本發(fā)明涉及快速反射鏡，特別是一種全模擬高帶寬快速反射鏡的控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

快速反射鏡是一種用于空間激光光束指向精密控制的核心器件，具有響應(yīng)速度快、諧振頻率高、指向精度高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛的應(yīng)用于復(fù)合軸精密控制，自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域。

快速反射鏡按驅(qū)動原理分為音圈電機(jī)快速反射鏡和壓電陶瓷快速反射鏡，本文涉及的是二維壓電陶瓷快速反射鏡。壓電陶瓷快速反射鏡的驅(qū)動器分為模擬驅(qū)動器和數(shù)字型驅(qū)動器，數(shù)字型驅(qū)動器(原理如圖2所示)由于信號采集，處理等過程造成的延時較大使得帶寬嚴(yán)重受限，而模擬型驅(qū)動器由于采用的是全模擬電路，因此其控制系統(tǒng)體積可以做的很小，且響應(yīng)較快，工作帶寬比數(shù)字型驅(qū)動器得到很大改善。無論數(shù)字型驅(qū)動器還是模擬型驅(qū)動器最終的工作帶寬都會受到最后的功率放大電路驅(qū)動能力的影響，特別是驅(qū)動偏轉(zhuǎn)角度較大的壓電陶瓷型快速反射鏡，功率運(yùn)放的容性負(fù)載效應(yīng)使得電路帶寬難以大范圍提高。

中國發(fā)明專利cn1050451141的說明書中提供了一種提高快速反射鏡控制帶寬的模擬控制電路，該電路能夠?qū)崟r補(bǔ)償快速反射鏡的結(jié)構(gòu)諧振，改善快速反射鏡的幅頻特性，但是有兩方面的不足：其一，沒有設(shè)置專門的濾波電路模塊來濾除電路信號中頻率等于或接近于快速反射鏡諧振頻率的高次諧波，這會使快速反射鏡的精度受到影響，甚至可能會引起快速反射鏡結(jié)構(gòu)諧振而損壞壓電陶瓷片；其二，單一的pid算法電路本身是非線性的，特別是高頻掃描情況下電路的帶寬會嚴(yán)重受限，這使得快速反射鏡在大角度高頻率掃描應(yīng)用中掃描范圍變小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出一種全模擬高帶寬快速反射鏡的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效地增大了快速反射鏡控制系統(tǒng)的控制帶寬，適用于大角度高頻率光電掃描跟蹤領(lǐng)域，解決現(xiàn)有的壓電陶瓷驅(qū)動型快速反射鏡驅(qū)動器在大角度高頻率掃描情況下，掃描范圍對控制電壓的幅值響應(yīng)隨著頻率增大而出現(xiàn)較大的衰減的問題，同時也有效地提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種全模擬高帶寬快速反射鏡控制系統(tǒng)，所述的快速反射鏡是二維壓電陶瓷驅(qū)動快速反射鏡，包括位于w軸的第一壓電陶瓷堆、第二壓電陶瓷堆、第一位置傳感器和第二位置傳感器，位于y軸的第三壓電陶瓷堆和第四壓電陶瓷堆、第三位置傳感器和第四位置傳感器；所述的第一位置傳感器和第二位置傳感器分別測量第一壓電陶瓷堆和第二壓電陶瓷堆的伸縮長度，第三位置傳感器和第四位置傳感器分別測量壓第三壓電陶瓷堆和第四壓電陶瓷堆的伸縮長度，還包括恒壓控制電路、w軸的控制電路和y軸的控制電路：

所述的恒壓控制電路由依次的基準(zhǔn)電壓電路和第三功率放大電路組成，所述的第三功率放大電路的輸出端與第一壓電陶瓷堆的正極和第三壓電陶瓷堆的正極連接；

所述的w軸的電路包括：第一控制信號處理電路的輸出端的輸出端與第一減法器的一個輸入端連接，第一傳感信號處理電路的輸出端與第一減法器的另一個輸入端連接，第一減法器的輸出端與第一pid算法電路的輸入端相連，第一pid算法電路的輸出端與第一加法器的兩輸入端相連，第一加法器的輸出端連接第一濾波電路的輸入端，第一濾波電路的輸出端連接第一功率放大電路的輸入端；第一功率放大電路的輸出端與所述的第一壓電陶瓷堆的負(fù)極與第二壓電陶瓷堆的正極相連，第一位置傳感器和第二位置傳感器的輸出端與第一傳感信號處理電路兩輸入端相連；

所述的y軸的電路包括：第二控制信號處理電路的一個輸出端和第二傳感信號處理電路的輸出端分別與第二減法器的兩個輸入端相連，第二減法器輸出端與第二pid算法電路輸入端相連，第二pid算法電路的輸出端第二加法器的兩輸入端相連，第二加法器的輸出端連接第二濾波電路的輸入端，第二濾波電路的輸出端連接第二功率放大電路的輸入端，第二功率放大電路的輸出端與所述的第三壓電陶瓷堆的負(fù)極和第四壓電陶瓷堆的正極相連，第三位置傳感器的輸出端和第四位置傳感器的輸出端與第二傳感信號處理電路兩輸入端相連；

所述的第二壓電陶瓷堆的負(fù)極和第四壓電陶瓷堆的負(fù)極接電路的地電平，其特點(diǎn)在于：

在所述的w軸的電路的第一控制信號處理電路的輸出端與第一加法器的輸入端之間增設(shè)有第一前饋算法電路；在所述的y軸的電路的第二控制信號處理電路的輸出端與第二加法器的輸入端之間增設(shè)有第二前饋算法電路，所述的第一濾波電路和第二濾波電路為雙t陷波器。

所述的第一前饋算法電路和第二前饋算法電路為固定增益的比例放大器。

所述的雙t陷波器是一個或者兩個雙t陷波器的級聯(lián)制成的。

所述的第一位置傳感器和第二位置傳感器用以探測w軸方向上的第一壓電陶瓷堆和第二壓電陶瓷堆的伸縮量，經(jīng)第一傳感信號處理電路差分放大后產(chǎn)生能夠反應(yīng)w軸偏轉(zhuǎn)角度的位置信號。w軸的外部輸入控制信號經(jīng)第一控制信號處理電路處理后與上述的w軸偏轉(zhuǎn)角度的位置信號經(jīng)所述的第一減法器做差求出誤差信號，再經(jīng)第一pid算法電路處理后得到w軸的補(bǔ)償信號，該補(bǔ)償信號與第一前饋算法電路輸出的信號經(jīng)第一加法器求和得到w軸的控制量，再經(jīng)過第一濾波電路濾波和第一功率放大電路放大后控制w軸偏轉(zhuǎn)。

所述的第三位置傳感器和第四位置傳感器用以探測y軸方向上的第三壓電陶瓷堆和第四壓電陶瓷堆的伸縮量，經(jīng)第二傳感信號處理電路差分放大后產(chǎn)生能夠反應(yīng)y軸偏轉(zhuǎn)角度的位置信號。y軸的外部輸入信號經(jīng)第二控制信號處理電路處理后與上述的y軸偏轉(zhuǎn)角度的位置信號經(jīng)所述的第二減法器做差求出誤差信號，再經(jīng)第二pid算法電路處理后得到y(tǒng)軸的補(bǔ)償信號，該補(bǔ)償信號與第二前饋算法電路輸出的信號經(jīng)第二加法器求和得到y(tǒng)軸的控制量，經(jīng)過第二濾波電路濾波和第二功率放大電路放大后控制y軸偏轉(zhuǎn)。

所述的第一前饋算法電路和第二前饋算法電路由固定增益的比例放大器組成，作用是調(diào)節(jié)控制信號的增益，使得控制信號直接按一定的權(quán)重影響快速反射鏡的偏轉(zhuǎn)量。

所述的濾波電路5和13由雙t陷波器組成，陷波器可以是一個或者兩個雙t陷波器級聯(lián)制成的，如果使用一個雙t陷波器，其帶阻頻帶的中心頻率等于快速反射鏡的結(jié)構(gòu)諧振頻率，如果使用兩個雙t陷波器級聯(lián)，兩個雙t陷波器的帶阻中心頻率分別為快速反射鏡的結(jié)構(gòu)諧振頻率和壓電陶瓷片的諧振頻率。

本發(fā)明的技術(shù)效果是：

本發(fā)明控制系統(tǒng)加入的前饋算法電路，彌補(bǔ)了單純pid算法電路的不足，能夠有效的改善二維壓電陶瓷型快速反射鏡在大角度高頻率掃描情況下的幅頻特性和相頻特性，使得系統(tǒng)的掃描角度范圍對控制電壓的幅值響應(yīng)隨著掃描頻率的增加衰減較小。所述的的濾波電路采用了雙t陷波器，除去了電路中能夠引起快速反射鏡不穩(wěn)定工作的特定諧波頻率，增強(qiáng)了電路穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明全模擬高帶寬快速反射鏡控制系統(tǒng)實(shí)施例的示意圖

圖2是現(xiàn)有常用的數(shù)字型驅(qū)動器的控制框圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

請先參閱圖1，圖1是本發(fā)明全模擬高帶寬快速反射鏡控制系統(tǒng)實(shí)施例的示意圖，由圖可見，本發(fā)明全模擬高帶寬快速反射鏡控制系統(tǒng)，所述的快速反射鏡是二維壓電陶瓷驅(qū)動快速反射鏡，包括位于w軸的第一壓電陶瓷堆19、第二壓電陶瓷堆20、第一位置傳感器15、第二位置傳感器16，位于y軸的第三壓電陶瓷堆21和第四壓電陶瓷堆22，第三位置傳感器17和第四位置傳感器18；所述的第一位置傳感器15和第二位置傳感器16分別測量第一壓電陶瓷堆19和第二壓電陶瓷堆20的伸縮長度，第三位置傳感器17和第四位置傳感器18分別測量壓第三壓電陶瓷堆21和第四壓電陶瓷堆22的伸縮長度，還包括恒壓控制電路、w軸的控制電路和y軸的控制電路：

所述的恒壓控制電路由依次的基準(zhǔn)電壓電路7和第三功率放大電路8組成，所述的第三功率放大電路8的輸出端與第一壓電陶瓷堆19的正極和第三壓電陶瓷堆21的正極連接；

所述的w軸的電路包括：第一控制信號處理電路1的輸出端和第一前饋算法電路4的輸入端相連，第一控制信號處理電路1的輸出端還與第一減法器的一個輸入端連接，第一傳感信號處理電路2的輸出端與第一減法器的另一個輸入端連接，第一減法器的輸出端與第一pid算法電路3的輸入端相連，第一pid算法電路3的輸出端和第一前饋算法電路4的輸出端與第一加法器的兩輸入端相連，第一加法器的輸出端連接第一濾波電路5的輸入端，第一濾波電路5的輸出端連接第一功率放大電路6的輸入端；第一功率放大電路6的輸出端與所述的第一壓電陶瓷堆19的負(fù)極與第二壓電陶瓷堆20的正極相連，第一位置傳感器15和第二位置傳感器16的輸出端與第一傳感信號處理電路2兩輸入端相連；

所述的y軸的電路包括：第二控制信號處理電路9的一個輸出端和第二前饋算法電路10的輸入端相連，第二控制信號處理電路9的另一輸出端和第二傳感信號處理電路12的輸出端分別與第二減法器的兩輸入端相連，第二減法器輸出端與第二pid算法電路11輸入端相連，第二pid算法電路11的輸出端和第二前饋算法電路10的輸出端與第二加法器的兩輸入端相連，第二加法器的輸出端連接第二濾波電路13的輸入端，第二濾波電路13的輸出端連接第二功率放大電路14的輸入端，第二功率放大電路14的輸出端與所述的第三壓電陶瓷堆21的負(fù)極和第四壓電陶瓷堆22的正極相連，第三位置傳感器17的輸出端和第四位置傳感器18的輸出端與第二傳感信號處理電路12兩輸入端相連；

所述的第二壓電陶瓷堆20的負(fù)極和第四壓電陶瓷堆22的負(fù)極接電路的地電平。

由于w軸和y軸垂直分布，理論上完全獨(dú)立不存在運(yùn)動的耦合，因此其控制策略完全一樣，以下的具體實(shí)施例以w軸的控制為例進(jìn)行說明：

第一傳感信號處理電路2將第一位置傳感器15和第二位置傳感器16測得的w軸的第一壓電陶瓷堆19和第二壓電陶瓷堆20的伸縮量轉(zhuǎn)變成電壓信號經(jīng)差分放大運(yùn)算后，得到w軸的偏轉(zhuǎn)角度反饋量u1(電壓形式表示)。

w軸外部控制信號經(jīng)過第一外部控制信號處理電路1處理后得到位置的設(shè)定量u2。

w軸位置反饋量u1和位置設(shè)定量u2經(jīng)第一減法器相減得到位置誤差信號△u1,經(jīng)過第一pid算法電路3處理后得到需要的補(bǔ)償量△u2。

位置設(shè)定量u2經(jīng)過第一前饋算法電路4按一定比例放大后得到前饋信號u3。

前饋信號u3和補(bǔ)償量△u2經(jīng)第一加法器求和后得到需要的總控制信號u4。

控制信號u4經(jīng)w軸第一濾波電路5濾除能夠引起快速反射鏡諧振的特定頻率的高次諧波后，被w軸第一功率放大電路6放大后驅(qū)動快速反射鏡的第一壓電陶瓷堆19和第二壓電陶瓷堆20伸縮運(yùn)動，使快速反射鏡w軸方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

本實(shí)施例中的第一位置傳感器15和第二位置傳感器16是應(yīng)變電阻位置傳感器，采用的功率放大器是mostet放大器(作為參考，本案例使用的是apex公司生產(chǎn)的pa96ce功率放大器)，采用的前饋算法電路4具體形式可以是某特定增益的比例放大器，另外由于快速反射鏡的偏轉(zhuǎn)屬于機(jī)械運(yùn)動，為了防止意外情況下的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動受阻，所述的pid算法電路3可采用抗積分飽和pid算法電路。

本實(shí)施例的第一濾波器電路5采用的是雙t陷波器，目的是濾除可能引起快速反射鏡諧振的，和結(jié)構(gòu)諧振頻率f1和壓電陶瓷片諧振頻率f2相等或者相近的電路中高次諧波。

本實(shí)施例的具體參數(shù)整定過程中應(yīng)先開環(huán)后閉環(huán)的順序：

開環(huán)參數(shù)整定過程中信號流向依次為從外部信號輸入到第一控制信號處理電路，第一前饋算法電路，求和電路，第一濾波器電路，第一功率放大電路，壓電陶瓷堆的電極；

其中外部控制信號變化范圍△u5和功率運(yùn)放輸出范圍△u6對應(yīng)快速反射鏡最大偏轉(zhuǎn)行程,則a＝△u6/△u5即為控制信號處理電路和前饋算法電路放大倍數(shù)的乘積；

閉環(huán)參數(shù)整定過程中需要將傳感器處理單元得到的位置反饋信號u1與上述的控制信號處理單元得到的控制信號u2相減得到誤差信號,由pid控制理論可知穩(wěn)態(tài)下任意快速反射鏡偏轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的u1和u2必定相等，即u1的變化范圍與u2的變化范圍相等，且考慮到電路的穩(wěn)定性，變化范圍應(yīng)等于模擬硬件電路最大輸出值的80％左右。

pid參數(shù)的整定在前饋算法單元接入電路工作的情況下進(jìn)行，按照先比例后積分的原則，選擇合適的pid參數(shù)。

本實(shí)施例以國產(chǎn)的芯明天公司的型號為p33.t8s快速反射鏡為例，該型號快速反射鏡標(biāo)稱單軸等效電容為14.5uf，控制電壓為-15到120v，最終達(dá)到的控制效果為：正弦信號控制下做頻率為1k,掃描角度為1mrad的震動，可以做到響應(yīng)振幅接近100％的響應(yīng)，相位延時小于90度，信號紋波小于10mv。