MEMS扭转微镜的滑模控制研究

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MEMS微镜在光开关、高清晰显示、光学相干断层扫描、数字投影和条形码扫描等领域获得广泛应用,引起了国际学术界和工业界的关注。光开关应用中要求MEMS微镜具有良好的暂态响应和扫描定位精度,成像应用中需要MEMS微镜跟踪给定轨迹(正弦或三角波轨迹)进行扫描。考虑到基于MEMS微镜应用中的性能要求,本文基于滑模控制理论设计控制算法并应用于MEMS扭转微镜,主要内容包括以下几个方面:(1)将一阶滑模控制算法和二阶Twsiting控制算法应用于带侧面电极的2D静电驱动MEMS扭转微镜,目的是提高系统的暂态响应和定位精度。通过MATLAB仿真和基于可编程门阵列(FPGA)硬件的实验验证所提出算法的有效性。仿真和实验结果表明,与开环控制相比,闭环控制系统具有较好的暂态响应和定位精度。与一阶滑模控制相比,二阶Twsiting控制下的系统具有较好的定位精度。(2)针对带侧面电极2D静电驱动MEMS扭转微镜设计基于积分滑模面的二阶滑模控制算法,该算法由等价控制和切换控制两部分组成。采用Lyapunov理论证明系统的稳定性,通过定点控制、跟踪控制和扰动实验来验证闭环系统的性能。实验结果表明二阶积分滑模控制能够改善系统暂态响应,提高定位和跟踪扫描的精度。(3)将积分滑模控制算法应用于电磁驱动MEMS扭转微镜,建立基于电磁驱动MEMS扭转微镜的激光扫描成像系统,实现闭环控制下的1D扫描成像。实验结果表明,与传统开环控制和PID控制相比,积分滑模控制下的系统具有较好的暂态响应和定位精度,而且能够精确跟踪给定正弦和三角波轨迹进行扫描。
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