极大望远镜机架驱动系统的控制策略

　　1引言

　　大型光学望远镜的跟踪性能直接影响最终成像的质量。对于单个望远镜，增强集光能力直接要求增大口径，口径增大使得望远镜的体积和重量急剧增加。超大惯量对于摩擦驱动来说，将易于导致摩擦传动面的滑移现象。另外，一般而言，望远镜的跟踪是超低速的变速运动，在系统低速运行时，非线性摩擦转矩将主导系统的动态过程，容易引起系统跟踪时的速度抖动和爬行现象。口径的不断增大将给望远镜带来更强的非线性干扰，从而对机架驱动伺服系统的设计和调试提出了严峻的挑战。控制策略

　　1.1 驱动控制系统构成

　　以地平式望远镜为例，简化的驱动控制系统结构如图1-1所示。其中，速度检测的主要设备是测速发电机，位置检测大多采用高精度光电码盘。为了提高码盘的刻线精度，需要更大的直径的带式码盘，这种码盘备有电子细分器，极大地提高了分辨率。

　　1.2 大型望远镜的驱动方式

　　当今大型天文望远镜一般采用直接驱动和摩擦驱动方式。直接驱动方式下，转子为固定在转轴上的环状磁体，定子为均匀分布在磁体上的多个线圈绕组。当线圈绕组通电后，会产生沿磁体环面的切向力推动磁体转动。这种驱动方式去掉了机械传动机构，消除了中间传动机构的影响，能获得较高的驱动精度，VLT 望远镜的高度和方位均采用了该方式。

　　摩擦传动的原理如图1-2 所示。加力机构将与电机联接的主动轮压紧在大摩擦轮上。摩擦驱动能获得几十倍的减速比，可以使用较小功率的电机，降低了制造成本，因而更有优势。

　　1.3 驱动控制系统中的主要非线性干扰

　　非线性干扰主要表现为不连续性或随机变化的特点，容易造成驱动系统超低速运行中的速度抖动和爬行现象，从而降低望远镜的观测性能。

　　1.3.1 风扰

　　当代大型望远镜的体积庞大，通常需要座落在视宁度较好但风力较大的山顶或海边，因而风载成为主要干扰之一。风载由平均风速和脉动风速引起的载荷组成。而脉动风速呈非线性特性，是一个随时间而随机变化的量，其作用在望远镜上，势必产生随机的波动转矩。另一方面，脉动风流经高度轴上承载的大型镜面时会产生非定常的气动升力，在这种非定常升力作用下，大型的望远镜镜面将产生法线方向的振动，同样也会引起转矩波动。波动转矩类似于驱动电机的力矩波动对驱动控制系统的影响，将造成驱动系统的抖动或爬行现象。

　　1.3.3 摩擦阻力转矩

　　大望远镜所受摩擦阻力也是非线性的。望远镜从静止到刚刚启动时受到的摩擦转矩较大，转动后由于 Stribeck 效应，摩擦转矩在一定的范围内随角速度非线性递减。其作用过程表现为[7]：在初始点，对于 PID 等常规控制方法来说，由于转动时的摩擦转矩总比静摩擦转矩小，当望远镜驱动系统的转轴从静止状态开始转动时，系统必须有较大的失调角，才能产生足够大的控制信号，从而使得驱动电机输出较大的转矩以克服静摩擦力矩的作用。当系统的转轴开始转动后，静摩擦变为动摩擦，由于摩擦阻力的 Stribeck 效应，使得作用在转轴上的摩擦转矩突然下降。在转轴的惯性作用下，望远镜驱动控制系统将产生一个角加速度运动，迅速减小了失调角，对应的控制信号减弱，从而使得电机输出的转矩下降，于是系统开始了减速过程。由于给定的运行速度本身非常低，速度在持续减小的过程中，一旦越过Stribeck 临界速度，摩擦转矩将会逐渐增大，因此，作用在转轴上的总转矩进一步地减小，甚至为负，迫使望远镜驱动系统停止转动。如此同时，控制信号仍在给出，而此时的系统输出因停转而变为零，于是系统的失调角越来越大。随着失调角的增大，电机输出的转矩也不断增大，当电机转矩超过静摩擦转矩后，系统又开始了新一轮的转动，过程与前一次相同。正是由于这种过程的不断重复，使得望远镜驱动系统时转时停，从而表现出抖动或爬行现象。