全模拟高带宽快速反射镜的控制系统的制作方法

本发明涉及快速反射镜，特别是一种全模拟高带宽快速反射镜的控制系统。

背景技术：

快速反射镜是一种用于空间激光光束指向精密控制的核心器件，具有响应速度快、谐振频率高、指向精度高等优点，已被广泛的应用于复合轴精密控制，自适应光学等领域。

快速反射镜按驱动原理分为音圈电机快速反射镜和压电陶瓷快速反射镜，本文涉及的是二维压电陶瓷快速反射镜。压电陶瓷快速反射镜的驱动器分为模拟驱动器和数字型驱动器，数字型驱动器(原理如图2所示)由于信号采集，处理等过程造成的延时较大使得带宽严重受限，而模拟型驱动器由于采用的是全模拟电路，因此其控制系统体积可以做的很小，且响应较快，工作带宽比数字型驱动器得到很大改善。无论数字型驱动器还是模拟型驱动器最终的工作带宽都会受到最后的功率放大电路驱动能力的影响，特别是驱动偏转角度较大的压电陶瓷型快速反射镜，功率运放的容性负载效应使得电路带宽难以大范围提高。

中国发明专利cn1050451141的说明书中提供了一种提高快速反射镜控制带宽的模拟控制电路，该电路能够实时补偿快速反射镜的结构谐振，改善快速反射镜的幅频特性，但是有两方面的不足：其一，没有设置专门的滤波电路模块来滤除电路信号中频率等于或接近于快速反射镜谐振频率的高次谐波，这会使快速反射镜的精度受到影响，甚至可能会引起快速反射镜结构谐振而损坏压电陶瓷片；其二，单一的pid算法电路本身是非线性的，特别是高频扫描情况下电路的带宽会严重受限，这使得快速反射镜在大角度高频率扫描应用中扫描范围变小。

技术实现要素：

本发明提出一种全模拟高带宽快速反射镜的控制系统。该系统有效地增大了快速反射镜控制系统的控制带宽，适用于大角度高频率光电扫描跟踪领域，解决现有的压电陶瓷驱动型快速反射镜驱动器在大角度高频率扫描情况下，扫描范围对控制电压的幅值响应随着频率增大而出现较大的衰减的问题，同时也有效地提高了系统的响应速度。

本发明的技术解决方案如下：

一种全模拟高带宽快速反射镜控制系统，所述的快速反射镜是二维压电陶瓷驱动快速反射镜，包括位于w轴的第一压电陶瓷堆、第二压电陶瓷堆、第一位置传感器和第二位置传感器，位于y轴的第三压电陶瓷堆和第四压电陶瓷堆、第三位置传感器和第四位置传感器；所述的第一位置传感器和第二位置传感器分别测量第一压电陶瓷堆和第二压电陶瓷堆的伸缩长度，第三位置传感器和第四位置传感器分别测量压第三压电陶瓷堆和第四压电陶瓷堆的伸缩长度，还包括恒压控制电路、w轴的控制电路和y轴的控制电路：

所述的恒压控制电路由依次的基准电压电路和第三功率放大电路组成，所述的第三功率放大电路的输出端与第一压电陶瓷堆的正极和第三压电陶瓷堆的正极连接；

所述的w轴的电路包括：第一控制信号处理电路的输出端的输出端与第一减法器的一个输入端连接，第一传感信号处理电路的输出端与第一减法器的另一个输入端连接，第一减法器的输出端与第一pid算法电路的输入端相连，第一pid算法电路的输出端与第一加法器的两输入端相连，第一加法器的输出端连接第一滤波电路的输入端，第一滤波电路的输出端连接第一功率放大电路的输入端；第一功率放大电路的输出端与所述的第一压电陶瓷堆的负极与第二压电陶瓷堆的正极相连，第一位置传感器和第二位置传感器的输出端与第一传感信号处理电路两输入端相连；

所述的y轴的电路包括：第二控制信号处理电路的一个输出端和第二传感信号处理电路的输出端分别与第二减法器的两个输入端相连，第二减法器输出端与第二pid算法电路输入端相连，第二pid算法电路的输出端第二加法器的两输入端相连，第二加法器的输出端连接第二滤波电路的输入端，第二滤波电路的输出端连接第二功率放大电路的输入端，第二功率放大电路的输出端与所述的第三压电陶瓷堆的负极和第四压电陶瓷堆的正极相连，第三位置传感器的输出端和第四位置传感器的输出端与第二传感信号处理电路两输入端相连；

所述的第二压电陶瓷堆的负极和第四压电陶瓷堆的负极接电路的地电平，其特点在于：

在所述的w轴的电路的第一控制信号处理电路的输出端与第一加法器的输入端之间增设有第一前馈算法电路；在所述的y轴的电路的第二控制信号处理电路的输出端与第二加法器的输入端之间增设有第二前馈算法电路，所述的第一滤波电路和第二滤波电路为双t陷波器。

所述的第一前馈算法电路和第二前馈算法电路为固定增益的比例放大器。

所述的双t陷波器是一个或者两个双t陷波器的级联制成的。

所述的第一位置传感器和第二位置传感器用以探测w轴方向上的第一压电陶瓷堆和第二压电陶瓷堆的伸缩量，经第一传感信号处理电路差分放大后产生能够反应w轴偏转角度的位置信号。w轴的外部输入控制信号经第一控制信号处理电路处理后与上述的w轴偏转角度的位置信号经所述的第一减法器做差求出误差信号，再经第一pid算法电路处理后得到w轴的补偿信号，该补偿信号与第一前馈算法电路输出的信号经第一加法器求和得到w轴的控制量，再经过第一滤波电路滤波和第一功率放大电路放大后控制w轴偏转。

所述的第三位置传感器和第四位置传感器用以探测y轴方向上的第三压电陶瓷堆和第四压电陶瓷堆的伸缩量，经第二传感信号处理电路差分放大后产生能够反应y轴偏转角度的位置信号。y轴的外部输入信号经第二控制信号处理电路处理后与上述的y轴偏转角度的位置信号经所述的第二减法器做差求出误差信号，再经第二pid算法电路处理后得到y轴的补偿信号，该补偿信号与第二前馈算法电路输出的信号经第二加法器求和得到y轴的控制量，经过第二滤波电路滤波和第二功率放大电路放大后控制y轴偏转。

所述的第一前馈算法电路和第二前馈算法电路由固定增益的比例放大器组成，作用是调节控制信号的增益，使得控制信号直接按一定的权重影响快速反射镜的偏转量。

所述的滤波电路5和13由双t陷波器组成，陷波器可以是一个或者两个双t陷波器级联制成的，如果使用一个双t陷波器，其带阻频带的中心频率等于快速反射镜的结构谐振频率，如果使用两个双t陷波器级联，两个双t陷波器的带阻中心频率分别为快速反射镜的结构谐振频率和压电陶瓷片的谐振频率。

本发明的技术效果是：

本发明控制系统加入的前馈算法电路，弥补了单纯pid算法电路的不足，能够有效的改善二维压电陶瓷型快速反射镜在大角度高频率扫描情况下的幅频特性和相频特性，使得系统的扫描角度范围对控制电压的幅值响应随着扫描频率的增加衰减较小。所述的的滤波电路采用了双t陷波器，除去了电路中能够引起快速反射镜不稳定工作的特定谐波频率，增强了电路稳定性。

附图说明

图1是本发明全模拟高带宽快速反射镜控制系统实施例的示意图

图2是现有常用的数字型驱动器的控制框图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1是本发明全模拟高带宽快速反射镜控制系统实施例的示意图，由图可见，本发明全模拟高带宽快速反射镜控制系统，所述的快速反射镜是二维压电陶瓷驱动快速反射镜，包括位于w轴的第一压电陶瓷堆19、第二压电陶瓷堆20、第一位置传感器15、第二位置传感器16，位于y轴的第三压电陶瓷堆21和第四压电陶瓷堆22，第三位置传感器17和第四位置传感器18；所述的第一位置传感器15和第二位置传感器16分别测量第一压电陶瓷堆19和第二压电陶瓷堆20的伸缩长度，第三位置传感器17和第四位置传感器18分别测量压第三压电陶瓷堆21和第四压电陶瓷堆22的伸缩长度，还包括恒压控制电路、w轴的控制电路和y轴的控制电路：

所述的恒压控制电路由依次的基准电压电路7和第三功率放大电路8组成，所述的第三功率放大电路8的输出端与第一压电陶瓷堆19的正极和第三压电陶瓷堆21的正极连接；

所述的w轴的电路包括：第一控制信号处理电路1的输出端和第一前馈算法电路4的输入端相连，第一控制信号处理电路1的输出端还与第一减法器的一个输入端连接，第一传感信号处理电路2的输出端与第一减法器的另一个输入端连接，第一减法器的输出端与第一pid算法电路3的输入端相连，第一pid算法电路3的输出端和第一前馈算法电路4的输出端与第一加法器的两输入端相连，第一加法器的输出端连接第一滤波电路5的输入端，第一滤波电路5的输出端连接第一功率放大电路6的输入端；第一功率放大电路6的输出端与所述的第一压电陶瓷堆19的负极与第二压电陶瓷堆20的正极相连，第一位置传感器15和第二位置传感器16的输出端与第一传感信号处理电路2两输入端相连；

所述的y轴的电路包括：第二控制信号处理电路9的一个输出端和第二前馈算法电路10的输入端相连，第二控制信号处理电路9的另一输出端和第二传感信号处理电路12的输出端分别与第二减法器的两输入端相连，第二减法器输出端与第二pid算法电路11输入端相连，第二pid算法电路11的输出端和第二前馈算法电路10的输出端与第二加法器的两输入端相连，第二加法器的输出端连接第二滤波电路13的输入端，第二滤波电路13的输出端连接第二功率放大电路14的输入端，第二功率放大电路14的输出端与所述的第三压电陶瓷堆21的负极和第四压电陶瓷堆22的正极相连，第三位置传感器17的输出端和第四位置传感器18的输出端与第二传感信号处理电路12两输入端相连；

所述的第二压电陶瓷堆20的负极和第四压电陶瓷堆22的负极接电路的地电平。

由于w轴和y轴垂直分布，理论上完全独立不存在运动的耦合，因此其控制策略完全一样，以下的具体实施例以w轴的控制为例进行说明：

第一传感信号处理电路2将第一位置传感器15和第二位置传感器16测得的w轴的第一压电陶瓷堆19和第二压电陶瓷堆20的伸缩量转变成电压信号经差分放大运算后，得到w轴的偏转角度反馈量u1(电压形式表示)。

w轴外部控制信号经过第一外部控制信号处理电路1处理后得到位置的设定量u2。

w轴位置反馈量u1和位置设定量u2经第一减法器相减得到位置误差信号△u1,经过第一pid算法电路3处理后得到需要的补偿量△u2。

位置设定量u2经过第一前馈算法电路4按一定比例放大后得到前馈信号u3。

前馈信号u3和补偿量△u2经第一加法器求和后得到需要的总控制信号u4。

控制信号u4经w轴第一滤波电路5滤除能够引起快速反射镜谐振的特定频率的高次谐波后，被w轴第一功率放大电路6放大后驱动快速反射镜的第一压电陶瓷堆19和第二压电陶瓷堆20伸缩运动，使快速反射镜w轴方向发生偏转。

本实施例中的第一位置传感器15和第二位置传感器16是应变电阻位置传感器，采用的功率放大器是mostet放大器(作为参考，本案例使用的是apex公司生产的pa96ce功率放大器)，采用的前馈算法电路4具体形式可以是某特定增益的比例放大器，另外由于快速反射镜的偏转属于机械运动，为了防止意外情况下的偏转运动受阻，所述的pid算法电路3可采用抗积分饱和pid算法电路。

本实施例的第一滤波器电路5采用的是双t陷波器，目的是滤除可能引起快速反射镜谐振的，和结构谐振频率f1和压电陶瓷片谐振频率f2相等或者相近的电路中高次谐波。

本实施例的具体参数整定过程中应先开环后闭环的顺序：

开环参数整定过程中信号流向依次为从外部信号输入到第一控制信号处理电路，第一前馈算法电路，求和电路，第一滤波器电路，第一功率放大电路，压电陶瓷堆的电极；

其中外部控制信号变化范围△u5和功率运放输出范围△u6对应快速反射镜最大偏转行程,则a＝△u6/△u5即为控制信号处理电路和前馈算法电路放大倍数的乘积；

闭环参数整定过程中需要将传感器处理单元得到的位置反馈信号u1与上述的控制信号处理单元得到的控制信号u2相减得到误差信号,由pid控制理论可知稳态下任意快速反射镜偏转角度对应的u1和u2必定相等，即u1的变化范围与u2的变化范围相等，且考虑到电路的稳定性，变化范围应等于模拟硬件电路最大输出值的80％左右。

pid参数的整定在前馈算法单元接入电路工作的情况下进行，按照先比例后积分的原则，选择合适的pid参数。

本实施例以国产的芯明天公司的型号为p33.t8s快速反射镜为例，该型号快速反射镜标称单轴等效电容为14.5uf，控制电压为-15到120v，最终达到的控制效果为：正弦信号控制下做频率为1k,扫描角度为1mrad的震动，可以做到响应振幅接近100％的响应，相位延时小于90度，信号纹波小于10mv。