基于超声电机的轻型指向机构及其指向误差分析

在探月工程中, 为了实现基于空间应用光谱仪的多目标光谱探测, 需要设计满足轻小型和高可靠性的二维指向机构。目前, 超声电机作为驱动源, 精密电位计作为一种位置传感器, 因其自身的优良性能正逐步应用于精密仪器和定位技术中。基于此, 设计了由超声电机、精密电位计和扫描镜组成的二维指向机构, 并以一维指向模型为工程样机, 通过设计闭环控制电路和指向控制机制进行功能测试, 验证了该机构空间应用的可行性。为了测量精度, 搭建实验室测试平台, 并进行多次指向试验, 通过对测试结果进行分析, 提出提高指向精度的方案。     

利用恒星对天文观测系统光轴平行性检校

基于地基天文观测系统光轴平行性的校验需求,建立了一套高精度多光轴平行性检测系统。针对具有成像光谱仪的天文观测系统,将恒星作为点光源,利用天文跟踪系统完成对恒星星象及相应光谱数据的同步采集。在光谱维视场中,成像光谱仪不易准确地确定恒星的位置,该检测方案利用赤道仪控制系统和成像光谱仪狭缝视场的特点,对恒星目标进行一维扫描,将成像光谱仪接收到的恒星能量随着扫描位置进行拟合来确定光谱维视场中心,通过高斯拟合法来计算光学仪器之间光轴的平行性偏差。试验结果表明:测量结果不确定度为1.52,该检测系统结构简单,满足成像光谱仪和其它成像仪器野外高精度快速检测光轴一致性的要求。     

太阳光谱辐照度仪波长扫描设计北大核心CSCD

针对当前气候变化对太阳光谱辐射的观测需求,为精确监测太阳光谱辐照度,研制了波长扫描型太阳光谱辐照度仪。该太阳光谱辐照度仪主要由光谱测量单元和波长扫描单元组成,其中波长扫描单元作为色散光谱的精密定位机构,是保障仪器测量精度的关键。为此,设计了基于小型交流伺服电机的波长精密扫描定位装置,采用定时器主从方式控制电机旋转,并利用STM32驱动线阵CCD工作,结合CCD检测的光斑质心位置与预设位置的偏差进行闭环控制,闭环控制精度小于2个像元宽度。最后,对线阵CCD的质心位置检测的重复性以及扫描定位装置的稳定性进行测试,测试结果表明CCD质心位置检测的标准差为0.0693,最大偏差不超过0.3像元宽度,系统运行时闭环精度小于2个像元宽度,满足波长扫描的重复性和稳定性要求。     

长线列红外探测器双模式成像装置中的摆镜控制系统设计

为了实现长线列红外探测器双模式成像装置的两种工作模式,需要在成像装置中增加摆镜控制系统,而高速扫描时的扫描线性度和静止时的位置稳定精度是本系统设计的关键因素。本文着重论述了摆镜控制系统的整体设计和指标要求,基于这些指标,提出了一种高线性和高稳定精度摆镜控制系统的实现方案。并利用Simulink进行了仿真,验证该方案切实可行。     

带摆镜的二维扫描制冷红外光学系统设计

带摆镜的像方扫描光学系统通常只在一维方向扫描成像,当摆镜在二维方向摆扫成像时,摆镜方位俯仰耦合运动带来的对光轴指向、光斑尺寸、成像性能等影响不能忽略。分析了不同的摆镜扫描光学系统的基本形式,并对像方摆镜扫描光学系统二维摆扫带来的影响进行了分析。对内轴为方位、外轴为俯仰的像方摆镜在不同的二维摆扫角度下的入射光轴指向和窗口处光斑尺寸进行了理论计算,提出了二维像方摆镜扫描光学系统设计与分析方法。利用Zemax建立了二维像方摆镜扫描光学系统模型,仿真分析了不同方位俯仰摆扫角度下的成像性能、光轴指向以及窗口挡光情况。在不同方位俯仰角度下,光学系统在17 lp/mm处MTF均大于0.4,窗口极限挡光小于21.4%。     

一种用于光电瞄准吊舱的自动校轴仪精度分析

随着光电系统作用距离的不断提升,为了满足作战需求,保证光电系统的跟踪精度、瞄准精度以及打击精度,多光谱多光轴光电系统的光轴在使用时必须进行现场校准。本文针对上述需求,设计了通用光电瞄准吊舱自动校轴仪。在充分论述校轴仪工作原理的基础上,针对自动校轴仪用于光电瞄准吊舱的校轴精度进行分析,验证了自动校轴仪方案的可行性。     

傅里叶变换光谱仪动镜驱动控制技术

动镜驱动控制技术是傅里叶变换光谱仪的重要组成部分.本文从干涉成像光谱技术原理出发,介绍了迈克尔逊型傅里叶变换光谱仪动镜驱动技术的进展及其应用情况.提出了新型摆扫式干涉机构动镜驱动系统的方案.基于模糊PID控制策略,给出了此驱动系统的闭环控制实现方法.     

摆镜扫描的重复控制系统

为解决摆镜扫描速度振荡的问题,采用永磁同步电机作为扫描驱动电机,建立了控制系统的传递函数模型.同时,根据摆镜扫描运动具有周期性的特点,提出了一种改进结构的重复控制器对扫描电机的转速进行控制.该控制器引入两个放大环节对系统增益进行调节,从而改善了系统的跟踪性能.实验结果显示,该控制系统能够有效地提高摆镜扫描的速度稳定性,抑制扫描电机在换向时的振荡现象.     

基于CPLD的增量式调焦编码器读出电路的设计

在红外热像仪调焦系统设计中，通过电机带动调焦镜组沿直线导轨往复运动，从而对调焦镜组的位置精确变化实现焦距的变化。为了精确控制调焦镜组的位置，调焦控制系统需要高分辨率的编码器实时反馈调焦镜组的位置，以实现对调焦镜组的闭环控制。红外热像仪调焦控制系统中采用增量式光电编码器作为调焦镜组位置的反馈测量元件。针对增量式编码器的特点，利用CPLD（complex programmable logic device）丰富的逻辑资源和可编程的灵活性，设计了一种读出电路，可以实时精确反馈调焦镜组的位置。经实际项目验证，该方案可以实时并精确地读出增量式光电编码器的位置信息，具有一定的抗干扰能力，可以实现高精度的位置伺服控制，满足系统要求。     

激光对准快速反射镜控制系统的设计

为了校正激光发射设备中激光对准光路的偏差,设计了一种激光对准快速反射镜控制系统。采用步进电机作为驱动,控制快速反射镜在互相垂直的两个方向进行运动,校正激光光路的偏差,达到了精确控制激光光路的目的。对激光对准快速反射镜的工作原理和设计过程进行了详细阐述,并利用对准控制机箱等硬件设备对软硬件设计进行了实验验证,取得了较好的实验数据。结果表明,快速反射镜控制系统在小角度工作范围内方位误差和俯仰误差均方根都小于1,即控制精度小于1。该系统能够很好地控制快速反射镜进行2维运动,软件设计和硬件设计都是正确可靠的,能够满足激光对准控制系统精确控制激光光路的要求。     

超声电机驱动的轻量化扫描机构高精度控制

为实现卫星高分载荷扫描驱动机构的轻量化,以超声电机为驱动部件,设计了一款扫描驱动机构,质量仅为传统的步进电机加谐波减速器驱动方案的15%。构建了扫描驱动机构驱动控制器,配合21位绝对式光电编码器作为位置反馈传感器,对扫描驱动机构高精度控制方法进行了研究。针对超声电机在精密控制中的非线性及时变性,在对比总结比例、积分、微分(PID)控制、模糊控制、神经网络PID控制算法的基础上,设计了一种基于专家规则的PID控制器,并结合超声电机实时温度作为前馈控制在线调节控制器控制参数,最后进行了指向控制和速度稳定度实验研究。实验结果表明：令扫描驱动机构指向20°时,稳态指向精度优于2″,在3.3 r/min情况下扫描驱动机构速度稳定度优于±1%,能够满足卫星载荷对扫描驱动机构高精高稳的控制需求。     

高精度风力摆控制系统设计

本系统设计制作一套由轴流风机为动力源的单片机精准控制系统。系统采用MC9S12XS128微控制器作为主控芯片,选用MPU6050六轴运动传感器及WDD35精密导电塑料电位器作为摆杆的角度检测模块,并采用四个空心杯电机作为系统的执行机构。该系统采用PID控制算法,控制摆杆做摆动方向和摆动幅度均可设定的平面单摆运动及摆动半径可设定的圆锥摆运动。实验结果表明,该风力摆控制系统摆动方向角度误差＜3°,摆动幅度误差＜5 mm,圆锥摆圆度误差＜5 mm。     

高分辨率光栅精密定位系统研究

为了使光谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer, OSA)能精确测量窄谱宽光信号,要求光栅转动一圈分辨200万个点。设计了一种基于衍射光栅、直流无刷电机(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)和光电编码器的高分辨率光栅定位系统。实现了基于比例-积分-微分(Proportion Integration Differentiation, PID)的高精度闭环调速控制技术,以驱动BLDCM带动光栅的转动。同时,高精度光电编码器快速检测并反馈光栅的角位置,细分电路对编码器的输出信号作进一步细分。将输出信号的分辨率从16000点/圈提升至2048000点/圈,极大地提升了光栅定位系统的整体分辨率。通过实验测试了光栅扫描速度、波长重复性和波长准确度等性能指标,验证了光栅定位的精度和分辨率。     

基于FPGA的双通道旋转变压器测角系统设计

设计了用于星载设备的双通道多对极旋转变压器的角度测量系统.以获取高精度的电机旋转角度值为目的,在旋转变压器测角工作原理、误差分析以及双通道数据组合算法和测角系统软硬件设计等方面进行了研究,并选用FPGA对步进电机的角位移量进行探测与解算.为验证所设计的双通道旋变角度测量系统的精度,采用了分辨率更高的海德汉光电编码器进行...     

一种共光路自动对准系统

强激光发射装置和光电跟踪系统中,光学器件多,光路复杂,光学机械零件位置的相对移动会使光轴平行度偏离,为此提出一种共光路自动对准系统.基于对准原理,利用激光发射光路,建立上、下行基准光束,使之分别与系统轴系、出射激光平行,并且通过自准直CCD测角仪测出上、下行光路的角偏差值,控制信号驱动快速控制反射镜,使快速控制反射镜两轴转动到角偏差为零值,实现发射激光与一级扩束系统对准及一级扩束系统与跟瞄系统之间的精密自动对准.实验结果表明,对准后的光轴平行度为5.21",快速控制反射镜的闭环精度不大于5".     

基于BM3803的步进电机控制系统设计与实现

针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪太阳定标光路切换转动部件的实现,提出了基于BM3803的步进电机控制系统,通过步进 电机带动扭簧转动凹面反射镜,实现光路的切换。设计了基于国产航天芯片BM3803FMGRH和专用驱动芯片LMD18200的步进电机 开环控制系统,给出了基于BM3803FMGRH的控制电路和搭建了LMD18200的驱动电路,编写了步进电机的控制程序。当步进电机 转动89步时,扭簧旋转角度为80.1^。,微动开关导通,光路切换成功。为后续星载差分吸收光谱仪的设计提供参考。     

基于STC89C52的简易倒立摆控制装置设计

以全国大学生电子设计竞赛为背景,通过分析简易旋转倒立摆及控制装置系统的任务和基本要求,设计制作了基于单片机为主控芯片的倒立摆控制系统,利用光电编码器传回来的反馈信号采用PID控制调节,并发出控制信号驱动直流电机,实现调速控制。该装置可以使旋转臂适时适当的摆动,准确地让摆杆在短时间内达到题目所需的要求。     

基于分段PID实现永磁同步电机快速启停控制技术的研究

扫描镜常用于获取空间光电信息,应用中对其快速启停和指向精度有较高的要求。针对永磁同步电机驱动扫描镜的运动方式,建立了电机Simulink仿真模型,并采用了三闭环矢量控制策略,提出了采用分段式比例积分微分(Proportion Integration Differentiation, PID)算法进行位置环控制的方法。结果表明,相较于传统的PID,分段式PID提高了系统的响应速度,同时控制精度和稳定性也有一定提升。     

Precise phase control of resonant MOEMS mirrors by comb-drive current feedback

Accurate phase detection and control of nonlinear resonant micro-opto-electro-mechanical system (MOEMS) mirrors are crucial to achieve stable scanning motions and high resolution imaging as needed in precision applications. This paper proposes a precise phase detection method for an electrostatic actuated MOEMS mirror and a novel digital phase locked loop (PLL) that uses an asynchronous logic for high precision driving and immediate phase compensation, while the clock speed is kept low. The phase of the mirror is detected by an amplified current signal, generated by the movement of the comb drive electrodes, transimpedance amplifiers and a simple comparator circuit. An analysis of the proposed detection method reveals that the pointing uncertainty scales with the product of the driving voltage, the curvature of the comb drive capacitance and the angular velocity of the MOEMS mirror at the zero crossing. The developed fast start-up procedure brings the MOEMS mirror to its maximum amplitude within less than 100 ms with a minimum on required prior knowledge of the used device. The low optical pointing uncertainty of 0.3 mdeg obtained in closed loop operation, allows 19000 pixels with a precision of 10 sigma at a scanning frequency of 2 kHz.