大口徑光電經緯儀高精度連續變焦距系統設計

張彬

摘要大口徑光學經緯儀變焦距系統可以有效的滿足大視場穩定捕獲和高觀測分辨力的要求。文章就變焦距系統的機械結構設計和電子控制方法進行了討論。采用ADMAS動力學仿真軟件對變焦距系統動力學進行建模，分析比較了電機驅動方案和凸輪曲線的設計。采用IXR補償的穩速控制方案，實現了變力矩條件下的高精度控制。對大口徑變焦距系統優化設計具有一定的參考意義。

關鍵詞變焦距；凸輪；ADMAS；動力學

中圖分類號：TH74 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0028-03

大口徑光學經緯儀系統設計一方面要求在大視場下對目標進行快速捕獲，另一方面要求觀察目標細節和提高目標分辨力[1]。變焦距系統可以有效的協調這兩方面的設計需求，通過改變變倍鏡組均勻連續的改變光學系統的焦距。變焦距系統由變倍組和補償組組成，變倍組做線性運動改變焦距，補償組通過微調實現像面位置調整[2]。

大口徑光學經緯儀變焦距系統普遍采用凸輪的設計，凸輪輪廓曲線的精確設計可以實現準確的預期運動規律。齒輪等運動件具有控制精度高的優點，同時表面經特殊處理后無冷焊、無卡滯現象，有很好的抗沖擊振動能。文獻詳細討論了變焦距系統凸輪設計的解析方法[3-5]，但該解析方法只考慮成像倍率與凸輪轉角的關系，沒有考慮到機械結構的轉動慣量和摩擦力矩的影響。本文通過使用動力學仿真軟件ADAMS提供的強大的動力學仿真功能，實現變焦距系統凸輪動力學精確建模。

大口徑光學經緯儀變焦距系統具有大轉動慣量的特點，在彈道跟蹤過程中俯仰角會實時改變，使得該變焦距系統轉動慣量變化較大，對該系統的控制帶來困難。在具體設計中，將控制臺旋鈕的位置一一映射到變倍組的完整行程，實現旋鈕對變倍組位置的精確控制。在旋轉過程中，既要考慮到大范圍旋轉的快速位置轉換，又要兼顧微調時位置的精確改變，需要對控制算法進行細致的設計。

1變焦距系統的機械結構設計

變焦距系統的機械結構如圖1所示，采用兩根圓柱導軌的形式，其中一根導軌用于導向，一根導軌用于支撐，兩者共同約束變倍鏡組沿著光軸方向移動。通過將UG軟件設計的機械結構導入ADMAS進行動力學，實現凸輪運動學的精確仿真和設計。

圖1采用行星齒輪傳動方式凸輪變焦距的機械結構

1.1 凸輪驅動方案選擇

變焦距機械結構可以采取兩種驅動方案，一種是使用一個小齒輪直接驅動凸輪齒輪轉動；一種是使用行星輪系驅動凸輪齒輪轉動。行星輪機構能夠有效防止力的偏置，消除單個齒輪傳動帶來的附加應力，提高光學系統的精度。圖2中動力學仿真表明：行星輪機構中驅動齒輪施加給凸輪齒輪的力是單個齒輪傳動下的1/2，另外1/2的力通過隨動小齒輪傳遞，從而分散了凸輪的受力，消除了附加應力的影響。

（a）單個齒輪傳動

（b）行星輪傳動方式下

圖2驅動力仿真曲線

1.2 凸輪曲線設計

凸輪曲線的兩個極限位置分別對應變焦距的長焦和短焦兩個極限位置。為減小沖擊，凸輪運動規律選取了起點和終點速度和加速度為零的運動方式，即位移曲線為S型曲線，速度曲線為拋物線，加速度為正弦曲線，如圖3所示。

圖3凸輪變焦距位置、速度、加速度設計曲線

根據這一曲線建模生成的三維圖模型開槽角度為260°，凸輪升角<45°。使用UG生成的凸輪進行adams仿真后得到位移、速度、加速度曲線如圖4所示。

圖4凸輪運動仿真曲線

比較圖2和圖4可以看到仿真曲線與設計曲線吻合，圖5為恒速驅動時驅動力矩的幅值曲線，最大值為5.9Nm。

圖5凸輪運動時驅動力矩的幅值曲線

2變焦距系統的控制方法設計

變焦距控制系統速度位置雙閉環控制，速度伺服控制器的作用是使電機保持給定的速度且不受負載變化的影響，設定速度值不斷和實際值相比較，根據比較獲得誤差調節伺服放大器的輸出。位置環控制器不斷比較當前位置與目標位置，并將相應糾正值傳遞給電機。同時變焦距系統受負載影響大，負載影響主要來自兩個方面，一方面來自凸輪加工間隙不均帶來的摩擦力不均勻，另一方面來自高俯仰角時負載重力的影響。負載變化將很大程度影響電機調節位節精度差，且可能造成電機無法調節至目標位置。變焦距系統采用IxR補償的方式，不必采用昂貴的高精度編碼器，只采用電位計就可以實現變負載條件下的凸輪結構的精確控制。設計完整的變倍導程為200 mm，采用12位電位計，完整的變倍導程對應于4096個碼值。以下控制系統的設計統一采用碼值作為計量單位，每個碼值代表48.8 μm。本設計采用直流電機為maxon 26mm直徑稀有金屬電刷電機，機械時間常數15 ms，電樞電阻20 Ω。使用simulink control design工具進行調節器，為了減小穩態誤差選擇K=4000，T＝40。在此參數下實驗得到的估計速度、位置和PWM占空比信息如圖6所示。實驗過程中可對參數進行微調，減小T可以減小上升時間，同時使穩定性變差。如K=4000，T=5時，實驗得到PWM和速度曲線如圖7所示，系統不穩定。

為驗證IxR補償的實際穩速效果，可以看到PWM可以根據負載變化調節，負載增加時，電樞電流增加，估計轉速減小，輸入PWM占空比減小，反之亦然。比較圖與圖中的位置變化曲線可以看到相比無IxR補償情況，IxR補償可以有效的起到穩速的作用。

圖6K=4000，T=40得到的實驗數據

圖7K=4000，T=5得到的實驗數據

設計位置環調節器K=3，T=0.2。使用simulink control designed工具得到Bode圖和階躍響應，系統進入目標區域時速度較小以提高定位精度。表1給出了采用IxR補償的雙閉環系統的定位精度的測試結果。近距移動100碼值時，定位精度均方根為3.25碼值。中距移動200碼值，定位精度均方根4.46碼值；遠距移動700碼值時，定位精度均方根5.74碼值。改造前單閉環系統定位精度只有30個碼值左右，可見IxR補償可有效提高定位精度。

3結論

本文討論了大口徑光電經緯儀變焦距系統的機械結構設計和電子控制設計。機械結構設計采用ADAMS動力學仿真方法，優化了凸輪曲線和電機驅動方案。電子控制系統采用了IxR速度穩定方案，提高了系統在變力矩條件下的適應性和控制精度。實驗表明該設計可以有效的滿足大口徑光電經緯儀大視場捕獲和高觀測分辨力的要求。

參考文獻

[1]李志來，薛棟林，張學軍.長焦距大視場光學系統的光機結構設計[J].光學精密工程，2008，16（12）：2485-2490.

[2]陳鑫，付躍剛.變焦系統凸輪曲線的優化設計[J].應用光學，2008，29（1）：45-47.

[3]王平，張葆，等.變焦距鏡頭凸輪結構優化設計[J].光學精密工程，2010，18（4）：893-898.

[4]崔軍，何國雄.變焦系統凸輪曲線的擬合設計[J].儀器儀表學報，1990，11（1）：107-112.

[5]晏蕾，賈平，等.變焦距鏡頭凸輪曲線形式的選擇[J].應用光學，2010，31（6）：876-882.

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