CN112821821B - 光源装置及其光路开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源装置及光路开关，所述光路开关包括电源、控制组件及执行组件，所述电源、控制组件及执行组件互相连接，其中：执行组件设置于光路一侧，其包括挡光部件及与其连接的用于驱动其转动以开启或关断光路的步进电机，挡光部件具有固定端及活动端，固定端与步进电机的输出端连接，活动端沿步进电机的某一径向向外延伸形成挡光部；步进电机包括转子及沿该转子外侧的某一周向至少设置的第一绕组和第二绕组，控制组件分别与所述第一绕组和第二绕组连接，通过控制所述第一绕组及第二绕组内的电流方向、大小来驱动所述步进电机转动，从而驱动所述挡光部件转动以使其挡光部遮挡或避让光线。本发明其具有开关速度快、功耗低的优点。

Description

光源装置及其光路开关

技术领域

本发明涉及一种光路开关，具体地说，是涉及一种光路开关及具有其的光源装置。

背景技术

光路开关一般应用于激光光束的开关控制，通过旋转挡片到指定位置，可以将光束完全关断，从而达到光路中光束的可控开关。随着光路的小型化，机械快门一般需要具备体积小，噪声小，响应快，关断快速准确等特点。

光路开关通常情况下主要由挡光片，步进电机和驱动电路三个部分组成。挡光片的作用为挡光，通过将挡光片固定在步进电机的转子上，当步进电机转子旋转时，带动挡光片一同旋转，从而实现光路的开与关。这一过程则有驱动电路进行控制，其具体是通过调整流过步进电机的电流大小与方向，来实现对步进电机的控制。

目前常用的步进电机驱动电路为细分驱步法，目前已经被广泛的应用于各种场景并基本能够满足使用需求。其步进电机的驱动电路采用脉冲控制信号来控制转动的角度与速度，通过方向控制信号来实现步进电机的正反转，从而实现光路的开与关。采用细分驱步法驱动步进电机正转或反转时，改变脉冲频率只能进行步进快慢的控制，当给步进电机一较慢的脉冲频率时，挡片会平稳的转动一定角度而不会出现抖动或过冲等失步的情况，但时间上无法满足快速关断的要求。当加快脉冲频率后，挡片在到达挡光位置时还有一定的速度，导致其最终在挡光位置附近来回抖动影响挡光效果。虽然这种抖动可通过调整细分拨码开关进行调整，比如增大细分数从而减小抖动，但这种解决方案会增大光路的关断时间，无法适用于需要快速开关的应用场景中。

此外，在需要快速光开关的小型化光路中，一般要求步进电机直径不超过15mm，步进电机长度不超过20mm，同时又要求关断最大10mm的光斑。常见该体积的步进电机转子转动惯量小于10 gm^2，而挡光片的转动惯量大于不仅步进电机转子本身的转动惯量，这样，当挡光片转动惯量过大时，采用传统的细分驱步法就会存在挡光片在到达指定位置后，由于惯性继续往前运动，造成的抖动。例如：常见的满足体积要求的20步步进电机（单步18度，转矩约1mNm），在安装挡光片后，单步步进时间约为4ms，步进两步到36度的时间约为6ms，但由于惯性会在该角度附近来回摆动，最终停止时间约100ms左右，初次过冲的最大角度可达18度以上，过冲会影响挡光效果，一般为了机械快门能快速响应，设计的挡光片形状略大于光斑尺寸，一旦过冲超过2°-3°就无法进行关断，所以传统的细分驱步无法适用于需要快速光开关的小型化光路中。

量子绝对重力仪是小型化光路开关的主要应用场景之一，现有的新型的高精度绝对重力测量仪器一般利用微观的原子作为测试质量体，基于冷原子物质波干涉的方法实现精密的重力加速度测量。冷原子作为一团独特的量子物质，利用它可以实现类似与光波干涉的原子物质波干涉，通过激光脉冲实现原子波包的分束、偏转、合束，从而实现原子干涉条纹，重力加速度会改变微观原子的下落路径，因此改变干涉条纹的相位。通过提取原子干涉条纹的相位，得到重力加速度的信息。在该仪器中，光路的快速启闭在捕获、冷却、干涉及探测原子的过程中至关重要，其直接影响最后的测量精度。

基于此，光路开关的快速关断在小型化光路应用场景的重要指标，如何在实现快速关断的同时，避免终止位附近的抖动是目前光路开关研究领域的主要难点之一。

发明内容

基于上述技术问题，本发明的第一目的是提供一种光路开关，其具有开关速度快、功耗低的优点。

本发明是第二目的是提供一种光源装置，该光源装置中配置上述的光路开关。

为了实现上述目的，本发明提供一种光路开关，其包括电源、控制组件及执行组件，所述电源、控制组件及执行组件互相连接，其中，

所述执行组件设置于光路一侧，其包括挡光部件及与其连接的用于驱动其转动以开启或关断光路的步进电机，

所述步进电机包括转子和定子，转子具有沿其转动周向分布的至少四个磁极并且相邻磁极的极性不同，定子至少包括第一绕组和第二绕组，当第一绕组磁轭与转子的一个磁极相对时，第二绕组磁轭与转子的两个相邻磁极的间隙相对；第一绕组驱动转子转动时，通过调整电流方向驱动转子先加速后减速，同时，第二绕组对转子施加同向磁力；

所述挡光部件具有固定端及活动端，所述固定端与步进电机的输出端连接，所述活动端沿步进电机的某一径向向外延伸形成挡光部；

所述控制组件分别与所述第一绕组和第二绕组连接，通过控制所述第一绕组及第二绕组内的电流方向、大小来驱动所述步进电机转动，从而驱动所述挡光部件转动以使其挡光部遮挡或避让光线。

作为优选，当所述第一绕组磁轭与转子的一磁极正对时，第二绕组磁轭与转子的两个相邻磁极的间隙中部正对。

作为优选，所述步进电机的单步步进为18°。

作为优选，所述挡光部件为自固定端向活动端的两侧逐渐延伸的扇面结构，所述挡光部设置于该扇面结构的弧形边缘内侧。

作为优选，所述挡光部件的固定端与活动端通过一连接部件连接，所述挡光部为形成于挡光部件活动端的垂直于光路延伸方向且能够在需要时完全挡住光线的板状结构。

作为优选，所述光路开关还包括用于固定和支撑所述步进电机的支撑组件。

作为优选，所述支撑组件包括支撑座及套筒，所述步进电机固定于所述套筒内，所述套筒固定于所述支撑座上。

作为优选，所述支撑座靠近挡光部件的一端设置有第一限位部件和第二限位部件，所述第一限位部件和第二限位部件分别设置于挡光部件两侧，其中，第一限位部件与第二限位部件之间的限定的范围并不对挡光部件的活动端的转动范围构成限制。

作为优选，所述控制组件包括控制模块及与其连接的驱动模块，所述控制模块包括STM32F单片机，所述驱动模块DRV8812集成芯片。

本发明的另一个方面，提供一种光源装置，其包括发光组件及如上所述的光路开关，所述光路开关设置于发光组件的光线出射路径上，光路开关的挡光部件可受控转动从而阻断或避让出所述光线的出射路径，实现光源装置的开启或关闭。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过控制步进电机定子绕组的电流大小及方向，实现对步进电机前半程双相加速、后半程双相减速的驱动，有效提高了光路开关的动作速度，可以满足小型化光路（尤其量子绝对重力仪等精密仪器）的快速开关需求；此外，在保持位采用了单线圈维持，功耗小（相比传统的双相维持减小了一半），同时，也使得挡光动作时电子换向次数少，缩短了挡光时间。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明实施例中光路开关执行组件的立体结构示意图；

图2是本发明实施例中光路开关执行组件的侧视结构示意图；

图3是本发明实施例中光路开关执行组件进行挡光的结构示意图；

图4是本发明实施例中步进电机驱动方法的流程图；

图5是本发明实施例中步进电机驱动电路的电路连接原理图；

图6是本发明实施例中步进电机驱动电路的电路连接结构图；

图7是本发明实施例中驱动模块的内部逻辑图；

图8是本发明实施例中H桥电路的控制衰减方法示意图；

图9（a）本发明实施例中步进电机处于起始位时定子绕组与转子之间的位置关系示意图；

图9（b）本发明实施例中步进电机处于正向加速过程的某一时刻的定子绕组与转子之间的位置关系示意图；

图9（c）本发明实施例中步进电机处于正向减速过程的某一时刻的定子绕组与转子之间的位置关系示意图；

图9（d）本发明实施例中步进电机处于保持位时定子绕组与转子之间的位置关系示意图；

图10是本发明实施例中步进电机的控制时序图。

其中，1、支撑座；2、套筒；3、步进电机的输出端；4、挡光部件；5、光束；

11、第一限位部件；12、第二限位部件；

41、固定端；42、活动端。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以下对本实施例中的特定名词进行解释说明：一般情况下，在光路开关中，将挡光部件处于遮挡光路一侧的位置时，对应的步进电机的位置设定为步进电机的起始位，将挡光部件避让光路一侧的位置时，对应的电机的位置设定为步进电机的保持位，当然，也可以将挡光部件处于遮挡光路一侧的位置时，对应的步进电机的位置设定为步进电机的保持位，将挡光部件避让光路一侧的位置时，对应的步进电机的位置设定为步进电机的起始位，中间位的设定是根据驱动转子加、减速的时间节点确定，即步进电机在正向转动和反向转动过程中，中间位所处位置可能不同。

本实施例提供一种光路开关，其包括电源、控制组件及执行组件，所述电源、控制组件及执行组件互相连接，具体地，

所述执行组件设置于光路一侧，如图1及图2所示，其包括挡光部件4及与其连接的用于驱动其转动以开启或关断光路的步进电机，

所述步进电机包括转子和定子，转子具有沿其转动周向分布的至少四个磁极并且相邻磁极的极性不同，定子至少包括第一绕组和第二绕组，当第一绕组磁轭与转子的一个磁极相对时，第二绕组磁轭与转子的两个相邻磁极的间隙相对；第一绕组驱动转子转动时，通过调整电流方向驱动转子先加速后减速，同时，第二绕组对转子施加同向磁力；

所述挡光部件4具有固定端41及活动端42，所述固定端41与步进电机的输出端3连接，所述活动端42沿步进电机的某一径向向外延伸形成挡光部；

所述控制组件分别与所述第一绕组和第二绕组连接，通过控制所述第一绕组及第二绕组内的电流方向、大小来驱动所述步进电机转动，从而驱动所述挡光部件4转动以使其挡光部遮挡或避让光束5（参见图3：遮挡光线状态）。

作为优选，当所述第一绕组磁轭与转子的一磁极正对时，第二绕组磁轭与转子的两个相邻磁极的间隙中部正对。这样，一方面，当步进电机起步时，与转子两个相邻磁极的间隙中部正对的一个绕组可用于引导转子起步转动的方向，避免步进电机在起始时刻发生失步；另一方面，当步进电机驱动挡光部件4转动时，通过调整第一绕组和第二绕组中的电流方向，更为容易地实现对转子的同步加速或同步减速。

作为一种较优的实施方式，所述步进电机的单步步进为18°。

作为一种较优的实施方式，所述挡光部件4为自固定端41向活动端42的两侧逐渐延伸的扇面结构，所述挡光部设置于该扇面结构的弧形边缘内侧，在一些情况下，所述扇面结构的弧形的外边缘还可以调整为垂直于转子径向的直边。

作为一种较优的实施方式，所述挡光部件4的固定端41与活动端42通过一连接部件连接，所述挡光部为形成于挡光部件4活动端42的垂直于光路延伸方向且能够在需要时完全遮蔽光线的板状结构；优选地，所述固定端41、连接部件及活动端42之间为固定连接或一体成型。进一步优选地，所述挡光部件4与步进电机输出端之间的连接结构为：挡光部件4的固定端41形成有一连接槽，该连接槽与步进电机的输出端过盈配合；进一步优选地，上述连接结构还可以为，连接槽的内壁形成有纵向延伸的多个齿槽，该齿槽与步进电机的输出端啮合连接，这样，可有效避免在转动过程中，挡光部件4与步进电机的输出端发生相对位移。

作为一种较优的实施方式，所述光路开关还包括用于固定和支撑所述步进电机的支撑组件。

作为一种较优的实施方式，所述支撑组件包括支撑座1及套筒2，所述步进电机固定于所述套筒2内，所述套筒2固定于所述支撑座1上。

作为一种较优的实施方式，所述支撑座1靠近挡光部件4的一端设置有第一限位部件11和第二限位部件12，所述第一限位部件11和第二限位部件12分别设置于挡光部件4两侧，其中，第一限位部件11与第二限位部件12之间的限定的范围并不对挡光部件4的活动端42的转动范围构成限制，两者的存在是用于防止步进电机发生失步过冲，当挡光部件4转动至与靠近第一限位部件11的一端时，所述挡光部远离并完全避让光线，光路开关打开；当挡光部件4转动至靠近第二限位部件12一端时，所述挡光部完全遮蔽光线，光路开关关闭。

作为一种较优的实施方式，所述控制组件包括控制模块及与其连接的驱动模块，所述控制模块优选包括STM32系列单片机，具体的型号可为STM32 F103等，所述驱动模块优选DRV8812集成芯片。

本实施例还提供一种包含有上述的光路开关的光源装置，该光源装置还包括发光组件，所述光路开关设置于发光组件的光线出射路径上，光路开关的挡光部件4可受控转动从而挡住或避开所述光线出射路径，从而实现光源装置的开启或关闭。

本实施例还提供一种包含有上述光路开关的量子绝对重力仪，其包括通过电线和/或光纤相互连接的控制系统、激光系统和探头系统；所述控制系统包括相互连接的主控制器、控制组件及能够在需要时消除对应激光带的多个光路开关；其中，所述光路开光设置于激光系统的光线出射路径上，其包括电源、控制组件及执行组件，所述电源、控制组件及执行组件互相连接，具体地：

所述执行组件设置于激光系统出光光路的一侧，执行组件包括挡光部件4及与其连接的用于驱动其转动以开启或关断光路的步进电机，

所述挡光部件4具有固定端41及活动端42，所述固定端41与步进电机的输出端连接，所述活动端42沿步进电机的某一径向向外延伸形成挡光部；

所述步进电机包括转子和定子，转子具有沿其转动周向分布的至少四个磁极并且相邻磁极的极性不同，定子至少包括第一绕组和第二绕组，当第一绕组磁轭与转子的一个磁极相对时，第二绕组磁轭与转子的两个相邻磁极的间隙相对；第一绕组驱动转子转动时，通过调整电流方向驱动转子先加速后减速，同时，第二绕组对转子施加同向磁力；

所述控制组件分别与所述第一绕组和第二绕组连接，通过控制所述第一绕组及第二绕组内的电流方向、大小来驱动所述步进电机转动，从而驱动所述挡光部件4转动以使其挡光部遮挡或避让光线。

作为一种较优的实施方式，当所述第一绕组与转子的一个磁极磁轭正对时，第二绕组磁轭与转子的某两个相邻磁极的间隙中部正对。这样，一方面，当步进电机起步时，与转子某两个相邻磁极的间隙中部正对的一个绕组可用于引导转子起步转动的方向，避免步进电机在起始时刻发生失步；另一方面，当步进电机驱动挡光部件4转动时，通过调整A相绕组和B相绕组中的电流方向，可实现对转子的同步加速或同步减速。

作为一种较优的实施方式，所述步进电机的转动行程不小于激光系统光斑的直径。

作为一种较优的实施方式，所述步进电机为20步步进电机，其单步步进为18°，优选地，所述步进电机的第一绕组与第二绕组相互垂直设置。

作为一种优选的实施方式，当所述光斑直径为1-5mm时，所述步进电机的行程优选为转动一步，所述光斑直径为5-10mm时，所述步进电机的行程优选为转动两步。

作为一种较优的实施方式，所述挡光部件4为自固定端41向活动端42的两侧逐渐延伸的扇面结构，所述挡光部设置于该扇面结构的弧形边缘内侧，在一些情况下，所述扇面结构的弧形的外边缘还可以调整为垂直于转子径向的直边。

作为一种较优的实施方式，所述挡光部件4的固定端41与活动端42通过一连接部件连接，所述挡光部为形成于挡光部件4活动端42的垂直于光路延伸方向且能够在需要时完全遮蔽光线的板状结构；优选地，所述固定端41、连接部件及活动端42之间为固定连接或一体成型。进一步优选地，所述挡光部件4与步进电机输出端之间的连接结构为：挡光部件4的固定端41形成有一连接槽，该连接槽与步进电机的输出端过盈配合；进一步优选地，所述挡光部件4的固定端41还可以通过螺钉固定于步进电机的输出轴3上，再进一步优选地，上述连接结构还可以为，连接槽的内壁形成有纵向延伸的多个齿槽，该齿槽与步进电机的输出端啮合连接，这样，可有效避免在转动过程中，挡光部件4与步进电机的输出端发生相对位移。

作为一种较优的实施方式，所述光路开关还包括用于固定和支撑所述步进电机的支撑组件。优选地，所述支撑组件包括支撑座1及套筒2，所述步进电机固定于所述套筒2内，所述套筒2固定于所述支撑座1上。优选地，所述支撑座1靠近挡光部件4的一端设置有第一限位部件11和第二限位部件12，所述第一限位部件11和第二限位部件12分别设置于挡光部件4两侧，其中，第一限位部件11与第二限位部件12之间的限定的范围并不对挡光部件4的活动端42的转动范围构成限制，两者的存在是用于防止步进电机发生失步过冲，当挡光部件4转动至与靠近第一限位部件11的一端时，所述挡光部远离并完全避让光线，光路开关打开；当挡光部件4转动至靠近第二限位部件12一端时，所述挡光部完全遮蔽光线，光路开关关闭。

作为一种较优的实施方式，所述探头系统包括测量部分及支撑架，所述测量部分包括用于捕获原子并为其提供自由落体空间的超真空单元，该超真空单元外围配置有与所述激光系统联结并引导产生多个激光带的光路结构及与该光路结构配合以产生冷却、捕获原子的三维磁光阱的磁场单元；所述光路开关设置于所述激光系统与光路结构之间，当进行重力测量时，该控制系统通过控制光路开关的开启或闭合，进行瞬时的实现或消除所述激光带。

作为一种优选的实施方式，所述控制系统包括主控制器及与其连接的控制组件，该控制组件具有控制模块和与其连接的驱动模块，所述控制模块优选包括STM32系列单片机，具体的型号可为STM32 F103等，所述驱动模块优选DRV8812集成芯片。

本实施例还提供一种可应用于上述光路开关的步进电机的驱动方法，如图4所示，其包括如下步骤：

根据应用场景，预先设定步进电机转动行程；

当接收到正向转动命令时，通过控制第一绕组及第二绕组内的电流大小及方向，使第一绕组与第二绕组对转子施加同向磁力，促使步进电机转子正向旋转：自起始位开始先双相加速至转动行程的中间位，再驱动转子双相减速至保持位停止；

于保持位单线圈保持；

当接收到反向转动命令时，通过控制第一绕组及第二绕组内的电流大小及方向，使第一绕组与第二绕组对转子施加同向磁力，促使步进电机转子反向旋转：自保持位开始先驱动转子双相加速至转动行程的中间位，再驱动转子双相减速至起始位停止。

作为一种较优的实施方式，所述驱动步进电机于保持位单线圈保持的具体方法为：步进电机位于保持位时，调整与转子磁极正对的一个绕组的磁极方向，使其和与其正对的转子磁极相反，其他绕组断电，通过通电绕组和与其正对的磁极间的吸引力将步进电机限制于保持位。这样，在保持位采用单线圈维持，不仅功耗小（相比传统的双相维持的功耗至少减小一半），同时，也使得挡光动作时电子换向次数少，缩短了挡光时间。

作为一种较优的实施方式，所述驱动步进电机双相加速的具体方法为：调整步进电机绕组电流大小及方向，使其各绕组磁极和与其最接近的位于步进电机转动方向上游一侧的转子的磁极相反，从而通过磁场吸引力对转子施加正向转动。

作为一种较优的实施方式，所述驱动步进电机双相减速的具体方法为：调整步进电机绕组电流大小及方向，使其各绕组磁极和与其最接近的位于步进电机转动方向上游一侧的转子的磁极相同，从而通过磁场排斥力对转子施加反向加速度。

作为一种较优的实施方式，在步进电机双相加速的起步时刻，断开与转子的某一磁极正对的绕组的电流并维持时间t，使起步过程更为平顺，其中，t的维持时长不大于双相加速时长T1的1/3，理想情况下，t应为一极小值，即t越小越好。

作为一种较优的实施方式，该方法还包括根据所述转动行程获取最优加速时间T1及最优减速时间T2。

作为一种较优的实施方式，所述根据该转动行程获取最优加速时间T1及最优减速时间T2的方法为：在起始位驱动步进电机全程加速至转动行程的中间位，采集驱动步进电机加速所需时间T1；当步进电机转动至中间位时，驱动步进电机全程减速至停止，采集驱动步进电机减速所需时间，重复上述过程，并微调减速时间直至步进电机的输出端转动至保持位时刚好停止，获取步进电机减速所需时间T2。

本实施例还提供一种步进电机的驱动系统，该系统包括：控制模块及驱动模块，该控制部件与驱动模块连接，驱动模块与步进电机连接；

所述控制模块，用于发出正向转动命令或反向转动命令；

所述驱动模块，响应于正向转动命令，驱动步进电机执行如下动作：通过控制第一绕组及第二绕组内的电流大小及方向，使第一绕组与第二绕组对转子施加同向磁力，促使步进电机转子正向旋转：自起始位开始先双相加速至转动行程的中间位，再驱动转子双相减速至保持位停止；于保持位单线圈保持；响应于反向转动命令，通过控制第一绕组及第二绕组内的电流大小及方向，使第一绕组与第二绕组对转子施加同向磁力，促使步进电机转子反向旋转：自保持位开始先驱动转子双相加速至转动行程的中间位，再驱动转子双相减速至起始位停止。

作为一种较优的实施方式，所述步进电机包括转子和定子，转子具有沿其转动周向分布的至少四个磁极并且相邻磁极的极性不同，定子至少包括第一绕组和第二绕组，当第一绕组磁轭与转子的一个磁极相对时，第二绕组磁轭与转子的两个相邻磁极的间隙相对；第一绕组驱动转子转动时，通过调整电流方向驱动转子先加速后减速，同时，第二绕组对转子施加同向磁力。优选地，当所述第一绕组与转子的某一磁极正对时，第二绕组与转子的某两个相邻磁极的间隙中部正对，这样，一方面，当步进电机起步时，与转子某两个相邻磁极的间隙中部正对的一个绕组可用于引导转子起步转动的方向，避免步进电机在起始时刻发生失步；另一方面，当步进电机驱动挡光部件4转动时，通过调整第一绕组和第二绕组中的电流方向，可实现对转子的同步加速或同步减速。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，该计算机程序被处理执行时，实现上述的步进电机驱动方法。

下面，基于在量子绝对重力仪中的应用，对上述的步进电机驱动方法、系统、光路开关等进行详细说明：

根据上述驱动方法，其实现过程依附于下述电路：控制模块及驱动模块，具体地：如图5所示，控制组件优选单片机和驱动组件包括H桥路模块。直流电源给单片机及H桥路模块供电，控制信号的输出端接单片机的输入端，单片机的输出端接H桥路模块，H桥路模块的输出端接步进电机绕组线圈的正端，绕组线圈的负端接采样电阻并最终接地。

单片机的主要作用是接收外部触发信号，当收到该触发信号后，将会按照事先设定好的程序控制H桥路模块的开启与关断，从而实现步进电机最佳的运动过程。

H桥路模块的主要作用是控制步进电机绕组线圈电流的大小与方向，其中单相包含四个场效应管，共8个，通过控制不同的场效应管开启与关断来实现电流方向的调整。其中电流大小通过斩波调制的方法进行调节，通过将采样到的电流值与设定值进行比较，当超过该值就进行关断，低于该值进行开启，由于绕组线圈的电感效应，电流上升不会太快，因此不停的开关就可以将电流值稳定在某一数值。

图9（a）为适用于步进电机起始位或保持位（单线圈维持位）的定子绕组与转子位置关系的示意图，需要说明，若需要步进其他步数则需要对时序进行相应的修改，但各控制信号的作用都是一致的。结合图5及图6，步进电机的控制信号主要包括TTL控制信号、DECAY信号、绕组线圈电流使能控制信号ENABLE x、绕组线圈电流方向控制信号PHASE x 和绕组线圈电流大小控制信号xI0和xI1组成。其中x代表A相或B相。当单片机U1收到TTL控制信号（本实施例中，该信号来自于量子绝对重力仪的主控制器）后，便按照图10时序，对U2进行控制，来完成步进电机的旋转。

下面，对各控制信号的形式及功能进行详细说明：

本实施例所述的TTL控制信号是一种方波信号，用来控制步进电机的正反转，当该信号从高电平到低电平跳变的瞬间，单片机通过一系列的时序控制H桥路模块驱动步进电机完成正向旋转，当低电平往高电平跳变的瞬间，完成步进电机的反向旋转。

本实施例所述的DECAY信号是一种方波信号，该信号用来控制H桥路模块电流衰减方式，有快速衰减和慢衰减两种。当步进电机进行旋转时，通过两个相的电流迅速变化，此时希望电流变化越快越好，所以将DECAY置高电平，此时是快速衰减模式。当步进电机静止时，快速衰减会导致电流产生巨大的纹波，从而使步进电机的挡片在维持位置附近来回抖动，所以在挡片静止维持时将DECAY信号置低，此时是慢衰减模式。

本实施例所述的绕组线圈电流使能控制信号ENABLE x是一种方波信号。该控制信号用来控制绕组线圈电流的开启与关断。由于转子处于保持位时，选择单线圈维持的方式，此时若在步进电机开始运动时，直接反转绕组线圈电流方向，那么步进电机将可能处于失控状态，即步进电机即可以正向旋转也可以反向旋转，较易发生失步，因此，可以通过该ENABLE x调整相应绕组线圈内的电流方向，以引导步进电机向正确的方向转动。

参见图10，该时序图以B相作为保持相为例，静止时第一绕组通电，从而B相使能、A相不使能，使转子位置维持在与B相正对。正向运动时，先将B相不使能A相使能，使步进电机按指定方向缓慢运动一个微小角度，此时再将B相使能，两个绕组线圈同时给力进行加速，当转动角度过半后进行减速，最终在到达指定位置后B相使能维持，A相不使能。所以B相起到了维持加加减速的作用，A相只起到了加减速的作用。当然也可以将A相作为维持相。

本实施例所述的绕组线圈电流方向控制信号PHASE x 是一种方波信号。该控制信号用来控制绕组线圈电流的方向，从而来控制步进电机的加减速。以B相为维持相为例，当在静止位时，B相使能，B相给正向电流。由于A相不使能，所以A相电流正反方向不影响步进电机受力。当步进电机开始正向旋转时，此时A相给反向电流，A相使能，步进电机开始正向旋转，当旋转一微小角度后，B相给反向电流，与A相一同对步进电机转子进行加速。当步进电机旋转步进一步到达位置1后，不需要改变A相电流，A相就可以对转子进行减速，此时需要改变B相电流方向来实现对步进电机的减速，最终步进两步达到位置2。

本实施例所述的绕组线圈电流大小控制信号xI0和xI1是一种方波信号。当xI0的逻辑电平为1，xI1的逻辑电平为0时电流以38%的满电流进行输出，当xI0的逻辑电平为0，xI1的逻辑电平为1时电流以71%的满电流进行输出，当xI0的逻辑电平为0，xI1的逻辑电平为0时电流以100%的满电流进行输出.当步进电机静止时选用38%的电流进行维持，当步进电机加速旋转时通以71%的电流，若步进电机旋转频率不高可以选用100%的电流。虽然关断时间更快但会减少步进电机寿命并增大步进电机的发热量。

本实施例提供的用于实现步进电机驱动方法的电路主要由直流电源、控制信号、单片机和H桥路模块组成，电路原理如图5及图6所示。U1为单片机，具体型号为STM32F030F4P6。供电端连接到U1-5和U1-16并由一个去耦电容C10连接到地；一个电阻R9将单片机U1-1下拉到地。一个电阻R11，一个电容C11和开关S1组成的复位电路连接到U1-4；控制信号BPHASE连接到U1-6；控制信号APHASE连接到U1-9； 控制信号BENBL连接到U1-7；控制信号AENBL连接到U1-8；控制信号DECAY连接到U1-10；控制信号BI1连接到U1-11；控制信号BI0连接到U1-12；控制信号AI1连接到U1-13；控制信号AI0连接到U1-18；

U2为H桥路集成模块，采用集成芯片DRV8812，其内部逻辑如图7所示，同时，图8给出了其控制衰减方法，图8中，①表示驱动电流流向，②表示反向快速衰减过程，③表示慢速衰减过程。供电端连接到U2-4和U2-11；控制信号BPHASE连接到U2-23；控制信号APHASE连接到U2-20； 控制信号BENBL连接到U2-22；控制信号AENBL连接到U2-21；控制信号DECAY连接到U2-19；控制信号BI1连接到U2-27；控制信号BI0连接到U2-26；控制信号AI1连接到U2-25；控制信号AI0连接到U2-24；U2-1与U2-2中间连接一个电容C5；U2-3连接一个电阻R1与一个电容R2连接到供电端；U2-15参考电压输出端连接到U2-12和U2-13；U2-28和U2-14直接连接到地；U2-5连接到A相绕组线圈的正端；U2-7连接到A相绕组线圈的负端；U2-8连接到B相绕组线圈的正端；U2-10连接到B相绕组线圈的负端；U2-6连接一采样电阻R3到地；U2-9连接一采样电阻R4到地，满电流大小最终由采样电阻决定，电流大小计算公式为IA=3.3/（5*R3），IB=3.3/（5*R4）；

本实施例采用的直流电源是常用的线性稳压电源或者开关电源，供电电压9-30V，额定电压24V，维持状态额定电流0.1A左右，旋转时峰值电流0.5A左右，具体电流由供电电压及具体电机型号决定。

图9（a）为起始位时，步进电机转子与定子绕组的位置关系示意图。默认电流控制信号为低电平时，电流方向为正，该相极性为N。上电后，TTL控制电平默认为高，机械快门处于开启状态（若为低，则处于关断位置，下文以开启状态为初始位置来对时序进行说明）。此时单片机收到TTL控制信号为高电平，控制步进电机处于静止维持状态。具体控制时序为：

①将DECAY置低，电流处于慢衰减；

②将ENABLE A置低，A相无电流，不对步进电机转子产生力；

③将ENABLE B置高，B相有电流通过；

④PHASE A默认置低，因为此时A相无电流，正负均不影响；

⑤PHASE B置高，B相极性为S，与转子N相吸，使步进电机维持在图1位置；

⑥AI1 BI1置高，AI0 BI0置低，此时流过步进电机的电流为满电流的38%。

图9（b）为步进电机正向转动双相加速过程的某一时刻，步进电机转子与定子绕组的位置关系示意图，若需要将静止维持状态的步进电机进行关断光路的操作（默认步进电机顺时针反向旋转为正向关断光路操作），只需要将TTL控制高电平置低，单片机在检测到TTL控制信号为低时，输出下列控制时序，使步进电机开始加速旋转，具体控制时序为：

①将DECAY置高，电流处于快衰减；

②将ENABLE A置高，A相有电流通过；

③将ENABLE B先置低时间t，再立刻置高；

④PHASE A置低，A相极性为N，给步进电机正向加速力；

⑤PHASE B置低，B相极性为N，给步进电机正向加速力；

⑥AI1 BI1置低，AI0 BI0置高，此时流过步进电机的电流为满电流的71%。

步骤③先置低时间t，再立刻置高。因为此时B相极性为N，与转子极性相斥，步进电机即可以正向旋转亦可以反向旋转。当转子在A相的作用下旋转微小角度后立刻置高，此时由于极性相斥B相给步进电机正向加速力。

图9（c）为步进电机正向转动双相减速过程的某一时刻，步进电机转子与定子绕组的位置关系示意图，需要说明，由于步进电机旋转过程分为加速过程与减速过程，加速过程A相B相均给转子一正向加速力，减速过程则需要给转子反向减速力，应用中，根据转子磁极的极性来确定A相B相极性并最终确定电流方向，具体控制时序为：

①将DECAY置高，电流处于快衰减；

②将ENABLE A置高，A相有电流通过；

③将ENABLE B置高，B相有电流通过；

④PHASE A仍置低，不用改变电平逻辑，A相极性为N，给步进电机正向减速力；

⑤PHASE B置高，B相极性为S，给步进电机正向减速力；

⑥AI1 BI1置低，AI0 BI0置高，此时流过步进电机的电流为满电流的71%。

单线圈维持位置的好处除了减少功耗，另一优点是线圈A不需要改变通过的电流方向，即可以实现前半程（0-18度）加速，后半程减速（18-36度），相比双线圈维持位置减少了3-5次的电子换向时间，可以将关断时间缩短1ms以上。

图9（d）为步进电机处于保持位时，步进电机转子与定子绕组的位置关系示意图，具体控制时序为：

①将DECAY置低，电流处于慢衰减；

②将ENABLE A置低，A相无电流通过；

③将ENABLE B置高，B相有电流通过；

④PHASE A默认置低，因为此时A相无电流，正负均不影响；

⑤PHASE B置低，B相极性为N，给步进电机维持力；

⑥AI1 BI1置高，AI0 BI0置低，此时流过步进电机的电流为满电流的38%。

此外，反向加速减速过程与正向基本一致，不再重复说明，控制步进电机从开启状态，到关断状态，再到开启状态的整个控制逻辑图如下所示：时间T表示整个关断或开启过程，T₁表示关断过程中的加速过程，T₂表示关断过程中的减速过程。

针对小光斑（3mm）进行挡光操作时，现有技术中，量子绝对重力仪的光路开关，关断时间约4.5ms，采用本驱动方法及电路，关断时间约3ms。经试验，其余测试条件均一致的情况下，采用相同挡光片，转动惯量约12 (克*平方毫米），采用上述的20步步进电机（单步18度），步进电机直径8mm，转子转动惯量2.75 (克*平方毫米），经测试，针对该小光斑测试关断与开启只需要步进电机步进一步。

针对大光斑（9mm）进行挡光操作时，现有技术中，量子绝对重力仪的光路开关只能进行单步来回，故无法适用该场景。采用传统的细分驱步法，关断时间约6ms，但由于没有引入减速过程，其关断过程会导致步进电机在关断位置来回抖动，最终停止时间需要约100ms-200ms。由于挡光片设计尺寸一般略大于光斑尺寸，所以这段时间可以认为还未挡光，也无法适用。而同条件下，采用本驱动方法及电路，整个步进电机步进过程约5ms，加速2.5ms减速2.5ms，步进到关断位置，基本无抖动，即可以实现快速关断的需求。其余测试条件均一致，采用相同挡光片，转动惯量约20 (克*平方毫米），采用20步步进电机（单步18度），步进电机直径8mm，转子转动惯量2.75 (克*平方毫米）。经试验，针对该大光斑进行挡光操作时，测试关断与开启需要步进电机步进两步；可见，基于上述驱动方法设计的机械快门，通过分析电机内部结构，使步进电机（以单步步进18°的步进电机为例）在运动的前半程双相加速，后半程（步进两步到36°）双相减速，使单步步进时间约为2.5ms，步进两步的时间约为5ms，并基本保持静止，挡光效率好，振动小，符合小型化光路的快速光开关需求。并且采用了单线圈作为维持位置，静止维持时功耗小（相比双相维持至少减小一半），挡光运动时电子换向次数少，缩短了挡光时间。本驱动方法不单适用两步步进，亦可以用于单步或多步步进，但步进数约多时序越复杂，参数调整难度越大。在采用单步步进18°的步进电机的情况下，一般1-5mm光斑比较适用单步驱动程序，5-10mm光斑适用两步步进程序。

综上所述，针对光路开关的步进电机的控制，本实施例采用直接控制绕组线圈电流的驱动方法，并采用单线圈作为维持位置，相比双线圈维持减小了电机上一半的功耗。另外由于单线圈的维持位步进两步，只需要B相在电机的减速过程进行一次电子换向，A相在加速减速过程都无需换向。线圈都有电感，每次换向都需要一定的时间，换向次数越多电机步进时间也就越长。若是采用双线圈的维持位开始运动，则双相线圈都要进行5次的电子换向，常用的小体积步进电机线圈电感都较大，多次的换向可能会使关断时间增加1-2ms，并因此无法满足快速光开关的使用需求。

此外，需要说明的是：

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光路开关，其包括电源、控制组件及执行组件，所述电源、控制组件及执行组件互相连接，其特征在于，

所述执行组件设置于光路一侧，其包括挡光部件(4)及与其连接的用于驱动其转动以开启或关断光路的步进电机，

所述步进电机包括转子和定子，转子具有沿其转动周向分布的至少四个磁极并且相邻磁极的极性不同，定子至少包括第一绕组和第二绕组，当第一绕组磁轭与转子的一个磁极相对时，第二绕组磁轭与转子的两个相邻磁极的间隙相对；第一绕组驱动转子转动时，通过调整电流方向驱动转子先加速后减速，同时，第二绕组对转子施加同向磁力，实现对步进电机前半程双相加速、后半程双相减速的驱动；

所述挡光部件(4)具有固定端(41)及活动端(42)，所述固定端(41)与步进电机的输出端(3)连接，所述活动端(42)沿步进电机的某一径向向外延伸形成挡光部；

所述控制组件分别与所述第一绕组和第二绕组连接，通过控制所述第一绕组及第二绕组内的电流方向、大小来驱动所述步进电机转动，从而驱动所述挡光部件(4)转动以使其挡光部遮挡或避让光线。

2.根据权利要求1所述的一种光路开关，其特征在于，当所述第一绕组磁轭与转子的一磁极正对时，第二绕组磁轭与转子的两个相邻磁极的间隙中部正对。

3.根据权利要求2所述的一种光路开关，其特征在于，所述步进电机的单步步进为18°。

4.根据权利要求1所述的一种光路开关，其特征在于，所述挡光部件(4)为自固定端(41)向活动端(42)的两侧逐渐延伸的扇面结构，所述挡光部设置于该扇面结构的弧形边缘内侧。

5.根据权利要求1所述的一种光路开关，其特征在于，所述挡光部件(4)的固定端(41)与活动端(42)通过一连接部件连接，所述挡光部为形成于挡光部件(4)活动端(42)的垂直于光路延伸方向且能够在需要时完全挡住光线的板状结构。

6.根据权利要求1所述的一种光路开关，其特征在于，所述光路开关还包括用于固定和支撑所述步进电机的支撑组件。

7.根据权利要求6所述的一种光路开关，其特征在于，所述支撑组件包括支撑座(1)及套筒(2)，所述步进电机固定于所述套筒(2)内，所述套筒(2)固定于所述支撑座(1)上。

8.根据权利要求7所述的一种光路开关，其特征在于，所述支撑座(1)靠近挡光部件(4)的一端设置有第一限位部件(11)和第二限位部件(12)，所述第一限位部件(11)和第二限位部件(12)分别设置于挡光部件(4)两侧，其中，第一限位部件(11)与第二限位部件(12)之间的限定的范围并不对挡光部件(4)的活动端(42)的转动范围构成限制。

9.根据权利要求1所述的一种光路开关，其特征在于，所述控制组件包括控制模块及与其连接的驱动模块，所述控制模块包括STM32单片机，所述驱动模块DRV8812集成芯片。

10.一种光源装置，其特征在于，其包括发光组件及如权利要求1-9中任一项所述的光路开关，所述光路开关设置于发光组件的光线出射路径上，光路开关的挡光部件(4)可受控转动从而阻断或避让出所述光线的出射路径，实现光源装置的开启或关闭。

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