基于矩陣式硅光電池組的光電定位系統的設計

李建秋，路春光

（河北聯合大學 機械工程學院，河北 唐山 063000）

0 引言

隨著現代技術的進步，定位瞄準的實現方法也越來越多樣化，大至日漸成熟的激光定位與激光瞄準，小至實用的硅光電池組，可謂各具特色。本文設計的是一種由硅光電池組成的矩陣電路，由矩陣電路完成對激光信號的收集與判斷，并反饋給PLC進而控制步進電機帶動機械裝置，以完成自動控制找準定位的目的。

1 硅光電池組的光電定位系統組成及工作原理

整個光電自動跟蹤定位系統主要由激光發射器、硅光電池組、PLC控制器、步進電機以及機械運動裝置組成。本系統使用PLC控制器實現對硅光電池組的控制，可以實現對硅光電池組位置方向的控制，以完成對激光位置的找正與調節。其工作原理是：激光發射器固定不動并發射出持續的激光信號，激光信號照射到硅光電池組上面，通過矩陣電路對激光信號進行采集判斷；由硅光電池組發出的電壓信號經信號放大器放大后傳遞給光電開關經過邏輯運算傳遞給PLC，再由PLC控制步進電機，進而帶動機械裝置實現對激光信號的自動跟蹤與定位。光電定位系統結構框圖如圖1所示。

圖1 光電定位系統結構框圖

2 光電定位系統的硬件設計

2.1 激光發射器與硅光電池組的選擇

激光發射器選用大功率紅光激光器，發射激光波長為694nm。

選用型號為DU10的硅光電池，它具有光電倍增管、光電管、硒光電池所無法比擬的寬光譜響應，特別適用于工作在300nm～1 000nm光譜范圍的各種光學儀器，對紅光有較高的靈敏度，該器件體積小，性能穩定可靠。

2.2 硅光電池組的設計

本系統中硅光電池組主要用來收集激光信號，并判斷激光信號的位置。

硅光電池組由25個大小相等的硅光電池片組成5×5的矩陣式，采用矩陣式的排列方式可以減少占用PLC的I/O口數量。由硅光電池組成的矩陣電路與激光發射器工作時的放置位置如圖2所示。矩陣電路的行線與列線的交叉位置為硅光電池的放置位置，矩陣電路與PLC的連接示意圖如圖3所示。硅光電池經過激光照射會產生電壓，由于硅光電池受自然光照射對電壓信號的影響比較大，故在硅光電池前再安裝上濾光片，這樣就可以有效地排除自然光的干擾。

圖2 矩陣電路工作位置示意圖

2.3 前置放大器的選用

前置放大器采用同相比例放大的原則，原因是：①硅光電池內阻比較小，若采用反相比例放大，當硅光電池受到外界自然光強度變化時，輸出電壓將不會呈線性變化；②硅光電池輸出為直流電壓，所以可以不必考慮電壓帶寬和壓擺率的限制，采用同相比例放大電路，輸入阻抗高，輸出阻抗低，這樣可有效減少外界光信號的干擾，且輸出電壓與輸入電壓同相，便于進行后期數據處理與分析。

在自然光的照射下，本系統使用的硅光電池輸出電壓大概為600mV，為方便進行A/D變換，選用放大倍數為5左右，則硅光電池的輸出電壓在3V～4V之間。

2.4 A/D轉換

FX2N－4AD是FX2N系列PLC的模擬量輸入模塊，有CH1～CH4四個通道，每個通道都可以進行A/D轉換，分辨率為12位，采集信號電壓為－12V～12V，分辨率為5mV。FX2N－4AD通過擴展電纜與PLC相連，二者之間通過32個16位緩沖存儲器（BFM）交換數據。在程序中使用識別碼來確認特殊模塊，FX2N－4AD模塊的識別碼是K2010。本系統基于電壓的輸入/輸出，選擇模擬范圍為－10VDC～10VDC，將信號的＋、－極分別與模塊的V＋和VI＋相連。FX2N－4AD與外部信號的接線圖如圖4所示。

圖3 矩陣電路與PLC的連接示意簡圖

2.5 系統硬件連接圖

系統的硬件接線圖如圖5所示。5×5的矩陣電路與 FX2N－4AD的輸入通道相連接，FX2N－4AD 通 過擴展電纜與FX2N－64MT相連接，FX2N－64MT的輸出接口連接兩個兩相步進電機驅動器，由步進電機驅動器帶動步進電機實現步進電機的驅動。FX2N－64MT直接由220V交流電提供電源，FX2N－64MT上面有24V的轉換接口，因為步進電機驅動器上面的脈沖與方向信號需要5V供電，因此，由FX2N－64MT上面的24V轉換接口與KA7805電源模塊相連接，由KA7805為步進電機驅動器提供5V電源。

圖4 FX2N－4AD與外部信號接線圖

圖5 系統硬件接線圖

3 光電定位系統軟件設計

作為系統的核心部分，數據處理與數字控制在系統的運轉中起重要作用。系統的性能和參數與處理控制部分的結構與流程密切相關，本系統采用GX Developer軟件進行編程控制，實現對機械裝置的數字化控制。外部激光信號的模擬量通過FX2N－4AD模塊輸出控制信號的數字量，然后驅動步進電機進而控制機械裝置。PLC內部采用閉環反饋的PID算法，接收FX2N－4AD產生的數字信號，將數字量信號與預先設定的信號兩兩比較、比較的結果作為判定步進電機下一次的預轉定量。通過不斷地采樣、比較、電機轉動、再采樣，就可以實現對激光信號自動跟蹤的功能。系統運轉流程如圖6所示。當激光照射到硅光電池上面時，將所對應的硅光電池上面的電壓值與中間位置U33硅光電池產生的電壓值相比較，比較信號通過PLC處理并分別作為步進電機的輸入。一個步進電機控制系統在平面X方向內的旋轉，另一個步進電機控制系統在平面Y方向的旋轉，兩者配合最終實現光電定位的目的。激光照射到硅光電池每個位置所對應的電機運轉情況如表1所示。

圖6 系統運轉流程圖

硅光電池的電壓值用來判定矩陣電路中激光信號的位置，經過PLC中內部比較指令運算進而控制步進電機的運轉方向。PLC不直接控制步進電機運轉，需要采用步進電機驅動器進行控制，PLC內通過設定脈沖量大小來控制每次步進電機的輸入脈沖數量，進而調節轉動角度大小。運算部分與控制部分獨立，可以極大地提高系統跟蹤目標的效率。

4 系統測試

表1 電機運轉情況

本系統設計完成后經過多次實驗測試與調節輸入步進電機脈沖量的大小，使機械裝置的運行誤差控制在3mm內，且響應時間小于1s，能夠迅速準確地實現二維平面內的光電定位跟蹤的目的。

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