Antriebstechnik für das größte Teleskop der Welt

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
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