長春理工大學本科畢業(yè)論文PAGEPAGE39長春理工大學本科畢業(yè)論文編號本科生畢業(yè)論文振鏡控制系統(tǒng)設計Galvanometercontrolsystemdesign2011年5月摘要隨著激光器技術和電子器件技術的飛速發(fā)展，振鏡激光掃描技術以其高速、精確掃描的優(yōu)點廣泛應用于快速成形技術中,成為其核心部件。振鏡實現(xiàn)ATP控制頁數(shù)太多，刪掉15頁左右，還要好好排版的私服系統(tǒng)是極具前景的通信方式。由于空間環(huán)境復雜，通信距離遙遠，而可靠的通信對跟瞄精度要求很高，振鏡控制技術成為實現(xiàn)空間光通信的關鍵和難題。高精度的視軸穩(wěn)定技術是實現(xiàn)整個打標機的核心。因此，對打標機中的視軸穩(wěn)定系統(tǒng)的研究非常必要。因此提出了采用PZT振鏡實現(xiàn)光束的精確控制。根據(jù)精跟蹤系統(tǒng)對伺服平臺的要求，從靜態(tài)控制精度、諧振頻率、帶載能力、控制范圍、帶寬方面對振鏡進行了詳細的分析，選取了合適的振鏡平臺和驅(qū)動方式，驗證了PZT振鏡在快速伺服上的應用。頁數(shù)太多，刪掉15頁左右，還要好好排版關鍵詞：振鏡控制打標機PZT驅(qū)動器仿真AbstractWithlasertechnologyandelectroniccomponentsandtechnologyrapiddevelopment,galvanometerlaserscanningtechnologytoitshighspeed,accuratescanwidelyappliedtotheadvantagesofrapidformingtechnique,asitscorecomponents.ThegalvanometerATPcontrolprivateserversystemisextremelypromisingwaytocommunicate.Becauseofthespaceenvironmentcomplex,communicationdistant,andreliablecommunicationswithtracking&pointingaccuracyrequirementofveryhigh,galvanometercontroltechnologytobecomethekeyrealizationspaceopticalcommunicationandproblems.Precisionviewaxisstabletechnologyistorealizethewholemarkingmachinecore.Therefore,therallymarkingmachineship-swayingstabilizationsystemstudyisverynecessary.ThereforeproposesusingPZTgalvanometeraccuratecontrolofbeam.Accordingtofinetrackingsystemforservoplatformrequirement,fromthestaticcontrolaccuracyandtheresonantfrequency,bringloadcapacity,controlscope,bandwidthaspectsofgalvanometerareanalyzedindetail,andtheproperselectionofthegalvanometerplatformanddrivemode,andverifiesthePZTgalvanometerapplicationinquickservo.Keywords:GalvanometercontrolMarkingmachinePZTDRIVE目錄緒論 1第一章振鏡控制系統(tǒng) 21.1振鏡的定義 21.2激光振鏡 21.3振鏡控制系統(tǒng)的廣泛應用 21.4論文研究的目的和內(nèi)容 6第二章自由空間光通信APT系統(tǒng) 72.1ATP系統(tǒng)的組成 72.2ATP系統(tǒng)描述 92.3精跟蹤子系統(tǒng)的跟蹤精度 10第三章精跟蹤系統(tǒng)對伺服平臺的要求 143.1ATP系統(tǒng)對振鏡的要求 143.2振鏡平臺的選取 163.3振鏡各種驅(qū)動方式的特點 17第四章PZT驅(qū)動器的基本原理及特性 ..204.1PZT的基本概念 204.2PZT的特性分析 21第五章PZT振鏡的設計 245.1振鏡伺服系統(tǒng)總體框圖 245.2PZT驅(qū)動平臺 255.3PZT振鏡驅(qū)動 265.4PZT振鏡伺服控制模塊 275.5數(shù)字控制補償 285.6接口 35第六章實驗系統(tǒng)測試結(jié)果 376.1精跟蹤環(huán)建模 376.2實驗數(shù)據(jù) 406.3控制精度的測試 40結(jié)論 43緒論21世紀是科技飛速發(fā)展的時代，其中以信息的傳輸和交換技術發(fā)展最為快速。隨著激光器技術和光電子器件技術的飛速發(fā)展，以及人們對通信距離、通信質(zhì)量的要求的不斷提高，光通信技術以其獨特的優(yōu)點，得到了越來越快的發(fā)展。從1995年到2003年短短的8年時間，控制系統(tǒng)在激光領域就經(jīng)歷了大幅面時代、轉(zhuǎn)鏡時代和振鏡時代，控制方式也完成了從軟件直接控制到上下位機控制到實時處理、分時復用的一系列演變，如今，半導體激光器、光纖激光器、乃至紫外激光的出現(xiàn)和發(fā)展又對光學電學過程控制提出了新的挑戰(zhàn)。在這其中，振鏡控制系統(tǒng)以其獨到的特色以及優(yōu)勢使整個系統(tǒng)的掃描速度和重復定位精度達到一個新的水平。如今，世界上振鏡控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，國外的技術的發(fā)展要超于國內(nèi)，例如三維振鏡激光掃描系統(tǒng)長期以來只能從國外進口,存在著價格昂貴、維修困難、技術受限等方面的問題。然而當今世界的局勢錯綜復雜，我國作為社會主義大國要在世界上立于不敗之地，必須加快發(fā)展高新技術，尤其是在航天技術，信息技術，激光技術等領域，要跟蹤國際水平，縮小同國外的差距，并力爭在我們有優(yōu)勢的領域有所突破，為我國的經(jīng)濟發(fā)展和國防安全創(chuàng)造條件。

第一章.振鏡控制系統(tǒng)1.1振鏡的定義振鏡是一種優(yōu)良的矢量掃描器件是一種特殊的擺動電機,基本原理是通電格式不對線圈在磁場中產(chǎn)生力矩,但與旋轉(zhuǎn)電機不同,其轉(zhuǎn)子上通過機械紐簧或電子的方法加有復位力矩,大小與轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的角度成正比,當線圈通以一定的電流而轉(zhuǎn)子發(fā)生偏轉(zhuǎn)到一定的角度時,電磁力矩與回復力矩大小相等,故不能象普通電機一樣旋轉(zhuǎn),只能偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角與電流成正比,與電流計一樣,故振鏡又叫電流計掃描器。振鏡的原理我們可以追溯到光線示波器，一種基本上已被淘汰的示波器，其原理是：利用振動子偏轉(zhuǎn)反射的光束在感光記錄紙上記錄一個或多個參數(shù)的瞬時值，以確定其波形的記錄儀器。被測參數(shù)可為電流或電壓等電量，或為已轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏康母鞣N非電量，例如在機械工程中與應變片配合使用時，可測應力、應變、扭矩和振動等。格式不對1.2激光振鏡激光振鏡簡單來講是用在激光行業(yè)的一種掃描振鏡，其專業(yè)名詞叫做高速格式不對掃描振鏡（Galvoscanningsystem）。所謂振鏡，又可以稱之為電流表計，它的設計思路完全沿襲電流表的設計方法，鏡片取代了表針，而探頭的信號由計算機控制的-5V—5V或-10V－+10V的直流信號取代，以完成預定的動作。同轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)相同，這種典型的控制系統(tǒng)采用了一對折返鏡，不同的是，驅(qū)動這套鏡片的步進電機被伺服電機所取代，在這套控制系統(tǒng)中，位置傳感器的使用和負反饋回路的設計思路進一步保證了系統(tǒng)的精度，整個系統(tǒng)的掃描速度和重復定位精度達到一個新的水平。格式不對1.3振鏡控制系統(tǒng)的廣泛應用1.3.1激光打標系統(tǒng)激光打標焊接、激光熱處理、激光切割、激光打孔等應用技術之后發(fā)展起來的一門新型加工技術，是一種非接觸、無污染、無磨損的新標記工藝。近年來，隨著激光器的可靠性和實用性的提高，加上計算機技術的迅速發(fā)展和光學器件的改進，促進了激光打標技術的發(fā)展。

激光打標是利用高能量密度的激光束對目標作用,使目標表面發(fā)生物理或化學的變化,從而獲得可見圖案的標記方式。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。隨著激光束在材料表面有規(guī)律地移動同時控制激光的開斷，激光束也就在材料表面加工成了一個指定的圖案。激光打標與傳統(tǒng)的標記工藝相比有明顯的優(yōu)點：

(1)標記速度快，字跡清晰、永久。

(2)非接觸式加工，污染小，無磨損。

(3)*作方便，防偽功能強。

(4)可以做到高速自動化運行，生產(chǎn)成本低1.3.2國內(nèi)激光打標的發(fā)展歷程激光打標設備的核心是激光打標控制系統(tǒng)，因此，激光打標的發(fā)展歷程就是打標控制系統(tǒng)的發(fā)展過程。從1995年到2003年短短的8年時間，控制系統(tǒng)在激光打標領域就經(jīng)歷了大幅面時代、轉(zhuǎn)鏡時代和振鏡時代，控制方式也完成了從軟件直接控制到上下位機控制到實時處理、分時復用的一系列演變，如今，半導體激光器、光纖激光器、乃至紫外激光的出現(xiàn)和發(fā)展又對光學過程控制提出了新的挑戰(zhàn)。

（1）．大幅面時代

所謂大幅面，剛開始是將繪圖儀的控制部分直接用于激光設備上，將繪圖筆取下，在（0，0）點X軸基點、Y軸基點和原繪圖筆的位置上分別安裝45°折返鏡，在原繪圖筆位置下端安裝小型聚焦鏡，用以導通光路及使光束聚焦。直接用繪圖軟件輸出打印命令即可驅(qū)動光路的運行，這種方式最明顯的優(yōu)勢是幅面大，而且基本上能滿足精度比較低的標刻要求，不需要專用的標刻軟件；但是，這種方式存在著打標速度慢、控制精度低、筆臂機械磨損大、可靠性差、體積大等缺點。因此，在經(jīng)歷最初的嘗試后，繪圖儀式的大幅面激光打標系統(tǒng)逐步退出打標市場的，現(xiàn)在所應用的同類型的大幅面設備基本上都是模仿以前這種控制過程，用伺服電機驅(qū)動的高速大幅面系統(tǒng)，而隨著三維動態(tài)聚焦振鏡式掃描系統(tǒng)的逐步完善，大幅面系統(tǒng)將逐步從激光標刻領域銷聲匿跡。

（2）．轉(zhuǎn)鏡時代

由于看到大幅面系統(tǒng)的一系列缺點，在高速振鏡技術還沒有在中國廣泛普及的情況下，一些控制工程師自行開發(fā)了由步進電機驅(qū)動的轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)，其工作原理是將從諧振腔中導出的激光通過擴束，經(jīng)過成90°安裝的兩個步進電機驅(qū)動的金鏡的反射，由F-theta場鏡聚焦后輸出作用于處理對象上，金鏡的轉(zhuǎn)動使工作平面上的激光作用點分別在X、Y軸上移動，兩個鏡面協(xié)同動作使激光可以在工作平面上完成直線和各種曲線的移動。這種控制過程無論從速度還是定位精度來說都遠超過大幅面，因此在很大程度上能滿足工具行業(yè)對激光控制的要求，雖然同當時國際上流行的振鏡式掃描系統(tǒng)還有比較明顯的差距，但嚴格來說這種設計思路的出現(xiàn)和逐步完善代表著中國激光應用的一個里程碑，是中國完全能自行設計和生產(chǎn)激光應用設備的典型標志。直到振鏡在中國大規(guī)模應用的興起，這種控制方式才逐步退出中國激光應用的舞臺。

（3）．振鏡時代

1998年，振鏡式掃描系統(tǒng)在中國的大規(guī)模應用開始到來。所謂振鏡，又可以稱之為電流表計，它的設計思路完全沿襲電流表的設計方法，鏡片取代了表針，而探頭的信號由計算機控制的-5V—5V的直流信號取代，以完成預定的動作。同轉(zhuǎn)鏡式掃描系統(tǒng)相同，這種典型的控制系統(tǒng)采用了一對折返鏡，不同的是，驅(qū)動這套鏡片的步進電機被伺服電機所取代，在這套控制系統(tǒng)中，位置傳感器的使用和負反饋回路的設計思路進一步保證了系統(tǒng)的精度，整個系統(tǒng)的掃描速度和重復定位精度達到一個新的水平。1.3.3振鏡掃描式打標系統(tǒng)振鏡掃描式打標系統(tǒng)主要由激光器、XY偏轉(zhuǎn)鏡、聚焦透鏡、計算機等構成。其工作原理是將激光束入射到兩反射鏡（振鏡）上，用計算機控制反射鏡的反射角度，這兩個反射鏡可分別沿X、Y軸掃描，從而達到激光束的偏轉(zhuǎn)，使具有一定功率密度的激光聚焦點在打標材料上按所需的要求運動，從而在材料表面上留下永久的標記，聚焦的光斑可以是圓形或矩形，其原理如圖4所示。在振鏡打標系統(tǒng)中，可以采用矢量圖形及文字，這種方法采用了計算機中圖形軟件對圖形的處理方式，具有作圖效率高，圖形精度好，無失真等特點，極大的提高了激光打標的質(zhì)量和速度。同時振鏡式打標也可采用點陣式打標方式，采用這種方式對于在線打標很適用，根據(jù)于不同速度的生產(chǎn)線可以采用一個掃描振鏡或兩個掃描振鏡，與前面所述的陣列式打標相比，可以標記更多的點陣信息，對于標記漢字字符具有更大的優(yōu)。

振鏡掃描式打標系統(tǒng)一般使用連續(xù)光泵工作波長為1.06μm的Nd:YAG激光器，輸出功率為10～120W，激光輸出可以是連續(xù)的，也可以是Q開關調(diào)制的。近年發(fā)展的射頻激勵CO2激光器，也被用于振鏡掃描式激光打標機。

振鏡掃描式打標因其應用范圍廣，可進行矢量打標和點陣打標，標記范圍可調(diào)，而且具有響應速度快、打標速度高（每秒鐘可打標幾百個字符）、打標質(zhì)量較高、光路密封性能好、對環(huán)境適應性強等優(yōu)勢已成為主流產(chǎn)品，并被認為代表了未來激光打標機的發(fā)展方向，具有廣闊的應用前景。

目前用于打標的激光器主要有Nd:YAG激光器和CO2激光器。Nd:YAG激光器產(chǎn)生的激光能被金屬和絕大多數(shù)塑料很好地吸收，而且其波長短(為1.06μm)，聚焦的光斑小，因而最適合在金屬等材料上進行高清晰度的標記。CO2激光器產(chǎn)生的激光波長為10.6μm，木制品、玻璃、聚合物和多數(shù)透明材料對其有很好的吸收效果，因而特別適合在非金屬表面上進行標記。

Nd:YAG激光器和CO2激光器的缺點是對材料的熱損傷及熱擴散比較嚴重，產(chǎn)生的熱邊效應常會使標記模糊。相比之下，由準分子激光器產(chǎn)生的紫外光打標時，不加熱物質(zhì)，只蒸發(fā)物質(zhì)的表面，在表面組織產(chǎn)生光化學效應，而在物質(zhì)表層留下標記。所以，用準分子激光打標時，標記邊緣十分清晰。由于材料對紫外光的吸收大，激光對材料的作用只發(fā)生在材料的最表層，對材料幾乎沒有燒損現(xiàn)象，因此準分子激光器更適合于材料的標記。1.3.4國內(nèi)激光打標的發(fā)展前景激光打標系統(tǒng)是綜合了激光技術和計算機技術的光、機電一體化系統(tǒng)，當今激光技術和計算機技術的發(fā)展為激光打標技術的發(fā)展帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。

目前，在振鏡式掃描激光打標系統(tǒng)中，硬件控制電路都是基于計算機ISA總線或者PCI總線而設計的，必須安裝在計算機主板的ISA總線或PCI總線擴展槽中。這種方式使得1臺計算機控制打標機的臺數(shù)受到了限制（現(xiàn)在絕大部分情況是1臺計算機控制1臺打標機）。另外，硬件安裝于計算機主板上，給整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來影響，降低了打標系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也增加了打標機的成本和體積。

USB的出現(xiàn)和發(fā)展使得激光打標硬件控制電路脫離計算機ISA總線或者PCI總線成為可能。USB2.0的傳輸速率可達480Mbit／s，完全可以勝任激光打標對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求，而且，它可以支持1臺計算機同時連接127臺設備，這樣就可以用1臺計算機同時控制幾臺打標機而不必增加額外的費用，而且打標機也可以不帶計算機進行銷售，從而降低了打標機的價格。

現(xiàn)在激光打標使用的Nd：YAG激光器都是以氪燈或氙燈來泵浦的，其泵浦效率很低，致使激光器的總效率只能達到2％～5％，這意味著絕大部分所加于泵浦燈的電功率都轉(zhuǎn)化為熱量。因此，這種激光打標機都配有龐大的冷卻系統(tǒng)，其體積可占整個系統(tǒng)體積的40％。

近幾年出現(xiàn)的半導體激光泵浦的固體激光器，其總體轉(zhuǎn)換效率可達20％以上，因而可以大大縮小激光器冷卻系統(tǒng)的體積，這就為激光打標機向輕型化、小型化方向發(fā)展創(chuàng)造了條件。而近年來出現(xiàn)的大功率光纖激光器，其散熱性能好、轉(zhuǎn)換效率高（是半導體激光泵浦的固體激光器的2倍以上）、激光閾值低、可調(diào)諧范圍寬、光束質(zhì)量好、免維護和價格低廉、制作靈活等顯著優(yōu)勢，更加促進了激光打標向輕型化、小型化方向發(fā)展。

激光打標技術目前在國內(nèi)外工業(yè)上的應用正被人們逐漸重視，各種新型的打標系統(tǒng)層出不窮，它以其獨特的優(yōu)點正在取代傳統(tǒng)的標記方法，如：沖壓、印刷、化學腐蝕等,在各種機械零部件、電子元器件、集成電路模塊、儀器、儀表、電機銘牌、工具甚至食品包裝等物體表面上,標記出漢字、英文字符、數(shù)字、圖形等，從而在這些領域取得了廣泛的應用。國際上一些發(fā)達國家已將該技術作為工業(yè)加工的工藝標準，我國也非常重視這一技術，國家科委已將該技術列為“八五火炬計劃”進行研制和推廣?，F(xiàn)在它已經(jīng)引起了國內(nèi)越來越多生產(chǎn)廠家的重視，必將會代替?zhèn)鹘y(tǒng)的標記工藝，給產(chǎn)品生產(chǎn)注入新的活力。因此，激光打標具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景。1.4論文研究的目的和內(nèi)容目前，國內(nèi)外的激光通信系統(tǒng)都設計了高寬帶的精跟蹤系統(tǒng)來實現(xiàn)光束的精確對準和對平臺擾動進行有效的抑制。通常將精跟蹤系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬做得很高，是平臺抖動的大部分頻帶都包含在精跟蹤系統(tǒng)的有效帶寬之內(nèi)，從而達到抑制干擾和提高精度的目的。為了提高二維快速振鏡的伺服帶寬，需要重點考慮：1優(yōu)選二維快速振鏡伺服平臺。本系統(tǒng)采用基于PZT技術實現(xiàn)二維快速傾斜平臺，它具有諧振頻率高、系統(tǒng)剛度強、驅(qū)動力矩大等優(yōu)點，非常適合光束的精確對準和跟蹤應用；2負載直接影響振鏡系統(tǒng)的諧振頻率，在光束直徑和波束質(zhì)量允許的條件下，盡量減小光學反射鏡片的直徑和厚度，可以增加系統(tǒng)的諧振頻率，進而提高系統(tǒng)閉環(huán)寬帶；3格式不對影響閉環(huán)寬帶的另一個主要因素是PZT驅(qū)動器的驅(qū)動電流，因為PZT驅(qū)動等效電容，驅(qū)動電流越大，系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬越高，所以本系統(tǒng)應盡量提高驅(qū)動器的驅(qū)動能力，對于100V的供電電壓實現(xiàn)高速、大電流的驅(qū)動器比較困難，本系統(tǒng)采用平均電流400Made平均驅(qū)動電流；4接口控制模式：系統(tǒng)的控制接口模式也是影響系統(tǒng)伺服帶寬的一個主要因素，為了減小控制數(shù)據(jù)的傳輸延遲時間，本系統(tǒng)采用D/A卡直接控制振鏡。振鏡是APT精跟蹤系統(tǒng)的主要部件，其主要作用是實現(xiàn)光束對準的精密控制。有必要對其進行深入研究。格式不對第二章精跟蹤系統(tǒng)對伺服平臺的要求2.1APT系統(tǒng)對振鏡的要求2.1.1目前，國內(nèi)外的激光通信系統(tǒng)都設計了高帶寬的精跟蹤系統(tǒng)來實現(xiàn)光束的精確對準和對平臺擾動進行有效的抑制。通常將精跟蹤系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬做得很高，使平臺抖動的大部分頻帶都包含在精跟蹤系統(tǒng)的有效帶寬之內(nèi)，從而達到抑制干擾和提高精度的目的。為了提高振鏡的控制精度，需要采用以下幾點措施:(l)使二維快速傾斜平臺工作于閉環(huán)工作模式，其內(nèi)部采用4個應變片工作于橋式放大，后續(xù)電路采用低溫漂、高精密放大器和20位高精密A/D轉(zhuǎn)換器，從而大大降低各種擾動因素對于系統(tǒng)控制精度的影響;(2)為了使振鏡平臺在寬溫度范圍內(nèi)有很好的熱穩(wěn)定性，需要與鏡片的熱膨脹系數(shù)進行匹配，S-330平臺采用不脹錮鋼材料；(3)S-330的傾斜平臺配備兩對低電壓壓電線性驅(qū)動器，每個壓電驅(qū)動器空間分布相差90度，從而組成差分型推拉工作模式。這種差分設計可以在較寬的溫度范圍內(nèi)獲得非常高的角度穩(wěn)定度。因為溫度的變化僅僅影響平移方向的位置，對于平臺角度方向沒有影響。這種結(jié)構還有另一個優(yōu)點就是當去掉壓電驅(qū)動器的電壓時，平臺將自動恢復到中心位置，便于精跟蹤和粗跟蹤兩個過程之間的過渡。2.1.2振鏡的控制范圍精跟蹤的視場，由公式(3.1)可知，考慮望遠系統(tǒng)的放大倍率刀和振鏡置放角度等因素需要振鏡的控制范圍優(yōu)于。根據(jù)所選用的振鏡大小以及要求的精跟蹤視場的大小確定卡式系統(tǒng)的放大倍率。APT系統(tǒng)粗信標光接收系統(tǒng)視場角設計為20mrad，卡式系統(tǒng)承擔不了這樣大的視場角，所以將粗信標光接收光路單獨分離出來，即不與其它系統(tǒng)共用卡式系統(tǒng)。根據(jù)所選用的振鏡大小以及要求的精跟蹤視場的大小確定卡式系統(tǒng)的放大倍率。選用PZT振鏡，其帶載反射鏡最大尺寸為25min，最大擺動范圍為5mrad，因此，卡式系統(tǒng)的放大倍率為由于系統(tǒng)有一定視場所以取13.5倍?？ㄊ较到y(tǒng)放大倍率取13.5倍時，振鏡實際控制范圍為此數(shù)值大于粗跟蹤精度0.225mrad，滿足系統(tǒng)0.9mrad的要求。2.1.3振鏡的諧振頻率負載直接影響振鏡系統(tǒng)的諧振頻率，在光束直徑和波束質(zhì)量允許的條件下，盡量減小光學反射鏡片的直徑和厚度，可以增加系統(tǒng)的諧振頻率，進而提高系統(tǒng)閉環(huán)帶寬為滿足粗精匹配的要求和提高精跟蹤系統(tǒng)的控制精度，精跟蹤系統(tǒng)的伺服帶寬需要優(yōu)于900Hz。因為光學系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量與控制帶寬間存在以下關系:其中，載條件下的控制帶寬，為振鏡平臺的轉(zhuǎn)動慣量，光學發(fā)射鏡的轉(zhuǎn)動慣量。由此可見，光學發(fā)射鏡在設計中的參數(shù)選取十分考究，通常為了增加控制帶寬，需要減小光學發(fā)射鏡的轉(zhuǎn)動慣量，而光學反射鏡的轉(zhuǎn)動慣量表達式為其中，m為光學反射鏡的質(zhì)量，R為圓形反射鏡的射鏡的徑，H為發(fā)射鏡的厚度，T為振鏡平臺特征參數(shù)。根據(jù)(3.5)式，減小光學反射鏡的轉(zhuǎn)動慣量勢必需要減小光學反射鏡的半徑和厚度，而減小反射鏡縮小光束的調(diào)整范圍，減小厚度將削弱其機械強度，所以本系統(tǒng)建議選的反射鏡尺寸為中。對應的閉環(huán)帶寬為，經(jīng)過這樣選取，既滿足調(diào)節(jié)范圍和機械強度等要求，又滿足系統(tǒng)控制帶寬的要求。2.1.4振鏡的帶載能力根據(jù)光學系統(tǒng)任務要求，振鏡所帶載的光學反射鏡片的直徑應大于25mm，同時為滿足波前畸變要求，要求反射鏡的厚度優(yōu)于8mm波面質(zhì)量要求優(yōu)于。但對于較重的穩(wěn)定負載，會導致很多各種干擾力矩，同時使系統(tǒng)的諧振頻率和控制帶寬不能做得很寬。2.1.5擾動、噪聲系統(tǒng)頻帶:跟蹤系統(tǒng)受到的擾動和噪聲有多種，其一就是低頻擾動，對于低頻擾動隨機系統(tǒng)可以抑制掉，而且系統(tǒng)頻帶越寬則抑制能力越強;另外一種是隨機噪聲，其輸出誤差的均方值為顯然，系統(tǒng)頻帶越寬，隨機噪聲通過就越多，因而影響也越大。頻帶窄時，噪聲小，但低頻擾動影響大，當頻帶加寬時低頻擾動誤差明顯降低，但噪聲又明顯加大。所以需要從總協(xié)方差曲線中選取最小值為佳。在復合軸控制系統(tǒng)中，精跟蹤系統(tǒng)直接校正的是粗跟蹤系統(tǒng)的殘余誤差。從某種意義上講，精跟蹤回路的帶寬反映了復合軸跟蹤目標的快速能力，粗跟蹤軸的帶寬反映了復合軸系統(tǒng)對運動目標初始捕獲和跟蹤的能力?？梢哉f，粗、精系統(tǒng)帶寬越大，誤差抑制能力越高，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好。為了抑制運載平臺的干擾，獲得預期的跟瞄精度，我們設想把精跟蹤系統(tǒng)的閉環(huán)寬帶做到很高，使平臺抖動的大部分頻率帶包含在系統(tǒng)的有效校正帶寬內(nèi)，從而抑制干擾和提高控制精度。然而，系統(tǒng)閉環(huán)帶寬要受到采樣頻率和被控對象的結(jié)構諧振頻率的限制，在高精度的跟蹤系統(tǒng)中，采樣頻率一般要為閉環(huán)帶寬的十倍以上，閉環(huán)帶寬一般要小于諧振頻率的六分之一。綜上所述，為了提高二維快速振鏡的伺服帶寬，需要重點考慮:(l)優(yōu)選二維快速振鏡伺服平臺。本系統(tǒng)采用基于PZT技術實現(xiàn)二維快速傾斜平臺，它具有諧振頻率高、系統(tǒng)剛度強、驅(qū)動力矩大等優(yōu)點非常合適光束的精確對準和跟蹤應用；(2)負載直接影響振鏡系統(tǒng)的諧振頻率，在光束直徑和波束質(zhì)量允許的條件下，盡量減小光學反射鏡片的直徑和厚度，可以增加系統(tǒng)的諧振頻率，進而提高系統(tǒng)閉環(huán)帶寬；(3)影響系統(tǒng)閉環(huán)帶寬的另外一個主要因素是PZT驅(qū)動器的驅(qū)動電流，因為PZT驅(qū)動等效電容，驅(qū)動電流越大，系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬越高，所以本系統(tǒng)應盡量提高驅(qū)動器的驅(qū)動能力，對于100V的供電電壓實現(xiàn)高速、大電流的驅(qū)動器比較困難，本系統(tǒng)采用平均電流400Made平均驅(qū)動電流；(4)接口控制模式:系統(tǒng)的控制接口模式也是影響系統(tǒng)伺服帶寬的一個主要因素，為了減小控制數(shù)據(jù)的傳輸延遲時間，本系統(tǒng)采用D/A卡直接控制振鏡。2.2振鏡平臺的選取在精跟蹤系統(tǒng)中，精瞄執(zhí)行器件要求具有響應時間短，跟蹤精度高的特點。目前精瞄執(zhí)行器件一般采用振鏡，它的響應時間在微秒量級，精度可以達到十分之一微弧度量級?？梢詽M足衛(wèi)星光通信APT系統(tǒng)要求。振鏡的工作原理是驅(qū)動器產(chǎn)生位移驅(qū)動附加在驅(qū)動器上的反射鏡偏轉(zhuǎn)一定角度，目前高速驅(qū)動器采用的方式很多?？梢允菙[動電機驅(qū)動，也可以是音圈電機驅(qū)動，還可采用壓電陶瓷驅(qū)動。美國Ball公司的振鏡采用音圈電機驅(qū)動，德國PI公司的振鏡采用壓電陶瓷驅(qū)動，我們采用的是壓電陶瓷驅(qū)動(PZT)方式的振鏡。在光通信APT技術中精確瞄準是非常關鍵的一環(huán)，相應精瞄系統(tǒng)的驅(qū)動環(huán)節(jié)的選擇也是非常重要的，因為APT系統(tǒng)要求高分辨率，響應速度快，輸出力大，轉(zhuǎn)換能量效率高等，所以對各種振鏡的驅(qū)動方式的分析和研究是非常必要的。2.3振鏡的各種驅(qū)動方式的特點1.擺動電動機是近二十年來迅速發(fā)展起來的一種特殊電動機，在紅外及激光成像、跟蹤、精密定位等系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。圖3.1所示為永磁式擺動電動機的工作原理圖。擺動電動機采用交流信號控制。當定子繞組通以交流電時，永磁轉(zhuǎn)子會在一定角度內(nèi)圍繞零位往復偏轉(zhuǎn)，當定子繞組未通電時，轉(zhuǎn)子靜止不動，轉(zhuǎn)子磁軸穩(wěn)定在其外磁路磁阻最小的位置上，如圖3.1轉(zhuǎn)子磁軸線BC所在位置即為穩(wěn)定平衡位置，也稱作定位零點。不清晰的圖，需要重畫不清晰的圖，需要重畫圖2.1永磁式擺動電動機原理圖擺動電動機主要由定子、永磁轉(zhuǎn)子和激磁線圈構成。轉(zhuǎn)子磁鋼為圓柱實心結(jié)構，采用欽鐵硼永磁材料，定子鐵心是由沖有四個異形齒的硅鋼片迭成，窄槽口和寬槽口相間分布。擺動電機具有穩(wěn)定性好、重復精度高以及定位精度較高等特點，但是它的質(zhì)量較大，相應慣性就很大，這樣響應時間就較長，位移重復性不夠高，無法滿足精瞄系統(tǒng)的要求，不能實現(xiàn)衛(wèi)星光通信中的精跟蹤。2.音圈電機實際上是一種將電信號轉(zhuǎn)換為直線位移的直流電機。由于其無需轉(zhuǎn)動機構，即可獲得直線運動，所以沒有傳動機械磨損，而且噪聲低、機構簡單、維護方便、響應快等優(yōu)點，從而在近年來得到了迅速發(fā)展，并且廣泛應用于磁盤機、激光唱機及其他精密定位系統(tǒng)中。音圈電機主要由磁鋼、線圈、運動體及簧片組成。電機靜子由磁鋼和鐵柱構成，動子則由質(zhì)量較輕的線圈和骨架組成。由磁鋼產(chǎn)生的磁場經(jīng)極化勻磁，即在動圈行程內(nèi)產(chǎn)生大致均勻的磁場，當線圈通電后，位于磁場中的載流線圈就會受到磁場力的作用而運動，其受力方向隨電流的方向而變化。3.壓電陶瓷驅(qū)動器在超精密定位和微位移控制中具有其它驅(qū)動器無法比擬的優(yōu)點，如體積小(幾立方毫米一幾十立方毫米)、位移分辨率高、響應速度快(幾十微秒)、輸出力大(350ON)、換能效率高(50%)、不發(fā)熱、采用相對簡單的電場控制方式、位移重復性好等。壓電/電致伸縮微位移致動器是利用電介質(zhì)在電場中的逆壓電效應或電致伸縮效應，直接將電能轉(zhuǎn)換成機械能，產(chǎn)生微位移的換能元件，通常統(tǒng)稱為“壓電陶瓷致動器”(PiezoCeramicActuator)是目前微位移技術中比較理想的驅(qū)動元件。同時與其它伸縮材料相比，壓電陶瓷驅(qū)動器顯示出多方面的優(yōu)越性：(l)借助于固態(tài)晶體的壓電效應，壓電陶瓷驅(qū)動器能夠以納米的步一長，以很高的頻率產(chǎn)生平滑的位移，沒有爬行效應。這種微小的位移是借助于電壓值的平穩(wěn)的變化產(chǎn)生的且不受門限電壓的影響。由于不存在爬行現(xiàn)像，從理論上講它具有無限高的分辨率。壓電陶瓷驅(qū)動器的這一特性對于要求精密位移的沒備非常重要。但是它的實際分辨率往往受到一些因索的影響和限制，例如:放大器的噪聲干擾，傳感器、驅(qū)動器的設計和安裝精度以及預加載荷等；(2)壓電陶瓷驅(qū)動器能夠以10KHZ以上的工作頻率推動重至幾頓的載荷，位置分辨率仍可達到要求的精度。(3)它的工作原理如一個電容性負載，產(chǎn)生動作時才消耗電能，靜態(tài)時只需要極少的能量。（4）其位移源于材料內(nèi)部離子的重新排列，不存在零件之間的摩擦和磨損。因此不需要潤滑。適合高真空和高清潔度的應用場合；（5）它可以在電場作用下產(chǎn)生千分之一的位移，具有非常高的可靠性。即一個100mm長的壓電陶瓷驅(qū)動器可以產(chǎn)生的位移;（6）壓電陶瓷驅(qū)動器的響應時間為微秒級，加速度可以達到重力加速度的一萬倍;(7)壓電效應依賴于電場，壓電陶瓷驅(qū)動器既不產(chǎn)生磁場也不受磁場影響。它的這一特性非常適合于不允許磁場存在的應用環(huán)境。綜上所述，壓電陶瓷驅(qū)動器與擺動電機相比響應速度快，位移分辨率高，同音圈驅(qū)動器相比不發(fā)熱，控制方式簡單，考慮到精跟蹤系統(tǒng)的工作環(huán)境所以選擇本系統(tǒng)采用壓電陶瓷驅(qū)動方式。第三章.PZT驅(qū)動器的基本原理及特性3.1PZT的基本概念單元系壓電陶瓷的代表，是幾乎同時獨立地被幾個國家發(fā)現(xiàn)具有高介電常數(shù)，壓電陶瓷的壓電效應較強，但其溫度和平頻率的穩(wěn)定性欠佳。它是繼羅息鹽和磷酸二氫鉀之后發(fā)現(xiàn)的第三種鐵電體，在上加上直流偏壓后，發(fā)現(xiàn)有顯著的壓電效應。后來人們對，鈦酸鹽、和錫酸鹽、鋯酸鹽等的固濟體陶瓷進行了廣泛的研究，發(fā)現(xiàn)了溫度穩(wěn)定性好的材料。二元系壓電陶瓷的代表是PZT。隨著固溶體的基礎研究的進一步深入，又發(fā)現(xiàn)了型鐵電體和反鐵電體，主要有、、、等。美國在很早以前就公布了壓電體(即PZT)。固溶體是利用相界特性的壓電材料。PZT在的克分子比約為53:47時發(fā)生所謂的相界點移動。介電常數(shù)和機電禍合系數(shù)出現(xiàn)極大值，并且能在很寬的溫度范圍內(nèi)保持高介電常數(shù)和高藕合系數(shù)。通過對該系統(tǒng)加入少量雜質(zhì)或稍微變更組分就能大大改善機電耦合系數(shù)，介電常數(shù)和機械品質(zhì)因素等特性，得到滿足不同使用目的的許多新材料。三元系壓電陶瓷的代表是以復合鈣欽礦鐵電體為第三組分的PCM。它是把作為第三組分加到了PZT中的三元系壓電陶瓷。還有一種材料是我國壓電與聲光技術研究所于1969年研制成功的。它是把作為第三組分加到PZT中的三元系壓電陶瓷而得出的壓電陶瓷材料PMS，它的特性比PZT、PCM還要好。PZT和PCM的出現(xiàn)，促進了第三組分為許多復合型材料的研究，壓電陶瓷的種類也迅速擴大。此后在三元系基礎上發(fā)展出多元系的壓電陶瓷及其組合，種類特別多。由于原來這種鐵電體的引入A位置和B位置的離子沒有很嚴密的限制，而元素周期表中的大部分元素都是合適的對象，估計將來還會增加許多新材料。新材料將比現(xiàn)在的材料優(yōu)越，特點是頻率隨溫度和時間的變化顯著減少。新材料的出現(xiàn)促進了新應用的發(fā)展，壓電陶瓷的發(fā)展有著美好的前景。3.2PZT的特性分析3.2.1經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷的性質(zhì)可以用一個坐標系(圖4.1)來描述。分別以數(shù)值1、2、3表示直角坐標系的X、Y、Z軸的方向。數(shù)字4、5、6分別表示繞三個軸的回轉(zhuǎn)。軸3是極化方向，即在極化處理時產(chǎn)生強電場的兩個電極所確定的方向。壓電陶瓷的特性與極化方向密切相關。這一點對壓電驅(qū)動器的應用非常重要。圖3.1定義壓電系數(shù)的坐標系(軸3為極化方向)3.2.2與電磁驅(qū)動器相似，壓電陶瓷驅(qū)動器也存在滯后現(xiàn)象如圖4.所示。滯后現(xiàn)象可以通過閉環(huán)調(diào)節(jié)電路來消除。滯后的原因是由于晶體的極化效應和分子之間摩擦造成的。在開環(huán)電路作用下，壓電陶瓷驅(qū)動器的膨脹量取決于外加電場強度和殘留的極化效應。滯后量一般為膨脹量的10%--15%。圖3.2不同的峰值電壓對應不同的滯后量為了有效地減小遲滯，在要求速度較高的場合常采取從PZT內(nèi)部解決的方法，即采取極化處理，可以改善電壓-移特性。而在位移速度要求較低的測量裝置中，可以通過閉環(huán)控制的外部解決方式來處理，這樣可以不增加PZT的制作成本，且可以實現(xiàn)較多的位置控制方式。采用閉環(huán)控制也可以獲得很高的控制精度。3.2.3壓電驅(qū)動器的非線性工程應用中的壓電驅(qū)動器，所加驅(qū)動電壓與其在驅(qū)動電壓作用下的伸長之間并不是成正比關系的，都存在一定的非線性，如圖4.4所示。圖中上升過程尸(x)和下降過程Q(x)構成了壓電驅(qū)動器典型的非線性曲線。這種非線性曲線的位置、大小和形狀同驅(qū)動電壓的大小及驅(qū)動電壓的施加過程密切相關。圖3.4壓電驅(qū)動器電壓同伸長之間的關系第四章PZT振鏡的設計4.1振鏡伺服系統(tǒng)總體框圖圖4.1振鏡伺服系統(tǒng)總體框圖振鏡可以工作與開環(huán)與閉環(huán)兩種模式：（1）振鏡閉環(huán)控制系統(tǒng)所謂閉環(huán)控制系統(tǒng)，就是二維快掃振鏡除了有四個壓電陶瓷作為執(zhí)行元件外，還有4個傳感器用來檢測位置的變化，進而形成位置的閉環(huán)控制，對于S-30快速傾斜振鏡而言，位置探測器采用應變片。所以閉環(huán)快速傾斜振鏡控制系統(tǒng)主要包括以下功能模塊:低壓壓電陶瓷功率放大器單元、傳感器檢測與位置伺服控制器單元;精密D/A轉(zhuǎn)換器、實時偏差顯示和計算機接口單元。通過計算機可以對振鏡進行各種設置。(2)振鏡開環(huán)控制系統(tǒng)振鏡開環(huán)控制系統(tǒng)包括壓電陶瓷功率放大單元、精密D/A轉(zhuǎn)換器、實時偏差顯示器單元。單獨使用二維快速傾斜振鏡和開環(huán)控制系統(tǒng)，不能獲得很高的控制精度。但是，若輔以外環(huán)檢測而形成外環(huán)閉環(huán)控制，也能達到閉環(huán)控制系統(tǒng)的精度。本系統(tǒng)便是利用高幀頻CCD相機對控制光束進行實時檢測，通過對中算法得出偏差量，去控制二維快速傾斜振鏡。這是自由空間激光通信APT精跟蹤系統(tǒng)的工作原理與實際硬件實現(xiàn)。4.2PZT驅(qū)動平臺本系統(tǒng)采用S-330二維傾斜平臺，內(nèi)部有應變片精密位移檢測傳感器進行精密檢測，可以有效抑制各種漂移、非線性和遲滯特性所帶來的誤差;控制系統(tǒng)內(nèi)部帶有兩級PI補償，有效提高系統(tǒng)的控制精度和伺服帶寬。為了使振鏡平臺在寬溫度范圍內(nèi)有很好的熱穩(wěn)定性，需要與鏡片的熱膨脹系數(shù)進行匹配，S-330平臺采用不脹錮鋼材料。S-330的傾斜平臺配備兩對低電壓壓電線性驅(qū)動器，每個壓電驅(qū)動器空間分布相差90度，從而組成差分型推拉工作模式。這種差分設計可以在較寬的溫度范圍內(nèi)獲得非常高的角度穩(wěn)定度。因為溫度的變化僅僅影響平移方向的位置，對于平臺角度方向沒有影響。這種結(jié)構還有另一個優(yōu)點就是當去掉壓電驅(qū)動器的電壓時，平臺將自動恢復到中心位置，便于精跟蹤和粗跟蹤兩個過程之間的過渡。平臺在寬溫度范圍內(nèi)有很好的熱穩(wěn)定性，需要與鏡片的熱膨脹系數(shù)進行匹配，S-330平臺采用不脹錮鋼材料。S-330的傾斜平臺配備兩對低電壓壓電線性驅(qū)動器，每個壓電驅(qū)動器空間分布相差90度，從而組成差分型推拉工作模式。這種差分設計可以在較寬的溫度范圍內(nèi)獲得非常高的角度穩(wěn)定度。因為溫度的變化僅僅影響平移方向的位置，對于平臺角度方向沒有影響。這種結(jié)構還有另一個優(yōu)點就是當去掉壓電驅(qū)動器的電壓時，平臺將自動恢復到中心位置，便于精跟蹤和粗跟蹤兩個過程之間的過渡。表格需重做，下同表格需重做，下同4.3PZT振鏡驅(qū)動S-330傾斜平臺系統(tǒng)能夠被E-500系列的電子設備控制，以實現(xiàn)高精度，大電流驅(qū)動。該系列包括:放大器、控制器等。在該系統(tǒng)中采用E-500壓電陶瓷的控制設備來實現(xiàn)關于精密性，線性和位置重復性的功能，標準組件的設計提供最大可能的適應性。E-500系列有如下關鍵性能:1.高壓和低壓驅(qū)動器；2.13W—30W輸出功率放大器模塊；3.位置傳感器；4.手動和模擬信號控制操作；5.IEEE488和RS-232通信；6.圖形顯示；7.位置的準確性；8.先進的伺服控制；9.快速響應。系統(tǒng)組成框架圖4.4PZT振鏡伺服控制模塊1.功能采用E-509作為PZT驅(qū)動器的位移傳感器和位置伺服模塊。該模塊應用于E-500系列設備，并且以納米級分辨率控制壓電設備的位移。E-509控制器對功率放大器模塊產(chǎn)生輸入信號，該放大器驅(qū)動PZT。在目標位置和實際位置之間，E-509在伺服回路中運用微分的運算法則來補償PZT驅(qū)動器的漂移和磁滯現(xiàn)象。E-509的主要部分包括傳感器信號處理電路和一個帶有可調(diào)節(jié)的P-I濾波器和陷波濾波器的伺服控制器，該陷波濾波器能允許接近機械諧振頻率。E-509的硬件設計包括基礎的PCB模塊和一個或兩個對于每個信道的小型的PCB子模塊，在這些子模塊上實施伺服控制的算法，并且在運用于應變儀和線性可調(diào)差分變壓器傳感器類型時，會進行傳感器的信號處理。2.E-509的設計E-509要設計成插入E-500或者E-501底盤的模式，該模式要和諸如功率放大器和顯示或者遙控元件聯(lián)合使用。3.子模塊E-509的一些功能是通過插入子模塊來實現(xiàn)的。以下是對子模塊的介紹:(l)E-509.S3S對于傾斜平臺，所用的位置伺服控制模塊是E-509.S3S。該類型是對于應變儀傳感器的微分驅(qū)動傾斜平臺的PZT伺服控制模塊，只有信道1和信道2有用。(2)E-802位置伺服—控制子模塊E-802子模塊處理控制信號，該控制信號是放大器用來驅(qū)動壓電轉(zhuǎn)換器的信號。轉(zhuǎn)換率的限制，陷波濾波器和伺服控制回路都是在該模塊上實現(xiàn)的。伺服回路將控制電壓輸入與傳感器信號的實際位置進行邏輯比較，再運用比例積分算法來產(chǎn)生放大器的控制信號。E-802既能在伺服OFF模式下運行也能在伺服0N模式下運行。對于E-802.55和E-802.555的更先進類型，即使在伺服模式處于關閉狀態(tài)，也要運用陷波濾波器和轉(zhuǎn)換率限制器。當陷波濾波器的頻率改變的時候，能導致開環(huán)輸出電壓產(chǎn)生士5%的漂移。4、E-509的技術數(shù)據(jù)4.5數(shù)字控制補償PID控制是比例積分微分控制的簡稱。它是歷史最久、生命力最強的控制方式。這種控制方式具有原理簡單，使用方便，適應性強，魯棒性好的優(yōu)點。PID控制是控制系統(tǒng)理論及技術都十分成熟的算法。其控制結(jié)構簡單，實際應用時參數(shù)易于整定，所以在過程控制系統(tǒng)中有90%的控制器是PID類控制器。模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的PID控制算法表達式為：離散化后，式變?yōu)椋菏街校簎(t),u(KT)—調(diào)節(jié)器的輸出信號；e(t)—調(diào)節(jié)器偏差信號；—調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；—調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)；（5.3）；—調(diào)節(jié)器的微分系數(shù)；（5.4）；T—采樣周期；—調(diào)節(jié)器積分時間；—調(diào)節(jié)器微分時間；e(KT)，e(K-1)T—第K次和第K-1次采樣時偏差值；k-采樣序號，K=0，1，2，…4.5.11.開環(huán)控制在一些精度要求不高或?qū)Χㄎ痪纫蟛桓?、只要求分辨力的場合，開環(huán)控制基本上即可滿足要求。開環(huán)控制的優(yōu)點是控制結(jié)構簡單，不需要高精度的反饋測試系統(tǒng)。(l)階躍響應開環(huán)下壓電驅(qū)動器的階躍響應很慢，如圖5.6輸出基本上不會有過沖。另外，電路中的限流電阻的阻值對其動態(tài)性能影響顯著，這一點在階躍響應下表現(xiàn)得很突出。圖5.6同時列出了限流電阻分別為10K和40K時相應的階躍響應曲線。圖4.6開環(huán)下壓電驅(qū)動器階躍響應(2)頻響由于沒有反饋調(diào)節(jié)的原因，開環(huán)下壓電驅(qū)動器的頻響很低，小信號時只有13Hz左右。并且理想輸出正弦信號的平均值同實際輸出的平均值，由于非線性的原因而不重合;在不同的位置它們之間的距離亦有所不同。2.普通PID控制普通PID算法公式如上式（5.2）。其中的，和通過Ziegler-Nichols經(jīng)驗公式整定。階躍響應同開環(huán)相比，PID控制的響應速度要快得多。響應時間小于0.01秒，此時壓電驅(qū)動器伸長存在45%左右的過沖。圖4.7普通PID控制下壓電驅(qū)動器頻響頻響PID算法可以大幅度提高頻響，圖5.7給出了在PID算法控制壓電驅(qū)動器對小幅值正弦波的輸出響應，此時是一種極限情況，可知其帶寬達到180Hz。3.變速積分PID控制為了使調(diào)節(jié)器能根據(jù)系數(shù)偏差的大小來設定積分系數(shù)，兼顧超調(diào)量和靜態(tài)誤差，更好地發(fā)揮壓電驅(qū)動器的性能，將PID算法進行一下改進，構成一種新的變速積分PID算法。設系數(shù)f為e(n)的函數(shù)，當增大時，f減小，反之增大。每次采樣后用f和e(n)相乘，再進行累加，即公式(5.1)中的積分項變?yōu)閒同e(KT)的關系為這樣，整個變速積分P功算法就是:同普通的PID相比，這種新的變速積分PID算法能完全消除積分飽和，減小超調(diào)量，使系統(tǒng)比較容易穩(wěn)定下來。這種變速積分PID算法應用于壓電驅(qū)動器，其動態(tài)性能相對普通的PID調(diào)節(jié)相比有了很大的提高。4.5.2精跟蹤環(huán)是一個高增益寬帶的伺服控制系統(tǒng)，對準和跟蹤精度以及對平臺振動抑制最終由精跟蹤子系統(tǒng)決定。本伺服系統(tǒng)設計帶有串行前饋的比例積分反饋控制器，它可以增加OdB增益處的相位裕量。此具體組成為:精跟蹤CCD，控制器，振鏡單元組成。精跟蹤CCD用來檢測對方信標光束中心，CCD輸出的數(shù)字信號輸出角度偏差信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入控制器，然后送入補償器和驅(qū)動器，最后作用于振鏡。振鏡的控制電子學部分由以下部分組成:它由比例積分器、和相位前饋網(wǎng)絡和單端轉(zhuǎn)換差分三部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖5.8所示。圖4.8系統(tǒng)結(jié)構框圖精跟蹤器采用S000Hz高幀頻CCD相機，系統(tǒng)的采樣頻率為5000/S;控制對象為口徑為=60、結(jié)構諧振頻率為340OHz的快速反射鏡，采用壓電陶瓷驅(qū)動。此振鏡的傳遞函數(shù)為：其開環(huán)頻譜響應曲線如圖5.9所示仿真圖不清晰需重做仿真圖不清晰需重做圖4.9開環(huán)頻譜響應曲線系統(tǒng)采用高速處理器和圖像處理，圖像跟蹤器的滯后時間:小于采樣周期T，這樣可由快速振鏡和高速CCD探測器組合而成廣義精跟蹤傳遞函數(shù)。光束中心檢測、控制算法的傳輸函數(shù)為經(jīng)多種控制算法實驗比較，采用PID算法是比較合適。數(shù)字PID算法也稱速度式算法，在系統(tǒng)設計中我們即采用此法，考慮到便于與快速振鏡構成速度反饋環(huán)。速度環(huán)的目的是在于提高系統(tǒng)剛度和魯棒性，速度量來自反射鏡位置的微分，位置量由精密電容傳感器檢測，經(jīng)微分后乘以反饋系數(shù)與PID算出的速度增量相加。鏡的PID控制器、驅(qū)動器和補償器的傳輸函數(shù)為于是得到精控制環(huán)的開環(huán)增益?zhèn)鬏敺匠虨槠溟_環(huán)特性曲線如圖5.10所示。圖5.10開環(huán)特性曲線系統(tǒng)帶寬大約為700Hz左右，其噪聲抑制閉環(huán)特性曲線如圖5.11所示。圖5.11噪聲抑制閉環(huán)特性曲線于是可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的有效抑制頻帶寬度為60OHz。4.6接口對于該系統(tǒng)的計算機接口與顯示模塊采用的是E-516。該模塊是即插即用模塊化設計，可以與任何高電壓和低電壓PZT放大器和位置伺服控制器模塊兼容;E-516可以遙控PZT位移，輸出控制電壓，采用20位D/A轉(zhuǎn)換器，具有多種實時顯示(實際位置和對應的輸出電壓);對于通信，擁有工EEE-488和RS-232接口。所有命令和PI通用命令通過此接口以ASCII碼字符串輸入;可以采用自己的軟件，如DLL，COM和LABWIEW等，也可以用基于Windows的用戶界面，PZTcontrol。E-516關鍵性能描述:三個獨立的通道；20位I/O接口；高速信號處理；獨立校正寄存器，用于儲存絕對電壓和位置命令；模擬輸入通道用于監(jiān)視實際PZT的電壓和位移；RS-232和IEEE488兩種接口；采用PI通用命令集；集成波形發(fā)生器用于高靈活動態(tài)工作；多功能顯示；具有手動操作能力。第五章實驗系統(tǒng)測試結(jié)果5.1精跟蹤環(huán)建模5.1.1精跟蹤伺服單元主要由精跟蹤CCD相機組件和二維精密快速傾斜振鏡組成。精跟蹤伺服系統(tǒng)控制框圖如圖6.1所示：圖5.1精跟蹤伺服系統(tǒng)控制框圖結(jié)合精跟蹤系統(tǒng)構成，其控制框圖包括:(1)CCD光斑檢測和視頻信號處理單元;(2)位置補償單元;(3)D/A轉(zhuǎn)換單元;(4)速度伺服閉環(huán)單元。5.1.2精跟蹤伺服系統(tǒng)的MATL根據(jù)任務要求和振鏡傳遞函數(shù)特性，對精跟蹤伺服進行設計，其開環(huán)幅頻和相頻特性曲線、閉環(huán)特性曲線以及抑制特性曲線分別如圖6.2、圖6.3、圖6.4所示，圖5.2開環(huán)Bode圖從圖6.2可以看出，精跟蹤伺服系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率為264Hz，相位裕量為73度，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時系統(tǒng)的帶寬和伺服剛度滿足任務要求。從圖6.3可以看出，精跟蹤伺服系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬可以延伸至5OOHz附近。從圖6.4可以看出，有效抑制帶寬至33OHz(一3dB)，可以對低頻、中頻殘差得到較好的抑制。圖5.3閉環(huán)Bode圖圖5.4抑制Bode圖5.2實驗數(shù)據(jù)表5-1為基于光斑檢測系統(tǒng)的脫靶量實驗數(shù)據(jù)。表5-1脫靶量實驗數(shù)據(jù)5.3控制精度的測試為了對精跟蹤殘差進一步分析，分別對其進行統(tǒng)計直方圖和譜分析。從圖6.7、圖6.8可以看出，精跟蹤精度實現(xiàn)。圖5.7精跟蹤抑制殘差曲線及統(tǒng)計直方圖X軸圖5.8精跟蹤抑制殘差曲線及統(tǒng)計直方圖Y軸通過對精跟蹤進行譜分析，可以發(fā)現(xiàn)精跟蹤殘差譜存在兩個峰值區(qū)，其一分布在2-6Hz區(qū)域，它為粗跟蹤抑制殘差，對應精跟蹤殘差低頻包絡;另一個分布在200-40OHZ區(qū)域，它為精跟蹤帶寬匹配，應精跟蹤殘差的高頻隨機噪聲，主要包括光斑判讀誤差和其它隨機誤。圖5.9精跟蹤殘差時域曲線和振動功率譜結(jié)論空間光通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，在軍事及民用上的重要作用和廣闊的發(fā)展前景，促使我國在近年來也加大了研究力度，本實驗系統(tǒng)利用二維快掃振鏡來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的振動平臺，由它來實現(xiàn)光束的視軸調(diào)整具有控制精度高、體積小、重量輕等優(yōu)點。本文對PZT振鏡進行了重點研究，分析了APT系統(tǒng)的組成和工作原理，根據(jù)精跟蹤系統(tǒng)對伺服平臺的要求，從靜態(tài)控制精度、控制范圍、諧振頻率、帶載能力、帶寬方面對振鏡進行了詳細的分析，選取了合適的振鏡平臺和驅(qū)動方式，通過實驗驗證PZT振鏡在快速伺服上的應用。由實驗結(jié)果可知，所選振鏡滿足了系統(tǒng)的要求。具有一定的實際運用意義。隨著信息技術的要求和發(fā)展，振鏡的發(fā)展和應用前景是不可估量的，鑒于作者能力水平有限，本實驗系統(tǒng)只是應用了PZT振鏡，實驗系統(tǒng)還有許多不完善的地方，敬望各位老師、專家批評指正。

致謝值此論文即將完成之際，謹向所有關心我的老師、同學、朋友表達誠摯的謝意。在這里首先要感謝我的導師楊陽講師，本論文是在楊老師的指導幫助下完成的，在課題研究期間楊老師給予我的耐心指導與無私的幫助。在大學學習期間，楊老師淵博的知識，敏捷的思維以及對待科研的態(tài)度使我受益匪淺，是我今后工作學習的榜樣。在此向楊陽老師致以深深的謝意和最誠摯的祝福!另外還要感謝大學期間所有其他老師在本人大學四年里對我學習上的關心幫助和指導。最后我要感謝我的父母、親屬和朋友，感謝他們多年來對我的學業(yè)的支持和鼓勵。沒有他們的幫助和支持我是不可能順利完成學業(yè)的，他們是我不斷進取的源泉，是我努力前進的動力。最后祝各位老師身體健康，工作順利!參考文獻1.徐秀峰，激光打標現(xiàn)狀及發(fā)展前景，/company/weblog_viewEntry/2009310.htlm,2008.7.252.姜會林，\o""空間激光通信技術與系統(tǒng)，國防工業(yè)出版社，2010.123.王德純，丁家會，程望東，精密跟蹤測量雷達技術/雷達技術叢書，電子工業(yè)出版社，20064.寇寶泉，SY-交流伺服電機及其控制，機械工業(yè)出版社，2008.10.15.顏嘉男，伺服電機應用技術，科學出版社，2010.46.【美】B.賈菲/等著，壓電陶瓷，科學出版社，19797.柯熙政，無線激光通信概述，北京郵電出版社，2004.88.程鵬，自動控制原理，高等教育出版社，2003.89.白宏，光電跟蹤系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定控制，【碩士學位論文】，2008.510.謝木軍，馬佳光，傅承毓等，空間光通信中的精密跟蹤瞄準技術，光電出版社，200711.劉金琨，先進PID控制MATMAB仿真，電子工業(yè)出版社，2011.312.架承萍，許玉格，陶瓷驅(qū)動器應用中的滯環(huán)特性及研究進展，控制理論與應用出版社，2003.2(7)13.宋鴻飛，在空間光通信ATP系統(tǒng)中PZT振鏡的控制研究，【碩士學位論文】，2007.314.吳瓊，自由空間激光通信ATP系統(tǒng)精跟蹤控制技術研究，【碩士學位論文】，2008.415.ToniTolkerNielsen.PointingAcquisitionandTrackingsystemfortheFreeSpaceLaserCommunicationsystem，SILEX.EuropeanspaceAgency.SPIEVol.238116.WittigMHoltzLV，TunbridgeDEL，VermeulnHC，InorbitMeasurementsofMicroaccelerationsofESA’CommunicationSatelliteOLYMP【C】FreeSpaceLaserCommunicationTeehnologies11.Bellingham:SPIE，199017.虞鋼，虞和濟，集成化激光智能加工工程，北京冶金工業(yè)出版社，2002.118.StevenA.Lane?andSethL.Lacy.S.AirForceResearchLaboratory,KirtlandAirForceBase,NewMexico87117VitBabuskaandNationalLaboratory,Albuquerque,NewMexico87185StephenHanes，TheBoeingCompany,Albuquerque,NewMexico87185andKarlSchraderandRobertFuentes，Boeing–SVS,Inc.,Albuquerque,NewMexico87109，ActiveVibrationControlofaDeployableOpticalTelescope，200819.PAM-VAOne,SoftwarePackage,Ver.1.1,ESIGroup,Paris,2005.20.QuickFringe,SoftwarePackage.5,DiffractionLimitedOntario,21.固高科技（深圳）有限公司，激光振鏡運動控制系統(tǒng)開發(fā)，2005基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的嵌入式Web服務器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設計及其應用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃