激光追踪测量电气控制系统研究 本文关键词：控制系统，追踪，测量，激光，电气
激光追踪测量电气控制系统研究 本文简介：摘要:为了保证激光追踪测量系统的平稳、快速、实时性测量等要求，研制了激光追踪测量电气控制系统。利用四象限光电传感器(quadrantphoto－detector，QPD)对激光束光斑偏移量进行实时测量，将光斑偏移量通入可编程多轴运动控制器(programmablemulti－axiscontroll
激光追踪测量电气控制系统研究 本文内容：
摘要:为了保证激光追踪测量系统的平稳、快速、实时性测量等要求，研制了激光追踪测量电气控制系统。利用四象限光电传感器(quadrantphoto－detector，QPD)对激光束光斑偏移量进行实时测量，将光斑偏移量通入可编程多轴运动控制器(programmablemulti－axiscontroller，PMAC)中进行处理，并结合伺服电机构成闭环系统，采用工程整定方法调节PID，实现测量系统的平稳追踪测量。试验结果表明，控制系统运行平稳、追踪性能良好，激光光斑返回四象限光电传感器中心的平均时间为0．259ms。
关键词:激光追踪测量;电气控制;可编程多轴运动控制器(PMAC);四象限光电传感器;PID调节
近年来随着精密工业和工程测量领域的不断发展，对测量范围和测量精度提出了更高的要求。激光跟踪测量系统以其测量范围大、测量动态性能好和可以现场实时测量等优点，在航空、航天、造船、汽车工业和逆向工程等领域得到越来越广泛的应用［1－3］。自1985年由K．Lau等［4］首次提出基于球坐标法测量原理的五自由度激光跟踪测量系统以来，近几十年来激光跟踪测量系统得到了快速的发展。国内外许多学者都对激光跟踪控制系统进行了深入研究，美国V．V．Nikuliln等［5］基于Lyapunov函数的自适应控制技术研发了强稳健性和强鲁棒性的跟踪控制器，可同时获取方位角和激光束的仰角位置，但是系统稳定性不强。中国科学院光电研究院周维虎教授等［6］提出了三闭环控制结构和复合跟踪控制策略，构建了跟踪系统的完整电子学实验平台，但由于驱动负载大限制了系统的灵活性。德国Etalon公司于2010年推出了激光追踪仪，采用德国PTB(physikalisch－technischebundesanstalt)专利的标准球设计，使空间距离的测量精度得到了大幅度提高，其采用的坐标测量原理点位精度可以达到微米级。本文的研究基于激光追踪测量系统原理，研制了用于激光追踪测量的电气控制系统，利用PAMC控制器强大的伺服控制和信息处理能力，实现对控制信号的实时传送及猫眼的精密追踪。
1激光追踪控制原理
激光追踪控制原理如图1所示。光源发出的激光光束经偏振分光镜(polarizingbeamsplitter，PBS)被分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。测量光束由猫眼反射后，被分光镜(beamsplitter，BS)分为两束光:一束光透过PBS照射到标准球上，被标准球反射后进入PBS，再经PBS反射与参考光束进入干涉信号采集系统中形成干涉信号，经光电信号器接收与处理，输入计数系统中计算出猫眼移动的距离;另一束光被BS反射后入射到四象限光电传感器上，感知猫眼的位置移动量。当猫眼移动时，光斑偏离四象限光电传感器中心而产生位置信号，通过采集处理后进入PMAC控制器中，控制与两轴系相连的伺服电机，实现激光光束对猫眼的追踪。
2系统设计
在激光追踪测量过程中，电气控制系统实时控制激光追踪测量系统运行，保障系统安全。电气控制系统总体结构如图2所示，系统以PMAC控制器为核心，与伺服驱动模块组成闭环控制单元，伺服驱动模块控制水平轴电机和垂直轴电机运转［7－8］。利用四象限光电传感器实时测量光斑偏移量，并将偏移量信号输入PMAC控制器进行处理［9］。此外，系统通过电子手轮进行手动和自动控制的切换，在系统运行前调整光斑在四象限光电传感器的位置，确保光斑在四象限光电传感器的中心。通过水平限位开关和垂直限位开关限定伺服电机运动范围，保护激光追踪测量系统运行安全激光追踪测量系统工作流程如图3所示，开机检测正常后，检测光斑是否在四象限光电传感器中心位置。如果光斑不在四象限光电传感器中心位置，使用手轮调整直至光斑到四象限光电传感器中心，若在中心，启动对猫眼的追踪。系统实时检测限位信息，若限位开关启动，激光追踪测量系统停止。
2．1控制模块
追踪伺服控制是高精度激光追踪测量系统的关键，其控制性能直接影响激光追踪测量系统的追踪速度与精度。系速率，控制电机移动方向。PMAC控制模块如图4所示，PMAC控制卡通过四通道转接板与伺服驱动模块和限位开关连接。四象限光电传感器模块通过AD转接板将位置信号传输到PMAC控制卡。手轮通过端口与PMAC控制卡相连。
2．2伺服电机PID调节
在激光追踪测量系统中，需要调节伺服电机的PID参数，从编码器得到信号然后同指令信号进行比较运算是有延时的，为了减小延时时间，电气控制系统引进了前馈控制，前馈控制将所需控制效果的最佳估计应用于执行命令轨迹，而无需等待建立位置误差，反馈项只需要响应这个估计中的误差即可。PMAC运动控制器对伺服电机PID参数的调节过程如图5所示。如图5所示，Kp为比例增益系数，Ki为积分增益系数，Kd为微分增益系数，Kvff为速度前馈系数，Kaff为加速度前馈系数，IM为积分模式，n1、n2、d1、d2为陷波系数。比例增益系数Kp的大小主要决定系统的快速性:Kp越大，系统响应速度越快，调节精度越高;但Kp过大，将导致系统不稳定;Kp过小，则调节精度降低。积分增益系数Ki的作用是消除系统的静态误差，Ki太大系统振荡次数增加，Ki太小系统调节精度降低。微分增益系数Kd改善系统的动态特性:Kd过大，则超调量较大，系统调节时间长;Kd过小，超调量也较大，调节时间也长。只有选择合适的量值，才可以得到满意的过渡过程。速度前馈系数Kvff用于减小微分增益或补偿电机环路阻尼所带来的跟随误差，加速度前馈系数Kaff补偿因惯性所带来的跟随误差。统的控制(1)式中:n为伺服周期;FE(n)为伺服周期n内所得的跟随误差;CV(n)为伺服周期n内的指令速度;CA(n)为伺服周期n内的指令加速度;IE(n)为伺服周期n内的跟随误差的积分;AV(n)为伺服周期n内的实际速度。
3试验
为了验证所提出的激光追踪电气控制系统的性能，对激光追踪测量系统进行试验。首先调节伺服电机PID－前馈控制参数，控制电机平稳运行，然后进行激光追踪测量试验，观察激光追踪测量系统追踪速度。
3．1PID调节试验
为了实现追踪测量，伺服电机选用响应速度快、低速运行平稳、启动电压低和回转精度高的闭环控制电机。PMAC控制器控制电机快速准确地移动到目标位置，需调节PID参数以获得所需位置的响应。PMAC运动控制器提供了调节PID参数的工具PMACTuning软件，还可以优化电机的速度和加速度特性。首先执行阶跃响应，主要调节比例增益系数Kp和微分增益系数单元选择了PMAC运动控制器系列的ClipperPMAC运动控制卡。ClipperPMAC可以自动对任务进行优先级别判断，从而进行实时的多任务处理，提高了控制系统的运行速度和控制精度。采用日本滨松公司的四象限光电传感器来测量激光光束的偏移量，其光敏面面积为9mm×9mm，感光灵敏度的典型值为0．6A/W［10－11］。系统通过电子手轮进行手动和自动控制的切换，电子手轮的功能包括:控制电机启动、停止和急停，调整电机移动Kd，使系统运行更快更稳定。出现脉冲响应曲线如图6所示。图中出现了超调和振动现象，出现的原因是系统的阻尼较小或者刚性较大。可通过不断调整PID参数，使系统的PID控制达到最优。调整好阶跃响应后，通过观测正弦波响应曲线来调节PID前馈参数和积分增益系数Ki，以减小系统的跟随误差。激光追踪测量系统伺服电机正弦波响应曲线如图7所示。图7中指令位置曲线和实际运动曲线近似相同，实际速度曲线有毛刺，表明电机在运动过程中有震动。经测试表明，不影响电机跟随。图7中跟随误差最大值为11．0413cts，可通过调节PID前馈参数，使跟随误差曲线在零点处上下浮动。
3．2激光追踪测量试验
猫眼经螺旋微动平台安装在直线导轨上。开机检测无误后，使用手轮将光斑调整到四象限光电传感器中心，控制螺旋微动平台使猫眼沿直线导轨以300μm为步距匀速移动，激光追踪系统跟踪猫眼移动，直至四象限光电传感器上的光斑位置回到中心，停止追踪，记录下控制系统的追踪时间。试验测量数据如图8所示。试验结果表明:当猫眼移动时，激光追踪系统执行自动追踪控制激光光斑回到四象限光电传感器中心的平均时间为0．259ms，方差为σ2=3×10－7。
4结束语
本文基于激光追踪测量原理研制了激光追踪电气控制系统，实现了对目标靶镜的精密追踪测量。基于PMAC控制器进行伺服控制并进行了PID－前馈控制调节，实现了伺服电机闭环控制，提升了电机的响应速度，确保了系统的平稳运行。通过四象限光电传感器进行激光追踪测量试验，表明该测量系统追踪速度快。试验结果表明，研制的电气控制系统能够实现对猫眼的实时追踪，且运行过程平稳。
作者：陈洪芳 王亚韦 石照耀 叶勇 付瑛 单位：北京工业大学 北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心
激光追踪测量电气控制系统研究 来源：网络整理
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