特種光纖熔接機高速推進系統設計與實現

賀永亮

（中電科儀器儀表（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233010）

0 引 言

隨著“寬帶中國”戰略的實施，我國已經成為全球最主要的光纖光纜市場和全球最大的光纖光纜制造國，取得了引人注目的成就[1]。但是，在特殊性能和用途的特種光纖領域，我國和國外還有較大的差距。中國“光纖之父”趙梓森院士認為，國內特種光纖產業面臨的主要問題是核心技術的缺失，其中一個很重要的因素就是尚未有國產化的成熟商用特種光纖參數測試和專用的熔接處理設備。因此，快速突破特種光纖熔接處理系統的關鍵共性技術，形成具有自主知識產權的國產化產品，滿足我國特種光纖研制及應用過程中的熔接處理需求，具有很高的戰略性和急迫性。傳統的光纖熔接機大都采用步進電機對光纖進行推進，優點是控制簡單，缺點是推進速度較慢。尤其是當分辨率提高時，需要選用大減速比的步進電機。

1 推進系統原理分析

本設計采用無刷電機直接驅動方式，原理如圖1所示。選用雙軸無刷電機，一端驅動直線滑軌，另一端驅動正弦編碼器。直線滑軌和編碼器都在電機的軸上，具有堅固、緊密、速度快以及沒有回程差等優點。在高分辨率系統中，長壽命、低磨損很重要，無刷直流電機滿足此要求[2]。

圖1 推進系統原理框圖

根據系統需求，選用1024線的正弦編碼器。編碼器有3路輸出信號A、B、I，其中A、B是相位相差90°的正弦波，I是索引信號，即編碼器旋轉一周會輸出一個索引信號。AB經過過零比較器，可提供粗略位置信息。將AB進行插值，可獲得一個正弦波周期內的精調位置信息?？刂葡到y根據獲得的位置信息，通過驅動電路驅動電機轉動。正弦編碼器與電機同軸，不存在回程差。但是，直線滑軌與無刷電機通過絲杠傳動，它們之間存在回程差。這可通過初始定位裝置確定直線滑軌的初始位置，然后往一個方向推動滑軌，即可消除這種回程差。

2 推進系統設計

2.1 無刷電機驅動

運動的物體具有慣性，高速系統中必須考慮慣性的影響。為了縮短熔接時間，直線滑軌必須高速運動。當距離目標位置較近時，需通過減速消除慣性的影響。一般情況下，無刷電機的調速大都通過改變PWM波形的占空比來實現[3]。特種光纖熔接機需要左右兩路推進，兩部分推進原理相同。無刷電機驅動原理，如圖2所示。選用雙全橋驅動器L298作為無刷電機的驅動芯片，每一路有3個輸入IN1、IN2、EN?？刂葡到y發出的PWM信號直接輸入到IN1，同時經過反相器的PWM信號輸入到IN2。為了保證電機可靠的啟停，系統還需要控制EN。同時，考慮到電機換向及啟停時對電路的影響以及運行中可能產生的抖動，還需考慮保護電路的設計。

2.2 電機位置檢測

正弦編碼器用于檢測電機的位置，由碼盤和底座組成。底座包含激光源和檢測電路。系統中底座固定不動，碼盤隨電機轉動，碼盤上的狹縫與底座狹縫相對運動。底座檢測電路會輸出相位差為90°的正弦波。為了檢測電機的絕對位置，碼盤上還有一個索引孔。此索引孔確定的絕對位置可以精確到一個增量步距[4]。編碼器輸出的正余弦信號輸入到過零比較器后，輸出兩路相位差為90°的方波。對這兩路方波進行計數，分辨率可達到編碼器分辨率的4倍。對于1024線的編碼器，分辨率可達4 096。同時，將正弦信號輸入到一個8位分辨率的AD，通過對電壓的比對，可將一個周期的正弦波細分為1/256倍。因此，電機轉動的角分辨率約為0.000 4°，完全滿足特種光纖熔接機對推進系統0.001°分辨率的要求。

2.3 推進系統的軟件實現

控制系統選用ARM Cortex嵌入式處理器，采用C語言編程。系統初始化階段，先進行硬件狀態的自檢。如果直線滑軌未在初始位置，則電機反轉，否則電機正轉。此時檢測正弦編碼器輸出的位置信息，則可檢測電機編碼器是否正常工作，然后將直線滑軌反向驅動到初始位置，再正向前進特定的距離以消除回差，至此系統初始化完成。

當用戶在直線滑軌上放入光纖后，控制系統自動計算光纖需要推進的距離，再根據距離計算PWM的占空比，使能驅動器，推動直線滑軌前進。同時，根據正弦編碼器反饋的位置信息（A、B、I）調整光纖需要推進的距離，進而再改變PWM的占空比，直至光纖推進到合適的位置。在這個過程中，檢測、運算、控制都是實時進行的。雖然現在單片機的性能與以前相比有很大提升，但在三角函數的運算方面還存在欠缺。因此，在進行軟件設計時，精調位置的計算需進行特別處理。一種簡單的處理方法就是遵循軟件設計中的“時空原則”，即以時間換空間和以空間換時間。

3 推進系統性能測試

推進精度是推進系統最重要的性能指標。特種光纖的包層直徑覆蓋80 μm、500 μm。在進行推進精度測試時，選擇包層直徑125 μm的光纖進行測試。為了測試推進精度，需要搭建測試平臺。測試平臺主要包括高放大倍數的光纖攝像頭和PC機。攝像頭對待測光纖進行成像，并實時傳輸到PC機。光纖推進的距離可以通過軟件進行測算。每一次測試前均將直線滑軌推進到初始位置，然后往前推進固定的距離，在與軟件測算的距離進行對比，即可獲得推進精度。在整個推進范圍內，選取多個測試點進行測試，具體的測試數據如表1所示。

從表1可以看出，在各個測試點，推進精度均優于0.1 μm。

圖2 無刷電機驅動原理圖

還可利用自動測試技術，對整個測試范圍進行逐點掃描測試。推進系統和光纖攝像頭通過串行接口接入到PC機，PC機控制推進系統前進一定的步數，再通過光纖圖像識別光纖實際前進的步數，記錄二者的差值并繪制推進精度曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，在整個測試范圍，推進精度指標都滿足要求。

表1 推進精度測試數據

4 結 論

在特種光纖生產與應用過程中，需要使用熔接處理設備。此設備涉及光、機、電以及系統集成等交叉領域技術，研制難度大。此類產品一直被國外廠家壟斷，價格居高不下。高速推進系統設計是特種光纖熔接設備的關鍵技術之一，而此項關鍵技術的兩個核心點是高速和高精度。文章提出了一種新的直接驅動輔以編碼器位置檢測的技術，從測試數據來看可以滿足系統要求。需要注意，本方法涉及多領域技術，熔接處理設備的應用環境也較為復雜，因此它的長期可靠性還需進一步驗證。

圖3 逐點掃描測試結果