陳虹潔，魏 超

(煙臺黃金職業(yè)學院，山東 招遠 265401)

0 引言

計算機技術(shù)推動了電機控制的發(fā)展，控制系統(tǒng)種類日益豐富，功能也越來越強大，直至現(xiàn)在，機械生產(chǎn)基本都依賴電機拖動，電機控制水準也從側(cè)面體現(xiàn)出國家機械加工水平。在各類生產(chǎn)活動中，只有實現(xiàn)電機的自動合理控制，確保各部件正常運行，才能使加工工藝符合既定要求、提升生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量。

滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制是一種常用控制策略，該方法與其他控制方法的最大區(qū)別表現(xiàn)為控制過程不連續(xù)，能夠使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時發(fā)生變化。雖然此種方法魯棒性強，但是控制穩(wěn)定性差，當電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜時，控制電壓不能獲得很好的跟蹤效果。

為此，廣大學者紛紛將不同算法應用在滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制中。肖仁等[1]基于時間擾動觀測器提出一種自適應控制方法。結(jié)合時間觀測器特點，獲取電機模型誤差與不確定擾動的估計，補償擾動估計；抑制趨近律的抖動，使電機獲得更加準確的跟蹤軌跡，但是其難以滿足自動化生產(chǎn)需求。田猛等[2]引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強大的學習能力，不斷調(diào)節(jié)滑膜變結(jié)構(gòu)增益，確?；ず瘮?shù)與切換面相接近，有效避免抖動現(xiàn)象，但是其控制過程的穩(wěn)定性較差。

隨著控制領(lǐng)域智能化與自動化水平的提高，各類新型技術(shù)不斷涌現(xiàn)，紅外圖像識別技術(shù)與電機控制技術(shù)的結(jié)合就是一種新的嘗試。本文從2方面入手：

a.應用紅外圖像識別技術(shù)采集目標運動狀態(tài)與有關(guān)控制量。

b.將采集到的圖像信號變換為電信號，設(shè)計一種滑膜控制器實現(xiàn)同步控制。

紅外圖像識別技術(shù)的關(guān)鍵在于紅外熱成像，成像效果直接決定圖像質(zhì)量。由于受到設(shè)備材質(zhì)與工藝影響，熱成像技術(shù)發(fā)展緩慢。因此，本文通過空間域圖像增強和直方圖均衡化等過程，提高圖像質(zhì)量，最大程度獲取目標運行信息，實現(xiàn)電機滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制。

1 紅外圖像采集

紅外熱像儀是采集圖像的主要設(shè)備，能夠接收波長為0.75～1 000 μm的輻射波，可實現(xiàn)輻射信號與電信號之間的轉(zhuǎn)換[3-4]，最終將轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示在示波器中[5]。成像儀結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分。

a.光學系統(tǒng)。

可改變光束分布情況，提高靈敏照度，加強儀器探測性能。在圖像采集過程中，光學系統(tǒng)需符合下述條件：尺度相對較小，孔徑盡可能最大；必須存在明確視場角，保證輻射損失最??；當目標移動時不能出現(xiàn)明顯畸變現(xiàn)象；在不同惡劣條件下，光學性能依然保持穩(wěn)定。

b.掃描器。

主要任務(wù)是沿整個視場掃描目標，實現(xiàn)目標成像及持續(xù)分解。

c.紅外探測器。

其是熱像儀的主要部件，不但可完成圖像取樣，還能利用光電效應轉(zhuǎn)換信號。探測器數(shù)量影響著成像效果，當數(shù)量發(fā)生變化時，信號處理性能也隨之改變。

d.制冷機。

減少熱噪聲與背景噪聲，確保探測器正常工作。因探測器在成像系統(tǒng)中占用空間很小，所以制冷器也有體積要求，需最大程度微型化。

e.信號處理。

探測器的電信號十分微弱，只有經(jīng)過放大處理后才能顯現(xiàn)。通過信號處理電路將信號放大、分離，并傳輸?shù)娇刂蒲b置。

將上述裝置根據(jù)使用說明進行有效連接，即可實現(xiàn)紅外圖像采集。但獲取的初始圖像由于操作不當或設(shè)備自身因素影響，圖像質(zhì)量較差，需要做增強處理。

2 紅外圖像預處理

2.1 空間域增強

空間域增強就是改善圖像整體像素f，處理公式為

g(x,y)=T[f(x,y)]

(1)

f(x,y)為初始圖像；g(x,y)為經(jīng)過處理的圖像；T為針對f的特定操作，操作范圍在(x,y)的鄰域上。

某點(x,y)的鄰域可描述為以(x,y)為中心點的矩形子圖像。該圖像中心由某像素移動至另一像素，將T操作作用在所有(x,y)的位置上均可獲得此點輸出g。

當鄰域尺度是單個像素時，T操作形式最為簡便。此時，g只與f在(x,y)點處的值相關(guān)，且T操作也是強度映射，表示為

s=T(r)

(2)

r、s為f(x,y)和g(x,y)在點(x,y)上的灰度值。經(jīng)過上述處理后，圖像整體像素得到提高，但是灰度值與邊緣部分還需做進一步處理。

2.2 直方圖均衡化

此種處理過程就是將圖像中灰度值較大的像素向鄰域擴展，保證灰度值更加均衡，增強圖像對比度。直方圖均衡化具體實施過程如下。

假設(shè)某圖像像素為n，灰度級總數(shù)為L，nk描述灰度級為rk的像素數(shù)量，計算第k個灰度級發(fā)生概率為

(3)

其中，0≤rk≤1，k=0,1,2,…,L-1。利用變換函數(shù)T(r)對式(3)做均衡化處理，得到

(4)

由此可知，均衡化后的灰度值Sk可通過初始直方圖獲得。經(jīng)過上述操作，圖像對比度明顯提高，視覺效果增強。

2.3 Laplacian算子銳化

Laplacian算子屬于微分算子，存在旋轉(zhuǎn)不變特性，能夠滿足紅外圖像邊緣銳化需求[6]。針對圖像f(x,y)，其Laplacian算子為

(5)

銳化后的圖像具備下述特征：

當灰度斜坡?2f等于0時，斜坡起點和終點處不等于0；?2f對圖像細節(jié)具有很好的響應效果。

基于上述優(yōu)勢，Laplacian算子可以很好地描述邊緣細節(jié)，同時也能保護背景信息，其表達式為

(6)

經(jīng)過所有預處理操作后，紅外圖像中可顯示出更多目標信息，為電機同步控制提供參考依據(jù)，保證控制器可根據(jù)目標實際需求下達控制命令。

3 應用紅外圖像識別技術(shù)的滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制

3.1 電機數(shù)學模型構(gòu)建

要想實現(xiàn)滑膜變結(jié)構(gòu)的精準控制，必須建立電機數(shù)學模型，但如果在三相坐標系中建立該模型[7]，會增加計算復雜度，因此，本文經(jīng)過坐標變換，在兩相坐標系統(tǒng)中構(gòu)建電機運動數(shù)學模型。

3.1.1 坐標系建立與坐標變換

a.靜止坐標系。

又稱為α-β坐標系，假設(shè)兩相位置差距為90°，軸線為α和β。在固定繞組中，存在兩相平衡交流電iα和iβ[8]，此時會生成空間矢量Fj。

b.旋轉(zhuǎn)坐標。

又稱作d-q坐標系，固定在轉(zhuǎn)子上，旋轉(zhuǎn)角頻率為ω。d和q2個坐標軸的相差同樣為90°，若在d、q中通入電流id和iq，也會生成磁動勢空間向量Fj。

c.坐標變換。

電機坐標變換中最重要的是交流量和直流量之間的相互轉(zhuǎn)換，將不同物理量由靜止坐標系變換到旋轉(zhuǎn)坐標系中。轉(zhuǎn)換過程需遵守下述規(guī)則：保證變換前后旋轉(zhuǎn)磁動勢域單機功率相同。結(jié)合上述規(guī)則得到靜止、旋轉(zhuǎn)坐標系和三相坐標系之間的變化關(guān)系為：

(7)

(8)

(9)

θ為d軸和α軸夾角；(a,b,c)為三相坐標系；F為電壓、電流等向量。上述變換公式均為可逆的。

3.1.2 數(shù)學模型構(gòu)建

在d-q坐標系中，忽略高次諧波影響[9]，構(gòu)建電機數(shù)學模型。其中，電壓方程為：

(10)

(11)

電機定子磁鏈表達式為：

ψd=Ldid+ψf

(12)

ψq=Lqiq

(13)

電機轉(zhuǎn)矩方程式為

(14)

電機運動方程式為

(15)

ud和uq為d、q軸電壓；R為電阻；ψd和ψq為不同軸上的氣隙磁鏈；ψf為耦合磁鏈；Ld和Lq為主電感；np為磁極對數(shù)；J為轉(zhuǎn)動慣性；B為摩擦系數(shù)。

3.2 滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制器

本文設(shè)計一種基于紅外圖像傳輸?shù)耐娇刂破?，該裝置預留圖像傳輸接口，可接收紅外圖像，并能將圖像信號變換為電信號，再將電信號傳輸給控制器的主控處理單元，結(jié)合目標信息，設(shè)置控制規(guī)律，進而實現(xiàn)同步控制。該同步控制器設(shè)計過程中，切換函數(shù)選擇和控制規(guī)律設(shè)置是最為關(guān)鍵的2部分。

3.2.1 切換函數(shù)選擇

S(X)=S(X1,X2,…,XN)=0

(16)

該切換面將空間劃分為S>0和S<0 2個子空間。當運動點位于切換面S=0時，若穿越此點，則該點屬于通常點；若離開此點，該點就是起始點；若由切換面兩側(cè)向此點運動，則將其視作終止點。

由于通常點和起始點的研究價值較小，因此，本文將滑膜模態(tài)確定在終止點區(qū)域中，運動點如果運行在該區(qū)域附近，就會進入滑膜區(qū)，沿著切換面運動，直至達到指定界面。

3.2.2 控制規(guī)律設(shè)置

本文設(shè)計的控制規(guī)律包括以下3種，根據(jù)具體情況，選擇相應控制規(guī)律。

a.函數(shù)切換控制。

(17)

b.狀態(tài)變量控制。

U=φX-ksgns

(18)

φ=[φ1,φ2,…,φn]，k為常數(shù)。其中控制量是通過狀態(tài)變量加權(quán)獲取的，變量系數(shù)與滑膜到達條件有關(guān)。

c.等效控制。

U=UL+ksgns

(19)

在等效控制中不僅包含等效部分UL還有切換部分ksgns。

為確保在上述控制規(guī)律約束下到達指定滑膜面，需進一步探究滑膜面S具有的函數(shù)性質(zhì)。

(20)

將上述切換函數(shù)與控制規(guī)律引入到控制器中，即可根據(jù)目標實際情況下達控制指令，達到電機滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制目的。

4 仿真實驗數(shù)據(jù)分析與研究

仿真實驗中，將永磁同步電機作為控制目標，電機額定轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 500 r/min，額定電流為2 A，阻尼系數(shù)為0.001 9。使用的紅外熱像儀型號為SC3000，該設(shè)備靈敏度較高，測溫范圍非常廣，具備數(shù)據(jù)高速采集功能，能夠滿足精準控制領(lǐng)域需求。成像設(shè)備具體參數(shù)如表1所示。

表1 成像設(shè)備參數(shù)

基于表1，利用上述紅外熱像儀采集目標圖像的具體步驟如下：結(jié)合目標大小和距離挑選鏡頭；將設(shè)備電源線、采集線連接完好；打開紅外熱像儀并制冷一段時間；制冷結(jié)束后，調(diào)整焦距，打開攝像頭蓋采集目標圖像；將采集到的目標圖像按照所需格式保存。

由于圖像質(zhì)量影響著最終控制結(jié)果，所以需要檢測圖像質(zhì)量。分別將圖像灰度直方圖、平均局部信息熵作為圖像評價指標，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 局部信息熵對比

由圖1可知，圖像處理前后每幀的局部信息熵值有很大區(qū)別，處理前信息熵較小，且?guī)c幀之間差別較大；經(jīng)過圖像空間域增強和算子銳化等操作后，紅外圖像的信息熵提高，表明圖像內(nèi)容豐富，細節(jié)信息更加清晰，更加有助于目標特征提取。

上述實驗證明紅外圖像方法可以很好地采集目標信息，為電機滑膜變結(jié)構(gòu)控制打下堅實基礎(chǔ)。下面根據(jù)采集的信息，利用本文設(shè)計的滑膜控制器完成同步控制，同時將電機滑模變結(jié)構(gòu)電壓跟蹤效果作為評價標準，利用時間擾動觀測器控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法與本文方法做對比，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同算法轉(zhuǎn)矩跟蹤曲線

由圖2可知，應用紅外圖像技術(shù)跟蹤到的電壓值和設(shè)定電壓值相吻合，而其他2種算法的跟蹤效果并不理想，難以消除控制抖動現(xiàn)象。這是因為本文針對同步控制器設(shè)置合理的控制規(guī)律，提高電壓跟蹤的準確性，另外紅外圖像提供的目標信息為控制器提供控制依據(jù)，實現(xiàn)精準控制。

在仿真環(huán)境中添加1個示波器與2個探頭，設(shè)備連接完成后啟動電機，觀測示波器中信號相位是否相差90°，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 脈沖波形

由圖3可知，本文方法輸出的脈沖波形十分規(guī)整，滿足相位相差90°的要求，進一步證明該方法具備控制穩(wěn)定性優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

機械制造技術(shù)的發(fā)展帶動電機控制走向智能化與自動化。本文應用紅外圖像技術(shù)，采集目標具體信息，設(shè)置滑膜變結(jié)構(gòu)同步控制器，根據(jù)目標特征，設(shè)計控制規(guī)律，實現(xiàn)同步控制。仿真實驗證明了本文方法能夠為電機滑膜變結(jié)構(gòu)控制提供相關(guān)依據(jù)，提高控制精度與穩(wěn)定性。隨著控制理論的日漸成熟，相信在未來研究中自適應算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能方法也會逐步改善，使電機的應用越來越廣泛。