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主动光学是大口径望远镜中的关键技术及主要技术难题,主动光学系统是用于校正波前误差的闭环控制系统,由波前传感器、计算机控制系统、校正元件和校正促动器构成。主动光学校正的误差源主要来自光学和机械加工、以及安装和校正等产生的系统误差及由于重力和温度梯度变化而导致的望远镜变形,因此,校正频率较低,最高频率约为10-2Hz。但如果还要校正一部分低频的圆顶内和主镜上的大气扰动以及风载引起的误差,则校正频率要高达10Hz。校正微小变形,就需要高精度力促动器。
本文通过对力促动器性能的分析,经过方案比较,最终采用了音圈电机作为促动器的驱动部件。通过对音圈电机工作原理的分析,得出了音圈电机机电耦合的数学模型,并搭建了基于LabVIEW的音圈电机实验控制平台。对其控制提出了两种控制方案:PID控制和最少拍控制,经过实验平台实验最终采用最小拍控制理论对音圈电机进行位置反馈控制,实现了快速响应,无稳态误差,超调小,扰动快速恢复,高分辨力等传统PID控制算法无法大幅优化的控制系统性能指标,校正频率达到20-30Hz。计算机仿真和实际实验证明,该控制平台能较好地改善系统的动态特性,所得结论对音圈电机的相关研究设计具有一定的指导意义。
在经过了实验平台的实验后,设计了力促动器的硬件结构。并根据功能将其划分为电源部分、主控部分、输入采样部分、转换输出部分以及串口通信部分。最后进行了各个部分的软件设计。