CN112003584A - 一种基于时滞反馈的微谐振器控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于时滞反馈的微谐振器控制系统，目的在于提高微谐振器稳定性，包括稳压模块、放大电路模块、时滞反馈模块和信号调理模块。稳压模块，用于保证系统输入电压的稳定性，避免微谐振器因驱动电压因外界干扰产生波动，导致微结构发生意外吸合；放大电路模块，用于放大输出信号以及过滤低频噪声的干扰；时滞反馈模块，用于对输出信号进行延时和适当的放大从而实现对微谐振器镇定驱动电压的不稳定振荡；信号调理模块，用于在采集和发射信号的过程中实现数字信号与电信号的相互转换。
Description
技术领域
本发明涉及微谐振器控制领域，特别涉及一种基于时滞反馈的微谐振器控制系统，属于闭环主动控制系统。
背景技术
微谐振器是MEMS器件中的一种典型动态结构，例如射频器件中的微机械谐振天线和微机械滤波器中都含有微谐振器，它可以实现机械能和其他能量的反复转换，所以作为传感器和作动器被广泛应用，如航天工程和国防中的惯性导航、地震探测系统、民用消费电子以及汽车自动驾驶等领域，应用装置有可触控移动浏览界面、以及手机倾角发生变化时图片在横屏和竖屏之间切换跟随适应屏幕，还有计步器、个人惯性导航、防撞击保护器等装置中也使用了微谐振器。国外已经广泛地把微谐振器运用到电子设备、生物医疗、航空航天等领域中，实现微米精度制造。微谐振器近些年在国内也成为了热点课题，并且被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》面向国家重大战略需求基础研究之一，未来必然成为主导相关领域发展的核心，具有广阔的发展空间。
微谐振器以其体积小、重量轻、功耗低、灵敏度高等特点，在高精度和高灵敏度以及微量检测领域具有传统谐振器无法替代的地位。但是，其结构上存在吸合不稳定的缺点，在已经确定设计参数的条件下，初始条件受到扰动后发生轻微的变化会导致微结构从原本的不吸合状态突变为吸合，这种不稳定效应会影响系统的动态性能，使谐振器无法正常工作，甚至导致振子的结构破坏。微谐振器根据结构不同可分为梳齿型谐振器、圆盘谐振器、梁式谐振器、体声波谐振器等，本发明以一类梳齿型静电谐振器为例对发明内容进行阐述。
如何避免微结构的吸合不稳定效应是提高微谐振器稳定性的关键，解决这一问题的研究手段可归结为优化器件结构和施加控制系统两类，其中结构优化是通过充分考虑各个变量的耦合关系以及非线性因素来优化动极板和定极板的形状、材质以及加工工艺，在振动过程中减少干扰产生，从而提高谐振器稳定性。此类手段虽然可以有效提高微谐振器稳定性，但是操作难度大，并且对于已经制造好的成品无效。目前已有的控制手段主要为在结构上直接添加控制装置和添加外部控制电路两种，在微结构上直接添加控制装置会引起结构形变，使得谐振器的动力学行为更加复杂，无法保证控制效果；电路控制主要为通过添加移相电路使得振动位移与驱动力的匹配度增高提高系统稳定性，控制效果明显但设计参数调整困难。也有学者将鲁棒自适应控制算法、二阶快速终端滑模控制以及模糊控制应用到微谐振器稳定性控制中。本发明通过对比已有控制手段的优缺点，将对振动现象有明显调控作用的时滞控制应用到梳齿型电容微谐振器吸合不稳定控制中，提出一种施加于微谐振器驱动电路的时滞反馈控制系统。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于时滞反馈的微谐振器控制系统，有效抑制微结构吸合不稳定发生，提高系统稳定性。
为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于时滞反馈的微谐振器控制系统，与微谐振系统配合使用，包括稳压模块、放大电路模块、时滞反馈模块和信号调理模块，其中：
所述稳压模块的输入端与所述信号调理模块的输出端电接，其输出端与所述放大电路模块的输入端电接，用于保证系统输入电压的稳定性，避免微谐振器因驱动电压因外界干扰产生波动，导致微结构发生意外吸合；
所述放大电路模块的输入端与所述稳压模块的输出端电接，其输出端与所述微谐振系统的输入端电接，用于放大输出信号以及过滤低频噪声的干扰；
所述时滞反馈模块的输入端与所述微谐振系统的输出端电接，其输出端与所述信号调理模块的输入端电接，用于对输出信号进行延时和适当的放大从而实现对微谐振器镇定驱动电压的不稳定振荡；
所述信号调理模块的输入端与所述时滞反馈模块的输出端电接，其输出端与所述稳压模块的输入端电接，用于在采集和发射信号的过程中实现数字信号与电信号的相互转换。
进一步的，所述信号调理模块由A/D转换器和微处理器组成，其中：
所述A/D转换器，用于模拟信号与数字信号相互转换；
所述微处理器，用于调节不稳定波形进而消除内部干扰。
优选的，所述微处理器采用数字调频器。
进一步的，所述时滞反馈模块有反馈增益系数G和时滞量τ两个独立设计参数，用于当时滞量调节存在困难或者达不到控制效果时调节反馈增益进行补偿。
进一步的，所述微谐振器控制系统采用单通道控制，时滞反馈为：
G(u(t-τ)-u(t))
其中，u是一个变量，即可表示位移x，也可表示速度v，u(t)表示变量u当前时刻的状态，u(t-τ)为τ时刻前u的状态，根据被检测量的不同，时滞反馈可任意切换成时滞速度反馈或时滞位移反馈，通过对直流偏置电压进行补偿，将补偿电压与初始电压线性叠加，达到控制目的。
进一步的，所述微谐振器控制系统采用simulink模型进行仿真，模型的检测变量为位移或速度，位移直观反映了振子振动过程，速度反应了位移变化快慢，根据需求选择二者作为反馈环节输入信号，通过调节反馈增益和时滞量，使得时滞反馈能够更加准确的对直流偏置电压进行补偿，从而增强控制器有效性。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明公开了一种基于时滞反馈控制的微谐振器控制系统，通过引入时滞反馈控制对微谐振器驱动电压中直流偏置电压进行调整，提高微谐振器稳定性。系统作用于驱动电路中，由稳压、放大、信号调理和时滞反馈四个模块组成。其中，微谐振器的被检测信号为位移和速度两个数字信号，根据需求将二者输入时滞反馈控制模块，通过调节该模块的时滞量和反馈增益得到稳定的数字驱动信号，并经过信号调理和放大、稳压三个模块后，将数字信号转化为稳定的电压信号作用到驱动电压端口上，通过补偿直流偏置电压来抑制微结构吸合不稳定，提高微谐振器稳定性。该控制系统通过调节时滞量和反馈增益两个独立设计参数抑制微结构吸合不稳定发生,有效提高微器件的谐振稳定性和安全性，相较于在机械结构上施加控制装置、增加驱动和检测模态自由度固有频率匹配度的移相电路等已有的控制方法，本发明还具有操作简便且稳定性强的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1是本发明一类梳齿型微谐振器机构图；
图2是本发明梳齿型谐振器动力学原理图；
图3是本发明时滞反馈控制系统结构图；
图4是本发明添加时滞反馈控制的梳齿型微谐振器系统结构示意图；
图5是本发明基于时滞反馈的微谐振器控制系统稳压电路图；
图6是本发明基于时滞反馈的微谐振器控制系统时滞电路图；
图7是本发明基于时滞反馈的微谐振器控制系统信号放大电路图；
图8是本发明基于时滞反馈的微谐振器控制系统simulink模型图。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明针对微谐振器的吸合不稳定效应提出一种闭环主动控制—基于时滞反馈的微谐振器控制系统，对驱动电路施加控制，以一类梳齿型电容微谐振器为例阐述本发明如何有效抑制微结构吸合不稳定发生，提高系统稳定性。
具体的，本实施例公开了一种基于时滞反馈的微谐振器控制系统，与微谐振系统配合使用，包括稳压模块、放大电路模块、时滞反馈模块和信号调理模块，其中：
所述稳压模块的输入端与所述信号调理模块的输出端电接，其输出端与所述放大电路模块的输入端电接，用于保证系统输入电压的稳定性，避免微谐振器因驱动电压因外界干扰产生波动，导致微结构发生意外吸合；当直流电压不稳定发生突变时会引起惯性效应导致极板吸合，这种吸合不稳定效应不论在谐振器作为微开关还是传感器工作时都不被期望出现，因此设计稳压模块，确保微谐振器的驱动电压恒稳，避免了微谐振器因电压不稳定无法正常工作的情况发生。
所述放大电路模块的输入端与所述稳压模块的输出端电接，其输出端与所述微谐振系统的输入端电接，用于放大输出信号以及过滤低频噪声的干扰；
所述时滞反馈模块的输入端与所述微谐振系统的输出端电接，其输出端与所述信号调理模块的输入端电接，用于对输出信号进行延时和适当的放大从而实现对微谐振器镇定驱动电压的不稳定振荡；
所述信号调理模块的输入端与所述时滞反馈模块的输出端电接，其输出端与所述稳压模块的输入端电接，用于在采集和发射信号的过程中实现数字信号与电信号的相互转换。本实施例中，信号传输过程中势必会因外界干扰产生低频信号，例如含有微谐振器的计步器装置，该装置是根据设备倾角的变化来检测步数，在行进过程中容易受周围磁场和自身电流的影响产生干扰，影响信号传输精度，因此设计放大电路模块和信号调理模块，信号调理模块中含有高通滤波器可以过滤掉低频噪声，将检测信号输入信号调理和放大模块后经过两级放大，提取高频信号输入稳压模块，对初始驱动电压进行补偿，调整极板间静电力大小，抑制结构上的吸合不稳定，完成两参数可调节的闭环主动控制过程。
本实施例中，微谐振器结构体积小，相对面积较大，在结构上直接加载控制装置容易引起微结构形变，因此本发明选择借助结构外能量来实现微谐振器动力学性能控制，提高微谐振器稳定性。
进一步的，所述信号调理模块由A/D转换器和微处理器组成，其中：
所述A/D转换器，用于模拟信号与数字信号相互转换；
所述微处理器，用于调节不稳定波形进而消除内部干扰。
优选的，所述微处理器采用数字调频器。
进一步的，所述时滞反馈模块有反馈增益系数G和时滞量τ两个独立设计参数，用于当时滞量调节存在困难或者达不到控制效果时可以通过调节反馈增益进行补偿，控制器由于参数调整简便，方便设备的安装调试，具有广泛的设计和使用空间。
进一步的，所述微谐振器控制系统采用单通道控制，抗干扰性强，根据反馈量的不同，可以是时滞位移反馈控制，也可是时滞速度反馈控制，在微谐振器的设计和性能控制领域都有广阔的应用前景。本实施例中，时滞反馈为：G(u(t-τ)-u(t))
其中，u是一个变量，即可表示位移x，也可表示速度v，u(t)表示变量u当前时刻的状态，u(t-τ)为τ时刻前u的状态，根据被检测量的不同，时滞反馈可任意切换成时滞速度反馈或时滞位移反馈，通过对直流偏置电压进行补偿，将补偿电压与初始电压线性叠加，达到控制目的。本实施例中，控制系统的检测信号为微谐振器的速度或位移，时滞反馈模块是利用检测信号的一部分经延迟时间后返回谐振器的输入电压端口对直流偏置电压进行调节来实施控制，模块中除时滞量外，还添加了反馈增益，两个独立设计参数均可直接调节，当器件应用到产品中后，例如汽车的导航定位装置，方便设备的安装调试，使得控制更加有效。
进一步的，所述微谐振器控制系统采用simulink模型进行仿真，模型的检测变量为位移或速度，位移直观反映了振子振动过程，速度反应了位移变化快慢，根据需求选择二者作为反馈环节输入信号，通过调节反馈增益和时滞量，使得时滞反馈能够更加准确的对直流偏置电压进行补偿，从而增强控制器有效性。本实施例中，simulink模型是按照微谐振器工作原理，充分考虑各变量之间耦合关系设计出的高精度模型，能够充分模拟微谐振器工作过程。通过仿真谐振器的工作过程得到位移和速度两个检测变量，其中位移直观反映了振子的震荡过程，速度反应了位移变化的快慢，根据不同的需求选择二者作为反馈环节输入信号，经时滞控制后返回到直流偏置电压端口，时滞量和反馈增益均为可调节的独立设计参数，通过简便的方法补偿直流偏置电压，从而抑制微结构发生吸合不稳定。该模型可直观反映控制器的调节过程以及控制结果，并且可以储存仿真过程中所有的数据信息，便于微执行器与外界发生作用，完成特定输出功能，为实物实验提供可靠基础。
以下将结合本发明的附图，对本发明实施中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论。
当在谐振器的驱动端口施加驱动电压后，极板间产生静电力，梳齿间电荷的相互作用使得动静极板吸引或排斥，形成往复运动，微谐振器开始振动。基于此种驱动原理，动极板会由于初始条件轻微波动产生过度振荡，在本不应该吸附时吸附到定极板上，微谐振器尺度在微米量级，一旦发生吸合动极板无法自主脱离定极板导致谐振器停止振动。本发明针对微谐振器的吸合不稳定效应提出一种非接触性闭环主动控制—基于时滞反馈的微谐振器控制系统。
图1为一类梳齿型电容微谐振器机构图，(1)为锚点用来固定定极板使其与微谐振器主体保持相对静止，(2)和(4)为梳状上下动极板跟随外界感测激励振动，谐振器是利用谐振器件间的共振特性进行传感测量和信号处理。
图2为一类梳齿型传感器的动力学原理图，当在谐振器的动静极板上分别施加交流驱动电压VDF和直流偏置电压VE后，极板间电荷发生变化产生静电力，动极板在x方向发生位移d，极板间距发生变化又反过来引起静电力的变化，动极板开始振动。直流电压主要作用有两个方面，一是保证交流电压频率在谐振器固有频率附近时，使系统发生谐振响应，驱动谐振器工作；二是调节谐振频率。时滞反馈G(u（t-τ)-u(t))中的u是一个变量，即可表示位移x，也可表示速度v，u(t)表示变量u当前时刻的状态，u(t-τ)为τ时刻前u的状态，根据被检测量的不同，时滞反馈可任意切换成时滞速度反馈或时滞位移反馈，对直流偏置电压进行补偿，将补偿电压与初始电压线性叠加，通过调节谐振频率抑制结构上的吸合不稳定效应，以此达到控制目的。VRXW为输出电压，可以经过线性变化表示出微谐振器检测的外部信号。
图3所示为微谐振器时滞反馈控制原理图，由稳压、放大、信号调理和时滞反馈四个模块组成。根据系统状态自相似的原理提出时滞控制，利用时滞反馈信号近似不稳定周期解的方法提高系统稳定性，并将信号经过一系列整定反馈至输入端口，形成闭环控制。
建立加时滞反馈后的动力学模型并转换为状态方程。根据状态方程设计出的simulink模型如图8所示，该模型是一种简化后的有效模型，可以准确反映系统的工作特性。时滞环节的时滞量和反馈增益两个参数可独立调节，通过输出波形的幅值和频率印证时滞反馈控制对微谐振器过度振荡导致的极板间吸合不稳定有明显抑制。
控制系统在结构上可以如图4时滞反馈控制梳齿型微谐振器系统结构示意图所示形式表示出来：
系统通过将检测到的微谐振器位移和速度信号输入时滞反馈，得到一部分经过时间延迟的位移或速度信号，D/A转换模块将该数字信号转换成电压信号，再依次经过电压带通滤波器、放大模块后输出整定后的驱动信号对直流偏置电压加以补偿，实现对谐振器的维稳功能。
由于驱动电压的稳定性对谐振器正常运作影响较大，直流电压波动会使振子在运动过程中因惯性效应产生吸合，当微谐振器被用作微开关时，吸合效应被期望发生，但由于电压突变导致吸合不稳定，使得微开关在非吸合条件下意外吸合的状况不被期望。因此控制系统包含稳压模块，为了减少元器件之间的磁场干扰，稳压模块选用如图5所示的稳压电路，利用放大器中MOSFET的阻抗随着电压的波动而变化的特点，抑制电压的波动，从而达到稳压的效果。时滞反馈部分如图6所示，选择NE555系列芯片连接延时输出电路，NE555定时器成本低，结构简单，性能可靠，它内部含有两个电压比较器、三个放电管、一个RS触发器以及三个等值串联电阻，时间调节范围在0s-256s之间，当定时器接通电源开始工作后，电容两端电压不能发生突变，定时器的“2”管脚和“6”管脚为低电平，“3”管脚输出高电平，继电器常开接点闭合计时开始。计时结束时，“3”管脚高电平变低电平继电器常闭接点处于闭合状态，信号开始输出。为了防止信号传输过程受噪声和外界干扰，采用运算放大器虚短虚断原理，对信号分两级滤波放大，放大电路具体结构如图7所示，兼顾信号调理作用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于时滞反馈的微谐振器控制系统，与微谐振系统配合使用，其特征在于，包括稳压模块、放大电路模块、时滞反馈模块和信号调理模块，其中：
所述稳压模块的输入端与所述信号调理模块的输出端电接，其输出端与所述放大电路模块的输入端电接，用于保证系统输入电压的稳定性，避免微谐振器因驱动电压因外界干扰产生波动，导致微结构发生意外吸合；
所述放大电路模块的输入端与所述稳压模块的输出端电接，其输出端与所述微谐振系统的输入端电接，用于放大输出信号以及过滤低频噪声的干扰；
所述时滞反馈模块的输入端与所述微谐振系统的输出端电接，其输出端与所述信号调理模块的输入端电接，用于对输出信号进行延时和适当的放大从而实现对微谐振器镇定驱动电压的不稳定振荡；
所述信号调理模块的输入端与所述时滞反馈模块的输出端电接，其输出端与所述稳压模块的输入端电接，用于在采集和发射信号的过程中实现数字信号与电信号的相互转换。
2.根据权利要求1所述的一种基于时滞反馈的微谐振器控制系统，其特征在于，所述信号调理模块由A/D转换器和微处理器组成，其中：
所述A/D转换器，用于模拟信号与数字信号相互转换；
所述微处理器，用于调节不稳定波形进而消除内部干扰。
3.根据权利要求2所述的一种基于时滞反馈的微谐振器控制系统，其特征在于，所述微处理器采用数字调频器。
4.根据权利要求1所述的一种基于时滞反馈的微谐振器控制系统，其特征在于，所述时滞反馈模块有反馈增益系数G和时滞量τ两个独立设计参数，用于当时滞量调节存在困难或者达不到控制效果时调节反馈增益进行补偿。
5.根据权利要求4所述的一种基于时滞反馈的微谐振器控制系统，其特征在于，所述微谐振器控制系统采用单通道控制，时滞反馈为：
G(u(t-τ)-u(t))
其中，u是一个变量，即可表示位移x，也可表示速度v，u(t)表示变量u当前时刻的状态，u(t-τ)为τ时刻前u的状态，根据被检测量的不同，时滞反馈可任意切换成时滞速度反馈或时滞位移反馈，通过对直流偏置电压进行补偿，将补偿电压与初始电压线性叠加，达到控制目的。
6.根据权利要求1所述的一种基于时滞反馈的微谐振器控制系统，其特征在于，所述微谐振器控制系统采用simulink模型进行仿真，模型的检测变量为位移或速度，位移直观反映了振子振动过程，速度反应了位移变化快慢，根据需求选择二者作为反馈环节输入信号，通过调节反馈增益和时滞量，使得时滞反馈能够更加准确的对直流偏置电压进行补偿，从而增强控制器有效性。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102944230A (zh) * | 2012-11-14 | 2013-02-27 | 浙江大学 | 一种可调谐微机械陀螺的恒频驱动方法及其装置 |
| CN104596496A (zh) * | 2015-01-26 | 2015-05-06 | 上海应用技术学院 | 自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统 |
| JP2018087829A (ja) * | 2018-03-01 | 2018-06-07 | 株式会社日立製作所 | 加速度センサ |
| CN109029409A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-12-18 | 浙江大学 | 一种可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法及其装置 |
-
2020
- 2020-08-28 CN CN202010885984.1A patent/CN112003584B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102944230A (zh) * | 2012-11-14 | 2013-02-27 | 浙江大学 | 一种可调谐微机械陀螺的恒频驱动方法及其装置 |
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| CN109029409A (zh) * | 2018-06-15 | 2018-12-18 | 浙江大学 | 一种可调谐栅结构微机械陀螺中的参量放大方法及其装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 李伟雄: "双驱动双检测微陀螺刚度非线性下的动力学特性及其时滞反馈研究", 知网 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112003584B (zh) | 2024-01-26 |
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|---|---|---|---|
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