Technische Seminar 2015 Das Steuerungs- und Antriebssystem des CTA-Teleskopes, ein 12m-Cherenkov-Teleskop

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1 Technische Seminar 2015 Das Steuerungs- und Antriebssystem des CTA-Teleskopes, ein 12m-Cherenkov-Teleskop Ronny Sternberger, Jörg Schultze Zeuthen, 14. April 2015

1. Einleitung (1/2) Cherenkov-Teleskop-Array (CTA): - Observatorium für erdbasierte Gamma-Strahlen-Astronomie - Zwei Teleskop-Arrays sind geplant (eins auf der Nord-, eins

2 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 Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 2

1. Einleitung (2/2) - 3 Teleskoptypen mit

3 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) Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 3

4 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 Prototyp in Berlin-Adlershof 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 Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 4

5 2. MST-Prototyp (2/9) Allgemeiner Aufbau eines MST: Teleskopkamera CCD Kameras Kamera-Support- Struktur Optische Support-Struktur Kopf mit Azimut- und Elevations-Antriebssystem 88 Spiegel mit aktiver Spiegelsteuerung Gegengewichtsstruktur Turm mit Schaltschränken Fundamente Kameralock Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 5

6 2. MST-Prototyp (3/9) Turm und Azimut-Antriebssystem: 8 m Ø ~2 m Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 6

Maximale Geschwindigkeit: 6 /sek (last-seitig) -

7 2. MST-Prototyp (3/9) Turm und Azimut-Antriebssystem: 8 m Azimut-Achse: angetrieben durch 2 Motoren - Fahrbereich: Maximale Geschwindigkeit: 6 /sek (last-seitig) - Gesamt-Getriebeübersetzung: : 1 Ø ~2 m Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 7

Maximale Geschwindigkeit: 1,7 /sek (last-seitig) -

8 2. MST-Prototyp (4/9) Kopf mit dem Elevations-Antriebssystem: Kopf Joch Elevationsachse: 2 Schwenktriebe mit je 2 Motoren - Fahrbereich: Maximale Geschwindigkeit: 1,7 /sek (last-seitig) - Gesamt-Getriebeübersetzung: : 1 Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 8

9 2. MST-Prototyp (5/9) - Antriebsüberwachungssystem zur vorausschauenden Wartung: Rohdaten 12 Messpunkte: Azimutachse: Elevationsachse: 8 Sicherheits-SPS: Start der Messung Empfang Alarmsignal Trends FFT Auslese und Signalkonditionierung Zugriff auf Datenbank erlaubt: 1. Visualisierung von Trends 2. Kontrolle der Messung 3. Offline-Analysen Signalanalyse und -verarbeitung Datenbank in Array-Control Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 9

10 2. MST-Prototyp (6/9) Antriebs-Schaltschrank: Als Teil des Sicherheitskonzepts sind alle Komponenten redundant ausgelegt! Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 10

11 2. MST-Prototyp (7/9) AMC-Schaltschrank: - Versorgung aller Spiegel erfolgt über 2 getrennte 24VDC Ausgänge - Hohe Ausgangsströme (je 80A pro Ausgang) 2 Leistungsteile arbeiten pro Kanal im Parallelbetrieb Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 11

12 2. MST-Prototyp (8/9) Spiegel Schrittmotor mit Elektronik Jeder Spiegel hat 2 Schrittmotoren zur aktiven Spiegelverstellung 2x 88 Spiegel = 176 Motoren Bei 2x 80 A als Einspeisung macht das <1 A pro Motor Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 12

13 2. MST-Prototyp (9/9) Übersicht der Energieverteilung und der Schaltschränke im Turm: Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 13

14 3. Antriebs-Regelungssystem 1/7 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 Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 14

15 3. Antriebs-Regelungssystem 1/7 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: Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 15

16 Moment [pu] 3. Antriebs-Regelungssystem 2/7 c) 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: Tracking Schwenken Motor 1 Soll- Moment- Differenz Motor 2 Geschwindigkeit [pu] Kein Zahnspiel! Beide Antriebe liefern Drehmoment! Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 16

17 Achsposition [Grad] 60 Gesamt-Moment [Nm] Achsposition [Grad] 360 Gesamt-Moment [Nm] 3. Antriebs-Regelungssystem 3/7 - Verhalten der Regelung beim schnellen Schwenken des Teleskops: a) Azimutachse: Verfahrbereich Beschl. konstante Fahrt Az Motor 1 Az Motor 2 Bremsung Zeit [sek] 78 sek Zeit [sek] b) Elevationsachse: Verfahrbereich Beschl. konstante Fahrt El Motor 1 El Motor 2 Bremsung 50 sek Zeit [sek] Zeit [sek] - 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 Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 17

18 3. Antriebs-Regelungssystem 4/7 d) Motorregler: In jedem Antriebssteuerteil standardmäßig integriert Enthält einen modernen Kaskadenregler mit Positions- Geschwindigkeits- und Stromregler erhöht die Regelgenauigkeit gegenüber direkt wirkenden Reglern Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 18

19 Achsgeschw. [rpm] Motorgeschw. [rpm] Achsgeschw. [rpm] Motorgeschw. [rpm] 3. Antriebs-Regelungssystem 5/7 - Gleichlaufverhalten der Motoren bei typischen Tracking-Geschwindigkeiten: a) Azimutachse: Soll-Geschwindigkeit Motorgeber 0,09 /min Az Motor 1 Az Motor 2 b) Elevationsachse: Zeit [sek] Soll-Geschwindigkeit Motorgeber Zeit [sek] 0,03 /min El Motor 1 El Motor 2 Zeit [sek] Zeit [sek] Die Motoren zeigen einen sehr guten Gleichlauf! Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 19

20 3. Antriebs-Regelungssystem 6/7 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 Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 20

21 Achsposition [ ] Moment-Differenz [Nm] Achsposition [ ] Moment-Differenz [Nm] 3. Antriebs-Regelungssystem 7/7 - Reales Verhalten der geteilten Elevationsachse: a) Schnelles Schwenken: Bewegungsbereich Zeit [sek] Zeit [sek] b) Tracking: Bewegungsbereich Zeit [min] Zeit [min] Der integrierte Regler funktioniert und verursacht keine Probleme! Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 21

22 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 Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 22

23 Vielen Dank! Ronny Sternberger Technische Seminar April 2015 Page 23

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