2013/02/09 望遠鏡技術検討会 拡大会議 @名古屋大学 3.8m望遠鏡の主鏡制御 京都大学 木野 勝

目標 | 天体を追尾中 18枚の鏡(サイズ～1m、質量～70kg)の表面を ≦50nmの精度でそろえる | 天体を指向中 瓦解しない | 天体を指向中 瓦解しない | 指向完了後 5秒以内に全鏡面を 制定する

外乱 | 鏡面に直接作用 ○ 望遠鏡駆動による重力方向変化 5.8 gf/s △ 風圧 (1m/s の風が1Hzで振動) 1Hz 80 gf | 望遠鏡架台から伝達 ○ 望遠鏡駆動による架台の重力変形 20 nm/s ○ 架台の熱変形 7 nm/s 望遠鏡駆動モーターの振動 10-100Hz 10 nm 観測装置(冷凍機)の振動 10-100Hz 200 nm 抑制の必要あり | 制御システム自体で発生 エッジセンサ読み出しノイズ ランダム 1 nm ≦1 Hzの外乱を制御で抑制したい

模式図 18枚の鏡全体の位置・傾きを測定 隣の鏡との相対変位を計測 鏡 制御対象 鏡1枚あたり3個 傾き2軸＋上下駆動 | 光学式センサ | エッジセンサ 　隣の鏡との相対変位を計測 鏡 制御対象 | アクチュエータ 鏡1枚あたり3個 傾き2軸＋上下駆動

Block Diagram CCD CCD Local Loop アクチュエータ内蔵エンコーダ Sampling Rate 4kHz Bandwidth <80Hz Main Loop 隣り合うセグメント鏡間の段差 Sampling Rate 20Hz Bandwidth 数Hz Global Loop セグメント鏡の段差／傾き Sampling Rate 1回/night レンズアレイ レンズアレイ コリメータ レーザー 比較点源 ピックアップ ハーフミラー PCS SH セグメント鏡 支持腕 支持構造 エッジセンサ アクチュエータ 読み出し ドライバ OptCtrl M1Ctrl 校正 画像解析 Matrix 制御 Matrix

Local Loop | アクチュエータ ハーモニック・ドライブ・システムズ LAH-46 ・ ボールネジ式のリニアアクチュエータ ・ DCモータ／ロータリーエンコーダ 最小分解能 17.25 nm ストローク 10 mm ロストモーション(実測値) 40 nm (~1μmストローク) 繰り返し再現性 ~50nm (~1μmストローク) | ドライバ Position Sampling Rate 4kHz Position Bandwidth <80Hz パルス列入力+RS-232C Ethernetインターフェースの付加を予定

Main Loop | テコによる減速 (1/10) ＋ | Whiffle-tree (9点 等荷重支持) | インダクタンス式変位センサ セグメント鏡 支持腕 支持構造 エッジセンサ アクチュエータ | インダクタンス式変位センサ 読み出し ドライバ M1Ctrl 校正 | 積分制御 Pos Sampling Rate 20 Hz Pos Bandwidth 数 Hz Matrix 制御 | 非干渉化制御のための行列演算 センサ60個 → アクチュエータ54個

センサの配置 センサ出力値 アクチュエータ位置での 変位への変換行列は確定 センサノイズの増幅率、 クロストークの量は要評価 | 18セグメント用のセンサ配置 (右図) センサ出力値 アクチュエータ位置での 変位への変換行列は確定 センサノイズの増幅率、 クロストークの量は要評価 | 開発段階の2セグメント、 6セグメント用のセンサ 配置も必要 エッジセンサ60個 アクチュエータ×54

エッジセンサ | 日本システム開発 DS2001シリーズ Sampling Rate 20 Hz 測定ばらつき rms 1 nm (100回の測定を平均) 温度依存 1600 nm (5~30℃) 基準センサによる補正で 35 nm まで改善 (もう少し改善したい) EthernetでホストPCに接続 24mm カウンタ

アクチュエータ ＋ 減速機 ＋ Whiffle-treeの 応答速度 ~50 ms 支持構造 | Whiffle-tree 天秤状の構造を用いた等荷重支持 支持点数 9点 剛性 0.5μm/N 固有振動数 40 Hz | 減速機 無関節テコによる1/10減速 アクチュエータ ＋ 減速機 ＋ Whiffle-treeの 応答速度 ~50 ms

Global Loop 全セグメント鏡の傾き・段差を光学的に測定 測定頻度は 1~2回／night | Shack Hartmann Camera 光学式の傾斜センサ 点数 36点(2点/鏡) 精度 0.1 秒角 レンジ 10 分角 計測時間 5分 | Phase Camera System 光学式の段差センサ 点数 18点 精度 20 nm レンジ 100 μm 計測時間 5分? CCD CCD レンズアレイ レンズアレイ コリメータ レーザー 比較点源 ピックアップ ハーフミラー PCS SH セグメント鏡

要素開発の状況 開発中 要素開発 済み CCD CCD レンズアレイ レンズアレイ コリメータ レーザー 比較点源 ピックアップ ハーフミラー PCS SH セグメント鏡 支持腕 支持構造 エッジセンサ アクチュエータ 読み出し ドライバ OptCtrl M1Ctrl 校正 画像解析 Matrix 制御 Matrix

提案・協力のお願い ・積分制御 & Sampling Rate 20 Hzで Bandwidth 数Hzは達成可能？ ・より適切な方式は？ | フィードバックの方式 ・積分制御 & Sampling Rate 20 Hzで Bandwidth 数Hzは達成可能？ ・より適切な方式は？ | 変換行列 ・クロストーク(直交性)はどの程度必要か？ | 制御システムの実装 ・センサ読出／ドライバへの司令にEthernet(UDP/IP)を 使うのは適切か？