激光扫描投影仪的振镜控制技术研究.pdf
摘要
激光扫描投影仪在汽车零部件安装定位检测、船舶整体及其零部件装配、航空
航天飞行器精密制造装配以及复合材料铺设等关键工程中发挥了重要作用。其中，
振镜控制系统能够实现在工作视场内快速扫描与精确定位，是激光扫描投影仪中重
要组成部分，但其控制存在定位精度不高，稳定性不好和响应速度慢等问题。因
此，本文开展了激光扫描投影仪的振镜控制技术的研究，对激光扫描投影仪的研制
具有重要意义。
首先，本文在详细阐述了激光扫描投影仪的组成与工作原理的基础上，提出了
振镜控制系统的总体设计方案，并依据方案，建立了三闭环控制机制的数学模型；
其次，在分析研究了自适应反演滑模变结构算法的基础上，提出了改进型自适应反
演滑模变结构算法，将其运用于振镜控制系统的控制器设计中，通过此算法与自适
应反演滑模变算法对比分析结果可知，该算法具有稳定性好，响应时间提高了
0.1×10-3s，抗干扰能力显著增强；再次，设计了振镜控制系统的硬件电路，主要包括
控制器模块，驱动器模块，位置检测模块和电源模块等。并编写了相应的软件程
序，实现了基于改进型自适应反演滑模变结构算法的振镜控制；最后，搭建了振镜
控制实验系统，通过稳定性和定位位置测试实验，验证了该系统具有一定的抗干扰
能力，定位位置精度≤0.4mm，并将其应用在激光扫描投影仪中，对特定平面和三维
工件进行扫描投影，其扫描精度≤0.5mm，振镜扫描响应时间≤20ms。
关键词：激光扫描投影仪；振镜控制；FPGA；自适应反演滑模变结构算法
III
目录
摘要III
AbstractIV
第1章绪论1
1.1课题研究的背景及目的和意义1
1.2振镜控制技术国内外研究现状2
1.2.1国外研究现状2
1.2.2国内研究现状4
1.3论文主要研究内容5
1.3.1论文的主要研究内容5
1.3.2论文章节安排6
1.3.3论文的主要技术指标7
第2章振镜控制系统方案和数学模型8
2.1激光扫描投影仪组成及工作原理8
2.2振镜控制系统的总体方案9
2.3振镜控制系统数学模型建立11
2.4本章小结13
第3章基于改进型自适应反演滑模变算法的控制器设计14
3.1自适应反演滑模变结构算法14
3.1.1滑模变结构控制基本原理14
3.1.2自适应反演滑模控制的基本原理15
3.2改进型自适应反演滑模变控制器17
3.2.1改进型反演滑模变控制器设计17
3.2.2稳定性分析18
3.2.3改进型自适应反演滑模变控制器设计19
3.3仿真与分析20
3.4本章小结21
第4章振镜控制系统硬件设计22
4.1控制器模块设计22
4.1.1硬件模块构成22
4.1.2控制器模块电路设计23
4.1.3存储模块设计26
V
4.1.4DAC模块设计28
4.2驱动器模块设计32
4.3位置检测模块设计34
4.3.1位置检测传感器的选择34
4.3.2ADC芯片选型35
4.3.3ADC电路设计37
4.4电源模块设计39
4.4.1±12V电源设计40
4.4.25V电源设计43
4.4.33.3V电源设计44
4.5本章小结4