[发明专利]一种微机械谐振式器件闭环驱动用的PID控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种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F_el。静电驱动力F_el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：

G1(s)=P(s)C(s)P(s)C(s)+1---(1)]]>

G₁(s)体现整个闭环系统的跟踪特性。

从扰动幅度值d到幅度提取器4输出的振动幅度B之间的传递函数G₂(s)为：