垂直摆倾斜仪中压电陶瓷驱动技术的研究

摘要

地球固体潮的观测不仅为了解地球内部结构提供了一个有效的窗口，也为近现代空间大地测量、精密重力测量和天文经纬度测量提供了重要的数据。垂直摆倾斜仪是用于观测和研究固体潮的倾斜仪中较有代表性的一种。
　　传统的垂直摆倾斜仪虽然在结构、安装、操作以及维护等方面具有巨大的优势，但是也同样存在测量范围小，非线性误差大等缺点。本文利用电容角度传感器、模数转换器 ADS8556、FPGA芯片、数模转换器 AD5745、压电陶瓷及其驱动电路构成角度反馈装置，增大垂直摆倾斜仪的量程，同时减小垂直摆倾斜仪的非线性误差。
　　垂直摆倾斜仪是通过摆锤与摆体之间相对位置的变化感知地倾斜信号，摆锤与周围两个极板形成一对差动电容，水平时两个电容值的大小相等；当垂直摆倾斜仪发生偏斜，这一对电容之间存在差值，电容角度传感器将这种电容差值转化为电压信号，ADS8556对其进行采集并送上位机显示。本文在此基础上设计反馈式垂直摆倾斜仪，它将ADS8556的转换结果送入FPGA中的PID及压电陶瓷前馈控制模块，经运算后送AD5754R，将其输出电压值送入压电陶瓷驱动器，再经放大后驱动压电陶瓷产生相应的位移，使垂直摆倾斜仪恢复到水平状态，驱动电压值反映了倾斜量。由于反馈式垂直摆倾斜仪的摆锤偏离平衡位置较无反馈式倾斜仪的小，因此由摆锤位移过大造成的非线性误差得到抑制，而且垂直摆倾斜仪的量程也较无反馈式的倾斜仪有所增大。
　　为了实现对压电陶瓷的驱动控制，本文首先建立了基于多项式的压电陶瓷多环迟滞模型，设计了基于压电陶瓷逆模型的目标位移控制方法。为进一步提高控制性能，减小跟踪误差，本文在逆模型控制方法的基础上引入数字PID控制器，提出了压电陶瓷逆模型与数字PID相结合的复合控制方案。再对该复合控制方案进行了仿真实验，确定了控制系统的参数值。最后，以FPGA为计算芯片，用verilog硬件语言加以实现。
　　为了方便显示与存储反馈式垂直摆倾斜仪的实验结果，本文利用Labview编写了上位机软件，FPGA将ADS8556所采集的实验数据通过串口上传，并在上位机进行实时显示与储存，解决了RS232串口不能同时发送16位数据的问题。
　　本文对反馈式垂直摆倾斜仪的机械本体、硬件电路、控制算法及上位机软件等各环节进行了调试，最后对反馈式垂直摆倾斜仪进行了实验测试与数据分析，结果表明设计达到了预期的效果。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2倾斜仪的国内外研究现状

1.3论文的主要工作

1.4论文的章节安排

第2章 反馈式垂直摆倾斜仪的方案设计

2.1无反馈式垂直摆倾斜仪的基本原理

2.2垂直摆力学特性的理论分析

2.3压电陶瓷驱动装置的设计

2.4 本章小结

第3章 反馈式垂直摆倾斜仪的电路设计

3.1电容传感电路的设计

3.2 FPGA的选型

3.3 AD电路设计

3.4 DA电路设计

3.5 压电陶瓷驱动电路的设计

3.6 JTAG和ASP配置电路

3.7 串口电路

3.8 时钟电路

3.9 电源电路

3.10 本章总结

第4章 压电陶瓷多环迟滞建模及控制

4.1 压电陶瓷的迟滞效应

4.2 压电陶瓷的负载特性

4.3 压电陶瓷多环迟滞模型的建立方法

4.4 压电陶瓷的多环迟滞模型的控制方法

4.5 压电陶瓷的复合控制

4.6 本章总结

第5章 数字控制系统及上位机软件的设计

5.1 数字控制系统的设计

5.2数字PID控制器模块

5.3 多环迟滞逆模型的控制模块

5.4 数据合并模块

5.5 DA控制模块

5.6 补码转原码模块

5.7 16位数据串口传输模块

5.8 上位机软件的设计

5.9 本章总结

第6章 反馈式垂直摆倾斜仪实验测试

6.1 硬件电路调试

6.2 无反馈式垂直摆倾斜仪标定实验

6.3反馈式垂直摆倾斜仪实验

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录一 FPGA数字控制系统程序的整体RTL视图