音圈致动快速反射镜机电联合仿真技术.pdf
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1、第45卷 第8期 红 外 技 术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 814 系统与设计 音圈致动快速反射镜机电联合仿真技术 张 宇1,2,许永森1,王福超1,徐钰蕾1,周平伟1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033;2.中国科学院大学,北京 100049)摘要:针对某红外搜索系统快速反射镜设计需求,研究基于十字簧片传动结构与音圈致动器的快速反射镜机电联合仿真技术。建立快速反射镜的机电参数化模型,采用有限元分析法构建柔性结构传动刚度模型,同时建立音圈制动器的电磁驱动模型,并进行关键参数的迭代设计
2、确定最优参数;以Matlab/Simulink 为联合仿真平台,建立反射镜动力学仿真接口与电磁驱动仿真接口,结合经典控制模型实现对反射镜机构的联合仿真,并获得系统动态响应的仿真结果。最后通过实验测试验证 50 Hz 成像周期下回扫补偿残差与相位滞后,其中实测回扫补偿残差 0.0365 mrad,相位滞后 2.6 ms,虽然高于仿真分析结果但能够满足工程应用的需求;并对系统的开环频响曲线进行对比,中低频幅值响应误差不超过 10%。仿真和实验结果表明,该联合仿真技术对于快速反射镜的设计与优化具有重要的理论指导意义。关键词:快速反射镜;音圈电机;联合仿真;结构分析 中图分类号:TN219 文献标识码
3、:A 文章编号:1001-8891(2023)08-0814-08 Electromechanical Co-simulation Technology of Fast Steering Mirror Driven by Voice Coil Motor ZHANG Yu1,2,XU Yongsen1,WANG Fuchao1,XU Yulei1,ZHOU Pingwei1(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2
4、.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:To meet the design requirements of a fast steering mirror(FSM)for an infrared search system,the electromechanical co-simulation technology of FSM based on the cross-reed transmission structure and voice coil actuator was studie
5、d.An electromechanical parametric model of the FSM was established,the transmission stiffness model of the flexible structure was constructed by the finite element analysis,the working model of the voice coil motor was constructed,and the key design parameters were compared and iterated to determine
6、 the optimal design parameters.MATLAB/Simulink was used as a co-simulation platform to establish the FSM dynamics simulation and electromagnetic drive simulation interfaces,combined with the classical control model to realize the co-simulation of the FSM and obtain the simulation results of the syst
7、em dynamic response.Finally,the flyback compensation residual and phase lag under a 50-Hz imaging period were verified experimentally.The results show that the measured flyback compensation residual is 0.0365 mrad and the phase lag is 2.6 ms,which are higher than the simulation analysis results but
8、meet the requirements of engineering applications.The open-loop frequency response curve of the system was compared,and the mid-low frequency amplitude response error did not exceed 10%.The simulation and experimental results show that this co-simulation technology has important theoretical signific
9、ance for the design and optimization of FSMs.Key words:fast steering mirror,voice coil motor,co-simulation,structural analysis 收稿日期:2022-05-05;修订日期:2022-05-24.作者简介:张宇(1996-),男,河北石家庄人,硕士研究生,主要从事快速反射镜设计开发与优化等相关研究。E-mail:。通信作者:许永森(1981-),男,博士,研究员,主要从事精密补偿与视轴校准等相关研究。E-mail:。基金项目:科技部国家重点研发计划(xxxxxxxxxx58
10、05)。第45卷 第8期 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 张 宇等:音圈致动快速反射镜机电联合仿真技术 Aug.2023 815 0 引言 快速反射镜是一种具有高加速度与精密指向控制能力的反射镜机构1。快速反射镜技术的研究始于 20世纪美国的激光反导演示项目,麻省理工大学在 2000年分别研制了应用于空间激光通信实验的高带宽快速反射镜(high bandwidth steering mirror,HBSM)2,以及磁阻原理的先进快速反射镜(advanced fast steering mirror,AFSM)3等;美国新一代的机载、舰载光电成像与探测系统都采用了快速反射镜作为光束
11、指向与稳定的精密执行组件:如美国 F35 战机的光电跟踪系统(electro-optical targeting system,EOTS)使用了快速反射镜作为精密跟踪执行器4。中科院光电技术研究所是国内较早开展快速反射镜的研究单位,中科院长春光机所则在 20 世纪 90 年代开发了应用于大型光电经纬仪跟踪和光束稳定的摆角电机快速反射镜5;而后如华中科技大学6、国防科技大学7以及哈尔滨工业大学等也相继取得了一些成果。在快速反射镜的研发过程中,反射镜的通光口径、运动行程、控制带宽等往往表现出互相制约的技术问题,要实现约束条件下最优的设计需要建立反射镜运动机构的关键参数模型。由于快速反射镜的研制涉及
12、到机械、电磁、控制等多项领域,结合当前多学科联合仿真的技术发展趋势,通过对关键变量的参数化设计,结合联合仿真技术实现快速反射镜从设计输入到系统响应的端对端模拟。本文围绕机载红外光电搜索系统对快速反射镜动态稳像应用的技术需求,研究一种基于音圈电机驱动与十字簧片柔性传动的联合仿真模型,通过对其参数化建模实现快速的原型设计与参数迭代,应用多学科联合仿真技术与物理模型的实测结果对比,验证了联合仿真方法的正确性,为快速反射镜的优化设计方法与工程实践提供重要的理论支撑。1 红外搜索系统快速反射镜工作参数分析 1.1 反射镜扫描像移补偿性能 红外搜索系统为实现快速搜索与跟踪,采用如图1 的光学系统布局,其中
13、前组为无焦缩束系统,后组为成像系统。光学系统整体绕方位轴以1角速度转动,由于框架的扫描运动导致成像系统在焦平面上产生运动像移,在无焦缩束系统后的平行光路中设置快速反射镜,控制反射镜以2角速度反向补偿,实现对扫描运动的快速回扫补偿,保证积分时间内光轴对目标的凝视成像能力。根 据 红 外 搜 索 系 统 的 技 术 参 数:视 场 角6.75.36,缩束比 n1.5,扫描速度1246/s,积分时间 T6 ms,系统工作帧频 50 fps。根据上述工作原理,反射镜回扫速度参数21n/2;积分时间内反射镜的运动行程为 a2T1.11;系统单帧的成像周期为 20 ms,设稳速时间占比 35%,返程与加减
14、速调整时间 65%,反射镜峰值角加速度不低于 1131 rad/s2,反射镜的角度行程考虑到速度调整时间设计为1.8,系统的角分辨率为 0.09 mrad,反射镜回扫补偿残差一般不超过 0.03 mrad(或在其附近)。图 1 红外搜索光学系统工作原理 Fig.1 The working principle of the infrared search optical system 1.2 快速反射镜的机电参数化模型 快速反射镜的结构主要包括反射镜、柔性传动机构、驱动器以及转角测量传感器等,其方案的分类主要从柔性传动机构形式与驱动器类型两个方面。柔性传动结构关系到反射镜整体的角度行程、运动精度
15、以及控制带宽等,是快速反射镜设计的重要参数之一。常规的柔性传动结构有:圆切口铰链、簧片铰链、杆结构铰链等,其中十字簧片结构具有大行程、低应力、转轴寄生运动小、扭转刚度低等显著技术优势。驱动器主要分为音圈电机驱动和压电陶瓷驱动:其中音圈直线电机驱动具有大行程的优点,但驱动力比压电陶瓷小;压电驱动的行程小,难以满足大行程应用的需求。针对红外搜索系统的应用指标,采用十字簧片柔性传动结构和音圈电机驱动的技术路线,快速反射镜的整体结构如图 2 所示。图 2 快速反射镜结构示意图 Fig.2 Schematic diagram of the structure of FSM 第45卷 第8期 红 外 技
16、术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 816 1.2.1 快速反射镜的参数化模型 快速反射镜在理论上可以简化为如图3所示的扭转运动力学模型。设反射镜绕中心转轴转动的转矩为M,反射镜及其支座的转动惯量为 J,中心柔性铰链的扭转刚度为 K,反射镜偏转角度为,音圈电机的动子质量为 mc,其随着反射镜发生转动,音圈电机到转动中心的距离为 l,系统的等效阻尼系数为 c,反射镜与电机相连处在垂直方向上的位移为 x。定义音圈电机通电时工作的力大小为 Fx,则对于反射镜存在力矩平衡方程:22222dd(2)22ddxcMF lMJm lcl
17、Ktt (1)从上述模型中可知,影响系统响应的主要因素为柔性铰链的扭转刚度、电机出力(电机力常数)和转动惯量。图 3 快速反射镜简化力学模型 Fig.3 Simplified mechanical model of FSM 1.2.2 柔性传动机构的参数化模型 对于十字簧片柔性铰链传动结构,其简化示意图如图 4 所示。根据铰链的结构特点与经典的简支梁计算模型,建立单个十字簧片柔性铰链工作方向的扭转刚度表达式为:3/(6)KEbts (2)式中:E 为簧片材料的弹性模量;b 为单簧片的宽度;s 为单簧片的长度;t 为单簧片厚度,另外图 4 中 L 为两对交叉簧片中心间距。图 4 柔性铰链简化示意
18、图 Fig.4 Simplified schematic diagram of flexible hinge 簧片采用弹簧钢材料,与钛合金、铜铍合金等相比,具有易于加工制造的优点8。带入簧片的尺寸参数长度 6.5 mm,宽度 4.8 mm,厚度 0.16 mm 可以得到理论扭转刚度为 0.1059 Nm/rad。为了验证柔性铰链刚度解析模型的准确性,利用有限元模型进行仿真分析,仿真结果如图 5 所示,其中图 5(a)为变形云图,图 5(b)为不同驱动力矩下铰链转角响应曲线。观察响应曲线可以确定柔性铰链的仿真扭转刚度为 0.0993 Nm/rad,仿真结果与理论计算结果存在 6.2%的合理误差。
19、依据扭转刚度的设计结果,可计算快速反射镜在工作方向上的一阶固有频率:11/2fK J (3)式中:K 为系统扭转刚度,其大小为两个柔性铰链扭转刚度之和,上文中已经确定单个柔性铰链理论扭转刚度为 0.1059 Nm/rad。J 为系统的转动惯量,根据快速反射镜的结构设计,确定其运动部分转动惯量大小为 J1.1095105 kgm2,由此可以确定快速反射镜的理论一阶固有频率为 21.99 Hz。(a)Deformation cloud of flexible hinge (b)Flexible hinge corner response curve 图 5 柔性铰链仿真结果 Fig.5 Simul
20、ation results of the flexible hingeRadian(rad)Radian/rad Torque/(Nm)第45卷 第8期 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 张 宇等:音圈致动快速反射镜机电联合仿真技术 Aug.2023 817 1.2.3 音圈驱动器的参数化模型 根据音圈制动器的工作原理,可以建立其平衡方程如下:bddddxeFk iiuiRLetxekt (4)式中:u、i、R、L 分别为音圈电机的工作电压,电流以及线圈电阻和电感;e 为反电动势,ke和 kb为电机的力常数和反电动势系数。作为音圈驱动器核心参数的电机力常数主要由磁体材料和结构参数确
21、定,利用电磁仿真软件进行材料和结构的优化与分析。永磁体材料特性从根本上决定了电机力常数的水平,分别选用 N40SH、FB13B 和Alnico 5cc 3 种不同材料,在 3 mm 运动行程内电磁力曲线如图 6(a)所示。由仿真结果可知 N40SH 钕铁硼永磁材料的性能优于其他两种材料,其输出力最大超过 3 N。除了磁性材料的影响外,磁轭结构对电机出力的影响较大,对比 0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm四种不同外磁轭壁厚度电机出力曲线对比如图 6(b)所示。随着磁轭壁厚的增加电机输出力变大,但超过限定壁厚尺寸,驱动器的输出力也不再明显提升;此外音圈电机的气隙是有约束的,壁厚
22、增加会压缩气隙大小,气隙过小会导致动圈式音圈电机在运动时动子与定子的碰撞,综上分析外磁轭厚度在 1.5 mm 最合适。1.2.4 快速反射镜的机电传递函数模型 以快速反射镜的力学平衡方程(即式(1))为基础,结合音圈电机的平衡方程(即式(4)),同时考虑到通常很小,一般近似认为 tan,则有 xltanl。综上经过拉普拉斯变换可以得到反射镜转角与电机驱动电压的传递函数表达式如(5)式,模型框图如图 7所示。2222b()()()2()(2)222ecesG sU sk lLsRJm lscl sKk k l s (5)(a)Different materials (b)Different yo
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