Contrôle de la déflexion angulaire d un faisceau laser avec CleoVIEW

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1 Contrôle de la déflexion angulaire d un faisceau laser avec CleoVIEW Objectifs : Mettre au point un système asservi de déflexion angulaire avec le logiciel CleoVIEW, en passant par les étapes principales que sont l identification du système à contrôler (réponses transitoire et fréquentielle), la mise au point d un correcteur (simulation avec correcteur PI) et la vérification expérimentale du bon fonctionnement. Schéma du dispositif : x Cible VA Commande Angle moteur θ θ V θ Mesure angle θ Diode laser Miroir motorisé (moteur «galvo» ; «scanner») La déflexion angulaire, permettant de déplacer le point d impact d un faisceau sur l axe x, est assurée par un moteur galvanométrique dont l angle de rotation est lié au courant dans la phase du moteur. Ce courant est fixé via une sortie tension analogique, l angle étant mesuré en sortie du capteur intégré au moteur (tension image Vθ). Ce type de dispositif est très utilisé dans les lasers d usinage, gravure et les lasers excimer pour les opérations chirurgicales de l œil : en général 2 têtes «galvos» sont utilisées pour effectuer une déflexion XY T1(p) PC CléoVEW VA A0 0 Conversion Tension/courant Phase Iph θ ( ) Stator Carte NI PCI 6221M AI 1 Vθ Détecteur de Position intégré Kr Moteur galvo Note : par mesures on a déterminé Kr = 0,33 V/ (méthode de Poggendorf) Thierry Royant Contrôle de la déflexion angulaire d un faisceau laser avec CleoVIEW 1/8

2 Le PC avec CleoVIEW va permettre de conduire l essai pour identifier le système puis d implémenter le correcteur du système asservi, après modélisation. Ordre des opérations à effectuer : Validation de la commande en DC : pour trouver la loi de commande en statique par des mesures en régime continu puis modélisation Identification du système (réponse indicielle) : recherche d une fonction de transfert modélisant le système par un essai en transitoire Identification par BODE : relevé du diagramme de Bode du gain pour rechercher un modèle (concordance avec l essai précédent à vérifier) Réglage du système asservi avec modèle : simulation pour mettre au point le correcteur permettant de répondre à un cahier des charges Vérification sur système réel : adéquation des réponses théorique et expérimentale à la consigne, respect du cahier des charges ; production de courbes superposant les signaux consigne, simulé et réel 1 ) Etude en DC (acquisition matériel NI => Etude en DC) Configuration de l étude en DC, on fixe la gamme de VA : Il faut ajuster au mieux le pas, le nombre d échantillons pour chaque point de mesures (moyennage = lissage) et le délai entre chaque point. Thierry Royant Contrôle de la déflexion angulaire d un faisceau laser avec CleoVIEW 2/8

3 Résultat : On voit que la tension VA a bien eu l évolution attendue (à vérifier de façon systématique car un petit dysfonctionnement est souvent vite arrivé ) et que la tension image de l angle présente une saturation des 2 côtés. On mémorise le signal Vteta vs VA pour faire la modélisation de la partie linéaire (dans laquelle il faudra rester travailler par la suite) : Conclusions : il ressort que le coefficient de proportionnalité est de 0,4775 (coefficient statique V θ / V A ), et que la plage linéaire de commande va de -1,5V à 1,5V si l on veut garder un peu de marge, afin d éviter une saturation. Thierry Royant Contrôle de la déflexion angulaire d un faisceau laser avec CleoVIEW 3/8

4 2 ) Recherche de la fonction de transfert par étude de la réponse indicielle On utilise l application Générer et Acquérir, configurée pour générer un signal rectangulaire de valeur moyenne nulle et de 1V crête-à-crête. On configure l acquisition pour obtenir plus d une période : La réponse est oscillatoire, à modéliser par un 2 nd ordre avec coefficient d amortisement faible : l application «Modélisation Réponse transitoire 2 nd ordre» permet cette recherche en ajustant manuellement les paramètres jusqu à concordance des 2 réponses. Conclusion : on retrouve une valeur proche pour le coefficient de transfert statique (0,466), un coefficient d amortissement de 0,13 et une pulsation propre de 258 rd/s (Fo = 41 Hz). Thierry Royant Contrôle de la déflexion angulaire d un faisceau laser avec CleoVIEW 4/8

5 Notons que la figure précédente permet aussi de montrer la différence entre le modèle et la réalité : un léger frottement sec a ici pour effet d atténuer la réponse réelle par rapport à la théorie. L accord avec le 2 nd ordre déterminé reste toutefois satisfaisant. On complète cette modélisation par une autre méthode, l étude en régime sinusoïdal. 3 ) Identification par Etude fréquentielle L application «Diagrammes de Bode avec matériel NI» fournit le moyen d effectuer ces mesures : On observe une importante résonance à une fréquence d environ 40 Hz. On peut identifier cette réponse avec un 2 nd ordre, ajustement manuel comme précédemment : On retrouve des valeurs proches des précédentes. (Pic maxi non pris en compte car saturation) Thierry Royant Contrôle de la déflexion angulaire d un faisceau laser avec CleoVIEW 5/8

6 4 ) Réglage d un correcteur CleoVIEW comporte des applications de simulation de système asservis linéaires de classe 0 et classe 1 (0 ou 1 intégration dans la chaine directe). On définit en 1 er lieu le signal de consigne (ici un trapèze) et on se fixera un écart maximum autorisé (cahier des charges). L application «Saisie mauelle de valeurs» sert à fabriquer le signal de consigne, signal utilisable ensuite en tant qu entrée consigne du système asservi. Dans l application Simulation Système asservi Classe 0, on ajuste les différents réglages (système physique identifié précédemment), avec correcteur PI. Note : à partir de mesures réelles sur le capteur on avait déterminé la valeur Kr du capteur (Kr=0,33 V/ ) ; les mesures précédentes permettent donc d obtenir le coefficient de transfert statique T1o = θ/ V A = 0,47/0,33 = 1,424 /V Remarques : 1 : avec un système physique de fréquence propre importante et pour une étude sur une plage de temps assez grande, la précision des calculs oblige à prendre un grand nombre de points de calculs, sinon les résultats peuvent être erronés 2 : on peut aussi faire les réglages dans le domaine fréquentiel (Bode, Black, Nyquist) puis vérifier la réponse temporelle Thierry Royant Contrôle de la déflexion angulaire d un faisceau laser avec CleoVIEW 6/8

7 5 ) Essai du système réel La partie modèle fonctionnel est remplacé par la vraie structure physique : en entrée système : V AO0 = VA en sortie système : V AI1 = Vθ On règle le nombre de points pour que le pas d échantillonnage soit correct par rapport aux performances matérielles (PC + carte d acquisition : dt de quelques ms) et l on fait l essai : La superposition des différentes courbes permet au final de conclure au bon fonctionnement : La réponse expérimentale correspond exactement à la réponse simulée, validant ainsi la chaine des opérations réalisées. Thierry Royant Contrôle de la déflexion angulaire d un faisceau laser avec CleoVIEW 7/8

8 6 ) Conclusion : CleoVIEW a permis de réaliser l identification d un système à travers différents essais, de concevoir un réglage de façon à respecter une consigne, puis d en vérifier le bon fonctionnement. L articulation de ces différentes phases est riche d enseignements et peut s avérer très utile lors d un apprentissage sur le thème des systèmes asservis. Informations complémentaires sur CleoVIEW : Site de la Société Cleode Téléchargement de la version de démonstration : Thierry Royant Contrôle de la déflexion angulaire d un faisceau laser avec CleoVIEW 8/8