极大望远镜多相电机位置跟踪控制方法及其控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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*106kgm 2,高度轴转动惯量5*106kgm2冲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*10\gm 2,高度轴转动惯量 1.5*10\gm2,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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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】
[0008] 本发明的目的是提供一种极大望远镜多相电机位置跟踪控制系统的控制方法，该 控制方法可以满足极大望远镜高精度、超低速、大惯量、宽调速的控制要求，还可以降低转 矩脉动，提尚跟踪精度。
[0009] 完成本发明的技术方案是：一种极大望远镜多相电机位置跟踪控制方法，软件系 统是基于DSPTMS320F2812的c语言编程，其特征在于，步骤如下
[0010] ⑴·工控机开机并完成初始化；
[0011] ⑵.工控机通过总线控制器与电机控制专用定点数字信号处理器（DSP控制器） 给多相逆变器发出指令，驱动多相永磁同步电机启动；
[0012] ⑶.多相永磁同步电机运转中，反馈机构（包括霍尔电流传感器和光栅尺）通过 电流采样、电流闭环、速度闭环、位置闭环采集多相永磁同步电机的位置的精确定位信息； 进行相应处理后送入电机控制专用定点数字信号处理器；
[0013] ⑷.工控机与电机控制专用定点数字信号处理器根据上述多相永磁同步电机的 位置的精确定位信息及极大望远镜的运转要求，随时调整发给多相逆变器的指令，以控制 多相永磁同步电机的运转；
[0014] (5).外接CPLD保护电路在自举电路出现欠压保护、过流保护时，及时示警。
[0015] 以上各步骤的优化方案有：
[0016] 其中步骤⑵驱动多相永磁同步电机的功率电路，是根据多相永磁同步电机矢量控 制算法，产生六组脉宽调制信号PWMl~PWM12,经两块自举电路芯片IR2136连接到功率电 路，形成近似的圆形旋转磁场，控制多相电机运行。
[0017] 步骤⑶是对定子A、B、C、D四相电流进行采样，其中A、C、E三相电流和为0，B、D、F 三相电流和为〇,进行整形放大调理后，连接到DSP的ADO~AD3通道，进行模拟转换采样。
[0018] 步骤⑶中的位置和速度检测采用德国海德汉公司的角度编码器ERA - 780C获得， 其分辨率为3. 6"，输出为峰值为IV的正弦波信号，通过细分电路进行细分。
[0019] 步骤⑶中的"进行相应处理"是指：编码器信号经四倍细分电路处理后，接入事件 管理器A的QEPl、QEP2、QEP3,首先参数初始化，输入参数：编码器刻线，极对数等，输出信号 为电角度和机械角度，调用定时器中断，每固定时间间隔内，将本次编码器数据与上一次编 码器数据相减，除以时间，得出速度、方向和位置信息。
[0020] 步骤(5)中的保护电路，设置输入端接收来自DSP的十二路PffM脉冲信号，来自功率 电路、自举电路的故障信号，以及驱动电路过压、欠压、过流信号等，输出端为十二路驱动信 号，DSP的I 3DPINT保护引脚等。
[0021] 以上方案中的DSP软件控制系统以空间电压矢量控制为核心，主要包含：初始化 程序、定时器中断程序、捕获中断程序等。定时器中断程序包括电流数字滤波算法、Clark变 换、park变换、反park变换、多相电机svpwm算法、闭环控制等。
[0022] 以上方案中多相电机空间电压矢量控制：多相永磁同步电机由多相逆变器来驱 动，多相逆变器由DSP控制器来控制，对于功率电路每一桥臂占空比的计算是多相电机空 间电压矢量控制的关键。首先推导多相电机Clarke变换、Park变换和反Park变换，然后 确定参考矢量所在扇区，推导每个分区内有效矢量占空比。
[0023] 本发明采用多相电机空间电压矢量控制算法，利用核心控制器丰富的资源，实现 控制算法。定义数学公式，快速推导扇区判断计算方法；查表获得此扇区内有效矢量和零矢 量作用时间；对数据进行处理后设置对应DSP比较寄存器数值，产生对应占空比的PffM波 形。
[0024] 完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述方法所使用的极大望远镜多相永 磁同步电机位置跟踪控制系统，本系统包括软件系统和硬件系统，该多相永磁同步电机是 采用200对极超低速多极拼接弧线接电机，整个转子包括400块磁钢，其特征在于：
[0025] 所述硬件系统包括控制电路、驱动电路、位置反馈电路和保护电路，其中的工控机 通过总线控制器接电机控制专用定点数字信号处理器（DSP控制器）；该电