
Das Nachführsystem SPTR, Version 4
Allgemein
Das Nachführsystem SPTR wird verwendet, um kleine und mittlere
Nutzlasten auf terrestrische und extraterrestrische Ziele zu steuern. Es
kann unbewacht bei allen Witterungen über lange Zeiträume
arbeiten. Eine typische Anwendung ist die ständige genaue Ausrichtung
eines Messgerätes auf die Sonne. Diese Ausrichtung kann mit Hilfe
eines Sonnenvisiers bei sichtbarer Sonne erfolgen. In Situationen, bei
denen die Sonne nicht sichtbar ist, erfolgt die Steuerung mit Hilfe eines
PC. Die Umschaltung zwischen beiden Betriebsmodi erfolgt automatisch. Der
Ausrichtfehler zwischen beiden Betriebsmodi ist typisch < 0,1 Grad. Andere
Anwendungen sind die Steuerung von Kameras, Sensoren oder anderer Geräte
im Rahmen industrieller oder wissenschaftlicher Aufgaben.
Die Steuerung erfolgt mit Hilfe einer Azimut-Achse und einer
Elevat-Achse. Jede Achse wird durch einen Schrittmotor über hochpräzise,
spielfreie Getriebe angetrieben. Die kleinste Schrittweite beträgt
0.009 Grad. Jede Achse kann in 2 Richtungen bewegt werden. Die Richtungen
werden wie folgt definiert:
| Azimut 0 | entgegen dem Uhrzeigersinn |
| Azimut 1 | im Uhrzeigersinn |
| Elevat 0 | Richtung Horizont |
| Elevat 1 | Richtung Zenit |
Der Bewegungsbereich ist durch eine unabhängig und absolut wirkende
Endabschaltung begrenzt. Führt die Bewegung einer der Achsen Azimut
oder Elevat auf einen der Endlagenschalter, wird das System ausgeschaltet.
Über ein Sonnenvisier werden Signale erzeugt, mit deren Hilfe eine
Positionsregelung mit der Sonne als Regelgröße realisierbar
ist. Das Sonnenvisier ist mit einer Vollflächendiode (HAMAMATSU S
5991) bestückt. Die Sonne wird auf deren Sensorfläche als Punkt
abgebildet. Befindet sich die Sonnenabbildung nicht im Zentrum der
Sensorfläche, entstehen Ablagesignale. Diese können die
Eingangsgrößen für eine Positionsregelung in der
Anwendersoftware sein. Der Öffnungswinkel des Sonnenvisiers beträgt
etwa 8 Grad.
Ein integrierter Mikrocontroller steuert die Motore, erzeugt und bewertet
die Visiersignale, überwacht die Systemfunktion und kommuniziert über
eine serielle Schnittstelle mit der Anwendersoftware.
| Stromversorgung | 15 bis 30 V DC, 2.5 A |
| Schnittstelle | RS232 |
| Motore | Schrittmotore, Halbschrittbetrieb |
| Winkelgeschwindigkeit | maximal 10 Grad/Sekunde, Rampe |
| Positionsauflösung | 0.009 Grad |
| Positionsgenauigkeit | 0.02 Grad, bezogen auf mechanische 0-Position des Systems |
| Positionskontrolle | Absoluter Winkelgeber |
| Bewegungsbereich | Azimut 0 ..360 Grad Elevat 355 .. 0 .. 95 Grad |
| Öffnungswinkel Visier | ca. 8 Grad |
| Nutzlast | maximal 15 kg |
| Maße Antriebsblock | (200 x 200 x 300) mm |
| Gewicht Antriebsblock | ca. 8 kg |
| Maße Steuerblock | (280 x 180 x 100) mm |
| Gewicht Steuerblock | 3 kg |
| Umgebung | Temperatur -35 bis 60 °C Feuchte 1 bis 100 % rF Geschützt gegen Strahlwasser und Luftverunreinigungen |
| Montage | Montageflansch am Fuß des Antriebsblocks, 4 zentrische Bohrungen von je 8 mm Durchmesser, Bohrungsradius 65 mm, Gewindehülse im Montageflansch, M16 x 2.5 |
| Geräteaufnahme | Schwalbenschwanz-Führung (40 mm x 80 mm) mit Klemmvorrichtung oder nach Kundenwunsch |
Systembestandteile
Das Nachführsystem SPTR besteht aus folgenden Komponenten:
Aufbau und Inbetriebnahme
Zum Aufbau eines Nachführsystems SPTR ist eine stand- und
belastungssichere Montageeinrichtung notwendig. Ein Stativ als
Montageeinrichtung muss sicher verankert sein. Bei der Montage ist
folgendes zu beachten:
Nach dem mechanischen Aufbau sind die elektrischen Verbindungen herzustellen:
|
|
Wichtiger Hinweis ! Wenn das Kabel für die Verbindung 4 auf einer Seite mit einer roten Markierung versehen ist, muss der Steckverbinder dieser Kabelseite mit dem Stromversorger verbunden sein.
Ist der Aufbau abgeschlossen, kann der Stromversorger eingeschaltet werden. Das Nachführsystem durchläuft unmittelbar nach dem Einschalten eine Initialisierung, die mit Hilfe der Anzeigelampen auf dem Steuerblock verfolgt werden kann und folgende Schritte beinhaltet:
Nach erfolgreicher Initialisierung kennt das Nachführsystem die Position seiner Achsen bezüglich der mechanischen 0-Position. Die Lampe P1 leuchtet und das Nachführsystem ist betriebsbereit.
Die mechanische 0-Position des Nachführsystems
Die mechanische 0-Position ist die Lage der Drehachsen, die dem
Winkelwert 0 Grad der Achse zugeordnet ist. Die mechanische 0-Position ist
zugleich die geeignetste Transportlage des Systems. Sie ist wie folgt
definiert:
Steuerung der Achsen mit Hilfe der Tasten des Steuerblocks
Steuerung der Achsen mit Hilfe der Tasten des Steuerblocks Auf dem
Steuerblock befinden sich 4 Tasten, mit deren Hilfe die Achsen gesteuert
werden können. Die Symbole auf den Tasten dienen der Zuordnung zu den
Achsen und Richtungen. Diese Tasten sind nur dann aktiv, wenn die Buchse
IF (Serielle Schnittstelle RS232) des Steuerblocks nicht belegt ist. Bei
der manuellen Achsensteuerung ist auf den erlaubten Bewegungsbereich zu
achten.
Ausrichten für die Verfolgung der Sonnenbahnr
Das Nachführsystem muss bezüglich Nordrichtung und Horizont
ausgerichtet werden. Das ist auf folgende Weise möglich:
Das Sonnenvisier hat einen Öffnungswinkel von etwa 8 Grad. Daher
sind die Forderungen an die Genauigkeit das mechanische Ausrichten zunächst
nicht besonders hoch. Es gibt jedoch bei der Sonnenverfolgung Phasen (z.B.
lockere Bewölkung), wo ständig zwischen der Verfolgung aufgrund
der Ablagesignale des Sonnenvisiers und der Steuerung nach berechneten
Sonnendaten gewechselt wird. Je ungenauer die Ausrichtung des Nachführsystems
auf Nord und Horizont ist, desto stärker wird das System durch das ständige
Wechseln der Position beansprucht. Daher ist zu empfehlen, auf die
Stabilität der Montageeinrichtung und die Qualität der
Ausrichtung großen Wert zu legen.
Eine Korrektur der Ausrichtung kann nachträglich erfolgen, wenn eine
Steuersoftware (z.B. Programm SPTRSunTrack) das Nachführsystem auf
der Sonnenbahn steuert. Wenn bei klarem Himmel und Sonnenschein die Nachführung
aufgrund der Visiersignale erfolgt, wird das Visier abgedeckt. Im nächsten
Regelzyklus wird das Programm das Nachführsystem auf die berechneten
Sonnenkoordinaten steuern. Die dabei ausgeführte Bewegung der Achsen
entspricht dem Fehler der mechanischen Ausrichtung bezüglich Nord und
Horizont. Die Korrektur kann nun erfolgen:
Begrenzung des Bewegungsbereiches - Sicherheitsabschaltung
Das Nachführsystem SPTR ist mit elektrischen Endlagenschaltern
ausgerüstet, die unabhängig von der Steuersoftware oder
Tastendruck im Falle der Achsenbewegung außerhalb des erlaubten
Bereiches das gesamte System ausschalten. Das soll verhindern, dass
Messgeräte oder Kabel im Havariefall zu Schaden kommen. Jeweils 2
solcher Endlagenschalter begrenzen den Bewegungsbereich für Azimut
und Elevat. Die vom Hersteller standardmäßig festgelegten gültigen
Bewegungsbereiche sind:
| Azimut | 0 .. 360 Grad |
| Elevat | 355 .. 0 ..95 Grad |
Auf Kundenwunsch können bei der Gerätefertigung andere Grenzen eingestellt werden.
Verhalten bei einer Sicherheitsabschaltung des Systems
Wenn die Endabschaltung durch eine Fehlfunktion der Steuersoftware oder
bei der manuellen Steuerung mit Hilfe der Tasten auf dem Steuerblock in
Aktion getreten ist, wird im Steuerblock sofort die Spannungsversorgung für
die Motore und die Steuerelektronik abgeschaltet. Zur Wiederherstellung
des Betriebszustandes des Nachführsystems muss dann wie folgt
vorgegangen werden:
Bedeutung der Anzeigelampen auf dem Steuerblock
| P | Datenaustausch RS232, blinkt bei jedem Datenaustausch | |
| P0 | P1 | |
| Ein | Aus | Nachführsystem wird initialisiert |
| Aus | Ein | Initialisierung beendet, Betriebsbereit |
| Ein | Ein | Initialisierung wurde mit einem Fehler beendet (Winkelgeber, Motore) |
| A0 | A1 | |
| Aus | Aus | Motor Azimut steht |
| Ein | Aus | Motor Azimut dreht in Richtung Azimut 0 |
| Aus | Ein | Motor Azimut dreht in Richtung Azimut 1 |
| Ein | Ein | Fehler beim Drehen (MSM-Fehler in der Motoransteuerung) |
| E0 | E1 | |
| Aus | Aus | Motor Elevat steht |
| Ein | Aus | Motor Elevat dreht in Richtung Elevat 0 |
| Aus | Ein | Motor Elevat dreht in Richtung Elevat 1 |
| Ein | Ein | Fehler beim Drehen (MSM-Fehler in der Motoransteuerung |
Die Programme SPTRSunTrack und SPTRControl
Allgemeines
Mit Hilfe des Programms SPTRSunTrack und dem Nachführsystem SPTR
Version 4 ist es möglich, Messgeräte oder andere Geräte auf
die Sonne auszurichten und die Sonnenbahn zu verfolgen. Das Programm
SPTRControl erlaubt es, das Nachführsystem auf jede beliebige
Position innerhalb des erlaubten Bewegungsbereiches zu steuern.
Systemvoraussetzungen
Damit die Programme SPTRSunTrack und SPTRControl auf Ihrem Rechnersystem
läuft, muss es die folgenden Mindestanforderungen erfüllen:
| Prozessor | 486 oder Pentium |
| Arbeitsspeicher | 8 MByte |
| Freier Speicherplatz auf der Festplatte | 12 MByte |
| Betriebssystem | Windows 95/98, 2000, XP, NT |
Installation
Um die Programme zu installieren, gehen Sie wie folgt vor:
Wenn keine zwingenden Gründe vorliegen, sollten Sie den, bei der Installation vorgeschlagene Ordner SPTR für das System beibehalten.
Programme von der Festplatte entfernen
Um die Programme zu deinstallieren, gehen Sie wie folgt vor:
Programme starten und beenden
Das Programm wird durch klicken auf SPTRSUNTRACK.EXE bzw. SPTRCONTROL.EXE
gestartet. Es erscheint das Programmfenster. Unmittelbar nach dem
Programmstart wird geprüft, ob das Nachführsystem SPTR
angeschlossen und bereit ist. Vor dem Programmstart sollte das Nachführsystem
eingeschaltet werden. Um ein Programm zu beenden, ist zuerst eine
eventuell noch aktive Nachführung auszuschalten. Anschließen
wird die Menüoption Programm / Beenden gewählt.
Einstellungen zur Nachführung
Wählen Sie das Menü Einstellungen / Nachführsystem /
Eigenschaften aus. Es wird das Dialogfenster Nachführsystem SPTR -
Eigenschaften angezeigt.
Seite Anschluss
| Serielle Schnittstelle Wählen Sie die Nummer der seriellen Schnittstelle, an der das Nachführsystem angeschlossen ist. |
|
| Automatisch Suchen Wird dieses Auswahlfeld aktiviert, sucht das Programm an allen verfügbaren seriellen Schnittstellen nach dem Nachführsystem. Die vorgenannte Einstellung ist dann wirkungslos. |
Wurde eine neue Schnittstelle gewählt, muss nach dem Verlassen des
Dialogfensters das Menü Einstellungen / Nachführsystem / Neu Öffnen
aufgerufen werden.
Seite Positionsregelung (nur Programm SPTRSunTrack)
| Regelgenauigkeit (Eingabebereich 0.01 - 5.00 Grad, Voreinstellung 0.02) Dieser Wert bestimmt die Genauigkeit der Regelung. Die Voreinstellung ist optimal, ein kleinerer Wert kann zur Instabilität führen (siehe Anzahl Regelversuche). | |
| Ansprechschwelle Visier (Eingabebereich 10..250, Voreinstellung 80) Aus den Visiersignalen werden 2 Summensignale (Azimut und Elevat) berechnet. Diese sind ein Maß dafür, mit welcher Energie die Sonne das Visier bestrahlt. Liegen beide Summensignale über der Ansprechschwelle, wird mit Hilfe der Ablagesignale das Nachführsystem auf die Sonnenposition geregelt. Anderenfalls erfolgt eine Steuerung auf der Basis der berechneten Sonnendaten. Der Wert 80 gilt für mittlere Breiten. | |
| Regelversuche pro Regelzyklus (Eingabebereich 1..10, Voreinstellung 3) In einem Regelzyklus wird versucht, das Nachführsystem so zu steuern, das die Ablagesignale kleiner oder gleich der Regelgenauigkeit werden. Ein Regelzyklus wird im Regelintervall (siehe unten) wiederholt. Bei ungünstigen Wetterbedingungen (Wolken etc) kann es sein, das die Sonnen auf der Sensorfläche des Sonnenvisiers ständig wandert. Das Programm könnte einen Regelzyklus nicht beenden, da ständig diese scheinbare Sonnenbewegung auszuregeln wäre. Damit das System in diesem Fall nicht instabil wird, muss die Anzahl solcher Regelversuche pro Regelzyklus begrenzt sein. | |
| Regelintervall (Eingabebereich 1..10 Sekunden, Voreinstellung 5) Mit diesem Wert wird festgelegt, in welchen Zeitabstand ein Regelzyklus gestartet werden soll. Ansprechschwelle Sonnenhöhe (Eingabebereich 0..15 Grad, Voreinstellung 5) Ist die aktuelle Sonnenhöhe größer als die Ansprechschwelle, erfolgt eine Nachführung. Wird die Sonnenhöhe kleiner, verharrt das Nachführsystem in der letzten Position, bis die Sonnenhöhe (am nächsten Tag) den Grenzwert wieder übersteigt. | |
| Ansprechschwelle Sonnenhöhe (Eingabebereich 0..15 Grad, Voreinstellung 5) Ist die aktuelle Sonnenhöhe größer als die Ansprechschwelle, erfolgt eine Nachführung. Wird die Sonnenhöhe kleiner, verharrt das Nachführsystem in der letzten Position, bis die Sonnenhöhe (am nächsten Tag) den Grenzwert wieder übersteigt. |
Standardeinstellungen
Wählen Sie das Menü Einstellungen / Standardeinstellungen. Es
wird das Dialogfenster Einstellungen angezeigt. Auf der Seite Ortsdaten
geben Sie die Koordinaten des Ortes, an dem das Nachführsystem
betrieben wird, ein. Die meteorologischen Daten (von Bedeutung sind nur
die Lufttemperatur und der Luftdruck für die Refraktionskorrektur bei
sehr niedrigen Sonnenständen) geben Sie auf der Seite Meteorologische
Daten ein. Weite Einzelheiten können Sie den Hilfetext entnehmen.
Zur Berechnung der aktuellen Sonnenposition ist neben den Ortskoordinaten
die genaue Zeit notwendig. Das Programm fragt dazu die interne Rechneruhr
ab und interpretiert deren Zeit als UTC. Um die Rechneruhr zu stellen,
benutzen Sie bitte die Möglichkeiten des Betriebssystems Ihres
Rechners.
Bedeutung der Anzeigen im Programmfenster
Im farbig unterlegten Anzeigepanel wird der aktuelle Zustand des Programms angezeigt. Es können folgende Zustände auftreten:
| Warten auf Kommando | Das Programm wartet auf den Start der Nachführung | |
| Nachführung ist aktiv | Die Nachführung ist gestartet | |
| Nachführung wird korrigiert | Motore im Nachführsystem drehen | |
| Nachführsystem nicht bereit | Es ist ein Fehler aufgetreten |
Die Anzeigebox Nachführsystem beinhaltet folgende Daten:
| Datum Aktuelles Datum und Uhrzeit. Die Zeit wird als UTC bewertet. |
|||||||||||||
| Messort Aufstellort des Systems | |||||||||||||
| Sonne Aktuelle Sonnendaten in der Reihenfolge Scheinbare Höhe, Luftmasse mit Kennung für die Korrektur, Azimutwinkel und KFM-Faktor für den Tag | |||||||||||||
| Gerät Name des Nachführsystems | |||||||||||||
| Anschluss Daten der seriellen Schnittstelle | |||||||||||||
| Datenaustausch Zustand nach dem letzten Datenaustausch. War dieser fehlerfrei, wird >OK< angezeigt, anderenfalls die Fehlerkennung in Kurzform. Ein Mausklick auf diesen Eintrag zeigt den Fehler in Langform an. | |||||||||||||
| Gerätezustand Allgemeiner Zustand des Systems. Normalerweise wird hier >OK< angezeigt, anderenfalls der Zustand in Kurzform. Ein Mausklick auf diesen Eintrag zeigt den Zustand in Langform an. | |||||||||||||
| Aktuelle Position Position der Elevat- und Azimutachse des Systems in Grad. Wird die Sonne nach berechneten Sonnendaten verfolgt, muss diese Position den angezeigten Sonnendaten entsprechen. Erfolgt die Nachführung mit Hilfe der Visiersignale kann eine geringe Abweichung zu den berechneten Sonnendaten auftreten. | |||||||||||||
| Status Nachführung Aktueller Zustand der Nachführung. (nur Programm SPTRSunTrack) Hier sind folgende Zustände möglich:
| |||||||||||||
| Summensignale ... Signalpegel am Ausgang des Visiers. Übersteigt dieser Wert für Elevat und Azimut den eingestellten Schwellwert, erfolgt die Nachführung entsprechend der Ablagesignale. Anderenfalls wird das System auf die berechneten Sonnendaten gesteuert. | |||||||||||||
| Ablagesignale Visier Erfolgt die Nachführung aufgrund der Visiersignale, wird hier die aktuelle Ablage (Abweichung) der Sonne zum Sonnenvisier in Grad angezeigt. |
Nachführung der Sonnenbahn mit Programm SPTRSunTrack
Um die Sonnennachführung zu starten, klicken Sie auf Schalter Sonnennachführung ein. Zuerst wird die aktuelle Position der Sonnen berechnet und auf diese Position gefahren. Danach wird aufgrund der Visiersignale geregelt oder nach berechneten Sonnendaten gesteuert. Beendet wird die Sonnennachführung durch klicken auf Schalters Aus.
Das Programm hat für die Nachführung 4 grundsätzliche Betriebzustände:
| Nachführung ausgeschaltet Die Nachführung ist ausgeschaltet. Das Programm warten auf ein Kommando. |
|
| Nachführung mit Visiersignalen Die Nachführung ist eingeschaltet und die Sonne wird im Sonnenvisier abgebildet. Wenn das Visier gültige Signale erzeugt, erfolgt eine Regelung der Position vom Nachführsystem so, dass die, vom Visier erzeugten Ablagesignale ein Minimum erreichen. |
|
| Nachführung mit berechneten Sonnendaten Die Nachführung ist eingeschaltet. Die Sonne ist über dem Horizont, erzeugt jedoch keine gültigen Signale im Sonnenvisier (Wolken). In diesem Fall wird das Nachführsystem ständig auf die aktuell berechnete Sonnenposition gesteuert. |
|
| Nachführung ist unterbrochen Die Nachführung ist eingeschaltet und die Sonne steht unter dem Horizont. Die Achsensteuerung ist unterbrochen und das Nachführsystem verbleibt in der Position, die es zu Beginn der Unterbrechung hatte. Das Programm kontrolliert im Hintergrund die aktuelle Sonnenhöhe. Wenn die Sonne wieder über dem Horizont steht, wird die neue Position angefahren und die Verfolgung beginnt erneut. |
Verhalten bei Problemen mit der Nachführung
Während der Bahnverfolgung können Fehler auftreten. Denkbar sind eine Störung des Datenaustauschs oder der Ausfall der Stromversorgung des Nachführsystems.
Das Nachführsystem SPTR und das Programm SPTRSunTrack sind so aufeinander abgestimmt, das solche Fehler, wenn sie nur kurzzeitig auftreten, nicht den Abbruch der Nachführung zu Folge haben. Das Programm wird den Fehler signalisieren (das Anzeigepanel ist rot unterlegt) und bei jedem Start eines neuen Regelzykluses versuchen, die Verbindung zum Nachführsystem wiederherzustellen. Wenn das gelingt, wird die Nachführung korrigiert und normal fortgesetzt.
Treten Fehler wiederholt auf, gibt es folgende Möglichkeit der Fehleranalyse:
| WriteLog=1 | |
| LogPath=c:\sptr\log\ |
Speichern Sie die Datei unter ihrem bisherigen Namen. Legen Sie den Ordner c:\sptr\log neu an, falls dieser noch nicht existiert und starten Sie das Programm SPTRSunTrack neu
Diese Änderungen bewirken, dass eine Protokoll-Datei erzeugt wird. Die Protokolldatei erhält den Namen STyyyymmdd.log und ist somit dem Datum zugeordnet. Es wird immer dann eine Protokollzeile eingefügt wird, wenn:
Eine Protokollzeile enthält das Datum und die Zeit, interne Informationen und am Ende der Zeile den Namen des aufgetretenen Fehlers. Um das Protokoll anzuzeigen, wählen Sie das Menü Programm / Protokoll anzeigen. Im Falle von Rückfragen beim Hersteller ist es sehr hilfreich, diese Protokolle zu Hand zu haben.
Fahren auf eine Position mit Programm SPTRControl
Es gibt 3 Möglichkeiten, das Nachführsystem auf eine bestimmte Position zu fahren:
| Fahren Absolut Geben Sie in den Eingabefeldern Ziel für Azimut und Elevat die Zielposition ein. Wenn Sie danach auf den Schalter Fahren Absolut klicken, fährt das Nachführsystem auf diese Position. |
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| Fahren Relativ Geben Sie in den Eingabefeldern Delta für Azimut und Elevat einen Winkelwert ein, um den sich die Achsen des Nachführsystems, von der momentanen Position ausgehend, bewegen sollen. Wird auf den Schalter Fahren Relativ geklickt, führt das System diese Bewegungen aus. |
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| Fahren auf die aktuelle Sonnenposition Bei einem Klick auf den Schalter Fahren auf Sonne berechnet das Programm die aktuelle Position der Sonne und steuert das Nachführsystem dorthin. |
Bei allen Arten der Positionierung prüft das Programm vor der Achsensteuerung, ob sich das Ziel im erlaubten Bewegungsbereich befindet. Nur wenn für beide Achsen das Ziel korrekt angeben wurde, wird die Positionierung ausgeführt. Anderenfalls erfolgt eine Fehlermeldung.