激光光束偏转设备的机电控制系统设计

论文摘要

在光学捕获、跟踪和瞄准中,对激光束控制一般分为粗跟瞄和精跟瞄两套光机电系统。粗跟瞄系统的光束偏转范围大而响应速度慢;精跟瞄系统的光束控偏转范围小而响应速度快。在粗跟瞄系统中,微透镜阵列技术作为一种响应速度快,偏转范围较大的技术日益受到人们的关注。而音圈电机(VCA)作为一种执行器,在理论上具有无限分辨率、无滞后、高响应、高加速度/高速度、体积小、力特性好、控制方便等优点,其应用日益广泛。本文提出了一种利用音圈电机驱动微透镜阵列,实现激光束方向控制的新方法。该方法采用TI公司TMS320F2812数字信号处理器作为控制器,通过离散化的PID控制律,将位移传感器反馈回的位移信号和上位机传送的参考信号进行处理,得到的电压信号转化成脉宽调制(PWM)脉冲并输入到自主研制的脉宽调制直流电压电路驱动音圈电机,音圈电机作为执行器带动微透镜阵列作直线运动,并用USB端口作为整个控制系统与上位机的通讯接口。本文在建立音圈电机传递函数的基础上,设计了控制系统,并通过大量仿真实验进行了PID参数的整定;最后,建立了实验平台,并利用该平台进行了实验验证,对控制电路的线性度,稳定性以及分辨力进行了实际测试,并对整体定位控制系统的控制效果做了大量的实际检验,其结果系统分辨力为10μm,符合系统设计指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究内容和意义
• 第2章 控制系统传递函数
• 2.1 音圈电机传递函数
• 2.1.1 音圈电机简介
• 2.1.2 传递函数
• 2.2 音圈电机位置控制
• 2.2.1 PID控制器
• 2.2.2 位置控制模型
• 2.2.3 PID参数整定与设计效果
• 2.3 机械系统传递函数
• 2.4 控制系统总框图
• 2.5 本章小结
• 第3章 控制系统的硬件设计
• 3.1 系统设计指标
• 3.1.1 微透镜阵列简介
• 3.1.2 控制系统设计指标
• 3.2 控制系统硬件结构综述
• 3.3 USB传输设计
• 3.3.1 EZUSB FX2 从属FIFO模式
• 3.3.2 CY7C68013 接口设计
• 3.4 控制器设计
• 3.4.1 TMS320F2812 应用模块
• 3.4.2 XINTF以及DSP与RAM的接口
• 3.4.3 事件管理器与PWM脉冲的产生
• 3.5 音圈电机驱动器设计
• 3.5.1 LMD18200 芯片功能
• 3.5.2 LMD18200 与DSP的接口
• 3.6 音圈电机选型
• 3.7 本章小结
• 第4章 控制系统软件设计
• 4.1 上位机软件设计
• 4.1.1 软件流程
• 4.1.2 USB驱动接口
• 4.1.3 软件界面
• 4.2 DSP软件及PID离散化
• 4.2.1 PID控制律离散化
• 4.2.2 软件流程
• 4.3 EZUSB FX2 固件设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验测试
• 5.1 实验平台建立
• 5.1.1 实验平台总体设计
• 5.1.2 位移传感器的连接
• 5.2 静态实验
• 5.2.1 电源的稳定性
• 5.2.2 驱动电路的稳定性
• 5.2.3 驱动电路输出线形度
• 5.2.4 驱动电路输出分辨力
• 5.3 动态实验
• 5.3.1 系统分辨力
• 5.3.2 阶跃响应
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 附录3
• 附录4
• 附录5
• 致谢