DE19621645C1

DE19621645C1 - Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlleistung

Info

Publication number: DE19621645C1
Application number: DE1996121645
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl Ing Drenker; Stefan Dipl Ing Geissler; Burkhard Dipl Ing Wilbers
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 1997-10-16
Anticipated expiration: 2016-05-31

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Verfahren mit den Verfahrensschritten des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind allgemein bekannt. Der Vergleich des Meßwertes mit dem Leistungssollwert wird mit Hilfe eines ge eigneten Verfahrens durchgeführt und führt zu einer Regelab weichung, die einem Korrekturglied zur Bildung des Stellwer tes zugeführt wird. Der Stellwert führt zu der gewünschten Laserstrahlleistung. Es treten jedoch Störeinflüsse auf, wie z. B. die Schwankungen der Resonatortemperatur, des Drucks des Lasergases im Resonator oder Veränderungen in der Zusammen setzung des Gases. Diese Störeinflüsse führen zu Veränderun gen der jeweils effektiven Leistungskennlinie des Lasers, so daß die tatsächliche abgegebene Laserstrahlleistung vom vor gegebenen Sollwert abweicht. Derartige Abweichungen sollen mit dem Detektor ausgeglichen werden, indem seine Meßwerte auf dem Weg der vorbeschriebenen Stellwertbildung eingesetzt werden. An die Messung bzw. an die Regelung der Laserstrahl leistung werden folgende Anforderungen gestellt:

1. Die Laserstrahlleistung soll präzise einstellbar sein, also möglichst genau mit dem vorgegebenen Sollwert übereinstimmen. Die Einstellung soll über lange Zeiträume hinweg gewährleistet sein, so daß eine entsprechende Lang zeitstabilität vorhanden ist.
2. Die Einstellung der Laserstrahlleistung soll mög lichst verzögerungsfrei erfolgen, also mit kurzen Einstell zeiten.

Die bei den bekannten Verfahren verwendeten Detektoren sind beispielsweise schnelle Detektoren mit einer Zeitkon stanten von z. B. 1 ms. Sie ermöglichen die gewünschte kurze Einstellzeit für die Einstellung der Laserstrahlleistung, weisen jedoch überwiegend eine ungenügende Langzeitstabilität auf. Des weiteren sind thermische Detektoren mit einer Zeit konstanten von z. B. 1 s bekannt. Diese sind preiswert, präzi se und langzeitstabil. Mit ihnen sind aber kurze Einstellzei ten der Laserstrahlleistung von z. B. 1 ms nicht erreichbar.

Ein Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlleistung ge mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der EP 0 328 656 A1 bekannt. Aus BORISOV, B. D.: Optimal method for evaluating the systematic change in the frequency of signals. In: Measurement Techniques, June 1987, Vol. 30, No. 6, S. 530-531 sind Kalman-Filter bekannt, mit denen Augenblicks diagnostik zur Entwicklung von Korrekturwerten für automati sche Steuersysteme betrieben werden kann.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den vorgenannten Verfahrensschritten so zu verbessern, daß es die erforderliche Langzeitstabilität in Verbindung mit einer schnellen Einstellbarkeit unabhängig von den Zeitkonstanten der Detektoren insbesondere für langsame Detektoren ermöglicht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die rechnerische Nachbildung der Leistungskennlinie des Lasers und eine den Detektor nachbildende Übertragungsfunktion unter Verwendung des Stellwertes für eine Berechnung eines Vorhersage-Meßwertes eingesetzt werden, der, wie auch der Meßwert des Detek tors, einem Parameterschätzer zugeführt wird, dessen Schätz wert für eine Anpassung der Nachbildung der Leistungskennli nie des Lasers verwendet wird, mit der aus dem Leistungssoll wert ein korrigierter Stellwert bestimmt wird.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß der Laser be züglich seiner Leistungskennlinie und der Detektor bezüglich seiner Übertragungsfunktion rechnerisch nachgebildet werden. Diese rechnerische Nachbildung erlaubt es, einen Vorhersage-Meßwert zu berechnen, der den effektiven Störeinflüssen bei der Bildung der Laserstrahlung nicht unterliegt. Daher können Unterschiede zu den Meßwerten des Detektors auftreten. Diese Unterschiede werden dazu herangezogen, den Stellwert mitzube stimmen. Diese Bestimmung kann sehr schnell erfolgen, da der Stellwert mit einer Verzögerung erzeugt werden kann, die nur durch die für seine Erzeugung notwendige Rechenzeit begrenzt ist. Es ergeben sich daher die gewünschten kurzen Einstell zeiten.

Das Verfahren kann entsprechend den Verfahrensschritten der Unteransprüche weitergebildet werden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung wiederge gebenen Darstellungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a bis Fig. 1c unterschiedliche Kurvenverläufe der Laserstrahlleistung p_L in Abhängigkeit von der Zeit t, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Steuerung der Laserstrahlleistung.

In Fig. 1a ist eine zeitliche Abhängigkeit der Laserlei stung dargestellt, nämlich p_L=f(t). In dieser Darstellung be deutet p_Ls den Leistungssollwert, mit dem der Laser arbeiten soll. Im ungeregelten Stellbetrieb wird der Laser zum Zeit punkt t=0 mit Hilfe eines konstanten Stellwerts eingestellt, der mit Hilfe eines Korrekturglieds anhand einer feststehen den Leistungskennlinie berechnet wird. Infolgedessen steigt die Laserstrahlleistung p_L im Zeitpunkt t=0 vom Wert 0 auf den Wert p_Ls bzw. etwas darüber. Durch Störeinflüsse im Laser, wie z. B. durch Schwankungen der Resonatortemperatur, entste hen Abweichungen in der Laserleistung, so daß sich über die Zeit gesehen ein Verlauf der Laserleistung beispielsweise entsprechend der Kurve 13 ergibt, die um den Sollwert p_Ls her umschwankt. Im Vergleich dazu zeigt beispielsweise die Kurve 14 den dabei auftretenden Meßwertverlauf des Detektors 10, der die Laserleistung mißt. Dieser Detektor hat eine Tiefpaß eigenschaft, die durch die Zeitkonstante τ_D gekennzeichnet ist.

Infolge dieser Zeitkonstanten τ_D ergeben sich von dem quasi idealen Anfangsverlauf der Laserstrahlleistung gemäß Fig. 1a abweichende Verläufe im Betrieb mit einen konventio nellen Regelkreis. Die Einstellzeit bis zum Erreichen des Sollwertes liegt in der Größenordnung der Detektor-Zeitkonstanten τ_D, wie Fig. 1b zeigt. Je nach Dynamik des Korrektur glieds ergibt sich entweder eine längere Einstellzeit gemäß der Kurve 15, die sich dem Leistungssollwert p_Ls asymptotisch annähert, oder es ergibt sich eine kürzere Einstellzeit gemäß der Kurve 16 mit anfänglichem Überschwingen der Laserstrahl leistung. Beide Leistungsverläufe der Fig. 1b sind nicht ideal. Anstrebenswert ist es, daß die Laserleistung zum Zeit punkt t=0 praktisch ohne Verzögerung von dem Wert 0 auf den Wert p_Ls gebracht wird. Dieser Verlauf ist durch die Kurve 17 in Fig. 1c gekennzeichnet, aus der deutlich wird, daß eine Zeitkonstante τ_D keine Rolle spielt bzw. spielen soll.

Um den Verlauf der Laserleistung p_Ls=f(t) gemäß Fig. 1c zu erreichen, wird entsprechend der Darstellung in Fig. 2 verfah ren. Diese Fig. 2 zeigt das reale System 18 mit einem Laser 11 und einem Detektor 10. Der Laser 11 wird mit einem Stellwert u eingestellt und gibt dementsprechend die Leistung p_L ab. Diese wird von dem Detektor 10 in an sich bekannter Weise ge messen und führt zu einem Meßwert z. Dieser Meßwert z weicht von dem der Soll-Leistung p_Ls entsprechenden Meßwert infolge von Störeinflüssen 20 etwas ab, z. B. in zeitlicher Abhängig keit z(t) gemäß Fig. 1a, Kurve 14. Obwohl also der Stellwert u mit Hilfe des Korrekturglieds 19 korrekt bestimmt wurde, näm lich entsprechend einer Leistungskennlinie u(p_L) des Lasers 11, vermag letzterer infolge der Störungen 20 nicht, die ge wünschte Leistung p_L zu erzeugen.

Fig. 2 zeigt, daß zusätzlich zu dem realen System 18 ein Modell 21 des Systems eingesetzt wird. Darin befindet sich ein Lasermodell 22 mit einer rechnerischen Nachbildung der Leistungskennlinie p_L(u), die jeweils mit dem Stellwert u be aufschlagt wird. Diese Leistungskennlinie p_L(u) entspricht der Kennlinie U(p_L) des Korrekturglieds 19, wobei lediglich der Stellwert u in Abhängigkeit von der Laserleistung p_L dar gestellt wurde, während in der Darstellung für das Lasermo dell 22 die Abhängigkeit der Laserleistung p_L von dem Stell wert u gewählt wurde.

Eine Berechnung anhand des Lasermodells 22 ergibt eine Modelleistung p_LM, die rechnerisch mit einem Detektormodell 23 verknüpft wird. Das Detektormodell 23 bildet den Detektor 10 mit einer geeigneten Übertragungsfunktion nach, die in Fig. 2 beispielsweise dargestellt wurde. Die dargestellte Übertra gungsfunktion symbolisiert einen langsamen thermischen Lei stungsdetektor. Es ist aber auch der Einsatz eines schnellen Leistungsdetektors mit einer kurzen Zeitkonstanten denkbar. Die Leistungskennlinie p_L(u) des Lasers 11 wird rechnerisch mit Hilfe veränderlicher Parameter u_s nachgebildet, so daß der Verlauf der Leistungskennlinie eindeutig beschrieben wird. Die rechnerische Nachbildung der Leistungskennlinie p_L(u) des Lasers 11 und die den Detektor 10 nachbildende Übertragungsfunktion führen zu einem Vorhersage-Meßwert z_e. Dieser Vorhersage-Meßwert z_e und der Meßwert z werden einem Parameterschätzer 12 zugeführt, der beide Werte in Beziehung setzt. Als Ausgangswerte des Parameterschätzers 12 ergeben sich Schätzwerte u_s, die sowohl dem Korrekturglied 19 zuge führt werden, als auch dem Lasermodell 22. Dementsprechend berechnet das Korrekturglied 19 Stellwerte u in Abhängigkeit von der Solleistung p_Ls einerseits und von den jeweiligen Schätzwerten u_s andererseits.

Die Schätzwerte u_s beeinflussen außerdem die Berechnung gemäß dem Lasermodell 22, nämlich dessen Leistungskennlinie, die entsprechend zeitlich veränderlich ist. Es erfolgt also eine ständige Anpassung der im Modell 21 verwendeten Lei stungskennlinie p_L(u) in Abhängigkeit von dem Schätzverfah ren, welches die auf den Laser 11 einwirkenden Störungen be rücksichtigt, weil der Parameterschätzer 12 nicht nur von den Vorhersage-Meßwerten z_e beeinflußt wird, sondern auch von den Meßwerten z des Detektors 10, mit dem der Einfluß der Störun gen erfaßt wird.

Die Schätzwerte u_s korrigieren entsprechend auch die Leistungskennlinie u(p_L) des Korrekturglieds 19, das mit dem vorgegebenen Leistungssollwert bzw. der Solleistung p_Ls einen korrigierten Stellwert u berechnet. Der Parameterschätzer 12 berücksichtigt die Störungen 20 im Laserprozeß dadurch, daß er die Abweichungen der Meßwerte z von Vorhersage-Meßwerten z_e auswertet. Zweckmäßigerweise wird für den Parameterschät zer 12 ein Kalman-Filteralgorithmus eingesetzt, also ein sta tistisch wirkendes Filter, das statistische Erfahrensverwer tung unter Berücksichtigung der gegebenen Unsicherheitskrite rien betreibt. Derartige Filteralgorithmen sind an sich be kannt und werden daher hier nicht weiter beschrieben.

Es ist ersichtlich, daß der Vorhersage-Meßwert z_e und der Meßwert z des realen Systems 18 nur dann übereinstimmen können, wenn das Modell 21 mit dem realen System 18 identisch ist. Das ist theoretisch zum Zeitpunkt t=0 jedenfalls gege ben. Wenn Störeinflüsse im Laser 11 zur Veränderung seiner effektiven Leistungscharakteristik führen, kommt es zu Abwei chungen zwischen den Meßwerten z, z_e, die unter der Einwir kung des Parameterschätzers 12 zu den vorbeschriebenen Kor rekturen der Leistungskennlinie sowohl des Korrekturglieds 19 als auch der Lasermodells 22 führen.

Die Einstellzeit der Laserstrahlleistung ist nur von der im Korrekturglied 19 benötigten Rechenzeit abhängig. Die ge gebene Zeitkonstante des verwendeten Detektors 10 spielt kei ne Rolle. Die Zeit, die zur Anpassung der Leistungskennlinie an die Störeinflüsse benötigt wird, ist jedoch mindestens so groß, wie die Zeitkonstante des Detektors 10. Daher werden nur solche Störeinflüsse korrigiert, die entsprechend langsam variieren.

Die Einstellbarkeit der Laserstrahlleistung ist präzise und verzögerungsfrei möglich. Präzise bedeutet, daß die Ab weichung der Laserstrahlleistung von der Solleistung jeder zeit geringer ist, als im ungeregelten Betrieb mit Leistungs steuerung über eine feststehende Leistungskennlinie. Die Ab weichung der Laserstrahlleistung von der Solleistung ist au ßerdem niemals größer, als im geregelten Betrieb mit einem konventionellen Regelkreis, der den gleichen Detektor verwen det. Verzögerungsfreie Einstellbarkeit bedeutet, daß die Ein stellzeit so kurz ist, wie im ungeregelten Betrieb mit Lei stungssteuerung über eine feststehende Leistungskennlinie. Hierbei ist die Einstellzeit unabhängig von der Zeitkonstan ten des verwendeten Detektors. Infolgedessen ist der wesent liche Vorteil des Verfahrens gegenüber dem bekannten Verfah ren, daß es eine schnelle Einstellung der Laserstrahlleistung ermöglicht, obwohl ein langsamer Detektor zur Messung der La serstrahlleistung eingesetzt werden kann.

Bei einem Ausführungsbeispiel zur Steuerung kann ein CO₂-Laser mit 750 W Nennleistung eingesetzt werden. Hierbei werden Störeinflüsse beobachtet, die mit Zeitkonstanten von mehr als 5 s variieren. Zur Leistungsmessung wird ein thermi scher Detektor mit einer Zeitkonstanten von 1 s verwendet. Das Verfahren kann in einem digitalen, prozessorgesteuerten System realisiert werden. Im Regelkreis wird der vorbeschrie bene Kalman-Filteralgorithmus eingesetzt und die Übertra gungsfunktion des Detektors wird durch ein Digitalfilter nachgebildet. Störeinflüsse mit Zeitkonstanten von mehr als 5 s werden korrigiert. Dabei wird eine Einstellzeit für die La serstrahlleistung erreicht, die je nach Rechengeschwindigkeit des Prozessorsystems unterhalb von 1 ms liegen kann. Bei ei ner konventionellen Regelung würde die Einstellzeit wegen der Zeitkonstanten des Detektors dagegen im Bereich von einer 1 s liegen.

Claims

1. Verfahren zur Steuerung der Laserstrahlleistung (p_L), die mit einem Detektor (10) gemessen wird, dessen Meß wert (z) bei einem Vergleich mit einem Leistungssollwert (p_Ls) anhand einer rechnerischen Nachbildung der Lei stungskennlinie (p_L(u)) des Lasers (11) zur Bildung ei nes Stellwertes (u) der Laserstrahlleistung (p_L) heran gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die rechneri sche Nachbildung der Leistungskennlinie (p_L(u)) des La sers (11) und eine den Detektor (10) nachbildende Über tragungsfunktion unter Verwendung des Stellwertes (u) für eine Berechnung eines Vorhersage-Meßwertes (z_e) ein gesetzt werden, der, wie auch der Meßwert (z) des Detek tors (10), einem Parameterschätzer (12) zugeführt wird, dessen Schätzwert (u_s) für eine Anpassung der Nachbil dung der Leistungskennlinie (p_L(u)) des Lasers (11) ver wendet wird, mit der aus dem Leistungssollwert (p_Ls) ein korrigierter Stellwert (u) bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Parameterschätzer (12) ein Kalman-Filteralgorithmus zur Bestimmung des Schätzwerts (u_s) eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß als Detektor (10) ein thermischer Detektor ein gesetzt wird.