CN109827505B - 一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统 - Google Patents

Abstract

一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统，包括：低转矩脉动的永磁同步电动机、高精度角位置传感器、计算机控制系统、永磁同步电动机驱动器、减速器、调零机构、被标定振镜电机、被标定振镜、被标定角位置传感器、激光源、光电式位置探测器，低转矩脉动的永磁同步电动机通过减速器带动被标定振镜电机转动，进而将毫弧度精度等级的电动机转角运动利用减速器转换成振镜微弧度精度等级的转角；激光源产生的光线经过振镜反射后照射到光电式位置探测器上，将振镜的转角信号转换成光电式位置探测器上的光斑位置信号，通过检测光电式位置探测器上的光斑位移进而计算振镜的转角，以此信号作为被标定角位置传感器的参考信号，从而完成对被标定角位置传感器的标定。通过对标定系统结构、关键部件尤其是测试方法的设计创新，使所设计的标定系统能够带动被标定振镜产生微弧度的转角运动，并能够实现微弧度精度等级的转角测量与标定，为高精度激光打标系统的研制和生产提供基础，适用于高精度激光打标领域。

Description

一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统

技术领域

本发明属于激光标刻加工技术领域，具体涉及一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统。

背景技术

激光打标是利用高能量密度的激光束与被打标物体表面相互作用，在被打标物体表面形成期望标记的特种加工工艺。与传统的丝网印刷、化学腐蚀、机械雕刻以及电火花等加工工艺相比，激光打标技术具有打标速度快、标刻精度高、材料适用面广、维护成本低、无耗材、无污染等优势，逐渐成为现代标刻加工领域的重要发展方向。

目前的激光打标系统主要由激光发生器、有限转角电机、振镜、计算机控制系统等组成，其工作原理是通过计算机控制系统的设定程序控制有限转角电机的转动以改变振镜的偏转角度，利用光的反射原理，控制激光发生器产生的高能量密度激光束按照预设的轨迹运动，进而在目标工件上形成相应的标刻。随着用户对打标精度及打标速度等性能需求的不断提升，开展新型的高精度激光打标系统的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。

激光扫描振镜位置传感器是激光打标系统的重要组成部分，承担着扫描振镜偏转位置的高精度检测功能，其性能优劣直接影响整个打标系统的打标精度。随着激光打标精度的不断提高，扫描振镜的偏转位置精度需求高达1～2urad，而在批量生产过程中，扫描振镜的偏转位置精度不仅与位置传感器的精度有关，还取决于位置传感器在振镜电机上的安装方式。因此，激光扫描振镜位置传感器的标定对于高精度激光打标系统的研制和生产具有至关重要的作用。其难点在于：(1)目前检测精度最高的角位置传感器精度与扫描振镜位置传感器精度处于同一数量级，难以实现对扫描振镜位置传感器的标定；(2)尚缺少专用于激光扫描振镜的能够产生微弧度精度等级的转动平台。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统，通过对标定系统结构、关键部件尤其是测试方法的设计创新，实现对扫描振镜微弧度等级位置传感器的标定，为高精度激光打标系统的研制和生产提供理论和技术基础。

为了实现上述发明目的，本发明提出了一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统，包括：低转矩脉动的22极24槽表贴式永磁同步电动机、高精度角位置传感器、计算机控制系统、永磁同步电动机驱动器、大传动比的减速器、调零机构、被标定振镜电机、被标定振镜、被标定角位置传感器、激光源和光电式位置探测器；低转矩脉动的永磁同步电动机通过减速器带动被标定振镜电机转动，进而将毫弧度精度等级的电动机转角运动利用减速器转换成振镜微弧度精度等级的转角；激光源产生的光线经过振镜反射后照射到光电式位置探测器上，将振镜的转角信号转换成光电式位置探测器上的光斑位置信号，通过检测光电式位置探测器上的光斑位移可以精确的计算振镜的转角；所述调零机构采用三轴调整机构，其由摇臂、减速器、滚珠丝杠和直线导轨组成，通过振镜水平面内两个自由度的调整，使初始时刻经过振镜反射到光电式位置探测器的激光束位于探测器的原点，消除由于安装偏差、温度因素引起的零位误差；通过垂直于水平面自由度的调整，调节振镜的高度，实现振镜位置传感器不同精度等级的检测。

高精度角位置传感器采用日本多摩川公司的17位绝对式光电传感器TS5667N458，保证永磁同步电动机产生毫弧度精度等级的转角运动。

减速器采用日本harmonic drive的谐波减速器CSD-20-100-2UF,减速比为100，且无齿隙，能够将毫弧度精度等级的电动机转角运动转换成振镜微弧度精度等级的转角。

光电式位置探测器采用FIRST SENSOR公司的位置敏感探测器QP50-6，能够将激光源照射到光电式位置探测器的光斑位置信号转换成相应的电流信号输出。

一种如上述的一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统的标定控制方法，该控制方法采用基于“位置环-速度环-电流环”的三闭环控制结构，其中内环控制为电流环，采用传统的PID控制，实现对永磁同步电动机的绕组电流控制，改善系统的转矩控制性能，避免由于控制过程中电流过大引起的过热故障问题；中间环控制为速度环，采用传统的PID控制，实现对永磁同步电动机的转速控制，提高系统的动态响应能力；外环控制为振镜位置环，采用鲁棒控制，实现对振镜位置的精确控制，改善系统对各种扰动的鲁棒性；振镜电机位置环鲁棒控制算法如下：

永磁同步电动机位置伺服系统的数学模型为：

式中，θ为永磁同步电动机的转子位置，ω_r为电机的转速，B为电机的阻尼系数，J为系统的转动惯量，T_L为电机的负载转矩(包含外部扰动力矩)，ΔT为系统内部的扰动转矩，T_E为电机产生的电磁转矩；

假设永磁同步电机的转子位置给定指令为

令永磁同步电动机的转子位置误差表示为：

振镜电机位置环鲁棒控制率可以被设计为

z₂＝ω_r+(1+γ)e_p (7)

式中，γ＞0，ε＞0是鲁棒控制的设计参数，其具体数值根据系统的实际性能进行调节；λ_m为系统内部扰动力矩与电磁转矩之比的最大值。

首先，采用22极24槽的表贴式三相永磁同步电动机，可以有效地减小电动机的齿槽转矩，降低力矩波动带来的测量误差；同时，结合高精度的角位置传感器能够实现扫描振镜小角度的精准定位和连续旋转，以满足标定的需求。

振镜电机的转角精确控制是实现高精度激光扫描振镜位置传感器标定的重要保证。由于标定系统外部和内部都存在一定的扰动力矩，会对标定系统的精度产生严重影响。而鲁棒控制具有结构简单、运算量小，对各种扰动鲁棒性强等优势，非常适用于高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统的位置环控制。振镜电机位置环鲁棒控制算法如下：

永磁同步电动机位置伺服系统的数学模型为

式中，θ为永磁同步电动机的转子位置，ω_r为电机的转速，B为电机的阻尼系数，J为系统的转动惯量，T_L为电机的负载转矩(包含外部扰动力矩)，ΔT为系统内部的扰动转矩，T_E为电机产生的电磁转矩。

假设永磁同步电机的转子位置给定指令为

令永磁同步电动机的转子位置误差表示为

振镜电机位置环鲁棒控制率可以被设计为

z₂＝ω_r+(1+γ)e_p (7)

式中，γ＞0，ε＞0是鲁棒控制的设计参数，其具体数值根据系统的实际性能进行调节；λ_m为系统内部扰动力矩与电磁转矩之比的最大值。

其次，通过大传动比的减速器(传动比≥100)，将永磁同步电动机的转角进一步的细分，转换成满足标定需要的微弧度精度等级的转角运动，进而带动被标定的振镜产生微弧度的转角运动。

再次，激光源产生的光线经过振镜反射后照射到光电式位置探测器上，将振镜的转角信号转换成光电式位置探测器上的光斑位置信号，以实现对微弧度转角信号的放大，通过检测光电式位置探测器上的光斑位移进而计算振镜的转角。通过比较光电式位置探测器测量得到的振镜转角信号和被标定角位置传感器的转角信号，进而完成对扫描振镜位置传感器的标定。

最后，调零机构采用三轴调整机构，能够实现被标定振镜三维空间的调整。通过水平面内两自由度的调整，实现初始时刻经过振镜反射的激光束正好位于光电式位置探测器的原点处，以消除由于安装偏差、温度等因素引起的零位误差；通过振镜高度的调整，能够实现不同精度等级的位置传感器检测，且被测振镜水平高度越大，能够实现的角位置检测精度越高。

本发明的创新之处在于：

(1)本发明一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统采用22极24槽的表贴式三相永磁同步电动机结合高精度的角位置传感器，能够有效地减小电动机的齿槽转矩带来的测量误差，实现扫描振镜小角度的精准定位和连续旋转。

(2)采用大传动比的减速器，将永磁同步电动机转动的角度进一步缩放，以实现减速器输出端微弧度精度等级的角度转动。

(3)利用激光源产生激光束，经过振镜反射后照射到光电式位置探测器上，将振镜的转角信号转换成光电式位置探测器上的光斑位置信号，以实现对微弧度转角信号的放大与检测。

(4)调零机构采用三轴调整机构，通过水平面内两自由度的调整，消除由于安装偏差、温度等因素引起的零位误差，通过调整增加振镜的高度，能够进一步提高振镜角位置的检测精度。

本发明提出的一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统，其有益技术效果在于：通过对标定系统结构、关键部件尤其是测试方法的设计创新，使所设计的标定系统能够带动被标定振镜产生微弧度的转角运动，并能够实现微弧度精度等级的转角测量与标定，为高精度激光打标系统的研制和生产提供基础，适用于高精度激光打标领域。

附图说明

图1本发明的整体结构示意图；

图2为本发明标定系统的控制结构示意图；

图3为本发明永磁同步电动机驱动器的结构示意图。

图中使用的附图标记说明如下：

1、永磁同步电动机 2、高精度角位置传感器 、计算机控制系统 4、电机驱动器 5、减速器 6、调零机构 7、被标定电机 8、被标定位置传感器 9、振镜 10、光电式位置探测器11、激光源。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案。

图1为本发明一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统，由低转矩脉动的永磁同步电动机1、高精度角位置传感器2、计算机控制系统3、永磁同步电动机驱动器4、减速器5、调零机构6、被标定振镜电机7、被标定振镜9、被标定角位置传感器8、激光源11和光电式位置探测器10构成。

其中，低转矩脉动的永磁同步电动机1采用22极24槽的表贴式三相永磁同步电动机，电机的永磁磁钢采用高磁能积的钐钴稀土永磁材料，其具有良好的热稳定性。

其中，高精度角位置传感器2采用日本多摩川公司的17位绝对式光电传感器TS5667N458，该编码器以RS-485通信形式输出角度信息，为了匹配这款编码器与计算机控制系统3之间的协调工作，选用美国ADI公司的ADM2491E接口芯片，实现编码器与计算机控制系统的SCI接口间的通信。

其中，计算机控制系统3采用以美国TI公司的TMS320F28335为核心的微处理器系统，其具有高性能32位浮点CPU和32×32位的硬件乘法器，主频高达150MHz。

其中，永磁同步电动机驱动器4由功率MOSFET、隔离驱动电路和信号检测电路组成。功率MOSFET采用美国英飞凌公司的IRF540,耐压100V，额定电流36A；隔离驱动芯片采用ADI公司的ADuM7234，最大驱动电流为4A；信号检测电路的电流传感器采用瑞士LEM公司的霍尔电流传感器HXS 20-NP，量程为±20A，测量误差小于1％，信号检测电路的模数转换器ADC采用美国ADI公司的AD7606-4，具有片内滤波和输入箝位保护电路，高输入阻抗，且采用单电源工作方式，无需外部滤波电路，且具有200kSPS的高吞吐速率。

其中，减速器5采用日本harmonic drive的谐波减速器CSD-20-100-2UF,减速比为100，额定转速2000rpm，采用超扁平的中空结构，结构紧凑，节省空间，且无齿隙。

其中，调零机构6采用由滚珠丝杠构成的三维调节机构，实现被标定振镜在三维空间中位置的调节。

其中，光电式位置探测器10采用FIRST SENSOR公司的位置敏感探测器QP50-6，将激光源照射到光电式位置探测器的光斑位置信号转换成相应的电流信号输出。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统，包括：低转矩脉动的22极24槽表贴式永磁同步电动机、高精度角位置传感器、计算机控制系统、永磁同步电动机驱动器、大传动比的减速器、调零机构、被标定振镜电机、被标定振镜、被标定角位置传感器、激光源和光电式位置探测器；

低转矩脉动的永磁同步电动机通过减速器带动被标定振镜电机转动，进而将毫弧度精度等级的电动机转角运动利用减速器转换成振镜微弧度精度等级的转角；

激光源产生的光线经过振镜反射后照射到光电式位置探测器上，将振镜的转角信号转换成光电式位置探测器上的光斑位置信号，通过检测光电式位置探测器上的光斑位移可以精确的计算振镜的转角；

所述调零机构采用三轴调整机构，其由摇臂、减速器、滚珠丝杠和直线导轨组成，通过振镜水平面内两个自由度的调整，使初始时刻经过振镜反射到光电式位置探测器的激光束位于探测器的原点，消除由于安装偏差、温度因素引起的零位误差；通过垂直于水平面自由度的调整，调节振镜的高度，实现振镜位置传感器不同精度等级的检测。

2.根据权利要求1所述的一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统，其特征在于：高精度角位置传感器采用日本多摩川公司的17位绝对式光电传感器TS5667N458，保证永磁同步电动机产生毫弧度精度等级的转角运动。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统，其特征在于：减速器采用日本harmonic drive的谐波减速器CSD-20-100-2UF,减速比为100，且无齿隙，能够将毫弧度精度等级的电动机转角运动转换成振镜微弧度精度等级的转角。

4.根据权利要求1或2所述的一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统，其特征在于：光电式位置探测器采用FIRST SENSOR公司的位置敏感探测器QP50-6，能够将激光源照射到光电式位置探测器的光斑位置信号转换成相应的电流信号输出。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述的一种高精度激光扫描振镜位置传感器标定系统的标定控制方法，其特征在于：该控制方法采用基于“位置环-速度环-电流环”的三闭环控制结构，其中内环控制为电流环，采用传统的PID控制，实现对永磁同步电动机的绕组电流控制，改善系统的转矩控制性能，避免由于控制过程中电流过大引起的过热故障问题；中间环控制为速度环，采用传统的PID控制，实现对永磁同步电动机的转速控制，提高系统的动态响应能力；外环控制为振镜位置环，采用鲁棒控制，实现对振镜位置的精确控制，改善系统对各种扰动的鲁棒性；振镜电机位置环鲁棒控制算法如下：

永磁同步电动机位置伺服系统的数学模型为：

式中，θ为永磁同步电动机的转子位置，ω_r为电机的转速，B为电机的阻尼系数，J为系统的转动惯量，T_L为包含外部扰动力矩的电机负载转矩，ΔT为系统内部的扰动转矩，T_E为电机产生的电磁转矩；

假设永磁同步电机的转子位置给定指令为

令永磁同步电动机的转子位置误差表示为：

振镜电机位置环鲁棒控制率可以被设计为

z₂＝ω_r+(1+γ)e_p (7)

式中，γ＞0，ε＞0是鲁棒控制的设计参数，其具体数值根据系统的实际性能进行调节；λ_m为系统内部扰动力矩与电磁转矩之比的最大值。

Images