[发明专利]一种光学系统快速切换倍率的装置及切换方法

说明书

一种光学系统快速切换倍率的装置及其切换方法属于自动控制领域。该装置实时调整步进电机细分，确保步进电机在低速状态时平稳运转、静止状态时快速启动；使变倍光学系统在低温条件下以最快的速度完成倍率切换。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；数据处理模块接收控制指令，计算并生成步进电机驱动电路的控制信号；步进电机驱动电路接收数据处理模块的控制信号，生成驱动步进电机运动的电流；电流控制步进电机驱动光学结构运动，由光栅尺反馈结构的位置信息；BISS芯片电路转译光栅尺原始数据，将光学结构的位置信息发送至数据处理模块，由数据处理模块计算并生成步进电机驱动电路的控制信号，形成闭环回路。

技术领域

本发明属于自动控制领域，具体涉及一种光学系统快速切换倍率的装置及其切换方法。

背景技术

光电测量设备经常需要光学结构变倍来跟踪不同距离的目标，变倍过程要求切换速度快、精度高。步进电机是变倍结构常用的驱动单元，具有稳定性好、经济实用等优点，但存在以下四个问题：

(1)步进电机的启动频率不能高于其空载启动频率，否则步进电机在启动时容易丢步；

(2)随着步进电机运转速度的增加，反相电动势变大、相电流减小，导致步进电机的输出力矩迅速降低，容易造成电机堵转；

(3)步进电机处于高速运转不能精确控制停止，低速运转则容易产生振动；

(4)光学结构会随着温度的降低产生微弱形变，对步进电机的输出力矩需求产生变化，若步进电机仍按照常温设定高速运转，会因力矩不足发生堵转。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种光学系统快速切换倍率的装置及其切换方法。该装置可以实时的调整步进电机细分，采用多种控制策略，确保步进电机可以在低速状态时平稳运转、静止状态时快速启动；该装置还可以自动测量、调整步进电机的最高转速，使变倍光学系统在低温条件下仍能以最快的速度完成倍率切换。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种光学系统快速切换倍率的装置，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。

优选的，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。

一种光学系统快速切换倍率的切换方法，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；