大口径光电经纬仪高精度连续变焦距系统设计

张彬

摘要大口径光学经纬仪变焦距系统可以有效的满足大视场稳定捕获和高观测分辨力的要求。文章就变焦距系统的机械结构设计和电子控制方法进行了讨论。采用ADMAS动力学仿真软件对变焦距系统动力学进行建模，分析比较了电机驱动方案和凸轮曲线的设计。采用IXR补偿的稳速控制方案，实现了变力矩条件下的高精度控制。对大口径变焦距系统优化设计具有一定的参考意义。

关键词变焦距；凸轮；ADMAS；动力学

中图分类号：TH74 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）11-0028-03

大口径光学经纬仪系统设计一方面要求在大视场下对目标进行快速捕获，另一方面要求观察目标细节和提高目标分辨力[1]。变焦距系统可以有效的协调这两方面的设计需求，通过改变变倍镜组均匀连续的改变光学系统的焦距。变焦距系统由变倍组和补偿组组成，变倍组做线性运动改变焦距，补偿组通过微调实现像面位置调整[2]。

大口径光学经纬仪变焦距系统普遍采用凸轮的设计，凸轮轮廓曲线的精确设计可以实现准确的预期运动规律。齿轮等运动件具有控制精度高的优点，同时表面经特殊处理后无冷焊、无卡滞现象，有很好的抗冲击振动能。文献详细讨论了变焦距系统凸轮设计的解析方法[3-5]，但该解析方法只考虑成像倍率与凸轮转角的关系，没有考虑到机械结构的转动惯量和摩擦力矩的影响。本文通过使用动力学仿真软件ADAMS提供的强大的动力学仿真功能，实现变焦距系统凸轮动力学精确建模。

大口径光学经纬仪变焦距系统具有大转动惯量的特点，在弹道跟踪过程中俯仰角会实时改变，使得该变焦距系统转动惯量变化较大，对该系统的控制带来困难。在具体设计中，将控制台旋钮的位置一一映射到变倍组的完整行程，实现旋钮对变倍组位置的精确控制。在旋转过程中，既要考虑到大范围旋转的快速位置转换，又要兼顾微调时位置的精确改变，需要对控制算法进行细致的设计。

1变焦距系统的机械结构设计

变焦距系统的机械结构如图1所示，采用两根圆柱导轨的形式，其中一根导轨用于导向，一根导轨用于支撑，两者共同约束变倍镜组沿着光轴方向移动。通过将UG软件设计的机械结构导入ADMAS进行动力学，实现凸轮运动学的精确仿真和设计。

图1采用行星齿轮传动方式凸轮变焦距的机械结构

1.1 凸轮驱动方案选择

变焦距机械结构可以采取两种驱动方案，一种是使用一个小齿轮直接驱动凸轮齿轮转动；一种是使用行星轮系驱动凸轮齿轮转动。行星轮机构能够有效防止力的偏置，消除单个齿轮传动带来的附加应力，提高光学系统的精度。图2中动力学仿真表明：行星轮机构中驱动齿轮施加给凸轮齿轮的力是单个齿轮传动下的1/2，另外1/2的力通过随动小齿轮传递，从而分散了凸轮的受力，消除了附加应力的影响。

（a）单个齿轮传动

（b）行星轮传动方式下

图2驱动力仿真曲线

1.2 凸轮曲线设计

凸轮曲线的两个极限位置分别对应变焦距的长焦和短焦两个极限位置。为减小冲击，凸轮运动规律选取了起点和终点速度和加速度为零的运动方式，即位移曲线为S型曲线，速度曲线为抛物线，加速度为正弦曲线，如图3所示。

图3凸轮变焦距位置、速度、加速度设计曲线

根据这一曲线建模生成的三维图模型开槽角度为260°，凸轮升角<45°。使用UG生成的凸轮进行adams仿真后得到位移、速度、加速度曲线如图4所示。

图4凸轮运动仿真曲线

比较图2和图4可以看到仿真曲线与设计曲线吻合，图5为恒速驱动时驱动力矩的幅值曲线，最大值为5.9Nm。

图5凸轮运动时驱动力矩的幅值曲线

2变焦距系统的控制方法设计

变焦距控制系统速度位置双闭环控制，速度伺服控制器的作用是使电机保持给定的速度且不受负载变化的影响，设定速度值不断和实际值相比较，根据比较获得误差调节伺服放大器的输出。位置环控制器不断比较当前位置与目标位置，并将相应纠正值传递给电机。同时变焦距系统受负载影响大，负载影响主要来自两个方面，一方面来自凸轮加工间隙不均带来的摩擦力不均匀，另一方面来自高俯仰角时负载重力的影响。负载变化将很大程度影响电机调节位节精度差，且可能造成电机无法调节至目标位置。变焦距系统采用IxR补偿的方式，不必采用昂贵的高精度编码器，只采用电位计就可以实现变负载条件下的凸轮结构的精确控制。设计完整的变倍导程为200 mm，采用12位电位计，完整的变倍导程对应于4096个码值。以下控制系统的设计统一采用码值作为计量单位，每个码值代表48.8 μm。本设计采用直流电机为maxon 26mm直径稀有金属电刷电机，机械时间常数15 ms，电枢电阻20 Ω。使用simulink control design工具进行调节器，为了减小稳态误差选择K=4000，T＝40。在此参数下实验得到的估计速度、位置和PWM占空比信息如图6所示。实验过程中可对参数进行微调，减小T可以减小上升时间，同时使稳定性变差。如K=4000，T=5时，实验得到PWM和速度曲线如图7所示，系统不稳定。

为验证IxR补偿的实际稳速效果，可以看到PWM可以根据负载变化调节，负载增加时，电枢电流增加，估计转速减小，输入PWM占空比减小，反之亦然。比较图与图中的位置变化曲线可以看到相比无IxR补偿情况，IxR补偿可以有效的起到稳速的作用。

图6K=4000，T=40得到的实验数据

图7K=4000，T=5得到的实验数据

设计位置环调节器K=3，T=0.2。使用simulink control designed工具得到Bode图和阶跃响应，系统进入目标区域时速度较小以提高定位精度。表1给出了采用IxR补偿的双闭环系统的定位精度的测试结果。近距移动100码值时，定位精度均方根为3.25码值。中距移动200码值，定位精度均方根4.46码值；远距移动700码值时，定位精度均方根5.74码值。改造前单闭环系统定位精度只有30个码值左右，可见IxR补偿可有效提高定位精度。

3结论

本文讨论了大口径光电经纬仪变焦距系统的机械结构设计和电子控制设计。机械结构设计采用ADAMS动力学仿真方法，优化了凸轮曲线和电机驱动方案。电子控制系统采用了IxR速度稳定方案，提高了系统在变力矩条件下的适应性和控制精度。实验表明该设计可以有效的满足大口径光电经纬仪大视场捕获和高观测分辨力的要求。

参考文献

[1]李志来，薛栋林，张学军.长焦距大视场光学系统的光机结构设计[J].光学精密工程，2008，16（12）：2485-2490.

[2]陈鑫，付跃刚.变焦系统凸轮曲线的优化设计[J].应用光学，2008，29（1）：45-47.

[3]王平，张葆，等.变焦距镜头凸轮结构优化设计[J].光学精密工程，2010，18（4）：893-898.

[4]崔军，何国雄.变焦系统凸轮曲线的拟合设计[J].仪器仪表学报，1990，11（1）：107-112.

[5]晏蕾，贾平，等.变焦距镜头凸轮曲线形式的选择[J].应用光学，2010，31（6）：876-882.

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