激光光柵和反射鏡姿態(tài)調(diào)節(jié)的高精度開環(huán)控制

許樹業(yè),章亞男,陸林海,錢晉武

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

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激光光柵和反射鏡姿態(tài)調(diào)節(jié)的高精度開環(huán)控制

許樹業(yè),章亞男,陸林海,錢晉武

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072)

為了提高功率激光物理實(shí)驗(yàn)中激光束的精密對準(zhǔn)度，提出了一種對激光光柵和反射鏡姿態(tài)進(jìn)行可視化、高精度調(diào)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng);該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由上位機(jī)、下位機(jī)和角位移微調(diào)機(jī)構(gòu)等部分組成;從應(yīng)用層通信協(xié)議、HostLink(Fins)協(xié)議和三維姿態(tài)模擬等方面介紹了上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)；從步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器復(fù)用、PLC電機(jī)斷電相位記憶和下位機(jī)梯形圖程序框圖等方面討論了下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；分析了角位移微調(diào)機(jī)構(gòu)中通過把絲桿螺母的直線微位移轉(zhuǎn)換為角度微位移來達(dá)到高精度轉(zhuǎn)角分辨率的實(shí)現(xiàn)原理；并用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了實(shí)際轉(zhuǎn)角分辨率達(dá)到高精度設(shè)計(jì)要求;結(jié)果表明這種開環(huán)控制系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)對激光光柵和反射鏡轉(zhuǎn)角的高精度調(diào)節(jié)控制，對其他類似實(shí)驗(yàn)設(shè)備的高精度角度調(diào)整也具有借鑒意義。

光柵；反射鏡；姿態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)；開環(huán)控制；角位移微調(diào)

0 引言

壓縮器是高功率激光物理實(shí)驗(yàn)裝置的重要組成部分[1]，它由真空環(huán)境中4塊光柵和1塊反射鏡組成。對壓縮器光柵和反射鏡的姿態(tài)進(jìn)行高精度大范圍調(diào)節(jié)有助于激光束的精密對準(zhǔn)，這是研制激光發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一[2]。關(guān)于光柵或反射鏡姿態(tài)調(diào)節(jié)的文獻(xiàn)公開發(fā)表的不多，文獻(xiàn)[3]僅從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度討論了對反射鏡姿態(tài)的調(diào)整。本文介紹了對激光光柵和反射鏡姿態(tài)進(jìn)行高精度開環(huán)控制的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程。

實(shí)際的應(yīng)用提出的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：1)4塊光柵為串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，反射鏡的兩維調(diào)節(jié)為串聯(lián)驅(qū)動(dòng)；2)每維調(diào)節(jié)可以選擇點(diǎn)動(dòng)、定長和連續(xù)模式3種驅(qū)動(dòng)方式之一；3)零位設(shè)置和當(dāng)前位置的顯示；4)消除電機(jī)斷電、上電前后由于電機(jī)相位引入的“抖動(dòng)”影響；5)每一維的操作按“進(jìn)度條”顯示；6)光柵和反射鏡三維姿態(tài)模擬；7)光柵和反射鏡的各維角度調(diào)節(jié)控制分辨率和范圍等精度要求見表1和表2。

1 系統(tǒng)總體控制方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為上位機(jī)監(jiān)控軟件、下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)、角位移微調(diào)機(jī)構(gòu)等3個(gè)部分組成的高精度開環(huán)控制系統(tǒng)，開環(huán)控制框圖如圖1。

表1 光柵三維角度姿態(tài)調(diào)節(jié)分辨率和范圍

表2 反射鏡兩維角度姿態(tài)調(diào)節(jié)分辨率和范圍

圖1 開環(huán)控制框圖

上位機(jī)監(jiān)控軟件通過RS232通信口監(jiān)控下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)，下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)采用歐姆龍的整體式結(jié)構(gòu)小型PLC系統(tǒng)CP1H，其內(nèi)嵌有4軸高速脈沖輸出功能[4]，這4路脈沖分別連接到4個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器去控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)角位移微調(diào)機(jī)構(gòu)，形成開環(huán)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)光柵和反射鏡的姿態(tài)。

角位移微調(diào)機(jī)構(gòu)中，先通過諧波減速器的減速來增加輸出扭矩，讓步進(jìn)電機(jī)不失步，保證步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角分辨率的精度。然后通過正弦機(jī)構(gòu)把螺母的直線微位移轉(zhuǎn)換為角度的微位移來實(shí)現(xiàn)光柵/反射鏡高精度轉(zhuǎn)角分辨率的調(diào)整要求[5-7]。

2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件基于Win7系統(tǒng)，采用VB6.0+OpenGL來開發(fā)。通過人機(jī)界面給實(shí)驗(yàn)操作人員提供系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定、光柵切換、當(dāng)前光柵三維運(yùn)動(dòng)控制模式的切換、反射鏡二維運(yùn)動(dòng)的切換、各維運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)/停止和進(jìn)度條顯示、虛擬光柵和虛擬反射鏡的可視化顯示以及報(bào)警信息顯示等監(jiān)控功能。

2.1 應(yīng)用層通信協(xié)議

上位機(jī)軟件監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)，核心在于上下位機(jī)之間如何通信來交換狀態(tài)和控制信息。應(yīng)用層通信協(xié)議就是對下位機(jī)PLC的I/O存儲(chǔ)區(qū)中哪些區(qū)域作為什么樣的狀態(tài)和控制信息進(jìn)行約定。上位機(jī)通過HostLink(FINS)協(xié)議對這些約定的I/O存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行讀取和設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。如CIO區(qū)域的位地址10.00代表光柵切換按鈕，保持繼電器區(qū)的通道地址H0記錄的是當(dāng)前光柵的編號(hào)。如果上位機(jī)對10.00先置位后復(fù)位，下位機(jī)CP1H的梯形圖程序?qū)⒏惺艿絹碜?0.00位的脈沖，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)前光柵的切換，把當(dāng)前光柵的編號(hào)保存到H0通道。

2.2 HostLink(Fins)協(xié)議

上位計(jì)算機(jī)使用HostLink協(xié)議實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)PLC的串行通信[8]。歐姆龍公司早期推出的CPM1A、CPM2A、CQM1和C200Hα等機(jī)型，它們最高的地址位只有4位， 所以上位機(jī)可以應(yīng)用HostLink協(xié)議對這些型號(hào)PLC的內(nèi)存區(qū)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。

CP1H作為新近推出的機(jī)型，內(nèi)存區(qū)的最高地址位達(dá)到5位，超出HostLink協(xié)議內(nèi)存區(qū)的地址范圍，這種情況下，需要通過HostLink(FINS)協(xié)議來通信[9]。FINS協(xié)議作為一種命令/響應(yīng)系統(tǒng)，可以讀寫PLC節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容，甚至控制其運(yùn)行[10-11]。在HostLink(FINS)協(xié)議中，上位機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀寫CP1H 特定I/O存儲(chǔ)區(qū)的FINS命令，嵌入到HostLink的頭代碼、校驗(yàn)碼及結(jié)束碼之間，發(fā)送到PLC，再從PLC回復(fù)響應(yīng)幀，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層通信協(xié)議。

VB6.0的MSComm[12]通訊控件封裝了RS232串口通信物理層bit流的傳輸功能。內(nèi)嵌有FINS命令/響應(yīng)的HostLink幀得發(fā)送和接收通過MSComm控件的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。

2.3 虛擬光柵和虛擬反射鏡三維姿態(tài)模擬

上位機(jī)中虛擬光柵和虛擬反射鏡的三維姿態(tài)模擬基于OpenGL來實(shí)現(xiàn)。OpenGL實(shí)際上是一個(gè)獨(dú)立于窗口系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的開放式三維圖形標(biāo)準(zhǔn)，提供了豐富的繪圖命令，并得到了眾多計(jì)算機(jī)廠商的支持。 在VB6.0環(huán)境下，使用免費(fèi)的第三方函數(shù)庫VBOpenGL type library(Vbogl.tlb類型庫)[13-14]，它封裝了大量的底層OpenGL庫函數(shù)。根據(jù)通訊模塊從下位機(jī)實(shí)時(shí)獲取的當(dāng)前光柵的方位、俯仰和面內(nèi)旋轉(zhuǎn)3個(gè)維度的當(dāng)前位置顯示虛擬的三維光柵，依據(jù)反射鏡方位和俯仰旋轉(zhuǎn)的當(dāng)前角度顯示虛擬的三維反射鏡。

上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)際運(yùn)行的界面如圖2。

圖2 上位機(jī)監(jiān)控界面

3 下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)需要采集光柵/反射鏡各維角度調(diào)整的極限位置信號(hào)，接受上位機(jī)的監(jiān)控指令，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行開環(huán)控制，從而驅(qū)動(dòng)角位移微調(diào)機(jī)械機(jī)構(gòu)對光柵和反射鏡進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

3.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器復(fù)用

設(shè)計(jì)目標(biāo)提出4塊光柵為串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，所以每個(gè)時(shí)刻，只有一個(gè)光柵需要調(diào)整，可以通過繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)當(dāng)前光柵的切換，讓U1、U2、U3驅(qū)動(dòng)器分別連接到當(dāng)前光柵的方位、俯仰和面內(nèi)旋轉(zhuǎn)電機(jī)。反射鏡的方位和俯仰旋轉(zhuǎn)也為串聯(lián)驅(qū)動(dòng)，同樣通過繼電器實(shí)現(xiàn)U4驅(qū)動(dòng)器和反射鏡方位/俯仰旋轉(zhuǎn)的連接切換。這樣4個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制16個(gè)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器復(fù)用，節(jié)約了成本。

3.2 PLC電機(jī)斷電相位記憶

步進(jìn)電機(jī)(選用4相混合式)的4相繞組電壓在斷電時(shí)會(huì)分別處于某一相位電壓(末相位)，下次電機(jī)上電時(shí)的相位電壓(初相位)如果和此相位不同，電機(jī)就會(huì)“抖動(dòng)”。下位機(jī)系統(tǒng)采用PLC對電機(jī)斷電相位記憶的方法去除抖動(dòng)。切換光柵時(shí)，CP1H在停止被切換出的光柵方位、俯仰和面內(nèi)旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行的同時(shí)，通過把從步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器環(huán)形分配器取出的光柵各維電機(jī)的末相位保存到PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)(如圖3)。對于切換進(jìn)的當(dāng)前光柵，在關(guān)閉各維電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使能的前提下，給各維電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸出口發(fā)送持續(xù)脈沖，對各維電機(jī)當(dāng)前相位和該光柵保存的末相位進(jìn)行比較，直到初相位和末相位相等時(shí)，再打開電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的使能，這樣就有效地去除電機(jī)的“抖動(dòng)”。反射鏡方位旋轉(zhuǎn)和俯仰旋轉(zhuǎn)切換時(shí)，同理也采用了PLC斷電相位記憶。

圖3 PLC對電機(jī)斷電相位記憶

3.3 下位機(jī)梯形圖程序框圖

下位機(jī)PLC周期掃描運(yùn)行的梯形圖程序的功能模塊框圖如圖4。初始化模塊實(shí)現(xiàn)當(dāng)前光柵的切換選擇、反射鏡方位/俯仰運(yùn)動(dòng)的切換以及報(bào)警輸出等。光柵方位旋轉(zhuǎn)模塊、光柵俯仰旋轉(zhuǎn)模塊和光柵面內(nèi)旋轉(zhuǎn)模塊分別實(shí)現(xiàn)光柵方位旋轉(zhuǎn)、光柵俯仰旋轉(zhuǎn)模塊和光柵面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的正向和方向設(shè)定以及點(diǎn)動(dòng)、定長和連續(xù)模式的控制。反射鏡模塊實(shí)現(xiàn)反射鏡方位旋轉(zhuǎn)或俯仰旋轉(zhuǎn)的正向和方向設(shè)定以及點(diǎn)動(dòng)、定長和連續(xù)模式的控制。

圖4 下位機(jī)梯形圖程序框圖

4 光柵/反射鏡轉(zhuǎn)角分辨率分析

無論是光柵的三維姿態(tài)調(diào)節(jié)還是反射鏡的二維姿態(tài)調(diào)節(jié)都是針對角度的高分辨率微調(diào)。角位移微調(diào)機(jī)構(gòu)(如圖5)利用了正弦機(jī)構(gòu)的杠桿傳動(dòng)原理，它由步進(jìn)電機(jī)、諧波減速器、精密絲桿傳動(dòng)副、擺桿組成。擺桿微擺動(dòng)是對某維姿態(tài)角度調(diào)整的抽象簡化。步進(jìn)電機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收PLC發(fā)出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過減速器減速后，驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)螺母做直線運(yùn)動(dòng)，螺母再推動(dòng)擺桿繞中心點(diǎn)O擺動(dòng)，從而改變目標(biāo)角度。

圖5 角位移微調(diào)機(jī)構(gòu)原理圖

轉(zhuǎn)角分辨率是指PLC發(fā)送1個(gè)脈沖，光柵/反射鏡某維角度(對應(yīng)圖中的擺桿擺動(dòng))的改變量。設(shè)步進(jìn)電機(jī)的固有步距角為θ°，諧波減速器的減速比為i,絲桿導(dǎo)程為δmm，螺母的直線微位移為Δl，擺桿的角度微位移為Δα。擺桿的桿長為Rmm，有：

(1)

當(dāng)Δα趨于0時(shí)，sinΔα≈Δα，有：

(2)

從算式可以得出Δα=δ×θ/(R×i×360), 以光柵方位旋轉(zhuǎn)為例，取δ=4 mm，θ=1.8°，i=100，R=212 mm，代入式(2)，可以計(jì)算出光柵方位旋轉(zhuǎn)理論轉(zhuǎn)角分辨率Δα=0.943 urad，它略高于表1所要求的0.96 urad，這是考慮到機(jī)械裝置實(shí)際剛度、間隙和傳動(dòng)比的精度影響，實(shí)際的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角分辨率會(huì)小于理論的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角分辨率。同理可分別計(jì)算出光柵/反射鏡其他維度的轉(zhuǎn)角分辨率。

5 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和調(diào)試，最終成功部署到應(yīng)用現(xiàn)場。實(shí)驗(yàn)操作人員通過圖2所示監(jiān)控界面來對當(dāng)前光柵的方位旋轉(zhuǎn)、俯仰旋轉(zhuǎn)、面內(nèi)旋轉(zhuǎn)和反射鏡的方位旋轉(zhuǎn)或俯仰旋轉(zhuǎn)按點(diǎn)動(dòng)、步長和連續(xù)控制3種方式之一來調(diào)節(jié)控制角度。

表3和表4分別列出了光柵/反射鏡在各維角度調(diào)整的2個(gè)極限位置之間多次測試得到的實(shí)際脈沖數(shù)和實(shí)際轉(zhuǎn)角分辨率，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求提出的角度分辨率的要求。

表3 光柵實(shí)際轉(zhuǎn)角分辨率

表4 反射鏡實(shí)際轉(zhuǎn)角分辨率

6 結(jié)束語

本文針對實(shí)際應(yīng)用提出的設(shè)計(jì)目標(biāo)，從系統(tǒng)總體控制方案、上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)、下位機(jī)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光柵/反射鏡轉(zhuǎn)角分辨率分析和系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面討論了對激光光柵和反射鏡姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程。在開環(huán)控制的方式下，通過角位移微調(diào)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光柵/反射鏡轉(zhuǎn)角分辨率的高精度調(diào)整。這種通過上位機(jī)和下位機(jī)對精密機(jī)械裝置進(jìn)行的可視化開環(huán)高精度轉(zhuǎn)角分辨率的調(diào)節(jié)控制方式，對其他類似的精密機(jī)械裝備的高精度角度調(diào)整具有借鑒意義。

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High Precision Open Loop Control for Attitude Adjustment of Laser Raster and Reflector

Xu Shuye，Zhang Yanan，Lu Linhai，Qian Jinwu

(School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

In order to improve the precision alignment of laser beam in high power laser physics experiments, an open loop control system is proposed for attitude adjustment of laser raster and reflector, which is composed of the upper machine, the lower machine and the angular displacement adjustment mechanism. From the application layer communication protocol, HostLink (Fins) protocol and 3D pose simulation, the design of the upper computer monitoring software is introduced; From the step motor driver reuse, the phase memory of the PLC motor and the program block diagram of PLC，the design of the lower PLC control system is discussed. The realization principle is analyzed which high precision angle resolution is achieved by converting the linear micro displacement of the screw nut to the angular micro displacement in angular displacement adjustment mechanism. With the experimental data, the actual angular resolution is verified to meet the requirements of high precision. The results show that the open loop control system can achieve high precision adjustment control for the laser raster and reflector, and can also be used for other similar experiments.

raster；reflector；attitude automatic adjustment；open loop control；angular micro displacement

2015-11-19；

2015-12-15。

許樹業(yè)(1971-)，男，湖北洪湖人，碩士，工程師，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用與工業(yè)自動(dòng)化的研究。

1671-4598(2016)06-0084-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.023

TP24

A