论文摘要
激光直写设备作为衍射光学元件的重要加工设备,其加工精度决定了二元衍射光学器件的成像质量。随着光学技术的飞速发展,研究具有高精度的激光直写设备至关重要,同时又能推进超精密加工技术的进一步发展。定位控制系统是该设备的关键组成部分,其性能将影响到整个设备研制的成败,因为定位控制系统的精度与设备的写入精度是息息相关的。本课题主要以直线电机与气浮导轨组成的伺服控制系统为研究对象,从系统噪声的抑制与衰减角度,对控制系统中的数字滤波技术进行了研究,并给出了系统各部分的硬件实现方法。本文首先对直线电机伺服控制系统的组成进行了分析,采用实验的方法得到了直线电机的跟随误差的频谱能量分布,从而确定了系统的固有频率噪声。为消除噪声对系统带来的不利影响,本设计在控制环节中加入数字滤波器,从控制系统的角度出发,选择了数字陷波滤波器对干扰信号进行滤波。为了让滤波器在用FPGA实现的过程中仍保持阻带陡峭的特性,本文选择了基于全通滤波器的IIR陷波滤波器的设计模型,根据系统的固有频率噪声的具体数值,给出了滤波器的系数,并进行了仿真。此外,受零相位滤波器的启发,提出了一种基于零相位滤波器的IIR数字陷波器,仿真表明,这种方法使IIR陷波器具有了线性相位的特性,并且滤波的初始信号不发生畸变。设计了控制系统的硬件电路,主要包括信号转换电路、脉冲四倍频模块、电机速度与位置测量模块以及IIR陷波滤波器模块。其中,本文从IIR滤波器的运算时序、增益系数的选取以及结构的优化等方面,着重阐述了IIR陷波滤波器的FPGA实现方法,并对模块进行了功能仿真,达到了较好的效果。最后,本文对设计的伺服控制系统进行了实验测试,实验和分析结果表明,本课题所设计的IIR陷波滤波器对系统固有频率噪声有较好的抑制效果,能够在一定程度上提高系统的定位精度。