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1、编号 本科生毕业论文振镜控制系统设计Galvanometer control system design 2011 年 5 月摘要随着激光器技术和电子器件技术的飞速发展，振镜激光扫描技术以其高速、精确扫描的优点广泛应用于快速成形技术中,成为其核心部件。振镜实现ATP控制页数太多，删掉15页左右，还要好好排版的私服系统是极具前景的通信方式。由于空间环境复杂，通信距离遥远，而可靠的通信对跟瞄精度要求很高，振镜控制技术成为实现空间光通信的关键和难题。高精度的视轴稳定技术是实现整个打标机的核心。因此，对打标机中的视轴稳定系统的研究非常必要。因此提出了采用PZT振镜实现光束的精确控制。根据精跟踪系统对伺
2、服平台的要求，从静态控制精度、谐振频率、带载能力、控制范围、带宽方面对振镜进行了详细的分析，选取了合适的振镜平台和驱动方式，验证了PZT振镜在快速伺服上的应用。关键词：振镜控制 打标机 PZT驱动器 仿真AbstractWith laser technology and electronic components and technology rapid development, galvanometer laser scanning technology to its high speed, accurate scan widely applied to the advantages of
3、rapid forming technique, as its core components. The galvanometer ATP control private server system is extremely promising way to communicate. Because of the space environment complex, communication distant, and reliable communications with tracking &pointing accuracy requirement of very high, galva
4、nometer control technology to become the key realization space optical communication and problems. Precision view axis stable technology is to realize the whole marking machine core. Therefore, the rally marking machine ship-swaying stabilization system study is very necessary. Therefore proposes us
5、ing PZT galvanometer accurate control of beam. According to fine tracking system for servo platform requirement, from the static control accuracy and the resonant frequency, bring load capacity, control scope, bandwidth aspects of galvanometer are analyzed in detail, and the proper selection of the
6、galvanometer platform and drive mode, and verifies the PZT galvanometer application in quick servo. Keywords: Galvanometer control Marking machine PZT DRIVE SIMULATION 目录绪论1第一章振镜控制系统21.1振镜的定义21.2激光振镜21.3振镜控制系统的广泛应用21.4论文研究的目的和内容6第二章自由空间光通信APT系统72.1ATP系统的组成72.2ATP系统描述92.3精跟踪子系统的跟踪精度10第三章精跟踪系统对伺服平台的要求
7、143.1ATP系统对振镜的要求 143.2振镜平台的选取163.3振镜各种驱动方式的特点17第四章PZT驱动器的基本原理及特性.204.1PZT的基本概念204.2PZT的特性分析21第五章PZT振镜的设计245.1振镜伺服系统总体框图245.2 PZT驱动平台255.3 PZT振镜驱动265.4 PZT振镜伺服控制模块275.5数字控制补偿285.6接口35第六章实验系统测试结果376.1精跟踪环建模376.2实验数据406.3控制精度的测试40结论43绪 论21世纪是科技飞速发展的时代，其中以信息的传输和交换技术发展最为快速。随着激光器技术和光电子器件技术的飞速发展，以及人们对通信距离、
8、通信质量的要求的不断提高，光通信技术以其独特的优点，得到了越来越快的发展。从1995年到2003年短短的8年时间，控制系统在激光领域就经历了大幅面时代、转镜时代和振镜时代，控制方式也完成了从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列演变，如今，半导体激光器、光纤激光器、乃至紫外激光的出现和发展又对光学电学过程控制提出了新的挑战。在这其中，振镜控制系统以其独到的特色以及优势使整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。如今，世界上振镜控制系统发展迅速，国外的技术的发展要超于国内，例如三维振镜激光扫描系统长期以来只能从国外进口,存在着价格昂贵、维修困难、技术受限等方面的问题。然而
9、当今世界的局势错综复杂，我国作为社会主义大国要在世界上立于不败之地，必须加快发展高新技术，尤其是在航天技术，信息技术，激光技术等领域，要跟踪国际水平，缩小同国外的差距，并力争在我们有优势的领域有所突破，为我国的经济发展和国防安全创造条件。第一章.振镜控制系统1.1振镜的定义振镜是一种优良的矢量扫描器件是一种特殊的摆动电机,基本原理是通电格式不对线圈在磁场中产生力矩,但与旋转电机不同,其转子上通过机械纽簧或电子的方法加有复位力矩,大小与转子偏离平衡位置的角度成正比,当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定的角度时,电磁力矩与回复力矩大小相等,故不能象普通电机一样旋转,只能偏转,偏转角与电流成正比
10、,与电流计一样,故振镜又叫电流计扫描器。振镜的原理我们可以追溯到光线示波器，一种基本上已被淘汰的示波器，其原理是：利用振动子偏转反射的光束在感光记录纸上记录一个或多个参数的瞬时值，以确定其波形的记录仪器。被测参数可为电流或电压等电量，或为已转变为电量的各种非电量，例如在机械工程中与应变片配合使用时，可测应力、应变、扭矩和振动等。1.2激光振镜激光振镜简单来讲是用在激光行业的一种扫描振镜，其专业名词叫做高速格式不对扫描振镜（Galvo scanning system）。所谓振镜，又可以称之为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计算机控制的-5V5V 或-
11、10V+10V 的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代，在这套控制系统中，位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度，整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。1.3振镜控制系统的广泛应用1.3.1激光打标系统激光打标焊接、激光热处理、激光切割、激光打孔等应用技术之后发展起来的一门新型加工技术，是一种非接触、无污染、无磨损的新标记工艺。近年来，随着激光器的可靠性和实用性的提高，加上计算机技术的迅速发展和光学器件的改进，促进了激光打标技术的发展。 激光打标是利用高能量密
12、度的激光束对目标作用,使目标表面发生物理或化学的变化 ,从而获得可见图案的标记方式。高能量的激光束聚焦在材料表面上，使材料迅速汽化，形成凹坑。随着激光束在材料表面有规律地移动同时控制激光的开断，激光束也就在材料表面加工成了一个指定的图案。激光打标与传统的标记工艺相比有明显的优点： (1) 标记速度快，字迹清晰、永久。 (2) 非接触式加工，污染小，无磨损。 (3) *作方便，防伪功能强。 (4) 可以做到高速自动化运行，生产成本低1.3.2国内激光打标的发展历程激光打标设备的核心是激光打标控制系统，因此，激光打标的发展历程就是打标控制系统的发展过程。从1995年到2003年短短的8年时间，控制
13、系统在激光打标领域就经历了大幅面时代、转镜时代和振镜时代，控制方式也完成了从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列演变，如今，半导体激光器、光纤激光器、乃至紫外激光的出现和发展又对光学过程控制提出了新的挑战。 （1） 大幅面时代 所谓大幅面，刚开始是将绘图仪的控制部分直接用于激光设备上，将绘图笔取下，在（0，0）点X轴基点、Y轴基点和原绘图笔的位置上分别安装45折返镜，在原绘图笔位置下端安装小型聚焦镜，用以导通光路及使光束聚焦。直接用绘图软件输出打印命令即可驱动光路的运行，这种方式最明显的优势是幅面大，而且基本上能满足精度比较低的标刻要求，不需要专用的标刻软件；但是，这种方式存
14、在着打标速度慢、控制精度低、笔臂机械磨损大、可靠性差、体积大等缺点。因此，在经历最初的尝试后，绘图仪式的大幅面激光打标系统逐步退出打标市场的，现在所应用的同类型的大幅面设备基本上都是模仿以前这种控制过程，用伺服电机驱动的高速大幅面系统，而随着三维动态聚焦振镜式扫描系统的逐步完善，大幅面系统将逐步从激光标刻领域销声匿迹。 （2） 转镜时代 由于看到大幅面系统的一系列缺点，在高速振镜技术还没有在中国广泛普及的情况下，一些控制工程师自行开发了由步进电机驱动的转镜式扫描系统，其工作原理是将从谐振腔中导出的激光通过扩束，经过成90安装的两个步进电机驱动的金镜的反射，由F-theta场镜聚焦后输出作用于处
15、理对象上，金镜的转动使工作平面上的激光作用点分别在X、Y轴上移动，两个镜面协同动作使激光可以在工作平面上完成直线和各种曲线的移动。这种控制过程无论从速度还是定位精度来说都远超过大幅面，因此在很大程度上能满足工具行业对激光控制的要求，虽然同当时国际上流行的振镜式扫描系统还有比较明显的差距，但严格来说这种设计思路的出现和逐步完善代表着中国激光应用的一个里程碑，是中国完全能自行设计和生产激光应用设备的典型标志。直到振镜在中国大规模应用的兴起，这种控制方式才逐步退出中国激光应用的舞台。 （3） 振镜时代 1998年，振镜式扫描系统在中国的大规模应用开始到来。所谓振镜，又可以称之为电流表计，它的设计思路
16、完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计算机控制的-5V5V的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代，在这套控制系统中，位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度，整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。1.3.3振镜扫描式打标系统振镜扫描式打标系统主要由激光器、XY偏转镜、聚焦透镜、计算机等构成。其工作原理是将激光束入射到两反射镜（振镜）上，用计算机控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激
17、光聚焦点在打标材料上按所需的要求运动，从而在材料表面上留下永久的标记，聚焦的光斑可以是圆形或矩形，其原理如图4所示。在振镜打标系统中，可以采用矢量图形及文字，这种方法采用了计算机中图形软件对图形的处理方式，具有作图效率高，图形精度好，无失真等特点，极大的提高了激光打标的质量和速度。同时振镜式打标也可采用点阵式打标方式，采用这种方式对于在线打标很适用，根据于不同速度的生产线可以采用一个扫描振镜或两个扫描振镜，与前面所述的阵列式打标相比，可以标记更多的点阵信息，对于标记汉字字符具有更大的优。 振镜扫描式打标系统一般使用连续光泵工作波长为1.06m的Nd:YAG激光器，输出功率为10120W，激光输
18、出可以是连续的，也可以是Q开关调制的。近年发展的射频激励CO2激光器，也被用于振镜扫描式激光打标机。 振镜扫描式打标因其应用范围广，可进行矢量打标和点阵打标，标记范围可调，而且具有响应速度快、打标速度高（每秒钟可打标几百个字符）、打标质量较高、光路密封性能好、对环境适应性强等优势已成为主流产品，并被认为代表了未来激光打标机的发展方向，具有广阔的应用前景。 目前用于打标的激光器主要有Nd:YAG激光器和CO2激光器。Nd:YAG激光器产生的激光能被金属和绝大多数塑料很好地吸收，而且其波长短(为1.06m)，聚焦的光斑小，因而最适合在金属等材料上进行高清晰度的标记。CO2激光器产生的激光波长为10
19、.6m，木制品、玻璃、聚合物和多数透明材料对其有很好的吸收效果，因而特别适合在非金属表面上进行标记。 Nd:YAG激光器和CO2激光器的缺点是对材料的热损伤及热扩散比较严重，产生的热边效应常会使标记模糊。相比之下，由准分子激光器产生的紫外光打标时，不加热物质，只蒸发物质的表面，在表面组织产生光化学效应，而在物质表层留下标记。所以，用准分子激光打标时，标记边缘十分清晰。由于材料对紫外光的吸收大，激光对材料的作用只发生在材料的最表层，对材料几乎没有烧损现象，因此准分子激光器更适合于材料的标记。 1.3.4国内激光打标的发展前景激光打标系统是综合了激光技术和计算机技术的光、机电一体化系统，当今激光技
20、术和计算机技术的发展为激光打标技术的发展带来了前所未有的机遇和挑战。 目前，在振镜式扫描激光打标系统中，硬件控制电路都是基于计算机ISA总线或者PCI总线而设计的，必须安装在计算机主板的ISA总线或PCI总线扩展槽中。这种方式使得1台计算机控制打标机的台数受到了限制（现在绝大部分情况是1台计算机控制1台打标机）。另外，硬件安装于计算机主板上，给整个系统的稳定运行带来影响，降低了打标系统的稳定性，同时也增加了打标机的成本和体积。 USB的出现和发展使得激光打标硬件控制电路脱离计算机ISA总线或者PCI总线成为可能。USB2.0的传输速率可达480Mbits，完全可以胜任激光打标对数据传输速率的要
21、求，而且，它可以支持1台计算机同时连接127台设备，这样就可以用1台计算机同时控制几台打标机而不必增加额外的费用，而且打标机也可以不带计算机进行销售，从而降低了打标机的价格。 现在激光打标使用的Nd：YAG激光器都是以氪灯或氙灯来泵浦的，其泵浦效率很低，致使激光器的总效率只能达到25，这意味着绝大部分所加于泵浦灯的电功率都转化为热量。因此，这种激光打标机都配有庞大的冷却系统，其体积可占整个系统体积的40。 近几年出现的半导体激光泵浦的固体激光器，其总体转换效率可达20以上，因而可以大大缩小激光器冷却系统的体积，这就为激光打标机向轻型化、小型化方向发展创造了条件。而近年来出现的大功率光纤激光器，
22、其散热性能好、转换效率高（是半导体激光泵浦的固体激光器的2倍以上）、激光阈值低、可调谐范围宽、光束质量好、免维护和价格低廉、制作灵活等显著优势，更加促进了激光打标向轻型化、小型化方向发展。 激光打标技术目前在国内外工业上的应用正被人们逐渐重视，各种新型的打标系统层出不穷，它以其独特的优点正在取代传统的标记方法，如：冲压、印刷、化学腐蚀等,在各种机械零部件、电子元器件、集成电路模块、仪器、仪表、电机铭牌、工具甚至食品包装等物体表面上,标记出汉字、英文字符、数字、图形等，从而在这些领域取得了广泛的应用。国际上一些发达国家已将该技术作为工业加工的工艺标准，我国也非常重视这一技术，国家科委已将该技术列
23、为“八五火炬计划”进行研制和推广。现在它已经引起了国内越来越多生产厂家的重视，必将会代替传统的标记工艺，给产品生产注入新的活力。因此，激光打标具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景。1.4论文研究的目的和内容目前，国内外的激光通信系统都设计了高宽带的精跟踪系统来实现光束的精确对准和对平台扰动进行有效的抑制。通常将精跟踪系统的闭环带宽做得很高，是平台抖动的大部分频带都包含在精跟踪系统的有效带宽之内，从而达到抑制干扰和提高精度的目的。为了提高二维快速振镜的伺服带宽，需要重点考虑：1优选二维快速振镜伺服平台。本系统采用基于PZT技术实现二维快速倾斜平台，它具有谐振频率高、系统刚度强、驱动力矩大等优点，非
24、常适合光束的精确对准和跟踪应用；2负载直接影响振镜系统的谐振频率，在光束直径和波束质量允许的条件下，尽量减小光学反射镜片的直径和厚度，可以增加系统的谐振频率，进而提高系统闭环宽带；3格式不对影响闭环宽带的另一个主要因素是PZT驱动器的驱动电流，因为PZT驱动等效电容，驱动电流越大，系统的闭环带宽越高，所以本系统应尽量提高驱动器的驱动能力，对于100V的供电电压实现高速、大电流的驱动器比较困难，本系统采用平均电流400Made平均驱动电流；4接口控制模式：系统的控制接口模式也是影响系统伺服带宽的一个主要因素，为了减小控制数据的传输延迟时间，本系统采用D/A卡直接控制振镜。振镜是APT精跟踪系统的
25、主要部件，其主要作用是实现光束对准的精密控制。有必要对其进行深入研究。第二章 精跟踪系统对伺服平台的要求2.1 APT系统对振镜的要求2.1.1振镜的静态控制精度目前，国内外的激光通信系统都设计了高带宽的精跟踪系统来实现光束的精确对准和对平台扰动进行有效的抑制。通常将精跟踪系统的闭环带宽做得很高，使平台抖动的大部分频带都包含在精跟踪系统的有效带宽之内，从而达到抑制干扰和提高精度的目的。为了提高振镜的控制精度，需要采用以下几点措施:(l)使二维快速倾斜平台工作于闭环工作模式，其内部采用4个应变片工作于桥式放大，后续电路采用低温漂、高精密放大器和20位高精密A/D转换器，从而大大降低各种扰动因素对
26、于系统控制精度的影响;(2)为了使振镜平台在宽温度范围内有很好的热稳定性，需要与镜片的热膨胀系数进行匹配，S-330平台采用不胀锢钢材料；(3) S-330的倾斜平台配备两对低电压压电线性驱动器，每个压电驱动器空间分布相差90度，从而组成差分型推拉工作模式。这种差分设计可以在较宽的温度范围内获得非常高的角度稳定度。因为温度的变化仅仅影响平移方向的位置，对于平台角度方向没有影响。这种结构还有另一个优点就是当去掉压电驱动器的电压时，平台将自动恢复到中心位置，便于精跟踪和粗跟踪两个过程之间的过渡。2.1.2振镜的控制范围精跟踪的视场，由公式(3.1)可知，考虑望远系统的放大倍率刀和振镜置放角度等因素
27、需要振镜的控制范围优于。根据所选用的振镜大小以及要求的精跟踪视场的大小确定卡式系统的放大倍率。 APT系统粗信标光接收系统视场角设计为20mrad，卡式系统承担不了这样大的视场角，所以将粗信标光接收光路单独分离出来，即不与其它系统共用卡式系统。根据所选用的振镜大小以及要求的精跟踪视场的大小确定卡式系统的放大倍率。选用PZT振镜，其带载反射镜最大尺寸为25min，最大摆动范围为5 mrad，因此，卡式系统的放大倍率为由于系统有一定视场所以取13.5倍。卡式系统放大倍率取13.5倍时，振镜实际控制范围为此数值大于粗跟踪精度0.225mrad，满足系统0.9mrad的要求。2.1.3振镜的谐振频率负
28、载直接影响振镜系统的谐振频率，在光束直径和波束质量允许的条件下，尽量减小光学反射镜片的直径和厚度，可以增加系统的谐振频率，进而提高系统闭环带宽为满足粗精匹配的要求和提高精跟踪系统的控制精度，精跟踪系统的伺服带宽需要优于900Hz。因为光学系统的转动惯量与控制带宽间存在以下关系:其中，载条件下的控制带宽，为振镜平台的转动惯量，光学发射镜的转动惯量。由此可见，光学发射镜在设计中的参数选取十分考究，通常为了增加控制带宽，需要减小光学发射镜的转动惯量，而光学反射镜的转动惯量表达式为其中，m为光学反射镜的质量，R为圆形反射镜的射镜的径，H为发射镜的厚度，T为振镜平台特征参数。根据(3.5)式，减小光学反
29、射镜的转动惯量势必需要减小光学反射镜的半径和厚度，而减小反射镜缩小光束的调整范围，减小厚度将削弱其机械强度，所以本系统建议选的反射镜尺寸为中。对应的闭环带宽为，经过这样选取，既满足调节范围和机械强度等要求，又满足系统控制带宽的要求。2.1.4 振镜的带载能力根据光学系统任务要求，振镜所带载的光学反射镜片的直径应大于25mm，同时为满足波前畸变要求，要求反射镜的厚度优于8mm波面质量要求优于。但对于较重的稳定负载，会导致很多各种干扰力矩，同时使系统的谐振频率和控制带宽不能做得很宽。2.1.5振镜的带宽的要求扰动、噪声系统频带:跟踪系统受到的扰动和噪声有多种，其一就是低频扰动，对于低频扰动随机系统
30、可以抑制掉，而且系统频带越宽则抑制能力越强;另外一种是随机噪声，其输出误差的均方值为显然，系统频带越宽，随机噪声通过就越多，因而影响也越大。频带窄时，噪声小，但低频扰动影响大，当频带加宽时低频扰动误差明显降低，但噪声又明显加大。所以需要从总协方差曲线中选取最小值为佳。在复合轴控制系统中，精跟踪系统直接校正的是粗跟踪系统的残余误差。从某种意义上讲，精跟踪回路的带宽反映了复合轴跟踪目标的快速能力，粗跟踪轴的带宽反映了复合轴系统对运动目标初始捕获和跟踪的能力。可以说，粗、精系统带宽越大，误差抑制能力越高，系统稳定性越好。为了抑制运载平台的干扰，获得预期的跟瞄精度，我们设想把精跟踪系统的闭环宽带做到很
31、高，使平台抖动的大部分频率带包含在系统的有效校正带宽内，从而抑制干扰和提高控制精度。然而，系统闭环带宽要受到采样频率和被控对象的结构谐振频率的限制，在高精度的跟踪系统中，采样频率一般要为闭环带宽的十倍以上，闭环带宽一般要小于谐振频率的六分之一。 综上所述，为了提高二维快速振镜的伺服带宽，需要重点考虑: (l)优选二维快速振镜伺服平台。本系统采用基于PZT技术实现二维快速倾斜平台，它具有谐振频率高、系统刚度强、驱动力矩大等优点非常合适光束的精确对准和跟踪应用；(2)负载直接影响振镜系统的谐振频率，在光束直径和波束质量允许的条件下，尽量减小光学反射镜片的直径和厚度，可以增加系统的谐振频率，进而提高
32、系统闭环带宽；(3)影响系统闭环带宽的另外一个主要因素是PZT驱动器的驱动电流，因为PZT驱动等效电容，驱动电流越大，系统的闭环带宽越高，所以本系统应尽量提高驱动器的驱动能力，对于100V的供电电压实现高速、大电流的驱动器比较困难，本系统采用平均电流400Made平均驱动电流；(4)接口控制模式:系统的控制接口模式也是影响系统伺服带宽的一个主要因素，为了减小控制数据的传输延迟时间，本系统采用D/A卡直接控制振镜。2.2 振镜平台的选取 在精跟踪系统中，精瞄执行器件要求具有响应时间短，跟踪精度高的特点。目前精瞄执行器件一般采用振镜，它的响应时间在微秒量级，精度可以达到十分之一微弧度量级。可以满足
33、卫星光通信APT系统要求。振镜的工作原理是驱动器产生位移驱动附加在驱动器上的反射镜偏转一定角度，目前高速驱动器采用的方式很多。可以是摆动电机驱动，也可以是音圈电机驱动，还可采用压电陶瓷驱动。美国Ball公司的振镜采用音圈电机驱动，德国PI公司的振镜采用压电陶瓷驱动，我们采用的是压电陶瓷驱动(PZT)方式的振镜。在光通信APT技术中精确瞄准是非常关键的一环，相应精瞄系统的驱动环节的选择也是非常重要的，因为APT系统要求高分辨率，响应速度快，输出力大，转换能量效率高等，所以对各种振镜的驱动方式的分析和研究是非常必要的。2.3 振镜的各种驱动方式的特点1.摆动电动机是近二十年来迅速发展起来的一种特殊
34、电动机，在红外及激光成像、跟踪、精密定位等系统中获得了广泛的应用。图3.1所示为永磁式摆动电动机的工作原理图。摆动电动机采用交流信号控制。当定子绕组通以交流电时，永磁转子会在一定角度内围绕零位往复偏转，当定子绕组未通电时，转子静止不动，转子磁轴稳定在其外磁路磁阻最小的位置上，如图3.1转子磁轴线BC所在位置即为稳定平衡位置，也称作定位零点。 不清晰的图，需要重画 图2.1永磁式摆动电动机原理图摆动电动机主要由定子、永磁转子和激磁线圈构成。转子磁钢为圆柱实心结构，采用钦铁硼永磁材料，定子铁心是由冲有四个异形齿的硅钢片迭成，窄槽口和宽槽口相间分布。摆动电机具有稳定性好、重复精度高以及定位精度较高等
35、特点，但是它的质量较大，相应惯性就很大，这样响应时间就较长，位移重复性不够高，无法满足精瞄系统的要求，不能实现卫星光通信中的精跟踪。 2.音圈电机实际上是一种将电信号转换为直线位移的直流电机。由于其无需转动机构，即可获得直线运动，所以没有传动机械磨损，而且噪声低、机构简单、维护方便、响应快等优点，从而在近年来得到了迅速发展，并且广泛应用于磁盘机、激光唱机及其他精密定位系统中。音圈电机主要由磁钢、线圈、运动体及簧片组成。电机静子由磁钢和铁柱构成，动子则由质量较轻的线圈和骨架组成。由磁钢产生的磁场经极化匀磁，即在动圈行程内产生大致均匀的磁场，当线圈通电后，位于磁场中的载流线圈就会受到磁场力的作用而
36、运动，其受力方向随电流的方向而变化。 3.压电陶瓷驱动器在超精密定位和微位移控制中具有其它驱动器无法比拟的优点，如体积小(几立方毫米一几十立方毫米)、位移分辨率高、响应速度快(几十微秒)、输出力大(350ON)、换能效率高(50%)、不发热、采用相对简单的电场控制方式、位移重复性好等。压电/电致伸缩微位移致动器是利用电介质在电场中的逆压电效应或电致伸缩效应，直接将电能转换成机械能，产生微位移的换能元件，通常统称为“压电陶瓷致动器”(Piezo Ceramic Actuator) 是目前微位移技术中比较理想的驱动元件。同时与其它伸缩材料相比，压电陶瓷驱动器显示出多方面的优越性： (l)借助于固态
37、晶体的压电效应，压电陶瓷驱动器能够以纳米的步一长，以很高的频率产生平滑的位移，没有爬行效应。这种微小的位移是借助于电压值的平稳的变化产生的且不受门限电压的影响。由于不存在爬行现像，从理论上讲它具有无限高的分辨率。压电陶瓷驱动器的这一特性对于要求精密位移的没备非常重要。但是它的实际分辨率往往受到一些因索的影响和限制，例如:放大器的噪声干扰，传感器、驱动器的设计和安装精度以及预加载荷等； (2)压电陶瓷驱动器能够以10KHZ以上的工作频率推动重至几顿的载荷，位置分辨率仍可达到要求的精度。 (3)它的工作原理如一个电容性负载，产生动作时才消耗电能，静态时只需要极少的能量。 （4）其位移源于材料内部离
38、子的重新排列，不存在零件之间的摩擦和磨损。因此不需要润滑。适合高真空和高清洁度的应用场合； （5）它可以在电场作用下产生千分之一的位移，具有非常高的可靠性。即一个100mm长的压电陶瓷驱动器可以产生的位移; （6）压电陶瓷驱动器的响应时间为微秒级，加速度可以达到重力加速度的一万倍;(7)压电效应依赖于电场，压电陶瓷驱动器既不产生磁场也不受磁场影响。它的这一特性非常适合于不允许磁场存在的应用环境。综上所述，压电陶瓷驱动器与摆动电机相比响应速度快，位移分辨率高，同音圈驱动器相比不发热，控制方式简单，考虑到精跟踪系统的工作环境所以选择本系统采用压电陶瓷驱动方式。第三章. PZT驱动器的基本原理及特性
39、3.1 PZT的基本概念单元系压电陶瓷的代表，是几乎同时独立地被几个国家发现具有高介电常数，压电陶瓷的压电效应较强，但其温度和平频率的稳定性欠佳。它是继罗息盐和磷酸二氢钾之后发现的第三种铁电体，在上加上直流偏压后，发现有显著的压电效应。后来人们对，钛酸盐、和锡酸盐、锆酸盐等的固济体陶瓷进行了广泛的研究，发现了温度稳定性好的材料。二元系压电陶瓷的代表是PZT。随着固溶体的基础研究的进一步深入，又发现了型铁电体和反铁电体，主要有、等。美国在很早以前就公布了压电体 (即PZT)。固溶体是利用相界特性的压电材料。PZT在的克分子比约为53:47时发生所谓的相界点移动。介电常数和机电祸合系数出现极大值，
40、并且能在很宽的温度范围内保持高介电常数和高藕合系数。通过对该系统加入少量杂质或稍微变更组分就能大大改善机电耦合系数，介电常数和机械品质因素等特性，得到满足不同使用目的的许多新材料。三元系压电陶瓷的代表是以复合钙钦矿铁电体为第三组分的PCM。它是把作为第三组分加到了PZT中的三元系压电陶瓷。还有一种材料是我国压电与声光技术研究所于1969年研制成功的。它是把作为第三组分加到PZT中的三元系压电陶瓷而得出的压电陶瓷材料PMS，它的特性比PZT、PCM还要好。PZT和PCM的出现，促进了第三组分为许多复合型材料的研究，压电陶瓷的种类也迅速扩大。此后在三元系基础上发展出多元系的压电陶瓷及其组合，种类特
41、别多。由于原来这种铁电体的引入A位置和B位置的离子没有很严密的限制，而元素周期表中的大部分元素都是合适的对象，估计将来还会增加许多新材料。新材料将比现在的材料优越，特点是频率随温度和时间的变化显著减少。新材料的出现促进了新应用的发展，压电陶瓷的发展有着美好的前景。3.2 PZT的特性分析3.2.1压电系数经过极化处理的压电陶瓷的性质可以用一个坐标系(图4.1)来描述。分别以数值1、2、3表示直角坐标系的X、Y、Z轴的方向。数字4、5、6分别表示绕三个轴的回转。轴3是极化方向，即在极化处理时产生强电场的两个电极所确定的方向。压电陶瓷的特性与极化方向密切相关。这一点对压电驱动器的应用非常重要。图3
42、.1定义压电系数的坐标系(轴3为极化方向)3.2.2滞后特性与电磁驱动器相似，压电陶瓷驱动器也存在滞后现象如图4.所示。滞后现象可以通过闭环调节电路来消除。滞后的原因是由于晶体的极化效应和分子之间摩擦造成的。在开环电路作用下，压电陶瓷驱动器的膨胀量取决于外加电场强度和残留的极化效应。滞后量一般为膨胀量的10%-15%。 图3.2不同的峰值电压对应不同的滞后量为了有效地减小迟滞，在要求速度较高的场合常采取从PZT内部解决的方法，即采取极化处理，可以改善电压-移特性。而在位移速度要求较低的测量装置中，可以通过闭环控制的外部解决方式来处理，这样可以不增加PZT的制作成本，且可以实现较多的位置控制方式
43、。采用闭环控制也可以获得很高的控制精度。3.2.3 压电驱动器的非线性压电驱动器的非线性工程应用中的压电驱动器，所加驱动电压与其在驱动电压作用下的伸长之间并不是成正比关系的，都存在一定的非线性，如图4.4所示。图中上升过程尸(x)和下降过程Q(x)构成了压电驱动器典型的非线性曲线。这种非线性曲线的位置、大小和形状同驱动电压的大小及驱动电压的施加过程密切相关。 图3.4压电驱动器电压同伸长之间的关系 第四章 PZT振镜的设计4.1振镜伺服系统总体框图 图4.1振镜伺服系统总体框图振镜可以工作与开环与闭环两种模式：（1）振镜闭环控制系统所谓闭环控制系统，就是二维快扫振镜除了有四个压电陶瓷作为执行元
44、件外，还有4个传感器用来检测位置的变化，进而形成位置的闭环控制，对于S-30快速倾斜振镜而言，位置探测器采用应变片。所以闭环快速倾斜振镜控制系统主要包括以下功能模块:低压压电陶瓷功率放大器单元、传感器检测与位置伺服控制器单元;精密D/A转换器、实时偏差显示和计算机接口单元。通过计算机可以对振镜进行各种设置。 (2)振镜开环控制系统振镜开环控制系统包括压电陶瓷功率放大单元、精密D/A转换器、实时偏差显示器单元。单独使用二维快速倾斜振镜和开环控制系统，不能获得很高的控制精度。但是，若辅以外环检测而形成外环闭环控制，也能达到闭环控制系统的精度。本系统便是利用高帧频CCD相机对控制光束进行实时检测，通
45、过对中算法得出偏差量，去控制二维快速倾斜振镜。这是自由空间激光通信APT精跟踪系统的工作原理与实际硬件实现。4.2 PZT驱动平台 本系统采用S-330二维倾斜平台，内部有应变片精密位移检测传感器进行精密检测，可以有效抑制各种漂移、非线性和迟滞特性所带来的误差;控制系统内部带有两级PI补偿，有效提高系统的控制精度和伺服带宽。为了使振镜平台在宽温度范围内有很好的热稳定性，需要与镜片的热膨胀系数进行匹配，S-330平台采用不胀锢钢材料。S-330的倾斜平台配备两对低电压压电线性驱动器，每个压电驱动器空间分布相差90度，从而组成差分型推拉工作模式。这种差分设计可以在较宽的温度范围内获得非常高的角度稳
46、定度。因为温度的变化仅仅影响平移方向的位置，对于平台角度方向没有影响。这种结构还有另一个优点就是当去掉压电驱动器的电压时，平台将自动恢复到中心位置，便于精跟踪和粗跟踪两个过程之间的过渡。平台在宽温度范围内有很好的热稳定性，需要与镜片的热膨胀系数进行匹配，S-330平台采用不胀锢钢材料。S-330的倾斜平台配备两对低电压压电线性驱动器，每个压电驱动器空间分布相差90度，从而组成差分型推拉工作模式。这种差分设计可以在较宽的温度范围内获得非常高的角度稳定度。因为温度的变化仅仅影响平移方向的位置，对于平台角度方向没有影响。这种结构还有另一个优点就是当去掉压电驱动器的电压时，平台将自动恢复到中心位置，便
47、于精跟踪和粗跟踪两个过程之间的过渡。表格需重做，下同4.3 PZT振镜驱动S-330倾斜平台系统能够被E-500系列的电子设备控制，以实现高精度，大电流驱动。该系列包括:放大器、控制器等。在该系统中采用E-500压电陶瓷的控制设备来实现关于精密性，线性和位置重复性的功能，标准组件的设计提供最大可能的适应性。E-500系列有如下关键性能:1.高压和低压驱动器；2.13W30W输出功率放大器模块；3.位置传感器；4.手动和模拟信号控制操作；5.IEEE488和RS-232通信；6.图形显示；7.位置的准确性；8.先进的伺服控制；9.快速响应。系统组成框架图4.4 PZT振镜伺服控制模块 1.功能采用E-509作为PZT驱动器的位移传感器和位置伺服模块。该模块应用于E-500系列设备，并且以纳米级分辨率控制压电设备的位移。E-509控制器对功率放大器模块产生输入信号，该放大器驱动PZT。在目标位置和实际位置之间，E-509在伺服回路中运用微分的运算法则来补偿PZT驱动器的漂移和磁滞现象。E-509的主要部
