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摘要：光纖激光器是近幾年發展起來的新型激光器，其光電轉換效率高，已廣泛應用于金屬切割。而其開關電源的控制系統是整個光纖激光器的心臟，開關電源控制性能的好壞直接影響強激光器電源的穩定性和可靠性，從而影響激光器輸出激光的穩定性和可靠性。不僅如此，控制系統也對開關電源的數字化、模塊化、可靠性以及穩定性起著決定性意義。本激光電源為光纖激光器開關電源，與以往的激光電源有較大的不同：采用dsPIC數字信號控制器實現PWM信號的輸出、控制、檢測，對三相電壓進行缺相保護等一系列功能，同時采用CAN總線式通信方式來實現上位機與下位機信息的顯示交流、信號的控制。

關鍵詞：光纖激光器；開關電源；IGBT驅動；CAN總線；dsPIC

引言

光纖激光器由于具有相對理想的光束質量、超高的轉換效率、完全免維護、高穩定性以及體積小等優點，對傳統的激光行業產生了巨大而積極的影響。其開關電源作為激光器的核心器件，在激光加工技術的應用中扮演著至關重要的角色，光纖激光器開關電源的性能直接決定著激光器的技術水平。［1］國外在很早就把開關電源應用在激光器上，大功率開關電源控制技術已很成熟。國外激光電源已經逐步從模擬控制系統轉為數字化控制系統，［2］數字化控制系統主要是應用51單片機或DSP數字信號處理器來控制。DSP數字信號處理器大多集成了ADC與PWM模塊以及極高的運算速度，讓DSP較容易與控制系統形成閉環，并能快速作出相應的控制算法及保護措施。［3］先進的激光器開關電源控制系統是提高激光電源性能的重要技術指標，我國多個廠家也在研制小功率激光器用以開關電源。開關電源的特點是功率密度高，電壓電流控制精度高、效率高、控制靈活，可以實現數字化控制。［4］

1開關電源工作原理

三相交流電壓輸出電壓為380V交流電壓，經整流濾波后輸出直流380V給IGBT驅動電路供電，dsPIC輸出可調制PWM脈沖來驅動IGBT驅動電路實現逆變，再經過變壓器變壓，并經整流濾波至96V電壓來觸發諧振腔實現放電，同時對變壓器初次兩級進行電流檢測和反饋。［5，6］

2電壓信號采集及故障保護電路

開關電源輸出電流的穩定性決定著開關電源的技術水平。由于放電管內工作氣體的流動及混合度造成了管內電阻的不穩定，致使放電管內電流變化大，造成光纖激光器輸出功率不穩定。因此，本設計要對電管進行電流信號采集，通過A/D轉換后，將電流值以數據形式發送到控制芯片，由于要滿足控制系統上位機與下位機的通信要求，所以采用了帶有2個增強型CAN的dsPIC33EP256MU806作為主控芯片。控制芯片對數據進行算法分析并改變輸出PWM的占空比，從而達到自動穩流產生過流保護的效果，［7］也就提高了光纖激光器開關電源輸出電流的穩定性。在光纖激光器運行的過程中，如果放電管內電壓值輸出過高，超過光纖激光器允許輸出電流的最大值，我們稱之為過流現象。那么硬件應該能夠第一時間捕捉到過濾信號并產生硬件保護措施，同時相應地作出軟件保護。例如，當電流經過過載電阻后，若還大于額定電流，則觸發保護電路。

3A/D轉換電路

采用了帶SPI串行接口的8通12位A/D轉換器：MCP3204。該芯片對變壓器的次級電流信號以及三相整流后的電壓信號進行采集，然后通過SPI通信傳送給控制芯片。其中，轉換電路的基準電壓由MCP1541提供4.096V電壓。本設計將變壓器次級電流通過霍爾電流傳感器采集模擬電流值，通過MCP1541放大，輸入A/D轉換芯片MCP3204進行A/D轉換。因為MCP3204的通信方式為SPI通信，SPI時鐘頻率最高為2.0MHz（VDD=5V）。芯片最多能實現8路模擬信號的AD轉換。

4IGBT驅動電路

采用ADUM1200驅動芯片，ADUM1200隔離器在一個器件中提供兩個獨立的隔離通道，兩側工作電壓為2.7V～5.5V，能夠支持低電壓工作并能實現電平轉換。另外，ADUM1200隔離器也具有很低的脈寬失真。

5溫度報警檢測電路

因為IGBT驅動電路的高速開關產生熱量，散熱板的溫度必須控制在一定范圍內，所以設計了通過散熱板并利用溫度傳感器來檢測溫度。當溫度過高時，信號FAULTTEM置“1”，進而控制芯片dsPIC33EP256MU806采取相應措施。

6CAN總線

CAN總線的全稱是控制器局域網絡總線，控制芯片集成的增強型控制器局域網（ECAN）完全符合CAN2.0B協議，且最高可編程比特率達1Mbps。［8］該CAN總線增強部分主要體現在它有32個報文緩沖區、16個接收過濾器、3個接收過濾屏蔽器。此外，32個報文緩沖都可用于接收，且報文緩沖區0～7也可用于發送。要通過CAN總線發送報文。首先要配置用于發送的報文緩沖區，并指定緩沖區的優先級。將CAN報文寫入位于器件RAM中的報文緩沖區，然后把緩沖區的發送請求位置1，以啟動報文發送。由于CAN總線網絡是多節點的通信網絡，在檢測到總線處于空閑狀態時，每個節點都有相同的機會發送報文，這樣就難免會遇到在總線上發生數據沖突的可能。當出現這種情況時，將比較報文的發送優先級，優先級高的報文先發送，低的后發送，這樣能夠增強整個CAN總線的靈活性。CAN通信協議使用DMA0作為CAN1的接收通道，DMA1作為CAN1的發送通道。首先將DMA外設寫沖突狀態寄存器（DMAPWC）與DMA請求沖突狀態寄存器（DMARQC）清零，DMA通道0與1的傳輸計數寄存器位設置為7，因為CAN總線報文是一個7個字數據。其次將DMA通道與外設關聯，DMA0關聯到ECAN1的接收數據就緒，DMA1關聯到ECAN1的發送數據請求。設置數據傳輸長度位為字，DMA0的傳輸方向從外設地址讀取寫入DPSRAM地址，DMA1的傳輸方向從DPSRAM地址讀取寫入外設地址，當傳送了所有數據時發生中斷，DMA通道尋址模式為外設間接尋址模式。最后將DMA通道的起始地址（目標地址）設為CAN總線的報文緩沖區，并允許DMA中斷。

7結語

本文設計了一個基于CAN總線，以dsPIC33EP256MU806為核心控制芯片的光纖激光器開關電源控制系統。該開關電源相比于原PLC控制系統，價格較低、可靠性增強、精度提高，并且該激光器開關電源改變了傳統激光器開關電源的控制方式，以數字信號的方式進行系統控制。相比傳統的控制方式，不用對模擬調節器進行控制，提高了開關電源的可控性。此外，本設計還做了預留CAN通信端口，為以后光纖激光器與數控機床的有機結合做鋪墊。

參考文獻：

［1］張纏保.新型半導體激光電源的設計［J］.山西電力，2007.

［2］基于DSP的連續固體激光電源數字控制技術的研究［D］.華中科技大學碩士學位論文，2003.

［3］盛秋林，張莉.激光電源的單片機控制系統［J］.工業控制應用，2006，25（2）.

［4］莫偉.淺析激光器的發展與激光測距的方法［J］.電子測試，2013（9）：15-16.

［5］鄭為民，遲巖.IGBT-PWM變頻器的步進控制工作模式分析［J］.電氣傳動，2000（4）.

［6］張恩軍.大功率特種脈沖電源控制器研究［D］.西安理工大學碩士學位論文，2004.

［7］丁奉龍，周海燕.手持噴霧水電解機的控制裝置設計［J］.藝術科技，2019，32（08）：241+243.

［8］劉金龍，常越.基于CAN總線的高壓激光電源遠程控制系統［J］.高電壓技術，2005（3）.

作者：莊圓 陸榮鑑 王立杰 單位：南京林業大學