使用LabVIEW 等硬件對(duì)歐超大望遠(yuǎn)鏡的主反射鏡位置調(diào)整執(zhí)行器進(jìn)行控制

　　"NI PXI平臺(tái)幫助我們?cè)诒３窒到y(tǒng)靈活性和實(shí)時(shí)性的同時(shí)顯著減少了開發(fā)時(shí)間，而且能夠滿足我們對(duì)電子/軟件方面的設(shè)計(jì)要求。使用LabVIEW，可以在同一個(gè)軟件環(huán)境中對(duì)實(shí)時(shí)控制器和FPGA模塊進(jìn)行編程，幫助我們快速集成系統(tǒng)，并確保系統(tǒng)獨(dú)立、可靠。" – Miguel Núñez, Instituto de Astrofísica de Canarias

　　The Challenge:

　　開發(fā)一個(gè)電子裝置以及嵌入式控制軟件，用于對(duì)歐洲超大望遠(yuǎn)鏡(European Extremely Large Telescope，E-ELT)中主反射鏡的三個(gè)位置調(diào)整執(zhí)行器的原型機(jī)進(jìn)行控制和調(diào)整， 從而實(shí)現(xiàn)以納米級(jí)的精度對(duì)90Kg的重物進(jìn)行位置調(diào)整。這將作為未來(lái)之量產(chǎn)化電子設(shè)計(jì)的概念原型。

　　The Solution:

　　基于NI PXI平臺(tái)運(yùn)行的NI LabVIEW Real - Time和LabVIEW FPGA模塊，可以提供靈活的接口來(lái)與多種設(shè)備通信，并且能夠在保證較低的延遲和抖動(dòng)下實(shí)現(xiàn)1 kHz的外部位置控制指令更新率;而對(duì)于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部定位的數(shù)據(jù)采樣和伺服控制來(lái)說(shuō)，則可實(shí)現(xiàn)更高的循環(huán)速率。

　　Author(s):

　　Miguel Núñez - 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是歐洲南方天文臺(tái)(European Southern Observatory，ESO)倡議建設(shè)的一個(gè)直徑42米的望遠(yuǎn)鏡，用于為天文學(xué)領(lǐng)域的最新研究探索提供支持。該主反射鏡由984個(gè)鏡面組成。如圖1所示，每個(gè)鏡面，可以通過(guò)三個(gè)位置執(zhí)行器實(shí)時(shí)移動(dòng)，用于對(duì)支撐結(jié)構(gòu)因重力、溫度、風(fēng)動(dòng)等因素所導(dǎo)致的變形進(jìn)行補(bǔ)償。西班牙航空系統(tǒng)公司(Compañía Española de Sistemas Aeronauticos，CESA)負(fù)責(zé)對(duì)三個(gè)位置執(zhí)行器原型的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，而加納利天體物理學(xué)研究所(Instituto de Astrofísica de Canarias，IAC)則負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)中的電子裝置、軟件和伺服控制進(jìn)行開發(fā)。

　　執(zhí)行器開發(fā)中最具挑戰(zhàn)性的要求包括：達(dá)到15mm的行程、支撐90kg的重物、追蹤緩坡信號(hào)時(shí)實(shí)現(xiàn)170納米以下的均方根誤差 (root mean square error，RMSE)、1 kHz外部位置控制指令更新率，以及確保極低的延遲和抖動(dòng)(如圖1)。

　　執(zhí)行器機(jī)械設(shè)計(jì)方案分為兩個(gè)階段。在粗調(diào)階段：使用無(wú)刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)大的調(diào)整行程和較粗的分辨率;在微調(diào)階段：使用一個(gè)音圈電機(jī)，實(shí)現(xiàn)高分辨率、高帶寬和小調(diào)整行程。每個(gè)調(diào)整階段都將使用獨(dú)立的電源設(shè)備、反饋傳感器和伺服控制器。粗調(diào)和微調(diào)控制器協(xié)調(diào)工作，最終實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的位置調(diào)整。

　　電子裝置和軟件是位于PXI機(jī)箱中，用于實(shí)現(xiàn)整體協(xié)調(diào)、外部命令管理、功能調(diào)試和伺服控制，運(yùn)行有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的控制器，可以實(shí)現(xiàn)極大的靈活性和計(jì)算能力。其中，快速微調(diào)伺服控制器通過(guò)NI PXI - 7842R現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)模塊實(shí)現(xiàn);而緩慢的粗調(diào)控制器則是通過(guò)NI PXIe - 8130控制器實(shí)現(xiàn)。此外，該軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：執(zhí)行器的嵌入式控制軟件和一個(gè)望遠(yuǎn)鏡模擬器，后者可以作為輔助工具，用于模擬望遠(yuǎn)鏡計(jì)算機(jī)與執(zhí)行器之間的交互。

　   執(zhí)行器軟件

　　執(zhí)行器控制軟件是由位于NI PXIe- 8130實(shí)時(shí)控制器中的程序模塊和位于PXI-7842R FPGA智能數(shù)據(jù)采集卡中的程序模塊組成。實(shí)時(shí)控制器中的程序模塊中含有每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的具體功能，包括：初始狀態(tài)檢查、狀態(tài)機(jī)、狀態(tài)字、錯(cuò)誤寄存器以及配置參數(shù)管理。同時(shí)也包含其它任務(wù)，包括：通過(guò)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，SPI)收發(fā)外部命令來(lái)檢查FPGA卡的輸入;通過(guò)CAN或CANopen總線控制無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，來(lái)實(shí)現(xiàn)粗調(diào)伺服控制;管理用于調(diào)試的循環(huán)緩沖器并同步接收來(lái)自FPGA FIFO的數(shù)據(jù)，通過(guò)UDP/ IP讀取傳感器的反饋。FPGA卡則實(shí)現(xiàn)了SPI從屬端的功能，負(fù)責(zé)微調(diào)伺服控制、模擬信號(hào)寫入和讀取，并且通過(guò)FIFO將數(shù)據(jù)傳遞至實(shí)時(shí)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。