激光通信用潛望式跟瞄轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔文 ，張立中，白楊楊，王天宇

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空地激光通信技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；3.長(zhǎng)春理工大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

衛(wèi)星激光通信是以激光作為載波，建立星-星、星-地之間的通信鏈路，實(shí)現(xiàn)微波無(wú)法達(dá)到的高速率、大數(shù)據(jù)的信息傳輸［1］。由于在進(jìn)行衛(wèi)星激光通信時(shí)，存在通信距離遠(yuǎn)、光束發(fā)散角小、激光器功率有限以及通信環(huán)境惡劣等問(wèn)題，使得對(duì)目標(biāo)光束的捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)（Acquisition，Tracking and Pointing，ATP）技術(shù)顯得尤為重要，這直接決定通信鏈路能否建立以及通信質(zhì)量的優(yōu)劣。其中跟蹤環(huán)節(jié)更是決定激光通信能否穩(wěn)定進(jìn)行的關(guān)鍵因素［2-4］。

潛望式衛(wèi)星通信終端的結(jié)構(gòu)形式不同于傳統(tǒng)的十字跟蹤架結(jié)構(gòu)，它是由互相垂直的方位軸、俯仰軸以及與它們固連的兩個(gè)45°平面反射鏡組成，使得天線在隨方位軸和俯仰軸的聯(lián)合轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以指向三維空間的任一方向，從而滿足激光通信方向任意性的要求。潛望式粗跟蹤結(jié)構(gòu)具有溫控設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、光學(xué)系統(tǒng)使用壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、體積小等優(yōu)點(diǎn)，適合放置在衛(wèi)星艙室內(nèi)，以此進(jìn)行星-星、星-地之間激光通信［5］。

有刷直流力矩電機(jī)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲大、換向沖擊、壽命短和電刷摩擦等問(wèn)題，不適合星間維修設(shè)備的要求。而永磁同步電機(jī)具有體積小、功率密度高、轉(zhuǎn)矩電流比高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足星載狹小空間的驅(qū)動(dòng)要求。并且永磁同步電機(jī)無(wú)電刷，使用電換向，在換向時(shí)無(wú)換向轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，可保證輸出力矩平穩(wěn)和低速平穩(wěn)性［6-7］。因此選擇永磁同步電機(jī)作為潛望式衛(wèi)星通信終端的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

本文是針對(duì)潛望式粗跟蹤結(jié)構(gòu)，在對(duì)軸系采用直接驅(qū)動(dòng)方式和選擇永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的條件下，設(shè)計(jì)基于ARM和FPGA的伺服控制器，并進(jìn)行低速平穩(wěn)性測(cè)試，來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)的低速性能。然后在文獻(xiàn)［8］的基礎(chǔ)上，利用平面鏡反射矩陣和軸系旋轉(zhuǎn)矩陣建立粗跟蹤模型，解出目標(biāo)光束在CCD相機(jī)中的脫靶量與粗跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)軸系旋轉(zhuǎn)增量之間的函數(shù)表達(dá)式，據(jù)此設(shè)計(jì)跟蹤算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)光束的精確跟蹤。

1 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)搭建

潛望式衛(wèi)星通信終端控制器采用ARM+FPGA的硬件架構(gòu)，如圖1中所示。在本伺服控制器中，ARM選擇使用ST公司的32位處理器STM32F407作為主控器。STM32具有強(qiáng)大雙浮點(diǎn)單元，主要用于浮點(diǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算，負(fù)責(zé)完成控制算法、閉環(huán)運(yùn)算等功能；FPGA選擇使用Altera公司的EP3C40F324作為協(xié)控制器。FPGA具有強(qiáng)大的高速并行處理能力，所以主要用于外圍接口的數(shù)據(jù)傳輸，負(fù)責(zé)完成增量式編碼器的解碼、上位機(jī)通信、AD采集以及PWM產(chǎn)生等功能。驅(qū)動(dòng)芯片選擇使用TI公司的智能驅(qū)動(dòng)器DRV8312，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力大、涌流保護(hù)能特點(diǎn)。電流傳感器選擇使用LEM公司的霍爾電流傳感器LTS06-NP。位置反饋元件選擇Renishaw公司的16200000線的增量式圓光柵。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

1.2 軟件系統(tǒng)搭建

在ARM+FPGA的控制架構(gòu)中，ARM作為一個(gè)主控制器，通過(guò)FSMC接口與FPGA進(jìn)行通信，此時(shí)就把FPGA當(dāng)作ARM外部的SRAM，去讀取其中的所需數(shù)據(jù)。在ARM設(shè)計(jì)一個(gè)頻率為20 kHz的定時(shí)器，在定時(shí)中斷處理時(shí)程序中周期性從FP-GA中讀取當(dāng)前位置數(shù)據(jù)以及電流采樣值，并以此順序進(jìn)行位置環(huán)閉環(huán)算法、速度環(huán)閉環(huán)算法、磁場(chǎng)定向控制（FOC）、電流環(huán)閉環(huán)算法和空間矢量控制（SVPWM），得出三組PWM控制信號(hào)，最后再通過(guò)FSMC接口發(fā)送給FPGA。如圖2所示為ARM程序流程圖。

FPGA作為一個(gè)協(xié)控制器，負(fù)責(zé)一系列外圍接口的數(shù)據(jù)傳輸，主要包括AD采樣、PWM輸出、ABZ信號(hào)解碼以及上位機(jī)通信等。根據(jù)自頂向下的模塊設(shè)計(jì)方法，將FPGA負(fù)責(zé)完成的功能進(jìn)行模塊劃分進(jìn)行單獨(dú)功能的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證，最后在頂層文件對(duì)這些單獨(dú)的功能模塊例化調(diào)用，從而完成一個(gè)整體功能的設(shè)計(jì)。根據(jù)功能將其分為：ABZ解碼模塊、PWM輸出模塊、AD采樣模塊以及通信模塊。

圖2 ARM程序流程圖

ABZ解碼模塊針對(duì)增量式光電編碼器輸出的正交編碼信號(hào)進(jìn)行解碼，獲取當(dāng)前時(shí)刻下電機(jī)的相對(duì)位置，然后根據(jù)M測(cè)速法計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而進(jìn)行位置閉環(huán)和速度閉環(huán)。增量式光電編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式角位移檢測(cè)裝置，它是將機(jī)械角度轉(zhuǎn)為電脈沖，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，編碼器就會(huì)輸出一定的正交脈沖，其輸出的脈沖如圖3所示。A、B信號(hào)是相位相差90度的正交方波脈沖，其脈沖數(shù)代表電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，A、B信號(hào)的相位關(guān)系代表著電機(jī)的轉(zhuǎn)向。Z信號(hào)是零位信號(hào)。因此在ABZ解碼模塊中，主要包括四倍頻、鑒相和計(jì)數(shù)三個(gè)部分。主要功能如圖3所示。

圖3 ABZ信號(hào)及解碼流程

PWM輸出模塊負(fù)責(zé)根據(jù)ARM經(jīng)過(guò)SVPWM計(jì)算出的三組PWM占空比，產(chǎn)生三組互補(bǔ)的PWM波。該模塊中設(shè)計(jì)一個(gè)頻率為20 kHz的增減計(jì)數(shù)的三角波，然后將經(jīng)FSMC接口傳輸過(guò)來(lái)三組PWM占空比賦值到三個(gè)PWM產(chǎn)生器的比較寄存器CMPx上，使三角波計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值CTR與比較寄存器的值CMPx相比較：當(dāng)CTR＜CMPx時(shí)，PWM輸出置低；當(dāng)CTR＞CMPx時(shí)，PWM輸出置高。其互補(bǔ)PWM波與其相反，從而可以產(chǎn)生三組互補(bǔ)的PWM波。如圖4所示為6路互補(bǔ)PWM產(chǎn)生模塊。并且為了避免由于驅(qū)動(dòng)芯片DRV8312的上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通造成芯片損壞，需要對(duì)PWM波死區(qū)處理。一般情況下，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為5μs。

圖4 6路互補(bǔ)PWM產(chǎn)生模塊

在進(jìn)行AD采集時(shí)，選用ADI公司的16位同步采樣芯片AD7606。它具有8個(gè)采集通道，能處理±10 V和±5雙極性輸入信號(hào)，最高采樣速率可達(dá)200K，能滿足對(duì)電流高速采樣和多通道的需要。如圖5所示為AD采集的RTL圖。在AD采樣模塊中，根據(jù)AD7606的時(shí)序進(jìn)行編寫(xiě)。在本設(shè)計(jì)中，AD7606以最高速率200 kHz進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行10次的均值濾波后，由ARM的定時(shí)處理程序進(jìn)行周期性的讀取AB兩相相電流以進(jìn)行FOC處理。同時(shí)為了保證系統(tǒng)的可靠性和安全性，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的故障信號(hào)，并對(duì)相應(yīng)的故障信息進(jìn)行處理，故不僅會(huì)對(duì)AB兩相相電流進(jìn)行采樣，同時(shí)會(huì)對(duì)ABC三相相電壓、總線電壓、總線電流、溫度信息進(jìn)行AD采樣，一旦AD采樣結(jié)果超出預(yù)設(shè)值，就會(huì)立即停止PWM輸出，使得驅(qū)動(dòng)電路的橋臂關(guān)閉，保護(hù)系統(tǒng)安全。

圖5 AD采樣模塊

2 潛望式跟瞄系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

2.1 三相永磁同步電機(jī)的控制原理

作為一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，一般選擇空間矢量控制方法進(jìn)行三相電流的解耦來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制［9］?？臻g矢量控制方法的基本思想是通過(guò)坐標(biāo)變化的方法，把永磁同步電機(jī)模擬成直流力矩電機(jī)進(jìn)行控制。在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)中，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通量的勵(lì)磁電流分量id和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量iq，二者互相垂直、互相獨(dú)立，從而可以進(jìn)行分別調(diào)節(jié)控制［10］。如圖6所示為永磁同步電機(jī)矢量控制原理框圖。

圖6 永磁同步電機(jī)矢量控制原理框圖

2.2 系統(tǒng)掃頻測(cè)試與模型辨識(shí)

通過(guò)編程使電機(jī)控制板產(chǎn)生離散的一定頻率的正弦波信號(hào)，經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)電機(jī)使得電機(jī)做正弦擺動(dòng)，同時(shí)利用增量式光電編碼器獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并與電腦相連接記錄速度信息。不斷改變正弦波信號(hào)的頻率，重復(fù)之前的過(guò)程，之后采用相關(guān)分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制伺服系統(tǒng)開(kāi)環(huán)BODE圖從而辨識(shí)出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

在本文中按照?qǐng)D7所表示的方案進(jìn)行頻響測(cè)試，斷開(kāi)速度控制器對(duì)系統(tǒng)施加電流正弦掃描信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)是對(duì)電機(jī)、機(jī)械耦合部分、功率放大模塊以及電流環(huán)進(jìn)行掃頻測(cè)試。且因電流環(huán)帶寬較高，多數(shù)都大于100 Hz，因?yàn)閷?duì)掃頻結(jié)果基本無(wú)影響［11］。

圖7 頻響測(cè)試方案

以方位軸系為例，給出方位軸系的頻率特性曲線如圖8所示，其諧振頻率為57.4 Hz。

圖8 方位軸系頻率特性曲線

獲取了方位軸系頻率特性曲線之后，采用參數(shù)遞階辨識(shí)［12］的方法獲取其相應(yīng)軸系的傳遞函數(shù)。具體方法是根據(jù)之前得到的頻率特性曲線，先對(duì)低頻環(huán)節(jié)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，然后針對(duì)高頻段存在的諧振環(huán)節(jié)進(jìn)行逐一辨識(shí)，最終將各個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)合獲得較為誤差較小的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。如圖9所示為方位軸系辨識(shí)曲線。

圖9 方位軸系辨識(shí)曲線

并獲得方位軸系的傳遞函數(shù)：

其中，s為復(fù)數(shù)變量。

2.3 潛望式跟瞄系統(tǒng)控制回路設(shè)計(jì)

基于永磁同步電機(jī)的潛望式粗跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)框圖如圖10所示。控制系統(tǒng)采用三閉環(huán)控制，控制回路由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)組成。

圖10 潛望式跟瞄系統(tǒng)控制框圖

三閉環(huán)回路均采用PI控制器，文中以位置回路為例完成回路設(shè)計(jì)。PI控制的傳遞函數(shù)可表示為：

位置環(huán)控制器的PI參數(shù)利用臨界比例度法進(jìn)行參數(shù)整定，經(jīng)反復(fù)調(diào)試確實(shí)其參數(shù)為：kpp=28,Tpi=0.32。如圖11所示為方位軸系位置環(huán)閉環(huán)頻率特性曲線，從圖中可知位置環(huán)帶寬為21.3 Hz。

圖11 方位軸系位置環(huán)閉環(huán)頻率特性曲線

3 潛望式跟瞄系統(tǒng)跟蹤模型建立

3.1 潛望式轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)跟蹤原理與坐標(biāo)系建立

在對(duì)目標(biāo)光束進(jìn)行自動(dòng)跟蹤時(shí)，光束通過(guò)安裝在方位軸和俯仰軸上的兩塊45°平面反射鏡，進(jìn)入到安裝在方位軸下方的CCD相機(jī)中。光束進(jìn)入CCD相機(jī)形成光斑，再利用圖像處理板提取光斑的位置信息，然后將當(dāng)前位置信息輸送到伺服控制系統(tǒng)中，計(jì)算出當(dāng)前光斑位置與目標(biāo)指向位置的偏差，控制方位軸和俯仰軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)完成指向，上述過(guò)程連續(xù)循環(huán)工作就實(shí)現(xiàn)了潛望式通信終端對(duì)目標(biāo)光束的自動(dòng)跟蹤。而基于潛望式轉(zhuǎn)臺(tái)的自動(dòng)跟蹤算法所去闡述的就是提取出的光斑位置信息與兩個(gè)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的關(guān)系。

為了更好的表示出光斑位置信息與軸系轉(zhuǎn)動(dòng)角度之間的關(guān)系，需要先建立兩個(gè)坐標(biāo)系。一是入射端口坐標(biāo)系O-XYZ，二是基準(zhǔn)坐標(biāo)系O-X1Y1Z1。入射端口坐標(biāo)系是以入射端口平面圓心位坐標(biāo)原點(diǎn)，OZ軸垂直于端口平面向外，OX軸沿平面鏡2圓心指向平面鏡1圓心，OY軸則依據(jù)右手法則確定。基準(zhǔn)坐標(biāo)系是以CCD相機(jī)鏡口的圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，OX1軸指向CCD鏡面圓心，OZ1軸指向平面鏡2圓心，OY1軸則依據(jù)右手法則確定。如圖12所示為潛望式跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的光路反射路徑以及所建立的坐標(biāo)系。

圖12 光路反射路徑及坐標(biāo)系

如圖13所示，在入射端口坐標(biāo)系中目標(biāo)光束可用矢量表示為：

式中，φ是光束LT與平面YOZ的夾角；θ是光束LT在平面YOZ投影與Z軸的夾角。目標(biāo)光束經(jīng)過(guò)兩塊平面反射鏡后進(jìn)入到CCD中，在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下可表示為：

式中，(Y,Z)是在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下目標(biāo)光束于CCD相機(jī)焦平面形成的光斑位置坐標(biāo)；f是CCD相機(jī)透鏡的焦距。

圖13 目標(biāo)光束矢量表示

3.2 光束入射角度與脫靶量關(guān)系分析

當(dāng)目標(biāo)光束入射到跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)中，會(huì)經(jīng)過(guò)俯仰軸上的平面鏡1、方位軸上的平面鏡2反射進(jìn)入到CCD相機(jī)靶面中。根據(jù)光束反射路徑可以得到：

其中，TW是望遠(yuǎn)鏡天線的作用矩陣；R2是平面反射鏡2的反射矩陣；R1是平面反射鏡1的反射矩陣。平面鏡反射矩陣［14］可表示為：

其中，Nx、Ny和Nz表示平面鏡法線矢量N相對(duì)于入射端口坐標(biāo)系的方向余弦?？傻茫?/p>

經(jīng)計(jì)算可解出光束入射角度與脫靶量的關(guān)系為：

3.3 自動(dòng)跟蹤模型建立

潛望式跟瞄轉(zhuǎn)臺(tái)能夠進(jìn)行激光通信的基礎(chǔ)是目標(biāo)光束始終處于CCD相機(jī)的中心。為了實(shí)現(xiàn)這一目的需對(duì)目標(biāo)光束進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤，其光跟蹤的過(guò)程就是通過(guò)不斷調(diào)節(jié)通信轉(zhuǎn)臺(tái)方位軸和俯仰軸的增量Δ?z和Δ?x使光斑保持在CCD中心位置的過(guò)程。

跟蹤過(guò)程是建立在基準(zhǔn)坐標(biāo)系上的，而由于轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生姿態(tài)變化，會(huì)使得基準(zhǔn)坐標(biāo)系發(fā)生位置偏移假設(shè)其繞X軸旋轉(zhuǎn)角?x，因此轉(zhuǎn)臺(tái)的兩轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

式（10）為方位軸旋轉(zhuǎn)矩陣，式（11）俯仰軸旋轉(zhuǎn)矩陣。

為了使目標(biāo)光經(jīng)過(guò)通信終端的光學(xué)元件后聚焦在CCD中心，通信終端姿態(tài)調(diào)整后使入射光在天線端口坐標(biāo)下為［0，0，-1］，即：

式（13），（14）即為潛望式跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行光跟蹤時(shí)的數(shù)學(xué)模型。其中?x、?z分別為方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度和俯仰軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，均可由增量式光電編碼器測(cè)得；φ、θ為目標(biāo)光束在入射坐標(biāo)系下的入射角度，可根據(jù)式（9）由脫靶量計(jì)算可得。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上文中提到的空間矢量控制原理、硬件架構(gòu)、軟件系統(tǒng)以及自動(dòng)跟蹤算法，搭建潛望式跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)，并利用LABVIEW設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，通過(guò)串口發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù)采集。首先針對(duì)方位軸和俯仰軸的單軸電機(jī)進(jìn)行伺服控制性能測(cè)試，然后在保證兩個(gè)單軸電機(jī)控制性能的前提下，加入所設(shè)計(jì)自動(dòng)跟蹤模型，進(jìn)行光跟蹤性能測(cè)試。

4.1 單軸電機(jī)低速性能測(cè)試

為了驗(yàn)證基于ARM和FPGA控制器對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制性能，以潛望式跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的方位軸為例，主要進(jìn)行兩個(gè)測(cè)試：一是速度環(huán)下的低速平穩(wěn)測(cè)試；二是位置環(huán)下進(jìn)行正弦引導(dǎo)的跟蹤精度測(cè)試。如表1所示為方位軸電機(jī)參數(shù)。

表1 方位軸電機(jī)

上文中已知位置反饋元件為162 000 00線的圓光柵，且其速度采樣周期為1 ms，可計(jì)算得系統(tǒng)的速度分辨率為0.08('')/s。進(jìn)行低速測(cè)試時(shí)，速度閉環(huán)周期為1 ms，速度目標(biāo)值設(shè)定為5線/ms即0.4('')/ms。如圖14所示為方位軸速度階躍響應(yīng)曲線，從圖中可知速度階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間為0.3 s，速度穩(wěn)態(tài)誤差為±1 線/s即為±0.08('')/ms。

在進(jìn)行正弦引導(dǎo)測(cè)試時(shí)，位置環(huán)閉環(huán)周期為10 ms，正弦引導(dǎo)的最大速度為1°/s，最大加速度為1°/s2，故可得等效正弦曲線為：y=sint。如圖15所示為正弦引導(dǎo)跟蹤曲線，圖16為跟蹤誤差曲線。其中，最大跟蹤誤差為18.4''，RMS值為8.600 1。

圖14 0.4('')/ms的速度階躍響應(yīng)曲線

圖15 最大速度為1°/s，最大加速度為1°/s2的等效正弦引導(dǎo)曲線

圖16 最大速度為1°/s，最大加速度為1°/s2的等效正弦引導(dǎo)誤差曲線

4.2 自動(dòng)跟蹤模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤模型的正確性，利用平行光管發(fā)射一束目標(biāo)光束，潛望式跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)此光束進(jìn)行跟蹤。同是將跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)置于搖擺臺(tái)中，利用搖擺臺(tái)模擬姿態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)試，具體實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖17所示。其中，如圖18所示靜態(tài)下光閉環(huán)最大跟蹤誤差為50 μrad；如圖19所示在橫滾方向頻率為0.067 Hz，幅值為5°擾動(dòng)下的光閉環(huán)最大跟蹤誤差為96 μrad。

圖17 光跟蹤試驗(yàn)場(chǎng)景

圖18 光閉環(huán)跟蹤誤差曲線

圖19 擾動(dòng)下的光閉環(huán)跟蹤誤差曲線

5 結(jié)論

本文針對(duì)潛望式粗跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的高精度跟蹤問(wèn)題，首先設(shè)計(jì)基于ARM和FPGA的伺服控制器，以保證單軸電機(jī)的控制精度，然后根據(jù)潛望式跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式建立相應(yīng)的自動(dòng)跟蹤模型，在設(shè)計(jì)硬件和跟蹤算法的基礎(chǔ)上，對(duì)潛望式跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行低速平穩(wěn)性測(cè)試以及光閉環(huán)跟蹤測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)伺服控制器和控制回路具有良好的控制性能和自動(dòng)跟蹤模型的正確性。單軸電機(jī)以0.4()''/ms（5線/ms）運(yùn)行時(shí)，速度波動(dòng)為±0.08()''/ms即每閉環(huán)周期速度波動(dòng)為±1線；在以最大速度為1°/s，最大加速度為1°/s2進(jìn)行等效正弦引導(dǎo)時(shí)最大跟蹤誤差為18.4''，標(biāo)準(zhǔn)差為8.600 1；進(jìn)行靜態(tài)下光閉環(huán)最大跟蹤誤差為50 μrad，擾動(dòng)下光閉環(huán)最大跟蹤誤差為96 μrad；本潛望式通信終端伺服控制系統(tǒng)能夠滿足對(duì)跟蹤精度和低速平穩(wěn)性的要求，并且根據(jù)建立的自動(dòng)跟蹤模型，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)光束的精確跟蹤，滿足星間激光通信的高精度粗跟蹤要求。