一種高性能光柵掃描控制定位裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光柵掃描控制定位領域，尤其是一種高性能光柵掃描控制定位裝置。
【背景技術】
[0002]在光譜學應用中，光譜分析方法作為一種重要的分析手段，在科研、生產、質量控制等方面都發揮著極大的作用。光柵光譜儀是用來做光譜分析和測量的一種光學檢測儀器，相比于傳統的化學分析方法，光譜分析法的快速、無損、精度高等優勢使其被廣泛應用于物理、化學、冶金、農業、環保、醫藥等各領域。光柵光譜儀是使用光柵作為分光元件，通過光柵的轉動，將不同波長的單色光從復色光中分離出來的一種重要的光學儀器。如配以相應的光源及接收系統，可形成相應的分光光度計，可以對復合光源進行光譜分析，還可對透明物質和溶液進行定性和定量分析。
[0003]現代光柵光譜儀不僅應具有很寬的光譜范圍和高光譜分辨率，還應能實現自動波長掃描功能，構成高性能自動測試系統。基于光柵掃描的光譜分析儀，需要高分辨率高穩定度的電機轉動控制和定位反饋，來滿足其高掃描速度、高光譜分辨率、高光譜準確度和重復性，目前往往通過選用高性能電機、高分辨率的編碼器與專用編碼器IC計數芯片相結合的方式來提高電機的旋轉速度、旋轉角度分辨率和定位精度。
[0004]目前的光柵掃描裝置，主要存在以下缺點:
[0005]1、光柵掃描速度慢
[0006]目前掃描式的光譜儀器普遍地采用步進電機加絲桿的正弦掃描結構。通過步進電機轉動來使絲桿上的滑塊產生平移，從而帶動光柵進行轉動。由于絲桿自身結構的限制造成了其掃描速度低的缺點。
[0007]2、光柵定位重復性差
[0008]由于細分驅動和電機本身的機械運動特點的限制，存在并步、跳步或失步現象，加上震動等原因，其掃描重復性卻大大下降，甚至達不到一般的精確度要求。
[0009]3、光柵掃描分辨率低
[0010]限于國內高分辨率編碼器的技術限制，導致高分辨率編碼器購買成本過高，以及由于技術封鎖高分辨率的編碼器購買困難，在設計成本一定的情況下很難提高光柵的旋轉精度。
[0011]4、高分辨率的光柵掃描裝置設計成本高。
[0012]為了提高它的精度和分辨率，一種方式是要盡量提高編碼器的物理刻線條數，但受限于技術等方面的原因，國內的編碼器和國外的相比差距主要是編碼器的種類比較單一，并且在高分辨率領域也有較大差距，而且從國外進口的高分辨率的編碼器成本也很高，甚至屬于限制進口產品；另一方面通過電子學細分方法對輸出的正余弦信號進行插值細分來實現高精度和高分辨率，目前較常用的細分方法是反正切細分法。而為了能夠實時定位電機的旋轉位置，與高精度編碼器相配的專用可編程編碼計數芯片在國內也很難買到，且價格也相對較高，以上問題大大制約了國內相關精密儀器產品的發展。因此，研宄如何在現有條件下提高電機旋轉的控制精度和反饋精度具有重要的意義。

【發明內容】

[0013]為了解決現有技術的不足，本發明提出了一種高性能光柵掃描控制定位裝置及其控制定位方法。本發明利用高速光柵掃描控制技術、高分辨率相移倍頻技術、大計數量可編程編碼計數技術、高穩定電機轉動控制技術，對現有的光柵掃描控制和定位裝置進行了改進，在減小裝置體積和成本的同時，大大提高了光柵掃描裝置的掃描速度、定位重復性、裝置分辨率，大大提高了光柵掃描控制和定位裝置的性能。
[0014]本發明采用如下技術方案:
[0015]一種高性能光柵掃描控制定位裝置，包括直流無刷電機、衍射光柵、編碼器、移相倍頻電路、可編程計數電路及主控電路，所述直流無刷電機的轉子連接在衍射光柵的轉軸上，所述編碼器的中心轉軸連接在直流無刷電機的轉軸上，編碼器與衍射光柵同步轉動并直接檢測衍射光柵的角位置；
[0016]所述編碼器連通相移倍頻模塊，相移倍頻模塊連通可編程計數模塊，可編程計數模塊連通主控電路，主控電路連接控制直流無刷電機的高穩定的電機運行控制電路、相移倍頻模塊及可編程計數模塊；
[0017]所述編碼器將檢測的衍射光柵的角位置信號傳輸給相移倍頻模塊處理，處理后的倍頻輸出信號經可編程計數模塊進行位置計數及位置判定后傳輸給主控電路，主控電路將位置計數及位置判定信號與目標位置比對，通過對比對結果的算法處理輸出控制信號，利用電機驅動電路控制直流無刷電機的轉動從而控制衍射光柵的角位置。
[0018]優選地，所述相移倍頻模塊包括第一放大電路、比較電路及現場可編程門陣列FPGA，所述編碼器將檢測的衍射光柵的角位置模擬信號先經第一放大電路放大，再經過比較電路，比較電路將比較后的邏輯電平傳輸給現場可編程門陣列FPGA，在現場可編程門陣列FPGA內部通過移相和數字邏輯運算得到倍頻輸出信號。
[0019]優選地，所述可編程計數模塊包括方向判別電路及現場可編程門陣列FPGAJlg可編程門陣列FPGA包括加減計數模塊、緩沖模塊及位置比較電路，倍頻輸出信號先經方向判別電路判別方向，再經現場可編程門陣列FPGA的加減計數模塊計數，經緩沖模塊緩沖后在位置比較電路中與預置的計數比較，并輸出計數信息和位置判別信息。
[0020]優選地，所述主控電路包括電機運行控制電路，電機運行控制電路包括PID濾波電路、數模轉換電路及第二放大電路，主控電路接收到倍頻輸出信號、計數信息和位置判別信息，將位置差值經過PID濾波處理后，將衍射光柵位置的數字變化量傳給直流無刷電機的高穩定的電機運行控制電路，經過第二放大后實現對光柵位置的穩定控制。
[0021]采用如上技術方案取得的有益技術效果為:
[0022]1、直流無刷電機為能夠執行快速啟停和高速掃描的高扭矩直流無刷電機，選用直流無刷電機轉動不會因電刷磨損而產生碎渣，另外，直流無刷電機帶動光柵的掃描與傳統有刷電機相比一個明顯的優點是不存在換向器和電刷之間的摩擦。
[0023]2、所述編碼器的中心轉軸連接在直流無刷電機的轉軸上，編碼器與衍射光柵同步轉動并直接檢測衍射光柵的角位置。具有堅固、快速、體積小、無回差及對磨損或環境變化不敏感的優點，這種方法由于不需要絲桿等機構既減小了結構尺寸，還較大幅度提高掃描的速度。
[0024]3、利用軟硬件相結合的相移倍頻技術，在不需要非常高分辨率編碼器的條件下，實現直流無刷電機的高分辨率控制。
[0025]4、高性能光柵掃描控制定位裝置