基于栅栏图像EPCA的直线电机动子位置精密测量方法研究--《安徽...

来自 : cdmd.cnki.com.cn/article/cdmd- 发布时间：2021-03-24

王辉 【摘要】：永磁同步直线电机(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor,PMSLM)伺服系统具有高精度、高速度、零传动及高动态特性等优点,能够实现快速高精度的传动,是高精密机床的核心驱动部件,在精密加工领域中应用前景广阔。而PMSLM动子位置的实时精密测量对于直线伺服反馈系统的高精度控制尤为重要,直接影响高精度加工的质量。传统PMSLM动子位置测量方法多采用一些位置传感器,容易受外部环境干扰,抗噪声和抗振性能差,在实际应用中均存在一定的不足。数字图像测量方法具有非接触、快速、高精度全场测量以及受环境影响小等优点,是现代化测量领域中的新方向及热点,将其应用于PMSLM动子位置的实时反馈精密测量上,克服传统动子位置检测方法的不足,对于提高PMSLM伺服系统的控制精度,进而提高产品加工精度具有重要的意义。本课题以实现PMSLM动子位置测量的实时性、高精度、鲁棒性为目标,结合图像测量方法的优点,将图像测量技术引入到PMSLM动子位置测量上,并提出了一种基于栅栏图像特征的一维(One-Dimensional,1-D)扩展相位相关算法(Extended Phase Correlation Algorithm,EPCA)的动子位置精密测量方法,实现对PMSLM动子位置稳定高效精密测量。本课题主要开展了以下几个方面研究:1.阐述了课题的研究背景和意义,分析了动子位置测量技术发展现状、图像测量方法的优点,尤其对数字图像测量技术在动子位置检测中的应用及研究现状,以及数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)测量算法的研究现状作了详细的介绍,并给出本文的主要研究内容和框架。2.根据直线电机运动特点,将图像测量技术引入到直线电机动子位置测量上,建立了动子位置的栅栏图像测量模型;其次结合相位相关算法(Phase Correlation Algorithm,PCA)具有鲁棒性强、精度高(整像素)及对图像灰度变化不敏感等特点,并根据相位相关峰值符合零均值正态分布特征,引入双线性拟合算法,采用了一种基于多峰拟合PCA的栅栏图像间的亚像素位移测量方法,以实现PMSLM动子位置的亚像素位移测量;最后进行了实验验证及结果分析。3.针对直线电机动子位置检测的准确性和鲁棒性问题,通过引入奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)技术改进相位相关算法(PCA)结构,将二维图像相位相关矩阵(Phase Correlation Matrix,PCM)分解为水平和垂直方向上的两个独立奇异矢量,不仅降低了算法复杂度,提高了算法的抗干扰性,同时将二维图像参数匹配简化为一维相位解缠问题,进而得到图像间运动的线性相位差;再利用最小二乘方法(Least Square Method,LSM)进行相位差线性拟合,获取图像间的精确亚像素偏移量,实现了对动子位置的稳定精密亚像素位移测量,并进行实验验证和抗干扰性分析,精度为0.01pixels。4.为了提高PMSLM动子位置检测的实时性,根据栅栏图像纵向像素一致性特点,采用多行抽样和并行计算方法,直接将二维栅栏图像间的运动参数估计转化为更简单的一维条纹信号相关处理,并基于1-D PCA技术,引入LSM线性拟合实现栅栏图像序列间的实时高精度测量;同时为了抑制离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transformation,DFT)时的频谱泄露,保证位移检测精度,采用Hanning窗函数对抽样的一维条纹信号进行预处理;并验证分析了所提算法的精度及抗干扰性。5.最终根据图像测量原理,搭建了 PMSLM动子位置图像测试平台,并通过对比实验分析了所提出的基于栅栏图像1-D EPCA的位移测量方法的实时性、鲁棒性及测量精度,检测精度约可达0.02mm。因此,本课题所开展的基于栅栏图像EPCA的直线电机动子位置精密测量方法研究可以为PMSLM动子位置实时快速高精度检测提供一个新的参考方法。