[发明专利]一种基于FPGA的三点压电驱动快摆镜迟滞补偿控制系统

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的三点压电驱动快摆镜迟滞补偿控制系统，包括FPGA迟滞补偿控制模块、SGS微位移传感器、SGS微位移信号调理和采集电路、压电陶瓷驱动电路、上位机和三点压电驱动快摆镜，其中，所述三点压电驱动大口径快摆镜为被控对象；所述SGS微位移传感器集成在压电陶瓷执行器的内部；所述SGS微位移信号调理和采集电路与FPGA迟滞补偿控制模块相连；所述压电陶瓷驱动电路与FPGA迟滞补偿控制模块相连；所述上位机通过422接口和FPGA进行通讯。本系统充分利用了FPGA并行处理的特性，完成了基于多Stop算子并联的PI逆模型在FPGA上的部署和多压电陶瓷执行器的并行迟滞补偿控制，降低了系统计算延时，提高了系统响应速度，实现高精度、实时和同步多压电补偿与控制。

技术领域：

本发明涉及一种压电驱动快摆镜，具体涉及一种基于FPGA的三点压电驱动快摆镜迟滞补偿控制系统。

背景技术：

空间天文望远镜在轨工作环境非常复杂，探测器的探测精度会受多种复杂因素的影响，为了保证望远镜的探测器高质量成像和长时间的稳定，在采用飞行器高精度姿态控制与振动抑制等技术手段的基础上，需要借助精密稳像技术以消除各种扰动源对空间天文望远镜的影响。大口径快摆镜(Large-aperture FSM，LAFSM)是空间天文望远镜精密稳像系统的关键组成部分，其对精细导星仪(Fine Guidance Sensor,FGS)检测并反馈的视轴偏移量进行像移补偿，可有效抑制指向跟踪系统残余的视轴误差，实现高精度稳像。

随着纳米级定位技术的迅速发展，纳米量级压电精密驱动技术已逐渐成为现代精密定位与测量领域的关键技术。压电陶瓷执行器具有响应频率高，负载大及位移分辨率高等优点，其相比于音圈电机(Voice Coil Actuators,VCA)具有更高的谐振频率和位移分辨率，是稳像系统中快摆镜执行机构常用的驱动设备。然而，压电陶瓷执行器固有的迟滞非线性会对快摆镜像移补偿精度造成不利影响从而降低稳像系统的性能。

现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)属于专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)中集成度最高的一种，内部由大量的基本逻辑单元组成。FPGA的I/O资源丰富并能够灵活配置，使其与外围器件连接非常方便。用户可对FPGA内部的逻辑资源和I/O资源等重新配置，以定制用户所需的功能，极大地提高了系统设计的灵活性，缩短了产品的设计周期。不同于DSP和ARM等顺序执行指令的技术原理，FPGA可以实现真正的并行运算。目前先进的FPGA中都包含了具有数字信号处理功能的硬件核心，这些经过优化处理的硬件DSP模块可以提高数据运算过程的时钟频率，使高速复杂的迟滞补偿运算能够稳定执行。因此，采用FPGA完成基于多Stop算子并联的PI逆模型在FPGA的部署，实现三点驱动快摆镜中多压电陶瓷执行器的并行迟滞补偿与控制。

发明内容：

针对上述应用背景，本发明提出了一种基于FPGA的高精度、快速响应的三点压电驱动快摆镜迟滞补偿控制系统，所述系统包括三点压电驱动快摆镜1，SGS微位移传感器(Resistance strain gauge sensor)2、SGS信号调理与采集电路3、压电陶瓷驱动电路4、FPGA迟滞补偿控制模块5和上位机6。上位机6通过422通讯接口将快摆镜的目标摆动角度信号发送给FPGA迟滞补偿控制模块5，其中的位移解算将摆动角度解算为三点压电陶瓷执行器的目标位移，通过迟滞补偿算法将目标位移进行反解求得各个压电陶瓷执行器的驱动电压，经压电陶瓷驱动电路4对三点压电驱动快摆镜1转角的控制，从而实现了对压电陶瓷迟滞非线性的补偿；SGS微位移传感器2负责实时检测压电陶瓷执行器的位移，经SGS信号调理与采集电路3将位移信号输入进FPGA迟滞补偿控制模块，并通过422通讯接口传输给上位机6，完成压电陶瓷执行器位移的实时监测。

优选的，所述三点压电驱动快摆镜1以压电陶瓷执行器作为促动器，通过柔性支撑微位移放大机构对镜面进行驱动，镜面二维偏转采用三点并联驱动方式，三个压电陶瓷执行器围绕镜面中心呈等边三角形分布，每两个执行器和中心连线的夹角为120°。