CN101008837A

CN101008837A - 振镜驱动器的调节装置及其调节方法

Info

Publication number: CN101008837A
Application number: CN200610008740.5A
Authority: CN
Inventors: 高云峰; 陈克胜; 阴波波; 苏振庆
Original assignee: Shenzhen Hans Laser Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Hans Laser Technology Co Ltd; Han s Laser Technology Co Ltd
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-01

Abstract

本发明揭露一种振镜驱动器的调节装置，第二数字模拟转换器与高速比较器连通，系统提供的位置控制信号和参数经可编程门阵列处理，并经数字模拟转换器进行信号转换后输入高速比较器，电机与第一数字模拟比较器和高速比较器连通，电机驱动振镜的位置信号输入高速比较器，高速比较器对两路信号比较后输入至可编程门阵列，可编程门阵列处理后输出的信号输入第一数字模拟转换器，第一数字模拟驱动器对信号进行转换后驱动电机工作。本发明还揭露利用上述调节装置对振镜电机进行调节的方法。本发明调节装置及其调节方法能高精度、高响应速度地对振镜驱动器进行调节，并使驱动器能高长期稳定性地工作。

Description

振镜驱动器的调节装置及其调节方法

【技术领域】

本发明涉及一种调节激光元器件的调节装置及其调节方法，尤其是关于一种振镜驱动器的调节装置及其调节方法。

【技术背景】

目前我国激光雕刻行业使用的振镜多为进口振镜，而且多是通过模拟电路的电位器进行调节。由于使用的电机一致性不高，镜片的负载有一定的差异性，所以所有驱动器在使用前都必须进行调节。主要调节的参数为电路增益环节P(Proportional，比例)、I(Integral，积分)等，在避免系统振荡的情况下获得需要的系统响应速度和限制最大的加速度。但由于电位器(可调电阻)需要人工进行调节，所以调节时必须边通过仪器测量系统的响应，同时人工调节各个电位器。于是，现有技术也有使用高速ADC转换器进行模拟量采集，但效果并不理想，究其原因就是采集的信号不适时。传统模拟调节方法存在着许多的缺点如下：

人工调节存在各种差异使得系统的一致性不理想；

由于各种参数会互相影响使得调节很繁复不易调准；

由于电位器在调定后不能实时改变，是一个常数，所以系统对不同的阶跃信号无法自动适应，这就限制了工作速度很难提高。

【发明内容】

本发明所欲解决的技术问题是提供一种高精度、高响应速度、高长期稳定性的振镜驱动器的调节装置及其调节方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种振镜驱动器的调节装置，包括电机、可编程门阵列、微控制单元、两个数字模拟转换器，可编程门阵列与微控制单元、第一、第二数字模拟转换器和高速比较器连接组成测量环，其中第二数字模拟转换器与高速比较器连通，系统提供的位置控制信号和参数经可编程门阵列处理，并经数字模拟转换器进行信号转换后输入高速比较器，电机与第一数字模拟比较器和高速比较器连通，电机驱动振镜的位置信号输入高速比较器，高速比较器对两路信号比较后输入至可编程门阵列，可编程门阵列处理后输出的信号输入第一数字模拟转换器，第一数字模拟驱动器对信号进行转换后驱动电机工作。

所述振镜驱动器的调节装置还包括能高速计时的高速时钟电路，与可编程门阵列连通。

所述振镜驱动器的调节装置还包括连接在电机和高速比较器之间的传感器，传感器高速感应电机的运动，并传输至高速比较器。

本发明利用所述的振镜驱动器的调节装置对振镜驱动器的调节方法，包括以下步骤：

(1)主机提供位置控制信号和参数至可编程门阵列，并由微处理控制单元进行系统控制；

(2)提供电机驱动振镜工作，输出位置信号至高速比较器；

(3)可编程门阵列对主机输送来的信号进行处理，输入第一和第二数字模拟转换器；

(4)第二数字模拟转换器对信号进行转换后输入高速比较器；

(5)提供高速比较器将两路输入的信号作比较后输送至可编程门阵列；

(6)改变主机提供的位置控制信号和参数，重复步骤(1)-(5)进行检测，直到得到预定的响应。

所述振镜驱动器的调节方法还提供与可编程门阵列连通的高速时钟电路，在各循环步骤中高速计时。

所述振镜驱动器的调节方法还包括传感器高速感应电机的运动，并将感应的信号传输至高速比较器的步骤。

本发明所达到的技术效果是：本发明采用FPGA(可编程门阵列)、MCU(微控制单元)、DAC(数字模拟转换器)和比较器组成实时的数字测量环可以有效地解决模拟调节的各种问题：采用独特的DAC和比较器组成的测量环可以快速测量，从而满足系统的实时测量需求；由于采用数字逼近的方法可以获得精确、一致的特性；由于参数数字化所以能对不同的步距自适应；自动调节避免了人工调节的不一致性。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1是传统模拟振镜的响应和调节曲线图。

图2是本发明数字调节振镜的结构框图。

图3是传统数字调节振镜的检测示意图。

图4是本发明数字调节振镜的结构框图。

图5是本发明数字调节振镜的信号逼近示意图。

【具体实施方式】

首先，如图1所示传统的用模拟信号对振镜的调节及其响应曲线，分析如图1所示的模拟振镜的系统对输入信号的响应，我们能看见的是一个典型的PI调节对阶跃信号的响应，在这里各参数如：P(Proportional，比例)，I(Integral，积分)，L(Load，负载)都为某个常数的情况。对这些增益环节调节的目的是得到如图1中所示的2号曲线的响应；否则，在欠阻尼的情况下得到的就是1号曲线，在过阻尼的情况下得到的就是3号曲线。在模拟系统中我们常使用电位器人工调节P，I等参数从而使系统的响应等于或接近2号曲线。实际上我们调节的是什么呢？实际上作用于功率器件的就是增益。但人工调节会出现种种弊端如：调节、测量很繁复；人为因素造成调节的一致性不好，导致性能、寿命受到影响。

基于模拟调节振镜的现有技术的基础理论，本发明采用数字调节振镜，其核心理论是：

在P，I为常数的模拟调节系统中，当输入信号为阶跃信号且P，I参数不使系统振荡且不饱和，则一定有适当的基于时间的变化输入使系统得到等效于调节系统P，I参数的输出。

于是有：

设X为输入，P为比例放大常数，I为积分常数，L为负载，T为时间，Y为位置，G为增益则有：

G＝F(X，P，I，L，T，Y)

由于上述函数在不振荡的情况下是连续且单调，显然有：

G＝F(X，P，I，L，T，Y)＝F[X’，P’，I’，L，T，Y]------1

X’＝f(Y，T)--------------------------------------------2

P’≠P

I’≠I

且X’＝f(Y，T)不唯一

也就是说通过改变输入信号的曲线，我们能等价改变P，I参数，所以数字调节的最佳方法是改输入的阶跃信号为等效的阶跃信号。

传统数字解决方案，采用一个特别的测量环硬件电路和一种高速的算法，如图2所示，主要包括FPGA(可编程门阵列)、MCU(微控制单元)、DAC(数字模拟转换器)。在图2中，上位的主机10提供位置控制信号和参数，即数字输入至FPGA 12，FPGA 12与高速时钟电路40、缓存FLASH 30和微处理控制单元50连接，高速时钟电路40高速计时，缓存FLASH 30用以存储程序和固定的数据，微处理控制单元50对系统进行控制。一方面，电机18驱动振镜工作，输出信号由电容高精度传感器20检测，电容高精度传感器20感应的信号为模拟信号，模拟数字转换器ADC 22将模拟信号转变成数字信号，并将转变后的数字信号输入至FPGA 12。另一方面，FPGA 12对主机10输送来的数字信号进行处理，经FPGA 12处理的数字信号输入数字模拟转换器DAC 14，数字模拟转换器DAC 14将输入的数字信号转变成模拟信号，模拟驱动器16将从数字模拟转换器DAC 14转换成的模拟信号放大，经模拟驱动器16调整后驱动电机18。

这种方案其X’＝f(Y，T)函数使用ADC作位置检测，但要满足上述对系统的要求有些困难，原因如下：

ADC转换器的分辨率要达到16位且能适应10uS的控制几乎不可能，即使使用昂贵的高速AD采样也很难保证其实时性，AD与DA和模拟电路的参考源很难统一从而引入系统误差。(百纳秒级以内转换的16位AD是非常昂贵的)所以不建议采用这种方案，可以预见其得到的效果很可能如图3所示的数字调节振镜的检测示意图，其中2号曲线为想要的曲线；1号曲线和3号曲线为在调节过程中形成的曲线。

本发明数字调节振镜采用DA逼近法，以达到良好的控制效果，如图4所示，主要包括FPGA(可编程门阵列)、MCU(微控制单元)、两个DAC(数字模拟转换器)。上位的主机10提供位置控制信号和参数，即数字输入至FPGA 12，FPGA 12与高速时钟电路40、缓存FLASH 30和微处理控制单元50连接，高速时钟电路40高速计时，缓存FLASH 30用以存储程序和固定的数据，微处理控制单元50对系统进行控制。一方面，电机18驱动振镜工作，输出信号由电容高精度传感器20检测，电容高精度传感器20感应的信号为模拟信号，模拟信号输入高速比较器24；另一方面，FPGA 12对主机10输送来的数字信号进行处理，经FPGA 12处理的数字信号同时输入第一数字模拟转换器DAC1 14和第二数字模拟转换器DAC2 15，第二数字模拟转换器DAC2 15将数字信号转变成模拟信号后直接输入高速比较器24，高速比较器24将两路输入的信号作比较后输送至FPGA 12。而经FPGA 12处理的数字信号输入数字模拟转换器DAC1 14，数字模拟转换器DAC 14将输入的数字信号转变成模拟信号，模拟驱动器16将从数字模拟转换器DAC 14转换成的模拟信号调整后驱动电机18。

这种采用DA逼近法的控制方案，具有以下的优点：

DA转换器的速度很快50nS-100nS，而且系统采取先写测量环再写命令环的方法所以不会滞后；

快速比较器也是0.5nS以内基本不会引入误差；

整个系统的响应很容易做到100ns以下；

系统很巧妙地使用DA和高速时钟结合的方法来做位置、速度的检测具有很好的性价比。

采用这种方案其调节示意图如图5所示，在调节过程中，

1.如果落在A区域，在这个时间内比较器翻转，说明P，I太大，则是欠阻尼，就会得到1号的欠阻尼曲线；

2.如果落在B区域，在这个时间内比较器翻转，说明P，I太小，则是过阻尼，就会得到3号的过阻尼曲线；

3.通过多次的重复的运动，设置足够多的测量点后得到相应的数据(曲线2)；

4.如在规定的时间内有过冲点(可能发生在曲线1上)，则需要自动调整；

5.如调整时间太长仍没能达到所需的角度(可能发生在曲线3上)，则不合乎标准；

6.如在曲线2上在规定的时间内达到所需的偏转角度，则合乎要求，调节完毕。

由此我们不难看出这个系统通过多次逼近能获得非常良好的和简便的等效P，I调节，系统成本低廉，而且算法也不难实现，应该是一个优秀的解决方案。

Claims

1.一种振镜驱动器的调节装置，包括电机、可编程门阵列、微控制单元、两个数字模拟转换器，其特征在于：可编程门阵列与微控制单元、第一、第二数字模拟转换器和高速比较器连接组成测量环，其中第二数字模拟转换器与高速比较器连通，系统提供的位置控制信号和参数经可编程门阵列处理，并经数字模拟转换器进行信号转换后输入高速比较器，电机与第一数字模拟比较器和高速比较器连通，电机驱动振镜的位置信号输入高速比较器，高速比较器对两路信号比较后输入至可编程门阵列，可编程门阵列处理后输出的信号输入第一数字模拟转换器，第一数字模拟驱动器对信号进行转换后驱动电机工作。

2.如权利要求1所述的振镜驱动器的调节装置，其特征在于：振镜驱动器的调节装置还包括能高速计时的高速时钟电路，与可编程门阵列连通。

3.如权利要求1所述的振镜驱动器的调节装置，其特征在于：振镜驱动器的调节装置还包括连接在电机和高速比较器之间的传感器，传感器高速感应电机的运动，并传输至高速比较器。

4.利用如权利要求1所述的振镜驱动器的调节装置对振镜驱动器的调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)提供电机驱动振镜工作，输出位置信号至高速比较器；

(4)第二数字模拟转换器对信号进行转换后输入高速比较器；

5.如权利要求4所述的振镜驱动器的调节方法，其特征在于：振镜驱动器的调节方法还提供与可编程门阵列连通的高速时钟电路，在各循环步骤中高速计时。

6.如权利要求4所述的振镜驱动器的调节方法，其特征在于：振镜驱动器的调节方法还包括传感器高速感应电机的运动，并将感应的信号传输至高速比较器的步骤。