基于交流调制的光栅干涉条纹信号处理及其FPGA实现

论文摘要

在表面形貌测量、精密加工、微机电控制系统、生物医学工程以及芯片光刻与封装技术中,高精度的XY二维位移运动工作台具有重要的意义。为此,论文以高精度的XY二维位移运动工作台为研究对象,结合光栅检测技术、伺服驱动控制、FPGA(Field Programmable Gate Array)以及SOPC(System on Programmble chip)技术等,研究了如何实现高精度的坐标驱动以及位置坐标的精密测量等关键技术。其主要研究内容和所取得的研究成果如下:首先,分析比较了目前常用的几种与工作台相关的驱动与计量技术,在此基础上结合本课题的研究特点,以衍射光栅作为位移检测标准具、采用高精度交流伺服电机与压电陶瓷进行宏微两级驱动,设计了一个自带计量标准具的二维精密定位系统。其次,运用交流调制技术对衍射光栅信号进行处理,使测量系统具有更高的抗环境噪声和抗直流漂移的能力,从而适应更为恶劣的工作环境,也为软件细分创造了有利的条件。第三,提出了两种新型的绝对值检波方法,并在理论分析和推导计算的基础上择优选择了一种运用于本课题的实验中,简化了电路结构、降低了功耗、增强了系统稳定性;应用一种新型的田字型光电管光栅干涉条纹接收方法,分析表明该方法能抑制直流漂移,获取高信噪比的光电差分信号。第四,设计了基于FPGA的光栅测量和伺服电机驱动控制的专用IP核,克服了以往由普通逻辑电路及分立元件所带来的体积庞大、可靠性差、不利调试、实时性差等缺点。完成了二维精密工作台坐标驱动以及位置坐标精密测量的SOPC系统,突破了以往相关领域对FPGA器件应用的局限,将Nios II嵌入式软核作为SOPC系统的核心,通过专用的IP核来完成光栅计量、电机驱动器控制的任务,将上位机的CPU从单调、繁琐的任务中解放出来,提高了系统的效率和灵活性,特别适合于多维位移运动系统中。最后,通过实验分析和数据处理,验证了本工作台具有较高的可重复性、定位精度优于2μm,表明所开发的基于交流调制技术和FPGA的二维高精度运功工作台测控系统达到了预期的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题主要研究内容及设计工作
• 1.4 本章小结
• 第2章 基于激光调制技术的光栅检测方法
• 2.1 光栅
• 2.1.1 光栅简介
• 2.1.2 衍射光栅测量原理
• 2.2 交流调制技术在光栅检测中的应用
• 2.2.1 交流调制检测的原理及其优势
• 2.2.2 高精度交流调制信号的产生
• 2.3 光栅干涉条纹信号处理
• 2.3.1 光栅干涉条纹的接收方法
• 2.3.2 光电信号处理电路设计
• 2.3.3 动态光栅信号的提取
• 2.3.4 静态光栅信号的提取
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于FPGA 的二维工作台测控系统开发
• 3.1 FPGA 基础知识
• 3.1.1 FPGA 简介、应用领域及发展趋势
• 3.1.2 嵌入式软核Nios II
• 3.2 基于光栅检测的高精度运动工作台
• 3.2.1 常用高精度运动工作台的计量及驱动方式
• 3.2.2 本课题采用的计量方法和驱动方法
• 3.3 系统总体设计方案
• 3.4 光栅位移测量IP 核的开发
• 3.5 驱动器控制IP 核的开发
• 3.6 基于NIOS II 的二维工作台的SOPC 系统开发
• 3.6.1 SOPC 系统的构建
• 3.6.2 SOPC 系统的软件开发
• 3.7 上位机应用软件开发
• 3.8 SOPC 系统与上位机通信协议规范
• 3.9 本章小结
• 第4章 实验分析与数据处理
• 4.1 基于交流调制技术的光栅信号采集与分析
• 4.1.1 绝对值检波信号的采样分析
• 4.1.2 计数脉冲信号的采样分析
• 4.2 基于FPGA 的二维精密运动工作台的定位精度分析
• 4.2.1 驱动器的驱动精度分析
• 4.2.2 光栅尺的检测精度分析
• 4.2.3 工作台实际定位精度分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 攻读硕士学位期间发表学术论文
• 附录2 课题实物图照片
• 附录3 本课题部分电路原理图