半导体激光器的输出功率控制及输出光信号调制_魏佩敏

No.5, 2001 (Total Issue No.173)
Abstracts and Keywords in Fra Baidu biblioteknglish
Introduction of energy saving research in pneumatic system …………… … Li Jun et al(7) Abstract:With the development of people' s consciousnessof energy saving and environment , energy
图 2 光测仪结构示意图
图 3 控制电路框 图
功率给定 :用于设定激光器输出功率的大小 。
比较器 :对激 光器的给 定功率与 实际输出 功率
(反馈信号)进行比较 , 以产生功率误差信号 。
调节器 :误差信号通过这一环节 , 来控制功率放
大器 , 决定电输入功率的大小 。
功率反馈 :由一个线性很好的 , 受温度影响较小
传递函数 KA2
=
1 3
1
+R 8 R7
;
A3 为 PI 调节器 , 它的传递函数
基金项目 :浙江省自然科学基金资助项目 (500030) 作者简介 :魏佩敏 , 1965 生 , 男 , 浙江绍兴人 , 绍兴文理学院 工学院工 作 , 讲师 , 主 要从事 机电控 制技术和 机电一 体化 产品的设计研究 。
式 , 光功率稳定度只有 ±1 %, 且波形失真较严重 , 运
用图 4 的控制电路后 , 光功率稳定度提高到现在的千
分之二左右 , 而且波形不失真 。这说明功率控制是行
之有效的 , 而且很好地解决了光信号调制与光功率稳
定性不一致问题 。输出功率控制精度提高的关键在于
误差信号得到了足够放大 (比较放大器)和 PI 调节器
C1 , C3 , R12完成了光信号调制功能 , 既避免了波形
的失真 , 又保证了光功率 (平均功率)的稳定输出 。
从 C3 端加入调制信号 , C1 起到功率的滤波作用 , 使 比较器和 PI 调节器对功率瞬时波动不起作用 。这样在
光输出时 , 得到一个不失真光信号波 。
3 结论
光测仪的原来控制电路中 , 光信号采用外调制方
(2) 调节器的 选择 一旦功率给定 , 功率反馈形式确定 , 调节器就决
定了系统的精度 。 在光测仪中 , 采用的是 PI 调节器 , PI 调节器的特点是 :可消除静态误差 , 能加快系统的
响应速度 。
2 电路设计 (1) 控制系统 电路
设计控制系统的电路如图 4 所示
其结构框图如图 5, 其中 A2 为误差比较放大器 , 当 R4 =R5 =R6 时 , 它的
的光电二极管 (在激光器中已有)和放大器组成 , 目
的在于把输出的光功率转换成可控制的电信号 。
根据自动控制理论 , 闭环系统能够有效抑制一切
被包在负反馈环内的扰动作用 。 图 3 中温度对激光器 输出功率的影响是在闭环之内的 , 那么设计适当的调
节电路 , 就能有效地抑制或消除温度对输出功率的影
响。
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《机床 与液压》 2001.No.5
图 4 控制系统的电路
R11 =30K , R13 =5.1K , R16 =56 Ψ, RO =11.4K 时 ,
系统结构图如图 8 所示 , 其传递函数为 :
G(S)=00. .7942567ss++668.0.42524
因为功 率给定环节是
基准电 源 MC1403 给定 ,
即使以后 “与” 的结果为 “ 0” , 辅助继电器仍保持接 通 , 直到被 R 指令复位为止 。因此它们能记忆程控板 上插孔的状态 。但在图 5 中 , 每次执行该程序时 , 各
辅助继电器线 圈前面 各触 点当 前的 状态 直接 决 定了 各
辅助继电器的状态 , 它们均无自保持功能 , 也不论图
中用的是断电 保持型 辅助 继电 器还 是通 用型 辅 助继 电
电器当前状态对应于 PLC
前一工作周 期的输出刷新
后输入的状态 , 输出继电 器的当 前状态 与 PLC 前
图 4 梯形图之二
一工作周期中移位寄存器的状态对应 。这是我们所要
求的 。若图 3 放在图 4 之后 , 则在执行图 3 程序时 ,
输入继电器的 当前状 态对 应于 前一 工作 周期 的 输出 刷
【1】 夏德钤主 编·自动 控制 理论 [ M] ·北京 :机 械 工业 出版 社 , 1989
【2】 周其节主 编·自动 控制 理论 [ M] ·北京 :电 子 工业 出版 社 , 1985
【3】 绪方 胜 彦著 , 卢泊 英等 译·现 代控 制工 程 [ M] ·北 京 : 科学出版社 , 1978
关键词 :半导体激光器 ;功率控制 ;调制 ;稳定性 中图分类号 :TN248.4 文献标识号 :A 文章编号 :1001-3881 (2001) 5 -061-2
0 引言 半导体激光器技术的发展 , 使激光技术应用领域
越来越广泛和深入 , (如数据通讯 , 各种技术参数的测 量 、 准值等等), 使光测或光控仪器更趋小型化 、 实 用化 。然而 , 半导体激光
次程控板的扫描程序 , 因为本
车床是进行批量生产的 , 程控
板的状态不可能随时改变 。 参考文献
图 6 程序设计总框图
【1】 李 平·用 PLC 改造半自动转塔车床·机床电器 , 1997(1)
【2】 CE7620 型卡盘多刀半自动车床说明书
收稿时间 :2001 -01 -21
(上接第 62 页) 路 , 以免激光器损坏 。 参考文献
Po(s)=Ugd(s)· G(s)。
经拉氏反变换后 :
Po(t)=2.0624 -0.05119e-86.91tmW(t 表示时间)。
显然 , 光功率输出在开机后的很短时间内就可以
达到稳态值 , 而温度对功率输出的响应被闭环系统自
身的控制特性抑制了 。
(3) 光信号调 制的设计
对光信号进行交流调制处理 , 可以提高光测仪器
器 , 结果均如此 。 ⑤图 4 中 , 用移位寄存器中的 M121
～ M130 8 位控制输出继电器 , 第一位 M120 则不能用 。
图 5 梯形图之三
2 程序总框图
本车 床程 序 设 计总 框 图 如
图 6 所示 。为缩短程序执行时
间 , 提高响 应速度 , 只在 PLC
上电后首 次 执行 程 序 时执 行 一
图 3 梯形图之一
数据输入信号为 “ 1” 状 态的时间大于 100ms , 以
保证 M120 =1 的状态能 可靠地移 位至 M121 。 ③ 在编程时图 3 的梯形图要 放在图 4 梯形图之前 。若
图 3 入在图 4 之前 , 根据 PLC 工作方式的特点 , 在 执行图 3 程序时 , 输入继
新后输入的状态 , 而输出继电器的当前状态与 PLC 当 前工作周期中移位寄存器的状态对应 。这样图 3 执行 的结果当然不能反映程控板上插孔的真实状态 。 ④图
3 的梯形图不能改为图 5 。在图 3 中使用的置位指令
(S 指令)和复位指令 (R 指令)均有 “ 记忆力” 的指 令 。使用 S 指令时 , 当其前触点 “ 与” 的结果一旦为 “1” 时 , 辅助继电器具有自保持功能而维持接通状态 ,
【4】 市川邦 彦著 , 克伟 等译·自动 控制系 统的 设计 理论 [ M] ·北京 :机 械工业出版社 , 1982
【5】 HL6712G AlGaInP Laser Diode (HITACHI) 说明书
收稿时间 :2001 -08 -17
·2 ·
《机床 与液压》 2001.No.5
MACHINE TOOL &HYDRAULICS
《 机床与液压》 2001.No.5
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半导体激光器的输出功率控制及输出光信号调制
魏佩敏
(绍兴文理学院工学院 , 浙江绍兴 312000)
摘要 :运用自动控制理论 , 结合实际的控制系统 , 介绍了半导体激光 器输出功率 的稳定控 制以及如何 在要求输 出功率 稳定 的条件下 , 对输出光信号进行调制 , 从而为在实际应用半导体激光器中面临的功率稳定性问题 , 提供了一种行之有效的解决办法 。
对于 HL6712 G , 由图 1 知 :TC
=25 ℃时 , 传 递 函数 KA5 =
5.0 51
-0.5 -44
=0.6428mW/mA
;
K 是温度对光输出功率
的影 响 系 数 , 根 据 图 1 可
知 :K = -4.35m0W℃--02.53℃mW =0.16mW/ ℃。
A1 是功率反馈环节 , 根
1 控制电路结构及原理 (1) 功率控制 的基本结构 图 3 是半导体激光器功率控制电源框图 , 由六个
基本环节组成 , 是一个闭环的系统 。在该系统中 :
器与一般的 He —Ne 等激 光器相比 , 性能上 (如功
率稳定性 , 波长稳定性 , 发散 度等)相 对要 差一
些 , 特别是半导体激光器
图 6 HL6712G 光输出功率 — 检测电流关系曲线
据图 6
Po IM
=10..92
=9.5mW/mA
,
Po =9.5IM
当 R2 =R3 , R1 +W1 =R0 时 , A1 的传递函数为 :
K A1 =9R.o5 。 则控制系统的结构图如图 7 所示
故
Ugd (s)
=
2.5V s
,
而
图 8 控制系统结构框图 Ⅲ
的输出功率 易受环境温度
的影响 。 图 1 是 HL6712G
单模半导体激光器输入电 图 1 HL6712G 输入电流 —
流—光 输 出功 率 关 系曲
光输出功率关系曲线
线 , 从图中可以看出 , 同样的输入电流 、 不同温度下
光输出功率是大不相同的 。能有效地控制光输出功率
使之稳定 , 这对提高光测仪器的精度与扩展半导体激
脚 , 利用这一引脚作功率反馈 , 用适当控制方法对光
输出功率进行自动控制 , 就能提高光输出功率的稳定
度 , 从而提高光测仪器的精度 。本文以光测仪中的半
导体激光器控制电源为例 , 介绍一种运用自动控制理
论 , 来控制激光器功率输出的方法 。
1.帕尔贴 —致冷致热 器 2.温度传感器 3.半导体激光器 4.光学系统基座
光器的应用范围是相当有益的 。 目前 , 对激光器光输
出功率要求较高的光测仪器 , 应用致冷致热技术 , 把
半导体激光器置于一个恒温装置中 , 如图 2 , 通过控 制致冷致热器电流流向来控制温度的恒定 。 然而 , 这
样做的后果是光测仪器的造价提高 , 体积增大而实用
性不强 。注意到一般的半导体激光器都有功率检测引
图 5 控制系统结构框图 Ⅰ
KA3
=-
SR10C2 +1 SR 9 C2
;
A4 是一个比例环节 , 它的传递函数
KA4
=-R
R
11
13
R
16
;
A5 是激光器输入输出环节 , 根据图 1 可知 , 激光器
的输入电流 IL 在一定的温度下 , 代表了输出的光功率 ,
激光器不同 , A5 的传递函数也不一样 , 用线性化处理 ,
(下转第 140 页)
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《机床 与液压》 2001.No.5
其原因为 :当 M72 由断变通时 , 移位指令执行后 , 移 位寄存器各位的状态前移一位 。移位指令执行的同一 工作周期中 , 第一位 M 120 的状态保持移位前的状态 。 待到 下 一个 工 作周 期 执行 OUTM120 指 令 时 , 才 把 M100 当前的状态输入 M120。 此时 , M120 状态才可能 改变 。 因此 , M120 的状态几乎和 M121 的状态一样 。 若同时用 M120 和 M121 控制输出继电器 , 则对程控板 的扫描造成混乱 。
的抗干扰能力 , 提高仪器的精度 。 而在稳定功率输出
的前提下 , 对光信号调制 , 这就给电路设计带来一定
的难度 。对光输出信号调制 , 则光输出功率就要波动 ,
控制系统就会自动抵抗输出功率的波动 , 这样就会引
起波形的失真 , 影响测量的精度 。在实际控制系统中 ,
我们采用闭环内调制的办法解决了这一问题 。如图 4 ,
的合理设计 。必须指出的是 , 闭环功率控制的精度不
图 7 控制系统结构图 Ⅱ
(2) 功率静态 分析 当 R7 =10K , R8 =1M , R10 =51K , C2 =0.022μ,
可能无限地提高 , 这是因为功率给定值误差及反馈元 件受温度影响 , 决定了功率控制精度不可能无限提高 。 另外要指出的是 , 控制系统必须采取过流过压保护电