利用ARM MCU设计激光电源控制系统 激光电源, 控制系统, 激光焊接, 激光器, 可靠性

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随着激光行业的飞速发展，激光器已广泛应用于工业加工领域，如激光切割、激光打标、激光调阻、激光热处理等，除此之外还被作为诊疗设备应用于医疗领域。

激光焊接是以聚焦的激光束作为能源轰击焊件所产生的热量进行焊接的方法，是激光材料加工技术应用的重要方面之一。

基于ARM的数字化控制系统能够有效解决激光器的准确、稳定和可靠性问题，数字化、智能化是激光器的必然发展方向。使用ARM对激光电源进行功能扩展控制，能有效提高电源的性价比，简化激光电源的硬件结构，增强整机的自动化程度，为整机的功能扩展提供了有利条件。本文重点针对激光焊接应用中的激光电源控制系统进行功能扩展设计，利用ARM控制激光电源的系统设置，包括开关控制、激光参数设置、光栅控制、光阀控制、温度控制等，有效地解决了激光器在焊接过程中的准确、稳定和可靠性问题，同时增设人机界面(HMI)显示控制的友好界面，使用起来更加方便。

1 激光电源的控制功能要求

激光焊接目前已涉及航空航天、武器制造、船舶制造、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域，因此激光电源在激光焊接工艺中应用时具有其独特的设计需求，除了激光发生器的性能要高外，还要求其具有高效率、高可靠性、工作寿命长等优点，实际应用中的激光电源产品还需要对其控制系统进行功能扩展和优化，设计主要从以下几个方面进行考虑：

1.1 显示和控制

传统激光器的显示屏多采用点阵液晶显示，由于液晶显示屏只能单纯作显示设备使用，所以系统需要利用键盘或按键作为输入设备，对激光光源的参数进行设置。这里采用人机界面(即触摸屏)作为显示和控制界面，操作更加方便，界面也更加友好。以ARM作为CPU来对系统进行控制，可以对输出的激光脉冲波形进行精确控制，满足不同工件的焊接要求。

1.2 散热

激光电源的许多参数(如波长、阈值电流、效率和寿命)都与温度密切相关，因此希望尽可能低而稳定的工作温度。实验表明，当工作环境温度升高时，激光电源的输出功率将降低，且激光电源外壳每升高30℃，使用寿命将减少一个数量级[6-7]。本激光器系统采用水冷的方式进行散热降温，因此系统要求具有过温检测功能。

1.3 气阀和光栅

针对激光焊接的实际应用，在焊接的过程中要充分考虑到操作人员的人身健康和安全。因此在设计激光电源控制系统中，还需要综合考虑其他辅助功能，比如在焊接时高温会使金属汽化产生烟雾，同时在焊接过程中激光散射也会对操作人员的眼睛产生影响，因此需增设气阀控制和光栅控制功能。

气阀控制的主要功能是，在激光焊接的时候，高温会让金属汽化从而产生烟雾，设置一个空气泵把产生的烟雾吹走，而且焊接结束后，再延时吹5~10s。为了在激光焊接的过程中保护操作者的眼睛，要求焊接瞬间光栅闭合，避免焊接时散光辐射人眼，因此系统需具有光栅控制功能。

1.4 光斑调节

对光斑的控制有两个要求，一是能够设置光斑的上、下限；二是能够通过人机界面调节光斑的大小，也就是能对光斑的直径进行调节。

1.5 精确激光脉冲控制

IGBT功率控制器作为主开关器件用于控制激光灯的输出脉冲[8-9]。一般的激光电源多采用单段方形的激光脉冲，激光打出的焊点可能会出现溅射、坑洼、穿孔等现象。

激光焊接的基本原理为：

(1)金属表面活化，前期预热，避免加热过快让金属表面溅射；

(2)激光打在金属表面初期，需要较大的功率让金属表面融解；

(3)表层金属融解后，进行深层融解过程中，就不在需要这么大功率，否则会出现很大熔池，这时需要适当降低功率，才能保证金属熔池不继续扩大；

(4)当达到需要的融解深度时，如果直接切断激光，熔池表层硬化闭合可能会出现气孔等现象，这时需要进一步降低激光功率，缓慢淡出激光功率，才可以让熔池中融解的金属回流凝固，保证激光焊点的平整。2 器件选型和系统硬件组成

2.1 主要器件的选型

(1)CPU选型。系统控制单元的核心是完成控制任务所必须的关键电路，本设计以集成ARM公司高性能“Cortex-M3”内核的STM32F101C8T6为核心来设计激光电源的数字控制系统，发挥其高速、低功耗的功能，可以实现各种复杂控制功能，同时简化激光电源控制部分的硬件结构，增强了自动化程度和功能扩展能力。

(2)人机界面选型。人机界面选用的是型号为FE2070的4线工业电阻触摸屏，用它代替传统的分离式按键控制和液晶显示，用户只要用手指轻轻地触碰显示屏上的图符或文字就能实现对主机的操作，从而使激光电源的人机交互更为直截了当。

2.2 系统硬件组成

系统的控制指令是由CPU发出的，负责系统的显示和各项控制。STM32F101C8T6有3串口：一个连接IGBT控制板，一个连接HMI通信，一个连接PC用于控制系统升级。系统的硬件电路整体结构框图如图1所示。


激光器的开启和预燃使用脚踏开关来实现，激光电源开光栅控制即为一个光栅开关，光栅电源的要求是当开机后，踩下脚踏开关，光栅电源就打开。光栅控制通过光耦输出后，通过一个三极管来控制15V电源的通断，从而控制光栅的开闭。激光电源中光斑的大小是通过驱动步进电机来实现的，步进电机控制透镜的移动，从而调整激光的焦距，实现光斑调节。硬件电路中，光斑控制通过一个3PIN插座控制步进电机调节光斑直径，为脉冲方向控制，三个PIN分别为GND、方向和脉冲。气阀控制用于控制气阀的开启，报警检测主要用于过温检测。

3 软件实现

系统软件主要分为三个部分：Modbus RTU通信处理程序，负责和HMI的通信；操作流程控制，瞬变脉冲的输出；数字输入和输出量的处理；STM32的内部资源、FLASH容量和SRAM容量都比51单片机要丰富，对于本系统，非常适合用实时操作系统进行软件的编写，所以本系统采用了Keil自带的RTX实时操作系统，共开启了4个进程：Task_init()，Task1_Modbus()，Task2_Laser-CTL()和Task3_IO()；基本软件流程图如图2所示.

4 调试结果

4.1 人机界面控制调试

图3显示的是系统搭建完成后液晶控制触摸屏上显示调节光斑直径的界面。在该界面上通过增、减调节，在上、下限范围内设置光斑直径的实际值。内部是通过控制步进电机调整透镜位置，调整激光焦距，从而使光斑直径发生改变。


在图3触摸屏界面中，点击“光闸设置”可以进入光闸控制的设置界面，如图4所示，智能光闸控制，ms级时间内的延迟时间可根据需求定制，保证完全遮光，功能稳定，而且操作界面显示和设置都非常友好方便。


设置激光输出参数的界面如图5所示。


共有99组参数设置，可以对15段波形编程，两组参数切换，能满足使用者的各种需求。使用触摸屏控制，人机界面十分友好、操作功能强大，并且可实现用户的远程操作，因为触摸屏可远离激光设备使用。

4.2 脉冲控制调试

针对以上问题，设计的这款激光电源控制器，可以控制每个打出的激光脉冲的功率，并对单个激光脉冲，进行精确分段，每段设置，保证焊点光滑平整。图6是针对某种焊接工件给的激光波形预览。

实际使用中，可以根据焊接工件的要求，设计不同的波形和焊接频率，例如针对金属激光切割，可以设置单段很大电路的激光脉冲和高频率的波形。


4.3 激光焊接结果

理想的激光电源是提高激光供能系统效率的关键，利用本设计实现的激光电源具有很好的焊接效果。图7是焊接成品图示，从细节图中可以看出焊后外观精美，结合度高，效果理想，很好地实现了设计目的。



5 结语

激光电源的功能扩展控制系统主要针对激光焊接行业设计，具有控制简单、精确度高、稳定性好、符合人机工程学等优点。随着激光焊接行业的蓬勃发展，该系统的成本较低，具有很好的市场优势。