针对纳米运动平台的自适应带阻滤波器的设计

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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。
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