一种磁悬浮支撑快速反射镜及控制方法

本申请涉及快速反射镜装置，具体涉及一种磁悬浮支撑快速反射镜及控制方法。

背景技术：

1、快速反射镜装置凭借其带宽高、体积小、响应速度快等优点，被广泛应用于空间激光通信、大口径望远镜、稳定图像以及精密光束控制等领域。随着激光通信技术的高速发展，系统对于光束指向的精度和响应频率提出了高要求，亟需研制兼具大口径、大转角与高精度的快速反射镜装置。

2、目前，行业内通用的高精度快速反射镜多采用音圈电机驱动与压电陶瓷驱动相结合的方式，并依靠柔性铰链作为结构支撑。然而，现有的柔性铰链支撑结构在实际工程应用中暴露出局限性：一方面，随着系统偏转角度的增大，柔性铰链的回转中心会发生非线性偏移，导致系统的回转精度和控制精度降低；另一方面，柔性铰链本身的转动刚度较大，在发生大角度偏转时需要消耗巨大的电机推力，且在长期高频交变应力下易产生机械疲劳。此外，现有部分采用交错簧片结构的柔性支撑方案体积庞大，不利于整体光机系统的小型化与高集成度设计。并且，大部分现有装置在系统异常断电状态下，缺乏有效的内部机械阻断机制，易导致精密工作镜体与硬质基座发生破坏性碰撞，环境适应性与系统可靠性较差。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提出一种磁悬浮支撑快速反射镜及控制方法，解决现有技术存在的系统偏转角度小、偏转精度低且适应性差的问题，以满足空间激光通信和高精度跟踪平台对快速反射镜装置的应用需求。

2、一方面，本申请实施例提供了一种磁悬浮支撑快速反射镜，包括：基体，具有容纳腔；反射镜组件，悬浮设置于基体的内部；磁悬浮支撑组件，包含四组沿圆周方向均布的支撑单元，每组支撑单元均由固定于基体的定子和固定于反射镜组件的动子相对且共面安装构成；音圈电机组件，包含四个对称分布的音圈电机，各音圈电机在空间位置上与各组支撑单元沿圆周方向交错设置，音圈电机组件配置为驱动反射镜组件偏转；位置反馈组件，安装于容纳腔的底面，配置为通过小反射镜联动反射镜组件获取角度变化数据；限位保护组件，包括设置于反射镜组件外侧面的镜座导向槽以及固定于基体内壁的机械限位块。

3、在一种可选的实施方式中，定子包括线圈座以及绕设于线圈座上的支撑线圈；动子包括固定安装于反射镜组件底部的铁芯以及贴合于铁芯侧面的永磁铁；定子和动子通过磁耦合力形成无接触支撑结构。

4、在一种可选的实施方式中，永磁铁的充磁方向垂直于支撑线圈的轴线方向，且永磁铁与支撑线圈之间预留有第一装配间隙；各组支撑单元中的铁芯以及永磁铁构成的闭合磁路与支撑线圈产生相互作用力，四组支撑单元在共面状态下所产生的径向磁吸力相互抵消，所产生的轴向磁吸力与反射镜组件的重力相平衡，反射镜组件与各个定子之间保留有工作气隙。

5、在一种可选的实施方式中，各个音圈电机与相邻的各个支撑单元沿基体的圆周方向呈四十五度交错分布；位置反馈组件还包括发光光源以及光电探测器；小反射镜固定于反射镜组件的底部中心，发光光源与光电探测器对称安装于容纳腔的底面且形成v字型光路。

6、在一种可选的实施方式中，还包括星型磁热解耦隔离结构，星型磁热解耦隔离结构具有呈放射状分布的复合屏蔽筋；复合屏蔽筋穿插设置于各个音圈电机与相邻的各个支撑单元之间。

7、在一种可选的实施方式中，复合屏蔽筋采用氮化铝陶瓷骨架外敷坡莫合金层的层叠结构制成；复合屏蔽筋的底部根端连接至设置于基体底部的散热背板，复合屏蔽筋的顶部末端与反射镜组件的底面之间保留有第二装配间隙。

8、在一种可选的实施方式中，机械限位块朝向反射镜组件的一侧设有凸起部，凸起部嵌合于镜座导向槽内部并与镜座导向槽的内壁保持滑动配合关系；在反射镜组件达到极限偏转位置状态下，机械限位块抵接于镜座导向槽的端部。

9、另一方面，本申请实施例提供了一种用于磁悬浮支撑快速反射镜的控制方法，应用于前述的磁悬浮支撑快速反射镜，其中位置反馈组件包括发光光源与光电探测器，控制方法包括：获取目标姿态指令；控制发光光源发射光束，并通过光电探测器接收经由小反射镜反射的反馈光斑以采集光电流信号；根据光电流信号解算反射镜组件的当前偏转角度数据；比对当前偏转角度数据与目标姿态指令生成驱动控制信号，并将驱动控制信号输出至音圈电机组件以驱动反射镜组件偏转。

10、在一种可选的实施方式中，光电探测器为四象限光电探测器；根据光电流信号解算反射镜组件的当前偏转角度数据，包括：获取四象限光电探测器的四个象限分别输出的第一光电流、第二光电流、第三光电流以及第四光电流；将第一光电流、第二光电流、第三光电流以及第四光电流输入至数字信号处理器件中执行差动比值计算，得到方位角偏移量与俯仰角偏移量。

11、在一种可选的实施方式中，执行差动比值计算，包括：通过对第一光电流与第四光电流进行求和操作，并减去第二光电流与第三光电流求和的值，得到第一电流差值，将第一电流差值除以四个象限的光电流总和，得到与方位角偏移量成正比例关系的第一比值；通过对第一光电流与第二光电流进行求和操作，并减去第三光电流与第四光电流求和的值，得到第二电流差值，将第二电流差值除以四个象限的光电流总和，得到与俯仰角偏移量成正比例关系的第二比值。

12、综上所述，本申请实施例提供的一种磁悬浮支撑快速反射镜及控制方法，至少具有如下有益效果：

13、一方面，本申请的磁悬浮支撑组件采用四组定动子共面安装的非接触式架构，利用偏置磁通产生的气隙磁耦合力悬浮反射镜组件。该纯磁悬浮支撑消除了传统柔性铰链带来的刚度非线性和回转中心偏移缺陷，提高了偏转角度的上限与高频动态下的指向控制精度，并且规避了机械摩擦与疲劳失效风险。

14、另一方面，本申请将四组驱动反射镜组件偏转的音圈电机与四组磁悬浮支撑单元在空间上呈45度圆周交错紧凑排布。该空间拓扑架构在保证多维力矩解耦输出的同时，压缩了系统的整体物理体积，契合空间应用对小口径、高集成度光机电装备的要求。

15、再一方面，本申请利用设置在侧边的导向槽与机械限位块构成限位保护组件，能够在大角度偏转到达极限点时提供物理阻断，并在系统意外断电时承托下落的镜体。有效防止了精密动部件与基座的碰撞毁损，提升了光学装备在运输及极端工况下的环境适应性。

1.一种磁悬浮支撑快速反射镜，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的磁悬浮支撑快速反射镜，其特征在于，所述定子包括线圈座以及绕设于所述线圈座上的支撑线圈；所述动子包括固定安装于所述反射镜组件(2)底部的铁芯以及贴合于所述铁芯侧面的永磁铁；所述定子和所述动子通过磁耦合力形成无接触支撑结构。

3.如权利要求2所述的磁悬浮支撑快速反射镜，其特征在于，所述永磁铁的充磁方向垂直于所述支撑线圈的轴线方向，且所述永磁铁与所述支撑线圈之间预留有第一装配间隙；各组所述支撑单元中的所述铁芯以及所述永磁铁构成的闭合磁路与所述支撑线圈产生相互作用力，四组所述支撑单元在共面状态下所产生的径向磁吸力相互抵消，所产生的轴向磁吸力与所述反射镜组件(2)的重力相平衡，所述反射镜组件(2)与各个所述定子之间保留有工作气隙。

4.如权利要求1所述的磁悬浮支撑快速反射镜，其特征在于，各个所述音圈电机与相邻的各个所述支撑单元沿所述基体(1)的圆周方向呈四十五度交错分布；所述位置反馈组件(5)还包括发光光源以及光电探测器；所述小反射镜固定于所述反射镜组件(2)的底部中心，所述发光光源与所述光电探测器对称安装于所述容纳腔的底面且形成v字型光路。

5.如权利要求4所述的磁悬浮支撑快速反射镜，其特征在于，还包括星型磁热解耦隔离结构，所述星型磁热解耦隔离结构具有呈放射状分布的复合屏蔽筋；所述复合屏蔽筋穿插设置于各个所述音圈电机与相邻的各个所述支撑单元之间。

6.如权利要求5所述的磁悬浮支撑快速反射镜，其特征在于，所述复合屏蔽筋采用氮化铝陶瓷骨架外敷坡莫合金层的层叠结构制成；所述复合屏蔽筋的底部根端连接至设置于所述基体(1)底部的散热背板，所述复合屏蔽筋的顶部末端与所述反射镜组件(2)的底面之间保留有第二装配间隙。

7.如权利要求1所述的磁悬浮支撑快速反射镜，其特征在于，所述机械限位块朝向所述反射镜组件(2)的一侧设有凸起部，所述凸起部嵌合于所述镜座导向槽内部并与所述镜座导向槽的内壁保持滑动配合关系；在所述反射镜组件(2)达到极限偏转位置状态下，所述机械限位块抵接于所述镜座导向槽的端部。

8.一种用于磁悬浮支撑快速反射镜的控制方法，应用于如权利要求1至7中任一项所述的磁悬浮支撑快速反射镜，其中所述位置反馈组件(5)包括发光光源与光电探测器；其特征在于，包括：

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光电探测器为四象限光电探测器；所述根据光电流信号解算反射镜组件(2)的当前偏转角度数据，包括：

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述执行差动比值计算，包括：