快速高精度電動(dòng)調(diào)整鏡研究

邢海斌，劉力雙，夏潤(rùn)秋，陳青山，呂 勇

（北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

引言

隨著高能激光技術(shù)的不斷發(fā)展，戰(zhàn)術(shù)激光干擾武器、戰(zhàn)略高能激光毀傷武器越來(lái)越多地得到應(yīng)用。高能激光器作為激光武器系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，其性能指標(biāo)尤為重要。單臺(tái)高能激光器對(duì)晶體、光學(xué)鍍膜等光學(xué)元件有較高的技術(shù)要求，且體積大、成本高、周期長(zhǎng)，限制了其在高能激光武器上的應(yīng)用。目前，大多采用多臺(tái)激光器合束的方法實(shí)現(xiàn)高能激光的輸出。高能激光合束系統(tǒng)光學(xué)組件中的反射鏡運(yùn)行時(shí)需要滿足快速高精度調(diào)整的要求，從而精確控制光束傳輸方向。

光束方向的快速高精度調(diào)整方法之一是采用快速反射鏡[1]。目前市面上的快速反射鏡大多是采用壓電陶瓷[2-3]或者音圈電機(jī)[4]的驅(qū)動(dòng)方式，以追求高諧振頻率，高帶寬[5]等指標(biāo)。例如2004年中科院光電所吳瓊雁等人通過(guò)優(yōu)化控制算法將音圈電機(jī)快反鏡帶寬提高到了310 Hz[6]，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的凡木文等人2015年在普通PI 控制方法基礎(chǔ)上增加了雙二階濾波器，使音圈電機(jī)快反鏡與之前相比帶寬提高了1 倍[7]。

激光合束系統(tǒng)通常需要在進(jìn)入工作狀態(tài)前調(diào)整反射鏡，在工作過(guò)程中不再移動(dòng)，所以調(diào)整鏡一般采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)械，微位移機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)方法。該方法具有較好的分辨率，行程較大，可自鎖，工作過(guò)程中不需要加電，缺點(diǎn)是會(huì)存在機(jī)械間隙造成空回[8-9]。

為了減少裝備的準(zhǔn)備時(shí)間，高能激光武器系統(tǒng)的合束系統(tǒng)對(duì)反射鏡的調(diào)整到位時(shí)間和精度提出了更高的要求。論文針對(duì)該需求設(shè)計(jì)了一種基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)[10]的大口徑二維調(diào)整鏡，在±500″范圍內(nèi)，調(diào)整鏡到位時(shí)間在3 s 以內(nèi)，控制誤差小于2″，實(shí)現(xiàn)了光束小角度高精度的快速調(diào)整。論文對(duì)系統(tǒng)工作原理和模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，對(duì)系統(tǒng)的控制算法、傳感器標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，采用了S 形加減速控制算法[11-12]與分段線性標(biāo)定方法，提高了調(diào)整鏡的調(diào)整速度與線性度。

1 調(diào)整鏡系統(tǒng)工作原理

設(shè)計(jì)的調(diào)整鏡系統(tǒng)工作原理如圖1所示，調(diào)整鏡主體效果圖如圖2所示。系統(tǒng)主要由調(diào)整鏡主體與驅(qū)動(dòng)控制器兩部分組成，其中調(diào)整鏡主體包括：反射鏡模塊、剛性支承模塊、精密調(diào)整機(jī)構(gòu)、精密位移測(cè)量模塊等；控制驅(qū)動(dòng)器主要由主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊等組成，主控模塊接收上位機(jī)控制信息，通過(guò)控制算法，配合傳感器標(biāo)定，調(diào)整鏡中反射鏡完成偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的指向控制。

圖1 調(diào)整鏡系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of adjusting mirror system

圖2 調(diào)整鏡主體效果圖Fig.2 Effect picture of adjusting mirror main body

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊中硬件部分主要分為兩部分，分別是主控模塊與傳感器信號(hào)檢測(cè)處理模塊。

調(diào)整鏡的微位移由精密位移測(cè)量模塊進(jìn)行檢測(cè)和位置輸出，經(jīng)由檢測(cè)電路發(fā)送到CPU，CPU 再通過(guò)與上位機(jī)進(jìn)行通信，得到目標(biāo)角度與傳感器測(cè)得的角度的差值，進(jìn)行相應(yīng)算法輸出后，使調(diào)整鏡偏轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度。

CPU 采用TI 公司最適用于數(shù)字控制的C2000系列產(chǎn)品，TMS320F28379S 控制芯片。角度傳感器使用電渦流傳感器，探頭固定于鏡面鏡托后，信號(hào)通過(guò)SPI 通信的方式與控制芯片進(jìn)行通信。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用DRV8886 芯片，軟件部分則主要包括控制算法、上位機(jī)控制顯示界面。具體工作流程為：激光到達(dá)快速反射鏡之后，核心控制模塊通過(guò)USB 接口與上位機(jī)通信，實(shí)時(shí)發(fā)送鏡面偏轉(zhuǎn)角度；當(dāng)下位機(jī)接收到上位機(jī)的位置信號(hào)后，通過(guò)控制算法驅(qū)動(dòng)調(diào)整鏡，從而達(dá)到控制鏡面偏轉(zhuǎn)的效果。調(diào)整鏡系統(tǒng)上位機(jī)操作界面如圖3所示。

圖3 調(diào)整鏡上位機(jī)操作界面Fig.3 Operation interface of adjusting mirror

2.2 控制算法設(shè)計(jì)

快速反射鏡的控制算法一般采用傳統(tǒng)的PID 控制算法進(jìn)行鏡面偏轉(zhuǎn)的控制[13-14]。但是，PID 控制算法的缺點(diǎn)是在細(xì)分固定的情況下不能同時(shí)保證驅(qū)動(dòng)速度和精度。因?yàn)轫?xiàng)目需求，調(diào)整鏡需要在精準(zhǔn)的前提下快速到位，所以需要采取一種新型的控制方法來(lái)解決PID 算法現(xiàn)有的問(wèn)題。

論文采用S 形加減速算法作為調(diào)整鏡的控制算法，算法流程如圖4所示。首先對(duì)調(diào)整鏡的偏擺角度信號(hào)進(jìn)行采集，之后計(jì)算目標(biāo)值與實(shí)際值之間的差值，若是大于1″，則進(jìn)入變細(xì)分算法調(diào)節(jié)器；若是低于1″，則繼續(xù)等待下一次目標(biāo)值。

圖4 調(diào)整鏡控制算法流程圖Fig.4 Flow chart of adjusting mirror control algorithm

變細(xì)分S 形加減速算法調(diào)節(jié)器共分為5 個(gè)狀態(tài)：空閑狀態(tài)、開始狀態(tài)、加速狀態(tài)、最大速度以及減速狀態(tài)。當(dāng)調(diào)節(jié)器收到目標(biāo)位置指令后，調(diào)節(jié)器會(huì)首先進(jìn)入開始狀態(tài)，在以1/16 細(xì)分控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)大約1″后進(jìn)入加速狀態(tài)。在加速狀態(tài)中通過(guò)目標(biāo)值與實(shí)際值之間的偏差值計(jì)算得到此狀態(tài)下所需的角度以及步長(zhǎng)，然后將步長(zhǎng)平均分為4 份，分別使用1/8、1/4、1/2 細(xì)分以及全步進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行電機(jī)控制，之后則進(jìn)入最大速度狀態(tài)中。在此狀態(tài)中再次計(jì)算實(shí)際值與目標(biāo)值之間的偏差，得到所需的步長(zhǎng)之后，使用全步進(jìn)方式進(jìn)行推進(jìn)，在經(jīng)過(guò)1/4 距離后進(jìn)入到減速狀態(tài)。在減速狀態(tài)中會(huì)通過(guò)實(shí)際值與目標(biāo)值的偏差將剩下的步長(zhǎng)均等的分成4 份，之后分別通過(guò)1/2、1/4、1/8、1/16細(xì)分進(jìn)行推進(jìn)，最終達(dá)到目標(biāo)值。

2.3 系統(tǒng)標(biāo)定方法研究

傳感器標(biāo)定是指給傳感器加上一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的被測(cè)量，然后調(diào)整傳感器的某些部件或者軟件參數(shù)，使得傳感器的輸出與被測(cè)量準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)[15]。

一般傳感器的標(biāo)定方法采用曲線擬合法進(jìn)行標(biāo)定[16]，需要進(jìn)行米字形采點(diǎn)，之后分別對(duì)X軸和Y軸進(jìn)行公式擬合，最后對(duì)標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)于調(diào)整鏡來(lái)說(shuō)，因?yàn)橐惑w式的機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)法使反射鏡模塊的X軸與Y軸的中心點(diǎn)進(jìn)行固定，所以在鏡面發(fā)生偏轉(zhuǎn)的時(shí)候，X軸與Y軸會(huì)發(fā)生耦合，既當(dāng)X軸電機(jī)保持固定的時(shí)候，Y軸電機(jī)利用推桿推動(dòng)鏡面，同時(shí)將中心點(diǎn)向前推進(jìn)，與此同時(shí)，因?yàn)閄軸推桿處保持不變，并且還有彈簧進(jìn)行拉緊，所以當(dāng)僅有一個(gè)軸進(jìn)行開環(huán)偏轉(zhuǎn)的時(shí)候，另一個(gè)軸也會(huì)隨之發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此，在標(biāo)定時(shí)所呈現(xiàn)出來(lái)的平面也并不是均勻正交分布的，采點(diǎn)傳感器數(shù)值平面圖如圖5所示。

圖5 采點(diǎn)傳感器數(shù)值平面圖Fig.5 Numerical plan of sampling point sensor

圖5 給出了通過(guò)自準(zhǔn)直儀標(biāo)定后的角度分布，其中水平橫坐標(biāo)X軸與豎直縱坐標(biāo)Y軸為調(diào)整鏡X軸與Y軸的傳感器數(shù)值。因?yàn)檎{(diào)整鏡系統(tǒng)傳感器電路中使用的是16 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片，所以傳感器數(shù)值均為0～216之間，也即0～65 535 之間。由于調(diào)整鏡X、Y軸耦合的原因，圖5 中數(shù)字①處下方的直線為調(diào)整鏡X軸傳感器采點(diǎn)所形成的直線，數(shù)字②處上方的直線為調(diào)整鏡Y軸傳感器采點(diǎn)所形成的直線。利用Matlab 對(duì)傳感器數(shù)值與各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的自準(zhǔn)直儀中調(diào)整鏡真實(shí)角度值進(jìn)行曲面擬合，擬合曲面如圖6所示。

圖6 整體擬合曲面Fig.6 Overall fitting surface

圖6 中AngleX坐標(biāo)單位為（″），可以看出擬合曲面無(wú)法將所有的點(diǎn)準(zhǔn)確覆蓋住，帶來(lái)的結(jié)果是利用此擬合公式，調(diào)整鏡大角度偏轉(zhuǎn)出現(xiàn)不線性情況，因此本文提出一種分軸分段線性的標(biāo)定方法。

分段標(biāo)定方法共分為3 個(gè)步驟：首先在調(diào)整

鏡±500″范圍內(nèi)均勻采點(diǎn)，將傳感器A/D 值與相應(yīng)的自準(zhǔn)直儀呈現(xiàn)出的調(diào)整鏡偏轉(zhuǎn)角度值記錄下來(lái)；之后利用Matlab 進(jìn)行曲面擬合。使用自準(zhǔn)直儀對(duì)曲面公式進(jìn)行檢驗(yàn)，將調(diào)整鏡非線性程度大于2″的角度確定為需要分塊的角度，觀察其在采點(diǎn)平面的位置，確定需要分塊的A/D 值；最后將曲面進(jìn)行分塊處理，以X軸傳感器A/D 值進(jìn)行劃分，將非線性嚴(yán)重的X、Y正方向與X、Y負(fù)方向的大角度點(diǎn)去掉，使現(xiàn)在的曲面變成3 塊曲面，即去掉大角度點(diǎn)的中心部分曲面，X、Y正方向曲面與X、Y負(fù)方向曲面3 個(gè)部分。

對(duì)X、Y正方向與X、Y負(fù)方向曲面進(jìn)行更高密度的傳感器采點(diǎn)與自準(zhǔn)直儀數(shù)據(jù)記錄，并進(jìn)行曲面擬合。

在程序中，加入重新標(biāo)定的大角度曲面公式，使它們分別作為相應(yīng)位置的擬合曲面。在它們與中心部分結(jié)合的部分，選取X軸傳感器A/D 值一小段使用加權(quán)方式進(jìn)行計(jì)算，如此便可以解決調(diào)整鏡非線性標(biāo)定問(wèn)題。

使用分段線性標(biāo)定方法之后，分段區(qū)域共為5 塊，共需要4 個(gè)分區(qū)值。分段區(qū)域分別為X和Y正方向大角度區(qū)域、加權(quán)區(qū)域1、中心區(qū)域、加權(quán)區(qū)域2、X和Y負(fù)方向大角度區(qū)域。程序流程圖如圖7所示。

圖7 分段標(biāo)定程序流程圖Fig.7 Flow chart of piecewise calibration procedure

X軸分段標(biāo)定程序偽代碼如表1所示。

表1 程序偽代碼Table 1 Program pseudo-code

程序中關(guān)鍵部分為加權(quán)部分的計(jì)算，程序以X軸A/D 值進(jìn)行劃分，使用if 函數(shù)分別對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行判斷，使用曲面公式或兩曲面公式加權(quán)的方式對(duì)角度值進(jìn)行計(jì)算，最終返回角度值。Y軸同理。

X、Y正方向與X、Y負(fù)方向采點(diǎn)去除后，采點(diǎn)分布圖如圖8所示，曲面擬合圖形如圖9所示。

圖8 分段后采點(diǎn)分布圖Fig.8 Distribution of sampling points after subsection

圖9所示為去除大角度點(diǎn)的擬合曲面與X、Y正方向和X、Y負(fù)方向的擬合曲面?？梢钥闯鰯M合曲面覆蓋住了所有的點(diǎn)，并且曲面整體較之前相比扭曲程度大幅減小。經(jīng)過(guò)自準(zhǔn)直儀的測(cè)試，調(diào)整鏡±500″范圍內(nèi)非線性度誤差小于2″。

圖9 分段后曲面擬合圖Fig.9 Surface fitting diagram after subsection

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

基于以上原理設(shè)計(jì)并制作了調(diào)整鏡，如圖10所示，并在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中對(duì)其定點(diǎn)速度與線性度進(jìn)行了檢驗(yàn)。

圖10 調(diào)整鏡實(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.10 Experimental environment of adjusting mirror

1）速度

使調(diào)整鏡以頻率1 Hz 運(yùn)行-500″～+500″的階躍信號(hào)，示波器記錄PSD 到位響應(yīng)信號(hào)，響應(yīng)時(shí)間小于3 s。

2）線性度

使用上位機(jī)控制調(diào)整鏡運(yùn)動(dòng)到-500″～+500″范圍內(nèi)任意點(diǎn)，通過(guò)自準(zhǔn)直儀觀測(cè)鏡面偏轉(zhuǎn)角度，記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 調(diào)整鏡線性度測(cè)試表Table 2 Linearity test of adjusting mirror(″)

根據(jù)表2 可知，調(diào)整鏡的偏轉(zhuǎn)誤差均小于2″，調(diào)整鏡的控制精度不受轉(zhuǎn)動(dòng)范圍大小的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：調(diào)整鏡在-500″～+500″范圍內(nèi)工作時(shí)，控制精度小于2″，可以滿足項(xiàng)目要求的偏轉(zhuǎn)速度與偏轉(zhuǎn)精度。

4 結(jié)論

采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行調(diào)整鏡的設(shè)計(jì)，使用鋼制一體化結(jié)構(gòu)使調(diào)整鏡具有良好的定點(diǎn)穩(wěn)定性，并基于S 形加減速算法與分段線性的標(biāo)定方法，使調(diào)整鏡具有良好的偏轉(zhuǎn)速度與線性度。到位調(diào)整相應(yīng)速度小于3 s，偏轉(zhuǎn)閉環(huán)重復(fù)定位精度小于2″，證明該系統(tǒng)可以達(dá)到較高的精度和速度。該系統(tǒng)能夠較好地調(diào)整光束偏轉(zhuǎn)方向，有效提高激光發(fā)射設(shè)備的激光發(fā)射精度。