基于FPGA的压电驱动激光扫描器控制方案研究

发布时间：2020-08-04 11:37

【摘要】：激光扫描技术可精确控制激光束的指向,广泛应用在激光雷达、激光测量、显微成像、激光加工等领域,近年来得到了科研界和工业界的广泛研究。与传统激光扫描器相比,本文所研究的压电式激光扫描器可以实现高精度的小角度范围扫描,解决了激光扫描的轴间干扰问题,但由于压电驱动器本身的迟滞非线性效应的影响,使其扫描精度受到限制。而本论文所研究的基于压电陶瓷驱动激光扫描器,利用FPGA平台,设计并实现了闭环负反馈滑模控制算法,提升了压电式激光扫描器的扫描线性度和精度,充分体现了压电驱动激光扫描器体积小、控制精度高的优点。本文以压电式激光扫描器为研究对象,开展数字化控制系统的研究,完成机械结构设计和仿真、滑模控制器设计、硬件电路和软件控制逻辑设计,搭建测试平台完成系统测试。论文的主要研究内容如下:介绍了压电式激光扫描器的课题背景与研究意义,调研了激光扫描器、滑模控制算法和现场可编程门阵列的国内外研究现状,论证了本控制系统的可行性,确定了本文的研究内容。在机械结构方面,分析了压电式激光扫描器的工作原理,对影响扫描器性能的关键部件--压电驱动器进行了仿真和测试,获得了相对最佳的结构参数。在控制算法方面,提出基于位敏探测器(PSD)的闭环负反馈方案,研究滑模控制器的工作原理和设计方法,通过设计合适的滑模面和控制率,完成了本系统的滑模控制器的设计。在控制算法实现方面,设计了以FPGA芯片为核心的模数转换和数模转换硬件电路,并依据布局布线原则对其PCB板进行了设计。详细介绍了基于FPGA实现的滑模控制算法各功能模块的工作原理,对所设计的模块用modelsim进行仿真,验证了各模块的可行性。搭建压电式激光扫描器控制系统测试平台,完成了模数和数模转换电路以及控制系统的测试。测试结果表明,所设计的滑模控制算法能对开环工作时压电驱动器的迟滞非线性实现补偿。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP273;TN384
【图文】：

b/2b/2a伸长收缩椭圆形位移放大器压电陶瓷夹角(a) (b)(a)压电驱动器工作原理和(b)结构示意图2.6 结构仿真计算为了设计出具有更大位移量的压电驱动器，改变设计角度得到不同尺寸的椭圆型位移放大器结构，之后通过仿真和测试可得出结论，本文中使用 soildworks 软件对椭圆形位移放大器进行设计和仿真，共设计了 8 组不同角度的椭圆形位移放大机构，与压电陶瓷组成的压电驱动器实物图如图 2.5 所示。

件电路设计描器控制系统中，模拟电压控制信号需转化处理，经处理后的数字信号也要经过数模转能，设计了用于数模转换与模数转换的硬件换电路设计反馈给 FPGA 芯片的模拟电压信号，设计了鑫光电科技有限公司型号 DRX-2DPSD-OA4.1 所示。该型号 PSD 传感器可对二维 PSD 放大及运算处理，并输出一级放大后的信号调节电路。另外，PSD 探测的扫描光斑位置器自身可以根据光斑在各点光强分布强弱，精确的反馈电压值给数模转换电路。

L 为正方形 PSD 边长。标位置公式(4-1)可知，为了获取光斑二维位置D 传感器输出的三路模拟电压进行模数转换；为，使用 16 位精度的模数转换芯片。综合以上两 LTC2325-16 模数转换芯片.一款低噪声、高速 4 通道 16 位逐次逼近型寄输入共模范围；采用单个 3.3V 或 5V 工作电源合应用于宽动态范围和高共模抑制的场合；具有MOS 和 LVDS 两种工作模式；具有一个内置的参考电压；每通道可实现最高 5Msps 速率采样，并且提供休眠模式使非工作期间功耗降低至 2dB 信噪比，并且在第 16 位没有漏失码。LTC2

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本文编号：2780498