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球坐标法激光跟踪控制系统的研究

作　者: 陈新华
导　师: 裘祖荣
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 激光跟踪坐标测量伺服控制球坐标法误差模型
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

激光跟踪测量系统是在机器人计量学基础上发展起来的一种新型坐标测量方法。由于激光干涉仪是目前世界上大范围位移测量精度最高的实用工具,以激光干涉仪为基础的柔性坐标测量系统被认为是最有潜力的高精度、大范围、非接触、动态测量工具。本课题基于球坐标法原理,设计了单站式三维坐标激光跟踪测量系统。论文主要围绕球坐标法激光跟踪测量系统的一个关键部分—激光跟踪控制系统—进行研究。主要工作内容如下:1)论述了球坐标法激光跟踪测量系统的测量原理和总体设计,包括干涉测长光路,激光跟踪机构,系统硬件电路以及电机的选型。2)根据系统实际架构和光路,建立了系统的理想数学模型,推导了测量空间任意被测点的坐标表达式,并分析了测量光束的反射基点与跟踪机构的旋转基点不重合的两种误差模型。3)设计了基于DSP与FPGA的激光跟踪测量系统控制方案。利用TMS320F2812作为主要控制芯片,对其编程实现与两块FPGA和上位机的通讯以及实现对伺服电机的控制。4)利用Verilog HDL语言对信号采集处理FPGA编程实现了A/D信号的采集与初步处理,对跟踪控制FPGA编程实现了光栅尺信号的处理、时钟分频输出以及控制信号从并行到串行的转换。5)对电机及其驱动系统进行了调试,保证了系统跟踪测量的基本功能。根据系统架构,由PSD光斑偏差量推导得出了电机控制量,并用于电机的控制。6)基于传统可靠的PID算法设计了积分分离式PID电机控制器,结合反馈的光栅尺信号,对电机的转速与转角进行了控制。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-19
  1.1 激光跟踪测量系统及其分类  7-11
    1.1.1 激光跟踪测量系统  7-8
    1.1.2 激光跟踪测量系统的分类  8-11
  1.2 激光跟踪测量系统的发展  11-17
    1.2.1 国内外发展状况  11-14
    1.2.2 控制系统的研究与发展  14-17
  1.3 课题研究目的和内容  17-19
第二章系统设计及数学建模  19-33
  2.1 系统测量原理  19-20
  2.2 系统总体设计  20-26
    2.2.1 干涉测长光路  20-21
    2.2.2 激光跟踪机构  21-22
    2.2.3 信号采集处理部分  22-23
    2.2.4 跟踪控制部分  23-24
    2.2.5 电机的选型与参数  24-26
  2.3 系统数学建模  26-33
    2.3.1 理想数学模型  26-27
    2.3.2 测量坐标推导  27-30
    2.3.3 两种误差模型  30-33
第三章系统控制方案设计  33-48
  3.1 系统控制方案  33-35
  3.2 信号采集处理电路  35-39
    3.2.1 光电位置信号检测与处理  35-37
    3.2.2 光电位置信号的FPGA 程序设计  37-39
  3.3 跟踪控制电路  39-48
    3.3.1 光栅信号检测与处理  40-41
    3.3.2 DSP 处理模块  41-42
    3.3.3 跟踪控制板FPGA 程序设计  42-46
    3.3.4 D/A 转换模块  46-48
第四章系统调试与控制算法  48-69
  4.1 电机的调试  48-54
    4.1.1 电机驱动器与软件  48-50
    4.1.2 电流环的调节  50-52
    4.1.3 速度环的调节  52-54
  4.2 控制量的关系推导  54-57
  4.3 PID 控制器的设计  57-69
    4.3.1 PID 控制简介  57-59
    4.3.2 数字PID 控制算法  59-64
    4.3.3 控制算法的改进与系统控制流程  64-69
第五章实验  69-76
  5.1 PSD 及位置检测电路的线性实验  69-75
  5.2 系统的跟踪能力实验  75-76
第六章总结与展望  76-78
  6.1 主要工作总结  76-77
  6.2 技术展望  77-78
参考文献  78-82
发表论文和参加科研情况说明  82-83
致谢  83

球坐标法激光跟踪控制系统的研究

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