CN203422634U - 一种激光器控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光器控制装置，属于激光器控制技术领域。包括I/O接口模块、串口模块、控制模块、信号处理模块、PID控制模块、激光器驱动模块和信号采集模块；所述I/O接口模块和串口模块与所述控制模块相连，所述控制模块的输出端与所述信号处理模块的输入端相连，所述信号处理模块的输出端与所述PID控制模块的基准端相连，所述PID控制模块的控制端与所述激光器驱动模块的控制端相连，所述激光器驱动模块的输出端与激光器相连，所述信号采集模块的输入端与所述激光器相连，所述信号采集模块的输出端与所述PID控制模块的调节端相连。本实用新型实施例提供的控制装置可以使激光器输出功率抖动率低和使激光器执行效率高。

Description

一种激光器控制装置

技术领域

本实用新型属于激光器控制技术领域，特别涉及一种激光器控制装置，尤其涉及一种焊接用工业激光器的控制装置。

背景技术

焊接用工业激光器采用单片机人机操控系统，现有的控制方式分为本地和远程控制。本地控制主要通过外部输入模拟信号进行控制，主要通过单片机直接控制激光器驱动模块；远程控制则通过串口发送不同指令进行控制。但该两种控制方式存在以下不足：

模拟信号控制：传统的激光控制是通过外部输入模拟信号控制激光器驱动电源的输出功率从而达到所需要的激光功率，这样控制简单，但激光器输出功率不稳定，流过激光器的电流出现在设定值上下出现摆动，无法稳定，导致激光器输出不稳定，影响工业使用。

串口发送指令进行控制：通过串口通信向焊接用工业激光器发送指令，而焊接用工业激光器接收指令，对指令进行解码后执行相应的动作，执行时间长，执行效率低；且在工业应用环境存在各种干扰，导致串口通信的通信距离缩短，焊接用工业激光器接收指令的误码率增大，导致控制系统不稳定。

发明内容

为了解决模拟信号控制激光器功率不稳定和执行效率低等问题。在本实用新型中采取的技术手段包括硬件PID控制和控制模块通过I/O口连接到光电耦合器后再和外部设备连接，以提高系统的执行效率和稳定性。所述技术如下：

本实用新型实施例提供了一种激光器控制装置，该控制装置包括I/O接口模块、串口模块、控制模块、信号处理模块、PID控制模块、激光器驱动模块和信号采集模块；

所述I/O接口模块和串口模块与所述控制模块相连，所述控制模块的输出端与所述信号处理模块的输入端相连，所述信号处理模块的输出端与所述PID控制模块的基准端相连，所述PID控制模块的控制端与所述激光器驱动模块的控制端相连，所述激光器驱动模块的输出端与激光器相连，所述信号采集模块的输入端与所述激光器相连，所述信号采集模块的输出端与所述PID控制模块的调节端相连。

进一步地，本实用新型实施例中的I/O接口模块包括接线器和光电隔离单元，所述接线器、光电隔离单元和控制模块依次相连。

进一步地，本实用新型实施例中的信号处理模块包括基准信号单元、数模转换单元、阻抗匹配单元和PID控制模块，所述控制模块、数模转换单元和阻抗匹配单元依次相连，所述基准信号单元与所述数模转换单元相连。

进一步地，本实用新型实施例中的PID控制模块包括积分比较单元、相位补偿单元、稳压滤波单元和分压调节单元，所述信号处理模块、分压调节单元、稳压滤波单元和积分比较单元的同相输入端依次相连，所述积分比较单元的反相输入端与所述信号采集模块相连，所述积分比较单元的输出端、相位补偿单元和激光器驱动模块依次相连。

进一步地，本实用新型实施例中的信号采集模块包括电流采集单元、第一滤波单元、放大单元和第二滤波单元，所述激光器、电流采集单元、第一滤波单元、放大单元、第二滤波单元和PID控制模块的调节端依次相连。

优选地，本实用新型实施例中的装置还包括保护模块，所述保护模块与所述PID控制模块的基准端和激光器驱动模块相连。

进一步地，本实用新型实施例中的保护模块包括输入保护单元和输出保护单元，所述输入保护单元与所述PID控制模块的基准端相连，所述输出保护单元与所述激光器驱动模块相连。

本实用新型实提供的激光器控制装置的有益效果为：

1、模拟信号控制：通过闭环PID控制，激光器输出功率抖动率被控制在3%以内，输出功率稳定能满足工业需求。

2、外部I/O控制：I/O口控制方式比串口控制方式效率提高40%；使用串口操作指令时，指令响应时间为1ns，当用外部I/O替代串口操控时，指令执行时间提高到30us，满足工业焊接时与行程电机的很好合作。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的激光器控制装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的激光器控制装置的详细结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的激光器控制装置的部分电路图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述。

参见图1，本实用新型实施例提供了一种激光器控制装置，该控制装置包括I/O接口模块101、串口模块109、控制模块102、信号处理模块103、PID控制模块104、激光器驱动模块106和信号采集模块107。其中，I/O接口模块101和串口模块109与控制模块102相连，控制模块102的输出端与信号处理模块103的输入端相连，信号处理模块103的输出端与PID控制模块104的基准端相连，PID控制模块104的控制端与激光器驱动模块106的控制端相连，激光器驱动模块106的输出端与激光器108相连，信号采集模块107的输入端与激光器108相连，信号采集模块107的输出端与PID控制模块104的调节端相连。

其中，I/O接口模块101和串口模块109，用于实现激光器系统与外部设备之间的通信。

其中，控制模块102，用于控制整个激光器系统的运行，包括用于将外部控制信号换算为激光器驱动模块106的基准电流数字值。该基准电流数字值经过信号处理模块103转换为相应的模拟量，该模拟量作为PID控制模块104的基准量。

其中，激光器驱动模块106，用于为激光器108供电，并根据PID控制模块104输出的控制量稳定输出的功率。

其中，信号处理模块103，用于将控制模块102输出的控制信号转换为PID控制模块104的基准量。

其中，信号采集模块107，用于采集激光器108中的电流，并对采集到的电流进行滤波、放大等处理后作为PID控制模块104的调节量。

其中，PID控制模块104，用于比较基准量与调节量的差值，并将差值进行积分，积分时间为激光器工作周期，积分后的值作激光器驱动模块106的控制量，来稳定激光器驱动模块106的输出功率。

其中，本实用新型实施例提供的激光器控制装置的控制过程为反馈控制，反馈控制的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量（调节量），与期望值（基准量）相比较，用这个误差（控制量）纠正调节控制系统的响应。其具体控制过程如下：

参见图1，控制模块102接收I/O接口模块101或串口模块109的外部控制信号，并将外部控制信号转换为基准电流数字值，信号处理模块103将基准电流数字值转换为相应的模拟量，该模拟量作为PID控制模块104的基准量。此基准量首次全部传递给激光器驱动模块106，使激光器驱动模块106输出相应的电流值，激光器108开始工作。信号采集模块107检测激光器108中的电流，并对检测到的电流进行处理，再将处理后的电流作为PID控制模块104的调节量。PID控制模块104比较基准量和调节量，并对其差值进行积分，将积分后的控制量送到激光器驱动模块106，从而稳定激光器驱动模块106的输出功率，进而达到稳定激光器功率的目的。前述的控制方式形成一个闭合环路，实现了PID闭环控制。

其中，控制模块102可以为单片机、MCU等具有控制作用的控制芯片。

进一步地，参见图2，本实用新型实施例中的I/O接口模块101包括接线器1011和光电隔离单元1012。其中，接线器1011、光电隔离单元1012和控制模块102依次相连。光电隔离单元1012可以是常见的光电耦合器。

具体地，外部信号通过接插件引脚从外部引入，再经过光电耦合器进行数字信号的隔离，降低了外部信号对整个系统的干扰性。外部信号经过光电耦合器连接到单片机对应的引脚，外部I/O信号通过编码选择控制模块102内预存的1-63组数据，数据包含激光器的功率值和工作时间值。

串口模块109为常见的串口通信芯片，串口通信芯片将串口指令发送到控制模块102，控制模块102通过解码将串口指令进行转化，具体控制方式与I/0口控制方式相同。

其中，本实用新型通过接插件对激光器进行控制，方便使用、控制简单、无需编码，适合PLC连接时效果尤为突出。而串口在复杂环境下易收到干扰，所以在应用中主要通过I/O接口模块起控制作用，串口模块109起辅助作用。

进一步地，参见图2和图3，本实用新型实施例中的信号处理模块103包括基准信号单元1031、数模转换单元1032和阻抗匹配单元1033。其中，控制模块102、数模转换单元1032、阻抗匹配单元1033和PID控制模块104中的分压调节单元1044依次相连，基准信号单元1031与数模转换单元1032相连。

具体地，参见图3，基准信号单元1031包括电压基准芯片TL2和电阻R12、R13等，为数模转换单元1032提供精准的基准电压2.5V，电阻R18作为电压基准芯片TL2的限流电阻。数模转换单元1032为常见的数模转换芯片U4，如TLV5618。数模转换芯片U4的引脚1、2、3连接到单片机（控制模块102）引脚43、42、41通过串行通信进行数据的更新和变化。阻抗匹配单元1033包括运算放大器U3A、U3B，电路中运算放大器（U3A、U3B）各自的输出端和反相输入端直接连接，组成电压跟随器电路，对反相输入端的信号进行阻抗匹配。

进一步地，参见图2和图3，本实用新型实施例中的PID控制模块104包括积分比较单元1041、相位补偿单元1042、稳压滤波单元1043和分压调节单元1044。其中，信号处理模块103的阻抗匹配单元1033、分压调节单元1044、稳压滤波单元1043和积分比较单元1041的同相输入端依次相连，积分比较单元1041的反相输入端与信号采集模块107中的第二滤波单元1074相连，积分比较单元1041的输出端、相位补偿单元1042和激光器驱动模块106依次相连。

具体地，如图3所示，分压调节单元1044包括电位器W6和电阻R34，可通过调节电位器W6的大小改变运算放大器U8同相输入端的信号大小，从而可适应不同电源功率的输出，提高了电路的使用范围。稳压滤波单元1043包括电容C29、C19，用于对运算放大器U8正相输入信号进行稳压和滤波，电容C29可滤除有效信号中参杂的高频干扰信号，而C19可滤除有效信号中参杂的低频信号，从而保证运算放大器U8正相输入信号的信号纯度。相位补偿单元1042包括电容C35、C36，用于对运算放大器U8输出的信号进行相位补偿，使运算放大器U8输出的信号在时域上保证较小的延迟和超前，保证了信号的同步性。积分比较单元1041包括运算放大器U8和电容C33，其中，运算放大器U8用于计算其正相输入端、反相输入端信号的差值，而电容C33在电路中起到积分的作用，该电容将运算放大器U8上正相输入端、反相输入端信号的差值在连续时域内进行积分，积分的作用可以稳定控制信号，从而控制激光器输出功率的稳定。

进一步地，参见图2和图3，本实用新型实施例中的信号采集模块107包括电流采集单元1071、第一滤波单元1072、放大单元1073和第二滤波单元1074。其中，激光器108、电流采集单元1071、第一滤波单元1072、放大单元1073、第二滤波单元1074和PID控制模块104的调节端（积分比较单元1041的反相输入端）依次相连。第一滤波单元1072和第二滤波单元1074保证了信号的稳定和纯度。

具体地，如图3所示，电流采集单元1071包括电流检测电阻SHUNT1，串联在激光器电路中，为毫欧级电阻用来检测激光器驱动电流的电流值大小。放大单元1073包括运算放大器U7、电位器W2和电阻R27，运算放大器U7将检测电阻SHUNT1检测到的电流值进行放大，电阻R27作为运算放大器U7比例放大的基准电阻，R27和电位器W2共同决定运算放大器U7的放大倍数，通过调整电位器W2可调节运算放大器U7的放大倍数。第一滤波单元1072（一阶无缘低通滤波器）包括电阻R25、R26和电容C23、C26，用于对检测电阻SHUNT1检测到的电流信号值进行滤波。第二滤波单元1074（一阶无缘低通滤波器）包括电阻R33和电容C30，用于对运算放大器U7最终输出的放大信号进行滤波。

其中，激光器驱动模块106包括激光器电源、驱动电路、电源基准电压电路等结构，电源基准电压电路包括电压基准芯片TL3和电阻R38、R43，共同产生2.5V的基准电压用于为激光器电源提供基准电压，当运算放大器U8输出的控制信号大于2.5V时，强制使该点电压稳定在2.5V，从而保证激光器电源的基准电压不超标。

优选地，参见图2和图3，本实用新型实施例中的装置还包括保护模块105，保护模块105与PID控制模块104的基准端和激光器驱动模块106相连。

进一步地，本实用新型实施例中的保护模块105包括输入保护单元1051和输出保护单元1052，输入保护单元1051与PID控制模块104的基准端（分压调节单元1044的输入端）相连，其控制端可以与控制模块102相连，输出保护单元1052与激光器驱动模块106相连。

具体地，参见图3，输入保护单元1051包括晶体管Q3和电阻R30，Q3的控制端与控制模块102相连，具体连接到单片机的29引脚，通过晶体管Q3的开闭作用对激光器进行保护。当晶体管Q3闭合时，数模转换芯片U4产生基准信号直接连接到运算放大器U8；当晶体管Q3导通时，强制将数模转换芯片U4产生的基准信号连接到公共GND，使运算放大器U8的同相输入端变为0，从而将激光器电源的控制信号降低为零，迫使电源输出为最小值，保护激光器。

具体地，参见图3，输出保护单元1052为继电器强制保护单元，以继电器作为保护单元，可以通过按键控制。当设备开/关机时强制激光器驱动模块106设置为零输出，保护激光器的安全。通过继电器K1的开闭控制激光器驱动模块106的输出，效果和输入保护单元1051一样。不同的是，输入保护单元1051强制拉低运算放大器U8的输入信号，而输出保护单元1052是强制拉低运算放大器U8的输出信号，两种方式保证了在极端情况下激光器的安全。

显而易见地，本实用新型实施例还有电源模块为上述各模块和单元供电。

更具体地，本实用新型实施例提供的激光器控制装置的控制过程为：

参见图2和图3，单片机首先通过数模转换芯片U4将控制信号换算为电压基准芯片TL3的电流值，作为控制稳定性的基准。之后，将设定的激光器驱动电流作为运算放大器U8的正相输入，即控制基准；在控制基准的输入端分为2部分，一部分为外部输入的0-5V模拟信号（具体可以在信号处理模块103处并联一模拟信号输入接插件用于接收模拟信号，在输入模拟信号时选通），另外一部分为控制模块102输出的数字功率值经过数模转换芯片U4转换出的模拟信号，其中运算放大器（U3A、U3B）对模拟信号进行阻抗匹配后作为运算放大器U8的同相输入。将电流检测电阻SHUNT1检测到的电压值通过运算放大器U7将检测电阻上的电压放大100倍作为运算放大器U8的反相输入。运算放大器U8则会比较正相、反相输入端的信号差值，将差值通过电容C33进行积分，积分时间为激光器工作周期，将积分后的控制量送到电压基准芯片TL3，从而稳定电压基准芯片TL3的输出达到稳定激光器功率的目的。

本实用新型实提供的激光器控制装置的有益效果为：

本实用新型提供的激光器控制装置，通过采用PID闭环控制，使光器输出功率抖动率被控制在3%以内，功率输出稳定能满足工业需求。同时，通过I/O口控制方式比传统串口控制方式效率提高40%；使用串口操作指令时，指令响应时间为1ns，当用外部I/O替代串口操控时，指令执行时间提高到30us。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光器控制装置，其特征在于，包括I/O接口模块、串口模块、控制模块、信号处理模块、PID控制模块、激光器驱动模块和信号采集模块；

所述I/O接口模块和串口模块与所述控制模块相连，所述控制模块的输出端与所述信号处理模块的输入端相连，所述信号处理模块的输出端与所述PID控制模块的基准端相连，所述PID控制模块的控制端与所述激光器驱动模块的控制端相连，所述激光器驱动模块的输出端与激光器相连，所述信号采集模块的输入端与所述激光器相连，所述信号采集模块的输出端与所述PID控制模块的调节端相连。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述I/O接口模块包括接线器和光电隔离单元，所述接线器、光电隔离单元和控制模块依次相连。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述信号处理模块包括基准信号单元、数模转换单元和阻抗匹配单元，所述控制模块、数模转换单元、阻抗匹配单元和PID控制模块依次相连，所述基准信号单元与所述数模转换单元相连。

4.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述PID控制模块包括积分比较单元、相位补偿单元、稳压滤波单元和分压调节单元，所述信号处理模块、分压调节单元、稳压滤波单元和积分比较单元的同相输入端依次相连，所述积分比较单元的反相输入端与所述信号采集模块相连，所述积分比较单元的输出端、相位补偿单元和激光器驱动模块依次相连。

5.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述信号采集模块包括电流采集单元、第一滤波单元、放大单元和第二滤波单元，所述激光器、电流采集单元、第一滤波单元、放大单元、第二滤波单元和PID控制模块的调节端依次相连。

6.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述装置还包括保护模块，所述保护模块与所述PID控制模块的基准端和激光器驱动模块相连。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述保护模块包括输入保护单元和输出保护单元，所述输入保护单元与所述PID控制模块的基准端相连，所述输出保护单元与所述激光器驱动模块相连。

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