姜 宇，張承瑞，張金澤

(山東大學機械工程學院，濟南 250061）

0 引言

激光是20世紀60年代的出現(xiàn)的新光源，由于激光具有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點，在遠距離通訊、激光雷達 、數(shù)字信號的存儲和恢復、激光測距、醫(yī)學診斷、激光切割、激光焊接等方面都有廣泛的應用［1］。但激光器對工作條件要求苛刻，在不適當?shù)墓ぷ骰虼娣艞l件下，會造成性能的急劇惡化乃至失效。所以，使激光器品質更加優(yōu)良的，性能更加可靠的驅動電源研制勢在必行。新型的驅動電源除具備常規(guī)驅動器的功能外，還應該使輸出電流更穩(wěn)定，對激光器進行更加可靠、有效地保護。

在激光切割機中廣泛使用的是脈沖氙燈，它是一種充有氙氣，以脈沖放電方式輸出脈沖光的氣體放電燈，利用貯存的電能或化學能，在極短時間內發(fā)生高強度閃光的氙燈。脈沖氙燈選擇優(yōu)質濾紫外線石英管作為燈管材料，以高質密度電極為氙燈的電極，具有負載能力強，泵浦效率高，激光光束質量好，壽命長等特點。

目前氙燈的驅動電源大多采用模擬技術實現(xiàn)，參考文獻［2-3］提出了基于PLC和傳統(tǒng)的工頻變壓器的方式，它增大了濾波電容和大功率限流電阻，增大了電路的體積，也容易因干擾而產生誤操作，當電網(wǎng)電壓波動比較大時，也會使氙燈工作不正常。參考文獻［4］是基于DSP和CPLD的方式實現(xiàn)對脈沖氙燈電流的實時采集，利用外部A/D芯片采集輸入波形，通過CPLD實現(xiàn)對A/D芯片信號的控制，DSP用于實現(xiàn)上位機和CPLD之間的數(shù)據(jù)傳輸。它沒有完全充分利用CPLD與DSP的功能，可視化程度低，同時增加外部信號處理電路設計，抗干擾能力弱，電源穩(wěn)定度不高。參考文獻［5-8］介紹了一種基于單片機與FPGA的多功能連續(xù)半導體激光器的驅動電源控制，雖然解決了模式的單一問題，實現(xiàn)了多種功能連續(xù)半導體激光器的驅動，但是驅動器的穩(wěn)定性、可靠性、外部電路的簡化還需要進一步改善和提高。

綜合考慮這些因素，結合切割機系統(tǒng)的脈沖式電源的特點，必須按照一定的時序來控制整個供電系統(tǒng)。在氙燈正常工作的過程中，要嚴格控制燈的點燃、預燃、存儲電容器的充放電過程，滿足燈的光、電參數(shù)一致性好，燈一經點燃，幾乎是瞬時即可達到穩(wěn)定的光輸出;燈滅后，可瞬時再點燃。所以，提出了外部采用諧振開關電源，內部是基于ARM和FPGA切割機電源控制系統(tǒng)的設計方案。單獨的ARM具有專業(yè)的編碼器接口，能夠實現(xiàn)編碼器脈沖的采集與計算，但不能滿足對外部保護電路和一些開關量的控制，所以采用FPAG進行IO接口擴展，控制氙燈的時序。由ARM和數(shù)字子系統(tǒng)FPGA構成，提高了系統(tǒng)的性能指標，同時具有可靠性高、穩(wěn)定度好、成本低、研制周期短等優(yōu)點。用戶通過對激光切割機的電流，脈寬，頻率等參數(shù)設定，使切割參數(shù)與切割要求相匹配，以達到最佳的切割效果。因而，可以滿足不同厚度、不同種類金屬的切割需要。

1 系統(tǒng)總體方案及工作原理

1.1 系統(tǒng)總體方案設計

針對系統(tǒng)的要求，采用ARM和FPGA的相結合的控制方式。整體控制系統(tǒng)電路分為ARM控制核心單元電路、FPGA邏輯控制單元電路、液晶顯示電路、旋轉編碼器輸入電路、外部存儲電路、時鐘電路、保護電路、外部反饋電路以及諧振開關電源轉換電路。由于采用ARM與FPGA相結合的方法，由最簡單的硬件配置實現(xiàn)了智能化，具有體積小、操作簡單、功能強的特點。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)通電后，系統(tǒng)自動復位，通過旋轉編碼器選擇不同的狀態(tài)，如選項、計數(shù)、時間、編程和加載。各個狀態(tài)完成不同的功能模塊。具體功能如表1所示。

表1 系統(tǒng)狀態(tài)及功能介紹

通過ARM向FPGA發(fā)送指令，按照指令依次打開主繼電器和浪涌繼電器，并實現(xiàn)對要加工的氙燈啟輝操作。當設定符合加工要求的參數(shù)以后，ARM發(fā)送脈寬和頻率數(shù)據(jù)FPGA，確定打開和關閉IGBT時間。當ARM向FPGA發(fā)送發(fā)光指令操作的時候，F(xiàn)PGA依據(jù)脈寬和頻率執(zhí)行打開和關閉IGBT，從而實現(xiàn)對氙燈的打開和關閉操作。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 核心控制單元

在控制系統(tǒng)中，不僅要防止市電上電頻率的感應干擾，還必須防止數(shù)字電路對模擬電路的干擾，這也是抑制系統(tǒng)誤差來源，提高穩(wěn)定性、可靠性的關鍵［9］。STM32F系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核，芯片內集成了構成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設及其他功能部件。由于ARM本身具有電壓型D/A功能，不需要另外增加D/A電路，只需要通過加運放將輸出的電壓信號轉換成符合要求電壓信號即可。如圖2所示。

圖2 D/A輸出運放原理圖

ARM輸出電壓(控制最大輸出電壓為2V）:

運放電壓輸出:

其中，VDA為ARM輸出電壓;IIN為液晶屏顯示的加工輸入電流;VREF為ARM模擬參考電壓;IMAX，IMIN分別為加工的最大電流和最小電流;

在氙燈工作時，霍爾傳感器會檢測通過氙燈的電流，經一個對地電阻后的電壓作為反饋值進入比較器進行比較，以確定氙燈工作電流。比較器的另一端電壓分別為經D/A輸出的電壓設定值、電壓上限(設定值的120%）、電壓下限(設定值的20%）。如圖3所示。

圖3 電流反饋比較器

在氙燈剛打開的時候，電壓很小，小于電壓的下限，打開一定的時間后，電壓應該接近設定值，如果此時電壓還小于電壓下限，蜂鳴器報警。在燈打開一段時間后，電壓達到設定值，超過設定值后關斷IGBT，電壓減小，小于設定值后經過一段極短的時間再將IGBT打開，使電壓再度達到設定值，以此實現(xiàn)燈的電壓在設定值附近波動，宏觀上看燈的電壓就是設定值。如果燈的電壓持續(xù)增大，超過了設定值的120%，則視為燈過載了，時間長了燈會燒毀，此時蜂鳴器報警。

2.2 邏輯時序控制單元

系統(tǒng)設計中采用的是Integrator系列的FPGA進行邏輯時序控制，它具有豐富的門陣列資源，可以實現(xiàn)復雜的邏輯控制。對于不同輸入、輸出控制信號，其頻率和特征都不相同，需要根據(jù)具體要求和分析而確定合適的選通控制頻率。FPGA主要功能包括高頻時鐘的分頻、模擬開關的選通控制、編碼器脈沖的檢測、外部反饋及數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取?/p>

在切削的過程中，需要對缺相、水溫、出光、水壓等開關量控制信號和主繼電器、浪涌繼電器、四盞氙燈的啟輝等輸出信號。設計中采用光電耦合器對輸入端與輸出端進行完全的電氣隔離，使輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定。正常工作狀態(tài)下，光耦是導通的，反饋送至FPGA的信號為低電平;當出現(xiàn)故障的時候，光耦截止，反饋送至FPGA的信號為高電平，這時候系統(tǒng)蜂鳴器報警。

針對系統(tǒng)的參數(shù)外部液晶屏的控制，采用的是旋轉式編碼器。它有3個輸入，在旋轉時輸出帶有90°相位差的A、B兩路脈沖，在按下時會有一個按鍵閉合。FPGA通過對引腳的波形和高低電平來檢查編碼器輸入的信號是左旋、右旋還是按下并傳送給ARM進行處理。

2.3 輸出電壓穩(wěn)定性設計

為了減少高頻電磁干擾，電路盡量簡單，采用巴特沃斯型增益為2的無限增益多端反饋低通濾波器(MFB）。MFB濾波器是一種常用的反相增益濾波器，它還具有穩(wěn)定性好和輸出阻抗低等優(yōu)點，而巴特沃斯型低通濾波器具有在通頻帶內的頻率響應曲線最大限度的平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸衰減為零的特點［10］。設計濾波器的截止頻率為 fC=1KHZ，增益K=2，采用二節(jié)二階巴特沃斯濾波器，如圖2所示的電路圖。查表得歸一化系數(shù)B1=0.765367，C=1.000000，B2=0.765367，選擇 C2，C4的取值為接近于，并取標稱值0.01μF，選定 C1的最大標稱化值。

為了得到最佳性能，實用元件值應與計算結果相一致，高階濾波器較之低階濾波器的元件值要更加精確，通過采用串聯(lián)電阻實現(xiàn)這一要求。經過計算得:

在Multisim中進行仿真分析，從圖4可看到電路參數(shù)滿足通頻帶內平坦的設計要求。

圖4 MFB幅頻特性曲線

2.4 顯示屏和其他外圍電路設計

大屏幕液晶顯示屏，可直觀清楚地顯示出各種設定的參數(shù)以及實時工作狀態(tài)中的出光次數(shù)、氙燈工作時間等。系統(tǒng)使用的是迪文320×240的全雙工異步串口的液晶屏。系統(tǒng)中要存儲切割程序，數(shù)據(jù)量較大，并且不會因為掉電而丟失程序，所以加外部存儲器。同時，為了能更好的監(jiān)測氙燈工作的時間，保證氙燈的工作安全，反映系統(tǒng)出現(xiàn)的故障，在外部加入時鐘芯片和蜂鳴器。

輔助電源系統(tǒng)采用的是諧振開關技術的電路結構，可以實現(xiàn)電流過零時刻的關斷，能夠有效地減少開關損耗，從而提高了轉換效率。在輔助電源系統(tǒng)電路與控制系統(tǒng)電路的接口增加隔離措施，以防止電源主電路對控制電路的干擾而造成控制電路失控現(xiàn)象的發(fā)生。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主系統(tǒng)流程圖設計

激光切割機控制電源的工作運行比較復雜，對于各種干擾通過適當?shù)挠布娐纺苡枰砸种?，但對動作的時序控制以及對電流變化而造成輸出光功率起伏變化的控制，采用軟件方法卻能更加靈活、可靠和有效［11］。整個程序實行模塊化處理，包括主程序、參數(shù)設置、D/A轉換、液晶屏顯示、功率限制擬合、氙燈的預燃、啟輝、打開、SPI與RS232/RS485通訊等模塊。系統(tǒng)軟件主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 通訊協(xié)議設計

根據(jù)不同的通訊協(xié)議的特點，選擇不同的通訊協(xié)議對數(shù)據(jù)的傳輸起著重要的作用，良好的通訊協(xié)議有助于不同設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，能夠保障數(shù)據(jù)的可靠性。ARM與FPGA之間采用以ARM為主機的4線制SPI通信。為了能夠直接反應ARM操作過程，采用ARM自帶的UART與液晶屏通訊，同時為了滿足遠距離傳輸和上位機界面開發(fā)的需用，采用 RS232/RS485通訊方式，如圖6所示的通訊協(xié)議。ARM與FPGA之間的數(shù)據(jù)協(xié)議如表格2所示。

圖6 通訊協(xié)議

表2 ARM與FPGA之間的數(shù)據(jù)協(xié)議

數(shù)據(jù)幀頭和幀尾用于鑒別數(shù)據(jù)是否出錯，當幀頭和幀尾有任意一個數(shù)據(jù)出錯即認為該幀數(shù)據(jù)有錯誤，需丟掉重發(fā)。數(shù)據(jù)及指令是數(shù)據(jù)幀的主要部分，用于實現(xiàn)對切割機控制。

3.3 參數(shù)限制條件優(yōu)化

為保護氙燈和激光晶體棒，防止功率過大，以免造成氙燈或激光晶體棒的爆裂，要求控制系統(tǒng)自動對用戶所設置的參數(shù)進行限制。傳統(tǒng)的方式是依靠經驗來設置參數(shù)，受人為因素的影響，容易引起氙燈損壞。對于范圍較大的參數(shù)輸入，如果依靠ARM查詢的方式去判斷，相當費時，缺乏靈活性，所以采用MATLAB對已有的經驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合。如圖7所示的MATLAB擬合曲線圖和描點圖。

圖7 擬合曲線圖和描點圖

可以看出，將數(shù)據(jù)擬合成二次曲線最為合理，雖然曲線存在一定的誤差，但是已經滿足設計要求。由于表格的自變量t是電流除以3取整加1得到的，所以將t=代入得:

當i=250A，tD=2.4ms時，代入公式得:

由單脈沖功率限制公式得:

由平均功率限制公式得:

經查表3可以得到，擬合的曲線符合設計要求。由于所選ARM不支持浮點運算，令P(i）=48900i2+3090i-87200。通過此公式來判斷是否滿足功率限制條件。

表3 功率限制表

4 實驗結果分析

4.1 DA電壓輸出控制穩(wěn)定度分析

令驅動器工作在室溫下，DA輸出電壓分別為0.5V，1.0V，1.5V和2.0V。將輸出的電壓接入驅動器，測量經過運放的電壓值。以電壓的穩(wěn)定度來反映輸出電流的穩(wěn)定度，長期穩(wěn)定度實驗數(shù)據(jù)以1.0V為例，如表4和圖8所示。

表4 DA電流控制穩(wěn)定度數(shù)據(jù)

圖8 DA電流控制穩(wěn)定度曲線

長期穩(wěn)定度定義為在一定時間內，測量值的標準差與平均值的比值［1］。根據(jù)表4所示，當驅動器的輸出電壓是1V時，計算長期穩(wěn)定度。

4.2 氙燈電流反饋穩(wěn)定性分析

經過運放后的電流與IGBT的反饋電流通過比較器形成對比，以確定氙燈工作電流的范圍。通過編碼器設置電流值為150A，脈寬值為0.9ms，頻率值100Hz。由公式2計算出電壓為1.5V，通過示波器測量氙燈打開，關閉時間以及電壓來驗證電流、脈寬、頻率是否達到設計要求。如圖9和10所示波形圖，以看出頻率、電壓、脈寬都達到了設計要求。

圖9 頻率、電壓測試圖

圖10 脈寬測試圖

5 結束語

本系統(tǒng)基于ARM和FPGA設計技術，不僅能夠有效地實現(xiàn)上述功能，而且使整機操作簡單，界面友好，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾能力，實現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化、可控化。同時，電路設計中采用的是自上而下的模塊設計方法，即把整體電路分解為ARM和FPGA主控電路、保護電路、模數(shù)轉換電路、外部反饋電路、液晶顯示電路、ARM和FPGA的外圍功率驅動電路等一系列子電路，為激光切割機驅動電源性能的提高和擴展提供了有利條件。

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