[发明专利]极大望远镜多相电机位置跟踪控制方法及其控制系统

说明书

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多相电机位置跟踪控制方法。本发明还涉及这种控制方法的控制系统。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，本发明属于国家自然科学基金项目：大口径天文望远镜机架驱动并联控制技术研究，批准号：11303065。

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大口径望远镜。

20世纪以来，望远镜的口径基本上以每35年2倍左右的速度增长，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，欧洲南方天文台的VLT望远镜，口径8.2米，指向精度为1″，跟踪精度为0.05″，机架重达470吨，叉臂重量120吨，方位轴转动惯量12*10⁶kgm²，高度轴转动惯量5*10⁶kgm²；中美日加等多国联合研发的TMT望远镜，口径30米，总重量1670吨，高度轴负载955吨，方位轴转动惯量6*10⁸kgm²，高度轴转动惯量1.5*10⁸kgm²，且灵敏度和其他各项综合性能指标要求都很高，对这种大重量、大惯量、高精度的控制难度进一步提高。

考虑克服圆顶视宁度和镜面视宁度的影响，未来大口径望远镜多采用圆顶开放的观测模式，天文光学望远镜台址一般都在高海拔地区，风载对望远镜机械机构的作用直接影响望远镜的跟踪指向控制。风载施加的动态性、随机性和复杂性，使望远镜珩架变形呈现无规律性，风载能量主要分布在低频区，接近望远镜结构的共振频率，对于保障望远镜的跟踪精度是极其不利的。为了探索宇宙更微弱的信号，望远镜在增大口径的同时，对系统灵敏度和跟踪精度也提出了更高的要求，但是随着望远镜口径的增大，望远镜的面积成平方倍增加，风载作用力也是平方倍增加，这进一步加大了位置跟踪控制系统的难度，在未来极大望远镜研制过程中，位置跟踪控制系统的设计是必须解决的关键技术之一。

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。VLT望远镜其高度轴有12个单元电机，方位轴有16个单元电机，拼接电机采用的是双轴向气隙控制，所以对安装精度、加工精度的要求都很高。GTC望远镜其方位轴有4个单元电机，双轴向气隙定子，高度轴有4个弧线电机，圆筒形气隙定子，每个电机都有独立的驱动电路。以上电机均是按需研制，价格昂贵且难以进口，而且拼接电机设计及控制等关键技术涉及核心技术，能得到的相关电控资料非常少，基于以上分析，本申请人对相关技术进行了系列研究，目前已经建成4米级别的实验平台，集精密机械、自动控制、计算机软硬件等先进设计技术为一体的大惯量超低速精密跟踪平台，包括8个单元电机、模拟负载等，基于此平台，对自主研发的两个单元永磁同步电机进行组合，研究多相电机位置跟踪控制技术，为以后中国极大望远镜发展储备技术力量。

多相电机具有功率大、转矩脉动小、容错能力强等优点，特别适合应用在跟踪精度高的望远镜跟踪控制系统。多相电机对比于三相电机，其相数增加，一个工作周期内状态数增多，有效的降低转矩脉动，特别适用于极大望远镜跟踪过程中稳定运行的状态。随着多相电机相数的增加，同等功率下，平均分配到各个桥臂的相电流成倍减小，每个开关管的电流按比例降低，降低了功率电路的设计难度和选型难度。同时，多相电机相对于三相电机也具有很强的容错能力，提高了系统的可靠性，适用于空间、南极和青藏高原等天文观测条件极为优越、环境条件极度恶劣的地区。多相电机的应用对观测时间宝贵的极大望远镜的运行，提供了更稳定可靠的运行环境。中国要发展自己的大口径望远镜，有必要发展多相电机驱动控制技术。

多相电机在大功率传动的应用非常有优势，主要集中在舰船电力推进、航空等应用领域，国际上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，国内外对多相电机驱动技术的研究被控对象多工作在中高速状态，而望远镜跟踪控制系统具有转动惯量大、调速范围宽、跟踪精度高等特点，这导致正常的驱动控制方式和控制策略难以达到性能指标，所以基于望远镜跟踪系统对多相电机驱动技术的研究非常有意义。

发明内容