具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

以下实施方式中，在提及要素的数字等(包括个数、数值、量、范围等)的情况下，除了特别明确说明的情况和从原理上明显限定为特定数字的情况之外，并不限定于该特定数字，可为特定数字以上或以下。本申请中，“使用……构成”或“由……构成”这样的表述仅表示了主要的构成部件，并不排除包括其他的部件。

另外，在以下的实施方式中，其结构要素(包括步骤要素等)除了特别明确说明的情况和从原理上明显理解为是必须的情况之外，都不一定是必须的，并且也可以包括说明书中未明确提及的要素。

本说明书中，用“电机装置”这一用语表示包括电动机的动力机构及其控制电路在内的整个系统，“电机装置的转速”即其中的电动机的转速，不过，在不会造成误解的情况下，也使用“电动机”或“电机”表示相同的概念。

本说明书中描述的实施例仅为一个完整描述的示例，并不限定本发明的保护范围，基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下能够获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[实施方式]

图1是表示应用了本发明的多电机同步控制装置的多电机系统的示意性框图。

如图1所示，多电机系统100采用主从控制，包括一台主动电机装置101和至少一台从动电机装置102以及二者之间的同步控制装置103。其中，主动电机装置101使用伺服电机构成，从动电机装置102使用步进电机构成，同步控制装置103基于来自主动电机装置101的信号生成脉冲信号输出到从动电机装置102，进行多电机同步控制。

如前文所述，本发明中提到的“同步控制”指的是广义上的同步，表示多台电机之间的旋转速度(角速度)保持固定的比例，该比例可以为1，也可以小于1或大于1，只要维持不变即可。

例如，根据实际的应用场景的要求，可以预先确定从动电机装置102中的步进电机与主动电机装置101中的伺服电机之间的转速比(即，目标转速比)，通过同步控制装置103进行控制，使得实际运行过程中，步进电机(从动)的转速能够随着伺服电机(主动)的转速变化而变化，并且二者之间的转速比始终保持为目标转速比，由此即实现了本发明所称的“同步控制”。

主动电机装置101的示意性结构表示在图2中。

如图2所示，主动电机装置101包括伺服电机201、旋转变压器202、旋变解算模块203和伺服电机控制电路204。即，主动电机装置101可以理解成以伺服电机为动力机构执行闭环控制的动力系统。

其中，伺服电机(Servo Motor)201可以是本领域通常采用的任意的伺服电机，例如可以是直流电机也可以是交流电机，可以是有刷电机也可以是无刷电机，在此均没有特别的限制，只要其具有服从控制信号的要求而动作的功能，从而能够基于反馈信号(例如电机运动角度的检测信号等)由控制电路实施闭环控制即可。

本实施方式的主动电机装置101采用常规的PID方案对伺服电机201进行控制。为了提供反馈信号，在伺服电机201上设置了与其同轴的旋转变压器202。旋转变压器是一种能够精确地获取电机角度和速度的传感器，具有低成本、结构可靠、环境适应性强等特点，常常应用于工业、交通、航空航天等领域。在本实施方式中，利用旋转变压器202检测伺服电机201的转子当前所处的角度(即转子位置，例如转子的绝对位置)，并根据不同的角度输出对应的电信号即旋变信号。

旋变信号例如是一种随转子角度变化的电压信号，由于是模拟信号，不能直接作为反馈信号供伺服控制电路使用。因此，旋变信号被输出到旋变解算模块203(也称旋变解算芯片)中，将模拟信号转换为数字信号。

本实施方式中，旋变解算模块203采用的是Analog Devices公司生产的16位宽数字转换器AD2S80A。即，该旋变解算模块203将从旋转变压器202接收的模拟的旋变信号转换成16位的二进制数字信号(下文称“数字旋变信号”)输出，其中，旋变解算模块203的16位数据总线各自与一个输出引脚连接，分别从各引脚输出1位二进制信号(例如是高低电平)。不过，本发明对于旋变解算模块203转换得到的多位数字旋变信号的位数并不特别限定，例如也可以不是16位而是10位、12位或14位等等，位数越多则位置(即角度)检测的分辨率越高。

伺服电机控制电路204从旋变解算模块203接收数字旋变信号，以该信号作为反馈信号来计算电机驱动信号，对伺服电机201执行PID控制。具体的控制可采用现有的技术，其不是本发明的重点故省略说明。

从动电机装置102的示意性结构表示在图3中。

如图3所示，从动电机装置102包括步进电机301、霍尔位置传感器302和步进电机控制电路303。即，从动电机装置102可以理解成以步进电机为动力输出机构执行开环控制的动力系统。

本实施方式的多电机系统100可以包括多于一台从动电机装置102，各从动电机装置102均由同步控制装置103实施同步控制，并且均具有图3所示的结构。不过，它们的同步关系可以彼此不同，即，它们各自的步进电机301的转速与伺服电机201的转速之比可以不同。

步进电机301是本领域通常使用的任意的步进电机。与伺服电机不同，步进电机是将脉冲信号转换为角位移或线位移(本实施方式是角位移)的机件。具体而言，当步进电机控制电路303接收到一个脉冲信号时，就驱动步进电机301按预设的方向转动预定的固定角度(下称步距角)，因此，步进电机301的转速能够通过脉冲信号的频率来准确控制。

图3的从动电机装置102中，对步进电机301设置了霍尔位置传感器302用于检测电机转子的初始位置输出零位脉冲，其不是本发明的重点故省略详细的说明。

下面说明本实施方式的同步控制装置103的具体结构。

图4是本实施方式的同步控制装置103的示意性框图。

如图4所示，本实施方式的同步控制装置103包括脉冲输入部401、脉冲调理部402和脉冲输出部403。

其中，脉冲输入部401与主动电机装置101中的旋变解算模块203的多个(例如16个)引脚中的一个引脚连接，取得该引脚的二进制信号(高低电平)。或者，也可以将脉冲输入部401设计成，其能够有选择地与旋变解算模块203的任一引脚连接，取得其二进制信号。

旋变解算模块203的各引脚输出的信号(高低电平)对应于上述数字旋变信号的各个位的值，如后文所述，它们各自是随时间变化的，因此沿时间看来，可以将各引脚输出的信号理解成由电平的高低构成的方波脉冲信号。

如后文所述，该方波脉冲信号的频率与伺服电机的转速有关，而前文提到，步进电机的转速可由脉冲信号的频率控制。因此，本发明的技术思想就在于，使用这样的方波脉冲信号来生成对步进电机进行控制的脉冲信号，从而能够实现可靠的同步控制。

脉冲调理部402由分频/倍频器构成，对脉冲输入部401取得的脉冲信号进行分频/倍频而得到用于驱动步进电机的脉冲信号(下称“驱动脉冲信号”)。这里，分频/倍频的倍率是根据步进电机301与伺服电机201之间的目标转速比，以及步进电机301的步距角决定的，并且，该倍率也与脉冲输入部401取得的是哪一个引脚的信号有关。

即，根据脉冲输入部401取得的是旋变解算模块203的哪个引脚的信号(即，多位数字旋变信号的哪一个位的信号)，以及步进电机301与伺服电机201之间的目标转速比和步进电机301的步距角，来决定脉冲调理部402中的分频/倍频的倍率。

脉冲输出部403将脉冲调理部402进行分频/倍频得到的驱动脉冲信号输出到从动电机装置102的步进电机控制电路303，步进电机控制电路303基于该驱动脉冲信号对步进电机301进行控制。

如上所述，本实施方式的同步控制装置103能够对多台从动电机装置102进行同步控制，并且各从动电机装置102的同步关系可以不同。因此，如图4所示，脉冲调理部402可以包括多个(1个以上)分频/倍频器，各自按照不同的同步关系对脉冲输入部输入的方波脉冲信号进行分频/倍频，从而输出不同的驱动脉冲信号，并由脉冲输出部403将各驱动脉冲信号输出到对应的从动电机装置102中的步进电机控制电路303即可。当然，各分频/倍频器可以使用脉冲输入部401取得的旋变解算模块203的同一个引脚的信号，也可以各自使用来自不同引脚的信号。

另外，也可以不限于此，作为变形例可以设置多个同步控制装置(未图示)，其中各同步控制装置的脉冲调理部402中仅设置一个分频/倍频器。此时，各同步控制装置的脉冲输入部可以与主动电机装置101中的旋变解算模块203的多个引脚中的同一个引脚连接，但也可以与不同的引脚连接。无论如何，只要根据各脉冲输入部取得的是多位数字旋变信号的哪一个位的信号，以及步进电机301与对应的伺服电机之间的目标转速比和步进电机301的步距角，来决定各同步控制装置各自的脉冲调理部的分频/倍频的倍率即可。

同时，上文描述的同步控制装置103包括脉冲输入部401和脉冲输出部403，它们可以是能够切换输入/输出对象的专用器件，也可以是简单的导电线路。也可以理解成，脉冲输入部401和脉冲输出部403仅起到将脉冲调理部402与旋变解算模块203和步进电机控制电路303连接的功能，本实施方式的同步控制装置103仅由脉冲调理部402构成。例如，这样构成的多电机系统100可以如图5所示。

下面具体说明本发明的同步控制的原理。

图6(a)、图6(b)是表示旋变解算模块203输出的多位数字旋变信号的示意图。

本实施方式的旋变解算模块203(Analog Devices公司生产的16位宽数字转换器AD2S80A)将旋转变压器202输出的模拟的旋变信号转换成16位二进制的数字旋变信号输出。16位二进制的0,000,000,000,000,000(十进制下为0)至1,111,111,111,111,111(十进制下为65535)共有65536个数据，因此该旋变解算模块203能够将电机角度0～360(度)的范围分解为65536等分，最小可分辨的角度为360/65536(度)。

图6(a)表示伺服电机201的不同转子位置时的数字旋变信号的示意图。

图中横轴表示旋变解算模块的各引脚，即数字旋变信号的各个位，从左到右对应于位从高到低；纵轴是各引脚(各个位)的二进制信号即电平的高低。在图6(a)中，自上而下表示了电机角度从0逐渐增大至360的情况，对应地，旋变数字信号相应地从0,000,000,000,000,000起逐一递增，直至达到1,111,111,111,111,111，进而再递增为0,000,000,000,000,000，持续反复。于是，旋变数字信号的值每加一，对应于电机角度增大360/65536度。

从图6(a)中可以看出，例如，当电机角度为0时，各引脚的信号均为0(低电平)；当电机角度为360/65536时，最低位引脚的信号为1(高电平)，其他均为0；当电机角度为2*(360/65536)时，次低位引脚的信号为1，其他均为0；……；当电机角度为16384*(360/65536)＝90时，次高位引脚的信号为1，其他均为0；……；当电机角度为32767(360/65536)时，除最高位之外的引脚的信号均为1；当电机角度为32768(360/65536)＝180时，最高位引脚的信号为1，其他均为0；……；当电机角度为65534*(360/65536)时，除最低位之外的引脚均为1；当电机角度为65535*(360/65536)时，所有引脚均为1；当电机角度为65536*(360/65536)＝360＝0时，恢复为各引脚的信号均为0。

由于转子位置是反复从0增大至360的，因此可以认为各引脚的信号随着时间的经过按照自上而下的顺序变化，并且在到达最下端的65536*(360/65536)＝360＝0后，返回360/65536继续重复。

图6(b)是从另一个角度来看图6(a)的信号的图。

图6(b)关注的是各引脚自身的信号随时间的变化，引脚1～16依次表示最高位、次高位、第三高位……最低位。

根据图6(a)可知，最高位引脚1的信号在转子位置从32767*(360/65536)变化为32768*(360/65536)＝180时，从0变为1，之后保持为1直到转子位置到达360时恢复为0。

次高位引脚2的信号在转子位置从16383*(360/65536)变化为16384*(360/65536)＝90时，从0变为1，之后保持为1直到转子位置到达180时从1恢复为0；然后，在转子位置从49151*(360/65536)变化为49152*(360/65536)＝270时，再次从0变为1，之后保持为1直到转子位置到达360再从1恢复为0。

后续依次类推。

于是如图6(b)所示，随着时间的变化，最高位引脚1输出的信号相当于一个方波脉冲信号，每当电机位置处于360度时完成一个脉冲的输出。

而次高位引脚2输出的信号同样是一个方波脉冲信号，每当电机位置处于180度及其整数倍时完成一个脉冲的输出。

引脚3输出的信号同样是一个方波脉冲信号，每当电机位置处于90及其整数倍时完成一个脉冲的输出。

引脚4输出的信号同样是一个方波脉冲信号，每当电机位置处于45及其整数倍时完成一个脉冲的输出。

引脚5输出的信号同样是一个方波脉冲信号，每当电机位置处于22.5及其整数倍时完成一个脉冲的输出。

后续依次类推，即，引脚n输出的信号是一个方波脉冲信号，每当电机位置处于360/2^n-1及其整数倍时完成一个脉冲的输出。

因此，旋变解算模块203的各引脚输出的信号随时间的变化相当于方波脉冲，该脉冲信号的频率由伺服电机201的转速决定。

例如，令伺服电机201的转速为X圈/秒，则旋变解算模块203的最高位引脚输出的方波脉冲的频率为X，次高位引脚输出的方波脉冲的频率为2X，引脚3输出的方波脉冲的频率为4X，引脚4输出的方波脉冲的频率为8X，引脚n输出的方波脉冲的频率为2^n-1X。

如前文参照图4说明的那样，在本实施方式的同步控制装置103中，根据脉冲输入部401取得的是多位数字旋变信号的哪一个位(最高位起的第n位)的信号，以及步进电机301与伺服电机201之间的目标转速比和步进电机301的步距角，来决定脉冲调理部402中的分频/倍频的倍率。

例如，令步进电机301与伺服电机201的目标转速比为γ，即，步进电机301的转速为γX圈/秒，步距角为δ度，并且，令脉冲输入部401取得的是引脚n的信号。

令脉冲调理部402中的分频/倍频的倍率η，其可由下式给出。

于是，通过将脉冲调理部402中的分频/倍频的倍率设定为上述η，同步控制装置103能够输出规定频率的驱动脉冲信号，使得步进电机301与伺服电机201满足要求的目标转速比。

如上所述，本实施方式中，多电机系统100采用主从控制，以伺服电机构成主动电机、以步进电机构成从动电机，同步控制装置103取得旋变解算模块203的一个引脚的方波脉冲信号，利用分频/倍频器进行分频/倍频，得到的驱动脉冲信号能够用于驱动步进电机使得步进电机与伺服电机保持目标转速比。

于是，采用本实施方式，在伺服电机构成主动电机、步进电机构成从动电机的多电机系统中，同步控制装置可以仅由硬件电路(分频/倍频器)构成，具有结构简单、控制可靠、成本低的优点，能够适用于前述多角度偏振成像仪和偏振扫描仪作为卫星载荷的恶劣环境，可适用于航空航天、大气监测领域。

[实施例]

下面说明本发明的具体实施例。

如前文所述，作为卫星载荷的多角度偏振成像仪DPC存在与偏振扫描仪POSP实施协同观测的需求。本发明中，可以将包括多角度偏振成像仪DPC和偏振扫描仪POSP的整个系统称作大气环境监测光学系统(即，光学系统)。

多角度偏振成像仪DPC和偏振扫描仪POSP的协同观测已被诸多文献所报道，本实施例仅主要说明与电机的同步控制相关的部分结构。

图7是该光学系统中的多角度偏振成像仪DPC的主要部分结构的示意性说明图。

如图7所示，多角度偏振成像仪DPC相当于一台摄像机(即，第二摄像机)，其中包括转盘701和隔着转盘701沿同一轴线配置于两侧的探测器702与镜头(广角镜头)703，转盘701能够由电机装置(即第二电机装置，此处未图示)驱动而绕轴704旋转，转盘上设置有多个通道705，各通道705中设置有不同偏振方向的偏振片706。多角度偏振成像仪DPC被配置成，转盘701按照规定的转速旋转，并且在旋转的每一周，仅在镜头703、探测器702以及转盘701上的某个通道705对齐的时刻进行成像。即，例如转盘701上设置有m个通道，则DPC在转盘701旋转的每一周成像m次，从而能够分时地获得不同偏振的成像信息。

图8是偏振扫描仪POSP的主要部分结构的示意性说明图。

如图8所示，偏振扫描仪POSP同样相当于一台摄像机(即，第一摄像机)，其中包括在电机装置802(即第一电机装置)驱动下工作的扫描镜801，扫描镜在电机装置的驱动下旋转而引入多角度的信号，在一定的角度范围内(例如±50度)连续扫描并成像。

为了将偏振扫描仪POSP与多角度偏振成像仪DPC的探测结果结合，需要满足的条件是，每当多角度偏振成像仪DPC成像时，即，每次当镜头703、探测器702与转盘701上的某个通道705对齐时，扫描镜801引入的是同一角度的信号。为此，需要使二者的电机装置(即，第一电机装置、第二电机装置)的转速保持同步关系。

于是，这里能够应用上述本发明实施方式中记载的同步控制装置103来实现多电机同步控制。

图9是应用了本发明的多电机同步控制装置的大气环境监测光学系统900的示意性框图。

如图9所示，在本实施例的大气环境监测光学系统900中，多角度偏振成像仪DPC的电动机(即上述第二电机装置)采用了步进电机，偏振扫描仪POSP的电动机(即上述第一电机装置)采用了伺服电机。

即，偏振扫描仪POSP中作为第一电机装置包括上述的主动电机装置101，多角度偏振成像仪DPC中作为第二电机装置包括上述的从动电机装置102，从而能够利用同步控制装置103进行二者的同步控制。

本实施例的具体参数如下。

步进电机与伺服电机的同步关系要求为：步进电机每转动0.028°时伺服电机转动0.211°，设计伺服电机转动一圈979.25ms，步进电机转动一圈7344.3ms。即，上述目标转速比γ＝1/7.5。并且，步进电机转动1圈运行12600步，即步距角为δ＝360/12600。

另外，同步控制装置103中的脉冲调理部402获取的是旋变解算模块203的次高引脚(n＝2)的信号。

于是，根据上述倍率η的计算公式能够得出η＝840。即，脉冲调理部402将旋变解算模块203的次高引脚的方波脉冲信号倍频840倍，将倍频后的驱动脉冲信号输出到步进电机控制电路来驱动步进电机。

本实施例的实测数据表示在图10(a)、图10(b)中。图10(a)是伺服电机的转动周期数据，纵轴表示每转一圈的时间即周期(ms)，横轴表示圈数，其中表示了到第3241圈附近的数据。

图10(b)是步进电机的转动周期数据，纵轴表示每转一圈的时间即周期(ms)，横轴表示圈数，其中表示了到第2698圈附近的数据。

从图10(a)、图10(b)中能够看出，在伺服电机的转速稳定于设计值979.25ms/圈时，步进电机的转速能够相应地稳定于设计值7344.3ms/圈，即，二者能够保持可靠的同步。

上面对本发明的具体实施方式和实施例进行了说明。但本发明并不限定于该实施方式和实施例。实施例说明了将本发明的同步控制装置应用于大气环境监测光学系统的情况，但不限于此，可以应用于任意的需要多电机同步控制的场合，只要能够像本发明那样使用伺服电机作为主动电机并使用步进电机作为从动电机即可。

实施例说明了从动电机(步进电机)为1台的情况，但正如实施方式中说明的那样，可以按照需要应用于多台从动电机的情况。

工业利用性

本发明能够应用于能够以主从方式实施多台电机的同步控制的任意场合。