應用案例|Case application

HETDEX項目是首次追蹤宇宙“暗能量”的大型實驗。百萬個星系的位置將通過專用光譜儀進行三維描繪。2012年夏，霍比-埃伯利望遠鏡展開了對宇宙的掃描，與其相伴的是maxon電機。

霍比-埃博利望遠鏡：望遠鏡的建筑結構。 得克薩斯大學奧斯汀分校 / A. Sebring/

在這個多軸檢測臺上將對PFIP控制系統的電子元件和軟件進行測試。 右側的機械設計結構包括maxon電機、位置編碼器、限位開關和各種不同PFIP機構模擬的慣量負載。

霍比·埃伯利望遠鏡（左圖）穹頂打開 右圖為HET近景，主鏡、以及包括支撐PFIP追蹤裝置在內的望遠鏡結構

圖片顯示EC電機系列以及maxon作為工業應用（HETDEX項目）的控制單元。

該望遠鏡 (HET) 座落于西得克薩斯的麥克唐納 (McDonald) 天文臺。其球面主鏡由91枚完全相同的1米六角鏡組成。這些單鏡合在一起構成了一個直徑達11米的整體，成為世界上最大的球面鏡。目前，主鏡的有效孔徑為9.2米，開角為4弧分*。HET憑借其11.1 × 9.8米的規格成為世界上第四大光學望遠鏡。此外，新穎的設計大大優化了成本：整臺望遠鏡的造價僅為1350萬美金，約為同類規模望遠鏡造價的四分之一。這些節省的開支部分歸功于使用或簡化了市面上普及的組件。 

這臺用于天文觀測的光譜望遠鏡是在所謂的Prime Focus Instrument Package（PFIP主焦點儀器包）基礎上進行安裝。望遠鏡配備兩臺中、高等分辨率光譜儀。另一項成本優化則是通過摒棄了85噸望遠鏡在雙軸上移動的方案來實現。這意味著，望遠鏡始終要以水平55度角的相同高度進行觀測，但同時要保證能進行360度水平轉動。如此才能觀測到70% 的天文情況。由主鏡收集的光將在主鏡上方進行聚焦，由一個特殊的輔助光學元件搜集并通過光導纖維體傳送給光譜儀。輔助光學元件安裝在所謂的追蹤器“Tracker”內（參見圖3）。追蹤器可以在6個軸面進行移動。望遠鏡并不追蹤目標物體，而是由目標物體繞圓周運動。 

目前，HET將裝備廣角設備，其視角達22弧分，有效光圈可提升至10米。對于未來的研究項目，光量將幾乎全部通過玻璃纖維耦合裝置搜集，由此對光譜觀測實現革新?？茖W家希望借助新裝備的HET更好的理解“暗能量”。根據目前的假設，“暗能量”約占宇宙物質和能量的四分之三。這種神秘的力量會隨著宇宙年齡的增加而加快分解。 

HETDEX遙望宇宙
為了追蹤這一神秘物質，HETDEX項目（Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment 霍比·埃伯利望遠鏡暗能量實驗）應運而生。從2012年至2015年，科學家們將利用HET對北斗星區域的天空進行深入掃描。此研究項目的目標是距離與在10至11億光年的一百萬個星系。對這些星系進行繪制，不放過任何一處細節。該項目由得克薩斯大學（奧斯汀分校）、賓夕法尼亞州立大學、得克薩斯農工大學、慕尼黑Sternwarte大學、波茨坦天體物理研究所和馬普地外物理研究所共同合作。 

來自各國的科學家希望對宇宙的過去有更多的了解。這個設立的大型研究項目旨在弄明目前假設的萬有引力定律是否正確。此外，通過宇宙大爆炸是否誕生了新的天文單位。在得克薩斯Folwkes山的觀測站內，HETDEX影像儀內的光線并不傳入照片芯片內，而是送入33400根玻璃纖維中。專家們希望，不是暗物質，而是目前未知的重力作用擴展了宇宙。最早于2016年有關暗物質的各種論點可以初露端倪，或者能夠獲得一個答案來合理說明某一現象并不存在。 

PFIP設計結構
主焦點儀器包Prime Focus Instrument Package位于望遠鏡上端的追蹤裝置上，他包括一臺廣角糾偏儀、一臺監測相機、測量儀和一套聚焦面系統。PFIP為一個獨立的自動化單元，配有12個子系統和24根移動軸。移動調節器和模塊化輸入/輸出系統通過CANopen通信協議連接。地面與PFIP子系統之間的整體通信或者布置為以太網的點對點方式，或者通過以太網/CAN網關進行，通信對于CANopen信息為透明。 

PFIP的24根移動軸中有15根采用電動。對于各種不同的速度，動作執行都必須保持一致、精確，尤其是對于超慢速。動作控制系統必須能夠在不同情況下執行各種操作，如準確跟蹤速度曲線（光圈控制），絕對位置的啟動或停止，或跟蹤多軸位置及速度曲線。 

PFIP子系統中所應用的驅動裝置為maxon無刷EC系列電機。根據需求，該電機還可裝配齒輪箱、磁性增量編碼器和電動制動器。超低速勻速動作通過正弦換向產生。因此，除了無刷maxon電機中標配的霍爾傳感器外，還可選配一個增量編碼器。增量編碼器會向同坐控制系統發送補充位置數據。 

精準的maxon位置控制單元
所有調節器都為maxon EPOS2 50/5型位置控制單元。除了電流、速度和位置的封閉式控制電路外，這套控制系統還有一個運動插補模塊。通過這一模塊，系統可以追蹤經過編程的多軸運動曲線。EPOS2還配有模擬機數字輸入輸出裝置，通過CANopen接口可以對其進行操作。此外，還可以對數字輸入信號，如正/負極限值、輸出位置、驅動裝置的急停和啟動/撤銷進行程序反饋。PFIP應用中，模塊化的輸入/輸出站也包括CANopen總線耦合器。通過耦合器，所有補充的I/O設備都可直接通過CAN總線或通過以太網的CAN網關進行訪問。網關采用簡單的ASCII碼協議進行配置并雙向發送信息報告。 

在此應用中，硬件設備與CAN總線連接并以主/從配置通過PFIP控制電腦 (PCC) 進行控制。比如，在多軸運動中，PCC將為所需的運動配置多個運動控制步驟，并同時通過一個CANopen指令啟動。一般，PFIP動作控制器采用24伏直流電工作。對于更高的慣量負載，如光圈，則可以采用48伏，并可與EPOS2 50/5控制系統兼容。為了滿足PFIP和HET的規格要求，所有硬件組件必須能夠在 -10 °C以下正常工作。maxon電機能夠提供一大批滿足此溫度要求的產品，其質量、操作穩定性和可靠性充分滿足工業自動化設備的要求。 

HET的結構總體非常靈活。通過增加或縮減運動控制系統，可以非常簡便的對I/O模塊或電源進行大幅調整。這些組件足夠輕巧，在輸出結構中還能設置額外的零件以備今后的擴展需求。