Aktor 2394 Antriebe helfen, Exo-Planeten zu entdecken

Erkenntnisse zu Exo-Planeten – Planeten, die außerhalb unseres Sonnensystems liegen – darüber soll das European Extremely Large Telescope, kurz ELT, der Europäischen Südsternwarte (ESO) ab 2024 Auskunft geben. Die Aktoren für das größte Teleskop der Welt kommen von Physik Instrumente.

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Mit seinem segmentierten Hauptspiegel empfängt das ELT elektromagnetische Strahlung im sichtbaren und nahen Infrarot-Wellenlängenbereich. Aktuell fertigt Schott, ein Technologiekonzern für Spezialglas und Glaskeramik, die Spiegelträgerkomponenten für das Extremely Large Telescope (ELT) der ESO (Europäischen Südsternwarte). Der Spiegel hat dabei einen Durchmesser von 39 m und eine Lichtsammelfläche von knapp 1000 m². Schott hat bereits Segmente für den vierten Spiegel der Teleskopoptik sowie zwei Spiegelträger der 4-m-Klasse für den Sekundär- und Tertiärspiegel des ELT ausgeliefert. Auf dem 3.046 m hohen Cerro Amazones in der chilenischen Atacama-Wüste soll es 2025 in Betrieb gehen.

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Der Hauptspiegel wird aus 798 einzelnen Spiegelsegmenten mit je 1,40 m Durchmesser bestehen und 250 kg wiegen. Jeweils drei Antriebe positionieren ein Spiegelelement. Diese Positions-Aktuatoren (PACTs) kommen von der Firma Physik Instrumente, mit der die ESO einen Vertrag geschlossen hat. Insgesamt werden also 2394 Aktuatoren benötigt.

Die PACTs befestigen die jeweiligen Segmente, werden aber ebenso die Position in drei Richtungen (Hub und Verkippung in zwei Achsen) aktiv kontrollieren. Auf diese Weise können Deformierungen des Spiegels korrigiert werden, die durch Änderungen der Teleskophöhe, Temperatur und Windstärke hervorgerufen werden. Zusätzlich können Vibrationen ausgeglichen werden.

Zusammen werden die Segmente mehrere zehn Millionen Mal so viel Licht sammeln wie das menschliche Auge und über weitere Optiken in die wissenschaftlichen Instrumente führen. Um Abweichungen vom optimalen Strahlengang auszugleichen und damit Abbildungsfehler zu vermeiden, müssen die Spiegelsegmente exakt zueinander ausgerichtet werden.

Hohe Anforderungen an Aktoren

Die Stellwege der Segmente können bis zu 10 mm groß sein. Um ein Objekt während der Beobachtung zu verfolgen, liegen die Geschwindigkeiten typischerweise zwischen einigen Nanometern pro Sekunde und +/- 0,45 µm/s. Dabei darf die Positionsabweichung im Mittel nicht mehr als 2 nm betragen. Soll das Teleskop auf ein anderes Objekt ausgerichtet werden, sind Geschwindigkeiten von bis zu +/- 100 µm/s erforderlich. Dabei müssen beachtliche Massen bewegt werden: Ein Spiegelsegment wiegt etwa 250 kg.

So muss ein einzelner Antrieb Lasten zwischen 463 N Zugkraft und 1050 N Druckkraft bewegen bzw. halten.Auch die maximal erlaubte Abwärme für Aktor und Controller muss beachtet werden. Für diese anspruchsvolle Aufgabe hat PI einen Hybrid-Antrieb „maßgeschneidert“.

Motor-Spindel-Antrieb mit Piezoaktor kombiniert

Das Prinzip des Hybrid-Antriebs besteht darin, einen Motor-Spindel-Antrieb, der für hohe Lasten und große Verfahrwege geeignet ist, mit einem Piezoaktor zu kombinieren. Die Spindel wird über ein hochuntersetztes Getriebe von einem bürstenlosen, drehmomentstarken Torque-Motor angetrieben. Das Getriebe sorgt für einen spielfreien Betrieb und garantiert ein konstantes Übersetzungsverhältnis. Dadurch kann der Motor klein dimensioniert werden, obwohl große Massen bewegt werden. Die hohe Untersetzung unterstützt zudem bei Stillstand die Selbsthemmung des Motors.

Ein hochauflösender Sensor arbeitet mit einer Auflösung von 100 Picometer und misst alle Ungenauigkeiten des Motor-Spindel-Antriebs. Die Piezoaktoren korrigieren dieses Ungenauigkeit. Sie sind in einem verschlossenen, mit Stickstoff gefüllten Metallbalg gekapselt, damit sie gegen Feuchtigkeit geschützt sind und auch unter widrigen Umgebungsbedingungen die geforderte Lebensdauer der Positionierlösung von 30 Jahren erreichen.

Dabei steuert ein spezieller Controller beide Antriebe simultan an und regelt über das hochauflösende Positionsmesssystem. Die Regelalgorithmen betrachten Motor- und Piezosystem als eine Antriebseinheit und gleichen die tatsächliche Bewegung mit einer berechneten Trajektorie ab.

Kurze Geberleitungen vermeiden Signalstörungen

Die Antriebselektronik besteht aus zwei Funktionsblöcken: Die Kommutierungselektronik für den Motor, die Interpolation sowie die Endschalter ist direkt im Antriebsgehäuse untergebracht. Dies erlaubt kurze Geberleitungen, um Signalstörungen zu vermeiden. Ein einziges Kabel verbindet den Antrieb dann mit dem zweiten Funktionsblock, der externen Elektronik, welche die Ansteuerung von Motor, Piezo und Encoder übernimmt.

Dieser Haupt-Controller ist dreikanalig aufgebaut. Das heißt, für die Ansteuerung aller drei Hybridantriebe eines Spiegelsegments ist nur ein solcher Controller erforderlich. Dabei ist möglich, sowohl Fahrbefehle für jeden einzelnen Antrieb vorzugeben, als auch die gewünschte Position des Spiegelsegments. Der Controller „übersetzt“ einen solchen Befehl dann für seine drei Achsen.

Das Steuerprinzip des Hybridantriebs

Das Steuerungsprinzip des Hybridantriebs ist einfach zu verstehen: Die Motorspannung wird von der Steuerspannung des Piezo abgeleitet. Je größer diese Spannung wird, umso schneller läuft der Motor. Während sich der Piezo also ausdehnt, treibt der Motor die Spindel in die gleiche Richtung. So wird die Grobpositionierung der Spindel durch die Feinpositionierung des Piezos ergänzt. Gleichzeitig wird der Piezo von der Spindel automatisch immer in die Nähe seiner Null-Stellung gefahren. Hier hat er die größte Möglichkeit zur Positionskorrektur in beide Richtungen. Auf diese Weise lassen sich die relativ großen Verfahrwege mit einer extrem hohen Positioniergenauigkeit kombinieren.

Die Leistungsfähigkeit des Hybridantriebs hat sich bei der ESO im Rahmen umfangreicher Tests bestätigt. Dabei weiß man auch das flexible Controllerkonzept zu schätzen, das nachträgliche Erweiterungen einfach macht.

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