六轴静电悬浮微加速度计的控制系统研究

论文摘要

静电悬浮微加速度计（Electrostatically Suspended Micro-machined Accelerometer,ESMA）可以测量微小的位移、加速度和极微小的力,而且在空间微重力环境中也能进行精确的测量,用来测量空间飞行器的振动和非保守力。将静电悬浮加速度计组装成重力梯度仪,可以用于空间重力梯度的探索和研究。而采用MEMS技术设计加工的静电悬浮微加速度计可以将微结构和电路集成为芯片,是一种具有良好发展前景的MEMS惯性传感器;这方面的研究工作已得到美、日、英等国的重视,随着我国空间技术的进一步发展,静电加速度计在我国将会有更广阔的应用空间。实现静电悬浮加速度计的关键技术主要包括仿真设计技术、微机械精密制造加工技术、微小电容变化检测技术、质量块的稳定悬浮控制技术、噪声测量、环境模拟测量以及高精度加速度计灵敏度标定等。本课题着眼于静电悬浮微加速度计的设计和实现,设计出了能同时进行六自由度高精度测量的加速度计,包括三个线加速度和三个角加速度。本文主要的研究内容是控制系统的设计和分析,包括控制模型的设计和仿真,微小电容检测技术和基于数字信号处理器（DSP）的控制系统的实现。本文的主要研究内容如下:首先,介绍了静电悬浮加速度计的器件结构和工作原理包括加速度计的电容分布和器件动力学方程。采用了传统的线性雷诺方程推导了微加速度计的空气阻尼系数的大小,为控制模型的建立和仿真提供了理论指导的参考数据。其次,介绍了两种不同的控制模型:模糊-PID控制算法和PID控制算法。同时还采用了集中控制和非集中控制两种方式实现六轴加速度的同步测控,用于提高控制系统的工作效率。最后,为实现对静电悬浮加速度计的闭环控制,设计了适用于数字信号处理器的控制器,并在DSP28335平台上使用该控制器对器件实行闭环反馈控制。六轴静电悬浮加速度计需要同时对多个通道进行数据的读取和写入,为了克服DSP28335自带的A/D、D/A转换器通道数不足和精度不高的缺点,实验采用了外扩的A/D、D/A芯片:AD7656和AD7835。通过汇编语言和C语言对对外设的A/D、D/A芯片进行编程应用,实现7通道测量数据和14通道反馈数据的同步读写,实现了控制器的多通道同时控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微加速度计研究现状
• 1.1.1 压阻式微加速度计
• 1.1.2 电容式微加速度计
• 1.1.3 扭摆式微加速度计
• 1.2 静电悬浮加速度计国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 静电悬浮检测技术和控制方案的研究
• 1.3.1 电容检测技术
• 1.3.2 悬浮控制系统研究进展
• 1.4 本课题研究意义和主要内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 静电悬浮加速度计的结构及工作原理
• 2.1 静电悬浮加速度计的结构
• 2.1.1 加速度计的整体结构
• 2.1.2 悬浮电极配置方案
• 2.2 静电悬浮加速度计的工作原理
• 2.2.1 电容分析
• 2.2.2 静电力分析
• 2.3 阻尼理论
• 2.3.1 空气阻尼的理论计算与分析
• 2.3.2 阻尼系数影响因素分析
• 2.4 性能指标
• 2.5 本章小结
• 第三章 六轴静电悬浮控制器设计与仿真
• 3.1 悬浮控制器的数学模型
• 3.2 模糊-PID 控制器
• 3.2.1 PID 控制器设计
• 3.2.2 模糊控制器
• 3.3 悬浮控制系统的设计与仿真
• 3.3.1 沿Z 轴轴向平动控制器
• 3.3.2 X（Y）向平动控制器
• 3.3.3 绕X（Y）轴转动控制器
• 3.3.4 绕Z 轴转动控制器
• 3.4 集中控制策略与非集中控制策略
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于DSP 的六轴加速度计测控系统设计与实现
• 4.1 基于DSP 的测控系统组成
• 4.2 静电悬浮控制外围电路
• 4.2.1 差分电容检测
• 4.2.2 二次交流放大电路
• 4.2.3 带通和低通滤波器
• 4.2.4 相位调节和相敏解调电路
• 4.3 基于TSM32028335 系列DSP 芯片的控制系统
• 4.3.1 TMS320F28335 DSP 系统概述
• 4.3.2 DSP 芯片及开发板硬件组成
• 4.3.3 A/D 转换
• 4.3.4 D/A 转换
• 4.4 控制系统软件组成
• 4.4.1 初始化和中断
• 4.4.2 AD 采样
• 4.4.3 模糊-控制PID 的实现
• 4.4.4 D/A 转换
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文研究总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文