（控制理论与控制工程专业论文）大行程纳米级精密对焦控制系统研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e r e s e a r c ho ff o c u sc o n t r o ls y s t e mw i t hl a r g et r a v e l a n n 州a n o m e t e rr e s 0 i n t i o n l t 一 m a s t e rc a n d i d a t e ：p a nj i a n h u a s u p e r v i s o r ：p r o f c h e n gl i a n g l u n m a y 2 0 1 0 f a c u l t yo f a u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u , g u a n g d o n g p r c h i n a , 510 0 0 6 肼l2m 8m 5 4 舢7iil-脚y 摘要 摘要 自动对焦技术是各种成像系统、计算机机器视觉和精密仪器中的关键技术之 一。随着科学技术的不断发展，高精度高速度的微进给技术已经成为m e m s 领域 的研究前沿，广泛应用于工业在线检测、自动加工、实物仿形、产品质量控制、 生物医学等领域。从二十世纪起，由于精密加工与超精密加工与测量的要求，许 多设备仪器需要在大范围内实现高精度的连续进给运动，如平板显示屏自动光学 检测系统、集成电路制造系统、光栅刻划机进给系统等。本文从精密定位平台研 究入手，分析了现有精密定位平台和对焦控制系统的局限性，提出了一种新型的 大行程纳米级精密对焦系统。 1 ) 本文对国内外大行程纳米级精密对焦平台现状、当前激光微距离测量的发 展状况进行了研究，探讨了对焦平台在行程和精度之间的设计难度，比较了各种 激光测距方法的优缺点，确定了采用三角法作为大行程纳米级精密对焦系统的设 计基础。 2 ) 介绍了大行程纳米级精密对焦系统的设计，对焦平台采用两级进给结构设 计，采用粗动与精动系统相结合，以达到高的定位精度和分辨率。对焦平台运动 控制系统构成和原理，包括驱动系统的组成，主从控制方式和智能控制方法。 3 ) 分析了基于三角法的自动对焦系统的光学特性，针对成像系统的特点，采 用计算机处理技术和嵌入式控制技术，提出显微镜系统的对焦模型及对焦判定方 法。 4 ) 通过分析现有的自动对焦算法，提出一种基于三角法和通光率最大判定法 的自动对焦方法，三角法可以快速，大范围的实现调焦，通光率法通过对能量和 灰阶的变化进行双重判定，实现精确对焦。 5 ) 将大行程纳米级精密对焦控制系统应用于平板显示屏自动光学检测设备 上，针对平板检测中要求的快速性、精确性、稳定性，试验了对焦系统对焦的速 度、精度和重复对焦精度。实验结果表明，改进型自动对焦算法适用性广，对焦 速度快，对焦精确度高，具有相当的实用价值。 关键词：自动对焦；自动光学检测；三角法；通光率最大判定法；光斑中心 a bs t r a c t a u t o f o c u si so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si ni m a g i n gs y s t e m ，c o m p u t e r v i s i o na n d a l lk i n d so fr i g i da p p a r a t u s e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，h i g h 。p r e c i s i o n m i c r o 。f e e d t e c h n 0 1 0 9 yh a sb e c o m e af r o n t i e rf i e l do fm e m si sw i d e l y u s e di na u t o m a t l c p r o c e s s i n g ，i n d u s t r i a ll i n ei n s p e c t i o n ，q u a l i t yc o n t r o l ，p h y s i c a lp r o f i l e ，b i o m e d i c i n e s t a n i n gf r o mt h et w e n t i e t hc e n t u r y , d u et ou l t r a - p r e c i s i o nm a c h i n i n ga n d m e a s u r e m e n t r e q u i r e m e n t s ，a n dm a n ye q u i p m e n ta n di n s t r u m e n t s n e e d e dt oa c h i e v eh i g ha c c u r a c yl n aw i d er a n g eo fc o n t i n u o u sa n da c c u r a t e f e e dm o t i o n ，s u c ha sa u t o m a t e do p t l c a l i n s p e c t i o no ff l a tp a n e ld i s p l a y s ，o p t i c a lg r a t i n gr u l i n ge n g i n ef e e ds y s t e mi n t e g r a t e d c i r c u i tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m p r e c i s ep o s i t i o n i n go f t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee x i s t i n g p l a t f o ma n df o c u sp r e c i s i o np o s i t i o n i n g c o n t r o ls y s t e ml i m i t a t i o n s ，an e wt y p eo f l a r g et r a v e ln a n o m e t e rp r e c i s i o na f s y s t e m f i r s to fa 1 1 ，t h i st r i po nt h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lp l a t f o r mf o rn a n o 。p r e c l 8 1 0 n f o c u s i n gs t a t u s ，t h e c u r r e n td e v e l o p m e n t o fl a s e rm i c r o 。d i s t a n c e m e ：a s u r e m e n t c o n d i t i o n sw a ss t u d i e d ，d i s c u s s e d t h et r i pa n dp r e c i s i o nf o c u s i n gp l a t f o r md e s l g n b e t w e e nt h ed i f f i c u l t y o f c o m p a r i n g v a r i o u sl a s e rr a n g i n ga d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e so fm e t h o d st od e t e r m i n et h eu s eo ft r i a n g u l a t i o n a sag r e a ts t r o k eo f n a n o p r e c i s i o na fs y s t e md e s i g nb a s i s s e c o n d i ti n t r o d u c e sal a r g et r a v e ln a n o m e t e rp r e c i s i o nf o c u s i n gs y s t e md e s l g n ， f o c u s i n gp l a t f 0 皿s t r u c t u r ed e s i g n u s i n g t w of e e d ，c o a r s ea n d f i n e d y n a m l c c o m b i n a t i o no fd y n a m i cs y s t e mt o a c h i e v eh i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n dr e s o l u t l o n f o c u sp l a t f o r mm o t i o nc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ea n dp r i n c i p l e s ，i n c l u d i n g t h ed r i v e s v s t e mc o m p o n e n t s ，t h em a i nm e t h o d f r o mt h ec o n t r o la n di n t e l l i g e n tc o n t r o lm e t h o d s a g a i n a n a l y s i sm e t h o db a s e do nt r i a n g u l a ra fs y s t e m so p t i c a lp r o p e r t i e s ，t o r t n e i m a g i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h es y s t e m ，e m b e d d e dw i t hc o m p u t e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dc o n t r 0 1t e c h n o l o g y , t h ef o c u sm i c r o s c o p es y s t e mp r o p o s e dm o d e la n d f o c u sv e c t o r t h e n t h r o u g ha n a l y s i so fe x i s t i n ga u t o - f o c u s i n ga l g o r i t h m i sp r o p o s e db a s e d0 n o p t i c a lt r i a n g u l a t i o nm e t h o da n dt h ep a s sr a t eo f t h el a r g e s ta u t o 。f o c u s i n gm e t h o do f d e t e r m i n i n gm e t h o d ，t r i a n g u l a t i o nc a nq u i c k l ya c h i e v ea w i d er a n g eo ff o c u s ，l i g h tf o r i i a b s t r a c t t h er a t el a wo ne n e r g ya n dc h a n g e si ng r a yd o u b l ed e t e r m i n a t i o nt oa c h i e v ea c c u r a t e f o c u s f i n a l l y , l a r g et r a v e l n a n o m e t e r p r e c i s i o nf o c u s i n g c o n t r o l s y s t e m u s e di n a u t o m a t e do p t i c a li n s p e c t i o ne q u i p m e n t ，f l a tp a n e ld i s p l a y s ，t h er e q u i r e m e n t sf o rt h e r a p i dd e t e c t i o np l a t e ，a c c u r a c y , s t a b i l i t y , t e s tt h ea fs y s t e mf o c u ss p e e d ，a c c u r a c ya n d r e p e a tf o c u s i n gp r e c i s i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e da fa l g o r i t h m w i d ea p p l i c a b i l i t y , f o c u ss p e e d ，f o c u sa n dh i g ha c c u r a c y , w i t hc o n s i d e r a b l ep r a c t i c a l v a l h e k e y w o r d s ：a u t of o c u s ；a u t o m a t i co p t i c a li n s p e c t i o n ；t r i a n g u l a t i o n ；l i g h tf o rt h e m a x i m u mr a t ed e t e r m i n a t i o nm e t h o d ；s p o tc e n t e r i i i 广东t 业大学硕j j 学位论文 口罩 目冰 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v c o n t e n t s ! v i 第一章绪论l 1 1 本课题研究的意义和目的1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 大行程纳米级精密对焦平台现状研究2 1 2 2 现有自动对焦法应用现状4 1 2 3 几种测距方法的比较5 1 3 论文的研究内容及结构安排一6 1 3 1 课题来源及研究内容一6 1 3 2 论文结构安排6 1 4 本章小结7 第二章大行程精密对焦系统设计8 2 1 大行程精密对焦系统设计要求8 2 2 大行程纳米级精密对焦平台设计一8 2 2 1 精密对焦平台整体结构8 2 2 2x y 工作平台9 2 2 3z 向调焦机构的设计和改进1 1 2 3 运动控制系统整体结构1 3 2 2 1 电机特性分析1 3 2 2 2 精密平台数学模型建立1 8 2 4 运动控制系统硬件设计1 9 2 4 1 软件流程设计2 1 2 4 2 算法设计流程一2 3 2 5 本章小结2 4 第三章精密对焦系统原理及设计方案：2 5 3 1 显微镜光学成像理论一2 5 i v 目录 3 1 1 显微镜的成像原理2 5 3 1 2 显微镜的景深2 6 3 2 三角测距法原理2 7 3 2 1 斜光学入射法2 7 3 2 2 直光学入射法2 8 3 3 自动对焦设计方案3 0 3 3 1 光斑成像理论3 0 3 3 2 光学三角法调焦设计方案3 l 3 4 本章小结3 3 第四章自动对焦算法研究和软件设计一3 4 4 1 光斑特征分析3 4 4 2 光斑质心计算一3 6 4 3 通光率最大判定法对焦分析3 8 4 4 自动对焦算法软件设计3 9 4 5 自动对焦算法测试分析4 0 4 6 本章小结4 1 第五章精密对焦控制系统的综合能力试验4 2 5 1 对焦精度的评定标准4 3 5 2 精密对焦控制系统的综合能力测试4 4 5 2 1 重复定位精度和自动对焦时间测试4 5 5 2 2 镜头切换精度和时间测试5 2 总结与展望5 5 参考文献5 7 攻读学位期间发表的论文6 l 攻读学位期间参加的科研项目6 2 独创性声明一6 3 致谢6 4 附录上位机控制软件设计程序( 部分) 一6 5 v 广东工业人学硕l j 学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i a b s t r a c t i i c h i n e s ec o n t e n t s i v c o n t e n t s v i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h eb a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h 1 1 2t h er e a r c hs t a t u so fh o m ea n da b r o a d 2 1 2 1t h er e a r c hs t a t u so fn a n o - p r e c i s i o nw i t hl a r g et r a v e lf o c u sp l a t f o r m 2 1 2 2a p p l i c a t i o no ft h ee x i s t i n ga u t of o c u sm e t h o d 4 1 2 3c o m p a r i s o no fs e v e r a lm e t h o d s 5 1 3m a i nc o n t e n ta n dt h ec h a p t e ra r r a n g e 6 1 3 1i s s u e ss o u r c ea n dm a i nc o n t e n t 6 1 3 2c h a p t e ra r r a n g e 6 1 4b r i e fs u m m a r y 7 c h a p t e r2l a r g es t r o k ep r e c i s i o nf o c u s i n gs y s t e m 8 ：! 1 l a r g er a n g ep r e c i s i o na fs y s t e md e s i g n 8 2 2g r e a tt r a v e ln a n op r e c i s i o nf o c u sp l a t f o r m 8 2 2 1t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fr e c i s i o nf o c u sp l a t f o r m 8 2 2 2x - y p l a t f o r m 9 2 2 3z f o c u s i n gm e c h a n i s mo ft h ed e s i g na n di m p r o v e m e n t 1 1 2 3t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m 、13 2 2 1m o t o re l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 13 2 2 2s t a g em a t h e m a t i c a lm o d e l i n g 1 7 ：! 4t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m 19 2 4 1s o f e w a r ep r o g r a md e s i g n 2 0 ：! 4 2 a r i t h m e t i cp r o g r a md e s i g n 2 2 2 5b r i e fs u m m a r y 2 3 c h a p t e r3p r e c i s i o nf o c u ss y s t e mt h e o r ya n dd e s i g np r o g r a m 2 4 ：；1m i c r o s c o p i ct h e o r yo fo p t i c a li m a g i n g 2 4 v i 3 1 1m i c r o s c o p ei m a g i n gp r i n c i p l e 2 4 3 1 2d e p t ho f f i e l dm i c r o s c o p e 2 5 3 2t r i a n g u l a t i o np r i n c i p l e 2 6 3 2 1u n d i r e c to p t i c a li n c i d e n c e 2 6 3 2 2d i r e c to p t i c a li n c i d e n c e 2 7 3 3a fd e s i g np r o g r a m 2 9 3 3 1s p o ti m a g i n gt h e o r y 2 9 3 3 2d e s i g no fo p t i c a lt r i a n g u l a t i o nf o c u s i n g 3 0 3 4b r i e fs u m m a r y 3 2 c h a p t e r4a fa l g o r i t h ma n ds o f t w a r ed e s i g n 3 3 4 1s p o tc h a r a c t e r i s t i c s 3 3 4 2c a i c u l a t i o no fs p o tc e n t r o i d 3 5 4 3l i g h tf o rr a t ed e t e r m i n a t i o nm e t h o df o c u so ft h el a r g e s t 3 7 4 4a fa l g o r i t h ms o f t w a r ed e s i g n 3 8 4 5a fa l g o r i t h mt e s tr e s u l ta n a l y s i s 3 9 4 6b r i e fs u m m a r y 4 0 c h a p t e r 5p r e c i s i o nf o c u sc o n t r o ls y s t e mo np r o f i c i e n c yt e s t i n g 4 1 5 1f o c u sa c c u r a c ya s s e s s m e n ts t a n d a r d s 一4 2 5 2n a n o p o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e mc o m p r e h e n s i v ea b i l i t yt e s t 4 3 5 2 1r e s o l u t i o na n dt h ea ft e s t 4 4 5 2 2l e n ss w i t c ha n dt i m et e s t 51 c o n c l u s i o n 5 4 r e f b r e n c e 5 6 p u b l i s h e dp a p e r ，6 0 p r o i e c t s 6 1 o r i g i n a lc r e a t i v es t a t e m e n t 6 2 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 3 a p p e n d i xs o f e w a r ep r o g r a md e s i g n ( p a r t ) 6 4 v i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的意义和目的 高精度和高分辨率的精密超精密作业系统在近代高端工业生产和科学研究领 域内占有极为重要的地位。它直接影响精密、超精密切削加工水平、精密测量水 平、工业在线检测水平及超大规模集成电路生产水平心1 。这些精密加工、精密检 测设备都需要一个优良的成像系统，用来辅助加工、测量、检测，而调焦系统作 为光电成像系统、机器视觉系统的关键装置，在生产过程监控、工况检测、图像 拍摄、显微观察、医学图像分析、地质遥感和军事遥感等等方面都应用广泛们隋3 。 无论哪个成像系统，都会遇到对焦的问题，如果仅依靠操作人员的主观判断来完 成成像系统的调焦，很容易带来一定的人为误差，而且自动化程度低。 本论文的研究是基于产学研项目“新一代t f t - l c d 自动光学检测技术与设备 开发研制大行程高精度快速自动对焦设备为基础的，高精准的对焦技术是大玻 璃片检测系统的关键，随着玻璃片的面积越来越大，第四代检测基板尺寸：6 8 0 m m 8 8 0 m m ，第五代：1 1 0 0 m m x1 3 0 0 r a m ，第六代：1 5 0 0 m m 1 8 5 0 m m 哺1 ，检测的速 度、精度也要求越来越高，所以本文的研究方向具有重大意义。近几年来学者在 这一领域投入了大量的人力和物力，并取得了一定的成果，很多已经被广泛应用 于工业生产检测。但是，还有一些问题没有很好地解决，主要体现在： ( 1 ) 对焦精确度不够高，容易产生误对焦；在t f t o l c d 检测中，厚度0 4 m m 的玻璃，为了检测p i n h o l e ( 针孔) ，s c r a t c h ( 抓痕) ，p a n i c l e ( 微粒) 等缺陷，需要使 用倍数较高的物镜，其对焦分辨率高达o 0 7 8 u r n ，重复定位精度为0 1 u m ，图像检 测位置分辨达到2 u r n 灵敏度。如此高精度的对焦定位，除了需要高精度的纳米级 定位工作台外，还需要一个能够实时反馈调整的控制系统。 ( 2 ) 对焦稳定性不强，容易受到环境和硬件中各种噪声的影响；如控制镜头移 动的电机存在误差，镜头移动存在惯性，硬件驱动存在时间延迟等等。高精度的 对焦系统，其对焦分辨率高达o 0 7 8 u m ，重复定位精度为0 1 u m ，为了实现对焦， 平台的稳定性必须保证 l o m m s ，震动0 2 u m ； 4 、镜头切换平台x y 轴控制，行程x 7 6 m m ；y 3 8 m m ，解析度0 3 u m ，重复 定位精度1 5 u m ，精度l 5 u m ，速度 2 0 0 m m s ，震动0 3 u m ； 5 、定位校准功能，电机控制平台微调范围l u m l m m ，压电平台微调范围 0 1 u m - 1 u m ： 2 2 大行程纳米级精密对焦平台设计 大行程纳米级精密对焦平台与普通的显微镜平台具有很大的不同，传统的显 微镜其镜头切换装置采用左轮旋转装置，在需要某个放大倍率的镜头时，就将对 应的镜头手动旋转到显微镜镜筒下方，每一镜头到预定位置都有一机械卡将其位 置卡住，然后手动旋转又演变成靠电机加轴承驱动的电动旋转方式h 。后来又出 现了直线切换方式，将要用的镜头固定在一条直线单元上，然后通过步进电机或 者直线电机驱动该直线单元。直线单元与旋转单元比较，不需要固定镜头位置的 机械装置，不会产生因机械装置导致的镜头位置偏移，并且对于特定数目的镜头， 总体切换速度更快。 2 2 1 精密对焦平台整体结构 大行程纳米级精密对焦平台是在普通的显微镜平台基础上加上x 、y 、z 三向 电动运动平台，x y 向平台用于完成6 个镜头的切换，使用直流电机加丝杆导轨的 驱动方式。z 向平台是对焦轴，由宏微二级机构组成，大行程运动平台采用传统的 滚珠丝杠传动及直线滚珠导轨导向方式，通过直流电机驱动完成对焦平台的大范 围调焦；精密对焦平台由压电陶瓷微动台驱动，实现快速精密对焦。大行程纳米 8 第二章大行程精密对焦系统设计 ，一 级精密对焦平台整体结构如图2 1 所示： 图2 - 1 大行程纳米级精密对焦平台 f i g 2 - ll a r g et r a v e ln a n op r e c i s i o nf o c u sp l a t f o r m 2 2 2x y 工作平台 x y 工作台由驱动接1 2 1 、驱动电机、直线移动导轨，传动机构、基板和通光孔 转接板等组成，如图2 - 2 所示。 图2 - 2x y 工作平台 f i g 2 - 2x - yp l a t f o r m 9 广东丁业大学硕 j 学位论文 x y 工作台的作用主要是完成6 个物镜的切换，平台中央搭载压电平台，压电 平台下面搭载一块转接板，6 个不同倍数的镜头安装在转接板下面。通过x 、y 方 向的移动，将所需要的镜头切换到目镜下面，x y 平台的结构框架如图2 - 3 所示： 电机 t i y 方向 l 图2 - 3x y 工作台运动结构图 f i g 2 3x yp l a t f o r mm o v e m e n tc h a r t l o 百 第二章火行程精密对焦系统设计 x y 运动平台采用的是三层结构：三层结构是对两层结构进行改进而来的一种 平台切换模式。为了增加紧密性，在层与层之间增加了槽状结构，层与层之间的 移动是沿着槽的方向进行的，极大的增加了系统在运行中的稳定性。同时也防止 光学回路受紧密和不紧密造成的影响。 所谓三层，是指顶端滑轨上有两层板组成，最上一层与上端的镜头部分固定， 保存不动。在电机的转动下，只有下层底板运动，实现x 方向的移动，在这个过 程中，导轨上的活动块带动下一层的导轨整体运动。 在上层电机的带动下，下层导轨相对上层导轨有x 方向的运动，但是下层导 轨相对自身的平板静止。当下层的电机开始运动，则自身的滑块带动平面在导轨 上沿着滑槽移动，这个移动相对与下层导轨构成了y 方向的运动。将x y 方向的运 动进行合成，构成了x y 平面的运动，从而实现镜头的切换。 2 2 3z 向调焦机构的设计和改进 目前大行程精密工作台设计的方案主要有两种设计思路：( 1 ) 单级进给方式h 羽， 采用直线电机非接触迸给或利用静摩擦驱动进给；( 2 ) 两级进给方式h 3 4 钊，即采用 粗动与精动系统相结合，以达到高的定位精度和分辨率。这种设计方式可以结合 目前成熟的大行程工作台技术与压电陶瓷驱动器的优点，降低技术难度和研制风 险。 z 向调焦机构主要由两部分组成，大行程调焦机构和精密调焦机构，大行程调 焦机构采用丝杆传动，通过直流电机驱动完成对焦平台的大范围调焦；精密调焦 机构由压电陶瓷微动台驱动，实现快速精密对焦，z 向调焦机构如图2 4 所示： 图2 4z 向调焦机构图 f i g 2 4zf o c u s i n gm e c h a n i s m 广东t 业大学硕士学位论文 大行程的调焦机构固定在横梁上，电机驱动滑块上下运动，滑块再带动连接 的x y 工作台，实现物镜的大范围调焦。精密调焦机构为压电驱动器，它通过转 接板安装在x - y 工作台上，通过压电驱动器的运动带动6 个物镜进行微小调节， 实现精密对焦。本课题使用的精密调焦系统，带动的镜头比较多，所以使用的物 镜转换器和传统的物镜转换器不一样，采用的是直列式的切换方式。 不论哪种型式的物镜转换器，它的精度都直接影响着显微镜的质量。一般对 普通型生物显微镜的物镜转换器，用两个指标来考核它的精度h 5 儿删。一个是转换 器的定位精度，指的是当一个物镜处在工作状态下时，它的视场中心对于其他物 镜处于同样的工作状态时的视场中心偏移量。另一个指标是物镜转换器的齐焦精 度，它指的是当一个物镜被调焦在工作位置以后，转换到其他物镜时，应在不重 新调焦的情况下就能看到物象。要获得清晰像，允许作微量细调。就结构而言， 普通型生物显微镜的物镜转换器主要由固定板和转动板组成。但就本课题来说这 种旋转转换器不适合使用，一是所带镜头太多，带动的物镜重量大；二是结构复 杂，自由度多，不适合快速调节。所以本文采用的镜头切换方式是压电陶瓷带6 个镜头，由x - y 平台进行切换，自由度只有2 ，可以实现精密调节，结构如图2 5 所示： 图2 - 5 镜头转换器结构图 f i g 2 5l e n sc o n v e r t e rc h a r t 1 2 第二章大行程精密对焦系统设计 2 3 运动控制系统整体结构 精密对焦平台运动控制系统采用d s p 2 4 0 7 进行控制，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 是t i 公司推出的数字信号处理器，该系列处理器上集成了多种先进的外设，为电 机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。它具有高速信号处理和数 字控制所必需的体系结构特点7 儿48 l 。f 2 4 0 7 具有强大的片内的端口和其他外围设 备，其中事件管理器为电机的控制提供了方便。本课题采用计算机与d s p 系统配 套使用对平台进行控制，计算机与d s p 系统之间通过r s 2 3 2 串行口进行通信。 该系统由计算机、d s p 系统、直流电机、显微镜模组及三维精密对焦平台、 u s b 摄像机等组成，如图2 - 6 所示： 图2 - 6 系统结构图 f i g 2 - 6s y s t e ms t r u c t u r e 2 2 1 电机特性分析 图2 7 所示为一直流电机的电气机械等效电路模型h 钔随0 1 。在电枢线圈的电路 模型里包含了电枢电阻r a 、电枢电感l a 与一个因电机旋转时磁力线在线圈上切 割所感应出之反电势瞻。磁场线圈则可由磁场组母与磁场电感乃，组气隙磁通 则以厂表示。电机转轴之旋转角速度以c o 表示，其相关参数与符号说明如表2 1 所 列。直流电机的电枢线圈形成一回路，其电压方程式可表示为： 乩= 圪+ 兄l + 乞皇 ( 2 1 ) “l 其中瞻是电枢线圈在内激磁电流，厂在磁场线圈所造成之磁场因旋转切割磁力 线而感应出的反电势，由法拉第定律可知切割一个线圈磁通量的变化会产生一个 感应电动势： 其中九表示线圈的磁通量。 脚( r ) 掣 足 图2 7 直流电机的电气机械模型 f i g 2 - 7d cm o t o re l e c t r i c a lm o d u l e 表2 1 直流电机模型之符号说明 t a b l e 2 - 1d cm o t o rs y m b o ld e s c r i p t i o n ( 2 2 ) 在旋转的转子电枢线圈，每一个线圈皆会因为转子转动切割磁力线而造成感 应电动势，此反抗电动势与转速、线圈数、磁场强度皆成正比，可表示为： v g ( t ) = 剧( f ) ( f ) ( 2 3 ) 如果磁场电流保持固定，则气隙磁通为定值，上式可简化为： 1 4 第二帝大行程精密对焦系统设计 v g ( t ) = k e o j ( t ) ( 2 4 ) 其中肫为电机的旋转反电势常数，单位为v (