快速反射鏡驅(qū)動(dòng)方案及控制策略研究

孫海晶

應(yīng)用研究

快速反射鏡驅(qū)動(dòng)方案及控制策略研究

孫海晶

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205）

本文基于音圈電機(jī)設(shè)計(jì)了快速反射鏡的驅(qū)動(dòng)方案，并提出一種以音圈電機(jī)和快速反射鏡為控制對(duì)象的模型辨識(shí)方法，在此基礎(chǔ)上提出一種基于零極點(diǎn)重新配置的改進(jìn)陷波器控制方法。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)了本文設(shè)計(jì)的有效性。

快速反射鏡 音圈電機(jī) 模型辨識(shí) 陷波器

0 引言

快速反射鏡（fast steering mirror，F(xiàn)SM）作為一種在目標(biāo)和接收器之間控制光束路徑的裝置，可實(shí)現(xiàn)掃描像移補(bǔ)償、凝視成像等功能，是光電桅桿等設(shè)備的重要組成部分，在艦船光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用?；诳焖俜瓷溏R的二級(jí)視軸穩(wěn)定系統(tǒng)可以大幅度提升系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定精度，目前被廣泛應(yīng)用到艦船光電偵察系統(tǒng)中[1]。近三十年來(lái)，隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制電路、傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制等技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)快速反射鏡進(jìn)行了深入的研究。

在驅(qū)動(dòng)方案方面，MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室使用光學(xué)四邊形單元反饋和雙通道模擬控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款快速反射鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[2]。德國(guó)PI公司主攻壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)方案，其最新研制的使用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的兩自由度FSM性能達(dá)世界前列[3]。國(guó)防科技大學(xué)的研究人員提出了采用基于集中柔度的柔性鉸鏈單元的兩軸柔性支撐結(jié)構(gòu)的FSM系統(tǒng)[4]。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所根據(jù)光電穩(wěn)定平臺(tái)的需要，研發(fā)了無(wú)接觸式力矩器驅(qū)動(dòng)的FSM系統(tǒng)[5]。在控制策略方面，文獻(xiàn)[6]提出了用一種修正的超前滯后控制算法，成功的消除了系統(tǒng)的一次諧振。文獻(xiàn)[7]探究了快速反射鏡系統(tǒng)PID控制參數(shù)的調(diào)參規(guī)則，該方法可作為工程經(jīng)驗(yàn)用于調(diào)試參數(shù)。文獻(xiàn)[8]為了增加對(duì)環(huán)境變化和參數(shù)變化的適應(yīng)性，在快速反射鏡系統(tǒng)中引入自適應(yīng)控制，設(shè)計(jì)了誤差自適應(yīng)前饋控制器。文獻(xiàn)[9]針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外干擾問(wèn)題提出了模糊補(bǔ)償控制方法。

現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)基本僅針對(duì)快速反射鏡的某一個(gè)部分進(jìn)行描述，并未系統(tǒng)性地結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)給出通用設(shè)計(jì)方案，或提出的方案所需的關(guān)鍵硬件難以獲取。總之，國(guó)外對(duì)于快速反射鏡的研究起步較早，其相關(guān)技術(shù)日趨成熟，但是國(guó)外對(duì)于高精度高帶寬能夠應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的快速反射鏡，對(duì)我國(guó)實(shí)施禁售和技術(shù)封鎖，而國(guó)內(nèi)對(duì)快速反射鏡的研究起步較晚，其性能指標(biāo)與國(guó)外還是有一定的差距。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種快速反射鏡的驅(qū)動(dòng)方案及控制策略。首先設(shè)計(jì)了快速反射鏡的電控驅(qū)動(dòng)部分，對(duì)各元件進(jìn)行選型，形成了快速反射鏡的整體驅(qū)動(dòng)方案。然后對(duì)快速反射鏡系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并提出一種掃頻擬合的模型辨識(shí)方法使模型進(jìn)一步精確化。最后，針對(duì)系統(tǒng)模型特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略。該控制策略可以很好的適應(yīng)快速反射鏡模型的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)特性以及高閉環(huán)帶寬。

1 快速反射鏡驅(qū)動(dòng)方案

快速反射鏡系統(tǒng)主要由兩部分組成，一是機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，包括反射鏡鏡面組件、支撐組件、基座和底板等；二是電控驅(qū)動(dòng)部分，包括驅(qū)動(dòng)組件、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和控制器等。本小節(jié)針對(duì)快速反射鏡的電控驅(qū)動(dòng)部分的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

驅(qū)動(dòng)組件是快速反射鏡的動(dòng)力來(lái)源，需具備盡可能高的峰值出力，盡可能小的結(jié)構(gòu)，良好的線性度和控制性能。音圈電機(jī)由具有精度高、響應(yīng)快、行程大等一系列優(yōu)點(diǎn)，改變通電線圈中電流的大小和方向即可改變其產(chǎn)生的推力大小和方向。如果一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸只采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)組件驅(qū)動(dòng)，則轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)構(gòu)的受力不平衡，影響快速反射鏡的穩(wěn)定精度。對(duì)于二維運(yùn)動(dòng)的快速反射鏡，選用四個(gè)驅(qū)動(dòng)組件采用兩兩推拉的方式進(jìn)行控制，進(jìn)一步增大驅(qū)動(dòng)力矩，并使鏡面受力均衡。

驅(qū)動(dòng)器提供音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。音圈電機(jī)作為一類直流電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)器有兩種方案可選，一是基于功率MOSFET選擇合適的DC/DC變換拓?fù)?，?shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的電壓輸出，然而高頻PWM的引入會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)額外的諧波。二是基于線性功率放大器搭建驅(qū)動(dòng)電路，線性功率放大器與運(yùn)放的基本原理類似，在額定帶寬和額定功率范圍內(nèi)可提供與輸入信號(hào)呈線性關(guān)系的輸出電壓，在效率要求不高、功率等級(jí)低的應(yīng)用場(chǎng)合，其輸出性能明顯優(yōu)于DC/DC變換拓?fù)??？紤]到快速反射鏡該作為微弧度級(jí)別的精密控制系統(tǒng)，選擇AB類功率放大器作為驅(qū)動(dòng)器，可在額定功率范圍內(nèi)輸出與輸入信號(hào)成正比的驅(qū)動(dòng)電壓。

傳感器是決定快速反射鏡定位精度的關(guān)鍵，用于測(cè)量鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的位移量?？焖俜瓷溏R的精度指標(biāo)要求高，且整體布置空間有限，因此傳感器選擇結(jié)構(gòu)緊湊、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)的渦流傳感器。渦流傳感器由探頭和數(shù)據(jù)處理裝置組成，其中探頭可以將自身與被測(cè)面之間的距離轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)信號(hào)的強(qiáng)弱，再經(jīng)過(guò)渦流傳感器數(shù)據(jù)處理裝置轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)?？紤]到安裝尺寸、測(cè)量精度等要求，選擇差動(dòng)式測(cè)量的方案，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸由兩個(gè)均布于兩側(cè)的傳感器進(jìn)行位移變化量的測(cè)量，該方式不僅能夠消除反射鏡組件平移帶來(lái)的測(cè)量誤差，還能夠消除環(huán)境因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，極大提高傳感器組件測(cè)量精度，圖1所示為單軸方向上的截面，使用一對(duì)傳感器來(lái)測(cè)量一個(gè)維度上的鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

圖1 渦流傳感器差動(dòng)式測(cè)量方案

控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的大腦，用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制算法實(shí)現(xiàn)、人機(jī)交互等，需要具備足夠的接口資源和運(yùn)算能力，用于數(shù)據(jù)的采集、處理、輸出以及控制算法的實(shí)現(xiàn)。除此之外還需要相應(yīng)的外圍電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、通信、DA轉(zhuǎn)換等功能。

圖2所示為本文設(shè)計(jì)的二維快速反射鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。表1為該系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件選型。

表1 快速反射鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案

2 系統(tǒng)建模與辨識(shí)

上節(jié)介紹了本文設(shè)計(jì)的二維快速反射鏡電控驅(qū)動(dòng)方案，為了進(jìn)一步提升該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)高帶寬的控制，必須實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，而精確的系統(tǒng)模型是設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器的關(guān)鍵。本節(jié)從理論上推導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并使用擬合辨識(shí)的方式進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性。

音圈電機(jī)由永磁體磁鋼和線圈兩部分組成，在線圈中通入直流電流即可產(chǎn)生洛侖茲力：

其中，N為移動(dòng)線圈的線圈匝數(shù)，B是磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，lx為通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的有效長(zhǎng)度，i為線圈電流。磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B、有效長(zhǎng)度l、線圈匝數(shù)N均取決于電機(jī)的型號(hào)。當(dāng)電機(jī)確定了，該參數(shù)就已經(jīng)確定。因此可將B、N、l的乘積等效為電力推力常數(shù)ks。

給音圈電機(jī)的線圈兩端加上電壓，在線圈中產(chǎn)生電流，從而產(chǎn)生洛侖茲力使電機(jī)發(fā)生直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)使電機(jī)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)E，其大小與運(yùn)動(dòng)速度成正比。圖3所示為音圈電機(jī)的等效電路圖，L為音圈電機(jī)的電感，R為音圈電機(jī)線圈的內(nèi)阻，K為音圈電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，為電機(jī)的固有參數(shù)，為音圈電機(jī)的線圈與磁鋼產(chǎn)生的相對(duì)位移。

由此可得音圈電機(jī)的電壓平衡方程：

本文設(shè)計(jì)的快速反射鏡，鏡面可在兩個(gè)相互垂直的方向（X軸、Y軸）運(yùn)動(dòng)。由于快速反射鏡的對(duì)稱機(jī)械結(jié)構(gòu)可保證繞 X、Y 軸的運(yùn)動(dòng)特性相同，且理想情況下不考慮軸間耦合，那么二維運(yùn)動(dòng)的快速反射鏡可以拆解為兩個(gè)相互獨(dú)立的一維運(yùn)動(dòng)模型來(lái)分析。圖4所示為單軸運(yùn)動(dòng)示意圖。

設(shè)M為音圈電機(jī)推拉反射鏡繞單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩；為反射鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為反射鏡繞單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，m為機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量；l為音圈電機(jī)力作用點(diǎn)到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離；是音圈電機(jī)的線圈與磁鋼產(chǎn)生的相對(duì)位移；為音圈電機(jī)的粘性摩擦系數(shù)；K是轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)剛度。根據(jù)上圖可得運(yùn)動(dòng)學(xué)力矩平衡方程為：

同時(shí)，圈電機(jī)推拉反射鏡繞單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩又可表示為：

快反鏡的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度較小，一般不超過(guò)1°，因此音圈電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)到鏡面的轉(zhuǎn)動(dòng)之間換算關(guān)系可近似表示為：

聯(lián)立式1、2、3、4、5，可以得到理論推導(dǎo)下系統(tǒng)的輸入電壓到系統(tǒng)的輸出角度之間的傳遞函數(shù)為：

由上述內(nèi)容，結(jié)合表2中的各參數(shù)，可以得到基于理論推導(dǎo)的系統(tǒng)輸入電壓到系統(tǒng)輸出角位移之間的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)?？梢钥闯鲩_(kāi)環(huán)狀態(tài)下為三階系統(tǒng)，系統(tǒng)的性能與音圈電機(jī)特性、轉(zhuǎn)動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)剛度、機(jī)械結(jié)構(gòu)的重量等眾多因素均有關(guān)聯(lián)。

表2 快速反射鏡設(shè)計(jì)參數(shù)

為了進(jìn)一步獲取精確的系統(tǒng)模型，下面在系統(tǒng)理論建模的基礎(chǔ)上，采取基于掃頻的模型擬合方法，進(jìn)一步精確系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，作為控制器設(shè)計(jì)的依據(jù)。

掃頻的基本原則是讓控制器開(kāi)環(huán)輸出固定頻率的正弦波給系統(tǒng)施加激勵(lì)，并測(cè)量系統(tǒng)的反饋，比較激勵(lì)正弦波和反饋正弦波的幅值差與相位差，繪制完整幅頻曲線和相頻曲線。圖5所示為掃頻過(guò)程示意圖。

圖5 掃頻過(guò)程示意圖

根據(jù)掃頻結(jié)果繪制幅頻特性曲線，如圖6所示。從幅頻特性曲線可以看出，系統(tǒng)由三個(gè)部分組成。一是比例增益環(huán)節(jié)，在低頻段，系統(tǒng)幅值有固定的增益，而相位為0°；二是振蕩環(huán)節(jié)，系統(tǒng)在中頻段有一個(gè)諧振峰，且該處的相位穿越-90°，該振蕩環(huán)節(jié)可用二階欠阻尼系統(tǒng)去擬合。三是一階慣性環(huán)節(jié)，在高頻段，系統(tǒng)幅值增益衰減的速度為-60 dB/dec，而非-40 dB/dec，且最終系統(tǒng)的相位趨進(jìn)于-270°，說(shuō)明系統(tǒng)除了比例增益環(huán)節(jié)和二階振蕩環(huán)節(jié)外，還存在一階慣性環(huán)節(jié)。

圖6 掃頻得到的幅頻特性曲線

因此，可將系統(tǒng)可表示為：

一階慣性環(huán)節(jié)主要影響的是高頻段衰減速度以及高頻段的相位差，對(duì)低頻段和中頻段影響不大，因此該環(huán)節(jié)由數(shù)字控制系統(tǒng)的固有延時(shí)替代。

通過(guò)以上方法，可以得到系統(tǒng)的擬合結(jié)果如式9所示：

圖7所示為理論計(jì)算、掃頻實(shí)驗(yàn)、擬合得到的系統(tǒng)幅特性曲線對(duì)比，其中理論計(jì)算的相關(guān)參數(shù)來(lái)源見(jiàn)表2。從圖中可以看到，由于受到器件自身誤差、裝配誤差等非理想因素的影響，理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際掃頻結(jié)果有一定的區(qū)別，理論模型并不能反應(yīng)出實(shí)際系統(tǒng)特征。而擬合結(jié)果與掃頻的到的幅頻特性和相頻特性在中低頻段，尤其是諧振峰附近基本重合，擬合度很高。

3 基于改進(jìn)型陷波器的控制策略

根據(jù)上節(jié)的分析結(jié)果，原系統(tǒng)是一個(gè)欠阻尼系統(tǒng)，在一個(gè)低階諧振點(diǎn)，頻率為36.9 Hz，且系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度低。本文設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)目標(biāo)帶寬要求為200 Hz，包含了一階諧振頻率點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求非常高。為了設(shè)計(jì)合適的控制器，首先繪制出控制對(duì)象的根軌跡圖，如圖8所示。

圖8 控制對(duì)象根軌跡圖

可以看出，該系統(tǒng)存在一個(gè)遠(yuǎn)離虛軸的輔極點(diǎn)和一對(duì)靠近虛軸的主導(dǎo)極點(diǎn)。由于根軌跡圖中主導(dǎo)極點(diǎn)決定了系統(tǒng)特性，輔極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能影響不大，可以將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一對(duì)主導(dǎo)極點(diǎn)的二階系統(tǒng)。該系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)位于阻尼比小于0.707的區(qū)域，距離虛軸很近，被控對(duì)象存在諧振，且響應(yīng)慢，穩(wěn)定性差。

根據(jù)被控對(duì)象的特性，設(shè)計(jì)如式10所示的控制器，用于抑制一階低頻諧振，同時(shí)改善系統(tǒng)的相角裕度，提高系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)穿越頻率。該式的分子部分用于抵消原系統(tǒng)的極點(diǎn)，從而達(dá)到消除諧振峰的目的，而分母部分的作用一方面是為了該控制器物理可實(shí)現(xiàn)，另一方面給系統(tǒng)配置了新的極點(diǎn)。

在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，分子部分的特征頻率和品質(zhì)因數(shù)要與原系統(tǒng)保持一致，才能實(shí)現(xiàn)完全的主導(dǎo)極點(diǎn)對(duì)消，從而消除系統(tǒng)低階諧振。分母部分的設(shè)計(jì)則取決于為系統(tǒng)配置的極點(diǎn)數(shù)量和位置。常見(jiàn)的伺服跟蹤系統(tǒng)一般用一對(duì)主導(dǎo)極點(diǎn)加上輔極點(diǎn)的形式組成。本文忽略對(duì)系統(tǒng)性能影響不大的輔極點(diǎn)，以二階系統(tǒng)為基礎(chǔ)，針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的200 Hz閉環(huán)帶寬求取一對(duì)主導(dǎo)極點(diǎn)。系統(tǒng)阻尼比越大，則系統(tǒng)響應(yīng)越慢，上升時(shí)間越長(zhǎng)，但是阻尼比過(guò)小又會(huì)造成諧振的情況。系統(tǒng)的無(wú)阻尼自然頻率越小，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間越短，但是也越靠近虛軸，穩(wěn)定性越差。因此參數(shù)需要做折中考慮。經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，確定阻尼比為0.707，系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)；確定無(wú)阻尼自然頻率為250 Hz，此時(shí)系統(tǒng)保留了一定的穩(wěn)定裕度，同時(shí)保證了調(diào)節(jié)時(shí)間不會(huì)過(guò)長(zhǎng)。

在進(jìn)行了零極點(diǎn)重新配置的矯正后，系統(tǒng)的諧振峰已被消除，穿越頻率提升，相位裕度也大大提升。但是矯正后的系統(tǒng)沒(méi)有任何積分環(huán)節(jié)，是一個(gè)零型系統(tǒng)。實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，矯正后的系統(tǒng)確實(shí)存在無(wú)法消除的穩(wěn)態(tài)誤差。因此還需要為該系統(tǒng)添加一個(gè)積分環(huán)節(jié)，從而消除該穩(wěn)態(tài)誤差。

需要注意的是，積分環(huán)節(jié)的引入提升了低頻段增益，消除了穩(wěn)態(tài)誤差，但是會(huì)引入相位滯后，這就對(duì)原系統(tǒng)的相位裕度提出了更高的要求，在設(shè)計(jì)改進(jìn)型陷波器，求取主導(dǎo)極點(diǎn)時(shí)，需要考慮這個(gè)因素，不能無(wú)限制地提高無(wú)阻尼自然頻率，否則引入積分環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)將出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。積分系數(shù)也不宜過(guò)高，否則控制器輸出量很容易到達(dá)上限，系統(tǒng)進(jìn)入非線性區(qū)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10為本文設(shè)計(jì)的二維反射鏡機(jī)械結(jié)構(gòu)以及電控驅(qū)動(dòng)部分，也是驗(yàn)證本文提出的掃頻、擬合模型辨識(shí)方法以及控制算法的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。將音圈電機(jī)快速反射鏡平臺(tái)置于光學(xué)穩(wěn)定平臺(tái)上，分別輸入不同的位置指令，通過(guò)上位機(jī)采集電渦流傳感器的輸出數(shù)據(jù)從而計(jì)算快速反射鏡的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度，對(duì)比位置指令和實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度，觀察該伺服系統(tǒng)的性能。

圖9 系統(tǒng)控制框圖

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖10 快速反射鏡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

閉環(huán)帶寬是反映伺服系統(tǒng)性能的最直接指標(biāo)，反映了系統(tǒng)輸出跟隨小信號(hào)輸入的能力。由于設(shè)計(jì)目標(biāo)帶寬為200 Hz，因此將位置指令設(shè)置為200 Hz的小信號(hào)，通過(guò)渦流傳感器測(cè)量實(shí)際位置輸出，并將該輸出與指令信息以串口通訊的方式傳到上位機(jī)進(jìn)行處理。將本文設(shè)計(jì)的控制策略與傳統(tǒng)PI控制策略進(jìn)行對(duì)比，參數(shù)如表3所示，結(jié)果如圖11所示。其中PI參數(shù)取反復(fù)試驗(yàn)后性能達(dá)到最優(yōu)的參數(shù)。從圖中可以看到，在傳統(tǒng)PI控制方式下，系統(tǒng)在200 Hz處的幅值增益遠(yuǎn)小于-3 dB，相位滯后也達(dá)到了接近-180°，本文設(shè)計(jì)的控制策略可以使系統(tǒng)的位置輸出與指令基本重合，對(duì)200 Hz指令的跟蹤效果很好，滿足設(shè)計(jì)要求。

反掃模式是快速反射鏡的特征工作模式，是指快速反射鏡跟蹤以規(guī)定速度線性增長(zhǎng)的角度指令，從而實(shí)現(xiàn)周期性的連續(xù)光路補(bǔ)償功能。圖12所示為快速反射鏡的反掃功能測(cè)試結(jié)果，可以看出，本文設(shè)計(jì)的快速反射鏡可以達(dá)到180°/s的反掃速度，最大運(yùn)動(dòng)角度達(dá)1°，并可在5 ms內(nèi)復(fù)位，反掃功能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 快速反射鏡帶寬測(cè)試

圖12 快速反射鏡反掃功能測(cè)試

5 結(jié)論

本文首先針對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)驅(qū)動(dòng)二維快速反射鏡所需的驅(qū)動(dòng)組件、驅(qū)動(dòng)器、傳感器和控制器進(jìn)行了選型，形成了二維快速鏡的電控驅(qū)動(dòng)方案。該方案使用音圈電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)組件，并使用一對(duì)反向電機(jī)推拉式出力，使單個(gè)電機(jī)的推力更小，其精度也更高；使用AB類功率放大器作為音圈電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，減小了輸出諧波成分；使用渦流傳感器作差分式位置測(cè)量，減小了環(huán)境因素帶來(lái)的測(cè)量誤差。整體方案實(shí)現(xiàn)了電控驅(qū)動(dòng)的集成化、小型化和精細(xì)化。

隨后對(duì)整個(gè)電控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。由于該系統(tǒng)屬于高精度、高帶寬的伺服系統(tǒng)，理論建模的誤差較大，無(wú)法精確指導(dǎo)控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)。因此本文通過(guò)掃頻結(jié)果，提出一種人工擬合的方法，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性。

在此基礎(chǔ)上，本文針對(duì)系統(tǒng)模型的特點(diǎn)，提出了一種基于改進(jìn)陷波器的復(fù)合控制策略。與傳統(tǒng)PI控制相比，該控制策略可以消除系統(tǒng)固有的諧振，并大大提高系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬。

最后搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了本文提出的電控驅(qū)動(dòng)方案以及控制策略的有效性。

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Research on driving scheme and control strategy of fast steering mirror

Sun Haijing

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China）

TH74，TP273

A

1003-4862（2022）12-0065-06

2022-05-28

孫海晶（1994-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電機(jī)控制。E-mail: 583932495@qq.com