微小型MEMS测试标定实验仪伺服系统设计

2019年第40卷第5期中北大学学报(自然科学版)V o l.40 N o.52019 (总第187期)J O U R N A LO FN O R T H U N I V E R S I T YO FC H I N A(N A T U R A LS C I E N C EE D I T I O N)(S u m N o.187)文章编号:1673-3193(2019)05-0476-05微小型M E M S测试标定实验仪伺服系统设计张鹏1,李维刚1,王树森1,李孟委1,2,李登1(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,山西太原030051;2.中北大学仪器与电子学院,山西太原030051)摘要:以实验教学为使用背景设计了一台多功能微机电系统(M i c r o-E l e c t r o-M e c h a n i c a lS y s t e m s,M E M S)测试标定平台,主要实现平台稳定控制功能和转台测试功能.针对中低精度M E M S惯性器件的测试标定需求,提出了设计的关键技术及指标,分析了陀螺伺服稳定平台原理,从坐标系变化的角度分析了干扰信号的耦合机理,同时解释了稳定平台隔离震动的工作原理.对陀螺稳定平台常用的双闭环控制原理进行建模和S i m u l i n k仿真,结果表明所设计的陀螺稳定平台伺服系统的控制策略能满足陀螺稳定平台控制需求.关键词:稳定平台;实验教学;伺服;双闭环控制;S i m u l i n k仿真中图分类号: T P242文献标识码:A d o i:10.3969/j.i s s n.1673-3193.2019.05.017D e s i g no f S e r v o S y s t e mf o rM i c r o-ME M ST e s tC a l i b r a t i o nE x p e r i m e n t I n s t r u m e n tZ H A N GP e n g1,L IW e i-g a n g1,WA N GS h u-s e n1,L IM e n g-w e i1,2,L ID e n g1(1.S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y o nE l e c t r o n i cT e s t&M e a s u r e m e n tL a b o r a t o r y,N o r t hU n i v e r s i t y o fC h i n a,T a i y u a n030051,C h i n a;2.S c h o o l o f I n s t r u m e n t a n dE l e c t r o n i c s,N o r t hU n i v e r s i t y o fC h i n a,T a i y u a n030051,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do ne x p e r i m e n t a l t e a c h i n g,a m u l t i-f u n c t i o n a l M E M S(M i c r o-E l e c t r o-M e c h a n i c a lS y s-t e m s,M E M S)t e s t c a l i b r a t i o n p l a t f o r m w a sd e s i g n e d,w h i c h m a i n l y r e a l i z e d t h e p l a t f o r ms t a b i l i t y c o n-t r o l f u n c t i o na n d t u r n t a b l e t e s t f u n c t i o n.A i m i n g a t t h e t e s t c a l i b r a t i o nr e q u i r e m e n t so f l o w-a n dm e d i-u m-p r e c i s i o n M E M S i n e r t i a l d e v i c e s,t h e k e y t e c h n o l o g y a n d i n d e x o f d e s i g nw e r e p u t f o r w a r d,t h e p r i n-c i p l e o f g y r o s e r v o s t a b i l i t yp l a t f o r m w a s a n a l y z e d,t h e c o u p l i n g m e c h a n i s mo f j a m m i n g s i g n a lw a s a n a-l y z e d f r o mt h e a n g l e o f c o o r d i n a t e s y s t e mc h a n g e,a n d t h ew o r k i n gp r i n c i p l e o f i s o l a t e dv i b r a t i o no f s t a-b l e p l a t f o r m w a se x p l a i n e d.M o d e l i n g a n dS i m u l i n ks i m u l a t i o no fd o u b l ec l o s e d-l o o p c o n t r o l p r i n c i p l ec o m m o n l y u s ed i n g y r os t a b i l i z a t i o n p l a t f o r m,t h es i m u l a t i o nre s u l t s s h o wt h a t t h ec o n t r o l s t r a t e g y of G y r o s t a b l e p l a t f o r ms e r v o s y s t e mc a nm e e t t h e c o n t r o l r e q u i r e m e n t s o fg y r o s t a b l e p l a t f o r m.K e y w o r d s:s t a b l e p l a t f o r m;e x p e r i m e n t a l t e a c h i n g;s e r v o;d o u b l e c l o s e d l o o p c o n t r o l;S i m u l i n k s i m u l a t i o n微机电系统(M i c r o-E l e c t r o-M e c h a n i c a lS y s-t e m s,M E M S)是基于半导体制造技术在微电技术基础上发展而来的,一般使用光刻㊁腐蚀等工艺,是对微米纳米材料进行设计㊁加工㊁制造㊁测量和控制的技术.M E M S技术集微型机构㊁传感㊁控制等多个功能于一体,是一种具有信息获取㊁处理等多种功能的系统[1].该系统凭借体积小㊁重量轻㊁功耗低㊁价格低㊁性能稳定等优点,在军用收稿日期:2018-12-10基金项目:军委装备发展部预研基金资助项目;山西省研究生教育创新资助项目(2017S Y066)作者简介:张鹏(1979-),男,副教授,博士,主要从事I MU标定㊁稳定平台设计研究.和民用领域均得到广泛的应用[2].稳定平台是一种具有防抖隔震㊁稳瞄稳像㊁目标跟踪等功能的标定测试仪器,被广泛应用于坦克炮塔稳瞄㊁舰船炮塔稳瞄㊁无人机光电吊舱㊁空空导弹导引头㊁民用航拍摄影防抖等领域[3-5].目前世界范围内的高精度三维伺服平台发展很快,美㊁英等国在役的武器装备上相当广泛地使用了基于微惯性的传感器跟踪平台.我国于上世纪八十年代研制出了稳瞄式的平台,而研制陀螺式的稳定平台工作也在九十年代初得到了全面的开展.北京618所研制的机载陀螺式稳定平台,其精度已经达到了0.1m r a d.传统的高精度惯性测试稳定平台主要针对高精度的光学惯组㊁机械陀螺等,体积大㊁成本高,应用于M E M S惯性器件必将造成测试资源的浪费[6-8].本文设计了一款面向实验教学的稳定平台,其兼具对中低精度M E M S器件进行测试标定的功能,在控制成本及仪器整机体积的前提下设计伺服控制系统,提高了控制精度.1系统设计1.1技术指标为使所设计的测试标定系统能够对采用串行外设接口(S e r i a l P e r i p h e r a l I n t e r f a c e,S P I)和串口输出数字信号的M E M S传感器进行测试标定,系统可进行M E M S加表㊁陀螺性能参数的测试标定以及微型惯性测量单元(M i n i a t u r e I n e r t i a lM e a s-u r e m e n tU n i t,M I MU)的安装误差标定.通过M I MU的标定实验可得到M E M S加表和M E M S 陀螺的标度因数㊁零偏以及M I MU的安装误差,既可以实现器件的标定,也可用于性能筛选领域.平台系统设计的技术指标如表1所示.表1技术指标T a b.1 T e c h n i c a l i n d i c a t o r s性能参数指标要求传感器输出接口R S422/R S485最大通道数2*R S422/2*R S232采样率可调模拟信号带宽0~100H z测试标定项目M E M S加速度计㊁辽螺以及M I MU测试标定参数零偏㊁标度因数及相关参数测试速率范围-150~150ʎ/s(精度0.1ʎ/s)测试位置范围-90ʎ~90ʎ(精度0.01ʎ)1.2控制系统设计伺服稳定平台的核心部分包括角速率测量㊁姿态测量部分,伺服回路控制部分和机械框架部分.平台的构成及各个环节之间的关系如图1所示,从图中可以看出平台的核心部分为控制系统[9],控制系统下达指令给驱动系统,驱动系统带动机械框架部分运动,框架运动后,传感器将测得值反馈给控制系统.这3个部分缺一不可,且需要按照一定的要求系统工作.作为平台核心的控制系统又由主控制器㊁配套主控制器的信号输入输出接口㊁通讯接口等组成;驱动系统主要由电机及驱动器组成;机械框架部分主要由用于平台和载体固连及平台与驱动电机连接的机械构件组成.图1平台结构组成F i g.1 P l a t f o r ms t r u c t u r e c o m p o s i t i o n稳定平台的主控制芯片如图2所示,内置R S422及R S485通信电路,与上位机通过R S485通信,方便转台的位置控制与速率控制,与横滚轴和俯仰轴的R X28舵机采用R S422通信.图2主控电路图F i g.2 M a i nc o n t r o l c i r c u i t d i a g r a m图3为三轴陀螺稳定平台示意图.伺服稳定平台的原理[10]如图4所示,由陀螺仪提供角速率信息,反馈给速度控制器,矫正稳定平台干扰信号.同时陀螺仪输出角速率进行一次积分得到角度信息,反馈给位置控制器,形成位置-速度双闭环控制系统.774(总第187期)微小型M E M S测试标定实验仪伺服系统设计(张鹏等)图3 三轴陀螺平台示意图F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a mo f t h r e e -a x i s g y r o p l a t f o rm 图4 陀螺稳定平台原理F i g.4 P r i n c i p l e o fG y r oS t a b i l i z e d p l a t f o r m 2 非水平干扰信号稳定平台功能中的非水平干扰信号能否准确获取是实现该功能演示的关键.常见的抖动干扰信号源产生于六自由度摇摆平台,但该方法需要重新设计一套六自由度摇摆平台系统,大大增加了系统的复杂度和仪器成本.因此,将仪器基座倾斜角度θ,认为产生一个俯仰角,然后通过Z 轴旋转实现非水平干扰信号,方法简单,几乎不用增加硬件设备.传统的稳定平台测试方法包括静态跟踪测试和动态摇摆测试,静态测试主要是将稳定平台放置于高精度转台上,通过高精度转台设定一个倾角位置,让稳定平台跟随到该已知位置,利用稳定平台自带的高精度码盘测量位置跟踪精度;动态测试是指将稳定平台放置于高精度摇摆台上,摇摆台按照一个正弦变化的角度信号做周期运动,通过调节摇摆台的摇摆周期测量稳定平台跟随的动态特性.图5为陀螺稳定平台的系统框图,包括稳定平台和非水平干扰信号源.稳定平台实物图如图6所示.图7为稳定平台功能干扰信号源产生机理.其中M E M S 惯组提供俯仰轴和横滚轴姿态,传输给稳定平台俯仰轴电机和横滚轴电机,以调整转台内框水平.转台航向轴由上位机软件控制,使转台外框在倾斜状态下做摇摆运动,为中框和内框提供非水平干扰信号.图5 陀螺稳定平台系统框图F i g.5 D i a g r a mo fG y r o s t a b i l i z e d p l a t f o r ms y s t em 图6 稳定平台实物图F i g.6 P i c t u r e o fG y r o s t a b i l i z e d p l a t f o r m 874中北大学学报(自然科学版)2019年第5期图7稳定平台功能干扰信号源产生机理F i g.7G e n e r a t i o nm e c h a n i s mo f s t a b i l i z i n gp l a t f o r mf u n c t i o nj a m m i n g s i g n a l s o u r c e稳定平台的教学演示及测量方法用于测试稳定平台的教学实验中,包括以下测量步骤: 1)给稳定平台提供一非水平干扰信号源,计算获得稳定平台的俯仰角α1㊁横滚角β1;2)稳定平台调节自身姿态,保持平台处于稳定平衡状态,并通过电机码盘获得测量稳定平台的俯仰角α2㊁横滚角β2;3)计算比较α1与α2的误差,β1与β2的误差,获得稳定平台的整体误差水平,完成教学试验.如果要求一种面向实验教学的稳定平台测试方法,所述步骤1)的非水平干扰信号源包括一个倾斜基座㊁一个航向轴电机及一个内框平台.内框平台的水平姿态角α和β通过下式产生干扰信号α=θ㊃s i n(ωt+ε),β=θ㊃c o s(ωt+ε),式中:α为所述内框平台的俯仰角;β为所述内框平台的横滚角;θ为所述倾斜基座的倾斜角度;ω为所述航向轴电机的转动角速率;ε为所述航向轴电机转动的初始相位角.扰动基座装置包括倾斜基座㊁航向电机控制单元㊁航向轴电机及内框平台.抖动干扰信号源引起的俯仰角和横滚角与Z轴转动角速率成正余弦变化.陀螺稳定平台控制所需姿态角由陀螺仪测量得到.由上式可知,当ω为常数时,俯仰角和横滚角呈正余弦变化,相位相差90ʎ;当ω以一次函数变化时,俯仰角和横滚角按照频率随时间呈正余弦变化;当ω以正弦函数变化时,俯仰角和横滚角变化规律复杂,相位相差90ʎ;当ω以白噪声信号变化时,俯仰角和横滚角开始无规律变化,将形成严重的干扰信号.图8为角速率ω按照一次函数变化时,平台内框俯仰角和横滚角的姿态变化曲线图.图8角速率按一次函数变化时的姿态角F i g.8 T h e a t t i t u d e a n g l e o f a n g u l a r r a t e c h a n g i n ga t o n e t i m e f u n c t i o n图9为角速率按照正弦函数变化时,平台内框俯仰角和横滚角的姿态变化曲线图.通过调整不同的ω和θ角度,可以实现任意的非水平干扰信号.图9角速率按正弦变化时的姿态角F i g.9 A t t i t u d e a n g l e o f a n g u l a r r a t e i n t h e c a s e o fs i n u s o i d a l v a r i a t i o n3控制策略及S i m u l i n k仿真设计的双轴陀螺稳定平台可以看作是两个单轴陀螺稳定平台系统的组合.单轴陀螺稳定系统的工作原理㊁系统特性㊁分析方法㊁评估指标等都适用于双轴陀螺稳定平台.依据稳定平台的工作原理,将各个部分简化成传递函数的形式,得到如图10所示的平台稳定原理框图.其中,速度环反馈由陀螺仪输出的角速率提供,位置环由惯性测量单元(I n e r t i a lM e a s u r e m e n tU n i t,I M U)提供.根据稳定平台控制系统原理建立S i m u l i n k仿真,仿真包括速率陀螺的速度环反馈回路和位置跟踪环反馈回路.电机的参数根据直流电机的实际指标进行配置.输入幅值为10ʎ的阶跃位置信号,载体干扰角速度设为幅值为0.2㊁频率为2H z974(总第187期)微小型M E M S测试标定实验仪伺服系统设计(张鹏等)的正弦信号ωb (t )=s i n (4πt )r a d /s ,力矩输入为2.通过调节速度环P I D (P r o p o r t i o nI n t e gr a lD e -r i v a t i v e )和位置环P I D 使得系统达到速率精度0.1ʎ/s 和位置精度0.01ʎ.图10 平台稳定原理框图F i g.10 P r i n c i p l e d i a g r a mo f p l a t f o r ms t a b i l i t y 通过仿真得到图11的阶跃响应曲线和图12的正弦位置变化跟踪曲线.仿真结果表明所设计的陀螺稳定平台伺服系统的控制策略能满足陀螺稳定平台控制需求.图11 平台稳定位置控制系统仿真图F i g.11 S i m u l a t i o n d i a g r a mo f p l a t f o r ms t a b i l i z e d p o s i t i o n c o n t r o l s y s t em 图12 平台稳定位置跟踪仿真图F i g.12 P l a t f o r ms t a b l e p o s i t i o n t r a c k i n g s i m u l a t i o nd i a g r a m 4 结 论从学生教学稳定平台试验仪出发,结合目前M E M S 加速度计㊁M E M S 陀螺以及M I MU 信号输出形式,提出了系统设计的主要技术指标;结合三轴陀螺稳定平台,对平台控制系统进行了设计,分析了干扰信号的耦合机理,并解释了稳定平台隔离震动的工作原理;最后,通过建模和S i m u l i n k 仿真得到陀螺稳定平台常用的双闭环控制原理.仿真结果表明所设计的陀螺稳定平台伺服系统的控制策略能满足陀螺稳定平台控制需求.参考文献:[1]蒋孝勇,李锡广,安永泉,等.基于微小型稳定平台的M E M S 陀螺信号调理电路设计与测试[J ].电子器件,2018,41(2):351-355.J i a n g X i a o y o n g ,L i X i g u a n g ,A nY o n g q u a n ,e t a l .D e s i g n a n dt e s t o fM E M S g y r os i g n a l c o n d i t i o n i n g c i r c u i tb a s e d o nm i c r o a n ds m a l l s t a b i l i t ypl a t f o r m [J ].E l e c t r o n i cD e -v i c e s ,2018,41(2):351-355.(i nC h i n e s e)[2]R o d o l f fPK.Al a s e g y r ow i t ho pt i m i z e d r e s o n a t o r g e -o m e t r y [J ].I E E E J o u r n a lo f Q u a n t u m E l e c t r o n i c s ,1987,23(4):21-30.[3]高文.机载光电平台目标跟踪技术的研究[D ].北京:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2012.[4]H i l k e r t J M.I n e r t i a l l y s t a b i l i z e d p l a t f o r mt e c h n o l o g yc o n c e p t s a nd p r i n c i p le s [J ].C o n t r o lS ys t e m s ,2008,28(1):26-46.[5]M a s t e nM K .I n e r t i a l l y s t a b i l i z e d p l a t f o r m s f o r o p t i c a l i m a -g i n g s y s t e m s [J ].C o n t r o l S y s t e m s ,2008,28(1):47-64.[6]鲍国强.三轴转台控制系统的研究[D ].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2016.[7]L iH X .A n i m pr o v e d r o b u s t F U Z Z Y -P I Dc o n t r o l l e rw i t h o p t i o n a l f u z z y r e a s o n i n g [J ].I E E E T r a n s a c t i o n so nS ys -t e m ,M a n a n dC y b e r n e t i c ,2005,35(6):1283-1294.[8]夏静萍.多框架稳定跟踪伺服平台控制技术研究[D ].南京:南京航空航天大学,2010.[9]谭湘敏,范国梁,易建强.差压式空速传感器测试系统[P ].中国专利:C N 201110219226.7,2017-02-22[10]刘长征.基于M E M S 陀螺的两轴平台稳定机理研究[D ].天津:天津大学,2014.(编辑:刘宏艳)84中北大学学报(自然科学版)2019年第5期。