基于柵欄圖像EPCA的直線電機(jī)動(dòng)子位置精密測(cè)量方法研究.pdf

1、永磁同步直線電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Linear Motor，PMSLM)伺服系統(tǒng)具有高精度、高速度、零傳動(dòng)及高動(dòng)態(tài)特性等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速高精度的傳動(dòng)，是高精密機(jī)床的核心驅(qū)動(dòng)部件，在精密加工領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊。而PMSLM動(dòng)子位置的實(shí)時(shí)精密測(cè)量對(duì)于直線伺服反饋系統(tǒng)的高精度控制尤為重要，直接影響高精度加工的質(zhì)量。傳統(tǒng)PMSLM動(dòng)子位置測(cè)量方法多采用一些位置傳感器，容易受外部環(huán)境干擾，抗噪聲和抗振性

2、能差，在實(shí)際應(yīng)用中均存在一定的不足。數(shù)字圖像測(cè)量方法具有非接觸、快速、高精度全場(chǎng)測(cè)量以及受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代化測(cè)量領(lǐng)域中的新方向及熱點(diǎn)，將其應(yīng)用于PMSLM動(dòng)子位置的實(shí)時(shí)反饋精密測(cè)量上，克服傳統(tǒng)動(dòng)子位置檢測(cè)方法的不足，對(duì)于提高PMSLM伺服系統(tǒng)的控制精度，進(jìn)而提高產(chǎn)品加工精度具有重要的意義。
　　本課題以實(shí)現(xiàn)PMSLM動(dòng)子位置測(cè)量的實(shí)時(shí)性、高精度、魯棒性為目標(biāo)，結(jié)合圖像測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)，將圖像測(cè)量技術(shù)引入到PMSLM動(dòng)子位置測(cè)

3、量上，并提出了一種基于柵欄圖像特征的一維(One-Dimensional，1-D)擴(kuò)展相位相關(guān)算法(Extended Phase Correlation Algorithm，EPCA)的動(dòng)子位置精密測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSLM動(dòng)子位置穩(wěn)定高效精密測(cè)量。本課題主要開(kāi)展了以下幾個(gè)方面研究:
　　1.闡述了課題的研究背景和意義，分析了動(dòng)子位置測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、圖像測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)在動(dòng)子位置檢測(cè)中的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀，以及

4、數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation，DIC)測(cè)量算法的研究現(xiàn)狀作了詳細(xì)的介紹，并給出本文的主要研究?jī)?nèi)容和框架。
　　2.根據(jù)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，將圖像測(cè)量技術(shù)引入到直線電機(jī)動(dòng)子位置測(cè)量上，建立了動(dòng)子位置的柵欄圖像測(cè)量模型;其次結(jié)合相位相關(guān)算法(Phase Correlation Algorithm，PCA)具有魯棒性強(qiáng)、精度高（整像素）及對(duì)圖像灰度變化不敏感等特點(diǎn)，并根據(jù)相位相關(guān)峰值符合零均值正態(tài)分布特

5、征，引入雙線性擬合算法，采用了一種基于多峰擬合PCA的柵欄圖像間的亞像素位移測(cè)量方法，以實(shí)現(xiàn)PMSLM動(dòng)子位置的亞像素位移測(cè)量;最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析。
　　3.針對(duì)直線電機(jī)動(dòng)子位置檢測(cè)的準(zhǔn)確性和魯棒性問(wèn)題，通過(guò)引入奇異值分解(Singular Value Decomposition，SVD)技術(shù)改進(jìn)相位相關(guān)算法(PCA)結(jié)構(gòu)，將二維圖像相位相關(guān)矩陣(Phase Correlation Matrix，PCM)分解為水平和垂直

6、方向上的兩個(gè)獨(dú)立奇異矢量，不僅降低了算法復(fù)雜度，提高了算法的抗干擾性，同時(shí)將二維圖像參數(shù)匹配簡(jiǎn)化為一維相位解纏問(wèn)題，進(jìn)而得到圖像間運(yùn)動(dòng)的線性相位差;再利用最小二乘方法(Least Square Method，LSM)進(jìn)行相位差線性擬合，獲取圖像間的精確亞像素偏移量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)子位置的穩(wěn)定精密亞像素位移測(cè)量，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和抗干擾性分析，精度為0.01pixels。
　　4.為了提高PMSLM動(dòng)子位置檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，根據(jù)柵欄圖像縱向像

7、素一致性特點(diǎn)，采用多行抽樣和并行計(jì)算方法，直接將二維柵欄圖像間的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)轉(zhuǎn)化為更簡(jiǎn)單的一維條紋信號(hào)相關(guān)處理，并基于1-D PCA技術(shù)，引入LSM線性擬合實(shí)現(xiàn)柵欄圖像序列間的實(shí)時(shí)高精度測(cè)量;同時(shí)為了抑制離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transformation，DFT)時(shí)的頻譜泄露，保證位移檢測(cè)精度，采用Hanning窗函數(shù)對(duì)抽樣的一維條紋信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理;并驗(yàn)證分析了所提算法的精度及抗干擾性。
　　5.最終根