超声电机直驱的电动物镜控制方法.pdfVIP

第 36卷第 4期 振动、测试与诊断 Vo1．36NO．4 2O16年 8月 JournalofVibration．Measurement Diagnosis Aug．2016 超声 电机直驱的电动物镜控制方法 潘 松， 菅 磊， 黄卫清 (南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 南京，210016) 摘要 针对超声 电机直接驱动 的显微镜物镜为满足系统整体结构紧凑、快速和准确定位 的需求 ，采用小型光电耦合 器设计 了位置检测传感器 ，配合遮挡片实现 了物镜位置和物镜转换器运动方 向的检测。采用传统 比例 积分 微分控 制(proportionqntegral—derivativecontrol，简称 PID)和模糊控制提出了并行切换控制策略，将两者结合建立了宏微相融 合的预测控制方法 ，实现了物镜转换器的高精度 、快速切换控制 。在嵌入式控制系统中实现 了所设计 的控制算法和 策略，并进行 了物镜 自动切换控制实验。实验结果显示 ，采用笔者提出的定位结构和控制方法 ，电动物镜转换器的重 复定位误差小于 0．015。，定位时间小于 3S，满足 自动显微镜系统中对 电动物镜转换器重复定位精度的要求 。 关键词 电动物镜转换器 ；超声电机 ；模糊控制 ；比例一积分一微分控制 ；切换控制 中图分类号 TP273；TH742 向的检测。考虑控制速度和精度要求 ，笔者提出宏 引 言 微控制相结合的方式，实现物镜转换器的快速 、高精 度定位 。宏观控制采用连续工作方式和步进工作方 用显微镜对微观世 界进行观察 时，为满足不同 式相结合的方法来实现 目标位置的快速粗定位。微 视域的观察 ，需要切换到不 同放大倍数的物镜 ，在某 控制采用模糊控制 PID方法实现 目标位置 的高精 些检测场合要求操作者不 能直接接触显微镜 ，因此 度定位。最后通过实验对所提出的控制方法进行 了 需要能够快速、准确切换物镜和实现远程操作的电 验证 动物镜转换器口]。目前 ，电动物镜转换器的驱动电 机普遍采用传统 的电磁电机，并配以减速装置和传 电动物镜转换器系统 动机构 ，导致整个转换装置体积大而笨重。选用结 构紧凑 、体积小的动力源直接驱动的物镜转换装置 1．1 定位机构的设计 是 电动物镜转换器的一个发展趋势。将超声 电机作 为动力源直接驱动的物镜转换器与采用传统电磁 电 超声电机安装在物镜转换器的内部 ，通过螺钉 机驱动的电动物镜转换器相 比，具有体积小、重量 固定在固定板上 ，如 图 1所示。超声电机转轴 的花 轻 、定位准确 、断 电自锁和噪声低等特点[2]。由于 键与转动板的花键槽相配合 ，通过螺钉将转轴与转 超声电机具有高度非线性和时变性 ，根据控制 目标 动板固定。光电耦合器及其处理电路经支架 固定在 要求 ，针对不同应用场合采用合适的控制算法和策 固定板 。遮挡板 固定在转动板的内侧 圆弧面上 ，且 略是 目前研究 的热点之一。为满足复杂应用环境 ， 安装位置与物镜 的位置一一对应 ]。 一 些复合控制方法 ，例如将 PID控制和智能控制相 由于物镜转换器 内部空 间的限制 ，无法安装体 结合形成模糊 PID控制、单神经元 自适应 PID控制 积相对较大的高精度传感器，因此笔者选用体积相 等控制算法在进一步研究中 。 。 对较小的光电耦合器作为物镜定位 的检测传感器 。 超声 电机直接驱动的电动物镜转换器 由于其内 定位速度与定位精度往往是相互矛盾的，高精度则