大型天文望遠鏡方位軸電機轉子位置檢測

宋曉莉，汪達興，張 超

(1.中國科學院 國家天文臺南京天文光學技術研究所，南京 210042；2.中國科學院 天文光學技術重點實驗室,南京 210042)

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大型天文望遠鏡方位軸電機轉子位置檢測

宋曉莉1,2，汪達興1,2，張 超1,2

(1.中國科學院 國家天文臺南京天文光學技術研究所，南京 210042；2.中國科學院 天文光學技術重點實驗室,南京 210042)

大型天文望遠鏡實時跟蹤目標星體，方位軸電機位置檢測是其重要一環(huán)。針對其復雜機械結構及精密光學裝置的特點，采用拼接弧線永磁同步電動機對大型望遠鏡方位軸進行直接驅動，采用帶距離編碼的光電編碼器檢測拼接弧線永磁同步電動機轉子位置，設計了編碼器處理電路，采用長線接收/驅動器對編碼器信號進行處理，然后根據(jù)帶距離編碼的編碼器特點實時計算方位軸電機轉子位置。實驗表明對超低速運行的大型天文望遠鏡，高精度的光電編碼器可以根據(jù)轉子的磁極對數(shù)選擇相應的參考點數(shù)應用到拼接式弧線電機進行電機轉子磁極位置檢測，簡化轉子位置計算，節(jié)約控制的計算速度。可達到快速、準確、簡單檢測方位軸轉子磁極位置的目的。

編碼器；拼接弧線電機；望遠鏡；位置檢測

0 引 言

世界上越來越多的大型天文望遠鏡都開始采用直接驅動技術去驅動機架，以簡化結構，提高跟蹤精度。VLT望遠鏡采用直接驅動的方式對分段式氣隙無刷直流永磁同步電動機進行控制[1]，采用霍爾傳感器來檢測轉子初始位置作為啟動，結合20位的光電編碼器來檢測望遠鏡位置。我國天文學家提出的中國30 m未來極大口徑天文望遠鏡(CFGT)也計劃采用直接驅動方式。常規(guī)的伺服電機伺服控制系統(tǒng)位置檢測要求不高，在文獻[2-5]中都應用了高頻信號注入法對感應電機或永磁同步電動機在低速或零速運行時進行控制取得了很好的效果。

對于高速運行的電機，其反電勢相對較大，轉子位置檢測相對容易實現(xiàn)[6-7]，但針對天文望遠鏡來說，采用直接驅動方式跟蹤目標天體時，其要求轉速很低，并且要求望遠鏡機架驅動電機運行時達到低速1(″)/s(4.8×10-6rad/s)，高速2(°)/s(0.174 rad/s)，并且無爬行現(xiàn)象，因而對這種極低速運行的電機，顯然反電勢很低無法實現(xiàn)準確測出轉子的位置。本文提出一種大型天文望遠鏡直接驅動伺服電機轉子位置檢測方法，采用海德漢的帶距離編碼的高精度增量式編碼器直徑為4 m的精密拼接弧線電機檢測位置，并采取相應的處理措施，保證實現(xiàn)高精度的位置檢測，為電流環(huán)和速度環(huán)提供了必要的位置計算信息，實驗結果表明該方法可以達到系統(tǒng)要求目標。

1 拼接弧線電機位置檢測

1.1 永磁同步電動機位置檢測必要性

永磁同步電動機控制的核心技術是矢量控制，矢量控制系統(tǒng)在低速段轉矩很大，能實現(xiàn)帶載快速啟動；由于存在電流環(huán)，因此具有電流(力矩)控制功能，從而控制電動機的轉速，響應很快，為得到高性能的轉矩、速度控制，轉子空間位置反饋裝置是必須的。永磁同步電動機進行矢量控制時，實現(xiàn)電樞磁場和轉子磁場的的相互作用，保證永磁同步電動機工作在同步狀態(tài)，轉子位置的檢測是其重要一環(huán)，這樣才能保證功率管的通電模式、電樞的電流和反電勢工作在同相狀態(tài)。對永磁同步電動機來說，轉子位置的測量是其實現(xiàn)閉環(huán)工作的前提[8-9]，而對望遠鏡工作直接驅動系統(tǒng)來說，轉子位置的檢測也可以直接作用到位置環(huán)，這對高精度低速運行的大型天文望遠鏡跟蹤系統(tǒng)來說，也是實現(xiàn)接近零速跟蹤的必要條件。

本實驗平臺是4 m拼接弧線永磁同步電動機，圖1 是望遠鏡方位軸驅動系統(tǒng)所用的拼接弧線電機，技術上可參考永磁同步電動機并改進以滿足天文望遠鏡的需求，位置檢測和計算也是實現(xiàn)驅動和跟蹤的必要條件，本實驗主要針對位置檢測和計算開展工作，其它不再詳述。

圖1 方位軸拼接電機實物圖

1.2 編碼器信號處理

大型天文望遠鏡方位軸的驅動電機采用與望遠鏡機架高度集成在一起的機電一體化結構，除了與機架同軸安裝的拼接式弧線永磁同步電動機外，它又是承重望遠鏡本體的載體。零件重量重、體積大，加工安裝精度要求高，軸承和支撐結構復雜，精密調(diào)試相對困難，要求高精度編碼器“同軸”安裝在拼接式弧線永磁同步電動機的軸線上。由于加工和裝配體積的限制，液壓支撐系統(tǒng)的擾動，安裝編碼器的軸承精度，較難保證編碼器的讀數(shù)信號在全測量范圍獲得滿意的信號輸出，不可避免地引起輸出波形的畸變，同時還附加有安裝和被測軸軸承誤差所導致的附加誤差，從而引起計數(shù)錯誤，影響系統(tǒng)精度和定位精度[10]。通過編碼器細分放大作用，從而導致編碼器細分后引起計數(shù)誤差，這種誤差不僅影響大型天文望遠鏡的跟蹤精度和定位精度，由于所采集的機械位置也是驅動電機的電磁位置，特別是望遠鏡在超低速運行時，也直接影響電機的矢量控制計算結果。因此較其他望遠鏡控制系統(tǒng)而言，采用拼接式弧線電機驅動的大型天文望遠鏡位置檢測具有更加重要的作用。尤其是對高精度的帶距離編碼的光電編碼器來說，對其參考點的影響嚴重影響機械位置的計算，從而使拼接弧線電機的電流環(huán)、速度環(huán)無法實現(xiàn)閉環(huán)運行。根據(jù)大型天文望遠鏡驅動跟蹤的特點，采用硬件的方式對編碼器信號處理，采用MC3486和MC3487設計了編碼器的驅動和接收電路，從源頭上濾除編碼器信號的干擾，硬件處理框圖如圖2(a)所示。在不加處理時，編碼器輸出信號如圖2(b)所示，采取處理措施后編碼器零點信號如圖2(c)所示。自然狀態(tài)輸出的編碼器AB信號尚能計數(shù)，對帶距離編碼的高精度編碼器來說，每個參考點都是對當前一段時間內(nèi)位置信息的校正，可避免累計誤差，這對超低速運行的大型天文望遠鏡來說是保證其精確跟蹤的必要條件，此時的干擾信號會誤認為是參考點的到來，無法實時校正當前累計誤差。

(a)編碼器處理硬件實現(xiàn)框圖

(b)自然狀態(tài)下ABZ信號(c)處理后的Z信號

圖2 編碼器信號處理

2 大型天文望遠鏡方位軸位置檢測

2.1 位置計算實驗

為保證可靠的位置信息，以實現(xiàn)快速、高精度的跟蹤天體目標，電機的軸上安裝了帶距離編碼的海德漢的增量式光柵位置編碼器，這類編碼器主要是指精度高于± 5"和線數(shù)高于10 000的編碼器。

TI公司的2000系列DSP由于含有QEP及CAP等接口而被廣泛應用。本系統(tǒng)充分結合二者的特點，采用TMS320F28xx和細分技術實現(xiàn)望遠鏡拼接弧線電機轉子位置和望遠鏡位置檢測。細分輸出差分信號，由于傳輸距離較遠并使信號能夠直接在DSP的QEP和CAP端口處理，設計長線驅動電路并通過光耦隔離送到DSP的專用端口處理編碼器信號。圖3是方位軸拼接弧線電機位置處理框圖。

圖3 拼接弧線電機位置處理框圖

由于本課題使用的電機轉子直徑較大，望遠鏡跟蹤目標時速度超低，因此位置檢測的精度直接影響到速度環(huán)和電流環(huán)，位置計算是其重要的環(huán)節(jié)，由于選用的是帶距離編碼的海德漢的ERA整圓編碼器，共52 000線，52個參考點數(shù)，并進行4 096細分，理論上可獲得0.006"的分辨率，這對直接驅動的大型天文望遠鏡來說，理論上的位置精度是實現(xiàn)跟蹤的必要條件，距離編碼示意如圖4所示。

圖4 距離編碼示意圖

根據(jù)圖4示情況可以計算出每個脈沖距離零位的脈沖個數(shù)，從而計算出電機的實際位置，目前初步打算用開環(huán)啟動，等經(jīng)過計算后再閉環(huán)運行，從而實現(xiàn)系統(tǒng)運行。第一個移過參考點的相對零點的位置：

(1)

根據(jù)以上公式可給出系統(tǒng)當前參考點相對零點位置流程，如圖5所示，控制器根據(jù)當前計數(shù)器的值

圖5 參考點相對零點位置計算流程

和當前參考點的位置就可以實時計算出電機當前走過的位置：

(2)

2.2 測量結果

根據(jù)以上討論的方法，為了驗證本文所提方法的實用性，本文設計了拼接弧線電機驅動控制系統(tǒng)相應的軟硬件電路，并且在拼接弧線電機上進行位置檢測，實現(xiàn)位置環(huán)和速度環(huán)，本系統(tǒng)采用Id=0矢量控制策略，采用上述方法對方位軸電機轉子位置檢測并進行相應的控制，電機的轉子位置測量如圖6所示，電機實際運行速度如圖7所示，基本滿足大型天文望遠鏡方位軸跟蹤的需求。

圖6 方位軸電機轉子實際位置

圖7 方位軸電機轉子位置檢測下的速度運行

3 結 語

本文根據(jù)大型天文望遠鏡復雜的機械結構和精密光學系統(tǒng)，采用拼接弧線電機驅動大型天文望遠鏡方位軸，討論了方位軸電機位置計算的必要性，提出采用帶距離編碼的高精度編碼器對方位軸位置檢測，研究了編碼器干擾信號的處理，給出了帶距離編碼的編碼器檢測方位軸位置的方法，并在4m拼接弧線電機上進行了實驗。實驗結果證明：采用帶距離編碼的編碼器對大型天文望遠鏡方位軸電機轉子位置檢測，可實現(xiàn)3.6(")/s速度，基本滿足大型天文望遠鏡跟蹤目標的要求。

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Rotor Position Detection of the Motor for Large Astronomical Telescope Azimuth Axis

SONGXiao-li1,2,WANGDa-xing1,2,ZHANGChao1,2

(1.Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology,National Astronomical Observatories,CAS,Nanjing 210042,China;2.Key Laboratory of Astronomical Optics & Technology,Nanjing Institute of Astronomical Optics& Technology,CAS,Nanjing 210042,China)

The detection of azimuth axis motor's rotor position is very important to track the target object for the large astronomical telescope. According to the characteristic of the complex mechanical structure and precision optical device of the telescope, the direct drive through segmented arc permanent magnet synchronous motor is adopted to drive the large astronomical telescope; the rotor position of the segmented arc permanent magnet synchronous motor was measured by the photoelectric encoder with distance encoding. First, the processing circuit of encoder was designed, then the signals mining with long term receiver/driver was deal t and the real-time rotor position were calculated based on the features of the encoder. Experiments show that the high precision photoelectric encoder can be applied to the rotor position of the segmented motor and achieve ultra-low speed of the large astronomical telescope. The encoder can be selected to fit the pole pairs of the segmented arc motor. It can simplify the process of calculation and achieve faster, more accurate and easier to detect the rotor position for large astronomical telescope.

encoder; segmented arc motor; telescope; position detection

2015-09-24

國家自然科學基金項目(11303065)

TM341；TM351

A

1004-7018(2016)07-0048-03

宋曉莉(1978-)，女，博士，工程師，主要研究方向為大型天文望遠鏡直接驅動控制技術。