[发明专利]一种数字式摆镜控制系统

说明书

本发明提出一种数字式摆镜控制系统，以解决现有摆镜控制系统存在抗干扰能力弱、不易扩展、一阶谐振频率较低，以及体积和重量较大的技术问题。包括摆镜结构、DC/DC、2个X轴电机、与X轴夹角为45度安装的2个X轴位移传感器、X轴控制单元，以及2个Y轴电机、与Y轴夹角为45度安装的2个Y轴位移传感器及Y轴控制单元；控制单元包括FPGA、DSP、H桥、PWM驱动电路、电流采集电路、AD转换电路及RS422通信电路；DSP包括位置环控制器、电流环控制器、数字陷波器及PWM发生器；位置环控制器用于实现位置偏差的跟踪控制，位置偏差是通过运动解耦后的位置信号，与经传感器解耦后的位移量进行减法运算获得。

技术领域

本发明涉及摆镜控制系统，具体涉及一种数字式摆镜控制系统。

背景技术

光电跟踪系统是实现捕获、跟踪与瞄准功能的重要设备之一，在目标探测、导航定位、火控系统、航空航天、望远镜系统、光束稳定控制、空间光通信等领域中起着举足轻重的作用。目前，行业内对光电跟踪系统的稳定度、跟踪精度等都提出了越来越高的要求，但受系统带宽、转动惯量、跟踪范围的影响，仅利用大惯量跟踪架已经很难实现高稳定度、高跟踪精度的要求，而采用小惯量跟踪系统却难以满足系统工作范围需求。为此，通常采用大惯量跟踪系统与小惯量的跟踪系统配合工作，构成复合轴系统才能有效地保证系统满足设计各项需求。

摆镜作为精跟踪执行机构，以其精密定位的特点和快速响应能力，在空间科学及通信领域占据了越来越重要的位置，是目前顶尖技术之一。摆镜是一种高速镜面偏转机构，也称为快速反射镜（Fast Steering Mirror，FSM），主要有压电陶瓷驱动和音圈电机驱动两种。压电陶瓷利用的是电介质在电场作用下的两种效应--压电效应和电致伸缩效应，实现电能和机械能的互相转换。由压电陶瓷驱动的摆镜主要由柔性铰链、压电陶瓷驱动器、位置微调预紧机构、内部应变片传感器以及总体支撑框架几部分组成。在驱动原理上，压电陶瓷驱动的摆镜一般采用四驱动器-两轴方式驱动镜片平台的偏转，即每两个压电驱动器构成差分顶拉结构。音圈电机是一种直线驱动电机，由永磁场、管状线圈、铁磁圆柱、线圈支撑等部件构成，管状线圈通电后在磁场力作用下沿工作气隙直线运动。音圈电机具有结构简单、体积小、高加速响应快等特性。音圈电机的工作原理是安培力定理，通电导体在磁场中会产生力，力的大小取决于磁场强度、电流以及磁场和电流的方向。

音圈电机因其快速的动态响应和极高的控制精度，被广泛应用于高精度定位的伺服系统中。作为摆镜精跟踪系统的执行器，音圈电机的输出精度决定精跟踪系统的跟踪精度。但由于摆镜在两个自由度下响应转动时会存在机械耦合的影响，即一个自由度上的响应会引起另一个自由度的响应，而造成这种耦合的主要原因是电机的安装误差。除此之外由于位移传感器与电机无法共轴安装，所以位置信息只能通过传感器反馈信息坐标变换后得到，因而由于传感器与电机的安装误差也存在耦合，只能通过控制系统对其反馈进行解耦。

目前国内市场的光电跟踪系统主要采用进口的模拟摆镜控制系统，国内现有摆镜控制系统主要存在以下缺点：

1）现有摆镜控制系统抗干扰能力弱，不易扩展；

2）摆镜主要由压电陶瓷和音圈电机两种方式进行驱动，但对于有较大行程需求时多采用音圈电机的驱动形式，由于音圈电机是一种直线驱动电机，传感器与电机无法共轴安装，因此存在XY两轴的传感器位置反馈耦合的问题；

3）由于摆镜在两个自由度下响应转动时会存在机械耦合的影响，即一个自由度上的响应会引起另一个自由度的响应。而造成这种耦合的主要原因是安装引起的，虽然可以通过轻微调整得到改善，但是这种因素是不可避免的；

4）对于摆镜的执行机构属于柔性机构，所以其一阶谐振频率较低，在保证控制带宽的条件下并没有合理的方法对其抑制；

5）摆镜控制系统的伺服控制模块多采用二次电源、伺服控制器、主控电路板等多电路板集成的方式，具有体积大、重量大等缺陷。

发明内容