激光通信中的伺服控制技术研究与系统特性测试

张敏，滕云杰，佟首峰

（长春理工大学 空间光电技术研究所，长春 130022）

激光通信系统具有保密性好、传输速率快、抗干扰能力强等优点，其良好的发展前景使得对其关键技术的研究具有重要意义［1］。激光通信链路的建立与保持是通信系统应用的基本条件，如何实现快速对准与高精度稳定跟踪是通信链路建立过程中必须要解决的问题。在激光通信系统的组成结构中，伺服系统的主要作用是完成指向、捕获和跟踪（PAT）等功能，而稳定的控制系统设计是实现高概率、快速捕获以及动态条件下完成高精度跟踪的前提和保障［2-3］。为了提高通信系统的跟踪精度，需要对伺服系统的控制模式与策略进行设计，并通过实验测试结果对控制算法与系统的速度平稳性进行验证，进而分析其性能的可靠性。

本文主要研究激光通信伺服控制系统的设计，在基于永磁同步电机的通信光端机中，采用矢量控制方法对转台控制系统进行原理性设计，搭建了实验系统进行控制系统的动态性能测试，完成了通信系统的速度平稳性与位置响应能力的测试。实验结果表明，在基于永磁同步电机的激光通信伺服系统中，采用矢量控制与增量式控制算法相结合的方式，使得转台的电流、速度与位置特性具有较高的精度，是能够满足空间激光通信系统捕获与跟踪模式实现的基础设计。

1 激光通信伺服系统描述

激光通信技术主要应用在星间通信、星地通信、舰载通信、机载通信以及水下对潜通信等方面［4］。为了实现远距离的精确通信，通常采用PAT技术对激光束进行捕获与高精度复合跟踪，并保证目标光束位于精跟踪视场内，且跟踪精度达到几个微弧度量级，以保证通信光束进入通信探测器视场范围，达到实时通信的目的［5-6］。

在通信终端的复合轴控制系统中，通常采用高分辨率与高探测灵敏度的CCD相机，完成粗跟踪与精跟踪过程中的光斑位置脱靶量探测。这里，粗跟踪伺服单元主要完成初始指向、开环捕获以及粗跟踪功能，目的是将目标光束引入精跟踪视场范围，并由切换到小视场的CCD完成目标光束位置的高频检测，采用PZT振镜作为精跟踪的执行机构完成精跟踪。而以上复合轴控制系统的实现必须基于一套稳定的转台控制系统设计，下面将给出通信控制系统具体的方法与控制策略设计。

2 控制系统设计

激光通信终端控制系统采用基于永磁同步电机的矢量控制方法［7-10］，如图1所示。其本质是模拟直流电机的控制规律，采用坐标变换的方法。

图1 激光通信控制系统设计

永磁同步电机的矢量控制方法主要由Clarke变换、Park变换及其分别逆变换过程组成。首先完成永磁同步电机定子电流的Clarke变换，即由三相（a-b-c）静止坐标系到两相（α-β）静止坐标系的电流转换过程，变换关系如下：

其中，ia和ib为电机的相电流。在次基础上，再由两相（α-β）静止坐标系到（d-q）旋转坐标系的Park变换：

其中，id和iq为d轴和q轴的电流。将经过电流环控制器得到的电压ud、uq继续做Park逆变换：

其中，θe为电角度；若uα，ub，uc为输出三相电压。则需完成的Clarke逆变换如下：

结合以上矢量控制算法，在激光通信伺服系统的控制环路设计中，将选择采用经典的增量式PI控制方法对控制系统的电流环、速度环以及位置环的控制器进行设计，如下所示：

其中，u(k)和Δu(k)分别为控制量输出及其增量；e(k)为控制周期内的误差值；kp和ki分别为比例系数和积分系数。

根据上面的矢量控制方法与增量式控制策略对光端机进行控制，并能够完成跟踪系统的速度平稳性和动态特性等系统性能测试。

3 实验结果与分析

基于以上的矢量控制原理以及增量式控制算法设计，搭建了如图2所示的潜望式通信终端伺服系统实验平台，包括激光通信终端、控制器与驱动器、直流电源、示波器等。主要完成系统的电流环、速度环和位置环的性能测试。

图2 伺服系统实验平台

通信伺服系统的设计中，内部电流环主要是保证电机的电流快速跟随给定值，一般具有较高的带宽，而速度回路的作用是控制终端结构的动态特性，提高系统的平稳性与抗扰动性，位置回路主要侧重于通信系统的位置跟踪精度。

实验过程中，给定45°范围的匀速定点指向命令，速度为1.5°/s，分别记录电机的三相电流、光端机的速度特性与位置曲线，分别得到如图3-图5所示的测试结果。由图3可以看出，永磁同步电机的三相电流呈现标准的正弦波，峰值为0.2 A，而在图4中，电机的速度也快速得到给定速度值，并且，匀速运行过程中速度具有很好的平稳性，稳态误差小，如图5所示，通信终端在30 s内从20°运动到65°，达到了定位点。

图3 永磁同步电机的三相电流

图4 匀速条件下的速度响应曲线

图5 转台的位置曲线

图6给出实验过程中系统的位置误差曲线，最大误差值为1.5 μrad，该实验结果说明，本文采用永磁同步电机的矢量控制方法所设计的激光通信伺服系统，其电流环、速度环、位置环的动态特性可靠性强、精度高，能够保证后续光闭环的设计要求。

同时，由于通信系统中速度回路的作用是控制终端系统的动态性能，需要完成扰动条件下的速度平稳性验证，在相同的速度条件下，完成速度回路的控制策略与滤波算法，并完成测试速度闭环回路的实时数据，实验结果如图7所示，系统的速度平稳性较好，稳态速度波动小，验证了速度环的抗扰动与动态响应能力。

图6 位置误差曲线

图7 扰动条件下的速度平稳性曲线

4 结论

本文主要针对激光通信系统中的伺服控制系统，设计了基于矢量控制算法的永磁同步电机控制系统。搭建了潜望式通信终端控制系统进行了实验研究，在匀速条件下完成转台的定位功能。实验结果表明，通信转台以1.5°/s的速度完成给定的45°定位角度范围，速度平稳性好，位置精度高，实现了激光通信伺服控制系统的设计要求，为实现光闭环以及粗精复合跟踪的设计提供了设计依据。