基于兩個導電滑環(huán)實現(xiàn)天窗驅(qū)動和狀態(tài)檢測*

陳穎為

(中國科學院國家天文臺，北京　100012)

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基于兩個導電滑環(huán)實現(xiàn)天窗驅(qū)動和狀態(tài)檢測*

陳穎為

(中國科學院國家天文臺，北京100012)

摘要：目前，可旋轉(zhuǎn)天文圓頂仍被大量使用，工作時圓頂可360°旋轉(zhuǎn)，望遠鏡通過打開的天窗進行觀測。國家天文臺興隆觀測基地的天窗選用5個導電滑環(huán)，但不能檢測狀態(tài)。為了簡化天窗的狀態(tài)檢測、驅(qū)動系統(tǒng)，并提高其可靠性，利用二極管的單向?qū)ㄌ匦栽O(shè)計了一種新型天窗狀態(tài)檢測、驅(qū)動電路。該電路只需要兩個導電滑環(huán)和兩個限位開關(guān)，即可實現(xiàn)天窗的狀態(tài)檢測和驅(qū)動控制。當天窗處于限位狀態(tài)時，二極管構(gòu)成的限位電路只允許電流單向?qū)ā．斕齑疤幱谥虚g位置時，則可雙向?qū)?。該電路已?jīng)在85 cm望遠鏡等多個圓頂?shù)奶齑盃顟B(tài)檢測控制中成功應(yīng)用。天窗狀態(tài)檢測、控制電路極大簡化了測控系統(tǒng)，并可進行故障檢測。

關(guān)鍵詞：天窗狀態(tài)檢測；導電滑環(huán)；晶閘管；場效應(yīng)管；橋路開關(guān)

圓頂是保護天文望遠鏡并協(xié)同其工作的機械裝置。工作時圓頂可360°旋轉(zhuǎn)，望遠鏡通過圓頂上打開的天窗進行觀測[1]。目前大量使用的傳統(tǒng)圓頂，天窗驅(qū)動多選用三相交流供電。向可旋轉(zhuǎn)圓頂供電需在周邊安裝導電滑環(huán)，以保證旋轉(zhuǎn)至任何方位均能開啟或關(guān)閉天窗[2-3]。采用三相交流供電至少需要3個導電滑環(huán)，如果實現(xiàn)天窗開啟、關(guān)閉限位，還需增加導電滑環(huán)。隨著望遠鏡遠程控制的需要，不僅要驅(qū)動控制天窗，還必須采集天窗狀態(tài)以確認望遠鏡工作環(huán)境是否正常[4-8]。因此，還要增加狀態(tài)信號傳輸。傳統(tǒng)的驅(qū)動方式采集天窗狀態(tài)需在天窗上增加較多采集元件并增加傳輸通道。

本文介紹一種新型的電路設(shè)計，通過兩個導電滑環(huán)實現(xiàn)天窗驅(qū)動控制，同時采集天窗的開啟到位、關(guān)閉到位、停止于中間位置、滑環(huán)接觸故障、天窗正在開啟、天窗正在關(guān)閉等6種狀態(tài)。驅(qū)動電路不工作時，導電滑環(huán)完全不帶電。該電路運行以來，不僅降低了天窗控制電路的故障率，而且因電

路實現(xiàn)了模塊化，使維護變得簡單。

1工作原理與設(shè)計方案

國家天文臺興隆觀測基地的望遠鏡圓頂多選用5個供電滑環(huán)實現(xiàn)天窗的驅(qū)動、換向和限位。原理框圖如圖1。

圖1　三相交流電機驅(qū)動控制天窗框圖

在三相交流電機驅(qū)動的電路中，用于驅(qū)動的導電滑環(huán)不便直接用于天窗狀態(tài)的檢測，須增加狀態(tài)信號檢測通道，或者增加導電滑環(huán)，或者采用無線串口通道。無線方式可減少導電滑環(huán)至3個，但會對望遠鏡和終端儀器的運轉(zhuǎn)帶來潛在影響。其原理框圖如圖2。

不論上述哪種方式，三相交流電源至少有一相需向?qū)щ娀h(huán)持續(xù)供電。在調(diào)試和檢修中存在觸電的安全隱患。導電滑環(huán)越多，故障率和維護工作量越高。為此研制了僅用兩個供電滑環(huán)實現(xiàn)驅(qū)動、控制天窗并檢測天窗狀態(tài)的直流驅(qū)動電路，驅(qū)動電路框圖如圖3。

圖2　三相交流供電檢測天窗狀態(tài)框圖

圖3　直流供電天窗狀態(tài)檢測框圖

1.1天窗的限位與換向驅(qū)動

由于天窗開啟和關(guān)閉運行的頻度不高，這里選用有刷直流電機驅(qū)動天窗。采用如圖4的簡單電路實現(xiàn)天窗的限位和換向驅(qū)動。

圖4　限位電路

圖4中a點和b點是供電滑環(huán)的引出端。SQ1為天窗開啟限位開關(guān)，SQ2為天窗關(guān)閉限位開關(guān)。用二極管D1和D2解決了其中一個限位開關(guān)動作后反向供電驅(qū)動天窗電機的問題?；h(huán)的另一端是不能旋轉(zhuǎn)的滑環(huán)供電觸頭a’和b’。只需改變向供電觸頭a’和b’的供電極性，就能實現(xiàn)天窗開啟或關(guān)閉。天窗開啟或關(guān)閉至限位位置，觸動SQ1或SQ2，切斷供電，自動停止。向a’和b’供電可選用繼電器電路改變供電極性，也可采用晶體三極管構(gòu)成的橋路開關(guān)改變向a’和b’供電的極性。

當采用晶體三極管構(gòu)成橋路開關(guān)，晶體管的控制端需保持電平才能使天窗持續(xù)運行。需選用自鎖功能按鈕開關(guān)維持其電平，因此，在改變電機運行方向前需要釋放鎖定按鈕。這種操作顯然有些不方便。為了簡化操作，選用場效應(yīng)管和晶閘管相結(jié)合的混合橋路開關(guān)。如圖5。

圖5　場效應(yīng)管和晶閘管混合橋路

該電路的優(yōu)點是可以利用晶閘管被觸發(fā)后能夠維持導通的特性。從圖5可知，當晶閘管導通時，其陰極電位和控制級電位均接近電源電位V+，若利用該電位維持場效應(yīng)管的持續(xù)導通，即可維持天窗持續(xù)運行。當天窗運行至限位位置時，相應(yīng)的限位開關(guān)SQ1或SQ2被斷開。橋路開關(guān)中的晶閘管也因此失去電流通路，電流為0而不再導通，開關(guān)橋路自動關(guān)閉。開關(guān)橋路可用電脈沖觸發(fā)啟動，也可選用無鎖按鈕啟動，操作相對簡便，只需觸發(fā)晶閘管導通即可維持天窗持續(xù)運行，到達限位位置，橋路開關(guān)自動關(guān)閉。該電路可采用強迫場效應(yīng)管截止的方式關(guān)閉橋路開關(guān)，使天窗運行隨時停止。

1.2天窗狀態(tài)的檢測原理

從天窗限位電路圖4可以看出，當天窗關(guān)閉至限位位置時，將小電流恒流源的正端加至a端，電源的負端加至b端，天窗驅(qū)動電路中沒有電流流過。將恒流源的極性反過來，天窗驅(qū)動電路有電流流過。如果天窗開啟至限位位置時，則加電時出現(xiàn)電流的方向正好相反。根據(jù)這一現(xiàn)象，可根據(jù)電流產(chǎn)生的方向判斷天窗的狀態(tài)。即：當電流只能從a流向b時，天窗為關(guān)閉狀態(tài)；相反，為開啟狀態(tài)。當a至b和b至a均有電流流過時，天窗停在中間位置。若a至b和b至a均沒有電流流過時，則表明供電電路存在故障，很可能是供電滑環(huán)觸頭接觸不良。

1.3應(yīng)用電路舉例

混合橋路應(yīng)用電路如圖6，橋路開關(guān)的控制端可由計算機輸出的開關(guān)量直接控制C天窗開、C天窗關(guān)、C天窗?？刂贫耍部捎脽o鎖按鈕開關(guān)SB1、SB2、SB3觸發(fā)。由計算機控制的端口選用光耦作隔離。其中T6、T8為橋路開關(guān)的互鎖電路。確保當T3、T7導通時，T2、T9可靠關(guān)閉。也確保T2、T9導通時，T3、T7可靠關(guān)閉。該橋路開關(guān)模塊在國家天文臺興隆基地的天窗控制電路中得到了良好的應(yīng)用，運行可靠，故障率低，而且在鏡蓋驅(qū)動電路中也采用該橋路開關(guān)模塊。在鏡蓋應(yīng)用中還采用了單線制的延遲電路，使得兩片鏡蓋能很好地協(xié)調(diào)工作，而且接線簡單。

圖6　場效應(yīng)晶閘管混合橋路實際應(yīng)用電路

實現(xiàn)天窗狀態(tài)檢測電路方案之一，如圖7。當天窗處于非驅(qū)動狀態(tài)時，供電驅(qū)動橋路開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，向天窗驅(qū)動電路提供約5 mA的檢測電流。圖7中的T7和T8分別構(gòu)成恒流電路，其恒流值約為5 mA。T9控制T6導通，T10控制T5導通。若分別在k7和k8端提供相位相反的方波信號，可在a’和b’端獲得方向交替的恒流信號。如果某方向的恒流信號能夠流過天窗驅(qū)動電路，那么串在恒流電路中的光耦U1或U2被驅(qū)動，光耦的輸出產(chǎn)生脈動信號。若光耦U1和U2均產(chǎn)生脈動信號，說明天窗停止在中間位置。若只是U1產(chǎn)生脈動信號，則說明天窗關(guān)閉限位開關(guān)SQ2斷開，天窗處于關(guān)閉狀態(tài)。若只是U2產(chǎn)生脈動信號，則說明天窗開啟限位開關(guān)SQ1斷開，天窗處于開啟狀態(tài)。如果U1和U2均無信號輸出，則說明供電滑環(huán)或驅(qū)動電路存在故障，如滑環(huán)斷開或接觸不良等。若對U1和U2輸出的脈動信號進行平滑濾波，即可獲得穩(wěn)定的0或1狀態(tài)，根據(jù)輸出信號的狀態(tài)就能獲得天窗狀態(tài)。該狀態(tài)信號可供計算機采集。

圖7　天窗狀態(tài)檢測電路原理圖

圖7中檢測電路為一個恒流橋路開關(guān)，該橋路開關(guān)與驅(qū)動橋路開關(guān)并聯(lián)，恒流管選用耐壓較高的小功率管，以抵抗電機停止瞬間產(chǎn)生的反峰電壓的沖擊。由于恒流橋路設(shè)計電流值僅為5 mA，即使驅(qū)動橋路工作期間，恒流橋路也不會影響驅(qū)動電路。R7和R8的限流作用可保護T5、T6不被損壞。在實際應(yīng)用中，檢測電路的電源電壓為驅(qū)動電路的一半或更低。在驅(qū)動電路不工作時，out1端無輸出。當驅(qū)動電路工作時，out1端有電平輸出。利用out1端的電平控制恒流橋路。天窗驅(qū)動運行期間，

out1端輸出高電壓，利用電壓控制恒流橋路使之處于關(guān)閉狀態(tài)，從而實現(xiàn)兩個并聯(lián)橋路分時工作。

在無需實時監(jiān)控天窗狀態(tài)時，可在需要采集天窗狀態(tài)時激勵恒流橋路工作。在激勵的同時，在光耦的輸出端采集天窗狀態(tài)。如果需要采集天窗正在運行的狀態(tài)，只需分別在D7和D8串接光電耦合器的二極管，在該光耦的輸出端即可分別檢測到天窗是在開啟運行中還是關(guān)閉運行中。圖8為天窗狀態(tài)檢測模塊圖片。該模塊應(yīng)用于興隆觀測基地80 cm望遠鏡的天窗狀態(tài)檢測和控制，如圖9。表1列出改造前后的性能對比。

圖8　天窗狀態(tài)檢測模塊

圖9　使用中的天文望遠鏡圓頂

表1　改造前后的性能對比

目前有些應(yīng)用中，為降低成本省去了旋轉(zhuǎn)圓頂?shù)凝X盤驅(qū)動結(jié)構(gòu)。將驅(qū)動電機安裝在旋轉(zhuǎn)圓頂上直接驅(qū)動輪子在環(huán)形軌道上運動。天窗和圓頂?shù)尿?qū)動均由可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)控制，可編程邏輯控制器通過無線串口實現(xiàn)與計算機的通訊。本文介紹的基于兩根電纜控制和檢測天窗狀態(tài)的原理也可在可編程邏輯控制器上完成。直接用可編程邏輯控制器完成天窗的驅(qū)動控制和天窗狀態(tài)的動態(tài)檢測。不用增設(shè)天窗狀態(tài)檢測元件，直接檢測限位開關(guān)狀態(tài)。該方案不僅減少了檢測元件的使用，而且也簡化了與天窗電路的連線，提高電路的可靠性。由于動態(tài)檢測較頻繁使用輸出開關(guān)模塊，故須將可編程邏輯控制器的輸出模塊選用晶體管類型，以適應(yīng)較頻繁的開關(guān)量輸出。

2結(jié)論

本文介紹的驅(qū)動和檢測方法實現(xiàn)了在旋轉(zhuǎn)圓頂上安裝最少的導電滑環(huán)、最簡單的天窗換向、限位電路實現(xiàn)天窗的驅(qū)動控制和狀態(tài)檢測。天窗的驅(qū)動控制和狀態(tài)檢測均復(fù)用兩個導電滑環(huán)，無須在天窗上另外安裝狀態(tài)檢測元件。在實際應(yīng)用中降低了天窗控制電路的故障率，由于使用了模塊化電路使維護工作變得簡單。

具有自鎖功能的橋路開關(guān)模塊在望遠鏡鏡蓋控制中也得到了良好應(yīng)用?？蓮V泛應(yīng)用于其他開啟、關(guān)閉限位或兩端行程限位的場合。可提高電路的可靠性，同時減少電路的連接導線。在需要導電滑環(huán)供電的場合，該電路無需在驅(qū)動限位端加裝狀態(tài)的檢測元件，也無須增加狀態(tài)信號的傳輸通道即可實現(xiàn)狀態(tài)檢測。

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Achieving Dome Slit Driving and Status Detection with Two Conductive Rings

Chen Yingwei

(National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100012, China, Email: chenyingwei@bao.ac.cn)

Abstract:At present, rotating domes with slit are still widely used in astronomical observations. They could rotate for 360 degrees and the telescope observes stars through the dome slit. In Xinglong Observatory of National Astronomical Observatories, some telescopes use five conductive rings to control the dome slit, but the state cannot be detected. In order to simplify the detection and control system and improve the reliability of the dome slit, a new type of dome slit state detection and driving circuit is proposed. This circuit only makes use of two conductive rings and two limit switches with diodes to realize the dome slit state detection and driving control. When the dome slit is in the limit state, the detection electric current is only able to transfer in one direction. And when the dome slit is in the middle position, it could transfer in both directions. The circuit has been successfully applied in several dome slits in Xinglong Observatory, for example, the 85cm reflecting telescope. The test and practical use show that the circuit could be well used in the state detection and driving control process; it greatly simplifies the system; besides, it could also serve the purpose of failure detection.

Key words:Slit state detection; Conductive ring; Thyristor; Field effect transistor; Bridge switch

基金項目：國家自然科學天文聯(lián)合基金 (U1331202) 資助.

收稿日期：2015-06-16；

修訂日期：2015-07-14

作者簡介：陳穎為，男，工程師. 研究方向：機械、電路設(shè)計. Email: chenyingwei@bao.ac.cn

中圖分類號：P111.2

文獻標識碼：A

文章編號:1672-7673(2016)02-0213-06

CN 53-1189/PISSN 1672-7673