音圈电机驱动型快速控制反射镜机械结构研究

徐新行，王兵，庄昕宇，陈宁，李莹

（1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033；2.吉林大学 管理学院，长春 130022）

快速控制反射镜作为光学系统中的关键性器件，已在自适应光学、精密跟踪、目标指向、光束控制及光通信等领域得到广泛应用［1-3］。其主要功能是实现平面反射镜的快速、高频转动，进而达到及时调整光束倾斜误差、校正光路传播方向和稳定光束的目的。其特点是反射镜转角范围小，通常为分秒级，但要求系统的响应速度和控制带宽非常高，一般为几十赫兹到上千赫兹［4］。

目前，对于响应速度要求较高的快反系统大多采用压电陶瓷进行驱动。利用压电陶瓷的高频响应特性，系统的响应频率可以达到上千赫兹。但压电陶瓷的行程很小，只有几十微米，而所需的驱动电压却高达几百伏。与之相对，音圈电机的驱动电压只有十几伏，行程却是压电陶瓷的成百上千倍。而且音圈电机自身的响应频率也很高，再通过系统机械结构的优化及伺服控制系统的补偿，系统的响应速度也能达到上百赫兹［5］。因此，音圈电机已逐渐成为快反系统的首选驱动元件之一。

在快反系统中，结构形式直接决定了系统的谐振频率和负载能力［6，7］，进而影响快速控制反射镜口径与响应速度的提高。本文针对音圈电机驱动型快反系统，对各种常用结构形式进行了对比分析，并根据现有机械结构的不足，提出了新型的刚性承载方式，为大口径、高负载型快速控制反射镜的发展提供了一种新思路。

1 音圈电机驱动器分析

音圈电机驱动器主要分为直线式和回转式两种，分别提供直线型和圆弧型的运动形式，具有高加速度、高速度、高频响、高精度的特点［8］。这两种运动形式均可用于快反系统，实现平面反射镜的高频、快速转动。

1.1 直线式音圈电机

图1为直线式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，通过调节线圈中电流的幅值、频率和方向，即可实现电机精确的伸缩运动。其中，线圈与磁体相互分离，之间存在必要的工作间隙（用于快反系统的直线式音圈电机，工作间隙约为0.6～0.8mm）。由于此工作间隙的存在，一方面，避免了线圈与磁体之间的摩擦和碰撞；另一方面，使得磁铁与线圈之间在径向方向上无相互约束。即二者在进行相对直线运动时，允许有一定的相对转动，从而实现平面反射镜的小角度偏转。

图1 直线式音圈电机示意图Fig.1 Linear voice coil actuator

在快反系统中，一般选择线圈与平面反射镜相连、磁铁固定式的结构。主要是因为磁铁的质量较大，一般为线圈的3-5倍。如此布置，可以大幅度减小运动件的转动惯量，对提高系统的谐振频率非常有利。不足是：线圈输电线处于运动状态，易出现断路现象。此外，线圈易发热，并将热量直接传递给平面反射镜，而反射镜的面形对温度较为敏感，因此，限制了系统的长时间连续工作。

图2为快反系统中直线式音圈电机的排布方式及反射镜受力情况示意图。如图2(a)所示，音圈电机通常采用对称的排布方式，即通过两对电机的推拉运动实现平面反射镜绕轴线（X轴或Y轴）的旋转。如图2(b)所示，反射镜在一对力偶的作用下进行旋转，受力情况较好。若采用非对称的布置方式，如图2(c)所示，反射镜在一个推（或拉）力作用下转动的同时，会在中心支点处产生一个附加力，从而引起反射镜的整体轴向位移，最终造成测角误差，影响系统的总体工作精度。而采用3个音圈电机圆周均布的快反系统，在控制平面反射镜实现二维偏转时需要进行必要的坐标变换，增加了控制系统的负担［7］。

图2 直线式音圈电机排布及反射镜受力情况示意图Fig.2 Location of four voice coil actuators and force act on mirror

1.2 回转式音圈电机

图3为回转式音圈电机的组成结构示意图，此类音圈电机与传统电机相同，采用轴/球轴承作为引导系统。所提供的弧型运动光滑平稳，且无需换向装置，目前已成为了快速响应、有限角激励系统中的首选驱动元件［8］。在快反系统中，该型音圈电机主要用于X-Y轴框架式结构，并采用角度测量传感器对反射镜体的转角直接测量，有利于系统控制精度的提高。

2 快速控制反射镜机械结构分析

目前研究最多的快反系统结构形式主要有两种：一种是X-Y轴框架式，也称为有轴式结构，内外框架分别绕两相互正交的轴线转动，实现平面反射镜的二维偏转，如图4、图5所示；另一种是柔性无轴式结构，主要利用弹性元件的挠性工作，其结构组成如图6所示。

图3 回转式音圈电机示意图Fig.3 Rotary voice coil actuator

2.1 X-Y轴框架式快速控制反射镜

X-Y轴框架式快反系统主要包括：基座、内外框架、平面反射镜、音圈电机和转角测量传感器等。外框架轴系安装在基座上，固连有平面反射镜的内框架轴系安装在外框架上。内外框架的旋转既可以选用直线式音圈电机驱动［9］（如图4所示），也可以选用回转式音圈电机驱动［10］（如图 5所示）。这种结构的优点是结构刚度好、承载能力强，且转角范围大，尤其是以回转式音圈电机为驱动元件的快反系统。缺点是对轴系的精度要求较高，系统的转动惯量和摩擦力矩偏大，不利于谐振频率的提高；而且此结构的体积偏大，受空间限制严重。

图4 直线式音圈电机驱动型框架式结构Fig.4 X-Y frame structure driven by linear voice coil actutors

图5 回转式音圈电机驱动型框架结构Fig.5 X-Y frame structure driven by rotary voice coil actutors

2.2 柔性无轴式快速控制反射镜

柔性无轴式快反系统主要由平面反射镜、镜托、弹性元件、音圈电机、基座及位移测量传感器等组成，如图6所示。它的优势是：结构简单，无摩擦阻力矩，响应速度快，但对弹性元件的要求高。即要求弹性元件在期望运动方向上具有足够的柔性，而在限制运动的方向上具有足够的刚度［11］。因此，系统工作时平面反射镜的运动形式较为复杂（在产生转角运动的同时会产生微量的线位移），不适于在振动、冲击、回转等恶劣的工作条件下使用。此外，这种结构形式的快反系统转角范围小、承载能力有限，更适于小口径、轻量型的反射镜体。

图6 柔性无轴式结构Fig.6 Flexible axis structure without shafts

2.3 球面副式快速控制反射镜

针对传统型快反系统结构形式的不足，本文提出了新型球面副式支撑结构。

如图7所示，球面副式快反系统主要包括：平面反射镜、外球面镜托、内球面镜框、滚珠、音圈电机、支撑弹簧、基座及位移测量传感器等。其中，镜托的外侧表面和镜框的内侧表面均为球面的一部分，之间通过高精度滚珠实现刚性连接，同球心装配。因此，固连有平面反射镜的镜托即可借此球面副在镜框中万向旋转。在正交分布的4个音圈电机的推拉力作用下，实现反射镜的二维偏转。4个位移测量传感器如图7所示对称布置，每2个传感器完成绕一个轴线旋转偏转角的测量，减小了反射镜因轴向位移造成的测量误差。

本文提出的快反系统结构简单、可靠实用，既没有复杂的轴系，又实现了刚性承载，并且对振动冲击、回转等恶劣的工作环境具有较强的适应性。尽管系统的转动惯量和摩擦阻力矩偏大，结构的谐振频率偏低。但对于响应速度要求不高，工作条件恶劣的光学系统，此结构具有较大发展空间。

3 结论

图7 球面副支撑式结构及其电机传感器分布示意图Fig.7 Diagram of the structure with spherical pair and location of voice coil actuators and sensors

（1）音圈电机凭借自身高速度、高频响、高精度的特点，在工程应用领域，正逐步成为快反系统的首选驱动元件之一。

（2）X-Y框架式快反系统承载能力强、转角范围大，但轴系结构复杂，转动惯量、摩擦阻力矩和体积较大，系统谐振频率不高。

（3）柔性无轴式快反系统结构简单、响应速度快，是目前国内外发展的主流结构，但承载能力和对工作环境的适应能力有限。

（4）新型球面副支撑式快反系统，既无复杂轴系结构，又实现了刚性承载，并且对振动冲击、回转等恶劣工作环境具有较强的适应性，为新型快速控制反射镜的发展提供了一种新思路。

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