【文章內(nèi)容簡介】 該技術(shù)列為 “ 八五火炬計劃 ” 進行研制和推廣?，F(xiàn)在它已經(jīng)引起了國內(nèi)越來越多生產(chǎn)廠長 春理工大學本科畢業(yè)論文 6 家的重視，必將會代替?zhèn)鹘y(tǒng)的標記工藝，給產(chǎn)品生產(chǎn)注入新的活力。因此，激光打標具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景。 論文研究的目的和內(nèi)容 目前，國內(nèi)外的激 光通信系統(tǒng)都設(shè)計了高寬帶的精跟蹤系統(tǒng)來實現(xiàn)光束的精確對準和對平臺擾動進行有效的抑制。通常將精跟蹤系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬做得很高，是平臺抖動的大部分頻帶都包含在精跟蹤系統(tǒng)的有效帶寬之內(nèi)，從而達到抑制干擾和提高精度的目的。為了提高二維快速振鏡的伺服帶寬，需要重點考慮： 1優(yōu)選二維快速振鏡伺服平臺。本系統(tǒng)采用基于 PZT技術(shù)實現(xiàn)二維快速傾斜平臺，它具有諧振頻率高、系統(tǒng)剛度強、驅(qū)動力矩大等優(yōu)點，非常適合光束的精確對準和跟蹤應用； 2 負載直接影響振鏡系統(tǒng)的諧振頻率，在光束直徑和波束質(zhì)量允許的條件下，盡量減小光學反射鏡片的直徑和厚度 ，可以增加系統(tǒng)的諧振頻率，進而提高系統(tǒng)閉環(huán)寬帶；3 影響閉環(huán)寬帶的另一個主要因素是 PZT 驅(qū)動器的驅(qū)動電流，因為 PZT 驅(qū)動等效電容，驅(qū)動電流越大，系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬越高，所以本系統(tǒng)應盡量提高驅(qū)動器的驅(qū)動能力，對于 100V 的供電電壓實現(xiàn)高速、大電流的驅(qū)動器比較困難，本系統(tǒng)采用平均電流 400Made 平均驅(qū)動電流； 4接口控制模式：系統(tǒng)的控制接口模式也是影響系統(tǒng)伺服帶寬的一個主要因素，為了減小控制數(shù)據(jù)的傳輸延遲時間，本系統(tǒng)采用 D/A 卡直接控制振鏡。 振鏡是 APT 精跟蹤系統(tǒng)的主要部件，其主要作用是實現(xiàn)光束對準的精密控制。有必 要對其進行深入研究。 長 春理工大學本科畢業(yè)論文 7 第 二 章 精跟蹤系統(tǒng)對伺服平臺的要求 APT系統(tǒng)對振鏡的要求 振鏡的靜態(tài)控制精度 目前，國內(nèi)外的激光通信系統(tǒng)都設(shè)計了高帶寬的精跟蹤系統(tǒng)來實現(xiàn) 光束的精確對準和對平臺擾動進行有效的抑制。通常將精跟蹤系統(tǒng)的閉 環(huán)帶寬做得很高，使平臺抖動的大部分頻帶都包含在精跟蹤系統(tǒng)的有效 帶寬之內(nèi)，從而達到抑制干擾和提高精度的目的。為了提高振鏡的控制 精度，需要采用以下幾點措施 : (l)使二維快速傾斜平臺工作于閉環(huán)工作模式，其內(nèi)部采用 4個應變片工作于橋式放大，后續(xù)電路采 用低溫漂、高精密放大器和 20 位高精密 A/D 轉(zhuǎn)換器，從而大大降低各種擾動因素對于系統(tǒng)控制精度的影響 。 (2)為了使振鏡平臺在寬溫度范圍內(nèi)有很好的熱穩(wěn)定性，需要與鏡片的熱膨脹系數(shù)進行匹配， S330 平臺采用不脹錮鋼材料； (3) S330 的傾斜平臺配備兩對低電壓壓電線性驅(qū)動器，每個壓電驅(qū)動器空間分布相差 90度，從而組成差分型推拉工作模式。這種差分設(shè)計可以在較寬的溫度范圍內(nèi)獲得非常高的角度穩(wěn)定度。因為溫度的變化僅僅影響平移方向的位置，對于平臺角度方向沒有影響。這種結(jié)構(gòu)還有另一個優(yōu)點就是當去掉壓電驅(qū)動器的電壓時， 平臺將自動恢復到中心位置，便于精跟蹤和粗跟蹤兩個過程之間的過渡。 振鏡的控制范圍 精跟蹤的視場 ， 由公式 ()可知，考慮望遠系統(tǒng)的放大倍率刀和振鏡置放角度等因素需要振鏡的控制范圍 優(yōu)于 。根據(jù)所選用的振鏡大小以及要求的精跟蹤視場的大小確定卡式系統(tǒng)的放大倍率。 APT 系統(tǒng)粗信標光接收系統(tǒng)視場角設(shè)計為 20mrad，卡式系統(tǒng)承擔不了這樣大的視場角，所以將粗信標光接收光路單獨分離出來，即不與其它系統(tǒng)共用卡式系統(tǒng)。根據(jù)所選用的振鏡大小以及要求的精跟蹤視場的大小確定卡式系統(tǒng)的放大倍率。選用 PZT 振鏡，其帶載反射鏡最大尺寸為 25min，最大擺動范圍為5 mrad， 因此，卡式系統(tǒng)的放大倍率為 長 春理工大學本科畢業(yè)論文 8 由于系統(tǒng)有一定視場所以取 倍。卡式系統(tǒng)放大倍率取 倍時，振鏡實際控制范圍為 此數(shù)值大于粗跟蹤精度 ，滿足系統(tǒng) 的要求。 振鏡的諧振頻率 負載直接影響振鏡系統(tǒng)的諧振頻率，在光束直徑和波束質(zhì)量允許的條件下，盡量減小光學反射鏡片的直徑和厚度，可以增加系統(tǒng)的諧振頻率，進而提高系統(tǒng)閉環(huán)帶寬為滿足粗精匹配的要求和提高精跟蹤系統(tǒng)的控制精度，精跟蹤系統(tǒng)的伺服帶寬需要優(yōu) 于 900Hz。 因為光學系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量與控制帶寬間存在以下關(guān)系 : 其中， 載條件下的控制帶寬， 為振鏡平臺的轉(zhuǎn)動慣量， 光學發(fā)射鏡的轉(zhuǎn)動慣量。由此可見，光學發(fā)射鏡在設(shè)計中的參數(shù)選取十分考究，通常為了增加控制帶寬，需要減小光學發(fā)射鏡的轉(zhuǎn)動慣量，而光學反射鏡的轉(zhuǎn)動慣量表達式為 其中， m 為光學反射鏡的質(zhì)量， R為圓形反射鏡的射鏡的徑， H為發(fā)射鏡的厚度，T為振鏡平臺特征參數(shù)。根據(jù) ()式，減小光學反射鏡的轉(zhuǎn)動慣量勢必需要減小光學反射鏡的半徑和厚度，而減小反射鏡縮小光束的調(diào)整范圍，減小厚度將削弱其機械強度， 所以本系統(tǒng)建議選的反射鏡尺寸為中 。對應的閉環(huán)帶寬為 ，經(jīng)過這樣選取，既滿足調(diào)節(jié)范圍和機械強度等要求，又滿足系統(tǒng)控制帶寬的要求。 振 鏡的帶載能力 根據(jù)光學系統(tǒng)任務要求，振鏡所帶載的光學反射鏡片的直徑應大于 25mm，同時為滿足波前畸變要求，要求反射鏡的厚度優(yōu)于 8mm波面質(zhì)量要求優(yōu)于 。但對于較重的穩(wěn)定負載，會導致很多各種干擾力矩，同時使系統(tǒng)的諧振頻率和控制帶寬不能做得很寬。 長 春理工大學本科畢業(yè)論文 9 振鏡的帶寬的要求 擾動、噪聲系統(tǒng)頻帶 :跟蹤系統(tǒng)受到的擾動和噪聲有多種，其一就是低頻擾動，對于低頻擾動隨機系統(tǒng)可以抑 制掉，而且系統(tǒng)頻帶越寬則抑制能力越強 。另外一種是隨機噪聲，其輸出誤差的均方值為 顯然，系統(tǒng)頻帶越寬，隨機噪聲通過就越多，因而影響也越大。頻帶窄時，噪聲小，但低頻擾動影響大，當頻帶加寬時低頻擾動誤差明顯降低，但噪聲又明顯加大。所以需要從總協(xié)方差曲線中選取最小值為佳。在復合軸控制系統(tǒng)中，精跟蹤系統(tǒng)直接校正的是粗跟蹤系統(tǒng)的殘余誤差。從某種意義上講，精跟蹤回路的帶寬反映了復合軸跟蹤目標的快速能力，粗跟蹤軸的帶寬反映了復合軸系統(tǒng)對運動目標初始捕獲和跟蹤的能力。可以說，粗、精系統(tǒng)帶寬越大，誤差抑制能力越高，系統(tǒng)穩(wěn)定 性越好。為了抑制運載平臺的干擾，獲得預期的跟瞄精度，我們設(shè)想把精跟蹤系統(tǒng)的閉環(huán)寬帶做到很高，使平臺抖動的大部分頻率帶包含在系統(tǒng)的有效校正帶寬內(nèi)，從而抑制干擾和提高控制精度。然而，系統(tǒng)閉環(huán)帶寬要受到采樣頻率和被控對象的結(jié)構(gòu)諧振頻率的限制，在高精度的跟蹤系統(tǒng)中，采樣頻率一般要為閉環(huán)帶寬的十倍以上，閉環(huán)帶寬一般要小于諧振頻率的六分之一。 綜上所述，為了提高二維快速振鏡的伺服帶寬，需要重點考慮 : (l)優(yōu)選二維快速振鏡伺服平臺。本系統(tǒng)采用基于 PZT技術(shù)實現(xiàn)二維快速傾斜平臺，它具有諧振頻率高、系統(tǒng)剛 度強、驅(qū)動力矩大等優(yōu)點非常合適光束的精確對準和跟蹤應用； (2)負載直接影響振鏡系統(tǒng)的諧振頻率，在光束直徑和波束質(zhì)量允許的條件下，盡量減小光學反射鏡片的直徑和厚度，可以增加系統(tǒng)的諧振頻率，進而提高系統(tǒng)閉環(huán)帶寬； (3)影響系統(tǒng)閉環(huán)帶寬的另外一個主要因素是 PZT 驅(qū)動器的驅(qū)動電流，因為 PZT 驅(qū)動等效電容，驅(qū)動電流越大，系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬越高，所以本系統(tǒng)應盡量提高驅(qū)動器的驅(qū)動能力，對于 100V 的供電電壓實現(xiàn)高速、大電流的驅(qū)動器比較困難，本系統(tǒng)采用平均電流 400Made 平均驅(qū)動電流； (4)接口控制模式 :系統(tǒng)的控制接口 模式也是影響系統(tǒng)伺服帶寬的一個主要因素，為了減小控制數(shù)據(jù)的傳輸延遲時間，本系統(tǒng)采用 D/A 卡直接控制振鏡。 振鏡平臺的選取 在精跟蹤系統(tǒng)中，精瞄執(zhí)行器件要求具有響應時間短，跟蹤精度高的特點。目前精瞄執(zhí)行器件一般采用振鏡，它的響應時間在微秒量級，精度可以達到十長 春理工大學本科畢業(yè)論文 10 分之一微弧度量級。可以滿足衛(wèi)星光通信 APT 系統(tǒng)要求。 振鏡的工作原理是驅(qū)動器產(chǎn)生位移驅(qū)動附加在驅(qū)動器上的反射鏡偏轉(zhuǎn)一定角度，目前高速驅(qū)動器采用的方式很多?？梢允菙[動電機驅(qū)動，也可以是音圈電機驅(qū)動，還可采用壓電陶瓷驅(qū)動。美國 Ball 公司的振鏡 采用音圈電機驅(qū)動，德國 PI 公司的振鏡采用壓電陶瓷驅(qū)動，我們采用的是壓電陶瓷驅(qū)動 (PZT)方式的振鏡。在光通信 APT 技術(shù)中精確瞄準是非常關(guān)鍵的一環(huán)，相應精瞄系統(tǒng)的驅(qū)動環(huán)節(jié)的選擇也是非常重要的，因為 APT 系統(tǒng)要求高分辨率，響應速度快，輸出力大，轉(zhuǎn)換能量效率高等，所以對各種振鏡的驅(qū)動方式的分析和研究是非常必要的。 振鏡的各種驅(qū)動方式的特點 ，在紅外及激光成像、跟蹤、精密定位等系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。圖 動電動機的工作原理圖。擺動電動機 采用交流信號控制。當定子繞組通以交流電時，永磁轉(zhuǎn)子會在一定角度內(nèi)圍繞零位往復偏轉(zhuǎn)，當定子繞組未通電時，轉(zhuǎn)子靜止不動，轉(zhuǎn)子磁軸穩(wěn)定在其外磁路磁阻最小的位置上，如圖 轉(zhuǎn)子磁軸線 BC所在位置即為穩(wěn)定平衡位置，也稱作定位零點。 長 春理工大學本科畢業(yè)論文 11 圖 永磁式擺動電動機原理圖 擺動電動機主要由定子、永磁轉(zhuǎn)子和激磁線圈構(gòu)成。轉(zhuǎn)子磁鋼為圓柱實心結(jié)構(gòu)，采用欽鐵硼永磁材料，定子鐵心是由沖有四個異形齒的硅鋼片迭成，窄槽口和寬槽口相間分布。擺動電機具 有穩(wěn)定性好、重復精度高以及定位精度較高等特點，但是它的質(zhì)量較大，相應慣性就很大，這樣響應時間就較長，位移重復性不夠高，無法滿足精瞄系統(tǒng)的要求，不能實現(xiàn)衛(wèi)星光通信中的精跟蹤。 。由于其無需轉(zhuǎn)動機構(gòu)，即可獲得直線運動，所以沒有傳動機械磨損，而且噪聲低、機構(gòu)簡單、維護方便、響應快等優(yōu)點，從而在近年來得到了迅速發(fā)展，并且廣泛應用于磁盤機、激光唱機及其他精密定位系統(tǒng)中。音圈電機主要由磁鋼、線圈、運動體及簧片組成。電機靜子由磁鋼和鐵柱構(gòu)成，動子則由質(zhì)量較輕的 線圈和骨架組成。由磁鋼產(chǎn)生的磁場經(jīng)極化勻磁，即在動圈行程內(nèi)產(chǎn)生大致均勻的磁場，當線圈通電后，位于磁場中的載流線圈就會受到磁場力的作用而運動，其受力方向隨電流的方向而變化。 的優(yōu)點，如體積小 (幾立方毫米一幾十立方毫米 )、位移分辨率高、響應速度快 (幾十微秒 )、輸出力大 (350ON)、換能效率高 (50%)、不發(fā)熱、采用相對簡單的電場控制方式、位移重復性好等。壓電 /電致伸縮微位移致動器是利用電介質(zhì)在電場中的逆壓電效應或電致伸縮效應，直接將電能轉(zhuǎn) 換成機械能，產(chǎn)生微位移的換能元件，通常統(tǒng)稱為“壓電陶瓷致動器” (Piezo Ceramic Actuator) 是目前微位移技術(shù)中比較理想的驅(qū)動元件。同時與其它伸縮材料相比，壓電陶瓷驅(qū)動器顯示出多方面的優(yōu)越性： (l)借助于固態(tài)晶體的壓電效應，壓電陶瓷驅(qū)動器能夠以納米的步一長，以很高的頻率產(chǎn)生平滑的位移，沒有爬行效應。這種微小的位移是借助 于電壓值的平穩(wěn)的變化產(chǎn)生的且 不受 門限電壓的影響 。 由于 不存在爬行現(xiàn)像，從 理 論 上講它具有無限高的分辨率。壓 電 陶瓷驅(qū)動器的這一 特 性對 于 要求精密位移的沒備 非常 重要。但是它的實際分辨率往往受到一些 因 索的 影 響和限制，例如 :放大器的噪聲 干 擾，傳感器 、驅(qū)動 器的 設(shè)計和安裝精度以及預加載荷等； (2)壓電陶瓷驅(qū)動器能夠以 10KHZ 以上的工作頻率推動重至幾頓的載荷，位置分辨率仍可達到要求的精度。 (3)它的工作原理如一個電容性負載，產(chǎn)生動作時才消耗電能，靜態(tài)時只需要極少的能量。 （ 4）其位移源于材料內(nèi)部離子的重新排列，不存在零件之間的摩擦 和磨損。因此不需要潤滑。適合高真空和高清潔度的應用場合； （ 5）它可以在電場作用下產(chǎn)生千分之一的位移，具有非常高的可靠性 。即一長 春理工大學本科畢業(yè)論文 12 個 100mm 長的壓電陶瓷驅(qū)動器可以產(chǎn)生 的位移 。 （ 6）壓電陶瓷驅(qū)動器的響應時間為微秒級，加速度可以達到重力加速度的一萬倍 。 (7)壓電效應依賴于電場，壓電陶瓷驅(qū)動器既不產(chǎn)生磁場也不受磁場影響。它的這一特性非常適合于不允