Четверг, Сентябрь 19, 2019

СОВРЕМЕННЫЕ СКАНИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДЕФЛЕКТОРОВ СВЕТА

                К.т.н. Ларченко Ю.В., к.т.н. Леонов А.М., Жук С.М.

            Реализация практических применений лазерной техники связана, как правило, с решением проблемы управления излучением. Среди устройств управления пространственным положением лазерного пучка наибольшее распространение получили электромеханические дефлекторы, обеспечивающие сканирование пучка по произвольному закону с высоким разрешением и точностью. Однако реализация потенциальных возможностей дефлекторов данного типа и задача их совершенствования связаны с проблемой оптимального построения сканирующей системы, состоящей из дефлектора и электронного блока управления.

            В данной работе произведена оценка скоростных параметров современных конструкций электромеханических дефлекторов света (электромагнитных с ротором из магнитомягкой стали, магнитоэлектрических с подвижной катушкой или подвижным магнитом), работающих в системе с пропорционально интегрально - дифференциальными (ПИД) регуляторами.

  1. Сканирующая система с электромеханическим дефлектором.

Электромеханический дефлектор, как элемент сканирующей системы, можно представить как совокупность последовательно соединенных звеньев первого порядка, которое определяется индуктивностью и сопротивлением обмоток, и второго порядка, которое определяется свойствами системы электромеханического преобразования энергии и инерционностью подвижной системы. Оптимальный блок управления также содержит два звена, являющихся элементами обратной связи и взаимодействующих со звеньями дефлектора. Одно из этих звеньев является усилителем с обратной связью по току управления, а второе представляет собой ПИД-регулятор.

На рис.1 и на рис.2 представлены типовые логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАХ) двух типов сканирующей системы. Характеристики исполнительных звеньев представлены с учетом взаимодействия дефлектора с усилителем тока (эти характеристики представлены штриховыми линиями).

На рис.1 представлены ЛАХ нерезонансного классического магнитоэлектрического дефлектора и ЛАХ системы сканирования с ПИД-регулятором (жирная линия).  

SSS1Рис.1. Типовые логарифмические амплитудно-частотные характеристики нерезонансного магнитоэлектрического дефлектора и системы сканирования с ПИД-регулятором (жирная линия)

 

На рис.2 представлены ЛАХ резонансных дефлекторов с различной жесткостью возвратной пружины (магнитной, механической, или комплексной, включающей и то и другое). Жирные линии представляют собой результирующие ЛАХ системы сканирования, причем жесткость пружины дефлектора для системы с характеристикой А ниже, чем для дефлектора с характеристикой В.

SSS2

Рис.2. Типовые логарифмические амплитудно-частотные характеристики резонансных дефлекторов с различной жесткостью возвратной пружины

В области нулевой и малых частот w0 влияние на ЛАХ оказывают интегральное и пропорциональные звенья ПИД-регулятора, которые обеспечивают компенсацию статических ошибок системы. Основной задачей интегрального звена является компенсация статических ошибок, вызванных магнитным и механическим гистерезисом в электроприводе дефлектора. Указанная компенсация совершенно необходима для реализации систем прецизионного сканирования, но она отрицательно сказывается на динамике переходного процесса. По этой причине разработчики высокоскоростных сканирующих систем низкой и средней точности сосредотачиваются в первую очередь на снижении энергетических потерь в электроприводе дефлектора, что минимизирует влияние интегрального звена.

Помимо снижения влияния интегрального звена, расширение полосы влияния средних частот w1 возможно за счет специального введения колебательного звена в конструкцию дефлектора (рис.2). Однако это влечет за собой увеличение энергии потоков управления и, тем самым, ограничивает диапазон угла сканирования.

Вообще задача оптимизации влияния колебательного звена на параметры системы сканирования является достаточно сложной и ее подробный анализ выходит за рамки данной работы. Отметим только, что как видно из рис.2, чрезмерное смещение частоты первого резонанса в область высоких частот w2 может отрицательно сказаться на динамике системы. Для современных дефлекторов высокого быстродействия ее значение   составляет 140-160 Гц.

В области высоких частот ω2 ЛАХ системы падает с крутизной 20 ДБ на декаду и определяется характеристикой звена второго порядка (дефлектор с усилителем, имеющим обратную связь по току) и дифференциальным звеном ПИД-регулятора. Однако, верхняя частота этого диапазона Wо, на которой передаточная функция системы равна единице, определяется также и влиянием интегрального звена, см. рис.2.

            Оценку предельной величины диапазона рабочих частот Wо  ПИД-регулятора следует производить с учетом требований к устойчивости системы сканирования.

Во-первых,Wо ограничено величиной задержки реакции исполнительного звена по отношению к сигналу возбуждения дефлектора:

            Wо = π/ τ,

где τ – постоянная времени, определяемая параметрами системы дефлектор – усилитель и предельным ускорением дефлектора :

                        τ = (1+kR) L/ R + π /∫ M/( Ip + Iз) dt,

 

            L и R– индуктивность и сопротивление обмотки дефлектора,

            Ip и – моменты инерции ротора и зеркала,

            M – момент сил, развиваемых дефлектором,

            k – коэффициент обратной связи по току усилителя.

            Во- вторых, частота Wодолжна быть меньше частоты второго резонанса, определяемой кручением элемента подвижной системы (в одних конструкциях этим элементом является зеркало, а в других элемент датчика обратной связи) относительно ротора за счет конечной жесткости оси дефлектора:                  

                        Wрез = 2 π [G (Ip + Iэ)/ Ip Iэ]½,

            где G – жесткость оси.

               Iэ – момент инерции элемента.

            Для современных дефлекторов частота второго резонанса является основным лимитирующим быстродействие фактором, причем Wо = (0,3 –0,4) Wрез и конкретные значения составляют fрез  = Wрез /2π = 5 ÷ 7 кГц.

            2.Электромагнитные дефлекторы (ЭМД).

            Электропривод данного дефлектора отличается тем, что и постоянные магниты и обмотки управления размещены на статоре, а ротор выполнен из магнитомягкой стали и через него проходят магнитные потоки, создаваемые статором, см. рис3. Один из потоков ( поток управления Фу) является продольным и разветвлен в зоне каждого зубца, а другой (поток магнитов Фм) – поперечным. В одних зазорах потоки складываются, а в других вычитаются. При этом возникает момент сил, поворачивающий ротор в сторону, где потоки складываются. Т.е., ЭМД принципиально является четырехполюсником и, соответственно, момент сил М, развиваемый приводом имеет удвоенное значение [1,2]:

SSS3                                                                                                                     

 Рис.3. Электромагнитный дефлектор в разрезе.

                                               М = 2[0,7 ×μo×d× (D×Bm)/ (D+d)],                                      (1)

 

            где      μo – магнитная проницаемость вакуума;

d - длина воздушного зазора между ротором и статором;

D - эквивалентная длина зазора магнитопровода, определяющая потери

           в магнитопроводящем материале;

Bm –   индукция постоянного магнита.

            Так как момент сил, действующих на ротор, пропорционален магнитному потоку через рабочую поверхность между ротором и статором, а значение площади этой поверхности непрерывно меняется при повороте ротора, то взаимосвязь между углом поворота jи током управления Iможет быть получено на основании решения уравнения второго порядка [1,2]:

                       

                                                j= К ×I×Y0[1- К²×I²)],

где К есть постоянная для конкретного дефлектора, определяемая на основании конструктивных параметров (число витков обмотки, длина воздушного зазора, индукция магнита и т. д.)

Следует отметить, что Dявляется функционалом, значения которого зависят, в первую очередь, от гистерезисных свойств магнитопровода, т.е. от величины угла сканирования, направления сканирования и начальных условий.

Другими словами, ЭМД помимо нелинейной зависимости угла отклонения от тока, имеет очень сложную нелинейную взаимосвязь для каждой отдельно взятой конструкции между моментом сил управления, углом отклонения зеркала и током управления. Это однозначно предполагает наличие в системе сканирования достаточно сильного интегрального звена, что в некоторой степени нивелирует такое достоинство ЭМД, как   максимально достижимый начальный момент сил для всех электродвигателей и, как следствие, максимальное ускорение ротора.

           

3. Дефлекторы с подвижным магнитом (ПМ).

            Электропривод дефлектора с подвижным магнитом изображен на рис.4. Он представляет собой двухполюсник и состоит из кольцевого магнитопровода 1, цилиндрического магнита 2 и обмотки управления 3, являющейся частью статора. Момент сил, действующий на ротор в два раза меньше, чем у ЭМД, см. соотношение   (1). Практической основой создания такого класса приборов явилось появление постоянных магнитов на основе редкоземельных материалов с величиной индукции более единицы Тесла (например Fe – Nd – B).

Отличительной особенностью ПМ от всех других типов моментальных двигателей является постоянство площади взаимодействия со статором. По этой причине отклонение ротора не создает противодействующих магнитных сил и дефлектор в принципе нерезонансный. Кроме того, ПМ характеризуется большим диапазоном углов отклонения ротора, в пределах которого момент сил электропривода не зависит от угла отклонения.                

SSS4

 Рис.4. Электропривод дефлектора с подвижным магнитом

 

Для данного типа дефлекторов существует возможность «разменять» большой угол отклонения на расширение полосы средних частот путем введения в состав электропривода упругого элемента и преобразования его, тем самым, в колебательное звено, см. рис.2.

Как видно из рис. 4 поток управления Фу замыкается через постоянный магнит и воздушный зазор электропривода. В объеме магнита действующие потоки управления являются слабыми полями и не в состоянии существенно изменить ориентацию магнитных доменов и, следовательно, необратимо изменить индукцию магнита. Таким образом, гистерезис поля управления в данном дефлекторе минимален и системы управления ПМ минимально нуждаются в интегральном звене ПИД – регулятора.

В совокупности минимальный гистерезис и линейность ПМ позволяют реализовать в системе сканирования предельные скоростные параметры таких приборов и сделать их сопоставимыми с аналогичными параметрами систем с ЭМД.

           

            4.Магнитоэлектрические дефлекторы с подвижной рамкой (МД).

            Магнитоэлектрические дефлекторы состоят из ротора, представляющего собой обмотку управления, и статора, содержащего магнитопроводы и магниты. В пределах рабочего угла рамка находится в зазоре статора и на нее действует момент сил, описываемый такой же зависимостью такой же, как и момент сил в дефлекторе ПМ.

            МД отличается от ПМ меньшим рабочим углом, так как зона взаимодействия статора и ротора ограничена, и меньшим моментом сил, так как небольшая подвижная рамка создает малое магнитное поле. По указанным причинам    МД обычно используют для управления широкими световыми пучками ( при этом ротор может быть достаточно большим) в пределах малых углов.

Гистерезис дефлектора определяется только силами трения в подшипниках и существенно меньше, чем в электромагнитных устройствах. Малый гистерезис позволяет не использовать в системе управления МД интегральное звено [6], благодаря чему его быстродействие приближается к быстродействию более мощных устройств.

Системные параметры современных сканирующих систем на основе наиболее распространенных дефлекторов приведены в таблице.

Таблица 1. Системные параметры современных сканирующих систем
на основе некоторых наиболее распространенных дефлекторов

Дефлектора

Тип дефлектора

Угол сканирования луча, град.

Момент инерции привода,

г* см² .

Опти-мальный размер зеркала, мм

Время переход-ного процесса,

мс

G120, GSI Lumonics (США)

ЭМД

40

0,028

10

0,5

G325, GSI Lumonics (США)

ЭМД

50

4,3

25

2,2

G350, GSI Lumonics (США)

ЭМД

100

6,5

25

2,4

D201B,   ООО “Ситела” (Беларусь)

ЭМД

40

0,25

10

0,4

D306B,   ООО “Ситела” (Беларусь)

ЭМД

40

0,5

15

0,8

D501B,   ООО “Ситела” (Беларусь)

ЭМД

90

0,8

20

1,2

S10. ScanLab (Германия)

ЭМД

50

20

15

1,0

VM1000, GSI Lumonics (США)

ПМ

90

0,29

9

1,0

VM1500, GSI Lumonics (США)

ПМ

90

1,25

9-15

1,5

M3, GSI Lumonics (США)

ПМ + торсион

60

5

20

0,8

D215, ООО “Ситела” (Беларусь)

ПМ

60

1,5

15

1,5

FM2000, GSI Lumonics (США)

ПМ

32

 

15

0,6

6810, Cambridge Technology (США)

ПМ

80

0,1

10

0,5

6860, Cambridge Technology (США)

ПМ

80

0,6

15

1,0

6450, Cambridge Technology (США)

МД

40

2,3

20

2,0

6650, Cambridge Technology (США)

МД

40

9,0

30

3,5

RummRds – 15, Институт спектроскопии РАН (Россия)

МД

30

4,0

20

2,0

            Проведенный в данной работе анализ сканирующих систем с электромеханическими дефлекторами света показывает, что в настоящее время трудно однозначно определить выбор того или иного дефлектора на основании его принципа работы. Так ЭМД обладают несомненным преимуществом по удельной мощности привода, но сложны в управлении, что ограничивает полосу их рабочих частот. МД обладают прекрасными свойствами с точки зрения разработчика систем управления, но проигрывают ЭМД в динамике. Магнитоэлектрическим приборам присущ достаточно большой момент инерции ротора.

            Выбор сканирующей системы для практической реализации того или иного оптического оборудования определяется техническими требованиями к этому оборудованию, ограничениями по стоимости, проблемами сервиса. Кроме этого, выбор зависит также от пространственных характеристик лазера, оптической схемы и используемой программной среды.

                                               Литература

  1. Днепровский Е.В., Ларченко Ю.В., Леонов А. М. Лазерные устройства вывода информации. – Минск, 1983.
  2. Леонов А.М., Ларченко Ю.В. и др. Расчет элементов лазерных сканирующих систем. – Минск, 1986.
  3. Столов Л.И., Афанасьев А.Ю. Моментные двигатели постоянного тока. – М., 1989.
  4. www.gsilumonics.com/opticalscanning.
  5. www.comtech.com.
  6. Нестерук И.Н. Гальванометрические сканаторы для лазерных технологических комплексов. Лазер Информ, № 15 –16 (222 – 223), август 2001.
  7. Marshall G. F. Scanner refinements inspire new user. Laser Focus World, June 1994.

 

 

Данные для ссылки на публикацию:

Ларченко Ю.В., Леонов А.М., Жук С.М., Современные сканирующие системы на основе электромеханических дефлекторов света, Журнал Лазер-информ №9-10,  2003, стр 8-12