Hauptspiegel, Bild: ESO
Der Hauptspiegel soll aus 798 hexagonalen Einzelsegmenten zusammengesetzt werden, die jeweils einen Durchmesser von 1,4 m haben und circa 250 kg wiegen. Jedes Spiegelelement wird von drei Antrieben positioniert. Bild: ESO

Die Aktoren, die sowohl zur exakten Ausrichtung der Segmente zueinander als auch zur Befestigung der Segmente an der Trägerstruktur dienen, basieren auf einem hybriden Antriebsprinzip. Ein Motor-Spindel-Antrieb, der für hohe Lasten und große Verfahrwege geeignet ist, wird mit einem Piezoaktor kombiniert. Über einen hochauflösenden Sensor können alle Ungenauigkeiten des Motor-Spindel-Antriebs gemessen und mittels des Piezos korrigiert werden. Dies sorgt für die extrem hohe Positionier- und Bahngenauigkeit, die mit reinen Motor-Spindel-Antrieben nicht erreicht werden kann.

Ein spezieller Controller steuert beide Antriebe simultan an und regelt sie über das hochauflösende Positionsmesssystem. Die Regelalgorithmen betrachten Motor- und Piezosystem als eine Antriebseinheit und gleichen die tatsächliche Bewegung mit einer berechneten Trajektorie ab. Das gibt der ESO die Möglichkeit, die Deformationen in der Struktur des Hauptspiegels mit der nötigen Genauigkeit auszugleichen. Die Spindel wird über ein hochuntersetztes Getriebe von einem bürstenlosen, drehmomentstarken Torquemotor 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.

Die Piezoaktoren sind in einem verschlossenen, mit Stickstoff gefüllten Metallbalg gekapselt, damit sie gegen Feuchtigkeit geschützt sind, um auch unter widrigen Umgebungsbedingungen die geforderte Lebensdauer der Positionierlösung von 30 Jahren zu erreichen. Der hochauflösende Sensor ist ein inkrementeller optischer Encoder, der möglichst nahe der Antriebsspitze platziert ist. Er arbeitet mit einer Auflösung von 100 Picometern und ist ebenfalls unempfindlich gegenüber wechselnden Umgebungsbedingungen, wie sie in der Atacama-Wüste herrschen.

Das Elektronik-Design und die Controller-Struktur

Picma-Piezoaktor, Bild: PI
Picma-Piezoaktor mit Edelstahlgehäuse für hermetische Versiegelung und zusätzlichen Schutz gegen Feuchtigkeit. Bild: PI

Die Antriebselektronik besteht aus zwei Funktionsblöcken: Die Kommutierungselektronik für den Motor, die Interpolation und die Endschalter sind 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 Kontrollelektronik, welche die Ansteuerung von Motor, Piezo und Encoder übernimmt. Dieser Controller ist dreikanalig aufgebaut. Das heißt, für die Ansteuerung aller drei Hybridantriebe eines Spiegelsegments ist lediglich ein solcher Controller erforderlich. Dabei ist es 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.

Die Controllerhardware des Echtzeitsystems besteht aus einem ARM+DSP Dual SoC mit Linux-Betriebssystem und einer Quarzuhr in einem FPGA für die Pufferung aller Datensequenzen. Ein 16+4-Bit-D/A-Wandler liefert den Input für die Piezoverstärker und ein PWM-Signal für den Motor. Während der ARM-Prozessor für die Netzwerkkommunikation zuständig ist, laufen alle echtzeitrelevanten Berechnungen inklusive des Regelalgorithmus auf dem optimierten DSP-Kern. Um die geforderte Energieeffizienz zu erreichen, entwickelte Physik Instrumente die gesamte Elektronik im eigenen Hause.

Das Steuerungsprinzip

Linearaktor, Bild: PI
Positioniergenauigkeit und minimale Bahnabweichung: Hochsteifer hybrider Linearaktor mit einem Durchmesser von rund 200 mm bei einer Gesamtlänge von circa 285 mm. Bild: PI

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.

„Wir sind stolz darauf, den Auftrag für dieses große Projekt erhalten zu haben und damit unsere langjährige erfolgreiche Zusammenarbeit fortführen zu können“, freut sich Dr. Karl Spanner, Vorsitzender der Geschäftsführung bei PI.

Auch bei einem weiteren Projekt am ELT ist der Karlsruher Lösungsanbieter für hochpräzise Positioniersysteme inzwischen beteiligt. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) entwickelt PI ein neues Aktoren-Konzept. Dabei sollen rund 11.000 Picma-Multilayer-Piezoaktoren in einer extrem genau arbeitenden adaptiven Optik (XAO) eingesetzt werden, um bei einem Rastermaß von weniger als 4 mm einen klaren und scharfen Blick ins Weltall zu ermöglichen. jl

Technik im Detail

Piezotechnologie von PI

Picma-Multilayer-Aktoren sind Piezoaktoren, deren aktive Schichten aus dünnen keramischen Folien bestehen. Außerdem ist die aktive Piezokeramik von einer vollständig keramischen Isolierschicht umgeben, die die Aktoren vor Luftfeuchtigkeit und gegen Ausfälle durch erhöhten Leckstrom schützt. Der monolithische Piezokeramikblock des Aktors erreicht selbst unter extremen Umgebungsbedingungen eine hohe Zuverlässigkeit und erhöht auf diese Weise die Lebensdauer um mehrere Größenordnungen. Diese Eigenschaften machen ihn zu einem sehr gut geeigneten Bauteil, um die hohen Qualitätsansprüche der ESO im ELT-Projekt zu gewährleisten. Zusätzlich gibt es die Multilayer-Piezoaktoren auch in einer Variante mit Edelstahlgehäuse. Das Gehäuse ist hermetisch verschweißt und mit einem Inertgas gefüllt. Dadurch sind die Piezoaktoren zum Beispiel gut für Anwendungen mit erhöhter Raumfeuchtigkeit geeignet und gegen Spritzwasser geschützt. Die äußeren Abmessungen betragen für eine 10 x10 x 18 mm große Piezokeramik nur 22,5 mm in der Höhe und 18,6 mm im Durchmesser. Bei der Montage werden die Piezos einseitig geklebt und vorgespannt, zur elektrischen Kontaktierung sind Lötpins aus dem Gehäuse herausgeführt.