21激光设备激光器功率控制系统控制方式要点
基于FPGA的数字激光自动功率控制系统设计
第２０卷 Ｖｏ１．２０ 第１期 Ｎｏ．１ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１２年１月 Ｊａｎ．２０１２
基才ＦＰＧＡ的数字激光自动功率控制系统设计
梁文家 ，亓淑敏 ，关可
（１．长安大学电子与控制工程学院，陕西西安７１００６４；２．长安大学信息工程学院，陕西西安７１００６４）
摘要：半导体激光器的自动功率控制是解决激光器阈值漂移的重要手段，本文设计了一个基于ＦＰＧＡ的数字激光自 动功率控制系统，该控制系统主要由光电检测、Ａ／Ｄ转换、ＳＯＣ控制、ＡＰＣ判定、ＰＷＭ反馈输出及低通滤波几个部分
组成 该自动功率控制系统使用硬件资源少，根据不同的设计要求，通过增加ＰＷＭ模块和简单的模拟器件或者改变
控制寄存器的设置，就可以实现多级激光功率和多个激光器的控制，可以大大缩短设计周期。
关键词：半导体激光器；自动功率控制；现场可编程门阵列；闽值；漂移
中图分类号：ＴＮ４６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１２）０１—０ｌ５１—０３
Ｄｉｇｉｔａｌ ｌａｓｅｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ
ＬＩＡＮＧ Ｗｅｎ－ｊｉａ ，ＱＩ Ｓｈｕ－ｍｉｎ ，ＧＵＡＮ Ｋｅ
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈ．ａｎｇ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓ ，Ｘｉ’ａｎ ７１００６４，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００６４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ ｉＳ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｗａｙ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｄｒｉｆｔ．Ｉｎ
激光焊接设备的构造和原理
激光焊接设备的构造和原理
激光焊接设备是一种高精度、高效率的焊接装备，主要由激光器、光束传输系统、光束控制系统和工作台组成。下面将详细介绍激光焊接设备的构造和原理。
一、激光器：激光器是激光焊接设备的核心部件，它能够产生高能量、高光束质量的激光束。常见的激光器包括固体激光器、气体激光器和半导体激光器。固体激光器通常采用钕（Nd）离子晶体作为活性介质，通过泵浦源（如二极管激光器）获得激光输出。气体激光器使用带电气体（如二氧化碳）作为工作介质，通过高频交流电源激发气体分子的激发态，产生激光输出。半导体激光器则利用半导体材料的PN结特性，通过电流注入使半导体处于激发态，从而产生激光输出。
二、光束传输系统：光束传输系统将激光器发出的激光束传输到焊接点。它由光束传输光纤、光束扩束器和光束导向器等组成。光束传输光纤用于将激光束传输到焊接点，保证光束的稳定性与一致性。光束扩束器用于调整激光束的直径和焦距，以满足不同焊接工艺的要求。光束导向器则用于将激光束引导到工作台上指定的焊接位置。
三、光束控制系统：光束控制系统用于控制激光焊接过程中光束的参数，以实现焊接效果的控制和优化。常见的参数包括功率、焦点位置、焦斑形状等。光束控制系统包括功率控制器、扫描/转向镜组和自动跟踪系统等。功率控制器用于控制激光器的输出功率，以满足不同焊接工况的需要。扫描/转向镜组用于改变光束的传输方向和焦点位置，实现焊接路径的控制。自动跟踪系统则用于实时跟踪焊接位置和距离，以保持焊接过程的稳定性和准确性。
四、工作台：工作台是激光焊接设备的工作平台，用于固定和定位焊接件。工作台通常具有多轴运动系统，可以实现焊接件在三维空间内的精确定位和调整。工作台还配备焊接头和焊接辅助设备，如焊接夹具、气体保护装置等，以提供焊接过程中所需的支撑和保护。
激光焊接的原理是利用高能量密度的激光束，使焊接材料迅速加热，并局部熔化或熔合，从而实现焊接接合。激光焊接的特点是能够实现高精度焊接、热影响区小、变形小、焊接速度快等。
基于FPGA的激光器功率控制系统设计
第１０卷第５期 ２０ｌ１年５月 软件导刊 Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｇｕｉｄｅ 、，０１．１ＯＮＯ．５ Ｍａｙ．２０１１
基于ＦＰＧＡ的激光器功率控制系统设计
王彬，王秀翠
（安徽理工大学计算机科学与工程学院，安徽淮南２３２００１）
摘 要：以ＦＰＧＡ芯片为控制核心结合相关的外围器件完成了激光器功率控制系统的设计。通过ＦＰＧＡ控制数字 电位器ＤＳ１８６７实现了对激光器电源内部电阻的控制，改变激光器发射功率等级的目的。同时系统还实现了检测激 光器所在环境的温度，及高温报警、定时控制等功能。 关键词：ＦＰＧＡ；激光器；电位器；高温报警；定时控制
中图分类号：ＴＰ３１１．５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—７８００（２０１１）０５—００５２—０３
１ 系统总体设计
１．１控制原理 激光功率由数字电位器ＤＳ１８６７的输出电阻决定，
Ｄ８１８６７数字电位器的输出电阻由公式（１）得出： Ｒ＝Ｄ Ｘ ＲＷｒＬ十ＲＷ （１）
式（１）中的ＲＷ为滑臂电阻及内部电位器电子开关 电阻，通常Ｒｗ≤１ｏＯＱ，典型值为４０Ｑ。ＲＷＬ为数字电位 器ＤＳ１８６７内部电子阵列中每个电阻单元的阻值。Ｄ为 输入的数字量。本设计把功率等级分成１Ｏ级，则输人数
字量Ｄ的值如表１所示，可通过查表实现。 表１激光器功率等级与ＤＳ１８６７输入数字量Ｄ的关系
功率由公式（２）得出：
Ｐ＝Ｕ２／Ｒ （２） 式（２）中的ｕ为激光器的电压，Ｒ为ＤＳ１８６７数字电
位器的输出电阻，由公式（１）得出。 １．２系统功能 系统通过键盘和ＦＰＧＡ对数字电位器的输出电阻的 控制来改变激光的输出功率，利用数字温度传感器进行温
度的采集，用ＦＰＧＡ来实现对温度数据的处理，当温度超 限时进行报警，同时利用显示装置将信息显示出来。
技术问题亟待解决；另一方面，物联网的标准体系、商业模
式以及相关的政策法规还很不完善。总的来说，物联网的 发展目前还处于方兴未艾的初始阶段，物联网产业的真正
激光器常用操作方法
激光加工手册
内部资料 汇田激光
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前言
手册部分内容摘录于其它书籍及资料，作者不承担技术及版权问题。手册内容主要针对于奔腾楚天HYPE-CUT3015型切割机及其辅助设备的基本操作方法和介绍。本手册不保证能够适应于所有此型号切割机。编写本手册的目的主要为了使员工更快的掌握奔腾楚天HYPE-CUT3015型切割机。在阅读本手册的同时还请阅读《Smart Manager 2中文版说明书》、《HYPE-CUT3015开关机操作指南》、《JQLⅡ3015激光切割机工艺手册》、由(晶艺金属配套加工厂)编写的《激光加工手册》方能对激光切割系统有系统性的认识。如想更深一步学习激光切割知识,推荐阅读由从事激光加工技术研究有二十多年经验的专家金岡优所著的《激光加工》一书。
由于本手册作者水平有限，如有错误请给予指正。 汇田激光
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激光器常用操作方法
(一) 控制面板
控制单元主视图（控制面板）
(1) 激光器控制开关
(2) 高压控制
(3) 激光器控制方式
(4) 急停
(5) LCD 显示屏
(6) LCD 键
标签 类型 作用
（1）
激光器控制 开启 橙色指示灯按钮开关 当按下此按钮后，将会开启C2200激光发生器。主电连接后，即使没有开启激光发生器，橙色指示灯亮。
使能 钥匙开关 打向右侧（顺时针），将使能ON按钮，系统开始预热。 汇田激光
打向左侧（顺时针），将关闭高压，同时ON按钮使能失效。
（2）
高压控制 开启 红色指示灯按钮开关 当按下此按钮后，即开启电源和压缩机，红灯亮。
使能 钥匙开关
打向右侧（顺时针），将开启开关电源。
打向左侧（顺时针）：则关闭电压，ON使能失效。
关闭 绿色指示灯按钮开关 当按下次按钮后，将关闭各单元，绿灯亮。
（3）
控制 钥匙开关 仅在远程模式下（系统远程控制模式），用于选择光闸控制模式：
…若打向左侧—LOCAL位置—即通过控制面板控制光闸开关；
激光切割的功率控制及其与运动的同步控制
第３８卷第３期 ２０１０年３月 华南理工大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ＶＯ１．３８ Ｎｏ．３ Ｍａｒｃｈ ２０ｌＯ
文章编号：１０００－５６５Ｘ（２０１０）０３—０１１８—０５
激光切割的功率控制及其与运动的同步控制术
王世勇 李迪 陈超
（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州５１０６４０）
摘要：为了使得激光功率跟随加工速度按照所需比率同步变化，建立了材料单位面积
激光功率与切缝深度、激光器控制信号与输出功率间的函数关系．结合闭环控制策略，实
现了任意材料、任意有效切缝深度下的激光功率控制以及激光功率与运动的精确同步控
制．实验结果表明：该控制算法能够保证一致的切缝深度，获得均匀一致的切割质量；其功
率控制精度约为１．４７％，切缝深度误差在１％以内．
关键词：激光切割；功率控制；同步控制
中图分类号：ＴＰ２７３ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００．５６５Ｘ．２０１０．０３．０２１
激光加工由于具有非接触、工件无变形、切缝质
量好、加工速度快、容易与数控技术结合等诸多特
点，已广泛地应用于汽车、航空、化工、轻工、电器与 电子、石油和冶金等工业部门［１－２］．激光切割加工
中，切缝的深度、宽度、粗糙度等与激光功率密切相
关 ．因此，为了保证均匀一致的切缝质量，必须
实现高精度、高灵敏度的激光功率控制．但是，由于
难以建立控制信号与切缝质量问定量的函数关系，
实际的工业加工中采用的激光功率控制方法比较粗
糙，无法保证材料单位面积接受的功率恒定，难以实
现高质量的加工．
激光切割加工中的功率控制包括功率控制和功
率与运动的同步控制两个方面的内容．功率控制是
指生成适当的控制信号控制激光器输出所需功率，
功率与运动的同步控制是指功率紧跟加工速度变化
激光设备的组成
激光设备的组成
激光设备是一种利用激光技术产生、放大、调制和控制激光的设备。它广泛应用于工业、医疗、科研等领域。激光设备的组成主要包括激光器、光学系统、电源系统和控制系统等。
一、激光器
激光器是激光设备的核心部件，用于产生和放大激光光束。激光器一般由激光介质、泵浦源和谐振腔等部分组成。激光介质有固体、液体和气体等多种类型，不同类型的激光介质决定了激光器的输出波长和功率特性。泵浦源则用于提供能量，激发激光介质中的原子或分子跃迁，使其产生受激辐射。谐振腔用于增强激光的光程，使光线在腔内来回反射，形成激光共振。
二、光学系统
光学系统是激光设备中负责操控和控制激光光束的部分。光学系统主要包括激光束整形器、激光束传输系统、激光束聚焦系统和光学器件等。激光束整形器用于调整激光光束的形状和大小，使其适应不同的应用场景。激光束传输系统用于将激光光束从激光器传输到目标位置，通常采用光纤或光束导管等方式。激光束聚焦系统用于将激光光束聚焦到目标上，以实现切割、焊接、打标等操作。光学器件如光学透镜、光学棱镜等则用于调整激光光束的传播方向和光路。
三、电源系统
电源系统为激光设备提供所需的电能。激光器通常需要较高的电压和电流来驱动，因此电源系统必须具备稳定可靠的特点。电源系统一般由直流电源、交流电源和脉冲电源等组成，根据不同的激光器类型和工作要求选择合适的电源。
四、控制系统
控制系统用于对激光设备进行操作和控制。控制系统一般包括硬件控制和软件控制两部分。硬件控制主要由传感器、执行器和电路板等组成，用于监测和控制激光设备的各个参数和功能。软件控制则通过计算机或控制器等设备进行，可以实现对激光设备的远程监控和操作，提高设备的自动化程度和工作效率。
激光设备的组成主要包括激光器、光学系统、电源系统和控制系统等部分。这些部分相互协作，共同实现激光的产生、放大、调制和控制，为激光设备的正常运行和应用提供了基础。随着科技的不断发展，激光设备的组成也在不断创新和完善，以满足不同领域对激光技术的需求。
激光设备控制技术教材——第一章第二节讲解
1 第二节 直流电机的感应电动势和电磁转矩
无论是直流电动机还是直流发电机，在转动时，其电枢绕组都会由于切割主磁极产生的磁力线而感应出电动势。同时，由于电枢绕组中有电流流过，电枢电流与主磁场作用又会产生电磁转矩。因此，直流电机的电枢绕组中同时存在着感应电动势和电磁转矩，它们对电机的运行起着重要的作用。不同的是，直流发电机中是感应电动势在起主要作用，直流电动机中是电磁转矩在起主要作用。本节主要介绍感应电动势和电磁转矩的计算公式及性质。
一、直流电机的感应电动势
对电枢绕组电路进行分析，可得直流电机电枢绕组的感应电动势Ea为
aeECn （1-5）
式中，Φ为电机的每极磁通；n为电机的转速；Ce是与电机结构有关的常数，称为电动势常数，60eNpCa。
Ea的方向由Φ与n的方向按右手定则确定。从式 (1-5)可以看出，若要改变Ea的大小，可以改变Φ(由励磁电流If决定)或n的大小。若要改变Ea的方向，可以改变Φ的方向或电机的旋转方向。
无论直流电动机还是直流发电机，电枢绕组中都存在感应电动势，在发电机中Ea与电枢电流Ia方向相同，是电源电动势；而在电动机中Ea与Ia的方向相反，是反电动势。
二、直流电机的电磁转矩
同样，我们也能分析得到电磁转矩T为
TaTCI （1-6）
式中，Ia为电枢电流；CT也是一个与电机结构相关的常数，称为转矩常数。
电磁转矩T的方向由磁通Φ及电枢电流Ia的方向按左手定则确定。式（1-6）表明：若要改变电磁转矩的大小，只要改变Φ或Ia的大小即可；若要改变T的方向，只要改变Φ或Ia其中之一的方向即可。
激光设备的组成 2
激光设备的组成
激光设备是利用激光技术产生强聚光的光束，具有高单色性、高亮度和高相干性的特点。它在科研、医疗、工业生产等领域得到广泛应用。激光设备的组成主要包括激光器、光学系统、冷却系统和电子控制系统等几个重要部分。
一、激光器
激光器是激光设备的核心部件，它能够产生高能量、高亮度的激光光束。激光器的主要组成部分包括激活介质、泵浦源和光学谐振腔。激活介质可以是固体、液体或气体，不同的激活介质决定了激光器的工作波长和特性。泵浦源是激活介质的能量供给源，可以是光电池、电子束或者其他激发手段。光学谐振腔是激光器的光学反馈装置，它能够增强激活介质中的光子发射，形成激光光束。
二、光学系统
光学系统是激光设备中的重要组成部分，它主要用于激光光束的整形、调节和控制。光学系统包括透镜、反射镜、光束分束器等光学元件。透镜能够改变激光光束的传播方向和聚焦程度；反射镜可以反射和折射激光光束，实现激光光束的反射和聚焦；光束分束器可以将激光光束分成多个光束，用于多光束加工和多光束投射等应用。
三、冷却系统
冷却系统是激光设备中非常重要的组成部分，它用于控制激光器和光学元件的温度，保证激光设备的稳定运行。冷却系统通常采用水冷或者风冷方式，通过循环流体冷却激光器和光学元件，防止其过热和损坏。冷却系统还可以控制激光器和光学元件的温度梯度，以提高设备的工作效率和寿命。
四、电子控制系统
电子控制系统是激光设备的重要组成部分，它用于控制和调节激光器和光学系统的工作状态。电子控制系统通常由微处理器、电子电路和传感器组成，可以实现激光器的开关控制、光学系统的调节和光束的定位等功能。同时，电子控制系统还可以监测激光器和光学系统的工作状态，及时发现和解决故障，保证设备的正常运行。
激光设备的组成包括激光器、光学系统、冷却系统和电子控制系统等几个重要部分。激光器是激光设备的核心，能够产生高能量、高亮度的激光光束；光学系统用于整形、调节和控制激光光束；冷却系统保证设备的稳定运行，防止过热和损坏；电子控制系统实现设备的控制和调节功能。这些组成部分相互协作，共同完成激光设备的工作任务，为各个领域的应用提供强有力的支持。
激光器功率的稳定性检测与调整技巧
激光器功率的稳定性检测与调整技巧
激光器功率的稳定性是激光器性能的重要指标之一，对于保证激光器的正常运行以及提高实验和生产效率至关重要。本文将介绍激光器功率稳定性的检测方法和调整技巧，帮助读者更好地掌握和应用。
首先，我们需要了解激光器功率稳定性的定义。激光器功率的稳定性是指在一定的工作条件下，激光器输出的功率是否能够保持在一个相对恒定的水平。通常用“功率波动率”来表示激光器功率稳定性，即单位时间内功率的相对变化范围。
为了准确地检测激光器功率的稳定性，我们可以采取以下方法：
首先，可以使用功率稳定性测试仪进行检测。功率稳定性测试仪通常具有高精度的功率测量功能，能够实时监测激光器的输出功率，并计算出功率波动率。通过连续采样和统计处理，可以得出稳定性的准确数值。在测试过程中，要注意排除外界因素的干扰，比如温度的变化、光路的松动等。此外，还要保证测试仪器的精度和稳定性，以保证检测结果的准确性。
其次，可以利用功率控制系统进行检测。功率控制系统是一种通过反馈调节激光器的工作参数以实现功率稳定的方法。该系统一般由光电检测器、反馈控制器和激光器组成。光电检测器负责测量输出功率，并将测量结果传输给反馈控制器。反馈控制器根据测量结果调整激光器的参数，以保持功率的稳定。利用功率控制系统进行检测时，需要正确设置控制参数，并根据实际需要进行调整。
接下来，我们将介绍一些调整技巧，以提高激光器功率的稳定性。
首先，调整激光器的温度。激光器的温度对功率的稳定性有很大的影响。温度过高或过低都会导致功率的波动。因此，在使用过程中，要确保激光器的温度稳定，并根据需要进行合适的调整。可以通过控制激光器周围的温度环境或者使用温度控制装置来实现温度的稳定。 其次，注意光学系统的稳定。光学系统是激光器输出功率稳定性的关键因素之一。光路的松动、污染和退化都会导致功率的波动。因此，在使用过程中，要保持光学系统的稳定和清洁，并定期检查和维护。此外，还要注意光路的校准，确保各个光学元件的位置和焦距正确，以减小光学系统对功率的影响。
出光功率控制的方式
出光功率控制的方式
出光功率控制是指通过控制光源的发光功率来达到某种预定的要求，以满足特定的应用需求。在光通信、激光加工、医疗设备等领域，出光功率控制被广泛应用。
光源的出光功率控制可以通过多种方式实现，下面将介绍几种常见的方法。
一、电流控制法
电流控制法是一种常用的出光功率控制方法。通过改变光源输入的电流大小，可以调节光源的出光功率。这种方法简单、灵活，适用于许多光源类型，例如发光二极管（LED）和半导体激光器。通过改变电流大小，可以实现光源的亮度调节，满足不同应用的需求。
二、电压控制法
电压控制法是另一种常见的出光功率控制方法。通过改变光源输入的电压大小，可以调节光源的出光功率。这种方法适用于某些特定类型的光源，例如氙灯和金属卤化物灯。通过调节输入电压，可以控制光源的亮度和颜色温度。
三、PWM调制法
PWM（脉宽调制）是一种常用的数字控制技术，也可以用于光源的出光功率控制。通过改变PWM信号的占空比，可以控制光源的亮度。这种方法适用于许多光源类型，包括LED和激光器。PWM调制法具有精度高、响应快的特点，可以实现精确的出光功率控制。
四、温度控制法
温度控制法是一种常用的激光器出光功率控制方法。激光器的输出功率与工作温度密切相关。通过控制激光器的工作温度，可以实现对出光功率的控制。这种方法适用于半导体激光器等特定类型的光源。
五、反馈控制法
反馈控制法是一种基于光源出光功率的实时反馈信号进行控制的方法。通过在光源输出端安装光功率检测器，实时监测光源的出光功率，并将反馈信号传回控制系统进行调节，以达到预定的出光功率要求。这种方法可以实现精确的出光功率控制，适用于对光源稳定性要求较高的应用。
光源的出光功率控制在许多领域具有重要的应用价值。通过选择合适的控制方法，可以实现对光源出光功率的精确控制，满足不同应用场景的需求。随着光通信、激光加工、医疗设备等领域的不断发展，对出光功率控制技术的需求也越来越高，相信在未来会有更多创新的方法和技术涌现，推动光源出光功率控制技术的进一步发展。