倾斜反射镜的驱动设计和控制研究.docx

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1、IIABSTRACTTilt mirrors commonly used in micro-positioning system，which achieves overallcorrection of wave-front in the adaptive optics system and is used for fine tracking inthe ATP system of space optical communicationt. Tilt mirrors based on micro-positioning system need to be focused including ho

2、w to select the drive mode to achievea small angle of deflection and how to improve control accuracy.Solve the above problem, on the basis of analysis of the inclined mirror works, tocarry out the rotation drive technology based on piezoelectric ceramic actuator tiltmirror and to improve the drive s

3、ystem control precision technology in the closed-loopsystem with PID control algorithm. The main contents include:First, this thesis introduces the tilt mirror working principle, and then designs thepiezoelectric tilt mirror driven by the overall framework, followed detailed discussion ofthe design

4、principles of each module, including input control module, power module,high-voltage power amplifier module and sensor circuit module. The input controlmodule focuses on the choice of the DSP chip and its peripheral circuit design, the D/Aconverter circuit and A/D converter circuit; The power module

5、 discusses the design ofhigh voltage power supply and low voltage power supply design, focuses on the designof high voltage power supply; The high-voltage power module is the core of the entiredrive system, so the highlights, including the choice of the device, circuit design andcircuit protection m

6、easures. The sensor detection circuit module introduces the workingprinciple of the sensor and control theory.Second, it established the framework of the piezoelectric ceramic control system,selected and gave details of the piezoelectric ceramic servo-control module and thepiezoelectric ceramic actu

7、ator tilt platform, and analyze the open-loop and closed-loopworking principle of the piezoelectric ceramic control system . Then introduced thepiezoelectric ceramic control system for an closed-loop control algorithm, firstestablished the mathematical model of a piezoelectric ceramic drive system a

8、nd derivedopen-loop system transfer function, and then simulating the established model using theIIIZiegler-Nichols tuning titration , the result shows that the system after correction havesmall overshoot, fast response time, small steady state error.Third, this thesis use Multisim software simulate

9、 the linearity, the linearity error,static ripper and dynamic performance of the designed circuit, produced a driver boardaccording to the driver circuit and tested the performance of the drive plate. The testresults show that the drive circuit designed to meet the design requirements. In addition,w

10、e also tested the relationship between the piezoelectric ceramic cylinders and bothends of the applied voltage in the open-loop mode and in the detection compensationclosed-loop mode.Keywords: tilt mirror, piezoelectric ceramics, PID tuningI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

11、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

12、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

13、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V3.3.3 低压稳压源. 263.3.4 精密参考电压源 . 273.4 高压功率放大模块设计 . 273.4.1 信号调整单元设计. 273.4.2 功率放大单元设计. 283.4.3 高压运算放大电路保护与补偿. 313.5 传感器检测电路设计 . 323.5.1 传感器类型的选择. 333.5.2 应变计传感器工作原理. 333.5.3

14、应变计传感器控制电路. 343.6 本章小结 . 35第四章 压电倾斜反射镜控制系统设计 . 364.1 压电驱动控制系统 . 364.1.1 压电驱动控制系统总体框架. 364.1.2 压电陶瓷伺服控制模块. 374.1.3 压电陶瓷驱动平台 . 384.1.4 压电陶瓷驱动控制系统工作模式. 404.2 压电驱动控制算法 . 424.2.1 压电驱动系统传递函数. 424.2.2 压电驱动系统 PID 控制研究. 434.2.3 PID 控制仿真. 454.3 本章小结 . 49第五章 压电陶瓷驱动系统的仿真与测试 . 515.1 压电陶瓷驱动电路仿真 . 515.1.1 驱动电路的动态性

15、能仿真. 515.1.2 驱动电路的静态性能仿真. 525.2 驱动电路 PCB 板设计. 545.2.1 PCB 板设计注意问题 . 545.2.2 驱动电路 PCB 电路图和实物图 . 545.3 驱动板的测试 . 555.3.1 线性度线性误差测试. 555.3.2 静态纹波测试. 57IV目 录第一章 绪 论 . 11.1 倾斜反射镜研究的背景 . 11.1.1 倾斜反射镜简介. 21.1.2 倾斜反射镜工作原理. 31.2 国内外研究状况 . 41.2.1 压电驱动电源的研究现状. 41.2.2 压电陶瓷控制技术研究现状 . 81.3 本文的研究目的及内容 . 9第二章 压电陶瓷的特

16、性与驱动方法 .112.1 压电陶瓷的基本使用特点 .112.1.1 压电陶瓷的压电效应 .112.1.2 压电陶瓷特性. 122.2 压电陶瓷驱动方法 . 142.2.1 电压型驱动器常用结构. 142.2.2 电流型驱动器常用结构. 162.2.3 驱动方式选取. 162.3 本章小结. 17第三章 压电驱动数字系统电路设计 . 183.1 驱动器数字系统的总体框架 . 183.2 DSP 硬件电路设计. 193.2.1 电源电路设计和复位电路. 193.2.2 时钟电路和 JTAG 电路 . 203.2.3 D/A 电路 . 213.2.4 A/D 电路. 223.3 电源模块设计 .

17、243.3.1 稳压器件的选择. 243.3.2 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（FastSteering Mirror）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VI5

18、.3.3 动态性能测试. 585.3.4 稳定性测试. 585.4 传感器检测补偿系统实验测试 . 595.5 本章小结 . 61第六章 总结与展望 . 626.1 总结 . 626.2 展望 . 62致 谢 . 64参考文献 . 65在学期间的研究成果 . 6821.1.1 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

19、 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2c 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：25/30.134(/)co Dr(1-2)式（1-1）和（1-2）中的or 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

20、整体倾斜进行补偿，再使用变形镜进行校正。31.1.2 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1/106/10，两个驱动器X和Y呈直角排列，由中间

21、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

22、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。5PI（Physic Instrument）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：220VAC10%； 输入电压范围：05V； 输出电压范围：0300V； 输出电压

23、纹波： 50mV； 电压分辨率：0.1V； 外形尺寸：25019080mm。该产品的优点是可输出最大值约 24V 的方波或最大值约 48V 的正弦波，缺点是不适合高频环境，输入频率低于 100Hz，还有就是不能长时间工作，稳定性差，交流输出时数码管显示异常。（2）HPV 系列压电驱动器HPV 是哈工大研制的一款高品质压电陶瓷驱动电源，其优点是输出电压分辨率高、输出静态纹波低、动态频率响应性能好、稳定性高，此外，它还有多种控制方式可供选择，提供了多种配置的不同型号的产品，满足各种用户需求。图 1-6为哈工大 HPV 系列压电驱动电源实物图。HPV 系列技术指标如下： 供电电压：220VAC10%

24、；6 模拟控制信号范围：单极性 010V、双极性-10+10V； 峰值输出电流：0.5A； 输出电压分辨率：40PPmFS10%； 输出电压监控分辨率：0.1FS； 电压稳定性：0.1%F.S/8hours； 一路电源静态电压纹波： 10mV； 三路静态电压纹波：20mV； 正弦波频率响应：2KHz（负载2.2uF、Vpp10V）。图1-6 哈工大HPV系列压电陶瓷驱动电源（3）E-665.CO 高速压电陶瓷驱动电源国外优秀的压电陶瓷驱动电源很多，其中典型代表就是德国 PI 公司生产的压电陶瓷驱动电源系列，图 1-7 为 E-665 型低压压电陶瓷驱动电源。图1-7 德国PI公司的E-665驱

25、动电源主要技术指标： 输入电压范围：-1212V 可选；4假设 X 轴上的执行器位移量为x l ， Y 轴上执行器位移量为y l，中心执行器和它们的距离为D。这时倾斜镜的转角可表示为：lDxx /（1-3）lDyy /（1-4）如果驱动器由若干陶瓷片组成，则驱动器的总行程可表示为： L nVd（1-5）式（1-5）中，n为压电陶瓷片数，V 为驱动器的施加电压，d 为压电系数。将式（1-5）代入到（1-3）和（1-4），可得驱动器控制电压和倾斜镜转角的关系表示如下：nVdDxx /（1-6）nVdDyy /（1-7）式（1-6）和式（1-7）中的n、d 和D都是常数，所以x 和y 取决于xV 和

26、yV ，即倾斜镜的转角由输入电压控制。1.2 国内外研究状况1.2.1 压电驱动电源的研究现状随着科技的快速发展，精密技术和微细工程的研究越来越受到重视，亚毫米级和纳米级的微控技术已成为光电子学、精密加工等先进学科的关键技术2。压电陶瓷从理论上讲可获得无限小的位移分辨率，所以成为理想的微位移元件，但其固有的迟滞和蠕变等特性给压电陶瓷的控制带来很大的困难。各国都投入大量人力物力，研制了各种压电陶瓷微位移驱动器，但基本的控制方法有两种：电压控制型和电流控制型，电压控制型以压电陶瓷两端的电压控制压电执行器的位移量，而电流控制型则通过控制压电陶瓷两端电荷量来控制压电执行器的位移量。由于电压控制型较好的

27、低纹波性和宽频响范围等优点，所以是市场上的主流产品，而电流控制型由于其良好的静态性能也越来越受到重视。最近几年各国研制的多种压电陶瓷微位移驱动器大大促进了微位移技术的发展，国内有哈工大的 HPV 系列和中电集团二十六所的 DWY 系列，国外则以德国7 输出电压范围：-20120V； 峰值输出电流：360mA，平均输出电流 120mA,最大输出功率 36W，平均功率 12W； 集成有 20 位 D/A 转换器和 RS-232 接口，直接接收计算机的控制指令； 内部集成陷波滤波器，支持高带宽； 最多支持 12 通道； 可连接应变计或电容式传感器组成闭环回路。（4）多用途压电陶瓷控制器混合型压电陶瓷

28、控制器集电压控制型驱动器的慢定位和电流控制器的高动态性于一体，根据不同的环境采用不同的驱动方式，在频率较高时，使用动态性能好的电荷型驱动方式，在静态或低频条件下，使用静态性能好的电压控制型驱动方式，取得了很好地效果。图1-8 Piezomechanik公司的LE150HYB/020混合型压电陶瓷驱动电源图1-8为Piezomechanik公司的LE150HYB/020混合型压电陶瓷驱动电源，当为电压控制时：输入电压为-2V+7V，增益为50；为电流控制时：输入电压范围-5V+7V，带宽可达20KHz。输出电压范围为-20150V，输出电流最大可达800mA，平均输出电流200mA。从以上产品的

29、分析可看出，目前国内大部分压电陶瓷驱动电源的适用范围主要面向静态和低频环境，电源纹波和稳定性方面得到了很大改进，但对于其动态特性则不够重视，它们大多采用三极管和稳压管等分立器件构成，结构复杂且性能不稳定，保护措施不够好，易产生自激振荡，尤其是当容性负载发生变化时，往往要对电源内部电路进行修改，才能实现有效的驱动，适应性差，大大限制了驱动电源的应用范围。8此外，在实际应用中，压电陶瓷驱动方式的选取要根据每种驱动方式的优缺点和系统的应用要求。本文根据倾斜反射镜驱动的要求，采用电压控制型驱动方式，设计一种高精度、高频响的压电陶瓷驱动器。1.2.2 压电陶瓷控制技术研究现状压电陶瓷的形变是一个复杂过程

30、，受迟滞、蠕变和非线性等特性影响，准确的数学模型难以建立，给压电陶瓷执行器的控制尤其是开环控制带来了很大的困难，其中，迟滞、蠕变和非线性都能引起压电陶瓷形变的不确定性，三者的不确定度分别为 15%28%、5%10%和 2%15%。为了有效地消除这些误差，学者们从制作工艺、正逆压电机制原理、驱动电源、传感器和控制方法等多方面进行了大量的研究：在控制方式上：分为开环控制和闭环控制；在驱动方式上：分为电压控制和电流控制；在控制算法上:有 PID 控制算法、模糊自适应 PID 控制算法、智能网络算法等。1、电压驱动开环控制电压驱动开环控制对系统模型依赖性很高，所以它先要建立被控系统的数学模型，然后通过

31、压电陶瓷驱动器的输入控制模块控制压电驱动器的驱动电压，进而控制压电陶瓷执行器的伸缩量。开环控制系统不需要反馈回路，组成简单、成本低，相应的控制精度也低。2、电压驱动闭环控制电压驱动闭环控制将压电执行器的实际位移信号通过反馈回路滤波放大后返回给控制器，控制器将其和给定值进行比较，得到两者偏差，再经过控制算法得出驱动器的位移控制信号。闭环控制的实现主要依靠执行器上的反馈传感器，其类型有应变计传感器、电容传感器等，传感器回路是闭环控制系统精度和分辨率的核心，鉴于此，在闭环控制中多采用分辨率高，温漂小的应变片传感器。3、压电驱动控制算法在压电控制时，如果想要取得高的定位精度和良好的动态性能，无论是开环

32、控制还是闭环控制，都需要和一定的控制算法相结合。压电陶瓷执行器的控制算法很多，有 PID 算法，前馈算法、模糊自适应 PID 算法、智能算法以及复合控制算法等。典型代表有 Ge Ping 和 Jouaneh Musa 将前馈控制同 PID 反馈控制相结合的带有 Preisach 前置的 PID 控制算法，如图 1-9 所示，具体做法是在前馈环节中10模型，推导出系统的开环传递函数，根据开环阶跃响应曲线求得 和 L，然后利用 Ziegler-Nichols 整定法对系统进行整定，并利用 MATLAB 对整定结果进行了仿真；5、对所设计的驱动电路进行了软件仿真，并制作了相应的 PCB 电路板，并对

33、板子性能进行了测试。最后还测试了驱动系统在开环和闭环环境下压电陶瓷执行器位移量和驱动电压的关系。11第二章 压电陶瓷的特性与驱动方法2.1 压电陶瓷的基本使用特点压电陶瓷的理论精度可达无限高，所以常被作为感测器、微位移器和换能器等需要微位移控制的场合，其具有以下优点：1、压电陶瓷作为微位移执行器时，分辨率可达纳米级，但是受其固有蠕变和迟滞等特性影响，其控制的精度不可能无限高。2、压电陶瓷执行器可在几微秒内完成响应，常用在需快速定位的系统中，像快速倾斜反射镜驱动。3、压电陶瓷抗电磁干扰能力强，电磁干扰对电压控制型驱动不起作用。4、压电陶瓷可实现电能和机械能的转化，外部表现为压电晶体的位移伸缩。5

34、、环境适应性强，可在恶劣的情况下工作。2.1.1 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种特殊的功能陶瓷材料，它可产生微小形变，实现电能和机械能之间的能量转化。通常将机械能转化为电能的过程称为正压电效应，压电晶体内的电偶极矩在受到外部压力时会变短，这时压电晶体会为抵抗这种变化而在材料的相对表面上产生电量相等的正负电荷，这种由于形变而产生电极化的现象其实质是机械能转化为电能，如图2-1所示，可表示为：P d （2-1）式中，P 为电极化率 (/)2C m， d 为压电常数 (C /N)， 为应力2N / m。逆压电效应和正压电效应相反，其实质是电能转化为机械能，外部表现为压电晶体受到电场作用而发生形变，

35、并且电压与形变量成正比，这种现象就称成为逆压电效应，如图2-2所示，可表示为：SdEt （2-2）式中的 S 为晶体的杨氏模量，td 为压电常数 ( m /V)， E 为电场强度矢量12(V /m)。图2-1 正压电效应示意图 图2-2 逆压电效应示意图一般情况下，在给压电陶瓷两端施加电压时，它会同时产生逆压电效应和电致伸缩两种效应，可表示为：2 L dE ME（2-3）其中：dE 和2ME 分别为逆压电效应和电致伸缩效应，d 和 E 分别为逆压电效应的压电系数 ( m /V)和电场 (V /m),M 为电致伸缩效应的电致伸缩系数 ()4 2m C， L 为应变。2.1.2 压电陶瓷特性1、迟

36、滞特性压电陶瓷的极化状态会随着输入的控制电压变化，但是控制电压增加时和减少时压电陶瓷的位移量会不同。具体表现为控制电压增加时的位移曲线和减少时的位移曲线不同，而是存在位移差，这种现象称为压电陶瓷的滞后性3，如图2-3所示。滞后性对系统的精度有很大影响，但可通过闭环控制来消弱4。m /移量位 LxV图2-3 压电陶瓷滞后现象9利用 Preisach 模型对压电陶瓷进行非线性建模，然后再进行线性化处理，这样大大提高了系统的定位精度。图 1-9 带 Preisach 前馈环的闭环 PID 控制器结构框图1.3 本文的研究目的及内容本文针对倾斜反射镜的驱动要求，采用压电驱动的方式，并根据压电陶瓷容性负载特性，设计一个倾斜反射镜压电驱动系统，驱动倾斜镜在 2mrad 范围内偏转，并对控制系统建模并进行校正，使超调量不高于 5%，响应时间小于 1ms。本文的倾斜镜主要应用于低频环境，主要参数有线性度、静态纹波和动态性能。根据压电倾斜镜执行器 S-330.2SL 参数可设驱动器的指标如下：1、输出电压范围：0100V；2、输出电压分辨率：10mV；3、静态纹波：99%；5、无负载开环带宽：1KHz。本文的主要研究内容包括：1、分析了倾斜反射镜的工作原理和驱动原理，根据分析选择合适的倾斜反射镜驱动方式；2、分析了压电陶瓷的多种固有特性及其驱动