光束指向控制设备中快速反射镜系统设计研究

发布时间：2017-12-16 13:31

  本文关键词：光束指向控制设备中快速反射镜系统设计研究

  更多相关文章： 光束指向控制 快速反射镜 压电陶瓷 柔性结构 迟滞补偿

【摘要】：光束指向控制技术是现代精确制导、空间激光通信、航空成像等系统的重要组成部分。快速反射镜具有结构紧凑、跟踪精度高、控制带宽高、响应速度快等突出优点,是实现快速高精度光束指向控制技术的核心设备之一。目前欧美发达国家已经具有成熟的快速反射镜产品,而国内相关的研究和产品与之相比还有很大差距,此外对于面向高端应用的产品,国外对我国的技术引进存在限制,因此研发具有自主创新和市场竞争力的快速反射镜对于进一步研究面向高端应用的光学技术具有重要意义。本文以某激光光束指向控制系统为研究背景,对压电陶瓷驱动的快速反射镜系统展开研究,包括快速反射镜系统的结构设计、基于菱形结构的微位移放大技术的研究、三自由度柔性支撑技术的研究、压电陶瓷迟滞非线性的补偿、快速反射镜系统的辨识与控制器设计研究以及搭建测试平台进行实验研究,分别叙述如下:针对激光光束指向控制系统对快速反射镜系统的要求,提出了系统的设计方案,方案采用四点驱动结构形式,压电陶瓷作为驱动元件,自主研发的光栅编码器作为反馈元件,柔性结构作为支撑元件,DSP28335作为核心处理器。针对压电陶瓷驱动器行程短的缺点,研究基于菱形结构的微位移放大技术。理论分析了快速反射镜系统偏摆范围、谐振频率与菱形结构位移放大倍率、刚度之间的对应关系,分析了影响菱形结构性能的关键结构参数,提出线性规划式参数设计方法;通过有限元方法对菱形结构进行仿真分析,验证了菱形结构的关键结构参数对其性能的影响规律,并分别在静载条件与谐响应条件下对已完成设计的菱形结构进行了强度校核;最后通过实验研究对设计的菱形结构性能进行了测试,测试结果与理论分析结果吻合。针对压电陶瓷驱动器抗剪切能力差的缺点以及只能伸长不能收缩的特点,研究了新型三自由度柔性支撑技术。首先提出了由柔性杆与花瓣形柔性片组成的柔性支撑结构方案,再通过压杆稳定性理论与卡式定理等对柔性支撑结构建模,理论研究了影响柔性杆性能的结构参数;对柔性支撑结构进行了有限元仿真分析,验证了这种结构在有效传递驱动力的同时保护了压电陶瓷免于承受剪切破坏,并抑制了非工作方向上的振型,保证了较高的一阶谐振频率。针对于压电陶瓷迟滞效应对系统辨识的影响,在快速反射镜系统中采用了基于PLAY算子的Prandtl-Ishlinskii逆模型以及基于STOP算子的Prandtl-Ishlinskii模型对其进行补偿。为了补偿输入速率对迟滞效应的影响,对基于STOP算子的Prandtl-Ishlinskii模型进行改进,提高了系统的开环精度。通过对快速反射镜系统机械结构与电路硬件的分析建立了三阶数学模型,并采用单一正弦频率法对迟滞补偿器与快速反射镜组成的线性系统进行参数辨识。搭建实验测试平台,在DSP28335与FPGA中编写控制器程序,对自行设计的快速反射镜的偏摆范围、指向精度、谐振频率及控制带宽进行了测试并与德国PI公司的产品进行了对比,分析了自主研发的快速反射镜系统的不足。测试结果表明:对于反射镜负载口径为Φ90 mm的快速反射镜的偏摆范围可以达到5 mrad,指向精度可以达到20μrad,谐振频率约为250 Hz,闭环带宽可以达到120 Hz,满足了激光光束指向控制系统的要求。
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74

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