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精瞄指向机构是激光通信系统中的捕获、瞄准和跟踪子系统的核心组件,用于解决通信终端之间的高精度对准问题。现有的精瞄指向机构主要采用音圈电机或压电陶瓷作为驱动。受限于两种驱动的固有缺陷,音圈电机驱动式精瞄指向机构的行程虽大,但带宽不高;压电陶瓷驱动式精瞄指向机构的带宽虽高,但行程很小。理想的精瞄指向机构驱动应该结合以上两种驱动的优点,使采用该驱动的精瞄指向机构兼有高带宽及大行程。线性正应力电磁执行器保留了正应力电磁执行器的强驱动能力并改善了其本身的非线性特征,而且其驱动行程远大于压电陶瓷,这说明线性正应力电磁执行器是精瞄指向机构的一种理想驱动。但是将线性正应力电磁执行器用于驱动精瞄指向机构的相关基础理论还不成熟,有一些关键的理论问题需要解决。本文以高带宽大行程精瞄指向机构(High-Bandwidth and Long-Stroke Fine Pointing Mechanism,HLFPM)为对象,深入研究将线性正应力电磁执行器用于驱动HLFPM的相关基础理论问题,包括线性正应力电磁执行器的拓扑结构及建模、柔性支撑系统与线性正应力电磁执行器之间的匹配性研究以及HLFPM机-电-磁多物理场耦合优化等,重点旨在提高HLFPM的带宽和扫描行程。主要研究内容包括:第一,针对现有线性正应力电磁执行器驱动式精瞄指向机构的缺点,研究了线性正应力电磁执行器的拓扑结构及其精度增强型线性建模方法。首先,提出了动子惯量小、结构紧凑且没有附加轴向力的线性正应力电磁执行器LNSEA-RTM(Linearized Normal-Stress Electromagnetic Actuator with Ring Topology and Middle Arrangement)。随后,基于修正节点电压法导出了简化分析LNSEA-RTM磁路的控制条件。最后,将线圈漏磁和永磁漏磁考虑到LNSEA-RTM的线性建模中,提出了LNSEA-RTM的精度增强型线性模型,并使用有限元仿真验证了该模型的有效性。第二,针对线性模型无法描述LNSEA-RTM在大行程时出现的非线性特征的不足,研究了LNSEA-RTM的非线性建模方法。首先,证明了LNSEA-RTM的非线性不是由磁通简化计算和气隙磁阻线性计算方法引起的。然后,提出了LNSEA-RTM的边缘损失模型及非线性磁路模型。随后,基于函数曲线拟合和神经网络,建立了非线性模型的永磁漏磁修正系数模型。在此基础上,提出了LNSEA-RTM的非线性模型,有限元仿真和样机实验验证了该模型的有效性。本文的研究表明,LNSEA-RTM出现非线性是因为边缘损失和永磁漏磁修正系数均随着偏转角度变化。LNSEA-RTM的非线性模型是提高HLFPM扫描行程并同时保证HLFPM线性度的基础。第三,考虑LNSEA-RTM的输出特性和HLFPM的综合性能,研究并提出了HLFPM柔性支撑系统的拓扑结构,并基于理论推导和离散数据拟合建立了柔性支撑系统的相关理论模型。提出一个支撑特性与LNSEA-RTM输出特性相匹配的柔性支撑系统可以有效避免LNSEA-RTM的非线性降低HLFPM的线性度,进而将HLFPM的扫描行程从LNSEA-RTM的线性工作区间扩展到LNSEA-RTM的非线性工作区间,在保证HLFPM线性度的前提下提高HLFPM的扫描行程。第四,基于柔性支撑系统模型和LNSEA-RTM线性、非线性模型,从HLFPM的稳定性、线性度、带宽、扫描行程以及疲劳寿命等性能入手,综合考虑机、电、磁三个物理场之间的耦合特性,提出了HLFPM机-电-磁多物理场耦合的多目标优化模型。特别地,将Pull-in失稳考虑到优化模型中,增强了HLFPM的稳定性;其次,将HLFPM的线性度作为优化目标,保证了HLFPM的线性度。针对耦合优化模型的求解问题,提出了一种约束分级驱动的启发式搜索引导算法,该算法结合遗传算法,求得了HLFPM耦合优化结果。优化结果表明,HLFPM的偏转角度与驱动电流之间呈线性关系。通过拓扑结构设计和机械-电磁耦合优化,柔性支撑系统的非线性抵消了LNSEA-RTM的非线性,HLFPM的扫描行程从LNSEA-RTM的线性工作区间扩展到LNSEA-RTM的非线性工作区间并同时保证了HLFPM的线性度,在不影响HLFPM带宽和精度的前提下极大地提高了HLFPM的扫描行程。最后,为了验证本文相关理论研究工作的有效性,研究了HLFPM样机的控制算法并分析了HLFPM样机的实验特性。首先,测得了HLFPM大系统的开环频率特性并基于系统辨识方法提出了HLFPM大系统的辨识模型。随后,针对HLFPM大系统存在较大谐振峰值的问题,基于陷波滤波器提出了抑制HLFPM系统谐振的算法。在此基础上,基于串联校正补偿方法,提出了HLFPM系统的高带宽控制算法模型。随后,测试了HLFPM样机的扫描行程和闭环带宽并对比分析了HLFPM样机及一些典型精瞄指向机构的扫描行程和带宽。测试和分析结果表明,HLFPM样机可实现20mrad的扫描行程和2.4kHz的小信号跟踪带宽,其扫描行程是MIT研制的线性正应力电磁执行器驱动式精瞄指向机构扫描行程的2.9倍,是现有典型的压电陶瓷驱动式精瞄指向机构扫描行程的5倍以上,其带宽优于现有典型的音圈电机驱动式精瞄指向机构的带宽,达到甚至超过部分压电陶瓷驱动式精瞄指向机构的带宽,验证了本文相关理论研究工作的有效性并表明LNSEA-RTM是驱动HLFPM的一个理想方法。