基于DSP的YAG焊接激光器放电系统的研究

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1、广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）基于DSP的YAG焊接激光器放电系统的研究徐思蔚二○一八年六月类号：学校代号：11845UDC：密级：学号：2111515029广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）基于DSP的YAG焊接激光器放电系统的研究徐思蔚指导教师姓名、职称：潘永雄副教授学科(专业)或领域名称：电子科学与技术学生所属学院：物理与光电工程学院论文答辩日期：2018年06月02日ADissertationSubmittedtoGuangdongUniversityofTechnologyfortheDegreeofMaster(M

2、asterofEngineeringScience)ResearchofYAGWeldingLaserDischargeSystemBasedonDSPCandidate:XuSiweiSupervisor:Prof.PanYong-xiongJune2018SchoolofPhysics&OptoelectronicEngineeringGuangdongUniversityofTechnologyGuangzhou,Guangdong,P.R.China,510006摘要摘要激光焊接技术以精确、高效、安全和易实现自动化操作等优点在

3、能源、光电子通讯和国防工业等尖端技术领域得到了广泛应用。在各类焊接激光器中，以YAG激光焊接技术最为成熟，应用最广。随着一些焊接工件越做越小，越做越精致，焊接激光器的性能要求也越来越高。如今，传统的YAG焊接激光器最大的缺陷是小能量模式下（输出激光能量小于1J）激光器的能量稳定性偏低，达不到焊接工件的质量要求。这一缺陷会导致工件在焊接时会有焊接点不一致的情况出现，即有的焊点能量偏大，有的焊点能量偏小。经分析，发现主要原因是激光器电源在多个放电脉冲时间内输出功率大小不一致，所使用的模拟放电控制系统不能准确地控制补偿时间，控制精度不高，导

4、致输出电流和输出电压的稳定性差。因此，为保证焊接激光器在多个相同放电脉冲时间内激光电源输出功率大小的一致性，本文提出了使用数字信号处理芯片（DSP）的控制系统替代传统模拟放电控制系统的方法。为了验证上述方法，本文从功率主电路设计、环路控制设计、功能电路设计和软件设计等方面对数字放电控制系统进行了理论分析，并制作了中小型样机。样机的实验结果表明，使用数字控制系统的焊接激光器的激光能量稳定性达到了98%，比传统焊接激光器的激光能量稳定性（94%）提高了4%，达到了设计要求。本课题的主要工作内容包括以下几点：(1)本文首先介绍了YAG焊接激

5、光器的光束输出类型，对激光电源的组成部分进行了简述，并阐述了激光电源数字化的必要性。(2)提出了使用Buck变换器作为激光电源放电系统的功率主电路，分析了单个放电脉冲时间内Buck变换器的工作原理，使Buck变换器在放电脉冲时间内工作在CCM模式，并采用PWM控制方式。另外，对功率主电路中各元器件的参数进行了计算，为样机的设计提供了理论基础。(3)使用小信号分析法对放电控制系统的环路补偿网络进行理论分析，以Buck电路小信号模型为理论依据对反馈控制环路的补偿网络进行设计。由于氙灯负载具有负阻特性，因此采用了电流内环控制氙灯电流和电压外

6、环控制输出电压，实现了反馈环I广东工业大学硕士学位论文路的双环控制。并将设计中得出的补偿网络传递函数转化成时域内的离散函数，为数字控制系统的数字补偿网络设计提供了理论依据。(4)搭建放电控制系统的功能电路并进行软件设计，保证了整机的正常工作，实现了放电系统与其他系统之间的信号连接和数据通信，同时对功率主电路中各电信号进行了AD采集和实时监控。并以CCS软件为开发平台对控制系统进行C语言编程，完成了整个放电系统的时序控制和功率主电路的反馈闭环控制。(5)制作实验样机并调节电流补偿网络和电压补偿网络的参数，得出了最终实验结果，验证了实验样

7、机的激光能量稳定性比传统焊接激光器的能量稳定性有了明显提升，并达到了设计要求。关键词：激光电源；DSP；数字放电控制；双环控制IIABSTRACTABSTRACTLaserweldinghasbeenwidelyusedincutting-edgetechnologyfieldssuchasenergy,optoelectronics，communicationsanddefenseindustrywiththeadvantagesofprecision,highefficiency,safety,andeasyautomation.

8、Amongvariouslaserweldingmachines,theYAGlaserweldingtechnologyisthemostmatureandthemostwidelyused.Assomewelding