CN103091836B - 基于空心编码器和相位差的光学扫描头的驱动控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种光学扫描头的驱动控制系统，包括：上跟随镜片驱动模块、基准镜片驱动模块、下跟随镜片驱动模块；上跟随镜片驱动模块驱动上跟随光楔旋转、下跟随镜片驱动模块驱动下跟随光楔旋转、基准镜片驱动器驱动基准光楔以一基准速度旋转；上、下跟随镜片驱动模块包括均自动控制调节器、相位差测定模块、上、下跟随镜片驱动器；通过空心编码器采集光楔的位置信号，比较给定的相位差信号和采集的上、下跟随光楔的之间的相位差信号，得到一误差量，根据该误差量产生新的电机转速控制信号驱动电机运动，改变上、下跟随光楔的转速，直至误差量在允许范围之内。
Description
技术领域
本发明属于光学扫描领域，具体涉及一种基于空心编码器和相位差的光学扫描头的驱动控制系统。
背景技术
目前光学扫描头一般是通过控制四组不同作用的光学镜片严格按照一定规则高速旋转来实现对激光束的偏移操作。如图1所示，现有技术中的常用的激光加工设备包括扩束器1、反射镜2、旋转的光线扫描装置3。需要驱动的扫描装置具有四个光楔31、32、33、34绕激光光轴同步旋转。设光楔33和34的保持图1中位置时，两者的相位差为0度，通过改变光楔33、34之间的相位差，改变旋转光束的半径。通过改变光楔31和32之间的距离，改变旋转光束的锥度。
针对不同的用途，有时要求各镜片保持设定的相对相位同步旋转；有时要求各镜片一边旋转一边遵循指定的规律调节相对相位，即将基准镜片的旋转相位看做是零位的话，其他跟随其旋转的镜片相对于基准镜片的相位差严格遵循一定的规律变化。并且随着超快激光精细加工这一领域的快速发展，要求这种光学扫描头的旋转速度越高越好，长期稳定性也是越高越好。
这对控制系统提出了很高的要求。当前这类光学扫描头大多是用运动控制系统控制伺服系统来实现的。有的是基于插补的控制方式，有的是基于跟随的控制方式，还有的是基于电子齿轮。
以上控制方案都有一个明显的缺陷，即本质上都是通过保证各自镜片的旋转轨迹的精度来达到保证最终运转的相对相位精度，属于间接控制。按照自控原理的角度来说，期望保证精度的对象最好是由直接来自该对象的反馈值来进行调节，才能最大程度抑制中间转换带来的误差和扰动。
此外运动控制系统控制的各伺服反馈也仅仅来自伺服电机本身的反馈，这种方式对于来自伺服电机到光学镜片中间传递环节的加工误差、弹性形变、磨损、抖动等因素带来的误差是无能为力的。
这类光学扫描装置对运行速度的精度要求并不太高，当前方案完全能够满足其需求。但是，对各光学镜片之间的相对位置的精度和稳定性要求就高的多，随着被加工对象越来越高的精度、一致性的要求，该指标完全可能被进一步提高。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种改善当前其他方案通过间接控制的先天不足、直接将相位差作为自动控制系统的参量的光学扫描头的驱动控制系统。其次通过空心编码器直接对被控制镜片相位进行检测，消除间接的位置传感器（如霍尔）导致的各种影响量。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。
一种光学扫描头的驱动控制系统，包括：上跟随镜片驱动模块、基准镜片驱动模块、下跟随镜片驱动模块；上跟随镜片驱动模块驱动上跟随光楔旋转、下跟随镜片驱动模块驱动下跟随光楔旋转、基准镜片驱动器驱动基准光楔以一基准速度旋转；
上跟随镜片驱动模块包括自动控制调节器、相位差测定模块、上跟随镜片驱动器；上跟随镜片驱动模块的自动控制调节器比较给定的相位差信号和采集的上、下跟随光楔的之间的相位差信号，得到一误差量，根据该误差量产生新的电机转速控制信号驱动电机运动，改变上跟随光楔的转速，直至误差量在允许范围之内；
下跟随镜片驱动模块包括自动控制调节器、相位差测定模块、下跟随镜片驱动器；下跟随镜片驱动模块的自动控制调节器比较给定的相位差信号和采集的上、下跟随光楔的之间的相位差信号，得到一误差量，根据该误差量产生新的电机转速控制信号驱动电机运动，改变下跟随光楔的转速，直至误差量在允许范围之内。
进一步地，上、下跟随光楔的之间的相位差信号通过其外圈安装的空心编码器采集的位置信号之间的差得到。
进一步地，上、下跟随光楔的之间的相位差信号通过一基准光楔的位置信号作为中间信号得到，上跟随镜片驱动模块中，上、下跟随光楔的之间的相位差信号为上跟随光楔与基准光楔之间的位置信号的差；下跟随镜片驱动模块中，上、下跟随光楔的之间的相位差信号为下跟随光楔与基准光楔之间的位置信号的差。
进一步地，基准光楔外圈安装空心编码器，采集其位置信号。
本发明的有益效果在于：本发明首先通过专门设计的硬件电路实时测定跟随光学镜片和基准光学镜片之间的相位，并把该数据送入自动控制调节系统作为镜片运动控制的参量。从而改善因上述控制方案的缺陷带来的误差。
其次，通过各光学镜片配置的空心编码器直接采样光学镜片的实时相位，并把该编码器的输出送入上述专门设计的硬件电路。可进一步消除传动装置的加工误差以及长期稳定性漂移带来的误差。
最后，这种直接采样并配合硬件的相位偏差测量装置可以简化自动控制系统的计算量，提高控制系统的时间分辨率，为进一步提高转速打下基础。
附图说明
图1是激光扫描装置的四光楔旋转结构示意图。
图2是本发明的驱动控制系统实施例一结构图。
图3是本发明的驱动控制系统实施例二结构图。
图4是本发明的驱动控制系统实施例三结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例一：
如图2所示，为了直接采集到一对光楔33和34的相对旋转角度，在光楔的外圈安装空心编码器直接反馈光楔的角度。
该系统包括上位机接口、上跟随镜片驱动模块、基准镜片驱动器、下跟随镜片驱动模块等。其中上位机接口部分主要负责和上位机交换信息并处理来自外部的IO控制信号，从而协调各镜片驱动部分的工作。在驱动时，上跟随镜片驱动模块驱动光楔33旋转、下跟随镜片驱动模块驱动光楔34旋转、基准镜片驱动器同时驱动光楔31和32旋转。
如图2所示，上位机接口接收外部发来的每个光楔的指令信号。基准镜片驱动器接收外部给定的电机基准速度指令信号，按照该基准速度驱动电机带动光楔31、32以该基准速度旋转。
上跟随镜片驱动模块包括自动控制调节器、相位差测定模块、上跟随镜片驱动器。
上跟随镜片驱动模块的自动控制调节器接收给定的相位差信号(即光楔33和34之间的位置偏差角，如背景技术中所述，当为图1位置时，光楔33和34之间的相位差为0度，此时，激光旋转扫描出的半径最小)。自动控制调节器将该相位差信号发送给上跟随镜片驱动器，上跟随镜片驱动器以此改变上跟随电机的转速，从而改变光楔33的转速。
下跟随镜片驱动模块包括自动控制调节器、相位差测定模块、下跟随镜片驱动器。下跟随镜片驱动模块的自动控制调节器接收给定的相位差信号。自动控制调节器将该相位差信号发送给下跟随镜片驱动器，下跟随镜片驱动器以此改变下跟随电机的转速，从而改变光楔34转速。
上述光楔33和34转速的改变，需要使两者之间产生相位差。
光楔33、34的外圈都安装有空心编码器用于反馈各光楔的角度信号。将光楔33和34之间的相位差信号反馈至上跟随镜片驱动模块的自动控制调节器，该自动控制调节器比较给定的相位差信号和该反馈的相位差信号，得到一误差量，并根据该误差量产生新的电机转速控制信号驱动电机运动，直至误差量在允许范围之内。
对下跟随镜片来说，同样需要将光楔33和34之间的相位差信号反馈至下跟随镜片驱动模块的自动控制调节器，该自动控制调节器比较给定的相位差信号和该反馈的相位差信号，得到一误差量，并根据该误差量产生新的电机转速控制信号驱动电机运动，直至误差量在允许范围之内。
实施例二：
如图3所示，实施例二相比于实施例一，增加了基准电机M驱动的光楔31的位置反馈信号。由于基准电机是以一恒定速度进行运转的，因此将其驱动的光楔31的位置信号反馈至上跟随驱动模块和下跟随驱动模块，其位置的偏差相位的精度更高。
光楔31的位置信号直接采用电机M的位置传感器反馈的位置信号。
如图3所示，光楔33和34的外圈都安装有空心编码器用于反馈各光楔的角度信号。将光楔31和33之间的相位差信号反馈至上跟随镜片驱动模块的自动控制调节器，该自动控制调节器比较给定的相位差信号和该反馈的相位差信号，得到一误差量，并根据该误差量产生新的电机转速控制信号驱动电机运动，直至误差量在允许范围之内。
将光楔31和34之间的相位差信号反馈至上跟随镜片驱动模块的自动控制调节器，该自动控制调节器比较给定的相位差信号和该反馈的相位差信号，得到一误差量，并根据该误差量产生新的电机转速控制信号驱动电机运动，直至误差量在允许范围之内。
实施例三：
如图4所示，实施例三相比于实施例二，在光楔31的外圈安装有一空心编码器，通过空心编码器直接反馈的光楔31的位置信号作为基准信号。
Claims (1)
1.基于空心编码器和相位差的光学扫描头的驱动控制系统，包括：上跟随镜片驱动模块、基准镜片驱动模块、下跟随镜片驱动模块；上跟随镜片驱动模块驱动上跟随光楔旋转、下跟随镜片驱动模块驱动下跟随光楔旋转、基准镜片驱动器驱动基准光楔以一基准速度旋转；其特征在于：
上跟随镜片驱动模块包括自动控制调节器、相位差测定模块、上跟随镜片驱动器；上跟随镜片驱动模块的自动控制调节器比较给定的相位差信号和采集的上、下跟随光楔的之间的相位差信号，得到一误差量，根据该误差量产生新的电机转速控制信号驱动电机运动，改变上跟随光楔的转速，直至误差量在允许范围之内；
下跟随镜片驱动模块包括自动控制调节器、相位差测定模块、下跟随镜片驱动器；下跟随镜片驱动模块的自动控制调节器比较给定的相位差信号和采集的上、下跟随光楔的之间的相位差信号，得到一误差量，根据该误差量产生新的电机转速控制信号驱动电机运动，改变下跟随光楔的转速，直至误差量在允许范围之内；
上、下跟随光楔的之间的相位差信号通过一基准光楔的位置信号作为中间信号得到，上跟随镜片驱动模块中，上、下跟随光楔的之间的相位差信号为上跟随光楔与基准光楔之间的位置信号的差；下跟随镜片驱动模块中，上、下跟随光楔的之间的相位差信号为下跟随光楔与基准光楔之间的位置信号的差。
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