一种轴向变倍光学系统的变倍控制装置和控制方法

摘要

本发明涉及一种轴向变倍光学系统的变倍控制装置和控制方法，控制装置包括控制模块，控制模块用于驱动控制变倍光学元件在光轴上移动，光轴上还设有若干个到位开关，控制模块采样连接到位开关；各到位开关与光学系统的各视场对应，设于设定位置处：用于在变倍光学元件向对应的视场位置移动过程中，触发对应的到位开关，在控制时，第一段直接驱动变倍光学元件进行轴向移动，当变倍光学元件到达对应视场对应的到位开关处时，启动第二段控制，对变倍光学元件进行小范围的位置精调。该控制方式不但能够实现快速调节，节约时间，而且还具有较高的控制和定位精度。

权利要求

1.一种轴向变倍光学系统的变倍控制装置，包括控制模块，控制模块用于驱动控制变倍光学元件在光轴上移动，其特征在于，光轴上还设有若干个到位开关，所述控制模块采样连接所述到位开关；各到位开关与光学系统的各视场对应，设于设定位置处：用于在所述变倍光学元件向对应的视场位置移动过程中，触发对应的到位开关；

所述控制模块包括PID控制单元，当变倍光学元件轴向移动到对应视场对应的到位开关处时，PID控制单元控制所述变倍光学元件在光轴上移动，以实现对变倍光学元件的精调。

2.根据权利要求1所述的轴向变倍光学系统的变倍控制装置，其特征在于，所述变倍光学元件设置在一个滚珠丝杠上，利用所述滚珠丝杠进行轴向移动。

3.根据权利要求1所述的轴向变倍光学系统的变倍控制装置，其特征在于，所述变倍光学元件为变倍镜和/或补偿镜。

4.根据权利要求1所述的轴向变倍光学系统的变倍控制装置，其特征在于，所述控制装置还包括电机驱动模块，所述控制模块通过所述电机驱动模块驱动控制所述变倍光学元件在光轴上移动。

5.一种专用于权利要求1所述轴向变倍光学系统的变倍控制装置的轴向变倍光学系统的变倍控制方法，其特征在于，所述控制方法为分段控制方式：第一段直接驱动变倍光学元件进行轴向移动，当变倍光学元件到达对应视场对应的到位开关处时，启动第二段控制，所述第二段控制为对所述变倍光学元件进行小范围的位置精调。

6.根据权利要求5所述的轴向变倍光学系统的变倍控制方法，其特征在于，采用三环PID控制方式对所述变倍光学元件进行所述小范围的位置精调。

7.根据权利要求5所述的轴向变倍光学系统的变倍控制方法，其特征在于，在确定所述变倍光学元件的位置之后，控制模块控制锁定所述变倍光学元件。

说明书

一种轴向变倍光学系统的变倍控制装置和控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种轴向变倍光学系统的变倍控制装置和控制方法。

背景技术

[0002] 目前可变倍调节的光学系统主要有三种变倍方式，分别是旋转变倍式、径向切换式、轴向变倍式。其中轴向变倍式是将变倍透镜组沿光学系统的光路方向进行移动，在原光学视场的基础上形成一个新的光学视场。轴向变倍式相比与其他两种方式的红外系统具有体积小、重量轻等优点，目前光学系统中采用的变倍方式基本上全为轴向变倍式。但是传统的视场切换全程采用PID进行速度与位置的控制，变倍镜一般情况下由电机驱动，电机带动变倍镜进行轴向移动，控制模块控制连接电机驱动模块，控制模块中设置有PID控制的软件程序，通过PID软件程序控制电机驱动模块，电机驱动模块驱动电机进行相应的转动，实现变倍镜的轴向移动。该方式虽然定位精度可以满足光学系统的高精度要求，但在行程较长的轴向变倍机构中，切换时间较长，在变倍行程较长的光学系统中其缺点更加明显，这严重制约了轴向变倍红外系统的应用。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种轴向变倍光学系统的变倍控制装置和控制方法，用以解决传统的变倍控制方法调节时间较长的问题。

[0004] 为实现上述目的，本发明的方案包括一种轴向变倍光学系统的变倍控制装置，包括控制模块，控制模块用于驱动控制变倍光学元件在光轴上移动，光轴上还设有若干个到位开关，所述控制模块采样连接所述到位开关；各到位开关与光学系统的各视场对应，设于设定位置处：用于在所述变倍光学元件向对应的视场位置移动过程中，触发对应的到位开关。

[0005] 所述控制模块包括PID控制单元，当变倍光学元件轴向移动到对应视场对应的到位开关处时，PID控制单元控制所述变倍光学元件在光轴上移动，以实现对变倍光学元件的精调。

[0006] 所述变倍光学元件设置在一个滚珠丝杠上，利用所述滚珠丝杠进行轴向移动。

[0007] 所述变倍光学元件为变倍镜和/或补偿镜。

[0008] 所述控制装置还包括电机驱动模块，所述控制模块通过所述电机驱动模块驱动控制所述变倍光学元件在光轴上移动。

[0009] 一种专用于上述轴向变倍光学系统的变倍控制装置的轴向变倍光学系统的变倍控制方法，所述控制方法为分段控制方式：第一段直接驱动变倍光学元件进行轴向移动，当变倍光学元件到达对应视场对应的到位开关处时，启动第二段控制，所述第二段控制为对所述变倍光学元件进行小范围的位置精调。

[0010] 采用三环PID控制方式对所述变倍光学元件进行所述小范围的位置精调。

[0011] 在确定所述变倍光学元件的位置之后，控制模块控制锁定所述变倍光学元件。

[0012] 本发明提供的变倍控制方法采样分段式控制方式，第一段利用到位开关感应，实现长行程的快速运动，第二段进行小范围的位置精调，这种方式较传统的全程采用PID控制的方式，由于在第一段采用直接驱动电机转动，快速移动光学元件，所以该方式占用的时间较短，切换时间较短，并且在第二段采用精调的方式，定位精度也得到很大的保障。所以，该控制方式不但能够实现快速调节，节约时间，而且还具有较高的控制和定位精度。

附图说明

[0013] 图1是变倍控制装置的系统结构图；

[0014] 图2是变倍控制装置的控制流程图。

具体实施方式

[0015] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

[0016] 如图1所示，轴向变倍红外系统的变倍控制装置包括控制模块，总线通讯模块和电机驱动模块。该光学系统中有通过轴向移动来进行变倍调节的光学元件，电机驱动模块控制连接用于控制该光学元件轴向移动的电机，电机驱动模块完成驱动电机运行的任务，控制模块完成控制流程执行和计算等任务，并通过总线通讯模块向电机驱动模块发送相应的控制指令，该控制模块还具有状态的发送与接收的作用。

[0017] 该变倍控制装置还包括若干个设置在光轴上的到位开关，控制模块采样连接所有的到位开关。到位开关与该光学系统的视场一一对应，也就是说，该光学系统具有几个视场，到位开关就有几个，比如：如果该光学系统具有大中小三个视场，那么，到位开关为3个。本实施例以该光学系统具有三个视场为例。

[0018] 另外，如果变倍光学系统中只有一个变倍镜的话，那么，在控制该变倍镜轴向移动时需要三个到位开关。但是，在一般情况下，光学系统中的用于变倍调节的光学元件为变倍镜和补偿镜，变倍时需要同时轴向移动变倍镜和补偿镜，那么，变倍镜需要三个到位开关，补偿镜也相应需要三个到位开关，即，该光学系统就需要六个到位开关。

[0019] 所以，光学系统中的通过轴向移动实现变倍控制的光学元件的个数乘以3就是所需的到位开关的个数。本实施例以同时设置有变倍镜和补偿镜的光学系统为例。相应地，变倍镜需要一个电机轴向控制，补偿镜也需要一个电机轴向控制。

[0020] 变倍镜和补偿镜设置在一个滚珠丝杠上，两个电机分别驱动变倍镜和补偿镜在滚珠丝杠上能够沿着光轴方向进行相对或者相向运动，以实现变倍。

[0021] 各到位开关设于设定位置处，用于在变倍镜和补偿镜向对应的视场位置移动过程中，触发对应的到位开关。

[0022] 以下对于到位开关的设置进行具体说明：

[0023] 对于变倍镜，三个视场对应有三个到位开关：大视场对应一个到位开关，中视场对应一个到位开关，小视场对应一个到位开关。例如：在中视场下，变倍镜在光学系统中会有一个固定位置，变倍镜在该固定位置处时该光学系统为中视场，并且，在变倍镜轴向移动到该固定位置的路径上的某一个点上设置对应的到位开关，该某一个点与该固定位置之间有一定的距离，这一距离可以根据具体情况进行设置。在中视场调节下，变倍镜在轴向移动到该固定位置的过程中，在该某一个点上会触发对应的到位开关。对于大视场和小视场中的到位开关的设置与上述原理相同。

[0024] 对于补偿镜，三个到位开关的设置方式与变倍镜的相同。

[0025] 所以，不管是变倍镜还是补偿镜，也不管三个视场中的哪一个视场，在该视场下，在镜片进行轴向移动时，在移动到该视场对应的固定位置的过程中，均会在某一个点触发对应的到位开关，通过触发到位开关，实现相应地控制。

[0026] 控制模块采用触发式中断控制方式，通信协议采用RS422总线通讯协议，控制模块一直处于被触发状态，接收来自上位机的指令后，进入中断并响应上位机指令，响应完成后通过RS422上报对应的状态。

[0027] 如图2所示，系统上电后，首先完成系统初始化及清零工作，然后利用到位开关完成自检工作，并分别加载两个电机的当前位置信息，设置为相对零位，然后等待上位机触发。

[0028] 控制模块接收到上位机变倍指令后，双电机分别驱动变倍镜和补偿镜向规定位置运行，对两个电机采用分段式电机控制方法，第一段直接驱动电机转动，来进行快速轴向移动，并利用到位开关感应，对变倍位置进行粗响应，当变倍镜和补偿镜到达到位开关处时，对应启动第二段控制(即当变倍镜到达到位开关处时，对变倍镜启动第二段控制；当补偿镜到达到位开关处时，对补偿镜启动第二段控制，两个镜片的控制相互独立)，进行小范围的PID位置精调，达到对电机运动的快速与精细控制。

[0029] 第二段电机控制采用典型三环PID控制结构，通过计算，可以得到电机的实时的位置和实时的速度信息，然后与要达到的指定位置进行比例、积分、微分调节，作为位置环的输出；该输出作为速度环的输入，通过计算理论需要的速度，并与实时的速度进行比例、积分、微分调节，作为速度环的输出；该输出作为电流环的输入，与电机电枢电流的采样电阻两端的电压进行比例、积分、微分，作为整个三环控制的输出，从而改变PWM(脉宽调制)的占空比，达到控制电机的目的。

[0030] 如果将上述PID控制方法看做控制模块中的一个功能模块的话，其为PID控制单元，该PID控制单元内部设置有软件程序，通过执行对应的软件程序来实现PID控制。当变倍镜和补偿镜轴向移动到对应的到位开关处时，PID控制单元控制变倍镜和补偿镜在光轴上移动，以实现对变倍镜和补偿镜轴的PID精调。

[0031] 另外，在控制模块空闲期间以及在通过精调后确定变倍镜和补偿镜之后，采用软件电子自锁方式，保持光学镜片的准确位置，并将镜片锁定在当前视场，直至下一个视场切换命令的到来。

[0032] 在本实施例中，控制模块由DSP及其外围电路组成，并且采用TMS320LF2407作为控制模块的核心，其运行最高主频可达40MHz，具有多种外设，如A/D转换器，串行SCI、SPI、CAN通讯，电机驱动模块EVA和EVB，片内具有32K的FLASH存储空间，采用两级中断结构，可满足本系统需求。

[0033] 另外，采用滚珠丝杠方式实现光学镜片的轴向移动，在减小体积的同时，能够很好的保证光轴的一致性与重复性精度；驱动源选择两个直流有刷电机，最高转速可达10000r/min；配套使用的有刷电机驱动模块，控制精度可达到2000线/r。

[0034] 以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。