谐振式微静电驱动系统的非线性分析与控制

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1、国内图书分类号：THll3国际图书分类号：621西南交通大学研究生学位论文密级：公开年级2Q!!级姓名谢蝰申请学位级别王猩亟±专业狃械工程指导老师递进熬援!谴昱2014年5月12日ClassifiedIndex：THll3U．D．C：621SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisGrade：201lCandidate：XIEJiaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterDegreeSpeciality：MechanicalEngineeringSupervisor：Prof．XIEJinMay,12，20141

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4、№＆lImM西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1．保密口，在年解密后适用本授权书；2．不保密钐使用本授权书。(请在以上方框内打“、／”)学位论文作者签名：‘勿结谈垂指导老师签名：日期：沙，妒，

5、√，，∥日期：乡撒伊陬}、西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：1．对几种常见的谐振式微静电驱动系统进行了分析，并以双端固可动极板谐振式微静电驱动系统为研究对象，对该系统的静电驱动力和压膜阻尼进行推导。利用瑞利．里兹法通过计算梁一位移关系，建立了谐振式微静电驱动系统的拉格朗日动力学方程。分析机构静电刚度效应，并利用能量守恒方法对最大“吸附”刚度比和最大“吸合”电压进行求解。2．研究了通过改变交流电压幅值、频率与直流偏置电压幅值的情况下，微静电驱动系统的非线性动力学行为。并在此基础上，得到了系统分别在周期和混沌状态时，直流偏置电压“软化”

6、刚度需要满足的条件。3．通过引入线性刚度反馈项，调节反馈项参数值，对系统混沌现象进行控制；此外，将位移变化作为反馈信号，控制加载电压，通过调节闭环电路增益量，对系统混沌现象进行控制。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学雠文储龇御婷日期：劢，p．r．彦西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要·静电驱动力作为微机电系统(MEMS)中一种重要的驱动力与

7、检测技术，被大量应用于微泵、微马达、微谐振器、加速度计等微器件中。它具有高灵敏度、精度高、响应速度快、容易制造等优点。谐振式微静电驱动机构是MEMS器件中比较典型的机构，也是机电耦合的关键元件，其动力学特性和控制的研究具有比较重要的理论和实际应用意义。本文针对谐振式微静电驱动机构的静电力和动力学等方面的问题深入研究。研究的主要内容和结论如下：1、本文以双端固谐振式微静电驱动机构作为研究对象。根据谐振式微静电驱动机构与平行板电容器的应用特点，研究了系统的静电驱动力与压膜阻尼的计算公式，采用瑞利．里兹法建立了静电力．位移关系，基于Lagrangian方程，运用能量耦合法，建立了系统的动力

8、学方程。2、运用能量守恒方法，分析阶跃响应时“吸附”效应最大刚度比，得出当刚度比小于0．5时，才能避免“吸附”效应；运用能量守恒的方法，分析阶跃电压响应时“吸合”电压的大小，并对比了考虑非线性刚度和不考虑非线性刚度两种状态“吸合”电压值的大小。研究表明：考虑非线性刚度的“吸合”电压值比不考虑非线性刚度的“吸合”电压值略小。3、对系统的静电刚度进行了研究。研究表明：静电刚度的大小可通过调节外加电压来调节；研究了交流电压幅值、频率和直流偏置电压幅值对双端固谐振式微静电驱动动力系统动力学性能的影响；基于对系统静电刚度分析，建立了通过调整直流电压幅值调节静电刚度、使系统“软化”进而处于周期运

9、动所应满足的静电刚度条件。4、研究了在系统中加入线性变量反馈项缸和运用电路形成的反馈电压加载到平行电容板上两种方法对可动极板的混沌运动进行控制的方法。关键词：MEMS，微静电驱动结构，刚度，非线性，谐振器+国家自然科学基金项目(项目批准号51175437)西南交通大学硕士研究生学位论文第1I页Abstract’Asanimportantactuatorandsenorinmicroelectromechanicalsystem(MEMS)，electros