一種拼接弧線電機轉子電零點及電角度檢測系統的制作方法

本發明涉及一種電機轉子電零點及電角度位置的檢測系統，具體涉及一種用于大型天文望遠鏡機架驅動所用的拼接弧線電機轉子電零點及其電角度位置的檢測系統。

背景技術：

天文望遠鏡主要用于收集來自天體的暗弱輻射，集光能力體現在能發現更遠更暗弱的目標，而望遠鏡口徑越大，收集光能量的能力就越強。而隨著望遠鏡的口徑越來越大，傳統的機械傳動及驅動方式已不再適應大口徑望遠鏡技術的發展，目前，世界上大型天文望遠鏡機架驅動大都采用拼接直驅電機。

隨著望遠鏡的口徑增大，光學系統的目標分辨精度也隨之提高，與之相匹配的大型天文望遠鏡機架驅動跟蹤精度也必須相應提高等級，同時光學鏡面口徑的增大也將使望遠鏡的機械結構變得更加復雜，旋轉剛度變差、機械慣量增加、材料變形、機械加工裝配誤差和環境擾動等不確定非線性因素增多，這對望遠鏡機架的跟蹤驅動控制方法都提出了嚴峻的挑戰。

近年來歐洲南方天文臺的vlt望遠鏡的方位軸和高度軸都采用拼接直線電機，兩者轉子位置檢測依靠的是海德漢的大直徑的增量鋼帶式光電編碼器及其讀數頭，利用細分卡計數器讀出。西班牙等國制造的gtc望遠鏡采用的是拼接正弦波的線性永磁同步直線電機，方位軸和高度軸的位置檢測也是采用的海德漢的大直徑的鋼帶式光電編碼器era780c，為了獲得優越的低速跟蹤性能，拼接永磁同步直線電機采用2360磁極設計，鋼帶式光電編碼器的總長度高達48.48米，無縫拼接一個直徑為15.4米的光柵編碼器，苛刻的加工安裝條件給設計、加工安裝帶來了很多困難。因此一開始安裝編碼器的時候編碼器槽不合格，導致無法實現無縫對接，又重新加工了安裝槽，重新安裝后利用讀數頭和細分盒讀出電機的轉子位置。

國際上應用直接驅動的例子基本借鑒vlt的技術經驗，因此技術上大同小異，目前國際上在研的tmt也計劃使用直接驅動方式，同樣拼接電機的轉子電零點都是由大直徑的鋼帶式光電編碼器中的參考標志讀出。這給望遠鏡的機架加工帶來很大的困難和風險，如果選用低速、多極拼接弧線（直線）電機設計，鋼帶式光電編碼器選取不合適，編碼器的長度過長，編碼器的加工精度要求就增高，很可能像gtc望遠鏡一樣需要重新加工、安裝鋼帶式光電編碼器，給望遠鏡機架的總裝、運行帶來很大的風險。

目前我們用于大型天文望遠鏡的拼接電機尚處于起步階段，而根據國際上使用的拼接電機實現的直接驅動的先例知道，轉子的電零點的檢測和轉子位置檢測是實現拼接電機驅動控制的關鍵，是大型天文望遠鏡拼接弧線電機驅動編程、計算的重要參數，是構建驅動控制系統中電流環和速度環重要保證。因此，有必要設計一種用于大型天文望遠鏡拼接弧線電機轉子電零點和轉子電角度檢測的電路和實現方法。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種大型天文望遠鏡拼接弧線電機轉子電零點及電角度檢測系統。

實現本發明的技術方案是：

一種拼接弧線電機轉子電零點及電角度檢測系統，拼接弧線電機上安裝有大直徑鋼帶式光電編碼器，所述檢測系統包括：

拼接弧線電機電樞磁路上安裝的線性霍爾傳感器和開關霍爾傳感器；

與線性霍爾傳感器輸出端連接的高速雙比較器，用于對線性霍爾傳感器輸出信號進行阻抗變換，并將經阻抗變換的信號與參考電壓信號比較以檢測出n、s磁極之間的兩個轉子電零點信號z1、z2；經高速雙比較器進行阻抗變換可以提高信號的抗干擾能力；

與高速雙比較器輸出端和開關霍爾傳感器輸出端連接的與門電路，用于處理輸入的兩個轉子零點信號z1、z2和開關霍爾傳感器的輸出信號，輸出一個轉子電零點信號z；

與與門電路輸出端連接的長線驅動器；

與鋼帶式光電編碼器輸出端連接的細分電路；

與長線驅動器輸出端和細分電路輸出端連接的差分接收器，用于將輸入的差分信號轉換為單端信號；

與差分接收器輸出端連接的光電耦合電路；

與光電耦合電路輸出端連接的dsp數字信號處理器，用于根據輸入信號計算拼接弧線電機的轉子電角度位置。

線性霍爾傳感器的輸出信號輸入兩個高速電壓比較器的同相、反相輸入端，兩個比較器的參考電壓的幅值根據所選取的大直徑鋼帶式光電編碼器的線數來決定，經高速雙比較器后輸出n、s磁極之間的兩個電零點信號z1和z2，輸出的兩個電零點信號和開關霍爾傳感器的輸出信號經與門電路處理，確保在轉子每對n、s磁極之間只輸出一個電零點信號z。

本發明中兩種霍爾信號經與門電路處理，從而保證每對磁極輸出電零點信號的唯一性；每對磁極只輸出一個電零點信號z，將該電零點信號z利用長線驅動器與鋼帶式光電編碼器經細分后的a、b信號一起當作編碼器的a、b、z信號使用，經差分接收器轉換為單端信號后進行光耦隔離，隔離后的信號送給dsp數字信號處理器處理，根據所述的電零點信號z與鋼帶式光電編碼器經細分電路輸出的a、b信號一起計算出轉子的電角度位置信息。

本發明的有益效果是：對于大型天文望遠鏡機架系統來說，通過這種方法，可以比較方便地利用現有的dsp數字信號處理器的a、b、z通道，檢測到拼接弧線電機的每一對磁極的變極點，作為多極弧線電機的電零點，每對極檢測一次電零點并計算電角度，簡化了速度環的計算，解決了大型天文望遠鏡拼接弧線電機上大直徑鋼帶式光電編碼器的參考標志位與拼接弧線電機的轉子電角度一一對應的設計難題，降低了大直徑鋼帶式光電編碼器的安裝要求和難度。

任意尺寸的拼接弧線電機的轉子都可以利用本發明找到每對磁極的電零點，配合任意線數的高精度鋼帶式光電編碼器無隙拼接的光電編碼器都可以找到每對轉子磁極所對應的電角度，從而實現望遠鏡超低速大轉矩運行。

該系統能夠檢測大型天文望遠鏡所用拼接弧線電機的轉子電零點及電角度，從而更容易實現大型天文望遠鏡的機架結構、拼接弧線電機設計和加工，鋼帶式光電編碼器的選擇和安裝，簡化拼接弧線電機驅動器的編程，提高控制系統的跟蹤精度。

附圖說明

圖1是本發明系統硬件結構框圖。

圖2是線性霍爾傳感器與開關霍爾傳感器檢測轉子零點電路圖。

圖3是開關霍爾和線性霍爾輸出電角度信號波形圖。

圖4是開關霍爾傳感器與雙比較器輸出信號關系及與門電路輸出信號圖。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，本發明的檢測系統包括線性霍爾傳感器、開關霍爾傳感器、濾波電路、高速雙比較器、與門電路、長線驅動器、鋼帶式光電編碼器、細分電路、差分接收器、光電耦合電路和dsp數字信號處理器。

線性霍爾傳感器和開關霍爾傳感器安裝在拼接弧線電機電樞磁路上，線性霍爾傳感器和開關霍爾傳感器輸出的電角度信號關系如圖3的波形圖所示；鋼帶式光電編碼器為大直徑鋼帶式光電編碼器，安裝在拼接弧線電機上。線性霍爾傳感器經濾波電路濾波后，連接至高速雙比較器，高速雙比較器對線性霍爾傳感器輸出信號進行阻抗變換，并將經阻抗變換后的線性霍爾信號與參考電壓信號比較，檢測出n極和s極之間的電零點信號z1和z2；雙比較器輸出端和開關霍爾傳感器輸出端連接與門電路，與門電路處理輸入的轉子零點信號z1、z2和開關霍爾傳感器的輸出信號，輸出一個電零點信號z，其中，開關霍爾傳感器與雙比較器輸出信號關系，以及與門電路輸出的電零點信號z如圖4所示；將該電零點信號z利用長線驅動器與鋼帶式光電編碼器經細分后的a、b信號一起當作光電編碼器的a、b、z信號使用，經差分接收器轉換為單端信號后經光耦隔離電路進行光耦隔離，隔離后的信號送給dsp數字信號處理器處理，根據所述的電零點信號z與鋼帶式光電編碼器經細分電路輸出的a、b信號一起計算出轉子的電角度位置信息。

線性霍爾傳感器的輸出信號輸入兩個高速電壓比較器的同相、反相輸入端，兩個比較器的參考電壓的幅值根據所選取的大直徑鋼帶式光電編碼器的線數來決定，經高速雙比較器后輸出n、s磁極之間的電零點信號z1和z2，在此選取的比較電壓是線性霍爾傳感器在0高斯附近的值，從而檢測出相鄰兩個磁極的電零點。輸出的電零點信號經與門電路處理，確保在轉子每對n、s磁極之間只輸出一個電零點信號z。兩種霍爾信號經與門電路處理，從而保證每對磁極輸出電零點信號的唯一性；每對磁極只輸出一個電零點信號z，具體如圖2所示。

本發明的系統優選用于鋼帶式光電編碼器為大直徑、多線數的鋼帶式光電編碼器，拼接弧線電機是大力矩，多對極，超低速運行的直接驅動電機。本實施例中的拼接弧線電機是自主研制的200對極的拼接弧線電機，是單元組合式的，鋼帶式光電編碼器為直徑為1146.1mm的大直徑鋼帶式光電編碼器，鋼帶式光電編碼器是海德漢的90000線的era780c，線性霍爾傳感器是高靈敏度的wsh201，5伏電壓供電時靈敏度為20mv/gs，長線驅動器選用mc3487驅動器，差分接收器選用mc3486接收器。用于檢測轉子n、s磁極的開關霍爾傳感器與線性霍爾傳感器安裝時保證一對磁極輸出一個電零點信號即可，兩者由同一電源供電。