發(fā)布時(shí)間：2017-12-16 13:31

  本文關(guān)鍵詞：光束指向控制設(shè)備中快速反射鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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【摘要】：光束指向控制技術(shù)是現(xiàn)代精確制導(dǎo)、空間激光通信、航空成像等系統(tǒng)的重要組成部分�？焖俜瓷溏R具有結(jié)構(gòu)緊湊、跟蹤精度高、控制帶寬高、響應(yīng)速度快等突出優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)快速高精度光束指向控制技術(shù)的核心設(shè)備之一。目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)具有成熟的快速反射鏡產(chǎn)品,而國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究和產(chǎn)品與之相比還有很大差距,此外對(duì)于面向高端應(yīng)用的產(chǎn)品,國(guó)外對(duì)我國(guó)的技術(shù)引進(jìn)存在限制,因此研發(fā)具有自主創(chuàng)新和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的快速反射鏡對(duì)于進(jìn)一步研究面向高端應(yīng)用的光學(xué)技術(shù)具有重要意義。本文以某激光光束指向控制系統(tǒng)為研究背景,對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的快速反射鏡系統(tǒng)展開研究,包括快速反射鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于菱形結(jié)構(gòu)的微位移放大技術(shù)的研究、三自由度柔性支撐技術(shù)的研究、壓電陶瓷遲滯非線性的補(bǔ)償、快速反射鏡系統(tǒng)的辨識(shí)與控制器設(shè)計(jì)研究以及搭建測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,分別敘述如下:針對(duì)激光光束指向控制系統(tǒng)對(duì)快速反射鏡系統(tǒng)的要求,提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,方案采用四點(diǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式,壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)元件,自主研發(fā)的光柵編碼器作為反饋元件,柔性結(jié)構(gòu)作為支撐元件,DSP28335作為核心處理器。針對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器行程短的缺點(diǎn),研究基于菱形結(jié)構(gòu)的微位移放大技術(shù)。理論分析了快速反射鏡系統(tǒng)偏擺范圍、諧振頻率與菱形結(jié)構(gòu)位移放大倍率、剛度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,分析了影響菱形結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),提出線性規(guī)劃式參數(shù)設(shè)計(jì)方法;通過有限元方法對(duì)菱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證了菱形結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響規(guī)律,并分別在靜載條件與諧響應(yīng)條件下對(duì)已完成設(shè)計(jì)的菱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核;最后通過實(shí)驗(yàn)研究對(duì)設(shè)計(jì)的菱形結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合。針對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器抗剪切能力差的缺點(diǎn)以及只能伸長(zhǎng)不能收縮的特點(diǎn),研究了新型三自由度柔性支撐技術(shù)。首先提出了由柔性桿與花瓣形柔性片組成的柔性支撐結(jié)構(gòu)方案,再通過壓桿穩(wěn)定性理論與卡式定理等對(duì)柔性支撐結(jié)構(gòu)建模,理論研究了影響柔性桿性能的結(jié)構(gòu)參數(shù);對(duì)柔性支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真分析,驗(yàn)證了這種結(jié)構(gòu)在有效傳遞驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)保護(hù)了壓電陶瓷免于承受剪切破壞,并抑制了非工作方向上的振型,保證了較高的一階諧振頻率。針對(duì)于壓電陶瓷遲滯效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)辨識(shí)的影響,在快速反射鏡系統(tǒng)中采用了基于PLAY算子的Prandtl-Ishlinskii逆模型以及基于STOP算子的Prandtl-Ishlinskii模型對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。為了補(bǔ)償輸入速率對(duì)遲滯效應(yīng)的影響,對(duì)基于STOP算子的Prandtl-Ishlinskii模型進(jìn)行改進(jìn),提高了系統(tǒng)的開環(huán)精度。通過對(duì)快速反射鏡系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)與電路硬件的分析建立了三階數(shù)學(xué)模型,并采用單一正弦頻率法對(duì)遲滯補(bǔ)償器與快速反射鏡組成的線性系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),在DSP28335與FPGA中編寫控制器程序,對(duì)自行設(shè)計(jì)的快速反射鏡的偏擺范圍、指向精度、諧振頻率及控制帶寬進(jìn)行了測(cè)試并與德國(guó)PI公司的產(chǎn)品進(jìn)行了對(duì)比,分析了自主研發(fā)的快速反射鏡系統(tǒng)的不足。測(cè)試結(jié)果表明:對(duì)于反射鏡負(fù)載口徑為Φ90 mm的快速反射鏡的偏擺范圍可以達(dá)到5 mrad,指向精度可以達(dá)到20μrad,諧振頻率約為250 Hz,閉環(huán)帶寬可以達(dá)到120 Hz,滿足了激光光束指向控制系統(tǒng)的要求。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TH74

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本文編號(hào)：1296211