基于DSP的激光追踪教学控制平台设计

论文摘要

激光束稳定技术被广泛的运用于飞行器的目标定位、监视和基于激光的空间自由通信领域。其中目标定位是激光束稳定技术的典型应用。在大多数情况下,目标的位置会随着时间不断变化,这就要求激光束能够快速准确的跟踪目标。为了模拟这种跟踪过程,本文开发了一个激光跟踪控制系统。在分析了相关文献的基础上,首先确定了控制平台的机械结构,并对控制系统进行了实时分析。按照实时分析的结果,确定了控制系统的基本要求和组成系统的合适的元件。例如传感器、执行机构、控制模块等。利用这些元件,组成了一个闭环控制系统。然后主要分析了音圈电机的工作特性,推导了其数学模型。由于音圈电机的数学模型是一个典型的二阶系统,所以选择了PID控制器作为主要的控制器。随后又根据现代控制理论中的极点配置和状态观测器控制方法对系统进行控制。其次本文介绍了传感器的工作原理,设计了传感器的信号采集电路。随后又设计了控制模块和执行机构之间的驱动电路并且说明了电路的驱动原理。在完成外围电路的设计后,又对型号为TMS320C2812的DSP芯片做了介绍,其中着重详细阐述了DSP内置的A/D转换模块和PWM输出模块的工作原理,并给出了在DSP内部实现A/D转换和PWM输出的程序流程图。实验结果部分,采用PID和状态观测器两种控制方法进行试验,实验结果表明控制效果良好,能够满足跟踪控制的速度和精度要求。最后,通过对比QUANSER公司的产品,介绍了将来需要做的工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 本文的主要研究内容
• 1.3 相关研究综述
• 1.4 本文研究的意义
• 第2章 系统规划与设计
• 2.1 设计规划
• 2.2 机械结构设计
• 2.3 系统工作原理
• 2.4 系统实时性分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 系统控制器设计
• 3.1 系统的数学模型
• 3.2 PID 控制器设计
• 3.3 状态观测器算法的理论基础
• 3.3.1 状态反馈
• 3.3.2 状态观测器
• 3.3.3 利用状态器实现的反馈系统
• 3.3.4 极点配置
• 3.4 数字控制基础
• 3.4.1 连续系统的离散化
• 3.4.2 采样过程的数学描述
• 3.4.3 连续状态空间表达式的离散化
• 3.5 系统的传递函数
• 3.5.1 系统的传递函数
• 3.5.2 配置目的极点的选取
• 3.5.3 状态观测器设计
• 3.6 控制算法实现
• 3.7 本章小结
• 第4章 系统硬件设计
• 4.1 整体硬件架构
• 4.2 DSP 模块设计
• 4.2.1 时钟电路和复位电路
• 4.2.2 JTAG 接口电路
• 4.3 供电模块设计
• 4.4 ADC 电路设计
• 4.4.1 ADC 工作流程
• 4.4.2 ADC 系统的电气连接
• 4.5 USB 通信电路设计
• 4.5.1 寄存器的读/写操作
• 4.5.2 USB 电气连接图
• 4.6 PSD 信号处理电路设计
• 4.6.1 一维PSD 工作原理
• 4.6.2 PSD 信号采集电路设计
• 4.7 电机驱动电路设计
• 4.7.1 PWM 模块
• 4.7.2 PWM 电机驱动电路
• 4.8 系统控制程序设计
• 4.9 本章小结
• 第5章 基于ARM 嵌入式运动控制器的软件设计
• 5.1 PID 控制实验
• 5.2 状态反馈控制实验
• 5.3 误差分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢