一種激光焊接脈沖電源及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于激光焊接設(shè)備電源領(lǐng)域，提供一種激光焊接脈沖電源及其控制方法，所述激光焊接脈沖電源包括數(shù)據(jù)信號(hào)處理器以及順次連接的開關(guān)直流升壓電路、開關(guān)直流降壓電路和氙燈。本發(fā)明僅使用了一塊DSP核心芯片進(jìn)行控制，在充放電控制過程中，根據(jù)采集到的當(dāng)前數(shù)據(jù)并結(jié)合比例積分算法，更新PWM升降壓控制信號(hào)的占空比，以控制開關(guān)直流BOOST升壓和開關(guān)直流BUCK降壓電路中的IGBT通斷，達(dá)到穩(wěn)定充放電流的目的，本發(fā)明電源高度集成，調(diào)試過程簡(jiǎn)單方便，而且激光電源穩(wěn)定性強(qiáng)，生產(chǎn)制造成本較低。
【專利說明】一種激光焊接脈沖電源及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光焊接設(shè)備電源【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種激光焊接脈沖電源及其控 制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 激光焊接電源是激光焊接設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，在光路一定的情況下，激光能量 穩(wěn)定性與激光焊接電源有著直接的關(guān)系，可見激光電源部分的重要性。
[0003] 傳統(tǒng)的激光焊接電源大都采用電源芯片（如TL494)控制，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮到 單塊電源芯片功能局限性，通常會(huì)采用多塊電源芯片參與控制，這增加了電路的復(fù)雜性。主 要有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：
[0004] 1、為了使激光電源能量輸出穩(wěn)定并且實(shí)現(xiàn)能量反饋方式和電流反饋方式需要多 塊電源芯片和與之配合外部分立元件，這就增加了電路板的面積難于做到小型化。
[0005] 2、使用分立器件較多，生產(chǎn)、調(diào)試、成本、及長(zhǎng)時(shí)間使用器件參數(shù)漂移都會(huì)帶來不 利影響。
[0006] 3、根據(jù)不同的氙燈負(fù)載調(diào)整放電特性只能通過更改電路來實(shí)現(xiàn)。
[0007] 4、難以做到激光電源輸出穩(wěn)定和放電波形實(shí)時(shí)監(jiān)控。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種激光焊接脈沖電源及其控制方法，旨 在解決現(xiàn)有激光焊接脈沖電源無法小型化、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、不便于監(jiān)控的技術(shù)問題。
[0009] -方面，所述激光焊接脈沖電源包括數(shù)據(jù)信號(hào)處理器以及順次連接的開關(guān)直流升 壓電路、開關(guān)直流降壓電路和氙燈，380V三相電經(jīng)由橋式整流器之后輸入至所述開關(guān)直流 升壓電路，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的一個(gè)脈沖編碼調(diào)制PWM控制端口連接到所述開關(guān)直流升 壓電路，另一個(gè)PWM控制端口連接到所述開關(guān)直流降壓電路，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的兩個(gè) 模數(shù)采樣口連接至所述開關(guān)直流升壓電路用于采集輸入電壓和充電電流，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處 理器的另兩個(gè)模數(shù)采樣口連接至開關(guān)直流降壓電路用于采集儲(chǔ)能電容高壓和放電電流，所 述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器根據(jù)采集到的輸入電壓和充電電流大小，并結(jié)合比例積分算法輸出PWM 升壓控制信號(hào)控制開關(guān)直流升壓電路，以穩(wěn)定充電電流；所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器根據(jù)采集到 的儲(chǔ)能電容電壓和充電電流大小，并結(jié)合比例積分算法輸出PWM降壓控制信號(hào)控制開關(guān)直 流降壓電路，以穩(wěn)定放電電流。
[0010] 進(jìn)一步的，所述橋式整流器輸出端作為正負(fù)極，所述開關(guān)直流升壓電路包括輸入 電容、第一電感、充電絕緣柵雙極型晶體管IGBT和第一二極管，所述輸入電容連接在所述 正負(fù)極之間，所述第一電感、第一二極管串聯(lián)在正極線路上，所述充電IGBT連接在所述第 一電感、第一二極管的連接點(diǎn)與負(fù)極之間，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的一個(gè)PWM控制端口連接 到所述充電IGBT的控制端，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的兩個(gè)模數(shù)采樣口分別用于采集所述輸 入電容兩端電壓以及正極線路上的充電電流。
[0011] 進(jìn)一步的，所述開關(guān)直流降壓電路包括儲(chǔ)能電容、放電IGBT、第二二極管、第三二 極管和第二電感，所述儲(chǔ)能電容連接在所述開關(guān)直流升壓電路輸出端，然后在正極線路上 分別串聯(lián)放電IGBT、第三二極管和第二電感，所述第二二極管連接在放電IGBT、第三二極 管的連接點(diǎn)與負(fù)極之間，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的另一個(gè)PWM控制端口連接到所述放電IGBT 的控制端，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的另兩個(gè)模數(shù)采樣口分別用于采集所述儲(chǔ)能電容兩端電壓 以及第二電感所在正極線路上的放電電流。
[0012] 進(jìn)一步的，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器還連接有時(shí)鐘、存儲(chǔ)器、觸摸屏。
[0013] 另一方面，所述激光焊接脈沖電源控制方法，包括：
[0014] 通過事件管理器設(shè)定的工作頻率觸發(fā)啟動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)處理器中的模數(shù)采樣器；
[0015] 采樣結(jié)束后產(chǎn)生中斷，獲取輸入電壓、充電電流、儲(chǔ)能電容電壓和充電電流數(shù)據(jù)；
[0016] 根據(jù)所述獲取的輸入電壓、充電電流、儲(chǔ)能電容電壓和充電電流數(shù)據(jù)，并采用比例 積分算法更新PWM升壓控制信號(hào)以及PWM降壓控制信號(hào)的占空比并輸出；
[0017] 開關(guān)直流升壓電路根據(jù)接收到的PWM升壓控制信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)能電容充電控制，以穩(wěn) 定充電電流，開關(guān)直流降壓電路根據(jù)接收到的PWM降壓控制信號(hào)進(jìn)行氙燈放電控制，以穩(wěn) 定放電電流。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明脈沖激光電源中，僅使用了一塊數(shù)據(jù)信號(hào)處理器 DSP核心芯片控制，在充放電控制過程中，根據(jù)采集到的當(dāng)前數(shù)據(jù)并結(jié)合比例積分算法，更 新PWM升降壓控制信號(hào)的占空比，以控制開關(guān)直流BOOST升壓和開關(guān)直流BUCK降壓電路中 的IGBT通斷，達(dá)到穩(wěn)定充放電流的目的，本發(fā)明電源高度集成，調(diào)試過程簡(jiǎn)單方便，而且激 光電源穩(wěn)定性強(qiáng)，生產(chǎn)制造成本較低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的激光焊接脈沖電源的電路圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的激光焊接脈沖電源控制方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0022] 為了說明本發(fā)明所述的技術(shù)方案，下面通過具體實(shí)施例來進(jìn)行說明。
[0023] 圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的激光焊接脈沖電源的結(jié)構(gòu)，為了便于說明僅示出 了與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的部分。
[0024] 如圖1所示，本實(shí)施例提供的激光焊接脈沖電源包括：數(shù)據(jù)信號(hào)處理器1以及順 次連接的開關(guān)直流升壓電路2、開關(guān)直流降壓電路3和氙燈4, 380V三相電經(jīng)由橋式整流器 (圖中未示出）之后輸入至所述開關(guān)直流升壓電路2,所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器1的一個(gè)脈沖編 碼調(diào)制PWM控制端口連接到所述開關(guān)直流升壓電路2，另一個(gè)PWM控制端口連接到所述開關(guān) 直流降壓電路3,所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器1的兩個(gè)模數(shù)采樣口連接至所述開關(guān)直流升壓電路2 用于采集輸入電壓和充電電流，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器1的另兩個(gè)模數(shù)采樣口連接至開關(guān)直 流降壓電路3用于采集儲(chǔ)能電容高壓和放電電流，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器1根據(jù)采集到的輸 入電壓和充電電流大小，并結(jié)合比例積分算法輸出PWM升壓控制信號(hào)控制開關(guān)直流升壓電 路，以穩(wěn)定充電電流；所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器1根據(jù)采集到的儲(chǔ)能電容電壓和充電電流大小， 并結(jié)合比例積分算法輸出PWM降壓控制信號(hào)控制開關(guān)直流降壓電路，以穩(wěn)定放電電流。 [0025] 本實(shí)施例采用了一塊數(shù)據(jù)信號(hào)處理器（即DSP芯片）作為脈沖電源控制核心，具 體的，利用DSP的AD采樣口從開關(guān)直流升壓電路采集輸入電壓VI和充電電流il，然后根 據(jù)比例積分算法計(jì)算此時(shí)PWM升壓控制信號(hào)PWM1的占空比，通過輸出的PWM1控制開關(guān)直 流升壓電路充電，充電電流il大小取決于PWM1的占空比，進(jìn)而可以控制其中IGBT的通斷， 以達(dá)到穩(wěn)定充電電流目的。同時(shí)，在放電過程中，放電電流的大小直接影響著激光能量的大 小，DSP采集當(dāng)前儲(chǔ)能電容高壓V2和放電電流i2,并根據(jù)接收到的電流設(shè)置參數(shù)，然后根據(jù) 比例積分算法計(jì)算此時(shí)PWM降壓控制信號(hào)PWM2的占空比并輸出PWM2信號(hào)，通過PWM2信號(hào) 可以控制其中IGBT的通斷，實(shí)現(xiàn)控制儲(chǔ)能電容對(duì)氙燈放電，以達(dá)到穩(wěn)定放電電流目的。
[0026] 本實(shí)施例中，DSP所采用的PI比例積分算法計(jì)算更新PWM升降壓控制信號(hào)的占空 t匕，即可以控制BOOST和BUCK降壓電路中IGBT的占空比，使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤 差。對(duì)應(yīng)？1算法，11〇 =邱*^(1〇1&-1)]+燈相〇〇，其中11〇為？1運(yùn)算結(jié)果，邱、燈為比 例項(xiàng)和積分項(xiàng)，e(k)為本次誤差，e(k-l)為上一次誤差。DSP對(duì)電壓電流采樣，經(jīng)過上述PI 算法產(chǎn)生的計(jì)算結(jié)果去調(diào)整IGBT的占空比大小，從而來控制負(fù)載氙燈穩(wěn)定。同時(shí)，本實(shí)施 例中，利用DSP多通道AD采樣功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸入電電壓、充電電流大小，及儲(chǔ)能電容 高壓、放電電流，甚至輸出激光能量實(shí)時(shí)波形。
[0027] 由于本實(shí)施例僅采用了一塊DSP芯片作為控制，做到了高度集成小巧化，調(diào)試過 程方便、激光電源穩(wěn)定性、生產(chǎn)成本較低。
[0028] 下面描述開關(guān)直流升壓電路2和開關(guān)直流降壓電路3的一種具體優(yōu)選結(jié)構(gòu)。
[0029] 所述橋式整流器（圖中未示出）輸出端作為正負(fù)極Pi+、Pi_，所述開關(guān)直流升壓 電路2包括輸入電容C1、第一電感L101、充電IGBT管V101和第一二極管D1，所述輸入電 容C1連接在所述正負(fù)極Pi+、Pi-之間，所述第一電感L101、第一二極管D1串聯(lián)在正極Pi+ 線路上，所述充電IGBT管V101連接在所述第一電感L101、第一二極管D1的連接點(diǎn)與負(fù)極 Pi-之間，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器1的一個(gè)PWM控制端口連接到所述充電IGBT管V101的控制 端，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器1的兩個(gè)模數(shù)采樣口分別用于采集所述輸入電容C1兩端電壓以及 正極Pi+線路上的充電電流。本結(jié)構(gòu)中，DSP可以采集到輸入電容C1兩端的輸入電壓值以 及正極線路上的充電電流值，并且根據(jù)比例積分算法可以計(jì)算得到PWM1的占空比并更新， 更新后的PWM1輸入至充電IGBT管V101以控制開斷時(shí)間，從而達(dá)到穩(wěn)定充電電流的目的。
[0030] 所述開關(guān)直流降壓電路3包括儲(chǔ)能電容C2、放電IGBT管V102、第二二極管D2、第 三二極管D3和第二電感L102，所述儲(chǔ)能電容C2連接在所述開關(guān)直流升壓電路輸出端，然后 在正極線路上分別串聯(lián)放電IGBT管V102、第三二極管D3和第二電感L102,所述第二二極 管D2連接在放電IGBT管V102、第三二極管D3的連接點(diǎn)與負(fù)極之間，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器 的另一個(gè)PWM控制端口連接到所述放電IGBT管V102的控制端，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的另 兩個(gè)模數(shù)采樣口分別用于采集所述儲(chǔ)能電容C2兩端電壓以及第二電感L102所在正極線路 上的放電電流。本結(jié)構(gòu)中，DSP可以采集到儲(chǔ)能電容C2兩端電壓值以及氙燈放電電流值， 根據(jù)設(shè)置的放電電流參數(shù)，并結(jié)合比例積分算法可以計(jì)算得到PWM2的占空比并更新，更新 后的PWM2輸入至放電IGBT管V102以控制開斷時(shí)間，從而達(dá)到穩(wěn)定放電電流的目的。
[0031] 進(jìn)一步優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器還連接有時(shí)鐘、存儲(chǔ)器SRAM、觸摸屏。為了近 一步提高運(yùn)行速度，本優(yōu)選方式中，DSP外擴(kuò)了 256K*16bit的SRAM，AD采集的主要模擬量 有輸入電壓大小、儲(chǔ)能電容高壓大小、充電電流大小、氙燈放電電流大小、激光能量大小等。 輸入10信號(hào)有液位、流量、水質(zhì)、溫度報(bào)警、IGBT保護(hù)、硬件保護(hù)、波形調(diào)用、腳踏信號(hào)等。兩 個(gè)事件管理器分別用來做輸出PWM控制信號(hào)使用。輸出10信號(hào)有狀態(tài)指示、預(yù)燃觸發(fā)、緩 上電、光閘控制等。SCI串行通信部分被用到了與上位機(jī)進(jìn)行485通信，操作人員通過觸控 可以對(duì)脈沖電源下發(fā)指令，也可以實(shí)時(shí)顯示出各種采集到的數(shù)據(jù)波形。
[0032] 另外，本實(shí)施例還提供了一種激光焊接脈沖電源控制方法，如圖2所示，包括下述 步驟：
[0033] S201、啟動(dòng)步驟。
[0034] DSP的事件管理器以設(shè)定的工作頻率觸發(fā)啟動(dòng)其中的模數(shù)采樣器。
[0035] S202、數(shù)據(jù)采集步驟。
[0036] 采樣結(jié)束后產(chǎn)生中斷，DSP獲取輸入電壓、充電電流、儲(chǔ)能電容電壓和充電電流數(shù) 據(jù)。
[0037] S203、PWM更新輸出步驟。
[0038] 根據(jù)所述獲取的輸入電壓、充電電流、儲(chǔ)能電容電壓和充電電流數(shù)據(jù)，并采用比例 積分算法DSP更新PWM升壓控制信號(hào)以及PWM降壓控制信號(hào)的占空比并輸出。
[0039] S204、充放電控制步驟。
[0040] 開關(guān)直流升壓電路根據(jù)接收到的PWM升壓控制信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)能電容充電控制，以穩(wěn) 定充電電流，開關(guān)直流降壓電路根據(jù)接收到的PWM降壓控制信號(hào)進(jìn)行氙燈放電控制，以穩(wěn) 定放電電流。計(jì)算完成清除本次中斷標(biāo)志位等待下一次中斷的到來。
[0041] 綜上，本發(fā)明技術(shù)方案只采用了一快DSP核心芯片，完成了所有的主電源回路控 制功能，降低了元器件的成本，提高了電源的穩(wěn)定性，便于生產(chǎn)調(diào)試及客戶使用維護(hù)。
[0042] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種激光焊接脈沖電源，其特征在于，所述激光焊接脈沖電源包括數(shù)據(jù)信號(hào)處理器 以及順次連接的開關(guān)直流升壓電路、開關(guān)直流降壓電路和氙燈，380V三相電經(jīng)由橋式整流 器之后輸入至所述開關(guān)直流升壓電路，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的一個(gè)脈沖編碼調(diào)制PWM控制 端口連接到所述開關(guān)直流升壓電路，另一個(gè)PWM控制端口連接到所述開關(guān)直流降壓電路， 所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的兩個(gè)模數(shù)采樣口連接至所述開關(guān)直流升壓電路用于采集輸入電壓 和充電電流，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的另兩個(gè)模數(shù)采樣口連接至開關(guān)直流降壓電路用于采集 儲(chǔ)能電容高壓和放電電流，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器根據(jù)采集到的輸入電壓和充電電流大小， 并結(jié)合比例積分算法輸出PWM升壓控制信號(hào)控制開關(guān)直流升壓電路，以穩(wěn)定充電電流；所 述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器根據(jù)采集到的儲(chǔ)能電容電壓和充電電流大小，并結(jié)合比例積分算法輸出 PWM降壓控制信號(hào)控制開關(guān)直流降壓電路，以穩(wěn)定放電電流。
2. 如權(quán)利要求1所述激光焊接脈沖電源，其特征在于，橋式整流器輸出端作為正負(fù)極， 所述開關(guān)直流升壓電路包括輸入電容、第一電感、充電絕緣柵雙極型晶體管IGBT和第一二 極管，所述輸入電容連接在所述正負(fù)極之間，所述第一電感、第一二極管串聯(lián)在正極線路 上，所述充電IGBT連接在所述第一電感、第一二極管的連接點(diǎn)與負(fù)極之間，所述數(shù)據(jù)信號(hào) 處理器的一個(gè)PWM控制端口連接到所述充電IGBT的控制端，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的兩個(gè)模 數(shù)采樣口分別用于采集所述輸入電容兩端電壓以及正極線路上的充電電流。
3. 如權(quán)利要求2所述激光焊接脈沖電源，其特征在于，所述開關(guān)直流降壓電路包括儲(chǔ) 能電容、放電IGBT、第二二極管、第三二極管和第二電感，所述儲(chǔ)能電容連接在所述開關(guān)直 流升壓電路輸出端，然后在正極線路上分別串聯(lián)放電IGBT、第三二極管和第二電感，所述第 二二極管連接在放電IGBT、第三二極管的連接點(diǎn)與負(fù)極之間，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的另一 個(gè)PWM控制端口連接到所述放電IGBT的控制端，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器的另兩個(gè)模數(shù)采樣口 分別用于采集所述儲(chǔ)能電容兩端電壓以及第二電感所在正極線路上的放電電流。
4. 如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述激光焊接脈沖電源，其特征在于，所述數(shù)據(jù)信號(hào)處理器 還連接有時(shí)鐘、存儲(chǔ)器、觸摸屏。
5. -種激光焊接脈沖電源控制方法，其特征在于，所述方法包括： 通過事件管理器設(shè)定的工作頻率觸發(fā)啟動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)處理器中的模數(shù)采樣器； 采樣結(jié)束后產(chǎn)生中斷，獲取輸入電壓、充電電流、儲(chǔ)能電容電壓和充電電流數(shù)據(jù)； 根據(jù)所述獲取的輸入電壓、充電電流、儲(chǔ)能電容電壓和充電電流數(shù)據(jù)，并采用比例積分 算法更新PWM升壓控制信號(hào)以及PWM降壓控制信號(hào)的占空比并輸出； 開關(guān)直流升壓電路根據(jù)接收到的PWM升壓控制信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)能電容充電控制，以穩(wěn)定充 電電流，開關(guān)直流降壓電路根據(jù)接收到的PWM降壓控制信號(hào)進(jìn)行氙燈放電控制，以穩(wěn)定放 電電流。
【文檔編號(hào)】H02M9/04GK104143934SQ201410408670
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月19日
【發(fā)明者】張麗華, 何智恒, 趙園利, 楊立昆 申請(qǐng)人:武漢華工激光工程有限責(zé)任公司