旋轉(zhuǎn)盤片式空間相機(jī)快門的設(shè)計(jì)與研制*

張 鑫，周惠坤，李保權(quán)，白超平，史春艷

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

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旋轉(zhuǎn)盤片式空間相機(jī)快門的設(shè)計(jì)與研制*

張 鑫，周惠坤，李保權(quán)，白超平，史春艷

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

以空間成像觀測中應(yīng)用的快門裝置為研究目標(biāo)，介紹了目前在空間相機(jī)中應(yīng)用的幾種快門型式，并分析其優(yōu)缺點(diǎn).選取旋轉(zhuǎn)盤片式快門作為研究對象，從曝光方式出發(fā)，研究快門控制策略，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)行了快門曝光時(shí)間的測試，最大誤差3.0%，最小誤差0.1%，測試結(jié)果滿足任務(wù)需求.目前該裝置在國內(nèi)同類快門中具有動(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；旋轉(zhuǎn)盤片式快門

0 引 言

隨著人類空間活動(dòng)的逐步增多，諸多衛(wèi)星內(nèi)部安裝了空間相機(jī)，而快門裝置是其中的關(guān)鍵部件.快門裝置是一種由驅(qū)動(dòng)器控制的機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)光線入射時(shí)間避免感光器件曝光過度.在空間環(huán)境下應(yīng)用快門裝置有特殊要求：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，對快門裝置溫度適應(yīng)性要求較高；另外對快門裝置可靠性要求高，在長時(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)的快門裝置，內(nèi)部軸承和活動(dòng)關(guān)節(jié)應(yīng)使用無脂潤滑.

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

1 空間相機(jī)快門型式介紹

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

旋轉(zhuǎn)中心式快門的光孔是從中心打開，然后向中心關(guān)閉(見圖1)，所以快門的正光性好，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Fig.1 Leaf shutter

旋轉(zhuǎn)盤片式快門的結(jié)構(gòu)最簡單，它與旋轉(zhuǎn)中心式快門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.見圖2所示，當(dāng)光孔直徑較大時(shí),不僅使快門的結(jié)構(gòu)尺寸和葉片的重量增加,無法得到較短的曝光時(shí)間,同時(shí)大直徑的盤片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)容易引起振動(dòng),破壞儀器的正常工作.旋轉(zhuǎn)盤片式快門的缺點(diǎn)是對于亮度快速變化的對象，成像正光性不好.因?yàn)楸P片在工作過程中是從物鏡的光孔一邊掃向另一邊，該過程中如果對象亮度變化，則導(dǎo)致像場的照度不均.另外由于旋轉(zhuǎn)盤片工作位置的安裝對于目標(biāo)光束的不對稱也會(huì)帶來所謂光學(xué)不同步誤差[1-2].

圖2 旋轉(zhuǎn)盤片式快門Fig.2 Rotary-disc shutter

焦點(diǎn)平面式快門按運(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Fig.3 Focal-plane shutter

2 旋轉(zhuǎn)盤片式快門曝光實(shí)現(xiàn)方式

目前，空間相機(jī)中很多采用旋轉(zhuǎn)盤片式快門，該方式快門可以適應(yīng)較寬的動(dòng)態(tài)范圍，并且曝光過程中均勻度較高(針對亮度變化緩慢的對象而言).另外該型式快門相對旋轉(zhuǎn)中心式快門、焦點(diǎn)平面式快門而言，具有結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)[3-4].在溫度交變劇烈的空間環(huán)境下，這種簡單的結(jié)構(gòu)故障率低，壽命長，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.

該快門控制裝置實(shí)現(xiàn)ms～s量級變化，跨度4個(gè)數(shù)量級以上.如果鋁盤上開一個(gè)扇形孔，則電機(jī)調(diào)速范圍相當(dāng)大.如果鋁盤上開兩個(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，分別用于不同時(shí)間等級的曝光.為便于下文敘述，依次稱為S、L孔.屏蔽區(qū)1和2位于兩個(gè)通光孔之間.曝光裝置的鋁盤設(shè)計(jì)如圖4.圖中Z軸與開孔的中心線垂直，是理想的編碼器Z(Zero)信號的中心線，當(dāng)位于3°孔的標(biāo)記槽與該軸重合時(shí)光電碼盤(旋轉(zhuǎn)變壓器)產(chǎn)生具有清零功能的Z信號.這就要求鋁盤及Z信號光耦的安裝最好位于圖中的Z軸，否則先要通過實(shí)測找到Z信號的位置，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.因此快門運(yùn)動(dòng)規(guī)律將決定電機(jī)的控制策略.但是無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)通過快門時(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)必須能夠檢測出，任意時(shí)刻光源在快門上的相應(yīng)位置.

3 電機(jī)控制設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)盤片式快門控制系統(tǒng)框圖如圖5所示.

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

接下來將重點(diǎn)針對其中的電機(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)盤片式快門對電機(jī)的要求較高，首先要求響應(yīng)速度要快，如果在開孔進(jìn)入光路之前轉(zhuǎn)盤不能加速到規(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，通過改變繞組內(nèi)電流大小和相位，即可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，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，通過控制電流來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩的控制.

從轉(zhuǎn)子坐標(biāo)來看，對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Te=ρnψfiq，其中ρn為電機(jī)極對數(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)開關(guān)器件.通過調(diào)整每個(gè)橋臂上開關(guān)的通斷時(shí)間，可以調(diào)整通過三相繞組的平均電流值，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制，這稱之為脈寬調(diào)制PWM(pulse-width modulation).

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

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

(2)同一橋臂的兩個(gè)開關(guān)器件由互補(bǔ)的驅(qū)動(dòng)信號控制，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，針對快門的不同曝光時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了多次測試和驗(yàn)證.快門的最短曝光時(shí)間可達(dá)1 ms，延時(shí)時(shí)間可調(diào).由于旋轉(zhuǎn)盤片采用鋁材，重量輕，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，故快門在在整個(gè)打開或者關(guān)閉過程中，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音較小，沒有過沖、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)證過程中進(jìn)行了-35℃～+60℃，共計(jì)5 000 小時(shí)的壽命測試，其機(jī)械壽命可達(dá)連續(xù)開關(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)測值

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

圖9 快門實(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)盤片式空間相機(jī)的快門，介紹了快門的工作原理及結(jié)構(gòu)組成，總結(jié)了該快門的特點(diǎn)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)及測試證明研制的旋轉(zhuǎn)盤片式快門運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、可靠，壽命可達(dá)百萬次，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%.在我國空間相機(jī)同類快門裝置中，該快門裝置具有動(dòng)態(tài)范圍寬、曝光誤差小、壽命長的特點(diǎn)，具備空間環(huán)境下工程應(yīng)用的要求.

[1] 胡杰鋒.旋轉(zhuǎn)扉板百葉窗快門的理論探討[J].長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào),1979,02:41-53.

[2] 徐鵬,黃長寧,王涌天，等.衛(wèi)星振動(dòng)對成像質(zhì)量影響的仿真分析[J].宇航學(xué)報(bào),2003,24(3):259-263. XU Peng， HUANG Changning， WANG Yongtian， et al. Modulation transfer function in push-broom camera limits resulting from mechanical vibration[J]. Journal of Astronautic， 2003， 24(3)： 259-263.

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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；周惠坤(1989—)，男，工程師，研究方向?yàn)榭臻g環(huán)境探測；李保權(quán)(1973—)，男，研究員，研究方向?yàn)榭臻g環(huán)境探測；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.