CN103838257A

CN103838257A - 一种望远镜机架控制系统

Info

Publication number: CN103838257A
Application number: CN201310698800.0A
Authority: CN
Inventors: 谭逢富; 秦来安; 何枫; 张巳龙; 侯再红
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Anhui Zhongke Future Technology Co Ltd
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: CN103838257B

Abstract

本发明公开了一种望远镜机架控制系统，运动控制器的信号输入端连接方位轴编码器、俯仰轴编码器，运动控制器的信号输出端控制连接方位轴驱动器、俯仰轴驱动器，方位轴驱动器、俯仰轴驱动器分别控制连接方位轴力矩电机、俯仰轴力矩电机；单片机控制系统包括有单片机，单片机的信号输入端连接有俯仰轴测速电机、方位轴测速电机、俯仰轴限位开关、方位轴限位开关、位置传感器，单片机的信号输出端连接方位轴驱动器电源、俯仰轴驱动器电源、方位轴失电制动器、俯仰轴失电制动器、步进电机驱动器，步进电机驱动器连接步进电机，计算机控制连接运动控制器、单片机。本发明有效防止方位轴和俯仰轴超出运动范围造成故障，确保望远镜安全运行。

Description

一种望远镜机架控制系统

技术领域

本发明涉及控制和电子学领域，尤其是一种望远镜机架控制系统。

背景技术

现有的望远镜系统难以实现对随机运动目标快速跟踪，需要一种望远镜系统具有较快的速度，较大的加速度，及较高的精度，同时保护措施完善，自动化程度高。

发明内容

本发明提供一种望远镜机架控制系统，解决了望远镜系统速度、加速度及精度的要求，同时，设计了多重保护，防止系统失灵，设计了闭环调焦等功能，具体具备以下功能：方位轴伺服控制、俯仰轴伺服控制、限位保护、失速保护、闭环调焦控制等。

本发明采用的技术方案是：

一种望远镜机架控制系统，其特征在于：包括有计算机、伺服控制系统和单片机控制系统，伺服控制系统包括有运动控制器，运动控制器的信号输入端连接方位轴编码器、俯仰轴编码器，运动控制器的信号输出端控制连接方位轴驱动器、俯仰轴驱动器，方位轴驱动器、俯仰轴驱动器分别控制连接方位轴力矩电机、俯仰轴力矩电机；单片机控制系统包括有单片机，单片机的信号输入端连接有俯仰轴测速电机、方位轴测速电机、俯仰轴限位开关、方位轴限位开关、位置传感器，单片机的信号输出端连接方位轴驱动器电源、俯仰轴驱动器电源、方位轴失电制动器、俯仰轴失电制动器、步进电机驱动器，步进电机驱动器连接步进电机，计算机控制连接运动控制器、单片机，计算机还连接上位机。

所述的一种望远镜机架控制系统，其特征在于：所述的上位机采用工业控制计算机。

望远镜机架控制系统包括伺服控制系统和单片机控制系统两个部分。功能如下：

1、伺服控制系统：计算机控制运动控制器，运动控制器分为两路，一路控制方位轴驱动器，方位轴驱动器控制方位轴电机，同时运动控制器通过方位轴编码器获得方位轴的位置及速度信息；另一路控制俯仰轴驱动器，俯仰轴驱动器控制俯仰轴电机，同时运动控制器通过俯仰轴编码器获得俯仰轴的位置及速度信息。

2、单片机控制系统：计算机通过串行通讯口与单片机通讯，单片机控制系统完成以下几部分功能。

（1）控制方位轴和俯仰轴的驱动器电源。

（2）控制方位轴和俯仰轴的失电制动器。

（3）调节望远镜焦距，通过控制步进电机驱动器，进而控制步进电机来调焦，同时通过位置传感器获得当前的焦距位置，构成一个闭环的调焦装置。

（4）读取方位轴和俯仰轴的测速电机电压值，获得方位轴和俯仰轴的运行速度。

（5）读取方位轴和俯仰轴的限位开关状态。

本发明的优点在于：

本发明采用工业控制计算机作为上位机，有较好的扩展性，抗干扰能力强；采用单片机做系统的电源控制、系统保护及调焦控制，具有控制灵活、体积小、抗干扰能力强的特点；采用直流力矩电机直接驱动系统的方位和俯仰轴，刚性好，精度高，噪声小；采用反射式编码器作为速度和位置检测元件，稳定可靠，有足够的精度和分辨率；机架控制系统在方位轴和俯仰轴设有两重限速保护功能，以及两重限位保护功能，防止方位轴和俯仰轴超出运动范围造成故障，确保望远镜安全运行。

附图说明

图1为机架控制系统原理框图。

图2为伺服控制系统原理框图。

具体实施方式

机架控制系统原理框图如图1所示，一种望远镜机架控制系统，包括有计算机2、伺服控制系统和单片机控制系统，伺服控制系统包括有运动控制器3，运动控制器3的信号输入端连接方位轴编码器4、俯仰轴编码器5，运动控制器3的信号输出端控制连接方位轴驱动器6、俯仰轴驱动器7，方位轴驱动器6、俯仰轴驱动器7分别控制连接方位轴力矩电机8、俯仰轴力矩电机9；单片机控制系统包括有单片机10，单片机10的信号输入端连接有俯仰轴测速电机11、方位轴测速电机12、俯仰轴限位开关13、方位轴限位开关14、位置传感器15，单片机10的信号输出端连接方位轴驱动器电源16、俯仰轴驱动器电源17、方位轴失电制动器18、俯仰轴失电制动器19、步进电机驱动器20，步进电机驱动器20连接步进电机21，计算机2控制连接运动控制器、单片机，计算机2还连接上位机1。

上位机1采用工业控制计算机。

本发明的原理及实施例实施过程：

一、方位轴、俯仰轴伺服控制系统

1．基本原理

方位轴和俯仰轴的伺服控制系统的结构相同，伺服控制系统由计算机、运动控制器、驱动器、力矩电机、编码器组成，构成一个包含电流环、速度环、位置环的完整的闭环系统，如图2所示。

计算机根据上位机的控制命令和运动要求（位置指令），对方位轴和俯仰轴的运动轨迹经适当的算法（位置PID调节），发出速度控制命令。速度控制命令的更新频率在几十赫兹到几百赫兹的范围。

运动控制器根据计算机的速度控制命令和编码器的速度反馈，经过PID调节，输出控制电压给驱动器。

驱动器将控制电压变换成PWM信号，经过放大后驱动电机。驱动器内部的电流反馈用来调节负载力矩变化对速度的影响。

2．主要器件的选择

（1）计算机选用工控计算机，Windows XP操作系统，具有多个PCI宽展插槽，具有USB接口、RS232/RS422/RS485接口、LAN网络接口等，完全可以满足控制和通讯的要求。

（2）运动控制器选用美国NI公司的7342两轴运动控制卡，具有16位DAC（±10V）或10位PWM（23.2KHz）输出，差动或单端编码器输入（20MHz带宽），每轴最小采样时间62.5μs。

（3）编码器选用英国RENISHAW公司的钢环反射式光栅编码器，配200细分读数头。方位轴编码器外径为115毫米，分辨率为0.36角秒，精度为1.94角秒。俯仰轴编码器外径为103毫米，分辨率为0.4角秒，精度为2.16角秒。可以满足伺服系统要求的分辨率和精度。

（4）电机选用成都微精电机有限公司（成都906厂）的直流力矩电机。方位轴电机为J340LYX05G，峰值电压60V，力矩180N.m，空载转速60rpm。俯仰轴电机为J160LYX125G，峰值电压60V，力矩50N.m，空载转速80rpm。

二、单片机控制系统

1、单片机控制系统完成以下几部分功能。

（1）控制方位轴和俯仰轴的驱动器电源，在系统正常运行时，为方位轴和俯仰轴伺服系统供电，在关机及紧急情况下断电。

（2）控制方位轴和俯仰轴的失电制动器，在系统正常运行时，方位轴和俯仰轴失电制动器不制动，在关机或紧急情况下制动。

（3）实现望远镜焦距的闭环调节，通过控制步进电机的正转和反转来调焦，电机的转动会使位置传感器位置产生变化，通过读取置传感器的位置获得焦距的位置，构成一个闭环的调焦装置。

（4）方位轴和俯仰轴的转速测量，通过读取方位轴和俯仰轴的测速电机电压值，获得方位轴和俯仰轴的运行速度，该速度主要用于系统的限速功能，防止系统失控。

（5）方位轴和俯仰轴的限位开关状态的读取，限位开关主要用于防止方位轴和俯仰轴转动角度超限。

2、主要器件的选择

单片机选用Microchip公司的dsPIC33FJ32MC304,是一款带DSP功能的高性能单片机，最高40MIPS的工作速度、带12位高精度A/D转换器，外围接口电路丰富。

三、限速保护功能

方位轴和俯仰轴设有两重独立的限速功能。

1、方位轴和俯仰轴的运行速度由运动控制器给出，同时运动控制器通过方位轴和俯仰轴上的编码器可以实时获得方位轴和俯仰轴的运行速度，因此通过软件限制运动控制器的速度输出范围，系统正常运行时可以保证系统的最高运行速度在设定的范围内。当运动控制器限速失控时，将由单片机控制系统来提供失速保护。

2、单片机通过方位轴和俯仰轴上的测速电机可以实时获得方位轴和俯仰轴的运行速度，当单片机检测到速度超过设定的最大允许运行范围时，同时断开电机驱动器和失电制动器的供电，使方位轴和俯仰轴制动。

四、限位保护功能

方位轴和俯仰轴分别设有两重独立的限位功能。

1、方位轴的限位功能：运动控制器通过方位轴上的编码器实时获得方位轴的运行位置，当方位轴运行到接近-360°或+360°时，运动控制器会自动降低运行速度，当到达-361°或+361°时，运动控制器会自动限位；如果运动控制器限位失灵，当到达-365°或+365°时，硬件限位开关将接通，单片机检测到硬件限位开关接通后，同时断开方位轴电机驱动器和方位轴失电制动器的供电，使方位轴制动。

2、俯仰轴的限位功能：运动控制器通过俯仰轴上的编码器实时获得俯仰轴的运行位置，当俯仰轴运行到接近0°或+90°时，运动控制器会自动降低运行速度，当到达-1°或+91°时，运动控制器会自动限位；如果运动控制器限位失灵，当到达-5°或+95°时，硬件限位开关将接通，单片机检测到硬件限位开关接通后，同时断开俯仰轴电机驱动器和俯仰轴失电制动器的供电，使俯仰轴制动。

五、闭环调焦功能

调焦的执行由单片机控制步进电机完成，计算机通过串口将调焦信息发送给单片机。单片机根据这些信息产生对步进电机的控制信号，同时将采样到的位置传感器的位置信息通过串口反馈到计算机，并在计算机上显示当前的焦距位置。调焦分两种模式进行：

1、速度和方向模式，单片机通过串口接受计算机的速度和方向命令，步进电机按照计算机给定的速度方向运行。

2、定位模式，单片机通过串口接受计算机给定的定位位置，单片机控制步进电机到达定位位置后停止调焦。

Claims

1.一种望远镜机架控制系统，其特征在于：包括有计算机、伺服控制系统和单片机控制系统，伺服控制系统包括有运动控制器，运动控制器的信号输入端连接方位轴编码器、俯仰轴编码器，运动控制器的信号输出端控制连接方位轴驱动器、俯仰轴驱动器，方位轴驱动器、俯仰轴驱动器分别控制连接方位轴力矩电机、俯仰轴力矩电机；单片机控制系统包括有单片机，单片机的信号输入端连接有俯仰轴测速电机、方位轴测速电机、俯仰轴限位开关、方位轴限位开关、位置传感器，单片机的信号输出端连接方位轴驱动器电源、俯仰轴驱动器电源、方位轴失电制动器、俯仰轴失电制动器、步进电机驱动器，步进电机驱动器连接步进电机，计算机控制连接运动控制器、单片机，计算机还连接上位机。

2.根据权利要求1所述的一种望远镜机架控制系统，其特征在于：所述的上位机采用工业控制计算机。