本發(fā)明涉及測試技術領域，特別涉及一種光柵定位裝置，還涉及一種光柵定位方法。

背景技術：

目前，光纖通信技術由于具有傳輸容量大、傳輸速率高、抗電磁干擾、保密性強等優(yōu)點，已經在軍事、工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療和科學研究等各個領域得到了飛速發(fā)展和廣泛應用。光柵旋轉型光譜分析儀是光纖通信系統(tǒng)中最通用的光頻率域測量儀器，其波長調諧是由分光單元衍射光柵的角位置控制的。入射光束由準直拋物面反射鏡準直后照射到衍射光柵上，不同的光沿著不同的角度發(fā)散。對每一個光柵角位置有一個相應波長的光最后通過拋物面反射鏡聚焦在出射狹縫的中心。轉動光柵使發(fā)散的光波長掃過狹縫，從而使單色儀成為一波長可調諧濾波器。因此光譜分析儀的波長準確度和分辨帶寬等參數(shù)是由光柵定位系統(tǒng)所決定，研究高精度的光柵定位系統(tǒng)對提高光柵旋轉型光譜分析儀的性能具有十分重要的意義。

實現(xiàn)高精度的光柵定位系統(tǒng)，目前常用的方法主要有二種：

一種是采用精密步進電機、高精度諧波減速器和角度傳感器組成位置開環(huán)或半閉環(huán)間接驅動控制，這種方式通過調節(jié)發(fā)送給步進電機脈沖的頻率來控制電機轉動速度，檢測角度傳感器的輸出，轉換成電機步數(shù)來定位，減速器用于提高定位精度。

這種方案中，步進電機與諧波減速器結合屬于間接驅動方案，為了滿足精度要求，一方面需要提高減速器的傳動精度，另一方面則需要進一步電子細分提高步進電機步距角的分辨率，越高要求的分辨率對電機性能和減速器要求越高，成本也相應的提高，伺服控制系統(tǒng)難度增大，同時步進電機易磨損，受外界環(huán)境影響大，系統(tǒng)使用壽命受到限制，并且存在機械傳動誤差和丟步的問題，該方案難以實現(xiàn)高精度的光柵定位。

另外一種方法是采用直流無刷電機和高精度光電編碼器組成位置閉環(huán)系統(tǒng)直接驅動控制，其定位精度主要依賴于光電編碼器精度，這種方式既能夠避免間接驅動存在的傳動誤差和傳動損耗，又具有快速、堅固、無回程差及對磨損或環(huán)境變化不敏感的優(yōu)點，被廣泛用于旋轉機構高精度定位系統(tǒng)中，但該方法伺服控制系統(tǒng)相對復雜，由于電機需要霍爾傳感器檢測位置進行換向，電機體積不能很緊湊，尺寸重量較大，并且容易存在位置盲區(qū)，同時高精度要求大大提高了對光電編碼器的分辨率要求，成本較高。

針對上述問題，亟需研究一種抗干擾性強，定位精度高，且成本低的高精度光柵定位系統(tǒng)用于光譜分析儀的研制開發(fā)及性能提高。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提出了一種有限轉角電機直驅的高精度光柵定位裝置及方法。

本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：

一種有限轉角電機直驅的高精度光柵定位裝置，包括：

電機驅動電路、有限轉角電機、全息衍射光柵、光電編碼器、插值電路及反饋控制電路；

有限轉角電機一端轉子直接穿過衍射光柵的底座，并保證光柵的質心位于轉軸上，定子固定在外散熱框架上，電機與負載剛性耦合連接，直接驅動光柵轉動；

光電編碼器檢測衍射光柵的角位置，其輸出端連接插值電路，插值電路對光電編碼器輸出的正余弦信號進行放大、變換后倍頻插值計數(shù)，經過插值后的輸出信號連接反饋控制電路；

反饋控制電路實現(xiàn)電流反饋和位置反饋雙閉環(huán)PID控制，電流環(huán)控制電磁力矩，進一步控制電機轉速，位置環(huán)控制定位精度，最終產生PWM調制信號輸入到電機驅動電路，電機驅動電路以此為依據(jù)產生驅動電壓控制電機轉動。

可選地，所述有限轉角電機中，轉子是永磁體磁極，定子為一個導磁的圓環(huán)，環(huán)形電樞繞組均勻且對稱分布的纏繞在圓環(huán)上，兩者反向串聯(lián)。

可選地，所述電機驅動電路采用H橋驅動形式，通過切換兩對MOS管控制有限轉角電機正反轉，通過改變PWM脈沖輸出的占空比控制有限轉角電機轉速；所述反饋控制電路經過PWM輸出模塊轉化為數(shù)字PWM脈沖輸出，經總線收發(fā)器構建緩沖電路確保后面模擬電路準確接收PWM信號，然后通過H橋進行PWM功率放大和同組MOS管導通，從而控制有限轉角電機正反向運動。

可選地，所述反饋控制電路調節(jié)PWM信號的占空比，經功率放大后產生不同的電壓，從而完成有限轉角電機轉速的控制。

可選地，所述光電編碼器采用正弦波輸出的增量式激光旋轉編碼器，通過法蘭盤固定在有限轉角電機穿過光柵座的轉軸上，并且保證其軸心落在電機轉軸上。

可選地，當光電編碼器內部激光源照射到光電編碼器的轉盤上時，轉盤上刻有等間隔的徑向狹縫讓光交替通過和不通過，通過狹縫的光首先通過一個有兩個附加狹縫圖形的相位板，這兩個狹縫圖形彼此錯開1/4柵距，然后由兩套探測器探測，把光信號轉變成電信號；相位板使兩套探測器接收到的光信號在相位上相差90°，通過狹縫的光由這兩個主要通道信號的正交關系判斷光電編碼器的轉動方向；另外還有第三個通道，每當光柵轉動一周提供一個索引脈沖，以確定光柵的絕對位置；兩個主要通道呈積分關系，輸出接近于正弦波，對于編碼器的每一道刻線，都將產生一個周期的正弦或余弦信號，信號的每個零交叉點都會累加一個位置計數(shù)，該計數(shù)提供了光柵位置的準確信息。

可選地，所述插值電路包括差分放大電路、比較電路、采樣保持放大電路、AD轉換電路、計數(shù)電路；

所述光電編碼器輸出兩路正交的正余弦信號第一輸出信號(A₁)和第二輸出信號(B₁)，首先通過差分放大電路對輸出信號進行兩級放大，放大后的第一輸出信號(A₁)和第二輸出信號(B₁)經過比較器產生與自己同步但相位相差90°的方波第三輸出信號(A₂)和第四輸出信號(B₂)，第三輸出信號(A₂)和第四輸出信號(B₂)由計數(shù)電路進行四倍頻計數(shù)，計算結果存入下位機CPU主控電路作為粗測位置信息，下位機CPU主控電路還根據(jù)第三輸出信號(A₂)相位是否超前第四輸出信號(B₂)判斷電機轉動方向；同時，第一輸出信號(A₁)和第二輸出信號(B₁)經過采樣保持放大電路再次進行放大，放大后的第五輸出信號(A₃)和第六輸出信號(B₃)經過模數(shù)轉換電路轉換為數(shù)字信號送入下位機CPU主控電路作為插值位置信息，下位機CPU主控電路根據(jù)插值位置信息對粗測位置信息進行六倍插值；最后，下位機CPU主控電路根據(jù)倍頻插值后的兩路數(shù)字化的正余弦信號計算出光柵當前位置信息。

可選地，所述插值電路控制插值比為8∶1。

可選地，所述反饋控制電路采用FPGA實現(xiàn)電流反饋和位置反饋雙閉環(huán)PID控制，電流環(huán)控制電磁力矩，進一步控制電機轉速，位置環(huán)控制定位精度，最終產生PWM調制信號輸入到電機驅動模塊；

在電機平穩(wěn)轉動時，電流環(huán)起主導作用，首先電流采集電路采集流過有限轉角電機內部的電流，轉換成反饋電壓，和控制電壓的誤差作為數(shù)字PID調節(jié)器的輸入，進而調節(jié)PWM輸出信號的占空比，經過電機驅動電路后調節(jié)電機驅動電壓的大小，從而準確控制電機轉速；

在電機啟動和制動過程中，位置環(huán)起主導作用，首先下位機CPU主控電路根據(jù)當前掃描波長點計算出光柵對應的轉角，并轉換成相應步數(shù)，作為位置環(huán)的目標位置信息，當前光柵位置通過經過插值后的光電編碼器的讀數(shù)反映出來，當前位置與目標位置的誤差作為數(shù)字PID調節(jié)器的輸入，進而調節(jié)PWM輸出信號。

本發(fā)明還提出了一種高精度光柵定位方法，利用上述定位裝置進行光柵定位。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)選用直流無刷電機代替步進電機或普通的直流無刷電機實現(xiàn)直接驅動光柵轉動，消除了傳動誤差和傳動損耗，并且具有機械結構簡單、體積小，無盲區(qū)等優(yōu)點；

(2)設計插值電路對裝置分辨率指標進行分配，大大降低了對電機和光電編碼器的性能要求，不僅極大的降低了研制和維修成本，而且降低了伺服控制電路的控制難度；

(3)設計基于FPGA的電流反饋和位置反饋雙閉環(huán)PID反饋控制電路，提高了光柵的旋轉定位的準確性、重復性和可靠性；

(4)抗干擾性強，分辨精度高，具有很強的實用性和通用性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明光柵定位裝置的系統(tǒng)框圖；

圖2為本發(fā)明的有限轉角電機組成結構示意圖；

圖3為本發(fā)明的有限轉角電機驅動電路工作原理圖；

圖4為本發(fā)明的插值電路系統(tǒng)框圖。

具體實施方式

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

目前為實現(xiàn)高精度的光柵旋轉定位系統(tǒng)，常用的方法是采用精密步進電機、高精度諧波減速器和角度傳感器組成位置開環(huán)或半閉環(huán)間接驅動控制，但該方法難以實現(xiàn)高精度速度控制，對電機和角度傳感器的性能要求高，因此研制和維修成本高，且伺服控制電路研制難度高，并且裝置易磨損，對環(huán)境變化敏感，定位的準確度受到限制。

光譜分析儀要求波長范圍為600～1700nm，最小分辨率為0.05nm，根據(jù)工作于Littrow條件下的光柵方程λ＝(2d/m)sinθ，可以計算得到對光柵定位裝置定位精度的要求。光柵刻線密度為1000l/mm，在1310nm波長上，光柵掃過1nm光譜帶寬時轉過的角度大約是660μrad。為了顯示窄譜寬的光信號，在儀器的最小可分辨譜寬0.05nm內至少要有10個數(shù)據(jù)點，這樣1nm內有200個數(shù)據(jù)點，即660μrad對應200個數(shù)據(jù)點，由此推算，系統(tǒng)對光柵角分辨率要求約為3.3μrad，光譜分析儀總掃描范圍為1100nm，光柵需要轉動0.726rad，即光柵的總轉動范圍約為40度。

為達到上述定位分辨率的要求，本發(fā)明提出一種有限轉角電機直驅的高精度光柵定位裝置，如圖1所示，包括：電機驅動電路、有限轉角電機、全息衍射光柵、光電編碼器、插值電路及反饋控制電路。

有限轉角電機一端轉子直接穿過衍射光柵的底座，并保證光柵的質心位于轉軸上，定子固定在外散熱框架上，電機與負載剛性耦合連接，直接驅動光柵轉動。

光電編碼器檢測衍射光柵的角位置，其輸出端連接插值電路，插值電路對光電編碼器輸出的正余弦信號進行放大、變換后倍頻插值計數(shù)，經過插值后的輸出信號連接反饋控制電路。

反饋控制電路采用FPGA實現(xiàn)電流反饋和位置反饋雙閉環(huán)PID控制，電流環(huán)控制電磁力矩，進一步控制電機轉速，位置環(huán)控制定位精度，最終產生PWM調制信號輸入到電機驅動模塊，電機驅動模塊以此為依據(jù)產生驅動電壓精準的控制電機轉動。

本發(fā)明的高精度光柵定位裝置實現(xiàn)了有限轉角電機和衍射光柵的雙閉環(huán)控制，定位精度高，抗干擾性強，光柵定位的角分辨率可達3.2μrad，具有很強的實用性和通用性。

實現(xiàn)高分辨率電機直驅光柵定位對系統(tǒng)的關鍵元件和設計過程提出嚴格的要求，下面對每一個關鍵部分進行詳細說明。

(1)有限轉角電機和驅動電路

使用普通的直流無刷電機直驅時，為了使電樞能夠不間斷旋轉，必須采用換向器才能使處于某一磁極下的繞組電流方向保持不變，從而使電磁轉矩的方向保持不變。由于光譜分析儀工作波長范圍的限制，光柵總旋轉范圍僅約為40度，本發(fā)明中提出使用有限轉角電機代替直流無刷電機，其組成結構如圖2所示。有限轉角電機是一類特殊的直流電機，只在一定角度范圍內圍繞中心線往復轉動，且沒有換向器和電刷，這種電機即消除了電刷摩擦造成的磨損和干擾，又能夠有效消除換向器帶來的位置盲區(qū)和機械結構復雜的問題，具有很小的力矩和轉速波動，非常適合小角度和高精度的控制。

在有限轉角電機中，轉子是永磁體磁極，定子為一個導磁的圓環(huán)，環(huán)形電樞繞組精密均勻且對稱分布的纏繞在圓環(huán)上，兩者反向串聯(lián)。有限轉角電機驅動原理框圖如圖3所示，驅動電路采用H橋驅動形式，通過切換兩對MOS管控制電機正反轉，通過改變PWM脈沖輸出的占空比控制電機轉速；反饋控制電路經過PWM輸出模塊轉化為數(shù)字PWM脈沖輸出，經總線收發(fā)器構建緩沖電路確保后面模擬電路能夠準確無誤的接收PWM信號，然后通過H橋進行PWM功率放大和同組MOS管導通，從而控制電機正反向運動；反饋控制電路可以調節(jié)PWM信號的占空比，經功率放大后產生不同的電壓，從而完成電機轉速的控制。

本發(fā)明裝置中采用的有限轉角電機工作角度范圍為90度，堵轉力矩大于0.4N·m，力矩波動小于3％。

(2)光電編碼器

本發(fā)明光柵定位裝置的光電編碼器采用正弦波輸出的增量式激光旋轉編碼器。激光旋轉編碼器是以高精度計量圓光柵為核心器件，通過光電轉換將輸入的角度信號轉化為相應電信號輸出的一種數(shù)字式角位置傳感器，具有測量精度和分辨率高、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好、遠距離傳輸?shù)韧怀鎏攸c。本發(fā)明裝置采用增量式激光旋轉編碼器，相對于絕對式編碼器，結構簡單，尺寸小，成本低，其轉盤上有60750條刻線，通過法蘭盤固定在有限轉角電機穿過光柵座的轉軸上，并且保證其軸心落在電機轉軸上。

當光電編碼器內部激光源照射到光電編碼器的轉盤上時，轉盤上刻有等間隔的徑向狹縫讓光交替通過和不通過，通過狹縫的光首先通過一個有兩個附加狹縫圖形的相位板，這兩個狹縫圖形彼此稍微錯開1/4柵距，然后由兩套探測器探測，把光信號轉變成電信號。相位板的作用是使兩套探測器接收到的光信號在相位上相差90°，通過狹縫的光由這兩個通道信號的正交關系可用于判斷編碼器的轉動方向。另外還有第三個通道，每當光柵轉動一周提供一個索引脈沖，以便確定光柵的絕對位置。兩個主要通道呈積分關系，輸出非常接近于正弦波，對于編碼器的每一道刻線，都將產生一個周期的正弦或余弦信號，所以，編碼器轉動一周，將產生60750個周期的正/余弦信號，信號的每個零交叉點都會累加一個位置計數(shù)，該計數(shù)提供了光柵位置的準確信息。

(3)插值電路

為了降低高精度光柵定位裝置對光電編碼器的要求，本發(fā)明裝置利用插值電路實現(xiàn)高分辨率的要求。如圖4所示，插值電路包括差分放大電路、比較電路、采樣保持放大電路、AD轉換電路、計數(shù)電路。

光電編碼器輸出兩路正交的正余弦信號A和B，首先通過差分放大電路對輸出信號進行兩級放大，放大后的輸出信號A₁和B₁經過比較器產生與自己同步但相位相差90°的方波A₂和B₂，信號A₂和B₂由計數(shù)電路進行四倍頻計數(shù)，計算結果存入下位機CPU主控電路作為粗測位置信息，下位機CPU主控電路還根據(jù)A₂相位是否超前B₂判斷電機轉動方向；同時，輸出信號A₁和B₁經過采樣保持放大電路再次進行放大，放大后的信號A₃和B₃經過模數(shù)轉換電路轉換為數(shù)字信號送入下位機CPU主控電路作為插值位置信息，下位機CPU主控電路根據(jù)插值位置信息對粗測位置信息進行六倍插值；最后，下位機CPU主控電路根據(jù)倍頻插值后的兩路數(shù)字化的正余弦信號計算出光柵當前位置信息。

本發(fā)明中，光電編碼器具有60750條刻線，計數(shù)電路通過過零點計數(shù)可對兩組方波信號A2和B2進行4倍頻計數(shù)，所以粗測后光柵每轉動一周可讀出60750×4＝243000個位置計數(shù)，插值電路中采用8位模數(shù)轉換器，理論上可達到256∶1的插值比，但如此高的插值比會導致輸出信號振幅和相位失真，且模數(shù)轉換器也存在非線性限制，因此控制插值比為8∶1，經過插值后光柵角分辨率為2π/(243000×8)＝3.2μrad，完全能夠滿足角分辨率的要求。

下位機CPU主控電路控制插值電路初始化，為專用計數(shù)電路提供時鐘信號，將光柵轉角值轉換為計數(shù)值，檢測該閉環(huán)系統(tǒng)是否正常，并一直處于命令接收狀態(tài)，根據(jù)接收到兩路正余弦信號的相位判斷電機運行狀態(tài)，如果是正轉狀態(tài)，則控制計數(shù)電路增加相應數(shù)值；如果是反轉狀態(tài)，則控制計數(shù)電路減小相應數(shù)值；如果既不是正轉也不是反轉，則報錯處理。

(4)反饋控制電路

為了使有限轉角電機按給定轉速和位置無靜差穩(wěn)定的運行，本發(fā)明反饋控制電路采用FPGA實現(xiàn)電流反饋和位置反饋雙閉環(huán)PID控制，電流環(huán)控制電磁力矩，進一步控制電機轉速，位置環(huán)控制定位精度，最終產生PWM調制信號輸入到電機驅動模塊。

在電機平穩(wěn)轉動時，電流環(huán)起主導作用，首先電流采集電路采集流過有限轉角電機內部的電流，轉換成反饋電壓，和控制電壓的誤差作為數(shù)字PID調節(jié)器的輸入，進而調節(jié)PWM輸出信號的占空比，經過電機驅動電路后調節(jié)電機驅動電壓的大小，從而達到準確控制電機轉速的目的。該反饋環(huán)的作用主要是：減小系統(tǒng)的過渡反應時間，加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度；抑制直流電源部分的紋波引起的電流波動。在電機啟動和制動過程中，位置環(huán)起主導作用，首先下位機CPU主控電路根據(jù)當前掃描波長點計算出光柵對應的轉角，并轉換成相應步數(shù)，作為位置環(huán)的目標位置信息，當前光柵位置通過經過插值后的光電編碼器的讀數(shù)反映出來，當前位置與目標位置的誤差作為數(shù)字PID調節(jié)器的輸入，進而調節(jié)PWM輸出信號。

本發(fā)明提出了一種應用于光柵旋轉型光譜分析儀的高精度光柵定位裝置，使用有限轉角電機代替步進電機或普通的直流無刷電機實現(xiàn)直接驅動光柵轉動，使用光電編碼器直接讀取光柵角位置，并使電機、光柵和光電編碼器保持同軸，本發(fā)明的裝置能夠避免間接驅動帶來的傳動誤差和傳動損耗，并且具有機械結構簡單、體積小、無盲區(qū)等優(yōu)點。

本發(fā)明的高精度光柵定位裝置中設計插值電路對光電編碼器輸出的正余弦信號進行放大、變換、倍頻和插值計數(shù)，并設計基于FPGA的電流反饋和位置反饋雙閉環(huán)PID反饋控制電路，大大降低了對光電編碼器的性能要求，不僅極大的降低了研制和維修成本，而且降低了伺服控制電路的控制難度，提高了光柵的旋轉定位準確性、重復性和可靠性。

本發(fā)明的高精度光柵定位裝置抗干擾性強，分辨精度高，具有很強的實用性和通用性。

本發(fā)明還提出了一種高精度光柵定位方法，利用上述定位裝置進行光柵定位，其定位原理已經在上述定位裝置中進行了闡述，這里不再贅述。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。