超聲電機直驅(qū)的電動物鏡控制方法

潘 松， 菅 磊， 黃衛(wèi)清

(南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室 南京，210016)

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超聲電機直驅(qū)的電動物鏡控制方法

潘 松， 菅 磊， 黃衛(wèi)清

(南京航空航天大學(xué)機械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點實驗室 南京，210016)

針對超聲電機直接驅(qū)動的顯微鏡物鏡為滿足系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)緊湊、快速和準確定位的需求，采用小型光電耦合器設(shè)計了位置檢測傳感器，配合遮擋片實現(xiàn)了物鏡位置和物鏡轉(zhuǎn)換器運動方向的檢測。采用傳統(tǒng)比例-積分-微分控制(proportion-integral-derivative control，簡稱PID)和模糊控制提出了并行切換控制策略，將兩者結(jié)合建立了宏微相融合的預(yù)測控制方法，實現(xiàn)了物鏡轉(zhuǎn)換器的高精度、快速切換控制。在嵌入式控制系統(tǒng)中實現(xiàn)了所設(shè)計的控制算法和策略，并進行了物鏡自動切換控制實驗。實驗結(jié)果顯示，采用筆者提出的定位結(jié)構(gòu)和控制方法，電動物鏡轉(zhuǎn)換器的重復(fù)定位誤差小于0.015°，定位時間小于3 s，滿足自動顯微鏡系統(tǒng)中對電動物鏡轉(zhuǎn)換器重復(fù)定位精度的要求。

電動物鏡轉(zhuǎn)換器； 超聲電機； 模糊控制； 比例-積分-微分控制； 切換控制

引 言

用顯微鏡對微觀世界進行觀察時，為滿足不同視域的觀察，需要切換到不同放大倍數(shù)的物鏡，在某些檢測場合要求操作者不能直接接觸顯微鏡，因此需要能夠快速、準確切換物鏡和實現(xiàn)遠程操作的電動物鏡轉(zhuǎn)換器[1]。目前，電動物鏡轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動電機普遍采用傳統(tǒng)的電磁電機，并配以減速裝置和傳動機構(gòu)，導(dǎo)致整個轉(zhuǎn)換裝置體積大而笨重。選用結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的動力源直接驅(qū)動的物鏡轉(zhuǎn)換裝置是電動物鏡轉(zhuǎn)換器的一個發(fā)展趨勢。將超聲電機作為動力源直接驅(qū)動的物鏡轉(zhuǎn)換器與采用傳統(tǒng)電磁電機驅(qū)動的電動物鏡轉(zhuǎn)換器相比，具有體積小、重量輕、定位準確、斷電自鎖和噪聲低等特點[2-5]。由于超聲電機具有高度非線性和時變性，根據(jù)控制目標要求，針對不同應(yīng)用場合采用合適的控制算法和策略是目前研究的熱點之一。為滿足復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境，一些復(fù)合控制方法，例如將PID控制和智能控制相結(jié)合形成模糊PID控制、單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制等控制算法在進一步研究中[5-12]。

超聲電機直接驅(qū)動的電動物鏡轉(zhuǎn)換器由于其內(nèi)部空間小，無法安裝高精度的傳感器進行位置檢測。筆者采用兩個小型光電耦合器設(shè)計了位置傳感器并配合齒型遮擋片實現(xiàn)物鏡位置和物鏡轉(zhuǎn)換器運動方向的檢測?？紤]控制速度和精度要求，筆者提出宏微控制相結(jié)合的方式，實現(xiàn)物鏡轉(zhuǎn)換器的快速、高精度定位。宏觀控制采用連續(xù)工作方式和步進工作方式相結(jié)合的方法來實現(xiàn)目標位置的快速粗定位。微控制采用模糊控制PID方法實現(xiàn)目標位置的高精度定位。最后通過實驗對所提出的控制方法進行了驗證。

1 電動物鏡轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)

1.1 定位機構(gòu)的設(shè)計

超聲電機安裝在物鏡轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部，通過螺釘固定在固定板上，如圖1所示。超聲電機轉(zhuǎn)軸的花鍵與轉(zhuǎn)動板的花鍵槽相配合，通過螺釘將轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動板固定。光電耦合器及其處理電路經(jīng)支架固定在固定板。遮擋板固定在轉(zhuǎn)動板的內(nèi)側(cè)圓弧面上，且安裝位置與物鏡的位置一一對應(yīng)[2]。

圖1 電動物鏡轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of motorized nosepiece

由于物鏡轉(zhuǎn)換器內(nèi)部空間的限制，無法安裝體積相對較大的高精度傳感器，因此筆者選用體積相對較小的光電耦合器作為物鏡定位的檢測傳感器。定位速度與定位精度往往是相互矛盾的，高精度則定位時間長，相反速度快則定位精度低。單個光電耦合器只能起到快速定位，不能滿足較高定位精度的要求。在高速度運轉(zhuǎn)情況下，控制系統(tǒng)檢測到位置傳感器信號控制超聲電機停止時會產(chǎn)生超調(diào)。為了能實現(xiàn)快速、高精度的定位，筆者設(shè)計了如圖2所示的位置檢測結(jié)構(gòu)。兩光電耦合器并排布置，它們的中心的距離a小于遮擋片兩齒間的距離b，且存在兩個齒同時分別遮擋兩個光電耦合器的時刻，在每一個物鏡安裝位置安裝一個相同的遮擋片。旋轉(zhuǎn)過程中，遮擋片的第1個齒遮擋第1個光電耦合器時，可以實現(xiàn)預(yù)判目標位置，采用智能控制策略可以實現(xiàn)物鏡轉(zhuǎn)換器的快速、高精度的定位。

圖2 定位結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of positioning

1.2 位置信號

當(dāng)超聲電機驅(qū)動物鏡轉(zhuǎn)換器旋轉(zhuǎn)遮擋片經(jīng)過位置檢測傳感器時，傳感器檢測到的位置信號如圖3所示。低電平表示擋片遮擋住了光電耦合器的狹縫。高電平表示光電耦合器的狹縫未被遮擋，每一個物鏡位置對應(yīng)3號刻線對應(yīng)的位置。CW表示電動物鏡轉(zhuǎn)換器逆時針旋轉(zhuǎn)；CCW表示電動物鏡轉(zhuǎn)換器順時針旋轉(zhuǎn)。

圖3 位置信號Fig.3 Signal of position

1.3 步進特性實驗

為保證每個物鏡停在圖3中3號刻線附近，需要對超聲電機采用步進控制，即施加一定周期數(shù)的驅(qū)動信號，超聲電機會旋轉(zhuǎn)一定的角度，這個角度稱為超聲電機的步進角。步進角與驅(qū)動信號周期數(shù)的關(guān)系對控制的精度及控制算法的復(fù)雜程度具有較大影響。筆者采用南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動研究所研制的TRUM-30超聲電機作為研究對象，檢測傳感器采用RENISHEW公司的RCH20W30D32A環(huán)形光柵尺，分辨率為0.55″。在驅(qū)動信號頻率為36 kHz下，測得超聲電機的步距角與驅(qū)動信號的脈沖個數(shù)的關(guān)系，如圖4所示?？梢钥闯?，在驅(qū)動頻率一定的情況下，步距角和電機驅(qū)動信號的脈沖個數(shù)基本呈線性關(guān)系。

圖4 步距角曲線Fig.4 Curve of step angle

2 電動物鏡轉(zhuǎn)換器位置控制策略

為實現(xiàn)快速準確定位，筆者采用并行切換控制策略，即采用經(jīng)典PID控制算法與模糊控制算法并行，根據(jù)傳感器反饋的位置信號進行控制算法的切換，控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。電機驅(qū)動物鏡旋轉(zhuǎn)到達第1個刻度線之前，由PID控制器通過電機的孤極反饋電壓對電機進行高速度穩(wěn)定控制，位置檢測傳感器檢測到第1個刻度線后，算法切換至模糊控制算法，這樣系統(tǒng)在實現(xiàn)快速定位的同時，又可以實現(xiàn)高精度位置鎖定。

圖5 控制策略框圖Fig.5 Diagram of the control strategy

2.1 快速定位

經(jīng)典PID控制算法具有技術(shù)成熟和不需要建立數(shù)學(xué)模型等特點，對一些簡單控制模型的控制效果好，且系統(tǒng)穩(wěn)定性較高[6,11]，在快速定位階段可以滿足要求。為了簡化計算，在快速定位階段，筆者采用增量式PID算法，表達式為

(1)

令Δf(k)=f(k)-f(k-1)，得到

其中：A1=Kp+KI+Kd；A2=-KP-2KD；A3=KD；定義KP，KI，KD分別為PID算法的比例、積分和微分參數(shù)；f(k)為k時刻的電機工作頻率；e(k)為k時刻距離目標位置的距離。

在連續(xù)旋轉(zhuǎn)模式下，速度較快且電動物鏡轉(zhuǎn)換器存在較大的慣性能量，斷電之后電動物鏡轉(zhuǎn)換器會由于慣性旋轉(zhuǎn)一定的角度，導(dǎo)致控制系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，因而在目標位置前設(shè)置預(yù)停止位來解決慣性旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的控制系統(tǒng)的超調(diào)問題。

筆者將旋轉(zhuǎn)方向上的第1個光電耦合器的位置設(shè)定為第1個預(yù)停止位。當(dāng)電機達到此位置時，由連續(xù)PID轉(zhuǎn)變成步進PID，從而快速到達粗定位位置，圖3中3號位置為第2預(yù)停止位。

2.2 精定位

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制系統(tǒng)在定位過程中出現(xiàn)較大的超調(diào)量，采用雙輸入單輸出模糊控制器，控制框圖如圖6所示。

圖6 模糊控制框圖Fig.6 Diagram of fuzzy control

2.2.1 模糊控制器的輸入、輸出量及其論域

模糊控制的輸入量選定為離目標位置偏差e=Lref-L及偏差變化量Δe=de/dt，其中：Lref為目標位置；L為當(dāng)前位置；輸出量為驅(qū)動周期變化量Δp。為了提高電動物鏡轉(zhuǎn)換器定位精度和減少算法的計算量，將偏差e(基本論域[-2 048，2 048])和ec偏差變化量([-2 048，2 048])均量化為13個等級，則有{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，驅(qū)動信號周期數(shù)變化量Δp([-2 000，2 000])，其中：負數(shù)表示電機反向旋轉(zhuǎn)。相應(yīng)的量化因子和比例因子分別為Ke=0.002 9，Kec=0.002 9，KΔp=0.012。位置偏差、偏差變化量和驅(qū)動信號周期數(shù)變化量在量化后論域上的變量形式分別定義為E，EC和P。將E，EC，P模糊化為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，分別用{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}表示。位置偏差、偏差變化量和驅(qū)動信號周期數(shù)變化量的隸屬函數(shù)如圖7所示。

圖7 E，EC，P的隸屬函數(shù)曲線Fig.7 Membership function curve of E, EC, P

2.2.2 模糊控制規(guī)則和推理

當(dāng)偏差較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；當(dāng)誤差較小時，選擇控制量以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好的魯棒性為主要出發(fā)點[11-12]。根據(jù)表1，當(dāng)前位置距離目標位置偏差e為正大且偏差變化量ec為正時，偏差有增大的趨勢。為快速減小偏差，控制的變化取負大，最大增加超聲電機的負步距角，這里負步距角表示電機旋轉(zhuǎn)方向的反方向，即需要增加超聲電機驅(qū)動信號負周期數(shù)。

定義Ai，Bj，Cij為在E，EC，P論域上的模糊集。將模糊條件語句用一個模糊關(guān)系描述,即

(3)

模糊關(guān)系R的隸屬函數(shù)為

(4)

其中：x∈E,y∈EC,z∈P。

當(dāng)模糊控制器的輸入E，EC分別取A，B時,輸出的控制量的變化P根據(jù)模糊推理合成規(guī)則為

(5)

控制量P的隸屬函數(shù)為

根據(jù)得到的偏差e和偏差變化ec，可以計算出相應(yīng)的控制量變化Δp。

3 實 驗

實驗平臺為南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動研究所研制的自動顯微鏡系統(tǒng)，如圖8所示。電動物鏡轉(zhuǎn)換器為筆者所設(shè)計。該顯微鏡使用了同軸光源背向照明方式，圖像CCD傳感器為UCMOS03，分辨率為2 048×1 536，通過USB2.0將圖像傳輸給計算機，并通過計算機顯示器顯示。根據(jù)實際定位控制要求，對系統(tǒng)進行定位誤差測試。檢測工具是分辨率為10 μm的分劃尺，對應(yīng)的角度為0.015°，測試結(jié)果通過CCD圖像檢測模塊將測試圖像傳輸?shù)接嬎銠C上顯示。對單個孔鏡定位進行多次實驗，在40倍物鏡下進行的6組閉環(huán)定位控制測試數(shù)據(jù)如圖9所示。選擇顯示界面中的標尺250 μm處作為參照線，即圖中的黑色線作為參照線，圖中每一格距離是10 μm，發(fā)現(xiàn)圖9(c)誤差最大，但小于10 μm，圖9(e)誤差最小，幾乎沒有偏差。由圖10可看出，重復(fù)定位精度小于10 μm。根據(jù)物鏡轉(zhuǎn)換器驗收標準：研究用顯微鏡重復(fù)定位精度應(yīng)小于等于15 μm。可見，筆者設(shè)計的電動物鏡轉(zhuǎn)換器的重復(fù)定位精度滿足要求，采用提出的控制策略和位置檢測傳感器可以實現(xiàn)小于0.015°的角度定位控制。

圖8 實驗平臺系統(tǒng)Fig.8 Experimental platform

在實現(xiàn)高精度定位過程中，系統(tǒng)還要求盡可能短的閉環(huán)定位時間，采用筆者提出的控制器得到的不同物鏡之間切換時間的測試數(shù)據(jù)如表2所示。可見，不同物鏡之間的切換時間小于3 s，滿足自動顯微鏡對物鏡之間切換時間小于3 s的要求。

圖9 定位誤差圖像Fig.9 Image of positioning error

圖10 重復(fù)定位精度Fig.10 Repeatability

表2 不同物鏡間的切換時間

Tab.2 Switching time between different nosepiece s

次數(shù)切換時間次數(shù)切換時間12.962.521.972.632.581.842.692.752.0102.2

4 結(jié)束語

利用超聲電機直接驅(qū)動電動物鏡轉(zhuǎn)換器，用光電耦合器設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)緊湊的位置檢測傳感器，針對超聲電機的非線性和時變性，提出了宏微相結(jié)合的預(yù)測控制方法，實現(xiàn)了物鏡轉(zhuǎn)換器的高精度、快速切換控制。采用筆者提出的定位結(jié)構(gòu)和控制方法，電動物鏡轉(zhuǎn)換器的重復(fù)定位精度小于0.015°，定位時間小于3 s，滿足了自動顯微鏡系統(tǒng)中對電動物鏡轉(zhuǎn)換器重復(fù)定位精度和定位時間的要求。實驗發(fā)現(xiàn)，電動物鏡轉(zhuǎn)換器的機械結(jié)構(gòu)對定位精度有重要影響，對機械結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化可以提高定位精度。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.04.029

國家自然科學(xué)基金重大研究計劃資助項目(91223201)；國家自然科學(xué)基金面上資助項目(51575260)；南京航空航天大學(xué)科研基地創(chuàng)新創(chuàng)優(yōu)基金資助項目(NJ20160001)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程基金資助項目

2015-04-10；

2015-09-29

TP273； TH742

潘松，男，1978年10月生，講師。主要研究方向為電機控制、壓電精密驅(qū)動與控制技術(shù)。曾發(fā)表《超聲電機驅(qū)動和疲勞壽命集成測控系統(tǒng)》(《振動、測試與診斷》2012年第32卷第6期)等論文。

E-mail：pansong@nuaa.edu.cn