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激光光束偏转设备的机电控制系统设计

作 者: 吴楠
导 师: 吴丽莹
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 仪器科学与技术
关键词: 激光束偏转 音圈电机 PID
分类号: TM301.2
类 型: 硕士论文
年 份: 2008年
下 载: 82次
引 用: 1次
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内容摘要


在光学捕获、跟踪和瞄准中,对激光束控制一般分为粗跟瞄和精跟瞄两套光机电系统。粗跟瞄系统的光束偏转范围大而响应速度慢;精跟瞄系统的光束控偏转范围小而响应速度快。在粗跟瞄系统中,微透镜阵列技术作为一种响应速度快,偏转范围较大的技术日益受到人们的关注。而音圈电机(VCA)作为一种执行器,在理论上具有无限分辨率、无滞后、高响应、高加速度/高速度、体积小、力特性好、控制方便等优点,其应用日益广泛。本文提出了一种利用音圈电机驱动微透镜阵列,实现激光束方向控制的新方法。该方法采用TI公司TMS320F2812数字信号处理器作为控制器,通过离散化的PID控制律,将位移传感器反馈回的位移信号和上位机传送的参考信号进行处理,得到的电压信号转化成脉宽调制(PWM)脉冲并输入到自主研制的脉宽调制直流电压电路驱动音圈电机,音圈电机作为执行器带动微透镜阵列作直线运动,并用USB端口作为整个控制系统与上位机的通讯接口。本文在建立音圈电机传递函数的基础上,设计了控制系统,并通过大量仿真实验进行了PID参数的整定;最后,建立了实验平台,并利用该平台进行了实验验证,对控制电路的线性度,稳定性以及分辨力进行了实际测试,并对整体定位控制系统的控制效果做了大量的实际检验,其结果系统分辨力为10μm,符合系统设计指标。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-13
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
  1.3 课题研究内容和意义  12-13
第2章 控制系统传递函数  13-28
  2.1 音圈电机传递函数  13-20
    2.1.1 音圈电机简介  13-15
    2.1.2 传递函数  15-20
  2.2 音圈电机位置控制  20-25
    2.2.1 PID控制器  21-22
    2.2.2 位置控制模型  22-23
    2.2.3 PID参数整定与设计效果  23-25
  2.3 机械系统传递函数  25-26
  2.4 控制系统总框图  26-27
  2.5 本章小结  27-28
第3章 控制系统的硬件设计  28-45
  3.1 系统设计指标  28-32
    3.1.1 微透镜阵列简介  28-31
    3.1.2 控制系统设计指标  31-32
  3.2 控制系统硬件结构综述  32-33
  3.3 USB传输设计  33-36
    3.3.1 EZUSB FX2 从属FIFO模式  33-35
    3.3.2 CY7C68013 接口设计  35-36
  3.4 控制器设计  36-40
    3.4.1 TMS320F2812 应用模块  36-37
    3.4.2 XINTF以及DSP与RAM的接口  37-39
    3.4.3 事件管理器与PWM脉冲的产生  39-40
  3.5 音圈电机驱动器设计  40-43
    3.5.1 LMD18200 芯片功能  40-42
    3.5.2 LMD18200 与DSP的接口  42-43
  3.6 音圈电机选型  43-44
  3.7 本章小结  44-45
第4章 控制系统软件设计  45-53
  4.1 上位机软件设计  45-48
    4.1.1 软件流程  45-46
    4.1.2 USB驱动接口  46-47
    4.1.3 软件界面  47-48
  4.2 DSP软件及PID离散化  48-51
    4.2.1 PID控制律离散化  48-50
    4.2.2 软件流程  50-51
  4.3 EZUSB FX2 固件设计  51-52
  4.4 本章小结  52-53
第5章 实验测试  53-61
  5.1 实验平台建立  53-55
    5.1.1 实验平台总体设计  53-54
    5.1.2 位移传感器的连接  54-55
  5.2 静态实验  55-58
    5.2.1 电源的稳定性  55-56
    5.2.2 驱动电路的稳定性  56-57
    5.2.3 驱动电路输出线形度  57-58
    5.2.4 驱动电路输出分辨力  58
  5.3 动态实验  58-60
    5.3.1 系统分辨力  58-59
    5.3.2 阶跃响应  59-60
  5.4 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-65
附录1  65-66
附录2  66-67
附录3  67-68
附录4  68-69
附录5  69-71
致谢  71

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 一般性问题 > 电机原理 > 电机的控制
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