硅微静电电机的悬浮系统研究

【摘要】：静电悬浮微电机是一种集合静电支承技术与微机电系统制造技术的微型执行器,采用基于静电悬浮的无接触支承可消除传统机械接触式轴承产生的摩擦力矩,延长电机寿命。静电悬浮电机的主要应用包括多轴静电加速度计/角速率陀螺、光开关等。 本论文设计了一种基于五自由度静电悬浮、可变电容驱动原理、体硅加工工艺的硅微静电电机,电机采用环形硅转子以提高径向过载能力。本文重点阐述、分析了静电悬浮系统的设计,并介绍了电机转子加转原理,主要工作包括: 介绍了静电悬浮微电机系统的原理与组成,推导了“轴向四对电极”与“轴向三对电极”两种电机微结构的差动电容、静电力与静电力矩的数学模型,分析了支承系统在各自由度上的负刚度特性及静态过载能力。 研制了一种基于频分复用原理的差动电容式微位移检测电路,可检测环形转子在六个自由度上的运动,位移检测所需的正弦载波由基于直接数字合成(DDS)技术的正弦波发生器提供,频率分辨率可达0.186Hz。测试表明,检测灵敏度可达23.3V/pF,通频带为10.58kHz,零位稳定性优于0.1mV/h。 分析了各自由度支承系统的控制模型,仿真分析了支承系统的开环、闭环频率特性。仿真表明,五自由度静电支承系统的闭环带宽范围为1.1kHz～1.47kHz ,轴向动态刚度大于7.58×10~2N/m,径向动态刚度大于10.96N/m。搭建了频分复用式的静电悬浮支承系统的实验平台,完成了支承系统的位移检测、静电加力、静电激励调试实验。