1 中国科学院上海光学精密机械研究所 王之江激光创新中心，上海 201800
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院，北京 100049
3 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
针对同时兼顾大范围搜索和精确识别目标的迫切需求，研制了一种大变倍比红外变焦成像系统，设计两片独立运动的变倍镜及一片补偿镜，通过两个变倍镜级联的方式获得大变倍比。结合系统运动镜片多及变焦曲线复杂的特点，采用直线运动机构实现镜片变焦运动，使用集成编码器及螺纹丝杆的直线电机作为驱动。通过有限元仿真开展了系统力学分析，所设计镜片最大位移为3.04×10-3 mm。成像系统适用于中波红外制冷式640×512焦平面阵列探测器，变倍比达到55倍。实验室成像及外场实景成像的结果表明，系统在焦距由6 mm至330 mm连续变化的过程中成像清晰、像质良好，验证了系统的连续变焦成像性能，该设计合理可靠。研究成果在搜索、跟踪、侦察、监视等方面有广阔的应用前景。
红外变焦成像系统 大变倍比 直线运动机构 直线电机 infrared zoom imaging system large zoom ratio linear motion mechanism linear motor
安徽大学电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230601
为解决直线电机动子位置测量中多帧图像位移叠加而产生的误差累积问题，提出一种加阈值变换基准图（TTBM）的机器视觉累积误差消减算法。首先，根据直线电机动子的一维刚体平动特点，生成并优选灰度变化更加平滑的一维散斑图像作为目标拍摄图。其次，采用相位相关算法（PCA）改进灰度梯度方法，对配准图像进行整像素平移后再计算亚像素位移，以增大基准图像与配准图像之间的位移测量范围。最后，提出自调整基准图方法，根据图像位移的测量范围设定基准图像变换阈值，降低位移叠加次数，减小累积误差，实现直线电机长行程精密位移测量。同时，研究了基准图像变换阈值对测量精度的影响，给出了基准图变换的最佳阈值选取范围。仿真和实验表明，所提方法可以有效地减小直线电机动子测量中叠加而产生的累积误差。
直线电机 精密位移测量 阈值设置 变基准图 光学学报
2023, 43(11): 1112006
长春电子科技学院 电子工程学院， 长春 130000
航空相机动态分辨力检测系统用于在实验室内模拟飞机飞行过程中地物相对飞机运动状态，实现针对航空相机在进行动态照相时的分辨力的检测。主要研究基于LABVIEW的动态分辨力检测系统的虚拟仪器技术与运动控制技术，根据航空相机像移速度方程设计了动态目标模拟的运动曲线，采用摩擦波动补偿算法改进了常规的PID控制算法完成运动曲线中的高精度匀速段的直线电机控制。系统实现了动态图形匀速直线运动速度范围10~1000mm/s，匀速段瞬时速度误差≤3mm/s，平均速度波动误差≤0.1%。
航空相机 动态分辨力 伺服直线电机 摩擦波动补偿 aerial camera dynamic resolution detection servo linear motor fluctuation compensation algorithm LABVIEW LABVIEW
1 安徽大学 电气工程与自动化学院, 安徽 合肥 230601
2 合肥工业大学 电气与自动化工程学院, 安徽 合肥 230009
永磁同步直线电机由于反电势和逆变器频繁切换导致电流谐波分量较大, 同时参数时变以及负载突变等扰动严重影响伺服系统的控制精度。本文采用一种基于降阶状态观测器的双环自抗扰伺服控制算法, 以降低控制系统的谐波抑制从而提高控制精度。首先, 构造了位置速度环级联的二阶自抗扰控制器。运用极点配置法对三阶线性状态观测器进行降阶, 减小了相位滞后的影响, 提高了伺服系统的控制精度; 其次, 电流环采用一阶非线性自抗扰控制器, 消除了积分饱和的影响, 降低了三相电流的谐波含量。最后, 与基于自抗扰控制的其他优化算法进行对比, 实验表明: 在多工况下降阶双环自抗扰控制的总谐波失真不超过2.13%, 推力波动可减小至1.49%, 稳态误差不大于15 μm。
永磁同步直线电机 降阶状态观测器 双环控制 谐波抑制 permanent magnet synchronous linear motor reduced-order state observer double closed-loop control current harmonic suppression
华侨大学 信息科学与工程学院, 福建 厦门 361000
为了减小X-Y直线电机精密运动平台同步控制的轮廓误差, 提高系统的控制精度, 针对传统交叉耦合控制结构的不足, 提出多电机控制系统的轮廓误差主动补偿结构。首先, 以永磁同步直线电机为例分析单轴伺服定位跟踪误差, 指出跟踪误差和位置参考有关, 结合实际工况中参考指令的扰动, 将耦合补偿量最终统一为参考指令的校正加入到系统中, 提出轮廓误差主动补偿结构, 将轮廓误差补偿量分别补偿到各轴伺服的位置环和速度环, 并通过仿真和实验进行验证。结果表明: 采用主动补偿方法的X-Y两轴运动平台跟踪大曲率复杂轨迹的轮廓误差平均值为20.68 μm; 单轴跟踪误差最大值为70 μm。相比传统交叉耦合控制结构, 主动补偿结构轮廓误差精度提高了15.5%, 同时降低了单轴的跟踪误差, 并能抑制参考指令扰动。
轮廓误差 主动补偿 X-Y运动平台 直线电机 跟踪误差 contour error active compensation X-Y motion platform linear motor tracking error
安徽大学 电气工程与自动化学院, 安徽 合肥 230601
为了从目标拍摄源上提高直线电机动子位置检测的精度和抗干扰性, 构造了一种非周期正弦条纹图像, 并引入一种基于梯度法的图像亚像素测量方法, 实现对动子位置的高精度测量。首先, 改变正弦条纹的条纹周期, 得到一系列非周期正弦条纹, 并生成非周期正弦条纹图像; 其次, 采用图像的Pnatt熵优选出具有强鲁棒性的非周期正弦条纹图像; 最后采用基于Barron算子的梯度法计算相邻目标图像的亚像素位移, 结合标定系统物像标定系数, 获得直线电机动子的实际位移。仿真和实验结果表明, 对比于非周期栅栏图像, 本文构造的非周期正弦条纹图像具有较强的鲁棒性, 且测量精度达到0.02 pixel。
直线电机 位置检测 非周期正弦条纹图像 栅栏图像 梯度法 linear motor position measurement aperiodic sinusoidal stripe image fence image gradient method
1 南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室, 江苏 南京 210016
2 安徽工程大学 机械与汽车工程学院, 安徽 芜湖 241000
为实现精密机械装置的快速定位, 增加压电直线电机中位移放大结构对压电叠堆输出位移的放大能力, 提出了一种基于二级杠杆和柔性铰链复合结构的新型双足压电直线电机。首先, 对电机的作动原理进行分析, 推导了驱动足轨迹方程。为提高其输出性能, 对直圆型柔性铰链的参数进行了优化, 得到最佳铰链参数为厚度th=0.2 mm、切割半径Rh=1 mm和宽度bh=10 mm。最后, 制作了该电机样机并进行了振幅、速度和负载性能测试, 基于正交试验方法对电机速度进行了分析, 得出电压对电机速度的影响更灵敏。实验结果表明, 驱动足Ⅰ、Ⅱ的位移振幅分别在75 μm和63 μm附近波动, 差值约为12 μm; 在120 V、110 Hz的信号激励下速度达16.163 mm/s, 最大负载能力为1.7 N。与现有的压电直线电机相比较, 该电机结构简单, 易于安装调试, 具有响应快、大振幅、速度大且运行稳定的特点。
双足压电直线电机 压电叠堆 二级杠杆 柔性铰链 正交试验 double-foot piezoelectric linear motor piezoelectric stack secondary lever flexure hinge orthogonal test
华南师范大学激光生命科学研究所, 激光生命科学教育部重点实验室, 生物光子学研究院, 广东 广州 510631
光声成像技术是近年来发展的一种新型的无损医学成像技术, 它是以脉冲激光作为激发源, 以检测的声信号为信息载体, 通过相应的图像重建算法重建组织内部结构和功能信息的成像方法。该方法结合了光学成像和声学成像的特点, 可提供深层组织高分辨率和高对比度的组织层析图像, 在生物医学临床诊断以及在体成像领域具有广泛的应用前景。目前光声成像的扫描方式主要有基于步进电机扫描方式和基于振镜的扫描方式, 本文针对目前步进电机扫描速度慢 (10 mm×10 mm; 0.001 帧/s), 振镜扫描范围小(<1 mm2)的不足, 发展了基于直线电机扫描的大视场快速光声显微成像系统。同一条扫描线过程中直线电机速度最高可达200 mm/s。 该技术采用逐线采集光声信号的方式, 比逐点采集光声信号的步进电机快800倍。该系统对10 mm×10 mm 全场扫描的扫描速度为0.8 帧/s。最大可扫描视场范围可以达到50 mm×50 mm。大视场快速光声显微成像系统的发展将为生物医学提供新的成像工具。
光声成像 直线电机 光声显微成像 photoacoustic imaging linear motor photoacoustic microimaging
