全世界最大望遠鏡的驅動技術

歐洲南方天文台(ESO)的歐洲極大望遠鏡(簡稱ELT)将配置一塊直徑39米、集光面積約1000平方米的拼接主反射鏡。該望遠鏡是用于對可見光和近紅外波長範圍的電磁輻射進行科學研究的最大望遠鏡。其将于2024年在位于智利阿塔卡馬沙漠的3046米高賽羅亞馬遜山山頂投入使用,該望遠鏡最重要的任務之一是幫助我們更深入地了解外星行星,即太陽系以外的行星。 

項目要求

主反射鏡由798塊鏡片組成,每個鏡片的直徑為1.40米。與人類肉眼相比,這些鏡片總共可收集數以千萬的光并能夠将這些光通過光學器件進一步傳遞給科學儀器。為補償最佳光路偏差從而避免産生成像誤差,鏡面單元之間必須精确地對齊。最佳光路偏差可能由望遠鏡筒變形等引起,導緻望遠鏡筒變形的原因有重力、熱效應或風壓等因素。

每個鏡片通過三個驅動器進行定位。項目要求達到了技術的極限:最大10毫米的相對較長行程,位置和路徑精确度高于2納米,這些都是在研發促動器時需要解決的難題。在觀測期間追蹤一個目标通常需要每秒幾納米到+/- 0.45微米/秒的移動速度。平均位置偏移量不能超過2納米。如果望遠鏡對準的是一個不同目标,所需移動速度高達+/- 100微米/秒。而這需要移動相當大的重量:每個鏡片重達250千克。

由于望遠鏡位置不同,每個單獨的驅動器必須移動或承載介于463牛牽引力、1050牛推力之間的負載。風或地震會使這些負荷大大超出,但驅動器并不會處于激活運行狀态。此外,對該系統在使用壽命上的極高要求意味着相當大的技術風險,這是在實施項目時需要考慮的,同樣需要考慮的是促動器和控制器的最大允許廢熱。PI"針對"這一艱巨任務提供混合驅動器。

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在時間非常緊張的情況下實現讓客戶完全滿意的技術規指标–這就是該款精密而富盛名的産品所面臨的挑戰,同時也是我們實力的體現。

Oliver Dietzel,研發項目管理

鏡片定位解決方案

混合驅動原理将适合高負載和大行程的電機主軸驅動器與壓電陶瓷促動器相結合。電機主軸驅動器的所有誤差都能通過高分辨率傳感器測得并可使用壓電陶瓷促動器進行連接。從而确保了極高的定位精确度,而這是單純的電機主軸驅動器所無法實現的。

專用控制器能夠同時控制兩個驅動器和高分辨率位置測量系統。伺服算法将電機和壓電陶瓷系統視為單個驅動單元并将實際運動和計算軌迹進行比較。從而使ESO能精确地補償主反射鏡結構中産生的形變。主軸由一個大扭矩無刷電機通過高比率減速齒輪進行驅動。減速齒輪确保了零間隙運行和穩定的傳動比。因此即使移動物的質量巨大,電機尺寸仍然可以很小。高傳動比還支持靜止狀态下電機的自鎖。

壓電陶瓷促動器封裝在一個充滿氮氣的封閉式金屬波紋管中,因此,即使在不利的環境條件下,仍然能夠避免濕氣侵蝕并能夠實現解決方案所要求的長達30年的使用壽命。高分辨率傳感器是增量式光電編碼器,安裝在盡可能接近驅動器軸的位置。其運行分辨率為100皮米并且受環境條件變化的影響不大。

電控設計和控制器結構

驅動器電子器件包括兩個功能塊:電機換流電子器件、内插器件和限位開關位于驅動器機殼内,從而縮短了編碼器線路,避免了信号幹擾。通過單根電纜将驅動器與第二功能塊和外部電子器件相連,實現對電機、壓電陶瓷和編碼器的控制。主控制器具有三個通道。這意味着隻需要一個控制器就可以控制一個鏡片的所有三個混合驅動器。同時,還可以為每一個單獨的驅動器指定運動命令和理想的鏡片位置。

控制器随後為其三個軸轉化指令。混合驅動器的控制原理很容易理解:電機電壓來自壓電陶瓷的控制電壓。電壓越大,電機運轉越快。當壓電陶瓷伸長時,電機沿相同方向驅動主軸。通過這種方式,壓電陶瓷精确定位将對主軸的粗調定位予以補充。同時,主軸總是自動地将壓電陶瓷移動到靠近其零點的位置。這就使得主軸能夠最大限度地在兩個方向上修正位置。從而可以同時實現相對較大的行程和極高的定位精度。

混合驅動器的性能在ESO經過了大量的測試并得到了驗證。這種靈活的控制器概念得到了廣泛認同并簡化了随後的改進工作。

下載

白皮書

配置壓電陶瓷促動器的混合納米定位系統

長行程、重負載、精确定位
版本/日期
WP4014E 2018-10
版本/日期
WP4014D 2018-10
文件語言
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