專利名稱：一種用于控制超磁致伸縮快速傾斜鏡的實時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對磁致伸縮快速傾斜鏡進行實時控制的系統(tǒng)，具體地說，是指一種用于二自由度超磁致伸縮快速傾斜鏡的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于實時光軸穩(wěn)定控制。
背景技術(shù)：
快速傾斜鏡是光電精密跟蹤系統(tǒng)中必不可少的一部分，它作為復(fù)合軸系統(tǒng)子系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，主要用于校正大慣量主系統(tǒng)的跟蹤誤差及風(fēng)矩、機架和大氣干擾引起的光軸抖動。現(xiàn)有的用于控制快速傾斜鏡的控制系統(tǒng)多是基于工業(yè)控制機、A/D和D/A卡組成，控制系統(tǒng)體積龐大，抗干擾能力差，成本高，而基于DSP的快反鏡控制系統(tǒng)雖然大大減小了控制系統(tǒng)的體積，但系統(tǒng)開發(fā)周期長，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種快速、實時、抗干擾性能好，且成本低的用于控制磁致伸縮快速傾斜反射鏡的實時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種用于控制超磁致伸縮快速傾斜鏡的實時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)，其特征在于包括超磁致伸縮快速傾斜鏡、位敏傳感器、激光光源、運動控制卡和功率放大器，超磁致伸縮快速傾斜鏡、位敏傳感器和激光光源安裝在基座上，激光光源產(chǎn)生的激光光束經(jīng)超磁致伸縮快速傾斜鏡反射后照射到位敏傳感器上，來自外界擾動使照射在位敏傳感器上的光斑的位置發(fā)生變化，位敏傳感器感知光斑位置，輸出兩路電壓量信號至運動控制卡，運動控制卡根據(jù)接收的兩路電壓量信號進行控制算法計算并輸出兩路模擬控制信號至功率放大器，兩路控制信號經(jīng)放大器放大后輸出至超磁致伸縮快速傾斜鏡中兩個超磁致伸縮作動器的引線端口，驅(qū)動兩個超磁致伸縮作動器產(chǎn)生相應(yīng)的伸長和縮短，使得超磁致伸縮快速傾斜鏡的反射鏡面繞定支點產(chǎn)生角度變化，導(dǎo)致經(jīng)超磁致伸縮快速傾斜鏡反射出去的激光光束的角度發(fā)生變化，再通過位敏傳感器檢測激光光束斑點位置的變化，反饋至運動控制卡中，運動控制卡發(fā)出控制信號驅(qū)動超磁致伸縮快速傾斜鏡中的超磁致伸縮作動器，使反射鏡面運動，如此反復(fù)進行，達到實時控制光軸的目的。
所述的運動控制卡運動控制卡包括主卡和A/D附件，其中主卡提供至少2個通道的D/A轉(zhuǎn)換器并內(nèi)嵌伺服PID算法。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點采用運動控制卡控制超磁致伸縮作動器驅(qū)動的二自由度快速傾斜鏡的控制系統(tǒng)，使得平臺在微幅(微弧度級)下的光軸穩(wěn)定功能得以實現(xiàn)；而且減小了主控設(shè)備的體積，采用現(xiàn)有商品化的位敏傳感器、功率放大器、A/D轉(zhuǎn)換器及運動控制卡降低了系統(tǒng)成本，使光軸穩(wěn)定精度可以達到80％。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的PID控制算法流程圖；圖3為本發(fā)明快速傾斜鏡閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線；圖4為本發(fā)明的控制頻率在10Hz的減振效果控制曲線圖；圖5為本發(fā)明的控制頻率在50Hz的減振效果控制曲線圖；具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明包括超磁致伸縮快速傾斜鏡1、激光光源2、位敏傳感器3、運動控制卡4、功率放大器5，位敏傳感器3、運動控制卡4、功率放大器5和超磁致伸縮快速傾斜鏡1的各個通道為對應(yīng)連接，位敏傳感器3的輸出端與運動控制卡4的A/D轉(zhuǎn)換器41的端口連接，運動控制卡4的D/A轉(zhuǎn)換器42輸出端與功率放大器5的輸入端相連接，功率放大器5的輸出端與超磁致伸縮快速傾斜鏡1中的超磁致伸縮作動器11的插頭端連接。
激光光源2產(chǎn)生的激光光束經(jīng)過快速傾斜鏡反射1后照射在位敏傳感器3上，位敏傳感器3感知光斑的位置，產(chǎn)生兩路對應(yīng)與光斑平面位置的電壓量信號并輸出至運動控制卡4，運動控制卡4中的A/D轉(zhuǎn)換器41采集這兩路信號后與期望的光斑位置比較，通過運動控制卡4內(nèi)嵌的伺服PID算法計算后，并進行D/A轉(zhuǎn)換器42后輸出兩路控制信號至功率放大器5，兩路控制信號經(jīng)放大后輸出至磁致伸縮快速傾斜鏡1的兩個超磁致伸縮作動器11，驅(qū)動作動器11產(chǎn)生相應(yīng)的伸長或縮短，使反射鏡面12繞支點發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而改變激光光束在反射鏡12鏡面的反射角度使照射在位敏傳感器3上的光斑位置穩(wěn)定在期望點上，然后再通過位敏傳感3器檢測光斑位置并反饋到運動控制卡4中，如此反復(fù)進行，從而完成快速傾斜鏡的光軸實時穩(wěn)定控制。
本發(fā)明的快速傾斜鏡中的超磁致伸縮作動器11的超磁致伸縮材料選取Tb0.27-0.3Dy0.7-0.73Fe1.9-2.0，其線性段的超磁致伸縮系數(shù)達1000ppm以上。
功率放大器5為兩個GF-20型功率放大器，其輸入端與運動控制卡的2路D/A轉(zhuǎn)換器42連接，功率放大器5的輸出端與快速傾斜鏡的2個超磁致伸縮作動器的插頭端連接，各通道為一一對應(yīng)連接。
位敏傳感器3選用SPANA9型，±4.5V電壓輸出，靈敏度1mv/μm，其輸出的2路電壓量信號與運動控制卡的兩種A/D轉(zhuǎn)換器41連接。
運動控制卡4包括主卡和A/D轉(zhuǎn)換器，其中主卡至少包括2通道D/A轉(zhuǎn)換器42，A/D轉(zhuǎn)換器包括2通道的A/D轉(zhuǎn)換器。運動控制卡4可以選用DELTA TAU公司的PMAC2-PC104型運動控制卡，并選用Option12的A/D附件，其具體指標(biāo)為運動控制卡中的DSP芯片工作頻率40MHz；128×24內(nèi)置同步存儲器SRAM；512k×8可擦寫存儲器flash memory；4通道D/A轉(zhuǎn)換器，輸出電壓范圍±10V，分辨率12位；Option12的A/D附件包括2通道D/A轉(zhuǎn)換器，輸出電壓范圍±10V，分辨率12位；RS-232串口與上位機連接。
如圖2所示，本發(fā)明采用的運動控制卡4內(nèi)置的控制算法是PID+前饋控制算法，其中Kp為比例增益，提供系統(tǒng)的剛度，Kd為微分增益，提供系統(tǒng)需要的阻尼，Ki積分增益補償系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，Kvff為速度前饋增益，用于減小阻尼引起的跟隨誤差，Kaff加速度前饋用于減小系統(tǒng)慣性帶來的跟隨誤差，notch濾波器是一個防止機械諧振濾波器，用于抵消共振的影響，LMI為積分開關(guān)。
本發(fā)明中，光斑的實際位置信號由位敏傳感器檢測反饋給控制算法，速度反饋由對位置反饋信號近似求導(dǎo)得到，控制過程中由控制器的PID算法根據(jù)指令位置和實際位置的差值調(diào)節(jié)控制信號，達到光軸穩(wěn)定的目的。
要想使系統(tǒng)伺服性能達到剛性好，誤差小的目標(biāo)，需要對控制算法中的參數(shù)進行調(diào)節(jié)，現(xiàn)以系統(tǒng)的階躍響應(yīng)來測定系統(tǒng)的動態(tài)性能。如圖3所示，給出了在調(diào)節(jié)好控制參數(shù)后快反鏡的閉環(huán)階躍響應(yīng)，從圖中可見快反鏡的閉環(huán)階躍響應(yīng)的上升段時間是0.004秒。
如圖4給出了10Hz的擾動信號時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)的實時控制效果，從圖4中可以看到當(dāng)控制系統(tǒng)開始作用后，光軸抖動被消減了80％以上。
如圖5給出了50Hz的擾動信號時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)的實時控制效果，從圖5中可以看到當(dāng)控制系統(tǒng)開始作用后，光軸抖動被消減了70％以上。
本發(fā)明的實時的計算機主動控制系統(tǒng)在針對二自由快速控制反射鏡進行實驗測試得到，二自由度快速控制反射鏡在1～100Hz內(nèi)可以使光軸抖動消除70％。
權(quán)利要求
1.一種用于控制超磁致伸縮快速傾斜鏡的實時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)，其特征在于包括超磁致伸縮快速傾斜鏡、位敏傳感器、激光光源、運動控制卡和功率放大器，超磁致伸縮快速傾斜鏡、位敏傳感器和激光光源安裝在基座上，激光光源產(chǎn)生的激光光束經(jīng)超磁致伸縮快速傾斜鏡反射后照射到位敏傳感器上，來自外界擾動使照射在位敏傳感器上的光斑的位置發(fā)生變化，位敏傳感器感知光斑位置，輸出兩路電壓量信號至運動控制卡，運動控制卡根據(jù)接收的兩路電壓量信號進行控制算法計算并輸出兩路模擬控制信號至功率放大器，兩路控制信號經(jīng)放大器放大后輸出至超磁致伸縮快速傾斜鏡中兩個超磁致伸縮作動器的引線端口，驅(qū)動兩個超磁致伸縮作動器產(chǎn)生相應(yīng)的伸長和縮短，使得超磁致伸縮快速傾斜鏡的反射鏡面繞定支點產(chǎn)生角度變化，導(dǎo)致經(jīng)超磁致伸縮快速傾斜鏡反射出去的激光光束的角度發(fā)生變化，再通過位敏傳感器檢測激光光束斑點位置的變化，反饋至運動控制卡中，運動控制卡發(fā)出控制信號驅(qū)動超磁致伸縮快速傾斜鏡中的超磁致伸縮作動器，使反射鏡面運動，如此反復(fù)進行，達到實時控制光軸的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于控制超磁致伸縮快速傾斜鏡的實時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)，其特征在于所述的運動控制卡包括主卡和A/D轉(zhuǎn)換器，其中主卡提供至少2個通道的D/A轉(zhuǎn)換器，并內(nèi)嵌伺服PID控制算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于控制超磁致伸縮快速傾斜鏡的實時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)，其特征在于所述的主卡選取PMAC2A-PC104型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于控制超磁致伸縮快速傾斜鏡的實時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)，其特征在于所述的位敏傳感器采用SPANA-9型位敏傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于控制超磁致伸縮快速傾斜鏡的實時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)，其特征在于所述的功率放大器為GF-20型功率放大器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于控制超磁致伸縮快速傾斜鏡的實時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)，其特征在于所述的D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為12位。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于控制超磁致伸縮快速傾斜鏡的實時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)，其特征在于所述的A/D轉(zhuǎn)換器為2通道，分辨率為12位。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于控制超磁致伸縮快速傾斜鏡的實時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)，其特征在于所述的超磁致伸縮快速傾斜鏡中的超磁致伸縮作動器11的材料選取Tb0.27～0.3Dy0.7～0.73Fe1.9～2.0，其線性段的超磁致伸縮系數(shù)達1000ppm以上。
全文摘要
一種用于控制超磁致伸縮快速傾斜鏡的實時光軸穩(wěn)定系統(tǒng)，包括超磁致伸縮快速傾斜鏡，激光光源、位敏傳感器、運動控制卡和功率放大器，激光光源產(chǎn)生的激光光束經(jīng)快速傾斜鏡反射后照射在位敏傳感器上，其感知光斑的平面位置并輸出2路電壓量至運動控制卡，對接收的電壓量進行控制計算后，輸出2路控制信號至功率放大器，功率放大器對接收的2路模擬控制量放大后輸出至超磁致伸縮快速傾斜鏡中的作動器，使其伸長或縮短，使快速傾斜鏡鏡面繞定支點發(fā)生角度變化，導(dǎo)致激光光束的反射角度發(fā)生變化，再通過位敏傳感器檢測激光光束照射在其上光斑的位置，反饋到運動控制卡中，達到對光軸實時穩(wěn)定控制。本發(fā)明具有快速、實時、抗干擾性能好，且成本低的優(yōu)點。
文檔編號G02B26/00GK1936754SQ20061011355
公開日2007年3月28日 申請日期2006年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月30日
發(fā)明者毛劍琴, 張臻, 何忠武, 李超, 馬艷華, 張文廣 申請人:北京航空航天大學(xué), 中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所