探究超聲電機(jī)直驅(qū)的電動(dòng)物鏡控制方法

　　用顯微鏡對(duì)微觀世界進(jìn)行觀察時(shí)，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(cè)場(chǎng)合要求操作者不能直接接觸顯微鏡，因此需要能夠快速、準(zhǔn)確切換物鏡和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器。目前，電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)普遍采用傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，并配以減速裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)換裝置體積大而笨重。選用結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的動(dòng)力源直接驅(qū)動(dòng)的物鏡轉(zhuǎn)換裝置是電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。將超聲電機(jī)作為動(dòng)力源直接驅(qū)動(dòng)的物鏡轉(zhuǎn)換器與采用傳統(tǒng)電磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器相比，具有體積小、重量輕、定位準(zhǔn)確、斷電自鎖和噪聲低等特點(diǎn)。由于超聲電機(jī)具有高度非線性和時(shí)變性，根據(jù)控制目標(biāo)要求，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合采用合適的控制算法和策略是目前研究的熱點(diǎn)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(jìn)一步研究中。

　　《江蘇電機(jī)工程》(雙月刊)創(chuàng)刊于1982年，是江蘇省電力公司和江蘇省電機(jī)工程學(xué)會(huì)主管、江蘇省電力科學(xué)研究院和江蘇省電機(jī)工程學(xué)會(huì)編輯工作委員會(huì)主辦的全國(guó)性科學(xué)技術(shù)刊物，本刊為國(guó)際大16開(kāi)本，彩色封面插頁(yè)。

　　超聲電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器由于其內(nèi)部空間小，無(wú)法安裝高精度的傳感器進(jìn)行位置檢測(cè)。筆者采用兩個(gè)小型光電耦合器設(shè)計(jì)了位置傳感器并配合齒型遮擋片實(shí)現(xiàn)物鏡位置和物鏡轉(zhuǎn)換器運(yùn)動(dòng)方向的檢測(cè)。考慮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(shí)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(jìn)工作方式相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的快速粗定位。微控制采用模糊控制PID方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)位置的高精度定位。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所提出的控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

　　1　電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)

　　1.1　定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

　　超聲電機(jī)安裝在物鏡轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部，通過(guò)螺釘固定在固定板上。超聲電機(jī)轉(zhuǎn)軸的花鍵與轉(zhuǎn)動(dòng)板的花鍵槽相配合，通過(guò)螺釘將轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)板的內(nèi)側(cè)圓弧面上，且安裝位置與物鏡的位置一一對(duì)應(yīng)。

　　由于物鏡轉(zhuǎn)換器內(nèi)部空間的限制，無(wú)法安裝體積相對(duì)較大的高精度傳感器，因此筆者選用體積相對(duì)較小的光電耦合器作為物鏡定位的檢測(cè)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(shí)間長(zhǎng)，相反速度快則定位精度低。單個(gè)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(yùn)轉(zhuǎn)情況下，控制系統(tǒng)檢測(cè)到位_置傳感器信號(hào)控制超聲電機(jī)停止時(shí)會(huì)產(chǎn)生超調(diào)。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(gè)齒同時(shí)分別遮擋兩個(gè)光電耦合器的時(shí)刻，在每一個(gè)物鏡安裝位置安裝一個(gè)相同的遮擋片。旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，遮擋片的第1個(gè)齒遮擋第1個(gè)光電耦合器時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)判目標(biāo)位置，采用智能控制策略可以實(shí)現(xiàn)物鏡轉(zhuǎn)換器的快速、高精度的定位。

　　1.2　步進(jìn)特性實(shí)驗(yàn)

　　為保證每個(gè)物鏡停在刻線附近，需要對(duì)超聲電機(jī)采用步進(jìn)控制，即施加一定周期數(shù)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，超聲電機(jī)會(huì)旋轉(zhuǎn)一定的角度，這個(gè)角度稱為超聲電機(jī)的步進(jìn)角。步進(jìn)角與驅(qū)動(dòng)信號(hào)周期數(shù)的關(guān)系對(duì)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(dòng)研究所研制的TRUM-30超聲電機(jī)作為研究對(duì)象，檢測(cè)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(dòng)信號(hào)頻率為36kHz下，測(cè)得超聲電機(jī)的步距角與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)的關(guān)系。可以看出，在驅(qū)動(dòng)頻率一定的情況下，步距角和電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)基本呈線性關(guān)系。

　　2　電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器位置控制策略

　　為實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)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(hào)進(jìn)行控制算法的切換。電機(jī)驅(qū)動(dòng)物鏡旋轉(zhuǎn)到達(dá)第1個(gè)刻度線之前，由PID控制器通過(guò)電機(jī)的孤極反饋電壓對(duì)電機(jī)進(jìn)行高速度穩(wěn)定控制，位置檢測(cè)傳感器檢測(cè)到第1個(gè)刻度線后，算法切換至模糊控制算法，這樣系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)快速定位的同時(shí)，又可以實(shí)現(xiàn)高精度位置鎖定。

　　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(diǎn)，對(duì)一些簡(jiǎn)單控制模型的控制效果好，且系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，在快速定位階段可以滿足要求。

　　在連續(xù)旋轉(zhuǎn)模式下，速度較快且電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器存在較大的慣性能量，斷電之后電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器會(huì)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(biāo)位置前設(shè)置預(yù)停止位來(lái)解決慣性旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的控制系統(tǒng)的超調(diào)問(wèn)題

　　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(guò)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

　　3　實(shí)　驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動(dòng)研究所研制的自動(dòng)顯微鏡系統(tǒng)，電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器為筆者所設(shè)計(jì)。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2048×1536，通過(guò)USB2.0將圖像傳輸給計(jì)算機(jī)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示器顯示。根據(jù)實(shí)際定位控制要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定位誤差測(cè)試。檢測(cè)工具是分辨率為10μm的分劃尺，對(duì)應(yīng)的角度為0.015°，測(cè)試結(jié)果通過(guò)CCD圖像檢測(cè)模塊將測(cè)試圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上顯示。根據(jù)顯示可見(jiàn)，不同物鏡之間的切換時(shí)間小于3s，滿足自動(dòng)顯微鏡對(duì)物鏡之間切換時(shí)間小于3s的要求。

　　4　結(jié)束語(yǔ)

　　利用超聲電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器，用光電耦合器設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊的位置檢測(cè)傳感器，針對(duì)超聲電機(jī)的非線性和時(shí)變性，提出了宏微相結(jié)合的預(yù)測(cè)控制方法，實(shí)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(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器的重復(fù)定位精度小于0.015°，定位時(shí)間小于3s，滿足了自動(dòng)顯微鏡系統(tǒng)中對(duì)電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器重復(fù)定位精度和定位時(shí)間的要求。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)物鏡轉(zhuǎn)換器的機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)定位精度有重要影響，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化可以提高定位精度。