基于PMAC卡的FAST馈源位姿主动减振控制系统

　　FAST( five2hundred2meter aperture spherical tele2scope)项目是中国国家天文台拟建的大科学工程项目,目标建立世界上最大的五百米口径球面射电天文望远镜。其前期预研工作主要集中在主动反射面、悬索拖动技术、馈源位姿主动减振机构和高精度的测量与控制的可行性分析与研究上。其中基于Stewart平台的馈源位姿主动减振定位机构是实现观测目标的关键。

　　研究工作者对馈源位姿主动减振定位控制方案的可行性做了很多研究,基于Stewart平台机构的方案得到了充分肯定,但至今为止仍没能实现一套完整的控制系统使得馈源能够与悬索配合,满足相似率(即索的粗细与馈源重量匹配)要求,最终达到控制目标,进行实际的天文观测工作。本研究正是以此目标为出发点,配合FAST项目即将在北京密云进行的50 m观测模型的预研究工作,以RTLinux、Linux为软件平台,采用PMAC运动控制单元为主的硬件结构,给出了上下位机主从控制的方案。

　　1　馈源位姿主动减振控制系统的硬件构成

　　如图1所示, FAST项目望远镜工作时,馈源悬于空中,由悬索拖引按要求轨迹运行,接收主动反射面反射的射电信号。这种索驱动的馈源支撑方案在风激、索系驱动载荷作用下馈源将会产生很大的振动问题,振幅在0. 5 m量级[1]。要达到FAST的科学目标———对5 GHz频率的射电信号进行观测,馈源振动的均方根误差应小于4 mm。目前研究人员的共识是依靠一次索支撑[2]和二次精调系统的配合方案来满足定位要求。本研究描述的馈源主动减振控制系统就是在一次索支撑的基础上通过Stewart平台机构进行的二次精调系统。

　　馈源支撑机构基于六自由度的并联机构Stewart平台,上平台由钢索拖动在空间按要求轨迹运行,下平台安装馈源,通过两平台间的驱动杆的主动伸缩来达到主动减振的目的,从而保持馈源一定的位姿。模型研究中,馈源需要架设在50m的高空,并在50m直径的圆周范围内沿一定的轨迹运动,因而对质量、体积要求较高。考虑到这些因素,同时为了便于地面的操控,本设计采用上下位机主从控制。上位机位于地面机房,选用工业计算机,主要作用是状态显示、用户命令输入、文件管理以及网络通信管理(传递非实时控制命令、位姿数据至下位机;接收用于状态显示的控制反馈数据)。下位机连同系统上电控制模块、电机、驱动器,以及馈源支撑机构悬于空中。下位机采用工业计算机,无需显示器,主要用于实现实时控制算法,驱动电机带动机械机构完成主动减振控制任务。如前所述,上下位机之间的通信实时性要求不高,因此上下位机之间的通信选用以太网实现。由于距离较远并考虑抗干扰的因素,物理介质使用同轴电缆,或者光纤通信而不是双绞线。通信协议为TCP。图2为系统硬件结构简图。