激光通信中的伺服控制技術(shù)研究與系統(tǒng)特性測(cè)試

張敏，滕云杰，佟首峰

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，長(zhǎng)春 130022）

激光通信系統(tǒng)具有保密性好、傳輸速率快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其良好的發(fā)展前景使得對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究具有重要意義［1］。激光通信鏈路的建立與保持是通信系統(tǒng)應(yīng)用的基本條件，如何實(shí)現(xiàn)快速對(duì)準(zhǔn)與高精度穩(wěn)定跟蹤是通信鏈路建立過(guò)程中必須要解決的問(wèn)題。在激光通信系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)中，伺服系統(tǒng)的主要作用是完成指向、捕獲和跟蹤（PAT）等功能，而穩(wěn)定的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高概率、快速捕獲以及動(dòng)態(tài)條件下完成高精度跟蹤的前提和保障［2-3］。為了提高通信系統(tǒng)的跟蹤精度，需要對(duì)伺服系統(tǒng)的控制模式與策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)控制算法與系統(tǒng)的速度平穩(wěn)性進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而分析其性能的可靠性。

本文主要研究激光通信伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在基于永磁同步電機(jī)的通信光端機(jī)中，采用矢量控制方法對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行原理性設(shè)計(jì)，搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，完成了通信系統(tǒng)的速度平穩(wěn)性與位置響應(yīng)能力的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在基于永磁同步電機(jī)的激光通信伺服系統(tǒng)中，采用矢量控制與增量式控制算法相結(jié)合的方式，使得轉(zhuǎn)臺(tái)的電流、速度與位置特性具有較高的精度，是能夠滿(mǎn)足空間激光通信系統(tǒng)捕獲與跟蹤模式實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。

1 激光通信伺服系統(tǒng)描述

激光通信技術(shù)主要應(yīng)用在星間通信、星地通信、艦載通信、機(jī)載通信以及水下對(duì)潛通信等方面［4］。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的精確通信，通常采用PAT技術(shù)對(duì)激光束進(jìn)行捕獲與高精度復(fù)合跟蹤，并保證目標(biāo)光束位于精跟蹤視場(chǎng)內(nèi)，且跟蹤精度達(dá)到幾個(gè)微弧度量級(jí)，以保證通信光束進(jìn)入通信探測(cè)器視場(chǎng)范圍，達(dá)到實(shí)時(shí)通信的目的［5-6］。

在通信終端的復(fù)合軸控制系統(tǒng)中，通常采用高分辨率與高探測(cè)靈敏度的CCD相機(jī)，完成粗跟蹤與精跟蹤過(guò)程中的光斑位置脫靶量探測(cè)。這里，粗跟蹤伺服單元主要完成初始指向、開(kāi)環(huán)捕獲以及粗跟蹤功能，目的是將目標(biāo)光束引入精跟蹤視場(chǎng)范圍，并由切換到小視場(chǎng)的CCD完成目標(biāo)光束位置的高頻檢測(cè)，采用PZT振鏡作為精跟蹤的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成精跟蹤。而以上復(fù)合軸控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)必須基于一套穩(wěn)定的轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，下面將給出通信控制系統(tǒng)具體的方法與控制策略設(shè)計(jì)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光通信終端控制系統(tǒng)采用基于永磁同步電機(jī)的矢量控制方法［7-10］，如圖1所示。其本質(zhì)是模擬直流電機(jī)的控制規(guī)律，采用坐標(biāo)變換的方法。

圖1 激光通信控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)的矢量控制方法主要由Clarke變換、Park變換及其分別逆變換過(guò)程組成。首先完成永磁同步電機(jī)定子電流的Clarke變換，即由三相（a-b-c）靜止坐標(biāo)系到兩相（α-β）靜止坐標(biāo)系的電流轉(zhuǎn)換過(guò)程，變換關(guān)系如下：

其中，ia和ib為電機(jī)的相電流。在次基礎(chǔ)上，再由兩相（α-β）靜止坐標(biāo)系到（d-q）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的Park變換：

其中，id和iq為d軸和q軸的電流。將經(jīng)過(guò)電流環(huán)控制器得到的電壓ud、uq繼續(xù)做Park逆變換：

其中，θe為電角度；若uα，ub，uc為輸出三相電壓。則需完成的Clarke逆變換如下：

結(jié)合以上矢量控制算法，在激光通信伺服系統(tǒng)的控制環(huán)路設(shè)計(jì)中，將選擇采用經(jīng)典的增量式PI控制方法對(duì)控制系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)以及位置環(huán)的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，如下所示：

其中，u(k)和Δu(k)分別為控制量輸出及其增量；e(k)為控制周期內(nèi)的誤差值；kp和ki分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)。

根據(jù)上面的矢量控制方法與增量式控制策略對(duì)光端機(jī)進(jìn)行控制，并能夠完成跟蹤系統(tǒng)的速度平穩(wěn)性和動(dòng)態(tài)特性等系統(tǒng)性能測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于以上的矢量控制原理以及增量式控制算法設(shè)計(jì)，搭建了如圖2所示的潛望式通信終端伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括激光通信終端、控制器與驅(qū)動(dòng)器、直流電源、示波器等。主要完成系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的性能測(cè)試。

圖2 伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

通信伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，內(nèi)部電流環(huán)主要是保證電機(jī)的電流快速跟隨給定值，一般具有較高的帶寬，而速度回路的作用是控制終端結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的平穩(wěn)性與抗擾動(dòng)性，位置回路主要側(cè)重于通信系統(tǒng)的位置跟蹤精度。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，給定45°范圍的勻速定點(diǎn)指向命令，速度為1.5°/s，分別記錄電機(jī)的三相電流、光端機(jī)的速度特性與位置曲線(xiàn)，分別得到如圖3-圖5所示的測(cè)試結(jié)果。由圖3可以看出，永磁同步電機(jī)的三相電流呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，峰值為0.2 A，而在圖4中，電機(jī)的速度也快速得到給定速度值，并且，勻速運(yùn)行過(guò)程中速度具有很好的平穩(wěn)性，穩(wěn)態(tài)誤差小，如圖5所示，通信終端在30 s內(nèi)從20°運(yùn)動(dòng)到65°，達(dá)到了定位點(diǎn)。

圖3 永磁同步電機(jī)的三相電流

圖4 勻速條件下的速度響應(yīng)曲線(xiàn)

圖5 轉(zhuǎn)臺(tái)的位置曲線(xiàn)

圖6給出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)的位置誤差曲線(xiàn)，最大誤差值為1.5 μrad，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，本文采用永磁同步電機(jī)的矢量控制方法所設(shè)計(jì)的激光通信伺服系統(tǒng)，其電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的動(dòng)態(tài)特性可靠性強(qiáng)、精度高，能夠保證后續(xù)光閉環(huán)的設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)，由于通信系統(tǒng)中速度回路的作用是控制終端系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，需要完成擾動(dòng)條件下的速度平穩(wěn)性驗(yàn)證，在相同的速度條件下，完成速度回路的控制策略與濾波算法，并完成測(cè)試速度閉環(huán)回路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，系統(tǒng)的速度平穩(wěn)性較好，穩(wěn)態(tài)速度波動(dòng)小，驗(yàn)證了速度環(huán)的抗擾動(dòng)與動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

圖6 位置誤差曲線(xiàn)

圖7 擾動(dòng)條件下的速度平穩(wěn)性曲線(xiàn)

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)激光通信系統(tǒng)中的伺服控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于矢量控制算法的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)。搭建了潛望式通信終端控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在勻速條件下完成轉(zhuǎn)臺(tái)的定位功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通信轉(zhuǎn)臺(tái)以1.5°/s的速度完成給定的45°定位角度范圍，速度平穩(wěn)性好，位置精度高，實(shí)現(xiàn)了激光通信伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，為實(shí)現(xiàn)光閉環(huán)以及粗精復(fù)合跟蹤的設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。