倾斜反射镜的驱动设计和控制研究.docx

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倾斜反射镜的驱动设计和控制研究

II

ABSTRACT

Tiltmirrorscommonlyusedinmicro-positioningsystem，whichachievesoverall

correctionofwave-frontintheadaptiveopticssystemandisusedforfinetrackingin

theATPsystemofspaceopticalcommunicationt.Tiltmirrorsbasedonmicro-

positioningsystemneedtobefocusedincludinghowtoselectthedrivemodetoachieve

asmallangleofdeflectionandhowtoimprovecontrolaccuracy.

Solvetheaboveproblem,onthebasisofanalysisoftheinclinedmirrorworks,to

carryouttherotationdrivetechnologybasedonpiezoelectricceramicactuatortilt

mirrorandtoimprovethedrivesystemcontrolprecisiontechnologyintheclosed-loop

systemwithPIDcontrolalgorithm.Themaincontentsinclude:

First,thisthesisintroducesthetiltmirrorworkingprinciple,andthendesignsthe

piezoelectrictiltmirrordrivenbytheoverallframework,followeddetaileddiscussionof

thedesignprinciplesofeachmodule,includinginputcontrolmodule,powermodule,

high-voltagepoweramplifiermoduleandsensorcircuitmodule.Theinputcontrol

modulefocusesonthechoiceoftheDSPchipanditsperipheralcircuitdesign,theD/A

convertercircuitandA/Dconvertercircuit;Thepowermodulediscussesthedesignof

highvoltagepowersupplyandlowvoltagepowersupplydesign,focusesonthedesign

ofhighvoltagepowersupply;Thehigh-voltagepowermoduleisthecoreoftheentire

drivesystem,sothehighlights,includingthechoiceofthedevice,circuitdesignand

circuitprotectionmeasures.Thesensordetectioncircuitmoduleintroducestheworking

principleofthesensorandcontroltheory.

Second,itestablishedtheframeworkofthepiezoelectricceramiccontrolsystem,

selectedandgavedetailsofthepiezoelectricceramicservo-controlmoduleandthe

piezoelectricceramicactuatortiltplatform,andanalyzetheopen-loopandclosed-loop

workingprincipleofthepiezoelectricceramiccontrolsystem.Thenintroducedthe

piezoelectricceramiccontrolsystemforanclosed-loopcontrolalgorithm,first

establishedthemathematicalmodelofapiezoelectricceramicdrivesystemandderived

open-loopsystemtransferfunction,andthensimulatingtheestablishedmodelusingtheIII

Ziegler-Nicholstuningtitration,theresultshowsthatthesystemaftercorrectionhave

smallovershoot,fastresponsetime,smallsteadystateerror.

Third,thisthesisuseMultisimsoftwaresimulatethelinearity,thelinearityerror,

staticripperanddynamicperformanceofthedesignedcircuit,producedadriverboard

accordingtothedrivercircuitandtestedtheperformanceofthedriveplate.Thetest

resultsshowthatthedrivecircuitdesignedtomeetthedesignrequirements.Inaddition,

wealsotestedtherelationshipbetweenthepiezoelectricceramiccylindersandboth

endsoftheappliedvoltageintheopen-loopmodeandinthedetectioncompensation

closed-loopmode.

Keywords:

tiltmirror,piezoelectricceramics,PIDtuningI

摘要

倾斜反射镜常用于微定位系统，在自适应光学系统中可用于实现波前整体校

正，在空间光通信ATP系统中可用于执行精跟踪光束偏转等。

基于倾斜反射镜的

微定位系统需要重点关注小角度偏转条件下合理驱动方式的选择问题以及怎样提

高控制精度问题。

针对以上问题，本文在开展倾斜镜工作原理分析的基础上，开展了基于压电

陶瓷驱动器的倾斜反射镜转动驱动技术研究以及在闭环系统中采用PID控制算法

提高驱动系统控制精度技术的研究。

论文主要内容包括：

1、在分析倾斜反射镜工作原理的基础上，设计了压电倾斜镜驱动的总体框架，

论述了各个模块的设计原理，包括输入控制模块、电源模块、高压功率放大模块

和传感器检测回路模块。

输入控制模块主要讨论了DSP芯片选择及其外围电路设

计、D/A转换电路和A/D转换电路；电源模块讨论了高压电源的设计和低压电源的

设计，重点开展了高压电源以及高压功率模块（包括器件的选择，电路的设计及

其电路的保护措施等）的设计；传感器检测回路模块分析了传感器回路的工作原

理和控制原理。

2、在完成压电陶瓷伺服控制模块和压电陶瓷执行器倾斜平台选择的基础上，

分析了压电陶瓷控制系统开环和闭环工作原理，搭建了压电陶瓷控制系统模型。

论文开展了基于压电陶瓷控制系统的闭环控制算法研究，建立了压电陶瓷驱动系

统的数学模型，导出了开环系统传递函数，采用Ziegler-Nichols整定法对所建立的

模型进行了仿真，仿真结果显示经过校正后系统超调量小、响应时间快、稳定误

差小。

3、用Multisim软件对所设计的驱动电路的线性度、线性误差、静态纹波和动

态性能等方面进行了仿真，并根据驱动电路制作了驱动板，测试了驱动板的性能。

测试结果表明，本文所设计的驱动电路满足设计要求。

最后，本文还测试了在开

环模式和在有检测补偿的闭环模式下，压电陶瓷柱体和其两端施加的电压之间的

关系。

关键词：

倾斜反射镜，压电陶瓷驱动，PID整定V

3.3.3低压稳压源.................................................26

3.3.4精密参考电压源.............................................27

3.4高压功率放大模块设计..........................................27

3.4.1信号调整单元设计...........................................27

3.4.2功率放大单元设计...........................................28

3.4.3高压运算放大电路保护与补偿.................................31

3.5传感器检测电路设计............................................32

3.5.1传感器类型的选择...........................................33

3.5.2应变计传感器工作原理.......................................33

3.5.3应变计传感器控制电路.......................................34

3.6本章小结......................................................35

第四章压电倾斜反射镜控制系统设计..................................36

4.1压电驱动控制系统..............................................36

4.1.1压电驱动控制系统总体框架...................................36

4.1.2压电陶瓷伺服控制模块.......................................37

4.1.3压电陶瓷驱动平台...........................................38

4.1.4压电陶瓷驱动控制系统工作模式...............................40

4.2压电驱动控制算法..............................................42

4.2.1压电驱动系统传递函数.......................................42

4.2.2压电驱动系统PID控制研究...................................43

4.2.3PID控制仿真................................................45

4.3本章小结......................................................49

第五章压电陶瓷驱动系统的仿真与测试................................51

5.1压电陶瓷驱动电路仿真..........................................51

5.1.1驱动电路的动态性能仿真.....................................51

5.1.2驱动电路的静态性能仿真.....................................52

5.2驱动电路PCB板设计............................................54

5.2.1PCB板设计注意问题.........................................54

5.2.2驱动电路PCB电路图和实物图................................54

5.3驱动板的测试..................................................55

5.3.1线性度线性误差测试.........................................55

5.3.2静态纹波测试...............................................57IV

第一章绪论.......................................................1

1.1倾斜反射镜研究的背景...........................................1

1.1.1倾斜反射镜简介..............................................2

1.1.2倾斜反射镜工作原理..........................................3

1.2国内外研究状况.................................................4

1.2.1压电驱动电源的研究现状......................................4

1.2.2压电陶瓷控制技术研究现状....................................8

1.3本文的研究目的及内容...........................................9

第二章压电陶瓷的特性与驱动方法.....................................11

2.1压电陶瓷的基本使用特点.........................................11

2.1.1压电陶瓷的压电效应..........................................11

2.1.2压电陶瓷特性...............................................12

2.2压电陶瓷驱动方法..............................................14

2.2.1电压型驱动器常用结构.......................................14

2.2.2电流型驱动器常用结构.......................................16

2.2.3驱动方式选取...............................................16

2.3本章小结.......................................................17

第三章压电驱动数字系统电路设计....................................18

3.1驱动器数字系统的总体框架......................................18

3.2DSP硬件电路设计...............................................19

3.2.1电源电路设计和复位电路.....................................19

3.2.2时钟电路和JTAG电路.......................................20

3.2.3D/A电路...................................................21

3.2.4A/D电路....................................................22

3.3电源模块设计..................................................24

3.3.1稳压器件的选择.............................................24

3.3.2高压稳压电路...............................................251

第一章绪论

1.1倾斜反射镜研究的背景

激光在大气信道中传输会受到大气湍流的影响，导致其相干性能下降，产生到

达角起伏、光强闪烁、光斑漂移和光斑扩展等现象。

采用快速倾斜反射镜FSM（Fast

SteeringMirror）可以校正光束的到达方向，改变波前畸变的整体倾斜，本文的倾

斜镜用于自适应光学中的波前校正和ATP系统中的精跟踪，此外，它还广泛用于激

光束的稳定及调整、跟踪捕获等。

快速倾斜镜用于自适应光学系统和ATP系统的精

跟踪如图1-1和1-2所示。

图1-1典型自适应光学系统框架

图1-2典型ATP精跟踪部分框图VI

5.3.3动态性能测试...............................................58

5.3.4稳定性测试.................................................58

5.4传感器检测补偿系统实验测试....................................59

5.5本章小结......................................................61

第六章总结与展望..................................................62

6.1总结..........................................................62

6.2展望..........................................................62

致谢............................................................64

参考文献...........................................................65

在学期间的研究成果.................................................682

1.1.1倾斜反射镜简介

倾斜反射镜是一种平面反射镜

[1]

，它一般安装在一个压电陶瓷执行器上，压电

陶瓷执行器通过其两端的驱动电压产生形变而使倾斜镜发生倾斜，倾斜镜的快速小

角度偏转带动光束的偏转。

相比于变形反射镜，倾斜反射镜主要用于宏观校正，改

变光束到达的方向，所以其执行器的形变较大。

图1-3所示为倾斜镜校正前和校正

后的效果比较。

图1-3倾斜镜校正前和校正后波前效果对比图

图1-3中的（x,t）表示采样时波前扰动的总体倾斜相位，（,）

1

xt和（,）

2

xt分别

表示倾斜镜校正前的入射光波前相位和倾斜镜校正后的高阶波前相位，D表示望远

镜的直径。

光束在大气中传输时，大气湍流对光束的波前干扰包括波前的整体倾斜误差，

这时方差

2

c

可表示为:

5/321.03（/）

co

Dr

（1-1）

波前方差经过快速倾斜反射镜校正后就变为：

25/3

0.134（/）

co

Dr（1-2）

式（1-1）和（1-2）中的

o

r为大气相干长度。

一般情况下，波前干扰经过倾斜

镜校正后，方差会降到校正前的13%左右，所以在对波前干扰校正时一般先使用倾

斜镜对波前误差整体倾斜进行补偿，再使用变形镜进行校正。

3

1.1.2倾斜反射镜工作原理

倾斜镜的驱动器有四种常见类型：

压电型（PZT）、磁致伸缩型（MAG）、电磁

型（EM）和液压型（HYDR）。

一般选取驱动器的种类时，要根据系统精度和线性

度等要求综合权衡，自适应光学中的波前校正和ATP系统中的精跟踪都要求光束束

散角范围在两三个微弧度以内，对系统的精度要求很高，所以一般多采用高精度的

压电型驱动器，它利用压电材料的逆压电效应制成，理论精度可达无限大。

倾斜镜一般由基座、驱动器、镜座和镜面组成，如图1-4所示，其中的反射镜

面有一定的厚度和刚度，且厚度一般为镜面直径的1/10～6/10，两个驱动器X和Y呈

直角排列，由中间的固定轴O支撑，当给两个驱动器施加电场时，它们可推动镜面

分别绕X轴和Y轴转动，实现光束的微小角度偏转。

图1-4倾斜镜的常见结构图

倾斜反射镜多采用压电驱动，其分辨率可达纳米级，可满足较小角位移要求。

倾斜反射镜的压电驱动工作原理是:

倾斜镜的轴向伸缩量和施加在压电陶瓷执行器

两端的电压成近似线性的关系。

压电执行器伸缩时，会推动倾斜镜转动，从而把其

直线运动转化为倾斜反射镜的角运动，这种转换过程应连续，这样就可保证两者转

换的线性比例关系。

倾斜镜工作时，施加在两个压电执行器上的电压会导致两个方向上的执行器产

生相应的伸缩量，从而推动倾斜镜绕中间轴转动，在空间上呈现不同的方位角，想

要调整倾斜镜的倾斜角度只需调整施加在执行器上的电压即可。

压电执行器不需添

加任何机械装置，只要给执行器施加电压就可产生位移，从而推动倾斜镜在正负两

个方向上偏转。

5

PI（PhysicInstrument）公司的产品为主，此外还有学者设计出了混合型压电陶瓷

驱动器，它充分结合了电压控制和电流控制的优点。

（1）DWY系列压电驱动器

图1-5所示为DWY-3型压电驱动器，它由中电二十六研制，特点是以分离元

件构成，主要用来实现压电陶瓷微位移器的闭环控制。

图1-5中电二十六所的DWY-3型压电陶瓷驱动电源

DWY系列的主要参数如下：

供电电压：

220VAC±10%；

输入电压范围：

0～