CN104635759A - 极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统 - Google Patents

Abstract

极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，软件系统包括上位机软件和下位机软件；硬件系统包括控制电路、驱动电路、位置反馈电路和保护电路。电机是200对极超低速多极拼接的弧线电机，与负载合为一体；共8个单元电机组成，每个单元电机可以单独运行或者串并联运行；选择其中的两组单元电机，组成多相永磁同步电机；上位机是发送复位命令，位置命令，实时显示、接收速度位置信息，并且留有通讯端口，与望远镜观测控制系统通讯；下位机采用两个控制器，分别对所述多相永磁同步电机中的两套绕组进行控制；本控制系统结合母线电压控制、智能控制、空间电压矢量控制，满足极大望远镜高精度、超低速、大惯量、宽调速的控制要求。

Description

极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统

技术领域

本发明涉及一种电机驱动控制方法，具体涉及一种极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统。本发明属于中国科学院知识创新工程重要方向项目：极大口径光学/红外望远镜关键技术预研究。

背景技术

人类对宇宙的探索意义深远，这对天文学的发展具有巨大的推动作用，为了探索更微弱的信号，必须提高望远镜集光能力和分辨能力，需要更大的口径和更大的视场，有必要研发极大口径望远镜。无论是光学望远镜还是射电望远镜，都在朝着大口径的趋势发展，目前世界各国都在合作或独自发展本国的大口径望远镜。

现在世界上已有十几架8-10米级地面光学/红外望远镜投入光学观测，例如，欧洲南方天文台4台8米级口径光学望远镜VLT，美、英、加合作的两台8米级望远镜GEMINI，日本的8米级望远镜SUBARU。中美日加等多国联合研发的TMT、欧南台等欧洲国家合作的E-ELT、美国和澳大利亚合作的GMT已研发数年，于2014年陆续举行开工仪式。目前在建的中国射电望远镜FAST直径达500米，其灵敏度和各项综合性能指标得到数倍提高，同时天文界已经开始了30米以上极大口径光学望远镜关键技术方案研究。

随着望远镜口径的增大，跟踪部分的体积、重量、转动惯量变得庞大，而且极大望远镜多采用开放式观测模式，风载将直接影响望远镜的控制。极大望远镜在提高系统灵敏度和分辨率的同时，加大了位置跟踪控制系统的难度，极大望远镜位置跟踪控制技术将是未来大口径望远镜研制中必须解决的关键技术之一。目前国内外大口径望远镜跟踪系统大多采用摩擦驱动或者直接驱动两种控制方式，直接驱动因为其电机和负载合成一体，机械刚度高、控制简单、可靠性高、精度高等优点，成为望远镜跟踪系统一大研究热点。

目前VLT、GTC、ALAM等已经成功运用直接驱动控制技术，电机都是意大利PHASE公司研制。而国内直接驱动技术仅应用于口径小于2米级的中、小型光学望远镜，现有的生产设备和加工技术难以生产更大口径的直接驱动电机，小型望远镜中使用的直接驱动技术不能解决大口径望远镜跟踪中产生的控制技术问题。

多相电机具有功率大、转矩脉动小、容错能力强等优点，自上世纪90年代开始，随着电子技术、控制理论、电机设计以及数字化控制的发展，很多高性能的智能控制策略从理论阶段上升到应用阶段，为多相电机的发展创造了技术条件。大功率传动的需求尤其是舰船电力推进、航空等应用发展的需要，也进一步推动了多相电机驱动控制技术的研究。其中英国、美国、意大利等科研机构的研究成果最为典型，德国、俄罗斯、瑞典、韩国、日本、印度等国家的一些研究机构在多相电机及其调速控制系统方面的研究也取得了丰硕的成果。国内对多相电机调速传动系统的研究起步较晚且比较分散，主要集中在一些大学和科研机构，取得了卓有成效的进展。

国内外对多相电机驱动技术的研究主要集中在舰船推进、电力机车和数控机床等低压大功率、高性能和高可靠性应用场合，被控对象多工作在中高速状态，针对极大望远镜跟踪控制系统具有惯量大、超低速、高精度等特点，必须进一步改进驱动控制方法和控制策略。

发明内容

针对现有技术中的小型望远镜中使用的直接驱动技术不能解决大口径望远镜跟踪中产生的控制技术问题这一难题，本发明的目的是提供一种极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，该控制系统可以满足极大望远镜高精度、超低速、大惯量、宽调速的控制要求。

完成本发明的技术方案是：一种极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，本系统包括软件系统和硬件系统，该软件系统包括上位机软件和下位机软件；该硬件系统包括控制电路、驱动电路、位置反馈电路和保护电路，其特征在于：

所述硬件系统中采用的电机是一种用于极大望远镜跟踪系统的200对极（即400极）超低速多极拼接的弧线电机，是一种力矩交流永磁同步电机，该永磁同步电机与望远镜负载合为一体；该永磁同步电机共有8个单元电机组成，每个单元电机可以单独运行或者串并联运行；选择其中的两组单元电机，组成多相永磁同步电机。

所述软件系统中的上位机是发送复位命令，位置命令，实时显示、接收速度位置信息，并且留有通讯端口，与望远镜观测控制系统进行通讯；所述软件系统中的下位机采用两个控制器，分别对所述多相永磁同步电机中的两套绕组进行控制。

本控制系统分为两个子控制系统，每个子控制系统各自包含独立的控制器和驱动器，所述硬件系统的控制电路以微处理器为核心控制器；驱动电路以智能功率模块为核心，其内部对每一桥臂均设置保护电路；其中的位置反馈电路采用增量式光栅尺。

本发明采用永磁同步电机是一种专门研制的多极拼接弧线电机，其定子固定于望远镜外围基座上，转子直接安装在望远镜方位轴上，弧线电机与望远镜本体共用一套轴承，拼接电机的驱动电磁力矩通过磁路均匀加到望远镜上，提高了望远镜跟踪轴的扭转刚度，可以取消涡轮传动换向时的齿隙影响，没有摩擦驱动的爬行问题。选择两组单元电机，组成多相永磁同步电机，提高望远镜控制精度。

更具体和更优化地说：

1. 本技术方案中，采用的电机是一种为极大望远镜跟踪系统专门研制的200对极，即400极超低速弧线拼接电机，电机与负载合为一体，原理上是力矩交流永磁同步电机，由系列单元伺服电机按照电磁关系设计拼接而成，此拼接电机共有8个单元电机组成，单元电机可以单独运行或者串并联运行，选择两组单元电机，组成多相永磁同步电机，具有可靠性高、冗余度好、转矩脉动小、振动低等优点。

单元电机共有四十八个绕组,每相有十六个电机线圈，采用星形连接方式，单元电机定子均匀分布，其绕组接法如图1所示.

2. 软件系统上位机采用标准c语言编程，利用visual c++编写界面，采用can总线通讯控制，主要是发送复位命令，位置命令，实时显示、接收速度位置信息，并且留有通讯端口，可以与望远镜观测控制系统进行通讯。软件系统下位机是基于DSPTMS320F2812的c语言编程，主要是完成电流采样、电流闭环、速度闭环、位置闭环等功能。

下位机采用两个控制器，分别对多相电机的两套绕组进行控制。发送数据说明:第一字节为地址信息,表示控制器地址。第二字节为状态信息：表示电机运行状态，分为五种情况：上电信息返回、运行过程位置反馈、运行过程速度反馈、运行停止、等待命令。其余字节为具体的速度数据和位置数据。

3. 控制系统分为两个子控制系统，每个子控制系统包含独立的控制器和驱动器，硬件系统控制电路以微处理器TMS320F2812为核心控制器；驱动电路以智能功率模块PM50RSA120为核心，其内部对每一桥臂均设置保护电路；位置反馈电路采用海德汉高精度增量式光栅尺ERA780C，分辨率小，精度高；硬件保护电路采用CPLD,当功率电路过流、过压、欠压或者驱动电路出现故障时，保护驱动电路。

其中主控制器反馈包括：两相电流反馈、位置反馈，主控制器中进行电流闭环、速度闭环和位置闭环，次控制器反馈仅有两相电流反馈，进行电流闭环，速度信息由主控制电路获得。

4. 驱动电路采用两块智能功率模块（IPM），IPM综合GTR(大功率晶体管)和MOSFET（场效应晶体管）的优点，具有高电流密度、低饱和电压、耐高压以及高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。同时其内部还集成了逻辑、控制、检测和保护电路，不仅使用方便，体积小，开发时间短，也大大增强了系统可靠性。保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护，当发生任意一种保护时，器件内部自动复位，并输出故障信号。

5. 在保证系统平均负载转矩前提下，为降低转矩脉动，提高望远镜运行稳定度，此控制系统采用母线电压控制和矢量控制相结合的控制方式，在望远镜运行跟踪角度较大或跟踪系统需要换天区运转时，控制系统供电电压，结合矢量控制，保证快速、精确到达天区内；在跟踪目标或者负载发生变化时，控制系统供电电压，结合矢量控制，保证高精度平稳跟踪天体目标。

极大望远镜运行过程中，速度范围要求：1°～1"，高速与低速比例在3600，调速范围宽，且低速运行缓慢，跟踪连续无爬行。此控制系统根据速度运行范围，采用TCP/IP通讯，对系统直流供电电源进行控制，具体做法：采用模糊控制多输入单输出控制方法，将位置信息分为n段，由此判断运行速度曲线，根据模糊控制规则，推断输出直流母线电压。

本发明基于极大望远镜位置跟踪系统对多相电机驱动技术的研究非常有意义，本发明的控制系统可以满足极大望远镜高精度、超低速、大惯量、宽调速的控制要求。

附图说明

图1为本发明实施例1的电机绕组示意图；

图2为本发明实施例1的软件系统流程图；

图3为本发明实施例1的硬件系统结构图；

图4为本发明实施例1的霍尔电流检测调理电路；

图5为本发明实施例1的智能功率模块驱动电路图；

图6为本发明实施例1的多相电机空间电压矢量图。

具体实施方法

实施例1，极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，该系统由控制机构、驱动机构和反馈机构组成，控制机构由主控PC机、DSP下位机软件组成，用于实现人机界面、发送命令、实时显示、SVPWM控制算法、输出PWM信号、位置闭环等；驱动机构有多相永磁同步电机和驱动电路组成，驱动电路包括高速光耦隔离、CPLD保护电路、智能功率模块等；反馈机构包括霍尔电流传感器和光栅尺，采集多相电机的电流、速度和位置信号，进行相应处理后送入DSP控制器。

极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统以DSP处理器和智能功率模块为核心，硬件系统结构图如图3所示，主要由以下部分组成：

1.DSP处理器

控制电路以TI公司TMS320LF2812为核心，其整合了微控制器和DSP的最佳特性，是目前主流的电机控制专用定点数字信号处理器（DSP），对于多相电机的控制具有以下优点：

有较强的数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，在控制算法上也有其独到的优势。

主频高达150Mhz，哈弗总线结构，运算速度快；

具有EVA和EVB两个独立的事件管理器，包括通用定时器、比较器模块/pwm电路、捕获单元CAP、正交编码脉冲电路等，通过设置控制寄存器就可以实现多相电机的控制与检测。

集成了很多功能强大的外围，简化了控制电路，有效缩短了开发周期。LF2812芯片本身集成了一个完整的增强型CAN控制器，支持eCAN和CAN2.0B协议，非常方便接入到CAN总线系统，本控制系统中，采用CAN通讯协议与主控PC机进行通讯，实时接收显示速度和位置信息。

具有丰富的独立可编程的数字IO引脚。

采用TI公司电源芯片TPS767D318，提供双电压输出，输出电流1A，输出电压1.8V、3.3V，输出电压波动范围1%，1.8V给DSP内核供电，3.3V给IO等外设供电，保证外设先上电，内核后上电。

通讯电路采用PCA82C250贴片型can收发器，待机模式功耗小，收发器与DSP内部的CAN控制器之间光电隔离，总线各节点实现电气隔离，PCA82C250具有抗瞬间干扰及保护总线能力、过热保护、短路保护等，其驱动电路内部具有限流电路，保护输出级电路，由于望远镜驱动系统电磁干扰较大，必须采用屏蔽双绞电缆，减少射频干扰现象。

2.功率电路

采用日本三菱公司的PM50RSA120，集电极电流50A，最大允许供电电压1200V，共有6个IGBT主回路单元和1个制动单元，共需要四组相互隔离的供电电源，每个上桥臂控制电源独立，三个下桥臂和制动单元共用一组，每上桥臂均有报警信号输出。利用TMS320F2812的事件管理器EVA，根据永磁同步电机矢量控制算法，产生六路脉宽调试信号PWM1~PWM6，经六路高速光耦连接到智能功率模块控制端，形成近似的圆形旋转磁场，控制单元电机运行，智能功率模块驱动电路。如图5所示。

所采用的智能功率模块主电路直流电压输入端P和N接直流母线电压，逆变器输出端U、V、W对应接永磁同步电机UVW端，控制部分共7个单元，其中6路为接DSP2812事件管理器A输出的pwm1～pwm6经高速光耦隔离放大的驱动信号，制动单元电路接相应控制信号。

所采用的四路供电电源采用24S15稳压模块，输入电压24V，输出电压15V，输出电流2A，电压精度1%，纹波150mv,封装小，效率高，具有欠压保护、短路保护、过压保护。采用高速光耦HCPL4504，电流转换率典型值30%，传送延迟小，特别适用于有死区时间的pwm驱动，具体驱动电路见图5。

3.霍尔电流检测

电流检测采用高精度霍尔电流传感器，测量精度高、线性度好、响应速度快、电隔离性能好。选择合适的量程，供电电压为5V，对定子三相电流进行检测，电流采样调理电路采用单电源供电运放，霍尔传感器、运放及DSP工作电压共地，电流采样调理电路如图3所示。

4.位置和速度检测

位置和速度检测采用德国海德汉公司的角度编码器ERA－780C获得，其分辨率为3.6''，输出为峰值为1V的正弦波信号，可以通过细分电路进行细分。

编码器信号经四倍细分电路处理后，接入事件管理器A的QEP1、QEP2、QEP3，首先参数初始化，输入参数：编码器刻线，极对数等，输出信号为电角度和机械角度，调用定时器中断，每固定时间间隔内，将本次编码器数据与上一次编码器数据相减，除以时间，得出速度、方向和位置信息。

5.CPLD保护电路

对于保护电路，设置输入端接收来自DSP的六路PWM脉冲信号，来自智能功率模块每一单元的故障信号，以及驱动电路过压、欠压、过流信号等，输出端为6路驱动信号，DSP的PDPINT保护引脚等。利用硬件语言verilog综合考虑各种因素，保证整个系统安全可靠运行，发生任一故障时，硬件保护电路能及时作出保护和诊断。

6.DSP软件控制系统

DSP软件控制系统以空间电压矢量控制为核心，主要包含：初始化程序、CAN通讯程序、定时器中断程序、捕获中断程序等。CAN通讯程序实时发送位置速度信息，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，具有实时性强、可靠性高、高性能等优点；定时器中断程序包括电流数字滤波算法、clark变换、park变换、反park变换、产生pwm信号、闭环控制等。

7.多相电机空间电压矢量控制

此极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统中，多相电机需要双三相逆变器即两个智能功率模块供电，每个桥臂的上下两个开关器件工作在互补导通状态，将六相电机的控制简化为对两台三相永磁同步电机的独立控制，对于多相电机的控制利用坐标变换来达到简化问题难度和方便控制系统设计的目的。

六相电机共有2⁶＝64个矢量，规定：上桥臂开关闭合，下桥臂开关关断为“1”，上桥臂开关关断，下桥臂开关闭合为“0”。所采用的多相电机空间电压矢量控制控制利用以下12个矢量：100100，110100，110110，010110，010010，011010，011011，001011，001001，101001，101101，100101，如图6所示，两个三相电机在电角度上相差30⁰，每一个PWM周期内，将空间电压矢量Vs分解为Vs1和Vs2，其分别对应两个相差30⁰的空间电压矢量图，每一个Vs1和Vs2，在对应的区域内，都可以由相邻的两个电压矢量来合成。

8.电压控制和智能控制

此极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统的一大特点就是调速范围很宽，低速：1''/s，高速1⁰/s，速度变化范围很大，采用电压控制和智能控制想结合的方法解决这一难题。控制策略采取模糊控制，模拟人的思维、推理和判断，用计算机语言来表达控制规则，具有鲁棒性强，抗干扰能力好，对参数变化不敏感、适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。具体实施方法如下：将速度信息和位置信息划分为若干区间，每次接收到运行命令后，判断工作区间，通讯控制可程控直流电源，调节母线电压，同时结合空间电压矢量控制算法，降低控制难度，提高运动精度。

所采用的功率源为可程控直流电源，电压可调范围为0～600V，最大电流输出为25A，功率为15Kw，根据输入位置、速度信息，结合模糊控制规则表，智能判断输出直流母线电压值。

选择模糊状态规则时，考虑实施简单性和跟踪控制效果，保证系统响应的快速性和稳定性。将位置误差分为5个模糊子集：PosE1、PosE2、PosE3、PosE4、PosE5，将速度信息分为6个模糊子集：Speed1、Speed2、Speed3、Speed4、Speed5、Speed6，输出值为离散值，模糊子集为：EL(超大)、ML(更大)、L(稍大)、M(中)、S(稍小)、MS(更小)、ES(超小)，具体模糊控制规则表如下。

表1 模糊控制规则表

Speed1

Speed2

Speed3

Speed4

Speed5

Speed6

PosE1

ES

ES

S

S

*

*

PosE2

S

S

S

M

M

*

PosE3

S

M

M

M

L

*

PosE4

*

L

L

ML

ML

EL

PosE5

*

*

ML

L

EL

EL

Claims (10)

1.一种极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，本系统包括软件系统和硬件系统，该软件系统包括上位机软件和下位机软件；该硬件系统包括控制电路、驱动电路、位置反馈电路和保护电路，其特征在于：

所述硬件系统中采用的电机是一种用于极大望远镜跟踪系统的200对极超低速多极拼接的弧线电机，是一种力矩交流永磁同步电机，该永磁同步电机与望远镜负载合为一体；该永磁同步电机共有8个单元电机组成，每个单元电机可以单独运行或者串并联运行；选择其中的两组单元电机，组成多相永磁同步电机；

所述软件系统中的上位机是发送复位命令，位置命令，实时显示、接收速度位置信息，并且留有通讯端口，与望远镜观测控制系统进行通讯；所述软件系统中的下位机采用两个控制器，分别对所述多相永磁同步电机中的两套绕组进行控制。

2.本控制系统分为两个子控制系统，每个子控制系统各自包含独立的控制器和驱动器，所述硬件系统的控制电路以微处理器为核心控制器；驱动电路以智能功率模块为核心，其内部对每一桥臂均设置保护电路；其中的位置反馈电路采用增量式光栅尺。

3.根据权利要求1所述的极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，其特征在于，所述的永磁同步电机是一种多极拼接弧线电机，其定子固定于望远镜外围基座上，转子直接安装在望远镜方位轴上，该多极拼接弧线电机与望远镜本体共用一套轴承，拼接电机的驱动电磁力矩通过磁路均匀加到望远镜上。

4.根据权利要求2所述的极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，其特征在于，所述的力矩交流永磁同步电机，由系列单元伺服电机按照电磁关系设计拼接而成，此拼接电机共有8个单元电机组成，所述的单元电机可以单独运行或者串并联运行，所述的方位轴位置跟踪控制系统中是选择两组单元电机，组成多相永磁同步电机。

5.根据权利要求3所述的极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，其特征在于，所述的单元电机共有四十八个绕组,每相有十六个电机线圈，采用星形连接方式，单元电机定子均匀分布，其绕组接法如图1所示.

根据权利要求1所述的极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，其特征在于，所述的软件系统上位机采用标准c语言编程，利用visual c++编写界面，采用can总线通讯控制，负责发送复位命令，位置命令，实时显示、接收速度位置信息，并且留有通讯端口，与望远镜观测控制系统进行通讯；该软件系统下位机是基于DSPTMS320F2812的c语言编程，负责完成电流采样、电流闭环、速度闭环、位置闭环功能。

6.根据权利要求1所述的极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，其特征在于，所述的下位机采用两个控制器，分别对多相电机的两套绕组进行控制；所发送数据中：第一字节为地址信息，表示控制器地址；第二字节为状态信息：表示电机运行状态，该电机运行状态分为五种情况：上电信息返回、运行过程位置反馈、运行过程速度反馈、运行停止、等待命令；其余字节为具体的速度数据和位置数据。

7.根据权利要求1所述的极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，其特征在于，所述的控制系统分为两个子控制系统，每个子控制系统包含独立的控制器和驱动器，硬件系统控制电路以微处理器TMS320F2812为核心控制器；驱动电路以智能功率模块PM50RSA120为核心，其内部对每一桥臂均设置保护电路；位置反馈电路采用海德汉高精度增量式光栅尺ERA780C；硬件保护电路采用CPLD。

8.根据权利要求1所述的极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，其特征在于，其中主控制器反馈包括：两相电流反馈、位置反馈，主控制器中进行电流闭环、速度闭环和位置闭环，次控制器反馈仅有两相电流反馈，进行电流闭环，速度信息由主控制电路获得。

9.根据权利要求1所述的极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，其特征在于，所述的驱动电路采用两块智能功率模块；同时其内部还集成了逻辑、控制、检测和保护电路。

10.根据权利要求1-9之一所述的极大望远镜方位轴位置跟踪控制系统，其特征在于，所述的控制系统采用母线电压控制和矢量控制相结合的控制方式，在望远镜运行跟踪角度较大或跟踪系统需要换天区运转时，控制系统供电电压，结合矢量控制，保证快速、精确到达天区内；在跟踪目标或者负载发生变化时，控制系统供电电压，结合矢量控制，保证高精度平稳跟踪天体目标。