CN109104889B - 激光驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光驱动装置,所述激光驱动装置的高频电源(106)的输入端与电容器组(104)连接，且向激光光源(2)间歇地供给交流电压(VDRV)。在高频电源(106)的休止期间，充电电源(102)将电容器组(104)充电至目标电压(VREF)。

Description

激光驱动装置
技术领域
本发明涉及一种激光驱动装置。
背景技术
作为工业用加工工具，广泛普及有激光加工装置。图1是激光加工装置1r的框图。激光加工装置1r具备CO2激光器等激光光源2及向激光光源2供给交流电力以使其激励的激光驱动装置4r。激光驱动装置4r具备直流电源6及高频电源8。直流电源6通过使用PID(Proportional-Integral-Differential/比例-积分-微分)控制或PI(Proportional-Integral/比例-积分)控制等反馈控制，使其输出(即，直流电压VDC)稳定地成为目标值。高频电源8接收直流电压VDC，并将其转换为交流电压后供给至负载(即，激光光源2)。
在钻孔用激光加工装置1r中，激光光源2不连续运转。即，相对较短的几微秒～10微秒左右的发光期间和与其相同程度或较短或较长的休止期间交替重复。为了使激光光源2的输出能量稳定，直流电压VDC必须落在规定的容许变动范围内。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-100029号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
图2是图1的激光加工装置1r的动作波形图。在本说明书附图中的波形图及时序图中，为了便于理解，适当放大或缩小表示纵轴及横轴，并且所示出的各个波形也为了便于理解而进行了简化或夸张或强调。
根据激光光源2的点灯和熄灯，高频电源8重复动作期间和休止期间。在高频电源8从休止期间转变为动作期间时，在直流电源6中产生反馈的响应延迟，可能会导致直流电压VDC降低而脱离容许变动范围。在高频电源8从动作期间转变为休止期间时，由于反馈延迟，直流电压VDC上升，可能会导致其脱离容许变动范围。
并且，在切换为不同的加工时，有时要切换直流电压VDC的目标值。此时，若直流电源6的响应速度较慢，则直流电压VDC到达下一个目标值为止的过渡时间会变长。由于在过渡期间无法使激光光源2发光，因此成为降低运转率的主要原因。
本发明是鉴于所涉及的课题而完成的，其一种实施方式的示例性目的之一在于提供一种能够使输出能量稳定化的激光驱动装置。
用于解决技术课题的手段
本发明的一种实施方式涉及一种激光驱动装置。激光驱动装置具备：电容器组；高频电源，其输入端与电容器组连接，且向激光光源间歇地供给交流电压；及充电电源，在高频电源的休止期间，将电容器组充电至目标电压。
在该实施方式中，电容器组作为向高频电源供给电力的电源而发挥作用。在充电电源对电容器组进行充电的期间，高频电源处于停止状态，因此，充电电源实质上成为无负载的状态。因此，与需要在负载的变动中稳定电压的以往的直流电源相比，能够在短时间内将电容器组的电压稳定地充电至目标电压，进而能够使输出能量稳定化。
充电电源可以包括第1升压转换器。
第1升压转换器可以以不连续模式进行动作。此时，可以根据导通时间及电抗器的电感、转换器的输入电压来准确地控制基于一次开关动作(Switching)而供给至电容器组的电荷量，能够准确地控制电容器组的电压。
充电电源还可以包括电抗器的电感小于第1升压转换器的电抗器的电感第2升压转换器。由此，通过第1升压转换器，能够对电容器组以粗略的精度进行快速充电，并且通过第2升压转换器，能够对电容器组以较高的精度准确地进行充电，从而能够使电容器组的电压进一步接近目标电压。
可以在第1升压转换器对电容器组的充电动作之后，转变为第2升压转换器对电容器组的充电动作。
第1升压转换器可以为二极管整流型，第2升压转换器可以为同步整流型。第2升压转换器能够进行充电及放电，从而能够更加精确地调整电容器组的电压。
充电电源可以通过数值运算来求出第1升压转换器的导通时间。根据开始充电前的电容器组的电压与其目标电压之间的差值，可以计算出应向电容器组供给的电荷量，而且可以计算出导通时间。由此，不需要PI控制或PID控制，且响应延迟会变小。
另外，将以上构成要件的任意的组合或本发明的构成要件或表现在方法、装置、系统等之间相互置换的情况也作为本发明的方式而有效。
发明效果
根据本发明的一种实施方式，能够使输出能量稳定化。
附图说明
图1是激光加工装置的框图。
图2是图1的激光加工装置的动作波形图。
图3是实施方式所涉及的激光加工装置的框图。
图4是图3的激光加工装置的动作波形图。
图5是表示图2的充电电源的结构例的框图。
图6是第1升压转换器的动作波形图。
图7是图5的充电电源的动作波形图。
具体实施方式
以下，根据优选实施方式并参考附图，对本发明进行说明。并且，在各个附图中，对相同或等同的构成要件、构件及处理标注相同的符号，并适当省略重复说明。并且，实施方式并不用于限定本发明，实施方式只是示例，在实施方式中所记载的所有特征或其组合并不一定是发明的本质性的特征或其组合。
图3是实施方式所涉及的激光加工装置1的框图。激光加工装置1具备激光光源2及激光驱动装置100。激光光源2例如是CO2激光器。激光驱动装置100向激光光源2供给交流电力以使其激励。
激光驱动装置100具备充电电源102、电容器组104及高频电源106。高频电源106的输入端108与电容器组104连接，其输出端则与激光光源2连接。高频电源106接收在电容器组104中生成的直流电压VDC，并向激光光源2间歇性地供给交流电压(驱动电压)VDRV。即，在激光光源2的发光期间，高频电源106进行开关动作，在激光光源2的熄灯期间，高频电源106停止开关动作。以下，将高频电源106进行开关动作的期间称为动作期间，将停止开关动作的期间称为休止期间。高频电源106的结构并不受特别限定，可以使用公知的技术。
电容器组104可以看作是其单体向高频电源106供给电力的像蓄电设备那样的直流电源。充电电源102在高频电源106的休止期间中将电容器组104充电至目标电压VREF。在高频电源106的动作期间中，由于停止对电容器组104进行充电，因此电容器组104的电压VDC随着高频电源106的放电而下降。因此，电容器组104的容量设计成，在高频电源106的放电过程中直流电压VDC不会下降至低于容许范围。
以上是激光加工装置1的结构。接着，对其动作进行说明。图4是图3的激光加工装置1的动作波形图。高频电源106以5kHz左右的重复频率并以5％左右的占空比进行间歇动作。在高频电源106的动作期间中，电容器组104作为向高频电源106供给电力的电源而发挥作用。在该期间，充电电源102处于停止状态，电容器组104的直流电压VDC随着放电而下降。但是，由于电容器组104的容量足够大，因此直流电压VDC不会下降至低于容许电压范围。
若高频电源106停止动作而进入休止期间，则开始基于充电电源102对电容器组104的充电，电容器组104被充电至目标电压VREF。激光加工装置1重复该动作。
以上是激光加工装置1的动作。接着，对其优点进行说明。
在图1的激光加工装置1r中，直流电源6始终运作，因此其负载在动作中大幅变动，而这成为输出电压VDC变动的主要原因。相对于此，在图3的激光加工装置1中，在基于充电电源102对电容器组104进行充电的期间中，高频电源106处于停止状态，充电电源102实质上成为无负载的状态。即，在不产生负载变动的静止状态下，对电容器组104进行充电。因此，与需要在负载的变动中稳定电压的图1的直流电源6相比，能够在短时间内将电容器组104的电压VDC稳定地充电至目标电压VREF，进而能够使输出能量稳定化。
本发明适用于图3的框图或电路图，或者适用于由上述说明导出的各种装置及电路，并不限定于特定的结构。以下，为了便于理解本发明的本质或电路动作，并且为了明确本发明，对更加具体的结构例或实施例进行说明，但是其并不是为了缩小本发明的范围。
图5是表示图3的充电电源102的结构例的框图。充电电源102具备整流平滑化电路110、第1升压转换器112及第2升压转换器114。整流平滑化电路110接收商用交流电压VAC，并对其进行整流、平滑化，从而生成直流电压VIN。例如，商用交流电压VAC为三相220V，直流电压VIN为300V。
电容器组104的电压VDC的目标电压VREF例如为500V。第1升压转换器112接收直流电压VIN，向电容器组104供给充电电流ICHG1。第1升压转换器112对电容器组104进行快速充电。第1升压转换器112是具备电抗器L1、开关晶体管M1及整流二极管D1的二极管整流型。该第1升压转换器112所生成的充电电流ICHG1仅向对电容器组104进行充电的方向流动。
第2升压转换器114是为了以高于第1升压转换器112的精度来准确地对电容器组104进行充电而设置的。第2升压转换器114是具备电抗器L2、开关晶体管M2及同步整流晶体管M3的同步整流型。该第2升压转换器114所生成的充电电流ICHG2不仅可以向对电容器组104进行充电的方向流动，而且还可以向使电容器组104放电的方向流动。在电压VDC超出了目标值VREF时，可以通过第2升压转换器114向降低电压VDC的方向进行微调。
通过并用第1升压转换器112与第2升压转换器114，通过第1升压转换器112能够使电容器组104的电压VDC在短时间内接近目标电压VREF，并且通过第2升压转换器114能够使电压VDC以更高的精度进一步接近目标电压VREF，从而实现稳定化。
在此，第1升压转换器112需要对电容器组104进行快速充电，因而要求通过一次开关动作尽可能将更多的电流ICHG1供给至电容器组104。因此，电抗器L1的电感选择较大的值。
充电电荷量是充电电流的时间积分量。因此，在充电一定电荷量时，电流峰值越高，充电脉冲时间宽度越短。换言之，电感越小，充电速度越快。第2升压转换器114要求通过数次开关动作迅速微调电容器组104的电荷。因此，电抗器L2的电感优选为小于电抗器L1的电感的值。
图6是第1升压转换器112的动作波形图。优选地，第1升压转换器112控制成，以不连续模式(Discontinuous Mode)进行动作。在开关晶体管M1的导通时间TON1中，根据式(1)，电抗器电流IL1以斜率VIN/L1随着时间t的经过而增加。
IL1＝VIN/L1×t……(1)
在将开关晶体管M1的导通时间设为TON1时，电抗器电流IL1的峰值IPEAK成为式(2)。
IPEAK＝VIN/L1×TON1……(2)
若开关晶体管M1断开，则根据式(3)，电抗器电流IL1以斜率(VDC+Vf-VIN)/L1随着时间t的经过而减小。Vf是整流二极管D1的正向电压。如果使用通常的DC/DC转换器，则VDC可视为恒定，但在图5的充电电源102中，在开关晶体管M1的断开期间，电压VDC逐渐增加，因此斜率并不恒定。但是，在此为了便于说明，假设电压VDC是恒定的。
IL1＝IPEAK-(VDC+Vf-VIN)/L1×t……(3)
若忽略Vf，则获得式(4)。
IL1＝IPEAK-(VDC-VIN)/L1×t……(4)
图6的电抗器电流IL1中的画有阴影线的部分流向整流二极管D1，并且作为充电电流ICHG1供给至电容器组104。通过以电流不连续模式进行动作，可以根据导通时间TON1及电抗器L1的电感、转换器的输入电压VIN来准确地控制基于一次开关动作供给至电容器组104的电荷量，能够准确地控制电容器组104的电压VDC。
接着，对转换器的控制方法进行说明。
若与以往同样地利用PID控制器或PI控制器控制充电电源102的第1升压转换器112，则运算成本会变高，并且成为延迟的主要原因。对此，在本实施方式中，通过不依赖于PID控制器等的数值运算来求出第1升压转换器112的导通时间TON1。并且，第1升压转换器112设为仅进行一次开关动作。
应向电容器组104供给的电荷量ΔQ可以使用开始充电前的电容器组104的电压VINIT与其目标电压VREF之间的差值并根据式(5)计算出。CBANK是电容器组104的容量。
ΔQ＝CBANK×(VREF-VINIT)……(5)
因此，只要以使图6的充电电流ICHG1的积分值与ΔQ相等的方式计算出开关晶体管M1的导通时间TON1即可。
ΔQ＝∫ICHG1dt＝IPEAK×TD1/2＝CBANK×(VREF-VINIT)……(6)
具体而言，可以以如下方式计算出导通时间TON1。电流ID1(即，充电电流ICHG1)流过整流二极管D1的时间TD1，可以由式(4)计算出，其表示为式(7)。
TD1＝IPEAK×L1/(VDC-VIN)……(7)
若将式(7)代入到式(6)，则获得式(8)。
IPEAK×IPEAK×L1/(VDC-VIN)/2＝CBANK×(VREF-VINIT)……(8)
若将式(2)代入到式(8)并求出TON1，则获得式(9)。
Figure BDA0001723835280000071
由此，不需要PI控制或PID控制，且响应延迟变小。另外，具体的运算式并不限定于此。
图7是图5的充电电源102的动作波形图。若高频电源106进入休止期间，则首先基于第1升压转换器112对电容器组104进行快速充电。接着，开始第2升压转换器114的晶体管M2、M3的开关动作，由此，使电容器组104的电压VDC进一步接近目标电压VREF。
与第1升压转换器112相同，在第2升压转换器114中，也可以通过不依赖于PID控制器等的运算处理确定开关晶体管M2及同步整流晶体管M3的导通时间。
以上，根据若干个实施方式对本发明进行了说明。本领域技术人员应理解，这些实施方式只是为示例，这些各个构成要件或各个处理工艺的组合可以存在各种变形例，并且这种变形例也在本发明的范围内。以下，对这种变形例进行说明。
在基于图5的第1升压转换器112的充电能够使电压VDC足够接近目标值的情况下，可以省略第2升压转换器114。并且，在上述说明中，第1升压转换器112设为仅进行一次开关动作，但是，其也可以进行两次或三次左右的开关动作。开关动作的次数可以根据电容器组104的容量值及电抗器L1的电感来确定。
并且，也可以通过PID控制器控制充电电源102的第1升压转换器112或第2升压转换器114。在对第1升压转换器112或第2升压转换器114进行设计时，无需考虑负载变动，因此，只要设计成反馈环路在无负载状态下稳定即可。因此，与图1的直流电源6相比，能够提高响应性。
以上，根据实施方式并使用具体语句对本发明进行了说明，但是，实施方式只不过示出了本发明的原理、应用的一个侧面，在不脱离技术方案中所规定的本发明的思想的范围内，本实施方式允许多个变形例或配置的变更。
符号说明
100-激光驱动装置，102-充电电源，104-电容器组，106-高频电源，110-整流平滑化电路，112-第1升压转换器，114-第2升压转换器，L1、L2-电抗器，M1-开关晶体管。
产业上的可利用性
本发明能够利用于激光器。

Claims (7)

1.一种激光驱动装置，其特征在于，具备：
电容器组；
高频电源，其输入端与所述电容器组连接，且向激光光源间歇地供给交流电压；及
充电电源，在所述高频电源的休止期间，将所述电容器组充电至目标电压，
所述充电电源包括第1升压转换器及电抗器的电感小于所述第1升压转换器的电抗器的电感的第2升压转换器，
在所述第1升压转换器对所述电容器组的充电动作之后，转变为所述第2升压转换器对所述电容器组的充电动作。
2.根据权利要求1所述的激光驱动装置，其特征在于，
所述第1升压转换器是二极管整流型，
所述第2升压转换器是同步整流型。
3.根据权利要求1或2所述的激光驱动装置，其特征在于，
所述第1升压转换器以不连续模式进行动作。
4.根据权利要求1或2所述的激光驱动装置，其特征在于，
所述充电电源通过不依赖于PID控制或者PI控制的数值运算来求出所述第1升压转换器的导通时间。
5.一种激光驱动装置，其特征在于，具备：
电容器组；
高频电源，其输入端与所述电容器组连接，且向激光光源间歇地供给交流电压；及
充电电源，在所述高频电源的休止期间，将所述电容器组充电至目标电压，
所述充电电源包括第1升压转换器及电抗器的电感小于所述第1升压转换器的电抗器的电感的第2升压转换器，
所述第1升压转换器是二极管整流型，
所述第2升压转换器是同步整流型。
6.根据权利要求5所述的激光驱动装置，其特征在于，
所述第1升压转换器以不连续模式进行动作。
7.根据权利要求5或6所述的激光驱动装置，其特征在于，
所述充电电源通过不依赖于PID控制或者PI控制的数值运算来求出所述第1升压转换器的导通时间。
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