光纤激光器开关电源控制系统设计
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作者:庄圆 陆荣鑑 王立杰
摘 要：光纤激光器是近几年发展起来的新型激光器，其光电转换效率高，已广泛应用于金属切割。而其开关电源的控制系统是整个光纤激光器的心脏，开关电源控制性能的好坏直接影响强激光器电源的稳定性和可靠性，从而影响激光器输出激光的稳定性和可靠性。不仅如此，控制系统也对开关电源的数字化、模块化、可靠性以及稳定性起着决定性意义。本激光电源为光纤激光器开关电源，与以往的激光电源有较大的不同：采用dsPIC数字信号控制器实现PWM信号的输出、控制、检测，对三相电压进行缺相保护等一系列功能，同时采用CAN总线式通信方式来实现上位机与下位机信息的显示交流、信号的控制。
关键词：光纤激光器;开关电源;IGBT驱动;CAN总线;dsPIC
0 引言
光纤激光器由于具有相对理想的光束质量、超高的转换效率、完全免维护、高稳定性以及体积小等优点，对传统的激光行业产生了巨大而积极的影响。其开关电源作为激光器的核心器件，在激光加工技术的应用中扮演着至关重要的角色，光纤激光器开关电源的性能直接决定着激光器的技术水平。[1]
国外在很早就把开关电源应用在激光器上，大功率开关电源控制技术已很成熟。国外激光电源已经逐步从模拟控制系统转为数字化控制系统，[2]数字化控制系统主要是应用 51单片机或DSP数字信号处理器来控制。DSP数字信号处理器大多集成了ADC与PWM模块以及极高的运算速度，让DSP较容易与控制系统形成闭环，并能快速作出相应的控制算法及保护措施。[3]
先进的激光器开关电源控制系统是提高激光电源性能的重要技术指标，我国多个厂家也在研制小功率激光器用以开关电源。开关电源的特点是功率密度高，电压电流控制精度高、效率高、控制灵活，可以实现数字化控制。[4]
1 开关电源工作原理
三相交流电压输出电压为380V交流电压，经整流滤波后输出直流380V给IGBT驱动电路供电，dsPIC输出可调制PWM脉冲来驱动IGBT驱动电路实现逆变，再经过变压器变压，并经整流滤波至96V电压来触发谐振腔实现放电，同时对变压器初次两级进行电流检测和反馈。[5，6]
2 电压信号采集及故障保护电路
开关电源输出电流的稳定性决定着开关电源的技术水平。由于放电管内工作气体的流动及混合度造成了管内电阻的不稳定，致使放电管内电流变化大，造成光纤激光器输出功率不稳定。因此，本设计要对电管进行电流信号采集，通过A/D转换后，将电流值以数据形式发送到控制芯片，由于要满足控制系统上位机与下位机的通信要求，所以采用了带有2个增强型CAN的dsPIC33EP256MU806作为主控芯片。控制芯片对数据进行算法分析并改变输出PWM的占空比，从而达到自动稳流产生过流保护的效果，[7]也就提高了光纤激光器开关电源输出电流的稳定性。在光纤激光器运行的过程中，如果放电管内电压值输出过高，超过光纖激光器允许输出电流的最大值，我们称之为过流现象。那么硬件应该能够第一时间捕捉到过滤信号并产生硬件保护措施，同时相应地作出软件保护。例如，当电流经过过载电阻后，若还大于额定电流，则触发保护电路。
3 A/D转换电路
采用了带SPI串行接口的8通12位A/D转换器：MCP3204。该芯片对变压器的次级电流信号以及三相整流后的电压信号进行采集，然后通过SPI通信传送给控制芯片。其中，转换电路的基准电压由MCP1541提供4.096V电压。本设计将变压器次级电流通过霍尔电流传感器采集模拟电流值，通过MCP1541放大，输入A/D转换芯片MCP3204进行A/D转换。因为MCP3204的通信方式为SPI通信，SPI时钟频率最高为2.0MHz（VDD=5V）。芯片最多能实现8路模拟信号的AD转换。
4 IGBT驱动电路
采用ADUM1200驱动芯片，ADUM1200隔离器在一个器件中提供两个独立的隔离通道，两侧工作电压为2.7V～5.5 V，能够支持低电压工作并能实现电平转换。另外，ADUM1200隔离器也具有很低的脉宽失真。
5 温度报警检测电路
因为IGBT驱动电路的高速开关产生热量，散热板的温度必须控制在一定范围内，所以设计了通过散热板并利用温度传感器来检测温度。当温度过高时，信号FAULTTEM 置“1”，进而控制芯片dsPIC33EP256MU806采取相应措施。
6 CAN总线
CAN总线的全称是控制器局域网络总线，控制芯片集成的增强型控制器局域网（ECAN）完全符合CAN2.0B协议，且最高可编程比特率达1Mbps。[8]该CAN总线增强部分主要体现在它有32个报文缓冲区、16个接收过滤器、3个接收过滤屏蔽器。此外，32个报文缓冲都可用于接收，且报文缓冲区0～7也可用于发送。要通过CAN总线发送报文。首先要配置用于发送的报文缓冲区，并指定缓冲区的优先级。将CAN报文写入位于器件RAM中的报文缓冲区，然后把缓冲区的发送请求位置1，以启动报文发送。由于CAN总线网络是多节点的通信网络，在检测到总线处于空闲状态时，每个节点都有相同的机会发送报文，这样就难免会遇到在总线上发生数据冲突的可能。当出现这种情况时，将比较报文的发送优先级，优先级高的报文先发送，低的后发送，这样能够增强整个CAN总线的灵活性。CAN通信协议使用DMA0作为CAN1的接收通道，DMA1作为CAN1的发送通道。首先将DMA外设写冲突状态寄存器（DMAPWC）与DMA请求冲突状态寄存器（DMARQC）清零，DMA通道0与1的传输计数寄存器位设置为7，因为CAN总线报文是一个7个字数据。其次将DMA通道与外设关联，DMA0关联到ECAN1的接收数据就绪，DMA1关联到ECAN1的发送数据请求。设置数据传输长度位为字，DMA0的传输方向从外设地址读取写入DPSRAM地址，DMA1的传输方向从DPSRAM地址读取写入外设地址，当传送了所有数据时发生中断，DMA通道寻址模式为外设间接寻址模式。最后将DMA通道的起始地址（目标地址）设为CAN总线的报文缓冲区，并允许DMA中断。
7 结语
本文设计了一个基于CAN总线，以dsPIC33EP256MU806为核心控制芯片的光纤激光器开关电源控制系统。该开关电源相比于原PLC控制系统，价格较低、可靠性增强、精度提高，并且该激光器开关电源改变了传统激光器开关电源的控制方式，以数字信号的方式进行系统控制。相比传统的控制方式，不用对模拟调节器进行控制，提高了开关电源的可控性。此外，本设计还做了预留CAN通信端口，为以后光纤激光器与数控机床的有机结合做铺垫。
参考文献：
[1] 张缠保.新型半导体激光电源的设计[J].山西电力，2007.
[2] 基于DSP的连续固体激光电源数字控制技术的研究[D].华中科技大学硕士学位论文，2003.
[3] 盛秋林，张莉.激光电源的单片机控制系统[J].工业控制应用，2006，25（2）.
[4] 莫伟.浅析激光器的发展与激光测距的方法[J].电子测试，2013（9）：15-16.
[5] 郑为民，迟岩. IGBT-PWM变频器的步进控制工作模式分析[J].电气传动，2000（4）.
[6] 张恩军.大功率特种脉冲电源控制器研究[D].西安理工大学硕士学位论文，2004.
[7] 丁奉龙，周海燕.手持喷雾水电解机的控制装置设计[J].艺术科技，2019，32（08）：241+243.
[8] 刘金龙，常越.基于CAN总线的高压激光电源远程控制系统[J].高电压技术，2005（3）.
作者简介：庄圆（1997—），男，研究生在读，主要从事光机电一体化、嵌入式系统与设备控制的研究。
通讯作者：陆荣鑑（1964—），男，研究生，讲师，主要从事机电一体化、工业控制系统方向的研究。
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