【摘要】：激光掃描技術(shù)可精確控制激光束的指向,廣泛應(yīng)用在激光雷達(dá)、激光測(cè)量、顯微成像、激光加工等領(lǐng)域,近年來得到了科研界和工業(yè)界的廣泛研究。與傳統(tǒng)激光掃描器相比,本文所研究的壓電式激光掃描器可以實(shí)現(xiàn)高精度的小角度范圍掃描,解決了激光掃描的軸間干擾問題,但由于壓電驅(qū)動(dòng)器本身的遲滯非線性效應(yīng)的影響,使其掃描精度受到限制。而本論文所研究的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)激光掃描器,利用FPGA平臺(tái),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)負(fù)反饋滑模控制算法,提升了壓電式激光掃描器的掃描線性度和精度,充分體現(xiàn)了壓電驅(qū)動(dòng)激光掃描器體積小、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。本文以壓電式激光掃描器為研究對(duì)象,開展數(shù)字化控制系統(tǒng)的研究,完成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真、滑�？刂破髟O(shè)計(jì)、硬件電路和軟件控制邏輯設(shè)計(jì),搭建測(cè)試平臺(tái)完成系統(tǒng)測(cè)試。論文的主要研究內(nèi)容如下:介紹了壓電式激光掃描器的課題背景與研究意義,調(diào)研了激光掃描器、滑�？刂扑惴ê同F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,論證了本控制系統(tǒng)的可行性,確定了本文的研究內(nèi)容。在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面,分析了壓電式激光掃描器的工作原理,對(duì)影響掃描器性能的關(guān)鍵部件--壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了仿真和測(cè)試,獲得了相對(duì)最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在控制算法方面,提出基于位敏探測(cè)器(PSD)的閉環(huán)負(fù)反饋方案,研究滑�？刂破鞯墓ぷ髟砗驮O(shè)計(jì)方法,通過設(shè)計(jì)合適的滑模面和控制率,完成了本系統(tǒng)的滑�？刂破鞯脑O(shè)計(jì)。在控制算法實(shí)現(xiàn)方面,設(shè)計(jì)了以FPGA芯片為核心的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換硬件電路,并依據(jù)布局布線原則對(duì)其PCB板進(jìn)行了設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了基于FPGA實(shí)現(xiàn)的滑�？刂扑惴ǜ鞴δ苣K的工作原理,對(duì)所設(shè)計(jì)的模塊用modelsim進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了各模塊的可行性。搭建壓電式激光掃描器控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái),完成了模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及控制系統(tǒng)的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的滑模控制算法能對(duì)開環(huán)工作時(shí)壓電驅(qū)動(dòng)器的遲滯非線性實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP273;TN384
【圖文】：

b/2b/2a伸長收縮橢圓形位移放大器壓電陶瓷夾角(a) (b)(a)壓電驅(qū)動(dòng)器工作原理和(b)結(jié)構(gòu)示意圖2.6 結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算為了設(shè)計(jì)出具有更大位移量的壓電驅(qū)動(dòng)器，改變?cè)O(shè)計(jì)角度得到不同尺寸的橢圓型位移放大器結(jié)構(gòu)，之后通過仿真和測(cè)試可得出結(jié)論，本文中使用 soildworks 軟件對(duì)橢圓形位移放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，共設(shè)計(jì)了 8 組不同角度的橢圓形位移放大機(jī)構(gòu)，與壓電陶瓷組成的壓電驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖如圖 2.5 所示。

件電路設(shè)計(jì)描器控制系統(tǒng)中，模擬電壓控制信號(hào)需轉(zhuǎn)化處理，經(jīng)處理后的數(shù)字信號(hào)也要經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)能，設(shè)計(jì)了用于數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換的硬件換電路設(shè)計(jì)反饋給 FPGA 芯片的模擬電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)了鑫光電科技有限公司型號(hào) DRX-2DPSD-OA4.1 所示。該型號(hào) PSD 傳感器可對(duì)二維 PSD 放大及運(yùn)算處理，并輸出一級(jí)放大后的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。另外，PSD 探測(cè)的掃描光斑位置器自身可以根據(jù)光斑在各點(diǎn)光強(qiáng)分布強(qiáng)弱，精確的反饋電壓值給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。

L 為正方形 PSD 邊長。標(biāo)位置公式(4-1)可知，為了獲取光斑二維位置D 傳感器輸出的三路模擬電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；為，使用 16 位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。綜合以上兩 LTC2325-16 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片.一款低噪聲、高速 4 通道 16 位逐次逼近型寄輸入共模范圍；采用單個(gè) 3.3V 或 5V 工作電源合應(yīng)用于寬動(dòng)態(tài)范圍和高共模抑制的場(chǎng)合；具有MOS 和 LVDS 兩種工作模式；具有一個(gè)內(nèi)置的參考電壓；每通道可實(shí)現(xiàn)最高 5Msps 速率采樣，并且提供休眠模式使非工作期間功耗降低至 2dB 信噪比，并且在第 16 位沒有漏失碼。LTC2

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本文編號(hào)：2780498