多激光束调焦与准直系统的设计与实现

摘要

激光技术作为新兴的高新技术领域，以其定向发光、亮度极高、颜色极纯、能量极大等优点，在光、机、电、材料和检测等多门学科上都有着广泛的应用。受到现代科技水平发展的限制，便携可靠的高功率激光器还处在研发阶段，这给激光技术在某些领域的应用带来了一定的约束。一种可行的解决方法是叠加多束激光的能量，使功率提高一个数量级。本文研究多激光束调焦与准直系统的设计与实现，该系统提供一种可搭载多个激光器的物理框架，通过多个三维线性平台实现对多束激光光路的独立控制，达到激光准直和调焦的目的。本文着重描述上述系统的硬件实现、控制系统设计和软件实现，对于多平台协同控制领域具有一定的现实参考意义。
　　首先，本文给出了多激光束调焦与准直系统的总体设计方案。针对系统要求的0.022mm的静态定位精度和0.11mm的动态跟踪误差，给出了系统硬件设计的需求；针对系统要求的50Hz的控制周期和调焦平台和准直平台的手动、自动控制要求，给出了软件总体方案和实现方法。
　　其次，进行了系统硬件的选型和性能校验。根据系统的结构限制和性能要求，选择了由VP-25XA高精度线性平台和PM-012线性平台组合而成的三维线性平台作为准直平台的执行器，LAC320音圈电机作为调焦平台的执行器。通过参数校验，验证了执行器能够满足系统的静态和动态性能要求，保证了硬件选择的合理性和系统实现的可能性。
　　再次，为了满足系统的位置跟踪要求，对LAC320音圈电机进行了控制系统设计。研究了速度环、位置环双闭环控制策略，设计了PID控制器，并分析了校正后的速度环和位置环的阶跃响应特性曲线，以及二者对固定信号的跟踪性能曲线。
　　最后，设计了上位机软件。软件主体利用C++语言编写，利用xml语言进行关键信息存储，利用MFC类库实现界面绘制，利用libxml2.dll类库进行xml文件的操作。算法方面，利用了AC算法提高了数据解析的效率，并改进了存储空间利用率；利用基于HASH表的快速查表法减少了开环调焦功能的执行时间；利用爬山算法和二分法，实现了闭环调焦功能，并提高了其执行效率。实验证明，上位机功能全部实现，算法有效。
　　本文侧重于给出一个比较完整的系统设计流程，叙述了系统关键部分的设计思路和详细设计方法，通过分块测试，验证了系统各部分设计的合理性。测试结果表明，本文开展的多激光束调焦与准直系统的方案设计研究，实现了多激光束的调焦与准直的功能，并达到了控制精度要求和控制周期要求，较好的满足了设计需求。

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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的背景和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3本课题主要研究内容

1.4本文组织结构安排

第2章 总体设计方案

2.1系统整体概述

2.2系统设计依据

2.3系统硬件设计

2.4系统软件设计

2.5本章小结

第3章 系统部件选择与校验

3.1准直系统硬件选型

3.2调焦系统硬件选型

3.3平台通信方式及连接方法

3.4本章小结

第4章 调焦控制系统设计

4.1音圈电机模型建立及仿真

4.2 PID控制器和控制策略分析

4.3速度环及速度环控制器

4.4位置环及位置环控制器

4.5本章小结

第5章 系统的软件实现

5.1窗口类模块设计

5.2通信模块设计

5.3参数配置模块设计

5.4准直控制模块设计

5.5调焦控制模块设计

5.6数据接收模块设计

5.7图形显示模块设计

5.8算法设计

5.9本章小结

第6章 系统调试与性能测试

6.1硬件性能测试

6.2软件性能及功能测试

结论

参考文献

声明

致谢