第33卷，第8期 2013年8月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.33,No.8,pp2263-2266
August，2013
实现FTIR光谱仪动镜扫描的全数字控制研究
任利兵，杨宏雷，尉昊赞，李岩
清华大学精密仪器系，精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京100084
摘要动镜扫措是导致FTIR光谱仪动态测量误差的主要因索，其运动的平稳性直接制约着测量光谱的信噪比，并影响到后续光谱定性定量分析的精度，对FTIR光谱仪整体性能优劣有举足轻重的作用。针对传统基于模/数混合设计的动镜运动控制系统的复杂性，研究了一种简洁实效的全数字控制方法，将动镜运动产生的正交编码信号A和B送入数字逻辑芯片CPLD，在该芯片内编写相应的位置和速度控制算法，生成两路PWM信号，再通过数字功率芯片驱动挂载动镜的音圈电机完成扫描。实验表明，该控制方法使动镜在匀速阶段的速度平均稳定性优于97.2%，可显著提高测量光谱信噪比，为FTIR光谱仪高精度定量分析提
供保障。关键词
FTIR光谱仪；速度稳定性；全数字控制；音图圈电机
DOI: 10.3964/j. issn. 10000593(2013)08-2263-04
中图分类号：0657.3
引言
文献标识码：A
电机位置信息的正交编码信号A、B送人一片CPLD芯片(如Altera公司的EPM1270)内，由CPLD通过全数字方法生成控制音圈电机的PWM信号，再借助L298数字功率孵
傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪是一种应用广泛的分析仪器，它由光机电多种部件组成，这些部件对系统整体的信噪比有不同程度的影响，但是除动镜之外，其他部件在连续测量过程中是静止不动的，只产生静态误差，只要仔细调整，这种误差可以最小化。作为系统唯一的活动部件，动镜的扫描特性，尤其是速度平稳性，会对FTIR光谱仪的测量光谱信噪比产生动态影响。因此，实现动镜扫描控制是FTIR 光谱仪研制过程中必要且非常关键的步骤。
传统FTIR光谱仪中，动镜扫描通常由步进电机或音圈电机来驱动(1)，相比步进电机，音圈电机（VoiceofMotor）运行更为平滑，速度连续性好，速度可调范围大，方便大幅加减速，但音圈电机运动有惯性，特别是在无阻尼环境下，实现电机的位置和速度平稳控制有一定难度。如Thermo fisher公司的Nicolet系列FTIR光谱仪以及ABB公司的 FTIR光谱仪普遍采用DSP结合A/D，D/A芯片控制音圈电机[3,4，国内也有类似文献报道，这些控制方式的优点是可以实现复杂算法级的控制，但其具体实现上常引人模/数，数/模转换以及滤波电路等，控制结构复杂，调试和研发周期较长。
在简化设计和控制的复杂度，并保持高控制性能的前提下，研究提出一种简洁实效的全数字控制方法，将反映音圈收稿日期：2012-12-21，修订日期：2013-03-20
基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目(61205147)资助作者简介：任利兵，1981年生，清华大学精密仪器系助理研究员
万方数据
动芯片实现电机驱动。
所研究的全数字控制方法，输入只有正交编码信号A和 B，输出只有控制电机运转的两路PWM信号，位置和速度误差均由输人的编码信号A和B生成。该方法的优点是输输出最简，整个控制过程无任何模拟量参与，彻底消除了传统控制中的模拟信号串扰、滤波等间题。另外控制核心在于CPLD芯片内的程序，只要改变程序并重新烧写，无需改动电路结构，即可用于不同行程和速度的音圈电机控制，
控制原理及实现方式扫描方式及整体方案
1.1
研究中，FTIR光谱仪采用双边扫描方式，即在零光程差两侧，均需提供一段速度相对稳定的位置区间，作为红外涉信号的采集区，其目的是尽可能降低音圈电机运动速度不稳对光谱信号的影响"。同时，为了尽可能提高于涉信号采样效率（采集周期/扫描周期)，要求音圈电机的速度能尽快进人匀速区并尽快脱离加、减速区，因此拟使音圈电机的速度按梯形曲线扫描，如图1所示。
图1中曲线α为红外干涉信号，曲线6为音图电机梯形速度信号，梯形中部(A和B)为音圈电机匀速区，也对应红 e-mail; rlb2011@mail. tsinghua.edu.cn