基于DSP的纳米定位平台控制器的应用研究

摘要

随着科学技术的发展和研究领域的不断扩展，许多领域越来越需要纳米级定位系统，如光纤对接、超精密机械加工、微外科手术、扫描探针显微镜系统、微型机电系统的制造与检测，以及半导体制板的精密定位等领域。压电陶瓷驱动器是一种理想的微位移驱动器件，被广泛应用于微定位、微操作等领域。但同时压电陶瓷驱动器也存在着迟滞、蠕变和位移非线性等缺点，这些缺点使得对其控制变得困难。本文将压电陶瓷驱动器用于精密定位平台，其中的定位平台控制器是压电陶瓷微位移器应用中的关键部件，越来越受到国内外研究机构的关注。但目前国内现有的压电陶瓷定位平台控制器普遍采用单片机作为控制核心，单片机速率低、功耗大，难以进行实时控制，更无法集成更多的功能。为提高平台的定位性能，本文对定位平台控制器进行了如下研究。
　　 论文针对压电陶瓷定位平台控制器存在的上述问题，采用DSP技术与EDA技术相结合的方式成功地设计了定位平台控制器。首先设计了控制器各个部分的硬件模块，并给出了原理图。然后，本着实用而且方便操作的原则设计了底层软件和应用软件。为克服压电陶瓷驱动器自身缺陷的影响，提高其定位精度，本文采用了模糊自整定PID控制方法，并阐述了其控制思想和原理。最后对压电陶瓷定位平台控制器的性能进行研究，设计了包括该控制器、驱动器电源、微位移传感器等环节在内的实验系统。实验结果表明，由于模糊自整定PID控制采用模糊控制器对PID参数进行在线自动调整，系统具有良好的动态和静态性能，在一定位移范围内可以达到10nm的定位精度。
　　 本文所设计的控制器具有输出精度高、响应速度快、稳定性好、结构简单、调试方便、功耗低等优点。为进一步研制小型化、集成化、通用化的定位系统提供了理论和实际经验，研究成果具有一定的学术价值和实际意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 论文的背景和意义

1.2 微定位技术的主要应用领域

1.2.1 微型机械制造、超精密加工

1.2.2 生物工程方面

1.2.3 医疗科学

1.2.4 扫描探针显微镜

1.2.5 光纤对接

1.3 国内外研究现状

1.3.1 压电陶瓷控制器数字系统研究现状

1.3.2 压电陶瓷控制技术的研究现状

1.4 本文主要研究内容及结构安排

第2章 定位平台控制器硬件电路设计

2.1 系统总体设计方案

2.2 DSP芯片的选型

2.3 控制器系统的各功能模块设计

2.3.1 电源管理

2.3.2 DSP及外围接口电路

2.3.3 A/D和D/A电路

2.3.4 CPLD控制逻辑单元

2.3.5 键盘、液晶与DSP接口电路

2.3.6 LISB2.0通讯接口电路

2.3.7 控制方式切换电路

2.3.8 信号电平转换接口

2.3.9 DSP工作方式的硬件配置

2.4 本章小结

第3章 定位平台控制器软件设计

3.1 控制器应用软件设计

3.1.1 CCS软件开发平台简介

3.1.2 应用程序要实现的功能

3.1.3 菜单设置

3.1.4 程序流程图

3.2 基于硬件的底层软件配置

3.2.1GPIO端口的配置

3.2.2 锁相环PLL模块配置

3.2.3 看门狗设置

3.2.4 配置命令文件--CMD文件

3.2.5 中断处理

3.3 CPLD程序设计

3.4 本章小结

第4章 模糊自整定PID控制方法

4.1 模糊自整定PID控制思想

4.2 PID控制器

4.3 模糊控制器设计

4.3.1 输入量化

4.3.2 模糊化接口

4.3.3 模糊规则

4.3.4 模糊推理

4.3.5 解模糊化

4.4 本章小结

第5章 定位平台控制器实验测试

5.1 实验系统的组成

5.2 实验系统的工作过程

5.3 测试实验结果

5.3.1 开环控制实验

5.3.2 闭环控制实验

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致 谢

附录A 电路板正面图

附录B 电路板背面图

附录C 电路板配接液晶、键盘、电源实物图