用于高精度太陽敏感器標(biāo)定的模擬光源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮偉昌，陳家奇

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

太陽敏感器是在航天器上應(yīng)用最廣泛的一類敏感器[1-2]，而數(shù)字式太陽敏感器一般用于高精度的航天器姿態(tài)控制[3-4]，其定姿精度優(yōu)于0.05°。

太陽敏感器需要在太陽模擬器上完成性能測試標(biāo)定。為了提高太陽敏感器的標(biāo)定精度，對(duì)太陽模擬器尤其是其光源的模擬精度提出了更高的要求，包括與太陽光譜匹配性、均勻性、準(zhǔn)直性以及穩(wěn)定性等[5-8]。

針對(duì)數(shù)字式太陽敏感器，為了精確模擬空間太陽輻照方向的變化，本文設(shè)計(jì)了一種由計(jì)算機(jī)直接控制的、用于高精度太陽敏感器標(biāo)定的模擬光源控制系統(tǒng)。

1 模擬光源的構(gòu)成

光源位于橢球鏡第一焦面處，發(fā)出的光束經(jīng)過橢球鏡匯聚到第二焦面上；再由光學(xué)積分器投影成像到無窮遠(yuǎn)，最后投影到準(zhǔn)直物鏡的后焦面附近，形成一個(gè)均勻的有效輻照面。太陽敏感器置于固定平臺(tái)上。模擬光源采用由計(jì)算機(jī)構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以精確地實(shí)現(xiàn)太陽照射在敏感器上俯仰角和方位角的變化，作為太陽敏感器標(biāo)定測試的參考輸出。

模擬光源的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 模擬光源的結(jié)構(gòu)組成Fig. 1 Block diagram of the solar simulator

2 模擬光源的控制原理及其控制系統(tǒng)

2.1 控制原理

模擬光源的控制一般分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。為了提高光源的控制精度，本文采用了具有反饋環(huán)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中計(jì)算機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，通過植入在計(jì)算機(jī)上的軟件不僅可以靈活地實(shí)現(xiàn)各種控制策略，而且可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的模擬控制器難以完成的各種復(fù)雜控制，從而可獲得更好的控制功能，系統(tǒng)的控制原理如圖2所示。

圖2 計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制原理圖Fig. 2 Principle diagram of computer closed-loop control system

2.2 硬件構(gòu)成及其功能

系統(tǒng)的硬件主要由主控系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)三大部分組成。其中主控系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、顯示器和直流電源；轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)包括光電隔離輸出卡、功率驅(qū)動(dòng)電路、軟啟動(dòng)電路、鹵鎢燈、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（含方位角、俯仰角驅(qū)動(dòng)）、步進(jìn)電機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；反饋系統(tǒng)包括SSI數(shù)據(jù)采集卡、絕對(duì)式光電編碼器和串口擴(kuò)展卡。系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成Fig. 3 Hardware structure of the system

2.2.1 主控系統(tǒng)

1）計(jì)算機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中起核心作用，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸、運(yùn)算、處理和邏輯判斷；

2）顯示器可實(shí)時(shí)顯示模擬光源當(dāng)前的俯仰角、方位角和開關(guān)狀態(tài)；

3）直流電源分別給鹵鎢燈、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和 SSI數(shù)據(jù)采集卡、光電編碼器提供12 V、24 V、5 V電壓。

2.2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)

1）光電隔離輸出卡由計(jì)算機(jī)控制輸出高低電平信號(hào)，用來控制鹵鎢燈的開關(guān)；輸出的方向信號(hào)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入接口相連，控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)動(dòng)；

2）功率驅(qū)動(dòng)電路起到增大驅(qū)動(dòng)電流的作用；

3）軟啟動(dòng)電路可使鹵鎢燈緩慢開啟和關(guān)閉，以延長其使用壽命；

4）步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為脈沖信號(hào)，可由計(jì)算機(jī)控制光電隔離輸出卡按固定周期輸出高低電平，以此來模擬脈沖信號(hào)[9]。

2.2.3 反饋系統(tǒng)

1）光電編碼器與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)同軸固定，每當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，編碼器的輸出也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化；

2）計(jì)算機(jī)通過串口定時(shí)向SSI數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出讀編碼器數(shù)據(jù)指令，實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前的角度值，并顯示在計(jì)算機(jī)圖形界面中；

3）同時(shí)將每次讀取的數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用基于VS2010開發(fā)平臺(tái)的C++語言進(jìn)行程序編制。程序編制采用多線程技術(shù)，其中主線程負(fù)責(zé)控制界面的生成、俯仰角和方位角的輸入、模擬光源開關(guān)的控制等；輔線程每隔一定時(shí)間讀取編碼器的數(shù)值，反饋給計(jì)算機(jī)以控制電機(jī)的精確轉(zhuǎn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值。

3.1 零位補(bǔ)償

因?yàn)槊總€(gè)太陽敏感器的零位都稍有不同，所以模擬光源的零位與每個(gè)敏感器的零位無法保持一致。有效的解決方法是在軟件中增加零位補(bǔ)償措施，每次對(duì)太陽敏感器進(jìn)行標(biāo)定測試時(shí)首先進(jìn)行歸零處理，即計(jì)算兩者的零位差值，得到被測太陽敏感器的零位補(bǔ)償值。當(dāng)輸入俯仰角或方位角時(shí)，軟件自動(dòng)加入相應(yīng)的零位補(bǔ)償值，得到補(bǔ)償后的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值可作為太陽敏感器的參考輸出。

3.2 主線程

軟件主線程如圖4所示。

圖4 軟件控制的主線程Fig. 4 Main threads in the software control system

主線程的工作步驟如下：

1）首先對(duì)數(shù)據(jù)采集卡、光電隔離輸出卡和串口擴(kuò)展卡進(jìn)行初始化，成功則生成控制界面，否則重新初始化；

2）然后等待輸入俯仰角、方位角的數(shù)值，若數(shù)值符合要求即在轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)，則計(jì)算機(jī)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；

3）同時(shí)不斷讀取當(dāng)前的轉(zhuǎn)動(dòng)角度值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)二者相差值在控制數(shù)值范圍之內(nèi)時(shí)，則發(fā)出步進(jìn)電機(jī)的停止轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)；

4）同理，若輸入的是光源的開關(guān)狀態(tài)，則計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，控制光電隔離輸出卡的輸出，進(jìn)而控制模擬光源的開關(guān)，并將其狀態(tài)顯示在控制界面中。

3.3 輔線程

軟件的輔線程如圖 5所示。其工作流程為：當(dāng)?shù)竭_(dá)軟件設(shè)定的時(shí)間時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令，并讀取當(dāng)前編碼器的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角度值，并與設(shè)定值比較，若未超出設(shè)定值，則顯示當(dāng)前角度值；若超過設(shè)定值，則輸出報(bào)警信號(hào)。

圖5 軟件控制的輔線程Fig. 5 Secondary threads of the software control system

4 標(biāo)定測量及結(jié)果

4.1 測量方法

俯仰角和方位角的測量裝置是經(jīng)緯儀，其測量精度為2''。

以俯仰角測量為例，將一小塊平面鏡固定于俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)軸的外側(cè)，使平面鏡可隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在軸向的垂直方向放置經(jīng)緯儀[10]。首先調(diào)整經(jīng)緯儀使其十字叉絲對(duì)準(zhǔn)由平面鏡反射的十字像，記錄計(jì)算機(jī)中顯示的當(dāng)前俯仰角并讀取經(jīng)緯儀的數(shù)據(jù)；然后在計(jì)算機(jī)中輸入俯仰角要轉(zhuǎn)過的數(shù)值，控制電機(jī)轉(zhuǎn)過一定角度后，重新對(duì)準(zhǔn)經(jīng)緯儀十字叉絲與由平面鏡反射的十字像重合，記錄當(dāng)前的俯仰角和經(jīng)緯儀的讀數(shù)；最后將所測得的兩次數(shù)據(jù)差值與輸入角度值相減，所得的差值即為俯仰軸的轉(zhuǎn)角精度。

4.2 俯仰角的測量

分別在 0°、5°、10°、15°和20°附近轉(zhuǎn)動(dòng)小角度和大角度，記錄系統(tǒng)顯示的角度值和經(jīng)緯儀測得的轉(zhuǎn)動(dòng)值，測量結(jié)果如表1所示。

表1 俯仰角測量數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data for elevation angle

4.3 方位角的測量

方位角的測量方法類似于俯仰角的測量，測量結(jié)果如表2所示。

表2 方位角測量數(shù)據(jù)Table 2 Measurement data for azimuth angle

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種由計(jì)算機(jī)直接控制的、用于高精度太陽敏感器標(biāo)定的模擬光源控制系統(tǒng)，能精確地模擬太陽輻照俯仰角和方位角的變化，作為太陽敏感器標(biāo)定測量的參考輸出。標(biāo)定測量表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，俯仰角和方位角的最大轉(zhuǎn)動(dòng)誤差分別為0.012 5°和0.010 8°，均小于0.02°，滿足高精度太陽敏感器對(duì)模擬光源的要求。

（References）

[1]何麗, 胡以華. 太陽敏感器原理技術(shù)發(fā)展淺析[J]. 傳感器世界, 2006(1): 12-14 He Li, Hu Yihua. The principium and developing direction of the sun sensors[J]. Sensor World, 2006(1): 12-14

[2]劉洪波. 太陽模擬技術(shù)[J]. 光學(xué)精密工程, 2001, 9(2):177-181 Liu Hongbo. Solar simulation technology[J]. Optics Precision Engineering, 2001, 9(2): 177-181

[3]王恩宏, 胡以華, 劉偉. 數(shù)字式太陽姿態(tài)敏感器抗干擾特性研究[J]. 紅外技術(shù), 2007, 29(4): 218-221 Wang Enhong, Hu Yihua, Liu Wei. Study on characteristics to eliminate the disturbance of digital sun sensor[J]. Infrared Technology, 2007, 29(4): 218-221

[4]屠斌杰, 韓柯, 王昊, 等. 大視場數(shù)字式太陽敏感器設(shè)計(jì)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2011, 24(3): 336-341 Tu Binjie, Han Ke, Wang Hao, et al. Design of digital sun sensor with large field[J]. Chinese Journal of Sensor and Actuators, 2011, 24(3): 336-341

[5]高雁, 劉洪波, 王麗. 太陽模擬技術(shù)[J]. 中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué), 2010, 3(2): 104-111 Gao Yan, Liu Hongbo, Wang Li. Solar simulation technology[J]. Chinese Journal of Optics and Applied Optics, 2010, 3(2): 104-111

[6]劉超博, 張國玉.太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 長春理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2010, 33(1): 14-17 Liu Chaobo, Zhang Guoyu. The optical design of the solar simulator[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology: Natural Science Edition, 2010,33(1): 14-17

[7]李剛, 周彥平. 衛(wèi)星仿真測試用太陽模擬器和地球模擬器設(shè)計(jì)[J]. 紅外技術(shù), 2007, 29(5): 283-287 Li Gang, Zhou Yanping. Design of solar simulator and earth simulator for satellite attitude simulation[J].Infrared Technology, 2007, 29(5): 283-287

[8]韓吉祥. 關(guān)于太陽模擬器電源的理論和實(shí)踐[J]. 航天器環(huán)境工程, 2003, 20(3): 7-18 Han Jixiang. Theory and practice of power supply used in solar simulator[J]. Spacecraft Environment Engineering,2003, 20(3): 7-18

[9]劉亞東, 李從心, 王小新. 步進(jìn)電機(jī)速度的精確控制[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2001, 35(10): 1517-1520 Liu Yadong, Li Congxin, Wang Xiaoxin. Precise control of step motor speed[J]. Journal of Shang Hai Jiao Tong University, 2001, 35(10): 1517-1520

[10]張國玉, 劉淑紅, 王凌云, 等. 移動(dòng)式太陽模擬器控制系統(tǒng)研究[J]. 長春理工大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2009, 32(1): 1-3 Zhang Guoyu, Liu Shuhong, Wang Lingyun, et al.Research on the control system for the moving sun simulator[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology: Natural Science Edition, 2009,32(1): 1-3