終端光學(xué)組件及反射鏡架控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

邵忠喜，付云忠，富宏亞，王炳成

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，150001 哈爾濱)

激光慣性約束核聚變(ICF)是激光科學(xué)和核科學(xué)交叉衍生的科學(xué)，受到許多發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，是國(guó)際科學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題.主機(jī)裝置靶場(chǎng)光電系統(tǒng)中終端光學(xué)組件的主要功能是控制相應(yīng)的機(jī)構(gòu)完成頻率轉(zhuǎn)換、諧波分離、聚焦傳輸、焦斑控制以及光束取樣等任務(wù)，電動(dòng)反射鏡架的主要功能是控制相應(yīng)的機(jī)構(gòu)完成激光束的準(zhǔn)直引導(dǎo)和光束近場(chǎng)調(diào)整［1］.系統(tǒng)要求的運(yùn)動(dòng)精度高，由靶場(chǎng)瞄準(zhǔn)定位控制系統(tǒng)引入的誤差小于±30μm，并且運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)多且分散:系統(tǒng)共有6 個(gè)束組，每個(gè)束組中有8 個(gè)終端光學(xué)組件及反射鏡架，每個(gè)終端光學(xué)組件需要控制7 個(gè)電機(jī)，反射鏡架需要控制4 個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)都有正負(fù)限位，某些高精度運(yùn)動(dòng)軸需要用長(zhǎng)度計(jì)做反饋進(jìn)行閉環(huán)控制，以上這些對(duì)終端光學(xué)組件及反射鏡架的電控系統(tǒng)提出了很高要求.為解決這個(gè)問(wèn)題，本文采用分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案［2］:一個(gè)終端光學(xué)組件及反射鏡架一套電控系統(tǒng)，一個(gè)倍福嵌入式PC 控制一個(gè)束組，即每個(gè)倍福PC 控制6 套電控系統(tǒng)，光電系統(tǒng)整體需要6 個(gè)倍福PC.數(shù)據(jù)通訊方式選用EtherCAT工業(yè)自動(dòng)化實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線的方式，人機(jī)界面用VC++開(kāi)發(fā)，下位機(jī)程序在TwinCAT 環(huán)境中開(kāi)發(fā)，將任務(wù)要求的特殊功能設(shè)計(jì)到下位機(jī)控制程序中，例如電機(jī)上下電鎖緊功能、電機(jī)自動(dòng)上下電功能、運(yùn)動(dòng)軸的手動(dòng)跟隨功能、單向定位功能.將這種控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案應(yīng)用到主機(jī)裝置靶場(chǎng)光電系統(tǒng)的建設(shè)中，工程實(shí)踐證明該控制系統(tǒng)方案是可行的，系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性均滿足要求［3］.

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)的要求，靶場(chǎng)系統(tǒng)需要將48 束激光從真空靶室的南北兩極以不同角度入射靶室，并經(jīng)反射鏡模塊、三倍頻模塊、聚焦透鏡模塊精確引導(dǎo)至靶點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)終端光學(xué)組件及反射鏡控制系統(tǒng).該系統(tǒng)控制電機(jī)數(shù)量多、位置分散，且電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間的距離不易過(guò)長(zhǎng).因此，采用由網(wǎng)絡(luò)總線構(gòu)成的集散式控制系統(tǒng)，通過(guò)EtherCAT 工業(yè)自動(dòng)化實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，每個(gè)控制柜作為分布式控制網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)終端來(lái)控制一路光的運(yùn)動(dòng)部件(一個(gè)終端光學(xué)組件及反射鏡架)，6 個(gè)控制柜為一個(gè)束組，每個(gè)束組中有一臺(tái)嵌入式PC 作為中央處理單元，在通訊網(wǎng)絡(luò)中具有唯一的AMS Net，用于接收遠(yuǎn)程控制指令并與下位控制器通信.單束組終端光學(xué)組件及反射鏡架控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 所示.嵌入式PC通過(guò)EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)通信從上面管理層直接獲取信息，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類(lèi)似于樹(shù)狀，一方面，確保在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)地發(fā)送命令信號(hào)給遠(yuǎn)程執(zhí)行器，進(jìn)行過(guò)程控制［4］.另一方面，通過(guò)分散的總線智能端子將遠(yuǎn)程控制器的位置、狀態(tài)、診斷信息等傳到中央單元，并協(xié)調(diào)相關(guān)的順序［5］.控制系統(tǒng)人機(jī)界面用VC 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)成TwinCAT的PLC 功能模塊形式.

圖1 單束組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

倍頻模塊和透鏡模塊處于真空環(huán)境，采用真空步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行件，選用總線端子KL2541作為真空電機(jī)的控制器.透鏡模塊的負(fù)載較大，增加制動(dòng)器防止電機(jī)失去動(dòng)力后透鏡移動(dòng).為保證透鏡的定位精度，要求透鏡具有電機(jī)上下電鎖緊功能，即電機(jī)與制動(dòng)器具有上下電的時(shí)序關(guān)系，上電時(shí)電機(jī)先于制動(dòng)器上電，下電時(shí)制動(dòng)器先于電機(jī)下電.對(duì)于運(yùn)動(dòng)精度高的運(yùn)動(dòng)軸配置總線端子KL5101 接收高精度長(zhǎng)度計(jì)(分辨率0.05 μm)的位置反饋信號(hào)，與步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng).

2 通信方式

該控制系統(tǒng)采用EtherCAT 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊技術(shù)，這種技術(shù)具有通訊速度快、硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、傳送距離遠(yuǎn)、信息可靠的特點(diǎn).EtherCAT優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使原來(lái)傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線四層循環(huán)結(jié)構(gòu)改善為僅有兩層的結(jié)構(gòu)——PLC 運(yùn)算循環(huán)及EtherCAT 總線循環(huán).相對(duì)于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，底層I/O 的響應(yīng)時(shí)間大大縮減，最多僅需兩個(gè)PLC 循環(huán)周期就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的刷新.EtherCAT打破了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊瓶頸，解放了CPU 性能，從而大大提高了控制系統(tǒng)性能.從主站到系統(tǒng)最末端的所有從站設(shè)備均實(shí)現(xiàn)EtherCAT 通訊，系統(tǒng)中無(wú)需再有協(xié)議轉(zhuǎn)換，一個(gè)通訊系統(tǒng)滿足了主控、I/O、伺服驅(qū)動(dòng)，甚至功能性安全等需要數(shù)據(jù)交換的所有設(shè)備的通訊需求.

3 軟件功能及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 軟件功能

控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想(見(jiàn)圖2 所示)，按功能需求主要分為兩大類(lèi)［6］:實(shí)時(shí)性模塊和非實(shí)時(shí)性模塊.實(shí)時(shí)性模塊在倍福PC－CX1020 中運(yùn)行，執(zhí)行與運(yùn)動(dòng)控制密切相關(guān)的任務(wù)，例如電機(jī)自動(dòng)上下電控制、手動(dòng)跟隨、單向定位、運(yùn)動(dòng)控制、上下電時(shí)序控制等功能［7］.其中電機(jī)自動(dòng)上下電控制是指電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)電機(jī)先上電后運(yùn)動(dòng)，電機(jī)停止后自動(dòng)下電，防止電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間供電產(chǎn)生熱量影響晶體變形精度.非實(shí)時(shí)性任務(wù)包括軟件初始化、系統(tǒng)配置、通訊功能、參數(shù)顯示、故障診斷等模塊.

圖2 軟件結(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)性功能模塊基于倍福的TwinCAT 環(huán)境開(kāi)發(fā)，為保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，優(yōu)化了程序結(jié)構(gòu)，采用PLC 功能循環(huán)計(jì)算的處理方式，程序代碼壓縮到520 行，增強(qiáng)了代碼的可靠性和可讀性.這種PLC 程序結(jié)構(gòu)中的每個(gè)功能模塊關(guān)聯(lián)緊密、功能集中，便于功能模塊的維護(hù)和改造，程序流程見(jiàn)圖3 所示.

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 單向定位控制技術(shù)

終端光學(xué)組件及反射鏡架為內(nèi)外框的有軸式串聯(lián)機(jī)構(gòu)，晶體安裝于內(nèi)框且負(fù)載較大，特別是反射鏡架機(jī)構(gòu)負(fù)載重達(dá)80 kg，要達(dá)到激光盲打重復(fù)定位3 μrad 的精度要求，難度較大.即使?jié)M足重復(fù)定位精度的要求，設(shè)備經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，精度勢(shì)必會(huì)降低.提高設(shè)備精度有兩種方法:一是硬件方法，即提高設(shè)備零部件的加工、制造、裝配精度.這種方法不僅受到加工機(jī)床精度等級(jí)的制約，而且隨著加工精度的提高，零件制造成本呈指數(shù)級(jí)別增加.二是軟件方法，這種方法在不增加硬件設(shè)備的前提下實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的高精度定位，有利于降低設(shè)備成本.

單向定位技術(shù)的應(yīng)用使開(kāi)環(huán)控制運(yùn)動(dòng)軸的重復(fù)定位精度在3 μrad 以內(nèi).見(jiàn)圖6 所示，某開(kāi)環(huán)控制的鏡架在有、無(wú)單向定位控制技術(shù)的對(duì)比試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)點(diǎn)為21 個(gè)，數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表1 所示.采用單向定位技術(shù)后重復(fù)定位精度指標(biāo)提高4 倍以上，滿足激光盲打的要求.

圖3 下位機(jī)PLC 程序流程圖

圖4 單向定位控制

圖5 單向定位程序流程圖

圖6 重復(fù)定位精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.2.2 手動(dòng)跟隨技術(shù)

手動(dòng)跟隨任務(wù)要求鏡架進(jìn)行跟隨運(yùn)動(dòng)時(shí)其姿態(tài)保持不變，跟隨范圍為20～－10 mm，而反饋長(zhǎng)度計(jì)的測(cè)量最行程為12 mm，顯然長(zhǎng)度計(jì)無(wú)法滿足鏡架全行程跟隨運(yùn)動(dòng)的要求，因此將手動(dòng)跟隨機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7 所示.當(dāng)手輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)鎖緊時(shí)，長(zhǎng)度計(jì)反饋鏡架AC 的位置，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)前后移動(dòng)使鏡架產(chǎn)生繞C 點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).當(dāng)鎖緊機(jī)構(gòu)松開(kāi)、電機(jī)上電時(shí)，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手輪使得C 點(diǎn)移動(dòng)到C＇點(diǎn)，長(zhǎng)度計(jì)檢測(cè)鏡架位置的改變量為l=| CC' |－| BB' |，并將該數(shù)值實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)命令步進(jìn)電機(jī)跟隨手輪運(yùn)動(dòng)，使鏡架產(chǎn)生整體移動(dòng)的效果，同時(shí)將鏡架移動(dòng)距離累加并記錄顯示.絲杠螺距為1 mm，設(shè)定跟隨誤差為2 mm足可以保證電機(jī)的可靠跟隨運(yùn)動(dòng)，而不至于導(dǎo)致電機(jī)的跟隨誤差過(guò)大，手動(dòng)跟隨功能的程序流程圖8 所示.

圖7 手動(dòng)跟隨模塊

圖8 手動(dòng)跟隨程序流程圖

4 結(jié)論

根據(jù)終端光學(xué)組件及反射鏡架系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軸數(shù)量多且分散的特點(diǎn)，融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)了基于倍福的分布式控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有可靠性高、維護(hù)容易等特點(diǎn)［9－10］.將單向定位技術(shù)、手動(dòng)跟隨技術(shù)應(yīng)用其中，單向定位運(yùn)動(dòng)可以將開(kāi)環(huán)運(yùn)動(dòng)軸的重復(fù)定位精度提高到3 μrad 以內(nèi)，手動(dòng)跟隨模塊可以實(shí)現(xiàn)某旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軸的整體移動(dòng)的功能.該方案已成功應(yīng)用于激光慣性約束核聚變靶場(chǎng)光電系統(tǒng)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足任務(wù)要求.

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