一種紅外連續變焦光學系統步進電機控制技術

崔躍剛,趙 昕,殷金堅

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著我國紅外成像總體技術的發展,傳統的單視場和雙視場紅外成像系統已不能滿足部分使用平臺的需要,因此基于連續變焦的紅外成像系統顯得尤為重要。通過連續改變光學系統焦距,從而得到不同大小的視場角、不同大小的影像和不同的景物范圍,并且在視場轉換過程中始終能夠保持圖像的連續性和像質的穩定性,對偵察目標既能作大范圍的探測監視,又能作小區域的觀察識別,且可保證中間過程不丟失目標,此類系統尤其對搜索和跟蹤高速運動目標非常有利,因此具備非常良好的光電偵察性能[1-2]。同傳統的雙視場式紅外光學系統不同,連續變焦光學系統是通過多片光學鏡片聯動實現全程對目標清晰成像。當前市場上紅外連續變焦光學控制系統大都采用凸輪結構,本方案采用雙步進電機控制鏡片隨動,有效降低了連續變焦系統對結構加工精度的依賴,同時降低了加工成本和光學系統的重量,在體積方面也優于凸輪結構。雙步進電機控制方案在多個項目中得到應用,可靠性得到了充分驗證。如何控制光學鏡片按設計的變焦曲線準確移動是連續變焦光學系統控制的關鍵[3-5]。本文從提高光學鏡片移動的精度和速度出發,重點介紹紅外連續變焦光學系統的步進電機變速控制技術和螺母間隙補償技術。

2 方案設計

2.1 總體方案設計

本方案采用的紅外連續變焦光學系統如圖1所示,采用雙步進電機同時驅動變焦鏡和補償鏡來實現連續變焦功能。

圖1 紅外連續變焦光學系統光路

變焦曲線如圖2所示,圖2中左邊曲線為變焦鏡運動軌跡曲線,右邊曲線為補償鏡運動軌跡曲線,從圖2中可以看出變焦鏡軌跡為線性運動,補償鏡軌跡為非線性軌跡,因此方案設計的重點在于如何保證變焦鏡和補償鏡的同步運動上。

圖2 連續變焦曲線

設計的系統接口板完成接口通訊、電機驅動、電源生成等功能,接口采用RS422通訊方式,可以接收上位機或其他主控設備的指令。總體控制系統結構框圖如圖3所示。

圖3 總體控制系統框圖

本方案從低成本和高可靠性方面考慮,采用了MCU+專用步進電機驅動芯片架構,MCU選用成熟穩定的C8051F121芯片,該芯片集成FLASH、串口、定時器、PCA、內部晶振等外設,能最大限度地降低系統設計復雜度,提升可靠性。步進電機驅動芯片選用THB6128,該芯片支持雙極性混合式步進電機,最高耐壓36 V,最大電流2.2 A,同時支持多種細分(1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128),芯片內部集成溫度保護及過流保護功能。步進電機選用E21H4AD-05,該電機為混合雙極性步進電機,工作電壓5 V,峰值功耗2.45 W,重量僅43 g,最大推力可達4.6 kg,單步步距為0.02 mm。

MCU完成步進電機驅動信號生成,由驅動芯片輸出步進電機驅動信號完成步進電機的運動控制。該光學系統通過仿真設計,變焦鏡和補償鏡運動軌跡是兩組離散數據擬合而成的曲線(如圖2所示),其中變焦鏡運行全程為53.6 mm,補償鏡運行全程距離為39.69 mm。為保證變焦鏡和補償鏡同步運動和運動的平穩性,光學系統設計時將變焦鏡和補償鏡的軌跡曲線分別進行了數字細分,變焦鏡運行軌跡是一跳直線,光學系統給出細分精度為0.1 mm。補償鏡運行軌跡為一條曲線,在短焦處運行細分步距最小,光學最小細分精度為0.02 mm。由于補償鏡軌跡曲線的非線性,我們以變焦鏡的細分跨度為判斷標識,當補償鏡的細分跨度不大于變焦鏡的細分跨度時,以補償鏡作為基準,反之以變焦鏡作為基準。電機細分數選擇1/16,即一個脈沖電機前進0.00125 mm,小于鏡子的最小細分精度(0.02 mm),因此可以最大化保證兩片鏡子的同步運動,以上所有的細分數據均存入MCU的片內FLASH中,掉電不丟失。

2.2 步進電機變速控制技術設計

在對步進電機進行控制的過程中,我們通常要求步進電機的頻率盡量快一些以提升步進電機的速度,但如果太快,則有可能產生失步,甚至堵轉,因為不同系列的步進電機的響應頻率是有限的,如圖4所示,以我們選用的步進電機E21H4AD-05為例,其響應頻率范圍為200～2200步/s。因為步進電機里面都有一個彈簧墊片,所有電機有一個固定的共振頻率,當脈沖頻率等于電機的共振頻率時,電機的噪音可能會出現明顯的變化,同時振動明顯增大。共振點因負載和應用的不同會有變化,通常發生在100～250 pps之間,在一些情況下步進電機有可能因為共振而失步。改變步進頻率是解決與共振有關問題最有效的方法,所以在設計中采用了微步細分(16細分)來減少共振問題,同時在電機運動過程中盡可能快的加速或降速通過共振區。

圖4 步進電機推力與脈沖頻率曲線

考慮到負載和變倍速度的折中,我們控制步進電機的最大脈沖速度為800步/s,步進電機在啟動時,以低于800步/s的速度運行,然后慢慢加速到800步/s以后,就以此速率恒速運行,當快要到達終點時,慢慢減速,使其在低于800步/s的速率下運行,直到電機停止運動,并走完規定的步數。這樣步進電機以最快的速度走完規定的步數,又不出現失步。該步進電機的步距為0.02 mm,以800步/s的狀態運動,速度可以達到0.02 mm×800=16 mm/s,以電機運行最長行程53.6 mm為例,電機運行完全程用時4 s左右,滿足常規連續變焦視場切換時間要求。其變速控制過程如圖5所示。

圖5 步進電機變速控制曲線

從圖中可以看出,要使電機走完一個過程所用時間最短,必須使電機提速與降速階段的時間最短。從設計角度考慮,將速度曲線轉變為MCU內定時器溢出時間,每次定時器溢出輸出一個驅動脈沖,電機走動一個微步,即用一系列梯形波來逼近實際的速度曲線,將得到的頻率-步長關系按公式(1)、公式(2)轉換成數組格式存入MCU的片內FLASH中。根據加速度公式,可以推導得出加速過程的脈沖速率公式:

(1)

式中,f為電機脈沖速度;g為初始脈沖速度;β為加速度;m為脈沖序列號;a為電機移動一個微步對應距離,在本方案中a=0.00125 mm。

由實際應用可知,電機在加速過程中產生的摩擦力及負載阻力起阻礙的作用,而在降速過程中起促進作用,因此降速過程的加速度可以比加速過程的加速度稍微大些。同理可推導減速過程的脈沖速率公式:

(2)

式中,f為電機脈沖速度;G為最大脈沖速度;γ為加速度;m為脈沖序列號;a為電機移動一個微步對應距離,在本方案中a=0.00125 mm。

2.3 步進電機螺母間隙補償技術設計

由于電機傳動軸和螺母之間存在著不可避免的間隙,當步進電機的轉動方向改變時,機械傳動耦合方向也發生改變,使電機傳動軸在剛開始處于空轉狀態,經過一段距離后電機傳動軸和螺母才處于緊耦合狀態,從而造成運動誤差。由于電機的轉向是程序設定的,因而在電機改變方向時對螺母間隙進行軟件補償,即可彌補機械傳動結構帶來的誤差,由于在本方案中我們采用了科克公司專業的電機導向螺桿組件和螺母,在機械加工上已經采用了間隙補償設計專利技術,可確保產品具有磨損自動補償、低摩擦阻力、壽命長等優點,通過實驗驗證本方案的傳動機構重復性非常好,因此通過軟件補償螺母間隙不會帶來額外的累積誤差,電機正轉/反轉的間隙值可以通過參數的形式存入MCU的片內FLASH中。軟件補償螺母間隙的流程圖見圖6。

圖6 軟件補償螺母間隙流程圖

3 實驗結果

在設計過程中,我們搭建了一款紅外連續變焦驗證系統,該系統采用基于中波320×256凝視焦平面紅外探測器組件的紅外機芯匹配焦距40～360 mm 的紅外連續變焦光學系統,由控制接口板完成步進電機的驅動控制及其他通訊控制,試驗成像結果見圖7。

圖7(a)和圖7(f)是焦距40 mm時的紅外圖像,也是熱像儀上電之后默認的視場,通過切換變焦,中間過程獲取了幾幅圖像,如圖7(b)～(e)所示,其中圖7(b)為中間視場(焦距為120 mm),圖7(c)為最小視場(焦距為360 mm),圖7(d)為中間視場(焦距為140 mm),圖7(e)為中間視場(焦距為100 mm)。通過仔細對比,整個過程圖像清晰。試驗結果證明本方案設計的紅外連續變焦步進電機控制精確,電機運行穩定平穩,實現了紅外連續變焦精確控制功能。

圖7 紅外連續變焦成像

4 總 結

步進電機控制技術是實現紅外連續變焦光學系統的一個關鍵技術。本文對步進電機變速控制技術和步進電機螺母間隙補償技術進行了研究,有效地實現了控制光學鏡片按設計的變焦曲線準確移動,對于不同設計參數的連續變焦光學系統,只需更改細分參數即可應用。實驗表明,本方案是有效可行的,對實現紅外連續變焦功能具有重要意義。