一種脈沖激光功率采集和控制系統(tǒng)的設計

摘要：文章根據(jù)脈沖激光功率的特點，通過系統(tǒng)硬件和軟件的設計，實現(xiàn)了對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采集電路的設計實現(xiàn)了脈沖光功率的采集，以PID為主的軟件設計又完成了光功率的穩(wěn)恒輸出。此系統(tǒng)的設計能成功地用在激光打標機功率控制系統(tǒng)中。
關鍵詞：脈沖激光；光功率；比例積分微分算法

0 引言
    近幾年來光纖激光器在激光打標和激光加工方面取得了迅速的發(fā)展，而用于激光打標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，激光輸出功率嚴重的影響著激光加工的質(zhì)量。在激光加工過程中，如何能實時監(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計中其平均功率是變化的，這就給光功率的實時采集和控制帶來的麻煩。本文通過對脈沖光信號的研究，設計出了基于峰值保持電路的小信號處理電路，和基于PID算法的單片機控制系統(tǒng)。通過硬件電路和軟件系統(tǒng)的設計解決了光纖激光器中脈沖激光的采集和光功率穩(wěn)恒的問題。

    系統(tǒng)的硬件電路框圖如圖1所示，PIN管對激光器中的脈沖光進行采集，把脈沖式的光信號轉換成脈沖式的電信號。采集到的脈沖光信號經(jīng)放大電路進行放大，本設計采用了兩級放大，將小信號放大到能夠進行處理的信號。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的功率成線性關系)。在經(jīng)過A／D轉換電路將峰值電壓信號轉換成數(shù)字信號在單片機中進行處理。在單片機中主要運用了PID算法對功率進行控制，將調(diào)節(jié)后的值送給LD驅(qū)動電路進行功率調(diào)節(jié)。最終使功率穩(wěn)定地輸出。

2 系統(tǒng)的硬件電路設計
2．1 光電轉換部分
    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轉換成電信號。PIN二極管對低頻信號具有整流作用，而對高頻信號則具有阻抗作用。PIN光電二極管具有以下優(yōu)點：響應速度快；線性好、頻帶寬、信號失真小；噪聲低，器件本身對信號影響??；體積小、壽命長、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系。所以可以通過采集峰值電壓的信號來對光功率進行采集處理。
2．2 小信號處理電路
    小信號處理電路主要包括小信號放大電路和峰值保持電路。
2．2．1 小信號放大部分
    本設計采用兩級放大電路對微弱電信號進行放大，一般光電探測器輸出的電壓幅值為幾百微伏到幾百毫伏的級別，應適當選擇放大倍數(shù)將信號放大到可處理的幅度。這里選用Texas Instruments的低功耗、高精度運算放大器opa234。

    放大部分的電路原理圖如圖2所示，經(jīng)過精密運放opa234的兩級放大，把光探測器采集到的微弱電信號放大為伏級別的電壓。
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系的信號，能跟隨輸入信號變化，并能將最大值記錄下來，在工業(yè)過程自動檢測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進行分析、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、積分電容和復位開關組成，完成了信號峰值的采樣和保持。峰值保持電路的原理圖如圖3所示。

    前級運放構成半波整流信號，后級運放為電壓跟隨，使電壓增益為1。保持電容主要用于記憶輸入信號的大小，控制開關則用于控制采樣保持的時間。當輸入電壓大于輸出電壓時，二極管D2導通，積分電容C1充電至U1輸出端，由于二極管D2的單向?qū)щ娦?，在開關斷開時，積分電容C1保持峰值電壓，直到下次復位信號的到來。
    峰值保持電路的硬件測試圖如圖4所示。

2．3 單片機系統(tǒng)部分
    因為在其他工作中需要的單片機管腳要充足，所以本設計選用了單片機的型號為c8051f020。該單片機是完全集成混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，含64kFlash，100管腳封裝，一個12bit的和一個8bitADC，一個12bit的DAC。并且內(nèi)含看門狗定時器、時鐘振蕩器，是真正的片上系統(tǒng)。主要完成輸入峰值電壓的A／D轉換、積分復位、對輸入功率進行PID算法的控制，最終實現(xiàn)功率的穩(wěn)恒輸出。
    A／D轉換部分：峰值保持的模擬電壓信號接到單片機8位A／D轉換的輸入端，在程序控制下實現(xiàn)A／D轉換。復位：每次A／D轉換之前通過復位按鈕，使積分電容C上的電壓放電，準備下一次峰值保持。為了保證積分電容的電完全放完，復位電平應維持幾十μs的時間。對輸入的8位數(shù)字信號通過PID參數(shù)的設定，應用PID算法對功率進行調(diào)節(jié)。

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

3．2 PID算法程序設計
3．2．1 PID算法原理
    PID算法是過程控制系統(tǒng)中應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)采樣時刻的偏差量計算輸出控制量，e(k)=s(k)-r(k)。然后經(jīng)過對偏差e(k)進行比例、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)偏大的話又會導致振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。
    I(積分)：積分會使系統(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態(tài)特性，微分系數(shù)偏大，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長，微分系數(shù)偏小時，超調(diào)量也會變大，調(diào)節(jié)時間變長。所以只有微分系數(shù)合適時才能使超調(diào)量較小，減短調(diào)節(jié)時間。
3．2．3 增量PID控制算法和程序流程
   
    式中u(k)為第k次采樣時刻輸出，△u(k)為第k次采樣時的輸出增量，在計算控制中，通過參數(shù)整定，參數(shù)都可以求出，所以實際控制中只需要求出e(k)，e(k-1)，e(k-2)三個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、微分三個參數(shù)的設置與調(diào)整。編程時只是設定大概的數(shù)值，然后通過PID參數(shù)特性進行反復的現(xiàn)場調(diào)試，最終找到相對理想的參數(shù)值。通過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)情況表和測試數(shù)據(jù)表。

3．3 測試數(shù)據(jù)分析
    通過數(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。最終實現(xiàn)了功率的穩(wěn)恒輸出。

4 小結
    本設計對脈沖激光功率的采集及處理做了較為詳細的介紹，主要從軟件和硬件兩個方面給予了說明。最終實現(xiàn)了脈沖光功率的穩(wěn)定輸出，為脈沖激光器控制系統(tǒng)的設計做了充分的準備，實驗結果較為理想。本設計也可用在其他脈沖信號的處理方面。