發(fā)布時間：2017-12-16 13:31

  本文關鍵詞：光束指向控制設備中快速反射鏡系統(tǒng)設計研究

  更多相關文章： 光束指向控制 快速反射鏡 壓電陶瓷 柔性結構 遲滯補償

【摘要】：光束指向控制技術是現(xiàn)代精確制導、空間激光通信、航空成像等系統(tǒng)的重要組成部分�？焖俜瓷溏R具有結構緊湊、跟蹤精度高、控制帶寬高、響應速度快等突出優(yōu)點,是實現(xiàn)快速高精度光束指向控制技術的核心設備之一。目前歐美發(fā)達國家已經(jīng)具有成熟的快速反射鏡產(chǎn)品,而國內(nèi)相關的研究和產(chǎn)品與之相比還有很大差距,此外對于面向高端應用的產(chǎn)品,國外對我國的技術引進存在限制,因此研發(fā)具有自主創(chuàng)新和市場競爭力的快速反射鏡對于進一步研究面向高端應用的光學技術具有重要意義。本文以某激光光束指向控制系統(tǒng)為研究背景,對壓電陶瓷驅(qū)動的快速反射鏡系統(tǒng)展開研究,包括快速反射鏡系統(tǒng)的結構設計、基于菱形結構的微位移放大技術的研究、三自由度柔性支撐技術的研究、壓電陶瓷遲滯非線性的補償、快速反射鏡系統(tǒng)的辨識與控制器設計研究以及搭建測試平臺進行實驗研究,分別敘述如下:針對激光光束指向控制系統(tǒng)對快速反射鏡系統(tǒng)的要求,提出了系統(tǒng)的設計方案,方案采用四點驅(qū)動結構形式,壓電陶瓷作為驅(qū)動元件,自主研發(fā)的光柵編碼器作為反饋元件,柔性結構作為支撐元件,DSP28335作為核心處理器。針對壓電陶瓷驅(qū)動器行程短的缺點,研究基于菱形結構的微位移放大技術。理論分析了快速反射鏡系統(tǒng)偏擺范圍、諧振頻率與菱形結構位移放大倍率、剛度之間的對應關系,分析了影響菱形結構性能的關鍵結構參數(shù),提出線性規(guī)劃式參數(shù)設計方法;通過有限元方法對菱形結構進行仿真分析,驗證了菱形結構的關鍵結構參數(shù)對其性能的影響規(guī)律,并分別在靜載條件與諧響應條件下對已完成設計的菱形結構進行了強度校核;最后通過實驗研究對設計的菱形結構性能進行了測試,測試結果與理論分析結果吻合。針對壓電陶瓷驅(qū)動器抗剪切能力差的缺點以及只能伸長不能收縮的特點,研究了新型三自由度柔性支撐技術。首先提出了由柔性桿與花瓣形柔性片組成的柔性支撐結構方案,再通過壓桿穩(wěn)定性理論與卡式定理等對柔性支撐結構建模,理論研究了影響柔性桿性能的結構參數(shù);對柔性支撐結構進行了有限元仿真分析,驗證了這種結構在有效傳遞驅(qū)動力的同時保護了壓電陶瓷免于承受剪切破壞,并抑制了非工作方向上的振型,保證了較高的一階諧振頻率。針對于壓電陶瓷遲滯效應對系統(tǒng)辨識的影響,在快速反射鏡系統(tǒng)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模型對其進行補償。為了補償輸入速率對遲滯效應的影響,對基于STOP算子的Prandtl-Ishlinskii模型進行改進,提高了系統(tǒng)的開環(huán)精度。通過對快速反射鏡系統(tǒng)機械結構與電路硬件的分析建立了三階數(shù)學模型,并采用單一正弦頻率法對遲滯補償器與快速反射鏡組成的線性系統(tǒng)進行參數(shù)辨識。搭建實驗測試平臺,在DSP28335與FPGA中編寫控制器程序,對自行設計的快速反射鏡的偏擺范圍、指向精度、諧振頻率及控制帶寬進行了測試并與德國PI公司的產(chǎn)品進行了對比,分析了自主研發(fā)的快速反射鏡系統(tǒng)的不足。測試結果表明:對于反射鏡負載口徑為Φ90 mm的快速反射鏡的偏擺范圍可以達到5 mrad,指向精度可以達到20μrad,諧振頻率約為250 Hz,閉環(huán)帶寬可以達到120 Hz,滿足了激光光束指向控制系統(tǒng)的要求。
【學位授予單位】：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH74

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