CN104199186A - 一种具有对象频率特性补偿功能的压电倾斜镜高压驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有对象频率特性补偿功能的压电倾斜镜高压驱动器，包括通信接口(1)、数字补偿器(2)、数模转换器(3)、高压放大器(4)，其特征在于：通信接口(1)接收波前处理机送过来的数字控制信号，在数字补偿器(2)中进行数字补偿后，进入数模转换器(3)转换成模拟控制信号，再经高压放大器(4)放大到高压功率信号后驱动压电倾斜镜。数字补偿器能够实时补偿高压驱动器的驱动对象压电倾斜镜的机械谐振频率处的幅值响应，从而解决压电倾斜镜机械谐振峰对自适应光学伺服系统的影响。本发明适用于自适应光学系统领域压电倾斜镜的高速高压驱动。

Description

一种具有对象频率特性补偿功能的压电倾斜镜高压驱动器

技术领域

本发明涉及自适应光学系统领域，具体涉及一种具有对象频率特性补偿功能的压电倾斜镜高压驱动器。

背景技术

压电倾斜镜是自适应光学系统的核心器件之一，主要作用是利用分辨率达纳米量级、响应速度达毫秒量级的压电驱动器驱动一块反射镜，通过高压驱动器输出的驱动电压使得光束受控地产生高速的两维偏转，以校正光学系统的倾斜量。传统压电倾斜镜高压驱动器的组成如图2所示，包括通信接口1、数模转换器3和高压放大器4。通信接口1接收波前处理机送过来的数字控制信号，经数模转换器3转换成模拟控制信号后再经高压放大器4放大到高压后驱动压电倾斜镜。在自适应光学系统中，高压驱动器不仅需要为压电倾斜镜的两维压电驱动器提供成百上千伏的驱动电压，在频率特性上还希望设计成平坦的幅频特性和最小的相位延迟以实现对控制信号无失真的线性放大，以提高自适应光学伺服环路特性，提高校正带宽和校正性能。

但是压电倾斜镜固有的弹性结构，使得倾斜镜在高频段会产生机械谐振现象，机械谐振现象表征为：在正常低频段，压电倾斜镜响应量与控制信号成固定线性关系；而在谐振频率处，其实际响应量比相应的控制信号放大或缩小很多，在频率幅值响应特性上存在峰谷值。基于这样的控制对象特性，此时，即使再提高高压驱动器的驱动性能，由于受幅值裕量和相位裕量的影响，也无法保证系统的稳定，一般通过降低自适应光学伺服控制环增益保证系统稳定，从而限制了自适应光学系统校正带宽和校正性能。随着对自适应光学校正带宽和校正性能要求的提高，人们从不同的角度来解决这个问题。如朱衡等人在《光电工程》2009年36卷7期第60页的“提高高速压电倾斜镜应用带宽的方法”一文中就从机械运动学考虑采用SIC等轻质镜面材料以减轻转动惯量，或者增加驱动器结构刚度以及优化结构参数等措施来提高压电倾斜镜自身机械谐振频率，但是，其生产制作难度非常大，而且制作好的压电倾斜镜机械谐振现象依然存在。而李新阳等人在《强激光与粒子束》1999年11卷1期第31页的“自适应光学系统中高速倾斜反射镜的稳定控制”一文中就运用模拟网络滤波电路进行了机械谐振的抑制，但是其模拟滤波网络电路受参数漂移，电路调整困难等因素限制了工程实用性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对压电倾斜镜的机械谐振特性，提供一种具有对象频率特性补偿功能的压电倾斜镜高压驱动器。

本发明的技术解决方案是：一种具有对象频率特性补偿功能的压电倾斜镜高压驱动器，包括通信接口、数字补偿器、数模转换器和高压放大器，通信接口接收到波前处理机送过来的数字控制信号，在数字补偿器中进行数字补偿后，进入数模转换器转换成模拟控制信号，再经高压放大器放大到高压后驱动压电倾斜镜。

进一步的，所述的数字补偿器的数字补偿是通过对压电倾斜镜的频率响应特性求广义逆计算得到。

进一步的，压电倾斜镜的频率响应特性由频率响应测量得到。

进一步的，所述的数字补偿器的硬件实现平台，可以是可编程逻辑门阵列(FPGA)，或数字信号处理器(DSP)，或微控制单元(MCU)。

本发明的原理在于：

本发明数字补偿的工作原理是：通过频率响应测量高压驱动器的驱动对象即压电倾斜镜的频率特性，然后对其频率特性作广义逆，计算得到数字补偿器的频率响应特性。求广义逆的本质体现如下：在正常频率范围内，数字补偿器的频率响应特性不变，而在压电倾斜镜机械谐振频率处，数字补偿器的频率响应特性与压电倾斜镜频率响应特性两者互相补偿抵消，使得两者作为一个整体后，其频率响应特性变得平坦。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明在实现信号放大，输出高压以驱动压电倾斜镜工作的同时，还实时补偿了压电倾斜镜的机械谐振特性，使得两者作为一个整体，补偿后幅值频率响应特性变得平坦，从而本发明应用于自适应光学系统中时，能在保证系统稳定的情况下提高自适应光学系统伺服环增益，以提高系统校正带宽和校正性能。

(2)本发明中的数字补偿器的硬件实现平台，可以是可编程逻辑门阵列(FPGA)，或数字信号处理器(DSP)，或微控制单元(MCU)，因此可以在原有的通信接口硬件平台上实现，从而不需要额外增加硬件，当然也可以增加硬件平台来实现数字补偿器。

(3)本发明中的数字补偿器的数字补偿通过计算得到的，因此，即使不同的压电倾斜镜的机械谐振频率特性不同，也方便得到其数字补偿器参数，从而提供了工程的通用性。

(4)本发明中的数字补偿器由于其数字化特性，没有元器件老化、温度漂移等缺点，而且，速度快、功耗低，能够高精度的接近理想补偿器，提高了工程实用性。

附图说明

图1为本发明具有对象频率特性补偿功能的压电倾斜镜高压驱动器的组成示意图，其中：1是通信接口；2是数字补偿器；3是数模转换器；4是高压放大器。

图2为传统压电倾斜镜高压驱动器的组成示意图，其中1是通信接口；3是数模转换器；4是高压放大器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明具有对象频率特性补偿功能的压电倾斜镜高压驱动器，包括通信接口1、数字补偿器2、数模转换器3和高压放大器4。

本实施方式中通信接口1通过CAMERALINK接口接收波前处理机送过来的16位的数字控制电压信号，经数字补偿器2进行数字补偿后，输出给数模转换器3，16位的数模转换器3把数字信号转换成-5V～+5V的模拟信号输出给高压放大器4，经高压放大器4放大100倍后输出-500V～+500V的高压送给压电倾斜镜，驱动其工作。

本实施方式所述的数字补偿器2直接在通信接口1的可编程逻辑门阵列(FPGA)平台上实现，因此不需要增加额外的硬件。

本实施方式所述的数字补偿器2的数字补偿通过以下步骤计算得到：

首先，利用动态信号分析仪，通过正弦波扫描的方法得到压电倾斜镜机械谐振频率特性。压电倾斜镜的机械谐振一般以谐振与反谐振模式成对出现，对应频率响应特性的峰谷值。每个谐振与反谐振对都对应一个二阶振荡模型，第i个谐振与反谐振模式的传递函数G_i(s)为：

$G_i\left(s\right)=\frac{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{zi}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zi}}s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zi}}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{pi}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pi}}s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pi}}^2}i=\mathrm{1,2},\·\·\·$

式中s为拉普拉斯算子，ω_zi为反谐振处自然频率，ω_pi为谐振处自然频率，ξ_pi为极点阻尼系数，ξ_zi为零点阻尼系数，分子项对应反谐振的峰谷值，分母项对应谐振的峰峰值，极点阻尼系数ξ_pi和零点阻尼系数ξ_zi越小，对应谐振峰值和反谐振谷值越大。

通过求广义逆，计算得到数字补偿器2的传递函数C(s)为：

$C\left(s\right)=\frac{1}{G_i\left(s\right)}\frac{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{pi}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pi}}s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{pi}}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{zi}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zi}}s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zi}}^2}i=\mathrm{1,2},\·\·\·---\left(2\right)$

再通过数学变换，得到离散的数字补偿器，本实施方式所述的数字补偿器2采用了两级2阶直接级联的方式实现，每个子系统基本结构都一样，此时数字补偿器2的传递函数GDC(z)为：

$G_{\mathrm{DC}}\left(z\right)=\underset{i=1}{\overset{l}{\∏}}{H}_i\left(z\right)=\underset{i=1}{\overset{l}{\∏}}\frac{1+b_{i1}{z}^{-1}+b_{i2}{z}^{-2}}{1+a_{i1}{z}^{-1}+a_{i2}{z}^{-2}}---\left(3\right)$

其中，H_i(z)为数字滤波器的第i级传递函数，a_i1、a_i2、b_i1、b_i2为常数。事实上，增加数字补偿器2的级数，即增加了滤波器的阶数，可以对压电倾斜镜更高频更多的谐振和反谐振对进行更精细的补偿，补偿后的频率特性曲线会变得更平坦。不同压电倾斜镜机械谐振特性不一样，但是只需要修改该本实施方式所述的数字补偿器2中的a_i1、a_i2、b _i1、b _i2参数。

Claims (4)

1.一种具有对象频率特性补偿功能的压电倾斜镜高压驱动器，包括通信接口(1)、数字补偿器(2)、数模转换器(3)和高压放大器(4)，其特征在于：通信接口(1)接收波前处理机送过来的数字控制信号，在数字补偿器(2)中进行数字补偿后，进入数模转换器(3)转换成模拟控制信号，再经高压放大器(4)放大到高压后驱动压电倾斜镜。

2.根据权利要求1所述的具有对象频率特性补偿功能的压电倾斜镜高压驱动器，其特征在于：所述的数字补偿器(2)的数字补偿是通过对压电倾斜镜的频率响应特性求广义逆计算得到。

3.根据权利要求1或2所述的具有对象频率特性补偿功能的压电倾斜镜高压驱动器，其特征在于：压电倾斜镜的频率响应特性由频率响应测量得到。

4.根据权利要求1所述的具有对象频率特性补偿功能的压电倾斜镜高压驱动器，其特征在于：所述的数字补偿器(2)的硬件实现平台，可以是可编程逻辑门阵列(FPGA)，或数字信号处理器(DSP)，或微控制单元(MCU)。