电磁驱动微运动的测量与控制方法.docx

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电磁驱动微运动的测量与控制方法

摘要

在微运动系统中，驱动器是实施微运动的关键部件，为了实现高精度的微运动，驱动器必须具备高运动精度和高定位精度，因此驱动器技术是微运动系统的核心技术。

概括国内外微运动系统驱动器技术，从驱动原理和方式上看，主要驱动形式有压电驱动、静电驱动、形状记忆合金驱动和电磁驱动等。

这次我的毕业设计的主要内容是：

采用电磁驱动、电感传感器和PID控制方法，设计一套一维电磁式微驱动器的测量与控制系统，该驱动器的运动范围是5mm、分辨率是1µm。

本次毕业设计第1章介绍了电磁驱动国内外研究的现状和发展趋势介绍了电磁驱动的研究意义。

第2章介绍了电磁驱动系统总体框图对电磁铁驱动理论和电感传感器理论进行了分析。

第3章设计了电感传感器的信号采集电路和基于AD698的电感传感器信号调理电路，对AT89C51做了简要的介绍，设计出了基于AD7705与89C51的AD转换电路和基于ZLG7290与89C51的显示电路的硬件设计。

设计了电磁驱动的功率放大电路。

第4章对前面所做的工作和工作过程的感想做了小结。

此次毕业设计主要要完成的有：

电磁驱动器的设计，电压放大，A/D、LED显示管的选用以及单片机和它们的连接，简单的单片机编程，PID控制方法和原理等内容。

关键词：

微机电系统；电磁驱动器；单片机；控制测量；硬件设计

Abstract

Inthemicro-motionsystem,thedriveisakeycomponentoftheimplementationofmicro-movements,inordertoachievehigh-precisionmicro-motion,thedrivermusthavehighprecisionandhighpositioningaccuracyofmotion,sothedrivetechnologyisthecoretechnologyofmicro-motionsystem.Generaldomesticandmicro-motionsystemdrivetechnology,principlesandmethodsfromthedriverpointofview,themaindriverintheformofpiezoelectric,electrostaticactuation,shapememoryalloydriverandelectromagneticdrives.

Thegraduationofmymaincontentis:

usingelectromagneticdrive,inductivesensorsandPIDcontrolmethodtodesignaone-dimensionalelectromagneticmicrodriveandcontrolsystemofmeasurement,rangeofmotionofthedriveis5mm,theresolutionis1μm.

ThegraduationprojectChapter1describesthestatusoftheelectromagneticdrivedomesticandforeignresearchanddevelopmenttrendoftheresearchdescribedelectromagneticdrivemeaning.Chapter2describestheoverallblockdiagramoftheelectromagneticdrivesystemtheoryandtheinductivesensorsolenoid-driventheoryisanalyzed.Chapter3DesignoftheinductivesensorsignalacquisitioncircuitandtheinductancebasedonAD698sensorsignalconditioningcircuit,abriefintroductionofAT89C51isdesignedbasedontheAD7705andthe89C51oftheADconversioncircuitandthedisplaybasedonZLG7290withthe89C51hardwarecircuitDesign.Designoftheelectromagneticdrivepoweramplifiercircuit.Chapter4ofthepreviousworkandtheworkprocesswithasummarythoughts

themaingraduationprojecttobecompletedare:

thedesignofelectromagneticdrives,voltageamplification,A/D,LEDdisplaytubes,andthechoiceofmicrocontrollerandtheirconnections,simplemicrocontrollerprogramming,PIDcontrolmethodsandprinciplesandsoon.

KeyWords:

MEMS;electromagneticdrives;Single-ChipComputer;microcomputercontrolmeasure

目录

摘要

Abstrcat

第1章绪论1

1.1电磁驱动国内外研究现状和发展趋势1

1.1.1电磁驱动定义1

1.1.2电磁驱动微工作台分类1

1.1.3电磁驱动研究趋势3

1.2电磁驱动研究意义3

1.3毕业设计任务4

第2章系统总体方案设计5

2.1电磁驱动系统原理总体框图5

2.2电磁铁驱动的理论分析6

2.3电感传感器理论分析7

第3章系统具体设计方案8

3.1电感传感器信号采集电路设计8

3.2电感传感器信号调理电路设计9

3.351单片机技术11

3.4A/D转换电路设计13

3.4.1AD7705的引脚排列15

3.4.2片内寄存器16

3.5微机与单片机通信电路设计17

3.6LED显示电路设计19

3.7PID控制电路设计23

3.8电磁铁驱动电路设计24

第4章总结与展望26

4.1总结26

4.2展望26

参考文献27

致谢28

附录一29

附录二30

附录三32

第1章绪论

1.1电磁驱动国内外研究现状和发展趋势

1.1.1电磁驱动定义

电磁驱动式微动台是靠电磁力直接驱动的，通过控制线圈中电流的大小来控制电磁力的大小，从而带动工作台产生相应的精密微位移。

由于电磁微动台是电磁驱动单元和并联机构相融合的产物，通过控制电磁驱动元件，可实现微动台的精密运动。

由于磁力的非接触性，可以达到很高的精度。

当在通电螺线管内部插入铁芯后，铁芯被通电螺线管的磁场磁化。

磁化后的铁芯也变成了一个磁体，这样由于两个磁场互相叠加，从而使螺线管的磁性大大增强。

为了使电磁铁的磁性更强，通常将铁芯制成蹄形。

但要注意蹄形铁芯上线圈的绕向相反，一边顺时针，另一边必须逆时针。

如果绕向相同，两线圈对铁芯的磁化作用将相互抵消，使铁芯不显磁性。

另外，电磁铁的铁芯用软铁制做，而不能用钢制做。

否则钢一旦被磁化后，将长期保持磁性而不能退磁，则其磁性的强弱就不能用电流的大小来控制，而失去电磁铁应有的优点。

1.1.2电磁驱动微工作台分类

目前电磁驱动工作台按其工作维数可以分为如下：

一维电磁微驱动装置：

当中目前主要是利用基于洛仑兹力的音圈电机作为微动驱动器。

音圈电机的行程为毫米级，闭环控制精度可以达到纳米级，非常适于小行程超精密运动驱动。

二维电磁微驱动装置：

主要是靠电磁驱动单元的组合驱动，平面支撑主要靠气浮或磁浮实现。

类似于平面电机，但与平面电机有着本质的不同之处是，不存在明显的齿槽效应，该类型机构主要应用于芯片光刻机、光纤对接装置和精密光学仪器中。

三维电磁微驱动装置：

与二维机构的工作原理类似，其多自由度的运动是靠多个驱动单元共同作用完成，该机构在半导体加工、显微镜扫描、微装配和快速

成型等领域有着重要的应用[3]。

1.1.3电磁驱动研究趋势

由于电磁驱动台的驱动是以磁场为介质的，因此磁场的分析和设计是电磁微动台整体结构设计的前提。

尽管目前学者已经对磁场分析、电磁力计算等重要问题进行了相关研究，但是还未形成一套完整的电磁微动台磁场分析和设计的理论。

特别是对边端效应、局部饱和、推力波动等影响定位性能的重要因素，以及如何实现长行程、大推力和高响应等问题都值得深入研究。

微动台的结构是电磁驱动单元和位置检测单元安装的主体，是微动台稳定工作的基础。

现有的电磁微动台在设计上虽然也以质量轻、结构紧凑、工艺性好和便于控制等为设计准则，但在如何保证质心驱动、散热和减少磁力耦合等方面考虑不够，因此鉴于上述方面设计更加合理和新颖的结构是提高工作台性能的重要途径之一。

电磁式微动台除了本身结构之外，其定位精度和响应速度，主要是靠控制系统来完成的。

现今的电磁力的控制系统大多基于电流控制模式，在这种控制模式中忽略了线圈电感对电流变化的抑制作用，若线圈中电流的变化过于剧烈时，系统中实际电流与参考电流之间将出现较大误差，影响定位精度。

因此，为获得高性能的电磁力控制系统，必须从电磁力的电压方程出发建立更能准确体现微动台电磁特性的数学模型，以设计电磁微动台的控制系统。

除此之外，可充分借鉴其他的控制原理和方法，如矢量控制理论、推力脉动抑制方法等[4]。

1.2电磁驱动研究意义

电磁微驱动技术是21世纪最重要的科学技术之一，由于微驱动技术研究微观尺度的物体和现象，因此微驱动技术也主要指微米和纳米尺度和精度的测量技术。

它具有被测量的尺度小以及以非接触测量手段为主等主要特点，由于电磁的一些优良特性如磁性的有无可以通过开关的通断来控制，磁性的大小可以通过电流的大小来控制，并且与电流的平方成正比，因此可以达到较高的精度。

1.3毕业设计任务

此次课题为电磁驱动式微运动测量与控制系统设计，即利用电磁驱动器来驱动铁芯运动，测量出其运动位移并控制铁芯的运动精度。

课题名称：

电磁驱动微运动的测量与控制方法。

主要任务与目标：

采用电磁驱动、电感传感器和PID控制方法，设计一套一维电磁式微驱动器的测量与控制系统，该驱动器的运动范围是5mm、分辨率是1µm。

完成一维电磁式微驱动器的机构设计与分析，完成电感式传感器的信号处理电路设计和PID控制方法的设计，以及单片机接口与显示电路的设计等，包括相关机构、电子电路、软件程序等部分的详细设计，并绘制出相应的方案图、原理图、电路图、流程图等。

主要内容：

掌握电磁式微驱动器的设计和分析方法、掌握电感传感器的原理、掌握PID控制方法的原理。

设计一维电磁式微驱动器，并进行理论解析分析。

设计电感传感的信号处理电路。

设计电磁式微驱动器控制的软硬件方法。

设计单片机处理电路、接口与显示电路及其软件。

第2章系统总体方案设计

2.1电磁驱动系统原理总体框图

图2-1系统总体方案图

系统总体方案如图2-1所示，电磁铁通电使铁芯磁化，吸引运动机构移动。

运动机构的移动（运动范围0-5mm）改变了电感传感器的空气间隙从而改变电感值。

电感值的变化会在信号处理电路上用输出电压表现出来。

测得的电压变化量接入A/D转换片，转换后得到的数字量送入单片机处理并显示结果。

这样就可以把电磁驱动铁芯的实际位移测量出来，将所要得到的位移与实际需要量进行比较后送PID控制部分根据得到的电压信号来判断实际位移量是否符合预想值并进行调节，精度为1微米。

最后控制电磁铁的来对实际位移量来调节。

2.2电磁铁驱动的理论分析

图2-1电磁铁原理图

电磁铁的引力公式为[6]

（2-1）

式中B为电磁场磁通密度

为导磁率

S为磁极截面面积

电磁铁引力：

线圈电流与磁通密度关系为

（2-2）

N为线圈的匝数

为磁路长度

磁性材料导磁率

空气导磁率

为空气隙长度

为电流强度

由于

则

（2-3）

（2-4）

（2-5）

改变电流后空气隙长度发生变化，衔铁发生移动从而实现了微位移运动

2.3电感传感器理论分析

图2-3电感传感器

如图所示的自感传感器，当衔铁产生位移时，气隙厚度

发生变化导致电感L发生变化[7]。

磁路中的交变磁通为

（2-6）

线圈感生电动势

（2-7）

得线圈电感

（2-8）

第3章系统具体设计方案

3.1电感传感器信号采集电路设计

电感传感器的等效电路图如图3-1所示:

图3-1电感传感器等效电路

自感式传感器将被测量变化转换成电感变化，接入不同的电路，将电感变化转换成电压（或电流）的幅值、频率或相位的变化。

实际应用中调频和调相电路较少，主要用调幅电路。

经常用的是电桥式。

图3-2电感传感器信号采集电路

如图3-2所示，

与

为与传感器并联的两个电阻，另两相邻臂为变压器二次绕组，耦合电压各为u/2.空载时输出电压为

（3-1）

当

=

=Z，处于平衡状态时，输出电压

=0。

当衔铁偏离零点位置时，

代入式（3-1），有

（3-2）

传感器线圈阻抗Z=R+jωL，其变化ΔZ是由损耗电阻变化ΔR和感抗变化ωΔL两部分组成，即

（3-3）

代入（3-2）式并考虑到电感线圈品质因数

，有

=

（3-4）

提高激励频率f，使Q较大,

可忽略，

（3-5）

再由式（3-2）可知，（3-4）式可以写为

（3-6）

3.2电感传感器信号调理电路设计

电感位移传感器具有灵敏度及分辨力高、线性度好、工作可靠、寿命长等优点,作为一种精密的位移检测部件在很多领域有着广泛的应用。

在位置自动测控系统中，通常采用微机或来处理位移信号并进行控制,这就要设计与传感器配套的信号变送电路，将电感式位移传感器输出的交变信号转变为与位移成正比的直流信号,经转换后输入微机中。

图3-3AD698管脚图

AD698是一种完整的单片式线位移差动传感器信号调节系统[8]。

提供了用单片电路来调理线性可变差动变压器信号的完整解决方案，只需附加极少量的无源元件可实现位置的机械变量到直流电压的转换。

图3-4AD698信号调理电路图

3.351单片机技术

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[9]。

其外形及引脚排列如图所示：

图3-5AT89C51引脚图

VCC：

供电电压

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻抗输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石英振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度

3.4A/D转换电路设计

系统要求工作台运动范围是0-5mm，当工作台运动到5mm时，对应的

=10V，即0-10V的输出电压

代表工作台0-5mm的运动范围。

在考虑精度要求时，A/D转换电路的分辨率至关重要。

此次设计所要求的1μm测量精度就要通过A/D转换来实现。

最小分辨力计算公式如下[10]：

其中n表示A/D转换电路的位数。

需选用至少13位A/D转换芯片方可满足1μm的精度要求。

AD7705/7706是应用于低频测量的2/3通道的模拟前端。

该器件可以接受直接来自传感器的低电平的输入信号，然后产生串行的数字输出。

利用Σ-∆转换技术实现了16位无丢失代码性能。

选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端。

AD7705/7706包含一个片内低通数字滤波器，用它处理器件的Σ-∆调制器的输出信号。

所以，该器件不仅提供模数转换功能，而且还具备一定的滤波能力。

数字滤波与模拟滤波存在许多系统差异，用户务必注意。

一方面，数字滤波发生在模-数转换之后，它能消除模数转换过程中产生的噪声，而模拟滤波不能做到这一点。

此外，数字滤波比模拟滤波更容易实现可编程性。

依靠数字滤波器设计，用户可以编程截断频率和输出更新率。

另一方面，在模拟信号进入ADC之前，模拟滤波能够消除重叠在模拟信号上的噪声，数字滤波则不能做到这一点，并且寄生在信号上的噪声峰值接近满标度时，即使信号的平均值在极限范围内也有可能使模拟调制器和数字滤波器达到饱和状态。

为了解决这个问题，在AD7705/7706的Σ-∆调制器和数字滤波器内部，建立一个峰值储备，这允许超出模拟输入范围5%。

若噪声信号比这还要大，那么就得考虑输入端的模拟滤波，或降低输入通道电压，使输入电压的范围为模拟输入通道电压满标度范围的一半。

这样动态范围降低50%，将使超范围性能增加1倍[11]。

3.4.1AD7705的引脚排列

图3-6AD7705引脚图

1SCLK串行时钟，施密特逻辑输入。

将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问AD7705的串行数据。

该串行时钟可以是连续时钟以连续的脉冲串传送所有数据。

反之，它也可以是非连续时钟，将信息以小批型数据发送给AD7705

2MCLKIN为转换器提供主时钟信号。

能以晶体/谐振器或外部时钟的形式提供。

晶体/谐振器可以接在MCLKIN和MCLKOUT二引脚之间。

此外，MCLKIN也可用CMOS兼容的时钟驱动,而MCLKOUT不连接。

时钟频率的范围为500kHz～5MHz

3MCLKOUT当主时钟为晶体/谐振器时，晶体/谐振器被接在MCLKIN和MCLKOUT之间。

如果在MCLKIN引脚处接上一个外部时钟，MCLKOUT将提供一个反相时钟信号。

这个时钟可以用来为外部电路提供时钟源，且可以驱动一个CMOS负载。

如果用户不需要，MCLKOUT可以通过时钟寄存器中的CLKDIS位关掉。

这样，器件不会在MCLKOUT脚上驱动电容负载而消耗不必要的功率

4CS片选，低电平有效的逻辑输入，选择AD7705。

将该引脚接为低电平，AD7705能以三线接口模式运行（以SCLK、DIN和DOUT与器件接口）。

在串行总线上带有多个器件的系统中，可由CS对这些器件作出选择，或在与AD7705通信时，CS可用作帧同步信号

5RESET复位输入。

低电平有效的输入，将器件的控制逻辑、接口逻辑、校准系数、数字滤波器和模拟调制器复位至上电状态

6AIN2（+）[AIN1]差分模拟输入通道2的正输入端。

7AIN1（+）[AIN2]差分模拟输入通道1的正输入端。

8AIN1（-）差分模拟输入通道1的负输入端。

9REFIN（+）基准输入端。

AD7705差分基准输入的正输入端。

基准输入是差分的，并规定REFIN（+）必须大于REFIN（-）。

10REFIN（-）基准输入端。