Antriebstechnik für das weltgrösste Teleskop

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Konzept des Hybridantriebs

Das Prinzip des Hybridantriebs besteht darin, einen Motor-Spindel-Antrieb, der für hohe Lasten und grosse Verfahrwege geeignet ist, mit einem Piezoaktor zu kombinieren. Über einen hochauflösenden Sensor können alle Ungenauigkeiten des Motor-Spindel-Antriebs gemessen und mittels des Piezos korrigiert werden. Dies sorgt für die extrem hohe Positioniergenauigkeit, die mit reinen Motor-Spindel-Antrieben nicht erreicht werden kann.

Ein spezieller Controller steuert beide Antriebe simultan an und regelt sie über das hochauflösende Positionsmesssystem. Die Regelalgorithmen betrachten Motor- und Piezosystem als eine Antriebseinheit und gleichen die tatsächliche Bewegung mit einer berechneten Trajektorie ab. Das gibt die Möglichkeit, die Deformationen in der Struktur des Hauptspiegels mit der nötigen Genauigkeit auszugleichen.

Die Spindel wird über ein hochuntersetztes Harmonic-Drive-Getriebe von einem bürstenlosen, drehmomentstarken Torque-Motor angetrieben. Das Getriebe sorgt für einen spielfreien Betrieb und garantiert ein konstantes Übersetzungsverhältnis von 100 : 1. Dadurch kann der Motor klein dimensioniert werden, obwohl grosse Massen bewegt werden. Die hohe Untersetzung unterstützt zudem bei Stillstand die Selbsthemmung des Motors.

Die Piezoaktoren sind in einem verschlossenen, mit Stickstoff gefüllten Metallbalg gekapselt, damit sie gegen Feuchtigkeit geschützt sind und auch unter widrigen Umgebungsbedingungen die geforderte Lebensdauer von 30 Jahren erreichen.

Der hochauflösende Sensor ist ein inkrementeller optischer Encoder, der möglichst nahe der Antriebsspitze platziert ist. Er arbeitet mit einer Auflösung von 250 Picometern und ist ebenfalls unempfindlich gegenüber wechselnden Umgebungsbedingungen.

Elektronikdesign und Controllerstruktur

Die Antriebselektronik besteht aus zwei Funktionsblöcken. Einerseits der Kommutierungselektronik für den Motor, die direkt im Antriebsgehäuse untergebracht ist. Dies erlaubt kurze Geberleitungen, um Signalstörungen zu vermeiden. Ein einziges Kabel verbindet den Antrieb dann mit dem zweiten Funktionsblock, der externen Elektronik, welche die Ansteuerung von Motor, Piezo und Encoder übernimmt. Dieser Haupt-Controller ist dreikanalig aufgebaut. Das heisst, für die Ansteuerung aller 3 Hybridantriebe eines Spiegelsegments ist nur ein solcher Controller erforderlich. Dabei ist möglich, sowohl Fahrbefehle für jeden einzelnen Antrieb vorzugeben als auch die gewünschte Position des Spiegelsegments. Der Controller übersetzt einen solchen Befehl dann für seine 3 Achsen.

Die Controllerhardware des Echtzeitsystems besteht aus einer Industrie-CPU und einer Quarzuhr in einem FPGA für die Pufferung aller Datensequenzen. Ein 24-Bit-D/A-Wandler liefert den Input für die Piezoverstärker und ein PWM-Signal für den Motor. Der Regelalgorithmus selbst läuft auf einer PC-Karte mit Echtzeitbetriebssystem.

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