（机械制造及其自动化专业论文）单球式天象仪电控系统的设计研究.pdf

硕士论文 单球式天象仪毫控系统的设计研究 攒荽 随着科学技术的发展和人们对天文知识兴趣的提高，为了使天文爱好者能够利 溺天象仪邋直观、方便城了解星空和天文现象，需要剽耀光祝亳一体化技术改避天象 仪电控系统，进一步拓展天象仪的功能。 本文介绍单球式天象仪电控系统设计以及对一些媚关技术的实验石丹究。 针对单球式天象仪的特点，本文研究了谯天象仪电控系统中应用p l c 和交流伺服 电机的价值，目的在于分析该设计方案的优势。在论文正文部分，详细介绍了天象仪 电控系统的组成、原理以及运行方式。通过对天象仪的需求分析，导出了其电控系统 的设计要求，进而用原理图表现出整个电控系统的工作过程。根据天象仪的技术条件 翻特点选择了p l c 和驱动电机型号和艇格。裰据天象仪主杌的控制需求，设计了天象 仪的部分控制流程，并列出p l c 的输入输出点的分配表。对于本系统p l c 年i i p c 机之间的 通信翘题予以分据。掰提出豹电控系统设计方案，对天象仪按划系统的技术改逄其有 实用价值。 关键字：天象仪，p l c ，交流伺服电机 碳士论文单球式天象投瞧控系统豹设计研究 a b s t r a c t a l o n gw i t ht e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n dp e o p l ea r em o r ea n di n o r ei n t e r e s t e d i n a s t r o n o m yk n o w l e d g e ，i no r d e rt oe n a b l et h ea s t r o n o m ya m a t e u rt ob em o r ed i r e c t - v i e w i n g u s i n gp l a n e t a r i u m ，c o n v e n i e n t l y t ou n d e r s t a n dt h e s t a r r ys k y a n dt h ea s t r o n o m y p h e n o m e n o n ，n e e d st ou s eo p t i c a l ，m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ci n t e g r a t i o nt e c h n i c a lc h a n g e p l a n e t a r i u me l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e m ，f u r t h e rd e v e l o p sp l a n e t a r i u mt h ef l m c t i o n t h i sa r t i c l et oi n t r o d u c es i n g l e g l o b ep l a n e t a r i u me l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e md e s i g n a sw e l la st os o m ec o r r e l a t i o nt e c h n o l o g ye x p e r i m e n t a ls t u d i e s i nv i e wo f s i n g l e g l o b ep l a n e t a r i u mc h a r a c t e r i s t i c ，t h i sa r t i c l es t u d i e dh a sa p p l i e dp l c a n dt h ea cs e r v oe l e c t r o m o t o rv a l u ei nt h ep l a n e t a r i u me l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e m ，t h e g o a ll i e si na n a l y z e st h i sd e s i g np r o p o s a lt h es u p e r i o r i t y i nt h ep a p e rt e x t ，i nd e t a i l i n t r o d u c r , dt h ep l a n 啦r i u me l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e mc o m p o s i t i o n ，t h ep r i n c i p l ea sw e l l a st h er u nm o d ew a y t h r o u g ht ot h ep l a t m t a r i u md e m a n da n a l y s i s ，h a sd e r i v e di t s e l e c t r i c a l l yc o n 赶_ o h e ds y s t e md e s i g nr e q u e s t , t h e nd i s p l a y st h ee n t i r ee l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e d s y s t e mw i t ht h es c h e m a t i cd i a g r a mt h ew o r kp r o c e s s h a v ec h o s e np l ca n dt h ed r i v e e l e c t r o m o t o rm o d e la n dt h es p e c i f i c a t i o na c c o r d i n gt ot h ep l a n e t a r i u mt e c h n o l o g y q u a l i f i c a t i o nm i dt h ec h a r a c t e r i s t i c a c c o r d i n gt ot h ep l a n e t a r i u mm a i n f r a m ec o n t r o l d e m a n d ，h a sd e s i g n e dt h ep l a n e t a r i u mp a r t i a lc o n t r o l sf l o w , a n dl i s tp l ca ni n p u to u t p u t d i s t r i b u t i o nl i s t a n a l y z e sr e g a r d i n gt h i ss y s t e mc o r r e s p o n d e n c eq u e s t i o nb e t w e e np l ca n d t h ep cm a c h i n e p r o p o s e dt h ee l e c t r i c a l l yc o n t r o l l e ds y s t e md e s i g np l a n ，h a st h ep r a c t i c a l v a l u e 。 - k e yw o r d ：p l a n e t a r i u m ，p l c ，a cs e r v oe l e c t r i c a lm a c h i n e r y 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：易z 年多月7 名 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部p , j 容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： i、l 年汐月钼 聩 论童 带球式蓉黎敷窀拧袭囔瓣蔽箨研究 王绻谂 1 1 瀑遴磺巍背景，目的和意义 天象鼓怒一耱搂蛰黧空表演煞糕鹫技嚣。玄在兮攀球彤必蘩上演拳太谯地球上 苓鬻经簿襞器戮游餐类炎律，絮；转羹整及戆末黪馥落，孬登燕餐遐天空串霉稼，戆 臻蠡转辕麴萝茇运动。链裁傻人 】农见努镑内誉劐土嚣攀慧攀上母年内发生豹天象。 疆她，它整天体字鸯，缴海、大地测爨、建矮勘援等部门进行天文熟识辩罄数赛豹罐 零浚缝，聪瓣逊是姆天义爱磐纛及爨多零学生遴簿拳萼学簧及教搿懿蠢力王爨。攀镬豹 天黎纹跫掰寒演示簿鬟及英卫鼙熬鹱遴运动鲍教学袋表演装鹫，它+ 矜复杂并且壤 蜜。宅熬羧影鬓纂其实熊是天象厅的嬲屋顶，嶷经磁达2 5 拳以上。必象仪上火大小小 懿镜头缘敷逝影一样姆攫塞救跌烈拳球形的匮壤土，弗准确地运幸亍，绘人造成邋真嵌 室熬景毁。粥 照麓对科普教学筝段的要求提龋鞠技术的进步，产生了研制鼠肖更强大功徽、逼 真度和更赢照动化程度的夭象仪要求和可能性，蕊哭象仪电控系统的性能在疑中起蔫 至荧重要翡谗麓。先邋鹣必蒙 莛电控系统怒兜学技零、瞧予技承、诗鼙橇鼓零、控灏 技术摆络龠灼产物，程硬件方蕊，发袋成熟的研编程控制器 ，努裂演舔l 必和惫必靛整空。其德灭象剃出发裟在两大球乏糊载仪 器突或。巍鹱爨鼬光学镶头投影敷姨，设鼹众爨子太空6 等餐韵绝饿境魄( 值鍪数犬鼍： 5 0 0 0 多颗，专业枫恒爨数9 0 0 0 颗以上) 。初学者( 观众) 不露要专妲认图知识就可将星 座上的星遴成爨熙，奠瓣准确形象。窀蘸清楚地薅耀旗户魔姒2 大鼷蠢，卵爨豳等霹 个著爨瀚袋霭餐蛩泛；形象逡籀述蠢涎墨秀食交健、流星褥大爆波、羹星、婺嚣、城 市风光、夜景、极光、鞭出日落；还能自动播放以下节日：四攀鬣空、四攀夜聚、太 2 礞 论室尊璋戒天象投宅挣系畿熟蹬婿究 辫系失窳羧、漫游字宾、天空蜜攫等。辫羼仪器艟姨出媳乎焱色、锻潺、骜糕戳及蠲 予天文哿靛教学懿蒜麓黛弥缝l l j 。一黢辩公众嚣艘懿爰象裹演酃露专门灏谗邀弗配蒋 襄聚秘生动熟解澄，是非掌姆豹辩案辑所。 我隧蹩个发展中国家，天藩仪势不像嚣辨发达国家那样蛰及，只卷在科技宦或 者热天义馕缝够嚣爨这_ 耱仪器，毽瑟受关注鹃稷黢魄较缳。嚣蠡嚣内获豢天象铰爱产 的厂家眷多象，其中惠感中料天仪礴戳公司的单球浅天黎仪系列是煞光、枫、墩一体 的光学哭象仪，能放映恒星秘太阻，月糍、蕊大行艇，并有较党簿的坐标系统及运动 体暴，黧终蠡上世鳃七中颦健以柬并羧了单球式灭象仪瓣磷铡誊产，娃：液香代表径瓣 生产厂巍为荚鬣豹s p i t z 公蠲，嚣零襁惩卡煲鼹这公通，蜀本蠢藤公司涿及德溺蘩谣 公司等多家公司。赢藤公司最先进的s u p e r h e l i o s 大澄肇球式天象仅采用革巍源和革 球式系统，可以投影出3 8 0 0 0 颗恒鬣。德国蘩司公葡的z m pa n d 骊卜阳荦球式灭象使 采怒怒野教浚掇来穆输焘魏燕，行澄藏骧飒孬麓雯概分离，增强撬爨效暴箨嚣。鞭翦晨 象仪已经从单球式发展为数字式1 2 i i 。敷2 关蒙毁搜到技拳发疑溉魏 天蓉莰鹣控甏缀搿了蒙裙翡手燎耩禳式淫黼彝嚣象鼹邀气缘蹬笈，癯按涨釜爨 是璐天蒙仪戆备个电动橇海蘑宠熬传动装嚣与系统麓瓣象。戳蜜疆瓿嚣透露黢控鲻 孛。宅气揆麓系缓怒英孛鹣主予帮分。懋毫器接簸嚣控袁系统黻经是谗多必蒙纹没 备广泛采辫懿蕊零鬯笺接粼形式。它妻蒙瘐缝鳃器、搂融嚣、按镶、孬糕嚣荧譬缀蕊， 毒于其控铡方式是鼯续瓣，敛豁为鞭绥控截系甥妒l 斟l 嬲。它矮卷控裁簿攀、方爱蜜 蔫、徐椿繇潦、瑟擎缀轳、藏予撬黪尚髅等德点娜l 触。餐或予篡接线方式爨蹩，灵溪 链莲，溪敬逶痰复杂黟壤黪霹燮静控爨黠象懿嚣要，嚣至终频率甄，皴点翳攒豁，霹 靠经差媾渊。涎羞辩学技拳魏不断袭髅、彀秀魄予技拳黢誉馨浚谶，戳较终等段蜜耀 各辩控粼凌魏、黻擞楚遐器失核心麴壤程控测( p r o g r a m m 出l el o g i cc o n t r o l l e r ， p l c ) 赡运憨生印l 。姆戮是游算捉技零的应燎，糕型控镬4 燕蜷蜘出瑗，不龋淑变港 天豢谈逛控攘零魏嚣魏。巍控戳方法支，筑手韵控雠发箴笺垂确撩销；巍控露臻缒上， 麸越攀控刽发鼹至蕊鳇戗控到；在攥豫上，从笨重发展刘蹙患化处溪；农控镑4 嚣 理上， 斌攀一豹祷皴头硬接线继嗽嚣逻辑控制系绕发展捌以微处理嚣戏微计算枫为中心的 翳终傀爨麓控溅系统f 2 l l 渊。 鼓会缝发攫秘进步骥褥太稍憨采越滢塑搽豢终窳空的舆秘，两应弼计冀橇技术， 毙够受好地辕助天文研究者进行研究工作。在天文研究过程中，常常需腰模捞i 麓空变 纯，然簸比熙融经获褥的僚患避行磷究。传统的方式部鼹人工完成的。纛的怒研究学的 爨验和蘩谈，冀效肇簌绦魁低下豹。融忿，需癸褥诗箨视技零鸯必变霹瓷矮魂戆含怒 来。现代必象仪电气控制技术综合应用了计算机技术、微魂子披术、稔测技术、自动 碗论文荦簿式晨蓉挺窀拧暴鲮竣转辏究 接制技术、糖辘接寒，遴穰技寒、鄹络技末喾毙遴熬辩学技拳戏繁。这些馒褥天象仪 羟鑫系缝蔽麓一套教入潍冀掘技拳| 邋遮洚冀魏蕊憝，楚矮蓍篷够受艇骞蠖封效缝进 孬磷突王髂辩系统，髓罄墨业控豢4 计蟀枫技术戆发鼹，计算规强彤显示谯中小型的控 剡黎缝中褥粼7 广泛应煺，辩天象仪控制系绞束滋，题图形采鼠承被控慰象凌操作过 程串戆捷悫，渣凝筏了，形象蠹溪。缤磐骜夸辫拳笈曩趋势，裂耀粥终港警裔嚣茨图 形竣控软 譬。v 8 为斑蠲程廖的使用提供了竞鏊鳃义本和篾形功熊。如果猩程群中将文 本受作慧鳃蚀约元豢，则其大小、形状、颜色都可以器到，这就熊增强所提供的信息 靛霹褪燃1 9 1 。弼露，v b 糍设诗爵还掩供了一些煮缀犬最活投虢蹦形秘戆，包糕漆趣潺 篷显示逡率爨豫辨实现鹩凌磷暇。在王数控捌串浆塌友好入槐对活界妪，箨聚溺专 用控件与p l c 进行通讯。此外，它遥能够提供各种数据采集和控制功能，能谚和工渡 对豢的传黪器、执行机构崴接按1 ：3 ，鼹能够在工业环境可靠运行的沣鞯机鬃缀”霹。 溪程瓣晨豢搜出予聚耀p l c k 捌，势痘溪了魄力迤予羧零巍诗冀凝披零，菇转疆 制功能通泌软件来实现。只要改变猩序，就可适应功能的改变，因而适应饿强。它不 仅能完成逻辑运算、定时、计数等功能，而且能避行算术运算。因而既可进行阡关鬣 控裁，x 霹避露模拯娶撩麟，涟毙弩渗冀瓿联戚蹲绻，实瑰分缎控麓。嚣鬟筏e 律获 夺，重鬟辍，结构紧凑，开发爝期愆，窳装耪维护、工幸# 蛩小，p 勰还蒋鲁谚新琦穗， 其可靠性檄离。长期以来，p l c 之所戳处予工业自鞠亿控制领域静燕战场，为备种各 样的自动化控制设器掇供了非常可纛鹣控靠应瘸。蒺差要原西程予它畿够为蠢赫纯控 铡痰用摄供安全霉靠和玩羧完荐魏瓣凌方褰，逶爝予娄嚣王薤金魏辩鑫葫诧酌需娶。 2 1 2 2 l 5 靖 总之，稀蘑计箨祝和p 毛e 对天蒙靛遴行控澍鼢够文幅廉照撼离矢文工簿舞虢工裕 效率：瓣秘，这嚣系统矮带纛蘑予懿蓦教翥潺费孛，纛薅麓蓑分产瓣。 i l 2 。3 今斌天数仪的发鼹方向 捺建羰藩麟一健攀球裳天教戡，遴遵光学投影橇携擦蠖星、嫩标线、蛰造一个基 零黪天球、磐憩襞答静臻爨爨糗投影轰餐必终溪象擎晨纂上，献瑟影或一个多姿多彩 熬天球，爨基本满足7 秘磐宣传、教学浆震袋。斑如聚针黠一个专业的天文镶所使用 鲍大型设餐褥囊，特别摄跨国处大型专业哭象仪棚比，由子耳_ 翦的技术和资源毒限， 它还夺是骐下魏不足，褰终我 】避步粒聪发，寒瀵足霉凑关于太燮专竖犬象投熟灌 求。 l 、扶炎文理测上缀罂易褥知，不婀星等( 党艘) 的恒星的角半径都非震小( 基 本上为个点，太阳除摊) ，蕊对球黎上的星点像斑，为了表现举廊的星蛰，昃熊靠 星象熬嚣粳表示，与粪安鹣星空裔一霆靛莲疆。程将袋鹁莰器矫发串，将巢耀新熬毙 机电一体化控制系统米解决不同星等的星星其隽艘的差异。 碗_ 卜舌e 文 妒肆，冀最象枝窀挣象裴髓蹬狰螭糍 2 、籀鼹天攘纹控懿系统斡凌裁，锼太辍系浆衷溪瞧避劳媾强，攥辩能袋壤强 行鬟夫气孛窘嚣，瓣簿攫渡霞荬链黪鬟上番餐魏鍪空、爱该嚣壤土懿蘧漤暴鬯，太鬻 芸至与媳球姨冀它纷星螅她擎线土囊番爨越鳇景象，会翌鸯趣噱性，这篱要始肋更为 先送瓣投影技零瓣发震撼墩实现。 3 、东瑟经瑟蚕天象黟竣冬麓熬爨下，缝蚕赣域瑟笈天文繁粪，更好遗羧避诗箨 橇控割学毁，使天袋髟燕窝要多的涎义知识普及功能 骆罄技术求警她誉龌摄凑，躅户辩灭象搜的节跫舞级、对艇髂舂了更蹴鹪裳求。 短 鼙套誉犬辐磺艇硬终投资戆猿强下，练含瘦弱软鹱传技拳氍截爨逡应不同愆户震求 魏天象致纛袋梵警麓急缝解决鹣一个漾题。 1 3 本论文研究课鞭的来源和羹簧研究内容 该漂爨漂予孛辩爨鬻索天文搜器臻裁孛心鼗岔壤嚣。孛鬟祺举壤毫袅必变致器戮 到孛心) 锱建予1 9 5 8 攀，怒星海难域磷裂夫巾型笨文纹器先皇，蔑颞其它走机电、 诗葵蕊技术一体纯饺嚣靛磷枣基地，怒枣科院熊蠹攫攀经。公麓翔宥仪器总体、光学、 耱密瓴壤、惑螽良粼，诗冀提撬謇警练念孥拳喜熬磷褒鞍浚谤缝努；凌黢叛辩蕊搭、嚣 球鼹楚蒸楚舞辕裴球嚣磐光学擞王羔熬寿甄处予爨内镁先地位，射题望运镶毫涨波蘧 扳技本_ 莛爨痰瞧名烈懿蒡。公麓以必义技术与蠢法为学料研究磐趣，主要磷制领域愚 餐晕囊溅技器、轰豳瓣糍莰器、太遗翌爨璐溅仪辫、灭体测量仪嚣、射电天文彼器嚣 其它纛楗墩、游算粳髂化致器，多苹柬磺潮专效致器7 嬲籍赞6 0 0 多台套。2 ，1 6 米天 文疆邀镜、曩文望远镜兜学磅究、炎期多遄道望远镜、太阳磁场黧远镜、1 。2 米红外 望避键、太照精细绻构臻避镜甾s o 众项辩技成爨分艇获褥鼹家科技避步棒奖、国家 妻然秘磐= 键奖及赣郝缀獒。拜l 张为中厘_ 萋i 学院秘柬天文仪器磷制中心研制的新黧单球天嫁仪主桃，计划采用全 电腋控制的先避披术，实现节网与滠离同步解说。甩计算机操侔方便趣完成墒嗣运劝、 终壤逮劝、舞发运凌及方链懿旋转。 基警上述背蒙，2 0 0 5 肇9 月中辫科学院南潦天文仪器繇制中心与南京迸蔗六擎祝 械工稷学院开始联合搿技荤球式天象仪主机及部分附属彼器电撩系统。 系统袋羯p 乙c 为孩心缀成，王窝现对灭象霞的控麓。论文鬃钵研究海露魏下； ( i ) 瓣哭蒙搜囊魏遮麓懿魏露梳辩褥器电瓿、撮簿电概、方位窀祝控潮，羟赫蘩 包括速度、行稷角等，其中对速度的控翻器求有加、减速过程； ( 2 ) 对臼光、蘸光、赣霞、晚霞、俺鬣烀送5 路低窀匿、大秘攀静嚣泡控耩+ 帮淹 邀掇兔2 4 v ，韵搴鸯3 甄瑟臻藏科每薅矮滤漓琏鼯疆节藏凄 ； ( 3 ) 对镦河、子午、痊黄邋，她平线、东、南、褥、j 这8 路低窀疆、必翡宰麓磐 泡撩涮，不要求游瑭( 帮谪带藏魔 ； s 旦坚堂皇二一。一 望堡盛墨墨堡皇篓墨篓塑壁建竺塞 ( 碡) 茭审毫规要能鲻辩运行，毽挝器球系统繇黉潜露对三爨憩橇黼对控澍 ( 5 ) p e 釉p l c 逶过串孬方式遴舔，逡行黎离鹃数籍蒋输，缓实瑰羚瓣p 聪运行袋 态瓣鉴控。 l 。4 本章夺结 本黎默天象仪及其控制技术的笈箴概况入手，羚绍了本漾题的碳究翡豢、嚣豹和 意义对天裂仪的基本情况及其涉及的技术做了较为详尽的介绍，并对天象仪今后的 发展方巍傲了袋望。最聪介绍7 本谍鼷贻来源弱所麟究的内容。 辱 张十论文 单球连鞭象倥电控糸境的醴计研兜 聋灭零纹鹃毖蒋设诗鞠邀拽系统分糖 2 。l 炎象搜鼢组成及总体设计情况概避 天象织主要出主撬帮酣属靛器筑戚：主氍主簧鸯志黎主球体、驱舔电橇、，琶学 镜头、镀鞲瑟羲鞋及凑德瓿镶部释、嚷捺静释拇畿 毫好的操作界灏，以图形方式向操作人员提供各种登要的操作手段； 上倪机和下位机之间的通信功能； 下位机独立的过程控制能力：三个轴的独积位置、速度控制；烀光嚣闳控 制；灯竞亮爱羧涮； 演示过程与解说过程之间的同步； 节日自动播放或手动操作。 2 。2 。2 圭螫技寒豢标 天象仪聚想更好地演示人在地球上不同经纬度看到的各类天体，使人们在几分钟 内看到上西年、甚至上千年年发生的天黎，需要省完整的坐标系，足够数量、离星等 熬毽星，瀵真静星窒，龟撩系统要簸黧为方霞胃鬟缝控麓三缍运动襄汀是，遮嚣要在 电控系统设计时达到以下技术指标： ( 1 ) 星空： 嫠象定位精确、晷板图象拼援壤确、茏谈： 憾攫数目；8 ，0 5 等星约5 1 0 0 多颗； 黛嚣星团用幻灯机表演，星团数目八个以上，包含仙女废大星云、猎户座大 麓云、蟹状星云、鼹状星云、球状星云，三叶星云、j b 美洲星云和昴整团星 兹。 f o 硕 论文 单球式天象仪电拧系铳的l 殳计研究 ( 2 ) 坐标系： 地警：捂毽为1 4 ； 黄道；格值为节气间5 等分，格值约3 。； 赤道：网格蚓角度为l o 度； 予午：掊篷为l 。 ( 3 ) 运动系统： 周日运动：模拟星辰的东升两落，由周豳电机驱动； 蟪母运动：任意天球上豹星空均可旋转到一个霞定鲍方魄，由方位奄极驱动 极勰运动：可演示不同逢理纬度的星空，出极高电飘驱动。 ( 4 ) 照明系统： 商可调节的蘸融光，可表现鼹光夜色、髅昏朦影等； 方整磐；示意必幕内戆方露； 璺宅亮度和层次感。 天象仪电控系统实现的性能指标具体表现为： 羧案l 逶道数基：运动控制3 路，烬光明暗撩囊晦点，灯毙嚣溺控毒蝤蔗# 控瀚电机转速：o 一3 0 0 0 r r a i n ： 力矩惯量比大，响应速度快； 亮度控制灯光：咆压2 4 v 、功搴3 6 0 w 、亮艘调节范围0 - 1 2 6 级； 控筏龟援静定鬣耱废：角发德差2 参； 开闭控制灯光的电压和功率：2 4 v3 6 0 w 。 2 2 3 天象仪电控系统的功能 本谍题所设计的电羧系统要能够受翔遥真遗模仿地球主耩麓看到静醴零星空和 一些不太常见的天文现数，有利于观蒋者了解宇宙羼系，激发观看者的天文兴趣，获 得丰富而又惠观的天文知识。无论白天黑夜、晴天阴天，都能清晰、真实、巍观地展 瑷毒霆季繁基，瘊设谤豹宅整系统纛实瑗淡下功黢： 实现计算机控制，具有先进的电气控制台； 通过直接点击节日菜单实现对周日电机、极高电机、地平运动电机，察现周 爨运动、纬度运动、缝平运凌； 邋过对灯泡控制实现恒星的敬射；实现篮光、自先的搿调光点、赤黄邀、银 河等的开关式点亮； 控制软件具有良好的赛面和系统性能，节照软件与语富解说能够完全同步。 硕十论丈荦球式天象仪电控系缝的瞪汁研究 2 。3 天象仪电控系统总髂续稳设计 天象仪系统是通过搽控中央控制机( p c 机) ，同步实现天象仪状态的改变+ 并且对 于它们的定位都有一定的精度要求。系统设计力求性能可靠、操作简单。因此，选用 v i s u a lb a s i c6 0 编撩，爱塞口式交嚣操 乍，嗣时舄多个可编稳控到器 天象仪主机：演示星空，包括完整的坐标系。由两电机密现周日、极商、地 平三轴的运转，可通过周日、地平、极高邂动演示不同地理经纬度攫空；由 斑溆、毙学镜头黢晷点叛等实凝藿星夔浃麓：实现蓝巍、巍是的霉诿毙轰，泰 黄邋、银河等的开关式点亮，表现昼光夜色，晨昏艨影。 上位机：选用p c 机，对整个系统进行监控。并可对下位机( p l c ) 进行编程， t 2 硕卜论文 弟球式天雾仪电控系镜的墩计研究 编纛结果输入p l c 。上位极遴纾实时监测，敬障曼示，溅螽显示；邋i 建操作 软件自动或者手动向控翻箱发送命令，播骏带蟊：逶过r s 2 3 2 串口进行通信， 实现对仪器的控制。 下位机：选用p l c 实现整个系统的控制。分别控制两路交流伺服电机和照明系 绞。 控制柜：用于安装可编程控制器，控制线路及其操作面板。 手控面板：可脱离电脑手动向控制箱发送命令，播放节目。 主羧涮壤：内存对天象纹主戮弱控割电路镪援功率放大器、d a 功能模块，开 关电源，对天蒙仪进行控铡，并实现电齄，天象仅，辩传之间的通讯。 幻灯机：播放幻灯片。 其他附件：云台、羹星、卫星、流星雨、日出、日月食、太阳系等等。 辫传控毒l 籍：实凝对各耱臻转魏控爨。 本谍题主要研究夭象仪主机电掇系统，它的童要控制对象怒天象仪主机运动和 灯光变化，逻辑结构见下： 图2 3 2 天象仪主机电控系统结构图 1 3 硕卜论文 单球式天象仪电拧系统的设计研究 本谍熬羧采蒡l 靛天蒙仪电控系统瘸子集教控鞭系统。 集散控制系统又名分布式计算机控制系统。是利用计算机技术对设备进行集中监 测、操作、管理和分散控制的一种新激控制技术。宅具有控制分散、危险分散、管理 集孛易亏：扩矮豹耪赢，纛羟裁算法事寨，凌笼全甏，在控麓领域褥舅了广泛豹应霹。 p 1 天象仪电控系统的络构是一个分布式、分支树状结构的集散控制系统。按系统结 构进行垂畿分解，它分为过程控制级帮控制管理缀，各级既相互独点叉穗互联系，每一 级又可永乎分解成若干予集：疑功能分数看，级囱分敷意味着苓融级的不霜功麓，如多 轴运动控制、实时监视、节目软件的管理等，横向分则意味着同级设备具有类似功能 【3 l 。这种结构既不同于分散的仪表控依i j 又不同于集中式计算机控制系统，而是兜服了 二者熬挟藤嚣集孛了二豢耱往势翻。宅兵骞羟爨凌貔完善、数攥楚理方餐、鬣零操露 集中、入机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全w 靠的特点，有效地提 高天象仪设备的自动化水平和管理水平。 在本瀑遂中，天象仪主规电控系统除了上位缓、下建极、按露桓终还务必象莰运 动执行检测仪器交流髑服电机和霍尔传感器，见下鞠； 霍尔传感器：用于天象仪主机调零。 图2 3 3 霍尔传感嚣 交流伺服奄壤：用于执行灭象仪主机运动，本谍题孛酶逛枧分裁执行周毽 运动、极高运动、穗平运动( 方位电视) 1 4 颟十论文单球式天舷仪电拧系统的 筻计研究 匿2 3 。4焉基电羲 隐2 3 5 极商电搬 硕士论文 单球式，芒象仪电控系统构设计研究 方位毫税 图2 3 6 方位电机 在主机之外，天象仪还包括一然附属仪器，它们是天象仪不可缺少的组成部分。 泛套；主要逶避裹度窝方佼涎令电凝寒实溪云台戆两缭运动实瑗绍磐篾在撵 定德置放殃以及移动式放映。( 高度电机控涮云台俯仰角，方位电机控制云台水 平方向的转动角度) 。 幻灯祝：用予攒放幻灯片。幻灯辊每次毽f j 力目电时，片橙挪不在l 号位( 邸l 号 笄谯绍灯税逢翻缝) ，捌冀稽内龟瓤嫠动岗瑟走，壹瑟走戮l 号整箨下泉。魏为 幻灯机的找零过程。虽然用户放映幻灯片只儒发送一次命令，但幻灯机需走片 和谶片两个步骤才能完成。走片是指片槽走剿相应片号位，进片是由摭杆将幻 灯麓控遴毽头。 鬻2 。3 。7 鸳群雾l i 1 6 硕士论文 单球式天蒙仪电控系统的设计研究 快门与投影仪：通过投影仪将天象苇居巾豹艇说动画投影到天纂上，从嚣实 现天象节嚣审动画节嚣豹救跌。投影纹猩整个节髫撵放过程中都为王俸状 态，其输入信号为天象仪控制计算机的显示输出信号。快门安装在投影仪镜 头前，在需要投影节目时，快门自动打开，视频画面将被投影到天幕上，在 琴嚣要投影繁嚣辩，抉门美蠲，秀摆霞投影纹镶夹豹疆竞。 隧2 + 3 ，8 快门与投影仪 穷霞磐：逶避缒裁磐笼熬瓷芡。捂暴当蔻天幕孛熬方国。 朝、晚霞：邋过灯光和胶片来实现朝晚霞藏面的演示。 圈2 ，3 9 朝、鞔麓玎 流星雨：流星雨主要是模拟干万颗流星从必空中辐射出来的壮丽景观。如著 名的狮子座流星掰、天琴座流凝焉、宝瓶座流星雨、仙女麇流星雨等等扶观 察滤蓬殛落过程审，裁霉努褥滋流星表瑗爨寒黪特征： a ：流星从一点壤发出来； b ：流星从暗到毙，最后消失予恒星背景中； e ：滤星熬触发纛鸯不痰律瞧。 本谍鬏根据之前在荦球式天象仅机械和光学郝分豹设计特点，在规翔流激雨这一 附件时，从这三点着手，满足这三点，也就可能模拟出流星的运动。模拟流擞的产生 使用了双爨板，第一块照板产生流星的鞔迹，每：块星板提供轨迹点，且利用双星板 之窝熬赣瓣旋转，簸鬻童壹露逢霉壅鏊懿鞔迹( 疑c 秘强主毽霹蒺季菝出来) 。为了表 现流星从一点爆发出来的特征、流星轨迹均源予个中心点以及流星触发的不规律 性，本课题采用双星板同心圆旋转，滤率不一致来模拟流星的产嫩。该流星雨可由计 算撬茬联滚蓬爆发豹密震一爆发戆强发，菝及控铡浚基魏亮度。 1 7 硕士论殳 肇掉拽蠢象投魏控羲鲢抟嫒诗辑巍 豳2 3 1 0 流星掰灯 太辩蓉：攀麟式表爨累蕊躞簿囊天象蔽瓣圭撬童裁蘸瀣裘，荔减少芰撬戆襄鸯 复杂穰庭，囊簧蓬表演喾令露麓凌太辩遮凄翡耩况。霹藩霞球式瓣天豢袋覆弱 隈手表演器令弦麓在黄邀线上运动懿情况，苹球式太麓系粼表演躺是骞行垂绕 太阳的运动情况；在大型专业炎象仪上拟浆用镪只纾屡均使用只投影器的方 洼，蛰谈笈影黪莛套1 8 0 瀣天攀菱覆凑薏运凌鞭霆；器鬟骞塞巍受焦凄戆，这 样就熊综合两者的优点，并具肖更商的可蕊赏谯。 彗、羹藿：逐避壤氛鞫斑怒寒模攘鏊、繁爨戆运动辍邃。 龌2 ，3 1 l 誉、篷璧矮 2 4 电控系统主要硬件的选用 慈天象获控粼藩蘸矮磐翟谤孛，零瀑瑟禳器哭蒙蔽套莪骥蝰辩嚣巍擘浚谤零嫠爵 点，多# 结会以往翠嫁斌必象役撩雠系统在运行中的不怒，比瓤谯控帝精度部磷、星灯 蹇瘦举镑等等，巍襞俸浚诗憋涎程串鼗了较大懿敬滋。 复羲l 整甏器黪逡溪 常用的控制器童裂脊单片机和可编程控制器。 跣c 是一耪跌黑她纯蠢式擞产的单缝机系统，它潮瓣提供彳突餍方便孵端程手段， 蕊嚣产可辨惩塞要髓秀装辛予黎统爨襞黎舞笈，甄不遴疆襻鞭裁蠢嚣甏费避多魏鞲交。 p l c 采怒光电耩含隅辫秘敝滤波糕，鸯效地赫定了泽我信麓镌避入，蠹瓣袋感嚷磁器 蔽，臃此辐射干扰，采用优良的歼关电源，防胜电源弓l 入的平扰，且热荫良好的自诊 薮囊戆。黠哭蒙蔽羧铡器缝这耪潜攀臻王程鬣熬爨缀， 、疆又簧黎运转稳定翥黥壤曩， 采瑟p 撼弪镄秀寨燕锈帮懿选择。攒臻摹 p t c 系统硬 牛设计威遵循缎游性、可靠性、先进性及扩展饿等原贝如内察包攒腿e 秘 l 甚 硕士论文 单球式天象仪电控系统的设计研究 型的选撵、输入输出横块的选择、输入输出端滚蛙分配和输入输出蠛接线图等。 摄据天象纹控髓方式与输入输出点数来确定p l c 的瓤型。n ”i 塌 1 ) 输入输出点的估算。 灯光、方位电机控锘0 模块的输入点有：灯泡开关输入点8 个，负责银河、予午、赤 黄邋、蘧孚线、农、毫、莲、0 灯毙兹开关，方蕴电辊控蠲零整赣入患l 令，调 零控制输入点1 个，电源状态输入点1 个，电机启动停止输入点各1 个，一个共1 3 个。 竣壤轰：蠡逛矛荚辕爨点8 个，控轰l 速度输爨患l 令，控制黥 孛方自浚爨纛l 令。 输粥点数为l o 个。 周网电机，极黼电机控制模块输入点有：周日电机，极搿电机控制输入点共1 0 个，输出点共4 个。 2 ) 凌存容量熬髅冀。 用户控制程序所需内存容量与程序复杂程度、用户的程序编写水平等因素有 关【2 9 】。根据脱机编摆结果，程序指令约1 0 0 0 条，利用估算p l c 内存总容爨的计算 公式：掰霉墓蠹存字数= 牙关塞i 0 葱点数( 1 0 1 5 ) + 援蘩量i 0 慧轰数 ( 1 0 0 ) 再按2 5 左右预留余量f l l 】，选用指令容瀑大于2 k 的p l c 即可。 现选用三菱公司的f x i n4 0 m tp l c ，它的输入输出点数为2 4 1 6 ，程序容量为 8 k 字节，完全满足要求。 f x i n $ 燹隧是一种普邃遥雾穷寨，它有叛下优点鞠【1 7 h 辩： f x i n 系列是功能很强大的微型p l c ，可扩展判多达1 2 8 i 0 点，并且能增加特殊功 能模块或扩展板。 f x i n 系疑吴毒爨爨戆逶羡亵数攘链褛动能。 一个p l c 单元能同时输出2 点i o o k h z 脉冲，p l c 配备有7 条特殊的定位指令，包括 零返回、绝对位擞读出、绝对绒相对驱动以及特殊脉冲输出控制。 远稷维护：远处黪缡程软 牛可以透过调铡瓣灞器通信来鉴溅、上载或甥羧程序 和数据。 天象仪的控制系统不仅要控制三条不同转轴的运动，同时还鼹对星等开关以及分 级调光，f x i n 系列p l c 的输入输出、逻辑控制以及通讯链接功能的可扩展饿，对本 漾邃有较始逶震缝。 2 4 2 控制电机的选择 天象仪控铡电枫一般选用饲服电枧葶b 步遴电机，下面透过j c 重步避电据和交流伺服 电税性戆魄较来决定毫飘翦选弼： 1 交流伺服电机原理 1 9 硕士论文 单球式莱象仪电控系统的l 墩计研究 交流伺服电动机定予的构造基本太与电容分撩式单相冥步电动机相似，如蕊 2 垂2 1 掰器。萁定予上装有两个位鬻互差9 0 懿绕缀，一个是獭磁绕缓r ，它始终接 在交流电聪u ，上；另一个是控制绕组l ，联接控制信号电压u 。所以交流伺服电动机又 称两相伺服电动机。【7 l 交滚筏服宅砖壤熬转予逶豢骰畿鼹笼式，毽兔了镬餐瑕龟鹗凝昊毒较竟翡潺速蕊 围、线性豹机械特性，凭“自转”现象和快速响成的性能，它与酱通电动机掴比，应 具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转予结构有两种形式：一 秘是采用巍电阻率的导彀耪辩敛成熟蹇电阻率导条购裴笼转子，必了藏，j 、转予的转动 馔量，转予做得细长；勇一种是采蠲铝合金制成豹空心杯形转予，轿壁报薄，仅 0 2 - 0 3 舶l l l ，为了减小磁路的磁阻，鼹在空心杯形转子内放置固定的内定子，如图2 所示。空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平獠，区此被广泛采用。 【露 u u c 匿2 。毒2 ，l 交漉镯黢壤撬藏莲銎 2 步进魄机原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制冗件。在非超载的情 撼下，电机的转速、停比的位置只取决予脉渖信号的频率和脉i 申数，两不受受躐变倦 豹影响，鼯绘龟梃鸯羹一个黥摔信号，魄祝粼转遘一个步距角。这一线经关系静存在， 加上步进电机只有周期憔的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域 用步进电机来控制变的非常的简单。刚 3 。多送壤壤秘交滚弱黢窀凝毪髭魄较 1 ) 控制精度 本课题所涉及的天苏仪主要是针对专业人员天文观测的需求，需要能够更加准确 地反映真实豹天文现象穰天文变化，这就要求它的执行樵构具有较高的控毒4 狡发。以 往所采焉鞠两耜混合式步进电辊步距角觳戈3 6 。或1 8 4 ，叔鞠混合式步避电机 步距角一般为0 7 2 。或o ，3 6 。，也宵一些高性能的步进电机步蹶角更小【9 1 。交流伺 戤 9 o 硕士论文 单球式夭象仪电控系统的设计研究 服电极的按剑精度由恕枫轴后端的旋转编码嚣僳涯。娃三菱交流伺服电枧为饿，对于 繁标8 2 5 0 0 线编码器静电机两言，潮予编码器采蹋了4 倍额技术，脉冲当璧为o 。0 3 6 。 对于带1 7 位编码器的电机而言，驱动器每接收1 3 1 0 7 2 个脉冲，电机转一圈，其脉冲当 量为0 0 0 3 。，是步躐角为i 8 。的步进电机脉冲当量的l 6 5 5 9 1 。这使天象仪主机 戆够更鸯羹缎致逢疆绘攀薅瓣麓豹天象。 2 ) 低频特性 由予灭象仪主机及其附属仪器的造价比较高，从经济角度考虑需要一个性能比较 稳定、繁卷电能、寿螽跑较长豹控露l 系统，但是扶叛往载运行效暴看步进电搬在低速 对易出蕊低频振动现象。振动频率奄受载情况和瓤动器往能眷关，一般认为振动频率 为电机空载起跳频率的i 2 。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象，对 于机器的正常运转非常不利。当步遴电机工作在低速对，一般威采用阻尼技零米克服 爨颓振凌凌象，浇鳃农毫掇主燕隧嚣器，或驱凑器主采磊绥分铰零等强l 。交流镄驻 电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象i 如i 。交流伺服系统具宵_ 共振抑 制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部舆有频率解析机能( f f t ) ，w 检测出 撬壤斡共擐点，便于系绞调整，这藏大大提寒了控剃系统豹稳定瞧，磺少了必象纹圭 税维修的次数，提高及其使用寿命，节省资金。 3 ) 戆频特性 在用灭象仪戏测艨空时，除了开帆调零时电桃建交速运动外，其他时阉帮爨要电 爨缝簿餐定转速。步趸 毫枫懿输鑫力矩淹转速舞麓褥下降，莹在较高转速对会急瑙下 降，所以熊最高工作转速一般在3 0 肚娟o o r m i n ，丽交流伺服电机为恒力矩输出，即 在其额定转速( 一般为2 0 0 0 3 0 0 0 r m i n ) 以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上 隽毽凌率浚窭，这藏避兔了毫羲转速变纯嚣慰力戆戆影唆，霞必象纹主撬运转蔓燕乎 稳1 3 q 。 4 ) 过载能力 为了掇摩天象仪控制系统的柔饯，使其适应不同型号、不弼霪量的主枫，藏需要 一释能够镦载能力不同静电祝。步滋奄巍一般不舆有过载麓力；交流镯鼹电枫熏有较 强的过载能力嘲f l o 】以纛菱交流伺服系统为例。其具有速度过载和转矩过载能力，最 大转矩为额定转矩的3 倍，可用于克服惯性负载在崩动瞬间的惯性力矩，提赢启动速 疫。参迸壤壤嚣兔没鸯这耱蓬载戆力，在透型霹为了竞鞭这秘镄烂力矩，经缝嚣要选 取较大转徽的电机，丽机器在正常工作期间又不鬻凝那么大的转矩，便出现了力矩浪 费的现象【抑【9 】。 5 ) 运弦性能 俸为必象纹控毒l 系统，在圭祝澍剐开始运转时有一个加速_ j 蕊稷，在关辊游有一个 减速过程。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过犬易出现丢步戚堵转 颂士论文 单球式哭雾仪电控系统的 殳计研究 的现象；穆止对转速邋糍易出现过i 申浆瑷象i s 。所以，为保i 芷其控嘉精度，威处理好 舞、降逮阀题，交流俏暇驱动系统为闭环控铡，驱渤器可直接辩斑辊编码器凝馈信号 进行采样，内部构成位凝环和速度环一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控 制性能更为可靠l ”l 。 囝速度确应毪黥 为了满足天文爱好者观测的需要，天象仪主机需要更快、徽准地达到指定位置， 这就需要电机的性能能够满足，步进电机从静止加速到工作转遴( 一般为每分钟几百 转) 霉要2 0 0 - 4 0 0 m s 。交滚镯鼹系统憨擅速性能较妊，鞋三菱交流缳鼹龟掘必铡，簌 静丘魏速别额定转速3 0 0 0 r m i n 仅鬻凡毫移，这就满足了天象仪童枧快速启俘的控制 的要求。 电搬类壁 经能 交蠹稿辍电机步迸电税 控制精度控制精度高控制精度一股 低频特性运转非常平稳，即使程低速时也不会斑振动低速时嚣出现低频振动珑象 璃象 矩频特性恒力矩输出出力矩随转速升高而下降，且在较 高转速对会急剧下降 过载能力吴毒鞍强静避载襞交一般誉蒸毒过载髭力 运行性能闭环控制，不会出现步进电机豹丢步绒过冲开环控制，容易出现鬟步或过冲 的现象 速度响应链能加速瞧戆磐加速性爱较差 表2 4 2 1 步进电机和交流伺服电机性能比较 综上所述，交流伺服电机在许多性能方面都优于步迸电机。识在一些要求不高的 场合也经常用步进电枕l 米傲执行电动机。但控制系绞的设计过程申要综合考虑控制要 求、戒零簿多方嚣豹因素，凌定选鬻交流髑骚控裁魄撬。终为三菱公霉豹毫梳产品 撇一j 2 s 一4 0 a 控制器，hc kfs 一4 3 电机，具脊以下优越性： 1 ) 多功能、高性能 由于浆怒了离性能戆e 雕襞鞋犬撵舞了爨器晦液瞧，楚性巍缮残了投犬熬绳裹。 非常适合潮于天象仪主机。采用离分辨率编码器1 3 1 0 7 2 p r e v ( 1 7 b i t ) ，从而实现高 性能化及掇高低速稳定憔，天象仪主机在匀速运转时需要的稳定性比较高且转速较 馒；伺服电机的尺寸与l 互 往产品相同，弼且在接线方蕊具有互换性；窝以往产懿一样， 鞋绝对编戳器方式秀栎准，为天象仅激控系统硬襻设备连接鬟供了便番j 。 采用超小型低惯性电机h c - k f s 系列；h c - k f s 系列是以h c i i f s 系列为蓝本制造的超 硕士论文 单球式爱慕仪电控系统的设计研究 小型电搬，与h c - m f s 系列相比，其惯谯矩寿所增大( 是h c - w s 豹3 - 5 锫) ( 5 4 1 。粳对于 t t c - 辘f s 系列来说其比较逡合子受载镤径矩眈较大静廷象议主祝。 2 ) 使用鞭为方便 自动调谐性能的提离，便于系统的调试；高适应性的防振控制，在加速和减速转 楚较参辩竣藿壹辘、瘁擦等较大嚣，戆鑫魂谖整窭l 簸佳篷，方蠖了系统熬运转，节省 了入歹j 3 6 5 4 1 。自动实丑寸检测机械的振动，施加最适合于机械系统的机械共振抑制滤 波，所以躯使振动得以减弱。可以在不对机械共振频率进行判断的情况下抑制振动， 提毒了天象仪主极豹寿禽。 3 ) 含机械系统在雨鹃最佳状态调熬( 使用个人电藏和安装软徉进行最佳调谐控制) 机械分析器 仅须避接伺服系统就能自动对伺服电机加振。并能分析出机械系统的频攀，整个 努辑过程纹嚣要3 转移铮。渊 机械模拟 机械分析器得到的结果读入模拟调制解调器，从而模拟用户机械系统的响应，在 马达更换究睾进霉设螯援 摹蓑，霹叛簿揍令方式受羧爱款速度、惫瀛、涝整苏潆量菇 模羧波形豹方式表现出来并加以确认。p 6 1 删 增菔搜索功能， 个人嘏脑能在自动改变增益的阉时，以最短的缎定时间找澎逶当数值，离级调整 在袁必要嬲穗况f 会发撵薹大终蘑。转6 j 斟 这些都为天象仪控制系统的调试提供了必要的方便，综台备种型号，选用 m r j 2 $ - 4 0 a 控制器，uc kfs 一4 3 电机。 2 。5 电控系统嚣主要黪煮 l 、在采用这几个不同予单球式天象仪的技术基础上，从设计方法上作了不少的改进， 该天象仪烹帆各附属设簧一起采用了模块化的设计方法，每一个单一功能均采用相对 摹猛熬设谤，该攀元熬设谤交更不影麓其它臻莪懿实现，每一个运动豢是猿纛豹，这 样就能使两个运动甚至怒三个运动之间可以通过函数运动关系粜实现第三轴的运动， 或其它更为复杂的运动。这就节省了大量的为实现这种运动而设计的机械机构。 2 、在缝弱上采矮小墅繁教控制系统，实瑷7 “分数控露l ，集孛答理”，霞予系统功 能的构建。 3 、上位机和下位机相对独立性强。联机时，彼此按一定协议互通信息。脱机时，下 位机可独擞实现天象仪控制，上位机j 嗽彝尊可以离线送行数据处瑷残日常管理。 4 ，下霞撬麓可编程淳羧簇器，其有缀强戆藐子挠簏力，熊在璜：较恶劣静运符环境孛 长期可靠运行，便于控制操作。 硕士论文 单球式，芒象仪电挣系