针对纳米运动平台的自适应带阻滤波器的设计

发布时间：2020-07-15 22:21

【摘要】：在高新精密技术不断发展的今天,各类精密仪器都广泛应用于各行各业中。而这些精密仪器实现精准控制的关键,就是纳米定位与扫描技术。纳米定位与扫描技术往往都要依托于纳米运动平台,但是对于纳米平台而言,在实际过程中不可避免的会产生噪声,影响着定位精度。平台中的噪声不止一种,根据其产生的源头不同,可以分为外部噪声和机械噪声。外部噪声可以通过一个低通滤波器直接滤除,但是对于机械噪声来说,处理过程就显得不那么容易。对于纳米运动平台本身而言,由于采用的柔性机构具有弹性,所以平台本身存在一个固有谐振频率,当外界输入的信号频率接近平台的固有频率时,就会产生谐振,带来机械噪声,影响平台的定位精度。同时,在测试中如果负载发生变化,或者测试不同的柔性铰链导向机构,或者改变平台的结构,都会造成固有频率的改变,这样就会使谐振频率也随之改变。针对上述问题,本文提出了一种自适应带阻滤波器,来滤除谐振噪声。通过对纳米定位平台阶跃响应频谱图的分析,自适应获取谐振频率值,并且根据设定的规则,自动截取滤波器所需的设计指标。采用此方法,避免了传统滤波器设计时,需要预先取一个定值作为尝试,然后不断的调试设计指标这一繁琐的试验过程,大大缩短了工作时间,提升了效率,能够快速的设计出理想的带阻滤波器,将机械噪声滤除。针对纳米运动平台中采用FPGA作为控制器的这一特点,深入研究了带阻滤波器在FPGA中实现时的有效字长效应,分析了量化后的稳定性问题,给出了确定了系数量化位数和运算截尾位数的方法。同时,针对数字带阻滤波器中的乘法运算问题,提出了将移位相加算法用于IIR带阻滤波器的实现中,避免了当滤波器阶数较大时,带来的资源占用量太高的问题,优化了 IIR系统的结构,减小了总体运算量,实现了快速运算。通过MATLAB和ModelSim综合仿真表明,自适应带阻滤波器可有效滤除纳米运动平台的谐振噪声,保证了平台的定位精度。纳米运动平台控制器的自适应带阻滤波器设计的提出,对相关类似系统的滤波器设计具有一定的借鉴价值,具有良好的实用性。
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH703;TN713
【图文】：

运动平台系统,纳米,结构示意图

本课题中的纳米运动平台是由柔性铰链支撑、压电陶瓷驱动的纳米平台，具有位移分逡逑辨率高、响应迅速、无磁场干扰、负载能力大、功耗低等优势。纳米运动平台的系统结构逡逑如图２．１所示，它主要由Ａ／Ｄ转换部分、ＦＰＧＡ控制器、Ｄ／Ａ转换部分、驱动器、传感器、逡逑由压电陶瓷驱动的纳米平台、ＰＣ机等组成［３４）。逡逑纳米运动平台控制系统采用闭环控制。首先，ＰＣ机（上位机）将用户设定的位移指令传逡逑入ＦＰＧＡ中，经过低通滤波、带阻滤波、非线性校正、ＰＩＤ运算后，再经Ｄ／Ａ转换器转换逡逑成模拟信号，经压电陶瓷驱动器驱动纳米平台产生位移。电容传感器再将当前的位移量转逡逑换为电信号，经Ａ／Ｄ转换器转换为数字信号，反馈到ＦＰＧＡ中，从而形成闭环。逡逑其中，滤波算法、非线性校正算法和ＰＩＤ控制算法在ＦＰＧＡ中实现；ＰＣ机和ＦＰＧＡ逡逑控制器组成控制系统，部分是整个纳米运动平台的核心，通过一系列控制算法来达到一定逡逑的定位精度：非线性校正用来避免电容传感器由于边缘效应产生的非线性，提高电容传感逡逑器的准确性

传感器,运动平台,纳米,分辨率

制系统所能取得的分辨率和精度起到决定性的作用［３７］。本文中的纳米运动平台采用电容逡逑式传感器作为检测部分，具有非接触测量、无迟滞、无变形，分辨率高、噪声小、稳定性逡逑高等优点。其结构组成如图２．２所示。逡逑本纳米运动平台的驱动电压范围为－１０Ｖ？＋１０Ｖ，运动位移为－ｌＯＯｊｘｍｘｌＯＯｐｍ。为保证逡逑纳米量级的定位精度，平台采用Ｓｕｐｅｒ邋Ｉｎｖａｒ邋ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ材质，用来降低温漂的影响。逡逑

纳米,二维,外部噪声,噪声分析

」逡逑辅助电源逡逑图２．２传感器的组成逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｓｅｎｓｏｒ逡逑２．２噪声分析逡逑在纳米运动平台中，不可避免的会产生噪声，影响着定位精度。平台中的噪声不止一逡逑种，各自产生的源头也不同，具体来说可以分为两类：外部噪声和机械噪声。逡逑（１）

【参考文献】