扫描镜设计与精度分析

图 2 扫描镜补偿运动理论曲线 Fig.2 Motion compensation curve of scanning mirror
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电子测量与仪器学报
第 26 卷
动与谐波传动的结合来实现单级大速比 , 与同减速 比的普通谐波减速器相比, 这种结构质量轻且简单。 为了实现扫描镜的位置闭环 , 在驱动模块中还集成 了 16 位光电轴角编码器, 编码器采用散装结构, 最 大限度的减少了零部件数量和重量。 4.2 扫描镜支撑方案 根据光学系统通光口径的要求 , 确定扫描镜的 几何尺寸约为 250 mm×180 mm, 质量为 1.9 kg, 选用 SiC 材料制作镜坯, 半封闭式轻量化结构, 轻量化率 约为 60%, 如图 4 所示。 常用的反射镜支撑方式主要 有侧面支撑、背部支撑和周边支撑等 3 种形式 。为 减轻重量 , 采用了侧面支撑的方式对扫描镜进行支 撑, 支撑方式如图 5 所示。 在扫描镜的两侧面共设置 有 4 个盲孔, 在盲孔内放置由 4J32 材料制成的镶嵌 块, 通过光学环氧胶粘接。 两个支撑板通过柔节与镶 嵌块联接 , 保证扫描镜具有足够刚度的同时镜面面 形符合光学设计的要求。两支撑板的轴头架设在轴 承上以形成轴系。
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替了一对传统轴承, 这种轴承可以承受轴向载荷、 径 向载荷和其他任何方向的载荷。 扫描镜具有低速、 间歇工作的特点, 目前固体润 滑在空间低速转动机构润滑中取得了成功应用的经 验 , 如遥感卫星的低速扫描机构、卫星天线驱动机 构、太阳帆板转动机构等都采用了固体润滑。大量 试验表明金属基 MoS2 溅射膜的使用寿命可以达到 107 次以上, 因此轴承可以采用固体润滑方式。 4.4 扫描镜驱动控制电路 扫描镜控制系统采用 FPGA 作为核心处理器 , 集成了与上位机 RS422 通信、编码器信号处理、电 机驱动算法及逻辑控制等功能环节。系统控制扫描 镜低变速运动 , 是采用插补法近似的拟合出其运动 速度曲线。插补得到的特殊点的运动速度数据由上 位机通过串行通信发送给扫描镜控制系统 , 控制系 统经过计算处理得出对应速度下的脉冲频率信号 , 最后将控制信号输出到驱动模块从而带动扫描镜低 变速转动。16 位绝对式矩阵编码器作为角度传感器, FPGA 实时采集处理扫描镜的位置信息以实现准确 定位及位置闭环控制。扫描镜控制系统原理如图 6 所示。
1 引 言
扫描镜是高光谱成像仪的关键部件之一 , 主要 用于对地物进行运动补偿, 引入定标源等[1]。为了获 取高质量图像 , 高光谱成像仪总体对扫描镜的位置 和速度精度提出了很高的要求。如EOS-TERRA卫星 上的中分辨力成像光谱仪MODIS角速度误差为±2.1 mrad/sec 。 某型高光谱成像仪对地面目标推扫成像时 , 由 于飞行器速度很快 , 阵列探测器上每个像元接收地 本文于 2012 年 4 月收到。
(1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033; 2. 中国科学院研究生院, 北京 100039) 摘 要: 为了满足高光谱成像仪对地运动补偿的需求, 设计了一套扫描镜装置并详细分析了扫描镜的运动精度。首先, 介
绍了扫描镜的运动补偿原理和性能指标要求, 据此给出了基于步进电机与谐波减速器的扫描镜驱动方案。 接着描述了驱动模块、 镜子支撑、轴系及控制电路等子系统的设计方案, 然后分析计算了扫描镜的位置精度和速度精度, 最后得出了位置精度优于 1′, 速度精度 3.4%～5.2%的结论。试验结果表明: 扫描镜位置精度达到 40″, 而扫描镜速度精度为 5.3%。扫描镜运动精度满足高光 谱成像仪的成像需求。 关键词: 扫描镜; 运动补偿; 速度精度; 谐波减速器; 步进电机 中图分类号: TP212, TN247 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 510.5015
4 扫描镜设计
4.1 驱动模块设计 为了保证扫描镜准确的按照预设角度-速度曲线 运动 , 研制了一套精密的紧凑型驱动模块 , 该模块 包括 1 台五相步进电机、 1 只速比为 360 谐波减速器 和 1 套 16 位的光电轴角编码器。这三部分被集成在 一个箱体内, 外形尺寸为87 mm×105 mm, 质量为 1.52 kg, 而输出力矩可达 15 N・m。 所选用的五相步进电机步距角为 0.36°/step, 步 距精度达到 3%, 较普通步进电机有更出色的低速平 稳性, 实测数据表明该型电机在 36°/s 时转速稳定度 达到 2.2%。针对步进电机在该转速下具有较好的速 度平稳性, 设计了一款减速比达到 360 的单级谐波 减速器, 以实现 0.1°/s 的最低工作转速。通过摩擦传
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面目标辐射的时间(积分时间)很短, 当地面目标较暗 时, 探测器的信噪比将很低。 为了降低对探测器高帧 频的要求, 增加仪器对某些特定暗目标的观测能力, 设置扫描镜逆飞行器推扫方向旋转, 实现某些特定 目标的运动补偿 , 以增加这些目标在探测器上的积 分时间[3]。 在运动补偿过程中, 扫描镜始终处于加速－低变 速－减速的状态, 补偿完毕后要求扫描镜以最快速度 返回初始位置,Βιβλιοθήκη Baidu准备下一次拍摄任务[4]。在整个过程 中要求扫描镜按照预先设定的角度－速度曲线运动,
图 4 扫描镜剖视图 Fig.4 Cutaway view of scanning mirror
图 6 扫描镜控制系统框图 Fig.6 Sketch of scanning mirror control system
图 5 扫描镜支撑结构示意图 Fig.5 Sketch map of scanning mirror support structure 4.3 扫描镜轴系设计 扫描镜轴系主要分两部分 , 驱动模块轴系和主 支撑轴系, 其中驱动模块轴系两轴系间通过键联接。 本设计的新颖之处在于采用了单个交叉滚子轴承代 图 7 功率拓扑和绕组联接示意图 Fig.7 Sketch map of Power topology and winding link
Abstract: In order to meet the motion compensation demand of hyper-spectral imager, a set of scanning mirror was developed and its motion precision was analysis carefully. Firstly, after the introduction of motion compensation theory and performance requirements of scanning mirror, driving mode and control technology based on precise step motor and harmonic drive were proposed. Then, the design scheme of driving module, mirror support, shafting and control circuit were depicted. And then position and speed precision were analysis and calculated. Finally the calculation results are 1′(position accuracy) and 3.4%—5.2%(speed accuracy). The testing results indicate that scanning mirror’s position accuracy is 40″ and speed accuracy is 5.3%. In conclusion, the motion precision of scanning mirror meets the requirements of hyper-spectral imager. Keywords: scanning mirror; motion compensation; speed precision; harmonic drive; step motor
第 26 卷 第 12 期 ・ 1062 ・
电子测量与仪器学报
Vol. 26 No. 12 2012 年 12 月
JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT
DOI: 10.3724/SP.J.1187.2012.01062
扫描镜设计与精度分析*
汪逸群 1, 2 颜昌翔 1 贾 平 1
*基金项目: 国防预研基金(编号: O5001SA050)资助项目。
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扫描镜设计与精度分析
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位置误差和速度波动都会造成图像的模糊不清。在星 上定标时要求扫描镜具有一定的定位精度, 保证开启 定标灯时, 定标灯光线能顺利到达光谱仪焦面。
3 扫描镜驱动控制方案
为了保证扫描镜同时具有高的定位精度和速度 精度, 考虑了 2 种常见的空间活动机构驱动方案: 第 1 种方案是通过有限转角直流无刷力矩电机直接驱 动扫描镜, 采用高精度的光电编码器或感应同步器 进行位置反馈和速度反馈(数值差分), 构成二环或三 环闭环控制系统; 第 2 种方案由精密步进电机、 大速 比减速器和位置传感器组成, 实现位置闭环控制, 通过调节发送给步进电机脉冲的频率来达到控制速 度的目的。前一种方案机构元件少, 传动精度高, 但 是传感器尺寸重量大, 控制调试困难; 而后一种方 案体积重量小、 可靠性高、 机械自锁, 但是结构复杂, 对步进电机性能要求较高。考虑到质量限制和研制 周期短等因素, 选择了第二种方案作为最终的驱动 方案[5]。扫描镜总体方案如图 3 所示。
2 扫描镜运动补偿原理及其指标要求
扫描镜对地面目标进行运动补偿的原理如图 1 所示。 如果飞行器在位置 A0 时欲对地面目标 B0 进行 运动补偿 , 可先将扫描镜沿飞行方向快速旋转指向
B0 (提前摆角 1 ), 然后按一定规律控制扫描镜转动,
当飞行器到达 A 点时, 扫描镜指向 (后摆角为 2 )。 设飞行器的飞行速度为 V0 , 飞行器从 A0 飞到 A 所对 应的星下点距离 S0 S L , 由于扫描镜摆动 , 对应 的地面观测距离为 B0 B L / K , 显而易见 , 扫描镜 不做运动补偿时对 S0 S 的观测时间与扫描镜做运动 补偿时对 B0 B 的观测时间同为 A0 A / V0 , 因此通过扫 描镜的运动补偿使探测器积分时间增大了 k 倍 , 达 到了增加积分时间的目的。
第 12 期
Design and acurracy analysis of scanning mirror
Wang Yiqun1, 2, Yan Changxiang1, Jia Ping1
(1.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science Changchun, 130033, China; 2. Graduate University of Chinese Academy of Science, Beijing 100039, China)
图 3 扫描镜结构示意图 Fig.3 Configuration of scanning mirror 图 1 扫描镜运动补偿原理 Fig.1 Motion compensation theory of scanning mirror 根据上述原理 , 结合卫星轨道高度可以推导出 扫描镜运动补偿曲线如图 2 所示。 根据总体要求, 扫 描镜应按曲线在特定角度位置以规定的速度进行扫 描成像, 在成像过程中, 扫描镜的位置精度要求为 1′, 速度均方根误差应小于 6%。