一种光圈运动闭环控制系统的制作方法

1.本实用新型涉及位移检测技术领域，具体涉及一种光圈运动闭环控制系统。


背景技术：

2.目前，主要通过步进电机对摄像机的光圈进行开环控制，或使用磁编码器或者同轴编码器进行闭环控制。但在实际使用时，开环控制精度较低，无自动纠偏能力，对外部干扰抵抗力低，且步进电机响应慢，速度上限低，从而限制了光圈的性能；而使用同轴编码器或者磁编码器不管占用空间大、设计模式固化，不利于使用在结构空间较小的产品中，且普通同轴编码器和磁编码器精度有限，在要求短距离高精度的位移检测中，存在较大的弊端。


技术实现要素：

3.本实用新型针对现有技术存在之缺失，提供一种光圈运动闭环控制系统，其能实现对光圈运动的闭环控制，提高对外部干扰的抵抗力，且安装结构灵活，占用空间小。
4.为实现上述目的，本实用新型采用如下之技术方案：
5.一种光圈运动闭环控制系统，包括固定座、活动转盘、由活动转盘带动移动的叶片、用于对叶片的移动进行导向以形成不同孔径光圈的叶片导向件，还包括用于控制活动转盘相对固定座旋转的vcm马达和用于检测活动转盘的旋转角度的检测机构，所述检测机构包括第一固定光栅、第二固定光栅、活动光栅、第一光电传感器、第二光电传感器和主控制器，所述活动光栅固定设于活动转盘上，所述第一光电传感器具有第一光源发射端和用于接收第一光源发射端穿过第一固定光栅、活动光栅后的光线的第一光源接收端，所述第二光电传感器具有第二光源发射端和用于接收第二光源发射端穿过第二固定光栅、活动光栅的光线的第二光源接收端，所述vcm马达、第一光源接收端和第二光源接收端均与主控制器连接。
6.作为一种优选方案，所述第一光电传感器、第二光电传感器、第一固定光栅和第二固定光栅均固定设于固定座上，且所述第一固定光栅和第二固定光栅沿活动转盘的旋转方向依次设置于活动光栅的同一侧。
7.作为一种优选方案，所述第一固定光栅和第二固定光栅与活动光栅之间的距离相同，所述第一固定光栅和第二固定光栅一体连接。
8.作为一种优选方案，所述第一固定光栅设有呈圆弧形分布的多个相同的第一透光槽，所述第二固定光栅设有呈圆弧形分布的多个相同的第二透光槽，所述活动光栅设有呈圆弧形分布的多个相同的第三透光槽，所述第一透光槽、第二透光槽和第三透光槽分布的间距均相同。
9.作为一种优选方案，所述第一透光槽和第二透光槽的数量相同，所述第三透光槽的数量多于第一透光槽和第二透光槽的数量，所述第一透光槽、第二透光槽和第三透光槽的槽宽均相同。
10.作为一种优选方案，所述vcm马达包括马达支架、线圈和在线圈通电时使线圈产生
安培力的磁铁，所述磁铁位于磁极分界线的两侧分别形成有两个磁场方向不同的磁场区，所述线圈具有分别位于两个磁场区的线圈段。
11.作为一种优选方案，所述活动转盘上设有间距设置的卡块，所述线圈固定缠绕在卡块的外侧。
12.作为一种优选方案，所述第一光源接收端接收到的光信号强度与第二光源接收端接收到的光信号强度的相位相差90度。
13.作为一种优选方案，所述第一光源发射端和第二光源发射端发出的光线的光强相同且互不干扰。
14.作为一种优选方案，所述第一固定光栅、第二固定光栅、活动光栅和vcm马达的外形均为圆弧形，且第一固定光栅、第二固定光栅、活动光栅的旋转轴线均与活动转盘的旋转轴线重合。
15.本实用新型的闭环控制过程如下：
16.(1)使第一光源发射端和第二光源发射端发出强度恒定的光线，vcm马达控制活动转盘旋转,活动光栅随活动转盘移动，第一光源接收端接收第一光源透过第一固定光栅和活动光栅的光线，第二光源接收端接收第二光源透过第二固定光栅和活动光栅的光线；
17.(2)主控制器将第一光源接收端和第二光源接收端接收到的光线的光强信号分别转换得到周期性变化的电信号y1(x)和y2(x)，电信号y1(x)和y2(x)的相位相差90度；
18.(3)主控制器将单周期内的电信号y1(x)和y2(x)分为四部分，若y1(x)小于等于0且y2(x)小于0，记录此为第一部分，若y1(x)小于等于0且y2(x)大于等于0，记录此部分为第二部分，若y1(x)大于0且y2(x)大于等于0，记录此部分为第三部分，若y1(x)大于0且y2(x)小于0，记录此部分为第四部分，然后对每个部分进行不同的运算：
19.第一部分：y＝((2*y2(x)min-y2(x)+y1(x))+y2(x)min)；
20.第二部分：y＝(y2(x)+y1(x)+y2(x)min)；
21.第三部分：y＝((2*y1(x)max-y1(x)+y2(x))+y2(x)min)；
22.第四部分：y＝((2*y1(x)max-y1(x)-y2(x))+y2(x)min)；
23.这里的y2(x)min指的是y2(x)的最小值，等于y1(x)min，y1(x)max指的是y1(x)的最大值，等于y2(x)max，将此四部分组合得到关于y1(x)和y2(x)随着活动光栅移动呈周期性变化的偏移值y，且同一周期内的偏移值y与活动光栅的旋转角度值呈正比例关系；
24.(4)根据公式a＝nθ+ykθ计算得到活动光栅相对原点旋转的角度，其中，n为偏移值y的周期数，θ为偏移值y一个周期对应活动光栅旋转的角度值，y为步骤(3)计算得到的当前周期内的偏移值，k为偏移值y与θ之间的比例系数；
25.(5)主控制器根据步骤(4)计算得到的角度控制vcm马达工作。
26.本实用新型与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，vcm马达和光栅可根据光圈结构可设置为弧形，占用空间小，非常切合光圈的设计结构；通过采用两路光源便可实现角度的检测，能耗低，占用空间小，通过将两路光信号转换成电信号，再根据atan2函数思想将两路光源的电信号转换成得到与角度成正比例关系的偏移值，从而可快速准确得到实际旋转角度，再通过主控制器根据计算得到的旋转角度对vcm马达进行控制便可实现对光圈运动的闭环控制，提高了控制精度，可实现自动纠偏，提高对外部干扰的抵抗力；通过使vcm马达中的线圈位于两个不同磁场方向的磁场中，从而使线圈获得更大的磁
场力作用，使vcm马达相对步进电机响应更快，可保证快速获得想要的光圈大小，提高光圈性能。
27.为更清楚地阐述本实用新型的结构特征、技术手段及其所达到的具体目的和功能，下面结合附图与具体实施例来对本实用新型作进一步详细说明：
附图说明
28.图1是本实用新型之实施例的组装结构示意图；
29.图2是本实用新型之实施例的活动转盘与vcm马达的连接结构示意图；
30.图3是本实用新型之实施例的活动转盘与vcm马达的分解结构示意图；
31.图4是本实用新型之实施例的检测机构的结构示意图；
32.图5是本实用新型之实施例的vcm马达的分解结构示意图；
33.图6是本实用新型之另一实施例的vcm马达的结构示意图；
34.图7是本实用新型之实施例的检测原理示意图；
35.图8是本实用新型之实施例的信号曲线图；
36.图9是本实用新型之实施例的偏移值分段排序示意图。
37.附图标识说明：
38.10、固定座
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
20、活动转盘
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
21、卡块
39.30、叶片导向件
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
40、vcm马达
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
41、马达支架
40.42、线圈
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
43、第一磁铁
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
44、第二磁铁
41.50、第一光电传感器
ꢀꢀꢀꢀ
51、第一光源发射端
ꢀꢀꢀ
52、第一光源接收端
42.60、第二光电传感器
ꢀꢀꢀꢀ
61、第二光源发射端
ꢀꢀꢀ
62、第二光源接收端
43.70、第一固定光栅
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
71、第一透光槽
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
80、第二固定光栅
44.81、第二透光槽
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
90、活动光栅
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
91、第三透光槽。
具体实施方式
45.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的位置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
46.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
47.如图1-7所示，本实用新型提出一种光圈运动闭环控制系统，包括固定座10、活动转盘20、由活动转盘20带动移动的叶片(未示出)、用于对叶片的移动进行导向以形成不同孔径光圈的叶片导向件30，还包括用于控制活动转盘20相对固定座10旋转的vcm马达40和用于检测活动转盘20的旋转角度的检测机构，所述检测机构包括第一固定光栅70、第二固定光栅80、活动光栅90、第一光电传感器50、第二光电传感器60和主控制器(未示出)，所述
活动光栅90固定设于活动转盘20上，所述第一光电传感器50具有第一光源发射端51和用于接收第一光源发射端51穿过第一固定光栅70、活动光栅90后的光线的第一光源接收端52，所述第二光电传感器60具有第二光源发射端61和用于接收第二光源发射端61穿过第二固定光栅80、活动光栅90的光线的第二光源接收端62，所述vcm马达40、第一光源接收端52和第二光源接收端62均与主控制器连接。本实用新型中，所述主控制器为mcu，所述第一光源接收端52和第二光源接收端62均为光敏元器件。所述第一光源发射端51和第二光源发射端61发出的光线的光强相同且互不干扰。所述第一光源接收端52接收到的光信号强度与第二光源接收端62接收到的光信号强度的相位相差90度。
48.所述第一光电传感器50、第二光电传感器60、第一固定光栅70和第二固定光栅80均固定设于固定座10上，且所述第一固定光栅70和第二固定光栅80沿活动转盘20的旋转方向依次设置于活动光栅90的同一侧。本实用新型中，所述第一固定光栅70、第二固定光栅80、活动光栅90和vcm马达40均设计成圆弧形，且第一固定光栅70、第二固定光栅80、活动光栅90的旋转轴线均与活动转盘20的旋转轴线重合。本实施例中，为了便于安装使用，所述第一固定光栅70和第二固定光栅80一体连接，即第一固定光栅70和第二固定光栅80为一整体结构，应理解为，在实际使用时，第一固定光栅70和第二固定光栅80也可采用分体设置的结构。具体的，第一固定光栅70和第二固定光栅80上设有第一固定通孔，组装时，螺丝穿过第一固定通孔与固定转盘上的螺孔螺合从而将第一固定光栅70和第二固定光栅80固定在固定转盘上；活动光栅90上设有第二固定通孔，组装时，螺丝穿过第二固定通孔与活动转盘20上的螺孔螺合将活动光栅90固定在活动转盘20上。
49.所述第一固定光栅70设有呈圆弧形分布的多个相同的第一透光槽71，所述第二固定光栅80设有呈圆弧形分布的多个相同的第二透光槽81，所述活动光栅90设有呈圆弧形分布的多个相同的第三透光槽91，所述第一透光槽71、第二透光槽81和第三透光槽91分布的间距均相同。所述第一透光槽71和第二透光槽81的数量相同，所述第三透光槽91的数量多于第一透光槽71和第二透光槽81的数量。所述第一透光槽71、第二透光槽81和第三透光槽91的弧度均相同。所述第一透光槽71、第二透光槽81和第三透光槽91的槽宽对应的弧度均为0.18～0.22
°
，优选为0.2
°
；所述第一透光槽71、第二透光槽81和第三透光槽91的间距均为0.18～0.22
°
，优选为0.2
°
；所述第一固定光栅70和第二固定光栅80与活动光栅90之间的距离为0.1～0.2mm，优选为0.15mm；所述第一固定光栅70、第二固定光栅80和活动光栅90的厚度均为0.15～0.20mm，优选为0.175mm。
50.如图5所示，本实施例中，所述vcm马达40包括马达支架41、第一磁铁43、第二磁铁44和线圈42，所述第一磁铁43和第二磁铁44平行间距设置于马达支架41上，所述第一磁铁43和第二磁铁44之间的距离为2.3mm。所述线圈42设于第一磁铁43和第二磁铁44之间，所述第一磁铁43和第二磁铁44相邻一侧的磁极相反，所述第一磁铁43和第二磁铁44之间且位于磁极分界线的两侧分别形成有磁场方向相反的第一磁场和第二磁场，所述线圈42具有分别位于第一磁场和第二磁场的两条短边，两条短边中通过的电流方向相反，且分别与所在磁场的磁场方向垂直。所述活动转盘20上设有间距设置的卡块21，所述线圈42固定缠绕在卡块21的外侧。
51.具体的，本实施例中，第一磁铁43左右两侧的磁极分别为n极和s极，而第二磁铁44左右两侧的磁极分别为s极和n极，由于弯曲导线在磁场中所受安培力的大小等效于导线起
点到终点的直线导线所受的安培力，当线圈42中通以箭头所示方向的电流时，根据弗莱明左手定则，线圈42所受的安培力为两条长边和两条短边所受安培力的叠加，使线圈42从左往右运动垂直切割磁感线，线圈42便会带动活动转盘20向右旋转，而当通以相反的电流时，线圈42便会带动活动转盘20向左旋转。由于导线所受安培力f等于磁感应强度b、电流i和导线有效长度l三者的乘积，公式为f＝bilsina，a为电流方向与磁场方向夹角，因此，在实际工作中可通过mcu控制电流i的大小和方向来控制安培力的大小和方向，从而实现控制活动转盘20的旋转方向和旋转速度。应理解为，本技术中的长边或短边的位置在实际使用时也可互换，即位于两个不同磁场中的也可以为两条长边。
52.如图6所示，本实用新型中，所述vcm马达也可以采用只有第一磁铁43的结构，此时，线圈42设于第一磁铁43的一侧，且线圈42所在的平面与第一磁铁43的侧表面平行，所述第一磁铁43位于磁极分界线的两侧分别形成有两个磁场方向不同的磁场区，所述线圈42具有分别位于两个磁场区的线圈段，即两条短边。应理解为，磁铁数量及排布方式也可根据实际需要进行设置，不限于一体式的磁铁，也可采用多块拼接的磁铁。
53.本实用新型的闭环控制过程如下：
54.(1)使第一光源发射端51和第二光源发射端61发出强度恒定的光线，vcm马达40控制活动转盘20旋转,活动光栅90随活动转盘20移动，第一光源接收端52接收第一光源透过第一固定光栅70和活动光栅90的光线，第二光源接收端62接收第二光源透过第二固定光栅80和活动光栅90的光线；
55.(2)主控制器将第一光源接收端52和第二光源接收端62接收到的光线的光强信号分别转换得到周期性变化的电信号y1(x)和y2(x)，电信号y1(x)和y2(x)的相位相差90度；
56.(3)主控制器将单周期内的电信号y1(x)和y2(x)分为四部分，若y1(x)小于等于0且y2(x)小于0，记录此为第一部分，若y1(x)小于等于0且y2(x)大于等于0，记录此部分为第二部分，若y1(x)大于0且y2(x)大于等于0，记录此部分为第三部分，若y1(x)大于0且y2(x)小于0，记录此部分为第四部分，然后对每个部分进行不同的运算：
57.第一部分：y＝((2*y2(x)min-y2(x)+y1(x))+y2(x)min)；
58.第二部分：y＝(y2(x)+y1(x)+y2(x)min)；
59.第三部分：y＝((2*y1(x)max-y1(x)+y2(x))+y2(x)min)；
60.第四部分：y＝((2*y1(x)max-y1(x)-y2(x))+y2(x)min)；
61.这里的y2(x)min指的是y2(x)的最小值，等于y1(x)min，y1(x)max指的是y1(x)的最大值，等于y2(x)max，将此四部分组合得到关于y1(x)和y2(x)随着活动光栅90移动呈周期性变化的偏移值y，且同一周期内的偏移值y与活动光栅90的旋转角度值呈正比例关系；
62.(4)根据公式a＝nθ+ykθ计算得到活动光栅90相对原点旋转的角度，其中，n为偏移值y的周期数，θ为偏移值y一个周期对应活动光栅90旋转的角度值，y为步骤(3)计算得到的当前周期内的偏移值，k为偏移值y与θ之间的比例系数；
63.(5)主控制器根据步骤(4)计算得到的角度控制vcm马达40工作。
64.如图8所示，本实用新型中，电信号y1(x)和y2(x)，偏移值y均是以相同的周期变化的曲线。其中，y1(x)和y2(x)为相位差为90度的三角波电压信号。
65.为了便于对活动转盘20的旋转方向进行判断，将步骤(3)计算得到的同一周期内的偏移值等分为若干段，并通过数字进行排序并进行标记，从而可根据数字的变化顺序判
断活动转盘20的旋转方向。如图9所示，本实施例中，将同一周期内的偏移值等分为三段，并依次以1、2、3进行标记，在检测过程中随着活动转盘20的旋转，偏移值便会出现1、2、3或3、2、1变化，从而可由此判断活动转盘20是远离原点还是靠近原点。
66.综上所述，本实用新型采用的vcm马达和光栅可根据光圈结构设置为弧形，占用空间小，非常切合光圈的设计结构；通过采用两路光源便可实现角度的检测，能耗低，占用空间小，通过将两路光信号转换成电信号，再根据atan2函数思想将两路光源的电信号转换成得到与角度成正比例关系的偏移值，从而可快速准确得到实际旋转角度，再通过主控制器根据计算得到的旋转角度对vcm马达进行控制便可实现对光圈运动的闭环控制，提高了控制精度，可实现自动纠偏，提高对外部干扰的抵抗力；而且vcm马达相对步进电机响应更快，可保证快速获得想要的光圈大小，提高光圈性能。
67.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，故凡是依据本实用新型的技术实际对以上实施例所作的任何修改、等同替换、改进等，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。