基于参量激励的谐振子振动控制系统的设计

作者:宋明亮 ;周斌 ;张嵘 刊名:清华大学学报:自然科学版 上传者:邹晔

【摘要】参量激励是一种时变的谐振子振动激励方法,在微机电(MEMS)传感器中有着重要的应用。该文针对基于参量激励的谐振子闭环振动控制系统,通过理论推导得到了谐振子及控制环的数学模型,并对控制系统稳定性进行了分析,得到了控制系统参数选取的准则。通过数值仿真对理论研究的结论进行了验证,并研究了控制环参数对系统性能的影响。基于上述分析实验实现了基于参量激励的谐振子振动控制,谐振子起振过程的稳定时间小于0.2s,稳定后振动幅度的方差为0.04mV。该研究对基于参量激励的谐振子振动控制系统的设计具有参考意义。

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ISSN 1000—0054 清华大学学报 (自然科 学版) 2018年 第 58卷 第 1期 J Tsinghua Univ(Sci& Techno1),2018,Vo1.58,No.1 基于参量激励的谐振子振动控制系统的设计 宋明亮, 周 斌 , 张 嵘 (清华大学 精密仪器系,导航技术工程中心,北京 100084) 摘 要:参量激励是一种时变的谐振子振动激励方法,在微 机电(MEMS)传感器中有着重要的应用。该文针对基于参 量激励的谐振子闭环振动控制系统,通过理论推导得到了 谐振子及控制环的数学模型,并对控制系统稳定性进行 了 分析 ,得到 了控制系统参数选取的准则。通过数值仿真对理 论研 究的结论进 行 了验证 ,并研 究 了控制 环参数 对 系统性 能的影响。基于上述分析实验实现 了基于参量激励的谐振 子振动控制,谐振子起振过程的稳定时间小于 0.2 s,稳定 后振动幅度的方差为 0.04 mV。该研究对基于参量激励 的 谐振子振动控制系统的设计具有参考意义。 关键词:微机电(MEMS)谐振子;振动控制;参量激励;稳 定性分析 中图分类号 :V241.5 文献标志码 :A 文章 编号 :1000—0054(2018)01—0087—07 DOI:l0.16511/J.cnki.qhdxxb.2018.22.012 14/17 87—93 谐 振 子 是 微 机 电 (micro—electro—mechanical system,MEMS)惯性传感器(例如陀螺仪、加速度 计)的常用结构[1 ]。这些传感器中的 MEMS谐振 子通常需要进行振 动控制_3 ]。谐振子及其振动控 制的性能直接决定传感器的性能。通常采用与振动 频率同频的谐波力进行谐振子 的振动激励 ,然而使 用该方法会导致谐振子的振动幅度受到驱动力大小 的限制,并且可能会引起从驱动到检测的电耦合。 这些局限使得研究者们试图寻找其他的解决方案。 参量激励是一种时变的谐振子振动激励方法_6 , 该方法中谐振结构的刚度 以振动频率的 2倍频率发 生变化 ,变刚度幅值不 同对应的结构的振动状态也 不同,通过控制系统实时调节变刚度的幅值 ,可以 改变谐振结构的振动状态,从而进行谐振结构的振 动控制。使用参量激励进行谐振子振动控制 ,谐振 子的振动幅度不受参量激励信号大小的限制 ,并且 使用振动频率 2倍频率的激励信号进行谐振子的激 励 ,可以有效避免驱动到检测的电耦合 。 开环的参量激励被应用到陀螺驱动轴以解决频 率不匹配问题并提高 陀螺对参数变化 的鲁棒性_7]。 闭环的参量激励也被用于速率积分陀螺 的能量控 制,以降低由能量控制反馈引入的测量误差[9]。文 Eio]利用一种由非叉指电极产生变刚度的谐振结构 在常压下实现了谐振结构的闭环参量激励振动控制。 然而,该研究没有对控制系统的稳定性进行分析 ,也 没有研究控制系统参数选择对于振动控制的影响。 本文通过理论分析和数值仿真对基于参量激励 的谐振子 闭环振 动控制系 统进行分析和设计 。首 先,推 导 了谐振 子和控制环路 的数学模型 ,利用 Lyapunov稳定性判定方法对控制 系统稳定性进行 收稿 日期: 基金项 目: 作者 简介: 通信 作者: 2O17—03—15 总装预研基金项 目(914OAO9011514JWOl123) 宋明亮(1989一 ),男 ,博士研究生 。 周斌 ,副研究员 ,E—mail:z

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