【摘要】：在高新精密技術(shù)不斷發(fā)展的今天,各類精密儀器都廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。而這些精密儀器實現(xiàn)精準控制的關(guān)鍵,就是納米定位與掃描技術(shù)。納米定位與掃描技術(shù)往往都要依托于納米運動平臺,但是對于納米平臺而言,在實際過程中不可避免的會產(chǎn)生噪聲,影響著定位精度。平臺中的噪聲不止一種,根據(jù)其產(chǎn)生的源頭不同,可以分為外部噪聲和機械噪聲。外部噪聲可以通過一個低通濾波器直接濾除,但是對于機械噪聲來說,處理過程就顯得不那么容易。對于納米運動平臺本身而言,由于采用的柔性機構(gòu)具有彈性,所以平臺本身存在一個固有諧振頻率,當外界輸入的信號頻率接近平臺的固有頻率時,就會產(chǎn)生諧振,帶來機械噪聲,影響平臺的定位精度。同時,在測試中如果負載發(fā)生變化,或者測試不同的柔性鉸鏈導向機構(gòu),或者改變平臺的結(jié)構(gòu),都會造成固有頻率的改變,這樣就會使諧振頻率也隨之改變。針對上述問題,本文提出了一種自適應(yīng)帶阻濾波器,來濾除諧振噪聲。通過對納米定位平臺階躍響應(yīng)頻譜圖的分析,自適應(yīng)獲取諧振頻率值,并且根據(jù)設(shè)定的規(guī)則,自動截取濾波器所需的設(shè)計指標。采用此方法,避免了傳統(tǒng)濾波器設(shè)計時,需要預先取一個定值作為嘗試,然后不斷的調(diào)試設(shè)計指標這一繁瑣的試驗過程,大大縮短了工作時間,提升了效率,能夠快速的設(shè)計出理想的帶阻濾波器,將機械噪聲濾除。針對納米運動平臺中采用FPGA作為控制器的這一特點,深入研究了帶阻濾波器在FPGA中實現(xiàn)時的有效字長效應(yīng),分析了量化后的穩(wěn)定性問題,給出了確定了系數(shù)量化位數(shù)和運算截尾位數(shù)的方法。同時,針對數(shù)字帶阻濾波器中的乘法運算問題,提出了將移位相加算法用于IIR帶阻濾波器的實現(xiàn)中,避免了當濾波器階數(shù)較大時,帶來的資源占用量太高的問題,優(yōu)化了 IIR系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),減小了總體運算量,實現(xiàn)了快速運算。通過MATLAB和ModelSim綜合仿真表明,自適應(yīng)帶阻濾波器可有效濾除納米運動平臺的諧振噪聲,保證了平臺的定位精度。納米運動平臺控制器的自適應(yīng)帶阻濾波器設(shè)計的提出,對相關(guān)類似系統(tǒng)的濾波器設(shè)計具有一定的借鑒價值,具有良好的實用性。
【學位授予單位】：沈陽建筑大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH703;TN713
【圖文】：

本課題中的納米運動平臺是由柔性鉸鏈支撐、壓電陶瓷驅(qū)動的納米平臺，具有位移分逡逑辨率高、響應(yīng)迅速、無磁場干擾、負載能力大、功耗低等優(yōu)勢。納米運動平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逡逑如圖２．１所示，它主要由Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換部分、ＦＰＧＡ控制器、Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換部分、驅(qū)動器、傳感器、逡逑由壓電陶瓷驅(qū)動的納米平臺、ＰＣ機等組成［３４）。逡逑納米運動平臺控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制。首先，ＰＣ機（上位機）將用戶設(shè)定的位移指令傳逡逑入ＦＰＧＡ中，經(jīng)過低通濾波、帶阻濾波、非線性校正、ＰＩＤ運算后，再經(jīng)Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換逡逑成模擬信號，經(jīng)壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動納米平臺產(chǎn)生位移。電容傳感器再將當前的位移量轉(zhuǎn)逡逑換為電信號，經(jīng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，反饋到ＦＰＧＡ中，從而形成閉環(huán)。逡逑其中，濾波算法、非線性校正算法和ＰＩＤ控制算法在ＦＰＧＡ中實現(xiàn)；ＰＣ機和ＦＰＧＡ逡逑控制器組成控制系統(tǒng)，部分是整個納米運動平臺的核心，通過一系列控制算法來達到一定逡逑的定位精度：非線性校正用來避免電容傳感器由于邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的非線性，提高電容傳感逡逑器的準確性

制系統(tǒng)所能取得的分辨率和精度起到?jīng)Q定性的作用［３７］。本文中的納米運動平臺采用電容逡逑式傳感器作為檢測部分，具有非接觸測量、無遲滯、無變形，分辨率高、噪聲小、穩(wěn)定性逡逑高等優(yōu)點。其結(jié)構(gòu)組成如圖２．２所示。逡逑本納米運動平臺的驅(qū)動電壓范圍為－１０Ｖ？＋１０Ｖ，運動位移為－ｌＯＯｊｘｍｘｌＯＯｐｍ。為保證逡逑納米量級的定位精度，平臺采用Ｓｕｐｅｒ邋Ｉｎｖａｒ邋ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ材質(zhì)，用來降低溫漂的影響。逡逑

」逡逑輔助電源逡逑圖２．２傳感器的組成逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｅｎｓｏｒ逡逑２．２噪聲分析逡逑在納米運動平臺中，不可避免的會產(chǎn)生噪聲，影響著定位精度。平臺中的噪聲不止一逡逑種，各自產(chǎn)生的源頭也不同，具體來說可以分為兩類：外部噪聲和機械噪聲。逡逑（１）

【參考文獻】

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本文編號：2757088