（机械电子工程专业论文）大射电望远镜悬索馈源支撑系统的控制硬件设计与实现.pdf

摘要 i 本文课题来源于中国科学院知识创新工程项目：大射电望远镜馈源支撑与指 向跟踪系统的光机电一体化仿真与实验研究。5 0 0 米口径球面射电望远镜f a s t 是 国际上现有的和计划中最大口径的射电望远镜，其综合性能比国际上现有的设备 高一个数量级。针对现有射电望远镜的不足，我国科学家提出了全新的光机电一 体化设计方案。为验证方案的可行胜实地建造了5 0 米缩比模型。j 本文从f a s t 鲞墼皇二焦丝设计的工程实际出发，结合5 0 米模型详细叙述了 该系统的工作原理及硬件实现方法，并对电机的升降速控制方法进行了探讨。其 中包括咀下几部分：l 、系统总控制回路的工程实现方法；2 、伺服控制卡的工作 原理、电路组成及驱动软件工作流程：3 、力矩实时检测装置的工作原理、具体实 现电路和软件工作流程：4 、针对电机的转速突变时容易出现冲击抖动的情况，提 出了电机升降速的控制算法。希望本文工作能够为5 0 0 米射电望远镜的建造积累 经验，提供参考。 关键词：射电望远镜j 悬枣控制硬件j 伺服控制卡 a b s t r a c t t h i s s u b j e c t s t e m sf r o mc a s k n o w l e d g e i n n o v a t i o n p r o j e c t i t e m ： o d t o m e c h a t r o n i c ss i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t i nt h ec a b l e c a b i n s u p p o n a n d p o i n t t r a c ks y s t e mf o rl a r g er a d i ot e l e s c o p et h e5 0 0 一m e t r ec a l i b e rs p h e r i c a lr a d i o t e l e s c o p ei s t h e l a r g e s to n eb u i l ta n dt ob eb u i l t i t sc a p a b i l i t yi so n eq u a n t i t yg r a d e h i g h e rt h a nt h eo t h e r s a v a i l a b l ea i m i n ga tt h es h o r t c o m i n g so f t h ee x i s t i n gt e l e s c o p e ， o h fs c i e n t i s t sp u tf o r w a r dan e wo p t o m e c h a t r o n i c sp r o j e c tt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h ep r o j e c t ，w eb u i l t5 0 一m e t r em o d e l f r o mt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e o ft h e o p t o m e c h a t r o n i c sd e s i g n f o rf a st ，t h e w o r k i n gp r i n c i p l e f o r s y s t e m a n dh a r d w a r er e a l i z a t i o na r ed e s c r i b e d ，a n dm o t o r a s c e n d i n ga n dd e s c e n d i n gv e l o c i t ya r i t h m e t i ci s d i s c u s s e di nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gt h e r e a l i z a t i o no ft h e s y s t e mc o n t r o ll o o p ，t h ep r i n c i p l e o fs e l v oc o n t r o lc a r da n di t s h a r d w a r ea n ds o f t w a r er e a l i z a t i o n ，t h ep r i n c i p l eo fm o m e n tr e a lt i m ed e t e c te q u i p m e n t a n dj t s 】l a r d w a r ea n ds o f t w a r er e a l i z a t i o n a i m i n ga lt h ef a c tt h a tm o t o r t r e n d st od i t h e r w h e ni t s v e l o c i t yc h a n g e sa b r u p t l y , t h i st h e s i sp u t f o r w a r dt h em o t o ra s c e n d i n ga n d d e s c e n d i n gv e l o c i t ya r i t h m e t i c 1 w i s ht h et h e s i s sw o r kc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h e b u i l d i n go f 5 0 0 一m e t r er a d i ot e l e s c o p e k e y w o l d ：r a d i ot e l e s c o p e c a b l ec o n t r o lh a r d w a r es e r v oc o n t r o lc a r d 第一章绪论 第一章绪论 1 1 大射电望远镜f a s t 的背景 1 9 3 7 年，美国人雷伯制成了世界上第一台抛物面型射屯望远镜，测到了太阳以 及其它一些天体发出的无线电波。从此，射电天文学和空间天文学使天文观测领 域扩展到整个电磁波段，成为重大天文发现的发祥地天文诺贝尔奖的摇篮。射电 望远镜是观测和研究来自天体射电波的基本设备，它包括：收集射电波的定向天 线，放大射电信号的高灵敏度接收机、信息记录、处理和显示系统等等。射电望 远镜的基本原理和光学反射望远镜相近，投射来的电磁波被一精确镜面反射后， 司相到达公共焦点。射电观测是在很宽的频率范围内进行的检测和信息处理的 射电技术灵活多样，所以射电望远镜种类很多，分类方法多种多样。用旋转抛物 丽作镜面易于实现同相聚集。因此，射电望远镜的天线大多是抛物面1 1 3 o 利电望远镜的接收面积在射电天文发展史上起着决定性的作用。其主要类型 “全可动”抛物面天线的口径，迄今能做到【( 】( ) 米级( 工作波长为厘米级) 。利 j t jk a r s t 洼地铺设主天线的球面射电望远镜，由于取消了主反射面的运动而改由 馈源移动来跟踪目标，基本上不受重力变形的影响，因此可以做得很大。著名的 倒子就是美国3 0 5 米口径的a r e c i h ( ，球面天线。a r e c i b o 的馈源支撑系统为悬索吊 装的固定式三角型背架重达1 0 0 0 吨，馈源的空间扫描运动通过机械方式在背架 卜进行虽然a r e c ihc ，有空间覆盖小( 天顶扫描角仅2 0 。) 的严重缺陷，但它巨夫 旧接收丽积仍然取得了许多币大的天文发现。“”。 在国际无线f 乜科联( u r s i ) 】9 9 3 年的京都大会上，包括中国在内的】o 国天 文学家联合发起“一平方公里大射电望远镜计划”倡议，该计划提出的新一代大 射电望远镜是接受面积为一平方公里的巨型劓电望远镜阵。u r s l l 9 9 9 多伦多大会 将l t 更名为s k a ( s q u a r ek i l o m e t e ra r r a y ) 。这个被称为地球“天眼”的特大望 远镜阵列将能够观察到1 0 0 亿光年以外的氢元素是如何分布的，从而分析宇宙形 成之初的情形。我国的科学家在努力争取将新一代大射电望远镜建在中国，1 9 9 9 年3 月“大射电望远镜f a s t ( f i v eh u n d r e dm e t e ra p e r t u r es p h e r i c a lt e l e s c o p e ) 预研究”作为中国科学院知识创新工程重大项目正式立项。项目的总目标是为完 成世界上最大口径射电望远镜建造可能遇到的若干关键技术问题展开预先研究， 为工程实施扫清技术障碍、铺平道路“”“1 。 新一代大射电望远镜阵将采用哪种方案呢? 如果采用类似于a r e c i b o 的设计 方案，光造价就将远远超出国际社会对新一代大射电望远镜阵投资的接受程度。 此外，a r e c i b o 设计方案还存在跟踪精度低与结构稳定性差的缺陷。针对a r e c i b o 天线结构的不足，文献【7 】【8 】【9 】提出了全新的两级调精的光机电一体化设计 !大射电望远镜悬索馈源支撑系统的控制硬件设计与实现 方案。通过六根悬索驱动的馈源舱完成馈源的大范围跟踪，保证馈源的定位精度 在j o 厘米以内，实现一级调精：二级精调由安装在馈源舱内的s t e w a r t 平台实现， 保证馈源定位精度在4 毫米以内。在s t e w a r t 平台上分布有多个馈源，在提高定 位精度的同时可实现多波段观测。同时文献【5 】【6 】提出了主动主反射面的概念， 它实时地将被馈源照明的部分球反射面的形状拟合成旋转抛物面，从而把问题转 化为旋转抛物面的照明。这将降低工程复杂性和造价并增加天空覆盖。如图1 i 所示。 图1 1两级调精的大射电望远镜机电光一体化设计 f a s t 项研究的三大关键技术大射电望远镜光机电一体化指向跟踪系统、 主动主反射面方案、测量与控制以及我国贵州独一无二的k a r s t 地貌使得最终将 大射电望远镜阵建在中国变得更加有利r i o 1 1 1 | 。 1 2f a s t 项目的技术指标n ” 大射电望远镜f a s t 项目的技术参数如下： ( 1 ) 望远镜选址：贵州南部；海拔高度z 1 0 0 0 m ：北纬2 5 。：东经1 1 5 。 ( 2 ) 球反射面r 。3 0 0 卅，开口直径d = 5 0 0 m ，球冠张角口z 1 2 0 。t 有效照明口 径d 。r = 3 0 0 m 【： ) 天空覆盖：天项角y 。、= 6 0 。， s ，= 6 8 ， s ，= 1 8 ，可跟踪时间为 5 7 h ( 4 ) 工作频率( g h z ) ：0 2 - 0 4 6 ，o 4 6 0 9 2 ，0 9 2 一i 7 2 ，2 1 5 2 3 5 ，2 8 3 - 3 ， 4 5 - 5 1 。5 7 - 6 7 ，8 0 - 8 8 ( 5 ) 多波束，可旋转 第一章绪论 ( 6 ) 灵敏度：9 x g b t ，5 4 v l a 2 3 x a z e c i b o ( 7 ) 馈源的跟踪精度为4 ” ( 8 ) 要求馈源的快动速度为1 0 。分钟 1 3 悬索馈源支撑系统5 0 米缩比模型 为验证方案的可行性实地建造了j m 和矶m 的实验模型，从而构造了大射电 嘎远镜恳索馈源支撑系统的实验平台。在此基础上，可以验证悬索系统的非线性 静、动力学分析的i e 确性：做悬索及馈源系统在随机风荷作用下的振动、涡激和 自傲实验；验l i f 悬索式馈源支撑系统的运动学规划的正确性：分析馈源舱与 s t e w h r t 平台的动力学耦合问题等等。 由于在f a s t 的馈源舱控制系统中，悬索要绕过支撑塔上的滑轮对馈源舱进行 控制，六套伺服机构必然在地理位置上实行分散布局。目前对于此结构存在两种 控制方案“”“”。一是采用d c s 式的上下位机模式。由管理计算机完成轨迹规划 将规划结果发送给各台下位机，同时完成各下位机的同步协调工作。由下位机控 制伺服电机完成相应的任务。下位机一般由p c 机或者单片机构成，通过d a 或d + r 变换控制驱动器或变频器，从而控制电机的运行。这种方式要求管理计算机与各 下位机之间进行敬 ： ! ：通信，一般采用串口异步通信方式，存在可靠性差、效率低 和实现复杂的缺点。另一种是采用计算机集中控制的方式。控制计算机完成轨迹 规划，将规划结果直接转化为电机的控制量通过插在控制计算机插槽上的控制 卡完成对电机的控制。与第一种方式相比，数据直接在总线上进行交换，不需要 进行c p u 之间的数据通信，工作敬率高，可靠性强，但是计算机的任务较重、对 计算机的性能要求较高，且要求各伺服机构的空间距离较小。随着电子技术的发 展，高性能计算机越来越普及。第一个问题已经不存在，且5 0 m 的空间距离满足 第二个条件。综合考虑两种方案，采用第二种方案对馈源舱的控制更为合理 i s o 由于对馈源舱的控制精度要求很高，需要六套电机在位置和速度上的相互配 台，对电机的控制提出了很高的要求。目前电气传动可以分为直流传动、交流传 动和步进电机传动三大类。直流传动易于实现调压、调磁调速，稳速精度高响 应时间短，起制动和过载转矩大，易于控制，可靠性较高，主要缺点是换向问题 限制了直流电机的容量和转速。步进电机是一种脉冲供电的特殊电机，转角与控 制脉冲个数成正比，转速与脉冲频率成正比，能方便实现换向、转速的控制和定 位。但是存在着易失步和转矩小的缺点。近年来随着电力电子技术的发展，交流 调速技术取得了迅速的发展，使得交流电机具备了直流传动那样的高性能，调速 比可达几十比一，最高转速可达十万转分，稳速精度可达0 1 ，在高速、大功 率、恶劣环境和节约能源方面交流传动较直流传动具有更大的优势“6 “ i h i o 因 大射电望远镜悬索馈源支撑系统的控制硬件设计与实现 此我们在5 0 m 模型中选用了高性能的松下m i n a sa 系列交流伺服驱动电机及伺 服驱动器。具体指标见2 2 节。 a 口 t _ 、 、 留j 图l _ 2 馈源舱控制方案 ( b ) 在5 0 米室外模型中，六个支撑塔的高度为1 5 米，均匀分布在直径5 0 米的圆 卜，在塔顺安装州轮，悬索通过滑轮后，一端到定在悬索拖拽装置上另一端固 定庄馈源舱上。馈源舱是直径25 米的半球，总重07 2 吨，根据强度计算选择悬 索卣径15 毫米，弹性模量为20 5 8 1 07 n c m = ，密度为78 5 1 03 k g c m3 。完成 各个电机的控制的辅助电路主要布置在各个分控制柜内，分控制柜分布在各支撑 塔附近。主控计算机和主控柜放置在主控室内。根据要求的跟踪运动速度和快速 运动速度的计算，选择了两级摆线针齿轮减速器，总减速比为1 8 7 。根据悬索直径 利索长的变化范围设计绕线轮的直径为4 0 厘米，长度为1 0 0 厘米。馈源舱位置 动态检测装置选择三台激光全站仪，分布在场内适当位置。悬索经过导向轮后跨 过支撑塔，这样电机等控制系统放置在场地内的适合位置。三台激光全站仪实时 检测馈源舱的位置和姿态，并且通过位置检测计算机将检测点的坐标值返回给馈 源舱控制计算机“”1 2 0 o 控制柜用于完成控制中的其他辅助功能，比如急停、点动 进给、电源控制等等。 馈源舱的控制部分主要包括并联悬索系统的逆运动学模型解算 z i l 各索长度 变化量转化成对伺服驱动器的控制量、伺服机构执行、馈源舱的实时位姿检测、 控制回路控制算法等。控制计算机根据馈源舱扫描轨迹的要求，通过悬索系统的 逆运动学模型计算出六根悬索的长度变化量，经过控制算法的修正，由控制卡发 送给六套伺服系统，从而实现对六条悬索的协调控制。每套交流伺服系统完成对 应悬索的长度和速度控制，交流伺服系统本身是位置闭环的，同时交流伺服系统 可以将电机的力矩输出通过力矩实时检测装置将各索的张力情况反馈给控制计 司一 第一章绪论5 一 算机，实现索长的反算以增加系统控制的实时性，同时对系统的安全性进行监测。 激光全站仪动态测量得到的馈源舱位置和姿态由测量计算机传送给控制计算机， 实现闭环控制。 1 日 跏、悠一o 、& 瞄 f u - fl i 例矗 西 、。y i 然一、如j “蜘 馈瞬舵控奄f 计算帆 图i35 【l m 缩比模型示意图 1 ，4 本文的主要工作及内容安排 “ 本文从大刺电望远镜f a s t 光机电一体化设计方案的工程实际出发，结合5 0 米模型详细介绍了馈源支撑系统的控制结构和硬件实现方法。 ( 1 )主控回路由许多硬件设备组成，如电机、驱动器、电源、绕线轮、悬索 等等，本文给出了控制回路具体的工程实现方法，包括电源控制回路、主控信号 回路、于动脉冲信i 丁- v 发生器、控制柜的设计币i 线和急停处理等等。这部分内容将 在第二章“悬索馈源支撑系统的控制电路设计”中进行介绍。 ( 2 )要实现六台电机的协同工作，必需有能够同时控制六台电机运转的伺服 控制卡，我们自行设计了一种伺服控制卡，文中给出了控制卡的工作原理，详细 介绍了各部分的电路组成，并介绍了驱动软件工作原理。这部分内容将在第三章 “伺服控制卡”中进行介绍。 ( 3 )由于反算各索索长时，用优化方法求解的方法初始点难以确定，导致解 算时间较长，不利于进行实时控制，如果提供各索受力的信息，则反算变得容易， 同时出于安全因素的考虑，我们设计了力矩实时检测装置，本文给出了该装置的 工作原理及具体实现电路、通信协议和软件工作流程。这部分内容将在第四章“力 一甚 回 兰一一 丕堑皇里垩堡量墨塑塑塞堡墨竺塑笙型堡生堡生兰壅翌 矩实时检测装置”中进行介绍。 ( 4 ) 针对电机的转速突变时易出现冲击抖动启动时变压器压降大的情况， 提出了三种电机升降速的控制算法。这部分内容将在第五章“电机加减速控制算 法”中进行介绍。 ( 5 ) 第六章对全文进行了总结，指出了今后的研究方向。 第二章 悬索馈源支撑系统的控制电路设计 第二章悬索馈源支撑系统的控制电路设计 2 1 主控回路的构成及技术指标 从结构上整个伺服控制系统是由六个完全相同的子系统组成的，每个子系统 的主要功能是按照 控计算机的要求，将对应的悬索伸缩指定的长度。它主要由 控制计算机、伺服j 牵制卡、电机与驰动器、槭速机、绕线轮、索、馈源舱、激光 金站仪和检算计算机等组成。主控柜年f 从控柜完成控制所必须的一一些辅助j 力能， 如电源控制、急停、手动等。 图2 1伺服控制刖路示意幽 从工程实现的角度来看，子系统为了实现对电机进行精确的控制，从而实现 馈源舱的精确定位，应该具有以下的功能： ( 1 ) 对整个悬索系统的总电源控制，对各子系统的电源进行控制。 ( 2 ) 对电机及驱动器的上电和断电控制这罩要求主控柜端和分控柜端都能 剥其进行控制。 ( 3 ) 在一些情况f ，比如调整索的切始点等，要求对索进行单独的控制，这时 可以采取两种方法，一是动用馈源舱控制计算机通过规划和位置闭环加以实现； 二是在分控制器端，直接对索进行控制，将主控计算机屏蔽掉这种方法在控制 汁算机或传输线路出现故障时是必不可少的。因此应该有对电机的手动调节功能。 ( 4 ) 在手动情况下，应浚能对电机的转向和电机的转速进行控制在分控柜端 实现这个功能。 ( 5 ) 在计算机控制下，有些时候要将馈源舱保持在特定的位置进行一些实验， !人射电望远镜悬索饿源支撑系统的控制埂什设计与实现 为此，设计暂停继续丌关，通过主控计算机同步控制各个电机的转停。 ( 6 ) 在紧急情况下要求同时停止所有电机的转动，最直接的方法是断掉电机 的电源，冈此我们在分控柜和主控柜端都设置了急停丌关。在减速机输出端安装 抱闸上电时抱闸松丌，掉电时抱闸抱死。 ( 7 ) 在分控柜和主控柜端设置指示灯，提示整个系统的工作状态。 具体的实现方法，我们会在下面几节进行详细的介绍。 2 2 伺服电机与驱动器 为保缸工程的可靠性及控制精度，悬索控制系统选用先进的交流伺服系统。 j ( ) 米模型选_ i = | 的交流伺服电机型号为m h m a 5 0 2 ，驱动器型号为m h d a 5 0 3 。电 机及驱动器主要技术指标如表2 】、表2 2 所示1 2 1 1 。 电机和驱动器之间的控制乜路包括电源接川午f 编码器接口。其中电源接口端 l 、v 、w 和( ；采川n 勺是三相2 0 0 v 交流电源。另外，在电机t - 配置了2 5 0 0 p r 增量 j 叫编码器，用于i 也机内部似臀反馈闭h ：从而实观驱动器剥电机的精确控制。编 器采川、川、b 桐、4 h 和似信 4 - ，均采川差分方式输出，使得电机和驱动器 之叫距离i l j 以达到：( ) 水。 交流们服提供3 种接口控制方式即转矩、速度和位置控制方式。其中转矩、 迷度控制的指令是模拟电压形，而位置控制指令则可以采用与步进系统相同的 l 爪冲控制j 眵式。转矩控制方式需要软件构成位冒、速度闭环，速度控制方式则需 要软件构成位置闭环。它f f j 通过d a 转换形成模拟指令电压与交流伺服接口，组 成完整的位置闭环控制。这两种在交流伺服装置外都有调节器，现场整定的工作 量大。而位置控制方式的控制管理相对简单，现场整定容易，定位精度也可得到 保证，因此我们选用了位置控制方式”“。松下i i n a sa 系列交流伺服电机的位置 控制信号接口有三种方式：模拟电压输入方式、单脉冲+ 方向控制方式、双脉冲 控制方，。模拟1 乜厄输入方式的输入量是d a 转换后的模拟量：单脉冲+ 方向方 式中一路是脉冲信号，一路是方向控制信号；双脉冲方式中，一路是代表f 向 移茜j j 的脉冲另一路是代表负向移动的脉冲。考虑到控制距离为5 0 m ，驱动器与 电机的距离不能超过2 0 m 传统的d a 输出衰a 成较大，控制精度得不到保证，因 此驱动器采用双脉冲方式工作，脉冲采用差分方式进行传输这样可以增加信号 的传输距离，并保证信号的萨确性。脉冲的频率控制电机的转速，脉冲的个数控 制电机的转角。差分脉冲来自于伺服控制卡关于伺服控制卡将在第三章进行详 细的介绍。 第二章悬索馈源支撑系统的控制电路设计 9 表2 1 伺服电机土要接术指标 电机型号额定功率额定转矩最大转矩 额定转速最高转速 ( k w )( n m )( n m ) ( r p m )( r p m ) m h m a 5 0 252 3 87 1 4 2 0 0 03 0 0 0 丧2 2驱动器土要技术指标 愫 主回路电源三相2 0 0 v 一2 3 0 v5 0 6 0 h z 舰 控制回路电源单相2 0 0 v - - 2 3 0 v5 0 6 0 1 _ z 控制方式l g b 3 p 州正弦波控制 格 反馈增量式编码器( 1 l 线2 5 0 0 p r ) 控制输入位置控制 输控制输入1 伺服- - o n2 报警清除3 比例操作选择 入 4 指令分倍频选择j 控制方式选择 信b | j 部速度指令选择7c w 驱动禁止 【功i j 8c c w 驱动禁止9 零速箝位 脉7 】f f _ ；指令通过参数选择 lc w c c w2 a 相b 相3 指令方向 输控制输入丌路集电檄输入1 偏差计数器清零输入 出2 指令脉冲禁止输入 信控制输ml 伺服报警2 伺服准备好3 外部制动释 能 号放4 速度到达定位完成5 转矩限制中6 零速度信号 1 监视输出l 速度监视2 转矩监视 保护功能1 欠压保护2 过压保护3 过流保护 4 过热保护5 过载保护6 过速保护等 。| 生最高指令脉冲频率5 0 0 k p p s 能速度频率响应特性 5 0 0 h z 2 3 电源控制回路 松下m i n a sa 系列电机和驱动器采用三相2 0 0 v 交流电源，为此我们定制了 3 8 0 v 一2 0 0 v 变压器。电源控制如图2 2 所示。3 8 0 v 电源出主丌关控制，主控柜的 空气丌关闭合后从控柜的主变压器得电，驱动器的电源由交流接触器m c 来控制。 由于所有的控制点分布在主控柜和从控柜的两端，距离较远，如果采用t t i 电平 堡人射电望远镜悬索馈源支撑系统的控制埂什设计与实现 的话，控制的可靠性难以保证：另外，还有安全角度的考虑，没有采用2 2 0 v 的交 流电源，因此电源控制电路采用了交流2 4 v 电源，为此在主变压器前级并接2 2 0 v - - 2 4 v 的交流变压器。在变压器的输出端。串接了七组急停级联开关，分布在六个 分控制柜内和主控柜内，其中的任何一个按下都将导致所有的驱动器断电。 幽2 2l u 源控制州路示意剖 在总丌关和分空气丌关闭合后，所有的“p o w e ro f f ”键处于常闭状态，“p o w e r ( ) ”键处 ：常丌状态，这样接触器线包不得电，其常丌触点断丌，驱动器不得电， 口t 主拄机毋j 从拧柜端的指五：灯“l 川 1 o f f ”点亮，“【i ( ： l to n ”仍处于熄灭状 念。当仟“p o w f r ( ) ”按下后，电源回路接通，接触器的线包得电常闭触电 断j t ，常j 1 ：触电闭合，这样驱动器得电丌始工作，同时主控柜和从控柜端的指示灯 “l i g h to x ”点亮，“h i g h to f f ”熄灭。若在这时按下任“p o w e ro f f ”按钮， 主回路断电，接触器线包失电。驱动器断电，同时指示灯显示状态。这样本章 第一节所述功能( 1 ) 、( 2 ) 、( 6 ) 得以实现。 2 4 主控信号回路 松下) i i n a sa 系列的电机采用了双脉冲方式的位置信号接i = i ，由于要求控制 ：采用手动和自动两种方法因此需要两种脉冲信号源，一种是自动控制时使用， 山计算机控制发出脉冲的频率和个数，这个工作由伺服控制卡实现；另一种就是 安装在从控柜内的手动脉冲信号发生器。因此，在从控柜上设置了“自动控$ 1 手 第一二章悬索馈源支撑系统的控制电路设计 动控制”转换丌关以完成控制方式的转换。在手动方式中，通过“j 下转反转”按 钮控制电机的正反转，同时可以旋转“转速调节旋钮”控制电机的转速。在自动 方式中+ 有时候需要将馈源舱暂时停止在一个特定的位置进行测量等工作，为此 在控制面板设置“暂停继续”按钮，输出高低不同的电平，由计算机对其进行检 测并完成对六套子系统的协同控制。主控信号的电源采用2 4 v 直流电源，为了避 免信号干扰，采用了两个开关电源，一个只用于自动控制时的驱动器电源，另一 个用作控制信号的切换。示意图见图2 3 。 从图上看，当“手动控制自动控制”丌关打到自动时，继电器的线包m c i 、 c 2 不得电，驱动器的信号s e r v 一0 扎s e r v r o y 、c v ? i 、c v ? 2 、c c w l 、c c w 2 接通从控 ；铷昔来的信号，实现自动控制，这时i 控柜和从控柜的“自动”指示灯点亮。当 “手动控制自动控制”丌关打到手动时，继l 乜器的线包c 1 、m c 2 得电，驱动器 的信号s e r v o n 接地有效，c w l 、c w 2 、c c wj 、c c v i 2 接通继电器, q c 3 、m c 4 的输出端， 这时二1 e 控枉和从控枷的“手动”指示灯点亮，“自动”指示灯熄灭。这时若按下“手 动币转”按钮，w 0 继电器m c 3 的线包得电，其输出边接通手动脉冲信号源旧信号， 实现手动1 ：转控制；若按f “手动反转”按钮，则继电器m c 4 的线包得电，其输 一一i 莉一一一。砀唐勤一一_ 。一一吾亨畦。一i - 一一 画蠹一 一一一_ _ 一。一。一一。一一 来自、 _ 一 lli 厂：、c c n 馈谭 一ll - 1 舶控 一 l - j - l s i r v _ n 带9 计 _ i - g 。多一 i - l s 趾y j - l - i c f l i ，一 4 一 l - j c _ 2 j h 5 一。j p 一 l - c c w l 笪机 _ l ， - 1 十一。j p - j 耐 的控， l - 制信r _ 。 手动蔓。 c ? ic 性c c l 【c l i l - 呻 荨动鱼： d3 手动灯 笛删 z j i 手动 手动盯1 j 自动j 丁 h x 1 臣 【工j _自动灯d 7卅 k 一 c i ic c w l 一 自亏9 c 1 2c c # 2 _ 信 1蘸f l 号 发 生 器 i 万卜l 匕y 幽2 3 土控信号同路示意幽 人射屯望远镜悬索馈源支撑系统的控制硬件设计与实现 出端接通手动脉冲信号源的信号，实现手动正转控制。在手动情况下旋动“速 度调节旋钮”，调节电位器的阻值，从而控制手动脉冲发生器的输出频率，最终控 制电机的速度。当在自动控制的情况下按下“暂停继续”按钮时信号板输出高 电平，松丌改按钮时输出低电平，这个信号将被主控计算机检测到，控制发给各 个驱动器的脉冲从而实现计算机主动同步控制。这样，实现了本章第一节所述 的功能( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 。 2 5 手动脉冲信号发生器 松1 、x a s 驱动器 + 作在双脉冲方式下，脉冲的个数对应电机转过的角度， 脉冲的频；笨对应f 乜机的运转速_ i ：。在手动方式。l ：，驻们j l 需要控制电机的转速， 至于电机拖动悬索走过的长度，不是主要的考虑b l 索。i 蜩此，手动脉冲信号发生 器要能在一定的范围内调整信号频率，从而控制乜机的转速。 常用的咏冲信号源由5 5 5 定时器组成采用多谐振荡电路。多谐振荡器是 种无稳态1 乜路，神：接通电源后不需要外加触发信号，电路状态能够自动不断变 化产q - m 形波的输出。削21 ( a ) 给出了x l 5 5 5 构成的多谐振荡器，将高电平触 发端t l 和低电平触发器t r 短接在放电回路c p 还串接了一个电阻r 2 。电路中r 1 、 r 2 、c 均是定时元件。图2 4 ( h ) 是工作波形1 2 j 1 。 r l r 2 c ( a )( b ) 幽2 4由n e 5 5 5 构成的脉冲发生器 垓电路的振荡周期如下： t = i + 五 其中 i = ( r l + 月! ) c l n 2 l = r ，c l n 2 所以 第二章悬索绩1 隙支撑系统的控制电路设计 旦 周期t = ( r ，+ 2 r ，) + c l n 2 = 0 7 ( r 1 + 2 2 ) c 占空比d = r g + 正) = ( r i + j r2 ) ( r i + 2 r 2 ) 输出矩形的频率，= l 显然改变r 2 的值可以改变振荡频率及占空比，从而 控制电机的转速。 还有另外一种脉冲发生器，其结构很简单，在实践中证明非常有效，它实际上 是一种r c 振荡电路，电路如图2 5 所示。在输出端的的输出波形是矩形波，r c 起振之后经由三极管p 1 放大，反相器反相驱动后输出。调节电位器r l 的阻值， j 。以改变输出端hl 的矩形波的频率。 幽2 5由r c 振荡电路构成的脉冲发生器 为了在较大的距离内实现信号的准确传输，驱动器输入的控制信号采用了差分 形式在脉冲发生器的后级进行了信号转换，采月芯片a m 2 6 l s 3 1 波形如图2 6 。 1 0 + 舻 i g l t a l 厂 厂 厂 + 厂 厂 厂 m 一 厂 厂 厂 i b , x 2 6 l $ 3 1 幽2 6 基丁n t 2 6 l s 3 1 的筹分输山 本节介绍了信号主回路中的手动板上脉冲发生器的设计，产生的脉冲信号经 差分变换后，输出给驱动器，从而控制电机的转停。由脉冲发生器产生的信号在 “自动”状态下无效。 2 6 急停处理 在紧急情况下，要求同时停止所有电机的转动，按下分控柜或主控柜端的任 一急停丌关，断掉电机的电源。电机断电时没有力矩在馈源舱的重力作用下， 绳索会拉动电机转动，电机内会产生反电动势，对电机的寿命不利而且会存在 安全隐患。为了杜绝这种情况的发生，我们在减速机输出端安装了抱闸，上电时 一1 4 人射电望远镜悬索馈源支撑系统的控制硬什设计与实现 抱闸松丌，掉电时抱闸抱死。电路如图2 7 。 制动嚣 苎燮篓 图2 7制动器控制电路 本电路采用了两缎继电 ； ，m l 的线圈电压是2 4 v ，电流 3 a 。驱动器得电自检后， s r d y 信号有效，m 1 的线圈得电触点闭合，从而m 2 的线圈得电触点闭合，使 制动器松jr ，电机，4 可以运转；驱动器断电时sr s y 信号无效m 1 的线圈失电 触点断丌，从而v 1 2 的线圈失f u 触点断丌，使制动器抱紧，电机和滚筒都不能转动， 馈源舱停i ：在某一位置，从而避免事故发生。 2 7 控制柜 从f ：几钉我们j 以再m ，主控 巨的士篮功能是实现对总电源、从控柜电源 的控制、急停管删，以及各个驱动器的上电和掉l 乜及状态显示。按钮与指示灯均 做c 控制面板上。信号的接 i 采用航空插头，便于拆装调试。图2 ，8 给出了主控 柜内一条支路的如线方法。主控柜要与分控柜进行配合使用。 。 芒主电4 及担刮糯头驱动电弭壬 1 9 芯毫恽航空插央i总急停开* ：1 ul f ，、， 自自* r 、r 1 。一 口罡_ 丫 。l 一，。j i 1 o 。一 驱动电薄开 & 一 一d o 一 i j 车娴 l 。o 口_ j 一_ ，j 、自自目 iivl l _ o - o j i。n j 倒2 8 土控拒布线示意幽 ；赢 r _ 上日矗bi 二。山 ；上d 4f 4 甚电溽航空插* l _ j 第二章悬索馈源支撑系统的控制电路设计 从控柜的助能主要有电机及驱动器的上电和掉电及其指示、手动控制和自动 控制的切换及其指示、手动速度调节、所有电机的暂停和继续切换、急停功能等。 从控柜内还装有2 0 0 v 变压器、交流接触器、2 4 v 变压器、急停处理继电器等等。 从控柜的工作原理在f j 面几节已经介绍过了，在本节给出从控柜的布线图。如图 2 9 所示。 幽2 9 从控柜布线示意i 芏i 堡人射电望远镜悬索馈源支撑系统的控制埂t i ：设计与实现 2 7 小结 悬索馈源支撑系统的控制出六套完全相同的子系统组成，本章介绍了子系统的 基本组成，详细叙述了各功能的具体实现方法。实际工程中，各分控柜与控制计 算机和主控柜之问有很多信号线和动力线，现场句线时将其埋于地表以下5 0 c m 。 考虑到动力线对信号线的干扰，除了将信号线的屏蔽层接地以外，将其外套一根 铁管，并与动力线保持3 0 c m 的距离。从使用效果来看，并没有产生由于动力电源 1 | 扰发小瞑操作的现象。电源线充分考虑电线负载，避免电流过载发生短路引发 。j ； | 友。水氍所介2 “的方法均在一i ：程实践中经受检验，运行效果相当理想。 第二章伺服控制e 第三章伺服控制卡 3 1 控制卡的研制背景 悬索馈源支撑系统实际上是一个基于p c 总线工控机的工业控制系统，该系统 实现六台被控电机的高精度位置伺服。系统对电机控制是通过伺服控制卡实现的。 控制计算机根据馈源的空问轨迹的速度、位胃和姿态的要求，计算出各根悬索的 伸缩量，再转换成控制电机所需的脉冲数和脉冲频率。伺服控制卡根据主控计算 机的要求产生相应的脉冲，通过主控回路传输到驱动器，从而实现对伺服电机的 精确控制。 美幽的麻省理j j 学院( m i t ) 发明了世界上第一台数控机床以后，随着电子技 术和计算机技术的发展，控制系统的硬件不断更新。9 0 年代以来基于p c 的数控 技术( p c b a s e dc x c ) 发展迅速，山】p c ：控机及各类i 0 接口模板和相应的软 件构成的控制系统已成功的应用在工厂企业的各个方面“。 基于p c 的c n c 方案是把伺服控制卡和c n c 单元插入p c 的标准插槽，再加 上一些外围设备，如伺服放大器、电源等，构成一个模块化的数控系统。伺服控 制卡通过p c 总线与主控机进行数据交换，完成电机的位置和速度的实时控制而 控制计算机处理系统级的任务如轨迹算、通信控制、图形显示等等，这样撺 南4 计箅机可以进行更高层次的管理和控制任务。可以说，伺服控制卡式构成这利 c n c 系统的核心之“。 目自u 用于c n c 系统的伺服控制r - - 按核心处理器柬划分，大致可分为基于单片 机、专刚运动控制芯片和数字信号处理器( d s p ) 三种，近年柬基于数字信号处理 器的伺服控制卡取得了广泛的应用，如美国的d e l t a t a u d a t as y s t e m 公司的p m a c 系列。这些控制卡多采用了编码器反馈单元，内部大多集成了如p i d 或p i d + n o t c h 等的控制器，这些控制器都集成在芯片内部，属硬控制器“。大射电望 远镜悬索式馈源支撑系统为一大柔度大滞后的非线性系统，本系统的位置闭环反 馈由激光全站仪和检算计算机组成，测量结果通过串口传输给主控计算机。由于 激光全站仪的检测周期很长，约为2 0 0 m s 而一般控制卡的编码器反馈输入单元， 检测周期短，约为毫秒绂，无法与以上控制卡的反馈输入单元接口，进行实时误 蓐修i f ，实现闭环：此外p i d 控制算法对于本系统的大柔度大滞后非线性特性是 否有效还需要进一步实验验证。为了便于探索对于这种系统更加有效的控制算 法我们充分利用工业控制计算机的c p u 资源将控制器用计算机的软件实现。 我们设计了一块六轴联动伺服驱动控制卡，实现脉冲发生和分配功能，配以辅助 电路实现电机的驱动。由激光全站仪检测实现闭坏馈源舱控制计算机用软件实 现闭环控制算法，将每轴的速度位移信息通过p c 线传到控制卡由控制卡自动实 坚人射电望远镜悬索馈源支撑系统的控制硬什设计与实现 现d f 转换，通过驱动器控制电机“”。”。 3 2 伺服控制卡的硬件设计”。 3 2 1 控制卡结构 出于交流伺服选用了位置控制方式，工作在双脉冲差动方式，所以控制卡采 f | j 差动隙冲方式输出，脉冲的频率控制电机的转速，脉冲的个数控制电机的转角。 馈源舱控制计算机通过伺服控制卡远程控制六台电机联动，控制电机的转停，并 且读入驱动器的工作状态信号。 由于控制算法山p c 机软件实现，简化了伺服控制卡的设计工作量，该卡主要 山以f 几个坼元组成：总线接ij 单元、脉冲发生器、逻辑控制与数字i o 单元、中 断控制单儿和信号调理单元。脉冲发生器在控制逻辑和中断控制单元的共同管理 一h 发出指定频率和数量的脉冲控制逻辑同时通过数字输入输出单元产生控制 电机的辅助信号，同时检测电机和控制柜的状态。脉冲发生器的工作是在中断控 制单元的管理下进行的，中断控制单元同时可以处理其他异常中断。为使输入输 m 信号i 。外部设备如电村【等桐匹配，信号需要经调理单元进行电平转换。如图3 1 行不。 凹3l 控制 结构框幽 3 2 2 总线接口单元“1 i s a 总线属局部总线，它保持了p c x t 总线的6 2 个引脚信号，而且增加了一 个延伸的3 6 引脚插槽。i s a 总线的数掘线为1 6 位，地址总线为2 4 位寻址能力 达1 6 m b ，数据传输率最高可达8 m b s 。现在的计算机内部一般都保留了一到两个 s a 插槽。泼伺服控制卡插在馈源舱控制计算机的i s a 插槽中，使用i s a 总线内 部读写逻辑，与计算机进行数据交换。伺服控制卡通过7 4 l s 6 8 8 做板地址译码， 当p = q ，( i = 0 7 ) 时，选通4 一】6 译码器7 4 l s 5 4 做全局地址译码，选通8 2 5 3 、8 2 5 5 第三章伺服控制告 等功能芯片。通过拨码开关可以设置板卡的地址，p c 机除了串口、并口等专用地 址外还预留了一些地址供用户扩展之用，本卡使用的是2 0 2 h 一2 7 7 h 的预留地 址，若与其他板卡的地址冲突，可以调整拨码丌关进行重新设置，从而提高了控 制卡的适用性。电路如图3 2 所示。 。斌士一 r i 2 - - - 0 a 3 一 2i a 4 一 a 5 一 df l 丽i 崮蓼 二 i兹 1 5 7 4 l s 5 4 f 3 7 i 铡3 2i s a 总线按i j 3 2 3 脉冲发生器 脉冲发生器的作用是根掘控制计算机的要求产生一定频率的脉冲，浚脉冲经 过逻辑控制单元的控制信号调理单元的调理，沿指定的通道到达驱动器的接口。 倒服驱动器最高工作脉冲频率计算如下。驱动器在位置控制模式下运转，最 高指令脉冲频率为5 0 0 k p p s ，由控制速度要求计算知该驱动器满足设计要求，以下 是详细计算过程： 伺服驱动器工作在脉冲输入方式，工作脉冲频率与电机转速之日j 的关系是 ，j n = 5 0 0 k h zj3 0 0 0 r m i n 由 ：绳索的最大伸缩速度为。、= d 2 m s 得到电机的最高转速为 。= k 。+ 1 6 0 ( ，7 删2 n2 1 8 7 6 0 ( t i * 0 圳。7 8 5 7 1 8 r m i n 则驱动器所需最高脉冲频率为 f 。= 5 0 0 k 胛。、3 0 0 0 = 2 9 7 6 2 k h z s5 0 0 k h z 为驱动器留有余量，选择4 m 的晶振作为振荡源，经分频后可以满足5 0 0 k h z 的要 求。 控制卡需要输出六