CN207923928U - 回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统，包括DSP、信号发生器、前置放大器、高压放大器和控制合成电路，前置放大器、锁相放大器、DSP、高压放大器、控制合成电路依次连接；前置放大器的I‑V转换电路与微加速度计的质量块连接，用于获取质量块在偏离腔体内平衡位置的六自由度位置变化，送入DSP得出控制电压，经高压放大器后在控制合成电路内与预载电压、信号发生器输出的载波信号叠加，然后施加到相应的控制电极极板上。本实用新型能快速、准确检测质量块的六自由度位置，对质量块偏离零位能有效地进行控制，改善了加速度计的性能指标，对加速度的检测较为准确。

Description

回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统

技术领域

本实用新型涉及微机电系统技术领域中的悬浮式惯性传感技术，具体是回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统。

背景技术

基于MEMS技术的静电悬浮微加速度计，依靠可控的静电力将敏感质量无接触地悬浮在电极腔内，具有体积小、重量轻、成本低、功耗微、易于集成等特点，利用调整偏置电压可按工作要求大范围地调整支承系统的带宽和刚度，有望实现微量程和高分辨率，尤其适用于空间微弱加速度测量和卫星无拖曳控制。可同时实现六自由度加速度高精度测量，包括三个线加速度和三个角加速度。

结合非硅微加工工艺的特点，微加速度计为玻璃-镍-玻璃键合的“三明治”结构，如图1 所示，包括上定子电极、下定子电极和回形质量块。其中，质量块采用回字的薄片结构以提高径向过载能力和支承刚度，定子电极分为四部分：1)沿转子径向内/外侧的各8块悬浮控制电极对，用于约束转子沿径向(X和Y轴)和绕Z轴转动三个自由度运动；2)上/下电极各包含 4对轴向悬浮电极，用于约束转子沿Z轴方向和两个转动自由度的运动；3)在径向和轴向悬浮电极中配置有专门用于位移检测配置的公共电极(径向8块和轴向4块电极)，它们连接在一起。回形质量块为中心正方形镂空孔的回字形形状结构。上下定子结构包括薄膜金属电极、止挡、厚金属结构和引线；回形质量块的方孔内也设置了内侧侧向电极，以提高悬浮质量块的侧向刚度和位移检测灵敏度。径向电极和下悬浮控制电极组成下定子，为使质量块电位保持在零位，对每块检测控制电极的极板都进行等面积拆分，在悬浮时施加幅值相等、相位相反的控制电压，例如将第一悬浮控制电极对拆分成1a和1b电极。具体结构为：在下定子分布轴向悬浮控制电极1a、1b、2a、2b、3a、3b、4a、4b，在上定子分布轴向悬浮电极5a、5b、6a、6b、7a、7b、8a、8b，其中轴向悬浮控制电极1a、1b、3a、3b、5a、5b、7a、 7b控制质量块绕Y轴旋转，轴向悬浮控制电极对2a、2b、4a、4b、6a、6b、8a、8b控制质量块绕X轴旋转，在下定子悬浮控制电极对间隙分布公共电极9a、9b、9c、9d，在上定子悬浮控制电极对之间间隙分布公共电极9e、9f、9g、9h，为避免加速度计受到较大冲击时质量块和下定子电极粘连，在下定子悬浮控制电极对间隙设置四个轴向止档10a、10b、10c、10d，为避免加速度计受到较大冲击时质量块和上定子电极粘连，在上定子悬浮控制电极对之间间隙设置4个轴向止档10e、10f、10g、10h，止档高度略高于悬浮电极。径向电极11a、11b、12a、12b、15a、15b、16a、16b为分布在质量块外侧的X向检测控制电极，径向电极13a、13b、14a、 14b、17a、17b、18a、18b为分布在质量块外侧的Y向检测控制电极，19a、19b、19c、19d为分布在外侧径向电极间隙的公共电极，所有的公共电极在内部用引线连接。20a、20b、20c、 20d为分布在外侧径向控制电极对之间的止档柱，共四个，以避免加速度计受到较大冲击时质量块和外侧电极粘连。径向电极21a、21b、22a、22b、25a、25b、26a、26b为分布在质量块内侧的X向检测控制电极，径向电极23a、23b、24a、24b、27a、27b、28a、28b为分布在质量块内侧的Y向检测控制电极，29a、29b、29c、29d为分布在内侧径向控制电极对之间的止档柱，共四个，以避免加速度计受到较大冲击时质量块和内侧电极粘连。止挡为金属接地，当质量块停在止档柱，释放积累的净电荷。

定子和质量块采用基于UV-LIGA技术加工而成，主要是采用溅射种子层→甩胶→光刻→电镀→去胶→去种子层方法获得电极、引线、支撑柱、质量块等结构。采用微组装和金属键合工艺将上定子、质量块和下定子组装键合获得微加速度计。

由于上述微加速度计结构较为复杂，已有的悬浮控制技术比较难控制质量块回到平衡位置，加速度计的性能指标不够理想。

实用新型内容

为了解决现有技术所存在的问题，本实用新型提供回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统，能快速、准确检测质量块的六自由度位置，对质量块偏离零位能有效地进行控制，改善了加速度计的性能指标，对加速度的检测较为准确。

本实用新型所采用的技术方案如下：回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统，所述微加速度计包括质量块和多个控制电极对，控制系统包括DSP数字信号处理器、信号发生器、前置放大器、移相器、锁相放大器、高压放大器和控制合成电路，信号发生器分别与移相器、控制合成电路连接，移相器与锁相放大器连接，前置放大器、锁相放大器、DSP 数字信号处理器、高压放大器、控制合成电路依次连接；前置放大器包括相连接的I-V转换电路和放大器，I-V转换电路与微加速度计的公共电极连接；

当有外加速度输入时，I-V转换电路获取质量块在偏离腔体内平衡位置的六自由度位置变化，再通过信号放大、锁相放大器后获得直流信号，再通过6路A/D转换器送入DSP数字信号处理器，再根据设计在DSP内的数字PID控制器计算出对应的六路控制信号；数字PID控制器输出的六路控制信号经过运算后获得8路控制电压，通过D/A转换后获得直流控制电压，再经过高压放大器分别进行同相和反相放大K倍生成16路控制电压；在控制合成电路内，16路控制电压经过放大器转换成等量异号电压后与预载电压、信号发生器输出的载波信号叠加，然后施加到相应的控制电极对上。

优选地，所述信号发生器包括单片机、直接数字频率合成单元和两路带通滤波器，直接数字频率合成单元(DDS)分别与单片机、两路带通滤波器连接，其中一路带通滤波器与移相器连接，另一路带通滤波器与微加速度计的控制合成电路连接。所述单片机为单片机89C51。

优选地，所述锁相放大器包括乘法器和低通滤波器(LPF)，乘法器与前置放大器连接，低通滤波器(LPF)与DSP数字信号处理器连接。

优选地，所述回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统还包括与DSP连接的上位机(PC)。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型技术方案通过I-V转换电路检测质量块的六自由度位置变化信息，经放大等处理后输入到DSP中进行处理，得到相应的控制电压；控制电压经高压放大器放大后，在控制合成电路内与预载电压、信号发生器所产生的载波信号进行叠加，施加到相应的控制电极极板上；因而，当受到外界加速度作用，质量块偏离零位时，通过本实用新型能获得输出控制电压施加在相应的控制电极对上，产生相应的力和力矩，使质量块回到零位；而控制电压反映加速度大小，可方便通过控制电压计算出加速度的值，改善了加速度计的性能指标，对加速度的检测较为准确。

附图说明

图1为加速度计结构原理图；

图2为单路悬浮控制系统框图；

图3为本实用新型的控制原理框图；

图4是悬浮检测控制电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

在本实用新型中，静电悬浮六自由度微加速度计的主要控制原理为力平衡原理和力矩平衡原理：在轴向和径向控制电极对上施加等量异号电压，使质量块悬浮在零位。为了检测质量块六自由度位置，本实用新型在轴向和径向控制电极对上再叠加检测线位移和角位移的多路载波电压，通过质量块耦合到公共电极，在公共电极上得到质量块六自由度位置微弱电流信号，再通过放大、滤波、相敏解调得到直流电压信号，通过控制器A/D转换获得线位移和角位移信号；当受到外界加速度作用，质量块偏离零位，通过本实用新型控制系统可获得8路输出控制电压，通过计算获得16路控制电压施加在相应控制电极对上，产生相应的力和力矩，使质量块回到零位，8路控制电压反映六自由度加速度大小。

参见图2，本实用新型整个悬浮控制系统包括DSP数字信号处理器、多频率多路载波信号发生器、前置放大器、移相器、锁相放大器、高压放大器和控制合成电路。

多频率多路载波信号发生器包括单片机、直接数字频率合成单元(DDS)和两路带通滤波器(BPF)，其中一路带通滤波器与移相器连接，另一路带通滤波器与控制合成电路连接。单片机与直接数字频率合成单元连接，所产生的信号经过带通滤波器(BPF)后去除噪声，进行载波叠加后与直流电压叠加施加在微加速度计的控制合成电路上。

前置放大器包括相连接的I-V转换电路和放大器，I-V转换电路与公共电极连接，以获取质量块的六自由度位置变化信息，放大器与锁相放大器连接。锁相放大器包括乘法器和低通滤波器(LPF)，乘法器的一个输入为前置放大器，另外一个输入为移相器，低通滤波器(LPF) 与DSP数字信号处理器A/D连接。DSP数字信号处理器包括6路A/D转换电路和6路D/A转换电路，通过A/D转换电路将质量块的六自由度位置信息转换成数字信号后进行处理得出控制量，再通过D/A转换电路输出8路控制电压。

本实用新型控制系统还包括与DSP连接的上位机(PC)。可利用VC编写上位机程序，实现数据动态显示，存储等功能，编写DSP下位机控制程序对质量块位置进行闭环控制，进行加速度计性能测试，如起支、加速度响应、静态性能、动态性能测试，获得加速度计相关性能指标。

设输入上定子轴向控制电极对载波信号分别为ACIA、AC2A、AC3A、AC4A，相对应的下定子轴向控制电极对载波信号分别为AC1B、AC2B、AC3B、AC4B，施加在X向径向控制电极对上的载波信号分别为AC5A、AC6A、AC5B、AC6B，施加在Y向径向控制电极对上的载波信号分别为AC7A、 AC8A、AC7B、AC8B，如图4。

AC1A＝-Eθ+EZ AC2A＝+Eφ+EZ AC3A＝Eθ+EZ AC4A＝-Eφ+EZ

AC1B＝Eθ-EZ AC2B＝-Eφ-EZ AC3B＝-Eθ-EZ AC4B＝+Eφ-EZ

式(1)中，EX、EY、EZ、Eφ、Eφ分别为频率不同的载波信号，AC1A～AC4A和AC1B～AC4B 分别为叠加在轴向控制电极对的载波信号，AC5A～AC8A和AC5B～AC8B分别为叠加在径向控制电极对的载波信号。则经过前置级后输出电压如式(2)所示：

式(2)中：R为前置级反馈电阻，C为公共电极电容，Cor、Co分别为径向和轴向名义电容，ΔX、ΔY、ΔZ、Δθ、Δφ、Δφ分别为微位移引起的无量纲量。

从式(2)可以看出，输出电压包含各频率调幅的微位移信号，其相位变化90度，它经过放大后分别与移相90度后的各相关载波参考信号进行同步解调、低通滤波以恢复原信号，可以得到质量块的六自由度位置信号。

本实用新型的控制原理如图3所示，当有外加速度输入时，I-V转换电路获取质量块在偏离腔体内平衡位置的六自由度位置变化，并通过6路A/D转换器送入DSP数字信号处理器，再根据设计在DSP内的数字PID控制器计算出对应的六路控制信号,分别是Z向控制电压U_z、X向控制电压U_x、Y向控制电压U_y、绕X轴旋转控制电压U_φ、绕Y轴旋转控制电压U_θ和绕Z轴旋转控制电压经过式(3)所示运算获得Z向控制电压U_z1～U_z8：

再和预载电压U_b相加后得到Z向悬浮控制电极对的控制电压，控制悬浮质量块Z向位移和绕 X、Y轴转动。经过式(4)所示运算获得X向控制电压U_x1～U_x4：

再分别和预载电压U_b相加获得X向悬浮控制电极对控制电压，控制悬浮质量块X向位移和绕 Z轴旋转。经过式(5)所示运算获得Y向控制电压U_y1～U_y4：

再分别和预载电压U_b相加获得Y向悬浮控制电极对控制电压，控制悬浮质量块Y向位移和绕 Z轴旋转。

悬浮检测控制原理如图4所示，数字PID控制器输出的6路控制信号经过运算后获得8路控制电压，再经过高压放大器分别进行同相和反相放大K倍后生成16路控制电压。在控制合成电路内，16路控制电压经过放大器转换成等量异号电压后与预载电压、信号发生器输出的载波信号叠加，然后施加到相应的控制电极对上，通过静电力使质量块回到平衡位置，实现闭环控制。六自由度控制器输出的控制电压反映输入加速度的大小。通过式(6)获得输入加速度 a_x、a_y、a_z、a_φ、a_θ、的大小：

其中k_x、k_y、k_z为线加速度的标定系数，η_φ、η_θ、为角加速度的标定系数。

如上所述，便可较好地实现本实用新型。

Claims (5)

1.回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统，所述微加速度计包括质量块和多个控制电极对，其特征在于，所述悬浮控制系统包括DSP数字信号处理器、信号发生器、前置放大器、移相器、锁相放大器、高压放大器和控制合成电路，信号发生器分别与移相器、控制合成电路连接，移相器与锁相放大器连接，前置放大器、锁相放大器、DSP数字信号处理器、高压放大器、控制合成电路依次连接；前置放大器包括相连接的I-V转换电路和放大器，I-V转换电路与微加速度计的公共电极连接。

2.根据权利要求1所述的回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统，其特征在于，所述信号发生器包括单片机、直接数字频率合成单元和两路带通滤波器，直接数字频率合成单元分别与单片机、两路带通滤波器连接，其中一路带通滤波器与移相器连接，另一路带通滤波器与微加速度计的控制合成电路连接。

3.根据权利要求2所述的回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统，其特征在于，所述单片机为单片机89C51。

4.根据权利要求1所述的回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统，其特征在于，所述锁相放大器包括乘法器和低通滤波器LPF，乘法器与前置放大器连接，低通滤波器LPF与DSP数字信号处理器连接。

5.根据权利要求1所述的回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统，其特征在于，所述回形质量块静电悬浮六自由度微加速度计悬浮控制系统还包括与DSP连接的上位机。