探究超聲電機直驅的電動物鏡控制方法

　　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遠程操作的電動物鏡轉換器。目前，電動物鏡轉換器的驅動電機普遍采用傳統的電磁電機，并配以減速裝置和傳動機構，導致整個轉換裝置體積大而笨重。選用結構緊湊、體積小的動力源直接驅動的物鏡轉換裝置是電動物鏡轉換器的一個發展趨勢。將超聲電機作為動力源直接驅動的物鏡轉換器與采用傳統電磁電機驅動的電動物鏡轉換器相比，具有體積小、重量輕、定位準確、斷電自鎖和噪聲低等特點。由于超聲電機具有高度非線性和時變性，根據控制目標要求，針對不同應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。為滿足復雜應用環境，一些復合控制方法，例如將PID控制和智能控制相結合形成模糊PID控制、單神經元自適應PID控制等控制算法在進一步研究中。

　　《江蘇電機工程》(雙月刊)創刊于1982年，是江蘇省電力公司和江蘇省電機工程學會主管、江蘇省電力科學研究院和江蘇省電機工程學會編輯工作委員會主辦的全國性科學技術刊物，本刊為國際大16開本，彩色封面插頁。

　　超聲電機直接驅動的電動物鏡轉換器由于其內部空間小，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計了位置傳感器并配合齒型遮擋片實現物鏡位置和物鏡轉換器運動方向的檢測。考慮控制速度和精度要求，筆者提出宏微控制相結合的方式，實現物鏡轉換器的快速、高精度定位。宏觀控制采用連續工作方式和步進工作方式相結合的方法來實現目標位置的快速粗定位。微控制采用模糊控制PID方法實現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　電動物鏡轉換器系統

　　1.1　定位機構的設計

　　超聲電機安裝在物鏡轉換器的內部，通過螺釘固定在固定板上。超聲電機轉軸的花鍵與轉動板的花鍵槽相配合，通過螺釘將轉軸與轉動板固定。光電耦合器及其處理電路經支架固定在固定板。遮擋板固定在轉動板的內側圓弧面上，且安裝位置與物鏡的位置一一對應。

　　由于物鏡轉換器內部空間的限制，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。在高速度運轉情況下，控制系統檢測到位_置傳感器信號控制超聲電機停止時會產生超調。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，可以實現預判目標位置，采用智能控制策略可以實現物鏡轉換器的快速、高精度的定位。

　　1.2　步進特性實驗

　　為保證每個物鏡停在刻線附近，需要對超聲電機采用步進控制，即施加一定周期數的驅動信號，超聲電機會旋轉一定的角度，這個角度稱為超聲電機的步進角。步進角與驅動信號周期數的關系對控制的精度及控制算法的復雜程度具有較大影響。筆者采用南京航空航天大學精密驅動研究所研制的TRUM-30超聲電機作為研究對象，檢測傳感器采用RENISHEW 公司的RCH20W30D32A環形光柵尺，分辨率為0.55″。在驅動信號頻率為36kHz下，測得超聲電機的步距角與驅動信號的脈沖個數的關系。可以看出，在驅動頻率一定的情況下，步距角和電機驅動信號的脈沖個數基本呈線性關系。

　　2　電動物鏡轉換器位置控制策略

　　為實現快速準確定位，筆者采用并行切換控制策略，即采用經典PID控制算法與模糊控制算法并行，根據傳感器反饋的位置信號進行控制算法的切換。電機驅動物鏡旋轉到達第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，這樣系統在實現快速定位的同時，又可以實現高精度位置鎖定。

　　2.1　快速定位

　　經典PID控制算法具有技術成熟和不需要建立數學模型等特點，對一些簡單控制模型的控制效果好，且系統穩定性較高，在快速定位階段可以滿足要求。

　　在連續旋轉模式下，速度較快且電動物鏡轉換器存在較大的慣性能量，斷電之后電動物鏡轉換器會由于慣性旋轉一定的角度，導致控制系統產生超調，因而在目標位置前設置預停止位來解決慣性旋轉導致的控制系統的超調問題

　　2.2　精定位

　　為了保證系統的穩定性，抑制系統在定位過程中出現較大的超調量，采用雙輸入單輸出模糊控制器

　　3　實　驗

　　實驗平臺為南京航空航天大學精密驅動研究所研制的自動顯微鏡系統，電動物鏡轉換器為筆者所設計。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2048×1536，通過USB2.0將圖像傳輸給計算機，并通過計算機顯示器顯示。根據實際定位控制要求，對系統進行定位誤差測試。檢測工具是分辨率為10μm的分劃尺，對應的角度為0.015°，測試結果通過CCD圖像檢測模塊將測試圖像傳輸到計算機上顯示。根據顯示可見，不同物鏡之間的切換時間小于3s，滿足自動顯微鏡對物鏡之間切換時間小于3s的要求。

　　4　結束語

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