摘要:本文主要介绍了当前国际上地基大口径望远镜交流伺服控制系统的发展现状，详细论述了望远镜驱动方式的选择、交流永磁同步力矩电机的应用情况、控制系统的硬件组成以及伺服系统的控制策略。讨论了大型望远镜交流伺服控制系统设计的难点及未来发展趋势，为大型望远镜交流伺服控制系统的设计提供一定的参考。
关键词:大型望远镜;交流伺服系统;永磁同步力矩电机;综述
中图分类号:TH75文献标识码:Adoi:10．3788/CO．20150806．0895
1引言
大型望远镜是集光学、机械、电子学于一体的综合观测系统，用来探测空间目标、探索宇宙奥秘的重要观测设备，至今已经有几百年的发展历史。随着空间目标观测需求的提高，对望远镜的口径、分辨率、探测能力的要求越来越高。从1609年的第一台伽利略望远镜到正在建设的30m望远镜(TMT)，望远镜的口径平均每60年增加一倍，但是从20世纪中期开始，望远镜的口径每16年增加一倍［1-2］。随着望远镜口径的不断增大，对望远镜的跟踪精度提出了更高的要求，平滑、高精度的传动系统是保证望远镜低速、平稳跟踪空间目标的重要措施。望远镜的主要传动方式有涡轮蜗杆传动、摩擦传动、齿轮传动和直接驱动［3］。直接驱动方式以其安装简单、维护方便、无齿轮间隙和低速爬行的优点，近年来在大型望远镜中得到了较多的应用，例如E-ELT(42m)、TMT(30m)、JELT(30m)等［3-7］。在直接传动方式中，通常采用力矩电机作为执行机构，传统的有刷直流力矩电机以其控制技术成熟和简单的优点，在国内外的望远镜上得到了广泛的应用，例如，中国科学院长春光机所的718经纬仪、中国科学院成都光电所的778经纬仪、印度理工大学的50/80cm施密特望远镜等［8-10］。随着望远镜口径和负载的增大，要求电机提供的力矩超过105N•m，有刷直流力矩电机在功率、体积、散热和低速性能方面已经不能满足大型望远镜高精度跟踪的要求。这是因为大型望远镜的电机驱动电流较大，同等功率条件下有刷直流力矩电机的体积较大;有刷直流电机的绕组产生大量的热量，在没有冷却设备条件下将影响望远镜成像光路;有刷直流力矩电机存在机械电刷和换向电火花，降低了电机的寿命和系统的可靠性，同时对望远镜低速跟踪产生力矩干扰和电磁干扰，影响望远镜的低速平稳跟踪性能［11］。鉴于上述有刷直流力矩电机在大型望远镜应用中存在的问题，国际上的大型望远镜开始采用交流永磁同步力矩电机作为直接驱动的执行机构，例如，西班牙10.4m的GTC［12］、欧南台8.2m的VLT［13］、日本天文台8.2m的Subaru［14］以及美国的射电望远镜阵ALMA［15］。目前国内相关科研单位也开展了该方面的研究工作，例如，中国科学院下属南京天光所、成都光电所、长春光机所等［16-18］。永磁同步力矩电机相比于有刷直流力矩电机具有如下优点［19-20］:(1)较高的气隙磁通密度、较高的功率密度、较高的力矩惯量比和较高的效率;(2)取消了机械电刷，消除了因为机械换向产生的电火花和非线性力矩扰动，有助于提高望远镜低速跟踪性能;(3)大功率的永磁同步力矩电机通常配套相应的冷却设备，能够及时消除电机热量对成像光路的影响;(4)如果永磁同步力矩电机采用的是分段弧形拼接的形式，还具有拆装方便、可维护性高的特点。当某一弧段出现故障时，可以将该弧段拆除进行维修，其他弧段仍可正常工作，并不影响望远镜的正常观测使用。由于交流永磁同步力矩电机在国内大型望远镜控制系统中的应用研究还处于初级阶段，如何设计大功率的望远镜交流伺服控制系统中成为亟待解决的问题。本文将对大型望远镜交流伺服控制系统作如下综述:(1)望远镜驱动方式的选择;(2)交流永磁同步力矩电机的应用情况;(3)交流伺服控制系统的硬件组成;(4)交流伺服系统的控制策略。在此基础上，总结大型望远镜交流伺服控制系统设计的难点及未来发展的趋势，为我国大型望远镜伺服控制系统的交流化提供一定的设计参考。
2大型望远镜驱动方式发展现状
目前国际上的大型望远镜的驱动方式通常采896中国光学第8卷用齿轮传动、摩擦传动和直接驱动3种形式，为了更好的说明3种驱动方式，从建设费用、安全性、刚度和控制等方面对它们进行了比较［21］，如表1所示。由表1可以看出，直接驱动方式相比于其他两种方式，具有如下几方面的优势［15］:(1)直接驱动方式在力矩传动方面是分布式的，齿轮传动和摩擦轮传动方式是点对点的方式，分布式的传动方式具有传动精度高、传动刚度好的特点;(2)直接驱动方式消除了齿轮间隙等非线性因素的影响，简化了伺服控制系统设计，提高了控制系统的跟踪精度。为了确保直驱方式的性能，需要尽可能的降低电机的齿槽力矩波动和系统的力矩扰动。在选择直驱力矩电机时，需要从以下几个方面进行考虑:(1)定点精度和调节时间要求;(2)望远镜远程安装的地点;(3)供电网络的方便性和兼容性;(4)望远镜的安装寿命;(5)系统的可维护性和检修周期;(6)望远镜的初始预算和全过程预算。
3交流永磁同步力矩电机发展现状
相比于有刷直流电机，永磁同步力矩电机属于交流控制的范畴，因此，在本文中基于永磁同步力矩电机的大型望远镜伺服控制系统称之为交流伺服控制系统。随着望远镜口径和负载的增大，有刷直流力矩电机在功率、体积、散热和低速性能方面已经不能满足大型望远镜直驱控制系统的要求。因此，国际上的大型望远镜伺服控制系统采用了大功率交流永磁同步力矩电机作为执行机构，例如GTC、VLT和ALMA的方位轴和俯仰轴电机(PHASE公司研发)，Subaru的方位轴和俯仰轴电机(三菱公司研发)，如表2所示。GTC望远镜采用了分段弧形拼接形式的永磁同步力矩电机，方位轴电机由8块弧形正弦电机拼接而成，转子安装直径为15.5m，方位轴电机由4台相同的驱动器驱动，峰值力矩达到180kN•m;俯仰轴电机由两台相同的电机驱动，每台电机由4块弧形直线电机拼接而成，转子安装直径为9m，俯仰轴每台电机由2台驱动器驱动，峰值力矩可以达到64kN•m［22］。GTC望远镜电机参数如表3所示，GTC望远镜、方位轴和俯仰轴电机分别如图1和图2所示。VLT望远镜是世界上首台应用分段弧形拼接形式的永磁同步电机的大型天文望远镜，该望远镜两轴均采用了永磁同步力矩电机，方位轴采用了16块定子拼接的形式，转子磁极数为520，由4台驱动器进行驱动，安装半径为5m;俯仰轴采用了2台相同的电机，每台电机由6块定子组成和两台驱动器驱动，转子磁极数为100，安装半径为1m［23］。VLT望远镜电机参数如表4所示，VLT望远镜和方位轴电机分别如图3和图4所示。Subaru望远镜仍然采用类似分段弧形拼接形式的电机，该望远镜两轴均采用了永磁同步力矩电机，方位轴和俯仰轴都是由4块定子拼接而成，方位轴的力矩达到81.8kN•m，俯仰轴的力矩为76.8kN•m。由于采用了直驱的方式，系统的结构刚度比原先的设计提高了40%，达到11.8×109N•m/rad，方位轴和俯仰轴的锁定转子频率分别提高到5.9Hz、4.7Hz［24］。Subaru望远镜及驱动电机分别如图5和图6所示。ALMA射电望远镜阵是由欧南台(ESO)设计的大型射电望远镜阵，该望远镜阵由24台12m口径的射电望远镜和一些小型射电望远镜组成。ALMA望远镜的分段弧形拼接电机的设计借鉴了VLT望远镜设计的成功经验，该射电望远镜的驱动电机在方位轴最大角速度大于6°/s，最大角加速度大于18°/s2;俯仰轴在最大角速度大于3°/s，最大角加速度大于9°/s2的条件下，进行了优化设计。方位轴电机由10段双气隙定子组成，运行范围为310°;俯仰轴由4段双气隙定子组成，运行范围为49°［25］。ALMA射电望远镜驱动电机的定子和转子分别如图7、图8和图9所示。由美国、中国、加拿大、日本等国家正在联合研制的30m望远镜(TMT)也将采用分段弧形拼接电机直接驱动的方式。由于望远镜的口径特别大，驱动电机的定子和转子均采用分段弧形拼接的形式，文献［26］从力矩损耗、齿槽力矩波动、磁阻力矩波动、反电动势和磁通气隙等方面，对TMT望远镜的直驱电机选择进行了详细的说明。经过分析优化后，电机的峰值力矩效率可以达到100%，幅值较小的应用力矩效率达到49.6%，齿槽力矩波动为0.1%，磁阻力矩波动为0.3%。TMT望远镜和电机模型如图10和图11所示。
4大型望远镜交流伺服系统硬件发展现状
大型望远镜控制系统结构如图12所示，包括电机驱动器、控制器、位置编码器、测速电机等。虽然方位轴和俯仰轴可能有多个电机进行驱动，但是每个轴都只有一个单独的位置环和速度环。位置环的闭环通过获得位置编码器信号在伺服控制卡中实现，速度环通过测量转速计的反馈信号实现闭环，每一个电机驱动器获得力矩指令后，进行电机的力矩闭环控制。此外，电机上还装有霍尔传感器，用于电机的方向鉴别和电机的平稳启动。上述控制系统采用的是力矩环、速度环、位置环三环控制，目前在大型天文望远镜中得到了广泛的应用，例如Gemini、VLT、VST等［27-29］。下面从望远镜控制系统的硬件组成—驱动控制器和位置传感器两方面进行研究现状概述。
4．1大型望远镜交流伺服系统驱动控制器
大型望远镜伺服控制系统控制器主要完成反馈信号的通信、跟踪轨迹模型的计算、控制算法的计算以及系统的故障检测等功能。20世纪90年代，国际上大型望远镜伺服控制器通常是基于VME总线和Motorla26xx系列的微型控制器，该类型的控制器还被大量应用于直流电机和步进电机控制系统。例如VST望远镜控制系统［30］，如图13所示，该系统控制器采用Motorla公司的MVME2600芯片，实现了望远镜启动、跟踪、快速定向和精确定点模式的切换，优化了系统的采样频率，完成了编码器数据的通信和系统自锁信号的读取。VST望远镜控制系统的控制机柜和配电机柜分别如图14和图15所示。随着微型控制器技术的发展，基于VME总线的新型伺服运动控制卡在望远镜伺服控制系统中得到了较多应用，该类型的控制器便于系统的集成和系统的更新。例如GTC望远镜伺服控制系统的控制器，其实时的硬件平台是基于VME64处理单元，控制板集成了Motorla公司的MVME5100芯片，通过网络与控制系统的其他部分进行通信。GTC望远镜方位轴和俯仰轴具有相同的控制单元，控制单元完成位置的闭环、运动控制和运动轨迹的跟踪功能［12］。近年来，基于PLC的运动控制卡在望远镜伺服控制系统中得到了应用，例如VLT望远镜由基于VME/VxWorks的控制系统更新为基于PLC/EtherCAT的控制系统。应用PLC控制有很多优点，最重要的是能够支持开放式的通信协议，例如EtherCAT、PLCopen(包含很多运动控制库标准)、和OPCUA通信协议。VLT望远镜采用的是EtherCAT协议，这是因为EtherCAT协议非常灵活，支持分布式控制系统［31］。VLT望远镜控制器实物图如图16和图17所示。随着半导体技术的发展，半导体场效应管(MOSFET)、绝缘栅极晶体管(IGBT)等电力电子器件得到迅速的发展，并在变频控制领域得到广泛的应用。目前国外著名公司，如三菱、ABB、英飞凌、科尔摩根、Parker等，在大功率驱动控制领域成绩显著。20世纪90年代出现的智能功率模块(IPM)集过压、欠压、过温、过流保护功能于一体，在永磁同步力矩电机驱动领域得到了广泛的应用［32］。目前国际上的大型望远镜电机驱动器通常采用集成IGBT功率模块，如GTC、LBT、VLT等。在VLT望远镜的驱动器采用的是标准驱动技术Digitax750VLT，该驱动器PWM频率范围为8～16kHz，IGBT模块耐压为1200V;LBT望远镜采用的驱动器是231P，该驱动器可以达到1.8kHz的带宽，从而实现力矩的快速性响应。VST望远镜采用Moog公司的DBM04驱动器［33］，VST望远镜控制系统的控制驱动如图18和图19所示。
4．2大型望远镜交流伺服系统位置编码器
当前大型望远镜通常采用光学编码器作为角度检测元件，光学编码器是由带有刻痕的圆光栅和读数头组成。编码器分为增量式编码器和绝对式编码器，主要的编码器提供商是ＲENISHAW公司和HEIDENHAIN公司，增量式编码器在系统上电时，无法确定绝对位置，但是如果提供了绝对位置参考，增量式编码器也可以用于绝对位置测量，两种编码器如图20所示。绝对式编码器通常安装在大型结构上，用于绝对位置的测量，其绝对精度可以达到1″;增量式编码器具有更高的分辨率(小于0.1″)，用于望远镜的精密跟踪;钢带编码器属于增量式编码器的一种形式，其分辨率随着安装直径的增大而增大，如VLT望远镜方位轴、俯仰轴分别采用的是直径7和1.6m的钢带编码器，钢带编码器的刻划精度为40μm［34］。
5大型望远镜交流伺服系统控制策略发展现状
交流永磁同步力矩电机两种应用最广泛的控制策略为直接转矩控制和矢量控制［35-36］。在大型望远镜控制领域，许多先进的控制策略已经得到了成功应用，如LQG控制、H∞控制、内模控制器以及滑模控制等［37-39］。望远镜伺服系统中采用述控制策略主要目的是克服系统中的非线性力扰动因素，提高望远镜控制系统的位置跟踪精度。
5．1直接转矩控制
直接转矩控制是由德国鲁尔大学Depenbrock教授于20世纪80年代提出。控制思想是采用磁场定向的方法，根据转矩和磁链的位置信息合成合适的电压矢量，从而达到对电机转矩和磁链的直接控制［40］。直接转矩控制方法以其良好的动态性能、鲁棒性、响应速度在永磁同步力矩电机的控制中得到了广泛的应用［41-42］。但是直接转矩控制中由于引入了反电压矢量将导致转矩和磁链的波动，从而影响永磁同步电机的控制性能。此外，直接转矩控制在实际应用过程中存在磁链观测困难，非线性振荡和参数摄动问题，因此很难实现永磁同步电机的高精度控制［43］。
5．2矢量控制
矢量控制是由德国西门子公司FelixBlaschke于20世纪70年代提出，其控制的本质是通过坐标变换的方法将定子电流分解成相互垂直的转矩分量和励磁分量，然后对其进行独立控制，从而实现转矩和磁通的解耦控制［44］，矢量控制原理图如图21所示。矢量控制以其调速范围宽、精度高、动态性能好的特点在精密机床和高精度机械加工领域得到了广泛的应用。矢量控制相比于直接转矩控制，具有转矩脉动小、启动性能好、过载能力强的特点，因此，在大型望远镜交流控制系统中得到了应用，如VLT望远镜、GTC望远镜等［45-46］。
5．3LQG控制
LQG(Linear-Quadratic-Gaussian)控制以其带宽高、抗扰动能力强的特点在大型望远镜控制中得到了成功应用。文献［47］介绍了LQG在大型射电望远镜控制系统中的两种不同应用方法—LQG速度环控制器和LQG位置环控制器，分析比较了LQG控制器在速度环和位置环中的应用效果，得出了LQG控制器相比于PI控制器能够明显提高系统带宽、缩短调节时间。由于LQG控制器的设计需要望远镜的控制模型，因此，在控制器设计之前需要辨识系统的模型。
5．4H∞控制
文献［48］讨论了H∞控制在光学望远镜和射电望远镜控制系统中的应用问题，H∞控制器的结构与LQG控制器结构类似，但是两者的控制器参数计算方法不同。对于大型望远镜来说，跟踪误差主要是由于风载激励引起的，LQG控制器能够提高系统的跟踪性能，但是在控制过程中控制器的抗扰动性能没有直接表示出来;H∞控制器的设计兼顾了系统的跟踪性能和抗扰动能力。文献［49］介绍了H∞控制器在大型射电望远镜中的设计方法，控制器设计时考虑了风载扰动的影响，相比于PI控制器和LQG控制器提高了系统的鲁棒性。
5．5滑模控制
滑模控制属于变结构控制，它是一种不连续控制，系统的结构具有随时间变化的开关特性，其特点是根据被调量的偏差及其导数，使系统有目的沿着设计好的滑模面运动。这种滑模面是可以设计的，与系统的参数及扰动没有关系。因此系统具有很强的鲁棒性［50］。滑模控制不需要系统参数的在线辨识，近年来在交流伺服控制系统中得到了广泛的应用［51-53］。由于大型望远镜需要克服风载等扰动的影响，要求伺服控制系统具有很强的抗扰动能力，滑模控制器的强鲁棒性能够满足该方面的要求。滑模控制本质上是一种开关控制，使系统存在“抖振”问题，针对“抖振”抑制问题已有很多的解决方法，如饱和函数法、边界层法等［54］。将滑模控制应用到大型望远镜控制系统中，也需要解决控制器引起的抖振问题。文献［55］详细介绍了滑模控制在大型望远镜主轴控制系统中的应用，并给出了系统的跟踪效果。
6大型望远镜交流伺服系统设计难点
大型望远镜伺服控制系统主要负责在补偿地球自转的同时克服系统内部和外部扰动，使望远镜达到定点和跟踪的指标要求。如果达到望远镜跟踪精度要求，交流伺服系统的设计存在如下难点:(1)设计专用、高精度、集成化、大功率交流伺服系统驱动控制器。(2)研究简便、操作性强的控制模型辨识方法，将望远镜直流伺服系统的设计思路引入交流伺服的设计中。(3)针对控制系统中的非线性力矩扰动，例如轴系摩擦力矩扰动、电机的齿槽力矩波动和风载力矩扰动，设计有效地控制策略以补偿上述力矩扰动的影响，提高伺服系统的跟踪精度。
7结束语
综上所述，目前国际上在建的大型望远镜大多采用了基于分段弧形永磁同步力矩电机的直接驱动方式，也是国内大口径望远镜驱动形式的未来发展趋势，基于分段弧形永磁同步力矩电机伺服控制系统将成为研究的热点，研究的问题主要集中在以下方面:(1)由于直驱电机采用分段弧形永磁同步力矩电机，如何解决多弧段直线电机同步运行问题，尚需进一步的研究。(2)大型望远镜的俯仰轴通常采用2台永磁同步力矩电机，2台同步电机需要共轴驱动负载，要想实现两台电机的同步运行，我们需要进一步研究此类共轴伺服控制系统的分析和设计方法。(3)当系统出现故障时伺服系统可能出现“飞车”事故，这将对望远镜上的光学系统和科学观测设备造成损坏，因此，需要详细研究大型望远镜驱动电机的“制动”措施和控制系统的安全保护措施。
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作者：邓永停 李洪文 王建立 单位：中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所
