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激光切割机气压一般多大
发表时间:2021-08-05     阅读次数:85     字体:【

高功率TEA CO2激光器控制系统设计


摘要:随着高功率TEA CO2激光器技术的快速发展,及其在工业加工、科学研究、航空航天等领域的广泛应用,对其自身控制系统也提出了更高的性能要求。针对所研制的高功率TEA CO2激光器,设计了一种基于DSP数字信号处理器技术的控制系统,分别从硬件、软件两方面对控制系统的核心单元做了详细的介绍;为了克服激光器在工作过程中产生的强电磁干扰,对控制系统采取了屏蔽箱体结构、电源滤波、安全接地、数字滤波、关键数据存储自恢复、抗复位干扰等设计。经过激光器长时间运行试验,控制系统工作稳定、可靠,控制响应速度快,同时满足了抗强电磁干扰的设计要求,具有很好的实用和推广价值。

关键词:TEA CO2激光器;DSP;控制系统;电磁干扰

收稿日期:2015-11-12;修订日期:2015-12-14
基金项目:激光与物质相互作用国家重点实验室自主基础研究课题(SKLLIM1413)
作者简介:于德洋(1988-),男,研究实习员,硕士,主要从事激光器精密控制及其电子学技术方面的研究。Email:yudeyang830@163.com

0 引言

随着现代科学技术的进步,以激光器为基础的激光技术得到了迅速发展,在工业加工、航空航天、雷达探测、电子仪表等领域取得了重大应用。高功率TEA CO2激光器因其脉冲能量高、重复频率高、大气传输特性好等特点,是当前研究和应用最为广泛的高功率激光器之一[1-4]

高功率TEA CO2激光器是一种由机械结构、激光光学、高压充电电源、脉冲功率、自动控制、气体动力学、密闭真空、热交换和制冷等多学科技术交叉的大型高功率气体放电激光设备。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制的高功率TEA CO2激光器采用了高压直流放电激励、脉冲重复频率工作模式,激光工作介质由CO2、N2和He三种气体按照一定比例混合而成,在真空密闭环境下工作。激光器通过高频高压开关电源对储能电容进行充电,触发系统对高功率氢闸流管进行开关控制,从而在回路中产生放电脉冲;气体放电包括紫外预电离火花放电和“张氏电极”辉光放电,最后通过光学谐振腔使激光振荡放大定向输出。

高功率TEA CO2激光器对自身控制系统有着较高的性能要求:需要实时采集和监测激光器压力、温度、风机转速、高压电源电压、电流等参数,对激光器各单元运行情况进行监测和控制,同时为各单元提供配电。目前高功率TEA CO2激光器控制系统主要以可编程控制器、单片机等器件作为控制核心,其中,可编程控制器使用方便、维护简单、抗电磁干扰能力强,但其控制功能、数据处理功能较少、成本较高、运算处理速度慢,不适用于快速实时的现场控制应用;单片机虽然控制、运算处理能力优于可编程控制器,但其高精度实时控制和数据处理运算能力一般[5-6]

在中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制的高功率TEA CO2激光器控制系统中,选取了TI公司的数字信号处理器TMS320F2812作为主控芯片,该芯片具有较高的运算处理速度和丰富的控制接口、通信接口等片上外设资源,能有效提高控制系统运算处理能力、系统响应时间和硬件资源利用率。

高功率TEA CO2激光器的核心工作过程是对储能电容器进行连续高电压、大电流脉冲充放电,在气体放电的过程中会产生非常强的电磁脉冲,对电控系统形成强电磁干扰,因此,控制系统的抗电磁干扰设计尤为关键,直接关系到激光器系统的可靠、安全运行[7-8]

1 控制系统总体方案设计


图1为基于DSP的高功率TEA CO2激光器控制系统组成结构图。控制系统主要由DSP芯片、IO扩展CPLD芯片、信号采集调理电路、电平转换电路、芯片供电电路、OC门驱动电路、TL16C754并行转RS-422、RS-485串行通信接口电路、上位机软件操作界面几部分组成。其中上位机与电控单元通过RS-422串口进行通信,电控单元通过DSP芯片采集、处理和上传激光器电压、电流、腔压、腔温、轴温和各开关量信号等运行参数,同时对激光器系统提供配电,总配电功率30 kW;上位机实时显示和监测激光器运行状态,可以根据需要在上位机界面里选取50、100、200 Hz三种不同的激光发射频率。

2 控制系统硬件设计

2.1 AD信号采集处理设计

在激光器运行过程中,需要实时地采集和监测激光器温度、压力、高压电源电压、电流等信号量,通过DSP芯片外设ADC接口将温度传感器、压力传感器和高压电源采集的模拟信号量转换成数字量,然后进行相应运算处理得到实际的真实测量值,并通过串口通信远程传输至上位机界面显示。

高压电源单元上传的输出电压、电流信号量是0~3 V模拟量,对应电压、电流量程范围分别为0~40 kV和0~1 A。通过DSP芯片ADC外设接口采集高压电源电压、电流两路模拟信号量,转换成数字信号量,并进行对应量程关系运算转换,即可得到实际的高压电源电压、电流值。

激光器腔内压力测量选取的是上海天沐公司生产的0.1 MPa量程NS-P-I型压力传感器,输出为0~5 V电压信号量。图2、图3分别为压力传感器实物图以及在激光器上的安装位置图。

激光器腔温、腔风机轴温、线圈温度通过PT100传感器进行测量,选取了上海辰竹仪表公司生产的CZ3079型隔离温度变送器,将PT100阻值转换成1~5 V电压信号量,经过电阻分压转换为0.5~2.5 V电压信号,最后输入至DSP芯片ADC采样端口。图4、图5分别为选取的PT100温度传感器实物图以及测量激光器腔温的传感器安装图。


2.2 IO扩展CPLD电路设计

由于激光器控制系统需要采集和驱动的信号量较多,DSP芯片自身IO引脚资源有限,因此需要对其IO引脚进行扩展。在设计中选取了Altera公司的EPM7128 CPLD芯片进行IO扩展,如图6所示,DSP芯片8位数据总线,6位地址线,读写控制引脚、中断响应引脚分别与CPLD芯片相连,通过CPLD内部译码电路实现接口扩展、与TL16C754芯片串行通信、产生8路开关量驱动信号和2路脉冲触发信号的功能。


3 控制系统软件设计

3.1 上位机软件设计

控制系统上位机软件可以实时监测和控制激光器运行情况,显示激光器高压电源电压、电流、腔温、轴温、腔内压力等参数值,同时对风机、触发电源、高压电源等单元进行故障检测和显示。上位机软件界面的设计及数据通信处理由Microsoft Visual Basic编写完成,操作界面如图7所示。


3.2 基于Modbus协议的变频器远程通信设计

在激光器控制系统设计中,两台变频器选取了ABB公司生产的160 kW ACS510型变频器,DSP芯片基于Modbus协议,与两台变频器分别通过RS485串行总线进行远程通信控制。DSP与变频器远程通信流程设计如下。

变频器初始化操作:向Modbus 40001寄存器中写入1142,延时200 ms;

启动电机:向Modbus 40001寄存器中写入1151,延时20 ms;

停止电机:向Modbus 40001寄存器中写入1143,延时20 ms。

4 抗电磁干扰设计

激光器工作时产生的强电磁干扰对控制系统的影响主要体现为:发射激光过程中,控制系统DSP芯片受到干扰自动复位,使激光器系统突然停机,对风机、电源等设备造成冲击损害;操作界面显示参数出现跳变、乱码,无法正常监测激光器各单元运行状态;在软件界面中对激光器进行运行操作,系统无响应、不受控制等干扰现象。下面主要从硬件、软件两个方面介绍控制系统的抗电磁干扰设计。

4.1 抗干扰硬件设计

控制系统硬件抗干扰主要采取了屏蔽箱体外壳、输入供电接入电源滤波器、系统安全接地等方法。其中,控制系统外壳设计采用了屏蔽箱体结构,利用密封衬垫、铍铜指形簧片等材料对箱体的缝隙、开门处进行了电磁密封设计;供电系统的电源线传导发射是系统的主要干扰源之一,在供电输入端加入了电源滤波器,由于其阻高频、通低频的特性,可以有效切断电磁干扰能量的传播路径;激光器系统中的各种供电、控制、信号、通信线缆均采用了编织丝网和金属箔组合的屏蔽封装电缆,电缆本身屏蔽层良好接地,可以将干扰电流引入大地,从而保证电缆内部线芯不受电磁干扰;最后,对激光器系统进行良好的安全接地设计,各单元接地点汇于大地,有效减小各单元之间的地环路电磁干扰[9-10]

4.2 抗干扰软件设计

针对激光器在出光发射过程中对系统自身产生的强电磁干扰现象,主要设计了以下几个软件抗干扰模块:采样数据数字滤波处理、关键数据存储自恢复、抗复位干扰模块。

采样数据数字滤波处理主要是针对控制系统采集到的腔温、腔压、电压、电流等模拟量信号,由于电磁干扰,可能在传感器采集和向控制系统传输过程中发生变化,通过限幅滤波对干扰部分信号进行滤除。根据实验估算确定连续两次AD采样的最大接受变化量x,如果新采集的测量值与上一次测量值变化量超过x,则输入信号可能存在干扰,采样值仍采用上次的测量值;如果变化量不超过x,则认为所采集信号为正常测量值。

关键数据存储自恢复主要原理是:DSP芯片在运算控制过程中会产生和采集到大量的数据,其中一些是关键数据,这些数据反映了激光器当前的运行状态。关键数据一旦受到干扰,有可能导致激光器系统失控。根据EEPROM存储抗干扰能力强的特点,将关键数据以余度的方式存放在物理地址上分开的数据存贮区内和EEPROM中,以进行关键数据备份。在控制系统程序运行时,关键数据实时更新、存储备份,如果检测到关键数据损坏,则用EEPROM中的备份数据进行恢复。

抗复位干扰模块用于保证若控制系统非正常复位,在启动后仍能保证复位前的工作状态,使激光器正常工作。抗复位干扰模块流程图如图8所示。


5 结论

文中结合高功率TEA CO2激光器的主要组成结构和工作原理,设计了一种基于DSP数字信号处理器的激光器控制系统,介绍了该控制系统的总体方案设计、硬件电路设计和软件设计;针对高功率TEA CO2激光器在工作过程中产生的强电磁干扰现象,对控制系统采取了屏蔽箱体结构、电源滤波、安全接地、数字滤波、关键数据自恢复、抗复位干扰等设计。

经过对比试验发现,控制系统未采取抗电磁干扰设计前,激光器在出光运行中会有激光发射中断、控制界面操作无响应、参数跳变等电磁干扰现象;对控制系统实施了软、硬件抗干扰设计后,通过激光器长时间出光试验,控制系统工作稳定、可靠,利用能量计测得激光器单脉冲能量5.3 J,利用功率计测得激光器在200 Hz重复频率工作下,出光功率可以达到1 000 W以上。

控制系统由于选取了数字信号处理器DSP以及固态继电器等电子器件,与基于PLC控制、采取继电器接触器作为主配电回路控制器件的老式高功率TEA CO2激光器控制系统相比,体积、重量大幅减小,控制响应速度快,稳定性高,具有很好的实用和推广价值。


 
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