微小型MEMS測(cè)試標(biāo)定實(shí)驗(yàn)儀伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 鵬，李維剛，王樹(shù)森，李孟委,2，李 登

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051)

微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)是基于半導(dǎo)體制造技術(shù)在微電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，一般使用光刻、腐蝕等工藝，是對(duì)微米納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù).MEMS技術(shù)集微型機(jī)構(gòu)、傳感、控制等多個(gè)功能于一體，是一種具有信息獲取、處理等多種功能的系統(tǒng)[1].該系統(tǒng)憑借體積小、重量輕、功耗低、價(jià)格低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在軍用和民用領(lǐng)域均得到廣泛的應(yīng)用[2].

穩(wěn)定平臺(tái)是一種具有防抖隔震、穩(wěn)瞄穩(wěn)像、目標(biāo)跟蹤等功能的標(biāo)定測(cè)試儀器，被廣泛應(yīng)用于坦克炮塔穩(wěn)瞄、艦船炮塔穩(wěn)瞄、無(wú)人機(jī)光電吊艙、空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭、民用航拍攝影防抖等領(lǐng)域[3-5].目前世界范圍內(nèi)的高精度三維伺服平臺(tái)發(fā)展很快，美、英等國(guó)在役的武器裝備上相當(dāng)廣泛地使用了基于微慣性的傳感器跟蹤平臺(tái).我國(guó)于上世紀(jì)八十年代研制出了穩(wěn)瞄式的平臺(tái)，而研制陀螺式的穩(wěn)定平臺(tái)工作也在九十年代初得到了全面的開(kāi)展.北京618所研制的機(jī)載陀螺式穩(wěn)定平臺(tái)，其精度已經(jīng)達(dá)到了0.1 mrad.

傳統(tǒng)的高精度慣性測(cè)試穩(wěn)定平臺(tái)主要針對(duì)高精度的光學(xué)慣組、機(jī)械陀螺等，體積大、成本高，應(yīng)用于MEMS慣性器件必將造成測(cè)試資源的浪費(fèi)[6-8].本文設(shè)計(jì)了一款面向?qū)嶒?yàn)教學(xué)的穩(wěn)定平臺(tái)，其兼具對(duì)中低精度MEMS器件進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定的功能，在控制成本及儀器整機(jī)體積的前提下設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)，提高了控制精度.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)指標(biāo)

為使所設(shè)計(jì)的測(cè)試標(biāo)定系統(tǒng)能夠?qū)Σ捎么型庠O(shè)接口(Serial Peripheral Interface，SPI)和串口輸出數(shù)字信號(hào)的MEMS傳感器進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定，系統(tǒng)可進(jìn)行MEMS加表、陀螺性能參數(shù)的測(cè)試標(biāo)定以及微型慣性測(cè)量單元(Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU)的安裝誤差標(biāo)定.通過(guò)MIMU的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可得到MEMS加表和MEMS陀螺的標(biāo)度因數(shù)、零偏以及MIMU的安裝誤差，既可以實(shí)現(xiàn)器件的標(biāo)定，也可用于性能篩選領(lǐng)域.平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)如表 1 所示.

表 1 技術(shù)指標(biāo)

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

伺服穩(wěn)定平臺(tái)的核心部分包括角速率測(cè)量、姿態(tài)測(cè)量部分，伺服回路控制部分和機(jī)械框架部分.

平臺(tái)的構(gòu)成及各個(gè)環(huán)節(jié)之間的關(guān)系如圖 1 所示，從圖中可以看出平臺(tái)的核心部分為控制系統(tǒng)[9]，控制系統(tǒng)下達(dá)指令給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)機(jī)械框架部分運(yùn)動(dòng)，框架運(yùn)動(dòng)后，傳感器將測(cè)得值反饋給控制系統(tǒng).這3個(gè)部分缺一不可，且需要按照一定的要求系統(tǒng)工作.作為平臺(tái)核心的控制系統(tǒng)又由主控制器、配套主控制器的信號(hào)輸入輸出接口、通訊接口等組成；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器組成；機(jī)械框架部分主要由用于平臺(tái)和載體固連及平臺(tái)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接的機(jī)械構(gòu)件組成.

圖 1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Platform structure composition

穩(wěn)定平臺(tái)的主控制芯片如圖 2 所示，內(nèi)置RS422及RS485通信電路，與上位機(jī)通過(guò)RS485通信，方便轉(zhuǎn)臺(tái)的位置控制與速率控制，與橫滾軸和俯仰軸的RX28舵機(jī)采用RS422通信.

圖 2 主控電路圖Fig.2 Main control circuit diagram

圖 3 為三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)示意圖.伺服穩(wěn)定平臺(tái)的原理[10]如圖 4 所示，由陀螺儀提供角速率信息，反饋給速度控制器，矯正穩(wěn)定平臺(tái)干擾信號(hào).同時(shí)陀螺儀輸出角速率進(jìn)行一次積分得到角度信息，反饋給位置控制器，形成位置-速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng).

圖 3 三軸陀螺平臺(tái)示意圖Fig.3 Schematic diagram of three-axis gyro platform

圖 4 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)原理Fig.4 Principle of Gyro Stabilized platform

2 非水平干擾信號(hào)

穩(wěn)定平臺(tái)功能中的非水平干擾信號(hào)能否準(zhǔn)確獲取是實(shí)現(xiàn)該功能演示的關(guān)鍵.常見(jiàn)的抖動(dòng)干擾信號(hào)源產(chǎn)生于六自由度搖擺平臺(tái)，但該方法需要重新設(shè)計(jì)一套六自由度搖擺平臺(tái)系統(tǒng)，大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和儀器成本.因此，將儀器基座傾斜角度θ，認(rèn)為產(chǎn)生一個(gè)俯仰角，然后通過(guò)Z軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)非水平干擾信號(hào)，方法簡(jiǎn)單，幾乎不用增加硬件設(shè)備.

傳統(tǒng)的穩(wěn)定平臺(tái)測(cè)試方法包括靜態(tài)跟蹤測(cè)試和動(dòng)態(tài)搖擺測(cè)試，靜態(tài)測(cè)試主要是將穩(wěn)定平臺(tái)放置于高精度轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)高精度轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)定一個(gè)傾角位置，讓穩(wěn)定平臺(tái)跟隨到該已知位置，利用穩(wěn)定平臺(tái)自帶的高精度碼盤(pán)測(cè)量位置跟蹤精度；動(dòng)態(tài)測(cè)試是指將穩(wěn)定平臺(tái)放置于高精度搖擺臺(tái)上，搖擺臺(tái)按照一個(gè)正弦變化的角度信號(hào)做周期運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)搖擺臺(tái)的搖擺周期測(cè)量穩(wěn)定平臺(tái)跟隨的動(dòng)態(tài)特性.

圖 5 為陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的系統(tǒng)框圖，包括穩(wěn)定平臺(tái)和非水平干擾信號(hào)源.穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)物圖如圖 6 所示.

圖 7 為穩(wěn)定平臺(tái)功能干擾信號(hào)源產(chǎn)生機(jī)理.其中MEMS慣組提供俯仰軸和橫滾軸姿態(tài)，傳輸給穩(wěn)定平臺(tái)俯仰軸電機(jī)和橫滾軸電機(jī)，以調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)框水平.轉(zhuǎn)臺(tái)航向軸由上位機(jī)軟件控制，使轉(zhuǎn)臺(tái)外框在傾斜狀態(tài)下做搖擺運(yùn)動(dòng)，為中框和內(nèi)框提供非水平干擾信號(hào).

圖 5 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)框圖Fig.5 Diagram of Gyro stabilized platform system

圖 6 穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)物圖Fig.6 Picture of Gyro stabilized platform

圖 7 穩(wěn)定平臺(tái)功能干擾信號(hào)源產(chǎn)生機(jī)理Fig.7 Generation mechanism of stabilizing platform function jamming signal source

穩(wěn)定平臺(tái)的教學(xué)演示及測(cè)量方法用于測(cè)試穩(wěn)定平臺(tái)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，包括以下測(cè)量步驟：

1) 給穩(wěn)定平臺(tái)提供一非水平干擾信號(hào)源，計(jì)算獲得穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰角α1、橫滾角β1；

2) 穩(wěn)定平臺(tái)調(diào)節(jié)自身姿態(tài)，保持平臺(tái)處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，并通過(guò)電機(jī)碼盤(pán)獲得測(cè)量穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰角α2、橫滾角β2；

3) 計(jì)算比較α1與α2的誤差，β1與β2的誤差，獲得穩(wěn)定平臺(tái)的整體誤差水平，完成教學(xué)試驗(yàn).

如果要求一種面向?qū)嶒?yàn)教學(xué)的穩(wěn)定平臺(tái)測(cè)試方法，所述步驟1)的非水平干擾信號(hào)源包括一個(gè)傾斜基座、一個(gè)航向軸電機(jī)及一個(gè)內(nèi)框平臺(tái).內(nèi)框平臺(tái)的水平姿態(tài)角α和β通過(guò)下式產(chǎn)生干擾信號(hào)

式中：α為所述內(nèi)框平臺(tái)的俯仰角；β為所述內(nèi)框平臺(tái)的橫滾角；θ為所述傾斜基座的傾斜角度；ω為所述航向軸電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速率；ε為所述航向軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的初始相位角.

擾動(dòng)基座裝置包括傾斜基座、航向電機(jī)控制單元、航向軸電機(jī)及內(nèi)框平臺(tái).抖動(dòng)干擾信號(hào)源引起的俯仰角和橫滾角與Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速率成正余弦變化.陀螺穩(wěn)定平臺(tái)控制所需姿態(tài)角由陀螺儀測(cè)量得到.由上式可知，當(dāng)ω為常數(shù)時(shí)，俯仰角和橫滾角呈正余弦變化，相位相差90°；當(dāng)ω以一次函數(shù)變化時(shí)，俯仰角和橫滾角按照頻率隨時(shí)間呈正余弦變化；當(dāng)ω以正弦函數(shù)變化時(shí)，俯仰角和橫滾角變化規(guī)律復(fù)雜，相位相差90°；當(dāng)ω以白噪聲信號(hào)變化時(shí)，俯仰角和橫滾角開(kāi)始無(wú)規(guī)律變化，將形成嚴(yán)重的干擾信號(hào).圖 8 為角速率ω按照一次函數(shù)變化時(shí)，平臺(tái)內(nèi)框俯仰角和橫滾角的姿態(tài)變化曲線圖.

圖 8 角速率按一次函數(shù)變化時(shí)的姿態(tài)角Fig.8 The attitude angle of angular rate changing at one time function

圖 9 為角速率按照正弦函數(shù)變化時(shí)，平臺(tái)內(nèi)框俯仰角和橫滾角的姿態(tài)變化曲線圖.通過(guò)調(diào)整不同的ω和θ角度，可以實(shí)現(xiàn)任意的非水平干擾信號(hào).

圖 9 角速率按正弦變化時(shí)的姿態(tài)角Fig.9 Attitude angle of angular rate in the case of sinusoidal variation

3 控制策略及Simulink仿真

設(shè)計(jì)的雙軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)可以看作是兩個(gè)單軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的組合.單軸陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)特性、分析方法、評(píng)估指標(biāo)等都適用于雙軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái).依據(jù)穩(wěn)定平臺(tái)的工作原理，將各個(gè)部分簡(jiǎn)化成傳遞函數(shù)的形式，得到如圖 10 所示的平臺(tái)穩(wěn)定原理框圖.其中，速度環(huán)反饋由陀螺儀輸出的角速率提供，位置環(huán)由慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)提供.

根據(jù)穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)原理建立Simulink仿真，仿真包括速率陀螺的速度環(huán)反饋回路和位置跟蹤環(huán)反饋回路.電機(jī)的參數(shù)根據(jù)直流電機(jī)的實(shí)際指標(biāo)進(jìn)行配置.輸入幅值為10°的階躍位置信號(hào)，載體干擾角速度設(shè)為幅值為0.2、頻率為2 Hz的正弦信號(hào)ωb(t)=sin(4πt) rad/s，力矩輸入為2.通過(guò)調(diào)節(jié)速度環(huán)PID(Proportion Integral Derivative)和位置環(huán)PID使得系統(tǒng)達(dá)到速率精度0.1 °/s 和位置精度0.01°.

圖 10 平臺(tái)穩(wěn)定原理框圖Fig.10 Principle diagram of platform stability

通過(guò)仿真得到圖 11 的階躍響應(yīng)曲線和圖 12 的正弦位置變化跟蹤曲線.仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的控制策略能滿足陀螺穩(wěn)定平臺(tái)控制需求.

圖 11 平臺(tái)穩(wěn)定位置控制系統(tǒng)仿真圖Fig.11 Simulation diagram of platform stabilized position control system

圖 12 平臺(tái)穩(wěn)定位置跟蹤仿真圖Fig.12 Platform stable position tracking simulation diagram

4 結(jié) 論

從學(xué)生教學(xué)穩(wěn)定平臺(tái)試驗(yàn)儀出發(fā)，結(jié)合目前MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺以及MIMU信號(hào)輸出形式，提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)；結(jié)合三軸陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，對(duì)平臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分析了干擾信號(hào)的耦合機(jī)理，并解釋了穩(wěn)定平臺(tái)隔離震動(dòng)的工作原理；最后，通過(guò)建模和Simulink仿真得到陀螺穩(wěn)定平臺(tái)常用的雙閉環(huán)控制原理.仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的控制策略能滿足陀螺穩(wěn)定平臺(tái)控制需求.