可變電容式靜電電機的電子換相控制系統(tǒng)和控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種可變電容式靜電電機的電子換相控制系統(tǒng)和控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 硅微靜電懸浮電機由MEMS體硅工藝加工、利用靜電支承系統(tǒng)穩(wěn)定地懸浮在真空 電極腔的幾何中心，可以有效地避免接觸、摩擦與磨損，具有工作穩(wěn)定性高、使用壽命長等 優(yōu)勢。并且，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速工作到1〇 4轉(zhuǎn)/分以上時，可以用作高精度與高分辨率的雙自由度 速率陀螺?？勺冸娙菔届o電電機是一種同步電機，當(dāng)微電機工作于10ipa或更低的真空條 件時，殘余氣體阻尼很小，轉(zhuǎn)動控制回路的相位穩(wěn)定裕量極低，易導(dǎo)致電機失步而無法正常 工作。此外，在驅(qū)動微電機加轉(zhuǎn)的過程中，電機內(nèi)部因溫度和氣壓變化、加工工藝誤差和靜 電支承力親合等引起的干擾力矩會對直接影響電機的同步轉(zhuǎn)動。傳統(tǒng)的開環(huán)換相控制方式 不需要轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置信息，電機控制方案簡單，但為了避免加轉(zhuǎn)過程電機失步，通常需要較 長的加轉(zhuǎn)時間；另一方面，當(dāng)干擾力矩較大時，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動與定子驅(qū)動脈沖失步，電機 無法長期穩(wěn)定運行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，確有必要提供一種采用基于轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置信息的電子換相控制系統(tǒng)和 控制方法，該控制系統(tǒng)和控制方法對可變電容靜電電機的轉(zhuǎn)動進(jìn)行同步控制，以縮短靜電 電機的啟動時間，并保證電機能夠長期穩(wěn)定地、高速地同步運行。
[0004] -種可變電容式靜電電機的電子換相控制系統(tǒng)，其包括轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)角檢測單元、微 控制器以及輸出放大單元。所述轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)角檢測單元用于檢測轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速；所述微 控制器用于捕獲轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號的上升沿，根據(jù)轉(zhuǎn)速控制算法設(shè)定轉(zhuǎn)速系數(shù)kse(〇, 1]，計算 IXIV3，將ksXlV3設(shè)定為下一周期驅(qū)動電壓所需要的脈沖寬度；所述輸出放大單元輸 出三相驅(qū)動信號用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
[0005] -種可變電容式靜電電機的電子換相控制方法，其包括以下步驟：S1 :施加驅(qū)動 電壓，轉(zhuǎn)子在^時刻開始轉(zhuǎn)動，然后僅提取一路轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號；S2 :捕獲該一路轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 信號的上升沿，記錄該時刻為t1+1，轉(zhuǎn)速信號周期T1=t(1+1)-^，i為整數(shù)，設(shè)定轉(zhuǎn)速系數(shù)kse (〇, 1]，設(shè)定ksXlV3為下一周期驅(qū)動電壓所需要的脈沖寬度；S3 :輸出三相驅(qū)動電壓驅(qū)動 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；S4 :重復(fù)上述步驟S2和S3。
[0006] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的可變電容式靜電電機的電子換相控制系統(tǒng)和控制方 法，只需要捕獲一路轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置信號，調(diào)節(jié)所需驅(qū)動信號的脈寬，進(jìn)而輸出三相同步驅(qū) 動電壓，即可穩(wěn)定地驅(qū)動轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，可以減小啟動時間并且解決了真空下電機失步問 題，實現(xiàn)電機長期穩(wěn)定地、高速地同步運行。
【附圖說明】
[0007] 圖1是本發(fā)明實施例提供的硅微靜電懸浮電機的分解結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008] 圖2是本發(fā)明實施例提供的硅微靜電懸浮電機的定子與轉(zhuǎn)子的分解結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009] 圖3是本發(fā)明實施例提供的可變電容式靜電電機的電子換相控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0010] 圖4是本發(fā)明實施例提供的可變電容式靜電電機的電子換相控制的控制時序圖。
[0011] 主要元件符號說明
如下【具體實施方式】將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
【具體實施方式】
[0012] 下面將結(jié)合附圖及具體實施例，對本發(fā)明提供的可變電容式靜電電機的電子換相 控制系統(tǒng)和控制方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0013] 請參閱圖1，硅微靜電懸浮電機10包括頂層玻璃、中層高摻雜硅、底層玻璃三層結(jié) 構(gòu)。在頂層玻璃表面具有上定子11、軸向懸浮電極12、公共電極13。在底層的玻璃上有下 定子14、軸向懸浮電極15以及公共電極16。中層高摻雜硅層上具有轉(zhuǎn)子17,在轉(zhuǎn)子17的 徑向方向上，有外徑懸浮電極18以及內(nèi)徑懸浮電極19。轉(zhuǎn)子17與上定子11、下定子14、 軸向懸浮電極12、15以及外徑懸浮電極18和內(nèi)徑懸浮電極19均保持有微米量級的間隙， 通過施加所需要的靜電力，使轉(zhuǎn)子17穩(wěn)定地懸浮于電極腔的幾何中心位置，實現(xiàn)沿著x、y、 z三個平動自由度和繞x、y轉(zhuǎn)動兩個自由度的穩(wěn)定懸浮。同時，利用上定子11與下定子14 施加所設(shè)定的靜電力矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子17在真空下沿Θ軸高速同步地旋轉(zhuǎn)。
[0014] 請參閱圖2,硅微靜電懸浮電機10的轉(zhuǎn)子17包括加轉(zhuǎn)凹槽171、十四個加轉(zhuǎn)齒 172。硅微靜電懸浮電機10的上定子11包括A相驅(qū)動電極111a、112a、113a、114a，B相驅(qū)動 電極111b、112b、113b、114b以及C相驅(qū)動電極111c、112c、113c、114c。硅微靜電懸浮電機 10的下定子14包括A相驅(qū)動電極141a、142a、143a、144a，B相驅(qū)動電極141b、142b、143b、 144b以及C相驅(qū)動電極 141c、142c、143c、144c。
[0015] 在一個加轉(zhuǎn)控制應(yīng)用實例方案中，A相驅(qū)動電極111a、112a、113a、114a均施加正 極性驅(qū)動電壓；A相驅(qū)動電極141a、142a、143a、144a均施加負(fù)極性驅(qū)動電壓；B相驅(qū)動電極 111b、112b、113b、114b均施加正極性驅(qū)動電壓；B相驅(qū)動電極141b、142b、143b、144b均施加 負(fù)極性驅(qū)動電壓；C相驅(qū)動電極111c、112c、113c、114c均施加正極性驅(qū)動電壓；C相驅(qū)動電 極141c、142c、143c、144c均施加負(fù)極性驅(qū)動電壓；并且，正負(fù)驅(qū)動電壓的幅值相同。
[0016] 在另一個加轉(zhuǎn)控制應(yīng)用實例方案中，A相驅(qū)動電極llla、141a、113a、143a均施加 正極性驅(qū)動電壓；A相驅(qū)動電極112a、142a、114a、144a均施加負(fù)極性驅(qū)動電壓；B相驅(qū)動電 極111b、141b、113b、143b均施加正極性驅(qū)動電壓；B相驅(qū)動電極112b、142b、114b、144b均 施加負(fù)極性驅(qū)動電壓；C相驅(qū)動電極111c、141c、113c、143c均施加正極性驅(qū)動電壓；C相驅(qū) 動電極112c、142c、114c、144c均施加負(fù)極性驅(qū)動電壓；且正負(fù)驅(qū)動電壓的幅值均相同。
[0017] 兩種極性相反的電極分布方式，均可以保持轉(zhuǎn)子17的虛地電位；上定子11和下定 子14作用于轉(zhuǎn)子17的軸向力相互抵消，保持轉(zhuǎn)子17穩(wěn)定懸浮。同時，三相驅(qū)動電壓A、B、 C產(chǎn)生的靜電力矩依次交替作用于轉(zhuǎn)子17,驅(qū)動轉(zhuǎn)子17在真空下高速旋轉(zhuǎn)。
[0018] 請參閱圖3，圖3所示是硅微靜電懸浮電機10的電子換相控制系統(tǒng)30。硅微靜電 懸浮電機10的電子換相控制系統(tǒng)30包括依次連接的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)角檢測單元31、微控制器32 以及輸出放大單元33。所述的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)角檢測單元31用于檢測轉(zhuǎn)子17的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。所 述微控制器32可以為FPGA、ARM、MSP430以及DSP等，本實施例中，該微控制器32為DSP。 所述微控制器32包括依次連接的捕獲單元321，轉(zhuǎn)速控制單元322與驅(qū)動信號脈寬調(diào)節(jié)單 元323。所述輸出放大單元33輸出三相驅(qū)動信號用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子17旋轉(zhuǎn)。
[0019] 所述捕獲單元321捕獲轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號的上升沿。所述轉(zhuǎn)速控制單元322根據(jù)轉(zhuǎn) 速控制算法設(shè)定轉(zhuǎn)速系數(shù)kse(〇,1]，立即計算k,Χη/3，驅(qū)動信號脈寬調(diào)節(jié)單元323將 IXIV3設(shè)定為下一周期驅(qū)動電壓所需要的脈沖寬度。
[0020] 另外，本發(fā)