CN104864957A - 一种高性能光栅扫描控制定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能光栅扫描控制定位装置，包括直流无刷电机、衍射光栅、编码器、移相倍频电路、可编程计数电路、电机驱动电路及主控电路。编码器将检测的衍射光栅的角位置信号传输给相移倍频模块处理，处理后的倍频输出信号经可编程计数模块进行位置计数及位置判定后传输给主控电路，主控电路将位置计数及位置判定信号与目标位置比对，通过对比对结果的算法处理输出控制信号，利用电机驱动电路控制直流无刷电机的转动从而控制衍射光栅的角位置。本发明实现了衍射光栅的闭环控制，利用本低成本高性能光栅扫描控制装置满足精密、稳定控制光栅转动的应用场合，具有很强的实用性和通用性。

Description

一种高性能光栅扫描控制定位装置

技术领域

本发明涉及光栅扫描控制定位领域，尤其是一种高性能光栅扫描控制定位装置。

背景技术

在光谱学应用中，光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质量控制等方面都发挥着极大的作用。光栅光谱仪是用来做光谱分析和测量的一种光学检测仪器，相比于传统的化学分析方法，光谱分析法的快速、无损、精度高等优势使其被广泛应用于物理、化学、冶金、农业、环保、医药等各领域。光栅光谱仪是使用光栅作为分光元件，通过光栅的转动，将不同波长的单色光从复色光中分离出来的一种重要的光学仪器。如配以相应的光源及接收系统，可形成相应的分光光度计，可以对复合光源进行光谱分析，还可对透明物质和溶液进行定性和定量分析。

现代光栅光谱仪不仅应具有很宽的光谱范围和高光谱分辨率，还应能实现自动波长扫描功能，构成高性能自动测试系统。基于光栅扫描的光谱分析仪，需要高分辨率高稳定度的电机转动控制和定位反馈，来满足其高扫描速度、高光谱分辨率、高光谱准确度和重复性，目前往往通过选用高性能电机、高分辨率的编码器与专用编码器IC计数芯片相结合的方式来提高电机的旋转速度、旋转角度分辨率和定位精度。

目前的光栅扫描装置，主要存在以下缺点：

1、光栅扫描速度慢

目前扫描式的光谱仪器普遍地采用步进电机加丝杆的正弦扫描结构。通过步进电机转动来使丝杆上的滑块产生平移，从而带动光栅进行转动。由于丝杆自身结构的限制造成了其扫描速度低的缺点。

2、光栅定位重复性差

由于细分驱动和电机本身的机械运动特点的限制，存在并步、跳步或失步现象，加上震动等原因，其扫描重复性却大大下降，甚至达不到一般的精确度要求。

3、光栅扫描分辨率低

限于国内高分辨率编码器的技术限制，导致高分辨率编码器购买成本过高，以及由于技术封锁高分辨率的编码器购买困难，在设计成本一定的情况下很难提高光栅的旋转精度。

4、高分辨率的光栅扫描装置设计成本高。

为了提高它的精度和分辨率，一种方式是要尽量提高编码器的物理刻线条数，但受限于技术等方面的原因,国内的编码器和国外的相比差距主要是编码器的种类比较单一，并且在高分辨率领域也有较大差距，而且从国外进口的高分辨率的编码器成本也很高，甚至属于限制进口产品；另一方面通过电子学细分方法对输出的正余弦信号进行插值细分来实现高精度和高分辨率，目前较常用的细分方法是反正切细分法。而为了能够实时定位电机的旋转位置，与高精度编码器相配的专用可编程编码计数芯片在国内也很难买到，且价格也相对较高，以上问题大大制约了国内相关精密仪器产品的发展。因此，研究如何在现有条件下提高电机旋转的控制精度和反馈精度具有重要的意义。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种高性能光栅扫描控制定位装置及其控制定位方法。本发明利用高速光栅扫描控制技术、高分辨率相移倍频技术、大计数量可编程编码计数技术、高稳定电机转动控制技术，对现有的光栅扫描控制和定位装置进行了改进，在减小装置体积和成本的同时，大大提高了光栅扫描装置的扫描速度、定位重复性、装置分辨率，大大提高了光栅扫描控制和定位装置的性能。

本发明采用如下技术方案：

一种高性能光栅扫描控制定位装置，包括直流无刷电机、衍射光栅、编码器、移相倍频电路、可编程计数电路及主控电路，所述直流无刷电机的转子连接在衍射光栅的转轴上，所述编码器的中心转轴连接在直流无刷电机的转轴上，编码器与衍射光栅同步转动并直接检测衍射光栅的角位置；

所述编码器连通相移倍频模块，相移倍频模块连通可编程计数模块，可编程计数模块连通主控电路，主控电路连接控制直流无刷电机的高稳定的电机运行控制电路、相移倍频模块及可编程计数模块；

所述编码器将检测的衍射光栅的角位置信号传输给相移倍频模块处理，处理后的倍频输出信号经可编程计数模块进行位置计数及位置判定后传输给主控电路，主控电路将位置计数及位置判定信号与目标位置比对，通过对比对结果的算法处理输出控制信号，利用电机驱动电路控制直流无刷电机的转动从而控制衍射光栅的角位置。

优选地，所述相移倍频模块包括第一放大电路、比较电路及现场可编程门阵列FPGA，所述编码器将检测的衍射光栅的角位置模拟信号先经第一放大电路放大，再经过比较电路，比较电路将比较后的逻辑电平传输给现场可编程门阵列FPGA，在现场可编程门阵列FPGA内部通过移相和数字逻辑运算得到倍频输出信号。

优选地，所述可编程计数模块包括方向判别电路及现场可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列FPGA包括加减计数模块、缓冲模块及位置比较电路，倍频输出信号先经方向判别电路判别方向，再经现场可编程门阵列FPGA的加减计数模块计数，经缓冲模块缓冲后在位置比较电路中与预置的计数比较，并输出计数信息和位置判别信息。

优选地，所述主控电路包括电机运行控制电路，电机运行控制电路包括PID滤波电路、数模转换电路及第二放大电路，主控电路接收到倍频输出信号、计数信息和位置判别信息，将位置差值经过PID滤波处理后，将衍射光栅位置的数字变化量传给直流无刷电机的高稳定的电机运行控制电路，经过第二放大后实现对光栅位置的稳定控制。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为：

1、直流无刷电机为能够执行快速启停和高速扫描的高扭矩直流无刷电机，选用直流无刷电机转动不会因电刷磨损而产生碎渣，另外，直流无刷电机带动光栅的扫描与传统有刷电机相比一个明显的优点是不存在换向器和电刷之间的摩擦。

2、所述编码器的中心转轴连接在直流无刷电机的转轴上，编码器与衍射光栅同步转动并直接检测衍射光栅的角位置。具有坚固、快速、体积小、无回差及对磨损或环境变化不敏感的优点，这种方法由于不需要丝杆等机构既减小了结构尺寸，还较大幅度提高扫描的速度。

3、利用软硬件相结合的相移倍频技术，在不需要非常高分辨率编码器的条件下，实现直流无刷电机的高分辨率控制。

4、高性能光栅扫描控制定位装置通过低成本易实现的实现衍射光栅的快速扫描、高分辨率相移倍频技术、大计数量可编程光学编码器计数技术、高稳定电机转动控制技术，实现了衍射光栅的闭环控制，利用本低成本高性能光栅扫描控制装置满足精密、稳定控制光栅转动的应用场合，具有很强的实用性和通用性。

附图说明

图1为高性能光栅扫描控制定位装置结构框图。

图2为相移倍频模块示意图。

图3为可编程计数模块示意图。

图4为高稳定的电机运行控制电路示意图。

具体实施方式

结合附图1至4对本发明的具体实施方式做进一步地说明：

一种高性能光栅扫描控制定位装置，包括直流无刷电机、衍射光栅、编码器、移相倍频电路、可编程计数电路、电机驱动电路及主控电路。直流无刷电机的转子连接在衍射光栅的转轴上，所述编码器的中心转轴连接在直流无刷电机的转轴上，编码器与衍射光栅同步转动并直接检测衍射光栅的角位置。编码器连通相移倍频模块，相移倍频模块连通可编程计数模块，可编程计数模块连通主控电路，主控电路连接控制直流无刷电机的高稳定的电机运行控制电路、相移倍频模块及可编程计数模块。编码器将检测的衍射光栅的角位置信号传输给相移倍频模块处理，处理后的倍频输出信号经可编程计数模块进行位置计数及位置判定后传输给主控电路，主控电路将位置计数及位置判定信号与目标位置比对，通过对比对结果的算法处理输出控制信号，利用电机驱动电路控制直流无刷电机的转动从而控制衍射光栅的角位置。

相移倍频模块包括第一放大电路、比较电路及现场可编程门阵列FPGA，所述编码器将检测的衍射光栅的角位置模拟信号先经第一放大电路放大，再经过比较电路，比较电路将比较后的逻辑电平传输给现场可编程门阵列FPGA，在现场可编程门阵列FPGA内部通过移相和数字逻辑运算得到倍频输出信号。

可编程计数模块包括方向判别电路及现场可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列FPGA包括加减计数模块、缓冲模块及位置比较电路，倍频输出信号先经方向判别电路判别方向，再经现场可编程门阵列FPGA的加减计数模块计数，经缓冲模块缓冲后在位置比较电路中与预置的计数比较，并输出计数信息和位置判别信息。相移倍频模块及可编程计数模块分别应用现场可编程门阵列FPGA的不同区间，互不干扰。

所述主控电路包括电机运行控制电路，电机运行控制电路包括PID滤波电路、数模转换电路及第二放大电路，主控电路接收到倍频输出信号、计数信息和位置判别信息，将位置差值经过PID滤波处理后，将衍射光栅位置的数字变化量传给直流无刷电机的高稳定的电机运行控制电路，经过放大后实现对光栅位置的稳定控制。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (4)

1.一种高性能光栅扫描控制定位装置，其特征在于，包括直流无刷电机、衍射光栅、编码器、移相倍频电路、可编程计数电路、电机驱动电路及主控电路，所述直流无刷电机的转子连接在衍射光栅的转轴上，所述编码器的中心转轴连接在直流无刷电机的转轴上，编码器与衍射光栅同步转动并直接检测衍射光栅的角位置；

所述编码器连通相移倍频模块，相移倍频模块连通可编程计数模块，可编程计数模块连通主控电路，主控电路连接控制直流无刷电机的高稳定的电机运行控制电路、相移倍频模块及可编程计数模块；

所述编码器将检测的衍射光栅的角位置信号传输给相移倍频模块处理，处理后的倍频输出信号经可编程计数模块进行位置计数及位置判定后传输给主控电路，主控电路将位置计数及位置判定信号与目标位置比对，通过对比对结果的算法处理输出控制信号，利用电机驱动电路控制直流无刷电机的转动从而控制衍射光栅的角位置。

2.根据权利要求1所述的一种高性能光栅扫描控制定位装置，其特征在于，所述相移倍频模块包括第一放大电路、比较电路及现场可编程门阵列FPGA，所述编码器将检测的衍射光栅的角位置模拟信号先经第一放大电路放大，再经过比较电路，比较电路将比较后的逻辑电平传输给现场可编程门阵列FPGA，在现场可编程门阵列FPGA内部通过移相和数字逻辑运算得到倍频输出信号。

3.根据权利要求1所述的一种高性能光栅扫描控制定位装置，其特征在于，所述可编程计数模块包括方向判别电路及现场可编程门阵列FPGA，现场可编程门阵列FPGA包括加减计数模块、缓冲模块及位置比较电路，倍频输出信号先经方向判别电路判别方向，再经现场可编程门阵列FPGA的加减计数模块计数，经缓冲模块缓冲后在位置比较电路中与预置的计数比较，并输出计数信息和位置判别信息。

4.根据权利要求1所述的一种高性能光栅扫描控制定位装置，其特征在于，所述主控电路包括电机运行驱动电路，电机运行驱动电路包括PID滤波电路、数模转换电路及第二放大电路，主控电路接收到倍频输出信号、计数信息和位置判别信息，将位置差值经过PID滤波处理后，将衍射光栅位置的数字变化量传给直流无刷电机的高稳定的电机运行控制电路，经过第二放大后实现对光栅位置的稳定控制。