步进电机驱动型位移促动器的控制检测方法及其装置
专利汇可以提供步进电机驱动型位移促动器的控制检测方法及其装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且天文望远镜 步进 电机 驱动型位移促动器的检测方法，步骤如下：将位移促动器固定在微位移实验室的减震测试平台上，并在该位移促动器上设置轴向 力 和侧向力的 弹簧 加力模拟负载和被测棱镜；由工控机输出脉冲数和方向指令，驱动位移促动器的步进电机；在恒温20.0℃下，空气洁净度为千分级以下，利用双频激光干涉仪对位移促动器上的被测棱镜进行 采样 ，并记录数据；上述记录数据传给 激光器 读出系统及计算机，由计算机完成对位移促动器的性能测试的计算。本 发明 的方法及装置实现了 纳米级 的控制检测。检测结果表明位移促动器的 分辨率 ≤2nm，具有良好的单向重复性，位移 精度 (包括执行元件和电控)RMS≤50nm，能满足控制工程中的要求。，下面是步进电机驱动型位移促动器的控制检测方法及其装置专利的具体信息内容。
1.一种步进电机驱动型位移促动器的检测方法，步骤如下：将位移促动器固定在微位移实验室的减震测试平台上，并在该位移促动器上设置轴向力和侧向力的弹簧加力模拟负载和被测棱镜；由工控机输出脉冲数和方向指令，驱动位移促动器的步进电机；在恒温20.0℃下，空气洁净度为千分级以下，利用双频激光干涉仪对位移促动器上的被测棱镜进行采样，并记录数据；上述记录数据传给激光器读出系统及计算机，由计算机完成对位移促动器的性能测试的计算。
2.按照权利要求1所述的步进电机驱动型位移促动器的检测方法，其特征在于，所述的“轴向力和侧向力的弹簧加力模拟负载和被测棱镜”的具体操作是：分别在滑轮架和轴向挂重加载砝码模拟负载：两个轴向挂重，一个是用于施加侧向力，位于反射镜及其框架下方，另一个则通过一个滑轮架过渡板给促动器施加拉力，利用砝码模拟实际负载，并通过加载不同质量的砝码，来改变轴向力和侧向力的大小。
3.按照权利要求1所述的步进电机驱动型位移促动器的检测方法，其特征在于，所述的双频激光干涉仪对位移促动器上的被测棱镜进行采样的步骤是：双频激光装置产生频率相差几兆至几百兆赫兹的两种频率的激光f1和f2，它们在基准光束分光镜M1上分作二束；其中反射光中的f1和f2在光电检测器PD1上混频得到二光频的差频信号作为参考信号；透射光受干涉反射镜M2反射，经光学滤光器F2得到频率为f2的单频激光，它由参考用角反射镜M3反射后成为干涉仪的参考光束；透过M2的光束经光学滤光器F1后得到频率为f1的单频激光，经测量用角反射镜M4的反射，附加了镜面运动引起的多普勒频移Δf，以f1±Δf的光频在光电检测器PD2中和参考光频f2相混频，得到光学差频信号f2-(f1±Δf)＝(f2-f1)±Δf；由于光学差频(f2-f1)频率已进入到电信号处理的通频带内，因此，将PD1和PD2中检测到的两路外差信号经过电信号混频或作频率计数相减运算，即可以得到表征物体运动速度的光学差频信号Δf，并有：Δf=±(2λ)v]]>若用积分器累加差频信号的相位变化或者对差频信号的波数N计数，可得N=∫0tΔfdt=2λ∫0tvdt]]>=(2λ)L]]>式中，L为运动物体的位移，于是有双频干涉测量装置的测量公式：L=Nλ2.]]>
4.按照权利要求3所述的天文望远镜上步进电机驱动型位移促动器的检测方法，其特征在于，所述的检测方法中具体设置有以下步骤：单向分辨率测试以10秒为一个周期，每个周期分别指定不同的步数：16步，32步，320步，1250步；重复测量180个周期，通过实验数据分析位移促动器在不同步长下的分辨率；得到实验数据，将每个周期中促动器的实际位移量进行统计分析；每周期给定不同的步数16步，32步，320和1250步，促动器的平均位移量分别为27nm，53nm，531nm，2.11μm，分辨率稳定在1.7nm；对位移促动器采用开环控制，位移精度会随着位移量的增大而变大；空回测试空回测定方法是以10秒为一周期，每周期走1500步，向前走3个周期再反向走三个周期，如此反复进行数次，计算促动器在每次变方向时的空回值；针对在不同位置不同变向下的空回值不同，采用插表查询的方法进行补偿。
5.按照权利要求1或2或3或4所述的步进电机驱动型位移促动器的检测方法，其特征在于，工控机通过数据总线发出的控制位移量命令，采用光电隔离信号的驱动方法：工控机通过数据总线发出控制位移量的命令经过数据寄存器后用功率门电路接到光电隔离信号驱动电路，使位移促动器的控制与工控机只有信号连接而没有公共的地，阻断控制对象的地与计算机控制系统地之间的通路；在设计中采用OC门电路的输出方式。
6.一种权利要求1所述的步进电机驱动型位移促动器的检测装置，其结构是：在测试平台上通过装夹机构分别固定有位移促动器、被测棱镜和双频激光干涉仪，其中位移促动器的步进电机驱动器由工控机控制；该位移促动器通过轴向力和侧向力的弹簧加力模拟负载与被测棱镜联结；双频激光干涉仪的光轴对准被测棱镜，同时该激光干涉仪的输出接激光器读出系统，并与计算机连接。
7.按照权利要求6所述的步进电机驱动型位移促动器的检测装置，其特征在于，所述的“轴向力和侧向力的弹簧加力模拟负载”的结构是：分别设计滑轮架和轴向挂重加载砝码模拟负载：设置有两个轴向挂重，一个是用于施加侧向力，位于反射镜及其框架下方，另一个则通过一个滑轮架过渡板给促动器施加拉力，通过加载不同质量的砝码，来改变轴向力和侧向力的大小。
8.按照权利要求6所述的步进电机驱动型位移促动器的检测装置，其特征在于，所述的双频激光干涉仪采用ZLM800双频激光干涉仪，分辨率1.25nm；在测量距离范围为20mm内，绝对精度小于30nm；在测量较长距离时，其相对精度小于0.5ppmRMS。
9.按照权利要求6所述的步进电机驱动型位移促动器的检测装置，其特征在于，所述的检测装置中设有环境监测装置；在所述的检测装置外设置有机玻璃隔离墙和空气净化设备；整个装置采用不胀钢材料。
10.按照权利要求6或7或8或9所述的步进电机驱动型位移促动器的检测装置，其特征在于，工控机通过数据总线发出的控制位移量命令，采用光电隔离信号的驱动方法：工控机通过数据总线发出控制位移量的命令经过数据寄存器后用功率门电路接到光电隔离信号驱动电路，使位移促动器的控制与工控机只有信号连接而没有公共的地，阻断控制对象的地与计算机控制系统地之间的通路；在设计中采用OC门电路的输出方式。
步进电机驱动型位移促动器的控制检测方法及其装置
技术领域
背景技术
在天文望远镜的控制领域里，位移促动器常用的驱动电机是步进电机和直流电机等类型。直流电机型多用于闭环控制，电机同轴安装高精度的编码器，电机驱动器可直接对编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环。美国的KECK望远镜采用的就是直流电机驱动的机械液压式位移促动器，这种位移促动器可以实现4纳米的位移控制。混合式的步进电机型位移促动器具有断电保持功能，可用于开环控制，在望远镜上的典型应用就是美国的HET望远镜。HET望远镜拼接子镜使用的位移促动器是美国DIAMOND公司制造的步进电机型位移促动器。
对于应用拼接镜面主动光学技术的大型天文望远镜，位移促动器使用数量较多，并且同时具有以下特点：高精度，大行程；大负载，变负载；高可靠，低成本；低发热。采用步进电机型机械传动式位移促动器，不仅可以很好的满足控制系统的要求，还能大大降低工程成本。
在实际工程应用前对位移促动器进行测试与定标，保证购买和设计的位移促动器达到指标要求，对实现纳米级的开环控制起着决定性作用。但位移促动器属于高精度的微位移器件，目前还没有专门的检测部门对此类产品进行检验论证。
发明内容
完成上述发明任务的方案是：天文望远镜上步进电机驱动型位移促动器的检测方法，步骤如下：将位移促动器固定在微位移实验室的减震测试平台上，并在该位移促动器上设置轴向力和侧向力的弹簧加力模拟负载和被测棱镜；由工控机输出脉冲数和方向指令，驱动位移促动器的步进电机；在恒温20.0℃下，空气洁净度为千分级以下，利用双频激光干涉仪对位移促动器上的被测棱镜进行采样，并记录数据；上述记录数据传给激光器读出系统及计算机，由计算机完成对位移促动器的性能测试的计算。
所述的“轴向力和侧向力的弹簧加力模拟负载和被测棱镜”的具体操作是：分别在滑轮架和轴向挂重加载砝码模拟负载：两个轴向挂重，一个是用于施加侧向力，位于反射镜及其框架下方，另一个则通过一个滑轮架过渡板给促动器施加拉力，利用砝码模拟实际负载，并通过加载不同质量的砝码，来改变轴向力和侧向力的大小。
所述的双频激光干涉仪对位移促动器上的被测棱镜进行采样的步骤和原理如图2所示。双频激光装置L产生频率相差几兆至几百兆赫兹的两种频率的激光f1和f2，它们在基准光束分光镜M1上分作二束。其中反射光中的f1和f2在光电检测器PD1上混频得到二光频的差频信号作为参考信号。透射光受干涉反射镜M2反射，经光学滤光器F2得到频率为f2的单频激光，它由参考用角反射镜M3反射后成为干涉仪的参考光束。透过M2的光束经光学滤光器F1后得到频率为f1的单频激光，经测量用角反射镜M4的反射，附加了镜面运动引起的多普勒频移Δf，以f1±Δf的光频在光电检测器PD2中和参考光频f2相混频，得到光学差频信号f2-(f1±Δf)＝(f2-f1)±Δf。这相当于多普勒频移Δf对光学差频(f2-f1)的频率调制。由于光学差频(f2-f1)频率已进入到电信号处理的通频带内，因此，将PD1和PD2中检测到的两路外差信号经过电信号混频或作频率计数相减运算，即可以得到表征物体运动速度的光学差频信号Δf，并有：Δf=±(2λ)v]]>若用积分器累加差频信号的相位变化或者对差频信号的波数N计数，可得N=∫0tΔfdt=2λ∫0tvdt]]>=(2λ)L]]>式中，L为运动物体的位移，于是有L=Nλ2]]>这就是双频干涉测量装置的测量公式。
双频激光干涉仪的优点在于整个系统中的信号是在固定频率偏差f2-f1的状态下工作的，这就克服了单频干涉仪中采用直流零频系统所固有的复杂通道耦合、长期工作漂移等不稳定因素，提高了测量精度和对环境条件的适应能力。
完成上述检测方法所使用的装置是一种天文望远镜上步进电机驱动型位移促动器的检测装置，其结构是：在测试平台上通过装夹机构分别固定有位移促动器、被测棱镜和双频激光干涉仪，其中位移促动器的步进电机驱动器由工控机控制；该位移促动器通过轴向力和侧向力的弹簧加力模拟负载与被测棱镜联结；双频激光干涉仪的光轴对准被测棱镜，同时该激光干涉仪的输出接激光器读出系统，并与计算机连接。
所述的“轴向力和侧向力的弹簧加力模拟负载”的结构是：分别设计滑轮架和轴向挂重加载砝码模拟负载(如图15所示)，为测试位移促动器在大负载，变负载时的性能，设计了两个轴向挂重，一个是用于施加侧向力，位于反射镜及其框架下方，另一个则通过一个滑轮架过渡板给促动器施加拉力。利用砝码模拟实际负载，并通过加载不同质量的砝码，来改变轴向力和侧向力的大小，提高了测量的灵活性。整个实验装置能方便地使反射镜及激光干涉仪光轴与拉力轴线调整一致，并保证反射镜及框架安装稳妥，在工作中保持不动，提高了测量的准确性。
整个装置采用不胀钢材料，尽量消除在短距离测量中机械装置的热变形对于测量结果的影响。
检测实验中使用ZLM800双频激光干涉仪，分辨率可以达到1.25nm；在测量距离范围为20mm内，绝对精度小于30nm(RMS)；在测量较长距离时，其相对精度小于0.5ppmRMS。
优化方案中还可以在上述系统中设置有环境监测装置；在上述系统外设置有有机玻璃隔离墙。
整个装置采用不胀钢材料，尽量消除在短距离测量中机械装置的热变形对于测量结果的影响。
本发明提供的基于激光干涉仪的微位移测试系统(方法及装置)，采用光电隔离信号驱动方法，实现了纳米级的控制检测。利用该检测系统，对一种步进电机驱动型位移促动器进行了检测与定标。检测结果表明位移促动器的分辨率≤2nm，具有良好的单向重复性，位移精度(包括执行元件和电控)RMS≤50nm，与促动器理论分辨率基本一致，能满足控制工程中的要求。测试实验结果说明该检测系统可以达到纳米级的测量精度。对该检测系统稍加改造，还可以广泛地用于其他高精密仪器的非接触性测量。
附图说明
图1为位移促动器检测系统示意图；图2为双频激光干涉仪原理图；图3为实验原理方框图；图4为位移促动器控制接口逻辑图；图5～图12位移促动器的实际位移量进行统计分析曲线；图13为空回测试曲线局部放大图；图14为促动器在不同位置下对应的空回值；图15为步进电机驱动型位移促动器装置示意图。
具体实施方式
按以下步骤对天文望远镜上步进电机驱动型位移促动器进行检测：将位移促动器固定在微位移实验室的减震测试平台上，并在该位移促动器上设置弹簧加力模拟负载和被测棱镜；由工控机输出脉冲数和方向指令，驱动位移促动器的步进电机；在恒温20.0℃下，空气洁净度为千分级以下，利用双频激光干涉仪对位移促动器上的被测棱镜进行采样，并记录数据；上述记录数据传给激光器读出系统及计算机，由计算机完成对位移促动器的性能测试的计算。
以上方案中所述的测试平台是：微位移测试平台，是为完成拼接镜面主动光学位移促动器实验、检测与定标任务，确定位移促动器的行程、分辨率、非线性、精度和寿命等性能而建立的实验测试平台。实验系统框图如图1所示。
位移促动器控制电路见图3的实验原理方框图。
为了增强控制逻辑的抗干扰能力，采用光电隔离信号驱动方法：工控机通过数据总线发出控制位移量的命令，经过数据寄存器后用功率门电路接到光电隔离信号驱动电路，使位移促动器的控制与工控机只有信号连接而没有公共的地，从而阻断控制对象的地与计算机控制系统地之间的通路，大大提高了控制系统的抗干扰能力。又提高了位移促动器检测时的功率电源电压，在设计中采用OC门电路的输出方式。同时能够防止现场误接高压信号对计算机系统造成损坏。又提高输出通道的驱动能力，从而保证位移促动器带动负载移动的位移量由双频激光干涉仪精确检测送给计算机。
根据这个方案选用了HY-6130隔离型数字量I/O接口板。当电源电压Vcc＝5V时，每一路的驱动能力为20mA。
工控机(主机)通过数字输出接口发出控制命令，控制位移促动器的正方向位移，步进电机驱动器，采用PWM恒流双极性驱动，最大驱动电流1.2A/相，输入信号TTL兼容，光电隔离信号输入，具有最大64细分的运行模式选择。当输入控制信号停止施加约2秒后，电机电流只是额定值的一半，减少功耗。也就是说，步进电机在保持状态下，锁定在某相的时候，相应产生的热量就少。这对位移促动器的检测是比较有益的。
位移促动器的性能检测结果单向分辨率测试以10秒为一个周期，每个周期分别指定不同的步数：16步，32步，320步，1250步。重复测量180个周期，通过实验数据分析位移促动器在不同步长下的分辨率。得到实验数据，将每个周期中促动器的实际位移量进行统计分析如图5～12所示。
图5、图6位移促动器位移曲线局部放大图：实验条件：16步，方向向前；实验结果：分辨率为1.69nm；平均位移：27nm标准偏差：4.8nm。
图7、图8位移促动器位移曲线局部放大图：实验条件：32步，方向向前；实验结果：分辨率为1.66nm；标准偏差：4.3nm；平均位移：53nm。
图9、图10实验条件：320步；方向向前；分辨率1.66nm；平均位移量531nm；标准偏差19.5nm。
图11、图12实验条件：1250步；方向前进；平均步长：2.11um分辨率：1.69标准偏差：42nm；从图5～12可以看出，每周期给定不同的步数16步，32步，320和1250步，促动器的平均位移量分别为27nm，53nm，531nm，2.11μm，分辨率稳定在1.7nm。对位移促动器采用开环控制，位移精度(RMS)会随着位移量的增大而变大。在实际的共焦实验中，要求精位移精度均方根≤50nm，因此在几微米的位移量内，位移促动器能保证较高的分辨率和精度。
空回测试由于机械传动机构存在间隙，因此会出现空回现象。空回测定方法是以10秒为一周期，每周期走1500步，向前走3个周期再反向走三个周期，如此反复进行数次，计算促动器在每次变方向时的空回值。测量曲线如图9所示。
图13、图14空回测试曲线局部放大图以及促动器在不同位置下对应的空回值。实验测试的空回值数量级较大，是μm数量级的，且在不同位置不同变向下的空回值不同，可采用插表查询的方法进行补偿。
图15中的11为反射镜及其框架；12为干涉仪的调整座。
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