专利名称：一种曝光时间机械控制装置及其控制方法
技术领域：
本发明属于空间天文观测技术领域，具体地说，本发明涉及一种成像观 测仪器的曝光时间控制装置及其控制方法。
背景技术：
曝光时间控制装置是天文观测用成像仪器中 一个关^t部件。对于某些
成像仪器，如太阳x射线波段的成像仪器，需要曝光时间控制装置实现大
于104量级的动态范围，以便获得不同条件下的太阳清晰图像。空间应用的
曝光时间控制装置需要满足抗辐照、高均匀性、长寿命、高可靠性等空间 运行要求，所以一般的常用曝光时间控制装置无法满足使用要求。无刷直 流电机具有转速均匀、转向快、寿命长、定位能力较好等诸多优点，用其
实现曝光时间控制在国际上获得比较广泛的应用，例如SXT/YOHKOH、 XRT/SOLAR-B、 EIT/SOHO等太阳短波成像仪器，这些仪器中的扇形盘开 有2-3个不同角度的扇形孔，短曝光时间通过转动小的扇形孔通过光路， 长曝光时间通过控制大扇形孔采用驻留的方式实现。长期以来，在实现短 曝光时间时，控制电机采用固定的额定转速，通过来回转过光路次数决定 曝光时间。对于扇形盘的快门，来回转动是指曝光孔反复以相同的速度顺 时针和逆时针转动通过曝光区。这种控制方式的缺点是效率低，占空比大， 而且给系统引入无效曝光时间，因此存在诸多弊端。并且，这种曝光时间 控制装置实现的低端曝光时间(即最短曝光时间)在10ms以上，例如 TRACE的低端曝光时间为44ms。而SXT/YOHKOH采用了在光路上引入 不同透过率的栅网的方式，使得低端曝光时间达到10ms以下。但与控制 电机的方式相比，采用tt"网的方式可实现的低端曝光时间点相对较少，控 制实现上不同低端曝光时间需要引入不同透过率的栅网，也不如电机的速 度控制相对方便。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够实现宽动态范围且高效率高精度的曝光时间机械控制装置及其控制方法。
为实现上述发明目的，本发明提供的曝光时间机械控制装置，包括快
门、控制所述快门转动的电机和控制所述电机转速的控制电路，所述控制
电路用于根据当前所需的曝光时间和所述快门当前位置，计算出所述电机
的转速并控制所述电机以该转速工作完成曝光。
上述技术方案中，所述快门以一次单向扫描的方式或驻留方式完成曝光。
上述技术方案中，所述快门是具有扇形孔的盘状快门。 上述技术方案中，所述电机是直流无刷电机。
上述技术方案中，所述控制电路包括计算单元，信号采集模块和故
障保护模块；所述信号采集模块与所述电机连接，用于釆集所述盘状快门
的转速和位置；所述计算单元与所述信号采集模块连接，用于根据所需的 曝光时间和盘状快门的当前位置，计算出所述直流无刷电机的转速。
上述技术方案中，所述控制电路还包括输入/输出模块和通信模块。 上述技术方案中，所述盘状快门至少具有两个扇形孔，包括小扇形孔 和大扇形孔；所述小扇形孔为2-5度、所述大扇形孔为20-30度。 上述技术方案中，所述快门为铝制快门。
为实现上述发明目的，本发明提供的曝光时间机械控制方法包括如下 步骤
1)控制电路根据所需的曝光时间和快门曝光区的角度，计算直流无 刷电机所需的转速；
2 )直流无刷电机以步骤1)中计算出的转速带动快门单向旋转完成曝光。
上述技术方案中，所述曝光时间机械控制装置的所述盘状快门至少具 有两个扇形孔，包括小扇形孔和大扇形孔；所述小扇形孔为2-5度、所述 大扇形孔为20-30度；
在执行所述步骤l)前，首先根据曝光时间选择扇形孔，当曝光时间 超过所设定的阈值时，使用大扇形孔进行曝光；当曝光时间未超过所设定 的阈值时，使用小扇形孔进行曝光。
上述技术方案中，当曝光时间在l-20ms内时，使用小扇形孔采用一 次单向扫描的方式完成曝光；当曝光时间在20-470ms内时，使用大扇形 孔采用一次单向扫描的方式完成曝光。上述技术方案中，当曝光时间超过470ms时，使用在大扇形孔驻留的 方式进行曝光；所述步骤l)还包括控制电路根据所需的曝光时间和扇 形孔角度，计算直流无刷电机所需的驻留时间。
本发明具有的有益技术效果包括
本发明采用了速度调制和大孔驻留的方式实现曝光时间， 一定曝光时 间以下采用不同的铝盘旋转速度实现不同曝光时间， 一定曝光时间以外则 采用大孔驻留不同时间的方式实现不同曝光时间。
本装置可以实现27个曝光时间，最小精确曝光时间可达2ms,最大 可向上无限延伸，动态范围大， 一致性、均匀性和可靠性好，精度高，航 天和地面系统均可应用。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中 图1是曝光控制装置系统硬件框图； 图2是曝光控制装置铝盘示意图。
具体实施例方式
本发明基本构思是通过位置控制和调速控制达到宽动态范围。 实施例1
一个SXIT望远镜的曝光控制铝盘示意图如附图2，图中实心圆点表 示正位于快门20度光孔中心线上的光源，从工程角度上可认为该光源是 静止的。快门上开有大小不同的两个扇形孔，开孔的度数可以根据实际需 要制定，如小孔2-5度、大孔20-30度等，本实施例中快门开孔度数为3 度和20度，其余为屏蔽区。现以3度和20度的开孔为例，从控制方式上 说明该装置如何实现不同曝光时间的控制。令3度、20度为别为S、 L孑L。 附图2中规定Z轴与S、 L孔开孔的中心线垂直，是理想的编码器z信号 光耦的中心线。
本实施例的硬件系统采用TMS320F240为控制核心，#4居程序指令设 置控制电机以不同的方式带动铝盘转动，当扇形开孔通过光斑区时实现对 CCD (也可以是其它的感光器件)的曝光要求。
本实施例控制电路硬件设计实现主要包含以下几个功能模块计算单元，输入/输出模块，通信模块，信号采集模块和故障保护模块。
其中计算单元包括CPU控制核心及其辅助设备。所述辅助设备包括
电源控制模块、状态显示模块、辅助电源、晶振以及RAM存储器。
故障保护模块用于保护控制电机及控制电路，根据信号采集模块釆集 监测到的信号，在系统电流电压过大或过小时，所述故障保护模块会自动 终止系统工作，并在状态显示中亮指示灯报警。信号采集模块包括图中的 信号调理、信号检测、旋变接口和旋转编码器四个部分，位置信号检测采 用图中所示旋转编码器来检测电机的转子位置和速度。编码器将检测到的
电机的电压位置信号经过旋变接口和相应电路传回CPU控制核心，由控 制核心根据检测到的位置状态计算转子速度并发出指令做相应的处理。本 装置采用AD公司的RDCAD2S90配合AD公司自己的振荡器AD2S99使 用，其最高检测转速可达30000rpm,无论是从加速精度还是稳态精度均能 保证系统的苛刻要求。信号检测的作用是随时对电路中的直流和交流电流 电压信号进行检测和监控，信号调理的作用是对检测的电流电压和位置信 号进行整形等处理，再把调理后的信号发送给控制核心。
本实施例中，所述输入/输出模块和通信模块主要在调试时使用(未在 图中标示)。在调试过程中，计算机发出快门曝光操作命令，并先后通过 输入模块和通信模块到达控制核心，控制核心将执行曝光后的返回值和运 行状态再经过通信模块和输出模块传输至计算机。调试过程可以试运行不 同的曝光时间，从而达到多次反复检测曝光精度以及曝光精度稳定性并不断 改进优化的目的。
本实施例可以首先确定曝光时间的阈值，将曝光时间分为短曝光时间、 中等曝光时间和长曝光时间。短曝光时间和中等曝光时间使用 一次单向扫描 的方式完成曝光，其中短曝光时间使用小孔曝光，中等曝光时间使用大孔曝 光；长曝光时间使用驻留方式完成曝光。所述阈值是根据扇形孔的大小和电 机所能实现的速度范围来确定的。下面给出一个具体实例。 一、470ms以下曝光时间的实现
以lms的曝光时间的实现过程为例，要实现lms的曝光量，主要有以 下几个步骤
1、 图1中上电复位和电源监视才莫块完成对CPU系统的上电初始复 位和自检后，当铝盘标记槽与Z轴重合时，光斑位于图2中屏蔽区1，光 电码盘(旋转变压器)产生具有清零功能的z信号，信号采集模块采集到该信号并将它传输至主芯片，CPU控制系统认为此时电机和铝盘的位置为 零，并从此时开始计算铝盘的旋转角度和位置。
2、 CPU控制核心经过计算，得到实现lms曝光电机需要的转速等 参数，并发出指令控制电机带动铝盘运动。电机收到程序指令以一定速度 带动铝盘顺时针转过90度，保证光源透过S孔时速度为500rpm,此时产生 lms的曝光量。
3、 光斑落入铝盘屏蔽区2的位置后电机停止转动，同时信号釆集 模块发出曝光完成指令回CPU控制系统，电机等待CPU发出下 一个指令， 整个过程中最重要的是保证转速。
若下一个指令仍为lms,则步骤与上述相同，只是旋转方向为逆时针， 最后停在零度位置待命。曝光时间为l-20ms时使用3度开孔通过光源， 20-470ms使用20度孔。均采用一次单向扫描方式，调速范围从 30.30rpm-500rpm.。
二 、 470ms以上曝光时间的实现
其执行步骤与上述基本相同，所不同的是需要在开孔处停留预定的时 间。电机根据指令，从屏蔽区l或2的待命位置启动，通过对位置和速度 的控制，停在一定角度，恰好使得光源落在L孔的中心线处，达到预期驻 留时间后，电机重新启动，转盘进入屏蔽区2或1的待命位置停下完成曝 光。开孔在光源的驻留时间多少的计算为
驻留时间=给定曝光时间-从进入L孔时间到停下时间-再次转出的时
间
本发明采用了速度调制和大孔驻留的方式实现曝光时间， 一定曝光时 间以下采用不同的铝盘旋转速度实现不同曝光时间， 一定曝光时间以外则 采用大孔驻留不同时间的方式实现不同曝光时间。
本装置可以实现27个曝光时间，最小精确曝光时间可达2ms，最大 可向上无限延伸，动态范围大， 一致性、均匀性和可靠性好，精度高，航 天和地面系统均可应用。
本实施例的曝光时间控制装置是 一 种高精度高均匀度的宽动态范围 曝光时间控制装置，其曝光时间可在lms至10s之间动态调节，该装置主 要满足国内正在开发的太阳X-EUV成像望远镜的应用需求。
本实施例提供的曝光时间控制装置1)基于调速实现曝光时间的控制 策略，增加了系统的在轨运行效率，避免了无效曝光；2)采用了有位置传感器(如旋转编码器)的矢量控制电机方法和用DSP作为控制核心的方案 实现控制装置，使得控制系统筒单，而且实现的曝光动态范围大。
以上所述的具体实施例对本发明的目的、技术方案以及有益效果进行了 详细的说明。所应理解的是，上述内容i"又为本发明的具体实施例而已，并不 用于限制本发明。凡在本发明的精神与原则之内，所做的任何修改、等同替 换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种曝光时间机械控制装置，包括快门、控制所述快门转动的电机和控制所述电机转速的控制电路，所述控制电路用于根据当前所需的曝光时间和所述快门当前位置，计算出所述电机的转速并控制所述电机以该转速工作完成曝光。
2. 根据权利要求1所述的曝光时间机械控制装置，其特征在于，所述快门以 一次单向扫描的方式或驻留方式完成曝光。
3. 根据权利要求1所述的曝光时间机械控制装置，其特征在于，所 述快门是具有扇形孔的盘状快门。
4. 根据权利要求3所述的曝光时间机械控制装置，其特征在于，所 述电机是直流无刷电机。
5. 根据权利要求4所述的曝光时间机械控制装置，其特征在于，所 述控制电路包括计算单元，信号采集模块和故障保护模块；所述信号釆 集模块与所述电机连接，用于采集所述盘状快门的转速和位置；所述计算 单元与所述信号采集模块连接，用于根据所需的曝光时间和盘状快门的当 前位置，计算出所述直流无刷电机的转速。
6. 根据权利要求2所述的曝光时间机械控制装置，其特征在于，所 述盘状快门至少具有两个扇形孔，包括小扇形孔和大扇形孔；所述小扇形 孔为2-5度、所述大扇形孔为20-30度。
7. 基于权利要求1所述的曝光时间机械控制装置的曝光时间控制方 法，包括如下步骤1)控制电路根据所需的曝光时间和快门曝光区的角度，计算直流无 刷电机所需的转速；2)直流无刷电机以步骤1)中计算出的转速带动快门单向旋转完成曝光。
8. 根据权利要求7所述的曝光时间控制方法，其特征在于，所述曝 光时间机械控制装置的所述快门是至少具有两个扇形孔的盘状快门，包括 小扇形孔和大扇形孔；所述小扇形孔为2-5度、所述大扇形孔为20-30度； 所述电机是直流无刷电机；在执行所述步骤l)前，首先根据曝光时间选择扇形孔，当曝光时间 超过所设定的阈值时，使用大扇形孔进行曝光；当曝光时间未超过所设定的阈值时，使用小扇形孔进行曝光。
9.根据权利要求8所述的曝光时间控制方法，其特征在于，当曝光时间在l-20ms内时，^使用小扇形孔采用一次单向扫描的方式完成曝光； 当曝光时间在20-470ms内时，使用大扇形孔采用一次单向扫描的方式完 成曝光。
10.根据权利要求8所述的曝光时间控制方法，其特征在于，当曝 光时间超过470ms时，使用在大扇形孔驻留的方式进行曝光；所述步骤1) 还包括控制电路根据所需的曝光时间和扇形孔角度，计算直流无刷电机 所需的驻留时间。
全文摘要
本发明提供一种曝光时间机械控制装置，包括具有扇形孔的盘状快门、控制所述盘状快门转动的直流无刷电机和控制所述直流无刷电机转速的控制电路，所述控制电路用于根据当前所需的曝光时间和盘状快门的当前位置计算出所述直流无刷电机的转速，并控制所述直流无刷电机以该转速工作。本发明同时提供了相应的曝光时间控制方法。本发明采用了速度调制和大孔驻留的方式实现曝光时间，可以实现27个曝光时间，最小精确曝光时间可达2ms，最大可向上无限延伸，动态范围大，一致性、均匀性和可靠性好，精度高，航天和地面系统均可应用。
文档编号G03B7/08GK101634792SQ20081011724
公开日2010年1月27日 申请日期2008年7月25日 优先权日2008年7月25日
发明者雷 冬, 杰 刘, 鑫 张, 彭吉龙, 曾智蓉, 朱光武, 李保权 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心