车载激光系统光束控制反射镜角位移测量装置

为了使快速控制反射镜(FSM)能在车载、舰载等运动环境下稳定工作,并具有很高的控制精度,研制了一套高精度角位移测量装置,该装置通过精确地提供反射镜摆角信息作为系统的反馈信号来实现伺服闭环控制.针对传统快速控制反射镜位置信息反馈传感器的精度低以及不适于动载环境等缺点,采用田字裂相信号提取方法设计了基于莫尔条纹计数测量原理的精密光栅,并通过计算机进行仿真分析设计了具有抗干扰能力和耐高低温变化的绝对零位信号,其对比度达0.25.对信号处理电路进行高度集成,实现了小型化.实验结果表明,反射镜角位移测量装置测量的反射镜角分辨率为0.15″,测角精度优于0.4″,完全能满足机动式条件下,高能激光发射系统对FSM控制精度的要求.     

采用柔性铰链的快速反射镜设计

根据激光发射系统对快速反射镜发射方向精度的需求,提出了一种新型快速反射镜设计方案。该方案以柔性铰链为运动传递元件,采用直线音圈电机驱动,并用高精度光栅测微仪实现位置闭环控制。首先,介绍了反射镜工作原理及驱动方式,选择了系统的驱动元件和测角元件,并对柔性铰链结构进行设计。在研究其刚度特性的基础上,采用序列二次规划法优化了铰链关键尺寸。然后,建立了驱动组件的简化模型,并利用理论公式和有限元分析软件分别计算驱动组件的转角精度。最后,使用测角元件及自准直平行光管测量了快速反射镜的转角精度。实验结果表明：所设计的快速反射镜装置工作稳定、结构可靠,对发射光束的控制精度能达到0.95",满足激光发射系统实时控制光束发射方向的精度要求。     

音圈电机驱动的球面副支撑式快速控制反射镜设计

为了精确控制光束的传输方向,设计了一种以直线式音圈电机为驱动器的球面副支撑式快速控制反射镜(FSM).在明确所需FSM系统功能和设计要求的基础上,分别对其机械结构、平面反射镜、驱动元件以及角度测量元件进行了设计和选择.完成精密加工、装配、调试后,对FSM系统进行了实验测试分析.结果表明,该球面副刚性支撑式FSM系统结构...     

车载大口径刚性支撑式快速反射镜

为了适应车载平台恶劣的工作环境,设计了一种大口径刚性支撑式快速反射镜。针对车载跟瞄转台对快速反射镜的应用需求选择音圈电机为驱动器,并分别设计了快速反射镜系统的平面反射镜、驱动器、支撑基座、测量元件和机械结构。然后,应用有限元分析方法,有效地实现了平面反射镜的轻量化及支撑基座的模态分析。快速反射镜通过球型铰链实现其运动部分与不动部分的连接,主要载荷通过铰链由支撑基座间接承载,从而有效地保障了大口径快速反射镜的承载能力和环境适应性。最后,组建了伺服控制系统,并对控制带宽和指向精度进行了测试。结果显示:所设计的车载大口径快速反射镜带宽达67Hz,方位指向精度为1.0″、俯仰指向精度为1.1″,表明控制系统稳定实用,满足车载平台的应用要求。     

基于DOB和ZPETC的PWM驱动快速反射镜控制方法研究

针对高精度音圈电机快速反射镜PWM驱动方法存在的问题,对快速反射镜控制方法进行了研究。设计了基于干扰观测器(disturbance observer,DOB)和零相差跟踪控制器(zero phase error tracking controller,ZPETC)相结合的鲁棒控制方法。通过系统辨识实验建立了音圈电机快速反射镜的动态模型,利用半实物仿真平台对控制系统的动态性能进行了测试,给出了被控对象的实验记录测量数据及其开环幅频特性曲线bode图。研究结果表明,基于干扰观测器和零相差跟踪控制器的控制方法补偿了外部扰动、模型不确定性以及机械非线性等因素对控制系统性能的影响,系统带宽达到150 Hz以上,快速反射镜伺服系统能够满足光电跟踪系统对快速反射镜的快速性和高精度要求,新方法在性能上有显著的提高,在实际工程中具有较高的应用价值。     

高精度音圈快速反射镜的自适应鲁棒控制

为了进一步提高复合轴航空光电稳定平台的性能,文中首先在硬件电路中采用电流环将复杂的电机模型简化为一阶模型,同时保证电机的输出力矩稳定;然后在PD控制器的基础上,引入了自适应鲁棒控制器,对快速反射镜进行位置控制和扰动抑制;最后分别通过带宽测试实验、扰动抑制实验、视轴稳定实验和鲁棒性实验对其性能进行测试,并采用DOB型音圈式-快速反射镜和压电陶瓷式-快速反射镜做对比。实验结果表明:相比于传统的DOB型音圈式-快速反射镜系统,本文控制方法的参数鲁棒性更强;相比于传统的压电式-快速反射镜,本文控制方法不仅视轴稳定精度与其不相上下,还具有更大的行程。除此之外,在80Hz以内任意频率扰动的影响下,基于ARC型音圈式-快速反射镜的复合轴航空光电稳定平台的视轴稳定精度均可以控制在5μrad(RMS)以内;同时在-40℃~50℃的温度条件下依然可以保持该性能,远远优于DOB型音圈式-快速反射镜的效果。本文控制方法完全满足高精度航空光电稳定平台的性能要求,对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。     

激光分束及高精度指向调节系统

设计了一种三方向激光分束及高精度指向调节系统,适用于钠荧光多普勒激光雷达高精度的激光光束方向指向控制,以便激光雷达在长距离观测的情况下实现信号的迅速、精确获取.根据光学系统的设计要求,阐述了用于高脉冲能量分束镜、反射镜的光学物理特性以及控制反射镜负载、方向应有的机械特性;采用6个高精度的步进电机结合6个高精度光学二维调...     

两维快速控制水冷反射镜装置设计

通过对高功率激光发射系统中,从激光器到发射系统的强激光通道内光束传输质量的分析,发现了影响光束传输精度的原因。设计了一种新型两维快速控制水冷反射镜装置,解决了强激光传输方向的精确实时控制和校正光束整体倾斜方向的问题,实现了减小镜面热畸变提高光束质量的功能。试验测试结果表明,两维快速控制水冷反射镜装置工作稳定、可靠;具有质量轻、转动惯量小、行程小、谐振频率高、响应速度快、动态滞后误差小等优点。此装置设计合理,具有应用推广价值。     

二维快速控制水冷反射镜装置设计

为了进一步精确控制激光发射方向,减少反射镜热畸变以提高光束质量,设计了一种新型二维快速控制水冷反射镜装置.根据高功率激光反射镜的设计和制作原则,对反射镜的材料性能进行了分析,采用主动水冷铜镜来减小镜面热畸变使镜面变形控制在0.1 μm以内.然后,分别从机械结构、驱动器和控制系统、角度检测元件3方面设计了反射镜装置,其x-y轴框架式的机械结构形式,可减小反射镜的冷却水管对轴系回转精度的影响,使回转精度＜2″.实验测试结果表明,二维快速控制水冷反射镜装置工作稳定、可靠,控制光束稳定的精度＜1″,可满足对激光传输方向的精确实时控制和对光束整体倾斜方向进行校正等要求.     

PLC电机转速测量系统设计与实现

针对工业控制领域电机转速测量问题,设计了一种通用测量系统。该系统采用光电编码器作为电机转速的脉冲产生装置,利用西门子S7-200 PLC的高速计数器采集光电编码器产生的脉冲信号,根据M法测速方式,由PLC实时计算电机转速。测试表明,该通用测速系统快速可靠准确,可用于工业控制领域电机转速测量。     

Large angle and high linearity two-dimensional laser scanner based on voice coil actuators

A large angle and high linearity two-dimensional laser scanner with an in-house ingenious deflection angle detecting system is developed based on voice coil actuators direct driving mechanism. The specially designed voice coil actuators make the steering mirror moving at a sufficiently large angle. Frequency sweep method based on virtual instruments is employed to achieve the natural frequency of the laser scanner. The response shows that the performance of the laser scanner is limited by the mechanical resonances. The closed-loop controller based on mathematical model is used to reduce the oscillation of the laser scanner at resonance frequency. To design a qualified controller, the model of the laser scanner is set up. The transfer function of the model is identified with MATLAB according to the tested data. After introducing of the controller, the nonlinearity decreases from 13.75% to 2.67% at 50 Hz. The laser scanner also has other advantages such as large deflection mirror, small mechanical structure, and high scanning speed.     

机载刚性支撑式快速控制反射镜设计

设计了一款紧凑型刚性支撑式快速控制反射镜(FSM),以适应机载运动平台的高振动、大冲击和高低温等恶劣工作环境。考虑机载FSM的工作需求,分别对FSM的支撑轴系、驱动元件和测角元件等进行设计与选择。针对刚性支撑轴系设计了轴系间隙调整机构,提高了FSM系统的轴系精度,进一步增大了FSM的承载能力;针对机载FSM研制了专用小尺寸微位移测量传感器,通过将4个传感器非轴线对称布置,并利用二次差分的方式实现反射镜位置的实时监测,进一步减小了FSM系统的体积,提高了它的测量精度。最后,对机载FSM的控制带宽和指向精度进行了实验检测。结果显示:所设计的FSM系统控制带宽约为110Hz,方位指向误差不超过3.4″,俯仰指向误差不超过3.8″,表明所设计的FSM控制系统稳定、响应速度快、指向精度高,满足机载运动平台的应用要求。     

快速反射镜姿态角的高精度解算

为了提高跟瞄转台出射激光的指向精度,研究了快速反射镜(FSM)姿态角与转台跟踪误差间的关系,提出了FSM姿态角的高精度解算方法。介绍了跟瞄转台出射激光的光路特点和FSM的工作原理;确定了坐标系中入射光与出射光的方向,依据坐标变换理论和光的反射定律,建立了FSM反射镜姿态角与转台跟踪误差间的函数关系。然后,推导出姿态角的解析表达式,描述了姿态角的空间分布规律,并从解析表达式中推出了近似表达式,确定了近似表达式引入的指向误差。最后,通过指向精度实验验证了姿态角解算方法的正确性。实验结果表明:在跟踪误差不超过(A 12.9′,E13.5′)时,应用姿态角解析表达式和近似表达式均能取得优于2.5″的指向精度;跟踪误差增大为(A38.6′,E37.8′)时,解析表达式对应的指向误差仍低于2.5″,而近似表达式对应的指向误差迅速增大为13.2″。得到的结果显示:FSM姿态角的解析表达式不存在原理误差,在任意跟踪误差下均能使出射激光具有高精度指向能力,且其形式简洁,满足伺服控制器快速运算的要求。     

Design and control of a nanoprecision XY Theta scanner

This paper describes the design and control of a nanoprecision XY Theta scanner consisting of voice coil motors and air bearing guides. The proposed scanner can be installed on a conventional XY stage with long strokes to improve the positioning accuracy and settling performance. Major design considerations in developing a high precision scanner are sensor accuracy, actuator properties, structural stability, guide friction, and thermal expansion. Considering these factors, the proposed scanner is made of invar, which has a small thermal expansion coefficient and good structural stiffness. Four voice coil motors drive the scanner, which is suspended by four air bearing pads, in the x, y, and theta directions. The scanner's position is measured by three laser interferometers which decouple the scanner from the conventional stage. The mirror blocks reflecting the laser beams are fixed using viscoelastic sheets, ensuring that the scanner has a well-damped structural mode. A time delay control algorithm is implemented on the real-time controller to control the scanner. The effectiveness of the proposed scanner is verified experimentally.     

A disturbance observer-based adaptive control approach for flexure beam nano manipulators

This paper presents a systematic modeling and control methodology for a two-dimensional flexure beam-based servo stage supporting micro/nano manipulations. Compared with conventional mechatronic systems, such systems have major control challenges including cross-axis coupling, dynamical uncertainties, as well as input saturations, which may have adverse effects on system performance unless effectively eliminated. A novel disturbance observer-based adaptive backstepping-like control approach is developed for high precision servo manipulation purposes, which effectively accommodates model uncertainties and coupling dynamics. An auxiliary system is also introduced, on top of the proposed control scheme, to compensate the input saturations. The proposed control architecture is deployed on a customized-designed nano manipulating system featured with a flexure beam structure and voice coil actuators (VCA). Real time experiments on various manipulating tasks, such as trajectory/contour tracking, demonstrate precision errors of less than 1%.     

基于像差修正的同轴度测量方法

为了实现在同轴度测量中平行偏差(平偏)和倾斜偏差(角偏)两个量的同时测量,建立了基于激光准直性的光斑接收系统。该系统由接收物镜、分光棱镜和CCD构成。以物镜光轴、准直光束几何中心线和两个CCD接收面构成的三角关系进行两个偏差量的计算;并通过对系统像差的分析,提出了显著降低物镜像差对测量结果影响的算法。理论和实验数据表明,对于平偏测量范围为±10 mm、角偏测量范围为±2°、接收物镜焦距为50 mm、CCD尺寸为1.6 cm的系统,平偏测量精度可达0.02 mm,角偏测量精度可达9.5″。因此,该系统可以满足较大范围内的旋转机械同轴度测量的需要。     

DESIGN AND CONTROL OF AN ULTRAPRECISION STAGE USED IN GRATING TILING

In petawatt laser system, the gratings used to compose pulse compressor are very large in size which can be only acquired currently by arraying small aperture gratings to form a large one instead, an approach referred to as grating tiling. Theory and experiments have demonstrated that the coherent addition of multiple small gratings to form a larger grating is viable, the key technology of which is to control the relative position and orientation of each grating with high precision. According to the main factors that affect the performance of the grating tiling, a 5-DOF ultraprecision stage is developed for the grating tiling experiment. The mechanism is formed by serial structures. The motion of the mechanism is guided by flexure hinges and driven by piezoelectric actuators and the movement resolution of which can achieve nanometer level. To keep the stability of the mechanism, capacitive position sensors with nanometer accuracy are fixed on it to provide feedback signals with which to realize closed-loop control, thus the positioning precision of the mechanism is within several nanometers range through voltage control and digital PID algorithm. Results of experiments indicate that the performance of the mechanism can meet the requirement of precision for grating tiling.     

基于音圈电机的新型高速精密定位系统设计方法

设计了一种基于直线音圈电机直接驱动并采用新型弹性解耦机构的高速高精度XY精密定位平台。详细介绍了该装置的结构形式和动态设计方法,并对研制样机进行了性能测试。测试结果表明,该新型精密定位平台具有很高的速度、加速度和精度,能够适应集成电路封装业发展对封装设备提出的新要求。