利用ARM MCU設計激光電源控制系統(tǒng)

0 引言

隨著激光行業(yè)的飛速發(fā)展，激光器已廣泛應用于工業(yè)加工領域，如激光切割、激光打標、激光調(diào)阻、激光熱處理等，除此之外還被作為診療設備應用于醫(yī)療領域。

激光焊接是以聚焦的激光束作為能源轟擊焊件所產(chǎn)生的熱量進行焊接的方法，是激光材料加工技術(shù)應用的重要方面之一。

基于ARM的數(shù)字化控制系統(tǒng)能夠有效解決激光器的準確、穩(wěn)定和可靠性問題，數(shù)字化、智能化是激光器的必然發(fā)展方向。使用ARM對激光電源進行功能擴展控制，能有效提高電源的性價比，簡化激光電源的硬件結(jié)構(gòu)，增強整機的自動化程度，為整機的功能擴展提供了有利條件。本文重點針對激光焊接應用中的激光電源控制系統(tǒng)進行功能擴展設計，利用ARM控制激光電源的系統(tǒng)設置，包括開關(guān)控制、激光參數(shù)設置、光柵控制、光閥控制、溫度控制等，有效地解決了激光器在焊接過程中的準確、穩(wěn)定和可靠性問題，同時增設人機界面(HMI)顯示控制的友好界面，使用起來更加方便。

1 激光電源的控制功能要求

激光焊接目前已涉及航空航天、武器制造、船舶制造、汽車制造、壓力容器制造、民用及醫(yī)用等多個領域，因此激光電源在激光焊接工藝中應用時具有其獨特的設計需求，除了激光發(fā)生器的性能要高外，還要求其具有高效率、高可靠性、工作壽命長等優(yōu)點，實際應用中的激光電源產(chǎn)品還需要對其控制系統(tǒng)進行功能擴展和優(yōu)化，設計主要從以下幾個方面進行考慮：

1.1 顯示和控制

傳統(tǒng)激光器的顯示屏多采用點陣液晶顯示，由于液晶顯示屏只能單純作顯示設備使用，所以系統(tǒng)需要利用鍵盤或按鍵作為輸入設備，對激光光源的參數(shù)進行設置。這里采用人機界面(即觸摸屏)作為顯示和控制界面，操作更加方便，界面也更加友好。以ARM作為CPU來對系統(tǒng)進行控制，可以對輸出的激光脈沖波形進行精確控制，滿足不同工件的焊接要求。

1.2 散熱

激光電源的許多參數(shù)(如波長、閾值電流、效率和壽命)都與溫度密切相關(guān)，因此希望盡可能低而穩(wěn)定的工作溫度。實驗表明，當工作環(huán)境溫度升高時，激光電源的輸出功率將降低，且激光電源外殼每升高30℃，使用壽命將減少一個數(shù)量級[6-7]。本激光器系統(tǒng)采用水冷的方式進行散熱降溫，因此系統(tǒng)要求具有過溫檢測功能。

1.3 氣閥和光柵

針對激光焊接的實際應用，在焊接的過程中要充分考慮到操作人員的人身健康和安全。因此在設計激光電源控制系統(tǒng)中，還需要綜合考慮其他輔助功能，比如在焊接時高溫會使金屬汽化產(chǎn)生煙霧，同時在焊接過程中激光散射也會對操作人員的眼睛產(chǎn)生影響，因此需增設氣閥控制和光柵控制功能。

氣閥控制的主要功能是，在激光焊接的時候，高溫會讓金屬汽化從而產(chǎn)生煙霧，設置一個空氣泵把產(chǎn)生的煙霧吹走，而且焊接結(jié)束后，再延時吹5~10s。為了在激光焊接的過程中保護操作者的眼睛，要求焊接瞬間光柵閉合，避免焊接時散光輻射人眼，因此系統(tǒng)需具有光柵控制功能。

1.4 光斑調(diào)節(jié)

對光斑的控制有兩個要求，一是能夠設置光斑的上、下限；二是能夠通過人機界面調(diào)節(jié)光斑的大小，也就是能對光斑的直徑進行調(diào)節(jié)。

1.5 精確激光脈沖控制

IGBT功率控制器作為主開關(guān)器件用于控制激光燈的輸出脈沖[8-9]。一般的激光電源多采用單段方形的激光脈沖，激光打出的焊點可能會出現(xiàn)濺射、坑洼、穿孔等現(xiàn)象。

激光焊接的基本原理為：

(1)金屬表面活化，前期預熱，避免加熱過快讓金屬表面濺射；

(2)激光打在金屬表面初期，需要較大的功率讓金屬表面融解；

(3)表層金屬融解后，進行深層融解過程中，就不在需要這么大功率，否則會出現(xiàn)很大熔池，這時需要適當降低功率，才能保證金屬熔池不繼續(xù)擴大；

(4)當達到需要的融解深度時，如果直接切斷激光，熔池表層硬化閉合可能會出現(xiàn)氣孔等現(xiàn)象，這時需要進一步降低激光功率，緩慢淡出激光功率，才可以讓熔池中融解的金屬回流凝固，保證激光焊點的平整。

2 器件選型和系統(tǒng)硬件組成

2.1 主要器件的選型

(1)CPU選型。系統(tǒng)控制單元的核心是完成控制任務所必須的關(guān)鍵電路，本設計以集成ARM公司高性能“Cortex-M3”內(nèi)核的STM32F101C8T6為核心來設計激光電源的數(shù)字控制系統(tǒng)，發(fā)揮其高速、低功耗的功能，可以實現(xiàn)各種復雜控制功能，同時簡化激光電源控制部分的硬件結(jié)構(gòu)，增強了自動化程度和功能擴展能力。

(2)人機界面選型。人機界面選用的是型號為FE2070的4線工業(yè)電阻觸摸屏，用它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分離式按鍵控制和液晶顯示，用戶只要用手指輕輕地觸碰顯示屏上的圖符或文字就能實現(xiàn)對主機的操作，從而使激光電源的人機交互更為直截了當。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)的控制指令是由CPU發(fā)出的，負責系統(tǒng)的顯示和各項控制。STM32F101C8T6有3串口：一個連接IGBT控制板，一個連接HMI通信，一個連接PC用于控制系統(tǒng)升級。系統(tǒng)的硬件電路整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

激光器的開啟和預燃使用腳踏開關(guān)來實現(xiàn)，激光電源開光柵控制即為一個光柵開關(guān)，光柵電源的要求是當開機后，踩下腳踏開關(guān)，光柵電源就打開。光柵控制通過光耦輸出后，通過一個三極管來控制15V電源的通斷，從而控制光柵的開閉。激光電源中光斑的大小是通過驅(qū)動步進電機來實現(xiàn)的，步進電機控制透鏡的移動，從而調(diào)整激光的焦距，實現(xiàn)光斑調(diào)節(jié)。硬件電路中，光斑控制通過一個3PIN插座控制步進電機調(diào)節(jié)光斑直徑，為脈沖方向控制，三個PIN分別為GND、方向和脈沖。氣閥控制用于控制氣閥的開啟，報警檢測主要用于過溫檢測。

3 軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要分為三個部分：Modbus RTU通信處理程序，負責和HMI的通信；操作流程控制，瞬變脈沖的輸出；數(shù)字輸入和輸出量的處理；STM32的內(nèi)部資源、FLASH容量和SRAM容量都比51單片機要豐富，對于本系統(tǒng)，非常適合用實時操作系統(tǒng)進行軟件的編寫，所以本系統(tǒng)采用了Keil自帶的RTX實時操作系統(tǒng)，共開啟了4個進程：Task_init()，Task1_Modbus()，Task2_Laser-CTL()和Task3_IO()；基本軟件流程圖如圖2所示.

4 調(diào)試結(jié)果

4.1 人機界面控制調(diào)試

圖3顯示的是系統(tǒng)搭建完成后液晶控制觸摸屏上顯示調(diào)節(jié)光斑直徑的界面。在該界面上通過增、減調(diào)節(jié)，在上、下限范圍內(nèi)設置光斑直徑的實際值。內(nèi)部是通過控制步進電機調(diào)整透鏡位置，調(diào)整激光焦距，從而使光斑直徑發(fā)生改變。

在圖3觸摸屏界面中，點擊“光閘設置”可以進入光閘控制的設置界面，如圖4所示，智能光閘控制，ms級時間內(nèi)的延遲時間可根據(jù)需求定制，保證完全遮光，功能穩(wěn)定，而且操作界面顯示和設置都非常友好方便。

設置激光輸出參數(shù)的界面如圖5所示。

共有99組參數(shù)設置，可以對15段波形編程，兩組參數(shù)切換，能滿足使用者的各種需求。使用觸摸屏控制，人機界面十分友好、操作功能強大，并且可實現(xiàn)用戶的遠程操作，因為觸摸屏可遠離激光設備使用。

4.2 脈沖控制調(diào)試

針對以上問題，設計的這款激光電源控制器，可以控制每個打出的激光脈沖的功率，并對單個激光脈沖，進行精確分段，每段設置，保證焊點光滑平整。圖6是針對某種焊接工件給的激光波形預覽。

實際使用中，可以根據(jù)焊接工件的要求，設計不同的波形和焊接頻率，例如針對金屬激光切割，可以設置單段很大電路的激光脈沖和高頻率的波形。

4.3 激光焊接結(jié)果

理想的激光電源是提高激光供能系統(tǒng)效率的關(guān)鍵，利用本設計實現(xiàn)的激光電源具有很好的焊接效果。圖7是焊接成品圖示，從細節(jié)圖中可以看出焊后外觀精美，結(jié)合度高，效果理想，很好地實現(xiàn)了設計目的。

5 結(jié)語

激光電源的功能擴展控制系統(tǒng)主要針對激光焊接行業(yè)設計，具有控制簡單、精確度高、穩(wěn)定性好、符合人機工程學等優(yōu)點。隨著激光焊接行業(yè)的蓬勃發(fā)展，該系統(tǒng)的成本較低，具有很好的市場優(yōu)勢。