CN105281596B

CN105281596B - 可变电容式静电电机的电子换相控制系统和控制方法

Info

Publication number: CN105281596B
Application number: CN201510721053.7A
Authority: CN
Inventors: 韩丰田; 孙搏谦; 李林林; 刘天; 刘天一
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2018-01-23
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: CN105281596A

Abstract

本发明涉及一种可变电容式静电电机的电子换相控制系统，其包括转速/转角检测单元、微控制器以及输出放大单元。另外，本发明还提供一种可变电容式静电电机的电子换相控制方法，其包括以下步骤：S1：施加驱动电压，转子在t_i时刻开始转动，利用转速/转角检测单元仅提取一路转子的转速信号；S2：利用微控制器捕获该一路转子转速信号的上升沿，记录该时刻为t_i+1，转速信号周期T_i=t_（i+1）‑t_i，i为整数，设定转速系数k_s∈（0,1]，设定k_s×T_i/3为下一周期驱动电压所需要的脉冲宽度；S3：利用输出放大单元输出三相驱动电压信号；S4：重复上述步骤S2和S3，进而实现转子高速同步地旋转。

Description

可变电容式静电电机的电子换相控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及一种可变电容式静电电机的电子换相控制系统和控制方法。

背景技术

硅微静电悬浮电机由MEMS体硅工艺加工、利用静电支承系统稳定地悬浮在真空电极腔的几何中心，可以有效地避免接触、摩擦与磨损，具有工作稳定性高、使用寿命长等优势。并且，当电机转速工作到10⁴转/分以上时，可以用作高精度与高分辨率的双自由度速率陀螺。可变电容式静电电机是一种同步电机，当微电机工作于10^-1Pa或更低的真空条件时，残余气体阻尼很小，转动控制回路的相位稳定裕量极低，易导致电机失步而无法正常工作。此外，在驱动微电机加转的过程中，电机内部因温度和气压变化、加工工艺误差和静电支承力耦合等引起的干扰力矩会对直接影响电机的同步转动。传统的开环换相控制方式不需要转子当前位置信息，电机控制方案简单，但为了避免加转过程电机失步，通常需要较长的加转时间；另一方面，当干扰力矩较大时，易导致转子转动与定子驱动脉冲失步，电机无法长期稳定运行。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种采用基于转子当前位置信息的电子换相控制系统和控制方法，该控制系统和控制方法对可变电容静电电机的转动进行同步控制，以缩短静电电机的启动时间，并保证电机能够长期稳定地、高速地同步运行。

一种可变电容式静电电机的电子换相控制系统，其包括转速/转角检测单元、微控制器以及输出放大单元。所述转速/转角检测单元用于检测转子的转角与转速；所述微控制器用于捕获转子转速信号的上升沿，根据转速控制算法设定转速系数k_s∈（0,1]，计算k_s×T₀/3 ，将k_s×T₀/3设定为下一周期驱动电压所需要的脉冲宽度；所述输出放大单元输出三相驱动信号用于驱动转子旋转。

一种可变电容式静电电机的电子换相控制方法，其包括以下步骤：S1：施加驱动电压，转子在t_i时刻开始转动，然后仅提取一路转子的转速信号；S2：捕获该一路转子转速信号的上升沿，记录该时刻为t_i+1，转速信号周期T_i=t_（i+1）-t_i，i为整数，设定转速系数k_s∈（0,1]，设定k_s×T_i/3为下一周期驱动电压所需要的脉冲宽度；S3：输出三相驱动电压驱动转子旋转；S4：重复上述步骤S2和S3。

与现有技术相比较，本发明的可变电容式静电电机的电子换相控制系统和控制方法，只需要捕获一路转子的当前位置信号，调节所需驱动信号的脉宽，进而输出三相同步驱动电压，即可稳定地驱动转子同步旋转，可以减小启动时间并且解决了真空下电机失步问题，实现电机长期稳定地、高速地同步运行。

附图说明

图1是本发明实施例提供的硅微静电悬浮电机的分解结构示意图。

图2是本发明实施例提供的硅微静电悬浮电机的定子与转子的分解结构示意图。

图3是本发明实施例提供的可变电容式静电电机的电子换相控制系统的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的可变电容式静电电机的电子换相控制的控制时序图。

主要元件符号说明

硅微静电悬浮电机	10
		上定子	11
轴向悬浮电极	12
		公共电极	13
下定子	14
		轴向悬浮电极	15
公共电极	16
		转子	17
外径悬浮电极	18
		内径悬浮电极	19
电子换相控制系统	30
		转速/转角检测单元	31
微控制器	32
		输出放大单元	33
转速信号	40
		脉冲宽度	44
初始激励阶段	50
		闭环快速加转阶段	51
三相加转驱动信号	A41、B42、C43
		A相驱动电极	111a、112a、113a、114a、141a、142a、143a、144a
B相驱动电极	111b、112b、113b、114b、141b、142b、143b、144b
		C相驱动电极	111c、112c、113c、114c、141c、142c、143c、144c
加转凹槽	171
		加转齿	172
捕获单元	321
		转速控制单元	322
驱动信号脉宽调节单元	323

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的可变电容式静电电机的电子换相控制系统和控制方法作进一步的详细说明。

请参阅图1，硅微静电悬浮电机10包括顶层玻璃、中层高掺杂硅、底层玻璃三层结构。在顶层玻璃表面具有上定子11、轴向悬浮电极12、公共电极13。在底层的玻璃上有下定子14、轴向悬浮电极15以及公共电极16。中层高掺杂硅层上具有转子17，在转子17的径向方向上，有外径悬浮电极18以及内径悬浮电极19。转子17与上定子11、下定子14、轴向悬浮电极12、15以及外径悬浮电极18和内径悬浮电极19均保持有微米量级的间隙，通过施加所需要的静电力，使转子17稳定地悬浮于电极腔的几何中心位置，实现沿着x、y、z三个平动自由度和绕x、y转动两个自由度的稳定悬浮。同时，利用上定子11与下定子14施加所设定的静电力矩，驱动转子17在真空下沿θ轴高速同步地旋转。

请参阅图2，硅微静电悬浮电机10的转子17包括加转凹槽171、十四个加转齿172。硅微静电悬浮电机10的上定子11包括A相驱动电极111a、112a、113a、114a，B相驱动电极111b、112b、113b、114b以及C相驱动电极111c、112c、113c、114c。硅微静电悬浮电机10的下定子14包括A相驱动电极141a、142a、143a、144a，B相驱动电极141b、142b、143b、144b以及C相驱动电极141c、142c、143c、144c。

在一个加转控制应用实例方案中，A相驱动电极111a、112a、113a、114a均施加正极性驱动电压；A相驱动电极141a、142a、143a、144a均施加负极性驱动电压；B相驱动电极111b、112b、113b、114b均施加正极性驱动电压；B相驱动电极141b、142b、143b、144b均施加负极性驱动电压；C相驱动电极111c、112c、113c、114c均施加正极性驱动电压；C相驱动电极141c、142c、143c、144c均施加负极性驱动电压；并且，正负驱动电压的幅值相同。

在另一个加转控制应用实例方案中，A相驱动电极111a、141a、113a、143a均施加正极性驱动电压；A相驱动电极112a、142a、114a、144a均施加负极性驱动电压；B相驱动电极111b、141b、113b、143b均施加正极性驱动电压；B相驱动电极112b、142b、114b、144b均施加负极性驱动电压；C相驱动电极111c、141c、113c、143c均施加正极性驱动电压；C相驱动电极112c、142c、114c、144c均施加负极性驱动电压；且正负驱动电压的幅值均相同。

两种极性相反的电极分布方式，均可以保持转子17的虚地电位；上定子11和下定子14作用于转子17的轴向力相互抵消，保持转子17稳定悬浮。同时，三相驱动电压A、B、C产生的静电力矩依次交替作用于转子17，驱动转子17在真空下高速旋转。

请参阅图3，图3所示是硅微静电悬浮电机10的电子换相控制系统30。硅微静电悬浮电机10的电子换相控制系统30包括依次连接的转速/转角检测单元31、微控制器32以及输出放大单元33。所述的转速/转角检测单元31用于检测转子17的转角与转速。所述微控制器32可以为FPGA、ARM、MSP430以及DSP等，本实施例中，该微控制器32为DSP。所述微控制器32包括依次连接的捕获单元321，转速控制单元322与驱动信号脉宽调节单元323。所述输出放大单元33输出三相驱动信号用于驱动转子17旋转。

所述捕获单元321捕获转子转速信号的上升沿。所述转速控制单元322根据转速控制算法设定转速系数k_s∈（0,1]，立即计算k_s×T₀/3 ，驱动信号脉宽调节单元323将k_s×T₀/3设定为下一周期驱动电压所需要的脉冲宽度。

另外，本发明还提供一种可变电容式静电电机的电子换相控制方法，该方法包括以下步骤：S1：施加驱动电压，转子在t_i时刻开始转动，然后仅提取一路转子的转速信号；S2：捕获该一路转子转速信号的上升沿，记录该时刻为t_i+1，转速信号周期T_i=t_（i+1）-t_i，i为整数，设定转速系数k_s∈（0,1]，设定k_s×T_i/3为下一周期驱动电压所需要的脉冲宽度；S3：输出三相驱动电压驱动转子旋转；S4：重复上述步骤S2和S3。

在步骤S1中，所述上定子11和下定子14与转子17之间的电容变化量，反映了转子17的位置变化量与转速信息，通过转速/转角检测单元31可以提取出当前时刻的转子17的角位置和转速。

具体的控制流程请参见图4，图4是可变电容式静电电机的电子换相的控制时序图。在硅微静电悬浮电机10的一个加转应用实例中，需要转速/转角检测单元19仅提取出一路转速信号(转子的角位置信号)40作为参考。步骤S1，初始激励阶段50，三相加转驱动信号A41、B42、C43 以一定的初始激励转速顺次输出一次驱动电压，静止的转子17受到静电加转力矩的吸引，t₀时刻，以低转速开始转动，经转速/转角检测单元19仅提取出一路转速信号。在本实施例中，该一定的初始激励转速为20转/分。步骤S2，进入闭环快速加转阶段51，捕获单元321捕获转速信号的上升沿，记录该时刻为t₁，测量t₀与t₁时刻的差值，得到T₀。设定转速系数k_s∈（0,1]，立即计算k_s×T₀/3 ，将此数值设为下一周期驱动电压所需要的脉冲宽度44。转速系数k_s的取值范围优选为0.5~1，本实施例中，k_s=0.83。步骤S3，分别在t₁、t₂'= t₁+k_s×T₀/3和t₃'= t₂'+ k_s×T₀/3时刻输出A、B、C三相驱动电压，引导转子17加转，捕获单元捕获转速信号的上升沿，记录该时刻为t₂，测量t₂与t₁时刻的差值，得到T₁，由于静电力的作用，T₁的宽度会小于T₀的宽度。计算k_s×T₁/3 ，将此数值设为下一周期驱动电压所需要的脉冲宽度。步骤S4，重复上述步骤S2和S3，如此交替进行，由于静电加转力矩的驱动作用，转速信号周期T_i不断减小，驱动信号周期T_s也不断缩短，可以实现快速地、同步地加转。

在一个实施例中，硅微静电悬浮电机工作于9.12×10^-2Pa时，使用10V的加转驱动电压，k_s=0.83，可以将硅微静电悬浮电机在400s以内加转到 3.0×10⁴ 转/分以上。

本发明实施例提供的可变电容式静电电机的电子换相控制系统和控制方法，利用捕获单元只需要捕获一路转子的当前角位置信号，调节所需驱动信号的脉宽，进而输出三相同步驱动电压，即可稳定地驱动转子同步旋转。本发明实施例提供的可变电容式静电电机的电子换相控制系统和控制方法适用于可变电容式静电电机的转动控制，可减小启动时间并且解决了真空下电机失步问题，实现电机高速、同步转动，并已在硅微静电悬浮电机上得到了实验验证。另外，本发明适用于微机电系统（MEMS）所制备的微米尺度电机转速控制，也适用于传统加工工艺制造的静电电机，不仅可以应用于真空下高速旋转的电机，大气下高速运行的电机也可采用此控制方法。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims

1.一种可变电容式静电电机的电子换相控制方法，其包括以下步骤：

S1：施加驱动电压，转子在t_i时刻开始转动，然后仅提取一路转子的转速信号；

S2：捕获该一路转子转速信号的上升沿，记录该时刻为t_i+1，转速信号周期T_i＝t(_i+1)-t_i，i为整数，设定转速系数k_s∈(0,1]，设定k_s×T_i/3为下一周期驱动电压所需要的脉冲宽度；

S3：分别在t₁、t₂'＝t₁+k_s×T₀/3和t₃'＝t₂'+k_s×T₀/3时刻输出A、B、C三相驱动电压驱动转子高速同步地旋转；

S4：重复上述步骤S2和S3。

2.如权利要求1所述的可变电容式静电电机的电子换相控制方法，其特征在于：在步骤S1中，利用转速/转角检测单元仅提取出一路转速信号，参与电子换相控制。

3.如权利要求2所述的可变电容式静电电机的电子换相控制方法，其特征在于：在步骤S1中，初始激励阶段，三相加转驱动信号以一定的初始激励转速顺次输出一次驱动电压，静止的转子在t_i时刻以低转速开始转动，利用转速/转角检测单元仅提取出一路转速信号。

4.如权利要求3所述的可变电容式静电电机的电子换相控制方法，其特征在于：在步骤S2中，进入闭环快速加转阶段，利用捕获单元捕获转速信号的上升沿，记录该时刻为t₁，测量t₀与t₁时刻的差值，得到T₀，设定转速系数k_s∈(0,1]，计算k_s×T₀/3，将该数值设为下一周期驱动电压所需要的脉冲宽度。

5.如权利要求4所述的可变电容式静电电机的电子换相控制方法，其特征在于：所述转速系数k_s的取值范围为0.5～1。

6.如权利要求4所述的可变电容式静电电机的电子换相控制方法，其特征在于：转速信号周期T_i不断减小，驱动信号周期不断缩短，实现转子高速同步地旋转。

7.一种实现权利要求1～6任意一项所述的可变电容式静电电机的电子换相控制方法的电子换相控制系统，其包括：

一个转速/转角检测单元，该转速/转角检测单元仅用于检测一路转子的转角与转速；

一微控制器，该微控制器用于捕获转子转速信号的上升沿，根据转速控制算法设定转速系数k_s∈(0,1]，计算k_s×T₀/3，将k_s×T₀/3设定为下一周期驱动电压所需要的脉冲宽度；

一输出放大单元，该输出放大单元输出三相驱动信号用于驱动转子旋转。

8.如权利要求7所述的实现可变电容式静电电机的电子换相控制方法的电子换相控制系统，其特征在于：所述微控制器包括依次连接的捕获单元、转速控制单元与驱动信号脉宽调节单元，所述捕获单元用于捕获转子转速信号的上升沿，所述转速控制单元根据转速控制算法设定转速系数k_s∈(0,1]，计算k_s×T₀/3，所述驱动信号脉宽调节单元将k_s×T₀/3设定为下一周期驱动电压所需要的脉冲宽度。