多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制系统及方法
本发明属于压电变形镜，尤其涉及一种多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制系统及方法。
背景技术：
1、压电变形镜是一种可以改变其表面形状以控制光束波前的装置，广泛应用于光学领域，如天文学自适应光学、激光束整形、光纤通信和生物成像等技术领域。压电变形镜通常由一个平整的基板和多个压电促动器组成，当电压施加到压电促动器上时，压电促动器会产生微小的位移，从而改变基板的表面形状，实现对光束的精确控制。但因压电材料的迟滞特性和蠕动特性，会导致压电促动器的位移控制精度在开环控制下受到限制。
2、传统补偿压电材料非线性的方法为利用位移传感器构建位移闭环反馈，并且结合压电材料的逆模型进行前馈补偿。具体地，多通道压电促动器需要采用位置传感器或复杂的控制算法，直接或者间接精确地测量和控制压电促动器每个通道的位移，构建闭环控制。然而由于空间限制，基于多通道压电促动器的压电变形镜通常无法加装额外的位移传感器，只能依靠自适应光学系统中的波前传感器进行光学闭环，这种方式是测量压电变形镜的表面面形，并在面形与促动器位移之间建立关系。尽管通过增加光学闭环迭代次数可以消除压电材料非线性特性的影响，但同时也会降低自适应光学系统的整体闭环带宽，影响压电变形镜的性能。国内外许多学者提出针对压电材料的迟滞特性和蠕动特性进行建模来消除压电材料的非线性特性，然而这些模型复杂、运算量大、参数多且不易辨识，对环境及材料老化敏感，且通常与外部传感器结合使用。
3、另外，由于压电变形镜需要同时对多个多通道促动器进行独立控制，现有的驱动装置只支持对多通道促动器的点对点控制，不支持灵活组网控制，即驱动装置的通道数量确定，不可以根据实际压电变形镜的多通道促动器的数量进行灵活配置，并且多通道控制需要保证各通道之间的同步性和协调性，目前还无法对通信延迟进行统一调整，无法实现多通道同步输出控制。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明创造旨在提供一种多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制系统及方法，以解决现有的压电促动器依赖波前传感器进行光学闭环导致整体带宽受限，且无法灵活组网及法对通信延迟进行统一调整控制的问题。
2、为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
3、一种多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制系统，包括：一个上位机和至少两个压电变形镜自传感控制装置，每个压电变形镜自传感控制装置均包括一个微控制器和至少两个自传感驱动模块，全部自传感驱动模块的数量与压电变形镜的多通道压电促动器的数量相同；上位机与微控制器、微控制器与自传感驱动模块、自传感驱动模块与多通道压电促动器之间均进行双向通信。
4、进一步的，微控制器包括处理芯片和多通道输入输出单元。
5、进一步的，处理芯片为fpga、dsp或mcu，多通道输入输出单元包括ad电路和da电路。
6、一种多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制方法，利用上述的多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制系统实现，包括如下步骤：
7、s1.对每个压电变形镜自传感控制装置加电，微控制器执行内部的互联程序，与上位机建立有线通信或无线通信，完成全部压电变形镜自传感控制装置与上位机的组网；
8、s2.上位机向每个压电变形镜自传感控制装置发送配置信息，每个压电变形镜自传感控制装置读取各自的配置信息，完成组网配置；
9、s3.上位机同时向每个压电变形镜自传感控制装置发送测试帧，每个压电变形镜自传感控制装置接收到测试帧后立即返回数据帧；上位机根据测试帧的发送时间与数据帧的返回时间计算时间差，基于时间差确定上位机与每个压电变形镜自传感控制装置之间的通信延迟，并将通信延迟写入测试帧的延迟等待位，以改变每个压电变形镜自传感控制装置接收到测试帧后的延迟等待时间；上位机同时向每个压电变形镜自传感控制装置发送更新后的测试帧，重新确定通信延迟，并根据新的通信延迟微调每个压电变形镜自传感控制装置接收到测试帧后的延迟等待时间，直到每个压电变形镜自传感控制装置返回数据帧的时间一致；
10、s4.上位机同时向每个压电变形镜自传感控制装置发送多通道控制指令帧，每个压电变形镜自传感控制装置接收到多通道控制指令帧后，经过内部解码转换成电压值或者电流值输出至自传感驱动模块，对相对应的多通道压电促动器进行驱动；之后，每个压电变形镜自传感控制装置从各自的自传感驱动模块获得相对应的多通道压电促动器的位移初始数据，根据位移初始数据计算获得流经多通道压电促动器的电荷，并结合多通道压电促动器的输出电压计算获得实时干扰观测值，根据实时干扰观测值获得多通道压电促动器的动态等效电荷，根据动态等效电荷获得多通道压电促动器的估计位移量；最后，每个压电变形镜自传感控制装置将计算出的每个多通道压电促动器的估计位移量发送至上位机。
11、进一步的，上位机向每个压电变形镜自传感控制装置发送的配置信息包括压电变形镜自传感控制装置的ip地址和身份id、压电变形镜自传感控制装置及自传感驱动模块的顺序、多通道压电促动器的数量及压电变形镜自传感控制装置的工作模式。
12、进一步的，压电变形镜自传感控制装置的工作模式分为正常模式和突发模式，当压电变形镜自传感控制装置处于正常模式时，直接执行步骤s4；当压电变形镜自传感控制装置处于突发模式时，先将待入网的压电变形镜自传感控制装置与上位机建立通信，完成组网配置，再执行步骤s4。
13、进一步的，上位机通过自动配置方式或手动配置方式完成配置信息的配置。
14、进一步的，上位机采用轮询方式或者查找表方式与每个压电变形镜自传感控制装置建立通信。
15、与现有技术相比，本发明创造能够取得如下有益效果：
16、1、本发明利用压电材料的正-逆压电特性，无需额外的位移传感器，即可在驱动多通道压电促动器的同时获得多通道压电促动器的无传感器位移估计，构建闭环位移反馈，实现对压电变形镜的无传感器位移闭环控制，进而提高控制系统的灵活性和控制精度。
17、2、本发明具有自传感功能，能够实时监测多通道压电促动器的形变情况，并通过控制系统进行实时调整，保证了镜面的稳定性和控制精度。
18、3、本发明可以根据实际需求对多个压电变形镜自传感控制装置进行组合，实时适配不同形状和大小的压电变形镜，满足不同应用场景的需求。
19、4、不同压电变形镜自传感控制装置与上位机的灵活组网能提高控制系统的容错能力，应对压电变形镜自传感控制装置出现突发离线的情况，提高压电变形镜自传感控制装置的可靠性。
20、5、本发明使用带有延迟等待位的测试帧调节每个压电变形镜自传感控制装置的延迟等待时间，通过精确的时刻同步机制，确保每个压电变形镜自传感控制装置的同步输出操作。
21、6、本发明将压电变形镜、多通道同步输出控制、灵活组网和压电材料自传感集成到一个系统中，确保各部分协同工作，实现对压电变形镜的有效控制。
技术特征：
1.一种多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制系统，其特征在于，包括：一个上位机和至少两个压电变形镜自传感控制装置，每个压电变形镜自传感控制装置均包括一个微控制器和至少两个自传感驱动模块，全部自传感驱动模块的数量与压电变形镜的多通道压电促动器的数量相同；上位机与微控制器、微控制器与自传感驱动模块、自传感驱动模块与多通道压电促动器之间均进行双向通信。
2.根据权利要求1所述的多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制系统，其特征在于，微控制器包括处理芯片和多通道输入输出单元。
3.根据权利要求2所述的多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制系统，其特征在于，处理芯片为fpga、dsp或mcu，多通道输入输出单元包括ad电路和da电路。
4.一种多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制方法，利用权利要求1~3中任一项所述的多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制系统实现，其特征在于，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制方法，其特征在于，上位机向每个压电变形镜自传感控制装置发送的配置信息包括压电变形镜自传感控制装置的ip地址和身份id、压电变形镜自传感控制装置及自传感驱动模块的顺序、多通道压电促动器的数量及压电变形镜自传感控制装置的工作模式。
6.根据权利要求5所述的多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制方法，其特征在于，压电变形镜自传感控制装置的工作模式分为正常模式和突发模式，当压电变形镜自传感控制装置处于正常模式时，直接执行步骤s4；当压电变形镜自传感控制装置处于突发模式时，先将待入网的压电变形镜自传感控制装置与上位机建立通信，完成组网配置，再执行步骤s4。
7.根据权利要求5所述的多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制方法，其特征在于，上位机通过自动配置方式或手动配置方式完成配置信息的配置。
8.根据权利要求4~7中任一项所述的多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制方法，其特征在于，上位机采用轮询方式或者查找表方式与每个压电变形镜自传感控制装置建立通信。
技术总结
本发明涉及压电变形镜技术领域，尤其涉及一种多通道灵活组网压电变形镜自传感协同控制系统及方法，该控制系统包括上位机和至少两个压电变形镜自传感控制装置，每个压电变形镜自传感控制装置均包括微控制器和至少两个自传感驱动模块，全部自传感驱动模块的数量与压电变形镜的多通道压电促动器的数量相同。本发明无需额外的位移传感器，即可在驱动多通道压电促动器的同时获得多通道压电促动器的无传感器位移估计，构建闭环位移反馈，实现对压电变形镜的无传感器位移闭环控制，进而提高控制系统的灵活性和控制精度，并且可以根据实际需求将多个压电变形镜自传感控制装置进行组合，实时适配不同形状和大小的压电变形镜，满足不同应用场景的需求。
技术研发人员：徐瑞,张绍泽,田大鹏
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23