基于DSP的微纳米三坐标测量机三轴运动控制系统

摘要

当今超精密加工技术的迅猛发展促成微纳米三坐标测量机的诞生，其中高精度定位控制是其实现微纳米测量的基础。本文开发了一套基于微处理器DSP的运动控制系统，该控制系统主要包含三个模块:以太网通信模块、位移测量模块和运动控制模块，其中，以太网通信模块实现DSP与上位机数据交换;位移测量模块对位移传感器输出的正交弦波信号进行计数和细分，从而实现位移测量;运动控制模块可完成机台的高精度定位控制。本文主要完成以下工作:
　　(1)为实现上下位机的数据交换，本研究采用专用的网络控制芯片RTL8019AS扩展DSP控制系统的以太网通信功能，编写以太网通信软件，最终实现了PC与DSP之间的高速数据通信。
　　(2)采用硬件计数和软件细分相结合的技术，对位移传感器输出的正交弦波信号进行处理，以得到机台实时位移。其中，硬件计数部分采用专门的计数芯片对大于四分之一周期的信号进行大数计数，得到大数位移;软件细分对小于四分之一周期的信号进行相位细分得到小数位移，最后将两者相加即得总位移量。
　　(3)完成运动控制模块硬件电路的设计;采用具有自适应特性的BP神经网络PID控制算法，搭配驱动电机提供的AC、GATE和DC三种模式完成高精度运动控制软件的编写。
　　(4)整合各个硬件模块，采用四层板的方式完成本DSP运动控制系统电路板的制作。将开发的控制系统应用于微纳米三坐标测量机并进行了测试，实验得出:X向的定位误差优于36nm，重复定位标准差小于20nm;Y向的定位误差优于45nm，重复定位标准差小于31nm。实验结果表明，用本DSP运动控制系统控制机台所达到的定位精度不低于完全基于PC软件所达到的精度。

目录

声明

致谢

摘要

绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 微纳米三坐标测量机研究现状

1．3 大行程微纳米定位控制系统研究现状与发展

1．4 嵌入式系统的网络化

1．5 课题研究内容

第二章 高精度位移传感器信号处理电路

2．1 偏振迈克尔逊激光干涉仪(PMI)

2．2 线性衍射光栅干涉仪(LDGI)

2．3 微型纳米位移传感器信号处理电路设计

2．3．1 微型纳米位移传感器信号处理电路设计

2．3．2 差分放大电路

2．3．3 正交处理电路

2．4 本章小结

第三章 系统硬件设计

3．1 测控系统架构

3．2 以太网硬件接口模块设计

3．2．1 以太网接口概述

3．2．2 RTL8019AS简介

3．2．3 DSP与RTL8019AS接口电路

3．2．4 RTLB019AS与网络介质的接口电路

3．3 位移测量模块硬件基础

3．3．1 ADC模块设计

3．3．2 硬件大数计数模块设计

3．4 运动控制硬件基础

3．4．1 超声波电机HR4简介

3．4．2 HR4驱动器AB2简介

3．4．3 电平转换电路设计

3．5 其它外围电路设计

3．5．1 键盘接口电路

3．5．2 HR4电机工作状态指示

3．6 硬件抗干扰设计

3．7 本章小结

第四章 系统软件设计

4．1 系统软件整体流程

4．2 以太网通信软件设计

4．2．1 精简TCP／IP协议简介

4．2．2 RTL8019AS驱动程序简介

4．2．3 数据包协议格式

4．2．4 以太网数据通信整体流程

4．2．5 三轴通信的实现

4．2．6 上位机软件

4．3 位移测量模块软件设计

4．4 机台运动控制软件设计

4．4．1 基于BP神经网络的PID控制算法简介

4．4．2 运动控制软件流程

4．4．3 软件调试方法及最优参数

4．5 本章小结

第五章 系统测试

5．1 以太网通信测试

5．1．1 下位机接收数据测试

5．1．2 下位机发送数据测试

5．2 定位控制实验

5．2．1 X轴定位实验

5．2．2 Y轴定位实验

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 研究工作展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况