Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Antriebstechnik für das größte Teleskop der Welt

24.11.2011
Hybrid-Antrieb kombiniert große Stellwege mit Nanometerpräzision

Die Auflösung erdgebundener Teleskope lässt sich durch große Hauptspiegel verbessern, die sich ab einem Durchmesser von ca. 8 m nur noch als segmentierte Spiegel realisieren lassen. Damit die riesigen Spiegel trotz Windlast oder Schwerkrafteinwirkung in Form bleiben, sind für die einzelnen Segmente steife Antriebe erforderlich, die einerseits mit großem Verfahrweg arbeiten, andererseits aber auch eine nanometergenaue Positionierung ermöglichen.

So genannte Hybrid-Antriebe, die einen Spindel-Motor-Antrieb mit einem piezoelektrischen Aktor kombinieren, bieten hierfür die besten Voraussetzungen. Für das European Extremely Large Telescope (E-ELT), das die Europäische Südsternwarte (European Southern Observatory, ESO) derzeit plant, bieten sie die geeignete Lösung.

Das E-ELT, das „größte Auge“ für den Blick in den Weltraum mit einem Hauptspiegel von ca. 39 m Durchmesser, der aus knapp achthundert sechseckigen Spiegelelementen zusammengesetzt ist, soll 2018 auf dem gut 3.000 m hohen Cerro Armazones in der chilenischen Atacamawüste in Betrieb gehen. Jedes Spiegelelement wird von drei Antrieben positioniert. Die Anforderungen an die Antriebe, die die Segmente entsprechend verstellen, sind keineswegs trivial: Relativ große Stellwege von bis zu 15 mm bei einer Positions- und Bahngenauigkeit von besser als 2 nm liegen an der Grenze des technisch Machbaren.

Um ein Objekt während der Beobachtung zu verfolgen, liegen die Geschwindigkeiten typischerweise zwischen einigen Nanometern pro Sekunde und 1,2 µm/s. Dabei darf die Positionsabweichung im Mittel nicht mehr als 1,7 nm betragen. Soll das Teleskop auf ein anderes Objekt ausgerichtet werden, sind Geschwindigkeiten von bis zu 250 µm/s erforderlich. Dabei müssen beachtliche Massen bewegt werden: Ein Spiegelsegment wiegt etwa 270 kg. Aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtungen des Teleskops hat der einzelne Antrieb Lasten zwischen 0 und 900 N zu bewegen, bzw. zu halten. Für diese anspruchsvolle Aufgabenstellung hat die in Karlsruhe ansässigen Firma Physik Instrumente (PI) einen Hybrid-Antrieb „maßgeschneidert“.

Das Prinzip des Hybrid-Antriebs besteht darin, einen Motor-Spindel-Antrieb, der für hohe Lasten und große Verfahrwege geeignet ist, mit einem Piezoaktor zu kombinieren. Über einen hochauflösenden Sensor können alle Ungenauigkeiten des Motor-Spindel-Antriebs gemessen und mittels des Piezos korrigiert werden. Dies sorgt für die extrem hohe Positioniergenauigkeit, die mit reinen Motor-Spindel-Antrieben nicht erreicht werden kann. Bild 3 zeigt eine schematische Darstellung des Hybrid-Prinzips. Ein spezieller Controller steuert beide Antriebe simultan an und regelt über das hochauflösende Positionsmesssystem. Die Regelalgorithmen betrachten Motor- und Piezosystem als eine Antriebseinheit und gleichen die tatsächliche Bewegung mit einer berechneten Trajektorie ab.

Das gibt der ESO die Möglichkeit, die Deformationen in der Struktur des Hauptspiegels mit der nötigen Genauigkeit auszugleichen. Die Spindel wird über ein hochuntersetztes Harmonic-Drive-Getriebe von einem bürstenlosen, drehmomentstarken Torque-Motor angetrieben. Das Getriebe sorgt für einen spielfreien Betrieb und garantiert ein konstantes Übersetzungsverhältnis von 100:1. Dadurch kann der Motor klein dimensioniert werden, obwohl große Massen bewegt werden. Die hohe Untersetzung unterstützt zudem bei Stillstand die Selbsthemmung des Motors. Die Piezoaktoren sind in einem verschlossenen, mit Stickstoff gefüllten Metallbalg gekapselt, damit sie gegen Feuchtigkeit geschützt sind und auch unter widrigen Umgebungsbedingungen die geforderte Lebensdauer von 30 Jahren erreichen. Der hochauflösende Sensor ist ein inkrementeller optischer Encoder, der möglichst nahe der Antriebsspitze platziert ist. Er arbeitet mit einer Auflösung von 250 Picometern und ist ebenfalls unempfindlich gegenüber wechselnden Umgebungsbedingungen.

Elektronik-Design und Controller-Struktur Die Antriebselektronik besteht aus zwei Funktionsblöcken: Die Kommutierungselektronik für den Motor, die Interpolation sowie die Endschalter ist direkt im Antriebsgehäuse untergebracht. Dies erlaubt kurze Geberleitungen, um Signalstörungen zu vermeiden. Ein einziges Kabel verbindet den Antrieb dann mit dem zweiten Funktionsblock, der externen Elektronik, welche die Ansteuerung von Motor, Piezo und Encoder übernimmt. Dieser Haupt-Controller ist dreikanalig aufgebaut.

Das heißt, für die Ansteuerung aller drei Hybridantriebe eines Spiegelsegments ist nur ein solcher Controller erforderlich. Dabei ist möglich, sowohl Fahrbefehle für jeden einzelnen Antrieb vorzugeben, als auch die gewünschte Position des Spiegelsegments. Der Controller „übersetzt“ einen solchen Befehl dann für seine drei Achsen. Die Controllerhardware des Echtzeitsystems besteht aus einer Industrie-CPU und einer Quarzuhr in einem FPGA für die Pufferung aller Datensequenzen. Ein 24-Bit-D/A-Wandler liefert den Input für die Piezoverstärker und ein PWM-Signal für den Motor. Der Regelalgorithmus selbst läuft auf einer PC-Karte mit Echtzeitbetriebssystem.

Das Steuerungsprinzip des Hybridantriebs ist einfach zu verstehen: Die Motorspannung wird von der Steuerspannung des Piezo abgeleitet. Je größer diese Spannung wird, um so schneller läuft der Motor. Während sich der Piezo also ausdehnt, treibt der Motor die Spindel in die gleiche Richtung. So wird die Grobpositionierung der Spindel durch die Feinpositionierung des Piezos ergänzt. Gleichzeitig wird der Piezo von der Spindel automatisch immer in die Nähe seiner Null-Stellung gefahren. Hier hat er die größte Möglichkeit zur Positionskorrektur in beide Richtungen. Auf diese Weise lassen sich die relativ großen Verfahrwege mit einer extrem hohen Positioniergenauigkeit kombinieren. Die Leistungsfähigkeit des Hybridantriebs hat sich bei der ESO im Rahmen umfangreicher Tests bestätigt. Dabei weiß man auch das flexible Controllerkonzept zu schätzen, das nachträgliche Erweiterungen einfach macht.

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG
Auf der Römerstr. 1
D-76228 Karlsruhe/Palmbach
Internet: www.pi.ws
E-Mail: info@pi.ws
Ansprechpartner für Redaktionen:
Kathrin Mössinger, E-Mail: K.Moessinger@pi.ws
Telefon: +49 721 4846-1810

Niki Hüttner | rbsonline.de
Weitere Informationen:
http://www.pi.ws

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie