一种高精度光谱分析仪光栅定位装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光谱分析仪光栅定位技术领域，具体涉及一种高精度光谱分析仪光栅定位装置及方法。
【背景技术】
[0002]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。光栅转动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。狭缝的宽度决定通过系统其余部分最终到达探测器的光的带宽，通过改变狭缝宽度可选择仪器的分辨带宽。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。因此分光单元的波长准确度和分辨带宽是由光栅定位系统所决定，研究高分辨率的光栅定位系统对提高光栅转动型光谱分析仪的性能具有十分重要的意义。
[0003]实现这种高分辨率的光栅定位系统，目前常用的方法主要有二种。
[0004]—种是采用步进电机连接光栅进行定位，但一般的步进电机的步距角均较大，不能满足分辨率的要求，因此必要利用光电编码器对步距角进行细分处理，越高的分辨率对电机性能和光电编码器的分辨率要求越高，对系统的伺服控制部分要求也较高；电机转子的振荡要经过一定的过渡时间才能达到稳态值，因此高精度的光栅定位，其准确度无法保证；一方面极大的增加了研制和维修成本，另一方面增加了伺服控制电路的研制难度。并且步进电机易磨损，受外界环境的影响较大，定位的准确度受到限制，需要定期进行误差标定，系统使用寿命受到限制。
[0005]另外一种方法是采用包含大减速比的齿轮减速装置的直流电机连接光栅定位，这种装置利用原动轴和工作轴之间一组或几组相互连接咬合的齿轮，形成独立互不干涉的闭式传动方式，降低工作轴的转速，增大转矩，从而间接提高分辨率。这种方法的优点是大大降低了对主要反馈元件，即光电编码器的分辨率要求。但它有以下几个缺点:一是速度变慢，若减速比为M，则光栅的转速和加速度只是电机转速和加速度的1/M，以任何速度转动光栅都要求电机和齿轮串被加速到很高的速度，改变光栅的转动方向需要电机和齿轮串减速，并把它们在反方向上加速到高速。二是回程差明显，有许多用来减少系统回程差的技术，这些方法原理上都是让齿轮串依次齿合，保证它们无论转动方向如何都保持在同侧齿面上接触，这些技术是有帮助的，但不能完全消除回程差，对于高分辨率系统，有些回差角还是很明显的。三是对因磨损或环境条件变化而引起的误差比较敏感。在典型的齿轮减速系统中，驱动电机的角位置是由光电编码器监测的，衍射光栅的角位置不是直接测得的，而是由电机的角位置和齿轮比推算出来的。随着齿轮的磨损或随着环境温度的变化而发生热涨冷缩，衍射光栅相对于电机的实际角位置将会变化，需要定期进行误差标定。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种高精度光谱分析仪光栅定位装置及方法，该装置及方法基于直流无刷电机设计，采用CPU直接驱动、直接读取光栅角位置的定位系统，可直接测量光栅的角位置，利用插值技术将角度进一步细分，降低对电机和光电编码器本身的要求，并且具有快速、坚固、体积小、无回程差及对磨损或环境变化不敏感的优点，降低了生产成本。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]—种高精度光谱分析仪光栅定位装置，包括:CPU主控电路、电机驱动电路、直流无刷电机、衍射光栅、光电编码器、插值电路以及反馈控制电路；所述电机驱动电路、直流无刷电机、衍射光栅、光电编码器和反馈控制电路依次串联连接，所述光电编码器的输出端连接插值电路的输入端；所述CPU主控电路与反馈控制电路连接；所述直流无刷电机的转子直接固定在衍射光栅的转轴上；
[0009]所述电机驱动电路驱动直流无刷电机转动，光电编码器记录直流无刷电机的位置信息，光电编码器输出两路正交的正弦信号A和余弦信号B，所述正弦信号A和余弦信号B经过插值电路后分别得到粗测位置信息和插值位置信息，将插值位置信息送入CPU主控电路，所述CPU主控电路得到光栅当前位置信息，并将光栅当前位置信息送入反馈控制电路；反馈控制电路将光栅当前位置信息与目标位置信息进行比较后，产生驱动电压输入到电机驱动电路，形成闭环。
[0010]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转换电路和计数电路；所述差分放大电路与比较电路和采样保持放大电路分别连接，所述比较电路串联计数电路后接入CPU主控电路，所述采样保持放大电路串联AD转换电路后接入CPU主控电路。
[0011]所述反馈控制电路包括:光栅旋转控制芯片；所述光栅旋转控制芯片内部集成数字PID调节器和梯形速度发生器；所述梯形速度发生器用于根据CPU主控电路反馈的位置信息，通过电机驱动电路控制直流无刷电机的运行轨迹。
[0012]所述光栅旋转控制芯片内部集成主机接口，用于连接CPU主控电路。
[0013]所述光电编码器的输出信号经过插值后转化为衍射光栅当前位置信息，所述位置信息经过反馈控制电路的主机接口传送至CPU主控电路，CPU主控电路将该位置信息记录后反馈给反馈控制电路的数字PID调节器，数字PID调节器根据衍射光栅目标位置信息对接收到的当前位置信息进行调整，经过PID调节控制得到的数字信号经过数模转换芯片DAC转换成模拟电压信号输入到直流无刷电机驱动电路，从而驱动直流无刷电机带动衍射光栅转动。
[0014]所述直流无刷电机的一端转子直接连接在衍射光栅的转轴上，另一端连接光电编码器的输入转轴。
[0015]—种高精度光谱分析仪光栅定位装置的工作方法，包括:
[0016]光电编码器检测衍射光栅的角位置，并将检测的角位置信息输出至插值电路，插值电路对光电编码器输出的正余弦信号进行放大和变换后倍频插值计数，经过插值后的输出信号通过CPU主控电路输入到反馈控制电路，反馈控制电路将接收到的当前位置信息与目标位置信息进行比对，比对结果通过数字PID调节器输出数字控制信号，数字控制信号经过数模转换器后输入到电机驱动电路，电机驱动电路产生驱动电压精准的控制直流无刷电机转动。
[0017]所述插值电路对光电编码器输出的正余弦信号进行放大和变换后倍频插值计数的方法为:
[0018]光电编码器输出两路正交的正弦信号A和余弦信号B，所述正弦信号A和余弦信号B首先通过差分放大电路对输出信号进行两级放大，放大后的输出信号仏和B i经过比较器产生与自己同步的但相位相差90°的方波^和B 2，信号^和B 2由CPU主控电路控制计数电路进行K倍频计数，并且CPU主控电路根据A 2相位是否超前B 2判断电机转动方向，计数结果存入CPU主控电路中作为粗测位置信息；
[0019]同时，输出信号仏和Β 过采样保持放大电路再次进行放大，放大后的信号Α 3和B3经过模数转换电路转换为数字信号送入CPU主控电路作为插值位置信息，CPU主控电路根据插值位置信息对粗测位置信息进行N2倍插值;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；
[0020]其中，NjPN2均为设定常数值。
[0021]CPU主控电路根据接收到的两路数字化的正余弦信号的相位判断电机的运行状态，同时将光栅转角值转换为计数值；如果是正转状态，则计数电路增加相应数值；如果是反转状态，则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。
[0022]直流无刷电机带动光栅旋转，CPU主控电路根据当前扫描波长点计算出光栅对应的转角；作为反馈控制电路的目标位置信息。
[0023]本发明的有益效果是:
[0024](1)选用直流无刷电机代替步进电机，实现直接驱动、直接读取光栅角位置，具有快速、坚固、体积小、无回程差及对磨损或环境变化不敏感的优点；
[0025](2)利用高分辨率的光电编码器检测衍射光栅的角位置，设计插值电路对装置指标进行分配，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