方位軸

方位軸是指用來確定物質方位的坐標軸或坐標系，如大口徑天文望遠鏡方位軸的弧線運動控制系統，包括上位計算機系統和下位計算機系統，上位機通過串列通訊及與下位機連線。下位計算機系統包括DSP模組，執行電機，信號採集與比較環節，位置數據處理單片機。特徵是望遠鏡的執行電機為弧線電機，電機上連線有驅動電路和保護電路。

基本介紹

• 中文名：方位軸
• 外文名：Azimuth axis
• 控制系統：上位計算機系統和下位計算機系統

專利介紹

申請號/專利號：200710134529
編碼器的信號通過位置數據處理單片機輸出給DSP模組；驅動電路採用數位化驅動智慧型功率模組；DSP模組的PWM輸出給驅動智慧型功率模組控制弧線電機的旋轉。本發明可實現長時間、高精度跟蹤、觀測各種天體的需要，並滿足天文觀測的精密、寬調速參數要求。
申請日：2007年10月31日
公開日：2008年03月26日
授權公告日：
申請人/專利權人：中國科學院國家天文台南京天文光學技術研究所
申請人地址：江蘇省南京市板倉街188號
發明設計人：張振超；胡偉；任長志；汪達興；朱震蓮；李穎；王國民
專利代理機構：南京知識律師事務所
代理人：栗仲平
專利類型：發明專利
分類號：G02B23/00；G05B19/418；G05B19/042

方位軸電機轉子位置檢測

大型天文望遠鏡實時跟蹤目標星體，方位軸電機位置檢測是其重要一環。針對其複雜機械結構及精密光學裝置的特點，採用拼接弧線永磁同步電動機對大型望遠鏡方位軸進行直接驅動，採用帶距離編碼的光電編碼器檢測拼接弧線永磁同步電動機轉子位置，設計了編碼器處理電路，採用長線接收 /驅動器對編碼器信號進行處理，然後根據帶距離編碼的編碼器特點實時計算方位軸電機轉子位置。實驗表明對超低速運行的大型天文望遠鏡，高精度的光電編碼器可以根據轉子的磁極對數選擇相應的參考點數套用到拼接式弧線電機進行電機轉子磁極位置檢測，簡化轉子位置計算，節約控制的計算速度。可達到快速、準確、簡單檢測方位軸轉子磁極位置的目的。

轉子空間位置反饋裝置必要性

永磁同步電動機控制的核心技術是矢量控制，矢量控制系統在低速段轉矩很大，能實現帶載快速啟動； 由於存在電流環，因此具有電流( 力矩) 控制功能，從而控制電動機的轉速，回響很快，為得到高性能的轉矩、速度控制，轉子空間位置反饋裝置是必須的。

大型天文望遠鏡方位軸結構

大型天文望遠鏡方位軸的驅動電機採用與望遠鏡機架高度集成在一起的機電一體化結構，除了與機架同軸安裝的拼接式弧線永磁同步電動機外，它又是承重望遠鏡本體的載體。零件重量重、體積大，加工安裝精度要求高，軸承和支撐結構複雜，精密調試相對困難，要求高精度編碼器“同軸”安裝在拼接式弧線永磁同步電動機的軸線上。

自然狀態輸出的編碼器 AB 信號尚能計數，對帶距離編碼的高精度編碼器來說，每個參考點都是對當前一段時間內位置信息的校正，可避免累計誤差，這對超低速運行的大型天文望遠鏡來說是保證其精確跟蹤的必要條件，此時的干擾信號會誤認為是參考點的到來，無法實時校正當前累計誤差。

編碼器

為保證可靠的位置信息，以實現快速、高精度的跟蹤天體目標，電機的軸上安裝了帶距離編碼的海德漢的增量式光柵位置編碼器，這類編碼器主要是指精度高於±5"和線數高於10000的編碼器。

2000系列DSP由於含有QEP及CAP等接口而被廣泛套用。系統充分結合二者的特點，採用TMS320F28xx和細分技術實現望遠鏡拼接弧線電機轉子位置和望遠鏡位置檢測。細分輸出差分信號，由於傳輸距離較遠並使信號能夠直接在DSP的QEP和CAP連線埠處理，設計長線驅動電路並通過光耦隔離送到DSP的專用連線埠處理編碼器信號。

由於使用的電機轉子直徑較大，望遠鏡跟蹤目標時速度超低，因此位置檢測的精度直接影響到速度環和電流環，位置計算是其重要的環節，由於選用的是帶距離編碼的海德漢的ERA整圓編碼器，共52000 線，52個參考點數，並進行4096 細分，理論上可獲得0.006"的解析度，這對直接驅動的大型天文望遠鏡來說，理論上的位置精度是實現跟蹤的必要條件。

計算出每個脈衝距離零位的脈衝個數，從而計算出電機的實際位置，初步打算用開環啟動，等經過計算後再閉環運行，從而實現系統運行。

大型天文望遠鏡方位軸跟蹤

拼接弧線電機驅動控制系統相應的軟硬體電路在拼接弧線電機上進行位置檢測，實現位置環和速度環，採用 I_d = 0矢量控制策略，採用上述方法對方位軸電機轉子位置檢測並進行相應的控制，基本滿足大型天文望遠鏡方位軸跟蹤的需求。

65m 射電望遠鏡方位軸和俯仰軸正交度測量

根據65m天線軸系關係的高精度安裝要求，利用高精度全站儀TDA5005獲取65m天線轉動過程中的點位信息，採用3種不同方式求取天線的方位軸和俯仰軸，比對分析3種方式求解2軸正交度的優缺點，合理選擇正確的軸系表達方式。65m天線的方位和俯仰軸關係滿足設計指標要求，進一步驗證了天線整體安裝測量的準確性和嚴密性，取得了良好的效果。

方位軸及俯仰軸測量時需布設2個測站，需進行公共點轉換將2個測站的數據統一到同一個坐標系中。公共點 轉換結果，轉換精度為1.329mm。

由於現場條件的限制，公共點圍牆立柱離測站較遠，最遠距離有136m左右，公共點轉換精度為1.329mm，對坐標軸方位指向的最大影響為2.02″，故可認為對坐標系恢復的點位及坐標系方向的影響可以忽略。

方位俯仰軸系關係處理方式

用兩圓心連線代表天線軸系：將俯仰軸和方位軸測量時得到的2個圓弧以圓擬合的形式處理，得到圓心坐標，分別將兩圓心的連線作為天線的方位俯仰軸。

這種方式得到的俯仰軸與水平面的夾角為0.00001°，俯仰軸水平。兩軸的空間距離為5.684mm，不正交度為0.00044°(1.584″) 。

採用圓錐擬合代表天線軸系：將俯仰軸和方位軸測量時得到的2個圓弧以圓錐擬合的形式處理，將圓錐軸線分別作為天線的方位俯仰軸。

這種方式得到的俯仰軸與水平面的夾角為0.00918°(33.048″) ，俯仰軸在大齒輪處稍低。兩軸的空間距離為5.923mm，不正交度為0.00879°(31.644″)。

利用大圓法線代表天線軸系：將俯仰軸和方位軸測量時得到的2個大的圓以圓擬合的形式處理，將大圓圓擬合得到的軸線分別作為天線的方位俯仰軸。

這種方式得到的俯仰軸與水平面的夾角為0.00009°，俯仰軸水平。兩軸的空間距離為7.652mm，不正交度為0.00049°(1.764″) 。

俯仰軸夾角分析

採用不同的處理方式會得到不同的結果，俯仰軸的大小圓分別為半徑12.352m和2.978m的1/4圓，測量時儀器距離天線中心60m左右，被測點比儀器中心高35m左右，小圓半徑太小且只有1/4圓，測量誤差對小圓的形狀及圓心位置會產生較大影響，故而採用方式一時小圓圓心的不準確會直接影響兩圓心連線的直線方向。方式2小圓的點位測量的誤差對圓錐的形狀影響很大，進而影響圓錐的軸線方向。

分別求取3種方式各自得到的俯仰軸兩兩之間的夾角，採用方式1和方式2分別得到的俯仰軸的夾角為0.01155°(41.58″)，採用方式1和方式3分別得到的俯仰軸的夾角為0.00673°(24.23″) ，採用方式2和方式3分別得到的俯仰軸的夾角為0.00910°(32.76″)，可以看出採用3種方式求取的俯仰軸之間差別很大，主要原因是受到小的1/4圓的影響所致。

65m天線的方位軸和俯仰軸正交度分析套用方式3，即利用大圓法線代表天線軸系進行計算，最終結果為俯仰軸水平，兩軸的空間距離為7.652mm，不正交度為0.00049°(1.764″) 。兩軸的空間距離是由於天線的機械特性產生的，根據測量結果可以進行改正。俯仰軸的水平度及兩軸的正交度進一步驗證了天線整體安裝測量的準確性、嚴密性。