探究超声电机直驱的电动物镜控制方法

　　用显微镜对微观世界进行观察时，为满足不同视域的观察，需要切换到不同放大倍数的物镜，在某些检测场合要求操作者不能直接接触显微镜，因此需要能够快速、准确切换物镜和实现远程操作的电动物镜转换器。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机驱动的电动物镜转换器相比，具有体积小、重量轻、定位准确、断电自锁和噪声低等特点。由于超声电机具有高度非线性和时变性，根据控制目标要求，针对不同应用场合采用合适的控制算法和策略是目前研究的热点之一。为满足复杂应用环境，一些复合控制方法，例如将PID控制和智能控制相结合形成模糊PID控制、单神经元自适应PID控制等控制算法在进一步研究中。

　　《江苏电机工程》(双月刊)创刊于1982年，是江苏省电力公司和江苏省电机工程学会主管、江苏省电力科学研究院和江苏省电机工程学会编辑工作委员会主办的全国性科学技术刊物，本刊为国际大16开本，彩色封面插页。

　　超声电机直接驱动的电动物镜转换器由于其内部空间小，无法安装高精度的传感器进行位置检测。笔者采用两个小型光电耦合器设计了位置传感器并配合齿型遮挡片实现物镜位置和物镜转换器运动方向的检测。考虑控制速度和精度要求，笔者提出宏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式相结合的方法来实现目标位置的快速粗定位。微控制采用模糊控制PID方法实现目标位置的高精度定位。最后通过实验对所提出的控制方法进行了验证。

　　1　电动物镜转换器系统

　　1.1　定位机构的设计

　　超声电机安装在物镜转换器的内部，通过螺钉固定在固定板上。超声电机转轴的花键与转动板的花键槽相配合，通过螺钉将转轴与转动板固定。光电耦合器及其处理电路经支架固定在固定板。遮挡板固定在转动板的内侧圆弧面上，且安装位置与物镜的位置一一对应。

　　由于物镜转换器内部空间的限制，无法安装体积相对较大的高精度传感器，因此笔者选用体积相对较小的光电耦合器作为物镜定位的检测传感器。定位速度与定位精度往往是相互矛盾的，高精度则定位时间长，相反速度快则定位精度低。单个光电耦合器只能起到快速定位，不能满足较高定位精度的要求。在高速度运转情况下，控制系统检测到位_置传感器信号控制超声电机停止时会产生超调。两光电耦合器并排布置，它们的中心的距离a 小于遮挡片两齿间的距离b，且存在两个齿同时分别遮挡两个光电耦合器的时刻，在每一个物镜安装位置安装一个相同的遮挡片。旋转过程中，遮挡片的第1个齿遮挡第1个光电耦合器时，可以实现预判目标位置，采用智能控制策略可以实现物镜转换器的快速、高精度的定位。

　　1.2　步进特性实验

　　为保证每个物镜停在刻线附近，需要对超声电机采用步进控制，即施加一定周期数的驱动信号，超声电机会旋转一定的角度，这个角度称为超声电机的步进角。步进角与驱动信号周期数的关系对控制的精度及控制算法的复杂程度具有较大影响。笔者采用南京航空航天大学精密驱动研究所研制的TRUM-30超声电机作为研究对象，检测传感器采用RENISHEW 公司的RCH20W30D32A环形光栅尺，分辨率为0.55″。在驱动信号频率为36kHz下，测得超声电机的步距角与驱动信号的脉冲个数的关系。可以看出，在驱动频率一定的情况下，步距角和电机驱动信号的脉冲个数基本呈线性关系。

　　2　电动物镜转换器位置控制策略

　　为实现快速准确定位，笔者采用并行切换控制策略，即采用经典PID控制算法与模糊控制算法并行，根据传感器反馈的位置信号进行控制算法的切换。电机驱动物镜旋转到达第1个刻度线之前，由PID控制器通过电机的孤极反馈电压对电机进行高速度稳定控制，位置检测传感器检测到第1个刻度线后，算法切换至模糊控制算法，这样系统在实现快速定位的同时，又可以实现高精度位置锁定。

　　2.1　快速定位

　　经典PID控制算法具有技术成熟和不需要建立数学模型等特点，对一些简单控制模型的控制效果好，且系统稳定性较高，在快速定位阶段可以满足要求。

　　在连续旋转模式下，速度较快且电动物镜转换器存在较大的惯性能量，断电之后电动物镜转换器会由于惯性旋转一定的角度，导致控制系统产生超调，因而在目标位置前设置预停止位来解决惯性旋转导致的控制系统的超调问题

　　2.2　精定位

　　为了保证系统的稳定性，抑制系统在定位过程中出现较大的超调量，采用双输入单输出模糊控制器

　　3　实　验

　　实验平台为南京航空航天大学精密驱动研究所研制的自动显微镜系统，电动物镜转换器为笔者所设计。该显微镜使用了同轴光源背向照明方式，图像CCD传感器为UCMOS03，分辨率为2048×1536，通过USB2.0将图像传输给计算机，并通过计算机显示器显示。根据实际定位控制要求，对系统进行定位误差测试。检测工具是分辨率为10μm的分划尺，对应的角度为0.015°，测试结果通过CCD图像检测模块将测试图像传输到计算机上显示。根据显示可见，不同物镜之间的切换时间小于3s，满足自动显微镜对物镜之间切换时间小于3s的要求。

　　4　结束语

　　利用超声电机直接驱动电动物镜转换器，用光电耦合器设计了一种结构紧凑的位置检测传感器，针对超声电机的非线性和时变性，提出了宏微相结合的预测控制方法，实现了物镜转换器的高精度、快速切换控制。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精度小于0.015°，定位时间小于3s，满足了自动显微镜系统中对电动物镜转换器重复定位精度和定位时间的要求。实验发现，电动物镜转换器的机械结构对定位精度有重要影响，对机械结构的进一步优化可以提高定位精度。