本文關(guān)鍵詞：電磁式MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡的建模與閉環(huán)控制研究

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【摘要】：MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡在光開關(guān)、醫(yī)療成像、高清晰投影和光學(xué)相干斷層掃描等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用,其巨大的市場潛力以及重要的研究價值引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注�？紤]到電磁式MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡具有可低電壓操作,掃描范圍大等優(yōu)勢,本文選取一款具有硬磁特性的MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡作為研究對象。結(jié)合基于MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡應(yīng)用中的性能要求,本文借助于理論分析、有限元仿真和實驗研究等方法,對電磁式MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡進行建模和控制研究。具體的研究工作和主要貢獻包括如下幾個方面:1.針對具有硬磁特性的MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡,采用電磁學(xué)相關(guān)理論以及有限元分析法,建立輸入電流與輸出偏角的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)微鏡能量傳遞的過程,該數(shù)學(xué)模型分為電線圈模型、磁驅(qū)動器模型以及微鏡扭轉(zhuǎn)機械模型三個部分。本文給出電線圈和磁驅(qū)動器的數(shù)學(xué)模型,提出易于有限元迭代分析的電線圈通用模型以及適用于非均勻磁場的磁驅(qū)動器模型。2.針對包含電、磁、力等物理量的MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡,首先運用COMSOL Multiphysics對微鏡進行三維模擬測試,在三維穩(wěn)態(tài)以及瞬態(tài)耦合求解分析下,討論了在參數(shù)掃描下驅(qū)動電流和輸出偏角的關(guān)系。其次,搭建一套基于電磁式MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡的激光掃描平臺,主要工作包括電壓控制電流放大電路制作、基于FPGA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計,并對微鏡的固有頻率以及開環(huán)性能進行測試。最后,利用仿真和實驗結(jié)果驗證建立的數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。3.結(jié)合基于MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡的光開關(guān)快速響應(yīng)以及切換準(zhǔn)確的特點,本文設(shè)計多種閉環(huán)控制算法應(yīng)用于電磁式MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡,包括PID控制、改進PID控制、具有PD形式的滑�？刂埔约熬哂蠵ID形式的積分滑�？刂�,目的是改善系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)和定位精度。通過仿真和實驗對比分析,積分滑�？刂葡孪到y(tǒng)能夠有效抑制微鏡的抖動,具有更好的暫態(tài)性能,對于基于電磁式MEMS扭轉(zhuǎn)微鏡的光開關(guān)具有重要的研究價值。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH74

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