大型天文望遠(yuǎn)鏡方位軸電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測

宋曉莉，汪達(dá)興，張 超

(1.中國科學(xué)院 國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，南京 210042；2.中國科學(xué)院 天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210042)

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大型天文望遠(yuǎn)鏡方位軸電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測

宋曉莉1,2，汪達(dá)興1,2，張 超1,2

(1.中國科學(xué)院 國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，南京 210042；2.中國科學(xué)院 天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210042)

大型天文望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)星體，方位軸電機(jī)位置檢測是其重要一環(huán)。針對其復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)及精密光學(xué)裝置的特點(diǎn)，采用拼接弧線永磁同步電動(dòng)機(jī)對大型望遠(yuǎn)鏡方位軸進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置，設(shè)計(jì)了編碼器處理電路，采用長線接收/驅(qū)動(dòng)器對編碼器信號進(jìn)行處理，然后根據(jù)帶距離編碼的編碼器特點(diǎn)實(shí)時(shí)計(jì)算方位軸電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。實(shí)驗(yàn)表明對超低速運(yùn)行的大型天文望遠(yuǎn)鏡，高精度的光電編碼器可以根據(jù)轉(zhuǎn)子的磁極對數(shù)選擇相應(yīng)的參考點(diǎn)數(shù)應(yīng)用到拼接式弧線電機(jī)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測，簡化轉(zhuǎn)子位置計(jì)算，節(jié)約控制的計(jì)算速度?？蛇_(dá)到快速、準(zhǔn)確、簡單檢測方位軸轉(zhuǎn)子磁極位置的目的。

編碼器；拼接弧線電機(jī)；望遠(yuǎn)鏡；位置檢測

0 引 言

世界上越來越多的大型天文望遠(yuǎn)鏡都開始采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)去驅(qū)動(dòng)機(jī)架，以簡化結(jié)構(gòu)，提高跟蹤精度。VLT望遠(yuǎn)鏡采用直接驅(qū)動(dòng)的方式對分段式氣隙無刷直流永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制[1]，采用霍爾傳感器來檢測轉(zhuǎn)子初始位置作為啟動(dòng)，結(jié)合20位的光電編碼器來檢測望遠(yuǎn)鏡位置。我國天文學(xué)家提出的中國30 m未來極大口徑天文望遠(yuǎn)鏡(CFGT)也計(jì)劃采用直接驅(qū)動(dòng)方式。常規(guī)的伺服電機(jī)伺服控制系統(tǒng)位置檢測要求不高，在文獻(xiàn)[2-5]中都應(yīng)用了高頻信號注入法對感應(yīng)電機(jī)或永磁同步電動(dòng)機(jī)在低速或零速運(yùn)行時(shí)進(jìn)行控制取得了很好的效果。

對于高速運(yùn)行的電機(jī)，其反電勢相對較大，轉(zhuǎn)子位置檢測相對容易實(shí)現(xiàn)[6-7]，但針對天文望遠(yuǎn)鏡來說，采用直接驅(qū)動(dòng)方式跟蹤目標(biāo)天體時(shí)，其要求轉(zhuǎn)速很低，并且要求望遠(yuǎn)鏡機(jī)架驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)達(dá)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(yùn)行的電機(jī)，顯然反電勢很低無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測出轉(zhuǎn)子的位置。本文提出一種大型天文望遠(yuǎn)鏡直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)檢測位置，并采取相應(yīng)的處理措施，保證實(shí)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(jì)算信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以達(dá)到系統(tǒng)要求目標(biāo)。

1 拼接弧線電機(jī)位置檢測

1.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)位置檢測必要性

永磁同步電動(dòng)機(jī)控制的核心技術(shù)是矢量控制，矢量控制系統(tǒng)在低速段轉(zhuǎn)矩很大，能實(shí)現(xiàn)帶載快速啟動(dòng)；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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，響應(yīng)很快，為得到高性能的轉(zhuǎn)矩、速度控制，轉(zhuǎn)子空間位置反饋裝置是必須的。永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量控制時(shí)，實(shí)現(xiàn)電樞磁場和轉(zhuǎn)子磁場的的相互作用，保證永磁同步電動(dòng)機(jī)工作在同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)來說，轉(zhuǎn)子位置的測量是其實(shí)現(xiàn)閉環(huán)工作的前提[8-9]，而對望遠(yuǎn)鏡工作直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說，轉(zhuǎn)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(yùn)行的大型天文望遠(yuǎn)鏡跟蹤系統(tǒng)來說，也是實(shí)現(xiàn)接近零速跟蹤的必要條件。

本實(shí)驗(yàn)平臺是4 m拼接弧線永磁同步電動(dòng)機(jī)，圖1 是望遠(yuǎn)鏡方位軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所用的拼接弧線電機(jī)，技術(shù)上可參考永磁同步電動(dòng)機(jī)并改進(jìn)以滿足天文望遠(yuǎn)鏡的需求，位置檢測和計(jì)算也是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和跟蹤的必要條件，本實(shí)驗(yàn)主要針對位置檢測和計(jì)算開展工作，其它不再詳述。

圖1 方位軸拼接電機(jī)實(shí)物圖

1.2 編碼器信號處理

大型天文望遠(yuǎn)鏡方位軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用與望遠(yuǎn)鏡機(jī)架高度集成在一起的機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，除了與機(jī)架同軸安裝的拼接式弧線永磁同步電動(dòng)機(jī)外，它又是承重望遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)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(dòng)機(jī)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(dòng)，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(shí)還附加有安裝和被測軸軸承誤差所導(dǎo)致的附加誤差，從而引起計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，影響系統(tǒng)精度和定位精度[10]。通過編碼器細(xì)分放大作用，從而導(dǎo)致編碼器細(xì)分后引起計(jì)數(shù)誤差，這種誤差不僅影響大型天文望遠(yuǎn)鏡的跟蹤精度和定位精度，由于所采集的機(jī)械位置也是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁位置，特別是望遠(yuǎn)鏡在超低速運(yùn)行時(shí)，也直接影響電機(jī)的矢量控制計(jì)算結(jié)果。因此較其他望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)而言，采用拼接式弧線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大型天文望遠(yuǎn)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(diǎn)的影響嚴(yán)重影響機(jī)械位置的計(jì)算，從而使拼接弧線電機(jī)的電流環(huán)、速度環(huán)無法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)運(yùn)行。根據(jù)大型天文望遠(yuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)跟蹤的特點(diǎn)，采用硬件的方式對編碼器信號處理，采用MC3486和MC3487設(shè)計(jì)了編碼器的驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(diǎn)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(jì)數(shù)，對帶距離編碼的高精度編碼器來說，每個(gè)參考點(diǎn)都是對當(dāng)前一段時(shí)間內(nèi)位置信息的校正，可避免累計(jì)誤差，這對超低速運(yùn)行的大型天文望遠(yuǎn)鏡來說是保證其精確跟蹤的必要條件，此時(shí)的干擾信號會誤認(rèn)為是參考點(diǎn)的到來，無法實(shí)時(shí)校正當(dāng)前累計(jì)誤差。

(a)編碼器處理硬件實(shí)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(yuǎn)鏡方位軸位置檢測

2.1 位置計(jì)算實(shí)驗(yàn)

為保證可靠的位置信息，以實(shí)現(xiàn)快速、高精度的跟蹤天體目標(biāo)，電機(jī)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(yīng)用。本系統(tǒng)充分結(jié)合二者的特點(diǎn)，采用TMS320F28xx和細(xì)分技術(shù)實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡拼接弧線電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和望遠(yuǎn)鏡位置檢測。細(xì)分輸出差分信號，由于傳輸距離較遠(yuǎn)并使信號能夠直接在DSP的QEP和CAP端口處理，設(shè)計(jì)長線驅(qū)動(dòng)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(jī)位置處理框圖。

圖3 拼接弧線電機(jī)位置處理框圖

由于本課題使用的電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑較大，望遠(yuǎn)鏡跟蹤目標(biāo)時(shí)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(jì)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(gè)參考點(diǎn)數(shù)，并進(jìn)行4 096細(xì)分，理論上可獲得0.006"的分辨率，這對直接驅(qū)動(dòng)的大型天文望遠(yuǎn)鏡來說，理論上的位置精度是實(shí)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(jì)算出每個(gè)脈沖距離零位的脈沖個(gè)數(shù)，從而計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際位置，目前初步打算用開環(huán)啟動(dòng)，等經(jīng)過計(jì)算后再閉環(huán)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行。第一個(gè)移過參考點(diǎn)的相對零點(diǎn)的位置：

(1)

根據(jù)以上公式可給出系統(tǒng)當(dāng)前參考點(diǎn)相對零點(diǎn)位置流程，如圖5所示，控制器根據(jù)當(dāng)前計(jì)數(shù)器的值

圖5 參考點(diǎn)相對零點(diǎn)位置計(jì)算流程

和當(dāng)前參考點(diǎn)的位置就可以實(shí)時(shí)計(jì)算出電機(jī)當(dāng)前走過的位置：

(2)

2.2 測量結(jié)果

根據(jù)以上討論的方法，為了驗(yàn)證本文所提方法的實(shí)用性，本文設(shè)計(jì)了拼接弧線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)相應(yīng)的軟硬件電路，并且在拼接弧線電機(jī)上進(jìn)行位置檢測，實(shí)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(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測并進(jìn)行相應(yīng)的控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置測量如圖6所示，電機(jī)實(shí)際運(yùn)行速度如圖7所示，基本滿足大型天文望遠(yuǎn)鏡方位軸跟蹤的需求。

圖6 方位軸電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置

圖7 方位軸電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測下的速度運(yùn)行

3 結(jié) 語

本文根據(jù)大型天文望遠(yuǎn)鏡復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和精密光學(xué)系統(tǒng)，采用拼接弧線電機(jī)驅(qū)動(dòng)大型天文望遠(yuǎn)鏡方位軸，討論了方位軸電機(jī)位置計(jì)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(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：采用帶距離編碼的編碼器對大型天文望遠(yuǎn)鏡方位軸電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測，可實(shí)現(xiàn)3.6(")/s速度，基本滿足大型天文望遠(yuǎn)鏡跟蹤目標(biāo)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(xué)基金項(xiàng)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?yàn)榇笮吞煳耐h(yuǎn)鏡直接驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。