基于自轴承电机的极大望远镜跟踪架主动控制技术的研究

Telescope tracking system is one of the key technologies to develop extremely large astronomical telescope. The direct drive and active supported bearing systems is integrated and designed together based on Multidisciplinary Design Optimization to optimize the track frame structure, reduce the mechanical assembly requirements and the cost savings and improve the shafting precision and servo rigidity. Firstly, the digital virtual prototype of the 30 meter telescope tracking system is established, then, the main parameters of super-low bearingless motor is calculated, the laws between the bearings, motor drive and magnetic gap is explored. On the other hand, the nonlinear disturbance is modeled, simulated and calculated to determine the boundary conditions. Secondly, super-low 30 meter bearingless motor is modeled, simulated and realized by optimizing the structure, studying the decoupling control method between motor winding and bearing winding and researching dynamic balance relationship of energy flow between the control winding heat loss and cooling system. However, how to inhibit nonlinear disturbance is also explored. Finally, an active control algorithm is developed to ensure the minimum deviation for the telescope inertial principal axis, rotation center axis and optical axis and provide a smooth, distributed and stiff transfer of loads, which improve the tracking precision and the dynamic performance of system. In a word, by the study, the basic theory and guiding principles are provided for Chinese 30 meters telescope track system.

望远镜跟踪系统是极大口径天文望远镜研制的关键核心技术之一。项目拟采用直接驱动技术与主动轴承技术的集成化、模块化设计思想，优化跟踪机架结构、降低机械装配要求、节约成本，提高轴系精度和伺服系统的刚度。首先，建立跟踪系统的数字化虚拟样机，通过虚拟样机技术，分析超低速自轴承电机的主要参数，确定磁场间隙与轴承支撑力、电机驱动力之间的规律，并对非线性干扰建模、仿真、分析，确定非线性干扰的边界条件。然后，优化30米超低速自轴承电机的结构，研究转矩绕组和支撑绕组的解耦控制，完成建模、仿真及最终设计。进而研究控制绕组的热损耗与冷却系统能量流的动态平衡关系，探索抑制非线性干扰的控制方法。最后，通过主动控制算法，保证望远镜跟踪机架的惯性主轴、旋转中心轴、光轴的偏差最小，同时保持承载力均匀性、一致性，提高跟踪精度，改善系统的动态性能。通过本项研究，为我国设计30米的极大天文望远镜的跟踪机架提供理论依据和指导原则。

现代天文望远镜的跟踪系统是一个大惯量、多变量、非线性、强耦合的复杂机电控制对象，且要求在风扰、载荷波动、以及望远镜自身的巨型尺寸、结构设计等导致有限刚度的条件下仍必须保证极高的跟踪精度，这对望远镜的跟踪系统及其控制提出了极为严峻的挑战。项目采用多学科设计优化理论与设计方法对基于自轴承电机的极大天文望远镜跟踪机架的主动控制技术进行研究。首先在充分认识和分析了望远镜跟踪系统的机架结构、高精度轴系，伺服传动、位置传感等各个子系统间存在相互作用、相互影响的耦合关系，建立耦合动力学方程，解决建模、特性分析、解耦设计、工况监测等关键问题。进而，给出优化设计评价函数，建立了基于自轴承电机的大型天文望远镜数字化样机。针对方位轴和高度轴两种不同形式的自轴承电机的关键技术进行了建模，分析与仿真，给出了自轴承电机的设计准则，并研究了自轴承电动机性能的主要影响因素，重点分析了自轴承电机采用多余度多相技术来解决极大天文望远镜的大功率、高可靠性、转矩脉动小的运行要求存在的技术难题。通过优化设计多相自轴承电机降低电机定子的发热量，提高望远镜机架结构的热稳定性，优化望远镜的机架结构。最后，对自轴承电机的驱动与控制的关键技术进行了研究后，开发了望远镜跟踪控制系统，在此基础上，对采集的数据分析，进行控制算法评估。通过本项研究，为我国设计大型天文望远镜的跟踪机架提供了行之有效的理论依据和指导原则。