Modellierung, Reglerentwurf und Praxistest eines hochdynamischen MEMS-Präzisionsbeschleunigungssensors

• Main Author: Wolfram, Heiko
• Language: German
• Published: Technische Universität Chemnitz 2005
• Subjects: info:eu-repo/classification/ddc/620; ddc:620; Beschleunigungssensor; Identifikation; H-Infinity Control; MEMS; Mixed-Sensitivity Approach
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200500304; https://monarch.qucosa.de/id/qucosa%3A18288; https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A18288/attachment/ATT-0/; https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A18288/attachment/ATT-1/; https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A18288/attachment/ATT-2/; https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A18288/attachment/ATT-3/; https://monarch.qucosa.de/api/qucosa%3A18288/attachment/ATT-4/

This paper presents the development of building up a controlled MEMS acceleration sensor. The first samples have archived a resolution of better than 500 ug and a bandwidth of more than 200 Hz. A theoretical model is built from the physical principles of the complete sensor system, consisting of the MEMS sensor, the charge amplifier and the PWM driver for the sensor element. A reduced order model of the system is used to design a robust control with the Mixed-Sensitivity H-infinity Approach. Limitations for the control design are given since the system contains time delays and an unstable pole imposed by the electrostatic spring softening effect. The theoretical model might be inaccurate or lacks of completeness, because the parameters for the theoretical model building vary from sample to sample or might be not known. A new two-stage identification scheme is deployed to obtain directly the system parameters from the samples. The focus of this paper is the complete system development and identification process including practical tests in a DSP TI-TMS320C3000 environment with 12/14-bit A/D-D/A converters. === Der Artikel beschreibt die Entwicklungsschritte eines geregelten MEMS-Beschleunigungssensors. Die ersten Prototypen erreichten dabei eine Auflösung von weniger als 500 ug und eine Bandbreite von mehr als 200 Hz. Ein theoretisches Modell für den Reglerentwurf wird aus den physikalischen Zusammenhängen des Gesamtsystems, bestehend aus dem mechanischen Sensorelement, dem Ladungsverstärker und der PWM-Treiberstufe, gebildet. Für den Reglerentwurf wird der H-Infinity Mixed-Sensitivity Approach verwendet. Wegen Systemtotzeiten und dem Effekt der elektrostatischen Federerweichung sind Grenzen für die Wahl der Bandbreite zu beachten. Da Parameter für das theoretische Modell stark variieren oder schwer zu bestimmen sind, wird eine 2-Stufen-Identifikationsmethode vorgeschlagen, um ein Modell für den Reglerentwurf zu erhalten. Praktische Tests wurden mit einem DSP TI-TMS320C3000 mit 12/14-Bit A/D-D/A Wandlerstufen durchgeführt.