65米射电望远镜主反射面的主动控制系统

摘要

65米射电望远镜主反射面的主动控制系统，其特征在于，射电望远镜的主反射面采用由若干块子面板拼接而成的组合式主反射面，其中的每块子面板连接有若干位移促动器，所有位移促动器的驱动器分别与主控机连接，其连接方式是：将65米射电望远镜的主面分成8个扇区，每个扇区中的所有位移促动器作为一个控制组；每个控制组设置一个扇区控制器；每个扇区控制器的服务器分别与主控机连接。本发明借鉴了大型光学天文望远镜主动控制的技术，发展出射电天文望远镜控制系统的全新结构和控制技术，本发明的主动控制系统能够满足65米射电望远镜对控制系统的更加复杂和更高精度的技术要求。

权利要求

1. 一种65米射电望远镜主反射面的主动控制系统，其特征在于，射电望远镜的主反射面采用由若干块子面板拼接而成的组合式主反射面，其中的每块子面板连接有若干位移促动器，所有位移促动器的驱动器分别与主控计算机连接，其连接方式是：将65米射电望远镜的主反射面分成8个扇区，每个扇区中的所有位移促动器作为一个控制组；每个控制组设置一个扇区控制器；

每个扇区控制器的服务器分别与主控计算机连接；

所述的主控计算机与天文观测计算机连接；

其中，所述位移促动器上的促动器微控制器的主要参数是：⑴、重复定位精度<0.015mm；

⑵、闭环控制机构：促动器微控制器中设有闭环控制机构；

⑶、通讯机构：促动器微控制器中设有与主控计算机进行通讯的通讯机构；

其中，促动器微控制器的结构是：

① 嵌入式CPU主板：

促动器微控制器中的主板：采用PC104主控制器，该PC104主控制器是独立的嵌入式CPU主板，具有RS232/485通讯和以太网通讯接口，直接连接CRT、键盘、鼠标；在控制中作为智能控制器仅使用以485讯接口连接主控计算机； 256M的RAM，用CF卡存放启动程序和智能控制程序；

②促动器微控制器的连接方式：

位移促动器的电机安装在控制盒内；控制盒对外只有网线和供电线通过航空插头连接；计算机通过以太网控制促动器微控制器运行；

③ DC-DC电源变换连接板：

是一个很小的板安装在促动器控制盒内，把功率源通过电缆送到促动器微控制器的直流电源连接DC-DC上，然后再变换成促动器微控制器内部所需要的各种直流电源；

④ 促动器微控制器的反馈与逻辑控制电路：

促动器微控制器的反馈采用256线的编码器直接安装在步进电机的轴上，编码器的计数器采用24位的加减计数器；在电路板上设计8位I/O用作控制步进电机和位移促动器的限位输入；该板的设计直接对插在促动器微控制器的板上。

2. 根据权利要求1所述的65米射电望远镜主反射面的主动控制系统，其特征在于，主反射面的主动控制系统及其元件必须达到GB/T17618-1998信息技术设备抗扰度限值和测量方法CISPR24(97)B级要求。

说明书

65米射电望远镜主反射面的主动控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种控制系统，具体涉及一种65米射电望远镜主反射面的主动控制系统。本发明为国家自然科学基金资助重点项目，“大口径主动光学亚毫米波/毫米波望远镜方案和关键技术研究”，批准号为：10833004。

背景技术

[0002] 射电天文是类似于雷达的原理，发展起来的天文观测手段，但是它只是接收天体的射电波，其主要工具是射电天文望远镜。射电天文望远镜的主反射面是一个抛物面的射电天线，该主反射面在接收天体的无线电信号时用以聚焦无线电信号。现有技术中射电天线的主反射面都是固定安装在背架上，观测天体时可以作方位和俯仰运动。但主反射面本身的抛物面形状是固定不变的。但是随着现代科学技术的发展，射电天文望远镜越造越大，其主反射面的直径也越来越大。例如，正在研制的上海射电望远镜的主反射面直径达到65米。天文学家不满足于传统的射电望远镜，要拓展在天文观测领域里的应用；必需把被动面板变成为主动面板；这是射电望远镜中的新技术；它对射电望远镜主反射面的结构提出了新的难题。制造这样大的抛物面主反射面的结构与其位移控制会遇到很多困难。这种更大、更新的望远镜系统的结构要求更加复杂，精度要求更高。现有技术中缺少解决这些问题的答案。

[0003] 在射电天文学的接近领域的传统光学天文观测技术中，出现了一种主动光学天文望远镜技术，或者说望远镜的主动控制系统，是现代天文观测的新 技术。该技术的出现是为了解决建造超大口径的大型天文望远镜的技术困难，而采用多块子镜拼接成大型天文望远镜；拼接结构中的各子镜在控制系统操纵下同时动作，可以形成整个镜面的形变，达到天文观测的需要，即构成主动光学天文望远镜。这种拼接结构的大型主动光学天文望远镜的技术难点在于控制系统：它需要满足所有子镜同时接到指令，同时动作的技术要求，动作中还包括有位移动作和形变动作，需要控制的因子数量是巨大的，同时还要满足毫牛顿级的控制精度。大型天文望远镜的控制系统(TCS)是一个复杂的系统，包含有望远镜指向及跟踪控制系统、力促动器控制系统、位移促动器控制系统及圆顶控制系统等。通过力促动器控制系统及位移促动器系统，能克服薄镜面拼接望远镜镜面误差，使望远镜的像质提高，使大型天文望远镜的建造成为可能。大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(以下简称LAMOST)分别由24块六角形子镜拼接成施密特改正板MA和37块六角形子镜拼接成球面主镜MB组成。MA及MB的每一块子镜分别由三套位移促动器控制镜面位移，共183套。MA的每块子镜下装有34套力促动器，共816套。大型天文望远镜的子镜可以扩展到成千上万，并同时把位移控制和子镜变形控制集中在同一个控制系统里完成。由此带来控制对象的数量达到了空前庞大的程度，这对望远镜的控制系统提出了极大的挑战。 [0004] 例如，中国的国家大科学工程LAMOST望远镜中的主动光学电控系统的控制系统。LAMOST望远镜主动光学系统采用力传感器作为加(拉)力闭环控制的反馈器件；软硬结合的方法，进行逻辑组合的控制思想，分布集中式的网络控制方案是很成功的一种创新的方法。

[0005] 该系统已经实现了MA每块子镜同时控制34套力促动器操作，共24块 子镜816套力促动器运行。做到了加力的范围为±150N，计算机对力促动器的闭环控制精度达到了万分之五，均方根值≤50mN。RMS≤30mN，占98.367％，都优于力促动器的技术指标。该系统可以通过局域网得到控制参数实时控制改变24块MA子镜的非球面面形。 [0006] 通过局域网同时控制MA和MB主镜816套力促动器和183套位移促动器共999套促动器实时运行完全满足LAMOST望远镜主动光学控制系统的技术要求；并且控制精度远远优于各项技术指标。

[0007] 又如：中国01113668.5号发明专利申请，公开了一种大型天文望远镜镜面位移控制系统。其结构是，天文望远镜镜面由若干块六角形的子镜拼接而成，每一块子镜的背面放置微位移促动器和微位置传感器，微位置传感器的输出连接到计算机，计算机的输出接各促动器，形成闭环控制系统，其特征是，由上位机连接主控制机，主控制机分别连接若干个位移控制器，每个位移控制器分别连接若干个位移促动器的驱动器，每个驱动器连接一个位移促动器。该专利公开了主动光学望远镜与传统望远镜的不同结构。 发明内容

[0008] 本发明的目的是提供一种65米射电望远镜主反射面的主动控制系统，该主动控制系统是把射电望远镜被动式的主反射面变成为主动式的主反射面；同时，能够满足65米射电望远镜对控制系统的更加复杂和更高精度的技术要求。

[0009] 完成以上发明目的方案是，一种65米射电望远镜主反射面的主动控制系统，其特征在于，射电望远镜的主反射面(简称：主面)采用由若干块子面板拼接而成的组合式主反射面，其中的每块子面板连接有若干位移促动 器，所有位移促动器的驱动器分别与主控机(或称主控制计算机，或称上位计算机系统)连接，其连接方式是：

[0010] 将65米射电望远镜的主面分成8个扇区，每个扇区中的所有位移促动器作为一个控制组；每个控制组设置一个扇区控制器；

[0011] 每个扇区控制器的服务器分别与主控机连接。

[0012] 以上所述的主控机(或称主控制计算机，或称上位计算机系统)是射电望远镜主反射面的主控机。该主控机与天文观测计算机连接。工作时，天文观测计算机对该主控机发布指令。主控机根据天文观测计算机提供的天文观测所需要的各种参数，控制射电望远镜主反射面的动作，以达到观测需要的参数。

[0013] 本发明是在射电天文望远镜的领域里，借鉴光学天文望远镜领域中主动光学的技术，提出的一个全新概念：主动面板型射电天文望远镜。

[0014] 射电望远镜与光学望远镜的运行模式是不同的；射电望远镜是接受天体的射电波；其主反射面板类似于一个雷达天线；而光学望远镜LAMOST是在可见光波段观测；其主反射面板类似于一个光学镜头。射电望远镜的主面位移精度低于LAMOST光学望远镜，但是它的行程大于LAMOST光学望远镜；它的负载能力远大于LAMOST望远镜中的促动器，超过一个数量级；它的位移促动器的数量也远大于LAMOST光学望远镜。这是在设计控制系统时必须根据对象的不同仔细考虑的问题。

[0015] 更具体地说，本发明的主反射面的主动控制系统的具体结构是： [0016] 主动控制1104套位移促动器的拓扑结构

[0017] (1)、主面分成8个扇区的拓扑结构

[0018] 把65米射电望远镜的主面分成8个扇区，如图2与计算机的接口，促动器组成系统控制拓扑结构图所示。

[0019] (2)、一个扇区的拓扑结构

[0020] 主动面板促动器的技术指标，如表1.1所示：

[0021] 表1.1 65米射电望远镜天线主动面板促动器的设计指标

[0022]

[0023] 天线主面系统是天线主反射面板位置主动调整系统的简称。由于安装等存在误差，而且大型的天线还要受到重力、温度和风等因素的影响，工作时天线面板组成的实际曲面与理想的曲面之间必然存在误差，所以为了提高上海65米射电望远镜天线面的效率(特别是在高频波段的观测效率)，天线主动面板系统的主要功能就是根据观测中天线位置的变化，对天线面板进行实时的调整，从而保证所需的天线面板的精度。 [0024] 主动面板系统结构方案

[0025] 1、促动器电控要求

[0026] 根据控制系统的指令进行往复运动，并且具有位置自锁功能，以减少能源的消耗。促动器的主要技术指标参见表1.1。

[0027] 促动器微控制器的主要参数是：

[0028] (1)、重复定位精度＜0.015mm；

[0029] (2)、闭环控制机构：促动器微控制器中设有闭环控制机构；

[0030] (3)、通讯机构：促动器微控制器中设有与主控制计算机进行通讯的通讯机构； [0031] (4)、主动面板控制功能；

[0032] a、能实时计算各控制点的补偿量；

[0033] b、通过总线与各促动器的微控制器进行通讯；

[0034] c、能图形化显示各控制点状态；

[0035] d、能通过主动面板控制系统主控计算机进行手动调节各促动器； [0036] e、能与天线主控计算机进行数据交互。

[0037] 2、主动面控制系统的电磁兼容性

[0038] 主动面控制系统及其元件必须达到GB/T17618-1998信息技术设备抗扰度限值和测量方法CISPR24(97)B级要求。

[0039] 3、促动器控制系统方案设计

[0040] 本发明的控制系统可以做到：1104套位移促动器进行了逐个连接控制系统后的检测与标定。1104套位移促动器的行程30毫米，重复定位精度小于15μ，满足65米射电望远镜的技术要求。

[0041] 在室外自然环境下，进行寿命试验，经连续通电控制促动器运行了2个 月后，无损坏，能正常工作。控制行程：30mm，重复精度小于3μ。

[0042] 65米射电望远镜中的位移促动器的控制，在技术指标上：行程是30mm；分辨率是0.015mm。

[0043] 4、促动器的控制结构

[0044] 如图1所示，假定有N个智能控制器通过K个多路通讯控制器链接后，接受促动器主控控制机的命令实现M个位移促动器的实时控制。

[0045] 5、促动器主控制计算机

[0046] 促动器主控制计算机放置在65米射电望远镜的控制室内；采用工业控制机。这台主控制机与天文观测的计算机连接，接受天文观测的计算机的命令，解析后对促动器控制器发送控制命令；促动器控制器执行命令后返回执行的状态信息，送给促动器主控制计算机。

[0047] 6、促动器控制器

[0048] (1)智能控制器

[0049] 目前可以参考LAMOST望远镜主动光学系统中的智能控制器的结构。 [0050] 智能控制器直接安装在望远镜的桁架上；并且采用了三防处理。在实验室里做65米射电望远镜中的促动器控制实验是科学的。通过实验后进行改进，就可以安装在65米射电望远镜的面板后面的背架上。

[0051] (2)促动器控制器的结构

[0052] ①嵌入式CPU主板

[0053] 促动器智能控制器中的主板：PC104主控制器是独立的嵌入式CPU主板作为控制处理，具有RS232/485通讯和以太网通讯接口，可以直接连接CRT、键盘、鼠标等等。在实际的控制中作为智能控制器仅使用485通讯接口连接 主控制机。嵌入式CPU主控制板，256M的RAM，用CF卡存放启动程序和智能控制程序。

[0054] 电机安装在控制盒内，促动器和控制器设计成一体化。这样既方便在面板上安装，也增强了抗干扰的能力和，同时减弱了电磁的对外辐射等。

[0055] ②促动器的连接方式

[0056] 位移促动器的电机安装在控制盒内；控制盒对外只有网线和供电线通过航空插头连接。计算机通过以太网(批量制造采用以太网+CAN总线结构，一组CAN总线连接N台促动器控制器；例如N＝69，即十六台NET/CAN/协议转换控制器就可以实现网络通信)控制促动器运行。

[0057] ③DC～DC电源变换连接板

[0058] 它是一个很小的板安装在促动器控制盒内，功率源通过电缆送到智能控制器的直流电源连接DC-DC上，然后再变换成促动器控制器内部所需要的各种直流电源。 [0059] ④促动器的反馈与逻辑控制等电路

[0060] 促动器的反馈采用256线的编码器直接安装在步进电机的轴上，编码器的计数器采用24位的加减计数器。在该电路板上设计了8位I/O用作控制步进电机和促动器的限位输入等。该板的设计直接对插在节点控制器的板上；减少了线的连接。提高了可靠性和抗干扰的能力。

[0061] 促动器主控制计算机通过NET/CAN/协议转换控制器发送与接收N台促动器控制器的数据与命令的传送。也就是说，促动器主计算机事实控制1104套促动器实时操作。 [0062] 本发明公开的65米射电望远镜主反射面的主动控制系统，借鉴了大型 光学天文望远镜主动控制的技术，发展出射电天文望远镜控制的全新技术，本发明的主动控制系统能够满足65米射电望远镜对控制系统的更加复杂和更高精度的技术要求。 [0063] 可以做到：MA1104套促动器进行了逐套连接控制系统后的检测与标定。通过标定做到每一套促动器的运行范围、精度满足65米射电望远镜项目的技术要求，并且远远优于技术指标。

[0064] 附图说明

[0065] 图1为促动器控制系统结构图；

[0066] 图2为主面分成8个扇区的拓扑结构图；

[0067] 图3为一个扇区促动器组成系统拓扑结构图；

[0068] 图4为网络拓扑结构图；

[0069] 图5为促动器控制器内部结图；

[0070] 图6、图7、图8为轴向拉力测试位移分辨率测试曲线图；

[0071] 图9、图10轴向拉力测试为位移精度检测曲线图；

[0072] 图11、图12为轴向压力测试位移分辨率测试曲线图；

[0073] 图13、图14为轴向压力测试位移精度检测曲线图；

[0074] 图15～图18为侧向拉力150kg测试曲线图。

[0075] 具体实施方式

[0076] 实施例1，65米射电望远镜主反射面的主动控制系统，其特征在于，射电望远镜的主反射面(简称：主面)采用由若干块子面板拼接而成的组合式主反射面，其中的每块子面板连接有若干位移促动器，所有位移促动器的驱动器分别与控制计算机连接，其连接方式是：

[0077] 将65米射电望远镜的主面分成8个扇区，每个扇区中的所有位移促动器作为一个控制组；每个控制组设置一个扇区控制器；

[0078] 每个扇区控制器的服务器分别与主控机连接。

[0079] 其中，单套位移促动器的结构见图5：该图是1104套位移促动器中的一套内部结构图。它是由电机、编码器、嵌入式CPU、步进电机驱动器、DC/DC和位置传感器构成。 [0080] 步进电机

[0081] 表5步进电机主要参数

[0082]电机型号、厂家 定制
工作温度范围 -25-+65℃
供电电压、电流 2.52V/2.8A
单个电机正常工作时的功耗 7.056W
单个电机省电模式下的功耗 3.5W
电机的扭矩 静转矩110N.CM
电机每转丝杆升降量 0.3675μ/step；0.147mm/转
步进电机步距角 1.8±5％°/STEP
编码器线数 256(4细分1024)

[0083] 步进电机控制器

[0084] 表6步进电机控制器参数

[0085]型号、厂家 定制/HIPROS汇兴博业
工作频率 100HZ-1KHZ可调
嵌入式操作系统的类型、工作方式 直接汇编语言编程
程序下载方式 CAN

[0086] 说明步进电机控制器嵌入程序的容错设计、程序安全设计

[0087] 通讯

[0088] 1)与计算机的接口，1104个促动器组成系统后的拓扑结构和布线图，见图1； [0089] 2)通讯线与电源线在促动器内的布线及隔离措施，对外接口图。见图2、图3； [0090] 3)多路集线器或中继器个数及布置方式；见图4和表7

[0091] 表7通讯参数

[0092]通讯方式 光纤以太网/CAN
通讯速率 千兆/1-2兆
通讯接口防水措施 光纤以太网控制箱内接/CAN防水航空 插头
通讯接口屏蔽措施 CAN双屏蔽双绞线
多路集线器或中继器个数 24口光纤交换机，16个光纤以太网 /CAN协议转换器
通讯电缆总长度 光纤：从控制室至控制箱距离/CAN约 1500米
通讯电缆总重量 约300KG
控制1100个促动器的响应时间 100ms---1s

[0093] 7、供电

[0094] 1)1100个促动器的供电方式框图，功耗：20KW

[0095] 2)供电电缆的总长度、重量

[0096] 供电电缆的总长度：10000M

[0097] 重量：1000KG

[0098] 8、EMC设计考虑

[0099] 供电电源防浪涌设计；

[0100] CAN总线通信采用双绞线双屏蔽；

[0101] 以太网通信采用光纤光缆；

[0102] 低压供电电缆采用屏蔽电缆外套波纹管；

[0103] 交流220V供电采用钢管内穿线，屏蔽电缆；

[0104] 控制盒采用铝镁合金，内置薄钢板屏蔽；

[0105] 步进电机采用低压控制；

[0106] 促动器控制器外壳接大地小于

[0107] 控制箱外壳接大地小于

[0108] 布线工艺专门设计。

[0109] 9、主控计算机软件显示信息

[0110] 1104个促动器的显示信息：

[0111] A实时位置信息，

[0112] B正负机械限位，

[0113] C正负电限位。

[0114] 10、主控制机自动检测功能：

[0115] A.1104个促动器的“0”位值检测；

[0116] B.1104个促动器的正负机械限位检测；

[0117] C.1104个促动器的正负电限位检测；

[0118] D.1104个促动器的定位检测。

[0119] 11、检测实验

[0120] 先做单个位移促动器样机实验，使用双频激光干涉仪进行实验测试，分析测试数据是否满足技术要求，考验促动器控制电路的稳定性和可靠性，研 究存在的问题和探索改进的方法。然后，把5套测试满足指标要求的促动器安装在上海佘山天文台实验架上进行一个月的实际运行检测。

[0121] 单个促动器测试平台和条件：

[0122] (1)恒温、恒湿洁净实验室；

[0123] (2)德国JENAer ZLM800双频激光干涉仪，其中光学器件全部由ZEISS生产； [0124] (3)美国NI公司Labview7.1软件套件；

[0125] (4)虚拟仪器硬件套件：数字万用表、示波器、信号发生器、运动控制器、信号采集卡；

[0126] (5)加力设备：专用横梁杠杆加力装置，设置臂长比例使得一端施加的砝码重量放大12倍加载在促动器上，可实现于拉、压及侧向负载施加功能；

[0127] (6)在专用翻转平台上进行主动面板和促动器联测。

[0128] 测试工作内容如下：

[0129] 模拟促动器在真实工作条件下面板、支撑以及风载雪载对促动器的作用环境，在本测试中主要进行三个方向的测试，分别是：

[0130] (1)轴向拉力测试，测试载荷分别为150kg、300kg。在此工况条件下分别进行分辨率测试、爬行测试、精度测试(如图6～图8)；

[0131] (2)轴向压力测试，测试载荷分别为150kg、300kg。在此工况条件下分别进行分辨率测试、爬行测试、精度测试(如图9、图10)；

[0132] (3)侧向力测试，测试载荷为150kg。在此工况条件下进行分辨率测试、爬行测试、精度测试(如图11、图12)；

[0133] (4)空载测试：进行空载条件下的空回程测试；

[0134] (5)具体测试及记录项目明细依据65米促动器测试大纲执行。

[0135] (6)测试结果摘录

[0136] 轴向拉力300kg测试

[0137] 1)位移分辨率测试

[0138] 见图13、图14。

[0139] 2)位移精度检测

[0140] 见图15、图16。

[0141] 3)位移精度检测侧向拉力150kg测试

[0142] 位移分辨率/爬行测试：

[0143] 见图17、图18。