基于柵欄圖像的直線電機動子精密定位系統(tǒng)的研究

黃坤　包樹林　常婉晴　劉斌斌　楊冀東

摘要：直線電機因為自身近零維護、高運轉(zhuǎn)、精度高等諸多優(yōu)點被人們廣泛關注，成為當代學者研究的重點項目。要想將直線電機研究透徹，就必須了解直線電機動子的位置測量方式，選擇合適、科學、低成本的方式研究出直線電機動子的位移。雖然我國已經(jīng)實現(xiàn)多種傳感器技術來研究直線電機動子位移檢測，但這些技術存在很多弊端，比如成本高昂，限制性較強。因此，本文通過研究柵欄圖像測量技術，分析柵欄圖像的應用環(huán)境、構造與篩選方法，從而將其更好地應用在直線電動機子位置檢測過程中。

關鍵詞：柵欄圖像；直線電機；電機動子；檢測；定位系統(tǒng)

中圖分類號：TM3

文獻標識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0089-02

直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構的傳動裝置。直線電機在轉(zhuǎn)換電能的過程中不需要采用任何的中間傳動裝置，能夠直接憑借自身實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，所以，直線電機的研究與發(fā)展對我國具有非常重要的作用。

直線電機之所以被廣泛的應用與關注，是因為其自身具有諸多優(yōu)點，如直線電機的運轉(zhuǎn)速度、維護、精度等方面，都處于我國的前列，而且直線電機無需齒輪、聯(lián)軸器與滑輪的支持就能夠?qū)崿F(xiàn)直線運動，所以直線電機運動位置的精確度一直備受關注，成為當代學者研究的熱門話題。

目前，我國在研究直線電動機子方面已經(jīng)取得了一些成果，在測量電動機子位置方面也有了一些經(jīng)驗，并且研究出激光干涉儀、磁柵式傳感器等多種測量方法。雖然這些方法對研究直線電動機子位置有著巨大作用，但是在研究的過程中受到環(huán)境干擾性比較大，而且位置測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量技術對直線電機動子位置定位進行研究。

1.直線電機動子位置檢測方法

在直線電機進入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，直線電機動子會沿著固定的方向在導軌上做勻速直線運動，這時可以采用柵欄圖像測量技術檢測動子位置。柵欄圖像測量技術具有高速攝像功能，通過高速相機將動子運動的圖像采集出來，并且對相鄰的兩個動子運動圖像做出分析與處理，從而獲得直線電機動子運動的像素位移量。

如圖1所示，該圖展示的是直線電機動子位置檢測的圖像測量系統(tǒng)。電動機子在運動的過程中會帶動高速相機一起沿著相同方向勻速運動，所以相機會根據(jù)不同的參考點拍攝出動子運動圖像，通過研究相鄰圖像的位置關系，能夠精準地計算出電機動子位置，從而完成直線電機動子位置測量研究。在測量的過程中必須要注意，一是注意相機拍攝主軸與拍攝面的位置關系，要盡可能使主軸垂直于拍攝面，這樣有利于拍攝的精準度，減少圖像的變形程度；二是直線電機在剛剛啟動時并未進入勻速運動狀態(tài)，所以在實際的測量過程中要選擇勻速運動時的采集圖像，盡可能保證圖像測量的精確度。

刪欄圖像測量技術所得的計算結果單位為像素，所表示的是動子勻速運動的狀態(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動子位置的變化，其位移量一般以毫米或米為單位。所以，在使用柵欄技術測量直線電機動子位置時，需要進行單位轉(zhuǎn)換，采用系統(tǒng)標定轉(zhuǎn)化處理技術，將像素變?yōu)閷嶋H距離單位。

2.柵欄圖像的直線電機動子精密定位系統(tǒng)技術流程分析

2.1直線電機測量的環(huán)境因素分析

直線電機在進行運行的過程中，電機動子會沿著固定的方向進行橫向往復位移，在位移的同時會產(chǎn)生縱向振動；而且電機動子運動時線圈會產(chǎn)生開放磁場，磁場會出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象；高速相機在拍著圖像的過程中會受到現(xiàn)場環(huán)境的影響，拍攝的圖像上會出現(xiàn)斑點污染。拍攝圖像也會受到環(huán)境光線的影響，光線變明或者變暗，都會對圖像產(chǎn)生干擾。在測量直線電機動子位置時，測量的實時性會受到動子高速性的影響，需要較高的標準；超精密加工對動子位置測量精度有較高要求。因此，在研究直線電機動子位置的過程中，動子位置測量方法和效果會受到環(huán)境因素的影響，在進行測量的時候要充分考慮到環(huán)境因素，給出合理的測量邊界條件。為避免縱向振動對測量結果的影響，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，在構造圖像時盡可能避免圖像的條紋寬度序列產(chǎn)生周期性。

2.2柵欄圖像的構造方法研究

在使用柵欄圖像測量技術測量直線電機動子位置的過程中，機械振動與光線變化產(chǎn)生的影響是無法避免的，采集的圖像會產(chǎn)生較大程度的失真，為了盡可能提高動子位置的準確性，提高測量結果的穩(wěn)定性，在采集圖像的時候必須要有較強的非周期性和魯棒性。本文采用的是柵欄圖像測量技術，因此將柵欄圖像作為原始拍攝面，通過分析柵欄條紋的灰度梯度和寬度變化來提高測量的精度、實時性和抗干擾性能，從而構造出滿足測量要求的柵欄圖像，保證動子位置研究的準確性。

2.3柵欄圖像的篩選方法研究

在使用柵欄圖像測量技術時，生成的一組柵欄圖像縱向變化為零。因此，只有在橫向坐標上的信息才有效，才是本次研究的重點。在生成圖像時，雖然條紋的灰度梯度和寬度會隨機生成，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，導致后面相位相關計算出現(xiàn)多個峰值或者最大峰值不明顯的情況，無法判斷圖像偏移情況，因此要對這組圖像進行篩選，剔除周期或近似周期因素的影響。本項目以寬度序列的“相關數(shù)組系數(shù)和標準差”為度量函數(shù)，分析圖像的抗干擾能力，選出最優(yōu)柵欄圖像用于測量，保證測量的穩(wěn)定性。

2.4相位相關算法的分析

柵欄圖像相位相關算法分析。圖像測量算法其實是將動子勻速運動時采集的相鄰兩幅圖像進行比較，對得出的結果進行量化的過程。這其中有很多表述方式，如直方圖，計算均方根誤差，圖像相對誤差法等等。本項目中用相位相關算法，將其幾何約束引入相位相關函數(shù)，實現(xiàn)二維函數(shù)擬合到一維函數(shù)擬合轉(zhuǎn)換，并且通過頻域處理，從而盡可能提高相位計算的準確性與速度，提高抗干擾性。

3.實驗系統(tǒng)整體部分設計

直線電機驅(qū)動系統(tǒng)由光柵數(shù)顯表、電機運動控制模塊、高速相機、光柵、直線電機和計算機組成。相機安裝在電機動子上面，電機接電運行后動子帶動相機作直線運動，對拍攝面進行高速垂直拍攝，拍攝的圖像最后送到計算機上面進行處理。FPGA控制部分設計結構主要包括5分頻器、12分頻器、19行50kHz采樣頻率信號地址發(fā)生器、5列10kHz采樣頻率信號地址發(fā)生器、30列1kHz采樣頻率信號地址發(fā)生器，以及幀路碼信號及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.結論

本次研究的主要內(nèi)容是基于柵欄圖像的直線電機動子精密定位系統(tǒng)，通過研究動子的位置來完成這個項目研究。同時，為了保證研究的準確性，本文對柵欄圖像中的影響因素進行分析，并采取了相應的措施，以期為今后的動子測量提供有益參考。