劉電龍，徐熙平，文大化，孫敏，徐哲

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033）

太陽(yáng)模擬器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。大型太陽(yáng)模擬器是航天技術(shù)中衛(wèi)星空間環(huán)境模擬的主要組成部分，中小型太陽(yáng)模擬器用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的太陽(yáng)敏感器地面模擬試驗(yàn)與標(biāo)定及地球資源衛(wèi)星多光譜掃描儀太陽(yáng)光譜輻照響應(yīng)的地面定標(biāo)。在光伏科學(xué)與工程中，中小型的太陽(yáng)模擬器又可用于太陽(yáng)能電池的檢測(cè)與標(biāo)定、遙感技術(shù)中室內(nèi)模擬太陽(yáng)光譜輻照以及農(nóng)業(yè)科學(xué)中研究植物發(fā)育和培育良種、建材行業(yè)中材料的耐輻照老化試驗(yàn)等。

本文中的小型太陽(yáng)模擬器用于衛(wèi)星姿態(tài)控制的太陽(yáng)敏感器地面模擬試驗(yàn)與標(biāo)定。太陽(yáng)敏感器是檢測(cè)太陽(yáng)矢量方位角的一種光學(xué)儀器，基本功能是獲取太陽(yáng)矢量在與太陽(yáng)敏感器相固聯(lián)的星體坐標(biāo)系中的方位信息，來對(duì)空間飛行器進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量、姿態(tài)確定與姿態(tài)控制。

1 指標(biāo)要求及總體結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch map of systems overall structure

1.1 指標(biāo)要求

擺角精度：優(yōu)于0.25°；

擺角零位精度優(yōu)于0.05°；

擺角范圍為±45°連續(xù)可調(diào)。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要有模擬器本體、光闌準(zhǔn)直系統(tǒng)、減速器、步進(jìn)電機(jī)、基座等部分組成。

模擬器本體與光闌準(zhǔn)直系統(tǒng)相連接，準(zhǔn)直系統(tǒng)通過搖臂與減速器連接，減速器和步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器連接。如圖1所示。

2 系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)及功能

2.1 燈室結(jié)構(gòu)及調(diào)燈機(jī)構(gòu)

根據(jù)光源的指標(biāo)要求，可采用柱形氙燈作為光源，一定功率的氙燈既可以滿足光強(qiáng)強(qiáng)度的要求。但供電電源輸出一定要穩(wěn)定才能保證光源的穩(wěn)定。燈室有燈室腔和燈架組成，燈室腔是一個(gè)圓形管，同時(shí)在燈室腔的兩側(cè)和頂部開了許多散熱孔，以便于較好地散熱。燈室下方有一個(gè)長(zhǎng)60mm，寬5mm的矩形通光槽，光通過矩形通光槽進(jìn)入下面的準(zhǔn)直系統(tǒng)。燈室結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 燈室結(jié)構(gòu)Fig.2 Lamphouse structure

燈架用于支撐氙燈，氙燈采用水平點(diǎn)燃方式。燈的支撐采用兩端固定，但不加緊的支撐方式，以確保氙燈在點(diǎn)燃后，兩端可以沿氙燈軸線方向釋放由于高溫引起的熱膨脹應(yīng)力。燈的支撐部分是受熱最為嚴(yán)峻的部件。為了減小因支撐部分熱膨脹引起的燈兩端的附加應(yīng)力，支撐部件應(yīng)選用表面拋光且耐高溫不變形的合金材料，它對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收系數(shù)應(yīng)比較小?？紤]到溫度會(huì)比較高，氙燈與燈架間需要置一層隔熱材料。

燈架除了用于支撐氙燈以外，它本身就是一個(gè)調(diào)燈機(jī)構(gòu)，用來調(diào)節(jié)燈的中心位置，可以進(jìn)行水平方向和垂直方向的二維調(diào)節(jié)。如圖3所示。

圖3 調(diào)燈機(jī)構(gòu)Fig.3 Adjust lamp institutions

調(diào)整螺釘A用于燈水平方向的調(diào)節(jié)，B用于燈垂直方向的調(diào)節(jié)，調(diào)整螺塞C、D用于調(diào)節(jié)支撐彈簧的松緊。由于在工作過程中此部分熱量很大、溫度會(huì)很高，所以整個(gè)燈室和調(diào)整架均要選用耐高溫且不變形的合金材料來做。燈室與準(zhǔn)直機(jī)構(gòu)之間通過螺釘與連接孔連結(jié)，中間還需加一隔熱墊，阻止熱量通過燈室向準(zhǔn)直系統(tǒng)擴(kuò)散。

2.2 準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)

氙燈發(fā)出的光通過矩形通光槽后進(jìn)入光闌準(zhǔn)直系統(tǒng)。準(zhǔn)直系統(tǒng)示意圖如圖4所示，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖4 光準(zhǔn)直系統(tǒng)示意圖Fig.4 The sketch map of collimating system

圖5 光闌準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)Fig.5 Lens screen collimating structure

光經(jīng)過3道光闌的過濾后到達(dá)準(zhǔn)直柱面透鏡。進(jìn)入準(zhǔn)直系統(tǒng)的光主要有兩種：一種是光源直接發(fā)出的光；另一種是經(jīng)過燈室腔反射后進(jìn)入準(zhǔn)直系統(tǒng)的光。這兩種光首先通過光闌1，光闌1把大部分由光源直接發(fā)出的能夠進(jìn)入準(zhǔn)直系統(tǒng)內(nèi)部，但不能直接照到準(zhǔn)直柱面透鏡的光和一部分經(jīng)過燈室腔反射后進(jìn)入準(zhǔn)直系統(tǒng)的光濾掉。這樣經(jīng)過光闌1的過濾后到達(dá)光闌2的光主要有三種：一種是由光源直接發(fā)出的且能夠直接照到準(zhǔn)直柱面透鏡的光，它占絕大部分；一種是經(jīng)過燈室腔反射后進(jìn)入準(zhǔn)直系統(tǒng)而沒有被光闌1濾掉的光；另一種是由光闌1反射到準(zhǔn)直系統(tǒng)內(nèi)表面又產(chǎn)生漫反射的光。這些光通過光闌2的過濾后到達(dá)光闌3。這樣到達(dá)光闌3光基本上都是由光源直接發(fā)出的光和很微弱的一部分由光闌2反射到準(zhǔn)直系統(tǒng)內(nèi)表面又產(chǎn)生漫反射的光。再經(jīng)過光闌3的過濾后到達(dá)準(zhǔn)直柱面透鏡，從而到達(dá)準(zhǔn)直柱面透鏡的光就都是由光源發(fā)出的直射光。

同時(shí)，為了減弱準(zhǔn)直系統(tǒng)內(nèi)表面的漫反射，應(yīng)在其內(nèi)表面涂一層吸光材料或置一層吸光紙。

3 運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)

由于是用來模擬太陽(yáng)相對(duì)太陽(yáng)敏感器的移動(dòng)，所以轉(zhuǎn)動(dòng)速度必須不能過快。本系統(tǒng)用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，雖然步進(jìn)電機(jī)是由脈沖驅(qū)動(dòng)來轉(zhuǎn)動(dòng)，但當(dāng)脈沖頻率過小，步進(jìn)電機(jī)速度低于一定程度運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。為了保證穩(wěn)定性，所以不能使步進(jìn)電機(jī)在過低速條件下工作。否則就不能滿足穩(wěn)定性要求，因此就需要加減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)?？紤]穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)動(dòng)精度的要求，選用諧波齒輪減速器來實(shí)現(xiàn)減速的目的。運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)Fig.6 Motion control structure

在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的方法是用邏輯電路或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制，雖然此方法可行，但由于線路復(fù)雜而且制成后不易調(diào)整，因此存在一定的局限性。該系統(tǒng)采用虛擬儀器圖形化編程軟件LabView實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的位置控制。系統(tǒng)有較好的人機(jī)交互界面，編程簡(jiǎn)單，根據(jù)不同的要求可隨時(shí)調(diào)整控制方式。系統(tǒng)的控制流程圖如圖7所示。

圖7 運(yùn)動(dòng)控制流程圖Fig.7 The flow chart of motion control

本系統(tǒng)的精度由電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)精度和諧波減速器的傳動(dòng)精度共同決定。諧波減速器的傳動(dòng)精度由空回（空載情況下，改變輸入軸轉(zhuǎn)向時(shí)，輸出軸轉(zhuǎn)角的滯后量）和傳動(dòng)誤差（當(dāng)輸入軸單向旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出軸的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差）決定。本系統(tǒng)采用 XB1型高精密單級(jí)諧波減速器，指向精度達(dá)到30"=0.0083°、傳動(dòng)精度達(dá)到5"=0.0014°，采用步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行128細(xì)分后的精度為：則系統(tǒng)的精度可以達(dá)到0.0083°+0.0014°+0.014°=0.0237°，因此，能夠滿足系統(tǒng)精度要求。

4 結(jié)論

模擬器本體采用的管罩式結(jié)構(gòu)，即有利于燈室的散熱，又可以通過散熱孔直接觀察到燈室內(nèi)部的情況和燈的中心位置，便于調(diào)節(jié)。采用的與中心軸垂直且依附在燈室上的十字結(jié)構(gòu)調(diào)燈系統(tǒng)可以很方便的調(diào)節(jié)燈的中心位置，使之與中心軸重合。光闌準(zhǔn)直系統(tǒng)采用矩形結(jié)構(gòu)，它與模擬器本體連接時(shí)可以保證與燈中心軸的平行，光可以平行經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)到達(dá)準(zhǔn)直鏡，再平行輸出。減速機(jī)構(gòu)采用諧波減速齒輪，是由于諧波減速齒輪的減速比比較大，傳動(dòng)精度高，一般的行星減速齒輪要實(shí)現(xiàn)大的減速比，需要多級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)精度很難達(dá)到要求。減速器與步進(jìn)電機(jī)的連接采用聯(lián)軸器直聯(lián)的方式，這種連接方式可以使電機(jī)軸和減速器軸的同軸性較好，但在加工基座時(shí)也要保證安裝螺孔的位置精度、加工精度、與端面的垂直度等。

本系統(tǒng)除了用于太陽(yáng)敏感器地面模擬試驗(yàn)與標(biāo)定之外，在太陽(yáng)光伏科學(xué)與工程中，改變一下光源結(jié)構(gòu)（加1.5G濾光片）就可達(dá)到A類太陽(yáng)模擬器標(biāo)準(zhǔn)，即可可用于太陽(yáng)能電池的檢測(cè)與標(biāo)定，光電材料特性測(cè)試等。還可以用于生物化學(xué)相關(guān)測(cè)試，皮膚化妝用品的試驗(yàn)測(cè)試檢測(cè)，建材行業(yè)中材料的耐輻照老化試驗(yàn)等。

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