射频激励CO2激光器

camera · 发表于 2011-11-9 16:28:54

关于射频激励CO2激光器有几个比较基本的问题想请教各位：
1.射频激励CO2激光器最近几年的发展进度如何？
2.关于射频激励CO2激光器的文章为什么很少？
3.射频激励CO2激光器小功率的比如说10w.50w等主要的用途？

xwy8243 · 发表于 2012-3-12 20:59:44

射频激励 CO2 激光器功率的数字控制方法
在射频（RF ）激励激光器中，功率控制大多采用脉宽调制（PWM ）方式。针对PWM方式，本文提出一种采用全数字方式产生频率及占空比可调的脉冲信号，该信号用来控制激光器的输出功率。
关键词：射频激励，       脉宽调制，       数字控制
目前在小功率（低于 100W）射频激励的 CO2 激光器中，包括进口的激光器，功率控制  大多采用 PWM 方式，通过频率及占空比可调的脉冲信号控制激光器的输出功率。如 SYNRAD公司 J 型号 48 系列射频激励 CO2 激光器中，其占空比可调的机理是通过安装在计算机 ISA卡上的 D/A转换卡将占空比转换为对应的 0～10V 电压，然后用该模拟电压控制 UC1000 输出脉冲信号的占空比，频率调整机理是通过手动调节电位器，调整频率发生器的谐振频率，如图 1 所示。

                           图 1  模拟控制原理框图采取这种方式有两点不妥：其一，模拟信号易受干扰，控制精度难以达到预期的占空比要求。其二，计算机上的 ISA 卡插槽正逐步被淘汰，因而改用串口、并口或 USB 接口方式
将更具有实用性。而用全数字电路方式产生频率及占空比可调的脉冲信号，可靠性及灵活性将会有很大提高。
2.全数字方式实现方法
全数字电路方式是指在整个信号处理过程中，信号均以“0”或“1”的不同组合形式出
现，信码只有逻辑低与逻辑高两种变化状态，其抗干扰能力强。同时随着微电子工艺的发展，
大规模现场可编程逻辑器件的容量也越来越大，可编程器件处理数字信号的能力得到不断提
高。正因为抗干扰能力强，信号处理方便，数字电路越来越受到人们的青睐。本文介绍的通
过全数字方式产生频率及占空比可调的 PWM 信号，正是从提高可靠性及灵活性的角度出发，改变原电路产生 PWM 信号的不足之处。
数字控制原理框图如图 2 所示。为便于工作人员操作方便，采用由上层计算机发送频率
及脉宽控制指令，然后在 PWM 控制器中通过单片机处理上层计算机发送的控制指令。

                        图 2  数字控制原理框图
设计 PWM 控制器是该技术的关键，若采用单片机实现其功能，根据系统设计的要求，单片机既需调用串口中断，也需调用内部定时器中断，这样便造成输出的脉冲不稳定，加之
PWM 控制的脉冲频率为 5KHz, 10KHz, 15KHz, 20KHz.若脉冲频率为 20KHz，则要求单片机在50μS 内完成占空比可调的任务，常用的单片机是不可能实现的，除非用 DSP 实现。为降低成本，又考虑实用性及灵活性，决定采用单片机与可编程逻辑器件结合方式实现所需功能。
在改进的 PWM 控制器中，其核心部件为单片机 AT89C2051 及可编程逻辑器件 EPM7128S，改进的 PWM控制器系统框图如图 3所示。

                  图 3  PWM 控制器系统框图其工作原理及实现方式如下：
为了有良好的人机界面，计算机通过串行接口将控制命令发送至下层单片机。所发送的
帧结构为：

帧结构的总长为 6 个字节，其中帧头为 7E，帧长为 3，开关控制字节中，0 表示关，FF表示开，占空比控制字节为输入占空比的 16 进制数，频率控制用以控制 PWM 控制器输出脉冲的频率，和校验为：开关控制字＋占空比控制字＋频率控制字三者之和的反码。
单片机在接到上层计算机的控制命令帧后，进行解帧，然后将开关控制，占空比控制及
频率控制转化为相应的控制信号接到 CPLD 上。若解帧后发现和校验不正确，可发送错误响应帧，要求上层计算机重发一次控制帧。    为了使上位机在变换 PWM 的频率时，输出脉宽的占空比不受影响，采用变换最小时钟基准的方法。在对 CPLD 进行编程时，采用了 VHDL 语言，利用 VHDL 语言，对 40M 晶振进行计数分频，可得到周期分别为 1μS、500nS、325nS、250nS 的不同时钟基准信号，以上四种时钟基准信号计数两百次将对应 5KHz, 10KHz, 15KHz, 20KHz 四种频率的时钟周期。
为精确控制 PWM 信号的占空比，可通过单片机的 P0 口对可编程逻辑器件进行控制，由于单片机的 P0 口有 8 个数据位，可实现 256 个量级的精度，而 PWM 信号只需 200 个量级便可达到较高的精度，对于频率不同的 PWM 信号，只需通过单片机的频率选择端选择不同的时钟基准信号，而不需改变功能模块 laser_con1。
图 4 是产生PWM 信号的原理图，模块 laser_con1 的输入信号“state[7..0]”是占空比
控制信号，直接同单片机的 P0 口 8 位数据总线相连。输出 PWM 信号的频率是频率选择由信号“SEL0,SEL1”控制。信号“CP0,CP1,CP2,CP3”是由 VHDL 语言编写的计数分频模块产生的 5KHz, 10KHz, 15KHz, 20KHz 四种频率时钟基准信号。频率选择信号“SEL0,SEL1”的不同组合将从四种不同的时钟基准信号中选择一个信号作为功能模块 laser_con1 的输入时钟信号“CLK”。对激光器输出开关控制由信号“GATE”来控制，当信号“GATE”为高电位时，与门电路打开，这时功能模块 laser_con1 产生的 PWM 信号可以输出，当信号“GATE”为低电位时，与门电路关闭，输出的 PWM 信号为低电位，这时激光器的射频激励信号不能加载，因而没有激光输出。

                        图 4  产生PWM 信号的原理图 3.试验数据与分析
   为了验证图 4 所示原理图逻辑功能的正确性，可通过软件 MAX＋plusⅡ进行时序仿真来验证，图 5 是进行仿真后的波形结果，在进行仿真时，设定了 P0 的值为 16 进制的 64，即十进制的 100，由于整个周期为 200，因而输出 PWM 信号的占空比为 50%。
                        图 5  仿真波形结果
   由图 5 可看出，对于频率选择信号“SEL0,SEL1”的不同组合“00，01，10，11”，分别对应四个不同频率的基准时钟信号，经选择后的信号“CLK”作用在功能模块 laser_con1
的输入端，由于信号“CP0,CP1,CP2,CP3”及信号“CLK”的周期很短，在仿真结果中只能看到黑条，但从功能模块 laser_con1 的输出信号“POUT”可看出所设计电路的逻辑功能正确。
从仿真结果中，还可看出，GATE 信号用于控制对 PWM 信号的关断，当 GATE信号为低电位时， PWM 信号的输出为低电位，当 GATE 信号为高电位时，开通 PWM 信号的输出。
针对 SYNRAD 公司 J 型号 48 系列的射频激励 CO2 激光器，通过全数字方式实现的 PWM控制器替换原有 PWM 控制器 UC1000，所测得的试验数据如下：
                     图6 输出激光功率与PWM 波形占空比关系由图6 可看出，激光器输出的激光功率在PWM 波的占空比比较大的区段显示出非线性关系，这主要是由于功率饱和效应引起的，当输出PWM 波形的占空比在 95%到 100%之间时，输出的激光功率基本没有多大变化，因此若要使激光器在高功率条件下工作，通常将PWM 波占空比控制在 95%。图7 是用示波器观察到的输出 PWM 波在频率为 5KHz，占空比为95%时的波形。

  图7 频率为 5KHz，占空比为95%的PWM 波形
由图 6 的试验结果可看出，若要调整激光器的输出功率，可通过调整 PWM波的占空比实现。
由于通过 PWM 方式控制激光器输出，使激光的强度为锯齿形的纹波。在图 6中所测的输出激光功率为平均功率，在某些特殊的加工场合，为了避免输出激光功率强度有较大波动，可通过提高 PWM 波的频率加以改善。经实验验证，通过上层计算机发送功率控制指令（即占空比大小），频率选择及开关控制指令，均达到预期效果，由于采用了高频晶振及大规模可编程器件，采取了全数字方式，使得输出的 PWM 波形很稳定，可达到精确控制激光器输出功率的目的。
针对采用 PWM 方式控制激光器出光功率的小型射频激励 CO2 激光器，采用了一种全新的产生 PWM 波的方法，该方法由于采取全数字电路方式，因而抗干扰能力很强，增加了系统的可靠性和灵活性。经试验验证，采用这种全数字控制方式后，稳定性及可靠性得到很大提高，激光器出光功率的控制精度也更高。

[讨论] 射频激励CO2激光器

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