特种光纤熔接机高速推进系统设计与实现

贺永亮

（中电科仪器仪表（安徽）有限公司，安徽 蚌埠 233010）

0 引 言

随着“宽带中国”战略的实施，我国已经成为全球最主要的光纤光缆市场和全球最大的光纤光缆制造国，取得了引人注目的成就[1]。但是，在特殊性能和用途的特种光纤领域，我国和国外还有较大的差距。中国“光纤之父”赵梓森院士认为，国内特种光纤产业面临的主要问题是核心技术的缺失，其中一个很重要的因素就是尚未有国产化的成熟商用特种光纤参数测试和专用的熔接处理设备。因此，快速突破特种光纤熔接处理系统的关键共性技术，形成具有自主知识产权的国产化产品，满足我国特种光纤研制及应用过程中的熔接处理需求，具有很高的战略性和急迫性。传统的光纤熔接机大都采用步进电机对光纤进行推进，优点是控制简单，缺点是推进速度较慢。尤其是当分辨率提高时，需要选用大减速比的步进电机。

1 推进系统原理分析

本设计采用无刷电机直接驱动方式，原理如图1所示。选用双轴无刷电机，一端驱动直线滑轨，另一端驱动正弦编码器。直线滑轨和编码器都在电机的轴上，具有坚固、紧密、速度快以及没有回程差等优点。在高分辨率系统中，长寿命、低磨损很重要，无刷直流电机满足此要求[2]。

图1 推进系统原理框图

根据系统需求，选用1024线的正弦编码器。编码器有3路输出信号A、B、I，其中A、B是相位相差90°的正弦波，I是索引信号，即编码器旋转一周会输出一个索引信号。AB经过过零比较器，可提供粗略位置信息。将AB进行插值，可获得一个正弦波周期内的精调位置信息。控制系统根据获得的位置信息，通过驱动电路驱动电机转动。正弦编码器与电机同轴，不存在回程差。但是，直线滑轨与无刷电机通过丝杠传动，它们之间存在回程差。这可通过初始定位装置确定直线滑轨的初始位置，然后往一个方向推动滑轨，即可消除这种回程差。

2 推进系统设计

2.1 无刷电机驱动

运动的物体具有惯性，高速系统中必须考虑惯性的影响。为了缩短熔接时间，直线滑轨必须高速运动。当距离目标位置较近时，需通过减速消除惯性的影响。一般情况下，无刷电机的调速大都通过改变PWM波形的占空比来实现[3]。特种光纤熔接机需要左右两路推进，两部分推进原理相同。无刷电机驱动原理，如图2所示。选用双全桥驱动器L298作为无刷电机的驱动芯片，每一路有3个输入IN1、IN2、EN。控制系统发出的PWM信号直接输入到IN1，同时经过反相器的PWM信号输入到IN2。为了保证电机可靠的启停，系统还需要控制EN。同时，考虑到电机换向及启停时对电路的影响以及运行中可能产生的抖动，还需考虑保护电路的设计。

2.2 电机位置检测

正弦编码器用于检测电机的位置，由码盘和底座组成。底座包含激光源和检测电路。系统中底座固定不动，码盘随电机转动，码盘上的狭缝与底座狭缝相对运动。底座检测电路会输出相位差为90°的正弦波。为了检测电机的绝对位置，码盘上还有一个索引孔。此索引孔确定的绝对位置可以精确到一个增量步距[4]。编码器输出的正余弦信号输入到过零比较器后，输出两路相位差为90°的方波。对这两路方波进行计数，分辨率可达到编码器分辨率的4倍。对于1024线的编码器，分辨率可达4 096。同时，将正弦信号输入到一个8位分辨率的AD，通过对电压的比对，可将一个周期的正弦波细分为1/256倍。因此，电机转动的角分辨率约为0.000 4°，完全满足特种光纤熔接机对推进系统0.001°分辨率的要求。

2.3 推进系统的软件实现

控制系统选用ARM Cortex嵌入式处理器，采用C语言编程。系统初始化阶段，先进行硬件状态的自检。如果直线滑轨未在初始位置，则电机反转，否则电机正转。此时检测正弦编码器输出的位置信息，则可检测电机编码器是否正常工作，然后将直线滑轨反向驱动到初始位置，再正向前进特定的距离以消除回差，至此系统初始化完成。

当用户在直线滑轨上放入光纤后，控制系统自动计算光纤需要推进的距离，再根据距离计算PWM的占空比，使能驱动器，推动直线滑轨前进。同时，根据正弦编码器反馈的位置信息（A、B、I）调整光纤需要推进的距离，进而再改变PWM的占空比，直至光纤推进到合适的位置。在这个过程中，检测、运算、控制都是实时进行的。虽然现在单片机的性能与以前相比有很大提升，但在三角函数的运算方面还存在欠缺。因此，在进行软件设计时，精调位置的计算需进行特别处理。一种简单的处理方法就是遵循软件设计中的“时空原则”，即以时间换空间和以空间换时间。

3 推进系统性能测试

推进精度是推进系统最重要的性能指标。特种光纤的包层直径覆盖80 μm、500 μm。在进行推进精度测试时，选择包层直径125 μm的光纤进行测试。为了测试推进精度，需要搭建测试平台。测试平台主要包括高放大倍数的光纤摄像头和PC机。摄像头对待测光纤进行成像，并实时传输到PC机。光纤推进的距离可以通过软件进行测算。每一次测试前均将直线滑轨推进到初始位置，然后往前推进固定的距离，在与软件测算的距离进行对比，即可获得推进精度。在整个推进范围内，选取多个测试点进行测试，具体的测试数据如表1所示。

从表1可以看出，在各个测试点，推进精度均优于0.1 μm。

图2 无刷电机驱动原理图

还可利用自动测试技术，对整个测试范围进行逐点扫描测试。推进系统和光纤摄像头通过串行接口接入到PC机，PC机控制推进系统前进一定的步数，再通过光纤图像识别光纤实际前进的步数，记录二者的差值并绘制推进精度曲线，如图3所示。从图3可以看出，在整个测试范围，推进精度指标都满足要求。

表1 推进精度测试数据

4 结 论

在特种光纤生产与应用过程中，需要使用熔接处理设备。此设备涉及光、机、电以及系统集成等交叉领域技术，研制难度大。此类产品一直被国外厂家垄断，价格居高不下。高速推进系统设计是特种光纤熔接设备的关键技术之一，而此项关键技术的两个核心点是高速和高精度。文章提出了一种新的直接驱动辅以编码器位置检测的技术，从测试数据来看可以满足系统要求。需要注意，本方法涉及多领域技术，熔接处理设备的应用环境也较为复杂，因此它的长期可靠性还需进一步验证。

图3 逐点扫描测试结果