（模式识别与智能系统专业论文）基于dsp的纳米定位平台控制器的应用研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： l u li ii iii i iiiiii i iu l y 18 0 8 2 8 3 ad is s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g a n a p p l i c a t i o nr e s e a r c ho f n a n o - - p o s i t i o n i n gs t a g ec o n t r o l l e r b a s e do nd s p c a n d i d a t e ：f a n gl i n li n s u p e r v is o r ：p r o f e s s o rr uc h a n g h a i a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m s d a t eo fs u b m is si o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：历淋尹环 日期： 7 , , o r o 年乡月，用 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇 、 作者( 签字) ：乃弓屯l 习来 日期：例0 年；月，姆 导师( 签字) ： 伽f o 年3 , 9 ，媚 哈尔滨i ：科人学硕十学何论文 摘要 随着科学技术的发展和研究领域的不断扩展，许多领域越来越需要纳米 级定位系统，如光纤对接、超精密机械加工、微外科手术、扫描探针显微镜 系统、微型机电系统的制造与检测，以及半导体制板的精密定位等领域。压 电陶瓷驱动器是一种理想的微位移驱动器件，被广泛应用于微定位、微操作 等领域。但同时压电陶瓷驱动器也存在着迟滞、蠕变和位移非线性等缺点， 这些缺点使得对其控制变得困难。本文将压电陶瓷驱动器用于精密定位平台， 其中的定位平台控制器是压电陶瓷微位移器应用中的关键部件，越来越受到 国内外研究机构的关注。但目前国内现有的压电陶瓷定位平台控制器普遍采 用单片机作为控制核心，单片机速率低、功耗大，难以进行实时控制，更无 法集成更多的功能。为提高平台的定位性能，本文对定位平台控制器进行了 如下研究。 论文针对压电陶瓷定位平台控制器存在的上述问题，采用d s p 技术与e d a 技术相结合的方式成功地设计了定位平台控制器。首先设计了控制器各个部 分的硬件模块，并给出了原理图。然后，本着实用而且方便操作的原则设计了 底层软件和应用软件。为克服压电陶瓷驱动器自身缺陷的影响，提高其定位 精度，本文采用了模糊自整定p i d 控制方法，并阐述了其控制思想和原理。 最后对压电陶瓷定位平台控制器的性能进行研究，设计了包括该控制器、驱 动器电源、微位移传感器等环节在内的实验系统。实验结果表明，由于模糊 自整定p i d 控制采用模糊控制器对p i d 参数进行在线自动调整，系统具有良 好的动态和静态性能，在一定位移范围内可以达到l o n m 的定位精度。 本文所设计的控制器具有输出精度高、响应速度快、稳定性好、结构简 单、调试方便、功耗低等优点。为进一步研制小型化、集成化、通用化的定 位系统提供了理论和实际经验，研究成果具有一定的学术价值和实际意义。 关键词：压电陶瓷；定位平台控制器；d s p ；p i d 控制；模糊控制 a b s t r a c t w1 t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，n a n o - p o s i t i o n i n g s y s t e m1 s n c e d e dm o r ea n dm o r eu r g e n t l yi n m a n ya r e a s ，s u c ha s 舶e r o p t i c c o n n e c t i o n , u l t r a 。p r e c i s i o n m a c h i n i n g ，m i c r o s u r g e r y ，s p ms y s t e m t e s to f m l c r o - e l e c t r 0 。m e c h a n i c a ls y s t e m s ，s e m i c o n d u c t o rp l a t ep r e c i s i o np o s i t i o n i n g e t c 1 h ep i e z o e l e c t r i ca c t u a t o ri sap e r f e c tm i c r o p o s i t i o n i n g d r i v ee l e m e n t b e c a u s e o fi t sg o o dp e r f o r m a n c e ，i tw a sb r o a d l yu s e di na p p l i c a t i o n st h a t r e q u i r ep r e c i s e c o n 仃0 1 h o w e v e r , t h ep o s i t i o nr e s p o n s eo fp i e z o e l e c t r i ca c t l 哦o rs h o w ss 仃o n 2 n y s t e 坨s l s ，c r e e pa n dn o n l i n e a r i t y t h e s ed e f e c t sm a k ei t d i f f i c u l tt oc o n 仃0 1 s d i s s e r t a t l o ne m p l o y e dp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rt o d r i v eam i c r o p o s i t i o n i n gs t a g e ， p i e z o e l e c t r i cp o s i t i o n i n g s t a g ec o n t r o l l e ri st h e k e ye o m p o n e n ti nt i l e m i c r 0 - d i s p l a c e m e r i ts y s t e m ，a n di sp a i da t t e n t i o nm o r ea n dm o r eb yr e s e a r c h c o m m u n l t ) ，h o m ea n da b r o a d b u tt h ee x i s t i n gp z t p o s i t i o n i n gs t a g ec o n t r o l l e r s a d o p t e d 咖c r o c o n t r o l l e ra st h ec o r ep r o c e s s o rg e n e r a l l y ，b e c a u s eo f i t sh i g hp o w e r d l s s l p a t i o na n dl o we f f i c i e n c y ，m i c r o c o n t r o l l e rc a l l tc o n d u c tr e a lt i m ec o n t r 0 1 ，a n d m t e g r a t em o r ef u n c t i o n s t oi m p r o v et h ep o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c e ，t h ef o i l o w i n g a s p e c t sh a v eb e e ns t u d i e d 。 f o rt h e p r o b l e m sa b o v e ，t h i sd i s s e r t a t i o n a d o p t e dt h ec o m b i n a t i o no f t e c h n o l o g yo fd s pa n de l e c t r o n - d e s i g n a u t o m a t i o nt o d e s i g nt h i sp o s i t i o n i n g s t a g ec o n t r o l l e r a tf i r s t ，t h ec i r c u i tp r i n c i p l ec h a r tw a sd e s i g n e d ；s e c o n d l y ，t h e b o r o ms o n w a r ea n da p p l i c a t i o ns o f t w a r ew e r ed e s i g n e di n l i n ew i t h p r a c t i c a la n d c o n v e n i e n t p r i n c i p l e s ；a f t e rt h a t ，t oe l i m i n a t et h e h y s t e r e s i s ，c r e e pa n d n o n l l n e a n t yo ft h ep i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ，t h ep a r a m e t e r ss e l f - t u r n i n g 舭狲p i d c o n t r o lm e t h o dw a sd e v e l o p e d i t s c o n t r o l c o n c e p t i o na n dp r i n c i p l ew e r e d e s c n b e d ；f 。1 n a l l y 觚e x p e r i m e n t a ls e t u po fp i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rw a s d e s i g n e d w h i c n1 n c l u d e d t h i s c o n t r o l l e r , p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r d r i v i n gp o w e r m l c r 0 p o s i t i o n i n gs e n s o re t c t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h es y s t e mh a d 9 0 0 ds t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dc a na c h i e v ea p o s i t i o no fl0 r m l 哈尔滨i ：稃大学硕十学位论文 p r e c i s i o nw i t h i nac e r t a i nd i s t a n c eb yu s i n gp a r a m e t e r ss e l f - t u r n i n gf u z z yp i d c o n t r 0 1 t h i sc o n t r o l l e rh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha st h eh i g hp r e c i s i o n ，q u i c k r e s p o n s e ，g o o ds t a b i l i t y ，s i m p l e s t r u c t u r ea n dc o n v e n i e n t d e b u g s t i l l i t c o n t r i b u t e sal o to ft h er e s e a r c ho fp o s i t i o n i n gs y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nw i l l p r o v i d et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a le x p e r i e n c e k e yw o r d s ：p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ；p o s i t i o n i n gs t a g ec o n t r o l l e r ；d s p ；p i d c o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l h 哈尔滨t 程大学硕十学付论文 目录 第1 章绪论1 1 1 论文的背景和意义l 1 2 微定位技术的主要应用领域2 1 2 1 微型机械制造、超精密加工2 1 2 2 生物工程方面3 1 2 3 医疗科学3 1 2 4 扫描探针显微镜4 1 2 5 光纤对接4 1 3 国内外研究现状4 1 3 1 压电陶瓷控制器数字系统研究现状4 1 3 2 压电陶瓷控制技术的研究现状“5 1 4 本文主要研究内容及结构安排”8 第2 章定位平台控制器硬件电路设计9 2 1 系统总体设计方案：9 。2 2d s p 芯片的选型1 0 2 3 控制器系统的各功能模块设计1 2 2 3 1 电源管理1 2 2 3 2d s p 及外围接口电路14 2 3 3a d 和d ，a 电路1 6 2 3 4c p l d 控制逻辑单元1 9 2 3 5 键盘、液晶与d s p 接口电路“2 4 2 3 6u s b 2 0 通讯接口电路2 5 2 3 7 控制方式切换电路2 8 2 3 8 信号电平转换接口2 9 2 3 9d s p 工作方式的硬件配置”3 2 2 4 本章小结3 5 第3 章定位平台控制器软件设计3 6 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 3 1 控制器应用软件设计3 6 3 1 1c c s 软件开发平台简介：”3 6 3 1 2 应用程序要实现的功能3 7 3 1 3 菜单设雹3 9 3 1 4 程序流程图3 9 3 2 基于硬件的底层软件配置4 4 3 2 1 g p i o 端口的配置4 4 3 2 2 锁相环p l l 模块配置4 6 3 2 3 看门狗设置4 6 3 2 4 配置命令文件叫m d 文件_ 4 8 3 2 5 中断处理5 4 3 3c p l d 程序设计5 5 3 4 本章小结5 8 第4 章模糊自整定p i d 控制方法5 9 4 1 模糊自整定p i d 控制思想5 9 4 2p i d 控制器6 0 4 3 模糊控制器设计6 2 4 3 1 输入量化一6 3 4 3 2 模糊化接口6 4 4 3 3 模糊规则“6 5 4 3 4 模糊推理6 7 4 3 5 解模糊化6 8 4 4 本章小结6 9 第5 章定位平台控制器实验测试7 0 5 。l 实验系统的组成7 0 5 2 实验系统的工作过程7 1 5 3 测试实验结果7 2 5 3 1 丌坏控制实验7 2 5 3 2 闭环控制实验7 3 5 4 本章小结7 6 r ， 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 结论7 7 参考文献7 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 1 致谢8 2 附录a 电路板正面图8 3 附录b 电路板背面图8 4 附录c 电路板配接液晶、键盘、电源实物图8 5 哈尔滨下稗大学硕十学何论文 1 1 论文的背景和意义 第1 章绪论 随着二十一世纪的前沿科技一纳米技术( n 锄o t e c l m o l o g y ) 的兴起和发展， 人类己经在认识和改造自然方面开创了一个前所未有的新局面。许多领域越 来越迫切需要微纳米定位系统，如生物细胞、聚合物的各种操作，微型机电 系统的制造与检测，大规模集成电路的生产，超精密机械加工，微外科手术， 扫描探针显微镜( s p m ) 系统，光纤对接，半导体制版的精密定位等。精密定 位技术作为其关键技术之一，也是现代制造技术的重要组成部分，用于实现 微位移定位，具有行程小、定位精度高( 亚微米甚至纳米级) 、易满足不同场 合需要等特点。精密定位技术的发展关系到精密机械电子与精密仪器、超精 密测控系统的性能，影响到精密工程等高精度产业的发展，也直接影响着各 学科纳米科学与技术的发展口1 ，因此精密定位技术己成为许多现代工业领域 和前沿科学技术研究的共同基础。 压电陶瓷微位移驱动器是近年来发展起来的新型微位移驱动元件，其克 服了以往机械式、液压式、气动式、电磁式等驱动器惯性大、响应慢、结构 复杂、可靠性差等不足，具有位移分辨率高、响应快、不发热、无噪声、刚 度大、可微小化等优点。从而被广泛应用于微机械，微电子、精密机械、精 密加工、精密医、生物医学，机器人等需要精密定位的领域中【孓叭，如现代工 业对加工精度提出更高的要求，其加工精度指标已经达到微纳米级的要求， 但是，由于压电陶瓷微位移驱动器同时也存在着明显的不足，在电场的作用 下压电陶瓷驱动器存在着迟滞、蠕变和温度及位移非线性等不足，见图 1 1 1 3 。这给压电陶瓷微位移系统的建模和控制带来困难，影响了定位的精 度。近年来，人们对压电陶瓷微微定位技术进行了广泛的研究，来减少压电 陶瓷驱动器的迟滞非线性，取得了一些成果。 一个完整的微定位系统应该包括压电陶瓷工作台，压电陶瓷驱动电源、 微位移检测模块、控制器。通过驱动模块驱动压电陶瓷，由传感模块对传感 器回馈信号进行检测处理，通过主控模块对系统进行精密控制。用于对压电 哈尔滨i 稃人。学硕十学何论文 陶瓷致动器及工作台的精密定位控制。控制器的性能直接关系到系统可实现 功能的多少、算法的复杂程度、通讯手段的优劣等。无论使用电压型驱动电 源还是电流型驱动电源，要使压电陶瓷达到所需要的定位精度及动态特性， 都必须同一定的控制算法相结合。所以，针对压电陶瓷驱动器迟滞、蠕变和 温度及位移非线性等不足，本课题以基于压电陶瓷驱动器的微定位平台的控 制系统为研究内容，有着重要的应用价值。 s t _ o o2 0油, t o的r oi t 0 v 。 图1 1 迟滞特性 d -，- -坤舶! 0 4 f 图1 2 温度特性 图1 3 蠕变特性 1 2 微定位技术的主要应用领域 1 2 1 微型机械制造、超精密加工 微机电系统( m e m s ) 的加工、封装及装配操作都需要一种智能化的机器 人系统，来完成高精度的产品加工和组装。特别是随着微电子技术的不断发 展，刻画的微细化需要采用更为有效的手段克服由于量子力学效应的增强而 2 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 带来的瓶颈效应，纳米级微动机器人系统将在这一领域发挥重要作用。电化 学微加工是近几年出现的用于三维超微( 纳米级微系统或微机电系统m e m s ) 图形复制加工的新型技术。要求支撑电解槽的微定位平台具有五个方向的自 由度，而且，每个轴的输出位移都具有纳米级精度，用来调整电解池的位置。 高精度多自由度微定位系统将会有利于复杂三维立体图形复制加工向批量化 和实用化方向发展，也是电化学微加工法走向工程化，产业化的前提条件和 工作基础。 1 2 2 生物工程方面 随着生物工程的发展，要求能随意捕捉和释放单一游离细胞，或向细胞内 注入和拾取某一成分，同时还能测定和记录细胞生物电参数。游离细胞捕捉 仪就是为此目的而研制的，对只有几微米的细胞来说，关键动作是接近细胞 时的精细微调，要求分辨率达几十纳米，微驱动机器人具有高定位精度和精 细操作能力，适于完成上述操作。用微驱动机器人完成细胞级的操作，不仅 可提高效率，而且还可以打破只有少数人可为的局面，真正实现生物的工程 化。 1 2 3 医疗科学 医疗机器人与计算机辅助医疗外科技术是近几年在多学科交叉领域中兴 起，并越来越受到关注的机器人应用前沿研究课题之一。其中显微外科手术 由于病人失血少、伤口愈合快，同时也可降低病人恢复所需的费用，是未来 外科手术的发展方问。目前主要靠少数有多年临床经验的专家在显微镜下人 工完成。采用带有传感器的微动机器人系统完成微外科手术，可大大减轻医 生负担，缩短手术时间，提高成功率，从而具有广泛的应用前景。显微外科手 术主要包括脑外科显微手术、神经外科手术、囊肿摘除、心血管搭桥等微细 作业手术。为了完成精细的动作，各种机器人显微外科手术系统的研究，倍 受关注。目前国际上己研制出能够缝合人体静脉血管和疏通眼球视网膜静脉 堵塞的微操作机器人。可以预见，这种操作精密、对人体伤害小、不会对病 人造成痛苦的微操作机器人将会得到广泛的应用。 3 哈尔滨 ：稃入学硕十学何论文 1 2 4 扫描探针显微镜 扫描探针显微镜( s p m ) 以原子尺度来考察固体材料表面的实空间三维结 构。利用s p m 对固体表面上原子进行操作和移植的纳米加工技术是当前国际 上纳米科技的重要方面之一，对高密度信息存储、纳米电子器件、量子阱器 件、新型材料的组成和物种再造等方面将会产生非常重要的影响。利用纳米 级的线性三自由度x y z 工作台用于探测分子和原子的特征。 1 2 5 光纤对接 随着网络和数字通讯市场的发展，光纤作为现代信息高速公路中的信息 媒介将得到越来越多的应用，使光纤耦合器和波导的需要激增。这种高技术 品的体积仅十几立方厘米，但价格昂贵，原因是光纤对接校准的困难：必需 一种特殊的精微校准平台( 精度达0 1g m ) ，这种精密校准平台事实上就是一套 机器人系统，光纤的对接由左右微操作手协调完成，使光纤和器件之间达佳 耦合功率位置，并自动补偿这一过程的任何误差。不仅取代了人工操作，降 低了返修率，缩短生产周期。目前这种平台供不应求，前景看好。另外，压 电陶瓷执行器还在航空航天、地震学、光学微处理、纳米科学研究等方面具 有重要的发展潜力，这一技术的研究必将对国民经济、人民生活、军事国防 带来深远的影响。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 压电陶瓷控制器数字系统研究现状 随着半导体技术、微计算机技术等的进步，压电陶瓷控制器也向着集成 功能化与智能化发展。压电陶瓷执行器的微位移发生原理、结构形式和其实 际应用要求决定了它的控制器的设计特点： 液晶显示、薄膜按键，操作简便； 集成数据采集和数字控制器，内置智能控制算法，以实现压电陶瓷的 闭环控制，从而消除压电陶瓷执行器的非线性特性； 用户可自行修改控制算法的控制参数，以实现最佳控制效果： 多种控制模式，例如：开环、闭环、模拟控制，通过菜单选择，自动 4 哈尔滨- t 稃大学硕十学位论文 切换到相应模式，方便用户灵活应用； 能够根据不同的工作台、传感器和压电陶瓷驱动器，软件调整和设定 定位系统各个模块之间参数的线性关系： 能够与微机进行高速的通讯和数据交换，采用高速的串口和并口通讯， 实现上位机控制； 全部工业级芯片，保证系统高可靠性； 可靠的电路优化及抗干扰设计，保证了高稳定性及极低的静态纹波。 目前国内现有的压电陶瓷执行器驱动控制数字系统中，普遍采用单片机 作为压电陶瓷驱动电源的核心睁1 ，单片机既要实现数据采集，又要进行系统 的实时控制，更无法集成更多的功能。d s p 是一种特别适合于进行数字处理 运算的微处理器。它具有实时性好，控制算法容易实现，信号处理简单等优 点，这些优点对于压电陶瓷驱动器控制器数字系统而言是非常重要的。随着 应用的日益普及，性能的不断提高，d s p 及其外围芯片价格将持续降低。所 以，d s p 必然是压电陶瓷控制器数字化技术的发展方向。国外研制压电陶瓷 控制器系统的公司( 如德国p i 公司、德国j e n a ) 己陆续于上世纪末本世纪 初5 怕1 ，将d s p 技术用于压电陶瓷控制器数字系统的研制，并商品化，取得 了可观的效益。控制器的全数字化，使得在仪器易维护性、操作的自动化程 度、功能实现、配置灵活性等方面有着明显的优势。国内压电陶瓷控制器水 平没有本质上的更新，主要体现在停留在模拟控制，没有采用d s p 数字化技 术，或是停留在低性能微处理器的水平。 1 3 2 压电陶瓷控制技术的研究现状 压电陶瓷也存在着缺点，除了位移小，爬行等现象，并且在较高电场作 用下具有迟滞和非线性，迟滞一般都在1 4 左右，且随温度变化，因而给压 电陶瓷的定位系统的控制带来了困难，为了消除压电陶瓷执行器的迟滞和非 线性，国内外很多学者进行了大量的研究和尝试。 从控制技术上来看，目前改善或消除压电陶瓷驱动器非线性、迟滞和蠕 变的方法较多：在控制方式上，可采用丌环控制或闭环控制；在驱动方式上， 可采用电压驱动或电荷驱动：而在控制算法上，除了传统的p i d 控制外，还 出现了许多新的算法。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 - 3 2 1 电压驱动开环控制法 电压驱动开环控制主要是通过软件技术控制压电陶瓷驱动器的驱动电 压，从而实现压电陶瓷驱动器的位移控制，控制框图如图1 4 所示。由于开 环控制是基于模型的可能告知，所以在进行开环控制时必须知道被控对象一 一压电陶瓷驱动器的数学模型。 参考输入 压电陶瓷压电陶瓷 输位移 参考模型 驱动电源驱动器 图1 4 电压驱动开环控制框图 j u n gs e u n g - b a e 和k i ms e u n g - w o o 提出了一种基于参考模型的开环控 制方法，用于改善s t m 中压电陶瓷驱动器的扫描精度 1 。但是该参考模型 是假设压电陶瓷具有局部记忆型( l o a c a lm e m o r y ) 迟滞非线性特征，没有准 确反映压电陶瓷的迟滞特性。l e i g h 和z i m m w r m a n 采用隐含的数值算法预测 压电陶瓷驱动器的迟数值处理工程中引入了输入数据的数值微分，使得输入 数据中的噪声信号被放大，可能得出失真的预测。实际工作时情况更加复杂， 压电陶瓷的输入电压输出位移的关系还会随载荷状况以及输入信号频率 的变化而变化。 开环控制系统组成简单，成本较低，但由于其控制精度主要取决于所拟 合的压电陶瓷驱动器的特征曲线，而该特征曲线往往随载荷状况而变化，再 加上压电陶瓷在恒定电场下的蠕变，所以控制精度较低。 1 3 2 2 电压驱动闭环控制方法 电压驱动闭环控制是通过位移传感器检测出压电陶瓷驱动器的实际位 移，并与给定位移进行比较，得到二者的偏差( 误差) ，该偏差经控制器运 算后得到压电陶瓷驱动器的驱动电压，从而实现压电陶瓷驱动器的位移控制。 运用闭环控制方法的同时一般都结合一种闭环控制算法，例如现有的p i d 控 制、模糊控制、自适应控制、自学习控制、神经网络控制，以及将某两种方 法结合起来的复合控制方法。r i c h t e r 等采用p i 控制。傅星等在扫描隧道显 微镜探针高度的调节中，将模糊控制用于压电陶瓷执行器的控制。朱同宏等 6 哈尔滨r ：稃人学硕十学何论文 将模型参考自适应控制用于压电陶瓷执行器的控制中。l e a n g 等将自学习控制 用于改善原子力显微镜的扫描控制。李圣怡在压电陶瓷刀具的控制中，采用 p 积分学习控制和自校正调节器的参数学习控制。l i n 等将基于迟滞环的前溃 控制结合p i 控制用于压电执行器的控制，提高了系统的定位精度和鲁棒性。 l u 等将单层神经网络控制同传统的p i d 控制相结合，构成了一个具有自适应 和自学习特点的神经网络控制系统。 1 3 2 3 电荷驱动闭环控制法 电荷驱动最早是由英国p h i l i p s 实验室的n e w c o m b 等提出们。同电压驱 动式开环控制相比，电荷驱动开环控制使压电陶瓷驱动器的非线性大大减小。 但这种方式所获得的线性是在小电场及忽略载荷的情况下实现的。为适应各 种情况，同时具有较好的动态特性，其后的许多研究都将电荷驱动同闭环相 结合。文献口哪中提到采用集成元件构成用于电荷驱动的恒流源，以半导体应 变片作为位移传感器而构成闭环系统，并运用e m m ( e x a c tm o d e lm a c h i n i n g ) 方法对压电陶瓷驱动器的动态特性进行了校正，获得了良好的线性度以及 l k h z 的带宽。 但是，电荷驱动一般只适用于交流驱动或绝缘阻抗非常高的场合。这是 因为，当压电陶瓷的绝缘阻抗较低时，便会产生绝缘漏电阻，从而引起电荷 的泄漏，所以如果不采取一定的措施，就无法稳定地进行控制。 1 3 2 4 压电陶瓷驱动器的控制算法 无论开环控制还是闭环控制，电压驱动还是电荷驱动，要使压电陶瓷驱 动器达到所需要的定位精度及动态特性，都必须同一定的控制算法相结合。 在压电陶瓷驱动器的控制算法上，除了传统的p i d 控制外，还出现了许多新 的算法，如前馈控制、模糊控制、自适应控制、自学习控制、神经网络控制， 以及将某两种方法结合起来的复合控制方法，使微定位系统的稳态定位精度 提高，动态响应速度变快。r i c h t e r 等采用p i 控制，使压电陶瓷执行器阶跃 响应的上升时间达到3 - 4 m s 曙。傅星等在扫描隧道显微镜探针高度的调节中， 将模糊控制用于压电陶瓷执行器的控制，从而使其定位精度大大提耐2 刘。朱 哈尔滨i ：稗大学硕十学何论文 日宏口叫等将模型参考自适应控制用于压电陶瓷执行器的控制中，使其线性度 达到o 1 ，l e a n g 等将自学 - 3 控制用于改善原子力显微镜的扫描控制，可以 实现扫描范围内的0 2 4 跟踪精度1 。李圣怡口习在压电陶瓷刀具的控制中，采 用p 积分学习控制和自校正调节器的参数学习控制，获得了较为满意的定位 效果。l i n 瞄刨等将基于迟滞环的前溃控制结合p i 控制用于压电执行器的控制， 提高了系统的定位精度和鲁棒性。l u 仁刀等将单层神经网络控制同传统的p i d 控制相结合，构成了一个具有自适应和自学习特点的神经网络控制系统，使 压电陶瓷执行器取得了很高的定位精度。 1 4 本文主要研究内容及结构安排 本课题采用理论和实践结合的研究方法，在对课题背景、应用领域和国 内外研究现状充分调研的基础上，以基于压电陶瓷驱动器的微定位平台的控 制系统为研究内容，主要包括：压电陶瓷驱动器先进控制算法研究，压电陶 瓷控制器的软、硬件设计。完善或消除压电陶瓷驱动器的某些不良特性，并 实现了方便、友好、功能丰富的控制接口，控制整个微定位系统各个模块协 调、稳定的工作。 本论文的结构安排如下： 一 第一章给出了论文的研究目的及意义，分析了国内外相关领域的研究现 状。 第二章介绍了基于d s p 的嵌入式纳米定位平台控制器的硬件电路，采用 高性能的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 作为控制器的核心，介绍了相关的硬件设计， p c b 板的制作与电磁兼容问题。 第三章介绍了基于d s p 的纳米定位平台控制器的软件设计，其中的控制 算法放在了第四章详述。 第四章介绍了压电陶瓷驱动器控制算法的具体实现。提出了模糊自整定 p i d 闭环控制方法， 第五章主要是对所采用的实验方法进行了阐述和分析，并且对实验测得 的结果进行了分析和总结。 最后是论文结论部分，对整篇论文进行总结和展望。 哈尔滨i ：稗人学硕十学位论文 第2 章定位平台控制器硬件电路设计 2 1 系统总体设计方案 一个集成式纳米级定位系统采用模块化设计，将压电陶瓷驱动电源、微 位移检测模块、控制模块集成为一体，本文主要完成其中主控模块的设计与 实现。纳米定位系统原理框图如图2 1 ，机壳外部图见2 2 。 信号发生 器 数字控制器 i 计算机降箬 控制器h 叭_ 放大器h 觜 imi 薹号h 传i 器h “1 4 i u l 图2 1 纳米定位系统原理框图 。一霸1 紫 目。 蜊嚣： 零：，勺 l i i ，、i 。 爹： 。”“ 缸也9 。m i , ir 乏台印 r _ 一口肫一_ i 黔 白峥 t 嘲鼬q 翻酾黪，k 夸 啦1 ， ；留 图2 2 纳米定位系统机壳外部图 工作原理：通过驱动模块驱动压电陶瓷，由传感模块对传感器回馈信号 进行检测处理，通过以d s p 为核心的主控模块对系统进行精密控制。用于对 压电陶瓷驱动器及工作台的精密定位控制。 本设计中控制板采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核心，电路由d s p 和c p l d 组成的数字控制系统、模拟信号调理电路、通讯接口以及一些外围芯片电路 组成，整个基于d s p 的纳米定位平台控制器硬件电路可分为以下几个部分： 电源管理 9 哈尔滨t ：稗大学硕十学位论文 系统中不同器件对供电电源的要求不同，为了减少相互噪声影响，电源 管理负责不同器件的电压分配。 d s p 及外围接口电路 整个系统控制的核心部分，包括时钟、对r a m 的扩展以及驱动能力、 地址和数据的分时复用、仿真调试接口设计。 a i d 和d a 电路 实现控制功能的核心器件，数字和模拟信号的桥梁，它是实现转换速率 和精度的关键。 c p l d 控制逻辑单元 键盘、液晶与d s p 接口电路：用于控制命令输入和系统状态显示。 u s b 通讯接1 3 电路：d s p 与计算机之间的数据交换及命令控制。 控制方式切换电路 控制器结构框图如图2 3 ： 图2 3 控制器结构框图 控制器电路板实物图见附录一、二、三。 2 2d s p 芯片的选型 每种d s p 都有自己比较适合的领域，在系统设计时必须根据系统的特点 1 0 哈尔滨t 干旱大学硕十学何论文 进行选择。以t i 公司d s p 为例，c 2 0 0 0 系列处理器提供多种控制系统使用 外围设备，比较适合控制领域：c 5 0 0 0 系列处理器具有速度快、功耗低、相 对成本低等特点，比较适合便携设备及消费类电子设备使用；而c 6 0 0 0 系列 具有速度快、精度高等特点，更适合图像处理、通信设备等领域。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列主流产品分为四个系列：c 2 0 x ，c 2 4 x ，c 2 7 x 和c 2 8 。c 2 4 x 主要用于数字马达控制、电机控制、工业自动化、电力转换系统等。c 2 7 x 和 c 2 8 x 是t i 公司新推出的具有更高性能的系列芯片。 t m s 3 2 0 c 2 8 x 系列是耵公司最新推出的d s p 芯片，是目前国际市场上 较先进、功能较强大的3 2 位定点d s p 芯片。它既具有数字信号处理能力， 又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处 理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用、智能化仪表及电机、 马达伺服控制系统等口射。本设计采用c 2 8 x 系列中的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片。 t m s 3 2 0 f 2 812 是一种采用静态c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 技术设计制造的低价格、高性能的定点d s p 芯片。它具有以 下特点： ( 1 ) 数据处理能力强系统时钟频率最大可达1 5 0 m h z ，指令周期最短可达 6 6 7 n s 。另外t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 采用了先进的改进型哈佛结构，拥有八级流水线， 专用的指令集和统一的寄存器编程模式。 ( 2 ) 存储空间大具有3 2 位的数据地址和2 2 位的程序地址，总地址空间可 达4 兆的数据空间和4 兆的程序空间。片内存储器包括两块4 k x1 6 位、一 块8 k x1 6 位、两块1 k x1 6 位的单口随机存储器s r a m ，1 k 1 6 位的o t p 型只读存储器r o m ，8 k x1 6 位的f l a s h 存储器和4 k x1 6 位的根只读存储器 b o o tr o m 。 ( 3 ) 中断响应和处理迅速有三个外部中断和外部中断扩展模块 p i e ( p e r i p h e r a li n t e r r u p te x p a n s i o n ) ，p i e 可支持9 6 个外部中断。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 支持3 2 位的中断向量，c p u 取回向量和保存关键参数仅需要9 个时钟周期， 因此可以很快地响应和处理中断事件，并可以在硬件和软件中控制中断的优 先级。 ( 4 ) 外围设备电路完善。具有外部存储器接口，三个3 2 位的定时器，5 6 个独立可编程的g p i o ( g e n e r a l p u r p o s ei n p u t o u t p u t ) ，串行外围接口s p i ( s e r i a l 哈尔滨1 _ 程大学硕十学何论文 p e r i p h e r a li n t e r f a c e ) ，两个标准的串行通信接1 ：3s c i ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o n s i n t e r f a c e ) ，改进的局域网络e c a n ( e n h a n c e dc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，多通 道缓冲串行接口m c b s p ( m u l