复杂环境下多余度望远镜跟踪驱动技术与控制算法研究

At present, the astronomical observations are began to be built in the places where the observation conditions are very well and the environment is extremely complex and bad such as the spatial, the Antarctic area. The telescope work mode is also changed from the traditional manual operation mode to autonomous, network, remote controlled way, which makes redundant telescope tracking drive and control technology to be one of the core support technologies for the development of future astronomical telescope. This study proposed to establish a redundant telescope tracking system by the design one the extra degrees torque motor, at the same time, a kind high precision position feedback device integrated with the redundant torque motor is developed and its information processing technology is also studied. On this basis, firstly, synchronous control algorithm between motor units within one redundancy torque motor is studied. Secondly, synchronous control method is explored in the condition that big span altitude shaft is coaxially driven by two extra degrees torque motors. Then redundant control algorithm is explored when one of the motor units is broken down in the redundant motor while other motor units and its control system continue working on to ensure that the whole system can still work normal with local fault of the whole system to improve the reliability of the system. Finally, integrating all research results, one redundant telescope tracking control system is developed under the complex environment. The performance of research achievements is inspected and evaluated by the experimental platform.

目前，天文观测开始转向太空、南极等天文观测条件极为优越但环境非常复杂的地区，望远镜的使用模式也从传统的人工操作向自主式、网络化、远程控制的工作模式转变，这使得多余度望远镜跟踪驱动及其控制成为未来天文望远镜研制中必须解决的核心支撑技术之一。本研究拟通过设计的多余度力矩电机建立多余度望远镜跟踪系统，同时，提出了一种与多余度力矩电机集成的高精度位置反馈系统并对其信息处理技术进行开发。在此基础上，首先对多余度力矩电机内电机单元之间的同步控制算法进行研究，进而探索了两个多余度力矩电机同轴驱动大跨度高度轴时的同步控制方法。接着研究了多余度电机中某个电机单元出现故障时，其他电机单元及其控制系统继续运行的冗余控制算法，确保整个系统在出现局部故障时仍能够正常地运行，以提高系统的可靠性。最后，集成阶段性研究成果，开发了复杂环境下多余度的望远镜跟踪控制系统,通过建立的实验平台对研究成果的性能进行分析与评价。

目前，天文观测开始转向太空、南极等天文观测条件极为优越但环境非常复杂的地区，这使得多余度望远镜跟踪驱动及其控制成为未来天文望远镜研制中必须解决的核心支撑技术之一。本项目基于多学科设计优化理论与方法设计了望远镜跟踪实验平台及控制系统软件。充分研究了各个子系统间存在的相互作用、相互影响的耦合关系，建立耦合动力学方程，进而解决了建模、解耦、工况监测等关键问题。在此基础上，重点分析了传统设计方法和驱动方式导致的有限刚度下望远镜跟踪系统中存在的谐振问题。进而在实验平台的优化设计中予以消除。项目研制了集成了相同极对数的旋转变压器的直驱力矩电机，简化了电机的驱动控制算法，同时能够在诸如南极，空间等极端环境下提供可靠的、耐低温的、稳定的位置反馈信息。由于研制小型样机的极对数只有24对，其位置分辨率只有20位，但对于项目组已经研制4.5米多余度直接驱动力矩电机的极对数为192，对于极大口径天文望远镜，电机的极对数可达512对，采用同样的技术，位置精度可以达到25位，能够满足望远镜的跟踪精度要求。另外，项目还首次研制了双Y型的双余度六相力矩电机。该电机可以作为一个六相力矩电机工作，也可作为两个独立的三相力矩电机工作。相同的相电压、相电流下获得更高的功率，且从根源上消除了影响最大的5、7 次谐波，大大的削弱转矩波动。解决了极大口径望远镜的大功率、高可靠性、转矩脉动小的运行要求。此外，项目研究了当望远镜跟踪系统进行加速，采用两个电机同步驱动的控制算法，解决了双余度六相力矩电机的两个电机同步驱动时的同步性难题。针对双余度力矩电机组成的双余度跟踪系统，开发的冗余控制算法，能够实现当某个电机单元出现故障时，其他电机单元及其控制系统继续运行。望远镜跟踪实验平台软件系统的测试数据表明，实验平台可以实现在±360°范围内以0.2"/s—10°/s速度非常平稳的运行，从测试的结果来看研制的直驱电机可以获得比国外商业产品更好的跟踪精度和性能。