上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620
压电驱动柔性微纳米定位平台通常呈现低阻尼谐振模态，高速运动时易激发机械谐振，从而严重影响控制系统稳定性、控制带宽和轨迹跟踪精度。为消除当前谐振控制器对平台动力学建模精度的依赖性，该文设计了一种自适应陷波滤波器来实现压电微纳定位平台的在线实时抑制谐振。首先，搭建了压电驱动柔性微纳定位平台系统并建立其机电耦合动力学模型；其次，利用快速傅里叶变换方法在线分析了闭环系统误差信号，设计平台频率特性提取算法，实现了对陷波滤波器参数的在线自适应整定；最后，利用所设计的自适应陷波滤波器对阶跃信号和三角波信号进行轨迹跟踪实验。实验结果表明，自适应陷波滤波器可以很好地实现谐振的在线抑制，能够有效提升平台的稳定性和轨迹跟踪精度。
微纳米定位平台 压电陶瓷驱动器 在线谐振抑制 自适应陷波滤波器 柔性机构 micro/nano positioning platform piezoelectric ceramic driver online resonance suppression adaptive notch filter flexible mechanism
1 南京理工大学 机械工程学院，江苏南京20094
2 吉林大学 机械与航空航天工程学院，吉林长春13005
3 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海200240
三轴快速刀具伺服（Fast Tool Servo， FTS）具有更高的刀具空间运动柔性，逐渐用于复杂光学曲面和微纳结构表面的切削加工。针对所研制电磁-压电混合驱动三轴FTS存在的轴间耦合、高频谐振和迟滞非线性等因素对轨迹跟踪性能的影响，研究综合补偿策略实现三轴空间轨迹的高性能跟踪控制。以陷波滤波器抑制系统高频谐振，以前馈解耦补偿弱化平面轴间耦合；针对法应力电磁驱动和压电驱动的迟滞非线性，提出以线性动力学模型级联Prandtl-Ishlinskii模型描述各轴的动态迟滞特性，并构建无需直接求逆的迟滞前馈补偿模型，实现系统的迟滞非线性补偿。谐波扫频测试结果表明：所采用的陷波滤波器可以很好地消除高频谐振，前馈解耦补偿可将平面XY轴间的耦合幅值降低约14 dB。宽频域内迟滞建模结果表明：平面XY轴和Z轴的动态迟滞建模误差分别小于±2.2%和±1.8%。以PID为主控制器，对宽频谐波（10~100 Hz）的跟踪结果表明：采用综合补偿策略获得各轴的最大跟踪误差约为仅采用逆动力学前馈补偿的25%~50%，进一步对空间螺旋球面轨迹进行了跟踪测试，证明了所构建的综合补偿控制策略的有效性。
快速刀具伺服 轨迹跟踪控制 陷波滤波器 前馈解耦补偿 动态迟滞模型 fast tool servo trajectory tracking control notch filter feed-forward decoupling compensation dynamic hysteresis model 光学 精密工程
2023, 31(15): 2236
上海交通大学 机械与动力工程学院, 上海 200240
为了解决音圈电机驱动的快速反射镜在大行程运动中电机动子和定子碰撞的问题, 设计了新型的快速反射镜柔性机构, 即采用柔性解耦机构来消除电机动子的横向位移。针对快速反射镜在大行程运动中由于力-位移的非线性特性而导致的共振频率随位置而变化的问题, 设计了变值陷波滤波器来消除随位置变化而改变的共振模态的影响, 并通过比例积分控制器实现闭环控制。与常值陷波滤波器相比, 变值陷波滤波器的共振频率为快速反射镜运动位置的函数。通过有限元分析和实验比较了采用常值和变值陷波滤波器时快速反射镜的带宽性能。实验结果表明, 采用常值陷波滤波器时, 当系统的运动位置小于15.2 mrad时, 快速反射镜沿θx和θy轴的带宽分别在95 Hz和110 Hz左右; 当系统运动到18.2 mrad时, θx和θy轴的带宽分别骤降为4792 Hz和571 Hz。采用变值陷波滤波器时, 快速反射镜沿θx和θy轴的带宽基本稳定在95 Hz和110 Hz, 说明了在运动行程较大的快速反射镜系统中设计变值陷波滤波器的必要性和有效性。
快速反射镜 音圈电机 柔性机构 大行程 陷波滤波器 fast steering mirror voice coil motor compliant mechanism broad range of motion notch filter
1 华中科技大学光电子与工程学院, 湖北 武汉 430074
2 武汉光电国家实验室, 湖北 武汉 430074
设计了一种基于新型压电驱动器的快速扫描反射镜, 反射镜面尺寸为20mm×15mm, 具有大扫描角度范围(光学扫描角度范围可达±0.7°)和高扫描带宽(其一阶谐振频率为1872Hz)。反射镜基于一对新型的位移放大压电驱动器, 对机械结构进行了有限元模拟分析和数学建模, 测试了扫描反射镜的频响特性。用软件补偿压电驱动器迟滞效应和串联硬件陷波器抑制谐振相结合的控制方法, 提高了扫描器的开环扫描线性度, 实现了高频三角波扫描。设计了基于重复控制原理的数字比例积分微分(PID)控制器, 实现了精确的正弦扫描。测试结果表明该扫描器可以实现一维快速精确光学扫描控制。另外该扫描反射镜还具有体积小巧, 结构简单等优点。
光束控制 快速扫描反射镜 位移放大压电驱动器 机械谐振 陷波滤波器 重复控制
中国科学技术大学 国家同步辐射实验室，合肥 230029
合肥光源横向束流反馈系统已经建成，着重介绍了系统中矢量运算单元和光纤陷波滤波器的研制。矢量运算单元中使用混频器控制信号的衰减，调节控制电压的大小以控制反馈信号的相位；光纤陷波滤波器创新性地提出用光纤延时制作陷波滤波器，很好地滤除了信号中的回旋频率分量，节省了反馈功率。
合肥光源 反馈系统 矢量运算 光纤陷波滤波器 Hefei light source Feedback system Vector calculation Fiber notch filter
研究了限制FORDL最佳陷波特性实现的主要系统因素——相位感生的强度噪声(PIIN),给出了其在单模条件下的频率特性。由此出发,分析了影响PIIN的几个因素,提出了抑制PIIN的三个途径:(1)采用极化控制器适当调节两个正交极化模式的强度(r);(2)增加环路损耗eL;(3)使LD工作于略高于Ith处,降低其相干时间Sc。实验中采用这些方法将PIIN降至-50 dB/MHz。通过微调环路损耗以满足最佳陷波条件使FORDL的陷波深度达到了65 dB。
光纤环形延迟线 陷波滤波器 相位噪声
