一种基于反馈控制的CO2射频激光器闭环功率控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于反馈控制的CO2射频激光器闭环功率控制系统及方法。涉及CO2射频激光器功率控制领域。目的在于解决目前CO2射频激光器功率控制采用开环功率控制方式导致的输出功率不稳定、控制效果不佳的问题。本发明专利技术提出通过对输出光功率的高速实时检测，配合特定的反馈控制算法，实现对CO2射频激光器的闭环、负反馈功率控制，可以大幅提高CO2射频激光器的输出光功率稳定度，从而满足一些对光功率稳定度有较高要求的应用场合。反馈控制还能改善CO2射频激光器的功率控制线性度，使功率调整更易于实现。并且通过反馈CO2射频激光器输出功率波动进行抑制，实现激光输出功率的高度稳定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及CO2射频激光器功率控制领域。
技术介绍
在一般的激光加工应用中，如激光打标、激光切割等，开环控制方式下的激光功率波动幅度是可以接受的，但在一些对激光功率精度要求很高的行业，如医疗、光纤熔接加工等领域，则不能满足要求。在医疗应用中，CO2激光可以用于肿瘤组织的破坏杀死，为防止对正常组织的伤害，激光功率必须进行严格稳定的控制。在光纤熔接、拉锥等光纤加工应用中，只有稳定控制加热用CO2激光的功率，才能保证加工效果。目前广泛使用的CO2射频激光器多采用PWM功率控制方式调节激光器的输出功率。一般通过输送一个PWM方波控制信号给激光器射频电源的输入控制端，使其输出功率随PWM方波的占空比线性变化，再通过射频电源的输出激励CO2射频激光器发出激光，从而实现对CO2射频激光器的输出功率控制。上述控制过程是通过对激励电源的功率调节实现的简单开环控制。实际上，CO2射频激光器的激光输出功率除了受到射频电源激励功率影响外，还受激光器温度、腔内粒子分布等多种因素影响，导致最终的输出激光功率呈一定幅度的周期性波动状态，波动幅度可达±5％甚至更高。在CO2射频激光器功率控制方面，有许多公开发表的学术文章，但都集中于如何实现CO2激光器的开环功率控制，如：1、《射频激励CO2激光器功率控制及其控制器设计》发表于：JournalofOptoelectronics·Laser Vol.12No.2Feb.20012、《射频CO2激光器实用功率控制器的设计》发表于：《激光杂志》，2004，25(4)：20-213、《2kW射频板条CO2激光器功率控制技术研究》发表于：华中科技大学，2014，硕士学位论文，作者：万文但是通过实践证明，简单的开环功率控制方式很难实现激光器输出功率的高度稳定。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于反馈控制的CO2射频激光器闭环功率控制系统及方法，目的在于解决目前CO2射频激光器功率控制采用开环功率控制方式导致的输出功率不稳定、控制效果不佳的问题。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于反馈控制的CO2射频激光器闭环功率控制系统，所述系统包括：反馈控制模块，用于接收外部控制输入端输入的功率控制输入PWM信号和CO2激光功率检测模块输出的功率反馈信号，经控制运算后输出激励电源输入信号至射频激励电源；射频激励电源，用于接收激励电源输入信号，并将该信号经过处理后输出射频脉冲至CO2射频腔；CO2射频腔，用于接收射频脉冲并激发出CO2激光发送至CO2激光功率检测模块；CO2激光功率检测模块，用于对CO2激光进行分光处理后生成透射激光和功率反馈信号。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种用于实现高功率稳定度CO2激光器的闭环功率控制系统，通过对输出光功率的高速实时检测，配合特定的
反馈控制算法，实现对CO2射频激光器的闭环、负反馈功率控制，可以大幅提高CO2射频激光器的输出光功率稳定度，从而满足一些对光功率稳定度有较高要求的应用场合。反馈控制还能改善CO2射频激光器的功率控制线性度，使功率调整更易于实现。本专利技术采用CO2激光功率检测模块对CO2射频激光器的输出功率进行实时检测，并采用MCT探测器保证了检测模块的动态响应速度满足反馈控制的要求。并且在CO2射频激光器功率控制中引入闭环反馈，通过反馈CO2射频激光器输出功率波动进行抑制，实现激光输出功率的高度稳定，功率波动幅度优于±0.5％。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步，所述反馈控制模块包括：PWM脉宽计数模块，用于将外部控制输入端输入的功率控制输入PWM信号的脉冲宽度转换为功率目标设定值，每个脉冲输出一个设定值数据；反馈控制运算模块，用于根据功率目标设定值和功率反馈值计算电源驱动执行值；PWM脉宽调制模块，用于将电源驱动执行值转化为PWM脉宽调制信号输出；功率反馈信号AD转换模块，用于根据功率控制输入PWM信号的上升沿启动，将功率反馈电压信号的每个脉冲采样进行一次AD转换，生成一个功率反馈值。进一步，所述反馈控制运算模块包括：锁存模块，用于对功率目标设定值a和功率反馈值b进行锁存；功率目标设定值限幅模块，用于对功率目标设定值a进行限幅；计算模块，用于根据功率目标设定值a和功率反馈值b计算电源驱动执行值c；电源驱动执行值限幅模块，用于对电源驱动执行值c进行限幅。进一步，所述电源驱动执行值c＝(a-b)*K，其中，K为比例调节系数。进一步，所述CO2激光功率检测模块包括：分光镜，用于对CO2激光进行分光处理，其中CO2激光的99％的功率经过分光镜形成透射激光输出，CO2激光的1％的功率经过分光镜形成反射激光入射至衰减片；衰减片，用于对反射激光进行衰减；MCT红外检测器，用于将衰减后的反射激光转换为功率反馈信号发送至反馈控制模块。本专利技术解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种基于反馈控制的CO2射频激光器闭环功率控制方法，所述方法包括：反馈控制步骤，用于接收外部控制输入端输入的功率控制输入PWM信号和功率反馈信号，经控制运算后输出激励电源输入信号；射频激励步骤，用于将激励电源输入信号经过处理和放大后输出射频脉冲；CO2激光发射步骤，用于通过射频脉冲激发出CO2激光；CO2激光功率检测步骤，用于对CO2激光进行分光处理后生成透射激光和功率反馈信号。本专利技术的有益效果是：本专利技术提出了一种用于实现高功率稳定度CO2激光器的闭环功率控制方法，通过对输出光功率的高速实时检测，配合特定的反馈控制算法，实现对CO2射频激光器的闭环、负反馈功率控制，可以大幅提高CO2射频激光器的输出光功率稳定度，从而满足一些对光功率稳定度有较高要求的应用场合。反馈控制还能改善CO2射频激光器的功率控制线性度，使功率调整更易于实现。进一步，所述反馈控制步骤包括：PWM脉宽计数步骤，用于将外部控制输入端输入的功率控制输入PWM信号的脉冲宽度转换为功率目标设定值，每个脉冲输出一个设定值数据；反馈控制运算步骤，用于根据功率目标设定值和功率反馈值计算电源驱动执行值；PWM脉宽调制步骤，用于将电源驱动执行值转化为PWM脉宽调制信号输出；功率反馈信号AD转换步骤，用于根据功率控制输入PWM信号的上升沿执行，将功率反馈电压信号的每个脉冲采样进行一次AD转换，生成一个功率反馈值。进一步，所述反馈控制运算步骤包括：锁存步骤，用于对功率目标设定值a和功率反馈值b进行锁存；功率目标设定值限幅步骤，用于对功率目标设定值a进行限幅；计算步骤，用于根据功率目标设定值a和功率反馈值b计算电源驱动执行值c；电源驱动执行值限幅步骤，用于对电源驱动执行值c进行限幅。进一步，所述电源驱动执行值c＝(a-b)*K，其中，K为比例调节系数。进一步，所述CO2激光功率检测步骤包括：分光步骤，用于对CO2激光进行分光处理，其中CO2激光的99％的功率经过分光处理形成透射激光输出，CO2激光的1％的功率经过分光处理形成反射激光；衰减步骤，用于对反射激光进行衰减；MCT红外检测步骤，用于将衰减后的反射激光转换为功率反馈信号，并执行反馈控制步骤。附图说明图1为本专利技术实施例所述的闭环功率控制系统的原理示意图；图2为本专利技术实施例所述的反馈控制模块1的原理示意图；图3为本专利技术实施例所述的反馈本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于反馈控制的CO2射频激光器闭环功率控制系统，其特征在于，它包括：反馈控制模块(1)，用于接收外部控制输入端输入的功率控制输入PWM信号和CO2激光功率检测模块(4)输出的功率反馈信号，经控制运算后输出激励电源输入信号；射频激励电源(2)，用于接收激励电源输入信号，并将该信号经过处理后输出射频脉冲；CO2射频腔(3)，用于接收射频脉冲并激发出CO2激光；CO2激光功率检测模块(4)，用于对CO2激光进行分光处理后生成透射激光和功率反馈信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于反馈控制的CO2射频激光器闭环功率控制系统，其特征在于，它包括：反馈控制模块(1)，用于接收外部控制输入端输入的功率控制输入PWM信号和CO2激光功率检测模块(4)输出的功率反馈信号，经控制运算后输出激励电源输入信号；射频激励电源(2)，用于接收激励电源输入信号，并将该信号经过处理后输出射频脉冲；CO2射频腔(3)，用于接收射频脉冲并激发出CO2激光；CO2激光功率检测模块(4)，用于对CO2激光进行分光处理后生成透射激光和功率反馈信号。2.根据权利要求1所述的一种基于反馈控制的CO2射频激光器闭环功率控制系统，其特征在于，所述反馈控制模块(1)包括：PWM脉宽计数模块(5)，用于将外部控制输入端输入的功率控制输入PWM信号的脉冲宽度转换为功率目标设定值，每个脉冲输出一个设定值数据；反馈控制运算模块(6)，用于根据功率目标设定值和功率反馈值计算电源驱动执行值：PWM脉宽调制模块(7)，用于将电源驱动执行值转化为PWM脉宽调制信号输出；功率反馈信号AD转换模块(8)，用于根据功率控制输入PWM信号的上升沿启动，将功率反馈电压信号的每个脉冲采样进行一次AD转换，生成一个功率反馈值。3.根据权利要求2所述的一种基于反馈控制的CO2射频激光器闭环功率控制系统，其特征在于，所述反馈控制运算模块(6)包括：锁存模块(9)，用于对功率目标设定值a和功率反馈值b进行锁存；功率目标设定值限幅模块(10)，用于对功率目标设定值a进行限幅；计算模块(11)，用于根据功率目标设定值a和功率反馈值b计算电源驱动执行值c：电源驱动执行值限幅模块(12)，用于对电源驱动执行值c进行限幅。4.根据权利要求3所述的一种基于反馈控制的CO2射频激光器闭环功率控制系统，其特征在于，所述电源驱动执行值c＝(a-b)*K，其中，K为比例调节系数。5.根据权利要求1所述的一种基于反馈控制的CO2射频激光器闭环功率控制系统，其特征在于，所述CO2激光功率检测模块(4)包括：分光镜(13)，用于对CO2激光进行分光处理，其中CO2激光的99％的功率经过分光镜(13)形成透射激光输出，CO2激光的1％的功率经过分光镜(13)形成反射激光入射至衰减片(14)；衰减片(14)，用于对反射激光进行衰减；MC...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞海波，
申请(专利权)人：北京大威激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11