一种全数字控制的工业激光器驱动电源
在当前工业激光精细加工领域,半导体泵浦激光器以其体积小、质量轻、转换效率高、寿命长、可以直接调制、驱动电源电压低,工作时安全等优点[1-2],大量取代氪灯泵浦激光器。由于半导体泵浦激光器是高功率密度器件,对于其工作电流和电压的稳定度要求很高,瞬态的电流和电压尖峰都会损伤激光器,因此除了要求半导体激光器驱动电源具有高电流稳定性、低纹波外,还需要完善的保护功能。现代工业应用还要求其具有远程通讯接口,以实现远程监控,以及远程控制电源的电流达到对激光能量进行直接调制的目的。这些要求,传统的模拟控制方式已经无法满足。
系统总体方案
本文介绍的一种基于TMS320F2812微控制器的全数字化控制半导体泵浦激光器驱动电源,它采用TMS320F2812实现高频率、高分辨率的数字调制PWM直接驱动功率回路,完全采用软件实现闭环的控制,结合高精度AD对输出电流进行反馈采样,以稳定输出电流;系统还提供六种保护功能;具有故障锁定及故障自诊断功能;具有数字化的远程通讯控制接口。其总体结构如图1所示。 
主要电路设计
主功率回路设计
为了提高效率,主功率回路采用开关电源拓扑,考虑到负载为最多12个2V30A的激光二极管,输出功率最大24V×30A=720W,选择半桥式拓扑较为恰当。其工作原理和电路设计方法可以参阅任何一本开关电源教材,在此从略。 
控制电路设计
由于采用了全数字化的控制方式,控制电路变得非常简洁,如图2所示。
采用74148对按键编码,键盘编码直接送到GPIOA0～2,采用中断方式处理按键,使用XINT1。显示采用标准的8位并行锁存显示方式,GPIOA3～5为地址线,GPIOA8～15为数据线。使用事件管理器EVA的timer1产生两路PWM信号T1PWM和T2PWM来驱动半桥桥臂的两个功率MOS。主功率回路反馈回来的电流送给ADCINA0进行AD采样。锁存后的6路保护信号送到GPIOB0～5以供查询,查询方式采用中断PDPITA,同时这个管脚还可以在保护时直接关闭事件管理器。与外设的通信采用标准UART实现,使用SCIA的一对收发管脚,可以通过UART实现上位机软件的对电源的控制和监控。 
保护电路、故障锁定和自诊断功能设计
为全面保护激光器和提高电源的可靠性,系统提供六种保护。输入欠电压和过电压保护使用简易的比较器监测市电电压即可。超温度和低水压保护直接利用温度开关和水压传感器给出开关量的保护信号即可。输出过电流保护使用软件和硬件两种方法同时实现:硬件上,取一路电流传感器输出的信号与一个基准电压比较,如果超过比较门限,则输出一个保护信号;软件上,DSP会检测AD采样所获得的电流值,一旦发现大于某个门限值,即表明发生过流。由于该电源是一个恒流源,因此输出一旦开路,负载阻抗瞬间会变得很大,输出电压会急剧上升,因此使用一个比较器监测输出电压即可实现输出开路(过电压)保护。
数字控制器设计
本系统的控制结构如图3所示。
图中将电流采样点放在电感回路可以提高系统的动态响应速度,IL的平均值等于Io。Kf是电流传感器的增益,Kf=0.082V/A(电流传感器的电流传输比为1000∶1,使用的采样电阻是82Ω)。KAD是AD采样的增益,AD的参考电压是3V,位数为12位,则KAD=4095/3=1365/V。KPWM是PWM模块的增益,KPWM=1/3000(PWM计数器周期的倒数,由于PWM时钟150MHz,周期为50kHz,故计数器周期为150MHz/50kHz=3000)。GC则为要设计的数字控制器。 
试验结果和分析
根据以上技术方案,我们与某企业合作研制了一台全数字化控制的半导体激光器驱动电源,通过长时间试验和测试,电源运行稳定,性能优良,为合作企业创造了较大的经济效益。
由试验结果可见,该电源的输出电流纹波非常小,从而可以使半导体激光器激光器输出的激光功率非常稳定,有利于实现激光的更加精细的加工;输出电流的的上升时间很快,这对直接调制激光功率,实现诸如激光灰度图像标记等高难度的应用非常有利,而且超调量为0,对于保护半导体激光器也很有利。
本文介绍的数控半导体激光器驱动电源,其优势是非常明显的:由于采用开关模式的功率回路,工作效率非常高。而微处理器和监控软件的引入,可以使电源具有自我监控能力,可以实时地监控电源本身的各种运行参数和状态,实现对电源管理的无人职守与远程监控。故障诊断功能可以使维护人员远程观察和控制电源设备的运行参数和状态,当出现故障时,可将故障信息及时上报,提高故障排除的效率。而且由于采用全数字化控制技术,可以有效地缩小电源体积,降低成本,采用优异的、智能化的控制策略,可以大大提高设备的可靠性和对用户的适应性。
系统总体方案
本文介绍的一种基于TMS320F2812微控制器的全数字化控制半导体泵浦激光器驱动电源,它采用TMS320F2812实现高频率、高分辨率的数字调制PWM直接驱动功率回路,完全采用软件实现闭环的控制,结合高精度AD对输出电流进行反馈采样,以稳定输出电流;系统还提供六种保护功能;具有故障锁定及故障自诊断功能;具有数字化的远程通讯控制接口。其总体结构如图1所示。
主功率回路设计
为了提高效率,主功率回路采用开关电源拓扑,考虑到负载为最多12个2V30A的激光二极管,输出功率最大24V×30A=720W,选择半桥式拓扑较为恰当。其工作原理和电路设计方法可以参阅任何一本开关电源教材,在此从略。
由于采用了全数字化的控制方式,控制电路变得非常简洁,如图2所示。
采用74148对按键编码,键盘编码直接送到GPIOA0～2,采用中断方式处理按键,使用XINT1。显示采用标准的8位并行锁存显示方式,GPIOA3～5为地址线,GPIOA8～15为数据线。使用事件管理器EVA的timer1产生两路PWM信号T1PWM和T2PWM来驱动半桥桥臂的两个功率MOS。主功率回路反馈回来的电流送给ADCINA0进行AD采样。锁存后的6路保护信号送到GPIOB0～5以供查询,查询方式采用中断PDPITA,同时这个管脚还可以在保护时直接关闭事件管理器。与外设的通信采用标准UART实现,使用SCIA的一对收发管脚,可以通过UART实现上位机软件的对电源的控制和监控。
为全面保护激光器和提高电源的可靠性,系统提供六种保护。输入欠电压和过电压保护使用简易的比较器监测市电电压即可。超温度和低水压保护直接利用温度开关和水压传感器给出开关量的保护信号即可。输出过电流保护使用软件和硬件两种方法同时实现:硬件上,取一路电流传感器输出的信号与一个基准电压比较,如果超过比较门限,则输出一个保护信号;软件上,DSP会检测AD采样所获得的电流值,一旦发现大于某个门限值,即表明发生过流。由于该电源是一个恒流源,因此输出一旦开路,负载阻抗瞬间会变得很大,输出电压会急剧上升,因此使用一个比较器监测输出电压即可实现输出开路(过电压)保护。
数字控制器设计
本系统的控制结构如图3所示。
图中将电流采样点放在电感回路可以提高系统的动态响应速度,IL的平均值等于Io。Kf是电流传感器的增益,Kf=0.082V/A(电流传感器的电流传输比为1000∶1,使用的采样电阻是82Ω)。KAD是AD采样的增益,AD的参考电压是3V,位数为12位,则KAD=4095/3=1365/V。KPWM是PWM模块的增益,KPWM=1/3000(PWM计数器周期的倒数,由于PWM时钟150MHz,周期为50kHz,故计数器周期为150MHz/50kHz=3000)。GC则为要设计的数字控制器。
根据以上技术方案,我们与某企业合作研制了一台全数字化控制的半导体激光器驱动电源,通过长时间试验和测试,电源运行稳定,性能优良,为合作企业创造了较大的经济效益。
由试验结果可见,该电源的输出电流纹波非常小,从而可以使半导体激光器激光器输出的激光功率非常稳定,有利于实现激光的更加精细的加工;输出电流的的上升时间很快,这对直接调制激光功率,实现诸如激光灰度图像标记等高难度的应用非常有利,而且超调量为0,对于保护半导体激光器也很有利。
本文介绍的数控半导体激光器驱动电源,其优势是非常明显的:由于采用开关模式的功率回路,工作效率非常高。而微处理器和监控软件的引入,可以使电源具有自我监控能力,可以实时地监控电源本身的各种运行参数和状态,实现对电源管理的无人职守与远程监控。故障诊断功能可以使维护人员远程观察和控制电源设备的运行参数和状态,当出现故障时,可将故障信息及时上报,提高故障排除的效率。而且由于采用全数字化控制技术,可以有效地缩小电源体积,降低成本,采用优异的、智能化的控制策略,可以大大提高设备的可靠性和对用户的适应性。