基于ARM的大行程精密工作台控制系统

论文摘要

在当今世界,装备制造业、大规模集成电路等高科技的发展,对超精密加工提出了越来越高的要求,大行程高分辨率的精密工作台系统在尖端的工业加工和科研领域里有着十分重要的应用。在精密加工研究领域,大行程和高分辨率本身就是一对矛盾的关系。本文的目的是设计一种两级进给式的大行程精密工作台,利用分段式的设计,将步进电机和压电陶瓷结合,组成宏精两级进给的工作平台,并用基于ARM的嵌入式控制系统进行控制。精密工作台采用两级进给,宏动工作端采用步进电机、精密丝杠作为大行程进给平台,带动精动工作台实现高速定位,保证整个系统的响应速度。精动工作台采用压电陶瓷微位移进给器,具有分辨率高、体积小和稳定性好等优点。但也存在着蠕变,非线性迟滞等缺点。所以本文分为三部分:(1)嵌入式操作系统的设计。本文采用的嵌入式系统为WinCE6.0,因为其内核的编译过程基本都是通过模块化裁剪,制定方便,并且可用于实时控制系统中。主要的任务是对内核进行制定,并编写了底层驱动程序。最后编译下载到硬件Flash中,并在实际中检测了系统的性能,稳定性良好。(2)宏动工作台的设计。这一部分主要是对硬件的设计,采用了步进电机的细分控制芯片,围绕细分芯片设计了外围电路,达到对步进电机控制的目的。在实验中,步进电机运行稳定,得到了良好的精度。(3)精动工作台的设计。精动端的组成主要是压电陶瓷微位移进给器,而压电陶瓷存在着非线性迟滞现象,控制系统并不能直接对其进行控制。所以要对压电陶瓷进行建模,在这部分主要研究了对非线性迟滞现象的建模,采用的方法为PI结合RBF神经网络,最后通过Matlab仿真证明了建模有良好的拟合性质,对于非线性迟滞材料具有良好的预测能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 精密工作台国内外发展动态
• 1.1.1 电磁式工作台
• 1.1.2 直线电机式工作台
• 1.1.3 压电式工作台
• 1.1.4 摩擦式驱动超精密工作台
• 1.1.5 两级进给超精密工作台
• 1.2 大行程超精密工作台的研究背景和意义
• 1.3 精密工作台的设计方案
• 1.3.1 宏动工作台的设计
• 1.3.2 精动工作台的设计
• 1.4 本文研究的主要内容
• 1.5 小结
• 第二章 两级进给式精密工作台的总体设计
• 2.1 概述
• 2.2 系统硬件的选取
• 2.2.1 步进电机与伺服电机的比较
• 2.2.2 步进电机和精密丝杠的选取
• 2.2.3 步进电机细分驱动芯片的选取
• 2.2.4 控制系统的选取
• 2.2.5 压电陶瓷的选取
• 2.3 系统的总体设计
• 2.4 小结
• 第三章 宏工作台的设计
• 3.1 宏动工作台的硬件设计
• 3.1.1 电源部分
• 3.1.2 输入部分
• 3.1.3 驱动芯片的输出控制
• 3.1.4 输出部分电路
• 3.1.5 芯片电路
• 3.2 WinCE6.0 嵌入式操作系统
• 3.2.1 WinCE6.0 的实时性
• 3.2.2 WinCE6.0 与WinCE5.0 的比较
• 3.3 WinCE6.0 的BSP 制定
• 3.3.1 GPIO 接口的制定
• 3.3.2 底层驱动的制定方式
• 3.3.3 底层驱动的编写
• 3.4 WinCE6.0 的烧录
• 3.4.1 编译内核
• 3.4.2 下载内核
• 3.5 步进电机的驱动程序
• 3.6 小结
• 第四章 精动工作台的设计
• 4.1 压电陶瓷
• 4.2 常用的非线性迟滞建模
• 4.3 Prandtl-Ishlinskii 模型
• 4.3.1 传统Prandtl-Ishlinskii 模型
• 4.3.2 改进型的PI 模型
• 4.4 RBF 神经网络结合PI 模型
• 4.4.1 RBF 神经网络
• 4.4.2 PI 模型结合RBF 神经网络
• 4.5 小结
• 第五章 超精密工作台的实验
• 5.1 宏动工作台的实验
• 5.2 精动工作端的仿真实验
• 5.2.1 PI 模型仿真
• 5.2.2 RBF 神经网络的仿真
• 5.2.3 PI 结合RBF 神经网络的逼近模型
• 5.3 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢