終端光學組件及反射鏡架控制系統的開發

邵忠喜，付云忠，富宏亞，王炳成

(哈爾濱工業大學 機電工程學院，150001 哈爾濱)

激光慣性約束核聚變(ICF)是激光科學和核科學交叉衍生的科學，受到許多發達國家的重視，是國際科學研究的熱點問題.主機裝置靶場光電系統中終端光學組件的主要功能是控制相應的機構完成頻率轉換、諧波分離、聚焦傳輸、焦斑控制以及光束取樣等任務，電動反射鏡架的主要功能是控制相應的機構完成激光束的準直引導和光束近場調整［1］.系統要求的運動精度高，由靶場瞄準定位控制系統引入的誤差小于±30μm，并且運動機構多且分散:系統共有6 個束組，每個束組中有8 個終端光學組件及反射鏡架，每個終端光學組件需要控制7 個電機，反射鏡架需要控制4 個電機，每個電機都有正負限位，某些高精度運動軸需要用長度計做反饋進行閉環控制，以上這些對終端光學組件及反射鏡架的電控系統提出了很高要求.為解決這個問題，本文采用分布式控制系統的設計方案［2］:一個終端光學組件及反射鏡架一套電控系統，一個倍福嵌入式PC 控制一個束組，即每個倍福PC 控制6 套電控系統，光電系統整體需要6 個倍福PC.數據通訊方式選用EtherCAT工業自動化實時以太網總線的方式，人機界面用VC++開發，下位機程序在TwinCAT 環境中開發，將任務要求的特殊功能設計到下位機控制程序中，例如電機上下電鎖緊功能、電機自動上下電功能、運動軸的手動跟隨功能、單向定位功能.將這種控制系統的設計方案應用到主機裝置靶場光電系統的建設中，工程實踐證明該控制系統方案是可行的，系統的可靠性、穩定性均滿足要求［3］.

1 控制系統結構及功能

根據物理實驗的要求，靶場系統需要將48 束激光從真空靶室的南北兩極以不同角度入射靶室，并經反射鏡模塊、三倍頻模塊、聚焦透鏡模塊精確引導至靶點，以此為基礎設計終端光學組件及反射鏡控制系統.該系統控制電機數量多、位置分散，且電機與驅動器之間的距離不易過長.因此，采用由網絡總線構成的集散式控制系統，通過EtherCAT 工業自動化實時以太網總線進行數據交換，每個控制柜作為分布式控制網絡的一個終端來控制一路光的運動部件(一個終端光學組件及反射鏡架)，6 個控制柜為一個束組，每個束組中有一臺嵌入式PC 作為中央處理單元，在通訊網絡中具有唯一的AMS Net，用于接收遠程控制指令并與下位控制器通信.單束組終端光學組件及反射鏡架控制系統結構見圖1 所示.嵌入式PC通過EtherCAT 網絡通信從上面管理層直接獲取信息，拓撲結構類似于樹狀，一方面，確保在最短的時間內實時地發送命令信號給遠程執行器，進行過程控制［4］.另一方面，通過分散的總線智能端子將遠程控制器的位置、狀態、診斷信息等傳到中央單元，并協調相關的順序［5］.控制系統人機界面用VC 語言開發，系統功能設計成TwinCAT的PLC 功能模塊形式.

圖1 單束組控制系統結構

倍頻模塊和透鏡模塊處于真空環境，采用真空步進電機作為執行件，選用總線端子KL2541作為真空電機的控制器.透鏡模塊的負載較大，增加制動器防止電機失去動力后透鏡移動.為保證透鏡的定位精度，要求透鏡具有電機上下電鎖緊功能，即電機與制動器具有上下電的時序關系，上電時電機先于制動器上電，下電時制動器先于電機下電.對于運動精度高的運動軸配置總線端子KL5101 接收高精度長度計(分辨率0.05 μm)的位置反饋信號，與步進電機構成閉環控制系統.

2 通信方式

該控制系統采用EtherCAT 實時以太網現場總線通訊技術，這種技術具有通訊速度快、硬件設計簡單、傳送距離遠、信息可靠的特點.EtherCAT優化了系統結構，使原來傳統的現場總線四層循環結構改善為僅有兩層的結構——PLC 運算循環及EtherCAT 總線循環.相對于傳統的現場總線系統，底層I/O 的響應時間大大縮減，最多僅需兩個PLC 循環周期就可以實現數據的刷新.EtherCAT打破了傳統現場總線的通訊瓶頸，解放了CPU 性能，從而大大提高了控制系統性能.從主站到系統最末端的所有從站設備均實現EtherCAT 通訊，系統中無需再有協議轉換，一個通訊系統滿足了主控、I/O、伺服驅動，甚至功能性安全等需要數據交換的所有設備的通訊需求.

3 軟件功能及關鍵技術

3.1 軟件功能

控制軟件采用模塊化設計思想(見圖2 所示)，按功能需求主要分為兩大類［6］:實時性模塊和非實時性模塊.實時性模塊在倍福PC－CX1020 中運行，執行與運動控制密切相關的任務，例如電機自動上下電控制、手動跟隨、單向定位、運動控制、上下電時序控制等功能［7］.其中電機自動上下電控制是指電機運動時電機先上電后運動，電機停止后自動下電，防止電機長時間供電產生熱量影響晶體變形精度.非實時性任務包括軟件初始化、系統配置、通訊功能、參數顯示、故障診斷等模塊.

圖2 軟件結構

實時性功能模塊基于倍福的TwinCAT 環境開發，為保證系統可靠、穩定運行，優化了程序結構，采用PLC 功能循環計算的處理方式，程序代碼壓縮到520 行，增強了代碼的可靠性和可讀性.這種PLC 程序結構中的每個功能模塊關聯緊密、功能集中，便于功能模塊的維護和改造，程序流程見圖3 所示.

3.2 關鍵技術

3.2.1 單向定位控制技術

終端光學組件及反射鏡架為內外框的有軸式串聯機構，晶體安裝于內框且負載較大，特別是反射鏡架機構負載重達80 kg，要達到激光盲打重復定位3 μrad 的精度要求，難度較大.即使滿足重復定位精度的要求，設備經過長時間運行，精度勢必會降低.提高設備精度有兩種方法:一是硬件方法，即提高設備零部件的加工、制造、裝配精度.這種方法不僅受到加工機床精度等級的制約，而且隨著加工精度的提高，零件制造成本呈指數級別增加.二是軟件方法，這種方法在不增加硬件設備的前提下實現了設備的高精度定位，有利于降低設備成本.

單向定位技術的應用使開環控制運動軸的重復定位精度在3 μrad 以內.見圖6 所示，某開環控制的鏡架在有、無單向定位控制技術的對比試驗，記錄數據點為21 個，數據分析見表1 所示.采用單向定位技術后重復定位精度指標提高4 倍以上，滿足激光盲打的要求.

圖3 下位機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 重復定位精度對比實驗

表1 實驗數據分析

3.2.2 手動跟隨技術

手動跟隨任務要求鏡架進行跟隨運動時其姿態保持不變，跟隨范圍為20～－10 mm，而反饋長度計的測量最行程為12 mm，顯然長度計無法滿足鏡架全行程跟隨運動的要求，因此將手動跟隨機構設計如圖7 所示.當手輪傳動機構鎖緊時，長度計反饋鏡架AC 的位置，步進電機驅動機構前后移動使鏡架產生繞C 點的旋轉運動.當鎖緊機構松開、電機上電時，手動旋轉手輪使得C 點移動到C＇點，長度計檢測鏡架位置的改變量為l=| CC' |－| BB' |，并將該數值實時反饋給控制系統，控制系統命令步進電機跟隨手輪運動，使鏡架產生整體移動的效果，同時將鏡架移動距離累加并記錄顯示.絲杠螺距為1 mm，設定跟隨誤差為2 mm足可以保證電機的可靠跟隨運動，而不至于導致電機的跟隨誤差過大，手動跟隨功能的程序流程圖8 所示.

圖7 手動跟隨模塊

圖8 手動跟隨程序流程圖

4 結論

根據終端光學組件及反射鏡架系統運動軸數量多且分散的特點，融合計算機技術、通訊技術、自動化技術設計了基于倍福的分布式控制系統，該控制系統具有可靠性高、維護容易等特點［9－10］.將單向定位技術、手動跟隨技術應用其中，單向定位運動可以將開環運動軸的重復定位精度提高到3 μrad 以內，手動跟隨模塊可以實現某旋轉運動軸的整體移動的功能.該方案已成功應用于激光慣性約束核聚變靶場光電系統，各項指標滿足任務要求.

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