CN114979401A - 一种开环扫描机构及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开环扫描机构及控制方法，包括安装底座；驱动电机一端驱动连接丝杠；丝杠上设有滑块；驱动电机另一端设有精定位磁钢；滑块上设有粗定位磁钢；精定位霍尔位于精定位磁钢侧方；限位霍尔位于粗定位磁钢运动轨迹的一侧用以限定粗定位磁钢最大行程位置；粗定位霍尔位于粗定位磁钢回零方向的起点位置；驱动电机驱动丝杠转动形成滑块带动粗定位磁钢实现往复式水平运动；滑块带动粗定位磁钢沿丝杠长度方向滑动并与粗定位霍尔贴近；精定位磁钢与精定位霍尔通过转动切向接近以减小霍尔感应有效范围并配合粗定位霍尔实现精确回零；本发明各结构通过霍尔信号间逻辑配合，可实现不依赖编码器的开环控制方法，扫描机构有效实现小型化及便携性。

Description

一种开环扫描机构及控制方法
技术领域
本发明涉及驱动控制技术领域，尤其涉及一种开环扫描机构及控制方法。
背景技术
扫描机构在很多场景都有应用，比如光栅光谱仪、望远镜滤光片轮、经纬仪等。目前扫描机构设计而言，采用扫描电机配合编码器的闭环设计属于主流设计方案，其中编码器的码值反馈直接实现了扫描机构绝对位置的获取，进而使扫描驱动方法可以简单实现。
现有扫描机构仍存在以下缺陷：
该结构设计不可避免的增加了整个系统的体积与重量，难以满足某些载荷平台如星载、航测、舰载、球载等对探测系统仪器体积、重量、复杂度、成本等方面的苛刻要求。
针对现有扫描机构存在的问题，本专利提供一种小体积、高稳定性、高精度的扫描结构及控制逻辑、以满足对性价比、体积、重量等要求较为苛刻的实验条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种小体积，同时具有高稳定性、高精度且能满足对性价比、体积、重量等要求较为苛刻的实验条件的开环扫描机构及控制方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种开环扫描机构，包括：
安装底座；以及
驱动电机，所述驱动电机设置在安装底座上；
所述驱动电机的一端驱动连接丝杠；
所述丝杠上设有滑块；其中
所述驱动电机的另一端上设有精定位磁钢；
所述滑块上设有粗定位磁钢；
还包括：
霍尔组件，所述霍尔组件形成有精定位霍尔、限位霍尔和粗定位霍尔；
所述精定位霍尔位于精定位磁钢的侧方；
所述限位霍尔位于粗定位磁钢运动轨迹的一侧用以限定粗定位磁钢最大行程位置；
所述粗定位霍尔位于粗定位磁钢回零方向的起点位置；
所述驱动电机驱动丝杠转动形成滑块带动粗定位磁钢实现往复式水平运动；
所述滑块带动粗定位磁钢沿丝杠长度方向滑动并与粗定位霍尔贴近；
所述精定位磁钢与精定位霍尔通过转动切向接近以减小霍尔感应有效范围并配合粗定位霍尔实现精确回零。
一种开环扫描机构的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：驱动电机驱动精定位磁钢正转一圈，判断是否遇到精定位霍尔的有效信号，如精定位霍尔信号有效，继续执行步骤二，否则进行步骤五；
步骤二：驱动电机驱动精定位磁钢反向转动两圈，如精定位霍尔信号无效，则证明此时精定位霍尔信号有效但反向转动无效，此时滑块处于限位霍尔处，正向转动固定行程，返回有效行程范围内，然后执行步骤三；
如果反向转动两圈过程中精定位霍尔信号有效，则此时精定位霍尔信号有效且滑块不处在限位霍尔处，可直接执行步骤三；
步骤三：驱动电机驱动精定位磁钢反向转动指定步数并时刻判断粗定位霍尔信号有效性，当判断粗定位霍尔信号有效，执行步骤四，如步数走完粗定位霍尔信号依然无效，则直接执行步骤六；
步骤四：驱动电机驱动精定位磁钢正方向转动，转动过程中遇到精定位霍尔信号有效则停止转动，此处即为正常状态下的扫描零点；
步骤五：此时判断精定位霍尔信号失效，直接反向转动寻找粗定位霍尔，当粗定位霍尔信号有效则停止转动，并按照预设步数向正向进行转动，转动结束即为零点，该零点为精定位霍尔信号无效情况下的零点位置；
步骤六：步数走完，粗定位霍尔信号仍然为无效状态，则证明此时粗定位霍尔信号失效，正向旋转直至寻至限位霍尔，并反向转动固定步数，正向微调固定步数后，完成回零，此处为粗定位霍尔信号失效情况下的零点位置。
在上述技术方案中，本发明提供的一种开环扫描机构及控制方法，具有以下有益效果：
1、本发明所使用的机械结构仅包含必备机械部件，其中定位采用体积小巧的霍尔与磁钢代替编码器，可以有效缩减仪器体积、重量，提高性价比；
2、本发明中设计的回零控制逻辑可以在丝杠任意位置进行回零，且依靠精定位霍尔、粗定位霍尔与限位霍尔的协同配合极大提高了回零精度；
3、本发明充分考虑了丝杠往复结构特点，避免了回零过程中的堵转可能，且具备堵转自处理功能，提高了系统可靠性；
4、本发明中具有霍尔单点失效的故障预案，当存在三霍尔任一霍尔失效的情况下，回零及扫描过程依然可以实现，消除了扫描机构单点失效的风险。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种开环扫描机构的结构示意图；
图2为本发明提供的一种开环扫描机构的控制方法的回零逻辑控制流程图。
附图标记说明：
1、安装底座；2、驱动电机；3、丝杠；4、滑块；6、霍尔组件；
51、精定位磁钢；52、粗定位磁钢；
61、精定位霍尔；62、限位霍尔；63、粗定位霍尔。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
需要说明的是，本文所使用的的术语“上”、“一端”、“另一端”、“上端”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，类似的表述只是为了说明的目的，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。
参见图1～图2所示；
本发明的一种开环扫描机构，包括：
安装底座1；以及
驱动电机2，驱动电机2设置在安装底座1上；
驱动电机2的一端驱动连接丝杠3；
丝杠3上设有滑块4；其中
驱动电机2的另一端上设有精定位磁钢51；
滑块4上设有粗定位磁钢52；
还包括：
霍尔组件6，霍尔组件6形成有精定位霍尔61、限位霍尔62和粗定位霍尔63；
精定位霍尔61位于精定位磁钢51的侧方；
限位霍尔62位于粗定位磁钢52运动轨迹的一侧用以限定粗定位磁钢52最大行程位置；
粗定位霍尔63位于粗定位磁钢52回零方向的起点位置；
驱动电机2驱动丝杠3转动形成滑块4带动粗定位磁钢52实现往复式水平运动；
滑块4带动粗定位磁钢52沿丝杠3长度方向滑动并与粗定位霍尔63贴近；
精定位磁钢51与精定位霍尔61通过转动切向接近以减小霍尔感应有效范围并配合粗定位霍尔63实现精确回零。
具体的，本发明提供的一种开环扫描机构，其中丝杠3为转动机构与驱动电机2直接相连，即驱动电机2转动角度即为丝杠3转动角度；丝杠3带动滑块4进行滑动，即转动运动变为水平运动；该结构定位能力完全依赖霍尔信号，即霍尔传感器(霍尔组件6)与精定位磁钢51、粗定位磁钢52距离接近到一定程度后霍尔信号变为有效，其中霍尔组件6包括三处霍尔判断区，对应图1中的精定位霍尔61、限位霍尔62和粗定位霍尔63；滑块4携带粗定位磁钢52向两个方向滑动分别会靠近精定位霍尔61和粗定位霍尔63，但两个霍尔水平接触有效区域较宽且重复性不佳，于是在驱动电机2的另一端上增加精定位磁钢51、其与精定位霍尔61采用转动切向接近，此时霍尔感应有效范围极小，因此利用粗定位霍尔63配合精定位霍尔61可以实现精确回零；
同时，丝杠3旋转过程中利用实时判断精定位霍尔61信号的有效性可以实现防堵转处理，即当丝杠3转动一周均未碰到精定位霍尔61有效信号，则存在单向遇到限位霍尔62、精定位霍尔61失效、电机卡死等可能，进而切换反方向转动进一步进行状态确认。
优选的，各结构通过霍尔信号间的逻辑配合，可实现不依赖编码器的开环控制方法，在脱离编码器的存在后，扫描机构可有效实现小型化及便携性。
一种开环扫描机构的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：驱动电机2驱动精定位磁钢51正转一圈，判断是否遇到精定位霍尔61的有效信号，如精定位霍尔61信号有效，继续执行步骤二，否则进行步骤五；
步骤二：驱动电机2驱动精定位磁钢51反向转动两圈，如精定位霍尔61信号无效，则证明此时精定位霍尔61信号有效但反向转动无效，此时滑块4处于限位霍尔62处，正向转动固定行程，返回有效行程范围内，然后执行步骤三；
如果反向转动两圈过程中精定位霍尔61信号有效，则此时精定位霍尔61信号有效且滑块4不处在限位霍尔62处，可直接执行步骤三；
步骤三：驱动电机2驱动精定位磁钢51反向转动指定步数并时刻判断粗定位霍尔63信号有效性，当判断粗定位霍尔63信号有效，执行步骤四，如步数走完粗定位霍尔63信号依然无效，则直接执行步骤六；
步骤四：驱动电机2驱动精定位磁钢51正方向转动，转动过程中遇到精定位霍尔61信号有效则停止转动，此处即为正常状态下的扫描零点；
步骤五：此时判断精定位霍尔61信号失效，直接反向转动寻找粗定位霍尔63，当粗定位霍尔63信号有效则停止转动，并按照预设步数向正向进行转动，转动结束即为零点，该零点为精定位霍尔61信号无效情况下的零点位置；
步骤六：步数走完，粗定位霍尔63信号仍然为无效状态，则证明此时粗定位霍尔63信号失效，正向旋转直至寻至限位霍尔62，并反向转动固定步数，正向微调固定步数后，完成回零，此处为粗定位霍尔63信号失效情况下的零点位置。
回零转动重复性测试实验数据
回零起始位置 粗霍尔方向转动 限位霍尔方向转动 绝对回零步数
40.001mm 32002 2 32000
40.001mm 32006 6 32000
39.999mm 32006 6 32000
计算方式如下：
转动一圈360°，丝杠螺距前进0.5mm，一步0.9°；
360/0.9＝400，1圈需行进400步；
行进总步数＝距离/0.5×360°/0.9°；
40mm/0.5mm×360/0.9＝32000步；
其中，由固定位置40mm处，回粗定位霍尔63处步数不固定，存在几步误差，再寻精定位霍尔61，以此将误差消除；在实际测试中，所采用的的驱动电机2细分后步距角为0.9°，此时回零重复性可消除单步误差。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (2)

1.一种开环扫描机构，其特征在于，包括：
安装底座(1)；以及
驱动电机(2)，所述驱动电机(2)设置在安装底座(1)上；
所述驱动电机(2)的一端驱动连接丝杠(3)；
所述丝杠(3)上设有滑块(4)；其中
所述驱动电机(2)的另一端上设有精定位磁钢(51)；
所述滑块(4)上设有粗定位磁钢(52)；
还包括：
霍尔组件(6)，所述霍尔组件(6)形成有精定位霍尔(61)、限位霍尔(62)和粗定位霍尔(63)；
所述精定位霍尔(61)位于精定位磁钢(51)的侧方；
所述限位霍尔(62)位于粗定位磁钢(52)运动轨迹的一侧用以限定粗定位磁钢(52)最大行程位置；
所述粗定位霍尔(63)位于粗定位磁钢(52)回零方向的起点位置；
所述驱动电机(2)驱动丝杠(3)转动形成滑块(4)带动粗定位磁钢(52)实现往复式水平运动；
所述滑块(4)带动粗定位磁钢(52)沿丝杠(3)长度方向滑动并与粗定位霍尔(63)贴近；
所述精定位磁钢(51)与精定位霍尔(61)通过转动切向接近以减小霍尔感应有效范围并配合粗定位霍尔(63)实现精确回零。
2.一种开环扫描机构的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：驱动电机(2)驱动精定位磁钢(51)正转一圈，判断是否遇到精定位霍尔(61)的有效信号，如精定位霍尔(61)信号有效，继续执行步骤二，否则进行步骤五；
步骤二：驱动电机(2)驱动精定位磁钢(51)反向转动两圈，如精定位霍尔(61)信号无效，则证明此时精定位霍尔(61)信号有效但反向转动无效，此时滑块(4)处于限位霍尔(62)处，正向转动固定行程，返回有效行程范围内，然后执行步骤三；
如果反向转动两圈过程中精定位霍尔(61)信号有效，则此时精定位霍尔(61)信号有效且滑块(4)不处在限位霍尔(62)处，可直接执行步骤三；
步骤三：驱动电机(2)驱动精定位磁钢(51)反向转动指定步数并时刻判断粗定位霍尔(63)信号有效性，当判断粗定位霍尔(63)信号有效，执行步骤四，如步数走完粗定位霍尔(63)信号依然无效，则直接执行步骤六；
步骤四：驱动电机(2)驱动精定位磁钢(51)正方向转动，转动过程中遇到精定位霍尔(61)信号有效则停止转动，此处即为正常状态下的扫描零点；
步骤五：此时判断精定位霍尔(61)信号失效，直接反向转动寻找粗定位霍尔(63)，当粗定位霍尔(63)信号有效则停止转动，并按照预设步数向正向进行转动，转动结束即为零点，该零点为精定位霍尔(61)信号无效情况下的零点位置；
步骤六：步数走完，粗定位霍尔(63)信号仍然为无效状态，则证明此时粗定位霍尔(63)信号失效，正向旋转直至寻至限位霍尔(62)，并反向转动固定步数，正向微调固定步数后，完成回零，此处为粗定位霍尔(63)信号失效情况下的零点位置。
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