磁悬浮转子微陀螺旋转驱动电路设计

传感器

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20 0 6年第 2 5卷第 2期, , ~

传感器与微系统( r su e n c ss m T cn l i ) Ta d cradMi yt ehoo e n o r e gs

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前沿技术 l,P

磁悬浮转子微陀螺旋转驱动电路设计邵诗逸,黄晓刚, 武,刘陈文元(上海交通大学徽纳科学技术研究院薄膜与徽细加工教育部重点实验室徽纳米加工国防实验室 .海 203 )上 000摘要:介绍了基于 M M技术的磁悬浮转子微陀螺的基本原理, ES重点对旋转的原理进行讨论,出相应给

实现方案的指标分析和系统设计,并进行了实验.经过驱动后,微陀螺可以得到 3 0 rn的旋转效果, 0/ i 0 ra并对旋转的转速和力矩进行了分析 . 关键词:微陀螺;氏桥;移相;文正交驱动;机电系统微中圈分类号:V 4 . 2 15文献标识码:A 文章编号:10 9 8 ( 06 0 0 8 0 0 0- 7 7 2 0 ) 2— 0 3— 3

De in o rv ic i o o a in o ir m a h n d g r s o sg fd ie cr u tf r r t to fm c o c i e y o c pe'

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( yL b rtr f i a dMir a d a o, nsr f d ct n, t n l ee s a rtr f Ke a oaoyo l n coF b cf n Mii yo u ai Na o a fneL b ao o F m l t E o i D o yi r a d Na a dc f n, sa c ns t t fM r a n c n lg S a g i a t g M c n n o F b a o Ree rh I t u eo c d Na oTe h oo y, h n ha io n o l i i o n J o

U iesy S a g a 20 3 . hn ) nvri,h n h i 0 0 0 C ia tAb t a t sr c:T e b sc p n i l fmir ma h n d g r s o e wi g e i-u p n i n r tr b s d o MS i h a i r cp e o c o c i e y o c p t ma n t s s so oo a e n ME s i h c e

ito u e ep cal te r cpe f rtt n i i u sd h a ay i f te n e i i e me t g te nrd c d, se il h p n il o ai s ds se .T e n lss h id x n mp y i o o c o ni h n

cr so dn hmea dd s n o ess m i g e, e eepr eti dn . f rd v g te or pn igs e ei ft yt si n a w l a t xei n s o e At r i, e c n g h e v s ls h m e i n hmirma hn dg rso a ec 0 ri . h eut o ertt n se d a d tru r ay e . co c ie yoc p cn ra h3 0r a n T ersl ft a i p e oq eaea lz d e 0/ s h o o n n Ke r s mirma hn dg rso e;W en b d e;p aes i;q a mtrdd ie;ME y wo d: c o c ie yoc p i r g i h s hf u d u r t e v MS

0引言

2个分离的线圈所组成,每个线圈又由 4个首尾相连的子

微机电系统( MS具有体积小, ME )功耗低,适宜批量生

线圈组成,分别是相连的①③⑤⑦和②④⑥⑧.显而易见,只要对两组线圈相隔 9. 0进行正交驱动,根据电磁感应原理,就会产生相应的周期性变化的磁场,从而达到微陀螺旋转的目的.

产,价格便宜,于控制电路集成等优点… .作为 M M 易 ES的一个重要分支,微惯性器件的研究是目前国

内外的热点

之一.微惯性器件主要包括微陀螺和微加速度计,前者在汽车安全系统,常生活,日工业,医疗和军事等领域都有着广泛的应用前景,可以应用于导航,加速度传感器和平台角度传感器等领域 .过去,陀螺的研究主要是基于科氏效微

若要进行有力的驱动,必须提供一定的驱动电流保证较大的功率来驱动转子旋转 .和电机类似,出力矩随着输

驱动电流的增长而单调增长 .显然,在发热允许的条件下, 驱动电流愈大愈好,但一般不宜超过 1 A.

应的微振动陀螺,】近来,人们又把目光投向悬浮转子微陀螺,中,其包括静电悬浮转子微陀螺和磁悬浮转子微陀螺 .本文要讨论的是磁悬浮微陀螺中转子的旋转驱动机理

及其实现方式.1微陀螺驱动原理本文研究的磁悬浮转子微陀螺 (以下简称微陀螺 )由

上海交通大学微纳米研究院研制,其旋转原理和异步电机类似,线圈通上交流电, J旋转此交流电感应产生的旋转力矩克服转子旋转时的空气阻力矩,从而使得微陀螺旋转.显而易见,旋转的速度总是低于驱动的交流电频率 .图 1微陀螺定子旋转线圈示意图Fi 1 S he tcd a r m fsao oai g c H o g c m i i g a o t tr r ttn o fml r m c i d g r s o e c o h ne y o p c

图 1出了旋转线圈的原理图 .个旋转线圈组由给整收稿日期:05— 7—2 20 0 1

·基金项目:国家"6 ' 83计划资助项目(02 A 410; ' 20A 752 )国家自然科学基金资助项目(O003; 6420)上海市科委重大专项基金资助项目

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传感器与微系统由上述分析可见,对微陀螺驱动的问题可以抽象成产生两路相差 9 . 2M正交波形, 0的 Hz并且,具有一定驱动功率和驱动电流的正弦波,该正弦波组可以有效地进行旋转正交驱动 . 2驱动电路

第 2卷 5

为了避免削顶失真,要求在正反馈达到一定的幅值之后, 电

路具有自动限幅功能,即必须将放大倍数动态调整为 3从 .而使得整个网络的放大倍数固定为 1形成等幅振荡.,

运算放大电路的放大倍数由起振阶段的大于 3稳定振,荡时稳定在 3本质上是一个负反馈 .通常的实现方法是使,

驱动电路由以下 4个模块组成:起振电路,移相电路,一

用热敏电阻器或并联二极管的方法来实现 .]本方案采用后者 .图 5中加入一对正反并联的二极管( D )目 D和 4的的就是为了调节运放电路的放大倍数,并最终实现自动限幅.

级放大电路和功率放大电路.其中,起振电路用于产生

需要的 2 z的波形; MH移相电路用于产生正交

的 9 . 0移相波形;一级放大电路对两正交电路跟随,电压放大,进行波并

其正向电路的放大倍数为一 .

形均衡调整;功率放大电路对两路波形第二级实现功率放大以便驱动.具体的设计结构框图见图 2 .

^:

墨堕±整 ±基 垫一接地

堡l I

±墨'

式中

,. .和 .( .参见图 3的电阻值是固定的 . )而∞

和蹦的电阻值是由二极管的, .特性决定而变化的.图 2驱动电路结构框图F g 2 Bl c i g a fd i e i c i l o k d a r m o r v r cr u t

起振时,二极管的电阻值( U I由/决定)相对较大,电路的增益也较大,引起增幅过程;当输出幅度大到一定程度时,二极管的等效电阻值变小,反馈电阻R+R0/ / D+R l小 6 l R/R . l/,

2 1起振电路 .

起振电路要求振荡出 2 MHz正弦波,方案采用文的本

导致增益下降,到稳定幅达

式桥电路 (也称作 R C自激振荡电路 )的方法来实现 .该电路的特点是具有极低的失真度,虽然理论上文氏桥电路得度的目的.

上限频率为 I H, z但是, M实验中,荡频率可以稳定达到振5MH .上述特点可以满足设计指标中对波形稳定度和频 z率范围的要求 .图 3为文式桥电路的电路图.

实验和理论都证明:这个采用正反馈加负反馈的文式

桥电路可以稳定地发生 2 H的振荡频率电压. z M

2 2移相电路 .根据前述微陀螺的要求,两路波形相位差 9. 0达到正交是有效的驱动效果 .移相电路可以采用最简单的 R C移相电路 .易知,低通 R C移相电路的传递函数为1

H) (而· 经过频域分析可知 .相位随频率的增大而单调减小,并逐渐逼近于 9 . O .但是,这样的设计有 2个缺点: 1在 9 . ( ) O

相移时,的衰减几乎达到无限.幅值在理论上可以通幅值图 3文式桥振荡电路F g 3 Os i a o i c to i c l t …… 此处隐藏：5794字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……