基于矩陣式硅光電池組的光電定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李建秋，路春光

（河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063000）

0 引言

隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，定位瞄準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)方法也越來越多樣化，大至日漸成熟的激光定位與激光瞄準(zhǔn)，小至實(shí)用的硅光電池組，可謂各具特色。本文設(shè)計(jì)的是一種由硅光電池組成的矩陣電路，由矩陣電路完成對激光信號的收集與判斷，并反饋給PLC進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械裝置，以完成自動(dòng)控制找準(zhǔn)定位的目的。

1 硅光電池組的光電定位系統(tǒng)組成及工作原理

整個(gè)光電自動(dòng)跟蹤定位系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、硅光電池組、PLC控制器、步進(jìn)電機(jī)以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置組成。本系統(tǒng)使用PLC控制器實(shí)現(xiàn)對硅光電池組的控制，可以實(shí)現(xiàn)對硅光電池組位置方向的控制，以完成對激光位置的找正與調(diào)節(jié)。其工作原理是：激光發(fā)射器固定不動(dòng)并發(fā)射出持續(xù)的激光信號，激光信號照射到硅光電池組上面，通過矩陣電路對激光信號進(jìn)行采集判斷；由硅光電池組發(fā)出的電壓信號經(jīng)信號放大器放大后傳遞給光電開關(guān)經(jīng)過邏輯運(yùn)算傳遞給PLC，再由PLC控制步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)對激光信號的自動(dòng)跟蹤與定位。光電定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 光電定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 光電定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 激光發(fā)射器與硅光電池組的選擇

激光發(fā)射器選用大功率紅光激光器，發(fā)射激光波長為694nm。

選用型號為DU10的硅光電池，它具有光電倍增管、光電管、硒光電池所無法比擬的寬光譜響應(yīng)，特別適用于工作在300nm～1 000nm光譜范圍的各種光學(xué)儀器，對紅光有較高的靈敏度，該器件體積小，性能穩(wěn)定可靠。

2.2 硅光電池組的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中硅光電池組主要用來收集激光信號，并判斷激光信號的位置。

硅光電池組由25個(gè)大小相等的硅光電池片組成5×5的矩陣式，采用矩陣式的排列方式可以減少占用PLC的I/O口數(shù)量。由硅光電池組成的矩陣電路與激光發(fā)射器工作時(shí)的放置位置如圖2所示。矩陣電路的行線與列線的交叉位置為硅光電池的放置位置，矩陣電路與PLC的連接示意圖如圖3所示。硅光電池經(jīng)過激光照射會產(chǎn)生電壓，由于硅光電池受自然光照射對電壓信號的影響比較大，故在硅光電池前再安裝上濾光片，這樣就可以有效地排除自然光的干擾。

圖2 矩陣電路工作位置示意圖

2.3 前置放大器的選用

前置放大器采用同相比例放大的原則，原因是：①硅光電池內(nèi)阻比較小，若采用反相比例放大，當(dāng)硅光電池受到外界自然光強(qiáng)度變化時(shí)，輸出電壓將不會呈線性變化；②硅光電池輸出為直流電壓，所以可以不必考慮電壓帶寬和壓擺率的限制，采用同相比例放大電路，輸入阻抗高，輸出阻抗低，這樣可有效減少外界光信號的干擾，且輸出電壓與輸入電壓同相，便于進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理與分析。

在自然光的照射下，本系統(tǒng)使用的硅光電池輸出電壓大概為600mV，為方便進(jìn)行A/D變換，選用放大倍數(shù)為5左右，則硅光電池的輸出電壓在3V～4V之間。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換

FX2N－4AD是FX2N系列PLC的模擬量輸入模塊，有CH1～CH4四個(gè)通道，每個(gè)通道都可以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，分辨率為12位，采集信號電壓為－12V～12V，分辨率為5mV。FX2N－4AD通過擴(kuò)展電纜與PLC相連，二者之間通過32個(gè)16位緩沖存儲器（BFM）交換數(shù)據(jù)。在程序中使用識別碼來確認(rèn)特殊模塊，F(xiàn)X2N－4AD模塊的識別碼是K2010。本系統(tǒng)基于電壓的輸入/輸出，選擇模擬范圍為－10VDC～10VDC，將信號的＋、－極分別與模塊的V＋和VI＋相連。FX2N－4AD與外部信號的接線圖如圖4所示。

圖3 矩陣電路與PLC的連接示意簡圖

2.5 系統(tǒng)硬件連接圖

系統(tǒng)的硬件接線圖如圖5所示。5×5的矩陣電路與 FX2N－4AD的輸入通道相連接，F(xiàn)X2N－4AD 通 過擴(kuò)展電纜與FX2N－64MT相連接，F(xiàn)X2N－64MT的輸出接口連接兩個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。FX2N－64MT直接由220V交流電提供電源，F(xiàn)X2N－64MT上面有24V的轉(zhuǎn)換接口，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上面的脈沖與方向信號需要5V供電，因此，由FX2N－64MT上面的24V轉(zhuǎn)換接口與KA7805電源模塊相連接，由KA7805為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供5V電源。

圖4 FX2N－4AD與外部信號接線圖

圖5 系統(tǒng)硬件接線圖

3 光電定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

作為系統(tǒng)的核心部分，數(shù)據(jù)處理與數(shù)字控制在系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)中起重要作用。系統(tǒng)的性能和參數(shù)與處理控制部分的結(jié)構(gòu)與流程密切相關(guān)，本系統(tǒng)采用GX Developer軟件進(jìn)行編程控制，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械裝置的數(shù)字化控制。外部激光信號的模擬量通過FX2N－4AD模塊輸出控制信號的數(shù)字量，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)而控制機(jī)械裝置。PLC內(nèi)部采用閉環(huán)反饋的PID算法，接收FX2N－4AD產(chǎn)生的數(shù)字信號，將數(shù)字量信號與預(yù)先設(shè)定的信號兩兩比較、比較的結(jié)果作為判定步進(jìn)電機(jī)下一次的預(yù)轉(zhuǎn)定量。通過不斷地采樣、比較、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、再采樣，就可以實(shí)現(xiàn)對激光信號自動(dòng)跟蹤的功能。系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程如圖6所示。當(dāng)激光照射到硅光電池上面時(shí)，將所對應(yīng)的硅光電池上面的電壓值與中間位置U33硅光電池產(chǎn)生的電壓值相比較，比較信號通過PLC處理并分別作為步進(jìn)電機(jī)的輸入。一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在平面X方向內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)在平面Y方向的旋轉(zhuǎn)，兩者配合最終實(shí)現(xiàn)光電定位的目的。激光照射到硅光電池每個(gè)位置所對應(yīng)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況如表1所示。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)流程圖

硅光電池的電壓值用來判定矩陣電路中激光信號的位置，經(jīng)過PLC中內(nèi)部比較指令運(yùn)算進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。PLC不直接控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，PLC內(nèi)通過設(shè)定脈沖量大小來控制每次步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖數(shù)量，進(jìn)而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小。運(yùn)算部分與控制部分獨(dú)立，可以極大地提高系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)的效率。

4 系統(tǒng)測試

表1 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測試與調(diào)節(jié)輸入步進(jìn)電機(jī)脈沖量的大小，使機(jī)械裝置的運(yùn)行誤差控制在3mm內(nèi)，且響應(yīng)時(shí)間小于1s，能夠迅速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)的光電定位跟蹤的目的。

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