高帶寬大行程精瞄指向機(jī)構(gòu)的電磁驅(qū)動(dòng)及多場(chǎng)耦合優(yōu)化.pdf

1、精瞄指向機(jī)構(gòu)是激光通信系統(tǒng)中的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤子系統(tǒng)的核心組件，用于解決通信終端之間的高精度對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題。現(xiàn)有的精瞄指向機(jī)構(gòu)主要采用音圈電機(jī)或壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)。受限于兩種驅(qū)動(dòng)的固有缺陷，音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)式精瞄指向機(jī)構(gòu)的行程雖大，但帶寬不高；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式精瞄指向機(jī)構(gòu)的帶寬雖高，但行程很小。理想的精瞄指向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)應(yīng)該結(jié)合以上兩種驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，使采用該驅(qū)動(dòng)的精瞄指向機(jī)構(gòu)兼有高帶寬及大行程。線性正應(yīng)力電磁執(zhí)行器保留了正應(yīng)力電磁執(zhí)行器的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力并改善了

2、其本身的非線性特征，而且其驅(qū)動(dòng)行程遠(yuǎn)大于壓電陶瓷，這說(shuō)明線性正應(yīng)力電磁執(zhí)行器是精瞄指向機(jī)構(gòu)的一種理想驅(qū)動(dòng)。但是將線性正應(yīng)力電磁執(zhí)行器用于驅(qū)動(dòng)精瞄指向機(jī)構(gòu)的相關(guān)基礎(chǔ)理論還不成熟，有一些關(guān)鍵的理論問(wèn)題需要解決。
　　本文以高帶寬大行程精瞄指向機(jī)構(gòu)（High-Bandwidth and Long-Stroke Fine Pointing Mechanism，HLFPM）為對(duì)象，深入研究將線性正應(yīng)力電磁執(zhí)行器用于驅(qū)動(dòng)HLFPM的相關(guān)基礎(chǔ)理

3、論問(wèn)題，包括線性正應(yīng)力電磁執(zhí)行器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及建模、柔性支撐系統(tǒng)與線性正應(yīng)力電磁執(zhí)行器之間的匹配性研究以及HLFPM機(jī)-電-磁多物理場(chǎng)耦合優(yōu)化等，重點(diǎn)旨在提高HLFPM的帶寬和掃描行程。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　第一，針對(duì)現(xiàn)有線性正應(yīng)力電磁執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)式精瞄指向機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，研究了線性正應(yīng)力電磁執(zhí)行器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其精度增強(qiáng)型線性建模方法。首先，提出了動(dòng)子慣量小、結(jié)構(gòu)緊湊且沒(méi)有附加軸向力的線性正應(yīng)力電磁執(zhí)行器LNSEA-RTM（Linear

4、ized Normal-Stress Electromagnetic Actuator with Ring Topology and Middle Arrangement）。隨后，基于修正節(jié)點(diǎn)電壓法導(dǎo)出了簡(jiǎn)化分析LNSEA-RTM磁路的控制條件。最后，將線圈漏磁和永磁漏磁考慮到LNSEA-RTM的線性建模中，提出了LNSEA-RTM的精度增強(qiáng)型線性模型，并使用有限元仿真驗(yàn)證了該模型的有效性。
　　第二，針對(duì)線性模型無(wú)法描述LNSE

5、A-RTM在大行程時(shí)出現(xiàn)的非線性特征的不足，研究了LNSEA-RTM的非線性建模方法。首先，證明了LNSEA-RTM的非線性不是由磁通簡(jiǎn)化計(jì)算和氣隙磁阻線性計(jì)算方法引起的。然后，提出了LNSEA-RTM的邊緣損失模型及非線性磁路模型。隨后，基于函數(shù)曲線擬合和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了非線性模型的永磁漏磁修正系數(shù)模型。在此基礎(chǔ)上，提出了LNSEA-RTM的非線性模型，有限元仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性。本文的研究表明，LNSEA-RTM出現(xiàn)非

6、線性是因?yàn)檫吘墦p失和永磁漏磁修正系數(shù)均隨著偏轉(zhuǎn)角度變化。LNSEA-RTM的非線性模型是提高HLFPM掃描行程并同時(shí)保證HLFPM線性度的基礎(chǔ)。第三，考慮LNSEA-RTM的輸出特性和 HLFPM的綜合性能，研究并提出了HLFPM柔性支撐系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并基于理論推導(dǎo)和離散數(shù)據(jù)擬合建立了柔性支撐系統(tǒng)的相關(guān)理論模型。提出一個(gè)支撐特性與LNSEA-RTM輸出特性相匹配的柔性支撐系統(tǒng)可以有效避免LNSEA-RTM的非線性降低HLFPM的線性度

7、，進(jìn)而將HLFPM的掃描行程從LNSEA-RTM的線性工作區(qū)間擴(kuò)展到LNSEA-RTM的非線性工作區(qū)間，在保證HLFPM線性度的前提下提高HLFPM的掃描行程。
　　第四，基于柔性支撐系統(tǒng)模型和LNSEA-RTM線性、非線性模型，從HLFPM的穩(wěn)定性、線性度、帶寬、掃描行程以及疲勞壽命等性能入手，綜合考慮機(jī)、電、磁三個(gè)物理場(chǎng)之間的耦合特性，提出了HLFPM機(jī)?電?磁多物理場(chǎng)耦合的多目標(biāo)優(yōu)化模型。特別地，將Pull-in失穩(wěn)考慮到優(yōu)

8、化模型中，增強(qiáng)了HLFPM的穩(wěn)定性；其次，將HLFPM的線性度作為優(yōu)化目標(biāo)，保證了HLFPM的線性度。針對(duì)耦合優(yōu)化模型的求解問(wèn)題，提出了一種約束分級(jí)驅(qū)動(dòng)的啟發(fā)式搜索引導(dǎo)算法，該算法結(jié)合遺傳算法，求得了HLFPM耦合優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化結(jié)果表明，HLFPM的偏轉(zhuǎn)角度與驅(qū)動(dòng)電流之間呈線性關(guān)系。通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械-電磁耦合優(yōu)化，柔性支撐系統(tǒng)的非線性抵消了LNSEA-RTM的非線性，HLFPM的掃描行程從LNSEA-RTM的線性工作區(qū)間擴(kuò)展到LN

9、SEA-RTM的非線性工作區(qū)間并同時(shí)保證了HLFPM的線性度，在不影響HLFPM帶寬和精度的前提下極大地提高了HLFPM的掃描行程。
　　最后，為了驗(yàn)證本文相關(guān)理論研究工作的有效性，研究了HLFPM樣機(jī)的控制算法并分析了HLFPM樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)特性。首先，測(cè)得了HLFPM大系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性并基于系統(tǒng)辨識(shí)方法提出了HLFPM大系統(tǒng)的辨識(shí)模型。隨后，針對(duì)HLFPM大系統(tǒng)存在較大諧振峰值的問(wèn)題，基于陷波濾波器提出了抑制HLFPM系統(tǒng)諧振的

10、算法。在此基礎(chǔ)上，基于串聯(lián)校正補(bǔ)償方法，提出了HLFPM系統(tǒng)的高帶寬控制算法模型。隨后，測(cè)試了HLFPM樣機(jī)的掃描行程和閉環(huán)帶寬并對(duì)比分析了HLFPM樣機(jī)及一些典型精瞄指向機(jī)構(gòu)的掃描行程和帶寬。測(cè)試和分析結(jié)果表明，HLFPM樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)20mrad的掃描行程和2.4kHz的小信號(hào)跟蹤帶寬，其掃描行程是MIT研制的線性正應(yīng)力電磁執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)式精瞄指向機(jī)構(gòu)掃描行程的2.9倍，是現(xiàn)有典型的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式精瞄指向機(jī)構(gòu)掃描行程的5倍以上，其帶寬優(yōu)于現(xiàn)