基于DSP的五自由度靜電懸浮微陀螺懸浮控制算法的研究.pdf

1、靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺是一種由扁平轉(zhuǎn)子和定子電極(包括懸浮、旋轉(zhuǎn)和檢測等電極)構(gòu)成的MEMS器件。它采用高精度靜電陀螺球形轉(zhuǎn)子的支承方式和經(jīng)典陀螺儀盤形轉(zhuǎn)子的工作方式，具有比振動式微陀螺精度高的潛在優(yōu)點，并可同時測量二軸角速度和三軸線加速度。該類新穎的MEMS陀螺已經(jīng)成為高精度、多軸集成微慣性傳感器發(fā)展的重要方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。實現(xiàn)靜電懸浮微陀螺的關(guān)鍵技術(shù)主要包括仿真設(shè)計技術(shù)、微機械制造技術(shù)、轉(zhuǎn)子的微位移檢測技術(shù)及其穩(wěn)定懸浮、恒速旋轉(zhuǎn)

2、控制技術(shù)和真空封裝技術(shù)等。本論文主要是采用Matlab仿真和實驗相結(jié)合的方法，研究不同的控制算法(PID控制算法和超前-滯后校正控制算法)對靜電懸浮微陀螺五自由度懸浮控制系統(tǒng)的影響，其主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：為了準確推導出靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺的空氣阻尼系數(shù)的大小，給五自由度懸浮控制系統(tǒng)建模和理論研究提供一定的指導。在本論文的第二章中，主要利用傳統(tǒng)的線性雷諾方程和Couette流方程，理論上推導了懸浮轉(zhuǎn)子軸向振動、徑向振動的壓膜阻尼系數(shù)和繞

3、Z軸旋轉(zhuǎn)的滑膜阻尼系數(shù)。其次，構(gòu)建了基于PID控制算法和超前-滯后校正控制算法的五自由度懸浮系統(tǒng)模型，并對其穩(wěn)定性、開環(huán)、閉環(huán)和支承剛度等性能進行了Matlab仿真分析和設(shè)計。最后，提出了變結(jié)構(gòu)控制算法-BangBang控制結(jié)合PID控制算法，用于消除轉(zhuǎn)子起支過程中靜電力的非線性性。為了克服AT89C51單片機I/O口數(shù)目有限的缺點，在本論文的第三章中，設(shè)計了一種基于I/O擴展技術(shù)的新型DDS信號發(fā)生電路。它主要是利用2片“3-8譯碼器

4、-74LS138芯片”，實現(xiàn)對單片機I/O口的擴展。其次，設(shè)計了相應(yīng)的無限增益多端反饋電路-MFB帶通濾波電路和前置放大電路，用于放大載波信號，以滿足實驗的要求。在DDS信號發(fā)生電路和DSP信號處理過程中，都需要編寫相應(yīng)的軟件程序，用于載波信號的產(chǎn)生和電路信號的處理。在本論文的第三章和第六章中，主要利用Keil C軟件，編寫了基于匯編語言的信號發(fā)生電路的軟件程序，并給出了各路載波信號控制字的計算方法。其次，制作了靜電懸浮微陀螺測控系統(tǒng)的