一种地基大口径望远镜的控制系统及其方法与流程

本发明涉及伺服控制技术领域，特别涉及一种地基大口径望远镜的控制系统及其方法。

背景技术：

随着探测能力、空间分辨率等要求的提高，地基望远镜的口径越来越大，对跟踪和指向的精度要求也越来越高。为满足地基大口径望远镜高精度驱动控制要求，电机直驱技术逐渐得到应用，特别是20世纪末，随着电机及电力电子技术的发展，欧洲南方天文台(eso)采用一种新型的弧形分段电机进行直接驱动，替代了传统的整装式电机，这种弧形分段电机由多块定子和多块转子拼接组成，其中，分块定子为线圈绕组，分块转子为磁钢，该电机属于具有正弦反电动势的交流永磁同步电机，具有加工制造难度低、控制精度高、安装维护方便等优点，使得这种结构的电机在大口径天文望远镜上得到了越来越多的应用，如欧洲南方天文台的8.2mvlt望远镜、日本国家天文台的8.2msubaru望远镜、西班牙的10.4mgtc望远镜，以及美国的alma射电望远镜阵。现在国外正在研制的极大光学望远镜中很多也都采用这种驱动方式，如tmt(30m)、euro50(50m)等。

地基大口径望远镜一般采用地平式结构，通过控制方位轴和俯仰轴，实现对特定目标的指向和跟踪。根据望远镜结构大小和驱动力矩要求，一般，方位轴均采用弧形分段电机驱动，而俯仰轴根据结构和力矩要求，既可以使用弧形分段电机，也可以使用整装式交流永磁同步电机，一般在望远镜俯仰左右立柱各安装一台，采用双电机对称驱动，驱动原理和弧形分段电机相同；对于弧形分段电机，其定子和转子安装完成后，每一块定子相对转子具有自己独立的电角度零点，可以看做是一台独立的电机进行驱动控制。

对于地基大口径望远镜，一个轴系少则由十几台电机段驱动控制，多则由数十台电机段驱动控制，要求对同一轴上的多个电机段进行实时同步驱动，才能实现望远镜的高精度指向和低速平稳跟踪；另外，望远镜结构庞大复杂，对电控布线提出了更高要求，如果没有一套高性能的控制系统，将不能很好地对多个电机段进行安全可靠、实时同步驱动，无法达到望远镜的高精度要求。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种地基大口径望远镜的控制系统，其通过ehtercat主控制器实现方位轴和俯仰轴的位置和速度运算校正，方位电机驱动器和俯仰电机驱动器分别实现方位弧形分段电机和俯仰电机的电流校正及功率驱动，使方位弧形分段电机和俯仰电机进行实时同步驱动，从而实现望远镜的高精度指向；还提供了一种地基大口径望远镜的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种地基大口径望远镜的控制系统，其中，包括：

ehtercat主站，用于发送指令和处理信息；

ehtercat从站，用于接受ehtercat主站的指令和反馈信息至ehtercat主站内；

上位机，用于向ethercat主站发送望远镜的控制指令并接收ethercat主站回送的状态信息；

其中，ehtercat主站与ehtercat从站通过ehtercat总线连接共同组成一个线性网络拓扑结构；

ehtercat主站采用ehtercat主控制器；

ehtercat从站包括用于驱动望远镜的方位弧形分段电机的方位电机驱动器、用于驱动望远镜的俯仰电机的俯仰电机驱动器、用于向ehtercat主控制器传递望远镜的俯仰轴的限位信息的俯仰限位开关、用于向ehtercat主控制器传递望远镜的方位轴的限位信息的方位限位开关及用于向ehtercat主控制器传递望远镜的方位轴和俯仰轴的位置信息的编码器解码板。

作为本发明的一种改进，所述编码器解码板上连接有用于测量望远镜方位轴位置的方位编码器和用于测量望远镜俯仰轴位置的俯仰编码器。

作为本发明的进一步改进，所述方位弧形分段电机由六个分块定子和一个分块转子组成，六个分块定子均为线圈绕组，分块转子为呈圆环状的磁钢。

作为本发明的更进一步改进，所述俯仰电机设置为与所述方位弧形分段电机相同结构或两个整装电机。

作为本发明的更进一步改进，所述ehtercat主控制器通过非ethercat接口与所述上位机相连接。

作为本发明的更进一步改进，所述方位限位开关和俯仰限位开关均设置有ethercat接口，所述方位限位开关和俯仰限位开关分别通过ethercat接口向ehtercat主控制器传递方位轴和俯仰轴的限位信息。

作为本发明的更进一步改进，所述方位电机驱动器与所述方位弧形分段电机中的分块定子连接；所述俯仰电机驱动器与所述俯仰电机的定子连接。

一种地基大口径望远镜的控制方法，其中，包括如下步骤：

步骤s1、ethercat主站接收上位机发送来的望远镜的控制指令，同时接收ehtercat从站反馈的望远镜的方位轴和俯仰轴的位置信息；

步骤s2、ethercat主控制器计算出望远镜的方位轴和俯仰轴的转速，同时计算出望远镜的方位弧形分段电机和俯仰电机的磁极换向角度信息；

步骤s3、ethercat主控制器对方位轴和俯仰轴进行位置闭环校正和速度闭环校正，获得方位弧形分段电机和俯仰电机的平均转矩电流指令；

步骤s4、ethercat主控制器将平均转矩电流指令和磁极换向角度信息发送给方位电机驱动器和俯仰电机驱动器，方位电机驱动器和俯仰电机驱动器分别控制方位弧形分段电机和俯仰电机工作；

步骤s5、ethercat主控制器通过ehthercat总线读取望远镜的方位轴的限位信息和俯仰轴的限位信息，实时对望远镜的状态进行监控；

步骤s6、依次循环重复步骤s1至步骤s5。

作为本发明的一种改进，在步骤s1内，ethercat主控制器通过ehthercat总线获取编码器解码板解算出的方位编码器和俯仰编码器的位置信息。

作为本发明的进一步改进，在步骤s2内，需要进行方位弧形分段电机和俯仰电机的电角度零点标定，并记录下每一台方位弧形分段电机和俯仰电机的电角度零点信息。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过ehtercat主控制器实现方位轴和俯仰轴的位置和速度运算校正，方位电机驱动器和俯仰电机驱动器分别实现方位弧形分段电机和俯仰电机的电流校正及功率驱动，使方位弧形分段电机和俯仰电机进行实时同步驱动，从而实现望远镜的高精度指向。

附图说明

图1是本发明的控制系统的连接结构框图；

图2是本发明的方位弧形分段电机的结构示意图；

图3为本发明的控制方法的步骤框图；

附图标记：1-分块定子，2-分块转子，s1-步骤s1，s2-步骤s2，s3-步骤s3，s4-步骤s4，s5-步骤s5。

具体实施方式

请参照图1至图3，本发明的一种地基大口径望远镜的控制系统，包括：

ehtercat主站，用于发送指令和处理信息；

ehtercat从站，用于接受ehtercat主站的指令和反馈信息至ehtercat主站内；

上位机，用于向ethercat主站发送望远镜的控制指令并接收ethercat主站回送的状态信息；

其中，ehtercat主站与ehtercat从站通过ehtercat总线连接共同组成一个线性网络拓扑结构；

ehtercat主站采用ehtercat主控制器；

ehtercat从站包括用于驱动望远镜的方位弧形分段电机的方位电机驱动器、用于驱动望远镜的俯仰电机的俯仰电机驱动器、用于向ehtercat主控制器传递望远镜的俯仰轴的限位信息的俯仰限位开关、用于向ehtercat主控制器传递望远镜的方位轴的限位信息的方位限位开关及用于向ehtercat主控制器传递望远镜的方位轴和俯仰轴的位置信息的编码器解码板。

如图1所示，在本发明中，通过ehtercat主控制器实现方位轴和俯仰轴的位置环和速度环运算校正，方位电机驱动器和俯仰电机驱动器分别实现方位弧形分段电机和俯仰电机的电流校正及功率驱动，使方位弧形分段电机和俯仰电机进行实时同步驱动，从而实现望远镜的高精度指向。

在现有技术中，大型望远镜结构庞大复杂，整个机架高达数十米，众多电控单元分布在机上和机下，设备间距离较远，这就对电控布线提出了更高要求。

在本发明中，编码器解码板上连接有用于测量望远镜的方位轴的位置的方位编码器和用于测量望远镜的俯仰轴的位置的俯仰编码器；直接通过ehtercat主控制器向多台电机驱动器(包括方位电机驱动器和俯仰电机驱动器)传递磁极换向角度信息，避免了方位编码器和多台方位电机驱动器的直接连接，避免了俯仰编码器和多台俯仰电机驱动器的直接连接，大大简化了连线数量。

在本发明中，方位电机驱动器和方位弧形分段电机的数量均可以在六个或六个以上，俯仰电机驱动器和俯仰电机的数量也可以在两个或两个以上。

如图2所示，方位弧形分段电机由六个分块定子1和一个分块转子2组成，六个分块定子1均为线圈绕组，分块转子2为呈圆环状的磁钢。

进一步，分块定子1内设置有用于对方位弧形分段电机进行温度监控的热敏电阻(包括ptc和kty电阻)；方位电机驱动器与方位弧形分段电机中的分块定子连接；俯仰电机驱动器与所述俯仰电机的定子连接。

在本发明中，俯仰电机设置为与方位弧形分段电机相同结构或者由两个整装电机构成。此处方位弧形分段电机为上述的方位弧形分段电机，二者结构相同；此处整装电机可以为市场上普通的整装力矩电机。

再进一步，ehtercat主控制器通过非ethercat接口与上位机相连接；具体地讲，ehtercat主控制器通过非ethercat接口与上位机相连接，接收上位机发送来的望远镜控制指令，同时向上位机反馈控制系统的状态信息，非ethercat接口可以是rs232接口、rs422接口，也可以是普通的以太网接口。

再进一步，方位限位开关和俯仰限位开关均设置有ethercat接口，方位限位开关和俯仰限位开关分别通过ethercat接口向ehtercat主控制器传递方位轴和俯仰轴的限位信息。

在本发明中，充分利用ethercat总线的刷新速率高、同步性好的特点，可以很容易实现电流指令和磁极换向角度信息1000hz的刷新速率，满足望远镜高精度控制要求，充分利用ethercat总线的带宽优势，实时读取并监控电机驱动器、电机的状态信息，保障系统的可靠运行，同时，大大简化布线工作量，可以使用100base-tx标准的以太网电缆进行线性结构互联，实现望远镜机上设备和机下设备可靠的数据传输，其中，组网设备站间距离可以达到100m，最多可以连接65535个设备，特别适合大型望远镜控制系统。

如图3所示，一种地基大口径望远镜的控制方法，其中，包括如下步骤：

步骤s1、ethercat主站接收上位机发送来的望远镜的控制指令，同时接收ehtercat从站反馈的望远镜的方位轴和俯仰轴的位置信息；

步骤s2、ethercat主控制器计算出望远镜的方位轴和俯仰轴的转速，同时计算出望远镜的方位弧形分段电机和俯仰电机的磁极换向角度信息；

步骤s3、ethercat主控制器对方位轴和俯仰轴进行位置闭环校正和速度闭环校正，获得方位弧形分段电机和俯仰电机的平均转矩电流指令；

步骤s4、ethercat主控制器将平均转矩电流指令和磁极换向角度信息发送给方位电机驱动器和俯仰电机驱动器，方位电机驱动器和俯仰电机驱动器分别控制方位弧形分段电机和俯仰电机工作；

步骤s5、ethercat主控制器通过ehthercat总线读取望远镜的方位轴的限位信息和俯仰轴的限位信息，实时对望远镜的状态进行监控；

步骤s6、依次循环重复步骤s1至步骤s5。

其中，在步骤s1内，ethercat主控制器通过ehthercat总线获取编码器解码板解算出的方位编码器和俯仰编码器的位置信息。

而且，在步骤s2内，需要进行方位弧形分段电机和俯仰电机的电角度零点标定，并记录下每一台方位弧形分段电机和俯仰电机的电角度零点信息。

在步骤s5内，ethercat主控制器通过ehthercat总线读取方位轴的限位信息、俯仰轴的限位信息、电机定子温度信息、驱动器温度信息、驱动器母线电压信息、电机电流信息等，实时对望远镜的状态进行监控，如果发生异常，及时处理。

在本发明中，方位弧形分段电机由分块定子1和分块转子2组成，其中，分块定子1为线圈绕组，分块转子2为磁钢，其中分块定子1内装有ptc和kty电阻，实现电机温度监控和过温保护；方位弧形分段电机属于具有正弦反电动势的交流永磁同步电机，方位弧形分段电机的定子和转子安装完成后，每一块定子相对转子具有自己独立的电角度零点；在本发明中的俯仰电机，可以是弧形分段电机，也可以是整装式交流永磁同步电机，二者控制原理相同。

在本发明中，ehtercat主控制器作为ehtercat主站，多台方位电机驱动器、方位限位开关、编码器解码板、俯仰限位开关和多台俯仰电机驱动器作为ehtercat从站，通过ehtercat总线共同组成一个线性网络拓扑结构，上述组网设备均通过ethercat接口传递交互信息；ehtercat主控制器通过非ethercat接口与上位机相连接，接收上位机发送来的望远镜控制指令，同时向上位机反馈控制系统的状态信息，所述的非ethercat接口可以是rs232接口、rs422接口，也可以是普通的以太网接口；方位电机驱动器和方位弧形分段电机中的定子相连接，实现电机驱动控制，以及采集ptc和kty电阻信息，方位电机驱动器同时具有ethercat通信接口，并通过ethercat接口同ehtercat主控制器交互信息；俯仰电机驱动器和俯仰电机的定子相连接，实现电机驱动控制，以及采集ptc和kty电阻信息，俯仰电机驱动器同时具有ethercat通信接口，并通过ethercat接口同ehtercat主控制器交互信息；方位限位开关和俯仰限位开关均具有ethercat通信接口，并通过ethercat接口向ehtercat主控制器传递方位轴和俯仰轴的限位信息；方位编码器和俯仰编码器与编码器解码板相连接，编码器解码板具有ethercat通信接口，并通过ethercat接口向ehtercat主控制器传递方位轴和俯仰轴的位置信息；也就是说，本发明的控制系统由电流环、速度环和位置环控制组成，其中，ehtercat主控制器主要实现位置环和速度环运算校正，电机驱动器(包括方位电机驱动器和俯仰电机驱动器)主要实现电流环校正及功率驱动，在电机和编码器安装完成后，首先进行方位弧形分段电机和俯仰电机的电角度零点标定(电角度零点标定的方法为将电机的u相反电动势过零点位置再加上四分之一电角度周期标定为电机的电角度零点)，并记录下每一台电机的电角度零点信息，该信息参与到系统的闭环控制过程，具体运算过程如下：ehtercat主控制器具有实时计算和处理功能，工作在定周期扫描模式，在一个扫描周期内，首先，通过非ethercat接口读取上位机发送来的望远镜控制指令，通过ethercat接口读取方位轴编码器位置信息和俯仰轴编码器位置信息，根据上述信息，一方面基于后项差分算法和低通滤波器计算方位轴和俯仰轴的转速，另一方面，根据当前编码器位置信息和事先标定好的电机电角度零点信息，计算出方位轴和俯仰轴上每个电机的磁极换向角度信息；然后，进行位置闭环校正和速度闭环校正，以获得方位轴分段电机和俯仰轴电机的平均转矩电流指令，最后通过ethercat接口将控制命令、平均转矩电流指令和磁极换向角度信息发送给对应的方位电机驱动器和俯仰电机驱动器；电机驱动器工作在力矩模式，采用id＝0的控制策略，电机驱动器通过ethercat接口接收ehtercat主控制器发送来的控制命令、平均转矩电流指令和磁极换向角度信息，实现交流永磁同步电机激磁电流id和转矩电流iq的电流环控制，并基于svpwm空间矢量脉宽调制技术，实现电机的转矩控制。

在本发明中，ehtercat主控制器同时通过ethercat接口实时读取方位限位信息、俯仰限位信息、电机定子温度信息、驱动器温度信息、驱动器母线电压信息、电机电流信息等，实现整个望远镜控制系统的状态监控，保证整个系统的可靠运行。

本发明的控制方法直接通过ehtercat主控制器向多台电机驱动器传递磁极换向角度信息，避免了方位编码器和多台方位电机驱动器的直接连接，避免了俯仰编码器和多台俯仰电机驱动器的直接连接，大大简化了连线数量。

本发明提供一个实施例，该实施例的一种地基大口径望远镜的控制系统由上位机、ehtercat主控制器、六台方位电机驱动器、六台方位弧形分段电机、方位限位开关、方位编码器、俯仰编码器、编码器解码板、俯仰限位开关、两台俯仰电机驱动器、两台俯仰电机和ehtercat总线组成；如图1所示，ehtercat主控制器作为ehtercat主站，六台方位电机驱动器、方位限位开关、编码器解码板、俯仰限位开关和两台俯仰电机驱动器作为ehtercat从站，ehtercat主站和ehtercat从站通过ehtercat总线共同组成一个线性网络拓扑结构，上述设备均通过100base-tx标准的以太网电缆进行组网互联；望远镜方位轴由方位弧形分段电机驱动控制，如图2所示，其中，方位弧形分段电机的电机线圈绕组由六块分块定子组成，因此由六台方位电机驱动器进行驱动控制，望远镜俯仰轴限于尺寸结构，并没有采用弧形分段电机，而是由两个整装电机组成，因此由两台俯仰电机驱动器进行驱动控制；方位弧形分段电机和俯仰整装电机，均属于具有正弦反电动势的交流永磁同步电机，二者控制原理相同。为了实现望远镜方位轴和俯仰轴的高精度测角和测速要求，方位轴和俯仰轴各安装一套高分辨率绝对式编码器，方位编码器和俯仰编码器与编码器解码板相连，编码器解码板作为ehtercat从站，通过ehtercat接口，向ehtercat主控制器传递方位轴和俯仰轴编码器位置信息；为了实现望远镜方位轴和俯仰轴在特定角度范围内安全运行，方位轴和俯仰轴各安装一套限位开关，方位限位开关和俯仰限位开关作为ehtercat从站，通过ehtercat接口，向ehtercat主控制器传递方位轴和俯仰轴限位开关信息；方位电机驱动器和俯仰电机驱动器作为ehtercat从站，工作在力矩模式，主要实现电机的驱动控制，并通过ehtercat接口，接收ehtercat主控制器发送来的控制命令、力矩电流指令和磁极换向角度信息，以及向ethercat主控制器回送驱动器和电机状态信息；上位机为工控机，通过rs422接口同ethercat主控制器相连接，向ethercat主控制器发送望远镜控制指令，并接收ethercat主控制器回送的控制系统状态信息；ethercat主控制器具有实时计算和处理功能，工作在定周期扫描模式，以倍福公司嵌入式处理器cx2030-0120为控制核心，配置rs422串口模块和ethercat通信接口，通过rs422串口同上位机相连接，通过ethercat通信接口同组网的其他ehtercat从站设备通信；整个控制系统可以说是由电流环、速度环和位置环控制组成，其中，ehtercat主控制器主要实现位置环和速度环运算校正，电机驱动器主要实现电流环校正及转矩控制；在方位弧形分段电机、俯仰电机、方位编码器和俯仰编码器安装完成后，首先进行六个方位弧形分段电机和两个俯仰电机的旋转正方向和电角度零点标定(标定电机电角度旋转正方向并与编码器旋转正方向一致：以望远镜的转台顺时针旋转方向为正方向，该正方向为编码器旋转正方向，同时也为电机电角度旋转正方向；当电机以电机电角度旋转正方向转动时，电机的u相反电动势领先电机的v相反电动势120°，电机的v相反电动势领先电机的w相反电动势120°；电机电角度标定：将电机的u相反电动势过零点位置再加上四分之一电角度周期标定为电机的电角度零点)，以保证同一轴上的电机出力大小和方向一致，并记录下每台电机的电角度零点信息，该信息参与到系统的闭环控制过程，具体运算过程如下：ehtercat主控制器工作在1ms定周期扫描模式下，首先，通过rs422接口接收上位机发送来的望远镜控制指令，同时通过ethercat接口读取方位编码器位置信息和俯仰编码器位置信息，然后，根据上述信息，一方面进行方位轴和俯仰轴的转速计算，另一方面，根据当前编码器位置信息和事先标定好的电机电角度零点信息，计算出方位轴和俯仰轴每个电机的磁极换向角度信息，然后进行方位轴和俯仰轴的位置闭环校正和速度闭环校正，以获得方位轴分段电机总的转矩电流指令ia和俯仰轴总的转矩电流指令ie，最后通过ethercat接口将控制命令、平均转矩电流指令和磁极换向角度信息发送给对应的方位电机驱动器和俯仰电机驱动器，其中，每个方位电机驱动器接收到的转矩电流值为ia/6，每个俯仰电机驱动器接收到的转矩电流值为ie/2；方位电机驱动器和俯仰电机驱动器均工作在力矩模式下，采用id＝0的控制策略，通过ethercat接口接收ehtercat主控制器发送来的控制命令、平均转矩电流指令和磁极换向角度信息，根据上述信息，进行电机激磁电流id和转矩电流iq的电流环控制，并基于svpwm空间矢量脉宽调制技术，实现电机的转矩控制。

在本发明中，ehtercat主控制器同时通过ethercat接口实时读取方位限位信息、俯仰限位信息、电机定子温度信息、驱动器温度信息、驱动器母线电压信息、电机电流信息等，实现整个望远镜控制系统的状态监控，保证整个系统的可靠运行。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。