一种基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置，包括两个光纤准直器和直线电机，直线电机包括滑轨，滑轨上安装有动子，动子在滑轨上滑动，动子的中央设置有条形滤光片，条形滤光片位于两个光纤准直器之间，直线电机两侧均设置有用于防止动子滑落的挡板，直线电机连接有测量机构，测量机构连接有控制机构，控制机构连接有显示输入机构。该可调光衰减装置，利用轻固定载荷直线电机动子的移动，带动条形滤光片在两个光纤准直器之间直线移动，显著缩短定位时间。通过细分解码器倍频光栅尺位置编码信号，实现条形滤光片较低成本的高精度的位置检测与反馈，结合高精度定位伺服系统，从而实现光功率的快速、高精度连续衰减。
【专利说明】
一种基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置
技术领域
[0001]本发明涉及可调光衰减单元领域，具体涉及一种基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置。
【背景技术】
[0002]可调光衰减器是光纤通讯系统中常用的仪器之一，广泛应用于光纤通信系统和通信网络中，利用它可以模拟光纤长距离传输或者检测传输系统的动态范围，可以补偿光传输过程中的功率波动，改善网络总体性能。光衰减单元设计方案的优劣将直接影响可调光发减器的各项性能指标的尚低。
[0003]目前光衰减单元主要有两种方案，如图1、2所示。图1中，入射光通过光纤准直器进行准直，经过两片圆形滤光片完成衰减后，最终通过光纤准直器进入输出光纤。在两个滤光片中，一个为粗调滤光片，利用电机A的转动带动此滤光片以1dB步进的衰减量进行变化，分别实现光功率0(^、10(^、20(^、30(^、40(^和50(^的衰减；另一个为细调滤光片，利用电机B的转动来带动此滤光片实现光功率从OdB到15dB的连续衰减。因此，输入光经过两片滤光片组合衰减后可实现OdB至60dB的连续可变的光功率衰减。
[0004]图2中，入射光通过光纤准直器进行准直，经过条形滤光片完成衰减后，最终通过光纤准直器进入输出光纤。条形滤光片固定在滑块上，滑块安装在精密丝杠上，利用电机的转动，带动精密丝杠的转动，从而驱动条形滤光片在两个光纤准直器之间移动，利用光电编码器对条形滤光片的位置进行编码，实现条形滤光片的定位，从而实现光功率的连续衰减。
[0005]在现有技术中，论文《高性能程控光衰减器的设计》(光纤与电缆及其应用技术，第3期，第19?21页，2008年6月)公开了图1中可调光衰减单元的设计，并且对ND滤光片、控制原理、光电编解码器等作了详细描述，但该方案已无法满足当前对可调光衰减装置连续可调、低插入损耗及高可靠性的要求。
[0006]图1的方案存在功率跳变，且两个电机与滤光片的设计增加了插入损耗，同时降低了仪器的可靠性。图2的方案存在直线运动机械结构复杂，为提高定位精度，伺服电机齿轮的转动距离与条形滤光片的移动距离比值很大，这就导致定位时间较长，对于某些测试场合这种情况是不可接受的；齿轮与丝杆等机械元件的弹性变形、摩擦、反向间隙等，都会造成进给运动的滞后和其它许多非线性误差;长距离的丝杆也会使得传统光衰减单元对温度变化敏感，增加了校准的难度，大大降低了仪器的可靠性;复杂的机械结构必然导致较高的维护成本，仪器可靠性降低。
【发明内容】
[0007]针对现有的可调光衰减单元存在的控制复杂，定位不准确，仪器维护成本高的问题，本发明提供了一种基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置。
[0008]本发明采用以下的技术方案:
[0009]—种基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置，包括两个光纤准直器和直线电机，所述直线电机包括滑轨，滑轨上安装有动子，动子在滑轨上滑动，动子的中央设置有条形滤光片，所述条形滤光片位于两个光纤准直器之间，所述直线电机两侧均设置有用于防止动子滑落的挡板，直线电机连接有测量机构，所述测量机构连接有控制机构，控制机构连接有显示输入机构。
[0010]优选地，所述直线电机为轻固定载荷直线电机。
[0011]优选地，所述测量机构包括光栅尺和电流传感器，所述光栅尺与滑轨并行设置，光栅尺上连接有细分解码器，所述电流传感器连接有模拟数字转换器。
[0012]优选地，所述控制机构包括现场可编程门阵列控制模块和空间矢量脉宽调制模块，现场可编程门阵列控制模块内设有依次连接的位置控制器、速度控制器、加速度控制器和电流控制器，所述电流控制器与空间矢量脉宽调制模块相连。
[0013]优选地，所述细分解码器分别与位置控制器、速度控制器和加速度控制器相连，所述模拟数字转换器与电流控制器相连。
[0014]本发明具有的有益效果是:
[0015]本发明使用轻固定载荷直线电机直接驱动滤光片移动，避免了双滤光片设计中光功率变化跳变、插入损耗大、系统可靠性较低的缺点，避免了伺服电机与丝杆结构引起的定位时间长、进给运动滞后、回程误差等非线性误差、仪器可靠性低及机械结构维护复杂等缺点。轻固定载荷直线电机相比伺服电机具有损耗低、时间常数小、响应快等更优越的运动性能。控制机构采用多环反馈系统完成内环电流反馈，通过对光栅尺输出信号倍频将滤光片位置分辨率由Uxm提高至0.02μπι，换算后为加速度、速度及位置反馈数据。针对轻固定载荷直线电机干扰少、数学模型更简单的特点引入合适的补偿前馈消除位置跟随误差。
【附图说明】
[0016]图1为现有技术中光衰减单元的第一种结构示意图。
[0017]图2为现有技术中光衰减单元的第二种结构示意图。
[0018]图3为基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置的结构示意图。
[0019]图4为基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置的原理框图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明进行具体的说明:
[0021]结合图1至图4，一种基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置，包括两个光纤准直器I和直线电机，直线电机为轻固定载荷直线电机。
[0022]其中，直线电机包括滑轨2，滑轨2上安装有动子3，动子3在滑轨2上滑动，动子3的中央设置有条形滤光片4，所述条形滤光片4位于两个光纤准直器I之间，所述直线电机两侧均设置有用于防止动子滑落的挡板5。
[0023]直线电机连接有测量机构，所述测量机构连接有控制机构，控制机构连接有显示输入机构。
[0024]测量机构包括光栅尺6和电流传感器，所述光栅尺6与滑轨2并行设置，光栅尺6上连接有细分解码器，细分解码器能够对光栅尺的数据进行倍频解码，提高光栅尺的测量精度，电流传感器连接有模拟数字转换器。
[0025]控制机构包括现场可编程门阵列控制模块和空间矢量脉宽调制模块，现场可编程门阵列控制模块内设有依次连接的位置控制器、速度控制器、加速度控制器和电流控制器，所述电流控制器与空间矢量脉宽调制模块相连。
[0026]光栅尺6通过细分解码器分别与位置控制器、速度控制器和加速度控制器相连，所述模拟数字转换器与电流控制器相连。
[0027]结合图3，入射光通过光纤准直器进行准直，经过条形滤光片完成衰减后，最终通过光纤准直器进入输出光纤。条形滤光片固定在轻固定载荷直线电机动子上，利用动子的移动，带动条形滤光片在两个光纤准直器之间直线移动，利用光栅尺6对条形滤光片的位置进行编码，再通过细分解码器倍频光栅尺6位置编码信号，实现条形滤光片高精度的位置检测与反馈，结合高精度伺服控制系统，从而实现光功率的快速、高精度、稳定的连续衰减。轻固定载荷直线电机消除了由旋转电机实现直线运动时所必需的涡轮、蜗杆、或丝杠等中间机构，因而精度和快速性大大提尚。
[0028]结合图4，本发明的控制系统为多环反馈伺服系统，电流反馈为内环，加速度、速度及位置反馈为外环。多环反馈系统通过电流传感器提供内环反馈电流值，光栅尺6通过细分解码器将滤光片位置分辨率由Iym提高至0.02μπι，换算后提供更准确的加速度、速度及位置反馈依据。
[0029]针对轻固定载荷直线电机干扰少、数学模型更简单的特点，在现场可编程门阵列控制模块中引入合适的补偿前馈消除位置跟随误差。现场可编程门阵列控制模块中控制器采用模糊PID与PID相结合的设计，当反馈值与目标值偏差较大时，采用模糊PID控制，当反馈值与目标值接近时，自动切换到PID控制，两者的转换根据事先给定的偏差范围自动实现。这样既能充分发挥模糊PID控制在动态控制中快速性好的优势，又能通过PID的精细控制，使被控量稳定性能达到要求，进一步缩短定位时间。
[0030]显示输入机构包括衰减值显示模块和输入按钮，用户通过显示输入机构输入目标衰减值，经现场可编程门阵列控制模块换算成目标位置值，经过位置控制器、速度控制器、加速度控制器、电流控制器运算后经空间矢量脉宽调制模块输出六路PWM信号输入电机驱动电路触发三相全桥开关管，控制IPM驱动轻固定载荷直线电机工作，同时现场可编程门阵列控制模块通过衰减值显示模块输出当前衰减值。
[0031]本发明使用轻固定载荷直线电机直接驱动滤光片移动，避免了双滤光片设计中光功率变化跳变、插入损耗大及系统可靠性低的缺点，实现了较短定位时间、较高衰减精度与分辨率，较小温漂效应及较高可靠性。
[0032]当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置，包括两个光纤准直器，其特征在于，还包括直线电机，所述直线电机包括滑轨，滑轨上安装有动子，动子在滑轨上滑动，动子的中央设置有条形滤光片，所述条形滤光片位于两个光纤准直器之间，所述直线电机两侧均设置有用于防止动子滑落的挡板，直线电机连接有测量机构，所述测量机构连接有控制机构，控制机构连接有显示输入机构。2.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置，其特征在于，所述直线电机为轻固定载荷直线电机。3.根据权利要求1所述的一种基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置，其特征在于，所述测量机构包括光栅尺和电流传感器，所述光栅尺与滑轨并行设置，光栅尺上连接有细分解码器，所述电流传感器连接有模拟数字转换器。4.根据权利要求3所述的一种基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置，其特征在于，所述控制机构包括现场可编程门阵列控制模块和空间矢量脉宽调制模块，现场可编程门阵列控制模块内设有依次连接的位置控制器、速度控制器、加速度控制器和电流控制器，所述电流控制器与空间矢量脉宽调制模块相连。5.根据权利要求4所述的一种基于直线电机的直线型连续可调光衰减装置，其特征在于，所述细分解码器分别与位置控制器、速度控制器和加速度控制器相连，所述模拟数字转换器与电流控制器相连。
【文档编号】G02B6/26GK105929485SQ201610323400
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】杨鹏, 徐玉华, 刘磊, 韩顺利, 李志增, 韩强, 杭栋栋, 吴威
【申请人】中国电子科技集团公司第四十研究所, 中国电子科技集团公司第四十一研究所