電機(jī)的壽命要長(zhǎng)，免維護(hù)性要高，使得電機(jī)的可靠性和平均無故障工作時(shí)間滿足總體要求。

用于掃描系統(tǒng)的電機(jī)可以分為兩類，一類是通用電機(jī)，如有刷直流力矩電機(jī)、無刷直流力矩電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)、永磁同步電機(jī)等，另一類是專用電機(jī)，如有限轉(zhuǎn)角電機(jī)、擺動(dòng)電機(jī)。通用電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以選用現(xiàn)成的產(chǎn)品，可供選擇的范圍寬廣，供貨周期短，缺點(diǎn)是控制復(fù)雜，難于與所研制的系統(tǒng)緊密集成，性能難于滿足要求，可靠性差；專用電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是依據(jù)所研制系統(tǒng)的要求設(shè)計(jì)產(chǎn)品，能最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)要求和性能要求，同時(shí)降低控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，確保所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)滿足總體技術(shù)指標(biāo)要求；缺點(diǎn)是需要針對(duì)不同的系統(tǒng)要重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)，周期較長(zhǎng)，無系列產(chǎn)品可供用戶選擇。

根據(jù)對(duì)電機(jī)的要求，選擇有限轉(zhuǎn)角無刷直流力矩電機(jī)作為執(zhí)行元件。該電機(jī)作為力矩電機(jī)可以不通過減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并能在低速狀態(tài)下運(yùn)行，從而提高了系統(tǒng)的性能；該電機(jī)作為無刷直流電機(jī)，有普通直流電機(jī)的良好的機(jī)械特性和調(diào)速特性，有無火花、無磨損、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)；該電機(jī)作為有限轉(zhuǎn)角電機(jī)，力矩波動(dòng)小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、可靠性高，輸入正向電流電機(jī)正向擺動(dòng)，輸入相反的電流電機(jī)反向擺動(dòng)；該電機(jī)采用分離式結(jié)構(gòu)，定子組件固定在基座上，轉(zhuǎn)子組件固定在框架上，特別適合長(zhǎng)壽命的使用要求。

2.2電機(jī)力矩波動(dòng)的控制為了控制力矩波動(dòng)在3%以內(nèi)，利用ansys軟件對(duì)電機(jī)的極對(duì)數(shù)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助工程分析，如、、和表1所示。通過分析發(fā)現(xiàn)：在給定的外形尺寸下，采用4對(duì)極比8對(duì)極能獲得更均勻的磁場(chǎng)，并且氣隙磁場(chǎng)的磁密略有增大，這對(duì)于降低力矩波動(dòng)是很有好處的。

2.3電機(jī)力矩系數(shù)的保證通過提高氣隙磁場(chǎng)密度、增大氣隙和提高導(dǎo)體數(shù)，在ansys軟件輔助設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，得到力矩系數(shù)在7500g.cm/a左右。

4對(duì)極電機(jī)的磁密云對(duì)極電機(jī)的磁密云對(duì)極電機(jī)的磁密分布圖表1兩神電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比4對(duì)極電機(jī)8對(duì)極。電機(jī)位置磁場(chǎng)弓強(qiáng)度（t）位置磁場(chǎng)弓強(qiáng)度（t）3傳感器的選擇伺服控制系統(tǒng)中位置傳感器主要有光電編碼器、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器等。光電編碼器采用光學(xué)碼盤作為角度傳感元件，具有低慣量、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)和耐振動(dòng)沖擊能力稍差的缺點(diǎn)；感應(yīng)同步器是一種信號(hào)電機(jī)，輸出信號(hào)比較微弱，對(duì)信號(hào)處理電路的要求比較高，具有高精度、高分辨率、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)；旋轉(zhuǎn)變壓器也是一種信號(hào)電機(jī)，隨著極對(duì)數(shù)的增加，精度也隨之提高，精度比感應(yīng)同步器的精度略低，經(jīng)過軸角編碼變換器ad2s80a的處理后可以給出絕對(duì)位置信息和速度信息用于伺服控制，具有高精度、高分辨率、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)；差動(dòng)電容式角度傳感器有圓柱型和旋轉(zhuǎn)平板型兩種，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，輸出線性度好、靈敏度高、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、對(duì)溫度變化敏感，適于動(dòng)態(tài)測(cè)量及抗惡劣環(huán)境性能好等一系列特點(diǎn)，特別適合用于高精度陀螺儀及高精度擺式加速度計(jì)；目前作為擺動(dòng)電機(jī)（有限轉(zhuǎn)角電動(dòng)機(jī)）的優(yōu)選位置傳感器，在紅外成像、激光標(biāo)識(shí)、激光雷達(dá)、軍事瞄準(zhǔn)及大氣監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

針對(duì)光機(jī)掃描系統(tǒng)的要求，優(yōu)先選用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器。理由如下：32對(duì)極的雙速旋轉(zhuǎn)變壓器可以滿足系統(tǒng)對(duì)傳感器的精度要求；旋轉(zhuǎn)變壓器配ad2s80a芯片處理后，可以給出絕對(duì)位置信息用于位置脈沖輸出；更易于與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)匹配，降低安裝難度；有現(xiàn)成產(chǎn)品可選用，縮短研制周期，降低研制成本；信號(hào)幅值較大，后續(xù)信號(hào)處理簡(jiǎn)單；耐振動(dòng)沖擊能力強(qiáng)；對(duì)溫度變化不敏感。

4掃描控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4.1控制方法的確定光機(jī)掃描系統(tǒng)既要求掃描周期的精度和重復(fù)性，又要求正掃的線性度和重復(fù)性。通過對(duì)以前的控制線路（雙頂點(diǎn)鎖相+測(cè)速發(fā)電機(jī)構(gòu)成速度環(huán)+pwm技術(shù)）的研究，確定新的控制線路采用“位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)”閉環(huán)控制，采用鎖頻鎖相技術(shù)構(gòu)成的位置環(huán)可以保證掃描周期的重復(fù)精度；采用旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成速度環(huán)可以保證掃描速度的線性度和重復(fù)性；采用電流環(huán)可以提高其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

4.2控制線路的實(shí)現(xiàn)電機(jī)采用有限轉(zhuǎn)角無刷力矩電機(jī)，空心杯轉(zhuǎn)子；傳感器采用32對(duì)極的雙速旋轉(zhuǎn)變壓器，轉(zhuǎn)子單相繞組激磁，定子兩相繞組輸出正余弦信號(hào)；控制線路采用“位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)”閉環(huán)控制，位置環(huán)采用鎖相環(huán)構(gòu)成外環(huán)，通過應(yīng)用mc4044芯片對(duì)由石英晶體振蕩器分頻得到的指令脈沖1.6490hz與ad2s80a輸出的dir信號(hào)進(jìn)行鎖頻鎖相控制；速度環(huán)是中環(huán)，采用ad650芯片對(duì)ad2s80a輸出的lsb信號(hào)進(jìn)行f/v變換得到速度反饋模擬量，與速度指令信號(hào)求和后校正，確保外界擾動(dòng)對(duì)掃描鏡的掃描速度影響最小，使得掃描速度得以勻速；電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，采用精密電阻進(jìn)行電流采樣，應(yīng)用sg1525和lmd18200芯片對(duì)電機(jī)進(jìn)行pwm控制。位置環(huán)的輸出經(jīng)校正后作為速度環(huán)的指令輸入信號(hào)，速度環(huán)的輸出經(jīng)校正后作為電流環(huán)的指令輸入信號(hào)?？刂凭€路的方框圖見。

控制線路的方框圖鑒于光機(jī)掃描系統(tǒng)的擺動(dòng)角度不大于5°，因此只使用32對(duì)極雙速旋轉(zhuǎn)變壓器的精通道即可。

正掃線性段內(nèi)17個(gè)位置信號(hào)可以直接從ad2s80a輸出的16bit的位置信號(hào)譯碼獲得所需的脈沖列。均勻性校準(zhǔn)信號(hào)可以通過對(duì)1.6490hz脈沖信號(hào)和ad2s80a輸出的16bit的位置信號(hào)處理得到在1個(gè)掃描周期中有2個(gè)脈沖的脈沖列。

4.3控制系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)上電后，當(dāng)指令脈沖信號(hào)1.6490hz高于位置反饋信號(hào)的頻率時(shí)，鎖相環(huán)輸出電壓升高，使掃描鏡繼續(xù)加速；當(dāng)指令脈沖信號(hào)1.6490hz低于位置反饋信號(hào)的頻率時(shí)，鎖相環(huán)輸出電壓降低，使掃描鏡繼續(xù)減速；從而使得掃描鏡在正反掃過程中的平均速度恒定。速度環(huán)的作用是使掃描鏡的速度維持在指令速度信號(hào)附近，使得掃描鏡在正反掃過程中勻速運(yùn)動(dòng)，抵抗運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)的速度波動(dòng)。

5仿真分析為了確?？刂凭€路的可實(shí)現(xiàn)性，我們利用matlab6.5對(duì)電路進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，從仿真結(jié)果來看，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)?？刂苹芈贩抡婵驁D見，是控制回路的波特圖，幅值裕度無窮大，相位裕度為62°，剪切頻率為4.5rad/sec.是位置速度電流環(huán)在速度干擾幅值0.03時(shí)的掃描速度反饋信號(hào)，是位置速度電流環(huán)在速度干擾幅值0.3時(shí)的掃描速度反饋信號(hào)。

仿真前提是撓性樞軸的扭矩被磁補(bǔ)償器全部補(bǔ)償，掃描鏡隨遇平衡，不考慮空氣阻尼的作用，片簧的剛度大且穩(wěn)定，碰撞后片簧能很快穩(wěn)定到同一位置靜止?fàn)顟B(tài)的前提下得到的。

在上述仿真中，片簧的作用等效為一個(gè)周期為303毫秒的固定幅值的脈沖干擾，其幅值取了0.03和0.3兩個(gè)值，分別為額定速度的10%和100%，其作用時(shí)間取為3.03毫秒。

從仿真結(jié)果中可以看出：片簧造成的速度干擾較小時(shí)對(duì)掃描線性度影響不大，片簧造成的速度干擾較大時(shí)對(duì)掃描線性度影響較大，實(shí)際的片簧效果可能間于上述兩種仿真結(jié)果之間，片簧的剛度對(duì)干擾的作用時(shí)間影響較大，剛度大作用時(shí)間短，剛度小作用時(shí)間長(zhǎng)。通過仿真，可以看到掃描鏡的擺動(dòng)頻率與給定信號(hào)的頻率是相同的。

掃描速度反饋（干擾幅值0.03）掃描速度反饋（干擾幅值0.3）6試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果表明：在dc/dc電源供電的前提下，上述光機(jī)掃描系統(tǒng)的掃描線性度和重復(fù)性與模擬電源供電精度相同。

在整機(jī)系統(tǒng)中，通過系統(tǒng)電纜供電，將掃描裝置與光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器等進(jìn)行聯(lián)調(diào)，以探測(cè)器成像輸出信號(hào)作為衡量掃描系統(tǒng)在系統(tǒng)中的性能的依據(jù)。最終測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)重復(fù)性優(yōu)于2個(gè)像元。線性度優(yōu)于0.5%，見。

線性度曲線7結(jié)論通過上述分析和試驗(yàn)可知：采用有限轉(zhuǎn)角無刷直流力矩電機(jī)和多極旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成的光機(jī)掃描系統(tǒng)可以滿足高精度掃描系統(tǒng)的使用要求。

秦和平，男，1971年3月6日出生，高級(jí)工程師研究方向：動(dòng)壓氣浮軸承陀螺電機(jī)、力反饋伺服回路、微特電機(jī)及其控制系統(tǒng)、測(cè)試儀器等通訊地址：北京市3913信箱郵政編碼：100854