电磁式MEMS扭转微镜的建模与闭环控制研究

发布时间：2017-11-05 16:04

  本文关键词：电磁式MEMS扭转微镜的建模与闭环控制研究

  更多相关文章： 电磁式 微镜 有限元 COMSOL Multiphysics 滑模控制

【摘要】：MEMS扭转微镜在光开关、医疗成像、高清晰投影和光学相干断层扫描等领域获得广泛应用,其巨大的市场潜力以及重要的研究价值引起了国内外学术界和工业界的高度关注。考虑到电磁式MEMS扭转微镜具有可低电压操作,扫描范围大等优势,本文选取一款具有硬磁特性的MEMS扭转微镜作为研究对象。结合基于MEMS扭转微镜应用中的性能要求,本文借助于理论分析、有限元仿真和实验研究等方法,对电磁式MEMS扭转微镜进行建模和控制研究。具体的研究工作和主要贡献包括如下几个方面:1.针对具有硬磁特性的MEMS扭转微镜,采用电磁学相关理论以及有限元分析法,建立输入电流与输出偏角的数学模型。根据微镜能量传递的过程,该数学模型分为电线圈模型、磁驱动器模型以及微镜扭转机械模型三个部分。本文给出电线圈和磁驱动器的数学模型,提出易于有限元迭代分析的电线圈通用模型以及适用于非均匀磁场的磁驱动器模型。2.针对包含电、磁、力等物理量的MEMS扭转微镜,首先运用COMSOL Multiphysics对微镜进行三维模拟测试,在三维稳态以及瞬态耦合求解分析下,讨论了在参数扫描下驱动电流和输出偏角的关系。其次,搭建一套基于电磁式MEMS扭转微镜的激光扫描平台,主要工作包括电压控制电流放大电路制作、基于FPGA数据采集系统的设计,并对微镜的固有频率以及开环性能进行测试。最后,利用仿真和实验结果验证建立的数学模型的准确性。3.结合基于MEMS扭转微镜的光开关快速响应以及切换准确的特点,本文设计多种闭环控制算法应用于电磁式MEMS扭转微镜,包括PID控制、改进PID控制、具有PD形式的滑模控制以及具有PID形式的积分滑模控制,目的是改善系统的暂态响应和定位精度。通过仿真和实验对比分析,积分滑模控制下系统能够有效抑制微镜的抖动,具有更好的暂态性能,对于基于电磁式MEMS扭转微镜的光开关具有重要的研究价值。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH74

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本文编号：1144863