LabVIEW与PXI硬件对欧洲超大望远镜的主反射镜位置调整执行器进行操纵.doc

LabVIEW 和 PXI硬件对欧 洲超大望远镜的主反 射镜位置调整执行器 进行控制 NI PXI平台 帮助我们在保持系统 灵活性和实时性的同 时显著减少了开发时 间，而且能够满足我 们对电子/软件方面 的设计要求。使用 LabVIEW，可 以在同一个软件环境 中对实时控制器和 FPGA模块进行编 程，帮助我们快速集 成系统，并确保系统 独立、可靠。 - Miguel Nú?ez, Instituto de Astrofísica de Canarias The Challenge: 开发一个电子装置以 及嵌入式控制软件， 用于对欧洲超大望远 镜 （European Extremely Large Telescope， E-ELT）中主反 射镜的三个位置调整 执行器的原型机进行 控制和调整， 从而 实现以纳米级的精度 对90Kg的重物进 行位置调整。这将作 E-ELT分段反射 镜下方的位置调整执 行器 为未来之量产化电子 设计的概念原型。 The Solution: 基于NI PXI平 台运行的NI LabVIEW Real - Time和 LabVIEW FPGA模块，可以 提供灵活的接口来与 多种设备通信，并且 能够在保证较低的延 迟和抖动下实现1 kHz的外部位置控 制指令更新率；而对 于实现内部定位的数 据采样和伺服控制来 说，则可实现更高的 循环速率。 Author (s): Miguel Nú?ez - Instituto de Astrofísica de Canarias Yolanda Martín - Instituto de Astrofísica de Canarias Marcos Reyes - Instituto de Astrofísica de Canarias Teodora Viera - Instituto de Astrofísica de Canarias E-ELT是欧洲南 方天文台 （European Southern Observatory， ESO）倡议建设的 一个直径42米的望 远镜，用于为天文学 领域的必威体育精装版研究探索 提供支持。该主反射 镜由984个镜面组 成。如图1所示，每 个镜面，可以通过三 个位置执行器实时移 动，用于对支撑结构 因重力、温度、风动 等因素所导致的变形 进行补偿。西班牙航 空系统公司 （Compa?ía Espa?ola de Sistemas Aeronauticos， CESA）负责对三 个位置执行器原型的 机械结构进行设计和 开发，而加纳利天体 物理学研究所 （Instituto de Astrofísica de Canarias， IAC）则负责对系 统中的电子装置、软 件和伺服控制进行开 发。 执行器开发中最具挑 战性的要求包括：达 到15mm的行程、 支撑90kg的重 物、追踪缓坡信号时 实现170纳米以下 的均方根误差 （root mean square error， RMSE）、1 kHz外部位置控制 指令更新率，以及确 保极低的延迟和抖动 （如图1）。 执行器机械设计方案 分为两个阶段。在粗 调阶段：使用无刷电 机，实现一个大的调 整行程和较粗的分辨 率；在微调阶段：使 用一个音圈电机，实 现高分辨率、高带宽 和小调整行程。每个 调整阶段都将使用独 立的电源设备、反馈 传感器和伺服控制 器。粗调和微调控制 器协调工作，最终实 现执行器的位置调 整。 电子装置和软件是位 于PXI机箱中，用于实现整 体协调、外部命令管 理、功能调试和伺服 控制，运行有实时操 作系统的控制器，可 以实现极大的灵活性 和计算能力。其中， 快速微调伺服控制器 通过NI PXI - 7842R现场可编程门阵列 （FPGA）模块实 现；而缓慢的粗调控 制器则是通过NI PXIe - 8130控制器实 现。此外，该软件设 计分为两个部分：执 行器的嵌入式控制软 件和一个望远镜模拟 器，后者可以作为辅 助工具，用于模拟望 远镜计算机与执行器 之间的交互。 执行器软件 执行器控制软件是由 位于NI PXIe- 8130实时控制器 中的程序模块和位于 PXI- 7842R FPGA智能数据采 集卡中的程序模块组 成。实时控制器中的 程序模块中含有每个 驱动器的具体功能， 包括：初始状态检 查、状态机、状态 字、错误寄存器以及 配置参数管理。同时 也包含其它任务，包 括：通过串行外设接 口（serial peripheral interface， SPI）收发外部命 令来检查FPGA卡 的输入；通过CAN 或CANopen总 线控制无刷电机驱动 器，来实现粗调伺服 控制；管理用于调试 的循环缓冲器并同步