基于DSP的五自由度静电悬浮微陀螺悬浮控制算法的研究

论文摘要

静电悬浮转子微陀螺是一种由扁平转子和定子电极（包括悬浮、旋转和检测等电极）构成的MEMS器件。它采用高精度静电陀螺球形转子的支承方式和经典陀螺仪盘形转子的工作方式,具有比振动式微陀螺精度高的潜在优点,并可同时测量二轴角速度和三轴线加速度。该类新颖的MEMS陀螺已经成为高精度、多轴集成微惯性传感器发展的重要方向,具有广阔的应用前景。实现静电悬浮微陀螺的关键技术主要包括仿真设计技术、微机械制造技术、转子的微位移检测技术及其稳定悬浮、恒速旋转控制技术和真空封装技术等。本论文主要是采用Matlab仿真和实验相结合的方法,研究不同的控制算法（PID控制算法和超前-滞后校正控制算法）对静电悬浮微陀螺五自由度悬浮控制系统的影响,其主要研究内容和结论如下:为了准确推导出静电悬浮转子微陀螺的空气阻尼系数的大小,给五自由度悬浮控制系统建模和理论研究提供一定的指导。在本论文的第二章中,主要利用传统的线性雷诺方程和Couette流方程,理论上推导了悬浮转子轴向振动、径向振动的压膜阻尼系数和绕Z轴旋转的滑膜阻尼系数。其次,构建了基于PID控制算法和超前-滞后校正控制算法的五自由度悬浮系统模型,并对其稳定性、开环、闭环和支承刚度等性能进行了Matlab仿真分析和设计。最后,提出了变结构控制算法-BangBang控制结合PID控制算法,用于消除转子起支过程中静电力的非线性性。为了克服AT89C51单片机I/O口数目有限的缺点,在本论文的第三章中,设计了一种基于I/O扩展技术的新型DDS信号发生电路。它主要是利用2片“3-8译码器-74LS138芯片”,实现对单片机I/O口的扩展。其次,设计了相应的无限增益多端反馈电路-MFB带通滤波电路和前置放大电路,用于放大载波信号,以满足实验的要求。在DDS信号发生电路和DSP信号处理过程中,都需要编写相应的软件程序,用于载波信号的产生和电路信号的处理。在本论文的第三章和第六章中,主要利用Keil C软件,编写了基于汇编语言的信号发生电路的软件程序,并给出了各路载波信号控制字的计算方法。其次,制作了静电悬浮微陀螺测控系统的上位机界面,用于实时显示转子悬浮过程中5自由度的位移信号。最后,完成了4路PID悬浮控制参数和超前-滞后校正控制参数的上下位机传递。悬浮控制的实验结果表明:在数字式PID控制算法下,能够准确地实现转子的单路控制;而当多路信号同时控制时,由于各控制轴之间存在一定的耦合性,使得实际测得的各路位移信号与期望的平衡位置产生了一定的偏差。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 悬浮转子式微陀螺
• 1.1.1 磁悬浮转子微陀螺
• 1.1.2 静电悬浮转子微陀螺
• 1.2 静电悬浮微陀螺悬浮控制算法的研究概况
• 1.2.1 日本-模拟PID 控制算法
• 1.2.2 英国-Σ-△控制算法
• 1.3 本课题的研究内容和研究意义
• 1.3.1 本课题的研究内容
• 1.3.2 本课题的研究意义
• 1.4 本章小结
• 第二章 静电悬浮微陀螺的空气阻尼特性
• 2.1 静电悬浮转子微陀螺的结构
• 2.2 模型建立
• 2.2.1 理论基础
• 2.2.2 气膜分区
• 2.3 空气阻尼的理论计算和分析
• 2.3.1 轴向振动的压膜阻尼系数
• 2.3.2 径向振动的压膜阻尼系数
• 2.3.3 绕X（Y）轴转动的压膜阻尼系数
• 2.3.4 轴向旋转的滑膜阻尼系数
• 2.4 Matlab 计算和仿真
• 2.4.1 Matlab 计算
• 2.4.2 利用CoventorWare 软件对Csqzz 计算结果进行验证
• 2.5 压膜阻尼系数Csqzz 的主要影响规律
• 2.5.1 温度对轴向压膜阻尼系数的影响
• 2.5.2 位移对轴向压膜阻尼系数的影响
• 2.5.3 压强对轴向压膜阻尼系数的影响
• 2.5.4 频率对轴向压膜阻尼系数的影响
• 2.6 压膜阻尼系数Csqzz 对PID 参数的选取和系统稳定性的影响
• 2.6.1 系统的Simulink 仿真
• 2.6.2 稳定性分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 基于I/O 扩展技术的DDS 硬件电路设计和软件实现
• 3.1 DDS 电路的原理
• 3.2 静电悬浮微陀螺DDS 电路的硬件设计
• 3.2.1 微控制器-AT89C51 单片机
• 3.2.2 单片机I/O 口的扩展-2 片3-8 译码器（74LS138 芯片）
• 3.2.3 信号发生电路的设计-12 片AD9835 芯片
• 3.2.4 无限增益多端反馈电路-MFB 带通滤波电路的设计
• 3.2.5 DDS 载波信号放大电路
• 3.3 静电悬浮微陀螺DDS 电路的软件实现
• 3.4 载波信号的调试结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于PID 控制算法的静电悬浮微陀螺五自由度悬浮系统仿真
• 4.1 静电悬浮微陀螺的控制电路原理图
• 4.2 静电悬浮微陀螺的五自由度PID 控制器的设计
• 4.2.1 稳定性
• 4.2.2 开环特性
• 4.2.3 闭环特性
• 4.2.4 支承刚度
• 4.3 PID 校正后的静电悬浮微陀螺五自由度悬浮系统的性能指标
• 4.3.1 Z 向位移检测器
• 4.3.2 X（Y）向位移检测器
• 4.3.3 轴向角加速度检测器
• 4.4 PID 数字控制器的实现
• 4.5 Z 向位移检测器的Simulink 建模
• 4.5.1 P 参数对系统输出的影响
• 4.5.2 D 参数对系统输出的影响
• 4.5.3 干扰力（重力）对系统输出的影响
• 4.5.4 不同频率的正弦干扰信号对系统输出的影响
• 4.6 变结构控制算法-BangBang 控制结合PID 控制算法
• 4.6.1 软件流程图
• 4.6.2 上位机控制界面
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于超前-滞后校正控制算法的静电悬浮微陀螺五自由度悬浮系统仿真
• 5.1 静电悬浮转子微陀螺的动力学方程
• 5.1.1 静电支承系统分析
• 5.1.2 支承刚度
• 5.1.3 控制对象参数
• 5.2 静电悬浮微陀螺的五自由度滞后-超前控制器的设计
• 5.2.1 Z 向位移检测器
• 5.2.2 X（Y）向位移检测器
• 5.2.3 轴向角加速度检测器
• 5.3 数字控制器的实现
• 5.3.1 理论推导
• 5.3.2 Matlab 实现双线性离散化
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于DSP 的静电悬浮微陀螺测控系统的硬件组成和软件实现
• 6.1 TMS320VC33 DSP 系统的组成
• 6.1.1 TMS320VC33 DSP 概述
• 6.1.2 TMS320VC33 DSP 系统硬件电路的组成
• 6.2 上位机VC 界面的制作与PID 控制参数的传递
• 6.2.1 人机界面的制作
• 6.2.2 上位机图象的稳定显示—双缓冲画图
• 6.2.3 上下位机PID 控制参数的传递
• 6.3 DSP 软件调试过程中需要注意的问题
• 6.3.1 DSP 命令参数的分类
• 6.3.2 AD 数据采集与数据转换
• 6.3.3 DA 数据的输出
• 6.3.4 AD 采样频率和DA 输出频率的设定
• 6.4 静电悬浮转子微陀螺测控系统的硬件组成及其初步的悬浮控制结果
• 6.4.1 测控系统的硬件组成
• 6.4.2 初步的悬浮控制结果
• 6.4.3 转子的起支过程
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间撰写的论文