激光通信中的伺服控制技術研究與系統特性測試

張敏，滕云杰，佟首峰

（長春理工大學 空間光電技術研究所，長春 130022）

激光通信系統具有保密性好、傳輸速率快、抗干擾能力強等優點，其良好的發展前景使得對其關鍵技術的研究具有重要意義［1］。激光通信鏈路的建立與保持是通信系統應用的基本條件，如何實現快速對準與高精度穩定跟蹤是通信鏈路建立過程中必須要解決的問題。在激光通信系統的組成結構中，伺服系統的主要作用是完成指向、捕獲和跟蹤（PAT）等功能，而穩定的控制系統設計是實現高概率、快速捕獲以及動態條件下完成高精度跟蹤的前提和保障［2-3］。為了提高通信系統的跟蹤精度，需要對伺服系統的控制模式與策略進行設計，并通過實驗測試結果對控制算法與系統的速度平穩性進行驗證，進而分析其性能的可靠性。

本文主要研究激光通信伺服控制系統的設計，在基于永磁同步電機的通信光端機中，采用矢量控制方法對轉臺控制系統進行原理性設計，搭建了實驗系統進行控制系統的動態性能測試，完成了通信系統的速度平穩性與位置響應能力的測試。實驗結果表明，在基于永磁同步電機的激光通信伺服系統中，采用矢量控制與增量式控制算法相結合的方式，使得轉臺的電流、速度與位置特性具有較高的精度，是能夠滿足空間激光通信系統捕獲與跟蹤模式實現的基礎設計。

1 激光通信伺服系統描述

激光通信技術主要應用在星間通信、星地通信、艦載通信、機載通信以及水下對潛通信等方面［4］。為了實現遠距離的精確通信，通常采用PAT技術對激光束進行捕獲與高精度復合跟蹤，并保證目標光束位于精跟蹤視場內，且跟蹤精度達到幾個微弧度量級，以保證通信光束進入通信探測器視場范圍，達到實時通信的目的［5-6］。

在通信終端的復合軸控制系統中，通常采用高分辨率與高探測靈敏度的CCD相機，完成粗跟蹤與精跟蹤過程中的光斑位置脫靶量探測。這里，粗跟蹤伺服單元主要完成初始指向、開環捕獲以及粗跟蹤功能，目的是將目標光束引入精跟蹤視場范圍，并由切換到小視場的CCD完成目標光束位置的高頻檢測，采用PZT振鏡作為精跟蹤的執行機構完成精跟蹤。而以上復合軸控制系統的實現必須基于一套穩定的轉臺控制系統設計，下面將給出通信控制系統具體的方法與控制策略設計。

2 控制系統設計

激光通信終端控制系統采用基于永磁同步電機的矢量控制方法［7-10］，如圖1所示。其本質是模擬直流電機的控制規律，采用坐標變換的方法。

圖1 激光通信控制系統設計

永磁同步電機的矢量控制方法主要由Clarke變換、Park變換及其分別逆變換過程組成。首先完成永磁同步電機定子電流的Clarke變換，即由三相（a-b-c）靜止坐標系到兩相（α-β）靜止坐標系的電流轉換過程，變換關系如下：

其中，ia和ib為電機的相電流。在次基礎上，再由兩相（α-β）靜止坐標系到（d-q）旋轉坐標系的Park變換：

其中，id和iq為d軸和q軸的電流。將經過電流環控制器得到的電壓ud、uq繼續做Park逆變換：

其中，θe為電角度；若uα，ub，uc為輸出三相電壓。則需完成的Clarke逆變換如下：

結合以上矢量控制算法，在激光通信伺服系統的控制環路設計中，將選擇采用經典的增量式PI控制方法對控制系統的電流環、速度環以及位置環的控制器進行設計，如下所示：

其中，u(k)和Δu(k)分別為控制量輸出及其增量；e(k)為控制周期內的誤差值；kp和ki分別為比例系數和積分系數。

根據上面的矢量控制方法與增量式控制策略對光端機進行控制，并能夠完成跟蹤系統的速度平穩性和動態特性等系統性能測試。

3 實驗結果與分析

基于以上的矢量控制原理以及增量式控制算法設計，搭建了如圖2所示的潛望式通信終端伺服系統實驗平臺，包括激光通信終端、控制器與驅動器、直流電源、示波器等。主要完成系統的電流環、速度環和位置環的性能測試。

圖2 伺服系統實驗平臺

通信伺服系統的設計中，內部電流環主要是保證電機的電流快速跟隨給定值，一般具有較高的帶寬，而速度回路的作用是控制終端結構的動態特性，提高系統的平穩性與抗擾動性，位置回路主要側重于通信系統的位置跟蹤精度。

實驗過程中，給定45°范圍的勻速定點指向命令，速度為1.5°/s，分別記錄電機的三相電流、光端機的速度特性與位置曲線，分別得到如圖3-圖5所示的測試結果。由圖3可以看出，永磁同步電機的三相電流呈現標準的正弦波，峰值為0.2 A，而在圖4中，電機的速度也快速得到給定速度值，并且，勻速運行過程中速度具有很好的平穩性，穩態誤差小，如圖5所示，通信終端在30 s內從20°運動到65°，達到了定位點。

圖3 永磁同步電機的三相電流

圖4 勻速條件下的速度響應曲線

圖5 轉臺的位置曲線

圖6給出實驗過程中系統的位置誤差曲線，最大誤差值為1.5 μrad，該實驗結果說明，本文采用永磁同步電機的矢量控制方法所設計的激光通信伺服系統，其電流環、速度環、位置環的動態特性可靠性強、精度高，能夠保證后續光閉環的設計要求。

同時，由于通信系統中速度回路的作用是控制終端系統的動態性能，需要完成擾動條件下的速度平穩性驗證，在相同的速度條件下，完成速度回路的控制策略與濾波算法，并完成測試速度閉環回路的實時數據，實驗結果如圖7所示，系統的速度平穩性較好，穩態速度波動小，驗證了速度環的抗擾動與動態響應能力。

圖6 位置誤差曲線

圖7 擾動條件下的速度平穩性曲線

4 結論

本文主要針對激光通信系統中的伺服控制系統，設計了基于矢量控制算法的永磁同步電機控制系統。搭建了潛望式通信終端控制系統進行了實驗研究，在勻速條件下完成轉臺的定位功能。實驗結果表明，通信轉臺以1.5°/s的速度完成給定的45°定位角度范圍，速度平穩性好，位置精度高，實現了激光通信伺服控制系統的設計要求，為實現光閉環以及粗精復合跟蹤的設計提供了設計依據。