一種脈沖激光功率采集和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：文章根據(jù)脈沖激光功率的特點(diǎn)，通過(guò)系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)脈沖激光功率的采集和控制。具體為以峰值保持電路為主的小信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了脈沖光功率的采集，以PID為主的軟件設(shè)計(jì)又完成了光功率的穩(wěn)恒輸出。此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能成功地用在激光打標(biāo)機(jī)功率控制系統(tǒng)中。
關(guān)鍵詞：脈沖激光；光功率；比例積分微分算法

0 引言
    近幾年來(lái)光纖激光器在激光打標(biāo)和激光加工方面取得了迅速的發(fā)展，而用于激光打標(biāo)和加工方面的激光器一般采用峰值功率較高的脈沖光纖激光器。激光功率是激光器最主要的參量，激光輸出功率嚴(yán)重的影響著激光加工的質(zhì)量。在激光加工過(guò)程中，如何能實(shí)時(shí)監(jiān)控激光功率的變化，提高激光功率的穩(wěn)定性和控制精度，對(duì)產(chǎn)品的精密加工有著極其重要的作用。此類型激光器其功率值在不同的加工設(shè)計(jì)中其平均功率是變化的，這就給光功率的實(shí)時(shí)采集和控制帶來(lái)的麻煩。本文通過(guò)對(duì)脈沖光信號(hào)的研究，設(shè)計(jì)出了基于峰值保持電路的小信號(hào)處理電路，和基于PID算法的單片機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)硬件電路和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了光纖激光器中脈沖激光的采集和光功率穩(wěn)恒的問(wèn)題。

    系統(tǒng)的硬件電路框圖如圖1所示，PIN管對(duì)激光器中的脈沖光進(jìn)行采集，把脈沖式的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖式的電信號(hào)。采集到的脈沖光信號(hào)經(jīng)放大電路進(jìn)行放大，本設(shè)計(jì)采用了兩級(jí)放大，將小信號(hào)放大到能夠進(jìn)行處理的信號(hào)。然后經(jīng)峰值保持電路采集峰值電壓(此峰值電壓與光信號(hào)的功率成線性關(guān)系)。在經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換電路將峰值電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)在單片機(jī)中進(jìn)行處理。在單片機(jī)中主要運(yùn)用了PID算法對(duì)功率進(jìn)行控制，將調(diào)節(jié)后的值送給LD驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。最終使功率穩(wěn)定地輸出。

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 光電轉(zhuǎn)換部分
    本論文的光電采集部分主要用了PIN光電二極管，PIN管能很好地將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。PIN二極管對(duì)低頻信號(hào)具有整流作用，而對(duì)高頻信號(hào)則具有阻抗作用。PIN光電二極管具有以下優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快；線性好、頻帶寬、信號(hào)失真?。辉肼暤?，器件本身對(duì)信號(hào)影響?。惑w積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高、工作電壓低。其采集到的脈沖峰值電壓與光功率成線性關(guān)系。所以可以通過(guò)采集峰值電壓的信號(hào)來(lái)對(duì)光功率進(jìn)行采集處理。
2．2 小信號(hào)處理電路
    小信號(hào)處理電路主要包括小信號(hào)放大電路和峰值保持電路。
2．2．1 小信號(hào)放大部分
    本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)放大電路對(duì)微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，一般光電探測(cè)器輸出的電壓幅值為幾百微伏到幾百毫伏的級(jí)別，應(yīng)適當(dāng)選擇放大倍數(shù)將信號(hào)放大到可處理的幅度。這里選用Texas Instruments的低功耗、高精度運(yùn)算放大器opa234。

    放大部分的電路原理圖如圖2所示，經(jīng)過(guò)精密運(yùn)放opa234的兩級(jí)放大，把光探測(cè)器采集到的微弱電信號(hào)放大為伏級(jí)別的電壓。
2．2．2 峰值保持部分
    峰值保持電路用于處理信息與峰值有一定關(guān)系的信號(hào)，能跟隨輸入信號(hào)變化，并能將最大值記錄下來(lái)，在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)中往往用此電路將某些物理量，如溫度、壓力、功率等最大值保留下來(lái)進(jìn)行分析、處理。
    如圖3，峰值保持電路主要由電壓跟隨器、半波整流電路、積分電容和復(fù)位開(kāi)關(guān)組成，完成了信號(hào)峰值的采樣和保持。峰值保持電路的原理圖如圖3所示。

    前級(jí)運(yùn)放構(gòu)成半波整流信號(hào)，后級(jí)運(yùn)放為電壓跟隨，使電壓增益為1。保持電容主要用于記憶輸入信號(hào)的大小，控制開(kāi)關(guān)則用于控制采樣保持的時(shí)間。當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，積分電容C1充電至U1輸出端，由于二極管D2的單向?qū)щ娦?，在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，積分電容C1保持峰值電壓，直到下次復(fù)位信號(hào)的到來(lái)。
    峰值保持電路的硬件測(cè)試圖如圖4所示。

2．3 單片機(jī)系統(tǒng)部分
    因?yàn)樵谄渌ぷ髦行枰膯纹瑱C(jī)管腳要充足，所以本設(shè)計(jì)選用了單片機(jī)的型號(hào)為c8051f020。該單片機(jī)是完全集成混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，含64kFlash，100管腳封裝，一個(gè)12bit的和一個(gè)8bitADC，一個(gè)12bit的DAC。并且內(nèi)含看門狗定時(shí)器、時(shí)鐘振蕩器，是真正的片上系統(tǒng)。主要完成輸入峰值電壓的A／D轉(zhuǎn)換、積分復(fù)位、對(duì)輸入功率進(jìn)行PID算法的控制，最終實(shí)現(xiàn)功率的穩(wěn)恒輸出。
    A／D轉(zhuǎn)換部分：峰值保持的模擬電壓信號(hào)接到單片機(jī)8位A／D轉(zhuǎn)換的輸入端，在程序控制下實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換。復(fù)位：每次A／D轉(zhuǎn)換之前通過(guò)復(fù)位按鈕，使積分電容C上的電壓放電，準(zhǔn)備下一次峰值保持。為了保證積分電容的電完全放完，復(fù)位電平應(yīng)維持幾十μs的時(shí)間。對(duì)輸入的8位數(shù)字信號(hào)通過(guò)PID參數(shù)的設(shè)定，應(yīng)用PID算法對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)
3．1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的軟件部分主要包括系統(tǒng)的初始化、啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換、PID算法控制、LCD顯示、D／A轉(zhuǎn)換。
    主程序流程圖如圖5所示。

3．2 PID算法程序設(shè)計(jì)
3．2．1 PID算法原理
    PID算法是過(guò)程控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種控制方法，數(shù)字式PID控制就是將模擬PID控制離散化。數(shù)字式PID系統(tǒng)框圖如圖6所示。

    數(shù)字式PID控制是一種采樣控制，需根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差量計(jì)算輸出控制量，e(k)=s(k)-r(k)。然后經(jīng)過(guò)對(duì)偏差e(k)進(jìn)行比例、積分、微分，可到控制量。
3．2．2 PID參數(shù)特性
    P(比例)：比例系數(shù)加大，系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，穩(wěn)態(tài)誤差減小，但如果比例系數(shù)偏大的話又會(huì)導(dǎo)致振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。
    I(積分)：積分會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，但能消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。
    D(微分)：微分作用可以改善動(dòng)態(tài)特性，微分系數(shù)偏大，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，微分系數(shù)偏小時(shí)，超調(diào)量也會(huì)變大，調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)。所以只有微分系數(shù)合適時(shí)才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時(shí)間。
3．2．3 增量PID控制算法和程序流程
   
    式中u(k)為第k次采樣時(shí)刻輸出，△u(k)為第k次采樣時(shí)的輸出增量，在計(jì)算控制中，通過(guò)參數(shù)整定，參數(shù)都可以求出，所以實(shí)際控制中只需要求出e(k)，e(k-1)，e(k-2)三個(gè)有限偏差值就可以求出控制增量。圖7為其流程圖。

3．2．4 PID參數(shù)的確定
    PID控制最困難的部分是比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整。編程時(shí)只是設(shè)定大概的數(shù)值，然后通過(guò)PID參數(shù)特性進(jìn)行反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，最終找到相對(duì)理想的參數(shù)值。通過(guò)PID參數(shù)特性可以得到不同效果PID參數(shù)調(diào)節(jié)的情況。表1和表2分別為調(diào)節(jié)情況表和測(cè)試數(shù)據(jù)表。

3．3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析
    通過(guò)數(shù)據(jù)分析可得，功率一般保持在0．2W以內(nèi)。穩(wěn)定性滿足要求。最終實(shí)現(xiàn)了功率的穩(wěn)恒輸出。

4 小結(jié)
    本設(shè)計(jì)對(duì)脈沖激光功率的采集及處理做了較為詳細(xì)的介紹，主要從軟件和硬件兩個(gè)方面給予了說(shuō)明。最終實(shí)現(xiàn)了脈沖光功率的穩(wěn)定輸出，為脈沖激光器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了充分的準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為理想。本設(shè)計(jì)也可用在其他脈沖信號(hào)的處理方面。