基于線性壓電馬達的空間激光通信終端粗跟蹤控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空間激光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于線性壓電馬達的空間激光通信終端粗跟蹤控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]空間激光通信系統(tǒng)以激光束為信息載體，實現(xiàn)兩個或若干個終端設備之間的通信?？臻g激光通信系統(tǒng)主要包括信號傳輸，空間信號的捕獲、瞄準和跟蹤(Acquisit1n，Pointing and Tracking，APT)兩部分。光信號遠距離傳輸會產(chǎn)生極大的能量損失，接收到的光信號往往非常微弱，而且太陽、月亮之類的星體會產(chǎn)生強烈的背景光，形成干擾，這就增強了光信號的接收難度。在遠距離、強干擾等情況下，光信號的捕獲、瞄準和跟蹤是一個光、機、電結(jié)合的緊密綜合技術(shù)。由于光信號的發(fā)散角非常小，光信號的捕獲、瞄準和跟蹤是一個非常困難的過程，作為空間激光通信的核心支撐性技術(shù)，APT技術(shù)也就成為了整個空間激光通信系統(tǒng)進入實用的瓶頸；同時，衛(wèi)星通信的光通信端機的輕型化、小型化、可通率和可操作性也對APT技術(shù)提出極高的重量、體積、功耗和可靠性指標要求，成為工程上的一大挑戰(zhàn)。
[0003]APT系統(tǒng)的工作過程分為捕獲、瞄準和跟蹤三個過程，為了實現(xiàn)準確捕獲和高精度跟蹤，APT系統(tǒng)通常采用復合軸控制技術(shù)，利用粗跟蹤控制系統(tǒng)的低帶寬、大范圍跟蹤和精跟蹤控制系統(tǒng)的尚帶寬、尚精度跟蹤能力，完成APT系統(tǒng)的目苗準跟蹤任務。其中的粗跟蹤控制系統(tǒng)作為復合軸控制技術(shù)的主軸控制系統(tǒng)，主要完成尚概率、快速捕獲和尚穩(wěn)定性跟蹤。
[0004]目前，現(xiàn)有的粗跟蹤控制系統(tǒng)通常采用電磁電機作為執(zhí)行元件，存在以下問題:由于其控制范圍較大，閉環(huán)控制帶寬較小，導致其動態(tài)性能較差；由于采用電磁電機作為執(zhí)行元件，大大增加了系統(tǒng)的重量和體積，隨著系統(tǒng)重量的增加，其功率密度隨之降低；由于采用電磁電機作為執(zhí)行元件，給系統(tǒng)造成了一定的電磁干擾，影響系統(tǒng)的正常工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有的粗跟蹤控制系統(tǒng)存在的動態(tài)性能較差、重量和體積大、功率密度低且由于存在電磁干擾而影響系統(tǒng)正常工作的問題，本發(fā)明提供一種基于線性壓電馬達的空間激光通信終端粗跟蹤控制系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]本發(fā)明的基于線性壓電馬達的空間激光通信終端粗跟蹤控制系統(tǒng)，包括:
[0008]外部擴展有多路RS422接口且內(nèi)部集成有雙口 RAM的FPGA芯片，讀取兩軸當前角位置值并對其進行處理后送入雙口 RAM中存儲；
[0009]DSP芯片，讀取雙口 RAM中的兩軸當前角位置值，讀取星上總控系統(tǒng)發(fā)送的當前工作控制字、兩軸目標角位置值和補償角位置值，對兩軸當前角位置值與兩軸目標角位置值進行誤差計算從而生成兩軸PWM信號和兩軸方向開關(guān)控制信號；
[0010]光耦隔離電路，對DSP芯片輸出的兩軸PffM信號和兩軸方向開關(guān)控制信號進行隔離作用；
[0011]兩個全橋驅(qū)動電路和兩個LC諧振電路組成的兩套驅(qū)動電路，分別對隔離后的兩軸PWM信號進行功率放大產(chǎn)生用于線性壓電馬達工作所需的高壓交流信號；
[0012]兩軸方向開關(guān)，接收兩軸方向開關(guān)控制信號經(jīng)隔離作用產(chǎn)生的控制信號，分別控制兩組線性壓電馬達的轉(zhuǎn)動方向；
[0013]兩組線性壓電馬達，分別驅(qū)動兩軸框架式轉(zhuǎn)臺的俯仰軸和方位軸運行到兩軸目標角位置；
[0014]兩軸框架式轉(zhuǎn)臺，帶動負載運行到兩軸目標角位置；
[0015]兩個雙讀數(shù)頭多參考點反射式光電編碼器，分別實時檢測并獲取兩軸框架式轉(zhuǎn)臺的兩軸當前角位置值。
[0016]進一步的，兩個雙讀數(shù)頭多參考點反射式光電編碼器分別安裝在兩軸框架式轉(zhuǎn)臺的俯仰軸和方位軸上。
[0017]進一步的，兩軸當前角位置值包括兩軸框架式轉(zhuǎn)臺的俯仰軸當前角位置值和方位軸當前角位置值，兩軸目標角位置值包括兩軸框架式轉(zhuǎn)臺的俯仰軸目標角位置值和方位軸目標角位置值；所述DSP芯片分別對俯仰軸目標角位置值與俯仰軸當前角位置值、方位軸目標角位置值與方位軸當前角位置值進行誤差計算，根據(jù)粗跟蹤控制系統(tǒng)當前的控制模式進入到不同的控制算法分支，從而生成兩軸PWM信號和兩軸方向開關(guān)控制信號。
[0018]進一步的，所述控制模式包括指向模式、捕獲模式、跟蹤模式和尋零模式。
[0019]進一步的，兩組線性壓電馬達包括第一組線性壓電馬達和第二組線性壓電馬達，每四個相互并聯(lián)的線性壓電馬達作為一組。
[0020]進一步的，兩軸方向開關(guān)包括俯仰軸方向開關(guān)和方位軸方向開關(guān)；所述DSP芯片與光耦隔離電路相連，光耦隔離電路分別與兩個全橋驅(qū)動電路相連，光耦隔離電路還分別與俯仰軸方向開關(guān)和方位軸方向開關(guān)相連，兩個全橋驅(qū)動電路分別與兩個LC諧振電路一一對應相連，兩個LC諧振電路中的一個與俯仰軸方向開關(guān)相連，另一個與方位軸方向開關(guān)相連，俯仰軸方向開關(guān)與第一組線性壓電馬達相連，第一組線性壓電馬達與兩軸框架式轉(zhuǎn)臺的俯仰軸相連，方位軸方向開關(guān)與第二組線性壓電馬達相連，第二組線性壓電馬達與兩軸框架式轉(zhuǎn)臺的方位軸相連。
[0021]進一步的，兩軸PffM信號包括俯仰軸PffM信號和方位軸PWM信號；所述俯仰軸PWM信號依次經(jīng)光耦隔離電路的隔離作用、全橋驅(qū)動電路和LC諧振電路的功率放大作用后產(chǎn)生用于第一組線性壓電馬達工作所需的高壓交流信號，第一組線性壓電馬達根據(jù)此高壓交流信號驅(qū)動兩軸框架式轉(zhuǎn)臺運行到俯仰軸目標角位置；所述方位軸PWM信號依次經(jīng)光耦隔離電路的隔離作用、全橋驅(qū)動電路和LC諧振電路的功率放大作用后產(chǎn)生用于第二組線性壓電馬達工作所需的高壓交流信號，第二組線性壓電馬達根據(jù)此高壓交流信號驅(qū)動兩軸框架式轉(zhuǎn)臺運行到方位軸目標角位置。
[0022]進一步的，兩軸方向開關(guān)包括俯仰軸方向開關(guān)和方位軸方向開關(guān)，兩軸方向開關(guān)控制信號包括俯仰軸方向控制開關(guān)信號和方位軸方向開關(guān)控制信號；所述俯仰軸方向開關(guān)控制信號經(jīng)光耦隔離電路的隔離作用后產(chǎn)生用于控制俯仰軸方向開關(guān)通斷的控制信號；所述方位軸方向開關(guān)控制信號經(jīng)光耦隔離電路的隔離作用后產(chǎn)生用于控制方位軸方向開關(guān)通斷的控制信號；通過控制兩軸方向開關(guān)的通斷來控制兩組線性壓電馬達的轉(zhuǎn)動方向，保證驅(qū)動兩軸框架式轉(zhuǎn)臺帶動負載運行到兩軸目標角位置。
[0023]進一步的，還包括陶瓷環(huán)、金屬過渡件和軸承，所述負載、陶瓷環(huán)和金屬過渡件通過軸承安裝在兩軸框架式轉(zhuǎn)臺上。
[0024]進一步的，所述兩組線性壓電馬達的型號均為HF2。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明是一種以FPGA芯片和DSP芯片為控制器、兩組線性壓電馬達作為執(zhí)行元件，雙讀數(shù)頭多參考點反射式光電編碼器作為角位置傳感器，兼具高功率密度、高精度、動態(tài)響應速度快、不受電磁干擾的空間激光通信終端粗跟蹤控制系統(tǒng)。
[0026]1、控制器的設計和執(zhí)行元件的選取在本發(fā)明的控制系統(tǒng)中有著同等重要的意義，因為執(zhí)行元件的精度和穩(wěn)態(tài)特性主要取決于驅(qū)動方式和執(zhí)行元件本身的性能。本發(fā)明采用“FPGA芯片+DSP芯片”結(jié)構(gòu)的數(shù)字式控制器，充分利用FPGA芯片高速并行工作和DSP芯片運算能力強的優(yōu)點，提高數(shù)字式控制器的運算速度與精度，F(xiàn)PGA芯片和DSP芯片兩者外部都擴展有多路RS422接口，便于與其他板卡和星上總控系統(tǒng)進行通信。
[0027]2、本發(fā)明以兩組線性壓電馬達作為執(zhí)行元件，直接驅(qū)動兩軸框架式轉(zhuǎn)臺，實現(xiàn)低至5 μ rad的步進角分辨率，具有較高的控制精度和驅(qū)動分辨率，動態(tài)響應速度快，可以實現(xiàn)粗跟蹤控制系統(tǒng)的高功率密度、高精度的二維指向且不受電磁干擾，并且線性壓電馬達長期穩(wěn)定指向某位置工況下，能夠斷電自鎖以減小系統(tǒng)功耗，節(jié)省能源，提高器件的使用壽命O