专利名称：一种微机械谐振式器件闭环驱动用的pid控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一禾中 PID(Proportion Integration Differentiation，比例-积 分-微分)控制器，特别是关于一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置。
背景技术：
微机械谐振式器件采用微电子加工工艺制成，其特征尺寸为微米量级，具有体积 小、成本低、适于批量加工和易于与ASIC (Application Specific Integrated Circuit，专 用集成电路)集成的优点。微机械谐振式器件一般要求其工作在自身的固有谐振频率处， 以获得最大的振动幅度。目前，使微机械谐振式器件进行谐振的驱动系统包括微机械谐振 式器件开环系统(下文均称为“开环系统”)和微机械谐振式器件闭环系统(下文均称为 “闭环系统”)，前者采用开环驱动方式，该驱动方式不能抑制驱动控制系统的参数变化，容 易带来振动幅度的改变，因此开环系统只能应用在精度要求不高的场合。闭环系统采用闭 环驱动方式，该驱动方式不但可以实时跟踪微机械谐振式器件的谐振频率，而且还可以使 振动幅度稳定。如
图1、图2所示，现有的闭环系统包括由一微机械谐振式器件1、一前置读出电路 2、一滤波器3、一幅度提取器4、一单自由度PID控制装置5和一乘法器6构成的一串联电 路，且滤波器3的输出端连接乘法器6的输入端。其中，如图2所示，微机械谐振式器件1 包括一驱动结构101、一可动谐振结构102和一振动拾取结构103。单自由度PID控制装置 5包括一加法器501和一 PID控制器502。闭环系统工作时，首先在加法器501中预先设置一振动幅度标准值R。驱动结构 101上施加驱动电压后，产生一静电驱动力Fel。静电驱动力Fel施加到可动谐振结构102上， 使可动谐振结构102振动而产生一位移变化量。该位移变化量通过振动拾取结构103转变 成电容变化量，电容变化量再输送至前置读出电路2。前置读出电路2将电容变化量转换 为电压变化量，以获得可动谐振结构102的振动信息，并将电压变化量输送给滤波器3。滤 波器3接收前置读出电路2输出的电压变化量，并将电压变化量中的谐振频率以外的信号 进行滤除，输出一振动电压信号A。振动电压信号A通过幅度提取器4后，获得一振动幅度 B，并输入加法器501中。加法器501将预先设置的振动幅度标准值R与振动幅度B进行比 较，得到一振动幅度差值C。振动幅度差值C输入PID控制器502中，PID控制器502将振 动幅度差值C转换成振动幅度控制信号D。振动幅度控制信号D输入乘法器6，同时，滤波 器3向乘法器6中输入振动电压信号A。乘法器6利用振动幅度控制信号D来调节振动电 压信号A，得到一驱动电压V，输送给微机械谐振式器件1中的驱动结构101，从而实现了整 个闭环控制。这种闭环控制方法可以使微机械谐振式器件1在其谐振频率处振动，同时保 持恒定幅度振动。如图3所示，设定从振动幅度控制信号D到幅度提取器4输出的振动幅度B之间 的等效传递函数为P (s)，从振动幅度标准值R到幅度提取器4输出的振动幅度B之间的传 递函数G1 (s)为
权利要求
1.一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置，其与一乘法器、一微机械谐振 式器件、一前置读出电路、一滤波器和一幅度提取器构成一微机械谐振式器件闭环系统，其 特征在于所述PID控制装置由两个PID控制器和至少一个加法器构成，所述PID控制装置 的输入端连接所述幅度提取器的输出端，所述PID控制装置的输出端连接所述幅度提取器 的输入端。
2.如权利要求1所述的一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置，其特征在 于两个所述PID控制器为第一 PID控制器和第二 PID控制器，所述加法器包括第一加法器 和第二加法器；其中，所述第一加法器、第一 PID控制器和第二加法器串联连接，所述第二 PID控制器的输出端连接所述第二加法器的输入端；所述幅度提取器的输出端连接所述第 一加法器和第二 PID控制器的输入端；所述第一加法器中预先设置有一振动幅度标准值， 第一、二 PID控制器中分别预先设置有传递函数C1 (s)、C2 (s)；所述振动幅度标准值与所述幅度提取器输出的振动幅度之间的函数关系满足
3.如权利要求2所述的一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置，其特征在于
4.如权利要求3所述的一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置，其特征在 于所述α和β的取值范围均为闭区间W，l]。
5.如权利要求1所述的一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置，其特征在 于两个所述PID控制器为第一 PID控制器和第二 PID控制器；其中，所述第一 PID控制器、 加法器和第二 PID控制器串联连接，所述幅度提取器的输出端连接加法器的输入端；一振 动幅度标准值通过所述第一 PID控制器预先设置在所述加法器中，第一、二 PID控制器中分 别预先设置有传递函数C1 (s)、C (s)；所述振动幅度标准值与所述幅度提取器输出的振动幅度之间的函数关系满足
6.如权利要求5所述的一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置，其特征在
7.如权利要求6所述的一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置，其特征在 于所述α和β的取值范围均为闭区间W，l]。
8.如权利要求1所述的一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置，其特征在 于两个所述PID控制器为第一 PID控制器和第二 PID控制器，所述加法器包括第一加法 器和第二加法器；其中，第一加法器、第一PID控制器和第二加法器串联连接；所述第二PID 控制器的输入端连接所述第一加法器的输入端，输出端连接所述第二加法器的输入端；所 述幅度提取器的输出端连接所述第一加法器的输入端；所述第一加法器中预先设置一振动 幅度标准值，第一、二 PID控制器中分别预先设置有传递函数C(S)、C1(S)；所述振动幅度标准值与所述幅度提取器输出的振动幅度之间的函数关系满足 P講)-C1⑷]
9.如权利要求8所述的一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置，其特征在于
10.如权利要求9所述的一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置，其特征在 于所述α和β的取值范围均为闭区间W，l]。
全文摘要
本发明涉及一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置，其与一乘法器、一微机械谐振式器件、一前置读出电路、一滤波器和一幅度提取器构成一微机械谐振式器件闭环系统，其特征在于所述PID控制装置由两个PID控制器和至少一个加法器构成，所述PID控制装置的输入端连接所述幅度提取器的输出端，所述PID控制装置的输出端连接所述幅度提取器的输入端。本发明能够使微机械谐振式器件的闭环系统同时满足跟踪性能和抗干扰性能，适用于谐振式微悬臂梁、微谐振器、微机械陀螺和谐振式微加速度计等微机械谐振式器件的闭环驱动控制。
文档编号G05B11/42GK102063057SQ20101052924
公开日2011年5月18日 申请日期2010年10月28日 优先权日2010年10月28日
发明者崔健, 杨振川, 郝一龙, 郭中洋, 闫桂珍 申请人:北京大学