Theorie der Galvoansteuerung

Eine optimale Ansteuerung von mechanischen Ablenkeinheiten, sogenannten "Galvo-Scannern", ist ein hochkomplexes, physikalisches Thema, über das vermutlich eine Doktorarbeit geschrieben werden kann, ohne es jemals vollständig aufzuarbeiten.

Prinizipiell ist ein Galvo-Scanner ein sehr schnelles Servo, welches einen möglichst reibungsarm gelagerten Antrieb und einen möglichst genauen Positionssensor besitzt. Diese beiden elektrischen Komponenten werden über einen Galvotreiber wie z.B. den MicroAmp, ausgewertet und angetrieben. Durch die mechanischen Komponenten besitzt des Ablenksystem eine relativ hohe Massenträgheit, welche durch hohe Spannungs- und daraus resultieren Strompeaks vom Treiber möglichst schnell beschleunigt und abgebremst werden muss. Je schneller und genauer dies funktioniert, desto schneller kann sich der Spiegel bewegen und desto weniger Flackern wird in der eigentlichen Ablenkung sichtbar sein.

Allerdings braucht auch die schnellste Beschleunigungsphase eine gewisse Zeit, genauso wie die folgende Bremsphase. Stellen wir uns eine einfach Linie vor. Am Anfang der Linie wird die Spiegelachse möglichst schnell beschleunigt. Dies erfolgt mit hoher Spannung, um die Spule des Galvos schnell zu laden und mit möglichst hohem Strom zu beaufschlagen. Hierzu werden Spannungen von bis zu 30V an die Galvospule angelegt. Es können hierbei kurzzeitig Peakströme von mehr als 10A fliessen. Ist die Achse in Bewegung, wird nur sehr wenig Strom benötigt, was sich jedoch am Ende der Linie wieder schlagartig ändert. Hier tritt nämlich die "Bremse" in Funktion. Die Spannung an der Spule wird umgedreht und wieder voll aufgerissen, um die Achse möglichst schnell anzuhalten.

Während diese Start und Stopp Phasen treten in der Mechanik des Galvos Verformungen auf, die sich in einem Überschwingen (erste Oberwelle) oder einem Unterschwingen (zweite Oberwelle) bemerkbar machen. Durch die Massenträgheit schiesst die Spiegelachse quasi "über ihr Ziel hinaus" (erste Oberwell), um danach wieder zurück zu pendeln (zweite Oberwelle). Aufgabe eines Galvotreibers ist es nun, diese Über- und Unterschwinger möglichst wirkungsvoll auszuregeln und zu unterdrücken. Dies nennt man "Damping", während die Bestromung in der Beschleunigungs- und Bremsphase am Treiber mit "Gain" bezeichnet wird. Je höher der Gain, desto höher der Strom bei einer Positionsänderung.

Die Zeit, die ein Galvosystem benötigt, um die Beschleunigung und Bremsung einzuleiten und fertig zu stellen, muss während der Ansteuerung in der Software berücksichtigt werden. Nun kann man sich vorstellen, dass diese Zeiten ständig variieren, je nachdem, wie viel Auslenkung von Galvo angefordert wird. In einem zweiachsig aufgebauten XY-System erfolgt deshalb durch nicht korrekt angepasste Wartezeiten eine Art "Integration". Ecken werden abgerundet, weil die Ansteuerung schneller ist als das Galvo fahren kann. Aufgabe der Software ist es nun, das elektromechanische System eine Galvoscanners möglichst genau abzubilden und zeitlich sich den Trägheitsmomenten und Fahrgeschwindigkeiten anzupassen. Dies ist extrem schwierig und variiert dazu von Galvo zu Galvo und von Treiber zu Treiber.