基于CPLD的數字式大功率激光驅動(dòng)電源設計

引言

激光加工主要是利用CO：激光束聚焦在材料表 面使材料熔化，同時(shí)用與激光束同軸的壓縮氣體吹 走被熔化的材料，來(lái)完成所需軌跡圖形的切割或者相應工藝品表面的雕刻。激光加工屬于非接觸加工， 具有加工方法多、適應性強、加工精度高、質(zhì)量好和加工效率高等優(yōu)點(diǎn)。激光驅動(dòng)電源作為激光器的 直接控制單元，其光開(kāi)關(guān)響應的最高頻率和出光功率穩定和可靠性會(huì )直接影響最終的加工效果?；? 快速響應和出光穩定的需求，樂(lè )創(chuàng )自動(dòng)化技術(shù)有限公司研發(fā)了一種基于CPLD的數字式大功率激光驅 動(dòng)電源。

2 系統組成及其工作原理

2.1 系統組成

基于 CPLD的數字式大功率CO：激光驅動(dòng)電源 的系統結構如圖1所示。 該 系統 主 要由主電源、穩壓電源、輔助電源、驅動(dòng)橋路、逆變升壓、反饋電路和數字控制電路等部 分組成。其中主電源和穩壓電源主要完成AC20V 的輸人到310V直流電壓的穩定輸出，保證逆變升 壓部分在一個(gè)合理的參數下穩定可靠工作。輔助電源主要是將310V直流電壓轉換成SV和12V直流電 壓供數字控制部分和反饋比較器部分使用。驅動(dòng)橋路和逆變升壓主要是完成負載需要的約200(刃V高壓的輸出。反饋電路主要起到保護作用，控制輸出 電流的范圍。

2.2 工作原理

在激光驅動(dòng)電源的原理框圖中，AC202V經(jīng)過(guò) 整流濾波后產(chǎn)生310V的直流電壓，310V直流電壓經(jīng)過(guò)穩壓電源輸出穩定的310V直流電壓供逆變 升壓部分和輔助電源工作，輔助電源把3lOV直流電壓變成12V和SV直流電壓給數字控制部分和反 饋部分提供基準電壓。數字控制部分通過(guò)控制驅動(dòng)橋路的導通時(shí)間來(lái)完成功率的控制。反饋電路通 過(guò)采樣輸出源端的電流大小來(lái)保護輸出電流不超過(guò) 30MA。

3 功能的實(shí)現方法

3.主電路及穩壓電路部分

AC220V 經(jīng)過(guò)整流濾波后得到301V左右的直流電壓，再經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)型穩壓電源得到穩定的3lOV直流電壓。

3.2 驅動(dòng)橋路及逆變升壓部分

31O V 直 流電壓經(jīng)過(guò)半橋逆變得到高頻方波電 壓，為了保證低電流激光器的器輝，在逆變回路中采用了串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振技術(shù)。高頻升壓變壓器 和高壓整流電路構成的升壓部分被封裝成獨立的元件高壓包。設計中采用2個(gè)高壓包串聯(lián)輸出給激光 器供電。

3.3數字控制部分及反饋部分

數字部分采用CPLD控制，一方面CPLD完成 開(kāi)關(guān)光、水保護、過(guò)流過(guò)壓反饋等信號的邏輯控制， 另一方面主要是完成PWM波的輸出。

3.4 輔助電源部分

基于VIPer22 A變換器和高頻電源變壓器的輔 助電源，輸出電壓波形穩定無(wú)較大尖峰。

4 功能特點(diǎn)

4.1穩定性好，抗外電壓波動(dòng)性強，調節范圍大

由在逆變升壓電路之前設計了一級開(kāi)關(guān)型穩 壓電源，該穩壓電源能夠保證外網(wǎng)電壓在一15% (187V)一+10%(242V)之間變化時(shí)，逆變升壓部 分的基準電壓穩定在30v，這樣就保證了逆變升壓部分能工作在一個(gè)穩定的參數下，同時(shí)也就提高了其工作的穩定性。

4.2 頻率響應高

由于控制部分采用了基于CPLD的數字控制方 式，在激光雕刻加工中可以勝任lokb/s的控制脈 沖，能夠很好地完成坡度雕刻和小字的雕刻。

4.3 準確的功率控制

在激光切割加工中，由于數字控制模塊輸出的 驅動(dòng)脈沖的占空比不受外部非控制信號的影響，能 夠保證在長(cháng)時(shí)間工作下穩定的功率輸出。在激光雕刻中，能夠實(shí)時(shí)響應控制系統的功率數據，同時(shí)由 于激光器的出光功率與工作電流之間并不是線(xiàn)性關(guān)系，在坡度雕刻時(shí)，可以通過(guò)數字控制部分修正光 功率，使其以線(xiàn)性變化來(lái)保證在雕刻坡度中對坡度 的要求。

4.4 可以定制的控制方式

在激光加工應用中，有時(shí)會(huì )有很多特殊的加工 要求，如切割起始階段要求出光功率大一些。數字 控制方式能夠方便地修改程序來(lái)滿(mǎn)足相應的新要求。

5 結論

通過(guò)在成都微巨科技有限公司生產(chǎn)的1.6M的 激光器上長(cháng)時(shí)間測試，該激光驅動(dòng)電源頻率響應高、控制精確、且輸出電流紋波小，能夠保證激光器長(cháng) 期穩定的工作。