張 鑫，周惠坤，李保權(quán)，白超平，史春艷

(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

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旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式空間相機(jī)快門(mén)的設(shè)計(jì)與研制*

張 鑫，周惠坤，李保權(quán)，白超平，史春艷

(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

以空間成像觀測(cè)中應(yīng)用的快門(mén)裝置為研究目標(biāo)，介紹了目前在空間相機(jī)中應(yīng)用的幾種快門(mén)型式，并分析其優(yōu)缺點(diǎn).選取旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式快門(mén)作為研究對(duì)象，從曝光方式出發(fā)，研究快門(mén)控制策略，分析電機(jī)選型及控制規(guī)則，構(gòu)建基于DSP控制器的方案，并基于該方案進(jìn)行了快門(mén)曝光時(shí)間的測(cè)試，最大誤差3.0%，最小誤差0.1%，測(cè)試結(jié)果滿足任務(wù)需求.目前該裝置在國(guó)內(nèi)同類(lèi)快門(mén)中具有動(dòng)態(tài)范圍寬、曝光誤差小、工程化程度高的特點(diǎn).

空間相機(jī)；快門(mén)；旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式快門(mén)

0 引 言

隨著人類(lèi)空間活動(dòng)的逐步增多，諸多衛(wèi)星內(nèi)部安裝了空間相機(jī)，而快門(mén)裝置是其中的關(guān)鍵部件.快門(mén)裝置是一種由驅(qū)動(dòng)器控制的機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)光線入射時(shí)間避免感光器件曝光過(guò)度.在空間環(huán)境下應(yīng)用快門(mén)裝置有特殊要求：首先，空間環(huán)境溫度交變頻繁，衛(wèi)星內(nèi)部溫度范圍經(jīng)常在-15℃～+45℃的范圍內(nèi)變化，對(duì)快門(mén)裝置溫度適應(yīng)性要求較高；另外對(duì)快門(mén)裝置可靠性要求高，在長(zhǎng)時(shí)間工作情況下，不允許出現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡死的現(xiàn)象；還有在真空環(huán)境下，油脂易揮發(fā)，作為活動(dòng)機(jī)構(gòu)的快門(mén)裝置，內(nèi)部軸承和活動(dòng)關(guān)節(jié)應(yīng)使用無(wú)脂潤(rùn)滑.

本文將介紹幾種空間相機(jī)快門(mén)型式，并選擇當(dāng)前空間相機(jī)中普遍使用的旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式快門(mén)裝置重點(diǎn)研究，對(duì)其中曝光方式、電機(jī)控制方式、控制器設(shè)計(jì)分別論述，最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行總結(jié).

1 空間相機(jī)快門(mén)型式介紹

快門(mén)種類(lèi)很多，從技術(shù)形式上大體可以分為機(jī)械快門(mén)、電子快門(mén)和程序快門(mén)3類(lèi).在目前的空間相機(jī)應(yīng)用中，機(jī)械快門(mén)應(yīng)用較多，常用的機(jī)械快門(mén)有如下3種：即旋轉(zhuǎn)中心式快門(mén)、旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式快門(mén)和焦點(diǎn)平面式快門(mén).

旋轉(zhuǎn)中心式快門(mén)的光孔是從中心打開(kāi)，然后向中心關(guān)閉(見(jiàn)圖1)，所以快門(mén)的正光性好，不破壞構(gòu)象的幾何精度，并且它可以獲得很高的光效系數(shù)(η約到90%)，和很短的曝光時(shí)間，一般可達(dá)到1/250～1/300 s，甚至可達(dá)到1/1 000 s或更短[1].

圖1 旋轉(zhuǎn)中心式快門(mén)Fig.1 Leaf shutter

旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式快門(mén)的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，它與旋轉(zhuǎn)中心式快門(mén)一樣可以獲得較高的拍攝頻率和較短的曝光時(shí)間，一般可達(dá)1/250～1/300 s，同時(shí)也具有較高的光效系數(shù)，一般在70%以上.見(jiàn)圖2所示，當(dāng)光孔直徑較大時(shí),不僅使快門(mén)的結(jié)構(gòu)尺寸和葉片的重量增加,無(wú)法得到較短的曝光時(shí)間,同時(shí)大直徑的盤(pán)片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)容易引起振動(dòng),破壞儀器的正常工作.旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式快門(mén)的缺點(diǎn)是對(duì)于亮度快速變化的對(duì)象，成像正光性不好.因?yàn)楸P(pán)片在工作過(guò)程中是從物鏡的光孔一邊掃向另一邊，該過(guò)程中如果對(duì)象亮度變化，則導(dǎo)致像場(chǎng)的照度不均.另外由于旋轉(zhuǎn)盤(pán)片工作位置的安裝對(duì)于目標(biāo)光束的不對(duì)稱(chēng)也會(huì)帶來(lái)所謂光學(xué)不同步誤差[1-2].

圖2 旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式快門(mén)Fig.2 Rotary-disc shutter

焦點(diǎn)平面式快門(mén)按運(yùn)動(dòng)方向分，有橫走式和縱走式兩種；按幕簾的材料分，有幕簾式和鋼片式兩種，如圖3所示.鋼片式比幕簾式應(yīng)用多，因?yàn)殇撈竭\(yùn)動(dòng)速度快(走完24 mm約6.5～8 ms)，在高速時(shí)縫隙寬度較大(1/1 000 s時(shí)，縫隙寬度約為3～3.5 mm)，所以曝光時(shí)間穩(wěn)定，曝光的不均勻性小.鋼片式快門(mén)還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是有效曝光時(shí)間可以更短，現(xiàn)已達(dá)到1/4 000 s、1/8 000 s和1/12 000 s.這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是幕簾快門(mén)望塵莫及的.缺點(diǎn)是動(dòng)量和沖擊較大，使得照相機(jī)拍攝時(shí)聲音大、抖動(dòng)量大.

圖3 焦點(diǎn)平面式快門(mén)Fig.3 Focal-plane shutter

2 旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式快門(mén)曝光實(shí)現(xiàn)方式

目前，空間相機(jī)中很多采用旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式快門(mén)，該方式快門(mén)可以適應(yīng)較寬的動(dòng)態(tài)范圍，并且曝光過(guò)程中均勻度較高(針對(duì)亮度變化緩慢的對(duì)象而言).另外該型式快門(mén)相對(duì)旋轉(zhuǎn)中心式快門(mén)、焦點(diǎn)平面式快門(mén)而言，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[3-4].在溫度交變劇烈的空間環(huán)境下，這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)故障率低，壽命長(zhǎng)，不易出現(xiàn)機(jī)構(gòu)卡死的現(xiàn)象，因此工作也更加可靠.很多已經(jīng)在軌運(yùn)行的空間相機(jī)的快門(mén)都采用這種方法[5-6]，如SOHO衛(wèi)星上的極紫外成像望遠(yuǎn)鏡EIT(extreme ultraviolet imaging telescope)、GOES衛(wèi)星上的軟X射線成像儀SXI (soft X-ray imager)、YOHKOH衛(wèi)星上的軟X射線望遠(yuǎn)鏡SXT(soft X-ray telescope)及SOLAR-B衛(wèi)星上的X射線望遠(yuǎn)鏡XRT(X-ray telescope).

在空間相機(jī)的曝光時(shí)間設(shè)置上，采用指數(shù)式的變化方式.這樣，有限的幾個(gè)曝光時(shí)間就能滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的要求，大大降低了對(duì)輻照時(shí)間控制裝置的控制要求.

曝光時(shí)間的確定基本公式如下：

T曝光=C12A/C2

(1)

式中C1=1.0，C2=2.0，A是正整數(shù).

本文設(shè)計(jì)的快門(mén)裝置根據(jù)上述原則，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以下27種曝光控制：

1 ms、2 ms、3 ms、4 ms、6 ms、8 ms、11 ms、16 ms、23 ms、32 ms、45 ms、64 ms、91 ms、128 ms、181 ms、256 ms、362 ms、512 ms、724 ms、1.02 s、1.45 s、2.048 s、2.90 s、4.09 s、5.79 s、8.19 s、11.58 s.

該快門(mén)控制裝置實(shí)現(xiàn)ms～s量級(jí)變化，跨度4個(gè)數(shù)量級(jí)以上.如果鋁盤(pán)上開(kāi)一個(gè)扇形孔，則電機(jī)調(diào)速范圍相當(dāng)大.如果鋁盤(pán)上開(kāi)兩個(gè)扇形的孔，孔徑大小一個(gè)為3°，另外一個(gè)為60°，中心線相差180°，相當(dāng)于兩個(gè)快門(mén)，分別用于不同時(shí)間等級(jí)的曝光.為便于下文敘述，依次稱(chēng)為S、L孔.屏蔽區(qū)1和2位于兩個(gè)通光孔之間.曝光裝置的鋁盤(pán)設(shè)計(jì)如圖4.圖中Z軸與開(kāi)孔的中心線垂直，是理想的編碼器Z(Zero)信號(hào)的中心線，當(dāng)位于3°孔的標(biāo)記槽與該軸重合時(shí)光電碼盤(pán)(旋轉(zhuǎn)變壓器)產(chǎn)生具有清零功能的Z信號(hào).這就要求鋁盤(pán)及Z信號(hào)光耦的安裝最好位于圖中的Z軸，否則先要通過(guò)實(shí)測(cè)找到Z信號(hào)的位置，然后在軟件中給定該位置量.

圖4 曝光控制裝置鋁盤(pán)設(shè)計(jì)Fig.4 Rotary disc

如何制定一個(gè)正確的電機(jī)控制策略，將決定是否準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)曝光時(shí)間.因此快門(mén)運(yùn)動(dòng)規(guī)律將決定電機(jī)的控制策略.但是無(wú)論何種曝光方式的實(shí)現(xiàn)，都遵循以下規(guī)律：

(1)掃描方式，電機(jī)通過(guò)快門(mén)時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速必須均勻，從而保證曝光的均勻性.

(2)滯留方式，電機(jī)從啟動(dòng)加速到減速停留的過(guò)渡時(shí)間要盡量小，以保證曝光時(shí)間的準(zhǔn)確性.

(3)電機(jī)待機(jī)時(shí)，光源必須定位于鋁盤(pán)的某個(gè)位置，這樣才能保證電機(jī)下次啟動(dòng)時(shí)，在光源進(jìn)入快門(mén)的狹縫之前達(dá)到勻速狀態(tài)或進(jìn)入狹縫后及時(shí)停止，并且系統(tǒng)必須能夠檢測(cè)出，任意時(shí)刻光源在快門(mén)上的相應(yīng)位置.

3 電機(jī)控制設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式快門(mén)控制系統(tǒng)框圖如圖5所示.

圖5 控制系統(tǒng)框圖Fig.5 System controller diagram

接下來(lái)將重點(diǎn)針對(duì)其中的電機(jī)控制單元設(shè)計(jì)和DSP(digital signal processor)控制器設(shè)計(jì)重點(diǎn)論述.

旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式快門(mén)對(duì)電機(jī)的要求較高，首先要求響應(yīng)速度要快，如果在開(kāi)孔進(jìn)入光路之前轉(zhuǎn)盤(pán)不能加速到規(guī)定速率，則造成曝光不準(zhǔn)確.其次電機(jī)調(diào)速范圍要寬，電機(jī)調(diào)速范圍從30～500 r/min，因此要求電機(jī)在高低速范圍內(nèi)都有良好的運(yùn)行特性.另外要求電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，由于曝光控制裝置距離電荷耦合器件CCD(charge coupled device)傳感器較近，如果運(yùn)行時(shí)候有明顯的振動(dòng)會(huì)傳遞到CCD安裝組件上，造成圖像模糊.

伺服電機(jī)按照驅(qū)動(dòng)電流波形可以分為直流無(wú)刷電機(jī)BDCM(brushless direct current motor)和永磁同步電機(jī)PMSM(permanent magnet synchronous motor).BDCM是矩形波電流驅(qū)動(dòng)，雖然成本低但是低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，高速時(shí)矩形波電流發(fā)生畸變，引起轉(zhuǎn)矩下降，所以一般用于低速、轉(zhuǎn)矩要求不高的場(chǎng)合.而PMSM是正弦波電流驅(qū)動(dòng)，更多的用于要求較高的速度和位置的場(chǎng)合.因此曝光時(shí)間控制單元選用PMSM電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)[7-8].

PMSM由永磁體的轉(zhuǎn)子和繞有三相繞組的定子構(gòu)成，三相繞組通電即會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)改變繞組內(nèi)電流大小和相位，即可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上的永磁磁極和定子上的磁極N、S相互吸引，可以同步運(yùn)動(dòng).因此，對(duì)電機(jī)的控制就是控制施加在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩，而轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生來(lái)自定子三相電流的變化.因此就要建立轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩與三相電流之間的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)控制電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的控制.

從轉(zhuǎn)子坐標(biāo)來(lái)看，對(duì)于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流iq和勵(lì)磁電流id.因此，矢量控制中常使id=0來(lái)保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩.

其中轉(zhuǎn)矩方程為T(mén)e=ρnψfiq，其中ρn為電機(jī)極對(duì)數(shù)，ψf為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈，由此建立了三相電流與電磁力矩之間的關(guān)系.根據(jù)上述即可建立PMSM矢量控制結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示.

圖6 PMSM矢量控制結(jié)構(gòu)圖Fig.6 PMSM vector-control diagram

在永磁同步電機(jī)矢量控制中，通常采用電壓型逆變器，其主電路結(jié)構(gòu)如圖7所示.其中每一個(gè)橋臂有上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件.通過(guò)調(diào)整每個(gè)橋臂上開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)間，可以調(diào)整通過(guò)三相繞組的平均電流值，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制，這稱(chēng)之為脈寬調(diào)制PWM(pulse-width modulation).

6個(gè)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)規(guī)律必須遵守以下規(guī)則：

(1)任何時(shí)刻處于開(kāi)狀態(tài)和處于關(guān)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)器件數(shù)目都必須是3；

(2)同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件由互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制，不能同時(shí)導(dǎo)通.

圖7 電壓型逆變器主電路Fig.7 Voltage Inverter

4 基于DSP的控制器設(shè)計(jì)

矢量控制盡管為高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了理論保證，但由于矢量控制算法比較復(fù)雜，對(duì)運(yùn)算處理器的性能要求較高，使用高性能單片機(jī)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)是簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、完善系統(tǒng)功能、實(shí)施復(fù)雜有效的控制策略、提高系統(tǒng)可靠性的有力保證.TI公司的TMS320F240數(shù)字處理芯片，具有高速信號(hào)處理和數(shù)字控制功能所必須的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且它還有為電機(jī)控制提供單片解決方案所必須的外圍設(shè)備，如用于模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC(analog-digital conversion)，方便脈寬調(diào)制的時(shí)鐘增減計(jì)數(shù)模式、死區(qū)發(fā)生單元、便于空間矢量脈寬調(diào)制的PWM單元、中斷保護(hù)等.因而選用TMS320F240作為核心控制器件來(lái)組成控制電路.在這個(gè)控制核心的基礎(chǔ)上，加上電流反饋的處理電路，旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)的處理電路、故障綜合和保護(hù)電路以及與上位微機(jī)的串行通信等等外圍電路組成功能比較完善的控制系統(tǒng).控制器的結(jié)構(gòu)如圖8所示.

圖8 基于DSP的控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Controller based on DSP

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)快門(mén)的不同曝光時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了多次測(cè)試和驗(yàn)證.快門(mén)的最短曝光時(shí)間可達(dá)1 ms，延時(shí)時(shí)間可調(diào).由于旋轉(zhuǎn)盤(pán)片采用鋁材，重量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，故快門(mén)在在整個(gè)打開(kāi)或者關(guān)閉過(guò)程中，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音較小，沒(méi)有過(guò)沖、失步現(xiàn)象.同時(shí)根據(jù)空間環(huán)境應(yīng)用下溫度交變劇烈，電機(jī)內(nèi)油脂易揮發(fā)的特點(diǎn)，驗(yàn)證過(guò)程中進(jìn)行了-35℃～+60℃，共計(jì)5 000 小時(shí)的壽命測(cè)試，其機(jī)械壽命可達(dá)連續(xù)開(kāi)關(guān)1 000 000 次.其尺寸、性能、壽命均滿足成像設(shè)備需求.

表1 曝光時(shí)間實(shí)測(cè)值

由上表可見(jiàn)最短曝光時(shí)間誤差最大，隨著曝光時(shí)間延長(zhǎng)，誤差相對(duì)減小.

圖9 快門(mén)實(shí)物圖Fig.9 Shutter picture

6 結(jié) 論

從應(yīng)用的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式空間相機(jī)的快門(mén)，介紹了快門(mén)的工作原理及結(jié)構(gòu)組成，總結(jié)了該快門(mén)的特點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)及測(cè)試證明研制的旋轉(zhuǎn)盤(pán)片式快門(mén)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、可靠，壽命可達(dá)百萬(wàn)次，曝光時(shí)間調(diào)節(jié)范圍大(1/1 000～10 s)，曝光量誤差最大3.0%，最小0.1%.在我國(guó)空間相機(jī)同類(lèi)快門(mén)裝置中，該快門(mén)裝置具有動(dòng)態(tài)范圍寬、曝光誤差小、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，具備空間環(huán)境下工程應(yīng)用的要求.

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Design and Manufacture of Rotary-Disc Shutter of Space Imager

ZHANG Xin， ZHOU Huikun, LI Baoquan, BAI Chaoping， SHI Chunyan

(Center of Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China)

Regarding the shutter of space imager as the research background, the advantages and disadvantages of different types of shutters are introduced. The rotary-disc shutter is selected as the research object. Starting from the mode of exposure, the control strategy of shutter is investigated. The reason for selecting PMSM motor is analyzed, and a controller based on Digital Signal Processor (DSP) is designed. Furthermore, the maximum error of exposure time is less than 3.0%, which meets the performance requirements of telescope imager.

telescope; shutter; rotary-disc shutter

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41404149).

2015-06-23

TH751

A

1674-1579(2015)06-0037-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2015.06.008

張 鑫(1977—)，男，副研究員，研究方向?yàn)榭臻g環(huán)境探測(cè)；周惠坤(1989—)，男，工程師，研究方向?yàn)榭臻g環(huán)境探測(cè)；李保權(quán)(1973—)，男，研究員，研究方向?yàn)榭臻g環(huán)境探測(cè)；白超平(1991—)，男，研究生，研究方向?yàn)楣こ炭煽啃苑治雠c設(shè)計(jì)；史春艷(1978—)，女，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)處理.