小型太阳模拟器结构设计

刘电龙，徐熙平，文大化，孙敏，徐哲

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

太阳模拟器的应用领域非常广泛。大型太阳模拟器是航天技术中卫星空间环境模拟的主要组成部分，中小型太阳模拟器用于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验与标定及地球资源卫星多光谱扫描仪太阳光谱辐照响应的地面定标。在光伏科学与工程中，中小型的太阳模拟器又可用于太阳能电池的检测与标定、遥感技术中室内模拟太阳光谱辐照以及农业科学中研究植物发育和培育良种、建材行业中材料的耐辐照老化试验等。

本文中的小型太阳模拟器用于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验与标定。太阳敏感器是检测太阳矢量方位角的一种光学仪器，基本功能是获取太阳矢量在与太阳敏感器相固联的星体坐标系中的方位信息，来对空间飞行器进行姿态测量、姿态确定与姿态控制。

1 指标要求及总体结构

图1 系统总体结构示意图Fig.1 The sketch map of systems overall structure

1.1 指标要求

摆角精度：优于0.25°；

摆角零位精度优于0.05°；

摆角范围为±45°连续可调。

1.2 总体结构

本系统主要有模拟器本体、光阑准直系统、减速器、步进电机、基座等部分组成。

模拟器本体与光阑准直系统相连接，准直系统通过摇臂与减速器连接，减速器和步进电机通过联轴器连接。如图1所示。

2 系统各部分结构及功能

2.1 灯室结构及调灯机构

根据光源的指标要求，可采用柱形氙灯作为光源，一定功率的氙灯既可以满足光强强度的要求。但供电电源输出一定要稳定才能保证光源的稳定。灯室有灯室腔和灯架组成，灯室腔是一个圆形管，同时在灯室腔的两侧和顶部开了许多散热孔，以便于较好地散热。灯室下方有一个长60mm，宽5mm的矩形通光槽，光通过矩形通光槽进入下面的准直系统。灯室结构如图2所示。

图2 灯室结构Fig.2 Lamphouse structure

灯架用于支撑氙灯，氙灯采用水平点燃方式。灯的支撑采用两端固定，但不加紧的支撑方式，以确保氙灯在点燃后，两端可以沿氙灯轴线方向释放由于高温引起的热膨胀应力。灯的支撑部分是受热最为严峻的部件。为了减小因支撑部分热膨胀引起的灯两端的附加应力，支撑部件应选用表面抛光且耐高温不变形的合金材料，它对太阳辐射的吸收系数应比较小。考虑到温度会比较高，氙灯与灯架间需要置一层隔热材料。

灯架除了用于支撑氙灯以外，它本身就是一个调灯机构，用来调节灯的中心位置，可以进行水平方向和垂直方向的二维调节。如图3所示。

图3 调灯机构Fig.3 Adjust lamp institutions

调整螺钉A用于灯水平方向的调节，B用于灯垂直方向的调节，调整螺塞C、D用于调节支撑弹簧的松紧。由于在工作过程中此部分热量很大、温度会很高，所以整个灯室和调整架均要选用耐高温且不变形的合金材料来做。灯室与准直机构之间通过螺钉与连接孔连结，中间还需加一隔热垫，阻止热量通过灯室向准直系统扩散。

2.2 准直结构

氙灯发出的光通过矩形通光槽后进入光阑准直系统。准直系统示意图如图4所示，结构图如图5所示。

图4 光准直系统示意图Fig.4 The sketch map of collimating system

图5 光阑准直结构Fig.5 Lens screen collimating structure

光经过3道光阑的过滤后到达准直柱面透镜。进入准直系统的光主要有两种：一种是光源直接发出的光；另一种是经过灯室腔反射后进入准直系统的光。这两种光首先通过光阑1，光阑1把大部分由光源直接发出的能够进入准直系统内部，但不能直接照到准直柱面透镜的光和一部分经过灯室腔反射后进入准直系统的光滤掉。这样经过光阑1的过滤后到达光阑2的光主要有三种：一种是由光源直接发出的且能够直接照到准直柱面透镜的光，它占绝大部分；一种是经过灯室腔反射后进入准直系统而没有被光阑1滤掉的光；另一种是由光阑1反射到准直系统内表面又产生漫反射的光。这些光通过光阑2的过滤后到达光阑3。这样到达光阑3光基本上都是由光源直接发出的光和很微弱的一部分由光阑2反射到准直系统内表面又产生漫反射的光。再经过光阑3的过滤后到达准直柱面透镜，从而到达准直柱面透镜的光就都是由光源发出的直射光。

同时，为了减弱准直系统内表面的漫反射，应在其内表面涂一层吸光材料或置一层吸光纸。

3 运动控制结构

由于是用来模拟太阳相对太阳敏感器的移动，所以转动速度必须不能过快。本系统用步进电机来驱动，虽然步进电机是由脉冲驱动来转动，但当脉冲频率过小，步进电机速度低于一定程度运行时会产生振动。为了保证稳定性，所以不能使步进电机在过低速条件下工作。否则就不能满足稳定性要求，因此就需要加减速机构来实现。考虑稳定性和转动精度的要求，选用谐波齿轮减速器来实现减速的目的。运动控制结构如图6所示。

图6 运动控制结构Fig.6 Motion control structure

在步进电机控制系统设计中，传统的方法是用逻辑电路或单片机实现步进电机控制，虽然此方法可行，但由于线路复杂而且制成后不易调整，因此存在一定的局限性。该系统采用虚拟仪器图形化编程软件LabView实现对步进电机的位置控制。系统有较好的人机交互界面，编程简单，根据不同的要求可随时调整控制方式。系统的控制流程图如图7所示。

图7 运动控制流程图Fig.7 The flow chart of motion control

本系统的精度由电机的转动精度和谐波减速器的传动精度共同决定。谐波减速器的传动精度由空回（空载情况下，改变输入轴转向时，输出轴转角的滞后量）和传动误差（当输入轴单向旋转时，输出轴的实际转角与理论转角之差）决定。本系统采用 XB1型高精密单级谐波减速器，指向精度达到30"=0.0083°、传动精度达到5"=0.0014°，采用步距角为1.8°的步进电机，进行128细分后的精度为：则系统的精度可以达到0.0083°+0.0014°+0.014°=0.0237°，因此，能够满足系统精度要求。

4 结论

模拟器本体采用的管罩式结构，即有利于灯室的散热，又可以通过散热孔直接观察到灯室内部的情况和灯的中心位置，便于调节。采用的与中心轴垂直且依附在灯室上的十字结构调灯系统可以很方便的调节灯的中心位置，使之与中心轴重合。光阑准直系统采用矩形结构，它与模拟器本体连接时可以保证与灯中心轴的平行，光可以平行经过准直系统到达准直镜，再平行输出。减速机构采用谐波减速齿轮，是由于谐波减速齿轮的减速比比较大，传动精度高，一般的行星减速齿轮要实现大的减速比，需要多级传动，传动精度很难达到要求。减速器与步进电机的连接采用联轴器直联的方式，这种连接方式可以使电机轴和减速器轴的同轴性较好，但在加工基座时也要保证安装螺孔的位置精度、加工精度、与端面的垂直度等。

本系统除了用于太阳敏感器地面模拟试验与标定之外，在太阳光伏科学与工程中，改变一下光源结构（加1.5G滤光片）就可达到A类太阳模拟器标准，即可可用于太阳能电池的检测与标定，光电材料特性测试等。还可以用于生物化学相关测试，皮肤化妆用品的试验测试检测，建材行业中材料的耐辐照老化试验等。

［1］刘洪波.太阳模拟技术［J］.光学精密工程，2001，9（2）：177-181.

［2］何丽，胡以华.太阳敏感器的原理与技术发展趋势［J］.电子元件与材料，2006（9）：5-7.

［3］周晖，温庆平，张伟文.谐波减速器在空间飞行器中的应用［J］.真空与低温，2004，10（4）：187-192.

［4］张国玉，刘淑红，王凌云，等.移动式太阳模拟器控制系统研究［J］.长春理工大学学报，2009，32（1）：1-3.

［5］杨林，王晓光.LabView控制步进电机［J］.电气传动，2004（5）：52-54.