崔躍剛,趙 昕,殷金堅(jiān)

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著我國(guó)紅外成像總體技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的單視場(chǎng)和雙視場(chǎng)紅外成像系統(tǒng)已不能滿(mǎn)足部分使用平臺(tái)的需要,因此基于連續(xù)變焦的紅外成像系統(tǒng)顯得尤為重要。通過(guò)連續(xù)改變光學(xué)系統(tǒng)焦距,從而得到不同大小的視場(chǎng)角、不同大小的影像和不同的景物范圍,并且在視場(chǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中始終能夠保持圖像的連續(xù)性和像質(zhì)的穩(wěn)定性,對(duì)偵察目標(biāo)既能作大范圍的探測(cè)監(jiān)視,又能作小區(qū)域的觀(guān)察識(shí)別,且可保證中間過(guò)程不丟失目標(biāo),此類(lèi)系統(tǒng)尤其對(duì)搜索和跟蹤高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)非常有利,因此具備非常良好的光電偵察性能[1-2]。同傳統(tǒng)的雙視場(chǎng)式紅外光學(xué)系統(tǒng)不同,連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)是通過(guò)多片光學(xué)鏡片聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)全程對(duì)目標(biāo)清晰成像。當(dāng)前市場(chǎng)上紅外連續(xù)變焦光學(xué)控制系統(tǒng)大都采用凸輪結(jié)構(gòu),本方案采用雙步進(jìn)電機(jī)控制鏡片隨動(dòng),有效降低了連續(xù)變焦系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)加工精度的依賴(lài),同時(shí)降低了加工成本和光學(xué)系統(tǒng)的重量,在體積方面也優(yōu)于凸輪結(jié)構(gòu)。雙步進(jìn)電機(jī)控制方案在多個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用,可靠性得到了充分驗(yàn)證。如何控制光學(xué)鏡片按設(shè)計(jì)的變焦曲線(xiàn)準(zhǔn)確移動(dòng)是連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵[3-5]。本文從提高光學(xué)鏡片移動(dòng)的精度和速度出發(fā),重點(diǎn)介紹紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)變速控制技術(shù)和螺母間隙補(bǔ)償技術(shù)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

本方案采用的紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示,采用雙步進(jìn)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)變焦鏡和補(bǔ)償鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)連續(xù)變焦功能。

圖1 紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)光路

變焦曲線(xiàn)如圖2所示,圖2中左邊曲線(xiàn)為變焦鏡運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn),右邊曲線(xiàn)為補(bǔ)償鏡運(yùn)動(dòng)軌跡曲線(xiàn),從圖2中可以看出變焦鏡軌跡為線(xiàn)性運(yùn)動(dòng),補(bǔ)償鏡軌跡為非線(xiàn)性軌跡,因此方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于如何保證變焦鏡和補(bǔ)償鏡的同步運(yùn)動(dòng)上。

圖2 連續(xù)變焦曲線(xiàn)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)接口板完成接口通訊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電源生成等功能,接口采用RS422通訊方式,可以接收上位機(jī)或其他主控設(shè)備的指令?？傮w控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 總體控制系統(tǒng)框圖

本方案從低成本和高可靠性方面考慮,采用了MCU+專(zhuān)用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片架構(gòu),MCU選用成熟穩(wěn)定的C8051F121芯片,該芯片集成FLASH、串口、定時(shí)器、PCA、內(nèi)部晶振等外設(shè),能最大限度地降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度,提升可靠性。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用THB6128,該芯片支持雙極性混合式步進(jìn)電機(jī),最高耐壓36 V,最大電流2.2 A,同時(shí)支持多種細(xì)分(1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128),芯片內(nèi)部集成溫度保護(hù)及過(guò)流保護(hù)功能。步進(jìn)電機(jī)選用E21H4AD-05,該電機(jī)為混合雙極性步進(jìn)電機(jī),工作電壓5 V,峰值功耗2.45 W,重量?jī)H43 g,最大推力可達(dá)4.6 kg,單步步距為0.02 mm。

MCU完成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成,由驅(qū)動(dòng)芯片輸出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)完成步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。該光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)仿真設(shè)計(jì),變焦鏡和補(bǔ)償鏡運(yùn)動(dòng)軌跡是兩組離散數(shù)據(jù)擬合而成的曲線(xiàn)(如圖2所示),其中變焦鏡運(yùn)行全程為53.6 mm,補(bǔ)償鏡運(yùn)行全程距離為39.69 mm。為保證變焦鏡和補(bǔ)償鏡同步運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性,光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將變焦鏡和補(bǔ)償鏡的軌跡曲線(xiàn)分別進(jìn)行了數(shù)字細(xì)分,變焦鏡運(yùn)行軌跡是一跳直線(xiàn),光學(xué)系統(tǒng)給出細(xì)分精度為0.1 mm。補(bǔ)償鏡運(yùn)行軌跡為一條曲線(xiàn),在短焦處運(yùn)行細(xì)分步距最小,光學(xué)最小細(xì)分精度為0.02 mm。由于補(bǔ)償鏡軌跡曲線(xiàn)的非線(xiàn)性,我們以變焦鏡的細(xì)分跨度為判斷標(biāo)識(shí),當(dāng)補(bǔ)償鏡的細(xì)分跨度不大于變焦鏡的細(xì)分跨度時(shí),以補(bǔ)償鏡作為基準(zhǔn),反之以變焦鏡作為基準(zhǔn)。電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)選擇1/16,即一個(gè)脈沖電機(jī)前進(jìn)0.00125 mm,小于鏡子的最小細(xì)分精度(0.02 mm),因此可以最大化保證兩片鏡子的同步運(yùn)動(dòng),以上所有的細(xì)分?jǐn)?shù)據(jù)均存入MCU的片內(nèi)FLASH中,掉電不丟失。

2.2 步進(jìn)電機(jī)變速控制技術(shù)設(shè)計(jì)

在對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制的過(guò)程中,我們通常要求步進(jìn)電機(jī)的頻率盡量快一些以提升步進(jìn)電機(jī)的速度,但如果太快,則有可能產(chǎn)生失步,甚至堵轉(zhuǎn),因?yàn)椴煌盗械牟竭M(jìn)電機(jī)的響應(yīng)頻率是有限的,如圖4所示,以我們選用的步進(jìn)電機(jī)E21H4AD-05為例,其響應(yīng)頻率范圍為200～2200步/s。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)里面都有一個(gè)彈簧墊片,所有電機(jī)有一個(gè)固定的共振頻率,當(dāng)脈沖頻率等于電機(jī)的共振頻率時(shí),電機(jī)的噪音可能會(huì)出現(xiàn)明顯的變化,同時(shí)振動(dòng)明顯增大。共振點(diǎn)因負(fù)載和應(yīng)用的不同會(huì)有變化,通常發(fā)生在100～250 pps之間,在一些情況下步進(jìn)電機(jī)有可能因?yàn)楣舱穸Р?。改變步進(jìn)頻率是解決與共振有關(guān)問(wèn)題最有效的方法,所以在設(shè)計(jì)中采用了微步細(xì)分(16細(xì)分)來(lái)減少共振問(wèn)題,同時(shí)在電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中盡可能快的加速或降速通過(guò)共振區(qū)。

圖4 步進(jìn)電機(jī)推力與脈沖頻率曲線(xiàn)

考慮到負(fù)載和變倍速度的折中,我們控制步進(jìn)電機(jī)的最大脈沖速度為800步/s,步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí),以低于800步/s的速度運(yùn)行,然后慢慢加速到800步/s以后,就以此速率恒速運(yùn)行,當(dāng)快要到達(dá)終點(diǎn)時(shí),慢慢減速,使其在低于800步/s的速率下運(yùn)行,直到電機(jī)停止運(yùn)動(dòng),并走完規(guī)定的步數(shù)。這樣步進(jìn)電機(jī)以最快的速度走完規(guī)定的步數(shù),又不出現(xiàn)失步。該步進(jìn)電機(jī)的步距為0.02 mm,以800步/s的狀態(tài)運(yùn)動(dòng),速度可以達(dá)到0.02 mm×800=16 mm/s,以電機(jī)運(yùn)行最長(zhǎng)行程53.6 mm為例,電機(jī)運(yùn)行完全程用時(shí)4 s左右,滿(mǎn)足常規(guī)連續(xù)變焦視場(chǎng)切換時(shí)間要求。其變速控制過(guò)程如圖5所示。

圖5 步進(jìn)電機(jī)變速控制曲線(xiàn)

從圖中可以看出,要使電機(jī)走完一個(gè)過(guò)程所用時(shí)間最短,必須使電機(jī)提速與降速階段的時(shí)間最短。從設(shè)計(jì)角度考慮,將速度曲線(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)镸CU內(nèi)定時(shí)器溢出時(shí)間,每次定時(shí)器溢出輸出一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖,電機(jī)走動(dòng)一個(gè)微步,即用一系列梯形波來(lái)逼近實(shí)際的速度曲線(xiàn),將得到的頻率-步長(zhǎng)關(guān)系按公式(1)、公式(2)轉(zhuǎn)換成數(shù)組格式存入MCU的片內(nèi)FLASH中。根據(jù)加速度公式,可以推導(dǎo)得出加速過(guò)程的脈沖速率公式:

(1)

式中,f為電機(jī)脈沖速度;g為初始脈沖速度;β為加速度;m為脈沖序列號(hào);a為電機(jī)移動(dòng)一個(gè)微步對(duì)應(yīng)距離,在本方案中a=0.00125 mm。

由實(shí)際應(yīng)用可知,電機(jī)在加速過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力及負(fù)載阻力起阻礙的作用,而在降速過(guò)程中起促進(jìn)作用,因此降速過(guò)程的加速度可以比加速過(guò)程的加速度稍微大些。同理可推導(dǎo)減速過(guò)程的脈沖速率公式:

(2)

式中,f為電機(jī)脈沖速度;G為最大脈沖速度;γ為加速度;m為脈沖序列號(hào);a為電機(jī)移動(dòng)一個(gè)微步對(duì)應(yīng)距離,在本方案中a=0.00125 mm。

2.3 步進(jìn)電機(jī)螺母間隙補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)

由于電機(jī)傳動(dòng)軸和螺母之間存在著不可避免的間隙,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí),機(jī)械傳動(dòng)耦合方向也發(fā)生改變,使電機(jī)傳動(dòng)軸在剛開(kāi)始處于空轉(zhuǎn)狀態(tài),經(jīng)過(guò)一段距離后電機(jī)傳動(dòng)軸和螺母才處于緊耦合狀態(tài),從而造成運(yùn)動(dòng)誤差。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)向是程序設(shè)定的,因而在電機(jī)改變方向時(shí)對(duì)螺母間隙進(jìn)行軟件補(bǔ)償,即可彌補(bǔ)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的誤差,由于在本方案中我們采用了科克公司專(zhuān)業(yè)的電機(jī)導(dǎo)向螺桿組件和螺母,在機(jī)械加工上已經(jīng)采用了間隙補(bǔ)償設(shè)計(jì)專(zhuān)利技術(shù),可確保產(chǎn)品具有磨損自動(dòng)補(bǔ)償、低摩擦阻力、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本方案的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)重復(fù)性非常好,因此通過(guò)軟件補(bǔ)償螺母間隙不會(huì)帶來(lái)額外的累積誤差,電機(jī)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)的間隙值可以通過(guò)參數(shù)的形式存入MCU的片內(nèi)FLASH中。軟件補(bǔ)償螺母間隙的流程圖見(jiàn)圖6。

圖6 軟件補(bǔ)償螺母間隙流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在設(shè)計(jì)過(guò)程中,我們搭建了一款紅外連續(xù)變焦驗(yàn)證系統(tǒng),該系統(tǒng)采用基于中波320×256凝視焦平面紅外探測(cè)器組件的紅外機(jī)芯匹配焦距40～360 mm 的紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),由控制接口板完成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制及其他通訊控制,試驗(yàn)成像結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7(a)和圖7(f)是焦距40 mm時(shí)的紅外圖像,也是熱像儀上電之后默認(rèn)的視場(chǎng),通過(guò)切換變焦,中間過(guò)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(chǎng)(焦距為120 mm),圖7(c)為最小視場(chǎng)(焦距為360 mm),圖7(d)為中間視場(chǎng)(焦距為140 mm),圖7(e)為中間視場(chǎng)(焦距為100 mm)。通過(guò)仔細(xì)對(duì)比,整個(gè)過(guò)程圖像清晰。試驗(yàn)結(jié)果證明本方案設(shè)計(jì)的紅外連續(xù)變焦步進(jìn)電機(jī)控制精確,電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定平穩(wěn),實(shí)現(xiàn)了紅外連續(xù)變焦精確控制功能。

圖7 紅外連續(xù)變焦成像

4 總 結(jié)

步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。本文對(duì)步進(jìn)電機(jī)變速控制技術(shù)和步進(jìn)電機(jī)螺母間隙補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究,有效地實(shí)現(xiàn)了控制光學(xué)鏡片按設(shè)計(jì)的變焦曲線(xiàn)準(zhǔn)確移動(dòng),對(duì)于不同設(shè)計(jì)參數(shù)的連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),只需更改細(xì)分參數(shù)即可應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)表明,本方案是有效可行的,對(duì)實(shí)現(xiàn)紅外連續(xù)變焦功能具有重要意義。