快速控制反射镜

快速控制反射镜FASTSTEERINGMIRROR，也称为快速倾斜镜是光电精密跟踪系统中必不可少的一部分，是采用反射镜面在光源和接收器之间精确控制光束方向的一种装置。快速反射镜是自适应光学中重要的能动光学元件，它既可以用来在自适应光学系统中校正光路中的倾斜误差，也可以用来稳定光束线的指向，同时还可以用来在光学精密仪器中作为快速跟踪的关键器件。它与大惯量机架结构的主系统共同构成复合轴跟踪系统，在各种光学系统中用于对准和稳定光束。在天文望远镜、激光通讯、图像稳定系统、自适应系统、跟踪瞄准和激光发射光学系统中广为应用。近些年国内外都在不断地研制和发展这种装置。由于具有响应速度快和控制精度高等特点，快速控制反射镜FSM已经成为光学系统中稳定和校正光束的关键部分，在工业设备、激光通讯、成像系统等多个领域得到了广泛应用,随着大口径望远镜技术的发展，FSM不仅应用于精密跟踪系统，而且应用于自适应光学系统以校正大气扰动引起的低频误差。控制带宽越高，对干扰的抑制能力越强，系统反应速度越快，从而可以提高系统的跟踪精度。因此，根据系统需求设计出精度高、响应频率快、稳定性好的FSM系统十分必要。快速反射镜是光学系统中对光束实现快速微小角度偏转的微位移机构。主要功能是通过反射镜镜面的快速、高频转动，实现光束的高速精确指向、稳定和跟踪。其工作原理为在驱动元件（压电器件或音圈电机等）的作用下，实现平面反射镜德小角度偏转。本质是利用电压来控制快反镜的偏转。大口径望远镜直接进行高精度跟踪是困难的，单独转动反射镜视场受限制，如果将两种结构方式结合起来构成复合轴系统。由FSM反射镜组成的子系统和大惯量机架结构的主系统共同构成粗精复合跟踪系统，在各种光学系统中用于驱动和稳定光束。由于子系统结构有谐振频率高、响应速度快、动态滞后误差小等优点，弥补了主轴系统的不足，而其工作范围小的缺点有主轴系统予以补偿，两者作用合成，便可实现大范围的快速高精度跟踪。目前的光电跟踪系统广泛使用的是复合轴控制方法。粗精复合装置的结构原理在主机架的主光路中插入以高谐振频率快速反射镜，构成粗精复合跟踪方式，主轴对运动目标进行粗跟踪，而从轴对主轴的跟踪残差进行精跟踪，即对仪器视轴进行精调整。精对准机构常采用快速反射镜作为执行装置。在捕获和粗对准的基础上，快速反射镜的作用是实现精确对准的执行元件。快速反射镜用在精对准系统中，用来迅速的移动光束，使其对准目标，并稳定它。精跟踪控制回路图对快速反射镜的基本技术要求是1、体积小、质量轻、转动惯量小；2、有较大的伺服带宽。带宽越大，对高频干扰的抑制能力就越强；3、结构谐振频率高。谐振频率高才能保证系统有足够的伺服带宽；4、合理设计柔性铰链。需要在转角范围、谐振频率和压电陶瓷驱动能力三者之间做出综合考虑。驱动方式国内外研究现状表明,用于精密光路调整和稳定的微定位机构可分为六大类压电陶瓷驱动器PIEZOELECTRICTRANSITION,PZT、音圈电机VOICECOILACTUATOR,VCA、电致伸缩驱动器、磁致伸缩驱动器、形状记忆合金驱动器、静电微驱动器。一般选取驱动器的种类时，要根据系统精度和线性度等要求综合权衡，自适应光学中的波前校正和ATP系统中的精跟踪都要求光束束散角范围在两三个微弧度以内，对系统的精度要求很高，所以一般多采用高精度的压电型驱动器，它利用压电材料的逆压电效应制成，理论精度可达无限大。现在使用的FSM主要利用音圈电机或分辨率达到纳米量级的压电陶瓷驱动器驱动，其惯性比传统机架小很多，可大幅度提高谐振频率，与高灵敏度、高响应速度的传感器相结合，就可以构成高精度的光学跟踪系统，大大提高系统的跟踪带宽和响应速度，同时又有极高的角度分辨能力。驱动元件的性能直接关系到FSM的工作特性及精度。压电陶瓷体积小，结构紧凑，谐振频率较高，但行程小，所需的驱动电压高达几百伏。与之相对，音圈电机的驱动电压只有十几伏，行程较大，但音圈电机惯量大，输出力小，响应频率较低。对转角范围较小的采用压电陶瓷PZT，对转角范围较大的采用音圈电机。倾斜反射镜采用压电驱动，其分辨率可达纳米级，可满足较小角位移要求。倾斜反射镜的压电驱动工作原理是倾斜镜的轴向伸缩量和施加在压电陶瓷执行器两端的电压成近似线性的关系。压电执行器伸缩时，会推动倾斜镜转动，从而把其直线运动转化为倾斜反射镜的角运动，这种转换过程应连续，这样就可保证两者转换的线性比例关系。倾斜镜工作时，施加在两个压电执行器上的电压会导致两个方向上的执行器产生相应的伸缩量，从而推动倾斜镜绕中间轴转动，在空间上呈现不同的方位角，想要调整倾斜镜的倾斜角度只需调整施加在执行器上的电压即可。压电执行器不需添加任何机械装置，只要给执行器施加电压就可产生位移，从而推动倾斜镜在正负两个方向上偏转。压电陶瓷驱动器利用压电陶瓷的逆压电效应来实现微位移,通过改变输入电压的大小即可得到不同的微位移,从而避免了机械结构造成的误差,从控制精度和可操作性分析,压电陶瓷驱动器具有体积小、结构简单、响应快、分辨率高、推力大、发热少、无杂散电磁场和便于遥控等优点。单个压电陶瓷单元片的最大变形量在1UM以下,为获得较大的位移输出,通常将层状的压电材料叠放在一筒内,使位移叠加输出但即便如此,位移输出也只有几到几十个微米,不能满足一些需要相对较大范围内工作的微位移系统的要求。并且压电陶瓷驱动电压较高,达到了几百伏到几千伏,控制和驱动都不方便,另外压电陶瓷具有较大的滞后特性。驱动器控制反射镜运动，需要具有高刚度、大行程、强负载能力等特点。常用驱动器有音圈电机和PZT。PZT具有定位精度高、驱动力大、响应速度快等优点，是目前微位移技术中比较理想的驱动元件。压电陶瓷是一种特殊的功能陶瓷材料，它可产生微小形变，实现电能和机械能之间的能量转化。压电陶瓷特性1、迟滞特性压电陶瓷的极化状态会随着输入的控制电压变化，但是控制电压增加时和减少时压电陶瓷的位移量会不同。具体表现为控制电压增加时的位移曲线和减少时的位移曲线不同，而是存在位移差，这种现象称为压电陶瓷的滞后性。滞后性对系统的精度有很大影响，但可通过闭环控制来消弱。2、蠕变特性蠕变是指压电陶瓷执行器位移变化时相对于时间的滞后效应，即当给压电陶瓷执行器两端输入某一固定电压时，压电陶瓷执行器的位移量不是迅速完成的，而是经过一段时间的缓慢变化才达到稳定值3、非线性特性在理想情况下，压电陶瓷晶体位移量和外加电压是成正比的，但由于压电陶瓷本身的固有特性和制作工艺的不同，其位移量不可能和外加电压成线性关系，实际的位移量和理论上的实际量总存在一个误差。4、温度特性温度对压电陶瓷的形变量是有影响的，主要表现在压电陶瓷的输出位移随温度的升高而减小。一般情况下，在050的范围内减少58。此外，压电陶瓷的迟滞性也会受温度影响。总而言之，压电陶瓷在电场中的正压电效应和逆压电效应导致了压电陶瓷的迟滞性和非线性特征，而压电陶瓷本身就具有迟滞、蠕变和非线性等特点。采用开环控制虽可以使系统结构简单，成本低，但是压电陶瓷的特征决定了其建模困难，并在实际应用中存在难以预测的环境因素影响，因此不能实现精确控制。所以在实际应用中，如果要取得准确的定位，就是采用合适的控制算法和闭环控制来保证压电陶瓷微位移的输出精度。压电陶瓷的基本使用特点压电陶瓷的理论精度可达无限高，所以常被作为感测器、微位移器和换能器等需要微位移控制的场合，其具有以下优点1、压电陶瓷作为微位移执行器时，分辨率可达纳米级，但是受其固有蠕变和迟滞等特性影响，其控制的精度不可能无限高。2、压电陶瓷执行器可在几微秒内完成响应，常用在需快速定位的系统中，像快速倾斜反射镜驱动。3、压电陶瓷抗电磁干扰能力强，电磁干扰对电压控制型驱动不起作用。4、压电陶瓷可实现电能和机械能的转化，外部表现为压电晶体的位移伸缩。5、环境适应性强，可在恶劣的情况下工作。压电驱动电源的研究现状随着科技的快速发展，精密技术和微细工程的研究越来越受到重视，亚毫米级和纳米级的微控技术已成为光电子学、精密加工等先进学科的关键技术。压电陶瓷从理论上讲可获得无限小的位移分辨率，所以成为理想的微位移元件，但其固有的迟滞和蠕变等特性给压电陶瓷的控制带来很大的困难。各国都投入大量人力物力，研制了各种压电陶瓷微位移驱动器，但基本的控制方法有两种电压控制型和电流控制型，电压控制型以压电陶瓷两端的电压控制压电执行器的位移量，而电流控制型则通过控制压电陶瓷两端电荷量来控制压电执行器的位移量。由于电压控制型较好的低纹波性和宽频响范围等优点，所以是市场上的主流产品，而电流控制型由于其良好的静态性能也越来越受到重视。电压控制型驱动器有五种常见结构，分别是直流放大式、电压跟随式、误差放大式、开关式和高压运放式。1、直流放大式直流放大式直接采用集成高压运算放大器作为驱动的核心器件。这种方式的驱动器集成度高，结构简单，动态性能由于高压芯片的输出低电流受到限制，适合在低频和静态环境下工作。2、电压跟随式电压跟随式驱动最大的特点是将放大部分分为电压放大和功率放大两级放大。这种驱动器的优点是可提供较高的驱动电流，在静态时输出功率较大，缺点是没有直接从输出的电压信号取得采样，误差信号也会跟随被放大，精度不高。3、误差放大式误差放大式驱动和电压跟随式很像，不过它没有将电压放大和功率放大分离，而是输入端直接从输出端取得反馈，可实时监控电路中的电流值和电压值，保证电路在正常范围内工作。4、开关式开关式驱动器基于直流变换器原理。这种驱动方式的输出级只工作在开关两种状态，因而效率很高，发热小。但目前基于这种原理研制的驱动器的静态输出纹波电压较大，频率特性较差，电路实现也较复杂，在实际中较少适用。5、高压运放式高压运放式是将以往简单的串联电路改进，使其可提供正负输出，大大扩展了驱动器的应用范围。这种驱动方式多以一个高压放算放大器芯片为核心，这种高压运放芯片很多，像美国APEX公司的PA系列，这种驱动方式结构简单，集成度高，大大增强了驱动器的可靠性，减少了自激现象。电流型驱动器常用结构电压陶瓷执行器两端的电荷量与其位移量成正比，电流控制器驱动器就是基于这个原理控制压电执行器的充放电时间，即控制执行器两端的电荷量，进而控制压电执行器的位移量。电流控制型驱动器的优点是能改善压电陶瓷迟滞和蠕变带来的影响，缺点是阻值很高，充电电流较小，响应需要很长的时间，动态性能差，结构复杂，在实际中较少适用，适合静态和低频响的环境中适用。各种驱动方式对比驱动方式优点缺点直流放大式驱动器集成度高，结构简单动态性能差电压跟随式输出功率大精度低误差放大式输出功率大、精度高动态性能差开关式效率高、发热小纹波大、频率特性差、电路复杂高压运放式机构简单、稳定性好动态性能不是很好电流控制型线性度好动态性能差，结构复杂在给定结构中驱动器的最小输出位移决定系统的分辨力，而其与驱动器的类型和控制系统有关。快速转向反射镜主要性能指标包括谐振频率、反射镜转角范围、有效通光口径、响应速度和扫描线性度等。转角范围即反射镜偏转的最大范围，确定了能补偿的校正范围，其必须覆盖所要补偿校正的范围；响应速度直接影响着系统的跟瞄能力与结构的谐振频率；扫描线性度主要反射镜扫描视场的均匀稳定性；有效通光口径反映了系统的光束校正范围同时决定着系统的负载，口径越大，为了满足反射镜的面型要求其厚度也相应增加，从而限制了结构谐振频率的提高；谐振频率直接决定了控制系统带宽和响应速度，是制约快反镜性能改善的重要因素。影响快反镜谐振频率提高的主要因素包括以下几个方面驱动元件刚度、驱动器布置形式及反射镜结构尺寸。此外，由于快速转向反射镜是由许多元件构成的光学器件，各个部件之间的连接环节也会对整体结构的谐振频率产生影响。快速控制反射镜的基本框图概括地说,快速反射镜的工作原理主要是根据位移驱动信号,来使其偏转一定的角度。而驱动信号是由驱动器根据输入信号来产生的。目前FSM主要的结构形式分为两种,一种是XY轴框架形式,也称有轴系结构,其结构如图所示。另一种称为柔性轴形式,也称为无轴系形式。其特点是没有机械轴承,限制运动物体6个自由度中的位移自由度,但使某几个角度具有很好的柔性,相对于传统的轴承有许多优点,例如没有摩擦、无需润滑、精度更高、谐振频率更高。目前在高频快反镜系统中一般采用无轴系结构。柔性轴系快反镜主要有两种运动方式一维单轴驱动运动方式和二维双轴驱动运动方式。目前二维驱动型FSM在结构形式上主要采取四驱动器对称分布的布置形式，该布置形式既不会产生二驱动器形式高频运动时的高频耦合现象，同时也可以避免三驱动器形式运动过程中的坐标转换。柔性轴结构如图所示。单驱动轴单驱动器反射镜双驱动器单驱动轴反射镜快速反射镜闭环控制系统基本采用的是基于经典PID控制思想的滞后超前控制,只取快反镜位置信息而形成的闭环,虽然在大多数情况下能够基本满足控制性能和指标的要求快速反射镜控制算法的优劣直接影响快速反射镜的跟踪精度与响应速度。PID控制算法使快反镜控制系统具有足够高的低频增益，对大气干扰、平台振动的低频扰动确实具有良好的抑制作用。且PID控制算法简单易行。所以目前通常采用PID控制算法或者PI控制算法等经典控制算法来控制快速反射镜。PID或者PI控制算法的目标是尽量提高系统的控制带宽与稳定性。然而系统控制带宽不是越大越好的，而是必须根据传感器的噪声大小和大气干扰以及平台振动的时间特性等实际工作情况来合理调整。这样才能最大限度的抑制噪声与扰动，达到最优控制。遗憾的是，PID或者PI等经典控制算法不能够完成这项最优控制工作。幸运的是自适应控制方法能够完成这项最优控制工作。传统PID控制不足之处控制理论发展到现在,尽管各式各样的新理论与新方法层出不穷,终究不能撼动经典的PID控制技术占据的主导地位。目前,PID控制器在运动控制、航天控制及其他过程控制的应用中占据了95以上究其原因,主要是由于这个宝贵理念根据控制目标与实际行为之间的误差来确定消除此误差的控制策略。但随着科技不断进步和对控制品质要求的不断提高,经典PID控制的缺点也逐渐显现出来,主要表现为以下四点1误差的取法。系统的输入一般为突变量,而输出是一个不可能发生突变的缓变量。直接取这种误差,往往使初始控制力太大而使系统的行为出现超调。这也是系统响应的快速性和超调之间矛盾的主要原因。2微分器的物理不可实现。传统PID控制中,通常采用近似的微分器来实现微分,这个过程放大了噪声,准确性很低。如果只用PI控制率,又限制了PID的控制能力。3非线性领域的探索。传统FED控制是误差的积分误差的过去、误差误差的现在、误差的微分误差的将来三者的线性加权和来产生控制量的。大量的工程实践表明,三者的线性组合不一定是最好的组合方式。在非线性领域存在着相比于线性加权和更有效率更合适的组合方式。4误差积分的引入。PID中的误差积分的反馈,对抑制常值扰动效果明显。但同时,也会使闭环的动态特性变差,积分饱和也容易导致控制量饱和,而对随时变化的扰动来说,积分反馈的抑制能力又不显著。因此,误差积分反馈的必要性是值得商榷的。比例常数加大时，系统的放大倍数增加，系统的稳态误差将减小，控制的精度会提高，但太大会使系统不稳定，所以要根据系统的稳态误差的要求来权衡选择；积分控制主要消除比例调节中残余的稳态误差，提高控制系统的控制精度，代价是降低了系统的快速性；微分控制的作用是预见系统偏差的方向，产生越前的矫正作用，将这个偏差消灭在萌芽阶段，微分作用可减小系统的超调，使系统趋于稳定。最后，根据奈奎斯特采样定理，采样频率至少为有效信号最高频率的两倍，一般实际应用中取信号最高频率的1015倍。PID控制器的控制质量主要看比例、积分和微分三个参数的选择是否合理，一般的选取顺序是先定比例系数，其次定积分，最后是微分。具体确定步骤是首先只调整比例系数，将比例系数由小变大，使系统的输出响应曲线略有超调，如果这时的系统静差在允许范围内，那么已经确定好比例系数；其次，如果比例系数调节的静差太大，则需加入积分环节。这时先将比例系数略微减小，再将积分时间常数由某一个较大值连续减小，使在保证系统良好的动态特性的前提下消除静差，这一步可以反复调试；然后，经过上述两个步骤调节以后，若动态过程始终不能令人满意，可加入微分环节，从而按比例积分微分调节，整定时先将微分时间常数设为零，再增加微分时间常数，同时相应的进行前述两步的调整，反复调节直至满意。压电陶瓷驱动系统的PID闭环控制如图所示UIN为要求输出位移XIN对应的电压信号，XOUT为平台的输出位移，E为要求输出位移对应的电压信号和实际输出位移对应的电压信号的差值。影响快速反射镜性能的因素由于光电跟踪系统在执行任务时外场工作条件复杂,因此在复合轴控制系统中,快速反射镜闭环系统工作环境比较恶劣。对于快反镜而言,影响其性能的主要因素有以下几点1传感器性能。传感器性能的低下对快反镜性能有很大的影响,位置反馈元件分辨率差,在考虑速度闭环时,经过位置差分测速的结果引入了大量误差,使得得到的速度信息不可用。为速度闭环的实现带来了巨大困难。2非线性影响。快速反射镜闭环控制系统中不可避免的存在非线性摩擦以及一些力矩波动等干扰,这些都使得实现控制的难度加大。由控制原理可知,抗扰能力的强弱主要取决于扰动作用点之前的系统前向通道增益。负反馈对扰动虽然有一定的抑制作用,但由于对扰动进行估计和补偿,并不能完全消除扰动的影响,扰动残差较大。3当前控制方法存在的问题。从控制策略上看,控制校正环节一般采经典的滞后超前控制,PID控制,控制率比较单一,策略较为简单。另外,从快反镜闭环系统单纯的位置闭环来看,位置控制性能较差,主要表现在动态响应阶段系统超调量较大,定位时间较长,定位保持状态下系统刚度不够,导致系统对外部力矩扰动非常敏感,扰动残差较大。这就要求从控制策略上解决系统响应快速性与超调之间的矛盾,提高系统的抗扰动性能。综合上述讨论,结合快速反射镜闭环控制系统的特性和工作环境,需要探索一种新的控制策略,设计合理的控制器,提高控制器对被控对象参数变化的适应能力,增强控制器参数的鲁棒性,尽可能减小或消除非线性等因素对系统性能带来的影响。快速反射镜精跟踪系统方案该光束指向稳定控制系统包括一个激光光源，一部二维快速反射镜FSM，一个位置敏感探测器PSD，一台激振器，DSP控制器以及相应的处理电路，系统示意图如图1所示。在光学平台上安装FSM和激光光源，FSM和激光光源的相对位置固定。将PSD固定在激振器上，置于另一平台上，模拟振动干扰。激光束经FSM反射后照射在PSD上，PSD能够检测出光斑相对于PSD中心的脱靶量，如果检测出的脱靶量为0，说明无跟踪误差，不需要校正；如果检测到的脱靶量不为零，说明存在跟踪误差，需要校正。因此，将PSD检测出的脱靶量经过PID控制算法和功率放大后控制FSM的转动，使光束经FSM反射后照射在PSD的中心，实现对跟踪误差的实时补偿。位置敏感探测器PSDPSD是连续型位置传感器，具有较高的响应速度微秒级、较高的精度微米级，尤其是较高的低频测试精度，并且可以直接检测输出振动对象的位移和速度，克服了加速度传感器的不足，提高了控制器的实时性，其结构如图2所示。闭环控制器系统要求具有极强的实时性，再则由于相位滞后，控制效果将会受到严重影响。因此在快速反射镜精跟踪系统中，单片机难以达到实时性要求，选用高速DSP作为系统的处理器。系统闭环控制器采集由PSD输出的光电压信号，该信号为照射在PSD感光面上光斑重心位置坐标X，Y的两路电压信号此两路电压信号经ALD转换后即成为代表光斑重心位置坐标X，Y的数字信号，此数字信号送给DSP，DSP按照PID控制算法解算出对FSM的两路控制信号并进行D/A转换，再将D/A转换后的电压经运算放大输出给快速反射镜驱动其绕X和Y两个轴旋转。系统实时性的好坏主要取决于控制算法的精简程度。另外，为了减少室内环境光对PSD的照射作用影响，为PSD加装个与人射波长相匹配的窄带滤波片。西方发达国家现在对于PZT驱动的FSM的研究已经步入了成熟阶段,有大量的产品已经用于各种应用场合。图15所示FSM是德国PI公司生产的PZT驱动FSM,有多种型号,多种尺寸,