音圈電機驅(qū)動型快速控制反射鏡機械結(jié)構(gòu)研究

徐新行，王兵，莊昕宇，陳寧，李瑩

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，長春 130033；2.吉林大學(xué) 管理學(xué)院，長春 130022）

快速控制反射鏡作為光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵性器件，已在自適應(yīng)光學(xué)、精密跟蹤、目標(biāo)指向、光束控制及光通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-3］。其主要功能是實現(xiàn)平面反射鏡的快速、高頻轉(zhuǎn)動，進而達到及時調(diào)整光束傾斜誤差、校正光路傳播方向和穩(wěn)定光束的目的。其特點是反射鏡轉(zhuǎn)角范圍小，通常為分秒級，但要求系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制帶寬非常高，一般為幾十赫茲到上千赫茲［4］。

目前，對于響應(yīng)速度要求較高的快反系統(tǒng)大多采用壓電陶瓷進行驅(qū)動。利用壓電陶瓷的高頻響應(yīng)特性，系統(tǒng)的響應(yīng)頻率可以達到上千赫茲。但壓電陶瓷的行程很小，只有幾十微米，而所需的驅(qū)動電壓卻高達幾百伏。與之相對，音圈電機的驅(qū)動電壓只有十幾伏，行程卻是壓電陶瓷的成百上千倍。而且音圈電機自身的響應(yīng)頻率也很高，再通過系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及伺服控制系統(tǒng)的補償，系統(tǒng)的響應(yīng)速度也能達到上百赫茲［5］。因此，音圈電機已逐漸成為快反系統(tǒng)的首選驅(qū)動元件之一。

在快反系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)形式直接決定了系統(tǒng)的諧振頻率和負載能力［6，7］，進而影響快速控制反射鏡口徑與響應(yīng)速度的提高。本文針對音圈電機驅(qū)動型快反系統(tǒng)，對各種常用結(jié)構(gòu)形式進行了對比分析，并根據(jù)現(xiàn)有機械結(jié)構(gòu)的不足，提出了新型的剛性承載方式，為大口徑、高負載型快速控制反射鏡的發(fā)展提供了一種新思路。

1 音圈電機驅(qū)動器分析

音圈電機驅(qū)動器主要分為直線式和回轉(zhuǎn)式兩種，分別提供直線型和圓弧型的運動形式，具有高加速度、高速度、高頻響、高精度的特點［8］。這兩種運動形式均可用于快反系統(tǒng)，實現(xiàn)平面反射鏡的高頻、快速轉(zhuǎn)動。

1.1 直線式音圈電機

圖1為直線式音圈電機的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，這種音圈電機主要由線圈、永久磁鐵及各自的支撐件組成，通過調(diào)節(jié)線圈中電流的幅值、頻率和方向，即可實現(xiàn)電機精確的伸縮運動。其中，線圈與磁體相互分離，之間存在必要的工作間隙（用于快反系統(tǒng)的直線式音圈電機，工作間隙約為0.6～0.8mm）。由于此工作間隙的存在，一方面，避免了線圈與磁體之間的摩擦和碰撞；另一方面，使得磁鐵與線圈之間在徑向方向上無相互約束。即二者在進行相對直線運動時，允許有一定的相對轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)平面反射鏡的小角度偏轉(zhuǎn)。

圖1 直線式音圈電機示意圖Fig.1 Linear voice coil actuator

在快反系統(tǒng)中，一般選擇線圈與平面反射鏡相連、磁鐵固定式的結(jié)構(gòu)。主要是因為磁鐵的質(zhì)量較大，一般為線圈的3-5倍。如此布置，可以大幅度減小運動件的轉(zhuǎn)動慣量，對提高系統(tǒng)的諧振頻率非常有利。不足是：線圈輸電線處于運動狀態(tài)，易出現(xiàn)斷路現(xiàn)象。此外，線圈易發(fā)熱，并將熱量直接傳遞給平面反射鏡，而反射鏡的面形對溫度較為敏感，因此，限制了系統(tǒng)的長時間連續(xù)工作。

圖2為快反系統(tǒng)中直線式音圈電機的排布方式及反射鏡受力情況示意圖。如圖2(a)所示，音圈電機通常采用對稱的排布方式，即通過兩對電機的推拉運動實現(xiàn)平面反射鏡繞軸線（X軸或Y軸）的旋轉(zhuǎn)。如圖2(b)所示，反射鏡在一對力偶的作用下進行旋轉(zhuǎn)，受力情況較好。若采用非對稱的布置方式，如圖2(c)所示，反射鏡在一個推（或拉）力作用下轉(zhuǎn)動的同時，會在中心支點處產(chǎn)生一個附加力，從而引起反射鏡的整體軸向位移，最終造成測角誤差，影響系統(tǒng)的總體工作精度。而采用3個音圈電機圓周均布的快反系統(tǒng)，在控制平面反射鏡實現(xiàn)二維偏轉(zhuǎn)時需要進行必要的坐標(biāo)變換，增加了控制系統(tǒng)的負擔(dān)［7］。

圖2 直線式音圈電機排布及反射鏡受力情況示意圖Fig.2 Location of four voice coil actuators and force act on mirror

1.2 回轉(zhuǎn)式音圈電機

圖3為回轉(zhuǎn)式音圈電機的組成結(jié)構(gòu)示意圖，此類音圈電機與傳統(tǒng)電機相同，采用軸/球軸承作為引導(dǎo)系統(tǒng)。所提供的弧型運動光滑平穩(wěn)，且無需換向裝置，目前已成為了快速響應(yīng)、有限角激勵系統(tǒng)中的首選驅(qū)動元件［8］。在快反系統(tǒng)中，該型音圈電機主要用于X-Y軸框架式結(jié)構(gòu)，并采用角度測量傳感器對反射鏡體的轉(zhuǎn)角直接測量，有利于系統(tǒng)控制精度的提高。

2 快速控制反射鏡機械結(jié)構(gòu)分析

目前研究最多的快反系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式主要有兩種：一種是X-Y軸框架式，也稱為有軸式結(jié)構(gòu)，內(nèi)外框架分別繞兩相互正交的軸線轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)平面反射鏡的二維偏轉(zhuǎn)，如圖4、圖5所示；另一種是柔性無軸式結(jié)構(gòu)，主要利用彈性元件的撓性工作，其結(jié)構(gòu)組成如圖6所示。

圖3 回轉(zhuǎn)式音圈電機示意圖Fig.3 Rotary voice coil actuator

2.1 X-Y軸框架式快速控制反射鏡

X-Y軸框架式快反系統(tǒng)主要包括：基座、內(nèi)外框架、平面反射鏡、音圈電機和轉(zhuǎn)角測量傳感器等。外框架軸系安裝在基座上，固連有平面反射鏡的內(nèi)框架軸系安裝在外框架上。內(nèi)外框架的旋轉(zhuǎn)既可以選用直線式音圈電機驅(qū)動［9］（如圖4所示），也可以選用回轉(zhuǎn)式音圈電機驅(qū)動［10］（如圖 5所示）。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)剛度好、承載能力強，且轉(zhuǎn)角范圍大，尤其是以回轉(zhuǎn)式音圈電機為驅(qū)動元件的快反系統(tǒng)。缺點是對軸系的精度要求較高，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量和摩擦力矩偏大，不利于諧振頻率的提高；而且此結(jié)構(gòu)的體積偏大，受空間限制嚴重。

圖4 直線式音圈電機驅(qū)動型框架式結(jié)構(gòu)Fig.4 X-Y frame structure driven by linear voice coil actutors

圖5 回轉(zhuǎn)式音圈電機驅(qū)動型框架結(jié)構(gòu)Fig.5 X-Y frame structure driven by rotary voice coil actutors

2.2 柔性無軸式快速控制反射鏡

柔性無軸式快反系統(tǒng)主要由平面反射鏡、鏡托、彈性元件、音圈電機、基座及位移測量傳感器等組成，如圖6所示。它的優(yōu)勢是：結(jié)構(gòu)簡單，無摩擦阻力矩，響應(yīng)速度快，但對彈性元件的要求高。即要求彈性元件在期望運動方向上具有足夠的柔性，而在限制運動的方向上具有足夠的剛度［11］。因此，系統(tǒng)工作時平面反射鏡的運動形式較為復(fù)雜（在產(chǎn)生轉(zhuǎn)角運動的同時會產(chǎn)生微量的線位移），不適于在振動、沖擊、回轉(zhuǎn)等惡劣的工作條件下使用。此外，這種結(jié)構(gòu)形式的快反系統(tǒng)轉(zhuǎn)角范圍小、承載能力有限，更適于小口徑、輕量型的反射鏡體。

圖6 柔性無軸式結(jié)構(gòu)Fig.6 Flexible axis structure without shafts

2.3 球面副式快速控制反射鏡

針對傳統(tǒng)型快反系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的不足，本文提出了新型球面副式支撐結(jié)構(gòu)。

如圖7所示，球面副式快反系統(tǒng)主要包括：平面反射鏡、外球面鏡托、內(nèi)球面鏡框、滾珠、音圈電機、支撐彈簧、基座及位移測量傳感器等。其中，鏡托的外側(cè)表面和鏡框的內(nèi)側(cè)表面均為球面的一部分，之間通過高精度滾珠實現(xiàn)剛性連接，同球心裝配。因此，固連有平面反射鏡的鏡托即可借此球面副在鏡框中萬向旋轉(zhuǎn)。在正交分布的4個音圈電機的推拉力作用下，實現(xiàn)反射鏡的二維偏轉(zhuǎn)。4個位移測量傳感器如圖7所示對稱布置，每2個傳感器完成繞一個軸線旋轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)角的測量，減小了反射鏡因軸向位移造成的測量誤差。

本文提出的快反系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠實用，既沒有復(fù)雜的軸系，又實現(xiàn)了剛性承載，并且對振動沖擊、回轉(zhuǎn)等惡劣的工作環(huán)境具有較強的適應(yīng)性。盡管系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量和摩擦阻力矩偏大，結(jié)構(gòu)的諧振頻率偏低。但對于響應(yīng)速度要求不高，工作條件惡劣的光學(xué)系統(tǒng)，此結(jié)構(gòu)具有較大發(fā)展空間。

3 結(jié)論

圖7 球面副支撐式結(jié)構(gòu)及其電機傳感器分布示意圖Fig.7 Diagram of the structure with spherical pair and location of voice coil actuators and sensors

（1）音圈電機憑借自身高速度、高頻響、高精度的特點，在工程應(yīng)用領(lǐng)域，正逐步成為快反系統(tǒng)的首選驅(qū)動元件之一。

（2）X-Y框架式快反系統(tǒng)承載能力強、轉(zhuǎn)角范圍大，但軸系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)動慣量、摩擦阻力矩和體積較大，系統(tǒng)諧振頻率不高。

（3）柔性無軸式快反系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快，是目前國內(nèi)外發(fā)展的主流結(jié)構(gòu)，但承載能力和對工作環(huán)境的適應(yīng)能力有限。

（4）新型球面副支撐式快反系統(tǒng)，既無復(fù)雜軸系結(jié)構(gòu)，又實現(xiàn)了剛性承載，并且對振動沖擊、回轉(zhuǎn)等惡劣工作環(huán)境具有較強的適應(yīng)性，為新型快速控制反射鏡的發(fā)展提供了一種新思路。

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