快速反射镜的控制系统及控制方法.pdf

快速反射镜的控制系统及控制方法，涉及一种快速反射镜的控制方法，解决现有反射镜的控制方法存在电机串联时要求有较高的驱动电源并且机械加工及电机参数存在不一致性，导致同一轴上两台电机不能输出大小相等、方向相反的力，具有局限性等问题，本发明为双轴四电机驱动的快速反射镜，该控制方法采用双闭环控制，每个偏转轴包括一个位置环、两个电流环，其中内环为电流环，外环为位置环。由于快速反射镜的两个轴正交分布，理论上不存在耦合关系，因此每个偏转轴单独控制。本发明所述的控制系统可以灵活调整两个电流控制器输入端的比例系数，实现同一轴上的两台电机同步运动，使得快速反射镜的机械系统受力均匀，提高工作的稳定性和环境适应性。

权利要求书1.  快速反射镜的控制系统，其特征是，包括在快速反射镜的X轴和Y轴 上分别设置一个位置环和两个电流环，所述X轴和Y轴上的位置环分别包括位 置控制器、位置信息处理单元和两个位置传感器；所述X轴上的两个电流环分 别由电流控制器、功率放大器、电流传感器、音圈电机和比例放大器组成，Y 轴上的两个电流环分别由电流控制器、功率放大器、电流传感器、音圈电机和 两个比例放大器组成； 所述X轴和Y轴上的位置传感器同时测量快速反射镜两个轴的偏转位移信 息，所述位移信息分别经过对应的位置信息处理单元进行差分处理，获得X轴 和Y轴的位置反馈量，将X轴和Y轴的位置给定量与所述位置反馈量作差，获 得对应X轴和Y轴的位置误差，采用X轴和Y轴上的位置控制器对位置误差进 行校正，得到X轴和Y轴的电流指令，所述X轴和Y轴的电流指令分别经过对 应的比例放大器后，作为X轴和Y轴上对应的电流控制器的电流给定量； 所述X轴和Y轴上对应的电流传感器采集对应音圈电机的电枢电流，将电 枢电流反馈量与所述电流给定量作差，获得对应X轴和Y轴的电流误差，所述 电流误差分别经过X轴和Y轴对应的电流控制器校正，校正结果经对应的功率 放大器驱动控制音圈电机的电流，实现控制音圈电机的输出力。 所述X轴上的位置控制器的输出量通过两个符号相反的比例放大器分为两 路，去控制X轴上的两个电流控制器，实现控制X轴上的两个音圈电机；所述 Y轴上的位置控制器的输出量通过两个符号相反的比例放大器分为两路，去控 制Y轴上的两个电流控制器，实现控制Y轴上的两个音圈电机。 2.  根据权利要求1所述的快速反射镜的控制系统，其特征在于，所述X轴 和Y轴对应的位置传感器为LVDT型传感器、直线光栅位移传感器或电涡流位 移传感器中的一种。 3.  根据权利要求1所述的快速反射镜的控制系统的控制方法，其特征是， 该方法由以下步骤实现： 步骤一、控制系统获得X轴和Y轴的位置给定量；X轴对应的位置信息处 理单元将X轴上两个位置传感器输出的X轴位置信息进行差分运算，获得X轴 的位置反馈量；Y轴对应的位置信息处理单元将Y轴上两个位置传感器输出的 Y轴位置信息进行差分运算，获得Y轴的位置反馈量； 步骤二、控制系统将X轴和Y轴的位置给定量与对应的X轴和Y轴的位置 反馈量作差，获得对应X轴和Y轴位置误差，并采用X轴和Y轴对应的位置控 制器将位置误差进行校正，校正结果分别作为X轴和Y轴的电流指令； 步骤三、所述步骤二中获得的X轴的电流指令分别经过X轴中符号相反的 两个比例放大器，Y轴的电流指令分别经过Y轴中符号相反的两个比例放大器 后，获得对应X轴和Y轴的电流给定量，所述电流给定量分别与X轴和Y轴对 应的电流传感器获得的电流反馈量作差，获得对应X轴和Y轴的电流误差； 步骤四、将步骤三中获得的对应X轴和Y轴的电流误差送入X轴和Y轴对 应的电流控制器进行校正，通过对应X轴和Y轴的功率放大器放大，控制对应 X轴和Y轴的音圈电机的运动。

说明书快速反射镜的控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及精密跟踪与精密控制领域，具体涉及一种音圈电机驱动的快速 反射镜的控制方法。
背景技术
快速反射镜作为一种光束控制装置，具有谐振频率高、响应速度快、控制 灵活等特点，在天文望远镜、激光通信、自适应光学、精密跟踪控制等领域得 到了广泛应用。
目前快速反射镜的驱动元件主要有压电陶瓷和音圈电机两大类。本专利所 述的控制方法主要针对采用音圈电机驱动的快速反射镜。双轴型快速反射镜常 采用四个驱动装置来实现两个正交轴的偏转，其中，每个轴通过两个驱动器的 推拉运动来控制反射镜的偏转，这种驱动方法可以提高快速反射镜的响应速度， 同时使得快速反射镜的机械系统受力均匀，工作的稳定性和环境适应性较好。 这种驱动方式一方面对机械加工和装配精度提出了较高要求，另一方面对控制 系统也提出了较高要求，要求一个轴上的两个电机出力大小相等、方向相反， 实现同步运动。在中国发明专利CN01113669.3的说明书中，提出了一种偏摆镜 的驱动控制方法，该方法采用的是将同一个轴上的两个音圈电机反相串联的方 式，接入一个电机功率放大器进行控制，该方法可以保证两台电机流过大小相 等、方向相反的电流，但是有两方面的不足：其一，电机串联后，系统的反电 动势系数加倍，那么驱动器的供电电压势必加倍，才能抵消反电动势的影响， 这就要求有较高电压的驱动电源；其二，考虑到机械加工以及电机参数本身的 不一致性，该方法不能保证两台电机输出大小相等、方向相反的力，具有一定 的局限性。
发明内容
本发明为解决现有反射镜的控制方法存在电机串联时要求有较高的驱动电 源并且机械加工及电机参数存在不一致性，导致同一轴上两台电机不能输出大 小相等、方向相反的力，具有局限性等问题，提供一种快速反射镜的控制方法。
快速反射镜的控制系统，包括在快速反射镜的X轴和Y轴上分别设置一个 位置环和两个电流环，所述X轴和Y轴上的位置环分别包括位置控制器、位置 信息处理单元和两个位置传感器；所述X轴上的两个电流环分别由电流控制器、 功率放大器、电流传感器、音圈电机和比例放大器组成，Y轴上的两个电流环 分别由电流控制器、功率放大器、电流传感器、音圈电机和两个比例放大器组 成；
所述X轴和Y轴上的位置传感器同时测量快速反射镜两个轴的偏转位移信 息，所述位移信息分别经过对应的位置信息处理单元进行差分处理，获得X轴 和Y轴的位置反馈量，将X轴和Y轴的位置给定量与所述位置反馈量作差，获 得对应X轴和Y轴的位置误差，采用X轴和Y轴上的位置控制器对位置误差进 行校正，得到X轴和Y轴的电流指令，所述X轴和Y轴的电流指令分别经过对 应的比例放大器后，作为X轴和Y轴上对应的电流控制器的电流给定量；
所述X轴和Y轴上对应的电流传感器采集对应音圈电机的电枢电流，将电 枢电流反馈量与所述电流给定量作差，获得对应X轴和Y轴的电流误差，所述 电流误差分别经过X轴和Y轴对应的电流控制器校正，校正结果经对应的功率 放大器驱动控制音圈电机的电流，实现控制音圈电机的输出力。
所述X轴上的位置控制器的输出量通过两个符号相反的比例放大器分为两 路，去控制X轴上的两个电流控制器，实现控制X轴上的两个音圈电机；所述 Y轴上的位置控制器的输出量通过两个符号相反的比例放大器分为两路，去控 制Y轴上的两个电流控制器，实现控制Y轴上的两个音圈电机。
所述X轴和Y轴对应的位置传感器为LVDT型传感器、直线光栅位移传感 器或电涡流位移传感器中的一种。
快速反射镜的控制方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、控制系统获得X轴和Y轴的位置给定量；X轴对应的位置信息处 理单元将X轴上两个位置传感器输出的X轴位置信息进行差分运算，获得X轴 的位置反馈量；Y轴对应的位置信息处理单元将Y轴上两个位置传感器输出的 Y轴位置信息进行差分运算，获得Y轴的位置反馈量；
步骤二、控制系统将X轴和Y轴的位置给定量与对应的X轴和Y轴的位置 反馈量作差，获得对应X轴和Y轴位置误差，并采用X轴和Y轴对应的位置控 制器将位置误差进行校正，校正结果分别作为X轴和Y轴的电流指令；
步骤三、所述步骤二中获得的X轴的电流指令分别经过X轴中符号相反的 两个比例放大器，Y轴的电流指令分别经过Y轴中符号相反的两个比例放大器 后，获得对应X轴和Y轴的电流给定量，所述电流给定量分别与X轴和Y轴对 应的电流传感器获得的电流反馈量作差，获得对应X轴和Y轴的电流误差；
步骤四、将步骤三中获得的对应X轴和Y轴的电流误差送入X轴和Y轴对 应的电流控制器进行校正，通过对应X轴和Y轴的功率放大器放大，控制对应 X轴和Y轴的音圈电机的运动。
本发明的有益效果：本发明所述的控制系统可以灵活调整两个电流控制器 输入端的比例系数，实现同一轴上的两台电机同步运动，使得快速反射镜的机 械系统受力均匀，提高工作的稳定性和环境适应性，另外，一个电机对应一个 电机功率放大器，不需要对电机功率放大器的驱动电压提出过高要求。本发明 实现快速反射镜同一轴上的两台电机同步推拉运动，且具有很高的稳定性。
附图说明
图1是本发明的控制方法示意图。
图中位置控制器1，比例放大器1，比例放大器2，电流控制器1，功率放 大器1，电流传感器1，电流控制器2，功率放大器2，电流传感器2，位置信息 处理单元1，位置控制器2，比例放大器3，比例放大器4，电流控制器3，功率 放大器3，电流传感器3，电流控制器4，功率放大器4，电流传感器4，位置信 息处理单元2，以及快速反射镜平台，及其下面包含的四个音圈电机和四个位置 传感器，分别是X轴上的音圈电机1、音圈电机2、位置传感器1和位置传感器 2，Y轴上的音圈电机3、音圈电机4、位置传感器3和位置传感器4。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，快速反射镜的控制系统，包 括四个音圈电机，四个电机功率放大器、四个电流传感器、四个位置传感器， 四个电流控制器、两个位置控制器，另外，还有四个比例放大器。
四个音圈电机的电枢电流分别由四个电流传感器采集，四个电流传感器采 集的电流作为电流反馈量，四个电流反馈量分别与四个电流给定量作差，其电 流误差分别经过四个电流控制器的运算校正，其计算结果分别给四个电机功率 放大器，四个电机功率放大器分别驱动控制四个音圈电机，共同构成四个电流 闭环控制系统，分别控制四个音圈电机的电流，进而达到控制音圈电机输出力 的目的。
两个轴上的四个位置传感器用来测量快速反射镜两个轴的偏转位移信息， 其中，每个轴上的两个位移传感器同时测量，其测量的位移量经过差分运算处 理，得到每个轴的位置反馈量，两个轴的位置给定量与对应的位置反馈量作差， 其位置误差分别进入两个轴的位置控制器进行运算校正，得到两个轴的电流指 令，两个轴的电流指令分别经过四个比例放大器后，作为四个电流控制器的电 流给定量，其中，四个比例放大器分为两组，每个轴对应一组，其中，同一组 内的两个比例放大器的符号相反，这样保证同一轴上的两个音圈电机的给定电 流是相反的，从而实现同一轴上的两个音圈电机推拉运动的工作方式。
本实施方式所述的控制系统中两个偏转轴共使用四个位置传感器，其中， 同一轴上的两个位置传感器以快速反射镜旋转中心为参考，对称放置，其测量 结果经过差分运算处理，可以提高测量精度。一个音圈电机对应一个电流控制 器、一个电机功率放大器和一个电流传感器，四个音圈电机对应四个电流控制 器、四个电机功率放大器和四个电流传感器。一个轴对应一个位置控制器，一 个位置控制器的输出量通过两个符号相反的比例放大器分为两路，去控制一个 轴上的两个电流控制器，进而实现控制同一轴上的两个音圈电机。
本实施方式通过调整同一轴上两个电流控制器输入端的比例放大器系数， 可以控制两个音圈电机电枢电流的大小，其意义在于：如果两台电机的参数不 一致，或者系统结构刚度有偏差，可以通过调整两个放大器的系数，来弥补扭 力的不一致，其中，同一轴上的两个比例放大器系数的符号相反，保证同一轴 上的两个音圈电机的电流是相反的，从而实现两个音圈电机推拉运动的工作方 式。
本实施方式中包括位置控制和电流控制，二者均通过闭环控制的方式自动 完成，其中，位置控制器、电流控制器可以通过软件的方式实现数字化控制， 另外，电流控制器也可以通过硬件电路实现。
具体实施方式二、结合图1说明本实施方式，快速反射镜的控制方法，主 要针对双轴四电机驱动的快速反射镜，该控制方法采用双闭环控制，每个偏转 轴包括一个位置环、两个电流环，其中内环为电流环，外环为位置环。由于快 速反射镜的两个轴正交分布，理论上不存在耦合关系，因此每个偏转轴可以单 独控制。
X轴上的两个电流环主要由电流控制器1、功率放大器1、电流传感器1、 音圈电机1、电流控制器2、功率放大器2、电流传感器2、音圈电机2以及比 例放大器1和比例放大器2组成，外环为位置控制环，主要由位置控制器1、位 置传感器1、位置传感器2和位置信息处理单元1组成。X轴的控制过程如下：
1.控制系统获得X轴的位置给定量Prx；
2.位置信息处理单元1将位置传感器1和位置传感器2输出的X轴位置信 息P1和P2，进行差分运算处理，算得X轴的位置反馈量Pbx；
3.控制系统将位置给定量Prx与位置反馈量Pbx相减，并将位置误差值Epx 送位置控制器1校正，校正结果作为X轴的电流指令Irx；
4.电流指令Irx分别经过符号相反的比例放大器1和比例放大器2，得到两 个电流给定量Ir1和Ir2；
5.电流给定量Ir1和Ir2分别与电流传感器1、电流传感器2获得的电流反 馈量Ib1和Ib2相减，其电流误差Ei1和Ei2分别送电流控制器1和电流控制器 2校正，最终通过功率驱动器1和功率放大器2的放大，控制音圈电机1和音圈 电机2的运动，由于两个电流给定量的符号相反，音圈电机1和音圈电机2的 的运动方向也相反，从而实现X轴所需要的推拉运动。
Y轴上的两个电流环主要由电流控制器3、功率放大器3、电流传感器3、 音圈电机3、电流控制器4、功率放大器4、电流传感器4、音圈电机4以及比 例放大器3和比例放大器4组成，外环为位置控制环，主要由位置控制器2、位 置传感器3、位置传感器4和位置信息处理单元2组成。Y轴的控制过程如下：
1.控制系统获得Y轴的位置给定量Pry；
2.位置信息处理单元2将位置传感器3和位置传感器4输出的Y轴位置信 息P3和P4，进行差分运算处理，算得Y轴的位置反馈量Pby；
3.控制系统将位置给定量Pry与位置反馈量Pby相减，并将位置误差Epy 送位置控制器2校正，校正结果作为Y轴的电流指令Iry；
4.电流指令Iry分别经过符号相反的比例放大器3和比例放大器4，得到两 个电流给定量Ir3和Ir4；
5.电流给定量Ir3和Ir4分别与电流传感器3、电流传感器4获得的电流反 馈量Ib3和Ib4相减，其电流误差Ei3和Ei4分别送电流控制器3和电流控制器 4校正，最终通过功率驱动器3和功率放大器4的放大，控制音圈电机3和音圈 电机4的运动，由于两个电流设定值的符号相反，音圈电机3和音圈电机4的 的运动方向也相反，从而实现Y轴所需要的推拉运动。
本实施方式所述的控制方法中，四个位置传感器可以是LVDT型传感器、 直线光栅位移传感器，也可以是电涡流位移传感器，传感器可以有多种多样， 但是获得位移信息后的处理算法都是一样的，本系统采用的是电涡流位移传感 器；电流传感器是高精度电流采样电阻；四个功率放大器是H桥型MOSFET放 大器；由于电流环带宽高，采用模拟电路来实现，而位置控制器、比例放大器， 以及位置信息处理单元，都是在DSP内处理完成，DSP算得的四个电流给定量 通过DA转换为模拟量，送给四个电流控制器。
本实施方式所述的控制方法中，要求电流环的设计具有较高的带宽，目的 在于使音圈电机输出力矩快速响应，在算法实现上常采用PI控制算法；位置环 的设计在于使快速反射镜按照指定的要求进行快速指向或者扫描运动，位置环 控制器常采用PID控制算法。
本实施方式所述的控制方法中，按照先电流环、后位置环的顺序进行参数 整定。其中，电流控制器按照设计带宽，选择合适的比例系数和积分系数，具 体要和音圈电机的电枢电阻、电感值相匹配。
所述的位置信息处理单元采用的差分运算如下式所示，如果要将位置信息 转换为转角信息，还要将位置反馈量除以位置传感器到旋转中心的距离。位置 信息处理的原则是保证位置给定量的量纲要和位置反馈量的量纲保持一致。
Pbx = P 1 - P 2 2 ]]>
Pby = P 3 - P 4 2 ]]>
本实施方式中，所述的与X轴相关控制系数的选择依据如下：
第一步，整定好X轴上两个电流控制器的控制参数，保证二者具有相同的 控制带宽；
第二步，使能音圈电机1，通过输入不同的电流给定值Ir1，测量快速反射 镜的偏转位置信息，通过上述信息，标定出音圈电机1作用下系统的刚度系数， 标定完毕后，将音圈电机1断电；
第三步，使能音圈电机2，通过输入不同的电流给定值Ir2，以及测量得到 快速反射镜偏转位置信息，标定出音圈电机2作用下系统的刚度系数；
第四步，根据测量结果，做出如下处理：如果测量的刚度系数一致，可以 取比例放大器1的值K1为1，比例放大器2的系数K2为-1；如果测量的刚度 系数不一致，可以通过调整比例放大器1和比例放大器2的系数，抵消二者刚 度的差异。
第五步，比例放大器1和比例放大器2的系数整定完毕，同时使能音圈电 机1和音圈电机2，通过给定不同的电流指令Irx值，同时记录位置反馈量Pbx 值，可以辨识出输入电流Irx与输出位置Pbx之间的传递函数，具体输入Irx的 形式可以有多种选择，包括正弦扫频信号、随机信号等；
第六步，根据测量得到的X轴传递函数，选择合适的PID控制参数，保证 X轴的位置环响应达到设计要求。
本实施方式中，与Y轴相关控制系数的整定过程与X轴的基本相同，具体 如下：
第一步，整定好Y轴上两个电流控制器的控制参数，保证二者具有相同的 控制带宽；
第二步，使能音圈电机3，通过输入不同的电流给定值Ir3，测量快速反射 镜的偏转位置信息，通过上述信息，标定出音圈电机3作用下系统的刚度系数， 标定完毕后，将音圈电机3断电；
第三步，使能音圈电机4，通过输入不同的电流给定值Ir4，以及测量得到 快速反射镜偏转位置信息，标定出音圈电机4作用下系统的刚度系数；
第四步，根据测量结果，做出如下处理：如果测量的刚度系数一致，可以 取比例放大器3的值K3为1，比例放大器4的系数K4为-1；如果测量的刚度 系数不一致，可以通过调整比例放大器3和比例放大器4的系数，抵消二者刚 度的差异。
第五步，比例放大器3和比例放大器4的系数整定完毕，同时使能音圈电 机3和音圈电机4，通过给定不同的电流指令Iry值，同时记录位置反馈量Pby 值，可以辨识出输入电流Iry与输出位置Pby之间的传递函数，具体输入Iry的 形式可以有多种选择，包括正弦扫频信号、随机信号等；
第六步，根据测量得到的Y轴传递函数，选择合适的PID控制参数，保证 Y轴位置环的响应达到设计要求。