CN112269406A - 一种光束位置伺服控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光束位置伺服控制系统，包括嵌入式控制器、DAC单元、电机驱动模块、振镜电机、速度传感器、位置敏感传感器以及ADC单元，所述DAC单元，分别与嵌入式控制器和电机驱动模块连接；所述电机驱动模块，与振镜电机连接；所述速度传感器，与振镜电机同轴固定，并与电机驱动模块连接；所述ADC单元，分别与位置敏感传感器、嵌入式控制器连接。本发明还公开了一种光束位置伺服控制方法。本发明通过速度闭环和位置闭环的双闭环控制系统，采用光束位置补偿算法消除光强对光束位置产生的干扰，设计具有二阶FIR滤波器的增量式数字PID闭环控制算法，抑制位置传感器引入的随机干扰，实现了较高的控制精度及带宽。
Description
技术领域
本发明属于激光光束稳定控制技术领域，更具体地，涉及一种光束位置伺服控制系统及方法。
背景技术
激光因为其独有的特性，在测量、通信及加工领域具有其它技术无法比拟的优势，而激光光束的稳定控制是确保激光指向目标的核心技术之一。激光光束在空间的状态由位置坐标以及指向坐标确定，因此，其稳定控制一般包括位置稳定控制以及指向稳定控制，其基本原理是：数据采集系统测量反射镜偏转角度、光斑质心及测距信息合成目标位置，通过特定算法计算出偏转镜控制量，使光束逼近目标，直至脱靶量趋近于零。但由于外界因素影响，如环境振动、光学器件的热漂移、系统元件加工及装调误差等，导致光束在传播过程中发生偏移，影响对目标的跟踪精度及动态性能，严重时会使目标偏离视场。
目前，对于光束位置控制一般采用三种方法。方法一是保证光机结构的加工及安装精度，当光束发生小范围偏移时，通过手动方式调节反射镜光学调整架进行标定，消除光束位置误差，从而跟踪目标，这种方式比较简单、成本低，但对加工精度要求较高，适合于跟踪静态目标或者移动缓慢的目标，当目标移动速度较快时，此方法不适用。方法二是采用快速反射镜作为光束位置控制的校正装置，构成位置闭环控制系统。通过光学位置敏感传感器（PSD）或者CCD/CMOS光斑相机检测光束位置，得到脱靶量，从而调节快速偏转镜位置，使光束位置稳定，达到跟踪目标的目的。快速偏转镜的驱动机构一般是步进电机、压电陶瓷或者音圈电机，是目前应用比较普遍的方法。步进电机驱动方式结构及控制方法简单，因步进电机步距角受限，控制精度一般在毫米量级，且控制带宽较小，适合于低频粗跟踪系统；压电陶瓷和音圈电机驱动方式精度可到微米量级，控制带宽高，响应快，但控制范围比较窄，偏转角度一般在1mrad到10mrad量级，且执行机构安装及使用要求高，当负载变化时，动态特性变差，需要二次标定。方法三是采用变形镜作为光束稳定控制的校准装置，变形镜的优势是不仅可以调整光束位置，而且可以对光束畸变进行校准，提高质心计算精度和光束质量，但是这种方式结构复杂，驱动器从几十个到上千个不等，控制系统及控制算法尤为复杂，控制算法收敛较慢，不适合带宽要求较高的应用场合。而且成本非常高，目前技术并不成熟，尚在实验验证中。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种简单实用、控制范围宽、精度较高的光束位置伺服控制系统及方法，采用速度传感器、电机驱动模块及振镜电机组成速度环，对振镜电机转速进行闭环控制；采用位置敏感传感器、DAC单元、ADC单元以及嵌入式控制器组成位置环，对光束位置进行闭环控制，通过双闭环控制系统，提高了控制精度。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种光束位置伺服控制系统，包括嵌入式控制器、DAC单元、电机驱动模块、振镜电机、速度传感器、位置敏感传感器以及ADC单元；
所述嵌入式控制器，用于根据光束位置输入量计算输出控制量；
所述DAC单元，分别与所述嵌入式控制器和电机驱动模块连接，用于将嵌入式控制器输出的控制量转换后传输至所述电机驱动模块；
所述电机驱动模块与所述振镜电机连接，用于驱动该振镜电机；
所述速度传感器与所述振镜电机同轴固定，并与电机驱动模块连接，用于测量所述振镜电机转速并输出脉冲信号到所述电机驱动模块；
所述位置敏感传感器，用于检测光束位置，输出电压信号；
所述ADC单元分别与所述位置敏感传感器及嵌入式控制器连接，用于将所述位置敏感传感器输出的电压信号转换后传输至所述嵌入式控制器，从而实现双闭环控制。
进一步的，所述光束位置伺服控制系统还包括控制板，所述嵌入式控制器、DAC单元、ADC单元集成于该控制板上。
进一步的，所述光束位置伺服控制系统还包括金属固定结构，所述电机驱动模块、振镜电机、速度传感器安装于该金属固定结构上。
进一步的，所述DAC单元通过电缆与所述电机驱动模块连接，所述位置敏感传感器通过电缆与所述ADC单元连接，所述电缆采用屏蔽双绞电缆，并设置磁珠。
进一步的，所述振镜电机采用二维高速扫描电机，振镜最大摆幅为-10°～+10°。
按照本发明的另一个方面，提供一种基于所述光束位置伺服控制系统实现光束位置伺服控制的方法，包括以下步骤：
S1：设定光束位置初始值，设置嵌入式控制器的采样频率；
S2：嵌入式控制器输出控制量，通过DAC单元转换后传输至电机驱动模块，电机驱动模块驱动振镜电机；
S3：速度传感器测量振镜电机的转速，输出脉冲信号至电机驱动模块；
S4：判断振镜电机转速是否稳定，是，则转入S5；否，则电机驱动模块调整振镜电机转速，然后转入S3；
S5：位置敏感传感器检测光束位置，输出电压信号，通过ADC单元转换后传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器根据光束位置输入量计算控制量，转入S2。
进一步的，步骤S5还包括所述ADC单元在对电压信号进行转换前先通过二阶FIR数字滤波器滤波，消除外部噪声及干扰。
进一步的，步骤S5所述位置敏感传感器输出电压信号包括两路位置电压和两路求和电压，两路位置电压用于二维位置控制量计算，两路求和电压用于补偿光束强度对位置电压造成的影响。
进一步的，步骤S5还包括所述嵌入式控制器在根据光束位置输入量计算控制量前先采用补偿算法消除光强对光束位置信号的影响。
进一步的，步骤S5所述嵌入式控制器计算控制量具体包括：嵌入式控制器将光束位置实际值和光束位置设定值作为输入量，通过增量式数字PID闭环控制算法计算控制量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明采用速度传感器、电机驱动模块及振镜电机组成速度环，对振镜电机转速进行闭环控制；采用位置敏感传感器、DAC单元、ADC单元以及嵌入式控制器组成位置环，对光束位置进行闭环控制，通过双闭环控制系统，提高了控制精度。
2．本发明采用光束位置补偿算法消除光强对光束位置产生的干扰，设计具有二阶FIR滤波器的增量式数字PID闭环控制算法，抑制位置传感器引入的随机干扰，实现了较高的控制精度及带宽。
3．本发明采用二维高速扫描电机作为振镜电机，振镜最大摆幅-10°～+10°，大幅提高了光束位置的调整范围。
4．本发明位置敏感传感器检测光束位置并输出电压信号到ADC单元，ADC单元将电压信号转换后传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器根据光束位置输入量计算控制量，并通过SPI串行总线将控制量输出到DAC单元，DAC单元将控制量转换后传输至电机驱动模块，实现双闭环控制。
5．本发明两路位置直流电压用于二维位置控制量计算，两路求和电压用于补偿光束强度对位置电压造成的影响。ADC单元采集光束位置及强度信号，先通过二阶FIR数字滤波器消除信号中的高频噪声信号及干扰，然后采用四路独立的24位差分ADC采集电压信号，采用DMA方式读取ADC数据，将转换后的光束位置及强度信号传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器先采用补偿算法消除光强对光束位置信号的影响，再将检测得到的光束位置实际值与光束位置设定值同时作为输入量，通过增量式数字PID闭环控制算法计算控制量，并输出控制量以SPI方式发送到DAC单元，通过电机驱动模块驱动振镜电机形成闭环。
附图说明
图1为本发明实施例一种光束位置伺服控制系统的结构示意图。
图2为本发明一种光束位置伺服控制方法的基本流程图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-嵌入式控制器、2-DAC单元、3-电机驱动模块、4-振镜电机、5-速度传感器、6-位置敏感传感器、7-ADC单元、8-控制板、9-金属固定结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种高精度光束位置伺服控制系统，包括嵌入式控制器1、DAC（数模转换）单元2、电机驱动模块3、振镜电机4、速度传感器5、位置敏感传感器6以及ADC单元7。所述嵌入式控制器，用于根据光束位置输入量计算输出控制量，所述DAC单元，分别与所述嵌入式控制器和电机驱动模块连接，用于将嵌入式控制器输出的控制量转换后传输至所述电机驱动模块，所述电机驱动模块与所述振镜电机连接，用于驱动该振镜电机，所述速度传感器与所述振镜电机同轴固定，并与电机驱动模块连接，用于测量所述振镜电机转速并输出脉冲信号到所述电机驱动模块，所述位置敏感传感器，用于检测光束位置，输出电压信号，所述ADC单元分别与所述位置敏感传感器及嵌入式控制器连接，用于将所述位置敏感传感器输出的电压信号转换后传输至所述嵌入式控制器，从而实现双闭环控制。本发明采用速度传感器、电机驱动模块及振镜电机组成速度环，对振镜电机转速进行闭环控制；采用位置敏感传感器、DAC单元、ADC单元以及嵌入式控制器组成位置环，对光束位置进行闭环控制，通过双闭环控制系统，提高了控制精度。
如图1所示，所示电机驱动模块3、振镜电机4及速度传感器5组成速度闭环，对振镜电机4转速进行闭环控制。其中，电机驱动模块3与振镜电机4连接，速度传感器5与振镜电机4同轴固定，并通过四芯电缆连接到电机驱动模块3的速度信号输入接口。电机驱动模块3、振镜电机4及速度传感器5统一安装在金属固定结构9上。
速度闭环控制过程：电机驱动模块3通过HRPWM方式驱动振镜电机4，速度传感器5测量振镜电机4转速并输出脉冲信号到电机驱动模块3。其中，振镜电机4采用二维高速扫描电机，振镜最大摆幅为-10°～+10°，能适应大范围目标的跟踪和扫描。速度传感器5采用旋转式高精度光电编码器。
嵌入式控制器1、DAC单元2、位置敏感传感器6及ADC单元7组成位置闭环，对光束位置进行闭环控制。其中，位置敏感传感器6通过八芯电缆连接到ADC单元7信号输入端，ADC单元7与嵌入式控制器1连接，嵌入式控制器1通过四线SPI串行总线接口连接到DAC单元2，DAC单元2采用四芯电缆连接到电机驱动模块3。所用电缆均采用屏蔽双绞电缆，并设置了磁珠，增强了线路抗干扰能力。嵌入式控制器1、DAC单元2及ADC单元7集成在控制板8上。
位置闭环控制过程：位置敏感传感器6检测光束位置并输出电压信号到ADC单元7，ADC单元7将电压信号转换后传输至嵌入式控制器1，嵌入式控制器1根据光束位置输入量计算控制量，并通过SPI串行总线将控制量输出到DAC单元2，DAC单元2将控制量转换后传输至电机驱动模块3。其中，位置敏感传感器6为二维位置敏感光学传感器，位置精度1µm。ADC单元7采用24位差分ADC，转换速率为200ksps。嵌入式控制器1的核心芯片主频为150MHz，采用硬件乘法器及FPU使主控代码运行时间不超过100us，提高了运算速度及精度。DAC单元2采用24位DAC，保证了输出的分辨率及精度，DA转换时间小于1µs，使控制输出有足够的带宽。本发明采用光束位置补偿算法消除光强对光束位置产生的干扰，设计具有二阶FIR滤波器的增量式数字PID闭环控制算法，抑制位置传感器引入的随机干扰，实现了较高的控制精度及带宽。
经测试，该光束位置伺服控制系统的光束调整范围可达-10°～+10°，闭环阶跃响应典型调节时间4ms，位置稳态误差RMS值小于15µm，闭环控制带宽达到200Hz。本发明采用二维高速扫描电机作为振镜电机，振镜最大摆幅-10°～+10°，大幅提高了光束位置的调整范围。
实施例2
如图2所示，本发明实施例提供一种基于所述光束位置伺服控制系统实现光束位置伺服控制的方法，包括以下步骤：
（1）设定光束位置初始值，设置嵌入式控制器1的采样频率。其中，光束位置设定值通过控制板8其它端口设定；嵌入式控制器1通过32位定时器设定采样频率，最高采样率达10KHz。
（2）嵌入式控制器1通过四线SPI串行总线输出控制量到DAC单元2，SPI串行总线传输信号为32位数据帧，SCLK频率为7.5MHz；经两路运放调理，DAC单元2输出两路相互独立、输出范围-10V～+10V的电压信号到电机驱动模块3；电机驱动模块3通过HRPWM方式驱动振镜电机4。
（3）速度传感器5检测振镜电机4转速，并输出脉冲信号至电机驱动模块3。速度传感器5输出两路脉冲相位关系表征电机旋转方向，当振镜电机4偏转时，光电编码器输出两路AB脉冲，当A脉冲相位超前B脉冲时，振镜电机4正偏，当A脉冲相位滞后B脉冲时，振镜电机反偏。脉冲个数表示振镜电机4角位移，与累计时间相除即得到振镜电机4瞬时速度。
（4）判断振镜电机4转速是否稳定，如果稳定，则进入下一步；如果不稳定，则电机驱动模块3调整振镜电机4转速，并返回上一步。
（5）位置敏感传感器6检测光束位置，输出两路位置直流电压及两路求和电压，幅值与位置坐标呈线性关系，电压范围为-10V～+10V，输出的电压信号通过八芯电缆传输到ADC单元7信号输入端。两路位置直流电压用于二维位置控制量计算，两路求和电压用于补偿光束强度对位置电压造成的影响。ADC单元7采集光束位置及强度信号，先通过二阶FIR数字滤波器消除信号中的高频噪声信号及干扰，然后采用四路独立的24位差分ADC采集电压信号，采用DMA方式读取ADC数据，将转换后的光束位置及强度信号传输至嵌入式控制器1，嵌入式控制器1先采用补偿算法消除光强对光束位置信号的影响，再将检测得到的光束位置实际值与光束位置设定值同时作为输入量，通过增量式数字PID闭环控制算法计算控制量，并输出控制量以SPI方式发送到DAC单元2，通过电机驱动模块3驱动振镜电机4形成闭环。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光束位置伺服控制系统，其特征在于，包括嵌入式控制器、DAC单元、电机驱动模块、振镜电机、速度传感器、位置敏感传感器以及ADC单元；
所述嵌入式控制器，用于根据光束位置输入量计算输出控制量；
所述DAC单元，分别与所述嵌入式控制器和电机驱动模块连接，用于将所述嵌入式控制器输出的控制量转换后传输至所述电机驱动模块；
所述电机驱动模块与所述振镜电机连接，用于驱动该振镜电机；
所述速度传感器与所述振镜电机同轴固定，并与电机驱动模块连接，用于测量所述振镜电机转速并输出脉冲信号到所述电机驱动模块；
所述位置敏感传感器，用于检测光束位置，输出电压信号；
所述ADC单元分别与所述位置敏感传感器及嵌入式控制器连接，用于将所述位置敏感传感器输出的电压信号转换后传输至所述嵌入式控制器，从而实现双闭环控制。
2.根据权利要求1所述的光束位置伺服控制系统，其特征在于，所述光束位置伺服控制系统还包括控制板，所述嵌入式控制器、DAC单元、ADC单元集成于该控制板上。
3.根据权利要求1所述的光束位置伺服控制系统，其特征在于，所述光束位置伺服控制系统还包括金属固定结构，所述电机驱动模块、振镜电机、速度传感器安装于该金属固定结构上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光束位置伺服控制系统，其特征在于，所述DAC单元通过电缆与所述电机驱动模块连接，所述位置敏感传感器通过电缆与所述ADC单元连接，所述电缆采用屏蔽双绞电缆，并设置磁珠。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的光束位置伺服控制系统，其特征在于，所述振镜电机采用二维高速扫描电机，振镜最大摆幅为-10°～+10°。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述光束位置伺服控制系统实现光束位置伺服控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设定光束位置初始值，设置嵌入式控制器的采样频率；
S2：嵌入式控制器输出控制量，通过DAC单元转换后传输至电机驱动模块，电机驱动模块驱动振镜电机；
S3：速度传感器测量振镜电机的转速，输出脉冲信号至电机驱动模块；
S4：判断振镜电机转速是否稳定，是，则转入S5；否，则电机驱动模块调整振镜电机转速，然后转入S3；
S5：位置敏感传感器检测光束位置，输出电压信号，通过ADC单元转换后传输至嵌入式控制器，嵌入式控制器根据光束位置输入量计算控制量，转入S2。
7.根据权利要求6所述的光束位置伺服控制方法，其特征在于，步骤S5还包括所述ADC单元在对电压信号进行转换前先通过二阶FIR数字滤波器滤波，消除外部噪声及干扰。
8.根据权利要求6所述的光束位置伺服控制方法，其特征在于，步骤S5所述位置敏感传感器输出电压信号包括两路位置电压和两路求和电压，两路位置电压用于二维位置控制量计算，两路求和电压用于补偿光束强度对位置电压造成的影响。
9.根据权利要求8所述的光束位置伺服控制方法，其特征在于，步骤S5还包括所述嵌入式控制器在根据光束位置输入量计算控制量前先采用补偿算法消除光强对光束位置信号的影响。
10.根据权利要求6所述的光束位置伺服控制方法，其特征在于，步骤S5所述嵌入式控制器计算控制量具体包括：嵌入式控制器将光束位置实际值和光束位置设定值作为输入量，通过增量式数字PID闭环控制算法计算控制量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210126 |
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