音圈电机驱动的球面副支撑式快速控制反射镜设计

　　1　引　言

　　在高精度光束控制系统中，快速控制反射镜(FSM)已成为不可缺少的关键技术之一，它作为光学系统中稳定光束和校正光束传播方向的关键性器件，已广泛应用于自适应光学、精密跟踪、光束控制及光通信等领域[1-4]。随着现代科技的发展，其应用范围正在进一步拓宽，因此对大口径、高响应速度FSM的需求越来越多。但反射镜口径的增大，将直接引起负载惯量的增加和谐振频率的下降，进而限制FSM系统的响应速度和控制带宽[5-6]。因此，结合系统的使用环境和功能需求，优化设计出口径、响应频率适当的FSM系统十分必要。

　　本文根据某光学系统的要求设计了FSM装置并在完成精密加工、装配、调试后，对所研制的FSM系统进行了实验测试。结果表明，该大口径球面副支撑式FSM，承载能力强、转角范围大、响应速度高，且具有较强的环境适应性，更适于车载、机载、舰载等动态工作条件下使用。

　　2　系统的设计要求

　　FSM是高精度光束控制系统中灵敏性要求较高的子系统，其主要性能指标包括：跟踪范围、响应速度和有效通光口径。跟踪范围是指反射镜的最大转角，其必须覆盖所要补偿校正的范围;响应速度直接影响着系统的跟瞄能力，与结构的谐振频率，驱动器的响应速度及控制系统的频带宽度有关;有效通光口径反映了系统的光束校正范围，同时决定着系统的负载，限制了结构谐振频率的提高[7-8]。

　　表1列出了FSM系统所要求的性能指标和工作环境。本文据此进行了新型球面副支撑式FSM系统的设计。

　　3　机械装置设计

　　3.1　驱动元件选择

　　目前，用于驱动FSM系统的动力元件主要有压电陶瓷和音圈电机。其中，压电陶瓷具有分辨率高、响应速度快的突出优点，以它为驱动元件的FSM系统响应频率可以达到上千赫兹。不足之处是：压电陶瓷需要的驱动电压非常高，达几百伏，但行程却只有几十微米，而且使用过程中与基座及被驱动元件刚性连接，抗剪切能力较差。与之相对，音圈电机的驱动电压只有几十伏，行程却是压电陶瓷的上千倍。而且音圈电机的磁座与线圈之间存在必要的工作间隙，因此对振动、冲击等恶劣工作环境的适应性远高于压电陶瓷。此外，音圈电机自身的响应频率很高，结合系统机械结构的优化及伺服控制系统的补偿，反射镜的响应速度也可以达到上百赫兹[9-10]。

　　基于以上分析，本文选择直线式音圈电机作为FSM系统的驱动元件，图1为所选音圈电机的结构示意图。如图所示，这种音圈电机主要由线圈、永久磁铁及各自的支撑件组成。其中，线圈与磁座相互分离，且存在必要的工作间隙。如此一方面避免了线圈与磁座之间的摩擦和碰撞;另一方面使得磁座与线圈之间在做相对直线运动的同时径向方向无约束，从而可实现平面反射镜的小角度偏转。表2所列为所选用直线式音圈电机的性能参数。