CN103699139B - 高分辨率扫描控制系统及其细分驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高分辨率扫描控制系统，该系统包含：上位机，其输出控制信息；现场可编程门阵列；其输入端电路连接上位机串口，接收上位机输出的控制信息，分析处理后输出脉冲宽度调制信号；恒流斩波驱动控制模块，其输入端电路连接现场可编程门阵列，接收现场可编程门阵列输出的脉冲宽度调制信号，输出电机控制信号；电机；其电路连接恒流斩波驱动控制模块，接收恒流斩波驱动控制模块输出的电机控制信号，对摆镜进行控制。本发明通过现场可编程门阵列产生细分信号，并通过恒流斩波技术实现对输入两相混合步进电机电流的控制，以达到电机转动时的高步距角分辨率以及稳定性和速度与方向的要求。

Description

高分辨率扫描控制系统及其细分驱动控制方法

技术领域

本发明涉及一种高分辨率扫描控制系统中对摆镜实现的高线性度和高稳定性的控制技术，具体涉及一种高分辨率扫描控制系统及其细分驱动控制方法。

背景技术

现有的为满足光电系统大视场、高分辨率需求的光学机械扫描方法分为旋转反射棱镜，旋转平面镜以及摆动平面镜。旋转反射棱镜可以实现高速扫描，扫描效率较高，但在会聚光束中会产生严重的像散，主要用于平行光束扫描，其扫描视场宽，图像质量一般；旋转平面镜的扫描器结构简单，扫描视场宽，但扫描效率低，图像质量一般；摆动平面镜在一定范围内周期性摆动，既可用做平行光束扫描器，又可用做会聚光束扫描器，扫描效率不高，扫描视场窄。因此，在进行汇聚光束扫描时需选用摆动平面镜扫描方式并通过一定的控制来扩大摆动平面镜的有效摆动幅度、提高其有效扫描时间，减少无效扫描时间，从而能够达到宽视场、高效率、高稳定性的技术指标。

同时，目前扫描摆镜的驱动方式主要靠力矩电机直接驱动摆镜，直驱方式可以达到很好的控制精度，扫描器结构也相对简单，但这种驱动方式对电机的驱动能力要求极高，而且摆镜的面积和转动惯量也必须严格控制。

发明内容

本发明提供一种高分辨率扫描控制系统及其细分驱动控制方法，达到高分辨率光学系统在采集时所需的大视场，高分辨率以及高稳定性的光学机械摆动要求，同时实现了对摆镜在摆动时的速度和方向的实时改变。

为实现上述目的，本发明提供一种高分辨率扫描控制系统，其特点是，该系统包含：

上位机，其输出控制信息；

现场可编程门阵列；其输入端电路连接上位机串口，接收上位机输出的控制信息，分析处理后输出脉冲宽度调制信号；

恒流斩波驱动控制模块，其输入端电路连接现场可编程门阵列，接收现场可编程门阵列输出的脉冲宽度调制信号，输出电机控制信号；

电机；其电路连接恒流斩波驱动控制模块，接收恒流斩波驱动控制模块输出的电机控制信号，对摆镜进行控制。

上述现场可编程门阵列包含：数字时钟模块，执行计数器，脉冲宽度调制生成器模块，细分等级模块，方向控制模块；

数字时钟模块，其产生时钟信号。并输出到执行计数器、脉冲宽度调制生成器模块、细分等级模块以及方向控制模块，以提供程序执行的基准时钟信号；

执行计数器，其以给定时钟信号为基准进行计数，达到一定计数值后产生并输出控制信号至细分等级模块；

方向控制模块，其按照给定指令输出电机正向运转或反向运转的方向信号至细分等级模块；

细分等级模块，其接收控制信号和方向信号，在时钟信号基准下给脉冲宽度调制生成器模块发送相应的地址信号以得到脉冲宽度调制生成器模块送回的8位数据信号并将其与控制信号一并输出给后续电路；

脉冲宽度调制生成器模块，其在接收到地址信号后，从相应地址取出8位数据信号输出给细分等级模块。

上述脉冲宽度调制信号包含方向信号与参考电压信号。

上述现场可编程门阵列的I/O口电路连接有比较器，该比较器接收现场可编程门阵列输出的参考电压信号，并与恒流斩波驱动控制模块（3）输出的负载感应电流取样所得的取样信号进行比较，输出斩波控制信号至恒流斩波驱动控制模块。

上述现场可编程门阵列的I/O口与比较器之间还电路连接有数模转换电路，用于将现场可编程门阵列输出的数字信号转换为模拟信号。

上述现场可编程门阵列的I/O口分别与数模转换电路及恒流斩波驱动控制模块之间还电路连接有电平转换电路，电平转换电路输出端分别电路连接至数模转换电路输入端以及恒流斩波驱动控制模块输入端；现场可编程门阵列输出参考电压信号至电平转换电路进行电平转换后传输至数模转换电路，现场可编程门阵列输出方向信号至电平转换电路进行电平转换后传输至恒流斩波驱动控制模块。

上述摆镜的下方设有26位的编码码盘，该编码码盘实时探测摆镜角度反馈至上位机。

上述电机采用两相混合式步进电机。

一种上述的高分辨率扫描控制系统的细分驱动控制方法，其特点是，该方法包含以下步骤：

步骤1、测定并记录均匀步距角细分后电机两相的电流数据；

步骤1.1、将通入电机A、B两相的电流按下式进行变化：

（1）

（2）

式（1）、（2）中电位角，其中m为细分数，s为步数；

则可得到合成电流为：

（3）

每当变化时，则合成矢量转过一个相应的角度，且幅值大小保持不变，实现了恒力矩, 均匀步距角的细分驱动；

步骤1.2、通过式（1）和（2）获得细分数m细分后电机两相的电流数据，将电流数据量化后存储。

步骤2、上位机输出控制信息至现场可编程门阵列，根据步数选取对应的电流数据输出至现场可编程门阵列；

步骤3、现场可编程门阵列根据接收的控制信息与电流数据，进行分析处理后，输出方向信号与参考电压信号；

步骤4、电平转换电路接收现场可编程门阵列输出的参考电压信号电平转换后输出至数模转换电路；电平转换电路接收现场可编程门阵列输出的方向信号电平转换后输出至恒流斩波驱动控制模块；

步骤 5、 数模转换电路接收参考电压信号进行数模转换，输出至比较器；

步骤6、比较器接收参考电压信号以及恒流斩波驱动控制模块输出的负载感应电流取样所得的取样信号，输出斩波控制信号至恒流斩波驱动控制模块；

步骤7、恒流斩波驱动控制模块接收比较器输出的出斩波控制信号、电平转换电路输出的方向信号，输出电机控制信号对电机进行恒流斩波驱动控制；

步骤8、电机控制摆镜进行光学扫描。

本发明高分辨率扫描控制系统及其细分驱动控制方法和现有技术的光学扫描技术相比，其优点在于，本发明对摆镜进行控制，既满足了高分辨率成像系统对机械扫描系统的稳定性和线性度指标，又避免了其他控制系统在超低速环境下累积误差的产生以及对驱动能力和转动惯量的要求；

本发明通过现场可编程门阵列产生细分信号，并通过恒流斩波技术实现对输入两相混合步进电机电流的控制，以达到电机转动时的高步距角分辨率以及稳定性和速度与方向的要求。

附图说明

图1为本发明高分辨率扫描控制系统的结构示意图；

图2为本发明高分辨率扫描控制系统中电机的电角度与磁场关系图；

图3为本发明高分辨率扫描控制系统的恒流斩波驱动控制模块的电路原理图；

图4为本发明高分辨率扫描控制系统的现场可编程门阵列中执行计数器的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，本发明公开了一种高分辨率扫描控制系统，该系统包含：上位机1，输入端电路连接上位机1串口的现场可编程门阵列2，电路连接现场可编程门阵列2的I/O口的电平转换电路6，电路连接电平转换电路6输出端的数模转换电路5，输入端电路连接数模转换电路5输出端的比较器7，输入端分别电路连接比较器7及电平转换电路6输出端的恒流斩波驱动控制模块3，以及电路连接恒流斩波驱动控制模块3输出端的电机4，电机4机械连接摆镜。

本发明中，上位机1由人为监控，用于输出控制信息。

电机4采用两相混合式步进电机。电机4的设计参数如下：

（1）两相混合式步进电机步距角公式为：

其中为步进电机齿距角；N为步进电机项数；为步进电机转子齿数。

（2）两相混合式步进电机模型微分方程表示式为：

其中 、 为A、B相绕组电阻； 、 为A、B相绕组电流； 、 为A、B相绕组磁链。

（3）两相混合式步进电机内部磁链方程为：

其中 、 为绕组电感； 、 为绕组互感； 、 为永磁磁势对A、B相绕组的磁链。

（4）两相混合式步进电机转子转矩平衡方程式为：

其中为转子角度；k为粘滞摩擦系数；为负载转矩；为库伦摩擦力矩。

如图2所示，为电机4的电角度与磁场关系图。在电机4通电启动时，按照两相混合式步进电机的电角度应为的原理，设计通入的电流相位也相差。

该电机4可通过以下方式实现均匀步距角的细分驱动：

将通入步进电机4两相的电流按照下式（1）、（2）进行变化：

（1）

（2）

式（1）、（2）中电位角，其中m为细分数，s为步数。

则可得到合成电流为：

（3）

每当变化时，则合成矢量转过一个相应的角度，且幅值大小保持不变，则实现了恒力矩。

利用电流变化式（3），可得m细分后两相的电流数据，量化后制成表存入ROM，步进电机4运行时，只要从表中取出与步数相对应的电流数据送入控制电路中即可实现对步进电机4相电流的控制，达到细分步距角的目的。

电机4与摆镜机械连接，由电机4驱动摆镜完成光学扫场。在摆镜的下方设有26位的编码码盘，该编码码盘实时探测摆镜角度传输至上位机1，以满足在系统运行时，对电机转动稳定性和线性度指标的观测。

如图3所示，恒流斩波驱动控制模块3用于接收现场可编程门阵列2输出的脉冲宽度调制信号，输出电机控制信号，对电机4进行细分驱动控制。该恒流斩波驱动控制模块3中包含有LMD18200以及LM555。

LMD18200固定关断应用电路，LMD18200 的PIN8 为感应电流输出端，其输出的感应电流值为=377×I(μA)，其中I为OUT1与OUT2之间的绕组电流大小。感应电流通过采样电阻R1后转换成感应电压。当感应电压大于参考电压时，比较器翻转输出一个低电平，该低电平通过LM555 单稳态电路，在LMD18200 产生一个低电平信号，该信号持续时间为,即LMD18200 的关断时间，使绕组电流下降，实现了恒流斩波控制。

现场可编程门阵列2包含：数字时钟模块，执行计数器，脉冲宽度调制生成器模块，细分等级模块，方向控制模块。

数字时钟模块的输出端分别电路连执行计数器、脉冲宽度调制生成器模块、细分等级模块、方向控制模块。方向控制模块的输出端电路连接细分等级模块。执行计数器输出端电路连接细分等级模块。细分等级模块与脉冲宽度调制生成器双向连接，该细分等级模块输出端电路连接后续电路。

数字时钟模块产生时钟信号连接到执行计数器、脉冲宽度调制生成器模块、细分等级模块以及方向控制模块，以提供程序执行的基准时钟信号。方向控制模块按照给定指令，输出电机正向运转或反向运转信号给细分等级模块。执行计数器以给定时钟信号为基准进行计数，达到一定计数值后产生控制信号给细分等级模块。细分等级模块在接收到方向信号以执行计数器送来的控制信号后，在时钟信号基准下给脉冲宽度调制生成器模块发送相应的地址信号以得到其送回的8位数据信号并将其与控制信号一并输出给后续电路。脉冲宽度调制生成器模块在接收到地址信号后，从相应地址取出8位数值输出给细分等级模块。

现场可编程门阵列2包含有数字时钟模块DCM。达到消除时钟的延时、实现频率的合成、时钟相位的调整等系统方面的需求，最终生成输出频率为1MHZ的CLK时钟信号。

如图4所示，程序执行计数器，在输入时钟频率一定的情况下，即通过改变程序中J=COUNT的值来改变程序执行时间，从而改变程序输出周期，起到精确控制电机转速的作用，程序流程图如下：首先，不同设定的电机运转速度生成不同的CKDIV值，在程序计数器中引入变量J用作计数，在细分等级模块中引入变量m和a分别用作地址输出以及象限的选择。J每来一个时钟加一，当加到预定的数值CKDIV时，给细分等级模块发送程序1的执行信号，细分等级模块对设定的电机运转方向信号和当前m以及a的值进行判断，并依此来更改m以及a的值。当J加到CKDIV+25时，给细分模块发送程序2的执行信号，细分等级模块发送m值给脉冲宽度调制生成器模块，得到脉冲宽度调制生成器模块发回的两个8位正弦和余弦数据，根据当前a的值，生成相应方向信号。当J加到CKDIV+50时，控制信号片选数模转换芯片a，拉低写信号，将一路8位数据传入。当J加到CKDIV+60时，控制信号拉高数模转换芯片a的片选和写信号，数据锁存。当J加到CKDIV+70时，控制信号片选数模转换芯片b，拉低写信号，将另一路8位数据传入。当J加到CKDIV+80时，控制信号拉高数模转换芯片b的片选和写信号，数据锁存。当J加到CKDIV+90时，控制信号拉低写信号，以及转换启动信号，两个数模转换芯片同时将转换数据输出给后续电路，与此同时细分等级模块还将之前的方向信号输出给后续电路。当J加到CKDIV+100时，控制信号拉高写信号以及转换启动信号，并将J置0，恢复到初始状态。

脉冲宽度调制（PWM）生成器模块，它由与门和D 触发器构成。每一个程序周期可分为四个象限（，，，），由于PWM输出均为正值，根据上述式（1）、（2）、（3）可得：

( , )象限时，

( , )象限时，

在这里引入计数器a（1，2，3，4）作为象限计数模块。

现场可编程门阵列2的ROM数据初始化文件由MATLAB编程生成（.COE 文件）。由于采样电阻上采样电流为单极性，ROM中数据取绝对值（即对负值取正）。利用ISE中的IP核将FPGA内部ROM例化为数据宽度为8位，深度为256（1/4 周期）的两个表，加入工程中作为步进电机A相和B相的电流参考值。

细分等级模块实现在1/4个周期内现场可编程门阵列2输出256个波形数据，现场可编程门阵列2每输出一个脉冲信号，步进电机4的转子则转过一定的角位移，因此现场可编程门阵列2 输出256个脉冲波形即可实现电机4的256 细分。在这里引入m （0~255）作为细分值计数模块。

方向控制模块：由于设计电机顺时针旋转时所需的象限计数器a和细分值计数器m是累加的，则需要电机逆时针运行时，将a和m改为减法计数器即可实现相应功能。因此引入一个逻辑值DIR来标示a和m的加减状态。

现场可编程门阵列2接收上位机1输出的控制信息，分析处理后输出脉冲宽度调制信号（PWM信号）。该脉冲宽度调制信号包含方向信号与参考电压信号。方向信号与参考电压信号由现场可编程门阵列2的I/O口产生，方向信号和参考电压信号作为恒流斩波驱动的输入，与恒流斩波驱动控制模块3的LMD18200 功率驱动板共同控制电机4绕组电流的方向和大小。

电平转换电路6采用电平转换芯片74ALVC164245。由于现场可编程门阵列2的I/O口输出的参考电压高电平信号为3.3V，而后续电路的高电平电压输入要求为5V，则将FPGA的I/O 产生的参考电压数字信号经过电平转换电路6的电平转换后传输至数模转换电路5，并将FPGA的I/O 产生的方向信号经过电平转换电路6的电平转换后传输至恒流斩波驱动控制模块3。

数模转换电路5将现场可编程门阵列2输出的经电平转换电路6转换后的参考电压由数字信号转换为模拟信号，然后将参考电压信号输出至比较器7。

比较器7的两个输入端分别接收经过数模转换电路5数模转换的参考电压信号，以及对LMD18200的引脚8所输出的负载感应电流取样所得的取样信号，输出斩波控制信号至恒流斩波驱动控制模块（3）。

如图1所示，本发明还公开一种高分辨率扫描控制系统的细分驱动控制方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、测定并记录均匀步距角细分后电机两相的电流数据。

步骤1.1、将通入电机4A、B两相的电流按下式进行变化：

（1）

（2）

式（1）、（2）中电位角，其中m为细分数，s为步数；

则可得到合成电流为：

（3）

每当变化时，则合成矢量转过一个相应的角度，且幅值大小保持不变，实现了恒力矩, 均匀步距角的细分驱动.

步骤1.2、通过式（1）和（2）获得细分数m细分后电机两相的电流数据，将电流数据量化后存储。

步骤2、上位机1输出控制信息至现场可编程门阵列2，并且根据步数选取对应的电流数据输出至现场可编程门阵列2。控制信息包含实现定向驱动，功能包括启动、停止，正向、反向，连续、多步运动，以及速度调节（可分四个级别），自动换向等功能。

步骤3、现场可编程门阵列2根据接收的控制信息与电流数据，进行分析处理后，输出方向信号与参考电压信号。

步骤4、电平转换电路6接收现场可编程门阵列2输出的参考电压信号电平转换后输出至数模转换电路5。并且电平转换电路6接收现场可编程门阵列2输出的方向信号电平转换后输出至恒流斩波驱动控制模块3。

步骤5、数模转换电路5接收参考电压信号进行数模转换，输出至比较器7。

步骤6、比较器7接收参考电压信号以及外接输入的取样信号，输出斩波控制信号至恒流斩波驱动控制模块3。

步骤7、恒流斩波驱动控制模块3接收比较器7输出的出斩波控制信号、电平转换电路6输出的方向信号，输出电机控制信号对电机4进行恒流斩波驱动控制。

步骤8、电机4控制摆镜进行光学扫描。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种高分辨率扫描控制系统，其特征在于，该系统包含：

上位机（1），其输出控制信息；

现场可编程门阵列（2）；其输入端电路连接所述上位机（1）串口，接收上位机输出的控制信息，分析处理后输出脉冲宽度调制信号；

恒流斩波驱动控制模块（3），其输入端电路连接所述现场可编程门阵列（2），接收现场可编程门阵列（2）输出的脉冲宽度调制信号，输出电机控制信号；

电机（4）；其电路连接恒流斩波驱动控制模块（3），接收恒流斩波驱动控制模块（3）输出的电机控制信号，对摆镜进行控制；

所述现场可编程门阵列（2）包含：数字时钟模块，执行计数器，脉冲宽度调制生成器模块，细分等级模块，方向控制模块；

数字时钟模块，其产生时钟信号，并输出到执行计数器、脉冲宽度调制生成器模块、细分等级模块以及方向控制模块，以提供程序执行的基准时钟信号；

执行计数器，其以给定时钟信号为基准进行计数，达到一定计数值后产生并输出控制信号至细分等级模块；

方向控制模块，其按照给定指令输出电机正向运转或反向运转的方向信号至细分等级模块；

细分等级模块，其接收控制信号和方向信号，在时钟信号基准下给脉冲宽度调制生成器模块发送相应的地址信号以得到脉冲宽度调制生成器模块送回的8位数据信号并将其与控制信号一并输出给后续电路；

脉冲宽度调制生成器模块，其在接收到地址信号后，从相应地址取出8位数据信号输出给细分等级模块。

2.如权利要求1所述的高分辨率扫描控制系统，其特征在于，所述脉冲宽度调制信号包含方向信号与参考电压信号。

3.如权利要求2所述的高分辨率扫描控制系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列（2）的I/O口电路连接有比较器（7），该比较器（7）接收现场可编程门阵列（2）输出的参考电压信号，并与恒流斩波驱动控制模块（3）输出的负载感应电流取样所得的取样信号进行比较，输出斩波控制信号至恒流斩波驱动控制模块（3）。

4.如权利要求3所述的高分辨率扫描控制系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列（2）的I/O口与比较器之间还电路连接有数模转换电路（5），用于将现场可编程门阵列（2）输出的数字信号转换为模拟信号。

5.如权利要求4所述的高分辨率扫描控制系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列（2）的I/O口分别与数模转换电路（5）及恒流斩波驱动控制模块（3）之间还电路连接有电平转换电路（6），电平转换电路（6）输出端分别电路连接数模转换电路（5）输入端以及恒流斩波驱动控制模块（3）的输入端；现场可编程门阵列输出参考电压信号至电平转换电路（6）进行电平转换后传输至数模转换电路（5），现场可编程门阵列输出方向信号至电平转换电路（6）进行电平转换后传输至恒流斩波驱动控制模块（3）。

6.如权利要求1所述的高分辨率扫描控制系统，其特征在于，所述摆镜的下方设有26位的编码码盘，该编码码盘实时探测摆镜角度反馈至上位机（1）。

7.如权利要求1所述的高分辨率扫描控制系统，其特征在于，所述电机（4）采用两相混合式步进电机。

8.一种如权利要求1至7中任意一项权利要求所述的高分辨率扫描控制系统的细分驱动控制方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤1、测定并记录均匀步距角细分后电机两相的电流数据；

步骤2、上位机（1）输出控制信息至现场可编程门阵列（2），根据步数选取对应的电流数据输出至现场可编程门阵列（2）；

步骤3、现场可编程门阵列（2）根据接收的控制信息与电流数据，进行分析处理后，输出方向信号与参考电压信号；

步骤4、电平转换电路（6）接收现场可编程门阵列（2）输出的参考电压信号电平转换后输出至数模转换电路（5），接收现场可编程门阵列（2）输出的方向信号电平转换后输出至恒流斩波驱动控制模块（3）；

步骤5、数模转换电路（5）接收参考电压信号进行数模转换，输出至比较器；

步骤6、比较器（7）接收参考电压信号以及恒流斩波驱动控制模块（3）输出的负载感应电流取样所得的取样信号，输出斩波控制信号至恒流斩波驱动控制模块（3）；

步骤7、恒流斩波驱动控制模块（3）接收比较器输出的出斩波控制信号、电平转换电路（6）输出的方向信号，输出电机控制信号对电机（4）进行恒流斩波驱动控制；

步骤8、电机（4）控制摆镜进行光学扫描。

9.如权利要求8所述高分辨率扫描控制系统的细分驱动控制方法，其特征在于，所述步骤1包含以下步骤：

步骤1.1、将通入电机A、B两相的电流按下式进行变化：

（1）

（2）

式（1）、（2）中，为电机A相电流，为电机B相电流，为流过电机A、B相的最大电流，为A、B相电流矢量合成的电流I与B相电流的夹角，其值为：，其中m为细分数，s为步数；

则可得到合成电流为：

（3）

每当变化时，则合成矢量转过一个相应的角度，且幅值大小保持不变，实现了恒力矩,均匀步距角的细分驱动；

步骤1.2、通过式（1）和（2）获得细分数m细分后电机两相的电流数据，将电流数据量化后存储。