山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东青岛266590
快速反射镜（Fast Steering Mirror，FSM）是高精密光学系统中的关键仪器，基于音圈电机（Voice Coil Actuator，VCA）驱动的柔性支撑FSM存在复杂耦合特性，导致系统模型复杂并严重影响系统的控制性能，对于该问题，本文提出了一种基于系统辨识与模型降阶的双轴积分增广滑模控制方法。首先，采用基于脉冲响应的Hankel矩阵系统辨识方法建立VCA-FSM的精确耦合模型；随后，基于平衡实现与平衡截断，在保证模型精度的前提下对所建立的高阶模型进行降阶；其次，基于降阶模型，采用现代控制理论方法设计积分增广滑模控制器，通过设计状态观测器构造滑模切换函数与控制律，并在控制设计中改进符号函数以消除滑模抖振；最后，基于VCA-FSM伺服控制系统实验平台，开展频域与时域性能测试实验。实验结果表明：本文所提控制方法相较于单轴滑模、PID控制方法，系统的闭环跟踪带宽分别提高了约50.3%，251.3%，扰动抑制带宽分别提高了约39.9%，451.9%，阶跃响应调节时间分别缩短了约29.7%，97.7%，螺旋线跟踪精度分别提高了约48.5%，97.8%，且实现了对存在强耦合特性VCA-FSM的解耦控制。本文所提控制方法充分提高了VCA-FSM的控制性能。
快速反射镜 音圈电机 系统辨识 模型降阶 滑模控制 Fast Steering Mirror（FSM） Voice Coil Actuator（VCA） system identification model reduction sliding mode control 光学 精密工程
2023, 31(24): 3580
北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100192
为了改善光电精跟踪系统的动态响应特性，采用预先修正方法对快速执行器件音圈电机快反镜进行优化控制。在快反镜的闭环控制回路中增设前馈环节，根据目标探测与识别环节给出的脱靶量实施预测式调节控制，以加快执行速度;介绍了基于快反镜的光电精跟踪系统的一般构成与工作原理，给出了音圈电机快反镜的闭环控制模型，并执行了前馈-反馈控制方法; 搭建了包括目标模拟、目标成像探测与识别、目标快速跟踪等功能部件的实验系统，对上述方法进行了实验测试。结果表明，系统延迟由2.9 ms缩短至0.8 ms，系统带宽由20 Hz提高至45 Hz。该方法可以大幅压缩光电精跟踪系统的时间延迟，提高系统带宽。
激光技术 音圈电机 快反镜 前馈-反馈控制 laser technique voice coil actuator fast steering mirror feedforward-feedback control
1 江南大学 理学院, 江苏 无锡 214122
2 光电对抗测试与评估重点实验室, 河南 洛阳 471003
3 江苏省轻工光电工程技术研究中心, 江苏 无锡 214122
为了满足小型化自适应光学系统校正波前畸变的需求，基于系统理论分析设计了一种使用微型音圈驱动器的变形镜。使用电磁理论和有限元方法优化了微型音圈驱动器的结构参数。从热变形、共振频率、耦合系数等多个参数的角度对变形镜进行了优化。最后根据影响函数完成了波前拟合和残差计算。优化后的69单元紧凑型音圈变形镜具有大相位调制量、良好的热稳定性，第一共振频率为2220 Hz。对于PV值为1 µm的前35项泽尼克模式，紧凑型音圈变形镜的拟合残差均小于30 nm。对于复杂随机像差，紧凑型VCDM能够将波前RMS降至原来的10%以下。结果表明，与传统的音圈变形镜相比，紧凑型音圈变形镜具有更高的波前拟合精度。高性能、低成本的紧凑型音圈变形镜在视网膜成像和机载成像系统中具有良好的应用前景。
自适应光学 变形镜 音圈驱动器 多参数分析 adaptive optics deformable mirror voice coil actuator multiparameter analysis
1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室，上海 200050
2 中国科学院大学，北京 100049
3 上海微技术工业研究院，上海 201800
4 上海大学微电子学院，上海 200444
快速反射镜（FSM）具有响应快、精度高、分辨率高等优势，被广泛应用于卫星激光通信、激光**、自适应光学成像、高精度激光瞄准等领域，是捕获、跟踪和瞄准（ATP）系统中的核心部件。本文介绍了ATP系统和FSM的工作原理，并从驱动方式、FSM的面形、工作带宽、扫描角度范围、控制精度、体积重量及功耗等性能指标及在卫星激光通信的应用等方面，详细介绍了国内外研究机构的多款FSM器件，从音圈电机、压电陶瓷和微机电系统（MEMS）三种驱动结构上对FSM进行了分类，并阐述了不同驱动结构FSM的工作方式及性能差异，分析了影响FSM在ATP系统中应用的关键参数，展望了FSM在激光通信中的关键技术，指出了高精度、数字化、小型化是FSM的发展趋势。
光通信 卫星激光通信 快速反射镜 压电陶瓷 音圈电机 微机电系统 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1500003
1 江南大学 理学院, 江苏 无锡 214122
2 江苏省轻工光电工程技术研究中心, 江苏 无锡 214122
3 光电对抗测试评估技术重点实验, 河南 洛阳 471003
4 光电信息控制和安全技术重点实验室, 天津 300308
变形镜是自适应光学(AO)系统的核心单元之一, 本文提出了一种基于磁阻最小原理的新型音圈驱动器结构, 在传统音圈结构设计上引入软磁材料-坡莫合金以减少磁漏, 从而提高输出力与效率。使用ANSYS Maxwell建立模型进行仿真并优化了各组件的结构尺寸, 结果表明该驱动器结构的力为3.4 N, 效率可达9.05 N×W-1/2, 响应时间为0.03 ms。同时, 研究发现相邻驱动器间工作影响很小, 以此确立了驱动器间距15 mm时, 音圈变形镜交连值为11.7%, 满足应用要求。本工作为研制大行变量、快速响应、低功耗和高驱动器密度的变形镜打下了坚实的基础, 具有很好的应用前景。
自适应光学 变形镜 音圈驱动器 交连值 adaptive optics deformable mirror voice coil actuator coupling
1 江南大学 理学院，江苏 无锡 214122
2 江苏省轻工光电工程技术研究中心，江苏 无锡 214122
音圈变形镜具有无磁滞、响应快、调制量大等优点，在大口径光学望远镜中已经替代了传统的压电变形镜。为提高音圈变形镜驱动器的效率，本文研究了影响驱动器电磁力和效率的因素，建立了音圈驱动器的三维模型，并利用有限元分析软件对其磁体充磁方向、磁体尺寸、线圈尺寸和驱动器结构等参数进行了有限元仿真分析和优化。结果表明，本文设计的动磁式音圈驱动器输出力可达0.43 N，电机常数可达0.9,输出力和输入电流有良好的线性关系，为音圈变形设计和应用提供了理论基础。
变形镜 音圈驱动器 有限元仿真 电磁力 电机常数 deformable mirror voice coil actuator finite element analysis electromagnetic force actuator constant
1 中国科学院 航空光学成像与测量重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
音圈电机驱动的快速反射镜在传统控制方法下具有严重的相位滞后, 限制了其性能。针对这一问题提出了一种完全跟踪控制方法(Perfect Tracking Control, PTC)。首先, 建立音圈快速反射镜系统离散状态空间模型, 构建多速率采样系统, 对长周期采样控制环节设计完全跟踪控制器; 然后, 对短周期环节设计基于离散滑模变结构控制的内回路补偿控制器。新方法实现了音圈快速反射镜对指令的完全跟踪, 并有效补偿了外部扰动、模型不确定性以及机械非线性等因素对系统性能的影响, 保证了系统的鲁棒性。实验结果表明: PTC控制实现了系统工作频带的扩展, 与传统PID控制相比, 系统的阶跃响应调节时间缩短50%, 静态位置波动峰峰值减小50%; 与基于干扰观测器和零相差跟踪控制器的方法相比, 系统的位置稳态误差由1.5%减小到0.05%。采用新方法的音圈快速反射镜对幅值360″的正弦位置指令跟踪的双十带宽达到375 Hz, 有效改善动态性能, 拓展控制带宽。
快速反射镜 音圈电机 完全跟踪控制 滑模变结构控制 fast-steering mirror voice coil actuator perfect tracking control sliding mode control
1 江南大学 理学院, 江苏 无锡 214122
2 江苏省轻工光电工程技术研究中心, 江苏 无锡 214122
针对7单元音圈变形镜的结构进行了设计, 对镜面进行了力学分析, 并基于有限元ANSYS软件对镜面不同材料及物理参数对最大变形量及镜面应力的影响关系进行了仿真。实验结果表明, 所设计的音圈变形镜在镜面具有优良力学特性的条件下, 基本满足了变形镜对校正量、影响函数等主要性能指标的要求。仿真结果可以为更多驱动单元数的音圈变形镜提供参考。
变形镜 音圈驱动器 光学玻璃 自适应光学 有限元分析 deformable mirror voice-coil actuator optical glass adaptive optics finite element analysis
兰州交通大学 自动化与电气工程学院, 甘肃 兰州 730070
针对快速反射镜系统在捕获、跟踪、瞄准过程中, 由于外界环境以及音圈电机机械惯性和电磁惯性所引起的影响跟踪精度以及响应时间的不确定性干扰问题, 提出了一种滑模动态面控制器(SMDSC)。此控制器引入跟踪微分器(TD)代替传统动态面控制中的一阶滤波器, 改善了一阶惯性环节收敛速度和控制精度不理想的问题, 另外控制器将滑模控制和动态面控制相结合, 进一步提高了系统的抗干扰能力和跟踪精度。研究表明, 设计的SMDSC与传统动态面控制、经典PID控制相比较, 上升时间分别提高了62.5%、75%; 调节时间分别提高了72%、88%; 跟踪精度分别提升了75%、96%。
快速反射镜 动态面 滑模 跟踪微分器 音圈电机 fast steering mirror dynamic surface sliding mode tracking differentiator voice coil actuator
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了精确控制光电跟踪复合轴系统的快速反射镜, 研究了快速反射镜的反射过程。推导出了快速反射镜镜子转动角度和反射光线转动角度之间的关系, 描述了快速反射镜系统的控制方法和软件实现。以推导出的快速反射镜镜子转动角度和反射光线转动角度之间的关系为理论依据, 建立了快速反射镜伺服控制系统, 对快速反射镜系统进行了锁零实验和跟踪实验, 并与母轴系统进行了对比。实验结果显示: 快速反射镜在锁零时稳态精度小于1″, 且响应快速; 在跟踪时系统方位跟踪误差均方根为3.6″, 俯仰跟踪误差均方根为8.7″, 满足光电跟踪系统对跟踪速度和瞄准精度的要求。得到的结果表明, 基于快速反射镜反射过程理论建立的快速反射镜伺服系统提高了激光发射系统的跟踪精度和响应速度。
光电跟踪 激光发射系统 快速反射镜 光线反射 音圈电机 opto-electro tracking laser launching system fast-steering mirror reflection process voice coil actuator
