调焦是高能激光系统中发射聚焦装置的关键一环。调焦机构对系统的瞄准和打击精度有着重要作用。为了解调焦机构的研究现状和发展趋势，首先对国外各类研究成熟的调焦机构进行了介绍，并分析了其调焦控制的原理以及针对各类技术问题所提出的解决方案。对于国内研究情况，则着重介绍了凸轮、丝杠、蜗轮蜗杆和直接驱动四种形式的调焦机构。然后分析了其控制调焦的基本原理，并介绍了应用于不同系统的调焦机构的设计特点。通过分析各类型调焦机构的设计及控制，总结和对比了它们的优点与不足，提出了适用于高能激光系统的调焦机构设计思路及研究方向，为高能激光系统调焦机构研究打下了技术基础。
调焦机构 凸轮结构 丝杠结构 蜗轮蜗杆 直线电机 focusing mechanism cam structure screw structure worm gear linear motor0
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
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
为了实现对基因测序仪运动平台的高精度定位控制，建立了基因测序仪运动平台控制系统。对该系统所采用的数学建模、模型辨识、控制器设计、输入整形等方法进行研究。根据运动平台动力学方程和永磁同步直线电机电压-推力关系构建了运动平台数学模型，利用频域扫描法在实物实验的基础上辨识出运动平台的模型参数。最后，基于运动平台模型设计了双闭环控制器和前馈控制器组成的复合控制器来保证运动平台的稳定性和高精度，同时根据整个系统的主导极点设计了输入整形器以抑制运动平台的残余振荡。实验结果表明: 加入了输入整形的复合控制器将运动平台的稳态重复定位精度从±1.47 μm提高到±0.354 μm。较传统复合控制器，本文提出的方法能使基因测序仪运动平台更快进入可用重复定位精度范围，并基本满足基因测序仪采集图像时所需的稳定性强、精度高等要求。
基因测序仪运动平台 永磁同步直线电机 频域扫描法 输入整形 重复定位精度 gene sequencer motion stage permanent magnet linear synchronous motor frequency domain scan input shaping repeated positioning accuracy 光学 精密工程
2018, 26(10): 2455
