CN113067510A - 一种电动调整镜控制方法、装置及电动调整镜系统 - Google Patents

一种电动调整镜控制方法、装置及电动调整镜系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动调整镜控制方法、装置及电动调整镜系统，该电动调整镜控制方法，该方法基于S形加减速算法对电动镜偏摆角度进行控制调整，通过控制步进电机的步长，使步进电机在开始状态、加速状态、最大速度状态、以及减速状态的过程中逐步调整电动镜偏摆角度，以使得电动调整镜最终达到偏摆角度目标值，使调整镜具有了良好的偏转速度，有效提高了激光发射设备的激光发射精度的同时满足了系统对反射镜的调整到位时间要求。该电动调整镜系统包括调整镜主体和驱动控制器，激光到达快速反射镜之后，核心控制模块实时发送镜面偏转角度；当下位机接收到上位机的位置信号后，通过电动调整镜控制方法驱动调整镜，从而达到控制镜面偏转的效果。

Description

一种电动调整镜控制方法、装置及电动调整镜系统
技术领域
本发明涉及光电扫描跟踪技术领域，尤其涉及一种电动调整镜控制方法、装置及电动调整镜系统。
背景技术
随着高能激光技术的不断发展，战术激光干扰武器、战略高能激光毁伤武器越来越多的得到应用。高能激光器作为激光武器系统的关键组件，其性能指标尤为重要。单台高能激光器对晶体、光学镀膜等光学元件有较高的技术要求，且体积大、成本高、周期长，限制了其在高能激光武器上的应用。目前，大多采用多台激光器合束的方法实现高能激光的输出。高能激光合束系统光学组件中的反射镜运行时需要满足快速高精度调整的要求，从而精确控制光束传输方向。
光束方向的快速高精度调整一种是采用快速反射镜，目前市面上的快速反射镜大多是采用压电陶瓷或者音圈电机的驱动方式，以追求于谐振频率，高带宽等指标。激光合束系统通常需要在进入工作状态前调整反射镜，在工作过程中不再移动，所以调整镜一般采用步进电机作为驱动的机械式微位移机构作为驱动方法。该方法具有较好的分辨率，行程较大，可自锁，工作过程中不需要加电，缺点是会存在机械间隙造成空回，因此，需要对镜面偏转的角度进行控制调整，快速反射镜的控制算法一般采用传统的PID控制算法进行镜面偏转的控制。但是PID控制算法的缺点是在细分固定的情况下没有办法同时保证驱动速度和精度。为了减少装备的准备时间，高能激光武器系统的合束系统对反射镜的调整到位时间和精度提出了更高的要求，调整镜需要在精准的前提下快速到位，传统的PID控制算法通常无法满足上述要求。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种电动调整镜控制方法、装置及电动调整镜系统，克服现有技术中采用PID算法进行控制无法导致调整速度的缺点，采用S形加减速控制算法控制电动调整镜的镜面偏转，提高了调整镜的调整速度。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电动调整镜控制方法，包括步骤：
S1、接收目标值，采集电动调整镜的偏摆角度信号；
S2、计算该偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，若该偏差值大于第一阈值，则执行步骤S3；若该偏差值小于等于第一阈值，则等待下一个目标值；
S3、采用变细分S形加减速方法对偏摆角度进行调节，使得所述偏摆角度达到目标值。
进一步的，所述步骤S3中，采用变细分S形加减速方法对偏摆角度进行调节，包括：
S31、控制电动调整镜中的步进电机预热第一预设时间；
S32、控制步进电机进入加速状态，通过所述偏差值得到此状态下所需的角度以及步长，并根据所述角度以及步长对步进电机进行控制；
S33、控制步进电机进入最大速度状态，计算此时偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，得到所需步长，使用全步进方式推进第一预定距离；
S34、控制步进电机进入减速状态，计算此时偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，得到所剩余步长，并根据所述剩余步长对步进电机进行控制。
进一步的，所述步骤S31中，控制电动调整镜中的步进电机预热第一预设时间，包括：
以1/16细分控制步进电机转动1″。
进一步的，所述步骤S32中，根据所述角度以及步长对步进电机进行控制，包括：
将所述剩余步长平均分为四份，分别使用1/8、1/4、1/2细分以及全步进状态对步进电机进行控制。
进一步的，所述步骤S33中，所述第一预定距离包括1/4距离。
进一步的，所述步骤S34中，根据所剩余步长对步进电机进行控制，包括：
将所剩余的步长均等的分成四份，分别通过1/2、1/4、1/8、1/16细分进行推进。
根据本发明的第二个方面，提供了一种电动调整镜控制装置，包括信号采集模块、偏差值判断模块、和控制调节模块；其中，
所述信号采集模块，采集电动调整镜的偏摆角度信号；
所述偏差值判断模块，计算该偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，若该偏差值大于1，则进行控制调节模块；若该偏差值小于等于1，则等待下一个目标值；
所述控制调节模块，采用变细分S形加减速方法对偏摆角度进行调节，使得所述偏摆角度达到目标值。
进一步的，所述控制调节模块包括：开始单元、加速单元、最大速度单元、以及减速单元；其中，
所述开始单元，控制电动调整镜中的步进电机预热第一预设时间；
所述加速单元，控制步进电机进入加速状态，通过所述偏差值得到此状态下所需的角度以及步长，并根据所述角度以及步长对步进电机进行控制；
所述最大速度单元，控制步进电机进入最大速度状态，计算此时偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，得到所需步长，使用全步进方式推进第一预定距离；
所述减速单元，控制步进电机进入减速状态，计算此时偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，得到所剩余步长，并根据所述步长对步进电机进行控制。
根据本发明的第三个方面，提供了一种电动调整镜系统，包括调整镜主体和驱动控制器；其中，
所述调整镜主体包括反射镜模块、刚性支承模块、精密调整模块、以及精密位移测量模块；
所述驱动控制器包括主控模块、驱动模块、检测电路模块以及通信模块；
所述主控模块接收上位机发送的控制信息，采用控制方法调整所述反射镜模块完成偏转，实现对光束的指向控制；
其中，所述控制方法包括如本发明第一个方面所述的电动调整镜控制方法。
进一步的，所述精密调整模块包括步进电机，所述步进电机与反射镜模块连接，通过转动螺杆的方式对所述反射镜模块进行驱动。
综上所述，本发明提供了一种电动调整镜控制方法、装置及电动调整镜系统，该电动调整镜控制方法，该电动调整镜控制方法基于S形加减速算法对电动镜偏摆角度进行控制调整，通过控制步进电机的步长，使步进电机在开始状态、加速状态、最大速度状态、以及减速状态的过程中逐步调整电动镜偏摆角度，以使得电动调整镜最终达到偏摆角度目标值，使调整镜具有了良好的偏转速度，有效提高了激光发射设备的激光发射精度的同时满足了系统对反射镜的调整到位时间要求。该电动调整镜系统包括调整镜主体和驱动控制器，激光到达快速反射镜之后，核心控制模块通过USB接口与上位机通信，实时发送镜面偏转角度；当下位机接收到上位机的位置信号后，通过电动调整镜控制方法驱动调整镜，从而达到控制镜面偏转的效果。
附图说明
图1是本发明电动调整镜控制方法的流程图；
图2是本发明电动调整镜控制装置的构成框图；
图3是本发明电动调整镜系统的工作原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的第一个实施例，提供了一种电动调整镜控制方法，该控制方法的流程图如图1所示，包括步骤：
采集电动调整镜的偏摆角度信号。可以通过电动调整镜系统中的精密位移测量模块对电动调整镜的偏摆角度信号进行检测和输出。
接收目标值，并计算该偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，若该偏差值大于第一阈值，则执行下一步调整步骤，即进入变细分S形加减速方法对电动调整镜的偏摆角度进行调整；若该偏差值小于等于第一阈值，则等待下一个目标值。其中，第一阈值例如可以设置为1。目标值通常由上位机下达，当激光到达快速反射镜之后，驱动控制器通过通信模块与上位机通信，实时发送镜面偏转角度信号；当接收到上位机的位置信号目标值后，计算实际采集的偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，然后当偏差值大于第一阈值时，对电动调整镜的偏摆角度进行调整，从而达到控制镜面偏转的效果。当偏差值在可接受范围内时，即不大于第一阈值时，则不需要进行调整，继续等待下一个目标值，在等待到接收下一个目标值之后，对目标值进行更新，重新进入偏摆角度采集以及比较的步骤。
采用变细分S形加减速方法对偏摆角度进行调节，使得所述偏摆角度达到目标值。变细分S形加减速方法共包括5个状态：空闲状态、开始状态、加速状态、最大速度以及减速状态。在未接收到调整指令时，处于空闲状态。
当收到目标位置调整指令后，即当偏摆角度信号与目标值之间的偏差值大于第一阈值时，需要对电动调整镜的偏摆进行调节，会首先进入开始状态：
控制电动调整镜中的步进电机预热第一预设时间：在以1/16细分控制步进电机转动第一预设时间后进入加速状态，该第一预设时间通常可以设置为1″。
控制步进电机进入加速状态，该加速状态持续的时间可以通过偏摆角度信号与目标值之间的偏差值来确定，例如可以为调整该偏差值的3/8。在加速状态中首先通过偏摆角度目标值与偏摆角度实际值之间的偏差值计算得到此状态下所需的角度以及步长，可以通过如下方式对该角度以及步长进行计算：在发出指令的时刻，首先根据偏差值计算出除最后状态，即减速状态外，各个状态的运行角度，然后再控制调整镜开始运动，由于运行角度是经过标定的，从而可以确定步进电机在各个状态下需要运行的步长，在最后的减速状态通过闭环处理到位后停止。
然后将所需调整的步长平均分为四份，分别使用1/8、1/4、1/2细分以及全步进状态进行电机控制，之后则进入最大速度状态中。
控制步进电机进入最大速度状态，在此状态中再次采集此时的偏摆角度，计算此时的偏摆角度实际值与偏摆角度目标值之间的偏差，得到所需的步长之后，使用全步进方式推进第一预定距离后进入到减速状态，该第一预定距离可以设置为1/4距离，该距离的单位是角秒，指的是偏摆角度偏差值的1/4。
控制步进电机进入减速状态，在减速状态中再次采集偏摆角度，计算此时偏摆角度实际值与偏摆角度目标值的偏差值，通过偏摆角度实际值与偏摆角度目标值的偏差值将剩下的步长均等的分成四份，之后分别通过1/2、1/4、1/8、1/16细分进行推进，最终达到目标值。
在上述每个状态调节完成之后，根据该状态的控制步骤通过输出步进电机控制信号对偏转位置进行调节，即完成了对偏转位置的调节。
根据本发明的第二个实施例，提供了一种电动调整镜控制装置，该控制装置的构成框图如图2所示，该装置包括：信号采集模块、偏差值判断模块、和控制调节模块。
信号采集模块，采集电动调整镜的偏摆角度信号。采集电动调整镜的偏摆角度信号。可以通过电动调整镜系统中的精密位移测量模块对电动调整镜的偏摆角度信号进行检测和输出。
偏差值判断模块，计算该偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，若该偏差值大于第一阈值，则进行控制调节模块；若该偏差值小于等于第一阈值，则等待下一个目标值。接收目标值，并计算该偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，若该偏差值大于第一阈值，则进入控制调节模块，采用变细分S形加减速方法对电动调整镜的偏摆角度进行调整；若该偏差值小于等于第一阈值，则等待下一个目标值。其中，第一阈值例如可以设置为1。目标值通常由上位机下达，当激光到达快速反射镜之后，驱动控制器通过通信模块与上位机通信，实时发送镜面偏转角度信号；当接收到上位机的位置信号目标值后，计算实际采集的偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，然后当偏差值大于第一阈值时，对电动调整镜的偏摆角度进行调整，从而达到控制镜面偏转的效果。当偏差值在可接受范围内时，即不大于第一阈值时，则不需要进行调整，继续等待下一个目标值，在等待到接收下一个目标值之后，对目标值进行更新，重新进入偏摆角度采集以及比较。
控制调节模块，采用变细分S形加减速方法对偏摆角度进行调节，使得所述偏摆角度达到目标值。所述控制调节模块进一步包括：开始单元、加速单元、最大速度单元、以及减速单元。
开始单元，控制电动调整镜中的步进电机预热第一预设时间：在以1/16细分控制步进电机转动第一预设时间后进入加速状态，该第一预设时间通常可以设置为1″。
加速单元，首先通过偏摆角度目标值与偏摆角度实际值之间的偏差值计算得到此状态下所需的角度以及步长，然后将步长平均分为四份，分别使用1/8、1/4、1/2细分以及全步进状态进行电机控制，之后则进入最大速度单元中。
最大速度单元，再次计算偏摆角度实际值与偏摆角度目标值之间的偏差，得到所需的步长之后，使用全步进方式推进第一预定距离后进入到减速状态，该第一预定距离可以设置为1/4距离。
减速单元，通过偏摆角度实际值与偏摆角度目标值的偏差将剩下的步长均等的分成四份，之后分别通过1/2、1/4、1/8、1/16细分进行推进，最终达到目标值。
根据本发明的第三个实施例，提供了一种电动调整镜系统，该系统的工作原理示意图如图3所示，包括调整镜主体和驱动控制器。进一步的，所述调整镜主体包括反射镜模块、刚性支承模块、精密调整模块、以及精密位移测量模块；所述驱动控制器包括主控模块、驱动模块、以及通信模块。所述反射镜模块包括主反射镜，主反射镜通过刚性支承模块支撑。所述精密调整模块包括步进电机，所述步进电机与该主反射镜连接，通过转动螺杆的方式对所述主反射镜进行驱动。精密调整模块包括步进电机，所述步进电机与反射镜模块连接，通过转动螺杆的方式对所述反射镜模块进行驱动。调整镜的微位移由精密位移测量模块进行检测和位置输出，经由检测电路发送到CPU，CPU再通过与上位机进行通信得到目标角度与传感器得到的角度的差值，进行相应算法输出后，使调整镜偏转到相应的角度。所述精密位移测量模块可以包括位移传感器和角度传感器，对调整镜的微位移进行检测和位置输出，经由检测电路发送到主控模块，例如为CPU，CPU采用可以TI公司最适用于数字控制的C2000系列产品，TMS320F28379S控制芯片，也可以根据实际需要采用本领域通常能够采用的其他CPU芯片。角度传感器可以使用电涡流传感器，探头固定于镜面镜托后，信号通过SPI通信的方式与控制芯片进行通信。步进电机驱动芯片可以采用DRV8886芯片。
所述主控模块接收上位机发送的控制信息，采用控制方法调整所述反射镜模块完成偏转，实现对光束的指向控制。其中，所述控制方法可以采用如本发明第一个实施例所提供的电动调整镜控制方法，具体的流程在此不再赘述。该电动调整镜的工作流程可以如下：激光到达快速反射镜之后，核心控制模块通过USB接口与上位机通信，实时发送镜面偏转角度；当下位机接收到上位机的位置信号后，通过本发明第一个实施例所提供的电动调整镜控制方法来驱动调整镜，从而达到控制镜面偏转的效果。该电动调整镜系统通过采用上述电动调整镜控制方法对电动镜的偏转角度进行调整，能够较好的调整光束偏转方向，有效地提高了激光发射设备的激光发射精度。
采用本发明提供的电动镜调整控制方法用于电动调整镜系统的偏转角度调整，通过实验证实，使调整镜以频率1Hz运行+500″至-500″的阶跃信号，示波器记录PSD到位响应信号，响应时间小于3s。并且整个电动调整镜的控制精度不受转动范围大小的影响，本发明提供的电动镜调整控制方法相对于现有技术，能够达到更高的偏转速度与偏转精度。
综上所述，本发明涉及一种电动调整镜控制方法、装置及电动调整镜系统，该电动调整镜控制方法，该电动调整镜控制方法基于S形加减速算法对电动镜偏摆角度进行控制调整，通过控制步进电机的步长，使步进电机在开始状态、加速状态、最大速度状态、以及减速状态的过程中逐步调整电动镜偏摆角度，以使得电动调整镜最终达到偏摆角度目标值，使调整镜具有了良好的偏转速度，有效提高了激光发射设备的激光发射精度的同时满足了系统对反射镜的调整到位时间要求。该电动调整镜系统包括调整镜主体和驱动控制器，激光到达快速反射镜之后，核心控制模块通过USB接口与上位机通信，实时发送镜面偏转角度；当下位机接收到上位机的位置信号后，通过电动调整镜控制方法驱动调整镜，从而达到控制镜面偏转的效果。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种电动调整镜控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1、接收目标值，采集电动调整镜的偏摆角度信号；
S2、计算该偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，若该偏差值大于第一阈值，则执行步骤S3；若该偏差值小于等于第一阈值，则等待下一个目标值；
S3、采用变细分S形加减速方法对偏摆角度进行调节，使得所述偏摆角度达到目标值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用变细分S形加减速方法对偏摆角度进行调节，包括：
S31、控制电动调整镜中的步进电机预热第一预设时间；
S32、控制步进电机进入加速状态，通过所述偏差值得到此状态下所需的角度以及步长，并根据所述角度以及步长对步进电机进行控制；
S33、控制步进电机进入最大速度状态，计算此时偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，得到所需步长，使用全步进方式推进第一预定距离；
S34、控制步进电机进入减速状态，计算此时偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，得到剩余步长，并根据所述剩余步长对步进电机进行控制。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S31中，控制电动调整镜中的步进电机预热第一预设时间，包括：
以1/16细分控制步进电机转动1″。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S32中，根据所述角度以及步长对步进电机进行控制，包括：
将所述步长平均分为四份，分别使用1/8、1/4、1/2细分以及全步进状态对步进电机进行控制。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S33中，所述第一预定距离包括1/4距离。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S34中，根据所剩余步长对步进电机进行控制，包括：
将所述剩余步长均等的分成四份，分别通过1/2、1/4、1/8、1/16细分进行推进。
7.一种电动调整镜控制装置，其特征在于，包括信号采集模块、偏差值判断模块、和控制调节模块；其中，
所述信号采集模块，采集电动调整镜的偏摆角度信号；
所述偏差值判断模块，计算该偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，若该偏差值大于1，则进行控制调节模块；若该偏差值小于等于1，则等待下一个目标值；
所述控制调节模块，采用变细分S形加减速方法对偏摆角度进行调节，使得所述偏摆角度达到目标值。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制调节模块包括：开始单元、加速单元、最大速度单元、以及减速单元；其中，
所述开始单元，控制电动调整镜中的步进电机预热第一预设时间；
所述加速单元，控制步进电机进入加速状态，通过所述偏差值得到此状态下所需的角度以及步长，并根据所述角度以及步长对步进电机进行控制；
所述最大速度单元，控制步进电机进入最大速度状态，计算此时偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，得到所需步长，使用全步进方式推进第一预定距离；
所述减速单元，控制步进电机进入减速状态，计算此时偏摆角度信号与目标值之间的偏差值，得到所剩余步长，并根据所述步长对步进电机进行控制。
9.一种电动调整镜系统，其特征在于，包括调整镜主体和驱动控制器；其中，
所述调整镜主体包括反射镜模块、刚性支承模块、精密调整模块、以及精密位移测量模块；
所述驱动控制器包括主控模块、驱动模块、检测电路模块以及通信模块；
所述主控模块接收上位机发送的控制信息，采用控制方法调整所述反射镜模块完成偏转，实现对光束的指向控制；
其中，所述控制方法包括如权利要求1-6中任意一项所述的电动调整镜控制方法。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述精密调整模块包括步进电机，所述步进电机与反射镜模块连接，通过转动螺杆的方式对所述反射镜模块进行驱动。
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