基于差分数字信号命令传输的激光振镜控制研究
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摘要：控制卡直接输出模拟电压控制激光振镜，存在易受外界电磁干扰、信号噪声水平高等问题。以差分数字信号形式传输命令，在振镜驱动电路中进行数模转换获得控制信号，具有信号精度高、抗干扰能力强等特点。本文研究了差分数字信号传输命令控制振镜的原理和实现方法，对比了模拟和数字传输方式对振镜电机的影响，计算表明数字方式传输命令的振镜定位误差仅为模拟方式的1/3。
关键词：激光振镜；差分数字信号；数模转换；振镜定位误差
中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0108-01
1 引言
振镜作为激光扫描加工的关键部件，已经广泛应用于激光打标、激光精密切割、激光远程焊接等领域[1]。一直以来，控制卡输出模拟信号直接控制激光振镜是常见方式。随着加工精度以及设备自动化程度的要求越来越高，模拟信号控制的弊端也日益显露。数字信号为离散的二进制码，有很强的抗干扰能力；振镜驱动电路将数字命令转换为需要的控制信号。由于振镜外壳可实现良好的电磁屏蔽，因此控制信号的噪声水平明显低于直接接收控制卡输出的模拟信号，从而显著提高振镜扫描定位精度。
2 差分数字信号控制激光振镜的原理和实现方式
振镜使用摆动伺服电机，电机带动固定于转轴上的激光反射镜在一定范围内扇形摆动，实现激光扫描[2]。控制电压与摆角成线性比例关系，
V=Vmax・θ/θmax （1）
其中θ为转轴实际位置，V为摆动到该位置的控制信号电压。以实际摆角为最大摆角的0.01%为例，如摆角极限θmax为±11.25°（机械角），对应控制信号电压Vmax为±5V，实际角度即为±0.001125°，相应控制信号电压±0.5mV。由于信号电压必然存在一定噪声，因此噪声水平决定了振镜定位误差的下限。如果信号电压噪声水平过大，则电机可准确响应的角度将偏大，导致定位精度劣化。
根据振镜控制卡传输振镜控制命令的方式，可分为模拟式和数字式两种[3]。模拟控制卡直接输出公式（1）中的信号电压V至振镜，作为命令信号；数字控制卡将控制命令以数字信号方式发送至振镜，再由振镜内部电路进行数模转换得到信号电压V。本文主要研究数字信号传输方式，并对比两者的实际影响与结果。
控制卡输出双路差分式数字信号，它们幅值相同，相位相反，外部干扰将在接收端的差分信号提取过程中转换为共模信号得以消除，有效提升信号的抗干扰性。
振镜驱动电路对输入的差分信号进行减法运算转换为单端数字信号后，使用AD5542芯片对位置信号进行数模转换。该芯片为单通道、16位、串行输入。输入位置信号（DATA）、逻辑数据信号（CS）和时钟信号（CLK），输出控制电压信号（Vout），如图1所示。
振镜位置信号为16位，-32768bit至32768bit。由逻辑数据信号CS判断正负偏摆方向。数字命令信号与控制信号电压的典型转换关系如表1所示。
3 数字与模拟命令传输测量结果对比与分析
分别使用数字和模拟方式传输命令控制振镜摆动（图2a为数字传输图，图2b为模拟传输图），测量电机反馈信号（示波器放大10倍）。从图2b可见模拟方式带来的电机噪声水平约是数字控制的三倍。
数字传输时电机噪声水平5.2mV，考虑示波器10x档位，实际为0.52mV。该噪声幅值为振镜控制电压5V（单边）的0.01%，根据公式（1），当单边电机摆角（机械角）为11.25°时，该噪声水平对应角度为20μrad。根据反射原理，光学角为机械角的两倍，因此由电机噪声水平导致的可准确响应的光学扫描角下限为40μrad。以焦距160mmftheta透镜作为聚焦单元，该角度误差转换为长度误差为6.4μm，即振镜的固有定位误差。
同样道理可以推算，模拟传输时电机噪声水平是数字方式的3倍，由噪声导致的激光扫描定位误差为19.2μm。
以对激光光斑较敏感的应用如激光打标和刻线应用为例。使用最常见的1064nm光纤激光器和焦距160mmftheta透镜，激光聚焦线宽一般为40μm左右，固有定位误差19.2μm占线宽的48%，将导致扫描线发生明显扭曲，难以满足工艺要求；假如固有定位误差为6.4μm，则仅占线宽的16%，且尺度与聚焦光斑对材料的热影响区（HAZ）基本相当，因而可以忽略振镜固有定位误差带来的影响。
4 结语
使用差分数字信号传输命令控制激光振镜，可以显著提高振镜定位精度。具有抗干扰能力强、信号精度高、噪声水平低等优点。数字传输方式带来的电机噪声仅为模拟传输方式的1/3，计算结果表明该方式下的振镜固有定位误差更小，更适合激光精细加工和成套设备的自动化集成。
参考文献
[1]王文毅，吕勇.基于XY2-100协议的振镜控制转换板的设计与实现[J].自动化仪器与仪表，2014（12）：147-148+151.
[2]王晓初，朱照杨.高速振镜伺服驱动的PID加前馈控制[J].微电机，2013，46（5）：61-64+69.
[3]荣，张秋鄂.高速数字扫描振镜驱动卡设计及研究[J].应用激光，2013，33（5）：551-554.