静电悬浮转子微陀螺悬浮控制系统的研究

摘要

近年来,随着微电子机械(MEMS)技术的迅速发展,MEMS静电悬浮转子微陀螺得到国内外的深入研究。静电悬浮转子微陀螺利用高速旋转转子的陀螺效应,来实现对载体运动角速度的测量,并可同时实现线加速度的测量。载体的角速度输入使陀螺壳体与转子产生相对位移,转化为相应的差动电容变化,作为反馈信号送给再平衡回路,其产生的静电力矩消除壳体与转子间的相对位移,保持转子工作在平衡位置。本文根据静电悬浮转子微陀螺的差分电容结构特点,基于高频载波激励以及调制解调方法,设计并制作了完整的微位移电容检测通道,并采用DSP开发板和基于Labview的虚拟仪器构建数字控制电路,来实现悬浮转子微陀螺的闭环控制。本文的主要研究内容和成果如下:首先,介绍了静电悬浮转子微陀螺的结构和工作原理,以及陀螺小偏角条件下的动力学方程,并分析了阻尼对其运动特性的影响。讨论利用数字信号处理技术来对静电悬浮转子微陀螺进行信号检测和控制。其次,介绍了基于单载波激励方案的微转子位移检测方案。包括了I-V转换、前置放大、差动放大、带通滤波、相敏解调等环节,并使用DSP数字信号处理器和NI虚拟仪器读取最终的位移电压信号。然后,为了实现静电转子的稳定悬浮,建立了针对于悬浮转子的静电支承模型。在模型的建立过程中,分析了静电力作用机理,给出了静电力计算公式。使用Matlab Simulink分析了系统的小位移模型和大位移模型。分析结果显示,随着外界干扰因素的不同,静电反馈力的输出也会有所变化。说明使用PID控制的悬浮支承系统具有参数可调性。最后,参照仿真所得出的结果,设计悬浮闭环控制器。这里介绍了两个步骤,一是利用C语言对DSP的TMS320F28335开发板的PWM模块进行编程,使其输出振荡波形以克服转子在起支过程中的阻力,并调用Labview的PID模块对转子进行悬浮控制;二是利用Labview软件直接调用Simulink仿真结果,结合NI的PXI系列硬件设备,进行“硬件在环仿真”,实现对转子的悬浮控制。本文之所以采用两种控制设备,是因为它们之间各有自己的优势。使用DSP芯片一般是做MEMS控制的常用手段,它有精度高、价格便宜、I/O端口较多等优点,但开发周期较长;而使用NI的虚拟仪器具有图形化编程、界面直观等特点,而且能够与Matlab的SimulinkTM工具箱进行无缝集成,大大缩短了开发周期,但是产品价格相对较高,一般需要购买NI公司配套的板卡来扩展I/O端口。当然,无论是采用DSP板卡或虚拟仪器作为开发工具,都可以实现陀螺转子悬浮的检测和控制。

目录

摘要

Abstract

1 第一章 绪论

1.1 静电悬浮转子微陀螺

1.1.1 美国

1.1.2 日本

1.2 微陀螺信号检测控制技术

1.2.1 微陀螺测控技术分析

1.2.2 微位移电容检测方法

1.2.3 模拟PID 控制及数字控制

1.3 本文的研究内容

1.4 本课题的研究意义

1.5 论文结构

1.6 小结

2 第二章 静电悬浮转子微陀螺的结构及工作原理

2.1 静电悬浮转子微陀螺的结构

2.2 静电悬浮转子微陀螺的工作原理

2.2.1 理想转子微陀螺仪

2.2.2 旋转刚体转子基本理论

2.2.3 悬浮转子的力平衡反馈工作原理

2.3 空气阻尼力矩特性

2.3.1 压膜阻尼力矩

2.3.2 滑膜阻尼力矩

2.3.3 总阻尼力矩系数

2.4 本章小结

3 第三章 静电悬浮转子微陀螺的信号检测系统

3.1 电悬浮转子微陀螺电路检测原理

3.1.1 静电悬浮转子微陀螺电极结构

3.1.2 控制系统的信号检测方案

3.2 静电悬浮转子微陀螺检测电路的实现

3.2.1 前置级

3.2.2 带通滤波

3.2.3 相敏解调

3.2.4 低通滤波

3.3 本章小结

4 第四章 陀螺的悬浮闭合控制系统研究

4.1 静电悬浮系统运动方程

4.1.1 悬浮支撑系统稳态方程

4.1.2 悬浮支承系统的固有频率及灵敏度

4.1.3 闭环悬浮系统

4.2 静电悬浮系统数学模型的建立

4.2.1 阻尼系数

4.2.2 静电力模型

4.2.3 静电悬浮系统的小位移模型

4.3 闭环静电悬浮的控制模型仿真

4.3.1 Simulink 模拟行为建模

4.3.2 仿真实验结果

4.4 本章小结

5 第五章 基于TMS320F28335 的悬浮控制辅助手段

5.1 TMS320F28335 系列DSP 芯片

5.1.1 TMS320F28335 主要功能

5.1.2 外部设备

5.1.3 F28335 的中断处理

5.2 基于高精度模数转换芯片AD7656 和28335 的A/D 转换电路

5.2.1 AD7656 性能介绍

5.2.2 AD7656 的工作原理

5.2.3 AD7656 接口电路设计

5.2.4 实验结果

5.3 基于 28335 ePWM 模块的径向振荡模块

5.3.1 ePWM 子模块

5.3.2 利用ePWM 模块输出脉宽调制波形

5.4 本章小结

6 第六章 基于NI 虚拟仪器的PID 悬浮控制器设计

6.1 数字PID 控制

6.1.1 比例作用对控制性能的影响

6.1.2 积分作用对控制性能的影响

6.1.3 微分作用对控制性能的影响

6.1.4 PID 的离散化处理

6.1.5 数字PID 仿真实验

6.2 基于 PXI 总线的 2GHz 双核嵌入式控制器和数据采集卡的控制器设计

6.2.1 NI PXI-8105 双核嵌入式控制器

6.2.2 NI PXIe-6124 多功能数据采集卡

6.3 基于虚拟仪器的 PID 控制器设计

6.3.1 基于 PXI 硬件的 PID 控制器程序设计

6.3.2 PID 悬浮控制实验结果分析

6.4 静电悬浮转子微陀螺的硬件在环仿真系统设计

6.4.1 硬件在环仿真

6.4.2 Labview 和 Simulink 的连接方法

6.4.3 陀螺硬件在环仿真设计雏形

6.5 本章小结

7 第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

8 参考文献

9 致谢

10 攻读硕士学位期间已发表的论文

上海交通大学硕士学位论文答辩决议书