CN113311562B - 一种用于主动镜面支撑的力促动器及其控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于主动镜面支撑的力促动器及其控制系统。该力促动器包括集成电机与驱动器模块、压力传感器位移控制模块、压力传感器，所述压力传感器位移控制模块包括由压簧和拉簧并联组成的并联单元。该控制系统包括电机驱动系统、压力传感器采集系统、上位机，上位机通过主动面形校正方法，获得压力传感器与镜面的连接位置的镜面面形对应所需要调整的力，压力传感器读取应变采集模块采集到的压力值，作为力促动器的反馈值，通过预定的周期对压力进行闭环调节，调节后的输出信号用于控制电机的转速，将电机的旋转运动转换为直线运动，压缩或拉伸所述并联单元产生校正力，以进行镜面面形的精确控制。

Description

一种用于主动镜面支撑的力促动器及其控制系统
技术领域
本发明涉及信息采集领域，特别涉及一种用于天文仪器中镜面主动支撑的力促动器及其控制系统。
背景技术
天文仪器广泛用于天文观测、天体运动规律等重要领域，尤其是天文望远镜在科学研究中发挥着极大的作用。当前，天文望远镜主要技术发展趋势朝向大口径、大视场、观测精度高等技术方向，且使用环境恶劣，温度变化范围大。相应的对系统中关键镜面的面型提出了更高的要求。传统被动镜面支撑方式更容易受到重力场环境、温度梯度等因素引起的镜面面型变化，使得光学系统成像质量大大降低，而主动光学技术是对天文仪器中的镜面在制造、安装、温度变化及重力场等带来的误差进行修正，更好的适应现代天文望远镜对更大口径、更高的成像要求以及更好的满足环境要求。
主动光学镜面支撑系统是目前也是未来大口径天文仪器设计的核心技术之一，目前国内外主动支撑已经在相关天文望远镜中使用，力促动器控制系统主要构成包括电机驱动控制系统、力传感器采集系统及计算机控制系统。通过压力闭环调节系统可以实现镜面面型的高精度、高稳定性调整。
目前针对市场上主动镜面支撑系统中力促动器的控制系统主要是由进口成熟的多通道采集模块或采用传统搭建的模拟电路、电机和驱动器分体来实现，这样的方式主要有以下几个缺点；一是市场上成熟的多点采集模块，存在点数受限、成本高、开发不灵活、依赖性比较强的缺点；二是算法复杂、易受外界干扰，精度很难保证；三是力促动器及电机分开控制，这样带来控制复杂化，不易于集成，一旦出现问题也不易于排查和检测。目前急需解决上述镜面主动支撑系统中的力促动器应变采集系统高度集成、高精度控制及高稳定性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种用于天文仪器中镜面主动支撑的力促动器及其控制系统。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于主动镜面支撑的力促动器，包括集成电机与驱动器模块、压力传感器位移控制模块、压力传感器，所述压力传感器位移控制模块包括由压簧和拉簧并联组成的并联单元，所述并联单元的一端为通过传动机构及联轴器连接至集成电机与驱动器模块的可动端，另一端为固定端，所述并联单元中穿设有传输轴，所述传输轴的一端与所述可动端相连，另一端连接所述压力传感器，所述压力传感器与镜面连接后所述力促动器可对镜面面形进行控制。
进一步的，所述压力传感器为LoadCell压力传感器，所述LoadCell压力传感器通过转接件与镜面连接。
进一步的，所述压力传感器通过柔性杆与并联单元相连。
一种用于主动镜面支撑的力促动器的控制系统，包括电机驱动系统、压力传感器采集系统、上位机，所述电机驱动系统包括集成电机与驱动器模块，所述压力传感器采集系统包括压力传感器、应变采集模块，所述上位机通过主动面形校正方法，获得压力传感器与镜面的连接位置的镜面面形对应所需要调整的力，即力促动器所需要调整的目标理论值，应变采集模块读取压力传感器采集到的压力值，作为力促动器的反馈值，通过预定的周期对压力进行闭环调节，调节后的输出信号用于控制电机的转速，将电机的旋转运动转换为直线运动，压缩或拉伸所述并联单元产生校正力，以进行镜面面形的精确控制。
进一步的，在镜面处连接有若干个力促动器，所述电机驱动系统中的每个集成电机与驱动器模块都设置有CAN接口，上位机通过CAN接口转换来实现每个电机驱动控制。
进一步的，所述上位机通过SPI总线接口读取每个应变采集模块采集到的压力值。
进一步的，压力传感器的信号经过滤波后传送给应变采集模块。
进一步的，采用集成可编程增益放大器对采集信号的频率进行设定，和电压信号进行放大。
进一步的，所述应变采集模块采用六线接线方式，引脚分别为：SOUR+、SEN+、SOUR-、SEN-、BRIN1、BRIN2，将SOUR+与SEN+连接于压力传感器应变桥的正端，将SOUR-与SEN-连接于应变桥激励负端，应变采集模块以应变激励电压为基准输入，应变信号经过应变采集模块内部可配置增益放大后送置ADC，无需使用电压基准源。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明能够实现高稳定、高可靠的力促动器控制，可以消除压力因引线长短不一致造成的误差，同时克服了模拟电子电路容易受干扰的缺点且电机和力促动器做成一起，通过总线方式进行连接控制，整个硬件框架很简单，易于实现。
附图说明
图1是一种用于主动镜面支撑的力促动器的结构示意图；
图2是一种用于主动镜面支撑的力促动器的控制系统的框图；
图3是应变采集模块工作原理示意图；
图4是电机驱动系统工作原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例提供一种如图1所示的用于主动镜面支撑的力促动器，包括集成电机与驱动器模块1、中间丝杆传动及固定装置3、压力传感器位移控制模块、压力传感器(本实施例优选采用LoadCell力传感器6)，所述压力传感器位移控制模块包括由压簧4和拉簧5并联组成的并联单元，所述并联单元的一端为通过传动机构及联轴器2连接至集成电机与驱动器模块的可动端，另一端为固定端，所述并联单元中穿设有传输轴，所述传输轴的一端与所述可动端相连，另一端连接所述压力传感器，所述压力传感器通过转接件7与镜面8连接后所述力促动器可对镜面面形进行控制。
本实施例中，力促动器本体是电机和力传感器通过机械结构固定形成一个一体化子模块，实现对镜子面形的控制。联轴器是连接丝杆和电机；中间丝杆传动及固定装置是保证控制拉簧与压簧从而控制力传感器的高精度位移移动以及固定整个模块；转接件是保证力传感器与镜面很好的连接且具有能够保护镜面不被损伤，如与镜面相贴合材料使用聚四氟乙烯(不限于该材料)等材料。
本实施例还提供一种如图2所示的用于主动镜面支撑的力促动器的控制系统，包括电机驱动系统、压力传感器采集系统、上位机，上位机负责控制采样，数据处理、存储与通信以及对电机驱动的控制，所述电机驱动系统包括集成电机与驱动器模块，所述压力传感器采集系统包括压力传感器、应变采集模块，上位机通过主动面形校正算法，计算出每个支撑点面形对应所需要调整的力，这个是力促动器所需要调整的目标理论值，关于每个支撑点的压力传感器，上位机主要是通过SPI总线接口读取应变采集模块采集到的压力值，这个作为力促动器的反馈值，根据实际系统的应用特性，选取合适的调节周期，按照这样的周期对压力进行闭环算法调节，调节后的输出信号来控制电机的转速，将电机的旋转运动转换为直线运动，压缩或拉伸弹簧单元产生校正力，从而实现镜面面形的精确控制。另外，电机的驱动控制主要是通过CAN总线协议对每个电机驱动进行控制，从而实现电机转速、步长等功能的实现。
应变采集系统中的应用测力单元选用高精度测力元件LoadCell，通过柔性杆和弹簧部分相连，应变采集模块采集每个支撑点LoadCell的压力值，力传感器的值是通过SPI接口进行上位机与应变采集模块数据传输。压力传感器LoadCell输出信号很小，且耦合有高频噪声，传感器信号经过滤波后送给应变采集转换模块，该采集模块采用六线接线方式，具有集成度高，可以消除压力因引线长短不一致造成的误差，同时克服了模拟电子电路容易受干扰的缺点。
应变片电压信号为μV、mV等量级，并且可能出现双极性电压，要采集如此微小的信号就得首先对电压进行放大，另外阻抗压差不一致不同种类的应变片的压差电动势也不同。采用直接搭建的模拟放大电路，获得稳定而精确的放大倍数具有一定的困难，更重要的是增益大小调节不灵活。为了获得精确的放大信号及能适应不同种的应变片，选用集成可编程增益放大器(PGA)的ADC作为采集的核心。PGA具有高精度的增益倍数，一致性好，可通过程序设定增益大小。
应变采集模块原理框图如图3所示，传感器LoadCell引线较长时，本系统采用六线连接方式，引脚分别为：SOUR+、SEN+、SOUR-、SEN-、BRIN1、BRIN2，将SOUR+与SEN+连接于压力传感器应变桥的正端，将SOUR-与SEN-连接于应变桥激励负端，应变AD转换模块以应变激励电压为基准输入，应变信号经过AD转换模块内部可配置增益放大后送置ADC，无需使用电压基准源，同时避免了此部分电路带来的误差。
采集模块板上在P2接口外接一个绿色LED，此LED可用于程序调试时，验证通信接口或用于额外的状态指示。激励源由一个PMOS作为数字开关控制，PMOS由转换模块的P3接口控制，P3配置为低电平时，PMOS导通。在上电默认或转换模块在复位状态下，激励处于关闭状态。
电机驱动系统中每个集成电机与驱动器一体的模块都有CAN接口，上位机通过CAN转USB转换模块来实现每个电机驱动控制。
电机驱动系统中每个集成电机与驱动器一体的模块都有CAN接口，上位机通过CAN模块来实现每个电机驱动控制。该促动器电机驱动系统提供了一个非常可靠和简洁的网络组建方案，采用一个CAN模块拖挂多台集成电机驱动模块。电机驱动系统工作原理框图如图4所示，总线采用一根双绞线，在双绞线两端应各连上一个120欧姆的终端电阻，将所有节点连接起来，每个节点抽头线的长度不应超过2cm，本系统采用电机驱动模块CAN接口双进双出的接线方式，这样就可以消除因节点长短不一致造成通信的故障。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于主动镜面支撑的力促动器的控制系统，其特征在于，所述力促动器包括集成电机与驱动器模块、压力传感器位移控制模块、压力传感器，所述压力传感器位移控制模块包括由压簧和拉簧并联组成的并联单元，所述并联单元的一端为通过传动机构及联轴器连接至集成电机与驱动器模块的可动端，另一端为固定端，所述并联单元中穿设有传输轴，所述传输轴的一端与所述可动端相连，另一端连接所述压力传感器，所述压力传感器与镜面连接后所述力促动器可对镜面面形进行控制；所述控制系统包括电机驱动系统、压力传感器采集系统、上位机，所述电机驱动系统包括集成电机与驱动器模块，所述压力传感器采集系统包括压力传感器、应变采集模块，所述上位机通过主动面形校正方法，获得压力传感器与镜面的连接位置的镜面面形对应所需要调整的力，即力促动器所需要调整的目标理论值，应变采集模块读取压力传感器采集到的压力值，作为力促动器的反馈值，通过预定的周期对压力进行闭环调节，调节后的输出信号用于控制电机的转速，将电机的旋转运动转换为直线运动，压缩或拉伸所述并联单元产生校正力，以进行镜面面形的精确控制；压力传感器的信号经过滤波后传送给应变采集模块；所述应变采集模块采用六线接线方式，引脚分别为：SOUR+、SEN+、SOUR-、SEN-、BRIN1、BRIN2，将SOUR+与SEN+连接于压力传感器应变桥的正端，将SOUR-与SEN-连接于应变桥激励负端，应变采集模块以应变激励电压为基准输入，应变信号经过应变采集模块内部集成可编程增益放大器PGA的ADC，无需使用电压基准源；所述上位机通过SPI总线接口直接读取每个应变采集模块采集到的压力值，且集成电机与驱动器模块直接通过上位机的CAN总线连接；在镜面处连接有多个力促动器，所述电机驱动系统中的每个集成电机与驱动器模块都设置有CAN接口，上位机通过CAN接口转换来实现每个电机驱动控制。
2.根据权利要求1所述的力促动器的控制系统，其特征在于，采用集成可编程增益放大器对采集信号的频率进行设定和对电压信号进行放大。
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