CN112630955B - 一种紧凑型快速滤光轮装置及其控制方法 - Google Patents

一种紧凑型快速滤光轮装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种滤光轮装置，具体涉及一种紧凑型快速滤光轮装置及其控制方法。本发明的目的是解决现有电动滤光轮装置存在对电机类型选择、测角方式、滤光轮结构形式和伺服控制系统设计需满足小型化要求，同时对于滤光片切换速度、系统技术指标达成度和可靠性考核比较严苛，使得紧凑型快速旋转滤光轮的设计和控制存在较大难度的技术问题，提供一种紧凑型快速滤光轮装置及其控制方法。该装置是一种在紧凑空间结构下的高速多波段滤光轮装置，可安装于光学探测器件与光学镜头之间，包括安装底板、驱动组件、滤光组件、支撑架和主控制电路板，克服了在狭窄空间布置快速滤光片轮的难题，是一种高精度、快速、稳定的滤光轮装置。

Description

一种紧凑型快速滤光轮装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种滤光轮装置，具体涉及一种紧凑型快速滤光轮装置及其控制方法。
背景技术
滤光轮分为手动转换型和电动转换型，手动转换滤光轮的应用范围比较单一，在一些机构复杂和自动化程度比较高的系统中应用存在较大缺陷。电动滤光轮作为现代光机系统的一个重要组成部分，被广泛的运用到各类光机系统中，利用步进电机与滤光轮直接连接，在一定范围内实现了定位、锁定的功能，近年来主流的电动滤光轮普遍采用这种方案。
光学导引和光学测量设备大多采用多谱段成像方式，可获得目标更丰富的图像信息，有助于提高设备对目标的探测、识别能力和提升系统的抗干扰性能。但是，由于位标器和光学测量设备结构空间有限，对滤光轮设计方案的电机类型选择、测角方式、滤光轮结构形式和伺服控制系统设计需满足小型化要求，同时对于滤光片切换速度、系统技术指标达成度和可靠性考核比较严苛，这就对滤光轮装置的设计提出了较高的要求，使得紧凑型快速旋转滤光轮的设计和控制技术存在较大难度。
发明内容
本发明的目的是解决现有电动滤光轮装置存在对电机类型选择、测角方式、滤光轮结构形式和伺服控制系统设计需满足小型化要求，同时对于滤光片切换速度、系统技术指标达成度和可靠性考核比较严苛，使得紧凑型快速旋转滤光轮的设计和控制存在较大难度的技术问题，提供一种紧凑型快速滤光轮装置及其控制方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
本发明提供一种紧凑型快速滤光轮装置，其特殊之处在于：包括安装底板、驱动组件、滤光组件、支撑架和主控制电路板；
所述驱动组件包括驱动电机、电机转接轴和电机驱动电路板；所述驱动电机的驱动轴穿过安装底板上的通孔后与所述电机转接轴的中心孔紧配合，电机转接轴靠近安装底板的一端带有凸缘；所述电机驱动电路板安装于安装底板上设置驱动电机的一侧,电机驱动电路板与驱动电机电连接，用于驱动电机的转速控制和静态定位，驱动电机壳体与安装底板固连；
所述滤光组件包括套设于电机转接轴上的并紧圈和滤光片，并紧圈将滤光片压紧在电机转接轴的凸缘处，并紧圈、滤光片、电机转接轴的凸缘与安装底板四者固连；
所述主控制电路板通过所述支撑架固连于安装底板上，主控制电路板与并紧圈之间留有间隙，主控制电路板上设有外接交互接口，主控制电路板与电机驱动电路板相互通信；
所述滤光片的边缘刻划有光栅，主控制电路板上设有用于感应光栅的感应模块；或者，还包括径向磁铁和测角电路，二者间留有间隙，径向磁铁镶嵌并固定在电机转接轴不带凸缘一侧的端面处，分为N极和S极，测角电路通过对扣接插件对扣在主控制电路板上，测角电路上带有霍尔感应芯片，霍尔感应芯片通过主控制电路板中心的通孔，与径向磁铁相对，用于角度测量。
进一步地，所述滤光片为圆环形，划分为多个外形尺寸相同的扇形片，多个扇形片区域分别镀制不同波段的膜层。
进一步地，所述滤光片的多个扇形片一体成型；或者，多个扇形片为分体式，在使用装配时分别与电机转接轴的凸缘连接后，通过拼装、粘接和配平形成共面的圆环形滤光片。
进一步地，所述不同波段包括窄带、宽带和过渡带。
进一步地，所述驱动电机的驱动轴与电机转接轴通过圆锥销定位；径向磁铁与电机转接轴端面之间采用紧固胶固定。
进一步地，所述主控制电路板采用DSP架构。
进一步地，所述电机驱动电路板中包含DC/DC模块和模拟线性电机功率放大器。
进一步地，所述驱动电机可实现5000rpm以上转速且速度稳定。
进一步地，所述驱动电机采用直流无刷电机或盘式电机。
本发明还提供一种上述紧凑型快速滤光轮装置的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)主控制电路板自动感应滤光片角度信息或者通过测角电路获取包含滤光片角度信息的电信号，经标校、补偿后实时输出滤光片的当前角度信息至上级系统；
2)主控制电路板接收上级系统下发的模式指令，所述模式指令包括准确定位模式指令、周期轮巡转动模式指令和连续转动模式指令；
准确定位模式和周期轮巡转动模式下，控制所述紧凑型快速滤光轮装置运转，滤光轮运转到指定位置后将到位信息反馈至上级系统；
定义滤光轮每个扇形片内的区域为有效滤光区域，相邻扇形片之间的区域为无效滤光区域；
连续转动模式下且转速均匀时，主控制电路板持续向上级系统上报滤光轮的稳定转速，滤光轮运转切入有效滤光区域时，通过脉冲形式向上级系统发送滤光轮状态，上级系统的成像系统开始积分成像，上级系统根据转速控制有效积分时间，完成多波段快速连续成像。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的紧凑型快速滤光轮装置及其控制方法，是一种在紧凑空间结构下的高速多波段滤光轮装置，可安装于光学探测器件与光学镜头之间，包括安装底板、驱动组件、滤光组件、支撑架和主控制电路板。控制过程中，通过通信指令可实现滤光片准确定位、周期轮巡转动和连续转动三种切换模式。根据系统的任务要求进行模式切换，装置按照脉冲定期向上级系统反馈滤光片当前的位置；连续转动模式时，主控制电路板可根据通光孔径大小、测角误差、速度偏差来计算最长积分时间，以满足光学探测器件探测需求，通过采用合理的传感器布置方式和结构设计，解决了现有电动滤光轮装置存在的电机、测角方式、滤光片轮形式和结构设计问题，克服了在狭窄空间布置快速滤光片轮的难题，是一种高精度、快速、稳定的滤光轮装置。
2、本发明提供的紧凑型快速滤光轮装置及其控制方法，可采用驱动电机与测角单元(滤光片周边刻划的光栅)同轴连接，直接进行角度测量，以减小装置的轴向尺寸，也可采用测角电路是利用霍尔原理进行角度测量，成本低。
3、本发明提供的紧凑型快速滤光轮装置及其控制方法，滤光片为圆环形，划分为多个外形尺寸相同的扇形片，以减少高速旋转时的空气阻力，降低驱动电机选型难度，使其能够在转动时保持平稳、无剧烈震动，多个扇形片区域分别镀制不同波段的膜层。滤光片的多个扇形片可以一体成型，整体式设计可用在对轴向尺寸要求更加紧凑的光机系统，多个扇形片也可以是分体式，以减少加工、镀膜风险、降低制造成本，在使用装配时分别与电机转接轴的凸缘连接后，通过拼装、粘接和配平形成共面的圆环形滤光片。扇形片之间的间隔角度可根据功能要求进行设置。
4、本发明提供的紧凑型快速滤光轮装置及其控制方法，主控制电路板通过支撑架固连于安装底板上，利用主控制电路板作为结构固定的一部分，使装置更加紧凑。
附图说明
图1为本发明紧凑型快速滤光轮装置的剖面图；
图2为本发明紧凑型快速滤光轮装置的爆炸图；
图3为本发明紧凑型快速滤光轮装置安装底板的结构示意图；
图4为本发明紧凑型快速滤光轮装置主控制电路板的结构示意图；
图5为本发明紧凑型快速滤光轮装置测角电路的结构示意图；
图6为本发明紧凑型快速滤光轮装置滤光片的结构示意图，其上刻划有光栅；
图7为本发明紧凑型快速滤光轮装置滤光片的结构示意图；
图8为本发明紧凑型快速滤光轮装置测角电路、电机转接轴、驱动电机处的结构示意图；
图9为本发明紧凑型快速滤光轮装置径向磁铁、并紧圈、滤光片、电机转接轴、驱动电机处的爆炸图；
附图标记说明：
1-测角电路、101-对扣接插件、102-霍尔感应芯片、2-主控制电路板、3-径向磁铁、301-N极、302-S极、4-并紧圈、5-滤光片、6-电机转接轴、7-支撑架、8-安装底板、9-电机驱动电路板、10-驱动电机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
本发明提供了一种紧凑型快速滤光轮装置，如图1和图9所示，包括安装底板8、驱动组件、滤光组件、支撑架7和主控制电路板2；所述驱动组件包括驱动电机10、电机转接轴6和电机驱动电路板9；所述驱动电机10的驱动轴穿过安装底板8上的通孔后与所述电机转接轴6的中心孔紧配合，电机转接轴6靠近安装底板8的一端带有凸缘；所述电机驱动电路板9安装于安装底板8上设置驱动电机10的一侧，电机驱动电路板9通过软排线与驱动电机10电连接，主要负责驱动电机10的转速控制和静态定位，驱动电机10壳体与安装底板8用沉头螺钉固连；所述滤光组件包括套设于电机转接轴6上的并紧圈4和滤光片5，并紧圈4将滤光片5压紧在电机转接轴6的凸缘处，并紧圈4、滤光片5、电机转接轴6的凸缘与安装底板8四者用长螺钉固连并点紧固胶进一步地固定；所述主控制电路板2通过所述支撑架7固连于安装底板8上，主控制电路板2与并紧圈4之间留有间隙，主控制电路板2上该设有外接交互接口，接收上级系统下发的模式指令控制装置运转，主控制电路板2与电机驱动电路板9相互通信；所述主控制电路板2采用DSP架构，其作用是：接收位置信息，与电机驱动电路板9进行控制通信，控制驱动电机10受控运转，实现滤光片5轮切换功能。
如图6所示，所述滤光片5的边缘刻划有光栅，主控制电路板2上设有用于感应光栅的感应模块；或者，还包括径向磁铁3和测角电路1，二者间留有间隙保持一定距离，径向磁铁3镶嵌并固定在电机转接轴6不带凸缘一侧的端面处，分为N极301和S极302，径向磁铁3与驱动电机10转轴间接固定，当驱动电机10转动时径向磁铁3随之同时转动，测角电路1通过对扣接插件101对扣在主控制电路板2上，测角电路1上带有霍尔感应芯片102，霍尔感应芯片102通过主控制电路板2中心的通孔，与径向磁铁3相对旋转，用于角度测量。即刻划光栅用于精确测角，可取消测角电路1和径向磁铁3以减小轴向尺寸。
所述滤光片5为圆环形，外径为90mm，划分为多个外形尺寸相同的扇形片(如4个90°区域)，以减少高速旋转时的空气阻力，降低驱动电机10选型难度，使其能够在转动时保持平稳、无剧烈震动，多个扇形片区域分别镀制不同波段的膜层。所述滤光片5的多个扇形片一体成型，整体式设计可用在对轴向尺寸要求更加紧凑的光机系统，或者，多个扇形片为分体式，以减少加工、镀膜风险、降低制造成本，在使用装配时分别与电机转接轴6的凸缘连接后，通过拼装、粘接和配平形成共面的圆环形滤光片5。所述不同波段包括窄带、宽带和过渡带。
所述驱动电机10的驱动轴与电机转接轴6通过圆锥销定位；径向磁铁3与电机转接轴6端面之间采用紧固胶固定。所述驱动电机10可满足5000rpm以上转速和速度稳定性要求，可以采用直流无刷电机或盘式电机。所述电机驱动电路板9中包含DC/DC模块、模拟线性电机功率放大器，避免了PWM功放的死区，降低了其它信号电磁干扰。
本发明还提供了上述紧凑型快速滤光轮装置的控制方法，包括以下步骤：
1)主控制电路板2自动感应滤光片5角度信息或者通过测角电路1获取包含滤光片5角度信息的电信号，经标校、补偿后实时输出滤光片5的当前角度信息至上级系统；
2)主控制电路板2接收上级系统下发的模式指令，所述模式指令包括准确定位模式指令、周期轮巡转动模式指令和连续转动模式指令；
准确定位模式和周期轮巡转动模式下，控制所述紧凑型快速滤光轮装置运转，滤光轮运转到指定位置后将到位信息反馈至上级系统；
定义滤光片每个扇形片内的区域为有效滤光区域，相邻扇形片之间的区域为无效滤光区域；
连续转动模式下且转速均匀时，主控制电路板2持续向上级系统上报滤光轮的稳定转速，滤光轮运转切入有效滤光区域时，通过脉冲形式向上级系统发送滤光轮状态，上级系统的成像系统开始积分成像，上级系统根据转速控制有效积分时间，完成多波段快速连续成像。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种紧凑型快速滤光轮装置，其特征在于：包括安装底板(8)、驱动组件、滤光组件、支撑架(7)和主控制电路板(2)；
所述驱动组件包括驱动电机(10)、电机转接轴(6)和电机驱动电路板(9)；所述驱动电机(10)的驱动轴穿过安装底板(8)上的通孔后与所述电机转接轴(6)的中心孔紧配合，电机转接轴(6)靠近安装底板(8)的一端带有凸缘；所述电机驱动电路板(9)安装于安装底板(8)上设置驱动电机(10)的一侧，电机驱动电路板(9)与驱动电机(10)电连接，用于驱动电机(10)的转速控制和静态定位，驱动电机(10)壳体与安装底板(8)固连；
所述滤光组件包括套设于电机转接轴(6)上的并紧圈(4)和滤光片(5)，并紧圈(4)将滤光片(5)压紧在电机转接轴(6)的凸缘处，并紧圈(4)、滤光片(5)、电机转接轴(6)的凸缘与安装底板(8)四者固连；
所述主控制电路板(2)通过所述支撑架(7)固连于安装底板(8)上，主控制电路板(2)与并紧圈(4)之间留有间隙，主控制电路板(2)上设有外接交互接口，主控制电路板(2)与电机驱动电路板(9)相互通信；
所述滤光片(5)的边缘刻划有光栅，主控制电路板(2)上设有用于感应光栅的感应模块，用于角度测量；或者，还包括径向磁铁(3)和测角电路(1)，二者间留有间隙，径向磁铁(3)镶嵌并固定在电机转接轴(6)不带凸缘一侧的端面处，分为N极(301)和S极(302)，测角电路(1)通过对扣接插件(101)对扣在主控制电路板(2)上，测角电路(1)上带有霍尔感应芯片(102)，霍尔感应芯片(102)通过主控制电路板(2)中心的通孔，与径向磁铁(3)相对，用于角度测量；
所述滤光片(5)为圆环形，划分为多个外形尺寸相同的扇形片，多个扇形片区域分别镀制不同波段的膜层。
2.根据权利要求1所述的紧凑型快速滤光轮装置，其特征在于：
所述滤光片(5)的多个扇形片一体成型；或者，多个扇形片为分体式，在使用装配时分别与电机转接轴(6)的凸缘连接后，通过拼装、粘接和配平形成共面的圆环形滤光片(5)。
3.根据权利要求1或2所述的紧凑型快速滤光轮装置，其特征在于：
所述不同波段包括窄带、宽带和过渡带。
4.根据权利要求3所述的紧凑型快速滤光轮装置，其特征在于：
所述驱动电机(10)的驱动轴与电机转接轴(6)通过圆锥销定位；径向磁铁(3)与电机转接轴(6)端面之间采用紧固胶固定。
5.根据权利要求4所述的紧凑型快速滤光轮装置，其特征在于：
所述主控制电路板(2)采用DSP架构。
6.根据权利要求5所述的紧凑型快速滤光轮装置，其特征在于：
所述电机驱动电路板(9)中包含DC/DC模块和模拟线性电机功率放大器。
7.根据权利要求6所述的紧凑型快速滤光轮装置，其特征在于：
所述驱动电机(10)可实现5000rpm以上转速且速度稳定。
8.根据权利要求7所述的紧凑型快速滤光轮装置，其特征在于：
所述驱动电机(10)采用直流无刷电机或盘式电机。
9.一种权利要求1至8任一所述紧凑型快速滤光轮装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)主控制电路板(2)自动感应滤光片(5)角度信息或者通过测角电路(1)获取包含滤光片(5)角度信息的电信号，经标校、补偿后实时输出滤光片(5)的当前角度信息至上级系统；
2)主控制电路板(2)接收上级系统下发的模式指令，所述模式指令包括准确定位模式指令、周期轮巡转动模式指令和连续转动模式指令；
准确定位模式和周期轮巡转动模式下，控制所述紧凑型快速滤光轮装置运转，滤光轮运转到指定位置后将到位信息反馈至上级系统；
定义滤光轮每个扇形片内的区域为有效滤光区域，相邻扇形片之间的区域为无效滤光区域；
连续转动模式下且转速均匀时，主控制电路板(2)持续向上级系统上报滤光轮的稳定转速，滤光轮运转切入有效滤光区域时，通过脉冲形式向上级系统发送滤光轮状态，上级系统的成像系统开始积分成像，上级系统根据转速控制有效积分时间，完成多波段快速连续成像。
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