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光束控制

激光材料加工驱动新的伺服控

制技术

文/Eric Ulmer

随 着激光材料加工应用变得 实现精密加工特征，同时提高产量以 全确定的状态空间模型有超过 10 种
满足大批量的需求。对于激光增材制
越来越具有挑战性，数字
状态。这些状态共同模拟了振镜参数
伺服系统必须比模拟伺服 造而言，紧密跟踪至关重要，因为它 的相互依赖性以及系统输入、当前状
系统以更高的精度、灵活性和精细度 可以在加工介质上保持一致的功率密 态、未来状态和输出之间的关系。
来控制激光束。 度，从而提供高质量零件。 状态空间模型包含实时系统反
在过去的二十年中，激光加工在 对于上述任何一种应用，数字控 馈，以与实际的系统响应保持一致。
医疗、成像、打标和制造领域的应用 制伺服驱动器都可以达到新的性能水 这种反馈通过 Observer（见图 1）带
呈指数型增长。这种增长得益于光束 平，这主要是因为状态空间模型（State 入到状态空间模型中。每次将实际的
控制技术的进步，光束控制技术使得 Space Model）及其相对于模拟伺服的 驱动电压施加到真实振镜时，模拟电
这些应用成为可能 ；另一方面，每种 关键优势。 压施加到振镜模型上以产生其当前状
应用的独特需求，反过来又激发了用 态。Observer 将测得的系统反馈与计
于转向激光束的伺服驱动器控制技术 状态空间模型和Observer概述 算得到的反馈相结合，并向控制器输
的新发展。 出校正反馈。
Command Error Controller Voltage Galvo + Acceleration
多年以来，模拟伺服驱动器已经 – mirror 由于状态空间
成为性能基准，其具有灵活的调节配 State space Position 模型提供对系统未
model sensor
置，并能以具有吸引力的价格和外观 Calculated Measured 来状态的洞察，因
feedback feedback
体积提供有针对性的性能。然而，越 此可以实现预测性
State vector f(x)
来越多的应用具有特定的性能要求， feedback Observer 的定位控制。例如，
而数字技术能够最好地满足这些要 如果模型知道系统
图1：图中显示了基于Observer的数字伺服中使用的典型控制回路。
求。 下一个状态所需的
状态空间模型通过检流计（也称 加速度，则可以确定它是否在其物理
数字伺服的优点 为振镜）和反射镜的模型输入控制回 限制内。如果驱动能力不足，则可以
打标和编码、微加工以及增材制 路。振镜是机电器件，其可用与振镜 修改命令输入，以使其保持在系统的
造等一些关键应用，不断对伺服性能 的电气和机械参数相关的微分方程表 物理限制内。下文我们将探讨这个命
提出新的要求。 示。例如，振镜的感应电流是由线圈 令优化示例如何在不牺牲打标质量的
打标和编码正在寻求更高的吞吐 的电阻、电感和反电动势（EMF）常 情况下，将打标吞吐量比模拟伺服技
量，要求每秒能够标记出更多的字符 数导出的，而振镜的转子加速度则来 术提升 30％ ~100％。
数（CPS），同时还不能降低标记质量， 自其转矩常数、惯性和摩擦力。
或是标出同等字符数所需要的时间更 在状态空间理论中，电流和转子 预测的响应和优化的命令
短，以支持更高的传送带速度。 加速度只是振镜系统模型中状态的两 利用在恰当位置的振镜系统的精
微加工追求能在更广泛的材料上 个例子。对于一个振镜系统而言，完 确数字模型，可以操控控制回路，以

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