快速反射鏡關(guān)鍵技術(shù)研究

徐新行，楊洪波，王 兵，高云國(guó)

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

快速反射鏡(FSM)作為發(fā)射光源與接收端之間控制光束傳播方向的精密光學(xué)儀器，集光、機(jī)、電技術(shù)于一身，具有響應(yīng)快、精度高、分辨力大等突出優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡、激光通訊、圖像穩(wěn)定、自適應(yīng)光學(xué)、高精度激光合束、復(fù)合軸精密跟蹤等領(lǐng)域［1－5］。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于FSM的研究就十分火熱［6－8］。起初，主要立足于一些工程、基金項(xiàng)目如:美國(guó)馬薩諸塞州技術(shù)研究所(MIT)為空間光通信實(shí)驗(yàn)研制了高帶寬柔性軸式FSM［9－10］;美國(guó)左手設(shè)計(jì)局(LHDC)與噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)合作設(shè)計(jì)了兩軸柔性指向式FSM，用于補(bǔ)償衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)引起的抖動(dòng)［11］;美國(guó)國(guó)家天文臺(tái)(NOAO)為麥哲輪巨型望遠(yuǎn)鏡(GMT)的次鏡研制了超大型拼接式FSM，它主要由7個(gè)獨(dú)立的小型FSM組成，拼接直徑達(dá)3.2 m［12－16］。近年來(lái)，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所在王兵研究員的帶領(lǐng)下針對(duì)車載移動(dòng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了多種剛性承載式 FSM，主要用于精確控制光束的發(fā)射方向［17－21］。國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)也在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下研制了兩維獨(dú)立柔性軸式FSM，并針對(duì)柔性鉸鏈的結(jié)構(gòu)形式、材料選擇、剛度分析等展開了理論分析計(jì)算［22］。華中科技術(shù)大學(xué)近年來(lái)也開始有關(guān)于高性能FSM系統(tǒng)的研制成果見諸報(bào)端［23－25］。后來(lái)，隨著 FSM 應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)外一些公司經(jīng)過多年的研究與積累，開始形成一些系列化產(chǎn)品，并逐漸將其推向市場(chǎng)。如，德國(guó)PI公司采用巧妙的柔性環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩軸擺動(dòng)，應(yīng)用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，生產(chǎn)了高精度、高響應(yīng)速度的FSM系列產(chǎn)品，其小信號(hào)帶寬在500～900 Hz之間［22］。美國(guó) Ball Aerospace ＆ technologies公司采用集中柔性彈片支撐，音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，生產(chǎn)了一系列大角度FSM產(chǎn)品，其轉(zhuǎn)角范圍可達(dá)30'，環(huán)境適應(yīng)性更加優(yōu)異［22－23］。此外，中科院成都光電所早在20世紀(jì)90年代便開始在凌寧教授的帶領(lǐng)下從事FSM的研制工作，目前已生產(chǎn)出58～140口徑的系列化產(chǎn)品［26－31］;哈爾濱芯明天公司也一直致力于高精度、高響應(yīng)、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)柔性無(wú)軸式FSM的研制開發(fā)，經(jīng)過多年的努力取得了不錯(cuò)的成果。所生產(chǎn)FSM在響應(yīng)速度方面雖與國(guó)外還存在一定差距，但已呈現(xiàn)出取代進(jìn)口產(chǎn)品的趨勢(shì)。

柔性無(wú)軸式FSM作為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)摩擦、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，不足之處是承載能力十分有限［32－36］。鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)柔性支撐鉸鏈做了大量的研究工作，設(shè)計(jì)出各式各樣的柔性件，以期改善FSM的承載能力與環(huán)境適應(yīng)性，也取得了良好的效果［22，37］。同時(shí)，一些新型支撐結(jié)構(gòu)的 FSM 也開始見于文獻(xiàn)報(bào)道［17－20，38］，如剛性支撐式FSM從結(jié)構(gòu)原理上保證了系統(tǒng)的承載能力與抗沖擊、振動(dòng)性能，使FSM開始向車載、機(jī)載、艦載等應(yīng)用領(lǐng)域邁進(jìn)［17－20，39－40］。

2 FSM的主要性能指標(biāo)

FSM的主要性能指標(biāo)包括:有效通光口徑、轉(zhuǎn)角范圍、角分辨力、控制帶寬和響應(yīng)頻率等［6，22，41］。其中，有效通光口徑反映了FSM所能校正光束直徑的范圍，它決定了FSM工作鏡體的大小，進(jìn)而影響系統(tǒng)的負(fù)載慣量，最終限制FSM的響應(yīng)頻率。轉(zhuǎn)角范圍是指工作鏡體所能轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度，從應(yīng)用方面考慮，它必須能夠覆蓋FSM工作對(duì)象所需求的調(diào)節(jié)范圍。但為了保證系統(tǒng)高的響應(yīng)頻率，F(xiàn)SM的轉(zhuǎn)角范圍往往比較小(多為分級(jí))。因此，為了實(shí)現(xiàn)大的工作范圍，F(xiàn)SM通常與大慣量的二維轉(zhuǎn)臺(tái)配合使用構(gòu)成復(fù)合軸系統(tǒng)［3］。角分辨力是指FSM的工作鏡體所能實(shí)現(xiàn)的最小轉(zhuǎn)角，它與位置傳感器的分辨力及FSM裝置的加工裝調(diào)精度有關(guān);控制帶寬是指FSM控制系統(tǒng)的頻帶寬度。帶寬越高，對(duì)外界干擾的抑制能力越強(qiáng)。對(duì)于響應(yīng)頻率要求不高的系統(tǒng)，其控制帶寬較窄，一般遠(yuǎn)低于結(jié)構(gòu)件的固有頻率。而對(duì)于響應(yīng)頻率要求較高的系統(tǒng)，其控制帶寬應(yīng)盡可能大。為了避免諧振的發(fā)生，在結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)保證各階諧振頻率不落在FSM的控制帶寬以內(nèi)［22］;響應(yīng)頻率是指FSM系統(tǒng)最終所能達(dá)到的響應(yīng)速度，它直接影響著系統(tǒng)的跟蹤能力，一般響應(yīng)速度越快，跟蹤精度也就越高。它與FSM的結(jié)構(gòu)諧振頻率，驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)速度及控制系統(tǒng)的帶寬有關(guān)。圖1為FSM的主要性能指標(biāo)與各組成部分之間的關(guān)系圖。

圖1 FSM的性能指標(biāo)與各組成部分之間關(guān)系圖Fig.1 Correlations between FSM performances and constitute

3 FSM的分類

3.1 按支撐結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)支撐方式的不同，F(xiàn)SM主要分為:柔性無(wú)軸式結(jié)構(gòu)、X－Y軸框架式和剛性支撐式3大類，這也是目前最為常用的分類方式。

柔性無(wú)軸式FSM的突出優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)摩擦阻力矩，響應(yīng)速度快。致命缺陷是:包括反射鏡在內(nèi)的載荷主要由柔性件支撐，在振動(dòng)沖擊等惡劣的環(huán)境中，鏡體在期望運(yùn)動(dòng)的方向回轉(zhuǎn)的同時(shí)，可能產(chǎn)生微量的軸向位移，從而降低FSM的工作精度，甚至失效。因此，這種結(jié)構(gòu)形式的FSM對(duì)柔性件的要求較高，更適于小口徑、輕量型的工作鏡體。圖2為MIT研制的高帶寬FSM的結(jié)構(gòu)爆炸視圖。如圖所示，該FSM的柔性件包括彈性片、彈性圈和彈性軸三部分，用于實(shí)現(xiàn)FSM運(yùn)動(dòng)部分與不動(dòng)基座之間的連接。

圖2 柔性無(wú)軸式FSM結(jié)構(gòu)圖Fig.2 FSM with Flexure support structure

X－Y框架式FSM的優(yōu)勢(shì)是:旋轉(zhuǎn)中心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)剛度好、轉(zhuǎn)角范圍大、承載能力強(qiáng)。不足之處是軸系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大，且軸系精度對(duì)FSM工作精度有直接影響，不適于響應(yīng)頻率要求較高的領(lǐng)域使用。圖3為美國(guó)專利中報(bào)道的X－Y框架式FSM的結(jié)構(gòu)圖。

圖3 X-Y框架式FSM結(jié)構(gòu)圖Fig.1 FSM with X-Y frame structure

圖4為中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研制的剛性球面副支撐式FSM的實(shí)物照片。該型FSM通過自制剛性球面副實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部分與不動(dòng)部分連接，突出優(yōu)點(diǎn)是:承載能力強(qiáng)、抗沖擊振動(dòng)性能優(yōu)異。缺點(diǎn)是:摩擦阻力矩大，響應(yīng)速度有限。為了保證該型FSM穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)中心，系統(tǒng)對(duì)自制球面副的加工、裝調(diào)精度提出了極高的要求。

圖4 剛性支撐式FSM實(shí)物照片F(xiàn)ig.4 FSM with rigidly support structure

3.2 按功能用途分類

根據(jù)FSM功能用途及系統(tǒng)中工作鏡體的不同，可分為反射式和透射式兩種。其中，反射式FSM的負(fù)載為平面反射鏡，在工程實(shí)踐中應(yīng)用較多，主要用于校正光束的傳播方向。而透射式FSM的負(fù)載為合束鏡(對(duì)特定波長(zhǎng)激光幾乎全部透過，對(duì)另外特定波長(zhǎng)的激光幾乎全部反射)，主要用于不同波段激光的精確合束與對(duì)準(zhǔn)。圖5為哈爾濱芯明天公司生產(chǎn)的大口徑透射式FSM的實(shí)物照片。

圖5 透射式FSM的實(shí)物照片F(xiàn)ig.5 Laser incorporate FSM

4 FSM的組成

FSM系統(tǒng)主要由支撐鉸鏈、工作鏡體、驅(qū)動(dòng)元件、檢測(cè)元件和控制系統(tǒng)等5部分組成。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)FSM的研究主要集中在以下6個(gè)方面:①剛性或柔性連接方式的設(shè)計(jì);②高剛度支撐基座的優(yōu)化設(shè)計(jì);③工作鏡體的輕量化設(shè)計(jì);④高性能驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與選擇;⑤高分辨力、高測(cè)量精度檢測(cè)元件的設(shè)計(jì)與選擇;⑥穩(wěn)定可靠的控制算法的設(shè)計(jì)。

4.1 支撐鉸鏈

在FSM裝置中，支撐鉸鏈主要用于連接系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部分與不動(dòng)部分，其精度直接影響FSM的整體性能。目前研究較多的支撐鉸鏈主要有柔性與剛性兩種。

柔性鉸鏈主要分為四周分散式、中心集中式及四周分散與中心集中相結(jié)合式三種。圖6為德國(guó)PI公司研制的具有分布柔度的柔性環(huán)式支撐鉸鏈，該鉸鏈巧妙地實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的兩軸系、萬(wàn)向架功能，雙軸行程可達(dá)±600 μrad 。圖7為國(guó)防科技大學(xué)設(shè)計(jì)的中心集中柔度柔性鉸鏈，該鉸鏈可方便地實(shí)現(xiàn)兩軸自由回轉(zhuǎn)，各向剛度與切割曲線的形狀有關(guān)［22］。圖8為美國(guó)MIT設(shè)計(jì)的中心集中柔度與四周分散柔度相結(jié)合的柔性支撐鉸鏈。其中心采用高彈性的金屬桿實(shí)現(xiàn)、四周采用高柔性橡膠實(shí)現(xiàn)，大幅度增加了柔性鉸鏈的支撐能力［9］。圖9為中科院長(zhǎng)春光機(jī)所研制的剛性支撐鉸鏈。其中圖9(a)為四周分散式剛性支撐鉸鏈，圖9(b)為中心集中式剛性支撐鉸鏈。該類鉸鏈的承載能力大、環(huán)境適應(yīng)性好，但摩擦阻力矩較大［18，20］。剛性支撐式FSM即采用此類鉸鏈實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部分與不動(dòng)部分之間的連接。

4.2 工作鏡體

工作鏡體作為FSM系統(tǒng)的主要負(fù)載與工作部件，根據(jù)功能用途的不同，可分為平面反射鏡和合束鏡兩類。其中，平面反射鏡主要用于校正光束的傳播方向，而合束鏡主要用于不同波段激光的精確合束與對(duì)準(zhǔn)。

為了盡可能減輕FSM系統(tǒng)的負(fù)載慣量，提高系統(tǒng)的響應(yīng)頻率，需要對(duì)平面反射鏡進(jìn)行必要的輕量化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段最常的輕量化途徑有兩種:一是采用比剛度高、導(dǎo)熱性好、加工性能優(yōu)異的輕質(zhì)材料做鏡坯，表1所列為常用反射鏡材料的性能參數(shù);二是采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)、分析手段對(duì)鏡體進(jìn)行的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇［42－47］。目前常用的輕量化結(jié)構(gòu)有背部開槽式、蜂窩式和拱形結(jié)構(gòu)三種，如圖10所示。

表1 常用反射鏡材料的性能對(duì)比Tab．1 material performances and price of several familiar mirror

在有些FSM中，根據(jù)鏡體的有效工作面，甚至直接將鏡坯制成橢圓形以最大程度地減輕鏡體質(zhì)量，圖11所示即為裝有橢圓形鏡體的FSM及其反射鏡的輕量化結(jié)構(gòu)。

4.3 驅(qū)動(dòng)元件

由于FSM一般具有高精度、高分辨力、高響應(yīng)頻率等特點(diǎn)，因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)元件的精度、分辨力、響應(yīng)速度等提出了極高的要求。目前，用于FSM的驅(qū)動(dòng)元件主要有壓電陶瓷和音圈電機(jī)兩大類。

4.3.1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器

壓電陶瓷具有驅(qū)動(dòng)力大、分辨力高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，且能夠與應(yīng)變片組合實(shí)現(xiàn)自身伸縮長(zhǎng)度的實(shí)時(shí)測(cè)量，順應(yīng)了FSM系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)傳感一體化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)。然而，此種驅(qū)動(dòng)器所需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，行程卻只有幾十微米，且抗沖擊、振動(dòng)能力極差［26－28，48］。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)此問題做了大量的研究工作。一方面，通過巧妙的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷行程的放大;另一方面，通過改變驅(qū)動(dòng)器的使用方式，提高壓電陶瓷的抗剪切、沖擊能力。圖12所示為兩種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器放大組件的實(shí)物照片。其中，“菱形”框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅放大了驅(qū)動(dòng)器的行程，而且改變了壓電陶瓷的動(dòng)力輸出方向，增大了驅(qū)動(dòng)器的環(huán)境適應(yīng)性。

圖12 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器放大組件Fig.12 Magnify assembly of piezoelectric actuator

4.3.3 驅(qū)動(dòng)器的排布方式

對(duì)單軸型FSM而言，至少需要一個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)反射鏡的一維偏轉(zhuǎn)，如圖14(a)所示。此類FSM的優(yōu)點(diǎn)是加工制作方便、生產(chǎn)成本低，但由于支撐鉸鏈僅單側(cè)受驅(qū)動(dòng)力作用，因此系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)性較差。為了提高單軸型FSM的工作可靠性與穩(wěn)定性，使之適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，在工程應(yīng)用領(lǐng)域常采用一對(duì)驅(qū)動(dòng)器對(duì)稱布置來(lái)實(shí)現(xiàn)平面反射鏡的一維偏轉(zhuǎn)，如圖14(b)所示。由于這種FSM的受力狀態(tài)較好，因此，對(duì)支撐鉸鏈的磨損較小，且更容易實(shí)現(xiàn)較高的控制精度。

圖14 單軸FSM驅(qū)動(dòng)器的排布方式Fig.14 Actuator arrange styles of FSM with single axis

4.3.2 音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

音圈電機(jī)自從問世以來(lái)，憑借其高精度、快響應(yīng)、大行程等突出優(yōu)點(diǎn)一直都倍受關(guān)注。一方面，它的驅(qū)動(dòng)電壓只有幾伏到幾十伏，但行程卻是壓電陶瓷的成百上千倍。另一方面，電機(jī)動(dòng)子與定子之間存在必要的工作間隙，因此，在輸出直線位移過程中，動(dòng)子可以相對(duì)定子產(chǎn)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，并且不存在摩擦或碰撞［49－50］。音圈電機(jī)優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性和強(qiáng)大的抗干擾性能，實(shí)現(xiàn)了它在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，甚至高沖擊、高振動(dòng)的車載平臺(tái)系統(tǒng)中［18－20］。圖13為幾種音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)物照片。其中，圖13(a)為直線式音圈電機(jī)，輸出為直線位移。圖13(b)為圓周式音圈電機(jī)，輸出為圓周運(yùn)動(dòng)。這兩種驅(qū)動(dòng)器均可應(yīng)用于FSM系統(tǒng)，其中直線式應(yīng)用較多。此外，還有些科研單位針對(duì)實(shí)際FSM的空間要求，自行設(shè)計(jì)所需要的音圈電機(jī)，如圖13(c)所示即為美國(guó)MIT研制的專用型音圈電機(jī)。

圖13 音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器Fig.13 Voice coil actuator

對(duì)雙軸型FSM而言，至少需要兩個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)反射鏡的二維偏轉(zhuǎn)，如圖15(a)所示。此類FSM的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低，但支撐鉸鏈在工作過程中的受力不均衡，系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性及可靠性較差，因此在工程應(yīng)用中較少采用。目前，雙軸型FSM較多地采用4個(gè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)反射鏡的二維偏轉(zhuǎn)，如圖15(b)所示。這是因?yàn)椴捎?個(gè)驅(qū)動(dòng)器通過推/拉來(lái)實(shí)現(xiàn)反射鏡在每一維方向上的偏轉(zhuǎn)，不僅受力狀態(tài)好，F(xiàn)SM的工作穩(wěn)定性、可靠性及環(huán)境適應(yīng)性等得到明顯改善，而且反射鏡在兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)不存在耦合，因此更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。不足之處是:4個(gè)驅(qū)動(dòng)器在機(jī)械結(jié)構(gòu)上是超自由度的，因此對(duì)FSM裝置的加工、裝配精度提出了較高的要求。如圖15(c)所示，采用3個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器均勻布置也能實(shí)現(xiàn)平面反射鏡的二維偏轉(zhuǎn)。這種FSM不僅節(jié)省了1個(gè)驅(qū)動(dòng)器，而且可實(shí)現(xiàn)反射鏡的微量的軸向位移，因此在校正發(fā)射光束的角差的同時(shí)，還可以對(duì)光束微小的位差進(jìn)行修正。但此種FSM繞兩軸的運(yùn)動(dòng)不相互獨(dú)立，且每一個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)均需要控制3個(gè)驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，系統(tǒng)的控制方法相對(duì)復(fù)雜。FSM在各方向上的偏轉(zhuǎn)角度與驅(qū)動(dòng)器長(zhǎng)度之間的關(guān)系如圖15中的公式所列。

圖15 雙軸FSM驅(qū)動(dòng)器的排布方式Fig.15 Actuator arrange styles of FSM with double axes

4.4 測(cè)量元件

在FSM系統(tǒng)中，測(cè)量元件用于對(duì)平面反射鏡的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)FSM偏轉(zhuǎn)角度的精確閉環(huán)控制。因此，測(cè)量元件的性能直接決定了FSM系統(tǒng)的整體性能，尤其是FSM的工作精度與分辨力。目前用于FSM系統(tǒng)的測(cè)量元件主要有:光柵測(cè)微儀、電渦流傳感器、電容傳感器、PSD、四象限探測(cè)器和電阻應(yīng)變片等，如圖16所示。系統(tǒng)中工作鏡體位置的直接測(cè)量，且不會(huì)對(duì)FSM增加額外的測(cè)量阻擾［30］;電容傳感器和電渦流傳感器的類似，均屬于非接觸式測(cè)量。它憑借測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、探頭體積小等突出優(yōu)點(diǎn)，已被越來(lái)越多地應(yīng)用于FSM系統(tǒng)中［9］。但高精度的電容傳感器價(jià)格昂貴，且存在嚴(yán)重的溫度漂移現(xiàn)象，成了限制其推廣應(yīng)用的主要因素;PSD與四象限探測(cè)器類似，都無(wú)法直接進(jìn)行反射鏡位置的測(cè)量。具體的測(cè)量方法是:指示激光經(jīng)反射鏡折轉(zhuǎn)后，由探測(cè)器接收，間接實(shí)現(xiàn)FSM系統(tǒng)的位置測(cè)量與反饋。由于探測(cè)器的分辨力有限，因此，它的測(cè)量精度與指示激光的光程有關(guān)。且探測(cè)器距離反射鏡越遠(yuǎn)，測(cè)量精度越高。所以這種測(cè)量方式的組成更為復(fù)雜，所占的空間更大，不利于外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和 FSM 系統(tǒng)的小型化［30，39］。

此外，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的FSM也常常采用電阻應(yīng)變片與外部電阻構(gòu)成雙臂電橋來(lái)實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷伸縮位移的測(cè)量，進(jìn)而間接獲得反射鏡的位置信息。這種測(cè)量方式簡(jiǎn)單易行、成本低，順應(yīng)了FSM驅(qū)動(dòng)傳感一體化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)。但測(cè)量電路較為復(fù)雜，傳感器的標(biāo)定效果對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度影響較大。并且，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量結(jié)果可能出現(xiàn)較大的偏差。

4.4.2 測(cè)量元件的排布方式

圖17所示為直接測(cè)量式位置傳感器在雙軸FSM系統(tǒng)中的排布方式。為了實(shí)現(xiàn)雙軸FSM在兩維方向上運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制，至少需要2個(gè)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)各自位置信息的測(cè)量，如圖17(a)所示，2個(gè)傳感器分別布置在2個(gè)軸線上。為了進(jìn)一步提高FSM系統(tǒng)的測(cè)量精度，采用每一維方向各布置2個(gè)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)工作鏡體在該方向上角位移的測(cè)量，以消除工作鏡體因軸向位移帶來(lái)的誤差，如圖17(b)所示。此外，為了進(jìn)一步壓縮FSM的體積，常采用在4個(gè)驅(qū)動(dòng)器對(duì)稱線上均勻布置4個(gè)傳感器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)FSM系統(tǒng)2個(gè)方向上位置信息的測(cè)量，如圖17(c)所示。如此布置，不僅使FSM的結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)位移均由兩側(cè)的2個(gè)位置傳感器差分獲得，工作鏡體在每個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)角度

圖16 FSM用位置測(cè)量傳感器Fig.16 Position measure sensors used in FSMs

4.4.1 測(cè)量元件分析

光柵測(cè)微儀具有測(cè)量精度高、分辨力大、響應(yīng)速度快以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量中，但它的體積偏大，不利于FSM系統(tǒng)的小型化［21］;電渦流傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，屬于非接觸測(cè)量方式，可用于FSM均由4個(gè)位置傳感器差分獲得，因此，大幅度提高了FSM系統(tǒng)的測(cè)量精度。

圖17 雙軸FSM傳感器的排布方式Fig.17 Sensor arrange styles of FSM with double axes

4.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要用來(lái)控制FSM實(shí)現(xiàn)定位或快速偏轉(zhuǎn)等功能，可采用模擬控制器或數(shù)字控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，模擬控制器具有帶寬大、分辨率高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但存在元件老化、溫度漂移等缺陷。而數(shù)字控制器不僅實(shí)現(xiàn)方便、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，而且精度不受噪聲、漂移等的影響，尤其在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律方面具有模擬控制器無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此被越來(lái)越多的應(yīng)用于FSM系統(tǒng)的控制。

在數(shù)字控制算法方面，選擇什么樣的控制方案并沒有一個(gè)絕對(duì)的依據(jù)，主要以提高系統(tǒng)的控制帶寬和穩(wěn)定性為最終目的。目前采用比較多的是PID控制算法，并通過理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)分析、參數(shù)自尋等手段，獲得最佳的PID控制參數(shù)。同時(shí)，輔以剔野值算法、濾波算法等，以實(shí)現(xiàn)FSM系統(tǒng)較好的控制效果。此外，隨著不同結(jié)構(gòu)形式及功能用途FSM的出現(xiàn)，在傳統(tǒng)PID控制算法的基礎(chǔ)上發(fā)展了不完全微分PID算法、模糊PID算法等，也取得了良好的控制效果。

5 結(jié)論

隨著FSM系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓寬，對(duì)大口徑、大角度、高承載、高響應(yīng)速度FSM的需求也越來(lái)越多。為了適應(yīng)這些應(yīng)用需求，F(xiàn)SM呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢(shì)。

在驅(qū)動(dòng)方式上，壓電陶瓷和音圈電機(jī)憑借其高精度、高分辨率、高響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)，依然是FSM系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)元件的首選。在工作鏡體的設(shè)計(jì)方面，選擇比剛度高、散熱性好的新型材料，并進(jìn)行合理的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)FSM向大口徑、高響應(yīng)方向發(fā)展的趨勢(shì)。在支撐鉸鏈選擇上，為了克服現(xiàn)有柔性無(wú)軸式結(jié)構(gòu)承載能力不足的缺陷，針對(duì)柔性鉸鏈的研究依然是熱點(diǎn)。同時(shí)，為了從根本上改善柔性無(wú)軸式FSM的環(huán)境適應(yīng)性，新型剛性承載式FSM也越來(lái)越受到重視。在測(cè)量元件方面，采用小體積、高精度、高響應(yīng)、易于集成的微位移傳感器成為主流。在控制系統(tǒng)方面，采用高運(yùn)算速度的DSP處理器，結(jié)合先進(jìn)的控制算法，以實(shí)現(xiàn)FSM系統(tǒng)更優(yōu)的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

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