Современные сканирующие системы на основе электромеханических дефлекторов света

Ю.В.Ларченко, к.т.н., А.М.Леонов, к.т.н., С.М.Жук, ООО "Ситела", Минск

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 динамика этих приборов для современных систем сканирования определяется не только набором собственных параметров, но и характеристиками всей системы в соответствии с выбранным сочетанием показателей "быстродействие – точность - метод сканирования". Например, часто в качестве показателя быстродействия приводится время переходного процесса для минимального приращения сигнала управления. Однако на самом деле очень трудно сопоставить динамику приборов различных фирм по этому показателю, т.к. он определяется не исполнительным звеном, а настройкой всей системы сканирования в соответствии с нагрузкой (апертурой лазерного пучка) и принятым каждым производителем компромиссом между точностью и скоростью.

В статье рассмотрена взаимосвязь между методами структурно-функциональной организации современных дефлекторов и параметрами всей системы сканирования с учетом взаимодействия исполнительных звеньев с электронным регулятором, реализующим замкнутый контур управления. Авторами также предпринята попытка анализа практических применений дефлекторов с подвижным ротором из магнитомягкой стали (электромагнитных), гальванометров с подвижным магнитом и магнитоэлектрических приборов с подвижной рамкой.

Электромеханический дефлектор как элемент сканирующей системы можно представить совокупностью последовательно соединенных звеньев первого и второго порядков. Передаточная функция первого звена определяется электрическими характеристиками дефлектора (индуктивностью и сопротивлением обмоток), второго - свойствами системы электромеханического преобразования энергии и инерционностью подвижной системы. Оптимальный блок управления также содержит два звена, включенных в контур замкнутой системы управления. Одно из этих звеньев является усилителем с обратной связью по току управления, а второе представляет собой пропорционально интегрально-дифференциальный (ПИД)-регулятор.

На рис.1 и 2 представлены типовые логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАХ) двух типов сканирующей системы. В первом случае - нерезонансного классического магнитоэлектрического дефлектора и системы сканирования с ПИД-регулятором (жирная линия), во втором - 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. Характеристики исполнительных звеньев представлены с учетом взаимодействия дефлектора с усилителем тока (штриховые линии).

В области нулевой и малых частот w ₀ 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 полосу средних частот w ₁ можно расширить 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.

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

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

В области высоких частот w ₂ 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, на которой передаточная функция системы равна единице, определяется также и влиянием интегрального звена (см. рис.2). Т.е., как и упоминалось во введении, каждая настройка системы есть компромисс между производительностью и точностью.

Вместе с тем, можно получить оценку предельной величины диапазона рабочих частот W _о системы сканирования для конкретной нагрузки дефлектора, что совершенно необходимо для установления диапазона устойчивости. Ее значение определяется временем задержки реакции исполнительного звена по отношению к сигналу возбуждения дефлектора, что часто интерпретируют как минимально возможную длительность переходного процесса. Легко показать, что конкретное время задержки t обусловлено двумя факторами:

• постоянной времени электрического звена дефлектора L/R_эф, где L и R_эф – индуктивность и эффективное сопротивление обмотки дефлектора с учетом влияния обратной связи по току;
• постоянной времени механического звена дефлектора, определяемой отношением суммарного момента инерции ротора и зеркала (I_p + I_з) к моменту импульса привода.

Теоретически предельное значение времени задержки можно получить как некую часть от основного ограничивающего фактора – частоты второго резонанса, значение которой для современных сканеров почти всегда приводится в таблице параметров. Физический смысл этой частоты заключается в угловом смещении подвижного элемента датчика положения по отношению к якорю за счет конечной жесткости оси, которое приводит к возникновению резонанса при фиксированном положении зеркала. Для современных дефлекторов частота второго резонанса

F_рез=W _рез/2p =5÷7 кГц, причем W _о = (0,3 –0,4) W _рез.

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

Электропривод данного дефлектора отличается тем, что и постоянные магниты (3), и обмотки управления (2) размещены на статоре (1), а через ротор (4), выполненный из магнитомягкой стали, проходят магнитные потоки, создаваемые статором (рис3). Один из потоков (поток управления Ф_у) – продольный, разветвленный в зоне каждого зубца, а другой (поток магнитов Ф_м) – поперечный. 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.

Однако 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. Поэтому отклонение от линейной взаимосвязи между углом поворота j и током управления I определяется квадратом отношения между последним и током насыщения I_max:

Т.е., момент сил, развиваемый приводом, убывает с ростом угла сканирования, что снижает эффективность применения данного метода для больших углов развертки лазерного пучка.

Рис.4 Электропривод дефлектора с подвижным магнитом

Другим принципиальным недостатком ЭМД является гистерезис магнитомягкого материала. Это однозначно предполагает наличие в системе сканирования достаточно сильного интегрального звена.

В совокупности эти два отрицательных момента накладывают серьезные ограничения на предельно возможные максимальные для моментальных двигателей ускорения и, как следствие, отрицательно сказываются на динамике сканирующей системы такого типа.

Рис.4 Электропривод дефлектора с подвижным магнитом

Вместе с тем существует ряд методов уменьшения влияния указанных недостатков. Например, с учетом того факта, что величина гистерезиса зависит от амплитуды сигнала управления, можно изменять вклад интегрального звена в процесс регулирования в зависимости от величины рассогласования управляющего сигнала и сигнала обратной связи по угловому положению ротора. Существует также группа конструкторско-технологических методов, связанных с использованием в конструкции дефлектора современных материалов, ряда конструкторских ухищрений по минимизации потерь, а также методов оптимизации системы сканирования и ее элементов в соответствии с заданными критериями (например, метод расширения полосы рабочих частот за счет варьирования частоты первого резонанса, описанного в первом разделе).

Электропривод дефлектора с подвижным магнитом, изображенный на рис.4, 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. Практической основой создания такого класса приборов послужило 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.

Как видно из рис.4, поток управления Ф_у замыкается через постоянный магнит и воздушный зазор электропривода. В объеме магнита действующие потоки управления являются слабыми полями. Они 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 в наименьшей степени нуждаются в интегральном звене ПИД–регулятора.

Следует также отметить, что индуктивность обмоток ПМ (как двухполюсника) меньше, чем у ЭМД с похожими показателями по нагрузке, и постоянная времени задержки сигнала в системе сканирования может быть минимизирована также за счет этого фактора.

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).

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.

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, 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 (поскольку 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, благодаря чему его быстродействие приближается к быстродействию более мощных устройств.

Системные параметры современных сканирующих систем на основе некоторых наиболее распространенных дефлекторов приведены в табл.1.

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 принципа его работы.

Сканирующие системы с ЭМД являются наиболее универсальными благодаря тому, что их параметры могут существенно варьироваться путем изменения частоты резонанса и влияния на систему интегрального звена. Они обеспечивают максимальную эффективность в области небольших углов сканирования и сравнительно больших апертур благодаря максимальной среди всех электроприводов мощности в этой зоне. Именно поэтому применение ЭМД наиболее эффективно для лазерного скрайбирования полупроводниковых пластин, маркировки малогабаритной продукции на конвейере (например, микросхем) и в ряде других подобных применений, в которых угол сканирования ограничен малыми размерами рабочей зоны, а размер сканирующего пучка составляет 0,1 мм и менее. При увеличении угла сканирования эффективность ЭМД падает, но не уступает параметрам ПМ при углах сканирования до 30-40°. Для записи изображений средних размеров (до 100х100 мм) используют скоростные ЭМД с зеркалами размером 10–20 мм (например, S-10, D201 и D306). Для записи больших изображений (до 200х200 мм) или изображений с высоким разрешением применяют дефлекторы с зеркалом 20–30 мм, например, D501, G325 и т п.

В последнее время ЭМД стали применяться также в аппаратуре, в которой максимальная скорость сканирования ограничена не быстродействием системы сканирования, а скоростью предварительной обработки и передачи данных в компьютер. В этих устройствах оптика не ограничивает угол сканирования, и он достигает 90-100°, а апертура сканирующих зеркал - 100 мм и более. Примером таких устройств является система оптического зрения с лазерным дальномером, в которой угол сканирования определяется требованиями к полю зрения, а апертура зеркала - требованиями к чувствительности датчика отраженного от объекта оптического сигнала. В этой области применение ЭМД эффективно благодаря тому, что они позволяют управлять большими зеркалами с помощью электропривода малых размеров. В устройствах такого типа нашли применение, в частности, D501, G350.

Дефлекторы с подвижным магнитом обладают прекрасными, с точки зрения разработчика систем управления, свойствами благодаря высокой линейности и малому гистерезису. Особенно эффективно их применение для сканирования узких лазерных пучков (2–6 мм) на большие углы (до 90°), например, в устройствах создания лазерного шоу. Высока также эффективность их использования для систем маркировки на основе СО₂-лазеров, где размер сканирующего пятна составляет величину порядка 0,4 мм. Вполне обосновано их применение и в лазерных технологических установках. В этой области они соизмеримы с ЭМД по быстродействию, но обладают лучшими весогабаритными показателями.

Важным достоинством ПМ является также их

технологичность при наличии в распоряжении разработчика возможности производства ротора на основе постоянного магнита. Такое производство хорошо освоено в США, но отсутствует в СНГ.

МД наиболее эффективны для управления широкими световыми пучками, так как в этом случае подвижная катушка может быть большой и развивать момент сил, сравнимый с моментом сил дефлекторов других типов. Они эффективно работают в режиме низких нагрузок по управлению, то есть с низкими скоростями сканирования или в режиме позиционирования.

Для желающих получить более подробную информацию:

© ЛАЗЕР-ИНФОРМ. Информационный бюллетень Лазерной ассоциации № 9-10(264-265) май , 2003
Ю.В.Ларченко, к.т.н., А.М.Леонов, к.т.н., С.М.Жук, ООО "Ситела", Минск
30 мая 2003 г.