[发明专利]一种多自由度静电悬浮系统几何对称性逼近方法

说明书

本发明提供了一种基于迭代调节的多自由度静电悬浮系统几何对称性逼近方法，该方法将平动‑转动多自由度系统视为多个独立平动自由度，并采用变预载电压法，对各个自由度对称性进行依次循环的迭代调节，只需要有限次迭代，便可实现将多自由度悬浮体调节至电极笼的几何对称中心。本发明可以克服多自由度间的耦合力的影响，整个过程可完全自动化实现，可普适于以静电悬浮技术为基础的高精度传感、超精密减振控制等领域，使系统具备自校准和环境适应能力，使系统保持在最佳工作点，从而能保证精密仪器和精密设备发挥出应有的性能。

技术领域

本发明涉及一种基于迭代调节的多自由度静电悬浮系统几何对称性逼近方法，用于实现将多自由度悬浮体调节至电极笼的几何对称中心，属于静电悬浮控制和精密传感技术领域。

背景技术

静电悬浮系统在重力卫星和天基减振领域具有重要的应用，它通过无机械接触的精确易控的静电力将悬浮体(一般为敏感质量、工作平台等)进行六自由度悬浮隔离，使传感器(如静电悬浮加速度计)的探测性能更灵敏或使工作平台(如基于静电悬浮的天基超静平台)的工作环境更为宁静。静电悬浮系统通常以差分电容的形式进行构造，其中被悬浮体为中间电极，电极笼为两边电极。为了获得优良的控制特性并减少由控制特性带来的噪声干扰，需要将悬浮系统的线性度调至最优，亦即需要将悬浮体的闭环工作点调节至静电悬浮系统电极笼的几何对称中心。

文献Identification and Adjustment of the Position and Attitude forthe Electrostatic Accelerometer's Proof Mass.Sensors and Actuators A:Physical,2012,187:190-193，针对自由度梳齿式静电加速度计提出一种不用转台的在线校准调节方式：在恒定不变的惯性力或重力环境下，通过改变预载电压，使反馈电压跟随变化，并由二者的乘积波动性计算出系统的非线性度，然后调节一次闭环点获取两组预载-反馈电压值，并计算出系统对称时所对应的预载-反馈电压输出，最终以此为目标进行闭环点位置的在线调节。文献基于等效变预载法的静电加速度计闭环零点调节[J].中国惯性技术学报,2015,23(4):550-554，考虑了反馈电压不对称情况的变预载调试方法。此系列方法能克服寄生效应改变所带来的失准，但是它在对称性中需要满足一个限制条件：悬浮体受到的非静电力在调节过程中要求保持不变。由于在调节多自由度悬浮体的悬浮点时会发生力的耦合效应，从而破坏这一条件的成立。文献Self-calibration method of the bias ofa space electrostatic accelerometer[J].Review of Scientific Instruments,2016,87(11):114502将单自由度调节方法应用到多自由度系统中，并没有考虑到多自由间的力耦合变化关系。这样简单地将平动-转动多自由度系统视为多个独立平动自由度进行对称性调节会达不到应有精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于迭代调节的多自由度静电悬浮系统几何对称性逼近方法，解决了将单自由度对称性调节方法应用于多自由度系统时的耦合失准问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于迭代调节的多自由度静电悬浮系统几何对称性逼近方法，该方法将平动-转动多自由度系统视为多个独立平动自由度，并对所述多个独立平动自由度对称性进行循环迭代调节，步骤如下：

步骤S1：初始位置检测：用变预载电压方法检测各个平动自由度的当前闭环位置对称性；

步骤S2：综合对称性判断：如果由步骤S1检测出来的各个平动自由度的闭环位置对称性均小于预设的非对称性阈值，则表明多自由度静电悬浮系统已经对称，调节结束，否则选取其中一个平动自由度通道，进入步骤S3；

步骤S3：单自由度的对称反馈指示电压计算：根据当前所选择的平动自由度通道的闭环位置对称性，计算多自由度静电悬浮系统对称条件下该平动自由度通道的反馈指示电压，作为当前平动自由度的对称反馈指示电压；