[发明专利]大口径天文望远镜方位轴的弧线运动控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制装置，具体涉及一种大口径天文望远镜方位轴的弧线运动控制系统。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--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--弧线运动的转换的结构模式。这种结构模式复杂，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(即超低速高精度弧线电机，简称弧线电机)与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。

在现代大口径天文望远镜中，其伺服控制系统的精度对整个望远镜的系统性能起到非常重要的作用，在已经建成的望远镜中进行望远镜伺服跟踪定位系统进行整个伺服系统的改进及现代控制方法应用的望远镜的控制系统中成本是非常高昂的。而采用机电一体化弧线运动的系统以后，望远镜的结构和运动方式都发生了根本性的改变，其控制系统也需要采用一种全新的控制技术和控制装置。同时，因为天文望远镜的低速要求低于1″/s；高速时超过10°/s。而且要求在低速时不会发生爬行现象。这些技术指标除了对望远镜的机械、电子等结构要求以外，对控制系统的要求也是非常高的。而这些控制技术和控制装置在现有天文望远镜中没有采用过。

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大口径天文望远镜方位轴的弧线运动控制系统，该系统能够满足大口径天文望远镜长时间、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。

完成上述发明任务的方案是：一种大口径天文望远镜方位轴的弧线运动控制系统，本系统包括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；所述执行电机为弧线电机；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；

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智能功率模块(IPM模块)，进而控制执行电机的旋转。

以上方案中所述的DSP模块(控制器)设有以下结构：