基于音圈电机的主动光学力促动器研究

　　0　引言

　　主动光学是大口径望远镜中的关键技术，主动光学系统是闭环控制的校正波前误差的系统，由波前传感器、计算机控制系统、校正元件和校正促动器组 成。主动光学校正的误差源主要来自光学和机械加工、装校等产生的系统误差及望远镜由于重力和温度梯度变化而产生的变形，因此，校正频率较低，最高频率约为 10-2　Hz，但如果还要校正一部分低频的圆顶内和主镜上的大气扰动以及风载引起的误差，则校正频率要高达10Hz[1]。

　　薄镜面主动光学利用薄的反射镜(一般是主镜)的微小弹性变形，来补偿望远镜的主镜和次镜由于重力、温度变形等引起的系统波前误差。要精确地执行薄镜面的微小变形，采用能动支撑系统及时修正面形，就需要有高精度、一定面密度数量的主动支撑力促动器[2-4]。

　　因此，主动光学校正变形技术不仅仅对力促动器的性能有很高的要求，也对数量有很大的需求，其总造价就是一个不小的数字。所以，在设计时，一方面 要考虑到力促动器性能，以最大程度满足主动光学的需要，另一方面应在满足性能的基础上尽可能简化装置和控制，最后，考虑其成本，尽可能降低每个促动器的成 本。

　　1　系统控制原理及实现

　　1.1　音圈电机数学模型

　　音圈电机，根据运动形式的不同，可分为旋转式与直线式。音圈旋转电机可视为一种单相直流电机，只是其旋转角度受到限制，一般小于90°，用于对 硬盘磁头进行直接驱动和精密定位，实现数据的读写操作。音圈直线电机属于直线直流电机的一种，同样也有行程的限制，无法太长，具有良好的动态特性和直接驱 动。由它构成的直线伺服系统，能够克服传统的旋转电机加滚珠丝杠驱动方式的一些不足，具有结构简单、动态响应最快、调速范围宽和定位精度高等优点。随着设 计水平与控制技术的不断发展，音圈直线电机的应用范围不断扩展，目前在各类短行程的闭环伺服应用中广受欢迎。

　　通过对音圈电机原理[5]的分析，可得音圈电机机电耦合模型为[6-8]：

　　代入系统相关参数，可得系统传递函数为：

　　系统的阶跃响应如图1所示。

　　1.2　音圈电机的PID控制

　　PID控制是最早发展起来的控制策略之一，市面流行的控制板卡超过90%的控制环采用PID控制[9]。经典PID参数整定的目标函数实质上是 诸如超调量、上升时间和调节时间等。注意到这些指标相互制约相互影响，而工程上一般采用经验法在需求它们的“最佳”结合点，故很难在时变的运动学和动力学 参数下得到一组比较满意的结果。但是PID不需要精确的控制系统数学模型，控制算法简单，很容易实现。采用经典PID控制策略，对系统进行控制。通过 LabVIEW 软件，可以实时地看到在PID控制下，音圈电机的响应曲线，如图2所示。