CN101174783B

CN101174783B - 弧线驱动大口径天文望远镜

Info

Publication number: CN101174783B
Application number: CN2007101345305A
Authority: CN
Inventors: 张振超; 胡伟; 任长志; 汪达兴; 朱震莲; 李颖
Original assignee: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology NIAOT of CAS
Current assignee: Nanjing Institute of Astronomical Optics and Technology NIAOT of CAS
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: CN101174783A

Abstract

弧线驱动大口径天文望远镜，由稀土永磁同步弧线电机驱动，控制机构包括上位机和下位机，上位机通过串行通讯与下位机连接；下位机进行实时控制；电机定子由15块组成，每块由9个完整矽钢片和2个减小边缘效应矽钢片组成；从右向左电枢绕组按UVWUVWUVW排列；转子由4块组成，整个转子有120片磁钢片，采用减小齿槽转矩设计并设有紧固装置；控制机构信号采集与比较环节中同时设有绝对式和增量式编码器，前者用于伺服电机换向；后者用于伺服电机位置检测；编码器的信号通过单片机输出给下位机DSP模块；驱动电路采用数字化驱动智能功率模块；本发明可实现长时间、高精度跟踪、观测各种天体的需要，满足天文观测精密、宽调速要求。

Description

弧线驱动大口径天文望远镜

技术领域

本发明涉及一种天文望远镜，具体涉及一种弧线驱动的大口径天文望远镜。即由弧线运动电机直接驱动的大口径天文望远镜。本发明为国家自然科学基金资助项目，批准号为10778629。

背景技术

天文望远镜作观测时的机械运动，是一种对观测天体的视角跟踪运动，实际是对地球自转的补偿性运动，所以这种运动的平均速度是360°/24小时(极慢速)。而且所有的天文望远镜每次观测需要的运动幅度(或称为运动距离)一般不会超过一个180°的弧形。也就是说，天文望远镜观测时的运动是限制在一个弧形范围内的极慢速弧线运动。传统的天文望远镜的跟踪机电结构模式都是采用旋转运动一一弧线运动的转换。即将电机的高速旋转运动通过传动装置转换成极慢速弧线运动。例如，现有技术中大量的涉及天文望远镜运动控制的论文、专利，甚至教科书，都属于这种旋转运动一一弧线运动的转换的结构模式。这种结构模式机构复杂，大口径天文望远镜的控制技术相对较难，研制周期也长。人类需要不断的探索宇宙，天文学的发展需要越来越大口径的望远镜，世界各国都在合作或自己发展大口径天文望远镜。需要探索和研究的天体目标种类繁多，运行的轨迹也各不相同，新型的天文望远镜的机架也不断的涌现和发展，要求天文望远镜的跟踪速度范围越来越宽，跟踪精度越来越高，目前研制的天文望远镜的机电控制模式已经不能满足大口径天文望远镜的跟踪要求。

因为天文望远镜的跟踪运动轨迹是弧线，所以大口径天文望远镜比较理想的驱动方式是弧线运动，即由弧线运动电机(也可称为极慢速电机)与天文望远镜构成机电一体化的设计，这种机电一体化弧线运动的机械结构十分简单，并能够形成刚性很强的连接关系。机电一体化弧线运动的控制系统由于没有机械传动机构的扭转刚度影响，使望远镜的动态性能、控制精度有了很大的提高。而实现这种运动方式，需要有弧线运动的电机、对该种电机及望远镜的运动进行有效控制的控制系统及控制软件，所以现有技术中尚未有这种弧线驱动的大口径天文望远镜。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种弧线驱动大口径天文望远镜。这种望远镜能够实现大口径天文望远镜以弧线电机驱动并以弧线方式运动时的工作方式，实现望远镜平稳、准确、无爬行现象的运动，并满足天文观测的各种参数要求。

完成上述发明任务的方案是：一种弧线驱动大口径天文望远镜，天文望远镜由电机驱动，电机上连接有电机驱动电路和保护电路；同时设置有上位计算机系统和下位计算机系统，其特征在于：

上位计算机系统通过串行通讯与下位计算机DSP的SCI模块连接。上位机实现弧线运动控制系统的在线集中监控、综合管理、性能检测和安全保护等功能。下位计算机系统包括DSP模块，执行电机，信号采集与比较环节，位置数据处理单片机(ARM7)，下位计算机根据上位计算机的控制指令完成相应的控制算法，并对弧线运动控制系统进行实时控制。

所述的DSP模块也称为控制器或超低速控制器；

所述的电机为弧线电机，该弧线电机采用大力矩交流稀土永磁同步伺服电机，电机的定子由15块“定子块”组成，每块折合为弧长460.7mm，每块“定子块”由9个完整矽钢片和2个减小边缘效应的矽钢片组成；

每块定子采用9片/8极的绕组方式，从右向左电枢绕组分别按UVWUVWUVW排列；

弧线电机转子由4块“转子块”组成，整个转子有120片磁钢片组成；该磁钢片采用减小齿槽转矩的设计，并设有磁钢片紧固装置；

所述的信号采集与比较环节中同时设有绝对式编码器和增量式编码器，其中绝对式编码器用于伺服电机换向；增量式编码器用于伺服电机的位置(速度)检测；所述的绝对式编码器和增量式编码器的信号通过位置数据处理单片机(ARM7)输出给下位计算机DSP模块；

所述的电机驱动电路采用数字化驱动智能功率模块(IPM模块)；

在驱动模块上设有电流检测传感器，该电流检测电路的信号经电流传感器送入DSP的A/D模块，构成闭环控制的电流环；

在功率模块(IPM模块)上设有母线电压检测传感器，该电压检测传感器将检测的直流电压信号通过电压传感器送入DSP的A/D转换器中，对电路中出现的过压或欠压信号进行检测和保护。

DSP模块的PWM信号输出经过光电隔离输出给驱动智能功率模块(IPM模块)；进而控制弧线电机的旋转。

以上方案中所述的“减小边缘效应的矽钢片”是，该矽钢片只设置有半个“极脚”，并采用圆滑过渡；同时，上面不缠线圈。边缘的矽钢片设计成这样的结构可以使定子的磁场固定在矽钢片中形成规则的闭合磁路，从而尽可能的消除边缘效应造成的力矩波动。边缘上的矽钢片主要保证磁路的规则性。

所述的采用减小齿槽转矩的设计是：磁钢片的边缘采用平滑曲线进行优化设计。优化后磁钢片的形状为图6中c的形状，图a是采用传统设计的方法设计的形状，图b是经过初步改进设计的形状，对其边缘进行了处理使两块磁钢片之间过渡趋于平缓，图c是根据设计技术要求进一步的优化的结构，使得边缘更加平滑。

为了消除齿槽效应，磁钢片边缘应该设计成圆滑过渡，如果两块磁钢片之间能实现平滑的过渡而没有间隙，那么可以使齿槽效应减到很小，理想的设计方案应该实现两块磁钢片的平滑无缝联接。但是如果磁钢片掉入定子中，将会造成很严重的事故，为了防止磁钢片意外脱落，需要设计磁钢片的紧固装置。考虑到这些因素，实际磁钢片的形状如图6中c的形状。

所述的磁钢片紧固装置的结构是；在磁钢片胶结的同时，在磁钢片的外面套有钢片材料；并用圆头内六角螺钉固定。紧固装置结构如图7所示。

本发明的弧线电机与传统常规的力矩电机还有很多不同：

所述的定子的直径为2.5米；转子的直径为2.2米，粘贴永磁体前的直径尺寸应该为2200-2×8＝2184mm；整个圆周为6911mm划分为15等分，每份24度，弧长约460.7mm；

每块定子9片/8极的绕组方式，和UVWUVWUVW排列，可以获得非常理想的正弦波；

三相绕组可以按星形联接也可以按三角形联接。每块定子之间根据需要可以串联也可以并联联接。一般采用星形联接，这样可以消除3次以及3的倍数的次谐波；

电机为120极电机，对于力矩电机来讲，极数越多，输出力矩波动就越小；按照本发明的设计思想，可以很容易的设计出直径更大，极数更多的力矩电机，以满足未来更大口径的望远镜。

所述的控制系统主电路的具体结构是：三相交流电压经整流模块，获得直流电压；在直流母线上加有软起动电路，供给由IGBT功率器件组成的三相逆变器；逆变器主电路采用六单元IGBT智能功率模块(IPM模块)，系统采用2个磁场平衡式霍尔电流传感器(瑞士莱姆(LEM)公司生产，型号为：LAH25-NP)模块分别检测a，c相电流，完成电流的检测。

以上方案中所述的DSP模块(控制器)设有以下结构：

(1).电源电路：选用TI公司专门为其系列DSP产品推出的DC/DC转换芯片TPS7333。TPS7333采用S0-8封装，单电压3.3伏输出，具有上电复位功能，同时输出监视引脚(SENSE)随时监测输出电压，当输出电压不稳定或低于复位门限电压时，复位引脚RESET产生200ms的复位延迟进行保护。

(2).通讯电路：本系统用DSP的SCI接口完成与上位机的通讯功能，用一片MAX232芯片作为下位机和上位机的通讯接口模块。

(3).仿真接口电路：JTAG扫描逻辑电路用于仿真和测试，采用JTAG可实现在线仿真，同时也是调试过程装载数据、代码的唯一通道。通过JTAG接口可将仿真器与目标系统相连接。

(4).A/D、D/A转换电路：TMS320LF2812本身自带有两个12位A/D转换模块，共有16个模拟输入通道可用。

D/A转换是为了输出软件控制系统中的状态变量，比如磁链、转矩等。D/A转换电路可输出两路状态变量，具体变量由软件设定。

(5).电流采样和保护电路：在弧线运动控制系统中，控制器需要及时准确的知道绕组中实际电流的大小，以实现电流控制和电流保护电路的设计。

本系统采用2个磁场平衡式霍尔电流传感器(瑞士莱姆(LEM)公司生产，型号为：LAH25-NP)模块分别检测a，c相电流，该模块将三相定子电流转化为基本的二进制代码，提供电流的实时信息，完成电流环的调节。并通过采样电阻将电流信息转换为电压信息，然后由TMS320F2812的A/D变换模块转化为数字信号，再经过数字滤波和定标处理，为电流环调节提供电流反馈信息。

(6).电压采样电路：电压传感器主要用来测量PWM逆变器直流侧电压，输出的信号主要用于保护和计算三相输出电压。由于被测电压为正的直流量，因此输出信号不需要加偏置电压，通过滤波放大后直接输入到TMS320F2812的A/D转换器中。

(7).编码器接口：绝对式编码器、增量式编码器的信号送往位置数据处理单片机(ARM7)，位置数据处理单片机(ARM7)把这两个信号变换成位置信号、速度信号和换向信号后，其位置值、速度值和换向信号都送往DSP的捕获口(QEP)；

(8).驱动电路：输出六路PWM信号，经过光电隔离后输出给智能功率模块(IPM)。

该DSP模块设置有超低速控制器软件系统，该超低速控制器软件系统由4部分组成：主程序、直接转矩控制算法程序、PWM信号周期中断、以及控制器与其相连的I/O口数据交换程序。其中：

主程序模块的任务主要是完成控制系统的初始化、电机定子端物理量(电流和电压)的测量、DSP系统初始化、外围模块初始化，进入中断服务子程序实现算法及控制功能，以及其它辅助功能。

直接转矩控制算法程序：直接转矩控制算法首先由中断服务程序完成A/D数据采样及保持(电压，电流、转速等物理量的数据采集)，然后进行3/2变换；电压矢量计算；电磁转矩计算，幅值计算，实时转速估计；磁链和电磁转矩误差计算，定子磁链区间判别，电压矢量选择，完成相应定时器比较单元的重装载，产生相应的PWM脉宽信号，加载于IPM输出。这个过程由定时器2中断来完成。

PWM信号周期中断，其由定时器1中断服务程序产生。其中断后完成新的数据采集、刷新，重新选择电压矢量。

数据交换程序主要包括与上位机的通讯程序，EEPROM中参数的存储。控制器键盘值的读取和显示程序。通过合适的通讯接口接收上位机的指令，并把执行结果回传到上位机，以满足上位机的实时监控。

以上方案中所述的绝对式编码器采用德国SICK公司生产的型号为ARS60-F4M03600绝对式编码器；也可以采用日本Koyo公司生产的TRD-K720-YS绝对式编码器。

选择3600线的德国SICK公司生产的型号为ARS60-F4M03600绝对式编码器是由于弧线电机的极数为120，需要将编码器产生的信号进行处理成相对应的相位差为120°电角度的U、V、W信号，编码器产生的信号送往位置数据处理单片机(ARM7)，位置数据处理单片机(ARM7)将这两个信号变换成位置信号、速度信号和换向信号后，其位置值、速度值和换向信号都送往DSP的捕获口(QEP)。

所述的增量式编码器采用钢带式光电编码器，用来检测电机的转速和位置，可选择采用德国HEIDENHAIN公司生产的编码器，型号为ERA-780C，或选用英国RENISHAW公司生产的钢带式编码器，型号为RGH24Y30A00A。

以上信号采集与比较环节的数字检测部分包括几个方面：

1、位置检测

位置检测由绝对式编码器和增量式编码器组成的混合式编码器来完成，其分辨率最终由德国HEIDENHAIN公司生产的ERA-780C编码器来决定，可以得到3.6″的分辨率，如果增配适当的细分器其分辨率还可以提高。

2、速度检测

速度检测用德国HEIDENHAIN公司生产的ERA-780C编码器来获得，可以得到3.6″的分辨率，如果增配适当的细分器其分辨率还可以提高。

3、换向检测

换向检测用德国SICK公司生产的ARS60-F4M03600绝对式编码器。

这三个检测信号分别由位置数据处理单片机(ARM7)处理后，分别获得位置、速度和换向信号。

根据系统的参数，在弧线电机实际运行过程中，从耐压和电流以及价格方面来考虑，所述的智能功率模块可以采用三菱公司PM15CZF120，额定电流为15A，耐压1200V。该模块包括五个端子：直流电压输入端P和N及三相交流电压输出端U，V，W；控制部分共18个端子，分别用于驱动电源、PWM信号输入和故障信号输出等。

由于本系统采用直接转矩控制策略，因此，数据计算的工作量很大，要求精度高，为了保证控制的实时性，还要求CPU的计算速度要快；而且，为了减少系统外围电路，最好芯片本身集成了PWM输出电路和A/D转换电路等。为了实现上述目的，及对执行电机的磁链、转矩、转子位置和转速信号的估算，本发明选用TI公司的高性能的TMS320F2812DSP数字信号处理器。TMS320F2812是TI公司的一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片。该芯片兼容TMS320F2407指令系统，最高可在150MHz主频下工作，指令周期6.67ns，并带有8K×16位的Flash存储器。其片上外设主要包括2×8通道12位ADC、2路SCI(串行通讯接口)、1路SPI(16位的串行外设接口)、1路McBSP、1路eCAN(控制器局域网络)等。并带有两个事件管理模块(EVA、EVB)，分别包括6路PWM/CMP、2路QEP、3路CAP、2路16位定时器(或TxPWM/TxCMP)。另外，该器件还有3个独立的32位CPU定时器，以及多达56个独立编程的GPIO引脚，可外扩大于1K×16位程序和数据存储器。

TMS320F2812采用哈佛总线结构，具有密码保护机制，可进行双16×16乘加和32×32乘加操作，因而可兼顾控制和快速运算的双重功能。

电源转换芯片采用TPS7333，将5V电源转换为3.3V，供DSP以及其他部分芯片使用。系统保护电路通过检测母线电流、相电流和线电压以及IPM故障信号，其输出分别送DSP相应的PDPINT和XINT2引脚。数/模转换芯片DAC7625用于实时输出系统中的磁链、转矩、转速、转子位置等变量。在弧线电机驱动控制器中，除了电流、电压信号外，磁链、转矩、转子位置是通过一定的算法估算得到，而转速信号是通过位置数据处理单片机(ARM7)得到，因此DSP及其外围电路是整个控制器的核心。

本发明的弧线驱动大口径天文望远镜能够实现大口径天文望远镜以弧线的方式运动，实现望远镜长时间、高精度跟踪、观测各种天体的需要，并满足天文观测的精密、宽调速参数要求：其最低转速要求达到1″/s以下；高速时达到10°/s以上；其速度范围变化超过36000∶1。

附图说明

图1为弧线运动控制系统的主电路图；

图2为弧线运动控制系统的硬件结构方框图；

图3为以TMS320F2812DSP为核心的控制电路框图；

图4为本发明实施例1的定子单元结构图；

图5为实施例1的定子安装示意图；

图6为实施例1的优化设计后的磁钢片；

图7为实施例1的磁钢片安装结构图；

图8为实施例1的边缘矽钢片结构示意图；

图9为弧线运动控制系统输入输出数据总关系图；

图10为下位机DSP主程序流程图。

具体实施方式

实施例1，大口径天文望远镜的弧线运动控制系统，包括上位计算机系统和下位计算机系统。上位计算机通过串行通讯与DSP的SCI模块连接，上位机实现弧线运动控制系统的在线集中监控、综合管理、性能检测和安全保护等功能。下位计算机系统包括DSP模块，执行电机，信号采集与比较环节，位置数据处理单片机(ARM7)。下位机根据上位机的控制指令完成相应的控制算法，并对弧线电机运动控制系统进行实时控制，电机上连接有电机驱动电路和保护电路。所述的天文望远镜由弧线电机驱动，该弧线电机采用大力矩交流稀土永磁同步伺服电机，电机的定子由15块“定子块”组成，每块折合为弧长460.7mm，每块“定子块”由9个完整矽钢片和2个减小边缘效应的矽钢片组成；每块定子采用9片/8极的绕组方式，从右向左电枢绕组分别按UVWUVWUVW排列；弧线电机转子由4块“转子块”组成，整个转子有120片磁钢片组成；该磁钢片采用减小齿槽转矩的设计，并设有磁钢片紧固装置；信号采集与比较环节中同时设有绝对式编码器和增量式编码器，其中绝对式编码器用于弧线电机的换向，增量式编码器用于弧线电机的位置(速度)检测。所述的绝对式编码器、增量式编码器的信号送往位置数据处理单片机(ARM7)，位置数据处理单片机(ARM7)把这两个信号变换成位置信号、速度信号和换向信号后，其位置值、速度值和换向信号都送往DSP的捕获口(QEP)；电机驱动电路采用数字化驱动智能功率模块(IPM模块)；系统中设有电流检测传感器，该电流检测电路检测电机的直流母线电流和相电流，直流母线电流和相电流检测信号经电流传感器送入DSP的A/D转换器中，构成闭环控制的电流环；在功率模块(IPM模块)上设有母线电压检测传感器，该电压检测传感器将检测的直流电压信号通过电压传感器送入DSP的A/D转换器中，对电路中出现的过压或欠压信号进行检测和保护；DSP模块的PWM信号输出经过光电隔离输出给驱动智能功率模块(IPM模块)，进而控制弧线电机的旋转。

本系统的电路部分设计如下：图1为本发明的弧线运动控制系统的主电路图：三相交流电压经整流模块，获得直流电压，为了防止上电时滤波电容C1由于突然施加电压引起的充电冲击大电流，在直流母线上加入了软起动电路。起初J1开路，C1经电阻R1充电，R1具有正温度系数，能有效地限制充电电流值，待直流母线电压上升到一定值后，由电压检测电路驱动交流接触器J1，触点J1将R1短接，C1再充电至正常直流电压值，供给由IGBT功率器件组成的三相逆变器。逆变器主电路采用六单元IGBT智能功率模块(IPM)，逆变器的输出A、B和C引至稀土永磁同步伺服电机定子的三相绕组，其中A与C相还穿绕过电流传感器，该传感器为零磁通补偿原理的霍耳电流传感器，向系统提供A、C相的电流检测信号。

在直流母线上还连接着R2和V1功率开关的串联支路，构成电机制动时的能耗制动电路。当电机制动时，通过逆变器桥臂的反并联二极管，把系统机械运动部分的动能以电能的形式，给直流母线的电容C1充电，由于C1电容量有限，将引起直流母线电压不断升高，首先使三相整流桥进入截止状态，不断升高的母线电压如果不采取措施加以限制那么将会危及功率部分的电路器件的安全。通过检测直流母线电压，当超过设定的上限值时，使V1导通，C1上的部分储能将通过R2消耗，使直流母线电压下降。

六单元IGBT智能功率模块(IPM)集成了IGBT三相逆变桥、驱动电路和保护电路，只需要将驱动信号通过光耦送到智能功率模块的控制信号输入端，不需要加另外的驱动电路，而通过光耦是为了实现控制部分与功率部分的电气隔离。保护电路可以实现对模块的过电流保护、短路保护、过热保护和控制电压欠压保护。当检测到通过模块的电流、模块的温度和控制电压这些信号中任一或几个达到保护动作值，保护电路能自动降低驱动电压至IGBT关断，并送出故障信号，使系统能及时作出反应。

为了抑制干扰，在三相交流进线处安装了由压敏电阻网络组成的吸收电路；在直流母线上，紧挨IGBT模块引线处安装了由C2、D1、R3组成的吸收电路，有效地抑制母线上的电压毛刺。

控制电源电路为系统提供所有的低压直流电源，包括一组+5V，供给DSP、数字集成电路和光电编码器：两组±15V供给控制部分的模拟电路和电流传感器；四组+15V供给IGBT IPM的驱动电路，其中三组分别供给三个上桥臂，另外一组供给三个下桥臂，同时这组+15V还供给功率部分的控制与保护电路。

电流采样和保护电路：在弧线运动控制系统中，控制器需要及时准确的知道绕组中实际电流的大小，以实现电流控制和电流保护电路的设计。

电压采样电路：电压传感器主要用来测量PWM逆变器直流侧电压，输出的信号主要用于测量和保护三相输出电压。

DSP模块输出的6路PWM控制信号经过光电隔离输出给智能功率模块(IPM模块)，进而控制弧线电机的旋转。

控制系统硬件结构方框图，请参照图2：本系统按功能可分为以下几个子单元：IPM模块、四组独立电源、光耦隔离、电流和电压检测、保护电路、DSP控制芯片及外围电路、串行通讯接口、键盘和显示电路。

在弧线运动控制系统中，控制器需要及时准确的知道绕组中实际电流的大小，以实现电流环的调节。在图2中2路电流采样的值通过DSP内置的12位A/D进行采样，经电流调节器后输出的6路PWM控制信号，PWM控制信号经过光电隔离后输出给智能功率模块(IPM)，进而控制弧线电机的旋转。在弧线电机的智能功率模块(IPM模块)上设有母线电压、母线电流检测传感器，该检测传感器将检测的直流电压、电流信号通过电压、电流传感器送入DSP的A/D转换器中，对电路中出现的过压或欠压、过流信号进行检测和保护。在图2中弧线电机为极对数为60的执行电机。

在图2中编码器产生的信号送往位置数据处理单片机(ARM7)，位置数据处理单片机(ARM7)将这两个信号变换成位置信号、速度信号和换向信号后，其位置值、速度值和换向信号都送往DSP的捕获口(QEP)。

图3是以TMS320F2812 DSP核心的控制电路框图。在望远镜的控制系统中，TMS320F2812承担了核心的控制任务。速度调节、电流调节、磁场定向控制所涉及的坐标变换和数学运算、故障信息的判断与综合及控制模式的选取都由TMS320F2812的软件完成。

在图3中，主要有直流母线电压检测电路、直流母线电流检测电路、相电流采样电路、速度(位置)检测电路、隔离驱动电路、I/O接口电路、通讯电路、RAM(cy7c199)、复位芯片(X25043)，故障显示等部分组成。在调试阶段，可以将程序放在片外RAM中，可多次调试，如果程序确实可行，并准备长期使用，可将程序写入DSP片内的FLASH ROM中。调试过程中的变量在片内单口RAM或双口RAM中，以提高处理速度。用MAX232芯片作为下位机和上位机的通讯接口模块。

电源转换芯片采用TPS7333，将+5V电源转换为3.3V，供DSP以及其他部分芯片使用。系统保护电路通过检测母线电流、相电流和线电压以及IPM故障信号，其输出分别送DSP相应的PDPINT和XINT2引脚。模/数转换芯片DAC7625用于实时输出系统中的磁链、转矩、转速、转子位置等变量。在弧线电机驱动控制器中，除了电流、电压信号外，磁链、转矩、转子位置是通过一定的算法估算得到，而转速信号是通过位置数据处理单片机(ARM7)得到，因此DSP及其外围电路是整个控制器的核心。

参照图4、图5：电机采用表贴式结构，其中的转子上粘贴有永磁体。电机极数为120个极；弧线电机的定子由15块“定子块”组成，每块折合为弧长460.7mm。每块定子采用9片/8极，从右向左电枢绕组分别按UVWUVWUVW排列，在一块定子中的9组矽钢片1，材料为DW-310-50；三相绕组2可以按星形联接也可以按三角形联接。每块定子之间根据需要可以串联也可以并联联接(一般采用星形联接，这样可以消除3次以及3的倍数的次谐波)。

同时参照图7与图8：每块“定子块”由9个完整矽钢片1和2个减小边缘效应的矽钢片1-1组成，即，在定子的边缘设计两块用于消除边缘效应的矽钢片1-1：该矽钢片只设置有半个“极脚”，并采用圆滑过渡；同时，上面不缠线圈。每块电枢有60片矽钢片1，通过三个紧固销钉3联接在一起。为了实现矽钢片各组之间的精确定位，在矽钢片上设计了一个定位凸台6，电枢之间通过矽钢片1上设计的定位凸台6咬合一起。在电枢与线圈2之间有绝缘材料制成的线圈缠绕板5。组装好的定子绕组通过紧固螺钉4安装到定子安装架上7，在安装架上设计有滑槽，把每块定子通过滑槽推入到工作平台上固定。每块定子与转子组合都可以看作一个“小型”电机，可以独立运行，15块定子可以组成一个完整电机。为了保证定子最终的安装精度，设计了矽钢片紧固小孔8通过三个销钉3将60片矽钢片紧固在一起。另外把磁钢片固定在安装架上，设计了矽钢片固定槽9。在固定槽9内插上固定杆10，组装好的一块定子通过固定杆10和固定螺钉4安装到安装架7上。

参照图6：为了消除齿槽效应，磁钢片边缘应该设计成圆滑过渡。为了防止磁钢片意外脱落，需要设计磁钢片的紧固装置。实际的磁钢片为图6中c的形状。

弧线运动控制系统所需要的全部输入输出数据的关系由图9所示。模拟量的“转速”、“直流电压”和“给定值”，通过上位机中的A/D转换器的控制和数据读入由中断1采用时钟中断模式执行。

转速和直流电压的读入值被直接传送去用作DTC(Direct TorqueControl：直接转矩控制)控制。而给定值由中断2控制传送到TMS320F2812。在转矩直接调节中，转矩给定值T_e ^*被限制在允许的范围内而被传送。ψ_e ^*作为磁链给定值由中断2送出。由中断4传送转矩容差ε_T和磁链ε_ψ，和由中断6传送模型参数。模型参数被写入双口数据RAM中。

TMS320F2812的A/D转换器接受被测电动机的电流分量i_α分量和i_β分量。另外，在状态口还接受由最小开关持续时间监视给出的逆变器的状态信号，用于记录的输出量由三个D/A转换器输出。

TMS320F2812产生逆变器的电压控制信号，经最小开关持续时间监视口监视后送出，如图9所示的输出信号S_a，S_b，S_c。

图10为下位机DSP主程序流程图：主程序模块的任务主要是完成控制系统的初始化、电机定子端物理量(电流和电压)的测量、DSP系统初始化、外围模块初始化，进入中断服务子程序实现算法及控制功能，以及其它辅助功能。

Claims

1.一种弧线驱动大口径天文望远镜，天文望远镜由电机驱动，电机上连接有电机驱动电路和保护电路；望远镜的控制机构中包括上位计算机系统和下位计算机系统，其特征在于：

所述的上位计算机系统通过串行通讯与下位计算机系统的DSP的SCI模块连接；上位计算机系统实现弧线运动控制系统的在线集中监控、综合管理、性能检测和安全保护功能；下位计算机系统包括DSP模块，所述的电机，信号采集与比较环节，位置数据处理单片机；下位计算机系统根据上位计算机系统的控制指令完成相应的控制算法，并对弧线运动控制系统进行实时控制；

所述的电机采用弧线电机，该弧线电机采用大力矩交流稀土永磁同步伺服电机，该弧线电机的定子由15块定子块组成，每块定子块折合为弧长460.7mm，每块定子块由9个完整矽钢片和2个减小边缘效应的矽钢片组成；

每块定子块采用9片/8极的绕组方式，从右向左电枢绕组分别按UVWUVWUVW排列；

所述的弧线电机转子由4块转子块组成，整个转子由120片磁钢片组成；该磁钢片采用减小齿槽转矩的设计，并设有磁钢片紧固装置；

所述控制机构中的信号采集与比较环节中同时设有绝对式编码器和增量式编码器，其中绝对式编码器用于所述弧线电机换向；增量式编码器用于所述弧线电机的位置检测；所述的绝对式编码器和增量式编码器的信号通过位置数据处理单片机输出给下位计算机系统的DSP模块；

下位计算机系统中的电机驱动电路采用数字化驱动智能功率模块；

在所述数字化驱动智能功率模块上设有电流检测电路和电流检测传感器，该电流检测电路的信号经电流检测传感器送入DSP模块的A/D转换器，构成闭环控制的电流环；

在所述数字化驱动智能功率模块上设有母线电压检测传感器，该母线电压检测传感器将检测的直流电压信号通过电压传感器送入DSP模块的A/D转换器中，对电路中出现的过压或欠压信号进行检测和保护；

DSP模块的PWM信号输出经过光电隔离输出给驱动智能功率模块；进而控制所述弧线电机的旋转；

所述的减小边缘效应的矽钢片的结构是，该矽钢片只设置有半个极脚，并采用圆滑过渡；同时，上面不缠线圈；

所述的采用减小齿槽转矩的设计是：磁钢片的边缘采用圆滑过渡。

2.根据权利要求1所述的弧线驱动大口径天文望远镜，其特征在于，所述的DSP模块设有以下结构：

(1).电源电路：选用DC/DC转换芯片TPS7333；TPS7333采用S0-8封装，单电压3.3伏输出，具有上电复位功能，同时输出监视引脚SENSE随时监测输出电压，当输出电压不稳定或低于复位门限电压时，复位引脚RESET产生200ms的复位延迟进行保护；

(2).通讯电路：采用DSP模块的SCI模块完成与上位计算机系统的通讯功能，用一片MAX232芯片作为上位计算机系统和下位计算机系统的通讯接口模块；

(3).仿真接口电路：JTAG扫描逻辑电路用于仿真和测试，采用JTAG实现在线仿真，同时也是调试过程装载数据、代码的唯一通道；通过JTAG接口将仿真器与目标系统--DSP模块相连接；

(4).A/D、D/A转换电路：所述DSP模块选用TMS320F2812，TMS320F2812本身自带有两个12位A/D转换器，共有16个模拟输入通道可用；该A/D转换器输出两路状态变量；

(5).电流采样和保护电路：在弧线运动控制系统中，控制器--DSP模块及时准确的得到绕组中电流大小的信号，以实现电流控制和电流保护电路的设计；

(6).电压采样电路：所述的母线电压检测传感器用来测量所述数字化驱动智能功率模块中的三相PWM逆变器的直流侧电压，输出的信号用于保护和计算三相输出电压；被测电压输出信号通过滤波放大后直接输入到所述TMS320F2812的A/D转换器中；

(7).编码器接口：绝对式编码器、增量式编码器的信号送往位置数据处理单片机，位置数据处理单片机把这两个信号变换成位置信号、速度信号和换向信号后，其位置信号、速度信号和换向信号都送往DSP模块的捕获口QEP；所述的位置数据处理单片机采用ARM7；

(8).驱动电路：输出六路PWM信号，经过光电隔离后输出给所述数字化驱动智能功率模块。

3.根据权利要求2所述的弧线驱动大口径天文望远镜，其特征在于，所述的控制系统主电路的具体结构是：三相交流电压经整流模块，获得直流电压；在直流母线上加有软起动电路，供给由IGBT功率器件组成的三相PWM逆变器；逆变器主电路采用六单元IGBT的数字化驱动智能功率模块，系统采用2个磁场平衡式霍尔电流传感器模块，分别检测a，c相电流，完成电流的检测。

4.根据权利要求1所述的弧线驱动大口径径天文望远镜，其特征在于，所述的磁钢片采用紧固装置固定，所述的磁钢片紧固装置的结构是；在磁钢片胶结的同时，在磁钢片的外面套有钢片材料；并用圆头内六角螺钉固定。

5.根据权利要求4所述的弧线驱动大口径天文望远镜，其特征在于，所述的磁钢片紧固装置的结构中，采用的钢片为0.5mm厚；材料为1Cr18Ni9Ti。

6.根据权利要求1～5之一所述的弧线驱动大口径天文望远镜，其特征在于，所述的驱动智能功率模块中的功率部分为IGBT功率器件采用的型号为PM15CZF120，其主电路部分包括五个端子：直流电压输入端P和N及三相交流电压输出端U，V，W；控制部分共18个端子，分别用于驱动电源、PWM信号输入和故障信号输出。

7.根据权利要求6所述的弧线驱动大口径天文望远镜，其特征在于，定子的安装固定方式是：在矽钢片上设有定位凸台，电枢之间通过矽钢片上的定位凸台咬合一起；矽钢片上还设有固定槽；在固定槽内插上固定杆，组装好的一块定子块通过固定杆和固定螺钉安装到安装架上。