1 中国科学院 合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所， 大气光学重点实验室，安徽合肥23003
2 中国科学技术大学，安徽合肥3006
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽合肥2007
对于恒星光斑成像，传统的梯度评价算法在重度离焦情况下梯度细节薄弱，难以识别正确的调焦方向。为了实现跟星系统对恒星的快速成像和可靠跟踪，建立了针对恒星成像特征进行评价的自动调焦系统，对系统的聚焦评价算法、自动调焦结构以及自动控制系统进行研究。通过跟星系统成像的灰度分布情况分析光斑图像梯度特征在正焦和离焦时的区别。根据恒星光斑成像灰度级差异变化的特点，将背景值纳入评价贡献，在传统的梯度评价函数中加入光斑信号灰度差异贡献。设计适用改进算法的调焦硬件结构和系统结构，利用步进电机和调焦底座组成调焦组件，通过计算控制单元驱动调焦组件实现自动调焦系统。利用搭载调焦系统的跟星装置进行实验和分析。实验结果表明：自动调焦装置能够在跟星系统中稳定地进行调焦工作，且改进算法相对于传统梯度算法有着更好的调焦方向性，在保持传统梯度算法67%灵敏度的同时，将局部极值点减小为0。改进算法不受梯度细节薄弱影响，能够在不同离焦程度下保持较好的调焦方向性和正焦灵敏性，跟星系统在搭载自动调焦装置后能够快速搜索合适焦距并进行大气光学特性测量。
恒星聚焦 自动调焦 图像清晰度 步进电机 跟星系统 stellar focus auto focus image clarity stepper motor follow-star system 光学 精密工程
2023, 31(14): 2009
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院 月球与深空探测重点实验室，北京100101
天问一号执行的任务属于深空探测任务，其上高分辨率相机主控单元工作时间较长，为了提高主控FPGA的抗单粒子效应及可靠性，选用反熔丝FPGA进行软件系统设计。其中，主控FPGA管理的调焦单元、时间码守时校时等功能为安全关键项目。为提高软件的健壮性，主控FPGA根据调焦机构的光机结构，设计基于加减速曲线的二细分控制方法，在满足调焦速度的前提下，避开机构共振频率，实现步进电机驱动调焦机构平稳的运转；同时，天问一号环绕器在环火段位置时，高分相机需要执行拍摄任务，拍摄指令为延时指令，对时间有较高要求，在此基础上主控FPGA设计时间码守时校时功能，确保高分相机在任务段精确执行拍摄任务。实验结果表明：调焦机构速度爬升时间为112.2 ms；时间守时的精度为1.25 s。实现了调焦单元的平稳运行和可靠的守时系统。
反熔丝FPGA 步进电机 加减速曲线 星时管理 anti-fuse FPGA stepper motor acceleration and deceleration curve star time management
江西理工大学电气工程与自动化学院, 江西赣州 341000
为了解决 STM(stepper motor)镜头中步进电机低频对焦慢、高频失步跑焦的问题, 通过分析对焦过程中电机的加减速动作, 结合步进电机加减速曲线, 设计了一种适用于 STM镜头驱动的步进电机开环控制算法。算法根据步进电机速度在单位控制周期内不变, 把步进电机位置控制问题转换为单位控制周期内脉冲输出问题, 实现了速度控制与位置控制的巧妙结合。设计并搭建了 STM镜头对焦电机控制电路, 工程实验结果表明：该算法提高了步进电机开环控制的精度, 有效地减小了由于步进电机过冲和失步带来的跑焦问题。
STM镜头 步进电机 动态规划算法 加减速曲线 位置控制 STM lens, stepper motor, dynamic programming, acce
1 中国科学院大学, 北京 100049
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
光电编码器测角误差的检测是编码器在研制和生产过程中必不可少的工作。目前, 人工手动检测装置检测过程复杂、效率较低, 耗时较长, 很难用于批量生产的产品检测。为了弥补现有手动检测装置的不足, 以自准直仪-多面棱体组合作为测量基准, 以步进电机和STM32来实现自动化, 设计了一种绝对式光电编码器测角误差的自动检测系统。阐述了系统的检测原理及软硬件设计, 分析并计算了系统精度, 其扩展不确定度为1.6″。对同一编码器进行手动和自动检测后, 结果分别为6.3″和7.3″, 实验表明检测系统自动检测结果准确。通过本系统进行检测, 检测过程无需人工操作, 效率较高, 在光电编码器的批量检测中, 可以体现出本系统的优势; 此外, 相较于传统的人工手动检测, 通过本系统进行检测更能反映编码器在实际工作中低速转动时角度位置精度的真实情况。
光电编码器 测角误差 自准直仪 步进电机 自动化检测 photoelectric encoder angle measurement error autocollimator stepper motor automatic detection
1 天津大学电子信息工程与自动化学院, 天津 300072
2 中国科学院大连化学物理研究所, 催化基础国家重点实验室, 辽宁大连 116023
为了实现激光拉曼光谱仪光路的自动化控制, 本文建立了基于 MC9S12XEP100核心控制器的光路自动化控制系统。针对开环电机控制出现的精度低、易“丢步”、“堵转”等问题, 本文设计了一种基于压力传感器的闭环控制算法, 极大地提升了控制精度和系统稳定性, 有效避免了电机堵转问题。实验结果表明：该控制系统可以实现多路光的任意调节、光路的接入与复位、闭环自检和上位机通信等功能。该系统所控制的位移误差精度在 0.1 mm范围内, 基本满足光路控制系统稳定可靠、高精度、抗干扰能力强等要求。
光路自动化控制 步进电机 闭环自检 optical path automation control, stepper motor, cl
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
为了实现二维多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)仪的扫描需求,以两相步进电机驱动芯 片TMC261为核心,基于STM32微处理器和光电编码器,设计了棱镜扫描控制系统。分析了二维MAX-DOAS外置棱镜对转动精度 和分辨率的需求,从控制系统结构设计、具体实现过程两个方面阐述了系统方案,并进行测量实验来评估实际效果。结果表 明棱镜的转动步进角细分倍数 在0～256范围内可调。扫描分辨率最多可达1.8°/256, 位置精度误差低于5%, 步距角精度误差绝对值低于8%。 所设计扫描控制系统在光学仪器中具有广泛应用前景。
光谱学 扫描控制系统 步进电机 精度 分辨率 spectroscopy scanning control system TMC261 TMC261 stepper motor precision resolution
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪太阳定标光路切换转动部件的实现,提出了基于BM3803的步进电机控制系统,通过步进 电机带动扭簧转动凹面反射镜,实现光路的切换。设计了基于国产航天芯片BM3803FMGRH和专用驱动芯片LMD18200的步进电机 开环控制系统,给出了基于BM3803FMGRH的控制电路和搭建了LMD18200的驱动电路,编写了步进电机的控制程序。当步进电机 转动89步时,扭簧旋转角度为80.1°,微动开关导通,光路切换成功。为后续星载差分吸收光谱仪的设计提供参考。
星载差分吸收光谱仪 光路切换 步进电机 spaceborne differential optical absorption spectro optical path switching BM3803 BM3803 stepper motor 大气与环境光学学报
2019, 14(6): 463
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料和光电研究中心, 北京 100049
介绍了一种基于步进电机的光开关,主要用于间歇型原子钟。采用直径为6 mm的两相步进电机,结合不同形状的挡光叶片,实现了对光的开启与关断。采用步进电机驱动芯片TMC260和微控制器STC12C5A60S2结合的方式控制步进电机的转动。该控制系统整体结构紧凑,且一个微控制器可以控制多个步进电机。实验结果表明,利用该光开关可实现高于100 dB的消光比,并且可长时间稳定运行。
光开关 步进电机 消光比 原子钟
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了满足无人机光电载荷的体积和重量要求, 并有效解决传统凸轮机构加工精度要求高、系统易产生机械振荡等问题, 提高系统的响应速度和变焦精度, 对基于步进电机驱动实现连续变焦的直线变倍成像系统进行研究。采用二相混合式步进电机驱动实现机械补偿式变焦系统的变焦聚焦功能。首先, 本文研究了基于步进电机的直线变倍成像系统的工作原理与构成, 完成硬件平台的搭建, 利用单片机控制实现步进电机的加减速过程。然后构造适合本系统的图像清晰度评价函数, 并采用扫描反馈搜索算法完成对镜头焦距值的标定, 将标定结果载入聚焦算法。最后, 完成系统的性能测试。测试结果显示, 采用速度控制模型后, 步进电机的定位误差显著降低, 范围在0010 mm以下, 整个系统的变焦精度远远小于1%, 而且光学性能和外场拍摄性能较好。该基于步进电机的直线变倍成像系统满足无人机光电载荷的适用性要求。
直线变倍镜头 步进电机 加速曲线 自动聚焦 图像清晰度评价函数 continuous zooming lens stepping motor acceleration curve auto focus image sharpness evaluation function
中国电子科技集团公司第二十七研究所, 郑州 450047
在某高功率微波系统中，通过控制多路移相器的位置，来达到对微波波束的精确控制。在伺服控制系统的设计中，为了解决强电磁场对伺服系统的干扰与破坏，在设计时从控制系统方案设计、系统组成、移相器单元设计、位置传感器设计、位置环路设计、电路板设计、机箱设计、传输线缆等方面进行严格的针对性设计与处理。设计过程中，对关键器件与部件进行现场试验进行方案验证与选择。最终，在高功率微波系统对目标进行连续辐射的实测中，工作稳定可靠，控制系统对多路移相器的定位精度达到0.1 mm，达到了预期的效果。
伺服控制 步进电机 位置环路 波束控制精度 移相器 servo control stepping motor position loop control accuracy of beam phase shifter 强激光与粒子束
2018, 30(9): 093002
