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

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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(jià)格高，系統(tǒng)傳遞函數(shù)復(fù)雜難以辨識(shí)等因素，目前對(duì)于壓電驅(qū)動(dòng)的FSM大多通過(guò)前饋補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)進(jìn)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(guò)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(duì)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)，得到了一個(gè)七階的傳遞函數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，反饋信號(hào)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?cái)M合該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，為后續(xù)控制算法的設(shè)計(jì)實(shí)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(jiǎn)稱(chēng)，是一種可以控制光束實(shí)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]。基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，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(lái)實(shí)現(xiàn)的微掃描技術(shù)，可以在不改變探測(cè)器熱靈敏度、探測(cè)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(shí)現(xiàn)熱像系統(tǒng)一定范圍內(nèi)的掃描跟蹤，擴(kuò)大了熱像系統(tǒng)的視場(chǎng)。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(jí)控制系統(tǒng)，通過(guò)傳感器內(nèi)部的精密控制來(lái)彌補(bǔ)外部穩(wěn)瞄系統(tǒng)的殘余誤差，可以有效地提高整個(gè)系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線控制精度。此外，在掃描任務(wù)中，通過(guò)控制FSM對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，可以有效地消除由于穩(wěn)瞄系統(tǒng)快速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的圖像抖動(dòng)模糊等問(wèn)題。

基于壓電陶瓷的快速掃描鏡，要實(shí)現(xiàn)多維度的高精度快速掃描，對(duì)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(kāi)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(lái)的非線性，但是掃描鏡系統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生各個(gè)頻率的機(jī)械諧振，這會(huì)大大降低系統(tǒng)控制帶寬，需要通過(guò)反饋控制對(duì)其進(jìn)行有效的抑制[4-5]。

1 新型三維FSM及其反饋控制

為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多維度高精度快速掃描，我們?cè)O(shè)計(jì)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(dòng)器；為了實(shí)現(xiàn)較大角度的掃描，采用了位移放大機(jī)構(gòu)和柔性鉸鏈；同時(shí)，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(shí)現(xiàn)3個(gè)維度的運(yùn)動(dòng)，中間陶瓷不動(dòng)左右兩個(gè)陶瓷反向運(yùn)動(dòng)可以驅(qū)動(dòng)反射鏡實(shí)現(xiàn)方向偏轉(zhuǎn)，左右兩個(gè)陶瓷同步動(dòng)中間陶瓷與之反向運(yùn)動(dòng)可以驅(qū)動(dòng)反射鏡實(shí)現(xiàn)方向偏轉(zhuǎn)，3個(gè)陶瓷同步運(yùn)動(dòng)可以驅(qū)動(dòng)反射鏡實(shí)現(xiàn)方向的前后運(yùn)動(dòng)。

位移放大機(jī)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(shí)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(guò)電阻應(yīng)變片來(lái)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(guò)模型辨識(shí)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(jìn)一步進(jìn)行控制算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 位移信號(hào)的采集與標(biāo)定

位移信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)精密放大濾波電路將信號(hào)放大，濾除噪聲，最后由精密ADC將模擬信號(hào)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(jìn)一步對(duì)信號(hào)進(jìn)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(cè)位移信號(hào)，軸為PSD所測(cè)反射鏡偏轉(zhuǎn)角度信號(hào)。可根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)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(cè)得信號(hào)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(cè)得的信號(hào)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(hào)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(shí)

在用電阻應(yīng)變片獲得了良好的反饋信號(hào)之后，想要設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)反饋控制，要先進(jìn)行系統(tǒng)模型的辨識(shí)，獲得系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)模型是進(jìn)行控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。本文采用解析法和實(shí)驗(yàn)法相結(jié)合的方式，先根據(jù)物理規(guī)律和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，然后再通過(guò)數(shù)值計(jì)算來(lái)獲得系統(tǒng)的參數(shù)，最終得到系統(tǒng)的開(kāi)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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)包括了驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)1()，壓電陶瓷環(huán)節(jié)2()以及機(jī)械結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)3()。其中驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，為線性放大電路，將控制芯片輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)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(jìn)一步根據(jù)實(shí)際測(cè)得的幅頻響應(yīng)曲線，我們估計(jì)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(shí)參數(shù)。本文采用最小二乘法，對(duì)上述的系統(tǒng)傳遞函數(shù)分環(huán)節(jié)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，最終再把各個(gè)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(shí)結(jié)果與實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)曲線重合得很好。超過(guò)1000Hz以后，擬合曲線與實(shí)測(cè)曲線有較大誤差，但是基本形狀類(lèi)似，這說(shuō)明參數(shù)模型是正確的，擬合的過(guò)程沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)解。但是這個(gè)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(jìn)行控制算法的設(shè)計(jì)。

從相頻曲線看，擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(dòng)的FSM子鏡的反饋控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了電阻應(yīng)變片的信號(hào)處理電路，對(duì)采集的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，使得由反饋通道所獲取的信號(hào)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(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)模型。在理論分析的基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)，獲得了7階的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，能夠很好地?cái)M合實(shí)測(cè)曲線。

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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。