用于高精度太陽敏感器標定的模擬光源控制系統設計

馮偉昌，陳家奇

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

太陽敏感器是在航天器上應用最廣泛的一類敏感器[1-2]，而數字式太陽敏感器一般用于高精度的航天器姿態控制[3-4]，其定姿精度優于0.05°。

太陽敏感器需要在太陽模擬器上完成性能測試標定。為了提高太陽敏感器的標定精度，對太陽模擬器尤其是其光源的模擬精度提出了更高的要求，包括與太陽光譜匹配性、均勻性、準直性以及穩定性等[5-8]。

針對數字式太陽敏感器，為了精確模擬空間太陽輻照方向的變化，本文設計了一種由計算機直接控制的、用于高精度太陽敏感器標定的模擬光源控制系統。

1 模擬光源的構成

光源位于橢球鏡第一焦面處，發出的光束經過橢球鏡匯聚到第二焦面上；再由光學積分器投影成像到無窮遠，最后投影到準直物鏡的后焦面附近，形成一個均勻的有效輻照面。太陽敏感器置于固定平臺上。模擬光源采用由計算機構成的閉環控制系統進行控制，可以精確地實現太陽照射在敏感器上俯仰角和方位角的變化，作為太陽敏感器標定測試的參考輸出。

模擬光源的結構組成如圖1所示。

圖1 模擬光源的結構組成Fig. 1 Block diagram of the solar simulator

2 模擬光源的控制原理及其控制系統

2.1 控制原理

模擬光源的控制一般分為開環控制和閉環控制。為了提高光源的控制精度，本文采用了具有反饋環節的閉環控制系統，其中計算機是整個控制系統的關鍵部件，通過植入在計算機上的軟件不僅可以靈活地實現各種控制策略，而且可以實現常規的模擬控制器難以完成的各種復雜控制，從而可獲得更好的控制功能，系統的控制原理如圖2所示。

圖2 計算機閉環控制原理圖Fig. 2 Principle diagram of computer closed-loop control system

2.2 硬件構成及其功能

系統的硬件主要由主控系統、轉動系統和反饋系統三大部分組成。其中主控系統包括計算機、顯示器和直流電源；轉動系統包括光電隔離輸出卡、功率驅動電路、軟啟動電路、鹵鎢燈、電機驅動器（含方位角、俯仰角驅動）、步進電機和轉動機構；反饋系統包括SSI數據采集卡、絕對式光電編碼器和串口擴展卡。系統的硬件構成如圖3所示。

圖3 系統硬件結構組成Fig. 3 Hardware structure of the system

2.2.1 主控系統

1）計算機在整個系統中起核心作用，負責數據的傳輸、運算、處理和邏輯判斷；

2）顯示器可實時顯示模擬光源當前的俯仰角、方位角和開關狀態；

3）直流電源分別給鹵鎢燈、電機驅動器和 SSI數據采集卡、光電編碼器提供12 V、24 V、5 V電壓。

2.2.2 轉動系統

1）光電隔離輸出卡由計算機控制輸出高低電平信號，用來控制鹵鎢燈的開關；輸出的方向信號與電機驅動器的輸入接口相連，控制步進電機實現精確的轉動；

2）功率驅動電路起到增大驅動電流的作用；

3）軟啟動電路可使鹵鎢燈緩慢開啟和關閉，以延長其使用壽命；

4）步進電機的驅動信號為脈沖信號，可由計算機控制光電隔離輸出卡按固定周期輸出高低電平，以此來模擬脈沖信號[9]。

2.2.3 反饋系統

1）光電編碼器與轉動機構同軸固定，每當轉動機構轉動一定角度時，編碼器的輸出也會發生相應變化；

2）計算機通過串口定時向SSI數據采集卡發出讀編碼器數據指令，實時獲取當前的角度值，并顯示在計算機圖形界面中；

3）同時將每次讀取的數值與設定值進行比較，來控制電機的轉動。

3 控制系統的軟件設計

軟件設計采用基于VS2010開發平臺的C++語言進行程序編制。程序編制采用多線程技術，其中主線程負責控制界面的生成、俯仰角和方位角的輸入、模擬光源開關的控制等；輔線程每隔一定時間讀取編碼器的數值，反饋給計算機以控制電機的精確轉動，并實時顯示當前的轉動角度值。

3.1 零位補償

因為每個太陽敏感器的零位都稍有不同，所以模擬光源的零位與每個敏感器的零位無法保持一致。有效的解決方法是在軟件中增加零位補償措施，每次對太陽敏感器進行標定測試時首先進行歸零處理，即計算兩者的零位差值，得到被測太陽敏感器的零位補償值。當輸入俯仰角或方位角時，軟件自動加入相應的零位補償值，得到補償后的轉動角度值可作為太陽敏感器的參考輸出。

3.2 主線程

軟件主線程如圖4所示。

圖4 軟件控制的主線程Fig. 4 Main threads in the software control system

主線程的工作步驟如下：

1）首先對數據采集卡、光電隔離輸出卡和串口擴展卡進行初始化，成功則生成控制界面，否則重新初始化；

2）然后等待輸入俯仰角、方位角的數值，若數值符合要求即在轉動范圍內，則計算機對輸入的數據進行處理轉換成對應的脈沖數，以驅動步進電機轉動；

3）同時不斷讀取當前的轉動角度值，并與設定值進行比較，當二者相差值在控制數值范圍之內時，則發出步進電機的停止轉動信號；

4）同理，若輸入的是光源的開關狀態，則計算機根據輸入狀態轉換成相應的數字量，控制光電隔離輸出卡的輸出，進而控制模擬光源的開關，并將其狀態顯示在控制界面中。

3.3 輔線程

軟件的輔線程如圖 5所示。其工作流程為：當到達軟件設定的時間時，計算機發送讀數據指令，并讀取當前編碼器的二進制數據，經過數據運算轉換成相應角度值，并與設定值比較，若未超出設定值，則顯示當前角度值；若超過設定值，則輸出報警信號。

圖5 軟件控制的輔線程Fig. 5 Secondary threads of the software control system

4 標定測量及結果

4.1 測量方法

俯仰角和方位角的測量裝置是經緯儀，其測量精度為2''。

以俯仰角測量為例，將一小塊平面鏡固定于俯仰轉動軸的外側，使平面鏡可隨軸轉動，同時在軸向的垂直方向放置經緯儀[10]。首先調整經緯儀使其十字叉絲對準由平面鏡反射的十字像，記錄計算機中顯示的當前俯仰角并讀取經緯儀的數據；然后在計算機中輸入俯仰角要轉過的數值，控制電機轉過一定角度后，重新對準經緯儀十字叉絲與由平面鏡反射的十字像重合，記錄當前的俯仰角和經緯儀的讀數；最后將所測得的兩次數據差值與輸入角度值相減，所得的差值即為俯仰軸的轉角精度。

4.2 俯仰角的測量

分別在 0°、5°、10°、15°和20°附近轉動小角度和大角度，記錄系統顯示的角度值和經緯儀測得的轉動值，測量結果如表1所示。

表1 俯仰角測量數據Table 1 Measurement data for elevation angle

4.3 方位角的測量

方位角的測量方法類似于俯仰角的測量，測量結果如表2所示。

表2 方位角測量數據Table 2 Measurement data for azimuth angle

5 結束語

本文設計了一種由計算機直接控制的、用于高精度太陽敏感器標定的模擬光源控制系統，能精確地模擬太陽輻照俯仰角和方位角的變化，作為太陽敏感器標定測量的參考輸出。標定測量表明：系統工作穩定可靠，俯仰角和方位角的最大轉動誤差分別為0.012 5°和0.010 8°，均小于0.02°，滿足高精度太陽敏感器對模擬光源的要求。

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