自抗扰控制技术在微机电换能器中的应用

第30卷第12期2013年12月

控制理论与应用

Control Theory&Applications

V ol.30No.12

Dec.2013自抗扰控制技术在微机电换能器中的应用

DOI:10.7641/CTA.2013.31016

董莉莉†

(克里夫兰州立大学,俄亥俄州克里夫兰市44115,美国)

摘要:自抗扰技术,作为一门新兴的鲁棒控制技术,能够成功补偿微机电制造上的缺陷以及周围环境的扰动,从而提高微机电传感器和执行器的性能,增加它们的测量及移动精度.本文介绍了自抗扰技术在微机电陀螺仪和静电执行器两大微机电换能器上的应用.通过使用此项控制技术,微机电陀螺仪可精确测量并输出匀速及时变角速度.此外,一种模型辅助自抗扰控制器被首次应用到微执行器上.此模型辅助自抗扰控制器建立在部分模型已知的基础上.它能够在外干扰存在的情况下,把静电执行器的位移范围提高到电容间距的99%.模型辅助自抗扰控制器的抗噪声能力也优于传统的自抗扰控制器.作者用仿真和实验结果向读者展示了自抗扰技术在微机电领域的鲁棒性,有效性和实用性.

关键词:微机电系统;微机电陀螺仪;静电执行器;自抗扰控制;鲁棒性

中图分类号:TP202+.1文献标识码:

Application of active disturbance rejection control to

micro-electro-mechanism system transducers

DONG Li-li†

(Cleveland State University,Cleveland,OH44115,USA)

Abstract:Active disturbance rejection control(ADRC)is an emerging robust control technology.It improves the performance of micro-electro-mechanism system(MEMS)sensors and actuators and increases their measurement and displacement accuracies through effectively compensating the imperfections in micro-fabrications and environmental vari-ations.The applications of an ADRC to MEMS gyroscopes and electrostatic actuators are introduced in this paper.The ADRC facilitates accurate sensing of both constant and time-varying rotation rates for MEMS gyroscopes.In addition, an alternative ADRC is initially applied to an electro-static actuator.The alternative ADRC is constructed based on par-tially known model information.It drives and stabilizes the displacement output of an electrostatic actuator to99%of full capacitor gap despite of the presence of disturbance.The alternative ADRC also has better noise rejection capability than traditional ADRC.Simulation and experimental results demonstrate the robustness,effectiveness and feasibility of the ADRC in MEMS area.

Key words:micro-electro-mechanism system(MEMS);MEMS gyroscope;electro-static actuator;active disturbance rejection control;robustness

1引言(Introduction)

微机电陀螺仪和静电执行器同属于微机电(micro-electro-mechanical system,MEMS)换能器.微机电陀螺仪是角速度和角位移传感器.静电执行器负责将静电信号转换成机械移动.随着微机电制造技术的日新月异,MEMS换能器在近20年来得到了飞速的发展.它们体积小(只有微米或者毫米量级)、重量轻、成本低、耗能少、便于携带,已经被广泛应用到航天系统、军事制导、家用电器和汽车工业中[1].

微机电陀螺仪的测量精度主要取决于硅片的机械振动.然而微机电制造技术的缺陷会造成微陀螺仪内部驱动机构的错位,驱动和感应部位的非对称,以及质量与中心轴的偏离[2].这些机械系统的缺陷将引起微陀螺系统参数的不确定性,再加上周围环境变化所带来的外扰动,最终会导致测量误差的产生.传统的机械补偿能够减少一部分由于制造缺陷所带来的误差.然而机械补偿不但耗时、成本高,而且很难在一个小如硬币的微陀螺仪上实行.因此,需要一个能够成功消除(或大大减少)机械误差,提高微陀螺测量精度和稳定性的鲁棒控制器进行电补偿.

一个自由度的平板静电执行器(又称作微执行器)由固定和移动电板组成.两个平行电板在电场中充电后会形成电容.当改变电容器的控制电压时,移动电板可离开原始位置,上下移动.然而由于系统本

收稿日期:2013−09−26;收修改稿日期:2013−12−07.†通信作者.E-mail:L.Dong34@.