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1、附件 B： MEMS 谐振器件闭环控制研究开题报告1、 课题的目的及意义 1.1 课题背景机械系统(MEMS)是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的新兴的科技领域，它以微电子及微机械加工技术为依托，涉及微电子学、机械学、力学、自动控制学、材料科学等多种工程技术和学科。为科学技术的发展提供了新的技术平台。MEMS 器件和系统由于具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、机电一体化、可批量生产等优点，因此在航天、航空、汽车、生物医药等诸多领域有着十分广阔的应用前景。MEMS 谐振器件的特点是直接输出频率信号，即准数字输出、抗干扰能力强，可以微电路集成在一个芯片上，并便于和数字处理
2、器件接口等。与低 Q-值的 LC谐振电路不同，MEMS 谐振器的 Q-值高，稳定性好。MEMS 谐振器件的闭环控制是提高其性能的关键环节之一，本课题根据 MEMS谐振器件的特点，设计相应的闭环控制电路，使谐振器件能以稳定的频率和振幅振动,即器件在上电后便能起振，并维持稳定的谐振状态。12 课题目的本课题在了解 MEMS 谐振器件的工作原理的基础之上，提出一种闭环控制的方案。利用 MATLAB 对谐振器件进行系统仿真，建立闭环控制模型。并对电路进行仿真和参数优化。搭建实现电路，完成调试和测试，以实现对 MEMS 谐振器件的闭环控制。 13 国内研究现状国内外有较多的关于闭环控制的报道，实现闭环控
3、制的方案也各不相同。2006 年东南大学王存超等报道了一种微振动陀螺的闭环自激驱动方案5。要实现自激振荡，闭环系统必须满足幅值和相位条件：（1）闭环系统的环路增益大于或等于 l；（2）环路相移为 2的整数倍。陀螺自激驱动方式的模块如图 1 所示，其中包含了电流电压转换电路、自动增益控制（AGC）电压产生电路和可变增益放大电路三个模块。在电路中通过自动增益控制，可以使驱动振动在驱动模态固有频率上自激驱动。图 1 1 自激驱动模块2010 年中国科学院电子所报道了电磁激励谐振式 MEMS 压力传感器的闭环控制方案11，其闭环控制原理图如图 2 所示。该方案采用检测速度谐振频率的方法设计了一种“零相
4、移”的闭环控制电路，该闭环控制电路无需移相网络，具有自动增益控制功能。且设计了限幅环节对闭环电路进行控制，以保证起振后系统的工作稳定性。图 2 自激振荡式传感器闭环控制原理2010 年西北工业大学报道了一种高幅值稳定性的微机械陀螺仪闭环驱动方案 12。方案如图 3 所示，其中 AGC 模块来稳定陀螺驱动模块输出信号的幅度。然而，AGC 技术线性工作范围小，相角条件和增益条件相互耦合等因素，迫使整个驱动电路的带宽受到较大限制，并且不能对相角、增益进行单独的优化。根据自激振荡振幅稳定性理论，将相角和增益解耦，以获得幅值最佳状态的参数。重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 B：开题报告B3图
5、3 闭环驱动框图2006 年 Lili Dong 等报道了针对 MEMS 陀螺的模拟式自适应控制方案16.自适应的模型如图 5 所示。图 4 敏感轴自适应控制框图2007 年东南大学王存超等报道了一种基于自适应控制的硅微振动陀螺仪驱动电路14，硅微振动陀螺仪的自适应调谐原理如图 6 所示。输入信号的频率由设计者选定 (与陀螺的驱动固有频率相差不能太大 )，陀螺仪驱动在反馈环路中， 反馈系数自动调整，使输入与输出信号相位差为 90表明系统谐振。通过反馈系数的自动调节能够实现系统的谐振,其谐振频率为设计者给定的信号频率。图 5 自适应调谐原理图2008 年东南大学报道了基于随机平均法的 MEMS
6、陀螺自适应控制设15,随机平均法是一种求解非线性系统和参激系统对随机激励响应的近似方法。该方法的基本思想是对系统中的快变量进行平均，从而得出关于系统慢变量的简化平均方程。在利用随机平均法对 MEMS 陀螺驱动和敏感模态分析的基础上，研究了 MEMS 陀螺的自适应控制设计。使陀螺工作在调谐驱动和力平衡闭环检测状态。驱动模块调谐如图 7 所示。图 6 驱动模态调谐本课题针对 MEMS 谐振器件的需求，采用自激振荡的方法实现其闭环控制，完成系统控制模型建立、仿真优化和实验电路搭建，为 MEMS 谐振器件的高精度闭环控制研究奠定基础。2 2、课题任务、重点研究内容、实现途径2.1 课题任务理解 MEM
7、S 谐振器件的工作原理，结合相关软、硬件设计方法完成 MEMS 谐振器件的闭环控制电路设计，搭建出电路，进行调试。2.1 课题重点研究内容1、了解 MEMS 谐振器件的工作原理和现有闭环控制的实现方法。2、基于 MALAB 对 MEMS 谐振器件进行系统仿真。3、根据仿真结果与 MEMS 谐振器件特性，提出闭环控制电路方案。4、建立电路模型，对电路进行仿真和参数优化。重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 B：开题报告B55、搭建实验电路，结合 MEMS 谐振器件进行电路调试和测试。6、总结完成毕业设计论文的撰写。2.3 实现路径2.3.1 了解背景，学习理论通过查阅国内外相关文献，了解
8、MEMS 谐振器件的工作原理和闭环控制的相关方法。学习闭环控制的基础理论，并掌握闭环控制的设计方法。2.3.2MALAB 对 MEMS 谐振器件进行系统仿真学习 MATLAB 的基础知识，利用 MATLAB 对 MEMS 谐振器件仿真。2.3.3 电路方案的提出和模型的建立根据仿真结果和 MEMS 谐振器件特性，参照现有的闭环控制实现方案，提出闭环控制方案。根据方案建立电路模型，对电路进行仿真和参数优化。2.3.4 电路调试和测试依据实验室的条件，搭建实验电路，结合 MEMS 谐振器件进行电路调试和测试。 主要参考文献：1 Bo Yang, et.al. A precision closed-
9、loop driving scheme of silicon micromachined vibratory gyroscopeJ. Journal of Physics, 2006, 34 (1): 57-64.2 官俊, 刘泉民. MATLAB 在自动控制系统中应用研究J. 现代商贸工业, 2010,（16）：338-339.3 E. Gaura, M. Craft. Comparison of Two Novel Control Strategies for a closed loop micromachined Tunnelling AccelerometerJ. Modeling a
10、nd Simulation of Microsystems, 2001, (1): 100-103.4 刘云涛; 尹亮, 等.具有自检测功能的闭环加速度计接口电路设计J.传感技术学报，2009, 17, (6): 1379-1383.5 王存超, 苏岩, 王寿荣. 硅微振动陀螺仪驱动器自激驱动研究J. 传感技术学报, 2006, (19): 364-370.7 王亚强, 王跃林, 等. 微机械谐振传感器的闭环恒幅驱动电路研究J. 仪器仪表学报，1999, (20): 351-355.8 贾新章. orCAD/Pspice9.0 实用教程M西安: 西安电子科技大学出版社, 1999.9 赵景波，
11、薛萍Protel 2004 电路设计应用范例M北京：清华大学出版社, 2006.10 杨素行模拟电子技术基础简明教程M北京：高等教育出版社, 1997.11 刘 猛,王军波，李玉欣，陈德勇. 电磁激励谐振式 MEMS 压力传感器闭环控制研究J. 传感技术学报, 2010，23(8)12 李晓莹，南素娟等. 一种高幅值稳定性的微机械陀螺闭环驱动电路J. 仪器仪表学报，2010，1004-1699（2010）-1458-0414 王存超, 王寿荣, 夏敦柱. 基于自适应控制的硅微振动陀螺仪驱动电路研究J. 仪器仪表学报,2007. 1000- 8829( 2007) 07- 0073- 0315
12、王存超 , 王寿荣 , 周百令. 基于随机平均法的 MEMS 陀螺自适应控制设计J. 仪器仪表学报, 2008,460 . 402516 Lili Dong ,et.al. Adaptive Estimation and Control of a Z-axis MEMS Gyroscope with Time-varying Rotation RatesJ. Journal of Physics,2006, 0-7695-2653-5/06/$20.00 (c) 重庆大学本科学生毕业设计（论文）附件 附件 B：开题报告B73、计划进度序号设计（论文）工作内容时间（起止周数）1熟悉课题，翻译相关
13、文献第 1 周至 2 周2了解国内外研究现状，作开题报告第 3 周至 4 周3了解 MEMS 谐振器件的工作原理，进行系统 仿真第 5 周至 6 周4确定电路方案，完成电路设计与仿真第 7 周至 9 周5搭建实验电路，完成测试第 10 周至 12 周6撰写毕业论文第 13 周至 16 周7毕业论文答辩第17周学生签名： 年 月 日4、指导教师意见指导教师签名： 年 月 日内部资料 仅供参考*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQGn8xp$R#͑GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&
14、qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwcvR9CpbK!zn%Mz849GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#KN&MuWFA5uxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwcvR
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