閉環(huán)電路開題報(bào)告

1、附件b： mems諧振器件閉環(huán)控制研究 開題報(bào)告1、 課題的目的及意義1.1課題背景 機(jī)械系統(tǒng)(mems)是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的新興的科技領(lǐng)域，它以微電子及微機(jī)械加工技術(shù)為依托，涉及微電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動(dòng)控制學(xué)、材料科學(xué)等多種工程技術(shù)和學(xué)科。為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了新的技術(shù)平臺(tái)。mems器件和系統(tǒng)由于具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異、機(jī)電一體化、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此在航天、航空、汽車、生物醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。mems諧振器件的特點(diǎn)是直接輸出頻率信號(hào)，即準(zhǔn)數(shù)字輸出、抗干擾能力強(qiáng)，可以微電路集成在一個(gè)芯片上，并便于和數(shù)字處理器件接口

2、等。與低q-值的lc諧振電路不同，mems諧振器的q-值高，穩(wěn)定性好。mems諧振器件的閉環(huán)控制是提高其性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，本課題根據(jù)mems諧振器件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的閉環(huán)控制電路，使諧振器件能以穩(wěn)定的頻率和振幅振動(dòng),即器件在上電后便能起振，并維持穩(wěn)定的諧振狀態(tài)。12課題目的本課題在了解mems諧振器件的工作原理的基礎(chǔ)之上，提出一種閉環(huán)控制的方案。利用matlab對諧振器件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，建立閉環(huán)控制模型。并對電路進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化。搭建實(shí)現(xiàn)電路，完成調(diào)試和測試，以實(shí)現(xiàn)對mems諧振器件的閉環(huán)控制。13國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)外有較多的關(guān)于閉環(huán)控制的報(bào)道，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的方案也各不相同。2006年東南大學(xué)

3、王存超等報(bào)道了一種微振動(dòng)陀螺的閉環(huán)自激驅(qū)動(dòng)方案5。要實(shí)現(xiàn)自激振蕩，閉環(huán)系統(tǒng)必須滿足幅值和相位條件：（1）閉環(huán)系統(tǒng)的環(huán)路增益大于或等于l；（2）環(huán)路相移為2的整數(shù)倍。陀螺自激驅(qū)動(dòng)方式的模塊如圖 1所示，其中包含了電流電壓轉(zhuǎn)換電路、自動(dòng)增益控制（agc）電壓產(chǎn)生電路和可變增益放大電路三個(gè)模塊。在電路中通過自動(dòng)增益控制，可以使驅(qū)動(dòng)振動(dòng)在驅(qū)動(dòng)模態(tài)固有頻率上自激驅(qū)動(dòng)。圖1 自激驅(qū)動(dòng)模塊2010年中國科學(xué)院電子所報(bào)道了電磁激勵(lì)諧振式mems壓力傳感器的閉環(huán)控制方案11，其閉環(huán)控制原理圖如圖2所示。該方案采用檢測速度諧振頻率的方法設(shè)計(jì)了一種“零相移”的閉環(huán)控制電路，該閉環(huán)控制電路無需移相網(wǎng)絡(luò)，具有自動(dòng)增益控

4、制功能。且設(shè)計(jì)了限幅環(huán)節(jié)對閉環(huán)電路進(jìn)行控制，以保證起振后系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。圖2 自激振蕩式傳感器閉環(huán)控制原理2010年西北工業(yè)大學(xué)報(bào)道了一種高幅值穩(wěn)定性的微機(jī)械陀螺儀閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方案 12。方案如圖3所示，其中agc模塊來穩(wěn)定陀螺驅(qū)動(dòng)模塊輸出信號(hào)的幅度。然而，agc技術(shù)線性工作范圍小，相角條件和增益條件相互耦合等因素，迫使整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的帶寬受到較大限制，并且不能對相角、增益進(jìn)行單獨(dú)的優(yōu)化。根據(jù)自激振蕩振幅穩(wěn)定性理論，將相角和增益解耦，以獲得幅值最佳狀態(tài)的參數(shù)。圖3 閉環(huán)驅(qū)動(dòng)框圖2006年lili dong等報(bào)道了針對mems陀螺的模擬式自適應(yīng)控制方案16.自適應(yīng)的模型如圖5所示。圖4敏感軸自適應(yīng)控

5、制框圖2007年東南大學(xué)王存超等報(bào)道了一種基于自適應(yīng)控制的硅微振動(dòng)陀螺儀驅(qū)動(dòng)電路14，硅微振動(dòng)陀螺儀的自適應(yīng)調(diào)諧原理如圖6所示。輸入信號(hào)的頻率由設(shè)計(jì)者選定 (與陀螺的驅(qū)動(dòng)固有頻率相差不能太大 )，陀螺儀驅(qū)動(dòng)在反饋環(huán)路中， 反饋系數(shù)自動(dòng)調(diào)整，使輸入與輸出信號(hào)相位差為 90表明系統(tǒng)諧振。通過反饋系數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的諧振,其諧振頻率為設(shè)計(jì)者給定的信號(hào)頻率。圖5自適應(yīng)調(diào)諧原理圖2008年東南大學(xué)報(bào)道了基于隨機(jī)平均法的 mems陀螺自適應(yīng)控制設(shè)15,隨機(jī)平均法是一種求解非線性系統(tǒng)和參激系統(tǒng)對隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)的近似方法。該方法的基本思想是對系統(tǒng)中的快變量進(jìn)行平均，從而得出關(guān)于系統(tǒng)慢變量的簡化平均方程。

6、在利用隨機(jī)平均法對 mems陀螺驅(qū)動(dòng)和敏感模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，研究了 mems陀螺的自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)。使陀螺工作在調(diào)諧驅(qū)動(dòng)和力平衡閉環(huán)檢測狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)諧如圖7所示。圖 6驅(qū)動(dòng)模態(tài)調(diào)諧本課題針對mems諧振器件的需求，采用自激振蕩的方法實(shí)現(xiàn)其閉環(huán)控制，完成系統(tǒng)控制模型建立、仿真優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)電路搭建，為mems諧振器件的高精度閉環(huán)控制研究奠定基礎(chǔ)。2、課題任務(wù)、重點(diǎn)研究內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)途徑2.1 課題任務(wù)理解mems諧振器件的工作原理，結(jié)合相關(guān)軟、硬件設(shè)計(jì)方法完成mems諧振器件的閉環(huán)控制電路設(shè)計(jì)，搭建出電路，進(jìn)行調(diào)試。2.1 課題重點(diǎn)研究內(nèi)容 1、了解mems諧振器件的工作原理和現(xiàn)有閉環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)方法。

7、 2、基于malab對mems諧振器件進(jìn)行系統(tǒng)仿真。3、根據(jù)仿真結(jié)果與mems諧振器件特性，提出閉環(huán)控制電路方案。4、建立電路模型，對電路進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化。5、搭建實(shí)驗(yàn)電路，結(jié)合mems諧振器件進(jìn)行電路調(diào)試和測試。6、總結(jié)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫。2.3實(shí)現(xiàn)路徑 2.3.1了解背景，學(xué)習(xí)理論 通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，了解mems諧振器件的工作原理和閉環(huán)控制的相關(guān)方法。學(xué)習(xí)閉環(huán)控制的基礎(chǔ)理論，并掌握閉環(huán)控制的設(shè)計(jì)方法。2.3.2malab對mems諧振器件進(jìn)行系統(tǒng)仿真學(xué)習(xí)matlab的基礎(chǔ)知識(shí)，利用matlab對mems諧振器件仿真。2.3.3電路方案的提出和模型的建立根據(jù)仿真結(jié)果和mems諧振

8、器件特性，參照現(xiàn)有的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)方案，提出閉環(huán)控制方案。根據(jù)方案建立電路模型，對電路進(jìn)行仿真和參數(shù)優(yōu)化。2.3.4電路調(diào)試和測試 依據(jù)實(shí)驗(yàn)室的條件，搭建實(shí)驗(yàn)電路，結(jié)合mems諧振器件進(jìn)行電路調(diào)試和測試。 主要參考文獻(xiàn)：1 bo yang, et.al. a precision closed-loop driving scheme of silicon micromachined vibratory gyroscopej. journal of physics, 2006, 34 (1): 57-64.2 官俊, 劉泉民. matlab在自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用研究j. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè), 2010,（1

9、6）：338-339.3 e. gaura, m. craft. comparison of two novel control strategies for a closed loop micromachined tunnelling accelerometerj. modeling and simulation of microsystems, 2001, (1): 100-103.4 劉云濤; 尹亮, 等.具有自檢測功能的閉環(huán)加速度計(jì)接口電路設(shè)計(jì)j.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2009, 17, (6): 1379-1383.5 王存超, 蘇巖, 王壽榮. 硅微振動(dòng)陀螺儀驅(qū)動(dòng)器自激驅(qū)動(dòng)研究j. 傳感技

10、術(shù)學(xué)報(bào), 2006, (19): 364-370.7 王亞強(qiáng), 王躍林, 等. 微機(jī)械諧振傳感器的閉環(huán)恒幅驅(qū)動(dòng)電路研究j. 儀器儀表學(xué)報(bào)，1999, (20): 351-355.8 賈新章. orcad/pspice9.0實(shí)用教程m西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 1999.9 趙景波，薛萍protel 2004 電路設(shè)計(jì)應(yīng)用范例m北京：清華大學(xué)出版社, 2006.10 楊素行模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程m北京：高等教育出版社, 1997.11 劉 猛,王軍波，李玉欣，陳德勇. 電磁激勵(lì)諧振式mems壓力傳感器閉環(huán)控制研究j. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2010，23(8)12 李曉瑩，南素娟等. 一種高幅

11、值穩(wěn)定性的微機(jī)械陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路j. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，1004-1699（2010）-1458-0414 王存超, 王壽榮, 夏敦柱. 基于自適應(yīng)控制的硅微振動(dòng)陀螺儀驅(qū)動(dòng)電路研究j. 儀器儀表學(xué)報(bào),2007. 1000- 8829( 2007) 07- 0073- 0315 王存超 , 王壽榮 , 周百令. 基于隨機(jī)平均法的 mems陀螺自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)j. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2008,460 . 402516 lili dong ,et.al. adaptive estimation and control of a z-axis mems gyroscope with time-varying rotation ratesj. journal of physics,2006, 0-7695-2653-5/06/$20.00 (c) 3、計(jì)劃進(jìn)度序號(hào)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容