CN110463005A - 激光驱动电源 - Google Patents

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Abstract

通过控制装置(CM)，减少输入电压的变动所导致的输出电流的响应性变动，该控制装置(CM)具有作为调整器的电流变动减少控制单元(CFC)，该电流变动减少控制单元(CFC)在输入电压变动时，对输出电流指令信号、电流检测值或者控制增益的任意进行调整。

Description

激光驱动电源
技术领域
本公开涉及向激光焊接/切断机这种激光加工机的激光振荡器提供电流的激光驱动电源。
背景技术
近年来，金属加工领域中的高速/高品质化的要求提高。为了满足该要求，搭载有光纤激光器、直接二极管激光器这种半导体激光振荡器的加工机的导入正在进行。
半导体激光振荡器通过提供电流来输出激光，因此受到驱动电源的输出电流特性的影响。进行半导体激光加工机的导入的基础上，对该驱动电源也需要高性能/高品质。
驱动电源的输出电流响应性受到输入电压的变动的影响，若输入电压变低则响应性变迟，若输入电压变高则响应性变快。该响应性的变动特别是在脉冲电流输出这种需要陡峭的变化时影响变大。在激光加工机中，输出电流的变动成为赋予加工材料的热量的变动，对向加工材料的热输入有影响。因此，具有激光切断以及焊接的加工精度降低这些课题。
在现有技术中，公开了在驱动电源的逆变器部的前级具备将向逆变器部的输入电压控制为固定电压的电力转换器的结构。通过追加这样的电力转换器，即使输入电压变动也能够将向逆变器部的输入电压保持固定(例如专利文献1)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开平2-41778号公报
发明内容
但是，如现有技术那样，在设置固定电压控制用的电力转换器来对后级没有基于输入电压的变动的影响的结构中，具有成本增加、损耗增大、机器的大型化的课题。
本公开的一方式提供一种不需要追加的电力转换器，将输入电压的变动所导致的输出电流的变动消除的激光驱动电源。
本公开的一方式的激光驱动电源是一种用于对激光振荡器提供用于输出激光的电流，并对激光振荡器进行驱动的激光驱动电源，所述激光驱动电源具有电力转换器和控制装置，所述电力转换器具有：初级整流电路，对交流电力的输入电压进行整流并转换为直流电压；逆变器单元，将直流电压转换为交流电压；电力转换变压器，对交流电压进行电力转换并生成次级电流；次级整流电路，对次级电流进行整流并转换为提供给激光振荡器的输出电流；驱动电路，输出对构成逆变器单元的半导体开关进行驱动的驱动信号；和输出电流检测单元，对输出电流进行检测并对电流检测值进行输出，所述控制装置具有：电流变动减少控制单元，在相对于输出电流的响应性，输出电流的控制目标即输出电流指令信号的变化较快的情况下，调整电流检测值、输出电流指令信号、以及对电流检测值与输出电流指令信号的偏差进行控制的操作量的运算中使用的控制增益的至少任意一个信号，以使得减少因输入电压的变动所导致的输出电流的响应性的变动，来生成调整器信号，输出调整器信号；和输出电流控制单元，使用电流检测值、输出电流指令信号以及控制增益之中未被电流变动减少控制单元调整的信号和调整器信号，输出为了控制输出电流而输入到驱动电路的输出电流控制信号。
本公开的一方式所涉及的激光驱动电源不需要追加的电力转换器，能够消除因输入电压的变动所导致的输出电流的变动。
附图说明
图1是本公开的一方式所涉及的激光驱动电源的结构图。
图2是本公开的实施方式1中的激光驱动电源的电气连接图。
图3是在未追加电流指令调整器的驱动电源中，针对脉冲电流指令信号，表示基于输入电压的变动的输出电流的响应性的变化的一个例子的图。
图4是表示输出电流指令信号与电流指令调整器信号的一个例子的图。
图5是本公开的实施方式2中的激光驱动电源的电气连接图。
图6是表示本公开的实施方式2中的电压检测值与增益调整器信号的关系的一个例子的图。
具体实施方式
(实施方式1)
使用图1至图4来对本实施方式进行说明。图1表示基于本公开的一方式的激光振荡器的激光用的驱动电源的结构。该驱动电源具备电力转换器PCC和控制装置CM，是进行用于得到适合于激光振荡器LD的电流和电压的电力转换的激光驱动电源。电力转换器PCC具备初级整流电路DR1、逆变器单元IU、电力转换变压器MTr、次级整流电路DR2。初级整流电路DR1对交流电力的输入电压Vin进行整流，转换为直流电压。逆变器单元IU将直流电压转换为交流电压。电力转换变压器MTr对交流电压进行电力转换来生成次级电流。次级整流电路DR2对次级电流进行整流并转换为提供给激光振荡器LD的输出电流。
电力转换器PCC还具备驱动电路DrC和输出电流检测电路CT。驱动电路DrC输出对构成逆变器单元IU的半导体开关进行驱动的驱动信号DS。输出电流检测电路CT检测输出电流io，对输出电流检测值ict进行输出。此外，控制装置CM具备电流变动减少控制单元CFC、输出电流控制单元OCC、控制增益Cg。电流变动减少控制单元CFC对用于减少因输入电压的变动所导致的输出电流io的响应性的变动的调整器信号IK进行输出。输出电流控制单元OCC对逆变器单元IU进行控制，以使得输出电流io与作为控制目标的输出电流指令信号IS相等。控制增益Cg被用于对表示输出电流io的输出电流检测值ict与表示控制目标的输出电流指令信号IS的偏差进行控制的操作量的运算。
图2表示基于本公开的实施方式1的激光振荡器的激光驱动电源的结构。
初级整流电路DR1对三相交流的输入电压Vin进行整流并转换为直流电压的整流电压VDR。此外，逆变器单元IU具备：具有第1开关元件Q1和第2开关元件Q2的第1电路部、具有第3开关元件Q3和第4开关元件Q4的第2电路部。第1电路部与第2电路部并联连接。第1开关元件Q1与第2开关元件Q2串联连接。第3开关元件Q3与第4开关元件Q4串联连接。逆变器单元IU通过各开关元件的控制，将整流电压VDR转换为交流电压。
另外，开关元件也可以是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等的半导体开关。
电力转换变压器MTr包含初级侧线圈和次级侧线圈。初级侧线圈被连接于第1开关元件Q1的发射极与第4开关元件Q4的集电极之间。电力转换变压器MTr对输入到初级侧线圈的交流电压进行转换，将适合于激光振荡器LD的电压以及电流从次级侧线圈输出。此外，电力转换变压器MTr的次级侧线圈具有中间抽头。
次级整流电路DR2是将第1二极管D1的阴极与第2二极管D2的阴极连接的结构。将电力转换变压器MTr的次级侧的交流电流转换为直流电流的输出电流io。在电力转换变压器MTr的次级侧线圈的一端连接第1二极管D1的阳极，在次级侧线圈的另一端连接第2二极管D2的阳极。第1二极管D1与第2二极管D2的各阴极连接于激光振荡器LD的+端子。
电力转换变压器MTr的中间抽头与直流电抗器DCL的一端连接，直流电抗器DCL的另一端与激光振荡器LD的-端子连接。直流电抗器DCL对输出电流io进行平滑。由此，电力转换器PCC将适合于激光振荡器LD的输出电流io提供给激光振荡器LD。输出电流检测电路CT被设置于与激光振荡器LD连接的布线上，对输出电流检测值ict进行输出。
接下来，对进行电力转换器PCC的控制的控制装置CM进行说明。控制装置CM由输出电流控制单元OCC、控制增益Cg、对输出电流io的响应性的变动进行减少的电流变动减少控制单元CFC即电流指令调整器Ks构成。
输出电流指令信号IS是被外部输入或者内部生成，被作业人员调整的输出电流io所涉及的设定值信号，是表示输出电流io的控制目标的信号。
输出电流指令信号IS被输入到电流指令调整器Ks。电流指令调整器Ks由产生初级延迟的初级延迟构件(例如，初级低通滤波器等)构成。使用图2、图3以及图4来对电流指令调整器Ks的滤波器设计方法进行说明。
图3中表示输入了输出电流指令信号IS时的输出电流io的响应性的变动。这样，在向输出电流指令信号IS输入脉冲信号的情况下，如点划线所示，若输入电压Vin变高则输出电流io的响应性变快，如双点划线所示，若输入电压Vin变低则输出电流的响应性变迟。因此，根据输入电压Vin的变动，输出电流io的波形变化。
若相对于激光驱动电源的最迟的响应性，输出电流指令信号IS的变化为同等或者其以下，则输出电流io的波形不受输入电压Vin的变动的影响。在该情况下，能够使输出电流io的波形与输出电流指令信号IS的波形同等。图4中表示输入了输出电流指令信号IS时的电流指令调整器信号IKs的生成。这样，电流指令调整器Ks生成如上述那样对由虚线表示的输出电流指令信号IS赋予了延迟的、由实线表示的电流指令调整器信号IKs。
例如，输出电流io的响应性最迟是在激光驱动电源保障的输入电压Vin的范围内最低电压Vm的时候。因此，对作为输入电压Vin而输入最低电压Vm、作为输出电流指令信号IS而输入脉冲信号来使激光驱动电源进行动作时的、输出电流io的响应性进行测定。将电流指令调整器Ks内的初级延迟滤波器的滤波器特性设计为使得脉冲信号的变化与测定的响应性同等或者其以下。
输出电流控制单元OCC使用输出电流检测值ict、电流指令调整器信号IKs、控制增益Cg来生成输出电流控制信号OCS。控制增益Cg被用于对输出电流检测值ict与电流指令调整器信号IKs的偏差进行控制的操作量的运算。输出电流控制信号OCS是用于控制逆变器单元IU以使得输出电流io与电流指令调整器信号IKs相等的信号。
驱动电路DrC基于输出电流控制信号OCS，生成第1驱动信号DS1、第2驱动信号DS2、第3驱动信号DS3、第4驱动信号DS4。第1驱动信号DS1对第1开关元件Q1进行驱动。第2驱动信号DS2对第2开关元件Q2进行驱动。第3驱动信号DS3对第3开关元件Q3进行驱动。第4驱动信号DS4对第4开关元件Q4进行驱动。由此，输出电流io被控制。
通过上述的结构，通过调整输出电流指令信号IS，能够提供减少了因输入电压Vin的变动所导致的响应性的变动的输出电流io。
(实施方式2)
接下来，使用图5至图6来对实施方式2进行说明。图5表示基于本公开的实施方式2的激光振荡器的激光驱动电源的结构。在实施方式1中，电流指令调整器Ks被采用为控制装置CM所具有的对输出电流io的响应性变动进行减少的电流变动减少控制单元CFC。与此相对地，在实施方式2中，增益调整器Kg被采用为电流变动减少控制单元CFC。进一步地，在实施方式2中，电力转换器PCC具备电压检测电路VS，该电压检测电路VS对通过初级整流电路DR1来整流了输入电压Vin之后的电压即整流电压VDR进行检测。由于主要的电路动作与实施方式1相同，因此仅对与实施方式1不同的控制装置CM的控制方法进行说明。
电压检测电路VS为了对初级整流电路DR1的输出端子间的整流电压VDR进行检测，与初级整流电路DR1并联连接。通过电压检测电路VS而得到的电压检测值Vsen与控制增益Cg被输入到增益调整器Kg。增益调整器Kg对控制增益Cg乘上与电压检测值Vsen成反比的系数。增益调整器Kg的系数是将基准输入电压Vref除以电压检测值Vsen的值。增益调整器Kg将增益调整器Kg的系数乘以控制增益Cg来生成增益调整器信号IKg。图6表示电压检测值Vsen与增益调整器信号IKg的关系。
这样，电压检测值Vsen与增益调整器信号IKg是成反比的关系。此外，基准输入电压Vref是输入电压Vin的变动的中央值的情况下的、与电压检测值Vsen同等的值。例如，基准输入电压Vref在输入电压Vin的保障范围为160V至240V的情况下，与中央值200V时的电压检测值Vsen一致。
输出电流控制单元OCC使用增益调整器信号IKg、输出电流检测值ict、输出电流指令信号IS来生成输出电流控制信号OCS。输出电流控制信号OCS是用于控制逆变器单元IU以使得输出电流io与输出电流指令信号IS相等的信号。具体而言，输出电流控制信号OCS是用于对逆变器单元IU向电力转换变压器MTr提供电压或者电流的比例即导通率Duty进行控制的信号。
驱动电路DrC基于输出电流控制信号OCS，生成第1驱动信号DS1、第2驱动信号DS2、第3驱动信号DS3、第4驱动信号DS4。第1驱动信号DS1对第1开关元件Q1进行驱动。第2驱动信号DS2对第2开关元件Q2进行驱动。第3驱动信号DS3对第3开关元件Q3进行驱动。第4驱动信号DS4对第4开关元件Q4进行驱动。由此，输出电流io被控制。
例如，在输入电压Vin上升，电压检测值Vsen变得比基准输入电压Vref高，输出电流io的响应性较快的情况下，增益调整器Kg的系数小于1。并且，增益调整器信号IKg变得比控制增益Cg小，逆变器单元IU的导通率Duty被调整得较低。由此，输出电流io的响应性变迟。
相反地，在输入电压Vin下降，电压检测值Vsen变得比基准输入电压Vref低，输出电流io的响应性较迟的情况下，增益调整器Kg的系数大于1。并且，增益调整器信号IKg变得比控制增益Cg大，逆变器单元IU的导通率Duty被调整得较高。由此，输出电流io的响应性变快。
通过上述的结构，通过调整控制增益Cg，能够根据输入电压Vin的变动来控制输出电流io的响应性。因此，能够提供减少了输入电压Vin的变动所导致的响应性的变动的输出电流io。
如以上那样，本公开的一方式所涉及的激光驱动电源是一种用于对激光振荡器LD提供用于输出激光的电流，并对激光振荡器LD进行驱动的激光驱动电源。激光驱动电源由电力转换器PCC和控制装置CM构成。电力转换器PCC具备初级整流电路DR1、逆变器单元IU、电力转换变压器MTr、次级整流电路DR2。初级整流电路DR1对交流电力的输入电压Vin进行整流并转换为直流电压。逆变器单元IU将直流电压转换为交流电压。电力转换变压器MTr对交流电压进行电力转换并生成次级电流。次级整流电路DR2对次级电流进行整流并转换为提供给激光振荡器LD的输出电流。
电力转换器PCC还具备驱动电路DrC和输出电流检测电路CT。驱动电路DrC输出对构成逆变器单元IU的半导体开关进行驱动的驱动信号。
输出电流检测电路CT对输出电流io进行检测，对输出电流检测值ict进行输出。
此外，控制装置CM具有电流变动减少控制单元CFC，该电流变动减少控制单元CFC在相对于输出电流io的响应性，输出电流io的控制目标即输出电流指令信号IS的变化较快的情况下，将输出电流检测值ict、输出电流指令信号IS或者控制增益Cg的至少任意一个信号调整为使得减少输入电压Vin的变动所导致的输出电流io的响应性的变动来生成调整器信号IK，对调整器信号进行输出。
并且，控制装置CM具有输出电流控制单元OCC，该输出电流控制单元OCC使用输出电流检测值ict、输出电流指令信号IS以及控制增益Cg之内、未被电流变动减少控制单元CFC调整的全部信号和调整器信号IK，对输出电流控制信号OCS进行输出。
此外，除上述以外，作为方法之一，如实施方式1中详述那样，电流变动减少控制单元CFC也可以调整输出电流指令信号IS。具体而言，电流变动减少控制单元CFC也可以具有通过调整输出电流指令信号IS来生成电流指令调整器信号IKs的电流指令调整器Ks。电流指令调整器Ks具有初级延迟构件，该初级延迟构件在对输入电压Vin保障的电压范围内，对应于最迟的输出电流io的响应性，产生初级延迟以使得输出电流指令信号IS的变化变迟。向电流指令调整器Ks输入输出电流指令信号IS。激光驱动电源通过使输出电流指令信号IS的变化变迟，能够与输入电压Vin的变动无关地，相对于电流指令调整器信号IKs没有延迟地，或者以微量延迟控制输出电流io。
另外，所谓相对于输出电流指令信号IS而微量延迟下的输出电流io的控制，是指激光加工机的加工精度的偏差能够允许的程度的微量延迟。
此外，除上述以外，作为方法之一，如实施方式2中详述那样，电流变动减少控制单元CFC也可以调整控制增益Cg。具体而言，电力转换器PCC具备对输入电压Vin或者整流电压VDR进行检测的电压检测电路VS。此外，电流变动减少控制单元CFC具有增益调整器Kg，该增益调整器Kg通过将与电压检测值Vsen成反比的系数乘以控制增益Cg，来根据电压检测值Vsen调整控制增益Cg。
这样，本公开的激光驱动电源通过根据电压检测值Vsen来控制逆变器单元IU的导通率Duty，并控制输出电流io的响应性，从而减少输出电流io的响应性变动。
如实施方式1和实施方式2中详述那样，本公开所涉及的激光驱动电源通过具有电流变动减少控制单元CFC的控制装置CM的作用，来减少因输入电压Vin的变动所导致的输出电流io的响应性的变动。具体而言，控制装置CM具有对与控制有关的输出电流指令信号IS或者控制增益Cg进行调整的参数。电流变动减少控制单元CFC作为对输出电流指令信号IS、输出电流检测值ict或者控制增益Cg的任意进行调整的调整器而发挥作用。
通过这样的激光驱动电源，能够消除因输入电压的变动所导致的输出电流的变动，能够减少激光的输出变动。由此，能够提供加工精度的提高。进一步地，上述的激光驱动电源不需要追加的电力转换器、追加的元件。因此，能够低成本化、高效率化。
此外，实施方式2的控制装置CM接近于基准输入电压Vref时的输出电流io的响应性。因此，与实施方式1相比，能够加快输出电流io的响应性，减少响应性变动。但是，在调整后的导通率Duty超过导通率Duty的上限的情况下，响应性变动的减少效果变小。实施方式1的其他参数的影响较小，能够得到一定的减少效果。
另外，在实施方式1中，为了减少因输入电压的变动所导致的输出电流的响应性的变动，调整输出电流指令信号IS。在实施方式2中，取而代之，调整控制增益Cg。本公开并不局限于此，也可以调整输出电流检测值ict。通过输出电流检测值ict的调整，也能够减少输入电压的变动所导致的输出电流的响应性的变动。
此外，在实施方式1以及实施方式2中，被调整的信号均为一个。在实施方式1中，是输出电流指令信号IS，在实施方式2中，是控制增益Cg。本公开并不局限于此，被调整的信号也可以是两个或者三个。例如，也可以调整输出电流指令信号IS以及控制增益Cg这两个信号。此外，例如，也可以调整输出电流检测值ict、输出电流指令信号IS以及控制增益Cg这三个信号。
产业上的可利用性
本公开作为通过减少因输入电压的变动所导致的激光振荡器的激光驱动电源的输出电流变动，从而能够减少搭载有激光振荡器的激光加工机的加工精度的偏差的控制方法，在产业上有用。
-符号说明-
Vin 输入电压
PCC 电力转换器
DR1 初级整流电路
IU 逆变器单元
VDR 整流电压
Q1 第1开关元件
Q2 第2开关元件
Q3 第3开关元件
Q4 第4开关元件
MTr 电力转换变压器
DR2 次级整流电路
D1 第1二极管
D2 第2二极管
DCL 直流电抗器
io 输出电流
LD 激光振荡器
CT 输出电流检测电路
ict 输出电流检测值
CM 控制装置
CFC 电流变动减少控制单元
IK 调整器信号
OCC 输出电流控制单元
Cg 控制增益
Ks 电流指令调整器
IS 输出电流指令信号
IKs 电流指令调整器信号
Vm 最低电压
OCS 输出电流控制信号
DrC 驱动电路
DS1 第1驱动信号
DS2 第2驱动信号
DS3 第3驱动信号
DS4 第4驱动信号
VS 电压检测电路
Vsen 电压检测值
Kg 增益调整器
Vref 基准输入电压
IKg 增益调整器信号
Duty 导通率

Claims (3)

1.一种激光驱动电源，用于对激光振荡器提供用于输出激光的电流，对所述激光振荡器进行驱动，
所述激光驱动电源具有电力转换器和控制装置，
所述电力转换器具有：
初级整流电路，对交流电力的输入电压进行整流并转换为直流电压；
逆变器单元，将所述直流电压转换为交流电压；
电力转换变压器，对所述交流电压进行电力转换来生成次级电流；
次级整流电路，对所述次级电流进行整流并转换为提供给所述激光振荡器的输出电流；
驱动电路，输出对构成所述逆变器单元的半导体开关进行驱动的驱动信号；和
输出电流检测单元，对所述输出电流进行检测并输出电流检测值，
所述控制装置具有：
电流变动减少控制单元，在相对于所述输出电流的响应性，作为所述输出电流的控制目标的输出电流指令信号的变化较快的情况下，调整所述电流检测值、所述输出电流指令信号、以及对所述电流检测值与所述输出电流指令信号的偏差进行控制的操作量的运算中使用的控制增益的至少任意一个信号，以使得减少因所述输入电压的变动所导致的所述输出电流的响应性的变动，来生成调整器信号，并输出所述调整器信号；和
输出电流控制单元，使用所述电流检测值、所述输出电流指令信号以及所述控制增益之中未被所述电流变动减少控制单元调整的信号和所述调整器信号，输出为了控制所述输出电流而输入到所述驱动电路的输出电流控制信号。
2.根据权利要求1所述的激光驱动电源，其中，
所述至少任意一个信号是所述输出电流指令信号，
所述电力转换器具有对所述输入电压保障的电压范围，
所述控制装置中的所述电流变动减少控制单元具有电流指令调整器，所述电流指令调整器在被保障的所述电压范围内，对应于最迟的所述输出电流的响应性，调整所述输出电流指令信号以使得所述输出电流指令信号的变化变迟，
所述电流指令调整器具有初级延迟构件，所述初级延迟构件使所述输出电流指令信号产生初级延迟来生成所述调整器信号，
通过使所述输出电流指令信号的变化变迟，能够与所述输入电压的变动无关地，相对于所述调整器信号没有延迟、或者以微量延迟来控制所述输出电流。
3.根据权利要求1所述的激光驱动电源，其中，
所述至少任意一个信号是所述控制增益，
所述电力转换器具有对所述输入电压或者所述直流电压进行检测并输出电压检测值的输入电压检测单元，
所述控制装置的所述电流变动减少控制单元具有增益调整器，所述增益调整器通过将与所述电压检测值成反比的系数乘以所述控制增益，来根据所述电压检测值调整所述控制增益，
通过根据所述电压检测值来控制所述逆变器单元的导通率，并对所述输出电流的响应性进行控制，从而减少所述输出电流的响应性变动。
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