鄭萬(wàn)章

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，毫米波/亞毫米波天文學(xué)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，而且對(duì)天體物理研究的多個(gè)領(lǐng)域做出了巨大的貢獻(xiàn)。雖然這個(gè)重要的波段已經(jīng)引起越來(lái)越多的中國(guó)天文學(xué)家的重視，但由于各方面原因，中國(guó)目前還仍然缺乏可提供給天文學(xué)家進(jìn)行常規(guī)觀測(cè)的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡。為此，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家單位，與德國(guó)科隆大學(xué)合作，引進(jìn)了3m口徑KOMSA亞毫米波望遠(yuǎn)鏡，臺(tái)址設(shè)在中國(guó)西藏當(dāng)雄縣海撥4 300 m的羊八井天文觀測(cè)站。該望遠(yuǎn)鏡是中國(guó)第一架可用于正常觀測(cè)的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡，也是目前北半球臺(tái)址海撥最高的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡［1］。該望遠(yuǎn)鏡的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造工作，特別是其高性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，為該望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)天文觀測(cè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)中國(guó)進(jìn)一步吸引國(guó)際合作進(jìn)行大型天文望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)有著非常重要的意義。

1 天線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)備選擇

中德亞毫米波望遠(yuǎn)鏡天線的指向精度要求很高，在天線的不同工作狀態(tài)單個(gè)軸向指向精度要小于10 arcsec，整體的指向精度要小于20 arcsec;在整個(gè)控制過(guò)程中，望遠(yuǎn)鏡要根據(jù)國(guó)家天文臺(tái)用戶的指令進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)時(shí)采集天線各軸狀態(tài)并發(fā)送給用戶上位機(jī)。上下位機(jī)之間采用網(wǎng)絡(luò)授時(shí)以保證時(shí)間的一致性，因此在整個(gè)過(guò)程中要求控制系統(tǒng)有快速的指令響應(yīng)和較低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延;根據(jù)饋源信號(hào)抗干擾要求，要求整體控制系統(tǒng)必須通過(guò)電磁兼容EMC測(cè)試;此外，還要完成整個(gè)天線控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控和安全保護(hù)功能。

經(jīng)過(guò)大量的調(diào)研和仿真分析，采用了德國(guó)Rexroth公司的一體化伺服解決方案:主控單元為CML65型 MLC運(yùn)動(dòng)邏輯控制器，驅(qū)動(dòng)器為 Indradrive HCS系列驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)為MSK050C系列交流伺服電機(jī);方位軸和俯仰軸角度測(cè)量采用德國(guó)Heidenhain公司ECN225系列高精度編碼器［2］。

系統(tǒng)設(shè)備選用的主要優(yōu)點(diǎn):

①M(fèi)LC擁有1 GHz主頻，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，實(shí)時(shí)性能好，其運(yùn)算速度非常高，最小程序周期可為1 ms，而且TCP響應(yīng)時(shí)間經(jīng)過(guò)測(cè)試達(dá)到了小于4 ms指標(biāo);

②硬件配置程序indraworks的功能比較全面，配置用法簡(jiǎn)單;軟件編程應(yīng)用程序Indralogic的編程語(yǔ)言眾多，不但提夠了ST語(yǔ)言和簡(jiǎn)單易懂的梯形圖語(yǔ)言，而且還在indralogic lib中提供了多種實(shí)用又便利的應(yīng)用功能模塊;

③運(yùn)動(dòng)邏輯控制器與驅(qū)動(dòng)器之間采用SERCOS III總線方式連接，其數(shù)據(jù)通信時(shí)間周期為2 ms，這樣保證了運(yùn)動(dòng)邏輯控制器提取驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)性;

④德國(guó)Bosch集團(tuán)下的Rexroth伺服產(chǎn)品保持了高可靠性的風(fēng)格，在其他多個(gè)已完成項(xiàng)目中得到了充分的證實(shí)。

1.2 系統(tǒng)原理和組成

整個(gè)控制系統(tǒng)工作方式分為2種模式:正常觀測(cè)時(shí)的上位機(jī)用戶通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制的模式和在安裝和維護(hù)過(guò)程中的用戶用手控盒進(jìn)行本地調(diào)試的模式。系統(tǒng)還加入了類(lèi)似飛機(jī)黑匣子功能的數(shù)據(jù)記錄設(shè)備用來(lái)實(shí)時(shí)記錄天線運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)，包括電壓、電流、速度、跟隨誤差和報(bào)錯(cuò)代碼等信息。安全保護(hù)系統(tǒng)由機(jī)械開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)和按鈕急停開(kāi)關(guān)組成，能夠最大限度保證設(shè)備正常安全運(yùn)行。天線控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 天線控制系統(tǒng)組成框圖

MLC控制器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制部分的核心，基于標(biāo)準(zhǔn)的PLC協(xié)議，是集成了CPU運(yùn)算、IO接口和通訊接口的硬件平臺(tái)［3］。MLC通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)與用戶上位機(jī)和數(shù)據(jù)記錄設(shè)備進(jìn)行通信，按照用戶的指令進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制，并且實(shí)時(shí)上報(bào)天線各軸狀態(tài)［4］。

4個(gè)驅(qū)動(dòng)器通過(guò)SERCOSIII總線和MLC控制器連接，是整個(gè)控制系統(tǒng)的功率放大部分。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器在天線控制系統(tǒng)內(nèi)部具有唯一的標(biāo)識(shí)，并分別連接一個(gè)電機(jī)，將MLC發(fā)出的指令信號(hào)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)信號(hào)送給電機(jī)。電機(jī)接收驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)帶動(dòng)行星減速機(jī)和大齒輪，進(jìn)而控制天線轉(zhuǎn)動(dòng)［5，6］。

軸角采集裝置采用了德國(guó)Heidenhain公司的25位絕對(duì)式碼盤(pán)ECN225，精度可達(dá)20 arcsec，安裝在各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的末端，并與驅(qū)動(dòng)器通過(guò)Endat2．1接口連接，將各個(gè)軸的位置信息實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)［7，8］。

安全保護(hù)系統(tǒng)分為三級(jí)保護(hù)，第一級(jí)為軟件限位保護(hù)，第二級(jí)為電限位保護(hù)，最后一級(jí)為機(jī)械限位保護(hù)。急停開(kāi)關(guān)和限位開(kāi)關(guān)的設(shè)置可在天線出現(xiàn)異常情況下停止天線的運(yùn)行，并上報(bào)錯(cuò)誤信號(hào)，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和系統(tǒng)故障的易排查性。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境為Indraworks內(nèi)嵌的Indralogic軟件。中德亞毫米波望遠(yuǎn)鏡天線的軟件大量采用了梯形圖語(yǔ)言，這種語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是非常直觀，配合Indralogic內(nèi)置的多種功能塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)于繼電器的控制、設(shè)備加電、IO數(shù)據(jù)處理及電機(jī)狀態(tài)讀取等基本功能;復(fù)雜的程序控制采用了流程化和結(jié)構(gòu)化的ST語(yǔ)言編程，以實(shí)現(xiàn)通訊、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)和軌跡跟蹤等復(fù)雜功能。天線的軟件組成框圖如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)組成框圖

天線控制系統(tǒng)軟件由基本控制、手動(dòng)控制、NTP授時(shí)和遠(yuǎn)控控制4個(gè)子功能組成，子功能之間通過(guò)相應(yīng)語(yǔ)句進(jìn)行相互調(diào)用。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，必要的是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)授時(shí)，保證MLC控制器和上位機(jī)的時(shí)間同步。本控模式下，通過(guò)采集手控盒的按鈕指令，控制驅(qū)動(dòng)器給電機(jī)使能，調(diào)用功能塊控制天線以設(shè)定的速度轉(zhuǎn)動(dòng);遠(yuǎn)控模式下，根據(jù)ACU發(fā)來(lái)的控制指令，首先進(jìn)行命令指令的解碼處理，再調(diào)用使能控制模塊，實(shí)現(xiàn)速度控制、位置控制和軌道跟蹤等高級(jí)功能。

天線控制系統(tǒng)軟件的各個(gè)模塊可以單獨(dú)導(dǎo)出或者導(dǎo)入，可以作為模塊化的程序塊使用，軟件的結(jié)構(gòu)清晰，可移植性強(qiáng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 雙機(jī)消隙技術(shù)

方位軸和俯仰軸采用對(duì)力矩差值進(jìn)行PID控制的雙電機(jī)消隙技術(shù)，提高了望遠(yuǎn)鏡運(yùn)動(dòng)的精度和轉(zhuǎn)向時(shí)的平穩(wěn)性。雙機(jī)消隙系統(tǒng)框圖如圖3所示，其中虛線標(biāo)示線的部分表示數(shù)據(jù)通過(guò)SERCOS III總線方式進(jìn)行傳輸。

圖3 雙機(jī)消隙系統(tǒng)框圖

主電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的位置環(huán)路是采用全功能形式，其位置反饋值為高精度的外接位置碼盤(pán)的輸出值，直接反饋到位置環(huán)路前端，與位置指令值做差值輸入位置環(huán)路。位置指令值由MLC運(yùn)動(dòng)邏輯控制器通過(guò)運(yùn)算完成［9，10］。

從電機(jī)位置環(huán)路的KV值等于零，就意味著取消了從電機(jī)的位置環(huán)路，這樣使得從電機(jī)驅(qū)動(dòng)器只剩下速度控制環(huán)路和力矩控制環(huán)路。主電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和從電機(jī)驅(qū)動(dòng)器分別與虛擬軸進(jìn)行位置同步和速度同步，使得從電機(jī)速度指令與主電機(jī)的速度指令一致，這樣為系統(tǒng)性能的提高提供了保障。主電機(jī)和從電機(jī)的力矩反饋值有2個(gè)作用:其一是進(jìn)入力矩環(huán)路進(jìn)行閉環(huán);其二就是提取給運(yùn)動(dòng)邏輯控制器MLC進(jìn)行PID模塊控制。

2.2 軌跡跟蹤技術(shù)

軌跡跟蹤程序?yàn)樗欧浖闹饕P(guān)鍵部分，被設(shè)計(jì)成由軌跡記錄子程序和軌跡執(zhí)行程序一起完成。軌跡記錄子程序完成對(duì)監(jiān)控上位機(jī)發(fā)送的跟蹤軌跡的記錄和計(jì)算，每個(gè)軌跡點(diǎn)的記錄值包括軌跡運(yùn)行的MJD時(shí)間和2個(gè)軸的運(yùn)行位置，計(jì)算值為每個(gè)軌跡點(diǎn)相對(duì)于前一個(gè)軌跡點(diǎn)的時(shí)間差值和2個(gè)軸的位置差值［11，12］。軌跡執(zhí)行程序的流程圖如圖4所示。

圖4 軌跡執(zhí)行程序的流程圖

當(dāng)軌跡運(yùn)行開(kāi)始時(shí)，各軸根據(jù)伺服系統(tǒng)最大運(yùn)行速度計(jì)算能切入的軌跡點(diǎn)istart，然后將當(dāng)前時(shí)間和兩個(gè)軸位置作為軌跡曲線起點(diǎn)istart－1，并重新計(jì)算軌跡點(diǎn)istart與istart－1軌跡點(diǎn)的相對(duì)時(shí)間和相對(duì)位置;接下來(lái)進(jìn)入軌跡跟蹤循環(huán)，首先判斷運(yùn)行條件，如果軌跡點(diǎn)堆棧寄存器里面的點(diǎn)數(shù)大于等于3個(gè)，則運(yùn)用PROFILE模塊開(kāi)始構(gòu)造7次方曲線，構(gòu)造軌跡曲線需要軌跡段的相對(duì)時(shí)間和2個(gè)軸相對(duì)位置，計(jì)算軌跡段的起始速度和結(jié)束速度，并規(guī)定構(gòu)造曲線的運(yùn)行模式。運(yùn)用軌跡切入程序在虛擬時(shí)間主軸達(dá)到軌跡點(diǎn)的時(shí)間時(shí)，切入軌跡段運(yùn)行曲線。

3 結(jié)束語(yǔ)

中德亞毫米波望遠(yuǎn)鏡的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足了高精度、快響應(yīng)和易維護(hù)等高性能技術(shù)指標(biāo);基于Rexroth交流伺服的天線控制系統(tǒng)貫徹了一體化和簡(jiǎn)易化設(shè)計(jì)思想;整體設(shè)備嚴(yán)格按照電磁屏蔽標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)滿足了射電天文設(shè)備電磁環(huán)境要求;雙電機(jī)消隙技術(shù)和軌跡跟蹤技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用解決了射電天文望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)難題。中德亞毫米波望遠(yuǎn)鏡的伺服設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試已經(jīng)順利完成，并得到了用戶的認(rèn)可，為該望遠(yuǎn)鏡的正常觀測(cè)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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