基于ARM的嵌入式YAG自動調光控制系統設計

李九六+肖功利

摘 要：在激光加工領域，以YAG固體激光器作為主要激光發射源的激光切割機在進行金屬處理中，會因為鏡片、機械形變導致光束不穩定，從而導致被加工對象切割質量不穩定。本研究運用以四象限探測器的跟蹤定位算法為核心算法，同時運用嵌入式和自動控制理論，搭建了一套固體激光器的光路自動穩定系統。本系統對固體激光器的光路優化驗證，證明能提高固體激光器穩定輸出的性能。

關鍵詞：YAG激光器；嵌入式；光路自動穩定；跟蹤定位算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.050

1 引言

固體激光器在金屬加工領域有著很大的應用基礎，其高功率，大能量，高可靠，維護方便等特性使其成為工業、國防、醫療、科研等領域的常見加工激光器。但是激光切割機在進行金屬處理中，會因為鏡片、機械形變導致光束不穩定，從而導致被加工對象切割質量不穩定。本系統基于ARM的嵌入式系統，通過采集四象限探測器的數據，得到光路目前的偏移量，通過四象限探測器的跟蹤定位算法為核心算法對分別對半反，全反以及激光準直模塊的進行控制，固體激光器的光路優化，同時保證YAG光路的正常使用，提高了效率。

2 YAG激光器以及改進結構

固體激光器的光路優化，改進固體激光器結構，結構如圖2-1所示。

（1）準直激光模組。紅色定位模組由紅色激光器、4維微調架構成，在調節光路過程中起到投射直線定位作用，本模塊4維微調架內置2套微型伺服系統。

（2）2軸伺服全反鏡模組。全反鏡模組由全反HR鏡片以及2維微調架構成。本模塊2維微調架內置2套微型伺服系統。

（3）半反鏡模組。半反鏡模組由全反HR鏡片以及2維微調架構成，本模塊2維微調架內置2套微型伺服系統。其模塊和全反進鏡模組結構一致，只是安裝方向相反。

（4）四象限光電傳感器。

3 基于ARM的調光控制系統

本方案控制系統采用ARM為核心的嵌入式集成電路，驅動系統采用專用驅動功能芯片為核心的6軸微型伺服系統，通過模擬量整形接口電路對四象限光電傳感器進行數據采集，經核心算法計算，同時對6路微伺服電機進行控制，達到自動調節光路的目的。

4 調光控制系統硬件

經過廣泛調研、反復比較，本系統最終采用意法公司的微處理芯片STM32F103RF作為中央處理器，在YL-STM32F103開發板上完成相關測試。有伺服驅動芯片L6203P、四象限光電探測模塊、模擬采集芯片ADS7841及調理電路等構成。

5 控制系統算法以及軟件設計

5.1 控制系統算法

本文為達到快速定位激光光束位置的目的，提出了一種高速實時定位算法，利用激光光斑的投射面積以及位置實現目標的定位。該算法步驟如下：

（1）根據激光光點投射到傳感器的位置，通過采集電路得到其投射面積與電壓的對應關系，通過數字模擬電路讀出具體的數值；

（2）采集在激光光點4個象限上激光器的數值，計算出激光光點的投影面積的變化率；

（3）激光光點強度的變化趨勢可以通過自適應算法來確定，如果需要可以通過對得到的數據進行放大或者縮小使得其投射在標定的范圍內。動態調整分辨率和對其跟蹤精度進行再次校準，從而提高其響應速度和精度；

（4）激光光點的偏移會導致象限上的投射數值改變，光點的偏移量Δx 和Δy 與投射數值S以及象限的采樣數值V差成正比。經過研究發現其偏移量可以通過以下公式進行估計：

式中，S為投影數值，也可以稱為投影面積，V為采樣數值； 是一個可調節系數，便于調整偏移距離的范圍。

5.2 軟件設計

STM32 的啟動程序完成系統上電后或復位后初始化的工作，對寄存器的控制決定了基本資源的分配和使用的有效性。中斷服務程序通過STM32 的 GPIO 的外部中斷復用功能采集模擬前端子板返回的同步頭信號產生一幀信號處理提供同步并控制 A/D 轉換。數據處理程序的過程：（1）STM32 啟動AD轉換程序；（2）STM32 通過外部中斷方式采集同步信號，并由中斷服務函數控制 A/D 轉換，采集AD信號同時做必要的數字軟件濾波；（3）將采樣得到的數字信號存儲后并進行數字運算處理，（4）調用PID算法將模擬量轉為位置量信號；（5）判斷采集伺服系統位移量是否達到到；（6）進行后續數據采集。

6 實驗以及實驗結果

試驗結果如表1：

VI，VII，VIII，VIV單位是mV，是ARM采集模擬量電路后得到的參數。△x， △y單位是mm， SX， SY單位是步長數是根據公式計算出的最終精度，由于實際精度測量太困難，故本試驗以計算參數為準。

經驗證，精度達到0.04mm誤差范圍內，系統整體驗證成功。

7 結論

本研究運用以四象限探測器的跟蹤定位算法為核心算法，同時運用嵌入式和自動控制理論，搭建了一套固體激光器的光路自動穩定系統。本系統對固體激光器的光路優化驗證，證明能提高固體激光器穩定輸出的性能。

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作者簡介：李九六（1989-），男，廣西桂林人，研究生在讀，實習研究員，研究方向：集成電路工程。