модулятор лазерного излучения

МОДУЛЯТОР ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Е.И. Тренкаль, А.А. Бамбизов, К.Ю. Осипов
Научный руководитель: к.т.н., с.н.с. СКБ «Смена» А.Г. Лощилов
Введение
В настоящее время большой интерес представляет исследование атмосферы с
помощью оптических систем. Прибор, выполняющий данную задачу, называется лидар.
Лидары используют технологию получения и обработки информации об удаленных объектах
с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его
рассеивания в прозрачных и полупрозрачных средах.
Принцип действия лидара довольно простой: направленный луч источника излучения
отражается от целей, возвращается к источнику и улавливается высокочувствительным
приемником – светочувствительным полупроводниковым прибором. В большинстве
конструкций излучателем для лидара служит лазер, формирующий короткие импульсы света
высокой мгновенной мощности [1].
В Томске вопросами изучения атмосферы с помощью лазеров уже долгое время
занимается институт оптики атмосферы СО РАН[2]. Со стороны этого института СКБ
«Смена» получила заказ на разработку и изготовление стабилизатора частоты модуляции
лазерного излучения.
Целью данной работы является разработка, сборка и отладка данного устройства.
Аппаратная часть
Для формирования импульсов служит следующая система: диск с определенным
количеством равноудаленных друг от друга прорезей, расположенных на его крае, закреплен
на трехфазном двигателе. На край этого диска непрерывно излучает лазер. При вращении
диска лазер с определенной частотой проходит через прорези, тем самым формирую
импульсы света.
Важной задачей для данной системы является задание и удерживание определенной
частоты излучения, т.к. небольшое отклонение частоты вращения вносят погрешность в
измерения. Были предложены следующие решения:
1. Для определения частоты вращения диска использовать оптопару,
установленную рядом с краем вращающегося диска;
2. Управление вращением производить с помощью микросхемы TDA5140A[2];
3. Контроль устройства должен производиться с помощью компьютера через
USB;
4. Для управления микросхемой TDA5140A, связи с ПК и определения частоты
вращения использовать микроконтроллер AT90USB162[3].
Структурная схема модулятора лазерного излучения (ЛИ) изображена на рисунке 1.
Принцип работы следующий: оператор задает с персонального компьютера необходимую
частоту вращения модулятора. Микросхема AT90USB162 по интерфейсу USB принимает
требуемое значение вращения и генерирует сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Проходя через RC-фильтр, сигнал ШИМ преобразуется в постоянное значение напряжения и
поступает на микросхему TDA5140A. Эта микросхема специализированна на управлении
трехфазными двигателями. Исходя из приложенного напряжения, TDA5140 устанавливает
определенную скорость вращения диска. Оптопара в случае попадания света от светодиода в
прорезь, дает верхний логический уровень. Микроконтроллер, принимая сигнал с оптопары,
рассчитывает скорость вращения диска. Анализируя заданную и установившуюся частоты,
микроконтроллер вносит изменения в ШИМ, подстраивая скорость вращения до заданной.
Рис. 1. Структурная схема модулятора лазерного излучения
Выход синхронизации необходим для подключения модулятора ЛИ к внешнему
измерительному устройству для контроля установившейся частоты и получения
экспериментальных значений.
Программная часть
В данной системе важно, чтобы настройка частоты вращения производилась как
можно чаще. При этом большое значение имеет точность рассчета частоты. Стандартный
метод расчета частоты (количество отсчетов делится на количество прошедшего времени)
имеет недостаток – чем меньше прошедшего времени, тем меньше точность расчета частоты.
Поэтому для расчета было решено использовать метод скользящего среднего.
Формула метода имеет следующий вид:
F ( t−1 ) ∙(n−1)+ F н (t )
F ( t )=
, где
n
F(t) – новое среднее значение функции;
F(t-1) – старое среднее значение функции;
Fн(t) – новое значение функции;
n – коэффициент сглаживания показаний.
Чем выше коэффициент сглаживания, тем больше «инертность» расчета. При большой
инертности система будет медленно реагировать на изменение показаний.
При небольшом коэффициенте сглаживания реакция системы происходит быстрее, но
теряется точность. Преимущества данного метода заключаются в том, что при подборе
оптимального коэффициента сглаживания показаний можно добиться достаточно большой
точности при использовании малых промежутков времени расчета.
В данной системе коэффициент сглаживания регулируется в зависимости от
удаленности текущей частоты вращения от заданной. При приближении частоты к заданной
коэффициент сглаживания увеличивается (максимум – до 4-х).
Для регулирования скорости вращения было решено использовать пропорциональноинтегрально-дифференциальный (ПИД) регулятор. Это наиболее распрастраненный и
быстродействующий алгоритм для регулирования каких-либо процессов в системах
автоматического управления. Алгоритм формирует управляющий сигнал, который является
суммой трёх слагаемых (пропорциональное, интегральное, дифференциальное).
Пропорциональная
составляющая
вырабатывает
выходной
сигнал,
противодействующий отклонению регулируемой величины от заданного значения,
наблюдаемому в данный момент (т.е. ошибке регулирования). Чем больше ошибка
регулирования, тем больше выходное воздействие.
Интегральная состовляющая необходима для устранения статистической ошибки. Она
пропорциональная интегралу по времени от отклонения регулируемой величины.
Дифференциальная состовляющая пропорциональна темпу изменения отклонения
регулируемой величины и предназначена для противодействия отклонениям от целевого
значения, которые прогнозируется в будущем [4].
В вычислительной технике формула ПИД регулятора выглядит следующим
образом[5]:
u ( t ) =P ( t ) + I ( t )+ D ( t ) ,
P (t )=Kp ∙ e ( t )−пропорциональная составляющая
I ( t )=I ( t−1 ) + Ki ∙ e ( t )−интегральная составляющая
D (t )=Kd ∙ ( e ( t ) −e ( t−1 ) ) −дифференциальная составляющая
e(t) – текущая ошибка;
Kp – пропорциональный коэффициент;
Ki – интегральный коэффициент;
Kd – дифференциальный коэффициент;
В зависимости от поставленных задач выбирают различные коэффициенты. При
настойке коэффициентов необходимо учитывать несколько правил:
 Увеличение пропорционального коэффициента увеличивает быстродействие и
снижает запас устойчивости;
 С уменьшением интегральной составляющей ошибка регулирования с
течением времени уменьшается быстрее;
 Уменьшение постоянной интегрирования уменьшает запас устойчивости;
 Увеличение дифференциальной составляющей увеличивает запас устойчивости
и быстродействие [5].
Также на выбор коэффициентов сильно влияет частота опроса и воздействия системы.
Было решено сделать возможным изменение коэффициентов во время выполнения
регулирования, что сделает систему более адаптивной к различным условиям и упростит
задачу подбора коэффициентов.
Экспериментальная часть
После реализации этих алгоритмов был проведен двухчасовой эксперимент. Значения
были получены с другого измеряющего устройства через линию синхронизации модулятора.
Для эксперимента были выбраны следующие параметры:
P=14.0, I=2.2, D=1.0;
Частота вращения: 500 Гц.
На рисунке 2 изображен график зависимости частоты от времени для данного
эксперимента. В качестве интервала времени был взят получасовой отрезок. На графике
видно, что среднее значение частоты немного превышает заданную частоту.
n
∑ Fi
Fср =
1
n
=500.292
Это связано с разностью измеряемой частоты между модулятором и измеряемым
устройством. Максимальное отклонение от заданной частоты – 0,752 Гц (Разность берется от
среднего значения частоты).
501.5
501
500.5
f, Гц
500
499.5
499
498.5
3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600 4800
t, с
Рис. 2 – ПИД регулирование на частоте 500 Гц.
Также в ходе экспериментов было выявлено, что большое влияние на стабильность
вращения оказывает инертность вращающего двигателя и то, насколько точно были
вырезаны прорези на диске.
Вывод
В результате работы по данному проекту был разработан и собран модулятор
лазерного излучения, а также было написано программное обеспечение для этого устройства.
Устройство выполняет поставленную задачу – регулирование частоты вращения в заданных
пределах.
1.
2.
3.
4.
5.
Список используемых источников
Лидар [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Лидар (Дата
обращения 07.10.2014)
TDA5140ADatasheet
[Электронный
ресурс].
URL:
http://www.nxp.com/documents/data_sheet/TDA5140A.pdf
(Дата
обращения
21.05.2014)
AT90USB162
Datasheet
[Электронный
ресурс].
URL:
http://www.atmel.com/images/doc7707.pdf (Дата обращения 21.05.2014)
ПИД регулятор [Электронный ресурс]. URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/ПИДрегулятор (Дата обращения 07.10.2014)
ПИД-регуляторы
[Электронный
ресурс].
URL:
http://we.easyelectronics.ru/Theory/pid-regulyatory--dlya-chaynikov-praktikov.html
(Дата обращения 07.10.2014)