一種基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置，包括兩個光纖準(zhǔn)直器和直線電機，直線電機包括滑軌，滑軌上安裝有動子，動子在滑軌上滑動，動子的中央設(shè)置有條形濾光片，條形濾光片位于兩個光纖準(zhǔn)直器之間，直線電機兩側(cè)均設(shè)置有用于防止動子滑落的擋板，直線電機連接有測量機構(gòu)，測量機構(gòu)連接有控制機構(gòu)，控制機構(gòu)連接有顯示輸入機構(gòu)。該可調(diào)光衰減裝置，利用輕固定載荷直線電機動子的移動，帶動條形濾光片在兩個光纖準(zhǔn)直器之間直線移動，顯著縮短定位時間。通過細分解碼器倍頻光柵尺位置編碼信號，實現(xiàn)條形濾光片較低成本的高精度的位置檢測與反饋，結(jié)合高精度定位伺服系統(tǒng)，從而實現(xiàn)光功率的快速、高精度連續(xù)衰減。
【專利說明】
一種基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及可調(diào)光衰減單元領(lǐng)域，具體涉及一種基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]可調(diào)光衰減器是光纖通訊系統(tǒng)中常用的儀器之一，廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)中，利用它可以模擬光纖長距離傳輸或者檢測傳輸系統(tǒng)的動態(tài)范圍，可以補償光傳輸過程中的功率波動，改善網(wǎng)絡(luò)總體性能。光衰減單元設(shè)計方案的優(yōu)劣將直接影響可調(diào)光發(fā)減器的各項性能指標(biāo)的尚低。
[0003]目前光衰減單元主要有兩種方案，如圖1、2所示。圖1中，入射光通過光纖準(zhǔn)直器進行準(zhǔn)直，經(jīng)過兩片圓形濾光片完成衰減后，最終通過光纖準(zhǔn)直器進入輸出光纖。在兩個濾光片中，一個為粗調(diào)濾光片，利用電機A的轉(zhuǎn)動帶動此濾光片以1dB步進的衰減量進行變化，分別實現(xiàn)光功率0(^、10(^、20(^、30(^、40(^和50(^的衰減；另一個為細調(diào)濾光片，利用電機B的轉(zhuǎn)動來帶動此濾光片實現(xiàn)光功率從OdB到15dB的連續(xù)衰減。因此，輸入光經(jīng)過兩片濾光片組合衰減后可實現(xiàn)OdB至60dB的連續(xù)可變的光功率衰減。
[0004]圖2中，入射光通過光纖準(zhǔn)直器進行準(zhǔn)直，經(jīng)過條形濾光片完成衰減后，最終通過光纖準(zhǔn)直器進入輸出光纖。條形濾光片固定在滑塊上，滑塊安裝在精密絲杠上，利用電機的轉(zhuǎn)動，帶動精密絲杠的轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動條形濾光片在兩個光纖準(zhǔn)直器之間移動，利用光電編碼器對條形濾光片的位置進行編碼，實現(xiàn)條形濾光片的定位，從而實現(xiàn)光功率的連續(xù)衰減。
[0005]在現(xiàn)有技術(shù)中，論文《高性能程控光衰減器的設(shè)計》(光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，第3期，第19?21頁，2008年6月)公開了圖1中可調(diào)光衰減單元的設(shè)計，并且對ND濾光片、控制原理、光電編解碼器等作了詳細描述，但該方案已無法滿足當(dāng)前對可調(diào)光衰減裝置連續(xù)可調(diào)、低插入損耗及高可靠性的要求。
[0006]圖1的方案存在功率跳變，且兩個電機與濾光片的設(shè)計增加了插入損耗，同時降低了儀器的可靠性。圖2的方案存在直線運動機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為提高定位精度，伺服電機齒輪的轉(zhuǎn)動距離與條形濾光片的移動距離比值很大，這就導(dǎo)致定位時間較長，對于某些測試場合這種情況是不可接受的；齒輪與絲桿等機械元件的彈性變形、摩擦、反向間隙等，都會造成進給運動的滯后和其它許多非線性誤差;長距離的絲桿也會使得傳統(tǒng)光衰減單元對溫度變化敏感，增加了校準(zhǔn)的難度，大大降低了儀器的可靠性;復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致較高的維護成本，儀器可靠性降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有的可調(diào)光衰減單元存在的控制復(fù)雜，定位不準(zhǔn)確，儀器維護成本高的問題，本發(fā)明提供了一種基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置。
[0008]本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案:
[0009]—種基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置，包括兩個光纖準(zhǔn)直器和直線電機，所述直線電機包括滑軌，滑軌上安裝有動子，動子在滑軌上滑動，動子的中央設(shè)置有條形濾光片，所述條形濾光片位于兩個光纖準(zhǔn)直器之間，所述直線電機兩側(cè)均設(shè)置有用于防止動子滑落的擋板，直線電機連接有測量機構(gòu)，所述測量機構(gòu)連接有控制機構(gòu)，控制機構(gòu)連接有顯示輸入機構(gòu)。
[0010]優(yōu)選地，所述直線電機為輕固定載荷直線電機。
[0011]優(yōu)選地，所述測量機構(gòu)包括光柵尺和電流傳感器，所述光柵尺與滑軌并行設(shè)置，光柵尺上連接有細分解碼器，所述電流傳感器連接有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
[0012]優(yōu)選地，所述控制機構(gòu)包括現(xiàn)場可編程門陣列控制模塊和空間矢量脈寬調(diào)制模塊，現(xiàn)場可編程門陣列控制模塊內(nèi)設(shè)有依次連接的位置控制器、速度控制器、加速度控制器和電流控制器，所述電流控制器與空間矢量脈寬調(diào)制模塊相連。
[0013]優(yōu)選地，所述細分解碼器分別與位置控制器、速度控制器和加速度控制器相連，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器與電流控制器相連。
[0014]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0015]本發(fā)明使用輕固定載荷直線電機直接驅(qū)動濾光片移動，避免了雙濾光片設(shè)計中光功率變化跳變、插入損耗大、系統(tǒng)可靠性較低的缺點，避免了伺服電機與絲桿結(jié)構(gòu)引起的定位時間長、進給運動滯后、回程誤差等非線性誤差、儀器可靠性低及機械結(jié)構(gòu)維護復(fù)雜等缺點。輕固定載荷直線電機相比伺服電機具有損耗低、時間常數(shù)小、響應(yīng)快等更優(yōu)越的運動性能?？刂茩C構(gòu)采用多環(huán)反饋系統(tǒng)完成內(nèi)環(huán)電流反饋，通過對光柵尺輸出信號倍頻將濾光片位置分辨率由Uxm提高至0.02μπι，換算后為加速度、速度及位置反饋數(shù)據(jù)。針對輕固定載荷直線電機干擾少、數(shù)學(xué)模型更簡單的特點引入合適的補償前饋消除位置跟隨誤差。
【附圖說明】
[0016]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中光衰減單元的第一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中光衰減單元的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4為基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置的原理框圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行具體的說明:
[0021]結(jié)合圖1至圖4，一種基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置，包括兩個光纖準(zhǔn)直器I和直線電機，直線電機為輕固定載荷直線電機。
[0022]其中，直線電機包括滑軌2，滑軌2上安裝有動子3，動子3在滑軌2上滑動，動子3的中央設(shè)置有條形濾光片4，所述條形濾光片4位于兩個光纖準(zhǔn)直器I之間，所述直線電機兩側(cè)均設(shè)置有用于防止動子滑落的擋板5。
[0023]直線電機連接有測量機構(gòu)，所述測量機構(gòu)連接有控制機構(gòu)，控制機構(gòu)連接有顯示輸入機構(gòu)。
[0024]測量機構(gòu)包括光柵尺6和電流傳感器，所述光柵尺6與滑軌2并行設(shè)置，光柵尺6上連接有細分解碼器，細分解碼器能夠?qū)鈻懦叩臄?shù)據(jù)進行倍頻解碼，提高光柵尺的測量精度，電流傳感器連接有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
[0025]控制機構(gòu)包括現(xiàn)場可編程門陣列控制模塊和空間矢量脈寬調(diào)制模塊，現(xiàn)場可編程門陣列控制模塊內(nèi)設(shè)有依次連接的位置控制器、速度控制器、加速度控制器和電流控制器，所述電流控制器與空間矢量脈寬調(diào)制模塊相連。
[0026]光柵尺6通過細分解碼器分別與位置控制器、速度控制器和加速度控制器相連，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器與電流控制器相連。
[0027]結(jié)合圖3，入射光通過光纖準(zhǔn)直器進行準(zhǔn)直，經(jīng)過條形濾光片完成衰減后，最終通過光纖準(zhǔn)直器進入輸出光纖。條形濾光片固定在輕固定載荷直線電機動子上，利用動子的移動，帶動條形濾光片在兩個光纖準(zhǔn)直器之間直線移動，利用光柵尺6對條形濾光片的位置進行編碼，再通過細分解碼器倍頻光柵尺6位置編碼信號，實現(xiàn)條形濾光片高精度的位置檢測與反饋，結(jié)合高精度伺服控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)光功率的快速、高精度、穩(wěn)定的連續(xù)衰減。輕固定載荷直線電機消除了由旋轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)直線運動時所必需的渦輪、蝸桿、或絲杠等中間機構(gòu)，因而精度和快速性大大提尚。
[0028]結(jié)合圖4，本發(fā)明的控制系統(tǒng)為多環(huán)反饋伺服系統(tǒng)，電流反饋為內(nèi)環(huán)，加速度、速度及位置反饋為外環(huán)。多環(huán)反饋系統(tǒng)通過電流傳感器提供內(nèi)環(huán)反饋電流值，光柵尺6通過細分解碼器將濾光片位置分辨率由Iym提高至0.02μπι，換算后提供更準(zhǔn)確的加速度、速度及位置反饋依據(jù)。
[0029]針對輕固定載荷直線電機干擾少、數(shù)學(xué)模型更簡單的特點，在現(xiàn)場可編程門陣列控制模塊中引入合適的補償前饋消除位置跟隨誤差。現(xiàn)場可編程門陣列控制模塊中控制器采用模糊PID與PID相結(jié)合的設(shè)計，當(dāng)反饋值與目標(biāo)值偏差較大時，采用模糊PID控制，當(dāng)反饋值與目標(biāo)值接近時，自動切換到PID控制，兩者的轉(zhuǎn)換根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。這樣既能充分發(fā)揮模糊PID控制在動態(tài)控制中快速性好的優(yōu)勢，又能通過PID的精細控制，使被控量穩(wěn)定性能達到要求，進一步縮短定位時間。
[0030]顯示輸入機構(gòu)包括衰減值顯示模塊和輸入按鈕，用戶通過顯示輸入機構(gòu)輸入目標(biāo)衰減值，經(jīng)現(xiàn)場可編程門陣列控制模塊換算成目標(biāo)位置值，經(jīng)過位置控制器、速度控制器、加速度控制器、電流控制器運算后經(jīng)空間矢量脈寬調(diào)制模塊輸出六路PWM信號輸入電機驅(qū)動電路觸發(fā)三相全橋開關(guān)管，控制IPM驅(qū)動輕固定載荷直線電機工作，同時現(xiàn)場可編程門陣列控制模塊通過衰減值顯示模塊輸出當(dāng)前衰減值。
[0031]本發(fā)明使用輕固定載荷直線電機直接驅(qū)動濾光片移動，避免了雙濾光片設(shè)計中光功率變化跳變、插入損耗大及系統(tǒng)可靠性低的缺點，實現(xiàn)了較短定位時間、較高衰減精度與分辨率，較小溫漂效應(yīng)及較高可靠性。
[0032]當(dāng)然，上述說明并非是對本發(fā)明的限制，本發(fā)明也并不僅限于上述舉例，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置，包括兩個光纖準(zhǔn)直器，其特征在于，還包括直線電機，所述直線電機包括滑軌，滑軌上安裝有動子，動子在滑軌上滑動，動子的中央設(shè)置有條形濾光片，所述條形濾光片位于兩個光纖準(zhǔn)直器之間，所述直線電機兩側(cè)均設(shè)置有用于防止動子滑落的擋板，直線電機連接有測量機構(gòu)，所述測量機構(gòu)連接有控制機構(gòu)，控制機構(gòu)連接有顯示輸入機構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置，其特征在于，所述直線電機為輕固定載荷直線電機。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置，其特征在于，所述測量機構(gòu)包括光柵尺和電流傳感器，所述光柵尺與滑軌并行設(shè)置，光柵尺上連接有細分解碼器，所述電流傳感器連接有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置，其特征在于，所述控制機構(gòu)包括現(xiàn)場可編程門陣列控制模塊和空間矢量脈寬調(diào)制模塊，現(xiàn)場可編程門陣列控制模塊內(nèi)設(shè)有依次連接的位置控制器、速度控制器、加速度控制器和電流控制器，所述電流控制器與空間矢量脈寬調(diào)制模塊相連。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于直線電機的直線型連續(xù)可調(diào)光衰減裝置，其特征在于，所述細分解碼器分別與位置控制器、速度控制器和加速度控制器相連，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器與電流控制器相連。
【文檔編號】G02B6/26GK105929485SQ201610323400
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】楊鵬, 徐玉華, 劉磊, 韓順利, 李志增, 韓強, 杭棟棟, 吳威
【申請人】中國電子科技集團公司第四十研究所, 中國電子科技集團公司第四十一研究所