Control electronics and software for the caps actuator

Abstract

AB3:CAPS-actuator on pyörityskoneisto plasmaspektrometrille, joka tulee olemaan hyötykuormana kohti Saturnusta lähtevässä Cassini-luotaimessa 1997. Pyörityskoneisto koostuu askelmoottorista, sitä ohjaavasta elektroniikasta, sekä CAPS -instrumentille tarjottavasta mekaanisesta tukirakenteesta. Askelmoottoria ajetaan synkronisesti siten, että pyörityskoneiston digitaalielektroniikka vastaanottaa aaltomuotoinformaation ulkoiselta suorittimelta, muuntaa sen pulssinleveysmoduloiduksi ja lähettää edelleen analogiaelektroniikalle muunnettavaksi jännitetasosignaaleiksi. -Tämä työ kuvailee pyörityskoneiston elektroniikan kehitystyötä protoversiosta itse lentäväksi malliksi ja painopiste on enemmän elektroniikan toiminnallisessa ympäristössä ja sen kehittämisessä, kuin elektroniikkasuunnittelussa. Tässä yhteydessä toiminnallisella ympäristöllä tarkoitetaan keinoja, joilla ulkoinen suoritin ohjaa pyörityskoneiston elektroniikkaa suljetussa silmukassa, suljetun ohjauksen stabiilisuusanalyysiä sekä moottorin pyörimiskäyttäytymisen optimointia. -Cassini-luotain rakennetaan NASA:n ja Euroopan avaruusjärjestön ESA:n yhteistyöprojektina, siten että NASA huolehtii pääosin luotaimen kokoamisesta ja ESA rakennuttaa Cassiniin liitettävän erillisen Huygens-pienoisluotaimen, joka lähetetään laskuvarjojen varassa Satumuksen suurimman kuun, Titanin, ilmakehään. Cassiniluotain lähetetään seitsemän vuotta kestävälle matkalleen lokakuussa 1997 Floridan Cape Canaveralista. Energian säästämiseksi Cassini käyttää Venuksen, Maan ja Jupiterin vetovoimia hyväkseen Saturnukseen pääsemiseksi. Saavuttuaan Saturnuksen läheisyyteen Cassini aloittaa neljä vuotta kestävät mittaukset, joiden painopisteinä ovat muun muassa Saturnuksen renkaat, sekä kuu Titanin kaasukehä. -Cassini kuljettaa mukanaan kahtatoista tieteellistä mittalaitetta, joista Cassini Plasma Spectrometer (CAPS) on suunniteltu varautuneiden hiukkasten dynamiikan tarkkailemiseen. Tarkoituksena on tutkia Saturnuksen hiukkaslähteitä ja -nieluja, sekä hiukkasten kulkeutumista ja niiden vaikutusta Saturnusta kiertävän Titanin ilmakehässä. Mahdollisimman suuren joustavuuden ja laajan mittausalueen saavuttamiseksi CAPS - instrumenttiin on lisätty erillinen pyörityskoneisto. -CAPS-pyörityskoneistolla on kolme päätehtävää. Päätehtävänä on pyörittää CAPS mittausinstrumentteja vakionopeudella ja näin tarjota niille laaja mittauskulma. Toiseksi pyörityskoneisto tarjoaa mittausinstrumenteille mekaanisen tuen koko Cassini-lennon ajan. Viimeiseksi kaikki CAPS-instrumentin sähköiset liitynnät luotaimeen kulkevat pyörityskoneiston läpi joustavaa kierrekaapelointia myöten. -Pyörityskoneiston elektroniikkaa ohjataan ulkoisella suorittimella suljetussa silmukassa. Suorittimen muistipiireille on talletettu moottorin ohjausaaltomuodot, jotka muunnetaan ensin pyörityskoneiston digitaaliosiossa pulssinleveysmoduloiduiksi signaaleiksi (PWM). Näillä signaaleilla ohjataan analogiaosion buck-tyyppisiä konverttereita, joiden ulostulona saatavilla analogisilla jännitetasosignaaleilla ajetaan synkronimoottoria. Moottoriin on liitetty resistiivinen paikkadekooderi, jonka informaatio ohjataan takaisinkytkentäelektroniikan kautta ulkoiselle suorittimelle. Suoritin käyttää lukemaansa paikkainformaatiota seuraavan syklin ohjaustavujen lähetykseen siten, että moottorin paikka-aika riippuvuussuhde saadaan mahdollisimman hyvin säilytettyä. -Ideaalitapauksessa sini- ja kosinimuotoiset aaltomuodot tuottaisivat parhaan tuloksen synkronimoottoria ohjattaessa. Käytännössä kuitenkin moottorissa vaikuttavien magneettisten ja geometristen epäideaalisuuksien johdosta jokin muu aaltomuotopari on keskimäärin parempi. Moottorin käynnin parantamiseksi pyörityskoneistolle on tehty aaltomuoto-optimointi mahdollisimman hyvän aaltomuotoparin löytämiseksi.

The CAPS actuator is an actuating mechanism for The Cassini plasma spectrometer onboard the Cassini spacecraft to Saturn in 1997. Actuator consists of a stepping motor, its control electronics and the necessary mechanism to provide a steady base for the CAPS instrument. Actuator stepping motor is driven in synchronous mode so that the two phase waveform data is sent to the actuator electronics by the external data processing unit and then converted to the pulse width modulated form by the actuator digital electronics and finally to the voltage level signals by the actuator analog electronics. -This thesis describes the development of the actuator electronics proto version to the actual flying model and the focus is set more on the functional level of the control electronics than in the actual designing of the electronics. This functional level includes the means of the data processing unit to control actuator control electronics in the closed loop and the optimising of the motor rotation performance.