【文章內容簡介】 該技術列為 “ 八五火炬計劃 ” 進行研制和推廣?，F在它已經引起了國內越來越多生產廠長 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，給產品生產注入新的活力。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容 目前，國內外的激 光通信系統(tǒng)都設計了高寬帶的精跟蹤系統(tǒng)來實現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，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技術實現二維快速傾斜平臺，它具有諧振頻率高、系統(tǒng)剛度強、驅動力矩大等優(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 驅動器的驅動電流，因為 PZT 驅動等效電容，驅動電流越大，系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬越高，所以本系統(tǒng)應盡量提高驅動器的驅動能力，對于 100V 的供電電壓實現高速、大電流的驅動器比較困難，本系統(tǒng)采用平均電流 400Made 平均驅動電流； 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，為了減小控制數據的傳輸延遲時間，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，國內外的激光通信系統(tǒng)都設計了高帶寬的精跟蹤系統(tǒng)來實現 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，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有很好的熱穩(wěn)定性，需要與鏡片的熱膨脹系數進行匹配， 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動器，每個壓電驅動器空間分布相差 90度，從而組成差分型推拉工作模式。這種差分設計可以在較寬的溫度范圍內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。這種結構還有另一個優(yōu)點就是當去掉壓電驅動器的電壓時， 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?？ㄊ较到y(tǒng)放大倍率取 倍時，振鏡實際控制范圍為 此數值大于粗跟蹤精度 ，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)的轉動慣量與控制帶寬間存在以下關系 : 其中， 載條件下的控制帶寬， 為振鏡平臺的轉動慣量， 光學發(fā)射鏡的轉動慣量。由此可見，光學發(fā)射鏡在設計中的參數選取十分考究，通常為了增加控制帶寬，需要減小光學發(fā)射鏡的轉動慣量，而光學反射鏡的轉動慣量表達式為 其中， m 為光學反射鏡的質量， 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。根據 ()式，減小光學反射鏡的轉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 ，經過這樣選取，既滿足調節(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?？梢哉f，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，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構諧振頻率的限制，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技術實現二維快速傾斜平臺，它具有諧振頻率高、系統(tǒng)剛 度強、驅動力矩大等優(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 驅動器的驅動電流，因為 PZT 驅動等效電容，驅動電流越大，系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬越高，所以本系統(tǒng)應盡量提高驅動器的驅動能力，對于 100V 的供電電壓實現高速、大電流的驅動器比較困難，本系統(tǒng)采用平均電流 400Made 平均驅動電流； (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，為了減小控制數據的傳輸延遲時間，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?？梢詽M足衛(wèi)星光通信 APT 系統(tǒng)要求。 振鏡的工作原理是驅動器產生位移驅動附加在驅動器上的反射鏡偏轉一定角度，目前高速驅動器采用的方式很多。可以是擺動電機驅動，也可以是音圈電機驅動，還可采用壓電陶瓷驅動。美國 Ball 公司的振鏡 采用音圈電機驅動，德國 PI 公司的振鏡采用壓電陶瓷驅動，我們采用的是壓電陶瓷驅動 (PZT)方式的振鏡。在光通信 APT 技術中精確瞄準是非常關鍵的一環(huán)，相應精瞄系統(tǒng)的驅動環(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，轉換能量效率高等，所以對各種振鏡的驅動方式的分析和研究是非常必要的。 振鏡的各種驅動方式的特點 ，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，永磁轉子會在一定角度內圍繞零位往復偏轉，當定子繞組未通電時，轉子靜止不動，轉子磁軸穩(wěn)定在其外磁路磁阻最小的位置上，如圖 轉子磁軸線 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、永磁轉子和激磁線圈構成。轉子磁鋼為圓柱實心結構，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，不能實現衛(wèi)星光通信中的精跟蹤。 。由于其無需轉動機構，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成，動子則由質量較輕的 線圈和骨架組成。由磁鋼產生的磁場經極化勻磁，即在動圈行程內產生大致均勻的磁場，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在電場中的逆壓電效應或電致伸縮效應，直接將電能轉 換成機械能，產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) 是目前微位移技術中比較理想的驅動元件。同時與其它伸縮材料相比，壓電陶瓷驅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，壓電陶瓷驅動器能夠以納米的步一長，以很高的頻率產生平滑的位移，沒有爬行效應。這種微小的位移是借助 于電壓值的平穩(wěn)的變化產生的且 不受 門限電壓的影響 。 由于 不存在爬行現像，從 理 論 上講它具有無限高的分辨率。壓 電 陶瓷驅動器的這一 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 、驅動 器的 設計和安裝精度以及預加載荷等； (2)壓電陶瓷驅動器能夠以 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 長的壓電陶瓷驅動器可以產生 的位移 。 （ 6）壓電陶瓷驅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，壓電陶瓷驅動器既不產生磁場也不受磁場影響。它的這一特性非常適合于不允