CN109189048A - 一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及伺服控制技术领域，特别涉及一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法；本发明步骤为先标定电机电角度旋转正方向并与编码器旋转正方向一致；再电机电角度标定；然后对每个分段电机分别顺序进行前面两个步骤，使得每个分段电机的出力大小和方向一致；本发明先标定电机电角度旋转正方向并与编码器旋转正方向一致，再对电机电角度标定，然后对每一个弧形分段电机重复进行，从而使望远镜内的全部的弧形分段电机的出力大小和方向均一致，从而达到高精度控制的要求。

Description

一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法
技术领域
本发明涉及伺服控制技术领域，特别涉及一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法。
背景技术
随着深空探测需求的日益增长，地基望远镜的口径越来越大，这就要求驱动电机的直径也越来越大，如果继续采用传统的整装直流电机方案，会给电机的加工、运输、安装都带来了巨大的困难。为此，20世纪末，欧洲南方天文台(ESO)率先采用了适用于大型望远镜的弧形分段电机的驱动方式，这种结构的电机已经成功地应用在了很多大口径天文望远镜上，如欧洲南方天文台的8.2m VLT望远镜、日本国家天文台的8.2m SUBARU望远镜、西班牙的10.4m GTC望远镜，以及美国的射电望远镜阵(ALMA)。现在国外正在研制的极大光学望远镜中很多也都采用这种传动方式，如TMT(30m)、Euro50(50m)等。
弧形分段电机本质上是一种交流永磁同步电机，与传统的直流有刷电机相比，弧形分段电机采用电子换相装置取代有刷直流电机的机械换向器，可以避免换向火花、电刷磨损以及电磁干扰等问题，提高系统的可靠性和安全性，弧形分段电机的定子和转子分割成多块进行加工，可以大大地降低加工难度和加工成本，同时，也便于运输。
弧形分段电机控制系统具有几个显著特点：第一，分块定子为线圈绕组，分块转子为磁钢，弧形分段电机的定子和转子安装完成后，每一块定子相对转子具有自己独立的电角度零点；第二，要求多个电机段位置安装正确，以达到减小磁阻力矩的作用；第三，分段电机属于高极对数电机，一般可达上百极对数，这对电角度对准提出了更高要求；第四，要求每个电机段的出力大小和方向要一致，才能保证多台分段电机的高精度同步运动控制。望远镜内的弧形分段电机需要出力大小和方向均一致，才能达到高精度控制的要求，因此，需要对望远镜内的弧形分段电机进行精确标定。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，其先标定电机电角度旋转正方向并与编码器旋转正方向一致，再对电机电角度标定，然后对每一个弧形分段电机重复进行，从而使望远镜内的全部的弧形分段电机的出力大小和方向均一致，从而达到高精度控制的要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1、标定电机电角度旋转正方向并与编码器旋转正方向一致：以望远镜的转台顺时针旋转方向为正方向，该正方向为编码器旋转正方向，同时也为电机电角度旋转正方向；当电机以电机电角度旋转正方向转动时，电机的U相反电动势领先电机的V相反电动势120°，电机的V相反电动势领先电机的W相反电动势120°；
步骤S2、电机电角度标定：将电机的U相反电动势过零点位置再加上四分之一电角度周期标定为电机的电角度零点；
步骤S3、对每个分段电机分别顺序进行步骤S1和步骤S2，使得每个分段电机的出力大小和方向一致。
作为本发明的一种改进，在步骤S1内，通过三个电阻构造虚拟中性点，通过示波器测量电机的三相反电动势相序，标定出与编码器旋转正方向一致的电机的U相、V相和W相。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1内，取三个阻值相等的电阻，三个电阻的一端分别连接电机的三根动力线，该三个电阻的另一端短接在一点，则该点就是该电机的虚拟中性点；将示波器的三个通道分别接三个电阻与电机动力线的三个连接处，将虚拟中性点接入示波器的参考点。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S1内，顺时针旋转电机，通过示波器查看电机的三相反电动势波形，以示波器的第一通道(CH1)测量波形为参考，如果示波器的第一通道(CH1)的波形领先示波器的第二通道(CH2)的波形，示波器的第二通道(CH2)的波形领先示波器的第三通道(CH3)的波形，那么，接入示波器的第一通道(CH1)、第二通道(CH2)和第三通道(CH3)的三根电机线就分别为U相、V相和W相。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S1内，顺时针旋转电机，通过示波器查看电机的三相反电动势波形，以示波器的第一通道(CH1)测量波形为参考，如果示波器的第一通道(CH1)的波形领先示波器的第三通道(CH3)的波形，示波器的第三通道(CH3)的波形领先示波器的第二通道(CH2)的波形，那么，接入示波器的第一通道(CH1)、第二通道(CH2)和第三通道(CH3)就分别为U相、W相和V相。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S2内，将电机的U相和虚拟中性点分别接入过零比较器的正输入端和负输入端，顺时针旋转电机，使电机的U相产生反电动势，该反电动势经过过零比较器被整形成方波信号，将该方波信号的上升沿作为触发信号，从而采集该时刻对应的编码器位置值。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S2内，采集若干个编码器位置值，通过位置信息及电机的磁极对数，可得到距离编码器零点最近的电角度零点的位置。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S2内，转动电机的过程中，会产生多个触发脉冲，则需要进行数据野值剔除。
作为本发明的更进一步改进，在步骤S2内，通过验证相邻编码器位置值的差是否满足一个电角度周期，来进行数据野值剔除，以获得有效数据。
作为本发明的更进一步改进，数据野值剔除包括剔除脉冲毛刺产生的误触发。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明先标定电机电角度旋转正方向并与编码器旋转正方向一致，再对电机电角度标定，然后对每一个弧形分段电机重复进行，从而使望远镜内的全部的弧形分段电机的出力大小和方向均一致，从而达到高精度控制的要求。
附图说明
图1是本发明的方法步骤流程框图；
图2是本发明的应用于步骤S1内的电机电角度旋转正方向的标定的电路连接结构图；
图3是本发明的应用于步骤S2内的电机电角度标定的电路连接结构图；
附图标记：S1-步骤S1，S2-步骤S2，S3-步骤S3，01-弧形分段电机、02-示波器，03、04、05-电阻，06、07、08-测试点，09-虚拟中性点，11-弧形分段电机、12-过零比较器，13-数据采集装置，14-位置编码器，15-测试点，16-虚拟中性点，17、18、19、110、111、112-电阻。
具体实施方式
请参照图1至图3，本发明的一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，包括如下步骤：
步骤S1、标定电机电角度旋转正方向并与编码器旋转正方向一致：以望远镜的转台顺时针旋转方向为正方向，该正方向为编码器旋转正方向，同时也为电机电角度旋转正方向；当电机以电机电角度旋转正方向转动时，电机的U相反电动势领先电机的V相反电动势120°，电机的V相反电动势领先电机的W相反电动势120°；
步骤S2、电机电角度标定：将电机的U相反电动势过零点位置再加上四分之一电角度周期标定为电机的电角度零点；
步骤S3、对每个分段电机分别顺序进行步骤S1和步骤S2，使得每个分段电机的出力大小和方向一致。
在本发明中，先标定电机电角度旋转正方向并与编码器旋转正方向一致，再对电机电角度标定，然后对每一个弧形分段电机重复进行，从而使望远镜内的全部的弧形分段电机的出力大小和方向均一致，从而达到高精度控制的要求。
其中，在步骤S1内，通过三个电阻构造虚拟中性点，通过示波器测量电机的三相反电动势相序，标定出与编码器旋转正方向一致的电机的U相、V相和W相。
进一步，在步骤S1内，取三个阻值相等的电阻，三个电阻的一端分别连接电机的三根动力线，该三个电阻的另一端短接在一点，则该点就是该电机的虚拟中性点；将示波器的三个通道分别接三个电阻与电机动力线的三个连接处，将虚拟中性点接入示波器的参考点。
具体地，如图2所示，在步骤S1内，顺时针旋转电机，通过示波器查看电机的三相反电动势波形，以示波器的第一通道(CH1)测量波形为参考，如果示波器的第一通道(CH1)的波形领先示波器的第二通道(CH2)的波形，示波器的第二通道(CH2)的波形领先示波器的第三通道(CH3)的波形，那么，接入示波器的第一通道(CH1)、第二通道(CH2)和第三通道(CH3)的三根电机线就分别为U相、V相和W相。在步骤S1内，顺时针旋转电机，通过示波器查看电机的三相反电动势波形，以示波器的第一通道(CH1)测量波形为参考，如果示波器的第一通道(CH1)的波形领先示波器的第三通道(CH3)的波形，示波器的第三通道(CH3)的波形领先示波器的第二通道(CH2)的波形，那么，接入示波器的第一通道(CH1)、第二通道(CH2)和第三通道(CH3)就分别为U相、W相和V相。
在本发明中，如图3所示，在步骤S2内，将电机的U相和虚拟中性点分别接入过零比较器的正输入端和负输入端，顺时针旋转电机，使电机的U相产生反电动势，该反电动势经过过零比较器被整形成方波信号，将该方波信号的上升沿作为触发信号，从而采集该时刻对应的编码器位置值。
进一步，在步骤S2内，采集若干个编码器位置值，通过位置信息及电机的磁极对数，可得到距离编码器零点最近的电角度零点的位置。
在步骤S2内，转动电机的过程中，会产生多个触发脉冲，则需要进行数据野值剔除；具体地为，通过验证相邻编码器位置值的差是否满足一个电角度周期，来进行数据野值剔除，以获得有效数据；数据野值剔除包括剔除脉冲毛刺产生的误触发。
具体地讲，首先，标定电机电角度旋转正方向，并与编码器旋转正方向一致；以望远镜的方位轴为例，一般要求转台顺时针旋转，为编码器码值增加的方向，这是转轴的参考基准，对于编码器，可以通过码盘和读数头的安装来保证。对于电机而言，定义其旋转正方向是电机转动时，U相反电动势领先V相120°，V相反电动势领先W相120°；具体标定时，如图2所示，首先构造虚拟中性点，取三个阻值相等的电阻，三个电阻的一端分别连接电机的三根动力线，三个电阻的另一端短接在一起，该点就是电机的虚拟中性点，将示波器的三个通道分别接电阻与电机动力线的连接处，将虚拟中性线接入示波器参考点，顺时针旋转电机，通过示波器查看电机三相反电动势波形，以CH1通道测量波形为参考，如果CH1通道波形领先CH2波形，CH2波形领先CH3波形，那么，接入示波器CH1、CH2和CH3通道的三根电机线就分别为U相、V相和W相；如果CH1通道波形领先CH3波形，CH3波形领先CH2波形，那么，接入示波器CH1、CH2和CH3通道的三根电机线就分别为U相、W相和V相。其次，进行对弧形分段电机电角度标定；一般作如下定义，顺时针旋转电机，电机U相反电动势最大点为电角度零点，我们需要标定的是距离编码器零点最近的电角度零点的位置Pzero；实际测量时，难以直接测量反电动势最大点，可以通过测试反电动势过零点来间接测试，将反电动势过零点位置在加上四分之一电角度周期，即是电角度零点。具体标定时，将电机U相和虚拟中性点分别接入过零比较器的正输入端和负输入端，顺时针旋转电机，使电机U相产生反电动势，该反电动势经过过零比较器整形成方波信号，将该方波信号的上升沿作为触发信号，来采集该时刻对应的编码器位置值θ；其中需要注意的是：转动电机的过程中，会产生多个触发脉冲，那么，会采集到一组编码器位置序列θ1、θ2…θi，得到位置数据后，首先进行野值剔除，特别是剔除脉冲毛刺产生的误触发，假设电机磁极对数为Ns，那么有效的位置数据应满足如下关系：
经过上述数据分析和处理后，假设取其中有效的数据为θ，通过该位置信息，以及电机的磁极对数Ns，即可算出距离编码器零点最近的电角度零点的位置Pzero，计算公式为
上述公式中，360°/Ns为一个电角度周期对应的编码器位置，360°/(4Ns)为四分之一个电角度周期对应的编码器角度。
本发明提供具体地电机电角度旋转正方向的标定的流程，如图2所示，可以实现分段电机电角度旋转正方向的标定，该标定步骤主要有弧形分段电机01、示波器02、三个阻值相等的电阻03、电阻04、电阻05组成，将弧形分段电机01与三个电阻03、04、05，构建如图1所示的连接方式，将示波器的CH1、CH2和CH3测量通道分别连接测试点06、测试点07和测试点08，将示波器02参考点连接至虚拟中性点09，旋转电机顺时针运动，并保持与编码器码值增加的方向一致，通过示波器02查看三个通道的反电动势波形，并得出如下结论：1.如果CH1通道波形领先CH2波形，CH2波形领先CH3波形，那么，测试点06、测试点07和测试点08对应的三根电机线就分别为U相、V相和W相；2.如果CH1通道波形领先CH3波形，CH3波形领先CH2波形，那么，测试点06、测试点07和测试点08对应的三根电机线就分别为U相、W相和V相。如图3所示，可以实现弧形分段电机电角度零点的标定，该标定步骤主要有弧形分段电机11、位置编码器14、数据采集装置13、过零比较器14、三个阻值相等的电阻17、电阻18、电阻19，三个阻值相等的电阻110、电阻111、电阻112，将弧形分段电机11与六个电阻17、18、19、110、111、112，构建如图3所示的连接方式，考虑到弧形分段电机的反电动势系数较大，电机转动时，会产生很高的反电动势电压，因此，采用如图3所示的电阻分压的方式，其中，电阻17与电阻18的比例可以为10:1，本实施例中，选取电阻17、电阻19、电阻111的阻值为10kΩ，选取电阻18、电阻110、电阻112的阻值为1kΩ，电阻精度均为1％；依据弧形分段电机电角度旋转正方向标定步骤，标定出弧形分段电机01的U相，然后将U相对应的测试点15和虚拟中性点16，分别接入过零比较器12的正输入端和负输入端，过零比较器12的输出接入数据采集装置14的数字IO口，顺时针转动电机01，测试点15产生正弦反电动势，该电压信号经过过零比较器12处理，产生方波信号，该方波信号进入数据采集装置13的数字IO口，利用该数字IO口的上升沿触发功能，来同步记录并存储位置编码14产生的位置信息；转动电机的过程中，会产生多个触发脉冲，那么，数据采集装置13会采集到多个编码器位置值θ1、θ2…θi，得到数据后，首先进行野值剔除，特别是剔除脉冲毛刺产生的误触发，假设电机磁极对数为Ns，那么有效的位置数据应满足如下关系：
经过上述数据分析和处理后，假设取其中有效的数据为θ，那么就可以算出距离编码器零点最近的电角度零点的位置Pzero，计算公式为
上述公式中，360°/Ns为一个电角度周期对应的编码器位置，360°/(4Ns)为四分之一个电角度周期对应的编码器位置。上述数据采集装置13可以是DSP，也可以是单片机，本实施例采用DSP，型号为TMS320F28335，为了提高测量精度，DSP的数字IO口设置为上升沿触发中断的方式，在中断处理函数中，去读取位置编码器数值，位置编码器14可以是增量编码器，也可以是绝对式编码器，如果采用的是增量式编码器，利用DSP的QEP接口来采集编码器位置信息，如果是绝对式编码器，可以通过数据通信口读取绝对式编码器位置值。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、标定电机电角度旋转正方向并与编码器旋转正方向一致：以望远镜的转台顺时针旋转方向为正方向，该正方向为编码器旋转正方向，同时也为电机电角度旋转正方向；当电机以电机电角度旋转正方向转动时，电机的U相反电动势领先电机的V相反电动势120°，电机的V相反电动势领先电机的W相反电动势120°；
步骤S2、电机电角度标定：将电机的U相反电动势过零点位置再加上四分之一电角度周期标定为电机的电角度零点；
步骤S3、对每个分段电机分别顺序进行步骤S1和步骤S2，使得每个分段电机的出力大小和方向一致。
2.根据权利要求1所述的一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，其特征在于，在步骤S1内，通过三个电阻构造虚拟中性点，通过示波器测量电机的三相反电动势相序，标定出与编码器旋转正方向一致的电机的U相、V相和W相。
3.根据权利要求2所述的一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，其特征在于，在步骤S1内，取三个阻值相等的电阻，三个电阻的一端分别连接电机的三根动力线，该三个电阻的另一端短接在一点，则该点就是该电机的虚拟中性点；将示波器的三个通道分别接三个电阻与电机动力线的三个连接处，将虚拟中性点接入示波器的参考点。
4.根据权利要求3所述的一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，其特征在于，在步骤S1内，顺时针旋转电机，通过示波器查看电机的三相反电动势波形，以示波器的第一通道(CH1)测量波形为参考，如果示波器的第一通道(CH1)的波形领先示波器的第二通道(CH2)的波形，示波器的第二通道(CH2)的波形领先示波器的第三通道(CH3)的波形，那么，接入示波器的第一通道(CH1)、第二通道(CH2)和第三通道(CH3)的三根电机线就分别为U相、V相和W相。
5.根据权利要求3所述的一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，其特征在于，在步骤S1内，顺时针旋转电机，通过示波器查看电机的三相反电动势波形，以示波器的第一通道(CH1)测量波形为参考，如果示波器的第一通道(CH1)的波形领先示波器的第三通道(CH3)的波形，示波器的第三通道(CH3)的波形领先示波器的第二通道(CH2)的波形，那么，接入示波器的第一通道(CH1)、第二通道(CH2)和第三通道(CH3)就分别为U相、W相和V相。
6.根据权利要求4或5所述的一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，其特征在于，在步骤S2内，将电机的U相和虚拟中性点分别接入过零比较器的正输入端和负输入端，顺时针旋转电机，使电机的U相产生反电动势，该反电动势经过过零比较器被整形成方波信号，将该方波信号的上升沿作为触发信号，从而采集该时刻对应的编码器位置值。
7.根据权利要求6所述的一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，其特征在于，在步骤S2内，采集若干个编码器位置值，通过位置信息及电机的磁极对数，可得到距离编码器零点最近的电角度零点的位置。
8.根据权利要求7所述的一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，其特征在于，在步骤S2内，转动电机的过程中，会产生多个触发脉冲，则需要进行数据野值剔除。
9.根据权利要求8所述的一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，其特征在于，在步骤S2内，通过验证相邻编码器位置值的差是否满足一个电角度周期，来进行数据野值剔除，以获得有效数据。
10.根据权利要求9所述的一种望远镜的弧形分段电机控制系统的初始标定方法，其特征在于，数据野值剔除包括剔除脉冲毛刺产生的误触发。
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