非线性微机械谐振器的频率跟踪控制及数值仿真.pdf

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1、第25卷第3期传感技术学报V01．25No．32012年3月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUAFORSMar．2012ResonanceFrequencyTrackingControlforNonlinearMEMSResonatorLIUtteng'．MENGRuili’(1．CollegeofElectronic＆informationEngineering，NangUniversityofinformation&technology，Nanjing210044，Chin

2、a；2．JiangsuKey"LaboratoryofMeteorologicalObservationandSignalProcessing，Nang210044，China)Abstract：ThenonlinearprincipleofthetypicalMEMSresonatorwasintroduced，accordingtothephaserelationbetweeninputelectrostaticforceandoutputdisplacement，phase-lockedloopt

3、echnologywasadoptedforresonator．Thecontrolequationsbasedonphase—lockedtechnologywerealsobuiltforthesystem．Withthehelpoftheaveragingmethod，thesystemstabilitywasanalyzedandtheequilibriumfortheamplitudevibrationwasachieved．Thetheoreticalanalysisandsimulatio

4、nshowtheintegralgainiscriticaltothesystemstability．Whenitlargerthanthecriticalvalue，thesystemstabletimeisless，butthefrequencytrackingprocesswouldfluctuate；ifitsmallerthanthecriticalpoint，thesystemstabletimeislonger，butthefrequencytrackingprocesswouldun-f

5、luctuating．Keywords：micro-electromechanicalsystems；resonator；nonlinear；phase-lockedtechnology；averagingmethodEEACC：7630doi：10．3969／j．issn．1004-1699．2012．03．012非线性微机械谐振器的频率跟踪控制及数值仿真木刘恒．孟瑞丽(1．南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044；2．江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京210044)摘要：本文分析了

6、微机械谐振器的非线性动力学原理。根据振梁的非线性谐振条件下激励与检测信号相位关系，确定了基于锁相技术驱动的系统分析模型。利用平均周期法得到了系统稳定条件和稳态平衡点，理论分析和仿真表明：振梁刚度的高次项系数的增大，不影响系统的稳定性；当积分控制器系数小于临界值时，频率跟踪时间长，不出现频率抖动；反之，频率跟踪稳定时间短，频率抖动。关键词：微机械电子系统；谐振器；非线性；锁相技术；平均周期法中图分类号：TN911．71文献标识码：A文章编号：1004—1699(2012)03—0338—06微机械谐振式传

7、感器主要通过谐振频率的改变的系数．它的存在使结构的幅度稳定性变差，同时谐来敏感角加速度、线加速度、力、电场等信号，如微机振频率也将发生变化，这使得传感器系统表芯不再械振动陀螺、谐振式加速度传感器、谐振式压力传感是二阶线性的，而是高阶非线性的。基于传统控制器等。这类传感器具有体积小、功耗低，同时，输出理论的分析方法很难获得高阶系统的稳定条件和平为数字频率信号，传输过程中信息衰减少，抗干扰性衡点，电路的调试也就缺少理论的指导。本文首先强，容易与数字设备接口，目前广泛应用于气象、航分析了静电驱动下微机械谐振器

8、的非线性动力学原空航天、汽车等领域。微机械谐振器作为谐振式传理，并根据非线性谐振条件下的激励力与振动位移感器的核心部件受到了越来越多的关注，在传感器的相位关系．确定了基于锁相技术的驱动控制方法。系统设计时，一般总将谐振器等效为弹簧一阻尼一质鉴于系统的高阶非线性．利用平均周期法分析了振量组成的二阶线性系统．通过静电激励来获得结构子系统行为。得到了闭环系统的稳定条件和稳态平振动的输出信息。但有限元建模理论分析和实验测衡点。根据实验室研制的某谐振