黃坤　包樹林　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)動子的位置測量方式，選擇合適、科學(xué)、低成本的方式研究出直線電機(jī)動子的位移。雖然我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多種傳感器技術(shù)來研究直線電機(jī)動子位移檢測，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，本文通過研究柵欄圖像測量技術(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)用在直線電動機(jī)子位置檢測過程中。

關(guān)鍵詞：柵欄圖像；直線電機(jī)；電機(jī)動子；檢測；定位系統(tǒng)

中圖分類號：TM3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號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)動機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置。直線電機(jī)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(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，所以，直線電機(jī)的研究與發(fā)展對我國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，都處于我國的前列，而且直線電機(jī)無需齒輪、聯(lián)軸器與滑輪的支持就能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動，所以直線電機(jī)運(yùn)動位置的精確度一直備受關(guān)注，成為當(dāng)代學(xué)者研究的熱門話題。

目前，我國在研究直線電動機(jī)子方面已經(jīng)取得了一些成果，在測量電動機(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量方法。雖然這些方法對研究直線電動機(jī)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(shù)對直線電機(jī)動子位置定位進(jìn)行研究。

1.直線電機(jī)動子位置檢測方法

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

如圖1所示，該圖展示的是直線電機(jī)動子位置檢測的圖像測量系統(tǒng)。電動機(jī)子在運(yùn)動的過程中會帶動高速相機(jī)一起沿著相同方向勻速運(yùn)動，所以相機(jī)會根據(jù)不同的參考點(diǎn)拍攝出動子運(yùn)動圖像，通過研究相鄰圖像的位置關(guān)系，能夠精準(zhǔn)地計算出電機(jī)動子位置，從而完成直線電機(jī)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(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)在剛剛啟動時并未進(jìn)入勻速運(yùn)動狀態(tài)，所以在實(shí)際的測量過程中要選擇勻速運(yùn)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(shù)所得的計算結(jié)果單位為像素，所表示的是動子勻速運(yùn)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(jī)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(shù)測量直線電機(jī)動子位置時，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)動子精密定位系統(tǒng)技術(shù)流程分析

2.1直線電機(jī)測量的環(huán)境因素分析

直線電機(jī)在進(jìn)行運(yùn)行的過程中，電機(jī)動子會沿著固定的方向進(jìn)行橫向往復(fù)位移，在位移的同時會產(chǎn)生縱向振動；而且電機(jī)動子運(yùn)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(jī)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(diǎn)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(jī)動子位置時，測量的實(shí)時性會受到動子高速性的影響，需要較高的標(biāo)準(zhǔn)；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(jī)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(jìn)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(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

在使用柵欄圖像測量技術(shù)測量直線電機(jī)動子位置的過程中，機(jī)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(zhǔn)確性，提高測量結(jié)果的穩(wěn)定性，在采集圖像的時候必須要有較強(qiáng)的非周期性和魯棒性。本文采用的是柵欄圖像測量技術(shù)，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(shí)時性和抗干擾性能，從而構(gòu)造出滿足測量要求的柵欄圖像，保證動子位置研究的準(zhǔn)確性。

2.3柵欄圖像的篩選方法研究

在使用柵欄圖像測量技術(shù)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(biāo)上的信息才有效，才是本次研究的重點(diǎn)。在生成圖像時，雖然條紋的灰度梯度和寬度會隨機(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(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)柵欄圖像用于測量，保證測量的穩(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。圖像測量算法其實(shí)是將動子勻速運(yùn)動時采集的相鄰兩幅圖像進(jìn)行比較，對得出的結(jié)果進(jìn)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(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，并且通過頻域處理，從而盡可能提高相位計算的準(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

直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)由光柵數(shù)顯表、電機(jī)運(yùn)動控制模塊、高速相機(jī)、光柵、直線電機(jī)和計算機(jī)組成。相機(jī)安裝在電機(jī)動子上面，電機(jī)接電運(yùn)行后動子帶動相機(jī)作直線運(yùn)動，對拍攝面進(jìn)行高速垂直拍攝，拍攝的圖像最后送到計算機(jī)上面進(jìn)行處理。FPGA控制部分設(shè)計結(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(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)動子精密定位系統(tǒng)，通過研究動子的位置來完成這個項(xiàng)目研究。同時，為了保證研究的準(zhǔn)確性，本文對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，以期為今后的動子測量提供有益參考。