基于栅栏图像的直线电机动子精密定位系统的研究

黄坤　包树林　常婉晴　刘斌斌　杨冀东

摘要：直线电机因为自身近零维护、高运转、精度高等诸多优点被人们广泛关注，成为当代学者研究的重点项目。要想将直线电机研究透彻，就必须了解直线电机动子的位置测量方式，选择合适、科学、低成本的方式研究出直线电机动子的位移。虽然我国已经实现多种传感器技术来研究直线电机动子位移检测，但这些技术存在很多弊端，比如成本高昂，限制性较强。因此，本文通过研究栅栏图像测量技术，分析栅栏图像的应用环境、构造与筛选方法，从而将其更好地应用在直线电动机子位置检测过程中。

关键词：栅栏图像；直线电机；电机动子；检测；定位系统

中图分类号：TM3

文献标识码A

文章编号2095-6363（2017）04-0089-02

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。直线电机在转换电能的过程中不需要采用任何的中间传动装置，能够直接凭借自身实现能量转换，所以，直线电机的研究与发展对我国具有非常重要的作用。

直线电机之所以被广泛的应用与关注，是因为其自身具有诸多优点，如直线电机的运转速度、维护、精度等方面，都处于我国的前列，而且直线电机无需齿轮、联轴器与滑轮的支持就能够实现直线运动，所以直线电机运动位置的精确度一直备受关注，成为当代学者研究的热门话题。

目前，我国在研究直线电动机子方面已经取得了一些成果，在测量电动机子位置方面也有了一些经验，并且研究出激光干涉仪、磁栅式传感器等多种测量方法。虽然这些方法对研究直线电动机子位置有着巨大作用，但是在研究的过程中受到环境干扰性比较大，而且位置测量研究的成本也非常高，具有非常大的局限性。因此，需要采用删栏图像测量技术对直线电机动子位置定位进行研究。

1.直线电机动子位置检测方法

在直线电机进入稳定工作状态后，直线电机动子会沿着固定的方向在导轨上做匀速直线运动，这时可以采用栅栏图像测量技术检测动子位置。栅栏图像测量技术具有高速摄像功能，通过高速相机将动子运动的图像采集出来，并且对相邻的两个动子运动图像做出分析与处理，从而获得直线电机动子运动的像素位移量。

如图1所示，该图展示的是直线电机动子位置检测的图像测量系统。电动机子在运动的过程中会带动高速相机一起沿着相同方向匀速运动，所以相机会根据不同的参考点拍摄出动子运动图像，通过研究相邻图像的位置关系，能够精准地计算出电机动子位置，从而完成直线电机动子位置测量研究。在测量的过程中必须要注意，一是注意相机拍摄主轴与拍摄面的位置关系，要尽可能使主轴垂直于拍摄面，这样有利于拍摄的精准度，减少图像的变形程度；二是直线电机在刚刚启动时并未进入匀速运动状态，所以在实际的测量过程中要选择匀速运动时的采集图像，尽可能保证图像测量的精确度。

删栏图像测量技术所得的计算结果单位为像素，所表示的是动子匀速运动的状态下，两幅图像之间产生的位移量，根据位移量能够得出直线电机动子位置的变化，其位移量一般以毫米或米为单位。所以，在使用栅栏技术测量直线电机动子位置时，需要进行单位转换，采用系统标定转化处理技术，将像素变为实际距离单位。

2.栅栏图像的直线电机动子精密定位系统技术流程分析

2.1直线电机测量的环境因素分析

直线电机在进行运行的过程中，电机动子会沿着固定的方向进行横向往复位移，在位移的同时会产生纵向振动；而且电机动子运动时线圈会产生开放磁场，磁场会出现漏磁现象；高速相机在拍着图像的过程中会受到现场环境的影响，拍摄的图像上会出现斑点污染。拍摄图像也会受到环境光线的影响，光线变明或者变暗，都会对图像产生干扰。在测量直线电机动子位置时，测量的实时性会受到动子高速性的影响，需要较高的标准；超精密加工对动子位置测量精度有较高要求。因此，在研究直线电机动子位置的过程中，动子位置测量方法和效果会受到环境因素的影响，在进行测量的时候要充分考虑到环境因素，给出合理的测量边界条件。为避免纵向振动对测量结果的影响，选取纵向信息一致的栅栏图像作为拍摄表面；选取的栅栏图像本身要具备抗干扰的能力，在构造图像时尽可能避免图像的条纹宽度序列产生周期性。

2.2栅栏图像的构造方法研究

在使用栅栏图像测量技术测量直线电机动子位置的过程中，机械振动与光线变化产生的影响是无法避免的，采集的图像会产生较大程度的失真，为了尽可能提高动子位置的准确性，提高测量结果的稳定性，在采集图像的时候必须要有较强的非周期性和鲁棒性。本文采用的是栅栏图像测量技术，因此将栅栏图像作为原始拍摄面，通过分析栅栏条纹的灰度梯度和宽度变化来提高测量的精度、实时性和抗干扰性能，从而构造出满足测量要求的栅栏图像，保证动子位置研究的准确性。

2.3栅栏图像的筛选方法研究

在使用栅栏图像测量技术时，生成的一组栅栏图像纵向变化为零。因此，只有在横向坐标上的信息才有效，才是本次研究的重点。在生成图像时，虽然条纹的灰度梯度和宽度会随机生成，但是也有可能出现栅栏条纹在横向上全部或者部分的信息存在周期性变化，或者栅栏条纹宽度出现近周期变化，导致后面相位相关计算出现多个峰值或者最大峰值不明显的情况，无法判断图像偏移情况，因此要对这组图像进行筛选，剔除周期或近似周期因素的影响。本项目以宽度序列的“相关数组系数和标准差”为度量函数，分析图像的抗干扰能力，选出最优栅栏图像用于测量，保证测量的稳定性。

2.4相位相关算法的分析

栅栏图像相位相关算法分析。图像测量算法其实是将动子匀速运动时采集的相邻两幅图像进行比较，对得出的结果进行量化的過程。这其中有很多表述方式，如直方图，计算均方根误差，图像相对误差法等等。本项目中用相位相关算法，将其几何约束引入相位相关函数，实现二维函数拟合到一维函数拟合转换，并且通过频域处理，从而尽可能提高相位计算的准确性与速度，提高抗干扰性。

3.实验系统整体部分设计

直线电机驱动系统由光栅数显表、电机运动控制模块、高速相机、光栅、直线电机和计算机组成。相机安装在电机动子上面，电机接电运行后动子带动相机作直线运动，对拍摄面进行高速垂直拍摄，拍摄的图像最后送到计算机上面进行处理。FPGA控制部分设计结构主要包括5分频器、12分频器、19行50kHz采样频率信号地址发生器、5列10kHz采样频率信号地址发生器、30列1kHz采样频率信号地址发生器，以及帧路码信号及A/D转换控制模块几部分组成，其原理框图如图2所示。

4.结论

本次研究的主要内容是基于栅栏图像的直线电机动子精密定位系统，通过研究动子的位置来完成这个项目研究。同时，为了保证研究的准确性，本文对栅栏图像中的影响因素进行分析，并采取了相应的措施，以期为今后的动子测量提供有益参考。