基于FPGA的压电陶瓷微驱动定位系统设计与研究

发布时间：2022-07-02 13:02

　　纳米技术在生物检测、机器人、精密制造、航空航天等领域中广泛应用,其目标是在纳米尺度上对微观物体进行操作。原子力显微镜（Atomic Force Microscope,AFM）作为纳米技术应用最广泛的观测与操纵仪器,在生物实时检测与操作等生物医学领域起着越来越重要的作用。高速、高精度的AFM是一个复杂的系统,主要包括原子力检测机构、微悬臂偏转信号检测机构、三维驱动定位平台和信号实时处理机构。而压电陶瓷（Piezoelectric,PZT）作为AFM系统中扫描驱动定位的关键因素,其定位精度、响应速度等性能都对AFM在微纳米领域的进一步发展起着决定性的作用。本课题针对压电陶瓷的微驱动定位系统在定位精度、响应速度等方面进行研究,设计一套包含软硬件的高精度、快速响应的压电陶瓷微驱动定位系统。本文对涉及到的关键问题如控制电路的性能、驱动电源的输出性能、位移信号处理电路的性能和控制算法的有效性等深入分析,并给出解决方案。主要研究内容包括如下几个方面:一、对压电陶瓷微驱动定位系统的组成结构和工作原理进行了分析,将该系统分为控制模块、驱动电源模块和位移信号处理模块三大部分。在控制模块,采用可编程逻辑器件... 

【文章页数】：85 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景与选题来源
        1.1.1 研究背景与意义
        1.1.2 选题来源
    1.2 压电陶瓷微驱动器驱动原理及存在的问题
        1.2.1 压电陶瓷微驱动器驱动原理
        1.2.2 存在的问题
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 微定位平台研究现状
        1.3.2 驱动电源研究现状
        1.3.3 微位移传感器研究现状
        1.3.4 控制算法研究现状
    1.4 研究内容和组织结构
第2章 压电陶瓷微驱动定位系统总体设计方案
    2.1 引言
    2.2 压电陶瓷微驱动定位系统整体结构设计
        2.2.1 压电陶瓷微驱动定位系统硬件结构
        2.2.2 压电陶瓷微驱动定位系统软件结构
    2.3 设计要求及技术指标
    2.4 本章小结
第3章 系统硬件电路设计
    3.1 引言
    3.2 系统主控电路设计
        3.2.1 FPGA最小系统
        3.2.2 D/A数模转换电路设计
        3.2.3 A/D模数转换电路设计
    3.3 压电陶瓷驱动电源设计
        3.3.1 压电陶瓷驱动电源设计方案及性能指标
        3.3.2 驱动电源关键技术分析
        3.3.3 线性放大电路设计
        3.3.4 高压直流稳压电源设计
    3.4 位移信号处理电路的设计
        3.4.1 位移传感器供电电路设计
        3.4.2 位移信号放大电路设计
        3.4.3 低通滤波电路设计
    3.5 本章小结
第4章 系统软件设计
    4.1 引言
    4.2 上位机应用界面设计
    4.3 下位机控制程序设计
    4.4 DDS信号发生程序设计
    4.5 本章小结
第5章 压电陶瓷控制算法研究
    5.1 引言
    5.2 PID控制算法
    5.3 模糊控制算法
    5.4 压电陶瓷微驱动定位系统的模糊PID控制算法研究
        5.4.1 模糊PID控制算法设计方案
        5.4.2 模糊PID控制算法的实现
    5.5 本章小结
第6章 微驱动定位系统的实验测试及结果分析
    6.1 引言
    6.2 主控制电路性能测试
    6.3 压电陶瓷驱动电源性能测试
        6.3.1 电源线性度测试
        6.3.2 电源输出纹波测试
        6.3.3 电源稳定性测试
        6.3.4 电源静态性能测试
        6.3.5 电源动态性能测试
    6.4 位移信号处理电路性能测试
        6.4.1 输出噪声测试
        6.4.2 分辨率测试
    6.5 系统定位控制性能测试
    6.6 本章小结
结论
参考文献
附录
攻读硕士学位期间取得的学术成果
致谢



本文编号：3654411