[发明专利]一种光学系统快速切换倍率的装置及切换方法

权利要求书

1.一种光学系统快速切换倍率的装置，其特征在于，该装置包括：数据处理模块、步进电机驱动电路、步进电机、光栅尺和BISS芯片电路；所述数据处理模块接收控制指令，计算并生成所述步进电机驱动电路的控制信号；所述步进电机驱动电路接收所述数据处理模块的控制信号，生成驱动所述步进电机运动的电流；所述电流控制所述步进电机，使光学系统进行变倍运动，并通过光栅尺测量位置数据；BISS芯片电路转译光栅尺原始数据和光学系统的位置，并将转译后的数据发送至数据处理模块，由所述数据处理模块重新计算并生成所述步进电机驱动电路的控制信号，形成闭环回路。

2.根据权利要求1所述的一种光学系统快速切换倍率的装置，其特征在于，所述步进电机驱动电路实现步进电机少细分和高速运转，与多细分和低速平稳的运转。

3.基于权利要求1或2所述的一种光学系统快速切换倍率的切换方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：在所述数据处理模块中设置中断触发；当所述数据处理模块接收到光栅尺反馈的位置数据后，判断光学系统所处的阶段：第一阶段距离目标位置较远，第二阶段距离目标位置较近；当处于第一阶段时，执行步骤二；当处于第二阶段时，执行步骤五；

步骤二：步进电机的初始状态为静止状态，步进电机驱动电路以较低的起始频率驱动步进电机，在低速阶段设定较高的加速度，此时速度呈指数型提升；随着速度的提高，加速度逐渐减小，步进电机的速度与时间的关系为：

其中a_i为根据变倍力矩需求和矩频特性曲线拟合出的参数；计算步进电机的速度，并判断步进电机的速度是否达到最高速度：当步进电机达到最高速度运转时，保持此速度，并返回步骤一；当步进电机未达到最高速度运转时，执行步骤三；

步骤三：步进电机驱动电路按照速度曲线驱动步进电机加速运转，判断步进电机是否发生堵转：当发生堵转时，执行步骤四；当没有发生堵转时，重新执行步骤三：

步骤四：装置将光学系统归位至初始位置，然后控制步进电机加速运转，并根据光栅尺的反馈光学系统的位置判断电机是否发生堵转：若电机没有发生堵转，则给电机继续加速；若电机发生堵转，则认为步进电机的输出力矩已经不足，此时将上一个能够正常运转的速度记为步进电机的最高转速，修改系统的最高转速，重新执行步骤一；

步骤五：第二阶段变倍结构距离目标位置较近，增加步进电机驱动电路细分，使步进电机减速并平稳运转，步进电机的速度与光学系统距离目标之间的距离之间ΔS的关系为：

v＝v₁-k₂ΔS

其中v₁为步进电机空载启动频率对应的转速，k₂为根据变倍结构的长度选取的常数参数；

步骤六：判断光学系统是否到达目标位置，如果是，停止并完成变倍程序；如果否，重新执行步骤一。

4.根据权利要求3所述的一种光学系统快速切换倍率的切换方法，其特征在于，所述步骤四还包括如下过程：在测量过程中驱动步进电机采用分段加速的策略，分为变加速度阶段和匀加速度阶段；在变加速度阶段，步进电机为初始静止状态，速度低、力矩余量充足，以较快的加速度运行；在速度达到v(t₀)后，对步进电机做匀加速控制，并记录数据，速度与时间的关系如公式所示。

式中的a_i与步骤二中的参数一致，为根据变倍力矩需求和矩频特性曲线拟合出的参数，k₁为根据变倍结构的长度选取的常数参数；设定v(t₀)的选择标准为：当步进电机以v(t₀)的速度运行时其输出力矩至少为变倍系统需求的最小力矩两倍以上。