大型拼接式弧線電機轉子精確位置檢測系統及其檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種拼接式弧線電機轉子磁極精確位置檢測，具體涉及一種用于大型 天文望遠鏡機架驅動所用的拼接式弧線永磁同步電機轉子磁極位置檢測系統；本發明還涉 及這種轉子磁極位置檢測系統的檢測方法。本發明為國家自然科學基金項目11303065資 助。
【背景技術】
[0002] 隨著望遠鏡口徑的增加，望遠鏡本體的體積、自重也持續增加，望遠鏡的靜阻力 矩、動態慣性矩隨著望遠鏡的口徑增大呈四次方關系增加、非線性的風阻力矩也成為不能 忽略突加負載，與一般電機負載特點不同，大型天文望遠鏡的直接驅動負載具有靜態負載 力矩大、有規律變化的動態力矩和無規律的負載變化力矩大等特點，給實時控制大型天文 望遠鏡并具有良好的動態性能的超低速高精度運行帶來很大的困難。世界上越來越多的大 型天文望遠鏡都開始采用拼接式電機直接驅動技術驅動機架，以增加電機驅動電磁力矩、 增強控制系統帶寬、簡化結構，從而提高望遠鏡的跟蹤精度。目前國際上大型望遠鏡成功 采用拼接式電機進行直接驅動的大型光學望遠鏡主要有歐南臺的甚大望遠鏡（VeryLarge Telescope，縮寫為VLT)，日本的星團Subaru望遠鏡和西班牙等國的加那利大型望遠 鏡（GranTelescopioCanarias，縮寫為GTC)。國際上在研的大型光學望遠鏡TMT也都計 劃采用該技術，世界上迄今為止規模最大的阿塔卡瑪大型毫米波天線陣(AtacamaLarge Millimeter/sub-millimeterArray，縮寫為ALMA)也采用的是拼接式電機直接驅動技術。 這些大口徑望遠鏡的驅動電機都采用圓盤型拼接直線電機完成直接驅動，VLT是最先使用 拼接式直線電機進行直接驅動的望遠鏡，很多拼接式直接驅動的望遠鏡都借鑒它的技術， ALMA是借鑒該技術的射電干涉陣望遠鏡，而GTC也是采用正弦波的線性永磁同步電機。從 同步電機的運行原理可以看出，普通高速旋轉的同步電機的磁極較少，通常采用混合式光 電編碼器，編碼器具有A、B、Z信號和與轉子磁極相對應的"絕對編碼器"的碼道，獲得了確 切的轉子(磁極）的位置，運行矢量控制，在相應位置時，給定子施加幅值、相位合適的三相 電流，使電機能夠像直流電機一樣進行調速、完成電機的精確位置跟蹤和控制。但直接驅動 大型天文望遠鏡時，需要采用拼接式直接驅動電機，以增大力矩輸出，減少裝配工作量，同 時需要滿足望遠鏡轉速低、力矩波動小的要求，需要采用幾百、幾千對磁極的轉子設計來完 成。拼接式直接驅動電機的直徑達到10~30米之多，沒有相適應的的混合式編碼器可以 選用，由于工藝和材料的制約，光電編碼器公司也無法按常規的方法制作成拼接式弧線驅 動電機專用的混合式光電編碼器。
【發明內容】
[0003]本發明將提供一種用于大型天文望遠鏡拼接式弧線電機轉子位置檢測系統。為滿 足大型天文望遠鏡精密跟蹤運行時拼接式弧線電機的正常工作，實時檢測弧線電機轉子精 確磁極位置是實現拼接式弧線永磁同步電機的矢量控制技術的關鍵。
[0004] 本發明解決其技術問題所采用的方案是：一種用于大型天文望遠鏡拼接式弧線 電機轉子位置檢測系統(也可稱為：用于大型天文望遠鏡機架驅動所用的拼接式弧線永磁 同步電機驅動的轉子磁極位置檢測系統)，大型天文望遠鏡的驅動電機采用拼接式弧線電 機，在該拼接式弧線電機轉子上設有光電編碼器，其特征在于，所述的光電編碼器是采用有 多個參考點的增量式光電編碼器；多個參考點的增量式光電編碼器的輸出，經光電耦合隔 離后，用長線驅動器對信號功率緩沖，經變換后把轉子位置信號送往DSP相關接口。
[0005] 所述的有多個參考點的增量式光電編碼器是商用的高分辨率編碼器，是增量式編 碼器的尚等級廣品； 增量式編碼器是一種光電位置(速度）檢測傳感器，通常增量式光電編碼器有A、B、R三 個增量信號，A、B信號主要用于測量全圓周范圍內的增量位置，它通過"計數器"電子測量 電路來實現位置計數的(現在也常采用單片機、DSP器件和工業計算機來完成這一工作)。 通過位置計數可以實現所測量對象的圓周位置的具體位置，但不能測量的對象一共旋轉了 多少圈，這個功能是由編碼器的R"零線"碼輔以計數器來完成整周數的計數。高分辨率編 碼器為了提高位置分辨率，除了采用精細的光學刻度外，還普遍采用電子細分技術來提高 測量的分辨能力，這種細分技術的分辨率雖然較高但不能如光學細分那樣具有較好的位置 同一性，在瞬時位置變化時，有時會產生位置的誤差，小型光電編碼器因為安裝在小型設備 中，可以比較快的采用R線了進行修正。高分辨率編碼器經常使用在轉速相對較慢的大型 儀器設備上，采用1/R的形式可能在相當多的位置區域都會產生位置累計誤差。因此近年 來一些編碼器公司推出了具有多個"零"線(參考點）的商用編碼器，它可以在比較小的位置 范圍上使這種位置計數的累計誤差獲得精確的修正。
[0006] 所述的應用在拼接式弧線電機上的編碼器，兼有"絕對位置"和相對位置的"混合 式"的專用編碼器，目前編碼器公司能夠提供的是一種設有多個參考點的高分辨率編碼器， 根據編碼器的刻線數不同具有不同個數的"參考點"。由于電機設計的轉子磁極配置、定子 繞組的連接方式、矢量控制要多個單元電機的拼接位置等原因，所述的設有多個參考點的 編碼器的參考點位置數與并不一定就是與矢量計算的位置數，參考點的位置也不是轉子磁 極位置值。因此，必須解決大型拼接式弧線電機轉子精確位置檢測系統及其檢測方法，它是 大型天文望遠鏡拼接式弧線電機驅動控制必須解決的關鍵技術之一。
[0007] 本發明的進一步改進，有以下優化方案： 1、 所述的有多個參考點的增量式光電編碼器是采用與轉軸同軸系安裝的、整圓的、帶 多個參考點的光電編碼器； 2、 所述的編碼器信號處理是采用硬件抗干擾和數字濾波后的編碼器信號通過長線驅 動器功率緩沖處理信號； 3、 在所述的拼接式弧線電機的轉子磁極位置是由DSP器件中的"計數器單元"來完成 計算的。根據光電編碼器的參考點中相鄰兩個點的脈沖個數計算當前參考點，根據當前參 考點的位置值及dsp中的"計數器單元"的計數值的值計算出弧線電機當前轉子磁極的精 確位置。
[0008] 4、在所述光電編碼器與DSP相關接口之間，還設有正弦信號細分，光電編碼器輸 出正弦信號，由商用光電編碼器提供的專用細分器處理成A、B、R三路脈沖信號，其中A、B信 號相差90 °，R就是所選光電編碼器的參考點信號。
[0009]5、所述的拼接式弧線電機是大直徑、多極的拼接式弧線永磁同步電機。
[0010] 換言之，本發明電機轉子磁極位置檢測的系統是利用DSP位置計算接口，選用有 多個參考點的增量式光電編碼器，經信號處理和計算，應用矢量控制方法，給電機定子施以 與轉子磁極位置相適應的三相電流，使大型天文望遠鏡拼接式弧線驅動電機可以正常工作 和運行。
[0011] 完成本申請第2個發明任務的技術方案是，上述用于大型天文望遠鏡拼接式弧線 電機驅動的轉子位置檢測系統的檢測方法，其特征在于，步驟如下： ⑴.大型天文望遠鏡拼接式弧線驅動電機的轉子上設有多個參考點的光電編碼器，光 電編碼器經細分后輸出A、B、R三組信號，并進行濾波處理； ⑵.濾波處理后的信號經光電耦合隔離后，用長線驅動器對信號功率緩沖；應對編碼 器輸出信號電平和DSP器件的外加電壓不同需要進行信號的電平轉換； (3) .轉子位置經光電編碼器并進行變換后的信號送往DSP信號處理接口； (4) .DSP的"計數器單元"把從編碼器中讀出的參考點相