快速高精度電動調(diào)整鏡研究

邢海斌，劉力雙，夏潤秋，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。單臺高能激光器對晶體、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，限制了其在高能激光武器上的應(yīng)用。目前，大多采用多臺激光器合束的方法實現(xiàn)高能激光的輸出。高能激光合束系統(tǒng)光學(xué)組件中的反射鏡運行時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[4]的驅(qū)動方式，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優(yōu)化控制算法將音圈電機快反鏡帶寬提高到了310 Hz[6]，中國科學(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)通常需要在進入工作狀態(tài)前調(diào)整反射鏡，在工作過程中不再移動，所以調(diào)整鏡一般采用步進電機作為驅(qū)動機械，微位移機構(gòu)作為驅(qū)動方法。該方法具有較好的分辨率，行程較大，可自鎖，工作過程中不需要加電，缺點是會存在機械間隙造成空回[8-9]。

為了減少裝備的準(zhǔn)備時間，高能激光武器系統(tǒng)的合束系統(tǒng)對反射鏡的調(diào)整到位時間和精度提出了更高的要求。論文針對該需求設(shè)計了一種基于步進電機驅(qū)動[10]的大口徑二維調(diào)整鏡，在±500″范圍內(nèi)，調(diào)整鏡到位時間在3 s 以內(nèi)，控制誤差小于2″，實現(xiàn)了光束小角度高精度的快速調(diào)整。論文對系統(tǒng)工作原理和模塊設(shè)計進行了分析，對系統(tǒng)的控制算法、傳感器標(biāo)定等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，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)整機構(gòu)、精密位移測量模塊等；控制驅(qū)動器主要由主控模塊、驅(qū)動模塊、通信模塊等組成，主控模塊接收上位機控制信息，通過控制算法，配合傳感器標(biāo)定，調(diào)整鏡中反射鏡完成偏轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對光束的指向控制。

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

2.1 控制模塊設(shè)計

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檢測處理模塊。

調(diào)整鏡的微位移由精密位移測量模塊進行檢測和位置輸出，經(jīng)由檢測電路發(fā)送到CPU，CPU 再通過與上位機進行通信，得到目標(biāo)角度與傳感器測得的角度的差值，進行相應(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，信號通過SPI 通信的方式與控制芯片進行通信。步進電機驅(qū)動芯片采用DRV8886 芯片，軟件部分則主要包括控制算法、上位機控制顯示界面。具體工作流程為：激光到達快速反射鏡之后，核心控制模塊通過USB 接口與上位機通信，實時發(fā)送鏡面偏轉(zhuǎn)角度；當(dāng)下位機接收到上位機的位置信號后，通過控制算法驅(qū)動調(diào)整鏡，從而達到控制鏡面偏轉(zhuǎn)的效果。調(diào)整鏡系統(tǒng)上位機操作界面如圖3所示。

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

2.2 控制算法設(shè)計

快速反射鏡的控制算法一般采用傳統(tǒng)的PID 控制算法進行鏡面偏轉(zhuǎn)的控制[13-14]。但是，PID 控制算法的缺點是在細分固定的情況下不能同時保證驅(qū)動速度和精度。因為項目需求，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解決PID 算法現(xiàn)有的問題。

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。首先對調(diào)整鏡的偏擺角度信號進行采集，之后計算目標(biāo)值與實際值之間的差值，若是大于1″，則進入變細分算法調(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

變細分S 形加減速算法調(diào)節(jié)器共分為5 個狀態(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)器會首先進入開始狀態(tài)，在以1/16 細分控制步進電機轉(zhuǎn)動大約1″后進入加速狀態(tài)。在加速狀態(tài)中通過目標(biāo)值與實際值之間的偏差值計算得到此狀態(tài)下所需的角度以及步長，然后將步長平均分為4 份，分別使用1/8、1/4、1/2 細分以及全步進狀態(tài)進行電機控制，之后則進入最大速度狀態(tài)中。在此狀態(tài)中再次計算實際值與目標(biāo)值之間的偏差，得到所需的步長之后，使用全步進方式進行推進，在經(jīng)過1/4 距離后進入到減速狀態(tài)。在減速狀態(tài)中會通過實際值與目標(biāo)值的偏差將剩下的步長均等的分成4 份，之后分別通過1/2、1/4、1/8、1/16細分進行推進，最終達到目標(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標(biāo)準(zhǔn)的被測量，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量準(zhǔn)確對應(yīng)[15]。

一般傳感器的標(biāo)定方法采用曲線擬合法進行標(biāo)定[16]，需要進行米字形采點，之后分別對X軸和Y軸進行公式擬合，最后對標(biāo)定結(jié)果進行檢驗。對于調(diào)整鏡來說，因為一體式的機械結(jié)構(gòu)無法使反射鏡模塊的X軸與Y軸的中心點進行固定，所以在鏡面發(fā)生偏轉(zhuǎn)的時候，X軸與Y軸會發(fā)生耦合，既當(dāng)X軸電機保持固定的時候，Y軸電機利用推桿推動鏡面，同時將中心點向前推進，與此同時，因為X軸推桿處保持不變，并且還有彈簧進行拉緊，所以當(dāng)僅有一個軸進行開環(huán)偏轉(zhuǎn)的時候，另一個軸也會隨之發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此，在標(biāo)定時所呈現(xiàn)出來的平面也并不是均勻正交分布的，采點傳感器數(shù)值平面圖如圖5所示。

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

圖5 給出了通過自準(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。因為調(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軸傳感器采點所形成的直線。利用Matlab 對傳感器數(shù)值與各點所對應(yīng)的自準(zhǔn)直儀中調(diào)整鏡真實角度值進行曲面擬合，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法將所有的點準(zhǔn)確覆蓋住，帶來的結(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 個步驟：首先在調(diào)整

鏡±500″范圍內(nèi)均勻采點，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；之后利用Matlab 進行曲面擬合。使用自準(zhǔn)直儀對曲面公式進行檢驗，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，觀察其在采點平面的位置，確定需要分塊的A/D 值；最后將曲面進行分塊處理，以X軸傳感器A/D 值進行劃分，將非線性嚴(yán)重的X、Y正方向與X、Y負方向的大角度點去掉，使現(xiàn)在的曲面變成3 塊曲面，即去掉大角度點的中心部分曲面，X、Y正方向曲面與X、Y負方向曲面3 個部分。

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

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)方式進行計算，如此便可以解決調(diào)整鏡非線性標(biāo)定問題。

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)部分的計算，程序以X軸A/D 值進行劃分，使用if 函數(shù)分別對不同區(qū)域進行判斷，使用曲面公式或兩曲面公式加權(quán)的方式對角度值進行計算，最終返回角度值。Y軸同理。

X、Y正方向與X、Y負方向采點去除后，采點分布圖如圖8所示，曲面擬合圖形如圖9所示。

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

圖9所示為去除大角度點的擬合曲面與X、Y正方向和X、Y負方向的擬合曲面?？梢钥闯鰯M合曲面覆蓋住了所有的點，并且曲面整體較之前相比扭曲程度大幅減小。經(jīng)過自準(zhǔn)直儀的測試，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 試驗與結(jié)果分析

基于以上原理設(shè)計并制作了調(diào)整鏡，如圖10所示，并在相應(yīng)實驗環(huán)境中對其定點速度與線性度進行了檢驗。

圖10 調(diào)整鏡實驗環(huán)境Fig.10 Experimental environment of adjusting mirror

1）速度

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

2）線性度

使用上位機控制調(diào)整鏡運動到-500″～+500″范圍內(nèi)任意點，通過自準(zhǔn)直儀觀測鏡面偏轉(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)動范圍大小的影響。根據(jù)實驗結(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，控制精度小于2″，可以滿足項目要求的偏轉(zhuǎn)速度與偏轉(zhuǎn)精度。

4 結(jié)論

采用步進電機驅(qū)動的方式進行調(diào)整鏡的設(shè)計，使用鋼制一體化結(jié)構(gòu)使調(diào)整鏡具有良好的定點穩(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。