Attuatori Ibridi Posizionano lo Specchio Primario del Telescopio a Terra più Grande del Mondo per un Percorso Ottimale del Fascio
L'European - Extremely Large Telescope, in breve ELT, dell'European Southern Observatory (ESO) ha un riflettore principale segmentato con un diametro di 39 m, una superficie di raccolta della luce di quasi 1.000 m², ed è il più grande telescopio per la valutazione scientifica della radiazione elettromagnetica nella gamma di lunghezze d'onda del visibile e del vicino infrarosso. Sarà messo in funzione in cima al Cerro Amazones, alto 3.046 metri, nel deserto cileno di Atacama, nel 2024. Uno dei compiti più importanti del telescopio è quello di aiutarci a scoprire di più sugli esopianeti, cioè i pianeti che esistono oltre il sistema solare.
Requisiti del Progetto
Il riflettore principale sarà composto da 798 elementi di specchio individuali, ciascuno con un diametro di 1,40 metri. Complessivamente, i segmenti raccoglieranno diverse decine di milioni di luce in più rispetto a quella di cui è capace l'occhio umano e trasferiranno questa luce negli strumenti scientifici attraverso ulteriori ottiche. Per compensare la deviazione dalla traiettoria ottimale del fascio e quindi evitare errori di imaging, gli elementi dello specchio devono essere perfettamente allineati tra loro. La deviazione dal percorso ottimale del fascio può derivare, per esempio, dalla distorsione del tubo del telescopio a causa della gravitazione, degli effetti termici o della pressione del vento.
Ciascun segmento di specchio è posizionato da tre unità. I requisiti spingono la tecnologia ai suoi limiti: Corse relativamente lunghe fino a 10 mm con una precisione di posizionamento e di percorso migliore di 2 nm sono le sfide che devono essere superate nello sviluppo degli attuatori. Il monitoraggio di un oggetto durante l'osservazione richiede tipicamente velocità comprese tra diversi nanometri al secondo e +/- 0,45 µm/s. La deviazione di posizione media non può essere superiore a 2 nm. Se il telescopio deve essere puntato su un oggetto diverso, sono richieste velocità fino a +/- 100 µm/s. Questo comporta lo spostamento di pesi considerevoli: Un segmento di specchio pesa 250 kg.
A causa dei diversi allineamenti del telescopio, un singolo azionamento deve spostare o sostenere carichi tra 463 N di forza di trazione e 1050 N di forza di spinta. I venti o un terremoto possono far sì che questi carichi vengano superati considerevolmente, ma le unità non sarebbero a quel punto in uno stato operativo attivo. Inoltre, le richieste molto elevate sulla durata di vita dei sistemi rappresentano un rischio tecnico considerevole, che deve essere considerato quando si realizza il progetto e lo stesso vale per il massimo calore in uscita ammissibile per gli attuatori e i controllori. Per questo compito molto impegnativo, PI ha "personalizzato" un'unità ibrida.
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Soluzioni di Posizionamento per Elementi a Specchio
Il principio dell'azionamento ibrido combina un azionamento motore-mandrino adatto a carichi elevati e grandi corse con un attuatore piezoelettrico. Tutte le imprecisioni dell'azionamento motore-mandrino possono essere misurate con un sensore ad alta risoluzione e corrette con il piezo. Questo assicura una precisione di posizionamento estremamente elevata che non può essere raggiunta con i semplici azionamenti motore-mandrino.
Un controllore dedicato comanda entrambi gli azionamenti simultaneamente e gestisce il sistema di misurazione della posizione ad alta risoluzione. I servo algoritmi considerano il motore e il sistema piezo come una singola unità di azionamento e confrontano il movimento effettivo con una traiettoria calcolata. Questo permette all'ESO di compensare accuratamente le deformazioni nella struttura dello specchio primario. Il mandrino è azionato da un motore brushless con coppia elevata tramite un riduttore ad alto rapporto. Il riduttore assicura un funzionamento senza gioco e garantisce un rapporto di trasmissione costante. Il motore può quindi essere molto piccolo anche se si devono spostare grandi masse. In più l'elevata trasmissione supporta l'autobloccaggio del motore quando è a riposo.
Gli attuatori piezo sono incapsulati in un soffietto metallico chiuso riempito di azoto, in modo da essere protetti dall'umidità e raggiungere la durata di 30 anni richiesta per la soluzione di posizionamento, anche in condizioni ambientali avverse. Il sensore ad alta risoluzione è un encoder ottico incrementale, posizionato il più vicino possibile all'asse dell'azionamento. Opera con una risoluzione di 100 picometri ed è insensibile ai cambiamenti delle condizioni ambientali.
Progettazione Elettronica e Struttura del Controllore
L'elettronica dell'azionamento consiste in due blocchi funzionali: L'elettronica di commutazione per il motore, l'interpolazione e i finecorsa sono situati direttamente nell' housing dell'azionamento. Questo permette di avere linee di encoder corte per prevenire le interferenze di segnale. L'azionamento è collegato con un unico cavo al secondo blocco funzione e all'elettronica esterna, che controlla il motore, il piezo e l'encoder. Il controllore principale è dotato di tre canali. Questo significa che è sufficiente un solo controller per controllare tutte e tre le unità ibride di un segmento di specchio. Allo stesso tempo, si possono specificare i comandi di movimento per ogni singolo azionamento nonché la posizione desiderata del segmento di specchio.
Il controllore "traduce" quindi un comando per i suoi tre assi. Il principio di controllo dell'azionamento ibrido è facile da capire: La tensione del motore è derivata dalla tensione di controllo del piezo. Maggiore è questa tensione, più veloce è il motore. Quando il piezo si espande, il motore aziona il mandrino nella stessa direzione. In questo modo, il posizionamento macro del mandrino viene complementato dal posizionamento fine del piezo. Allo stesso tempo, il mandrino sposta sempre il piezo vicino alla sua posizione zero in modo automatico. Questo gli permette di correggere al meglio la posizione in entrambe le direzioni. In questo modo, è possibile combinare intervalli di spostamento relativamente lunghi con una precisione di posizionamento estremamente elevata.
Le prestazioni dell'unità ibrida sono state confermate nel corso di test approfonditi presso l'ESO. La concezione di controllore flessibile è molto apprezzata da tutti e questo semplifica il successivo ampliamento.
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Hybrid Nanopositioning Systems with Piezo Actuators
Long Travel Ranges, Heavy Loads, and Exact Positioning
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