一种有限转角电机直驱的高精度光栅定位装置及方法与流程

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种光栅定位装置，还涉及一种光栅定位方法。

背景技术：

目前，光纤通信技术由于具有传输容量大、传输速率高、抗电磁干扰、保密性强等优点，已经在军事、工业、农业、医疗和科学研究等各个领域得到了飞速发展和广泛应用。光栅旋转型光谱分析仪是光纤通信系统中最通用的光频率域测量仪器，其波长调谐是由分光单元衍射光栅的角位置控制的。入射光束由准直抛物面反射镜准直后照射到衍射光栅上，不同的光沿着不同的角度发散。对每一个光栅角位置有一个相应波长的光最后通过抛物面反射镜聚焦在出射狭缝的中心。转动光栅使发散的光波长扫过狭缝，从而使单色仪成为一波长可调谐滤波器。因此光谱分析仪的波长准确度和分辨带宽等参数是由光栅定位系统所决定，研究高精度的光栅定位系统对提高光栅旋转型光谱分析仪的性能具有十分重要的意义。

实现高精度的光栅定位系统，目前常用的方法主要有二种：

一种是采用精密步进电机、高精度谐波减速器和角度传感器组成位置开环或半闭环间接驱动控制，这种方式通过调节发送给步进电机脉冲的频率来控制电机转动速度，检测角度传感器的输出，转换成电机步数来定位，减速器用于提高定位精度。

这种方案中，步进电机与谐波减速器结合属于间接驱动方案，为了满足精度要求，一方面需要提高减速器的传动精度，另一方面则需要进一步电子细分提高步进电机步距角的分辨率，越高要求的分辨率对电机性能和减速器要求越高，成本也相应的提高，伺服控制系统难度增大，同时步进电机易磨损，受外界环境影响大，系统使用寿命受到限制，并且存在机械传动误差和丢步的问题，该方案难以实现高精度的光栅定位。

另外一种方法是采用直流无刷电机和高精度光电编码器组成位置闭环系统直接驱动控制，其定位精度主要依赖于光电编码器精度，这种方式既能够避免间接驱动存在的传动误差和传动损耗，又具有快速、坚固、无回程差及对磨损或环境变化不敏感的优点，被广泛用于旋转机构高精度定位系统中，但该方法伺服控制系统相对复杂，由于电机需要霍尔传感器检测位置进行换向，电机体积不能很紧凑，尺寸重量较大，并且容易存在位置盲区，同时高精度要求大大提高了对光电编码器的分辨率要求，成本较高。

针对上述问题，亟需研究一种抗干扰性强，定位精度高，且成本低的高精度光栅定位系统用于光谱分析仪的研制开发及性能提高。

技术实现要素：

为解决上述现有技术中存在的不足，本发明提出了一种有限转角电机直驱的高精度光栅定位装置及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种有限转角电机直驱的高精度光栅定位装置，包括：

电机驱动电路、有限转角电机、全息衍射光栅、光电编码器、插值电路及反馈控制电路；

有限转角电机一端转子直接穿过衍射光栅的底座，并保证光栅的质心位于转轴上，定子固定在外散热框架上，电机与负载刚性耦合连接，直接驱动光栅转动；

光电编码器检测衍射光栅的角位置，其输出端连接插值电路，插值电路对光电编码器输出的正余弦信号进行放大、变换后倍频插值计数，经过插值后的输出信号连接反馈控制电路；

反馈控制电路实现电流反馈和位置反馈双闭环PID控制，电流环控制电磁力矩，进一步控制电机转速，位置环控制定位精度，最终产生PWM调制信号输入到电机驱动电路，电机驱动电路以此为依据产生驱动电压控制电机转动。

可选地，所述有限转角电机中，转子是永磁体磁极，定子为一个导磁的圆环，环形电枢绕组均匀且对称分布的缠绕在圆环上，两者反向串联。

可选地，所述电机驱动电路采用H桥驱动形式，通过切换两对MOS管控制有限转角电机正反转，通过改变PWM脉冲输出的占空比控制有限转角电机转速；所述反馈控制电路经过PWM输出模块转化为数字PWM脉冲输出，经总线收发器构建缓冲电路确保后面模拟电路准确接收PWM信号，然后通过H桥进行PWM功率放大和同组MOS管导通，从而控制有限转角电机正反向运动。

可选地，所述反馈控制电路调节PWM信号的占空比，经功率放大后产生不同的电压，从而完成有限转角电机转速的控制。

可选地，所述光电编码器采用正弦波输出的增量式激光旋转编码器，通过法兰盘固定在有限转角电机穿过光栅座的转轴上，并且保证其轴心落在电机转轴上。

可选地，当光电编码器内部激光源照射到光电编码器的转盘上时，转盘上刻有等间隔的径向狭缝让光交替通过和不通过，通过狭缝的光首先通过一个有两个附加狭缝图形的相位板，这两个狭缝图形彼此错开1/4栅距，然后由两套探测器探测，把光信号转变成电信号；相位板使两套探测器接收到的光信号在相位上相差90°，通过狭缝的光由这两个主要通道信号的正交关系判断光电编码器的转动方向；另外还有第三个通道，每当光栅转动一周提供一个索引脉冲，以确定光栅的绝对位置；两个主要通道呈积分关系，输出接近于正弦波，对于编码器的每一道刻线，都将产生一个周期的正弦或余弦信号，信号的每个零交叉点都会累加一个位置计数，该计数提供了光栅位置的准确信息。

可选地，所述插值电路包括差分放大电路、比较电路、采样保持放大电路、AD转换电路、计数电路；

所述光电编码器输出两路正交的正余弦信号第一输出信号(A₁)和第二输出信号(B₁)，首先通过差分放大电路对输出信号进行两级放大，放大后的第一输出信号(A₁)和第二输出信号(B₁)经过比较器产生与自己同步但相位相差90°的方波第三输出信号(A₂)和第四输出信号(B₂)，第三输出信号(A₂)和第四输出信号(B₂)由计数电路进行四倍频计数，计算结果存入下位机CPU主控电路作为粗测位置信息，下位机CPU主控电路还根据第三输出信号(A₂)相位是否超前第四输出信号(B₂)判断电机转动方向；同时，第一输出信号(A₁)和第二输出信号(B₁)经过采样保持放大电路再次进行放大，放大后的第五输出信号(A₃)和第六输出信号(B₃)经过模数转换电路转换为数字信号送入下位机CPU主控电路作为插值位置信息，下位机CPU主控电路根据插值位置信息对粗测位置信息进行六倍插值；最后，下位机CPU主控电路根据倍频插值后的两路数字化的正余弦信号计算出光栅当前位置信息。

可选地，所述插值电路控制插值比为8∶1。

可选地，所述反馈控制电路采用FPGA实现电流反馈和位置反馈双闭环PID控制，电流环控制电磁力矩，进一步控制电机转速，位置环控制定位精度，最终产生PWM调制信号输入到电机驱动模块；

在电机平稳转动时，电流环起主导作用，首先电流采集电路采集流过有限转角电机内部的电流，转换成反馈电压，和控制电压的误差作为数字PID调节器的输入，进而调节PWM输出信号的占空比，经过电机驱动电路后调节电机驱动电压的大小，从而准确控制电机转速；

在电机启动和制动过程中，位置环起主导作用，首先下位机CPU主控电路根据当前扫描波长点计算出光栅对应的转角，并转换成相应步数，作为位置环的目标位置信息，当前光栅位置通过经过插值后的光电编码器的读数反映出来，当前位置与目标位置的误差作为数字PID调节器的输入，进而调节PWM输出信号。

本发明还提出了一种高精度光栅定位方法，利用上述定位装置进行光栅定位。

本发明的有益效果是：

(1)选用直流无刷电机代替步进电机或普通的直流无刷电机实现直接驱动光栅转动，消除了传动误差和传动损耗，并且具有机械结构简单、体积小，无盲区等优点；

(2)设计插值电路对装置分辨率指标进行分配，大大降低了对电机和光电编码器的性能要求，不仅极大的降低了研制和维修成本，而且降低了伺服控制电路的控制难度；

(3)设计基于FPGA的电流反馈和位置反馈双闭环PID反馈控制电路，提高了光栅的旋转定位的准确性、重复性和可靠性；

(4)抗干扰性强，分辨精度高，具有很强的实用性和通用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明光栅定位装置的系统框图；

图2为本发明的有限转角电机组成结构示意图；

图3为本发明的有限转角电机驱动电路工作原理图；

图4为本发明的插值电路系统框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前为实现高精度的光栅旋转定位系统，常用的方法是采用精密步进电机、高精度谐波减速器和角度传感器组成位置开环或半闭环间接驱动控制，但该方法难以实现高精度速度控制，对电机和角度传感器的性能要求高，因此研制和维修成本高，且伺服控制电路研制难度高，并且装置易磨损，对环境变化敏感，定位的准确度受到限制。

光谱分析仪要求波长范围为600～1700nm，最小分辨率为0.05nm，根据工作于Littrow条件下的光栅方程λ＝(2d/m)sinθ，可以计算得到对光栅定位装置定位精度的要求。光栅刻线密度为1000l/mm，在1310nm波长上，光栅扫过1nm光谱带宽时转过的角度大约是660μrad。为了显示窄谱宽的光信号，在仪器的最小可分辨谱宽0.05nm内至少要有10个数据点，这样1nm内有200个数据点，即660μrad对应200个数据点，由此推算，系统对光栅角分辨率要求约为3.3μrad，光谱分析仪总扫描范围为1100nm，光栅需要转动0.726rad，即光栅的总转动范围约为40度。

为达到上述定位分辨率的要求，本发明提出一种有限转角电机直驱的高精度光栅定位装置，如图1所示，包括：电机驱动电路、有限转角电机、全息衍射光栅、光电编码器、插值电路及反馈控制电路。

有限转角电机一端转子直接穿过衍射光栅的底座，并保证光栅的质心位于转轴上，定子固定在外散热框架上，电机与负载刚性耦合连接，直接驱动光栅转动。

光电编码器检测衍射光栅的角位置，其输出端连接插值电路，插值电路对光电编码器输出的正余弦信号进行放大、变换后倍频插值计数，经过插值后的输出信号连接反馈控制电路。

反馈控制电路采用FPGA实现电流反馈和位置反馈双闭环PID控制，电流环控制电磁力矩，进一步控制电机转速，位置环控制定位精度，最终产生PWM调制信号输入到电机驱动模块，电机驱动模块以此为依据产生驱动电压精准的控制电机转动。

本发明的高精度光栅定位装置实现了有限转角电机和衍射光栅的双闭环控制，定位精度高，抗干扰性强，光栅定位的角分辨率可达3.2μrad，具有很强的实用性和通用性。

实现高分辨率电机直驱光栅定位对系统的关键元件和设计过程提出严格的要求，下面对每一个关键部分进行详细说明。

(1)有限转角电机和驱动电路

使用普通的直流无刷电机直驱时，为了使电枢能够不间断旋转，必须采用换向器才能使处于某一磁极下的绕组电流方向保持不变，从而使电磁转矩的方向保持不变。由于光谱分析仪工作波长范围的限制，光栅总旋转范围仅约为40度，本发明中提出使用有限转角电机代替直流无刷电机，其组成结构如图2所示。有限转角电机是一类特殊的直流电机，只在一定角度范围内围绕中心线往复转动，且没有换向器和电刷，这种电机即消除了电刷摩擦造成的磨损和干扰，又能够有效消除换向器带来的位置盲区和机械结构复杂的问题，具有很小的力矩和转速波动，非常适合小角度和高精度的控制。

在有限转角电机中，转子是永磁体磁极，定子为一个导磁的圆环，环形电枢绕组精密均匀且对称分布的缠绕在圆环上，两者反向串联。有限转角电机驱动原理框图如图3所示，驱动电路采用H桥驱动形式，通过切换两对MOS管控制电机正反转，通过改变PWM脉冲输出的占空比控制电机转速；反馈控制电路经过PWM输出模块转化为数字PWM脉冲输出，经总线收发器构建缓冲电路确保后面模拟电路能够准确无误的接收PWM信号，然后通过H桥进行PWM功率放大和同组MOS管导通，从而控制电机正反向运动；反馈控制电路可以调节PWM信号的占空比，经功率放大后产生不同的电压，从而完成电机转速的控制。

本发明装置中采用的有限转角电机工作角度范围为90度，堵转力矩大于0.4N·m，力矩波动小于3％。

(2)光电编码器

本发明光栅定位装置的光电编码器采用正弦波输出的增量式激光旋转编码器。激光旋转编码器是以高精度计量圆光栅为核心器件，通过光电转换将输入的角度信号转化为相应电信号输出的一种数字式角位置传感器，具有测量精度和分辨率高、抗干扰能力强、稳定性好、远距离传输等突出特点。本发明装置采用增量式激光旋转编码器，相对于绝对式编码器，结构简单，尺寸小，成本低，其转盘上有60750条刻线，通过法兰盘固定在有限转角电机穿过光栅座的转轴上，并且保证其轴心落在电机转轴上。

当光电编码器内部激光源照射到光电编码器的转盘上时，转盘上刻有等间隔的径向狭缝让光交替通过和不通过，通过狭缝的光首先通过一个有两个附加狭缝图形的相位板，这两个狭缝图形彼此稍微错开1/4栅距，然后由两套探测器探测，把光信号转变成电信号。相位板的作用是使两套探测器接收到的光信号在相位上相差90°，通过狭缝的光由这两个通道信号的正交关系可用于判断编码器的转动方向。另外还有第三个通道，每当光栅转动一周提供一个索引脉冲，以便确定光栅的绝对位置。两个主要通道呈积分关系，输出非常接近于正弦波，对于编码器的每一道刻线，都将产生一个周期的正弦或余弦信号，所以，编码器转动一周，将产生60750个周期的正/余弦信号，信号的每个零交叉点都会累加一个位置计数，该计数提供了光栅位置的准确信息。

(3)插值电路

为了降低高精度光栅定位装置对光电编码器的要求，本发明装置利用插值电路实现高分辨率的要求。如图4所示，插值电路包括差分放大电路、比较电路、采样保持放大电路、AD转换电路、计数电路。

光电编码器输出两路正交的正余弦信号A和B，首先通过差分放大电路对输出信号进行两级放大，放大后的输出信号A₁和B₁经过比较器产生与自己同步但相位相差90°的方波A₂和B₂，信号A₂和B₂由计数电路进行四倍频计数，计算结果存入下位机CPU主控电路作为粗测位置信息，下位机CPU主控电路还根据A₂相位是否超前B₂判断电机转动方向；同时，输出信号A₁和B₁经过采样保持放大电路再次进行放大，放大后的信号A₃和B₃经过模数转换电路转换为数字信号送入下位机CPU主控电路作为插值位置信息，下位机CPU主控电路根据插值位置信息对粗测位置信息进行六倍插值；最后，下位机CPU主控电路根据倍频插值后的两路数字化的正余弦信号计算出光栅当前位置信息。

本发明中，光电编码器具有60750条刻线，计数电路通过过零点计数可对两组方波信号A2和B2进行4倍频计数，所以粗测后光栅每转动一周可读出60750×4＝243000个位置计数，插值电路中采用8位模数转换器，理论上可达到256∶1的插值比，但如此高的插值比会导致输出信号振幅和相位失真，且模数转换器也存在非线性限制，因此控制插值比为8∶1，经过插值后光栅角分辨率为2π/(243000×8)＝3.2μrad，完全能够满足角分辨率的要求。

下位机CPU主控电路控制插值电路初始化，为专用计数电路提供时钟信号，将光栅转角值转换为计数值，检测该闭环系统是否正常，并一直处于命令接收状态，根据接收到两路正余弦信号的相位判断电机运行状态，如果是正转状态，则控制计数电路增加相应数值；如果是反转状态，则控制计数电路减小相应数值；如果既不是正转也不是反转，则报错处理。

(4)反馈控制电路

为了使有限转角电机按给定转速和位置无静差稳定的运行，本发明反馈控制电路采用FPGA实现电流反馈和位置反馈双闭环PID控制，电流环控制电磁力矩，进一步控制电机转速，位置环控制定位精度，最终产生PWM调制信号输入到电机驱动模块。

在电机平稳转动时，电流环起主导作用，首先电流采集电路采集流过有限转角电机内部的电流，转换成反馈电压，和控制电压的误差作为数字PID调节器的输入，进而调节PWM输出信号的占空比，经过电机驱动电路后调节电机驱动电压的大小，从而达到准确控制电机转速的目的。该反馈环的作用主要是：减小系统的过渡反应时间，加快系统的动态响应速度；抑制直流电源部分的纹波引起的电流波动。在电机启动和制动过程中，位置环起主导作用，首先下位机CPU主控电路根据当前扫描波长点计算出光栅对应的转角，并转换成相应步数，作为位置环的目标位置信息，当前光栅位置通过经过插值后的光电编码器的读数反映出来，当前位置与目标位置的误差作为数字PID调节器的输入，进而调节PWM输出信号。

本发明提出了一种应用于光栅旋转型光谱分析仪的高精度光栅定位装置，使用有限转角电机代替步进电机或普通的直流无刷电机实现直接驱动光栅转动，使用光电编码器直接读取光栅角位置，并使电机、光栅和光电编码器保持同轴，本发明的装置能够避免间接驱动带来的传动误差和传动损耗，并且具有机械结构简单、体积小、无盲区等优点。

本发明的高精度光栅定位装置中设计插值电路对光电编码器输出的正余弦信号进行放大、变换、倍频和插值计数，并设计基于FPGA的电流反馈和位置反馈双闭环PID反馈控制电路，大大降低了对光电编码器的性能要求，不仅极大的降低了研制和维修成本，而且降低了伺服控制电路的控制难度，提高了光栅的旋转定位准确性、重复性和可靠性。

本发明的高精度光栅定位装置抗干扰性强，分辨精度高，具有很强的实用性和通用性。

本发明还提出了一种高精度光栅定位方法，利用上述定位装置进行光栅定位，其定位原理已经在上述定位装置中进行了阐述，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。