專利名稱：步進電機驅(qū)動型位移促動器的控制檢測方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種天文望遠鏡上的步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測方法以及實現(xiàn)這種檢測方法的檢測裝置。
背景技術(shù)：
拼接鏡面主動光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，使得制造大口徑，高分辨率的天文望遠鏡成為現(xiàn)實。位移促動器是整個拼接鏡面系統(tǒng)的執(zhí)行元件，通過校正鏡面之間的相對位置，從而使望遠鏡系統(tǒng)獲得最好的像質(zhì)。
在天文望遠鏡的控制領(lǐng)域里，位移促動器常用的驅(qū)動電機是步進電機和直流電機等類型。直流電機型多用于閉環(huán)控制，電機同軸安裝高精度的編碼器，電機驅(qū)動器可直接對編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)。美國的KECK望遠鏡采用的就是直流電機驅(qū)動的機械液壓式位移促動器，這種位移促動器可以實現(xiàn)4納米的位移控制?；旌鲜降牟竭M電機型位移促動器具有斷電保持功能，可用于開環(huán)控制，在望遠鏡上的典型應(yīng)用就是美國的HET望遠鏡。HET望遠鏡拼接子鏡使用的位移促動器是美國DIAMOND公司制造的步進電機型位移促動器。
對于應(yīng)用拼接鏡面主動光學(xué)技術(shù)的大型天文望遠鏡，位移促動器使用數(shù)量較多，并且同時具有以下特點高精度，大行程；大負(fù)載，變負(fù)載；高可靠，低成本；低發(fā)熱。采用步進電機型機械傳動式位移促動器，不僅可以很好的滿足控制系統(tǒng)的要求，還能大大降低工程成本。
在實際工程應(yīng)用前對位移促動器進行測試與定標(biāo)，保證購買和設(shè)計的位移促動器達到指標(biāo)要求，對實現(xiàn)納米級的開環(huán)控制起著決定性作用。但位移促動器屬于高精度的微位移器件，目前還沒有專門的檢測部門對此類產(chǎn)品進行檢驗論證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明將提供一種用于大型天文望遠鏡拼接鏡面主動光學(xué)技術(shù)的步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測方法以及實現(xiàn)這種檢測方法的檢測裝置。
完成上述發(fā)明任務(wù)的方案是天文望遠鏡上步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測方法，步驟如下將位移促動器固定在微位移實驗室的減震測試平臺上，并在該位移促動器上設(shè)置軸向力和側(cè)向力的彈簧加力模擬負(fù)載和被測棱鏡；由工控機輸出脈沖數(shù)和方向指令，驅(qū)動位移促動器的步進電機；在恒溫20.0℃下，空氣潔凈度為千分級以下，利用雙頻激光干涉儀對位移促動器上的被測棱鏡進行采樣，并記錄數(shù)據(jù)；上述記錄數(shù)據(jù)傳給激光器讀出系統(tǒng)及計算機，由計算機完成對位移促動器的性能測試的計算。
所述的“軸向力和側(cè)向力的彈簧加力模擬負(fù)載和被測棱鏡”的具體操作是分別在滑輪架和軸向掛重加載砝碼模擬負(fù)載兩個軸向掛重，一個是用于施加側(cè)向力，位于反射鏡及其框架下方，另一個則通過一個滑輪架過渡板給促動器施加拉力，利用砝碼模擬實際負(fù)載，并通過加載不同質(zhì)量的砝碼，來改變軸向力和側(cè)向力的大小。
所述的雙頻激光干涉儀對位移促動器上的被測棱鏡進行采樣的步驟和原理如圖2所示。雙頻激光裝置L產(chǎn)生頻率相差幾兆至幾百兆赫茲的兩種頻率的激光f1和f2，它們在基準(zhǔn)光束分光鏡M1上分作二束。其中反射光中的f1和f2在光電檢測器PD1上混頻得到二光頻的差頻信號作為參考信號。透射光受干涉反射鏡M2反射，經(jīng)光學(xué)濾光器F2得到頻率為f2的單頻激光，它由參考用角反射鏡M3反射后成為干涉儀的參考光束。透過M2的光束經(jīng)光學(xué)濾光器F1后得到頻率為f1的單頻激光，經(jīng)測量用角反射鏡M4的反射，附加了鏡面運動引起的多普勒頻移Δf，以f1±Δf的光頻在光電檢測器PD2中和參考光頻f2相混頻，得到光學(xué)差頻信號f2-(f1±Δf)＝(f2-f1)±Δf。這相當(dāng)于多普勒頻移Δf對光學(xué)差頻(f2-f1)的頻率調(diào)制。由于光學(xué)差頻(f2-f1)頻率已進入到電信號處理的通頻帶內(nèi)，因此，將PD1和PD2中檢測到的兩路外差信號經(jīng)過電信號混頻或作頻率計數(shù)相減運算，即可以得到表征物體運動速度的光學(xué)差頻信號Δf，并有Δf=±(2λ)v]]>若用積分器累加差頻信號的相位變化或者對差頻信號的波數(shù)N計數(shù)，可得N=∫0tΔfdt=2λ∫0tvdt]]>=(2λ)L]]>式中，L為運動物體的位移，于是有L=Nλ2]]>這就是雙頻干涉測量裝置的測量公式。
雙頻激光干涉儀的優(yōu)點在于整個系統(tǒng)中的信號是在固定頻率偏差f2-f1的狀態(tài)下工作的，這就克服了單頻干涉儀中采用直流零頻系統(tǒng)所固有的復(fù)雜通道耦合、長期工作漂移等不穩(wěn)定因素，提高了測量精度和對環(huán)境條件的適應(yīng)能力。
完成上述檢測方法所使用的裝置是一種天文望遠鏡上步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測裝置，其結(jié)構(gòu)是在測試平臺上通過裝夾機構(gòu)分別固定有位移促動器、被測棱鏡和雙頻激光干涉儀，其中位移促動器的步進電機驅(qū)動器由工控機控制；該位移促動器通過軸向力和側(cè)向力的彈簧加力模擬負(fù)載與被測棱鏡聯(lián)結(jié)；雙頻激光干涉儀的光軸對準(zhǔn)被測棱鏡，同時該激光干涉儀的輸出接激光器讀出系統(tǒng)，并與計算機連接。
所述的“軸向力和側(cè)向力的彈簧加力模擬負(fù)載”的結(jié)構(gòu)是分別設(shè)計滑輪架和軸向掛重加載砝碼模擬負(fù)載(如圖15所示)，為測試位移促動器在大負(fù)載，變負(fù)載時的性能，設(shè)計了兩個軸向掛重，一個是用于施加側(cè)向力，位于反射鏡及其框架下方，另一個則通過一個滑輪架過渡板給促動器施加拉力。利用砝碼模擬實際負(fù)載，并通過加載不同質(zhì)量的砝碼，來改變軸向力和側(cè)向力的大小，提高了測量的靈活性。整個實驗裝置能方便地使反射鏡及激光干涉儀光軸與拉力軸線調(diào)整一致，并保證反射鏡及框架安裝穩(wěn)妥，在工作中保持不動，提高了測量的準(zhǔn)確性。
整個裝置采用不脹鋼材料，盡量消除在短距離測量中機械裝置的熱變形對于測量結(jié)果的影響。
檢測實驗中使用ZLM800雙頻激光干涉儀，分辨率可以達到1.25nm；在測量距離范圍為20mm內(nèi)，絕對精度小于30nm(RMS)；在測量較長距離時，其相對精度小于0.5ppmRMS。
優(yōu)化方案中還可以在上述系統(tǒng)中設(shè)置有環(huán)境監(jiān)測裝置；在上述系統(tǒng)外設(shè)置有有機玻璃隔離墻。
整個裝置采用不脹鋼材料，盡量消除在短距離測量中機械裝置的熱變形對于測量結(jié)果的影響。
本發(fā)明提供的基于激光干涉儀的微位移測試系統(tǒng)(方法及裝置)，采用光電隔離信號驅(qū)動方法，實現(xiàn)了納米級的控制檢測。利用該檢測系統(tǒng)，對一種步進電機驅(qū)動型位移促動器進行了檢測與定標(biāo)。檢測結(jié)果表明位移促動器的分辨率≤2nm，具有良好的單向重復(fù)性，位移精度(包括執(zhí)行元件和電控)RMS≤50nm，與促動器理論分辨率基本一致，能滿足控制工程中的要求。測試實驗結(jié)果說明該檢測系統(tǒng)可以達到納米級的測量精度。對該檢測系統(tǒng)稍加改造，還可以廣泛地用于其他高精密儀器的非接觸性測量。


圖1為位移促動器檢測系統(tǒng)示意圖；圖2為雙頻激光干涉儀原理圖；圖3為實驗原理方框圖；圖4為位移促動器控制接口邏輯圖；圖5～圖12位移促動器的實際位移量進行統(tǒng)計分析曲線；圖13為空回測試曲線局部放大圖；圖14為促動器在不同位置下對應(yīng)的空回值；圖15為步進電機驅(qū)動型位移促動器裝置示意圖。
具體實施例方式
實施例1，步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測方法及其裝置，參照圖1～圖4在測試平臺6上通過裝夾機構(gòu)5分別固定有位移促動器1、被測棱鏡2和雙頻激光干涉儀3，其中位移促動器1的步進電機驅(qū)動器由工控機(位移促動器控制盒)7控制；該位移促動器1通過彈簧加力模擬負(fù)載與被測棱鏡2聯(lián)接；雙頻激光干涉儀3的光軸對準(zhǔn)被測棱鏡2，同時該激光干涉儀3的輸出接激光器讀出系統(tǒng)9，并與計算機8連接。在系統(tǒng)中設(shè)置有環(huán)境監(jiān)測裝置4；在上述系統(tǒng)外設(shè)置有有機玻璃墻(防護罩)10。
按以下步驟對天文望遠鏡上步進電機驅(qū)動型位移促動器進行檢測將位移促動器固定在微位移實驗室的減震測試平臺上，并在該位移促動器上設(shè)置彈簧加力模擬負(fù)載和被測棱鏡；由工控機輸出脈沖數(shù)和方向指令，驅(qū)動位移促動器的步進電機；在恒溫20.0℃下，空氣潔凈度為千分級以下，利用雙頻激光干涉儀對位移促動器上的被測棱鏡進行采樣，并記錄數(shù)據(jù)；上述記錄數(shù)據(jù)傳給激光器讀出系統(tǒng)及計算機，由計算機完成對位移促動器的性能測試的計算。
以上方案中所述的測試平臺是微位移測試平臺，是為完成拼接鏡面主動光學(xué)位移促動器實驗、檢測與定標(biāo)任務(wù)，確定位移促動器的行程、分辨率、非線性、精度和壽命等性能而建立的實驗測試平臺。實驗系統(tǒng)框圖如圖1所示。
位移促動器控制電路見圖3的實驗原理方框圖。
為了增強控制邏輯的抗干擾能力，采用光電隔離信號驅(qū)動方法工控機通過數(shù)據(jù)總線發(fā)出控制位移量的命令，經(jīng)過數(shù)據(jù)寄存器后用功率門電路接到光電隔離信號驅(qū)動電路，使位移促動器的控制與工控機只有信號連接而沒有公共的地，從而阻斷控制對象的地與計算機控制系統(tǒng)地之間的通路，大大提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力。又提高了位移促動器檢測時的功率電源電壓，在設(shè)計中采用OC門電路的輸出方式。同時能夠防止現(xiàn)場誤接高壓信號對計算機系統(tǒng)造成損壞。又提高輸出通道的驅(qū)動能力，從而保證位移促動器帶動負(fù)載移動的位移量由雙頻激光干涉儀精確檢測送給計算機。
根據(jù)這個方案選用了HY-6130隔離型數(shù)字量I/O接口板。當(dāng)電源電壓Vcc＝5V時，每一路的驅(qū)動能力為20mA。
工控機(主機)通過數(shù)字輸出接口發(fā)出控制命令，控制位移促動器的正方向位移，步進電機驅(qū)動器，采用PWM恒流雙極性驅(qū)動，最大驅(qū)動電流1.2A/相，輸入信號TTL兼容，光電隔離信號輸入，具有最大64細(xì)分的運行模式選擇。當(dāng)輸入控制信號停止施加約2秒后，電機電流只是額定值的一半，減少功耗。也就是說，步進電機在保持狀態(tài)下，鎖定在某相的時候，相應(yīng)產(chǎn)生的熱量就少。這對位移促動器的檢測是比較有益的。
位移促動器的性能檢測結(jié)果單向分辨率測試以10秒為一個周期，每個周期分別指定不同的步數(shù)16步，32步，320步，1250步。重復(fù)測量180個周期，通過實驗數(shù)據(jù)分析位移促動器在不同步長下的分辨率。得到實驗數(shù)據(jù)，將每個周期中促動器的實際位移量進行統(tǒng)計分析如圖5～12所示。
圖5、圖6位移促動器位移曲線局部放大圖實驗條件16步，方向向前；實驗結(jié)果分辨率為1.69nm；平均位移27nm標(biāo)準(zhǔn)偏差4.8nm。
圖7、圖8位移促動器位移曲線局部放大圖實驗條件32步，方向向前；實驗結(jié)果分辨率為1.66nm；標(biāo)準(zhǔn)偏差4.3nm；平均位移53nm。
圖9、圖10實驗條件320步；方向向前；分辨率1.66nm；平均位移量531nm；標(biāo)準(zhǔn)偏差19.5nm。
圖11、圖12實驗條件1250步；方向前進；平均步長2.11um分辨率1.69標(biāo)準(zhǔn)偏差42nm；從圖5～12可以看出，每周期給定不同的步數(shù)16步，32步，320和1250步，促動器的平均位移量分別為27nm，53nm，531nm，2.11μm，分辨率穩(wěn)定在1.7nm。對位移促動器采用開環(huán)控制，位移精度(RMS)會隨著位移量的增大而變大。在實際的共焦實驗中，要求精位移精度均方根≤50nm，因此在幾微米的位移量內(nèi)，位移促動器能保證較高的分辨率和精度。
空回測試由于機械傳動機構(gòu)存在間隙，因此會出現(xiàn)空回現(xiàn)象?？栈販y定方法是以10秒為一周期，每周期走1500步，向前走3個周期再反向走三個周期，如此反復(fù)進行數(shù)次，計算促動器在每次變方向時的空回值。測量曲線如圖9所示。
圖13、圖14空回測試曲線局部放大圖以及促動器在不同位置下對應(yīng)的空回值。實驗測試的空回值數(shù)量級較大，是μm數(shù)量級的，且在不同位置不同變向下的空回值不同，可采用插表查詢的方法進行補償。
圖15中的11為反射鏡及其框架；12為干涉儀的調(diào)整座。
權(quán)利要求
1.一種步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測方法，步驟如下將位移促動器固定在微位移實驗室的減震測試平臺上，并在該位移促動器上設(shè)置軸向力和側(cè)向力的彈簧加力模擬負(fù)載和被測棱鏡；由工控機輸出脈沖數(shù)和方向指令，驅(qū)動位移促動器的步進電機；在恒溫20.0℃下，空氣潔凈度為千分級以下，利用雙頻激光干涉儀對位移促動器上的被測棱鏡進行采樣，并記錄數(shù)據(jù)；上述記錄數(shù)據(jù)傳給激光器讀出系統(tǒng)及計算機，由計算機完成對位移促動器的性能測試的計算。
2.按照權(quán)利要求1所述的步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測方法，其特征在于，所述的“軸向力和側(cè)向力的彈簧加力模擬負(fù)載和被測棱鏡”的具體操作是分別在滑輪架和軸向掛重加載砝碼模擬負(fù)載兩個軸向掛重，一個是用于施加側(cè)向力，位于反射鏡及其框架下方，另一個則通過一個滑輪架過渡板給促動器施加拉力，利用砝碼模擬實際負(fù)載，并通過加載不同質(zhì)量的砝碼，來改變軸向力和側(cè)向力的大小。
3.按照權(quán)利要求1所述的步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測方法，其特征在于，所述的雙頻激光干涉儀對位移促動器上的被測棱鏡進行采樣的步驟是雙頻激光裝置產(chǎn)生頻率相差幾兆至幾百兆赫茲的兩種頻率的激光f1和f2，它們在基準(zhǔn)光束分光鏡M1上分作二束；其中反射光中的f1和f2在光電檢測器PD1上混頻得到二光頻的差頻信號作為參考信號；透射光受干涉反射鏡M2反射，經(jīng)光學(xué)濾光器F2得到頻率為f2的單頻激光，它由參考用角反射鏡M3反射后成為干涉儀的參考光束；透過M2的光束經(jīng)光學(xué)濾光器F1后得到頻率為f1的單頻激光，經(jīng)測量用角反射鏡M4的反射，附加了鏡面運動引起的多普勒頻移Δf，以f1±Δf的光頻在光電檢測器PD2中和參考光頻f2相混頻，得到光學(xué)差頻信號f2-(f1±Δf)＝(f2-f1)±Δf；由于光學(xué)差頻(f2-f1)頻率已進入到電信號處理的通頻帶內(nèi)，因此，將PD1和PD2中檢測到的兩路外差信號經(jīng)過電信號混頻或作頻率計數(shù)相減運算，即可以得到表征物體運動速度的光學(xué)差頻信號Δf，并有Δf=±(2λ)v]]>若用積分器累加差頻信號的相位變化或者對差頻信號的波數(shù)N計數(shù)，可得N=∫0tΔfdt=2λ∫0tvdt]]>=(2λ)L]]>式中，L為運動物體的位移，于是有雙頻干涉測量裝置的測量公式L=Nλ2.]]>
4.按照權(quán)利要求3所述的天文望遠鏡上步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測方法，其特征在于，所述的檢測方法中具體設(shè)置有以下步驟單向分辨率測試以10秒為一個周期，每個周期分別指定不同的步數(shù)16步，32步，320步，1250步；重復(fù)測量180個周期，通過實驗數(shù)據(jù)分析位移促動器在不同步長下的分辨率；得到實驗數(shù)據(jù)，將每個周期中促動器的實際位移量進行統(tǒng)計分析；每周期給定不同的步數(shù)16步，32步，320和1250步，促動器的平均位移量分別為27nm，53nm，531nm，2.11μm，分辨率穩(wěn)定在1.7nm；對位移促動器采用開環(huán)控制，位移精度會隨著位移量的增大而變大；空回測試空回測定方法是以10秒為一周期，每周期走1500步，向前走3個周期再反向走三個周期，如此反復(fù)進行數(shù)次，計算促動器在每次變方向時的空回值；針對在不同位置不同變向下的空回值不同，采用插表查詢的方法進行補償。
5.按照權(quán)利要求1或2或3或4所述的步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測方法，其特征在于，工控機通過數(shù)據(jù)總線發(fā)出的控制位移量命令，采用光電隔離信號的驅(qū)動方法工控機通過數(shù)據(jù)總線發(fā)出控制位移量的命令經(jīng)過數(shù)據(jù)寄存器后用功率門電路接到光電隔離信號驅(qū)動電路，使位移促動器的控制與工控機只有信號連接而沒有公共的地，阻斷控制對象的地與計算機控制系統(tǒng)地之間的通路；在設(shè)計中采用OC門電路的輸出方式。
6.一種權(quán)利要求1所述的步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測裝置，其結(jié)構(gòu)是在測試平臺上通過裝夾機構(gòu)分別固定有位移促動器、被測棱鏡和雙頻激光干涉儀，其中位移促動器的步進電機驅(qū)動器由工控機控制；該位移促動器通過軸向力和側(cè)向力的彈簧加力模擬負(fù)載與被測棱鏡聯(lián)結(jié)；雙頻激光干涉儀的光軸對準(zhǔn)被測棱鏡，同時該激光干涉儀的輸出接激光器讀出系統(tǒng)，并與計算機連接。
7.按照權(quán)利要求6所述的步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測裝置，其特征在于，所述的“軸向力和側(cè)向力的彈簧加力模擬負(fù)載”的結(jié)構(gòu)是分別設(shè)計滑輪架和軸向掛重加載砝碼模擬負(fù)載設(shè)置有兩個軸向掛重，一個是用于施加側(cè)向力，位于反射鏡及其框架下方，另一個則通過一個滑輪架過渡板給促動器施加拉力，通過加載不同質(zhì)量的砝碼，來改變軸向力和側(cè)向力的大小。
8.按照權(quán)利要求6所述的步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測裝置，其特征在于，所述的雙頻激光干涉儀采用ZLM800雙頻激光干涉儀，分辨率1.25nm；在測量距離范圍為20mm內(nèi)，絕對精度小于30nm；在測量較長距離時，其相對精度小于0.5ppmRMS。
9.按照權(quán)利要求6所述的步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測裝置，其特征在于，所述的檢測裝置中設(shè)有環(huán)境監(jiān)測裝置；在所述的檢測裝置外設(shè)置有機玻璃隔離墻和空氣凈化設(shè)備；整個裝置采用不脹鋼材料。
10.按照權(quán)利要求6或7或8或9所述的步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測裝置，其特征在于，工控機通過數(shù)據(jù)總線發(fā)出的控制位移量命令，采用光電隔離信號的驅(qū)動方法工控機通過數(shù)據(jù)總線發(fā)出控制位移量的命令經(jīng)過數(shù)據(jù)寄存器后用功率門電路接到光電隔離信號驅(qū)動電路，使位移促動器的控制與工控機只有信號連接而沒有公共的地，阻斷控制對象的地與計算機控制系統(tǒng)地之間的通路；在設(shè)計中采用OC門電路的輸出方式。
全文摘要
天文望遠鏡步進電機驅(qū)動型位移促動器的檢測方法，步驟如下將位移促動器固定在微位移實驗室的減震測試平臺上，并在該位移促動器上設(shè)置軸向力和側(cè)向力的彈簧加力模擬負(fù)載和被測棱鏡；由工控機輸出脈沖數(shù)和方向指令，驅(qū)動位移促動器的步進電機；在恒溫20.0℃下，空氣潔凈度為千分級以下，利用雙頻激光干涉儀對位移促動器上的被測棱鏡進行采樣，并記錄數(shù)據(jù)；上述記錄數(shù)據(jù)傳給激光器讀出系統(tǒng)及計算機，由計算機完成對位移促動器的性能測試的計算。本發(fā)明的方法及裝置實現(xiàn)了納米級的控制檢測。檢測結(jié)果表明位移促動器的分辨率≤2nm，具有良好的單向重復(fù)性，位移精度(包括執(zhí)行元件和電控)RMS≤50nm，能滿足控制工程中的要求。
文檔編號G01J9/02GK101029964SQ20071002062
公開日2007年9月5日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月16日
發(fā)明者張振超, 杜希霞, 戚永軍, 陳昆新 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所