一种快速反射镜的驱动系统和方法与流程

本发明涉及快速反射镜的，具体而言，涉及一种快速反射镜的驱动系统和方法。

背景技术：

1、快速反射镜是一类控制光束传播路径的设备，可以通过改变目标与接收器之间的光路，实现扫描像移补偿、凝视成像等功能，在光学领域有着重要的应用。它通常需要非常高的控制带宽，以便尽可能快地完成循环路径，同时需要非常高的定位精度，以抑制光路的抖动。快速反射镜的驱动系统则直接决定了其能够达到的性能指标。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种具有高控制带宽、高定位精度的快速反射镜驱动系统和方法。

2、本发明的技术方案是：提供了一种快速反射镜驱动方法，其特征在于，方法包括：

3、s1、用户设定快速反射镜控制模块的输入设定频率fin、输入幅值min和输入相位并通过传感器探头获取控制模块输出信号的输出幅值mout和输出相位计算所获取的控制模块输入与输出信号的相位差和幅值增益m：

4、

5、控制模块增加输入的设定频率直至达到扫频上限，记录过程中的相位差和幅值增益绘制伯德图；

6、s2、从伯德图曲线中读取其恒增益阶段对应的幅值增益ma，以及其谐振峰对应的输入设定频率fb、幅值增益mb和相位差

7、快速反射镜系统模型表达式为：

8、

9、通过伯德图即可得到上述表达式，表达式中的参数由上述幅值增益ma、输入设定频率fb、幅值增益mb和相位差得到；

10、其中，增益k计算如下：

11、

12、系统自然振荡频率ωn和系统阻尼δ满足：

13、

14、系统延时系数kt计算如下：

15、

16、s3、外部指定希望快速反射镜旋转的角度向快速反射镜发射控制信号k(s)，控制模块读取包含快速反射镜当前时刻旋转的角度的信号作为输入信号c(s)与控制信号k(s)作差得到偏离值e(s)，对偏离值e(s)使用复合控制算法计算当前时刻控制量发送至快速反射镜的驱动装置，直至偏差值e(s)归零；

17、其中，控制参数a和b由控制信号k(s)提供，a与b越大快速反射镜运动更快、稳定性越低，特征参数k1和k2与快速反射镜系统模型g(s)相关，k1·k2＝ωn2，k1+k2＝2δωn。

18、本发明还提供了一种基于上述任一项快速反射镜驱动方法的快速反射镜驱动系统，该系统包括：镜面、转动轴、音圈电机、传感器探头和控制模块；

19、转动轴位于镜面背面的中心，两个反向的音圈电机分别位于镜面背面的两侧对称布置；

20、音圈电机包括线圈与磁芯，线圈与快速反射镜装置的壳体固定，磁芯与镜面背面固定，线圈两端接收电压后产生洛伦兹力，与磁芯产生相对运动，从而使镜面以转动轴为轴转动；

21、一对传感器探头对称安装在镜面一条侧边的正反两面，并与镜面保持适当距离；

22、控制模块连接音圈电机和传感器探头，控制模块采集传感器探头产生的电压信号，将电压信号与控制模块通讯接收到的外部指令信号进行求差生成控制信号，并发送控制信号至音圈电机使其工作。

23、上述任一项技术方案中，进一步地，系统还包括：功率放大器和dac转换器；

24、功率放大器与音圈电机串联；

25、dac转换器接收控制模块发送的数字信号并转换为模拟信号输出；

26、功率放大器接收dac转换器输出的信号并进行功率线性放大，功率放大器输出具备输出功率能力的驱动电压施加至音圈电机的两端。

27、上述任一项技术方案中，进一步地，dac转换器将数字信号转换为模拟信号后，再对模拟信号的电压范围进行调理，使其符合功率放大器的输入要求。

28、上述任一项技术方案中，进一步地，功率放大器使用低噪声的线性稳压电源为其供电。

29、上述任一项技术方案中，进一步地，系统还包括：adc转换器；

30、传感器探头探测自身与镜面的距离，以电压信号的形式输入至adc转换器中，adc转换器先将电压信号转换为差分信号，再将差分信号转换为数字信号作为输出发送至控制模块中。

31、上述任一项技术方案中，进一步地，控制模块包括：电源电路、时钟电路、外围扩展电路和核心计算电路；

32、电源电路通过dc/dc芯片以及线性稳压电源，将外部提供的电源转换为不同等级的电压，供控制模块的各部分使用；

33、时钟电路产生时钟信号供核心计算电路使用，同时时钟电路按照设定好的时序对电源电路进行管理，同等级的电压能够按照设定的时序进行分时输出及断电；

34、外围扩展电路包括存储芯片和通讯芯片，存储芯片用于扩展存储空间，通讯芯片将数据转换为工业标准rs协议，实现对外数据通讯；

35、核心计算电路集成arm和fpga，其中arm用于进行算法运算，fpga用于产生和接收时序信号，并与dac转换器和adc转换器进行数据交互。

36、上述任一项技术方案中，进一步地，控制模块接收传感器探头根据自身与镜面距离产生的电压信号，控制模块接收由通讯芯片接收的外部指令信号，将电压信号与外部指令信号相减计算得到所需控制量，根据所需控制量生成控制信号作为控制模块的输出。

37、本发明的有益效果是：

38、本发明的技术方案中，功率放大器工作状态下运行在线性区，实现电信号到功率输出的等比例转换，满足高带宽控制的需要，相对于传统的dc/dc变换拓扑，避免了其固有的pwm开关动作入的高频谐波，能实现连续可调的电压输出；

39、驱动部分由两个反向的音圈电机在镜面两侧一推一拉，可以在有限空间内最大化对镜面的作用力，并使镜面受力均衡；

40、传感器探头使用差动式的安装方式，可以消除组件平移、温度变化等因素导致的测量误差，使采集的镜面运动信息更加精确；

41、adc转换器包括两颗芯片，一颗将电压信号转换为差分信号，另一颗将差分信号转换为数字信号，可以极大程度上抑制共模噪声干扰，提高动态范围，提高采样的总体性能；

42、控制模块的外围扩展电路包含能够加大存储空间的存储芯片和具备rs422串口传输功能的通讯芯片，能够有效地对外接受外部控制指令以及对外传输信息。

技术特征：

1.一种快速反射镜驱动方法，其特征在于，所述方法包括：

2.一种基于权利要求1所述快速反射镜驱动方法的快速反射镜驱动系统，其特征在于，所述系统包括：镜面(1)、转动轴(2)、音圈电机(3)、传感器探头(5)和控制模块；

3.如权利要求2所述的快速反射镜驱动系统，其特征在于，所述系统还包括：功率放大器(4)和dac转换器(6)；

4.如权利要求2所述的快速反射镜驱动系统，其特征在于，所述dac转换器(6)将数字信号转换为模拟信号后，再对模拟信号的电压范围进行调理，使其符合所述功率放大器(4)的输入要求。

5.如权利要求2所述的快速反射镜驱动系统，其特征在于，所述功率放大器(4)使用低噪声的线性稳压电源为其供电。

6.如权利要求2所述的快速反射镜驱动系统，其特征在于，所述系统还包括：adc转换器(7)；

7.如权利要求6所述的快速反射镜驱动系统，其特征在于，所述控制模块包括：电源电路、时钟电路、外围扩展电路和核心计算电路；

8.如权利要求7所述的快速反射镜驱动系统，其特征在于，所述控制模块接收所述传感器探头(5)根据自身与所述镜面(1)距离产生的电压信号，所述控制模块接收由所述通讯芯片接收的外部指令信号，将所述电压信号与所述外部指令信号相减计算得到所需控制量，根据所述所需控制量生成所述控制信号作为所述控制模块的输出。

技术总结
本发明公开了一种快速反射镜驱动方法和系统，涉及快速反射镜领域，该驱动方法包括：扫频获取反射镜的伯德图，根据伯德图确定复合控制算法参数，根据镜面的位置信息和外部通讯的指令，计算控制量输出驱动音圈电机控制反射镜；该驱动系统包括：镜面、转动轴、音圈电机、传感器探头和控制模块；转动轴位于镜面背面的中心；两个反向的音圈电机分别位于镜面背面的两侧对称布置；一对传感器探头对称安装在镜面一条侧边的正反两面，并与镜面保持适当距离；控制模块连接音圈电机和传感器探头，对由传感器探头采集到的数据进行分析处理，并发送控制信号至音圈电机使其工作。

技术研发人员：孙海晶,李鹏,田杰,陈晶,胡德旺,王杰,张正卿,李锐,吴浩伟,蔡久青,金翔,吴钫,李小谦,李可维
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一九研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15