音圈电机快反镜组成

音圈电机快反镜组成原理如图1所示，主要由反射镜、音圈电机、反射镜转角测量传感器、柔性支撑结构、主控模块等组成。

图1  音圈电机快反镜组成原理图

（1）反射镜

反射镜完成快反镜的反射光束的功能，快反镜根据应用需求确定反射镜的口径和材质。材质主要有石英、微晶玻璃、硅、碳化硅、铍等。快反镜工作过程中要求反射镜保持较高的面型精度，因此对反射镜的机械刚度提出了较高要求，这就要求反射镜采用尽可能大的厚度。而反射镜厚度的增大，增加了快反镜运动组件的转动惯量，而影响了快反镜的工作带宽。较好的解决方案是采用比刚度高的材料和轻量化设计，既保证了面型精度，又使转动组件具有较小的转动惯量。

（2）音圈电机

音圈电机为反射镜的转动提供驱动力，是快反镜的关键部件，驱动力大小和响应时间是决定快反镜工作带宽的关键因素，旋转角度决定快反镜能够达到的转角范围。

音圈电机利用了通电线圈在磁场内切割磁力线所产生的洛伦兹力，力的大小与线圈上的电流成比例。如图2所示为快反镜中常用的两种电机结构形式。快反镜采用音圈电机驱动时，根据运动部件的不同分为动磁式和动圈式。动圈式设计由于以线圈作为运动部件，由于线圈部分相对重量较轻，从而使转动组件的转动惯量较小，可提高快反镜的工作带宽。但是动圈式设计有两个缺点：一是线圈产生的热量会传递到反射镜镜架上，容易间接的影响反射镜面型精度；二是会形成线缆拖拽，会某种程度影响反射镜的控制，且长时间工作后容易出现线缆断裂的问题。动磁式设计则相反，不会形成线缆拖拽和反射镜加热，但是磁缸部分重量较大，增加快反镜转动部分的转动惯量，影响快反镜的工作带宽。音圈电机应用在快反镜中如增加转角范围，一般需要增加线圈和磁缸之间的间隙，从而影响了音圈电机的出力效率。

近些年，一些快反镜的设计采用基于磁阻原理的电磁驱动器，通过控制线圈的通电，实现线圈中磁芯的磁场控制，通过磁路设计实现导磁部件的运动驱动。一般用于高带宽快反镜的设计。

图2 快反镜常用音圈电机结构原理图

（3）反射镜转角测量传感器

快反镜的高精度指向需要高分辨率、高精度的反射镜转角测量传感器。目前用于音圈电机快反镜中反射镜转角测量传感器的主要有电涡流传感器、电容传感器、光电类传感器等。

基于电涡流传感器有测量精度高、响应速度快和易于安装的优点，在音圈电机快反镜中应用居多。电涡流传感器一般安装在快反镜基座上，对反射镜镜架的距离的进行测量，一般为了提高测量精度在同一方向上采用2个电涡流传感器进行差动测量。同理可采用电容传感器设计反射镜转角测量模块。

基于光电类传感器的转角测量模块。安装于反射镜镜架背面的小反射镜将光源发射的光束反射到光电探测器（PSD或四象限探测器QD）上，通过光电探测器上光点的位置变化测量出反射镜的旋转角度。光电类传感器可实现比较大的转角测量范围，但安装空间一般难以保证。

（4）柔性支撑机构

柔性支撑结构利用弹性元件的变形来实现运动过程，相对于传统的铰链和轴承来说没有摩擦，更适合于高速的应用。理想的柔性支撑在需要的运动方向上有较低的刚度、在禁止运动的方向上有较高的刚度。目前常用于音圈电机快反镜柔性支撑的柔性单元主要有平面型、切口型、十字轴和“柔性轴+弹性片”等方式。选用的材料主要有钛合金、铍青铜、不锈钢等。图3、图4给出了2种常用的柔性支撑结构设计。柔性支撑的设计难点是使快反镜满足冲击振动要求。

图3 十字轴式柔性支撑

图4 切口型柔性支撑

（5）主控模块

主控模块接收来自上位机的位置控制信息，读取反射镜转角测量模块的数据，控制音圈电机运动快速达到指定位置。为了提高系统的控制带宽，减小控制系统的相位延迟，主控器一般采用DSP或FPGA。系统的控制算法也是保证系统性能指标的关键技术，常用的控制方法有PID控制和在此基础上发展的模糊PID算法、智能PID算法等。