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基于数字滤波技术的直线电机伺服控制系统设计

作　者: 高雅
导　师: 丁雪梅
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 直线电机 固有频率噪声 IIR数字陷波器 零相位滤波器
分类号: TM359.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


激光直写设备作为衍射光学元件的重要加工设备,其加工精度决定了二元衍射光学器件的成像质量。随着光学技术的飞速发展,研究具有高精度的激光直写设备至关重要,同时又能推进超精密加工技术的进一步发展。定位控制系统是该设备的关键组成部分,其性能将影响到整个设备研制的成败,因为定位控制系统的精度与设备的写入精度是息息相关的。本课题主要以直线电机与气浮导轨组成的伺服控制系统为研究对象,从系统噪声的抑制与衰减角度,对控制系统中的数字滤波技术进行了研究,并给出了系统各部分的硬件实现方法。本文首先对直线电机伺服控制系统的组成进行了分析,采用实验的方法得到了直线电机的跟随误差的频谱能量分布,从而确定了系统的固有频率噪声。为消除噪声对系统带来的不利影响,本设计在控制环节中加入数字滤波器,从控制系统的角度出发,选择了数字陷波滤波器对干扰信号进行滤波。为了让滤波器在用FPGA实现的过程中仍保持阻带陡峭的特性,本文选择了基于全通滤波器的IIR陷波滤波器的设计模型,根据系统的固有频率噪声的具体数值,给出了滤波器的系数,并进行了仿真。此外,受零相位滤波器的启发,提出了一种基于零相位滤波器的IIR数字陷波器,仿真表明,这种方法使IIR陷波器具有了线性相位的特性,并且滤波的初始信号不发生畸变。设计了控制系统的硬件电路,主要包括信号转换电路、脉冲四倍频模块、电机速度与位置测量模块以及IIR陷波滤波器模块。其中,本文从IIR滤波器的运算时序、增益系数的选取以及结构的优化等方面,着重阐述了IIR陷波滤波器的FPGA实现方法,并对模块进行了功能仿真,达到了较好的效果。最后,本文对设计的伺服控制系统进行了实验测试,实验和分析结果表明,本课题所设计的IIR陷波滤波器对系统固有频率噪声有较好的抑制效果,能够在一定程度上提高系统的定位精度。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-15
  1.1 课题研究的目的和意义  9-10
  1.2 国内外激光直写机的研制现状和发展  10-12
  1.3 直线电机伺服控制系统的主要技术问题  12-13
  1.4 本课题主要研究内容  13-15
第2章 控制系统中的数字滤波技术  15-28
  2.1 引言  15
  2.2 直线电机伺服控制系统的结构及噪声来源  15-21
    2.2.1 直线电机伺服控制系统的结构  15-17
    2.2.2 气浮导轨工作台的振动因素分析  17-21
  2.3 控制系统中数字滤波器的特性分析  21-26
    2.3.1 数字滤波器的特性  21-22
    2.3.2 IIR与FIR滤波器的应用原则  22-23
    2.3.3 闭环控制回路中的数字滤波器  23-25
    2.3.4 数字滤波器的通带对控制系统的影响  25-26
  2.4 小结  26-28
第3章 二阶IIR数字陷波滤波器的设计  28-41
  3.1 引言  28
  3.2 基于全通网络的IIR数字陷波滤波器的设计  28-32
  3.3 基于零相位滤波器的IIR数字陷波滤波器  32-40
    3.3.1 IIR与FIR陷波滤波器的比较  32-34
    3.3.2 零相位滤波器的原理  34-35
    3.3.3 零相位滤波器初值的选取  35-37
    3.3.4 具有实时性的IIR零相位陷波滤波器  37-40
  3.4 小结  40-41
第4章 控制系统硬件电路设计  41-54
  4.1 引言  41
  4.2 直线电机伺服控制系统的组成  41-43
  4.3 控制系统单元模块的设计  43-53
    4.3.1 脉冲信号转换单元设计  43
    4.3.2 A、B脉冲细分单元设计  43-45
    4.3.3 速度测量和位置测量模块设计  45-47
    4.3.4 IIR数字陷波滤波器的FPGA实现  47-53
  4.4 小结  53-54
第5章 实验与分析  54-58
  5.1 引言  54
  5.2 位置跟随误差的静态测量实验  54-55
    5.2.1 控制系统实物装置  54-55
    5.2.2 实验方案  55
  5.3 实验结果与分析  55-57
  5.4 小结  57-58
结论  58-60
参考文献  60-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 特殊电机 > 直线电机
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