基于CPLD的數(shù)字式大功率激光驅(qū)動電源設(shè)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，同時用與激光束同軸的壓縮氣體吹 走被熔化的材料，來完成所需軌跡圖形的切割或者相應(yīng)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(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、質(zhì)量好和加工效率高等優(yōu)點。激光驅(qū)動電源作為激光器的 直接控制單元，其光開關(guān)響應(yīng)的最高頻率和出光功率穩(wěn)定和可靠性會直接影響最終的加工效果。基于 快速響應(yīng)和出光穩(wěn)定的需求，樂創(chuàng)自動化技術(shù)有限公司研發(fā)了一種基于CPLD的數(shù)字式大功率激光驅(qū) 動電源。

2 系統(tǒng)組成及其工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

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

2.2 工作原理

在激光驅(qū)動電源的原理框圖中，AC202V經(jīng)過 整流濾波后產(chǎn)生310V的直流電壓，310V直流電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電源輸出穩(wěn)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(shù)字控制部分和反 饋部分提供基準(zhǔn)電壓。數(shù)字控制部分通過控制驅(qū)動橋路的導(dǎo)通時間來完成功率的控制。反饋電路通 過采樣輸出源端的電流大小來保護(hù)輸出電流不超過 30MA。

3 功能的實現(xiàn)方法

3.主電路及穩(wěn)壓電路部分

AC220V 經(jīng)過整流濾波后得到301V左右的直流電壓，再經(jīng)過開關(guān)型穩(wěn)壓電源得到穩(wěn)定的3lOV直流電壓。

3.2 驅(qū)動橋路及逆變升壓部分

31O V 直 流電壓經(jīng)過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(gòu)成的升壓部分被封裝成獨立的元件高壓包。設(shè)計中采用2個高壓包串聯(lián)輸出給激光 器供電。

3.3數(shù)字控制部分及反饋部分

數(shù)字部分采用CPLD控制，一方面CPLD完成 開關(guān)光、水保護(hù)、過流過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(wěn)定無較大尖峰。

4 功能特點

4.1穩(wěn)定性好，抗外電壓波動性強(qiáng)，調(diào)節(jié)范圍大

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

4.2 頻率響應(yīng)高

由于控制部分采用了基于CPLD的數(shù)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(zhǔn)確的功率控制

在激光切割加工中，由于數(shù)字控制模塊輸出的 驅(qū)動脈沖的占空比不受外部非控制信號的影響，能 夠保證在長時間工作下穩(wěn)定的功率輸出。在激光雕刻中，能夠?qū)崟r響應(yīng)控制系統(tǒng)的功率數(shù)據(jù)，同時由 于激光器的出光功率與工作電流之間并不是線性關(guān)系，在坡度雕刻時，可以通過數(shù)字控制部分修正光 功率，使其以線性變化來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(yīng)用中，有時會有很多特殊的加工 要求，如切割起始階段要求出光功率大一些。數(shù)字 控制方式能夠方便地修改程序來滿足相應(yīng)的新要求。

5 結(jié)論

通過在成都微巨科技有限公司生產(chǎn)的1.6M的 激光器上長時間測試，該激光驅(qū)動電源頻率響應(yīng)高、控制精確、且輸出電流紋波小，能夠保證激光器長 期穩(wěn)定的工作。