趙燦兵，周春芬，胡志斌，劉 鵬，王 杰，陳大乾

?

一種用于紅外光電系統(tǒng)的新型壓電陶瓷掃描鏡的反饋控制

趙燦兵，周春芬，胡志斌，劉 鵬，王 杰，陳大乾

（昆明物理研究所，云南 昆明 650023)

由于高精度位移傳感器體積大、價格高，系統(tǒng)傳遞函數(shù)復(fù)雜難以辨識等因素，目前對于壓電驅(qū)動的FSM大多通過前饋補償?shù)姆椒ㄟM行開環(huán)控制。為了實現(xiàn)對一種新型三支撐三維FSM的反饋控制，本文基于電阻應(yīng)變片構(gòu)建了反饋信號進行采集的系統(tǒng)，先用電阻應(yīng)變片采集壓電陶瓷得輸出位移，然后通過標(biāo)定系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)化為反射鏡的偏轉(zhuǎn)角度。并在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)進行了辨識，得到了一個七階的傳遞函數(shù)。實驗證明，反饋信號采集系統(tǒng)能夠兼顧體積和精度，所獲得的傳遞函數(shù)能夠較好地擬合該系統(tǒng)的動態(tài)特性，為后續(xù)控制算法的設(shè)計實現(xiàn)奠定了很好的基礎(chǔ)。

快速掃描鏡；紅外光電系統(tǒng)；反饋控制；傳遞函數(shù)

0 引言

FSM是Fast steering mirror（快速掃描鏡）的簡稱，是一種可以控制光束實現(xiàn)精密指向或者快速掃描的器件。在空間光通信、航天技術(shù)、激光雷達(dá)、激光加工等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用前景[1-2]?；趬弘娞沾沈?qū)動的FSM，因其具有體積小、功耗小、精度高，響應(yīng)速度快，控制帶寬高等優(yōu)點，在紅外凝視成像系統(tǒng)以及高精度綜合光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)中有多方面的應(yīng)用[3]。

在紅外凝視成像系統(tǒng)中應(yīng)用FSM來實現(xiàn)的微掃描技術(shù)，可以在不改變探測器熱靈敏度、探測器像元總數(shù)、光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，一方面能夠有效提高熱像系統(tǒng)的空間分辨率，另一方面可以實現(xiàn)熱像系統(tǒng)一定范圍內(nèi)的掃描跟蹤，擴大了熱像系統(tǒng)的視場。在傳統(tǒng)的綜合光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的傳感器光路中增加FSM以構(gòu)成兩級控制系統(tǒng)，通過傳感器內(nèi)部的精密控制來彌補外部穩(wěn)瞄系統(tǒng)的殘余誤差，可以有效地提高整個系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線控制精度。此外，在掃描任務(wù)中，通過控制FSM對運動進行補償，可以有效地消除由于穩(wěn)瞄系統(tǒng)快速運動帶來的圖像抖動模糊等問題。

基于壓電陶瓷的快速掃描鏡，要實現(xiàn)多維度的高精度快速掃描，對壓電陶瓷系統(tǒng)的精密控制是最關(guān)鍵的技術(shù)。傳統(tǒng)的開環(huán)前饋控制雖然可以較好地抑制壓電陶瓷的遲滯效應(yīng)所帶來的非線性，但是掃描鏡系統(tǒng)的復(fù)雜機構(gòu)會產(chǎn)生各個頻率的機械諧振，這會大大降低系統(tǒng)控制帶寬，需要通過反饋控制對其進行有效的抑制[4-5]。

1 新型三維FSM及其反饋控制

為實現(xiàn)復(fù)雜的多維度高精度快速掃描，我們設(shè)計了如圖1所示的快速掃描鏡。為了達(dá)到高精度、高頻率、快速響應(yīng)的效果，選用壓電陶瓷作為驅(qū)動器；為了實現(xiàn)較大角度的掃描，采用了位移放大機構(gòu)和柔性鉸鏈；同時，為了保證小體積和低功耗，采用三支撐結(jié)構(gòu)。該FSM可以控制光束實現(xiàn)3個維度的運動，中間陶瓷不動左右兩個陶瓷反向運動可以驅(qū)動反射鏡實現(xiàn)方向偏轉(zhuǎn)，左右兩個陶瓷同步動中間陶瓷與之反向運動可以驅(qū)動反射鏡實現(xiàn)方向偏轉(zhuǎn)，3個陶瓷同步運動可以驅(qū)動反射鏡實現(xiàn)方向的前后運動。

位移放大機構(gòu)、柔性鉸鏈以及三支撐結(jié)構(gòu)這些有效提高了FSM性能的措施都大大增加了FSM的控制難度。為了實現(xiàn)精密控制，構(gòu)建了如圖2所示的反饋控制系統(tǒng)。首先，通過電阻應(yīng)變片來采集壓電陶瓷的輸出位移；然后，在采集的位移數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過模型辨識算法建立系統(tǒng)的控制傳遞函數(shù)模型；最后，在系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型的基礎(chǔ)上，進一步進行控制算法的設(shè)計與實現(xiàn)。

2 位移信號的采集與標(biāo)定

位移信號采集電路原理結(jié)構(gòu)如圖3所示，先用惠斯通直流電橋?qū)?yīng)變片的電阻信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再經(jīng)過精密放大濾波電路將信號放大，濾除噪聲，最后由精密ADC將模擬信號轉(zhuǎn)化為位移數(shù)據(jù)。

在完成了位移數(shù)據(jù)的采集后，為了保證數(shù)據(jù)能滿足反饋控制的要求，進一步對信號進行標(biāo)定，得到圖4所示的標(biāo)定曲線，其中軸為應(yīng)變片所測位移信號，軸為PSD所測反射鏡偏轉(zhuǎn)角度信號?？筛鶕?jù)測試數(shù)據(jù)進一步計算二者的相關(guān)系數(shù)：

式中：LXX為應(yīng)變片數(shù)據(jù)的自相關(guān)系數(shù)；Lxx為PSD數(shù)據(jù)的自相關(guān)系數(shù)；LxX為二者的互相關(guān)系數(shù)。有曲線及相關(guān)系數(shù)可知，電阻應(yīng)變片測得信號與反射鏡偏轉(zhuǎn)角度的關(guān)系近乎一條直線，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99954，電阻應(yīng)變片測得的信號可用于反饋控制[6-7]。

圖2 反饋控制系統(tǒng)示意圖

圖3 信號采集電路原理結(jié)構(gòu)圖

圖4 應(yīng)變片標(biāo)定

Fig.4 Demarcate of strain gage

3 系統(tǒng)控制模型的分析與辨識

在用電阻應(yīng)變片獲得了良好的反饋信號之后，想要設(shè)計并實現(xiàn)反饋控制，要先進行系統(tǒng)模型的辨識，獲得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)模型是進行控制設(shè)計的基礎(chǔ)。本文采用解析法和實驗法相結(jié)合的方式，先根據(jù)物理規(guī)律和實驗數(shù)據(jù)對系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行分析，然后再通過數(shù)值計算來獲得系統(tǒng)的參數(shù)，最終得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)[8-10]。

本文所研究的快速掃描鏡系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖5所示，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)包括了驅(qū)動環(huán)節(jié)1()，壓電陶瓷環(huán)節(jié)2()以及機械結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)3()。其中驅(qū)動環(huán)節(jié)，為線性放大電路，將控制芯片輸出的驅(qū)動信號進行放大，該環(huán)節(jié)等效為系數(shù)1。

在合理論分析的基礎(chǔ)上，進一步根據(jù)實際測得的幅頻響應(yīng)曲線，我們估計系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型為：

式中：1、2以及p(＝1,2,…,12)為待辨識參數(shù)。本文采用最小二乘法，對上述的系統(tǒng)傳遞函數(shù)分環(huán)節(jié)進行參數(shù)辨識，最終再把各個環(huán)節(jié)乘到一起得到了最終的傳遞函數(shù)。圖6所示是辨識結(jié)果與實測結(jié)果的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)比較圖。

從幅頻曲線看，在頻率為1000Hz以前的擬合曲線和實測曲線重合得很好。超過1000Hz以后，擬合曲線與實測曲線有較大誤差，但是基本形狀類似，這說明參數(shù)模型是正確的，擬合的過程沒有達(dá)到最優(yōu)解。但是這個結(jié)果已經(jīng)滿足系統(tǒng)所要求的500Hz帶寬，可用該結(jié)果進行控制算法的設(shè)計。

從相頻曲線看，擬合結(jié)果與實測結(jié)果雖有一定差距，但是曲線的形狀是一致的。

圖5 系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

圖6 幅頻響應(yīng)、相頻響應(yīng)擬合曲線與實測曲線比較圖

4 總結(jié)

本文主要研究了一種新型三維壓電陶瓷驅(qū)動的FSM子鏡的反饋控制技術(shù)，設(shè)計了電阻應(yīng)變片的信號處理電路，對采集的反饋數(shù)據(jù)進行了處理，使得由反饋通道所獲取的信號可用于系統(tǒng)的反饋控制。深入的分析了基于壓電陶瓷的掃描鏡的開環(huán)傳遞函數(shù)模型。在理論分析的基礎(chǔ)，根據(jù)實驗測得的幅頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)曲線，確定了系統(tǒng)傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)。采用最小二乘算法，完成了系統(tǒng)傳遞函數(shù)的參數(shù)辨識，獲得了7階的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，能夠很好地擬合實測曲線。

[1] 吳鑫. 高性能快速控制反射鏡研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2012.

WU Xin. Research on High-performance Fast Steering Mirror[D]. Wuhan: Huazhong University of Science & Technology, 2012.

[2] Kluk D J. An Advanced Fast Steering Mirror for Optical Communication [D].:, 2007: 45-46.

[3] Hafez M, Sidler T C, Salathe R P. Design, simulations and experimental investigations of a compact single mirror tip/tilt laser scanner[J]., 2000, 10(7): 741-760.

[4] Loney G C.Design of a high bandwidth steering mirror for space-based[J]., 1991, 1543: 225-235.

[5] Ulander K.[D]. San Luis Obispo: California Polytechnic State University, 2006: 31-34.

[6] Narth H, Donat M. Latest experience in design of piezoelectric driven fine steering mirrors[J]., 1991, 1546: 248-261.

[7] Mitchell P V, Griffith P B, Henderson D K. Fast-steering mirrors improve active beam stabilization [J]., 2001, 1247: 35-43.

[8] 王永輝. 快速控制反射鏡結(jié)構(gòu)及其動態(tài)特性的研究[D]. 長春: 中科院長春光學(xué)精密機械與物理研究院, 2004.

WANG Yonghui.[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2004.

[9] JIANG Ming K, TAO T, CHENG Yu F. Simulation of the fast steering mirror control system based on Gyro[C]//2009, 2009, 1643: 215-227.

[10] 邵兵. 激光星間通信終端精瞄微定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2006.

SHAO Bing. Research on Key Technology of Fine Pointing Micro-positioning System for Laser Intersatellite Communication Terminal[D].:, 2006.

Feedback Control of a New Kind of FSM for Infrared Opto-electric System

ZHAO Canbing，ZHOU Chunfen，HU Zhibin，LIU Peng，WANG Jie，CHEN Daqian

(,650223,)

Because precise feedback sensors are expensive and their transfer function is very complex, most FSM(fast steering mirrors) driven by PZT(PbZrTi03) use open-loop control technology. To implement closed-loop control for a new kind of three-dimensional FSM driven by three piezo ceramics, this thesis builds a feedback-signal acquisition system that uses a resistance strain gauge to obtain the lineardisplacement of the PZT, which is subsequently translated into angulardisplacementof the mirror through a calibrationsystem. As a basis for this acquisition system, the open-loop transfer function model of an FSM system was studied. The RLS(recursive least square) algorithm was used for parameter identification, and a transfer function model of the system was built successfully. Experimental results show that the feedback-signal acquisition system has high precision and the advantages of a small volume. The transfer function model fit the system acceptably.

fast steel mirror，infrared opto-electric system，feedback control，transfer function

TN216

A

1001-8891(2017)12-1083-04

2016-04-10；

2017-03-30.

趙燦兵（1988-），工程師/碩士，主要研究方向：紅外成像技術(shù)。E-mail：234983973@qq.com。