基于柵欄圖像的直線電機(jī)動(dòng)子精密定位系統(tǒng)的研究

黃坤　包樹(shù)林　常婉晴　劉斌斌　楊冀東

摘要：直線電機(jī)因?yàn)樽陨斫憔S護(hù)、高運(yùn)轉(zhuǎn)、精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)被人們廣泛關(guān)注，成為當(dāng)代學(xué)者研究的重點(diǎn)項(xiàng)目。要想將直線電機(jī)研究透徹，就必須了解直線電機(jī)動(dòng)子的位置測(cè)量方式，選擇合適、科學(xué)、低成本的方式研究出直線電機(jī)動(dòng)子的位移。雖然我國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多種傳感器技術(shù)來(lái)研究直線電機(jī)動(dòng)子位移檢測(cè)，但這些技術(shù)存在很多弊端，比如成本高昂，限制性較強(qiáng)。因此，本文通過(guò)研究柵欄圖像測(cè)量技術(shù)，分析柵欄圖像的應(yīng)用環(huán)境、構(gòu)造與篩選方法，從而將其更好地應(yīng)用在直線電動(dòng)機(jī)子位置檢測(cè)過(guò)程中。

關(guān)鍵詞：柵欄圖像；直線電機(jī)；電機(jī)動(dòng)子；檢測(cè)；定位系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)2095-6363（2017）04-0089-02

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。直線電機(jī)在轉(zhuǎn)換電能的過(guò)程中不需要采用任何的中間傳動(dòng)裝置，能夠直接憑借自身實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，所以，直線電機(jī)的研究與發(fā)展對(duì)我國(guó)具有非常重要的作用。

直線電機(jī)之所以被廣泛的應(yīng)用與關(guān)注，是因?yàn)槠渥陨砭哂兄T多優(yōu)點(diǎn)，如直線電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、維護(hù)、精度等方面，都處于我國(guó)的前列，而且直線電機(jī)無(wú)需齒輪、聯(lián)軸器與滑輪的支持就能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，所以直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)位置的精確度一直備受關(guān)注，成為當(dāng)代學(xué)者研究的熱門(mén)話題。

目前，我國(guó)在研究直線電動(dòng)機(jī)子方面已經(jīng)取得了一些成果，在測(cè)量電動(dòng)機(jī)子位置方面也有了一些經(jīng)驗(yàn)，并且研究出激光干涉儀、磁柵式傳感器等多種測(cè)量方法。雖然這些方法對(duì)研究直線電動(dòng)機(jī)子位置有著巨大作用，但是在研究的過(guò)程中受到環(huán)境干擾性比較大，而且位置測(cè)量研究的成本也非常高，具有非常大的局限性。因此，需要采用刪欄圖像測(cè)量技術(shù)對(duì)直線電機(jī)動(dòng)子位置定位進(jìn)行研究。

1.直線電機(jī)動(dòng)子位置檢測(cè)方法

在直線電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，直線電機(jī)動(dòng)子會(huì)沿著固定的方向在導(dǎo)軌上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，這時(shí)可以采用柵欄圖像測(cè)量技術(shù)檢測(cè)動(dòng)子位置。柵欄圖像測(cè)量技術(shù)具有高速攝像功能，通過(guò)高速相機(jī)將動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的圖像采集出來(lái)，并且對(duì)相鄰的兩個(gè)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)圖像做出分析與處理，從而獲得直線電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的像素位移量。

如圖1所示，該圖展示的是直線電機(jī)動(dòng)子位置檢測(cè)的圖像測(cè)量系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)帶動(dòng)高速相機(jī)一起沿著相同方向勻速運(yùn)動(dòng)，所以相機(jī)會(huì)根據(jù)不同的參考點(diǎn)拍攝出動(dòng)子運(yùn)動(dòng)圖像，通過(guò)研究相鄰圖像的位置關(guān)系，能夠精準(zhǔn)地計(jì)算出電機(jī)動(dòng)子位置，從而完成直線電機(jī)動(dòng)子位置測(cè)量研究。在測(cè)量的過(guò)程中必須要注意，一是注意相機(jī)拍攝主軸與拍攝面的位置關(guān)系，要盡可能使主軸垂直于拍攝面，這樣有利于拍攝的精準(zhǔn)度，減少圖像的變形程度；二是直線電機(jī)在剛剛啟動(dòng)時(shí)并未進(jìn)入勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以在實(shí)際的測(cè)量過(guò)程中要選擇勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的采集圖像，盡可能保證圖像測(cè)量的精確度。

刪欄圖像測(cè)量技術(shù)所得的計(jì)算結(jié)果單位為像素，所表示的是動(dòng)子勻速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，兩幅圖像之間產(chǎn)生的位移量，根據(jù)位移量能夠得出直線電機(jī)動(dòng)子位置的變化，其位移量一般以毫米或米為單位。所以，在使用柵欄技術(shù)測(cè)量直線電機(jī)動(dòng)子位置時(shí)，需要進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，采用系統(tǒng)標(biāo)定轉(zhuǎn)化處理技術(shù)，將像素變?yōu)閷?shí)際距離單位。

2.柵欄圖像的直線電機(jī)動(dòng)子精密定位系統(tǒng)技術(shù)流程分析

2.1直線電機(jī)測(cè)量的環(huán)境因素分析

直線電機(jī)在進(jìn)行運(yùn)行的過(guò)程中，電機(jī)動(dòng)子會(huì)沿著固定的方向進(jìn)行橫向往復(fù)位移，在位移的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生縱向振動(dòng)；而且電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生開(kāi)放磁場(chǎng)，磁場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象；高速相機(jī)在拍著圖像的過(guò)程中會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，拍攝的圖像上會(huì)出現(xiàn)斑點(diǎn)污染。拍攝圖像也會(huì)受到環(huán)境光線的影響，光線變明或者變暗，都會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生干擾。在測(cè)量直線電機(jī)動(dòng)子位置時(shí)，測(cè)量的實(shí)時(shí)性會(huì)受到動(dòng)子高速性的影響，需要較高的標(biāo)準(zhǔn)；超精密加工對(duì)動(dòng)子位置測(cè)量精度有較高要求。因此，在研究直線電機(jī)動(dòng)子位置的過(guò)程中，動(dòng)子位置測(cè)量方法和效果會(huì)受到環(huán)境因素的影響，在進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候要充分考慮到環(huán)境因素，給出合理的測(cè)量邊界條件。為避免縱向振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，選取縱向信息一致的柵欄圖像作為拍攝表面；選取的柵欄圖像本身要具備抗干擾的能力，在構(gòu)造圖像時(shí)盡可能避免圖像的條紋寬度序列產(chǎn)生周期性。

2.2柵欄圖像的構(gòu)造方法研究

在使用柵欄圖像測(cè)量技術(shù)測(cè)量直線電機(jī)動(dòng)子位置的過(guò)程中，機(jī)械振動(dòng)與光線變化產(chǎn)生的影響是無(wú)法避免的，采集的圖像會(huì)產(chǎn)生較大程度的失真，為了盡可能提高動(dòng)子位置的準(zhǔn)確性，提高測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，在采集圖像的時(shí)候必須要有較強(qiáng)的非周期性和魯棒性。本文采用的是柵欄圖像測(cè)量技術(shù)，因此將柵欄圖像作為原始拍攝面，通過(guò)分析柵欄條紋的灰度梯度和寬度變化來(lái)提高測(cè)量的精度、實(shí)時(shí)性和抗干擾性能，從而構(gòu)造出滿足測(cè)量要求的柵欄圖像，保證動(dòng)子位置研究的準(zhǔn)確性。

2.3柵欄圖像的篩選方法研究

在使用柵欄圖像測(cè)量技術(shù)時(shí)，生成的一組柵欄圖像縱向變化為零。因此，只有在橫向坐標(biāo)上的信息才有效，才是本次研究的重點(diǎn)。在生成圖像時(shí)，雖然條紋的灰度梯度和寬度會(huì)隨機(jī)生成，但是也有可能出現(xiàn)柵欄條紋在橫向上全部或者部分的信息存在周期性變化，或者柵欄條紋寬度出現(xiàn)近周期變化，導(dǎo)致后面相位相關(guān)計(jì)算出現(xiàn)多個(gè)峰值或者最大峰值不明顯的情況，無(wú)法判斷圖像偏移情況，因此要對(duì)這組圖像進(jìn)行篩選，剔除周期或近似周期因素的影響。本項(xiàng)目以寬度序列的“相關(guān)數(shù)組系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差”為度量函數(shù)，分析圖像的抗干擾能力，選出最優(yōu)柵欄圖像用于測(cè)量，保證測(cè)量的穩(wěn)定性。

2.4相位相關(guān)算法的分析

柵欄圖像相位相關(guān)算法分析。圖像測(cè)量算法其實(shí)是將動(dòng)子勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)采集的相鄰兩幅圖像進(jìn)行比較，對(duì)得出的結(jié)果進(jìn)行量化的過(guò)程。這其中有很多表述方式，如直方圖，計(jì)算均方根誤差，圖像相對(duì)誤差法等等。本項(xiàng)目中用相位相關(guān)算法，將其幾何約束引入相位相關(guān)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)二維函數(shù)擬合到一維函數(shù)擬合轉(zhuǎn)換，并且通過(guò)頻域處理，從而盡可能提高相位計(jì)算的準(zhǔn)確性與速度，提高抗干擾性。

3.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體部分設(shè)計(jì)

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由光柵數(shù)顯表、電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊、高速相機(jī)、光柵、直線電機(jī)和計(jì)算機(jī)組成。相機(jī)安裝在電機(jī)動(dòng)子上面，電機(jī)接電運(yùn)行后動(dòng)子帶動(dòng)相機(jī)作直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)拍攝面進(jìn)行高速垂直拍攝，拍攝的圖像最后送到計(jì)算機(jī)上面進(jìn)行處理。FPGA控制部分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要包括5分頻器、12分頻器、19行50kHz采樣頻率信號(hào)地址發(fā)生器、5列10kHz采樣頻率信號(hào)地址發(fā)生器、30列1kHz采樣頻率信號(hào)地址發(fā)生器，以及幀路碼信號(hào)及A/D轉(zhuǎn)換控制模塊幾部分組成，其原理框圖如圖2所示。

4.結(jié)論

本次研究的主要內(nèi)容是基于柵欄圖像的直線電機(jī)動(dòng)子精密定位系統(tǒng)，通過(guò)研究動(dòng)子的位置來(lái)完成這個(gè)項(xiàng)目研究。同時(shí)，為了保證研究的準(zhǔn)確性，本文對(duì)柵欄圖像中的影響因素進(jìn)行分析，并采取了相應(yīng)的措施，以期為今后的動(dòng)子測(cè)量提供有益參考。