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Technische Seminar 2015
Das Steuerungs- und Antriebssystem des CTA-Teleskopes, ein 12m-Cherenkov-Teleskop
Ronny Sternberger, Jörg SchultzeZeuthen, 14. April 2015
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1. Einleitung (1/2)
Cherenkov-Teleskop-Array (CTA): - Observatorium für erdbasierte Gamma-Strahlen-Astronomie- Zwei Teleskop-Arrays sind geplant (eins auf der Nord-, eins auf der Südhalbkugel)- Finale Site-Entscheidung im September- Installation des Süd-Arrays soll 2016 beginnen
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1. Einleitung (2/2)
- 3 Teleskoptypen mit unterschiedlichen Spiegelgrößen sind vorgesehen:
Large-Sized Telescope (LST = 24 m) Medium-Sized Small-Sized Telescope (MST =12 m) Telescope (SST = 4 m)
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2. MST-Prototyp (1/9)
DESY ist verantwortlich für die mittelgroßen Teleskope (MST): Spiegeldurchmesser: 12 m Fokallänge: 16 m Gesamtgewicht: ca. 70 Tonnen Kameragewicht: 2 Tonnen 1:1 Prototyp wurde 2012 aufgebaut
Anforderungen an das Antriebssystem (Beispiele):
Jeder Punkt >30° Elevationswinkel muss in <90 sek erreicht werden
Guter Gleichlauf während typischer Tracking-Geschwindigkeiten
Positioniergenauigkeit soll <0.1° betragen
Prototyp in Berlin-Adlershof
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2. MST-Prototyp (2/9)
Allgemeiner Aufbau eines MST:Teleskopkamera
Kamera-Support-Struktur
88 Spiegel mit aktiver Spiegelsteuerung
Fundamente
Kameralock
CCD Kameras
Optische Support-Struktur
Kopf mit Azimut- und Elevations-Antriebssystem
Gegengewichtsstruktur
Turm mit Schaltschränken
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2. MST-Prototyp (3/9)
Turm und Azimut-Antriebssystem:
8 m
Ø ~2 m
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2. MST-Prototyp (3/9)
Turm und Azimut-Antriebssystem:
Azimut-Achse: angetrieben durch 2 Motoren- Fahrbereich: -270° … +270°- Maximale Geschwindigkeit: 6 °/sek (last-seitig)- Gesamt-Getriebeübersetzung: 3.944 : 1
8 m
Ø ~2 m
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2. MST-Prototyp (4/9)
Elevationsachse: 2 Schwenktriebe mit je 2 Motoren
- Fahrbereich: -20° … +93°- Maximale Geschwindigkeit: 1,7 °/sek (last-
seitig)- Gesamt-Getriebeübersetzung: 11.030 : 1
Kopf mit dem Elevations-Antriebssystem:Kopf Joch
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2. MST-Prototyp (5/9)
- Antriebsüberwachungssystem zur vorausschauenden Wartung:
Auslese und Signalkonditionierung
Signalanalyse und -verarbeitung
Datenbank in Array-Control
12 Messpunkte: Azimutachse: Elevationsachse: 8
Sicherheits-SPS: Start der Messung Empfang Alarmsignal
Rohdaten
Trends
FFT
Zugriff auf Datenbank erlaubt:1. Visualisierung von Trends2. Kontrolle der Messung3. Offline-Analysen
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2. MST-Prototyp (6/9)
Antriebs-Schaltschrank:
Als Teil des Sicherheitskonzepts sind alle Komponenten redundant ausgelegt!
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2. MST-Prototyp (7/9)
- Versorgung aller Spiegel erfolgt über 2 getrennte 24VDC Ausgänge
- Hohe Ausgangsströme (je 80A pro Ausgang) 2 Leistungsteile arbeiten pro Kanal
im Parallelbetrieb
AMC-Schaltschrank:
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2. MST-Prototyp (8/9)
Jeder Spiegel hat 2 Schrittmotoren zur aktiven Spiegelverstellung
2x 88 Spiegel = 176 MotorenBei 2x 80 A als Einspeisung macht das <1 A pro Motor
Spiegel
Schrittmotormit Elektronik
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2. MST-Prototyp (9/9)
Übersicht der Energieverteilung und der Schaltschränke im Turm:
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3. Antriebs-Regelungssystem 1/7a) Allgemeine Struktur:
Ein solides Antriebskonzept wurde entwickelt welches alle möglichen Anwendungsfälle abdecken soll Struktur aller Achsregelungen ist identisch: jede enthält 2 Motoren mit Master/Slave-Kopplung
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a) Allgemeine Struktur: Ein solides Antriebskonzept wurde entwickelt welches alle möglichen Anwendungsfälle abdecken soll Struktur aller Achsregelungen ist identisch: jede enthält 2 Motoren mit Master/Slave-Kopplung
b) Innere Struktur der Achsregelung:
3. Antriebs-Regelungssystem 1/7
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3. Antriebs-Regelungssystem 2/7c) Regler zur Eliminierung des Zahnspiels:
- Master-Slave Konfiguration: - der Master-Motor folgt 1:1 der Sollposition- der Slave-Motor eliminiert das Zahnspiel beim Beobachten + liefert Drehmoment beim schnellen Schwenken
- Interne Struktur des Motorregler folgt in Punkt d)
- Funktionsprinzip:
Kein Zahnspiel! Beide Antriebeliefern Drehmoment!
Motor 1
Motor 2
Tracking Schwenken
Soll-Moment-Differenz
Mom
ent [
pu]
Geschwindigkeit [pu]
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- Verhalten der Regelung beim schnellen Schwenken des Teleskops:a) Azimutachse:
b) Elevationsachse:
3. Antriebs-Regelungssystem 3/7A
chsp
ositi
on [G
rad]
Zeit [sek]
360°
78 sek
Zeit [sek]
60°
50 sekG
esam
t-Mom
ent [
Nm
]
El Motor 1El Motor 2
Zeit [sek]
Beschl. Bremsungkonstante
Fahrt
Ges
amt-M
omen
t [N
m] Az Motor 1
Az Motor 2
Zeit [sek]
Beschl.Bremsung
konstante Fahrt
- Die Anforderung jeden Punkt >30° Elevationswinkel zu erreichen wird erfüllt- Kleine Strukturschwingungen sind sichtbar erzeugen aber keine Probleme- Motor 2 „folgt“ Motor 1 integrierte Master-Slave-Regler funktioniert
Ach
spos
ition
[Gra
d]
Verfahrbereich
Verfahrbereich
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3. Antriebs-Regelungssystem 4/7d) Motorregler:
In jedem Antriebssteuerteil standardmäßig integriert Enthält einen modernen Kaskadenregler mit Positions- Geschwindigkeits- und Stromregler
erhöht die Regelgenauigkeit gegenüber direkt wirkenden Reglern
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- Gleichlaufverhalten der Motoren bei typischen Tracking-Geschwindigkeiten:
a) Azimutachse:
b) Elevationsachse:
3. Antriebs-Regelungssystem 5/7
Soll-Geschwindigkeit Motorgeber
Ach
sges
chw
. [rp
m]
Mot
orge
schw
. [rp
m]
Az Motor 1Az Motor 2
Zeit [sek] Zeit [sek]
Soll-Geschwindigkeit Motorgeber
Ach
sges
chw
. [rp
m]
Mot
orge
schw
. [rp
m]
El Motor 1El Motor 2
Zeit [sek] Zeit [sek]
0,09 °/min
0,03 °/min
Die Motoren zeigen einen sehr guten Gleichlauf!
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e) Die geteilte Elevationsachse (‘Gantry- bzw. Portal-Achse’):
- Problem: beide Elevationsseiten müssen koordiniert fahren, um Spannungen/Verwindungen zu vermeiden
- Technische Realisierung:
- Arbeitsschema der Regelung:
Das jeweilige Gesamt-Drehmoment beider Elevationsseiten wird kontinuierlich gemessen und verglichen Ein Standard-PI-Regler nutzt die Drehmoment-Differenz als Eingang, um solange einen additiven Positions-
Sollwert zu erzeugen, bis die Drehmoment-Differenz = 0
3. Antriebs-Regelungssystem 6/7
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- Reales Verhalten der geteilten Elevationsachse:a) Schnelles Schwenken:
b) Tracking:
Der integrierte Regler funktioniert und verursacht keine Probleme!
Ach
spos
ition
[°]
Zeit [sek]
Ach
spos
ition
[°]
Zeit [min]
Mom
ent-D
iffer
enz
[Nm
]
Bewegungsbereich
Bewegungsbereich
Mom
ent-D
iffer
enz
[Nm
]
Zeit [min]
Zeit [sek]
3. Antriebs-Regelungssystem 7/7
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4. Zusammenfassung
- Unsere Tests am Prototyp in Adlershof zeigen auf, dass die gewählten Antriebskomponenten die CTA-Anforderungen erfüllt:
Beide Großlager zeigen einen ruhigen Gleichlauf bei typischen Trackinggeschwindigkeiten ohne sichtbaren Ruck (getestete Zeit: >100 min)
Die Motoren zeigen einen guten Gleichlauf ohne Überschwinger Die MST-Anforderung zur Umpositionierung vom Teleskop wird erfüllt Kleine Strukturschwingungen sind sichtbar auf beide Teleskopachsen, aber:
der Effekt auf die Positionsgenauigkeit ist sehr klein er kann entfernt werden durch Nutzung einer aktiven Schwingungsdämpfung
- Die Prototypphase war wichtig für die Entwicklung des Antriebssystems: Die Praxis offenbarte Punkte an die man in der Theorie bzw. in der Designphase
nicht dachte Viele Fortschritte konnten bei der Identifizierung und Lösung von möglichen
Problemen gemacht werden
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Vielen Dank!