李愛(ài)華，周國(guó)華，李國(guó)平，張　勇，張振超

(1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái) 南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，江蘇 南京 210042；2.中國(guó)科學(xué)院 南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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射電望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面系統(tǒng)的控制

李愛(ài)華1，2，3*，周國(guó)華1，2，李國(guó)平1，2，張勇1，2，張振超1，2

(1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái) 南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，江蘇 南京 210042；2.中國(guó)科學(xué)院 南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210042；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

針對(duì)新疆奇臺(tái)110m射電望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面控制技術(shù)的要求，設(shè)計(jì)和研制了一種新型的位移促動(dòng)器和位移控制系統(tǒng)，并采用雙頻激光干涉儀對(duì)多個(gè)位移促動(dòng)器及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了全面檢測(cè)。位移促動(dòng)器采用了基于渦輪蝸桿加滾珠絲桿的高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，控制器系統(tǒng)采用了ARM微處理器。最后選擇S曲線加速控制方法，設(shè)計(jì)了主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)和軟件算法?；陔p頻激光干涉儀和光學(xué)隔振平臺(tái)在恒溫超潔凈條件下進(jìn)行了系列測(cè)試。結(jié)果表明：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了行程范圍為30mm，控制精度為5μmRMS的快速精密控制；在額定負(fù)載300kg，步長(zhǎng)2mm，行程30mm范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)結(jié)果平均值與理論值偏差為0.04%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.67μm。最后，采用測(cè)量精度為0.25μm的激光傳感器對(duì)4塊四點(diǎn)支撐的四邊形子面板進(jìn)行了驗(yàn)證檢測(cè)。結(jié)果顯示：經(jīng)多次迭代后主動(dòng)反射面控制閉環(huán)系統(tǒng)的控制精度小于5μmRMS，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于3mm波段射電望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面控制的技術(shù)要求。

射電望遠(yuǎn)鏡；主動(dòng)反射面；S曲線加速控制算法；位移促動(dòng)器；位移控制系統(tǒng)

1　引　言

射電天文學(xué)對(duì)天體物理研究的多個(gè)領(lǐng)域作出了巨大貢獻(xiàn)，引起越來(lái)越多天文學(xué)家的重視，世界各國(guó)都在努力突破毫米波射電望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)困難，以建造更大的高精度的天線和實(shí)現(xiàn)對(duì)較短波段的觀測(cè)。為了獲得高靈敏度和高角分辨率，射電望遠(yuǎn)鏡的口徑越來(lái)越大，為實(shí)現(xiàn)對(duì)較短波段的觀測(cè)而廣泛采用主動(dòng)反射面技術(shù)，即在望遠(yuǎn)鏡的某個(gè)反射面上實(shí)施主動(dòng)變形技術(shù)以補(bǔ)償因加工、裝調(diào)、重力、風(fēng)載、溫度等因素造成的面形誤差，或主動(dòng)調(diào)整為某種要求的面形。已建成的美國(guó)100mGBT望遠(yuǎn)鏡，工作波段覆蓋0.1～116GHz，由2 209 個(gè)促動(dòng)器采用主動(dòng)反射面技術(shù)控制2 004塊面板保證4GHz以上的工作效率[1-2]；美墨合作的50mLMT望遠(yuǎn)鏡借鑒光學(xué)拼接鏡面原理，由720個(gè)促動(dòng)器通過(guò)精密控制180塊面板保證其在1～3mm波段高效運(yùn)行[3]；上海65m天馬射電望遠(yuǎn)鏡[4-8]工作頻段1.3～46GHz，由1 104個(gè)促動(dòng)器對(duì)1 008塊面板實(shí)時(shí)調(diào)整，校正反射面對(duì)重力和溫度引起的變形；貴州500mfast望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)波段70M～3GHz，采用主動(dòng)反射面技術(shù)實(shí)時(shí)控制天線面形為300m拋物面；在研的有美國(guó)25mCCAT亞毫米波望遠(yuǎn)鏡[5-6]和我國(guó)新疆烏魯木齊110m射電望遠(yuǎn)鏡[7]。

中國(guó)未來(lái)要發(fā)展大口徑亞毫米波/毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，主動(dòng)反射面控制是實(shí)現(xiàn)射電望遠(yuǎn)鏡面板拼接的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在亞毫米波段、毫米波段的應(yīng)用尚需極大努力和技術(shù)突破。面向新疆奇臺(tái)110m射電望遠(yuǎn)鏡3mm波段觀測(cè)的主動(dòng)反射面要求，設(shè)計(jì)、研制精密位移促動(dòng)器和高精度位移控制系統(tǒng)。位移促動(dòng)器采用基于精密渦輪蝸桿加滾珠絲桿的高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；控制系統(tǒng)采用ARM微處理器，基于S曲線加速控制算法，設(shè)計(jì)主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)和軟件算法，并在雙頻激光干涉儀/毫米波射電望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)系統(tǒng)分別進(jìn)行測(cè)試，滿足控制精度優(yōu)于50μm的毫米波射電望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面控制設(shè)計(jì)要求。

2　主動(dòng)反射面系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理

主動(dòng)反射面技術(shù)中一般4塊相鄰的面板的4個(gè)角點(diǎn)由位移促動(dòng)器實(shí)現(xiàn)位移調(diào)整，如GBT望遠(yuǎn)鏡和上海天文臺(tái)65m天馬望遠(yuǎn)鏡，均是過(guò)約束支撐，因此要求位移促動(dòng)器負(fù)載較大，以支撐大面板重量、大桁架變形和促動(dòng)器大行程等各種導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形的軸向和橫向應(yīng)力；同時(shí)射電面板本身也具有一定量的可變形調(diào)節(jié)性能，不會(huì)因射電望遠(yuǎn)鏡野外惡劣環(huán)境下重力變形和熱變形等產(chǎn)生各種應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件破壞，而且四點(diǎn)支撐的促動(dòng)器分布調(diào)整方案能夠通過(guò)閉環(huán)準(zhǔn)確控制子面板的面形和拼接，不會(huì)因?yàn)樗狞c(diǎn)過(guò)約束而使得主動(dòng)反射面性能受到影響。3mm波段根據(jù)衍射條件面形精度要求為1/20波長(zhǎng)均方根值，即面形精度150μm，考慮到控制系統(tǒng)的精度要求及未來(lái)實(shí)現(xiàn)亞毫米波主動(dòng)反射面需求，控制精度要求滿足50μm。針對(duì)新疆奇臺(tái)110m射電望遠(yuǎn)鏡(QiTaiRadioTelescope，QTT)的毫米波工作頻段，滿足其3mm波段觀測(cè)要求的主動(dòng)反射面控制基本技術(shù)指標(biāo)為：行程30mm，額定負(fù)載300kg，破壞負(fù)載700kg，控制速度0.5mm/s，位移精度50μm，位移分辨率1μm?；诖思夹g(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)一種毫米波射電望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面系統(tǒng)，主要包括位移促動(dòng)器、位移控制器和驅(qū)動(dòng)器。

圖1　位移促動(dòng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.1位移促動(dòng)器設(shè)計(jì)

位移促動(dòng)器是射電望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面的執(zhí)行元件，其重要的參數(shù)為負(fù)載能力、精度和行程，對(duì)位移促動(dòng)器的要求具有行程長(zhǎng)、精度高及負(fù)載大的特點(diǎn)。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，這些要求難以兼顧，基于QTT望遠(yuǎn)鏡毫米波主動(dòng)反射面的控制指標(biāo)，位移促動(dòng)器機(jī)械原理如圖1所示，由精密蝸輪蝸桿、精密滾珠絲桿、步進(jìn)電機(jī)等組成，步進(jìn)電機(jī)連接精密蝸桿，蝸桿帶動(dòng)固定于滾珠絲杠螺母上的精密蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)滾珠絲桿將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為位移促動(dòng)器直線運(yùn)行，滾珠絲杠底部連接滑動(dòng)花鍵，滾珠絲杠頂部與連接反射面板的螺桿組件聯(lián)結(jié)。位移促動(dòng)器采用基于渦輪蝸桿加滾珠絲桿的減速機(jī)構(gòu)，提高輸出轉(zhuǎn)矩，滿足額定負(fù)載 300kg的設(shè)計(jì)要求。

對(duì)位移促動(dòng)器在極限破壞載荷工況下，建立有限元模型，進(jìn)行負(fù)載分析。促動(dòng)器處在上極限位置時(shí)，根部位置承受的力矩最大，根據(jù)側(cè)向極限破壞負(fù)載要求，位移促動(dòng)器受力700kg(6 860N)，由4根立柱共同承受。將力加載在4根立柱頂部的節(jié)點(diǎn)上，初步設(shè)計(jì)方案的仿真分析結(jié)果如圖2所示，位移促動(dòng)器缸體部分受力比較均勻，總體應(yīng)力在100MPa以下，缸體根部圓角處的最大應(yīng)力為102MPa，缸體部分的應(yīng)力滿足使用要求；但對(duì)于立柱，越到根部受到的應(yīng)力越大，在根部圓角處達(dá)到最大值980MPa，不能達(dá)到使用要求。為此，后續(xù)進(jìn)一步仿真的有限元參數(shù)優(yōu)化調(diào)整后，通過(guò)加大根部直徑和放大根部圓角，采用調(diào)質(zhì)后的合金鋼材料40Cr，最終的優(yōu)化計(jì)算分析結(jié)果表明，可使其根部最大破壞應(yīng)力小于600MPa，這樣的結(jié)構(gòu)和材料選擇就能滿足使用要求。

圖2　仿真優(yōu)化前位移促動(dòng)器總體應(yīng)力分布

2.2位移控制器設(shè)計(jì)

控制精度是毫米波射電望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面調(diào)整的一個(gè)重要參數(shù)，位移控制器性能的優(yōu)劣會(huì)直接影響整個(gè)位移控制系統(tǒng)的精度。一個(gè)良好的控制系統(tǒng)有助于精密位置控制。針對(duì)新疆奇臺(tái)提出的未來(lái)110m射電望遠(yuǎn)鏡QTT，主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)對(duì)控制器提出如下基本技術(shù)要求：實(shí)時(shí)通訊、位移控制、實(shí)時(shí)反饋、限位報(bào)警等功能；電控設(shè)計(jì)在滿足基本功能的前提下，還要綜合考慮電磁兼容、可靠性、穩(wěn)定性及功耗等各方面因素。

位移控制器選用ARM處理器。ARM具有功耗低、成本低和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其操作系統(tǒng)在穩(wěn)定度、安全性和多任務(wù)等方面具有顯著優(yōu)點(diǎn)[9]；其豐富的資源可以使控制器同時(shí)控制多個(gè)促動(dòng)器。主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)原理如圖3所示。脈沖和方向等控制信號(hào)首先經(jīng)譯碼芯片識(shí)別地址，數(shù)據(jù)總線輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)鎖存、總線驅(qū)動(dòng)后，進(jìn)行光耦隔離，輸出連接到驅(qū)動(dòng)器控制端；限位輸入信號(hào)首先經(jīng)光耦隔離、總線驅(qū)動(dòng)后，數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)總線，經(jīng)地址識(shí)別后讀入控制器；控制系統(tǒng)軟件采用多線程控制方式，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)器信號(hào)輸入端的脈沖數(shù)量、頻率和方向?qū)崿F(xiàn)位移促動(dòng)器的位置、速度和方向控制。

圖3　主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)原理圖

2.3位移驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

位移控制器產(chǎn)生速度、脈沖及方向控制信號(hào)；位移驅(qū)動(dòng)器將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移，每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，即驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，通過(guò)控制脈沖數(shù)量來(lái)控制角位移量，通過(guò)控制方向電信號(hào)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)方向；驅(qū)動(dòng)器為電壓型功率放大電路，脈沖、方向、細(xì)分信號(hào)輸入到邏輯控制電路產(chǎn)生H橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)門(mén)驅(qū)動(dòng)電路放大整形后控制H橋輸出。驅(qū)動(dòng)器額定電壓為5V，最大電流為1A，可采用整步、2倍、4倍、8倍細(xì)分，細(xì)分電路可以提高分辨率，但是難以提高控制精度。在精密位置控制中，不適合采用高倍細(xì)分，本控制系統(tǒng)采用2倍細(xì)分；位移促動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)為200對(duì)極兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，步距角為1.8°，電阻為1Ω，額定電流為2.5A，靜轉(zhuǎn)矩為1.1Nm。

2.4主動(dòng)反射面控制加速度算法

新疆QTT望遠(yuǎn)鏡3mm波段主動(dòng)反射面控制對(duì)速度的要求為0.5mm/s，位移促動(dòng)器的執(zhí)行元件為兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，雖然具有控制簡(jiǎn)單，體積小，控制精確，位置自鎖等優(yōu)點(diǎn)，但具有啟動(dòng)速度慢、高速失步和低速振動(dòng)的缺點(diǎn)。位移促動(dòng)器因?yàn)榘惭b位置有限，對(duì)尺寸要求嚴(yán)格，采用編碼器，進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)減速箱的設(shè)計(jì)提高輸出轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，極大的降低了速度，因此，此位移促動(dòng)器應(yīng)用于精確位置控制中，需要選擇合適的加速度控制算法保證精度和速度技術(shù)指標(biāo)。

常用的步進(jìn)電機(jī)加速度控制算法有梯形曲線、指數(shù)曲線和S曲線[10-11]，通過(guò)控制加速度來(lái)控制位移促動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)速度。相比較于前兩者，S曲線控制算法加速度沒(méi)有突變，加速度曲線和速度曲線連續(xù)，過(guò)渡平緩，保證在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)突變，啟動(dòng)和停止時(shí)沖擊比較小，速度平穩(wěn)，保證位移促動(dòng)器在啟動(dòng)、停止和平穩(wěn)性上具有更好的性能，非常適合應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡中位移促動(dòng)器的精確控制。位移促動(dòng)器S曲線控制算法采用七段論，前三段為加速過(guò)程，第四段為勻速運(yùn)動(dòng)階段，后三段為減速過(guò)程。

(1)

(2)

式中：j(t)為加速度的導(dǎo)數(shù)，jmax為位移促動(dòng)器允許最大加加速度，a(t)為加速度的函數(shù)，amax為位移促動(dòng)器允許最大加速度：

(3)

式中：v(t)為位移促動(dòng)器速度函數(shù)，v0為位移促動(dòng)器啟動(dòng)速度，v4為位移促動(dòng)器允許最大速度，也是勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程的速度，p(t)為位移促動(dòng)器位置函數(shù)。

(a)速度曲線

(b)位置曲線

位移促動(dòng)器采用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降，如果啟動(dòng)頻率太高，則負(fù)載能力下降，可能出現(xiàn)嚴(yán)重失步甚至無(wú)法啟動(dòng)的現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，選擇啟動(dòng)速度v0=375step/s，v4=vmax=1 500step/s，amax=4 500step/s2，加速過(guò)程t3=0.35s。采用VC編程仿真，位移促動(dòng)器S曲線控制速度曲線、位置曲線如圖4所示。

將式(2)、(3)位移促動(dòng)器速度和位置函數(shù)離散化為：

(4)

根據(jù)啟動(dòng)速度v0和式(4)，選擇Δt=0.035s，將加速過(guò)程分成10個(gè)頻率段進(jìn)行離散化，a(k)根據(jù)給定條件和式(1)計(jì)算，根據(jù)式(4)建立位置(脈沖)與速度(頻率)的表格，加速控制表如表1所示，在第k段時(shí)間內(nèi)，將以v(k)的速度運(yùn)行到p(k) 的位置，控制系統(tǒng)對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，與p(k)比較，如果p(k)，則進(jìn)入第k+1段，查表調(diào)整脈沖頻率，加速過(guò)程在第10段完成，速度達(dá)到vmax，然后進(jìn)入勻速運(yùn)行過(guò)程，在位移促動(dòng)器即將到位時(shí)，減速控制，控制方法與加速控制類似。整個(gè)位移控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)促動(dòng)器的開(kāi)環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)高精度精確控制，其軟件流程如圖5所示。

位移促動(dòng)器存在機(jī)械空回，當(dāng)控制器發(fā)出反向運(yùn)行命令時(shí)，因?yàn)闄C(jī)械間隙的存在，會(huì)出現(xiàn)反向運(yùn)行不到位，且誤差較大的情況。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)位移促動(dòng)器采用事先檢測(cè)標(biāo)定的措施，即基于位移測(cè)試平臺(tái)，按實(shí)際應(yīng)用要求，對(duì)位移促動(dòng)器施加負(fù)載300kg，多次反復(fù)測(cè)試，經(jīng)數(shù)字濾波后取平均值，計(jì)算空回?cái)?shù)據(jù)，位移促動(dòng)器每次反向進(jìn)行誤差補(bǔ)償以提高控制精度。

表1　加速控制表

圖5　主動(dòng)反射面控制軟件流程圖

3　實(shí)驗(yàn)研究

3.1主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

基于圖3主動(dòng)反射面控制系統(tǒng)原理研制的實(shí)驗(yàn)硬件測(cè)試平臺(tái)如圖6所示，采用S曲線加速度算法，在光學(xué)隔振平臺(tái)上，利用高精度雙頻激光干涉儀ZLM800(位移測(cè)量分辨率為1.25nm)，在恒溫20 ℃、濕度50%±20%的超潔凈實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)位移促動(dòng)器和控制系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

圖6　位移測(cè)試平臺(tái)

圖7所示為位移促動(dòng)器加速曲線啟動(dòng)過(guò)程，控制系統(tǒng)在0.3s左右完成加速，達(dá)到速度0.544mm/s，與圖4仿真曲線一致。圖8所示為位移控制系統(tǒng)小步長(zhǎng)測(cè)試曲線，周期5s，運(yùn)行指令3步，運(yùn)行次數(shù)10次，平均步長(zhǎng)為1.086 9μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.051μm，分辨率為0.363μm。

圖7　控制系統(tǒng)加速曲線

圖8　小步長(zhǎng)測(cè)試

圖9　2 mm位移促動(dòng)器精度曲線及誤差分析

分別按照步長(zhǎng)2mm的位移量進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試曲線及誤差分析如圖9所示，周期為5s，運(yùn)行15次，行程為30mm，求得步長(zhǎng)平均值為2.000 8mm，與理論值偏差為0.04%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.67μm。

位移控制系統(tǒng)需要有高精度的定位重復(fù)性[13]，因?yàn)榉答佅到y(tǒng)采用編碼器，無(wú)法直接測(cè)量位移促動(dòng)器輸出位置，只能保證電機(jī)運(yùn)行不丟步，在電機(jī)反向運(yùn)行的時(shí)候，因?yàn)闄C(jī)械空回的存在，必需進(jìn)行位移補(bǔ)償，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，測(cè)出正向轉(zhuǎn)反向空回(P-N)、反向轉(zhuǎn)正向空回(N-P)，如圖10所示，周期5s，步長(zhǎng)1mm，每5次正向運(yùn)行后，反向運(yùn)行5次，空回測(cè)試曲線及誤差分析如圖10所示，P-N空回平均值為17.868μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.563μm；N-P空回平均值為15.164μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.159μm。

圖10　空回實(shí)驗(yàn)位移曲線及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)室位移控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述研制的位移促動(dòng)器和位移控制系統(tǒng)，采用激光位移法[14]，在南京天文光學(xué)技術(shù)研究所毫米波射電望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)系統(tǒng)的4塊子面板上進(jìn)行主動(dòng)面測(cè)試，如圖11所示，利用測(cè)量精度0.25μm的激光傳感器和五套位移促動(dòng)器，控制四塊面板進(jìn)行了驗(yàn)證檢測(cè)，結(jié)果如圖12所示，表明主動(dòng)反射面控制閉環(huán)系統(tǒng)3次迭代后控制精度即可達(dá)到5μmRMS，滿足3mm波段射電望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面控制的技術(shù)要求。

圖11　望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)實(shí)測(cè)

圖12　板校正測(cè)量偏轉(zhuǎn)角

4　總　結(jié)

本文根據(jù)毫米波射電望遠(yuǎn)鏡主動(dòng)反射面控制的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了位移促動(dòng)器和位移控制系統(tǒng)。位移促動(dòng)器采用基于渦輪蝸桿加滾珠絲桿的高精度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；控制器采用ARM微處理器和S曲線軟件算法，基于雙頻激光干涉儀，在恒溫超潔凈和光學(xué)隔振平臺(tái)的條件下，進(jìn)行了系列測(cè)試，加速過(guò)程在0.3s左右完成，速度達(dá)到0.544mm/s，與仿真結(jié)果一致；實(shí)現(xiàn)了行程為30mm，控制精度優(yōu)于5μmRMS的高精度、高速精確控制；采用位移補(bǔ)償?shù)目刂品绞?，在額定負(fù)載300kg，給定步長(zhǎng)1.095μm(3步)、2mm的測(cè)試結(jié)果平均值為：1.086 9μm和2.000 8mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為：0.051μm和3.67μm。并在毫米波射電望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)系統(tǒng)采用激光位移傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于四塊子面板進(jìn)行了閉環(huán)檢測(cè)和實(shí)時(shí)校正，結(jié)果表明主動(dòng)反射面控制閉環(huán)系統(tǒng)多次迭代后控制精度優(yōu)于5μmRMS，達(dá)到QTT射電望遠(yuǎn)鏡3mm波段主動(dòng)反射面控制的應(yīng)用要求，也同時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地優(yōu)于亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)要求。

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李愛(ài)華(1979-)，女，山東夏津人，博士研究生，高級(jí)工程師，2002年南京航空航天大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2005年南京航空航天大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事望遠(yuǎn)鏡控制技術(shù)方面的研究，E-mail：ahl@niaot.ac.cn

周國(guó)華(1965-)，男，浙江新昌人，高級(jí)工程師，1989年哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，主要從事望遠(yuǎn)鏡機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究，E-mail：ghzhou@niaot.ac.cn

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Control of active reflector system for radio telescope

LI Ai-hua1，2，3*， ZHOU Guo-hua1，2， LI Guo-ping1，2， ZHANG Yong1，2，ZHANG Zhen-chao1，2

(1.National Astronomical Observatories / Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology，Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210042， China;2.Key Laboratory of Astronomical Optics & Technology，Nanjing Institute of Astronomical Optics& Technology，Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210042， China；3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China)

*Corresponding author， E-mail：ahl@niaot.ac.cn

Accordingtothecontrolrequirementsoftheactivereflectorsurfaceinthe110mradiotelescopeatQiTai(QTT)Xinjiang,anewdisplacementactuatorandanewdisplacementcontrolsystemweredesignedandmanufacturedandthentheircharacteristicsweretestedbyadual-frequencylaserinterferometerinthemicro-displacementlaboratory.Thedisplacementactuatorwasdesignedbyaschemeofhighprecisionwormandrollerscrewstructures,andthedisplacementcontrolsystemwasbasedonaARMmicro-processor.Finally,theScurveaccelerationcontrolmethodswereusedtodesignthehardwareplatformandsoftwarealgorithmfortheactivereflectionsurfaceofthecontrolsystem.Thetestexperimentswereperformedbasedonthelasermetrologysystemonanactivereflectorclose-loopantennaprototypeforlargeradiotelescope.Experimentalresultsindicatethatitachievesa30mmworkingstrokeand5μmRMSmotionresolution.Theaccuracy(standarddeviation)is3.67μm,andtheerrorbetweenthedeterminedandtheoreticalvaluesis0.04%whentheratedloadis300kg,thestepis2mmandthestrokeis30mm.Furthermore,theactivereflectorintegratedsystemwastestedbythelasersensorswiththeaccuracyof0.25μmRMSon4-panelradiotelescopeprototype,themeasurementresultsshowthattheintegratedprecisionoftheactivereflectorclosed-loopcontrolsystemislessthan5μmRMS,andwellsatisfiesthetechnicalrequirementsofactivereflectorcontrolsystemoftheQTTradiotelescopein3mmwavelength.

radiotelescope;activereflector; Scurveaccelerationcontrolalgorithm;displacementactuator;displacementcontrolsystem

2016-01-10；

2016-02-15.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.U1331204);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(No.2015CB857100)

1004-924X(2016)07-1711-08

TH751

Adoi:10.3788/OPE.20162407.1711