Document 2739316

Раздел V. Мехатронные и робототехнические системы
В.П. Романенко, С.Ф.Бондарь
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ПРИВОД КУПОЛА
1-МЕТРОВОГО ТЕЛЕСКОПА
В 70-е годы ХХ в. появился ряд телескопов, в конструкции которых отсутствует традиционная башня с куполом, защищающая астрономический инструмент
от внешних воздействий [1,2]. В этом есть определенный смысл – отсутствуют
турбулентности и воздушные потоки подкупольного пространства, которые искажают изображения небесных объектов. Однако при этом возникают серьезные
трудности в эксплуатации – атмосферные осадки, ветер и пыль могут серьезно
повредить и сам телескоп, и установленное на нем астрофизическое оборудование.
Поэтому, как правило, и в настоящее время телескопы (во всяком случае, большая
часть телескопов умеренных размеров) устанавливаются в павильонах, закрытых
сферическими куполами, имеющими проем, который открывается на время наблюдений [3]. Так же построен и 1-метровый телескоп – второй по величине инструмент Специальной астрофизической обсерватории РАН. В то же время купольная конструкция требует постоянного синхронного движения купола вместе
с телескопом во время наблюдений, для того чтобы труба телескопа всегда была
направлена в этот проём.
Автоматическое управление куполом особенно важно при выполнении астрофизических наблюдений. Например, при поляриметрии, когда происходят частые перенаведения не только с одного объекта на другой, но и между объектами,
точками фона и фотометрическими стандартами [4], на ручное перемещение купола уходит излишне много времени. При этом снижается КПД телескопа, возникает возможность случайного виньетирования главного зеркала, что может привести к уменьшению светового потока и искажению результатов наблюдений.
Поэтому разработка системы автоматической синхронизации купола является
важной составляющей автоматизации астрофизических наблюдений.
Необходимая точность работы привода
При диаметре зеркала D = 1 м ширина проема A купола 1-метрового телескопа САО составляет 2 метра. Такой запас не случаен – дело в том, что ось трубы
телескопа при английской монтировке сдвинута относительно часовой оси на величину p =1,58 метра [4], и при наблюдениях возникает параллакс, от того что
труба смотрит в проём купола под некоторым углом γ , величина которого зависит
от часового угла Т и склонения δ (рис. 1).
Угол параллакса, при котором может возникнуть виньетирование –
γ max 5 arc cos D 4 A = arc cos 1/2 5608.
C другой стороны, измерения, проведённые на куполе телескопа, показали,
что реальный угол параллакса трубы телескопа и проема купола (при положении
трубы «горизонт») не может превышать γ < 338. Другими словами, возможный
угол параллакса γ значительно меньше, чем предельно допустимый  γ max. При
этом наименьшая величина проекции ширины щели купола на плоскость зеркала
A` = Axcos 338 = 1,66 м.
Таким образом, линейная величина допуска на точность положения забрала
относительно оси трубы телескопа составляет
ΔA = 0,5 (A`- D) = 60,33 м.
(1)
161
Раздел V. Мехатронные и робототехнические системы
А=2м
Р = 1,58 м
γ 5 33 8
D=1м
S
α
А – ширина люка (щели купола)
D – входной диаметр трубы
телескопа
P – линейный параллакс трубы телескопа
γ – угол параллакса трубы
телескопа относительно
щели купола
N
Рис. 1. Максимально возможный угол параллакса трубы телескопа относительно
щели купола γ ; сплошные линии – труба в положении «горизонт», прерывистые –
в рабочем положении под углом γ 1
Однако такой допуск следует считать предельно допустимым, так как именно
на краях забрала и вблизи от них формируются градиенты температур и воздушные турбулентности, которые заметно ухудшают изображение объекта, если световой поток от него проходит через зоны (1). Поэтому для эффективной работы
всего комплекса необходимо уменьшить величину ΔA минимум в три раза и определить ее равной 60,1 м. При этом допустим и дискретный режим подслеживания,
когда коррекция положения купола происходит при накоплении предельно допустимой величины ΔA.
Рассмотрение вариантов решения задачи
Основная трудность решения задачи синхронизации движения купола и трубы телескопа состоит в том, что они управляются в разных системах координат:
телескоп наводится в экваториальных небесных координатах, а купол вращается
только по азимуту, т.е. вокруг вертикальной оси. Поэтому согласование этих движений не может производиться с помощью одних и тех же средств контроля и
управления. Можно предложить следующие методы решения задачи.
Установка ЦСП (цифрового следящего привода). На редукторе купола устанавливается цифровой отсчетный датчик азимута, который работает в контуре
цифрового следящего привода. Компьютер управления телескопа выдает на
управляющее приводом устройство сигнал рассогласования по азимуту между
телескопом и куполом, соответствующий величине и направлению ошибки. Преимуществом такой системы является возможность точного и однозначного контроля положения купола. Недостатками данного метода управления являются
сложность изготовления редуктора для датчика, необходимость прокладки допол-
162
Раздел V. Мехатронные и робототехнические системы
нительных линий связи и невозможность синхронизированного движения купола
и телескопа без работы управляющего компьютера.
Передача временных корректирующих импульсов. Перед началом наблюдений производится согласование положения купола и телескопа в ручном режиме.
Далее управляющий компьютер выдаёт сигналы управления в управляющее устройство всякий раз, когда азимутальное положение телескопа изменяется на 1,58,
что соответствует линейной ошибке положения купола ~ 0,1 м. Учитывая, что скорость движения купола постоянна и составляет ~ 208/мин (0,38 /сек), для компенсации ошибки производится включение привода купола на 5 с. Кроме необходимости постоянной работы компьютера, упомянутой ранее, главным недостатком
метода является отсутствие обратной связи между куполом и РС, что приводит со
временем к накоплению существенной ошибки рассогласования и необходимости
ручной коррекции.
Электрофизический метод. На куполе симметрично относительно проема
слева и справа устанавливаются две антенны, на которые подаются переменные
напряжения в квадратуре, т.е. Usin ϖt и Ucos ϖt. При этом в подкупольном пространстве создается переменное электрическое поле частотой ϖt. Поскольку при
сложении квадратурных сигналов фаза суммы зависит от соотношения амплитуд,
то очевидно, что существует геометрическое место точек, где фаза суммарного
сигнала равна π/4. Это плоскость, проходящая через середину проема.
При помощи приемной антенны, установленной в центре верхнего кольца
трубы телескопа потенциал электрического поля передается в анализирующее
устройство, которое определяет отклонение фазы принятого сигнала от π/4 и выдаёт на привод купола управляющее напряжение, пропорциональное ошибке рассогласования. Как только эта ошибка превышает установленный допуск, привод
отрабатывает ее до тех пор, пока она не станет меньше установленного порога.
Движение купола при этом будет прерывистым.
Из всех возможных вариантов наиболее удачным является электрофизический метод по следующим причинам.
1. Метод не требует применения компьютера.
2. Не требуется прокладка дополнительных информационных кабельных линий.
3. Метод позволяет использовать имеющиеся троллейные линии купола и
резервные проводные линии внутри телескопа.
4. Отпадает необходимость установки цифрового датчика обратной связи, а
также нового программного обеспечения и его адаптации к основной
программе управления телескопом.
Именно этот метод и был выбран для решения задачи автоматического согласования купола и телескопа.
Структурная схема и размещение аппаратуры системы синхронизации купола
На рис.2 приведена эквивалентная электрическая схема определения положения купола относительно трубы телескопа. Шины, на которые подаются переменные электрические потенциалы, сдвинутые по фазе относительно друг друга на
π/2, обозначены как С1 и С2, приемная антенна – символом А. Элементы С1, С2 и
А составляют своеобразный дифференциальный конденсатор. Частота U1 и U2
достаточно мала – всего 7 кГц, поэтому для дальнейшего анализа и расчетов вполне возможно допустить следующее:
− рассматривать излучающие шины как бесконечно тонкие проводники,
− U1 и U2 считать одновременно изменяющимися по всей длине проводников,
− считать Z1 и Z2 много больше R – входного сопротивления приемника.
163
Раздел V. Мехатронные и робототехнические системы
Тогда из приведённой схемы следует, что UΣ= U1+U2, где U1(t) = U1sin ϖt,
U2(t) = U2сos ϖt.
Рис.2. Эквивалентная электрическая схема контроля положения купола относительно трубы телескопа и векторная диаграмма напряжений на излучателях и
приемной антенне
Графически UΣ можно представить в виде некоторого вектора, который является суммой двух ортогональных векторов U1 и U2. где
U Σ = U1 sinϖt + U 2 cosϖt =
U 12 + U 22 ⋅ sin (ϖt + ϕ ) , ω = arc tg U2 / U1.
В случае, если величины U1(t) и U2(t) равны, то tg ϕ =1, т.е. фаза принятого
сигнала составляет π/4, и анализирующее устройство выдает нулевой сигнал
ошибки положения. Если же tg ϕ больше или меньше 1, соответственно выдается
сигнал к движению купола (а, значит, и излучателей) так, чтобы фаза принятого
сигнала стала равной π/4.
На рис. 3 дана структурная схема устройства синхронизации положения купола. С генератора опорного напряжения ГОН на излучатели С1 и С2 подаются
сдвинутые по фазе на 908 синусоидальные напряжения амплитудой в 300 В и частотой 7 кГц. С приемной антенны А сигнал подается на усилитель, затем на полосовой фильтр ПФ, после чего попадает на усилитель-ограничитель УО. В результате на выходе УО получаются прямоугольные импульсы, фаза которых несет информацию о величине рассогласования положения купола и телескопа. Эти импульсы обрабатываются фазовым детектором ФД, где в качестве опорного используется напряжение с ГОН, сдвинутое по фазе на π/4. На выходе интегрирующего
элемента Ie формируется сигнал ошибки положения купола. Ограничитель напряжения ОН задает размер зоны нечувствительности устройства (допуск на
ошибку положения проема купола). Двигатель, охваченный отрицательной обратной связью по скорости через тахогенератор ТГ, в свою очередь, поворачивает
купол вслед за телескопом до компенсации ошибки рассогласования в пределы
допуска, т.е. устанавливает купол в положение, когда приемная антенна А (а значит и ось трубы телескопа) равноудалена от излучателей.
Конструктивно анализирующее устройство выполнено в виде двух небольших блоков, закрепленных на стене подкупольного зала. Напряжение ГОН подается на излучатели через троллеи. Эти излучатели закреплены вдоль противоположных сторон проема купола (рис.4).
164
Раздел V. Мехатронные и робототехнические системы
ГОН – генератор опорного напряжения; ПФ – полосовой фильтр; УО – усилитель-ограничитель; ФД – фазовый детектор; ОН – ограничитель напряжения.
Рис.3. Структурная схема устройства синхронизации и контроля положения купола 1-метрового телескопа
1 – двигатель и редуктор вращения купола;
2 – круговая зубчатая рейка купола;
3 – шестерня привода купола;
4 – излучающая антенна SIN;
5 – приемная антенна;
6 – антенна COS;
7 – труба телескопа;
8 – троллейное устройство;
9 – устройство синхронизации и
контроля;
10 – блок питания.
Рис.4: Размещение элементов системы управления куполом
Движение телескопа в режиме часового ведения вокруг часовой оси происходит довольно медленно – со скоростью ~ 1 оборот в сутки. Сопровождать такое
медленное движение нет практической необходимости. Это становится очевидным, если провести анализ некоторых динамических характеристик привода купола.
165
Раздел V. Мехатронные и робототехнические системы
Для обеспечения движения с такой скоростью массивного купола (масса купола – около 10 тонн) при помощи маломощного двигателя постоянного тока (300
вт) применяется понижающий редуктор. Шестерня на выходном валу редуктора
сцеплена с круговой зубчатой рейкой, установленной на нижней кромке купола.
Общее передаточное отношение составляет 1/12500 [4]. Определим время разгона
приводного двигателя купола до номинальной скорости (1200 об/мин). Учитывая
массивность конструкции купола и то, что он движется на катках по кольцевым
рельсам, наиболее удобно применить методику, изложенную в [5]. В соответствии
с [5], значение приведенного к валу двигателя махового момента Gd2 равно
Gd2 = [ 0, 5 Qk(dв2 + dн2)]/ i2 = 0,0049 кГм2,
где Qk – масса купола в кГ, dв и dн – соответственно внутренний и наружный диаметры купола по опорному кольцу, i – полное передаточное отношение редуктора .
Номинальный момент двигателя Мн определяем из соотношения
P
M н = 975 н = 0,24 кГм ,
n
где Рн – номинальная мощность, n – номинальное число оборотов вала двигателя.
Исходя из этих величин и в соответствии с методикой, изложенной в (5), время
разгона купола до номинальной скорости tразг. будет равно
G 2n
t разг = d
⋅ tпо ,
375Mн
где tпо – относительное время пуска, которое для двигателя постоянного тока с
последовательным возбуждением и пусковом токе 1,5 А равно ~ 5. После подстановки в формулу необходимых значений получаем tразг = 0,32 с, поэтому при
дальнейших расчетах эту величину можно не учитывать. При заданных скорости
вращения двигателя, передаточном отношении и диаметре купола номинальная
линейная скорость внутренней поверхности купола составляет 0,04 м/с. Следовательно, для отработки автоматизированным приводом максимально допустимого
рассогласования ΔA = 60,33м достаточно 8,25 с времени, что многократно меньше,
чем время прохождения этого же расстояния верхней частью трубы телескопа в
режиме ведения [6] .
Длительная эксплуатация автоматизированного привода купола показала, что
линейная ошибка положения забрала соответствует требованиям астрофизических
наблюдений, а само устройство надежно в эксплуатации и практически не требует
обслуживания.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Современные телескопы / Под ред. Дж. Бербиджа и А.Хьюит. М.: Мир, 1984.
Оптические и инфракрасные телескопы 90-х годов / Под ред. А. Хьюит М.: Мир, 1983.
Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.: Наука, 1976.
Bychkov V.D., Romanenko V.P., Byckova L.V. Study of Instrumental Polarization at the Coude
Focus of SAO 1-m Telescope // Bull. Of the Special Astrophisical Observatory. V.45.
Расчеты крановых механизмов и их деталей. ВНИИПТМАШ,1971.
Романенко В.П. Система управления 1-метрового телескопа САО РАН – результаты
модернизации и опыт эксплуатации. Препринт САО РАН. № 136 Т, 1999.
166