使用LabVIEW 等硬件對歐超大望遠鏡的主反射鏡位置調(diào)整執(zhí)行器進行控制
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"NI PXI平臺幫助我們在保持系統(tǒng)靈活性和實時性的同時顯著減少了開發(fā)時間，而且能夠滿足我們對電子/軟件方面的設(shè)計要求。使用LabVIEW，可以在同一個軟件環(huán)境中對實時控制器和FPGA模塊進行編程，幫助我們快速集成系統(tǒng)，并確保系統(tǒng)獨立、可靠。" – Miguel Núñez, Instituto de Astrofísica de Canarias
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/120350.htmThe Challenge:
開發(fā)一個電子裝置以及嵌入式控制軟件，用于對歐洲超大望遠鏡(European Extremely Large Telescope，E-ELT)中主反射鏡的三個位置調(diào)整執(zhí)行器的原型機進行控制和調(diào)整， 從而實現(xiàn)以納米級的精度對90Kg的重物進行位置調(diào)整。這將作為未來之量產(chǎn)化電子設(shè)計的概念原型。
The Solution:
基于NI PXI平臺運行的NI LabVIEW Real - Time和LabVIEW FPGA模塊，可以提供靈活的接口來與多種設(shè)備通信，并且能夠在保證較低的延遲和抖動下實現(xiàn)1 kHz的外部位置控制指令更新率;而對于實現(xiàn)內(nèi)部定位的數(shù)據(jù)采樣和伺服控制來說，則可實現(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(European Southern Observatory，ESO)倡議建設(shè)的一個直徑42米的望遠鏡，用于為天文學領(lǐng)域的最新研究探索提供支持。該主反射鏡由984個鏡面組成。如圖1所示，每個鏡面，可以通過三個位置執(zhí)行器實時移動，用于對支撐結(jié)構(gòu)因重力、溫度、風動等因素所導致的變形進行補償。西班牙航空系統(tǒng)公司(Compañía Española de Sistemas Aeronauticos，CESA)負責對三個位置執(zhí)行器原型的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和開發(fā)，而加納利天體物理學研究所(Instituto de Astrofísica de Canarias，IAC)則負責對系統(tǒng)中的電子裝置、軟件和伺服控制進行開發(fā)。
執(zhí)行器開發(fā)中最具挑戰(zhàn)性的要求包括：達到15mm的行程、支撐90kg的重物、追蹤緩坡信號時實現(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(如圖1)。
執(zhí)行器機械設(shè)計方案分為兩個階段。在粗調(diào)階段：使用無刷電機，實現(xiàn)一個大的調(diào)整行程和較粗的分辨率;在微調(diào)階段：使用一個音圈電機，實現(xiàn)高分辨率、高帶寬和小調(diào)整行程。每個調(diào)整階段都將使用獨立的電源設(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，最終實現(xiàn)執(zhí)行器的位置調(diào)整。
電子裝置和軟件是位于PXI機箱中，用于實現(xiàn)整體協(xié)調(diào)、外部命令管理、功能調(diào)試和伺服控制，運行有實時操作系統(tǒng)的控制器，可以實現(xiàn)極大的靈活性和計算能力。其中，快速微調(diào)伺服控制器通過NI PXI - 7842R現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)模塊實現(xiàn);而緩慢的粗調(diào)控制器則是通過NI PXIe - 8130控制器實現(xiàn)。此外，該軟件設(shè)計分為兩個部分：執(zhí)行器的嵌入式控制軟件和一個望遠鏡模擬器，后者可以作為輔助工具，用于模擬望遠鏡計算機與執(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實時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。實時控制器中的程序模塊中含有每個驅(qū)動器的具體功能，包括：初始狀態(tài)檢查、狀態(tài)機、狀態(tài)字、錯誤寄存器以及配置參數(shù)管理。同時也包含其它任務(wù)，包括：通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，SPI)收發(fā)外部命令來檢查FPGA卡的輸入;通過CAN或CANopen總線控制無刷電機驅(qū)動器，來實現(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自FPGA FIFO的數(shù)據(jù)，通過UDP/ IP讀取傳感器的反饋。FPGA卡則實現(xiàn)了SPI從屬端的功能，負責微調(diào)伺服控制、模擬信號寫入和讀取，并且通過FIFO將數(shù)據(jù)傳遞至實時控制器來實現(xiàn)同步。
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