一种光学系统快速切换倍率的装置及切换方法与流程

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种光学系统快速切换倍率的装置及其切换方法。

背景技术：

光电测量设备经常需要光学结构变倍来跟踪不同距离的目标，变倍过程要求切换速度快、精度高。步进电机是变倍结构常用的驱动单元，具有稳定性好、经济实用等优点，但存在以下四个问题：

(1)步进电机的启动频率不能高于其空载启动频率，否则步进电机在启动时容易丢步；

(2)随着步进电机运转速度的增加，反相电动势变大、相电流减小，导致步进电机的输出力矩迅速降低，容易造成电机堵转；

(3)步进电机处于高速运转不能精确控制停止，低速运转则容易产生振动；

(4)光学结构会随着温度的降低产生微弱形变，对步进电机的输出力矩需求产生变化，若步进电机仍按照常温设定高速运转，会因力矩不足发生堵转。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种光学系统快速切换倍率的装置及其切换方法。该装置可以实时的调整步进电机细分，采用多种控制策略，确保步进电机可以在低速状态时平稳运转、静止状态时快速启动；该装置还可以自动测量、调整步进电机的最高转速，使变倍光学系统在低温条件下仍能以最快的速度完成倍率切换。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种光学系统快速切换倍率的装置，该装置包括：数据处理模块、步进电机驱动电路、步进电机、光栅尺和biss芯片电路；所述数据处理模块接收控制指令，计算并生成所述步进电机驱动电路的控制信号；所述步进电机驱动电路接收所述数据处理模块的控制信号，生成驱动所述步进电机运动的电流；所述电流控制所述步进电机，使光学系统进行变倍运动，并通过光栅尺测量位置数据；biss芯片电路转译光栅尺原始数据和光学系统的位置，并将转译后的数据发送至数据处理模块，由所述数据处理模块重新计算并生成所述步进电机驱动电路的控制信号，形成闭环回路。

优选的，所述步进电机驱动电路实现步进电机少细分和高速运转，与多细分和低速平稳的运转。

一种光学系统快速切换倍率的切换方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：在所述数据处理模块中设置中断触发；当所述数据处理模块接收到光栅尺反馈的位置数据后，判断光学系统所处的阶段：第一阶段距离目标位置较远，第二阶段距离目标位置较近；当处于第一阶段时，执行步骤二；当处于第二阶段时，执行步骤五；

步骤二：步进电机的初始状态为静止状态，步进电机驱动电路以较低的起始频率驱动步进电机，在低速阶段设定较高的加速度，此时速度呈指数型提升；随着速度的提高，加速度逐渐减小，步进电机的速度与时间的关系为：

其中ai为根据变倍力矩需求和矩频特性曲线拟合出的参数；计算步进电机的速度，并判断步进电机的速度是否达到最高速度：当步进电机达到最高速度运转时，保持此速度，并返回步骤一；当步进电机未达到最高速度运转时，执行步骤三；

步骤三：步进电机驱动电路按照速度曲线驱动步进电机加速运转，判断步进电机是否发生堵转：当发生堵转时，执行步骤四；当没有发生堵转时，重新执行步骤三：

步骤四：装置将光学系统归位至初始位置，然后控制步进电机加速运转，并根据光栅尺的反馈光学系统的位置判断电机是否发生堵转：若电机没有发生堵转，则给电机继续加速；若电机发生堵转，则认为步进电机的输出力矩已经不足，此时将上一个能够正常运转的速度记为步进电机的最高转速，修改系统的最高转速，重新执行步骤一；

步骤五：第二阶段变倍结构距离目标位置较近，增加步进电机驱动电路细分，使步进电机减速并平稳运转，步进电机的速度与光学系统距离目标之间的距离之间δs的关系为：

v＝v1-k2δs

其中v1为步进电机空载启动频率对应的转速，k2为根据变倍结构的长度选取的常数参数；

步骤六：判断光学系统是否到达目标位置，如果是，停止并完成变倍程序；如果否，重新执行步骤一。

优选的，所述步骤四还包括如下过程：在测量过程中驱动步进电机采用分段加速的策略，分为变加速度阶段和匀加速度阶段；在变加速度阶段，步进电机为初始静止状态，速度低、力矩余量充足，以较快的加速度运行；在速度达到v(t0)后，对步进电机做匀加速控制，并记录数据，速度与时间的关系如公式所示。

式中的ai与步骤二中的参数一致，为根据变倍力矩需求和矩频特性曲线拟合出的参数，k1为根据变倍结构的长度选取的常数参数；设定v(t0)的选择标准为：当步进电机以v(t0)的速度运行时其输出力矩至少为变倍系统需求的最小力矩两倍以上。

本发明的有益效果是：

(1)采用可变细分、可变频率的方式控制步进电机运转，使电机即可以在低速时平稳运转，又可以达到较高的转速；

(2)采用多种步进电机速度控制策略：当光学结构距离目标位置较远时，采用变加速度的方式快速启动步进电机并保持高速运转，减少变倍切换时间；当光学结构距离目标位置很近时，根据位置差修改驱动电路的细分和步进电机的转速，从而实现光学结构精确停止；

(3)装置具有自动测量、调整步进电机最高转速的功能，确保变倍系统在低温条件下仍能以最快的速度实现倍率切换

附图说明

图1本发明一种光学系统快速切换倍率的装置原理图。

图2本发明光学系统变倍过程两个阶段简化示意图。

图3步进电机矩频特性曲线。

图4变倍第一阶段步进电机的速度曲线。

图5本发明一种光学系统快速切换倍率的切换方法流程图。

图6本发明装置自动调整最高速度流程图。

图7测速过程中步进电机的速度曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种光学系统快速切换倍率的装置，该装置包括：数据处理模块、步进电机驱动电路、步进电机、光栅尺和biss芯片电路；所述数据处理模块通过外部通讯接收控制指令，执行逻辑计算并生成所述步进电机驱动电路的控制信号；所述步进电机驱动电路接收所述数据处理模块的控制信号，生成驱动所述步进电机运动的电流；所述电流控制所述步进电机，使所述光栅尺上的光学系统进行变倍运动；biss芯片电路转译光栅尺原始数据、光栅尺的位置参数、和光学系统的位置，并将转译后的数据发送至数据处理模块，并反馈光学系统的状态，由所述数据处理模块重新计算并生成所述步进电机驱动电路的控制信号，形成闭环回路。

在本实施例中，所述步进电机驱动电路主要特征在于可调节细分的控制方案，通过程序实现步进电机少细分和高速运转，与多细分和低速平稳的运转，以满足光学系统快速、精准切换倍率的需求。

根据变倍过程中步进电机的工作状态和需求，将变倍过程分为第一阶段和第二阶段两部分，简化的原理图如图2所示。第一阶段光学结构距离目标较远，电机的初始状态为静止，需要电机快速启动并保持高速运转，在尽可能短的时间内进入第二阶段；第二阶段光学结构距离目标位置很近，电机的初始状态为高速运转、电机驱动电路的细分数少，需要步进电机能够精确控制光学结构停止在目标位置。

一种光学系统快速切换倍率的切换方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：在所述数据处理模块中设置中断触发；当所述数据处理模块接收到光栅尺反馈的位置数据后，判断光学系统所处的阶段：第一阶段距离目标位置较远，第二阶段距离目标位置较近；当处于第一阶段时，执行步骤二；当处于第二阶段时，执行步骤五；

步骤二：针对变倍光学系统第一阶段(对应区域s1)需求，结合步进电机的矩频特性曲线，提出一种变加速度快速启动并保持高速运转的步进电机控制方法。图3为某型号步进电机的矩频特性曲线，根据其特性可将其划分为三个区域，其中区域v1为步进电机的启动区域，此区域步进电机转速较低、扭矩较高，但此时步进电机不能以较高的速度运转，否则因转子速度不足将导致步进电机丢步；区域v2步进电机随着速度的提升，力矩输出平稳，该区域可以快速提高电机转速；区域v3步进电机的运转速度较高，此时因反相电动势的影响，电机的力矩迅速衰减，此时应合理的计算电机最高转速，避免因力矩不足造成电机堵转。结合以上三个特点，设计第一阶段步进电机控制策略，步进电机的初始状态为静止状态，步进电机驱动电路以较低的起始频率驱动步进电机，在低速阶段设定较高的加速度，此时速度呈指数型提升；随着速度的提高，加速度逐渐减小，采用五阶多项式的形式控制步进电机的速度，步进电机的速度与时间的关系为：

其中ai为根据变倍力矩需求和矩频特性曲线拟合出的参数；

计算步进电机的速度，并判断步进电机的速度是否达到最高速度：当步进电机达到最高速度运转时，保持此速度，并返回步骤一；当步进电机未达到最高速度运转时，执行步骤三；图4为根据图3的矩频特性曲线、力矩0.15n·m设计的步进电机速度曲线，装置采用该策略可以在0.08s内将步进电机提升至38转/秒。

步骤三：步进电机驱动电路按照速度曲线驱动步进电机加速运转，判断步进电机是否发生堵转：当发生堵转时，执行步骤四；当没有发生堵转时，重新执行步骤三：

步骤四：装置测量并调整步进电机的最高转速，首先装置将光学系统归位至初始位置，然后控制步进电机加速运转，并根据光栅尺的反馈值判断电机的运转速度是否正常，若正常，则给电机继续加速，若电机发生堵转，则认为步进电机的输出力矩已经不足，此时将上一个能够正常运转的速度记为步进电机的最高转速，修改系统的最高转速，重新执行步骤一，步骤四的简化原理图如图6所示。

在测量过程中驱动步进电机采用分段加速的策略，分为变加速度阶段和匀加速度阶段，在变加速度阶段，步进电机为初始静止状态，速度低、力矩余量充足，此时应以较快的加速度运行；在速度达到v(t0)后，为确保测量的准确性，对步进电机做匀加速控制，并记录数据，速度与时间的关系如公式所示。

式中的ai与步骤二中的参数一致，为根据变倍力矩需求和矩频特性曲线拟合出的参数，k1为根据变倍结构的长度选取的常数参数。为保证力矩储备充足，设定v(t0)的选择标准为：当步进电机以v(t0)的速度运行时其输出力矩至少为变倍系统需求的最小力矩两倍以上，步骤四的步进电机速度曲线如图7所示；

步骤五：针对变倍光学系统第二阶段(对应区域s2)需求，设计相应的步进电机控制策略。首先，当光学系统从区域s1运动至s2时，增加步进电机驱动电路细分，使步进电机减速并平稳运转，步进电机的速度与光学系统距离目标之间的距离之间δs的关系为：

v＝v1-kδs

其中v1为步进电机空载启动频率对应的转速，k为根据变倍系统结构选取的常数参数；

步骤六：判断光学系统是否到达目标位置，如果是，停止并完成变倍程序；如果否，重新执行步骤一。