快反鏡諧振特性測量系統(tǒng)設計與研究

劉永凱，張玉良，耿天文，張 艷

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033)

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快反鏡諧振特性測量系統(tǒng)設計與研究

劉永凱，張玉良，耿天文，張 艷

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033)

基于機械系統(tǒng)諧振理論，針對音圈電機快速反射鏡系統(tǒng)的電器特性，設計出一套由主控計算機、實時控制器、多功能數(shù)據(jù)采集卡組成的諧振特性測量系統(tǒng)，能夠主動產(chǎn)生控制信號、采集系統(tǒng)反饋、實時顯示并存儲數(shù)據(jù)。LabVIEW虛擬儀器提供了方便的用戶控制與顯示界面，測試程序在LabVIEW RT實時系統(tǒng)下的運行，保障了顯示界面中系統(tǒng)各項工作狀態(tài)及參數(shù)的實時性。通過對被測對象的自動掃頻測試及分析，可以準確地測量出被測對象各軸系的諧振特性，準確地找到諧振頻點，為控制系統(tǒng)的伺服帶寬設計提供參考。

快速反射鏡；機械諧振；LabVIEW；模擬量測量

0 引言

在現(xiàn)代光電設備中，快速反射鏡(fast steering mirror,FSM)系統(tǒng)被廣泛應用于光束調(diào)整與控制，如：深空小目標觀測、自適應光學系統(tǒng)、動平臺瞄準捕獲與跟蹤系統(tǒng)、自由空間激光通信等[1-3]。FSM系統(tǒng)的一個重要指標就是其控制帶寬，通常伺服控制系統(tǒng)的帶寬越高，其控制精度越高，對擾動的抑制能力也就越強。對于FSM系統(tǒng)來說，其閉環(huán)控制帶寬、動態(tài)性能及穩(wěn)定性均受系統(tǒng)諧振特性影響，一般伺服控制帶寬被設計為低于機械諧振頻率[4]。

一般，設備的機械諧振頻率可以通過模型建立與計算機軟件仿真的方式，由模態(tài)分析計算得出。但是由于FSM系統(tǒng)中一般使用柔性連接設計、且存在各軸之間的耦合、接觸等非線性問題、同時音圈電機的磁場力難以準確建模、整個FSM系統(tǒng)的邊界條件難以準確定義，上述因素會使分析建模工作比較困難。因此有必要設計一套測試測量系統(tǒng)，來檢測FSM的諧振特性，以便為用戶提供準確的機械諧振頻率，便于其在實際使用中設計最優(yōu)化的控制帶寬，更好地發(fā)揮FSM系統(tǒng)的性能。

針對FSM系統(tǒng)的電器輸入輸出特點，結(jié)合模態(tài)分析中諧振特性的研究方法，采用正弦激勵的方式測量快速反射鏡的頻率特性，并實時記錄測試結(jié)果，以便于后續(xù)分析。

1 FSM系統(tǒng)的組成及工作原理

在本測試系統(tǒng)的設計及調(diào)試中，以某型號音圈電機快反鏡為被測對象，進行諧振頻率特性測試。下面簡要介紹該快速反射鏡系統(tǒng)的基本組成及工作原理。

1.1 系統(tǒng)組成

圖1為被測FSM的爆炸圖，圖 2為該FSM的剖面圖。該快速反射鏡裝置主要由平面反射鏡、鏡座、基座、柔性鉸鏈、音圈電機、傳感器及基體等部分組成。其中，平面反射鏡、鏡座、基座及音圈電機的動子部分組成了系統(tǒng)的運動部分，基體、傳感器及音圈電機的定子組成該系統(tǒng)的不動部分，兩部分之間通過柔性鉸鏈連接。在音圈電機提供的推、拉力作用下，運動部分可以繞柔性軸做小幅、高頻的轉(zhuǎn)動，傳感器可測量運動部件的位置狀態(tài)，并提供反饋。

圖1 FSM系統(tǒng)爆炸圖

圖2 FSM系統(tǒng)剖面圖

1.2 工作原理

FSM系統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖 3所示，其閉環(huán)控制過程如下：控制器接收外部輸入的模擬量給定值，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生模擬信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器產(chǎn)生相應的驅(qū)動電流，驅(qū)動音圈電機(促動器)執(zhí)行相應的運動，平面鏡及基座(受控對象)則產(chǎn)生相應的角位移，進而使傳感器產(chǎn)生測量值，測量信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，與新的給定值一同進入控制器進行二次運算。

圖3 FSM閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2 測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2.1 諧振特性測量原理

諧振特性是對機械結(jié)構(gòu)固有振動特性的研究，其中一個重要的分析方法就是模態(tài)分析。機械結(jié)構(gòu)的每一個模態(tài)都有其諧振頻率、模態(tài)振型及阻尼比。當系統(tǒng)做簡諧振動時，其運動的頻率與初始條件無關(guān)，只與系統(tǒng)的材料、結(jié)構(gòu)等自身特性相關(guān)，該頻率稱為系統(tǒng)或物體的固有頻率。當外部給定的運動信號頻率與固有頻率相同時，物體產(chǎn)生共振[5]。

為測量FSM系統(tǒng)的頻率特性曲線，采用正弦激勵的方法進行測量：首先利用多功能數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出通道給驅(qū)動器輸出頻率、幅值可變的正弦信號，并通過板卡上的模擬輸入通道采集FSM系統(tǒng)中位置傳感器的反饋信號，從而獲得FSM系統(tǒng)的振動情況。這樣，通過對輸入信號掃頻的方式便可以測得FSM系統(tǒng)的幅頻特性曲線，通過特性曲線便可以得出其諧振頻率。

2.2 硬件組成

為了保證測試信號的高速實時性，測量系統(tǒng)采用PXIe-8135控制器作為主控單元，并在其上運行LabVIEW RT系統(tǒng)，由上位計算機進行遠程操控及顯示[6-7]。上位機與主控制器之間通過高速以太網(wǎng)進行通信。針對FSM驅(qū)動器的輸入信號一般為模擬量的特點，在測試系統(tǒng)的PXI機箱中加入PXI-6229多功能數(shù)據(jù)采集卡，并通過PXI總線協(xié)議與主控制器進行通信。PXI-6229多功能數(shù)據(jù)采集卡包含4個16位D/A通道、32個16位A/D通道、一個32位數(shù)字I/O以及兩個高速計數(shù)器，上述資源可以為測試系統(tǒng)提供充足的、高精度的模擬量輸入輸出端口及狀態(tài)控制信號。

整個測試系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)硬件組成框圖

2.3 軟件設計

測量系統(tǒng)的軟件主要由在下位機上運行的控制程序和在上位機上運行的操控及顯示程序組成。下位機控制程序流程圖如圖 5所示，主要包括AI通道、AO通道及存儲的初始化部分、波形生成及發(fā)生部分和波形提取部分。為保證通信的實時性，下位機與上位機之間通過共享數(shù)據(jù)變量的方式進行數(shù)據(jù)交換，而沒有采用一般的整個程序發(fā)布的方式。上位機在程序運行初始，會將各項設置參數(shù)發(fā)布在共享網(wǎng)絡中供下位機查詢使用；下位機在運行過程中則會將實時生產(chǎn)、獲取的數(shù)據(jù)發(fā)布在共享網(wǎng)絡中，供上位機程序調(diào)用以計算、顯示等，同時下位機會實時檢測上位機發(fā)布的各項控制信號是否有更新，以保證使用者可以通過上位機對下位機的運行進行實時監(jiān)控。

圖5 測量系統(tǒng)下位機軟件程序流程圖

在對PXI-6229進行初始化的過程中，需要注意AO通道的DAQmx Write(寫入模式)應當是RegenMode，即允許數(shù)據(jù)重生成模式。這樣做的好處是：在由于數(shù)據(jù)傳輸、CPU運算或其他原因引起的一些延遲時，可能出現(xiàn)在本次循環(huán)中新的數(shù)據(jù)還沒有寫入板卡，而板卡上緩存中的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完成的情況，在沒有設置重生成模式的情況下，程序會因為板上緩存清空而報錯，而在重生成模式下，當新的數(shù)據(jù)沒有寫入時，板卡會將發(fā)布過的數(shù)據(jù)重新發(fā)布，在保證數(shù)據(jù)生成與發(fā)布速率的同時等待新的數(shù)據(jù)寫入。當然，在對輸出波形特性及實時性有特殊要求的系統(tǒng)中不建議使用重生成模式。另外，下位機與板卡的通信使用了DMA模式，極大地減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間。

測試系統(tǒng)的上位機控制程序界面如圖6所示，其中各區(qū)域功能如下：模擬通道參數(shù)設置、時鐘及采樣率置、波形設置、觸發(fā)信號設置、輸入輸出波形顯示、處理后數(shù)據(jù)顯示、存儲及掃頻控制。

圖6 上位機控制程序界面

3 測試結(jié)果與分析

在測試過程中，測試系統(tǒng)會事先給定某一固定頻率的正弦信號，并在保持若干周期后對被測物體的反饋信號進行采樣，將采集到的信號中若干周期的幅值的均值存儲，供后續(xù)分析。一般用20 log(A實測/A給定)表示被測物體的幅頻特性，其中A實測為實測反饋信號中幅值的平均值，A給定為給定信號的幅值。

圖7 X軸測試結(jié)果

圖8 Y軸測試結(jié)果

對被測音圈電機快反鏡的測試結(jié)果如圖5、圖6所示，可以看到在大約900 Hz的時候X軸出現(xiàn)第一次波峰，而Y軸沒有明顯峰值出現(xiàn)，但在超過1 000 Hz后，兩軸的頻率特性曲線均出現(xiàn)了較明顯的峰值，其中X軸峰值對應頻率為1 052 Hz，Y軸為1 087 Hz?？梢源_定1 052 Hz與1 087 Hz分別為被測FSM系統(tǒng)X軸與Y軸的兩個諧振點，盡管900 Hz處不能明顯判別為諧振點，但在伺服系統(tǒng)進行設計時，應盡量使控制帶寬低于900 Hz，以使FSM系統(tǒng)的性能得到充分發(fā)揮。

4 結(jié)束語

基于虛擬儀器技術(shù)，設計了一套快速反射鏡諧振特性測量系統(tǒng)，可以實時采集、顯示并存儲系統(tǒng)工作參數(shù)，動態(tài)調(diào)整測試信號及工作模式。LabVIEW可視化語言大大簡化了程序設計的復雜性，減少了程序編寫工作量，縮短了系統(tǒng)調(diào)試周期，同時使系統(tǒng)可以通過快速配置與更改，適用于不同型號的FSM系統(tǒng)。實際測試表明，本測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)對兩軸音圈電機快反鏡系統(tǒng)諧振頻率的測量，為快反鏡伺服系統(tǒng)的設計提供了重要參考。

[1] HEI M,ZHANG L-c,Zhou Q-k,et al. Model-based design method of two-axis four-actuator fast steering mirror system. Journal of Central South University,2015,22(1):150-8.

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[3] 徐新行,高云國,楊洪波,等. 車載大口徑剛性支撐式快速反射鏡. 光學精密工程,2014,22(1):117-124.

[4] 周子云,高云國,邵帥,等. 采用柔性鉸鏈的快速反射鏡設計. 光學精密工程,2014,22(6):1547-1554.

[5] 王帥,陳濤,李洪文,等. 光電跟蹤伺服系統(tǒng)的頻率特性測試與模型辨識. 光學精密工程,2009,17(1):78-84.

[6] 劉東升,尹成群,呂安強,等. 基于虛擬儀器技術(shù)的電子測量儀器平臺開發(fā). 儀表技術(shù)與傳感器,2011(9):23-25.

[7] 潘雪濤,金青,鄔華芝,等. 基于LabVIEW的測試系統(tǒng)特性分析. 儀表技術(shù)與傳感器,2008(12):24-27.

Design and Study of Measurement System for Resonant Characteristics of Fast Steering Mirror

LIU Yong-kai,ZHANG Yu-liang,GENG Tian-wen,ZHANG Yan

(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China)

Based on the theory of mechanical resonance,according to the electrical properties of fast steering mirror system for voice coil motor,a measurement system which is mainly composed of main control computer,real-time controller and multifunctional data acquisition card was designed to generate control signal,active,real-time display and store the feedback of data acquisition system. LabVIEW virtual instrument provided a convenient user control and display interface,the program was running under LabVIEW RT real-time system,ensuring each work condition and parameters of the display system in real time. By the automatic frequency sweep measuring and analysis the object to be measured,the resonant characteristics of the axis can be accurately measured,and the resonant frequency point was accurately positioned,thus providing reference for the servo bandwidth of the control system design.

fast steering mirror;mechanical resonance;LabVIEW;analog measurement

2015-06-16 收修改稿日期：2015-06-30

TP273

A

1002-1841(2015)11-0062-03

劉永凱(1989—)，研究實習員，碩士，主要從事高精度伺服控制器設計及電子學檢測方面的研究。 E-mail：liuyongkai_ciomp@163.com