六轴静电悬浮微加速度计的控制系统研究

【摘要】：静电悬浮微加速度计(Electrostatically Suspended Micro-machined Accelerometer,ESMA)可以测量微小的位移、加速度和极微小的力,而且在空间微重力环境中也能进行精确的测量,用来测量空间飞行器的振动和非保守力。将静电悬浮加速度计组装成重力梯度仪,可以用于空间重力梯度的探索和研究。而采用MEMS技术设计加工的静电悬浮微加速度计可以将微结构和电路集成为芯片,是一种具有良好发展前景的MEMS惯性传感器;这方面的研究工作已得到美、日、英等国的重视,随着我国空间技术的进一步发展,静电加速度计在我国将会有更广阔的应用空间。 实现静电悬浮加速度计的关键技术主要包括仿真设计技术、微机械精密制造加工技术、微小电容变化检测技术、质量块的稳定悬浮控制技术、噪声测量、环境模拟测量以及高精度加速度计灵敏度标定等。本课题着眼于静电悬浮微加速度计的设计和实现,设计出了能同时进行六自由度高精度测量的加速度计,包括三个线加速度和三个角加速度。本文主要的研究内容是控制系统的设计和分析,包括控制模型的设计和仿真,微小电容检测技术和基于数字信号处理器(DSP)的控制系统的实现。本文的主要研究内容如下: 首先,介绍了静电悬浮加速度计的器件结构和工作原理包括加速度计的电容分布和器件动力学方程。采用了传统的线性雷诺方程推导了微加速度计的空气阻尼系数的大小,为控制模型的建立和仿真提供了理论指导的参考数据。 其次,介绍了两种不同的控制模型:模糊-PID控制算法和PID控制算法。同时还采用了集中控制和非集中控制两种方式实现六轴加速度的同步测控,用于提高控制系统的工作效率。 最后,为实现对静电悬浮加速度计的闭环控制,设计了适用于数字信号处理器的控制器,并在DSP28335平台上使用该控制器对器件实行闭环反馈控制。六轴静电悬浮加速度计需要同时对多个通道进行数据的读取和写入,为了克服DSP28335自带的A/D、D/A转换器通道数不足和精度不高的缺点,实验采用了外扩的A/D、D/A芯片:AD7656和AD7835。通过汇编语言和C语言对对外设的A/D、D/A芯片进行编程应用,实现7通道测量数据和14通道反馈数据的同步读写,实现了控制器的多通道同时控制。