中德亞毫米波望遠鏡的伺服系統設計

鄭萬章

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

從20世紀70年代開始，毫米波/亞毫米波天文學得到了長足的發展，而且對天體物理研究的多個領域做出了巨大的貢獻。雖然這個重要的波段已經引起越來越多的中國天文學家的重視，但由于各方面原因，中國目前還仍然缺乏可提供給天文學家進行常規觀測的亞毫米波望遠鏡。為此，中國科學院國家天文臺聯合國內多家單位，與德國科隆大學合作，引進了3m口徑KOMSA亞毫米波望遠鏡，臺址設在中國西藏當雄縣海撥4 300 m的羊八井天文觀測站。該望遠鏡是中國第一架可用于正常觀測的亞毫米波望遠鏡，也是目前北半球臺址海撥最高的亞毫米波望遠鏡［1］。該望遠鏡的伺服系統設計改造工作，特別是其高性能指標的實現，為該望遠鏡實現天文觀測打下堅實的基礎，對中國進一步吸引國際合作進行大型天文望遠鏡的建設有著非常重要的意義。

1 天線控制系統設計

1.1 系統設備選擇

中德亞毫米波望遠鏡天線的指向精度要求很高，在天線的不同工作狀態單個軸向指向精度要小于10 arcsec，整體的指向精度要小于20 arcsec;在整個控制過程中，望遠鏡要根據國家天文臺用戶的指令進行相應的運動控制，實時采集天線各軸狀態并發送給用戶上位機。上下位機之間采用網絡授時以保證時間的一致性，因此在整個過程中要求控制系統有快速的指令響應和較低的網絡時延;根據饋源信號抗干擾要求，要求整體控制系統必須通過電磁兼容EMC測試;此外，還要完成整個天線控制系統的狀態監控和安全保護功能。

經過大量的調研和仿真分析，采用了德國Rexroth公司的一體化伺服解決方案:主控單元為CML65型 MLC運動邏輯控制器，驅動器為 Indradrive HCS系列驅動器，電機為MSK050C系列交流伺服電機;方位軸和俯仰軸角度測量采用德國Heidenhain公司ECN225系列高精度編碼器［2］。

系統設備選用的主要優點:

①MLC擁有1 GHz主頻，數據處理能力強大，實時性能好，其運算速度非常高，最小程序周期可為1 ms，而且TCP響應時間經過測試達到了小于4 ms指標;

②硬件配置程序indraworks的功能比較全面，配置用法簡單;軟件編程應用程序Indralogic的編程語言眾多，不但提夠了ST語言和簡單易懂的梯形圖語言，而且還在indralogic lib中提供了多種實用又便利的應用功能模塊;

③運動邏輯控制器與驅動器之間采用SERCOS III總線方式連接，其數據通信時間周期為2 ms，這樣保證了運動邏輯控制器提取驅動器和電機參數的實時性;

④德國Bosch集團下的Rexroth伺服產品保持了高可靠性的風格，在其他多個已完成項目中得到了充分的證實。

1.2 系統原理和組成

整個控制系統工作方式分為2種模式:正常觀測時的上位機用戶通過以太網絡遠程控制的模式和在安裝和維護過程中的用戶用手控盒進行本地調試的模式。系統還加入了類似飛機黑匣子功能的數據記錄設備用來實時記錄天線運行時的狀態，包括電壓、電流、速度、跟隨誤差和報錯代碼等信息。安全保護系統由機械開關、接近開關和按鈕急停開關組成，能夠最大限度保證設備正常安全運行。天線控制系統的組成框圖如圖1所示。

圖1 天線控制系統組成框圖

MLC控制器是整個驅動控制部分的核心，基于標準的PLC協議，是集成了CPU運算、IO接口和通訊接口的硬件平臺［3］。MLC通過以太網絡與用戶上位機和數據記錄設備進行通信，按照用戶的指令進行相應的運動控制，并且實時上報天線各軸狀態［4］。

4個驅動器通過SERCOSIII總線和MLC控制器連接，是整個控制系統的功率放大部分。每個驅動器在天線控制系統內部具有唯一的標識，并分別連接一個電機，將MLC發出的指令信號轉化為驅動信號送給電機。電機接收驅動信號通過帶動行星減速機和大齒輪，進而控制天線轉動［5，6］。

軸角采集裝置采用了德國Heidenhain公司的25位絕對式碼盤ECN225，精度可達20 arcsec，安裝在各個轉動軸的末端，并與驅動器通過Endat2．1接口連接，將各個軸的位置信息實時反饋給控制系統［7，8］。

安全保護系統分為三級保護，第一級為軟件限位保護，第二級為電限位保護，最后一級為機械限位保護。急停開關和限位開關的設置可在天線出現異常情況下停止天線的運行，并上報錯誤信號，保證了系統運行的安全性和系統故障的易排查性。

1.3 軟件設計

程序的開發環境為Indraworks內嵌的Indralogic軟件。中德亞毫米波望遠鏡天線的軟件大量采用了梯形圖語言，這種語言的優點是非常直觀，配合Indralogic內置的多種功能塊可實現對于繼電器的控制、設備加電、IO數據處理及電機狀態讀取等基本功能;復雜的程序控制采用了流程化和結構化的ST語言編程，以實現通訊、網絡授時和軌跡跟蹤等復雜功能。天線的軟件組成框圖如圖2所示。

圖2 軟件系統組成框圖

天線控制系統軟件由基本控制、手動控制、NTP授時和遠控控制4個子功能組成，子功能之間通過相應語句進行相互調用。系統運行時，必要的是進行網絡授時，保證MLC控制器和上位機的時間同步。本控模式下，通過采集手控盒的按鈕指令，控制驅動器給電機使能，調用功能塊控制天線以設定的速度轉動;遠控模式下，根據ACU發來的控制指令，首先進行命令指令的解碼處理，再調用使能控制模塊，實現速度控制、位置控制和軌道跟蹤等高級功能。

天線控制系統軟件的各個模塊可以單獨導出或者導入，可以作為模塊化的程序塊使用，軟件的結構清晰，可移植性強。

2 關鍵技術實現

2.1 雙機消隙技術

方位軸和俯仰軸采用對力矩差值進行PID控制的雙電機消隙技術，提高了望遠鏡運動的精度和轉向時的平穩性。雙機消隙系統框圖如圖3所示，其中虛線標示線的部分表示數據通過SERCOS III總線方式進行傳輸。

圖3 雙機消隙系統框圖

主電機驅動器的位置環路是采用全功能形式，其位置反饋值為高精度的外接位置碼盤的輸出值，直接反饋到位置環路前端，與位置指令值做差值輸入位置環路。位置指令值由MLC運動邏輯控制器通過運算完成［9，10］。

從電機位置環路的KV值等于零，就意味著取消了從電機的位置環路，這樣使得從電機驅動器只剩下速度控制環路和力矩控制環路。主電機驅動器和從電機驅動器分別與虛擬軸進行位置同步和速度同步，使得從電機速度指令與主電機的速度指令一致，這樣為系統性能的提高提供了保障。主電機和從電機的力矩反饋值有2個作用:其一是進入力矩環路進行閉環;其二就是提取給運動邏輯控制器MLC進行PID模塊控制。

2.2 軌跡跟蹤技術

軌跡跟蹤程序為伺服軟件的主要關鍵部分，被設計成由軌跡記錄子程序和軌跡執行程序一起完成。軌跡記錄子程序完成對監控上位機發送的跟蹤軌跡的記錄和計算，每個軌跡點的記錄值包括軌跡運行的MJD時間和2個軸的運行位置，計算值為每個軌跡點相對于前一個軌跡點的時間差值和2個軸的位置差值［11，12］。軌跡執行程序的流程圖如圖4所示。

圖4 軌跡執行程序的流程圖

當軌跡運行開始時，各軸根據伺服系統最大運行速度計算能切入的軌跡點istart，然后將當前時間和兩個軸位置作為軌跡曲線起點istart－1，并重新計算軌跡點istart與istart－1軌跡點的相對時間和相對位置;接下來進入軌跡跟蹤循環，首先判斷運行條件，如果軌跡點堆棧寄存器里面的點數大于等于3個，則運用PROFILE模塊開始構造7次方曲線，構造軌跡曲線需要軌跡段的相對時間和2個軸相對位置，計算軌跡段的起始速度和結束速度，并規定構造曲線的運行模式。運用軌跡切入程序在虛擬時間主軸達到軌跡點的時間時，切入軌跡段運行曲線。

3 結束語

中德亞毫米波望遠鏡的伺服系統設計滿足了高精度、快響應和易維護等高性能技術指標;基于Rexroth交流伺服的天線控制系統貫徹了一體化和簡易化設計思想;整體設備嚴格按照電磁屏蔽標準設計滿足了射電天文設備電磁環境要求;雙電機消隙技術和軌跡跟蹤技術的研發和應用解決了射電天文望遠鏡的技術難題。中德亞毫米波望遠鏡的伺服設計和安裝調試已經順利完成，并得到了用戶的認可，為該望遠鏡的正常觀測打下了堅實的基礎。

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