一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统技术方案

本发明专利技术为一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统，包括信号发生器、前置放大器、锁相放大器、高压放大器、控制电压合成器、移相电路及控制器；信号发生器分别与移相电路、控制电压合成器连接，移相电路与锁相放大器连接；前置放大器包括相连接的I‑V转换电路、放大器，I‑V转换电路用于采集电磁悬浮微镜的转子角位移信息，放大器经锁相放大器后与控制器的输入端连接；控制器的输出端与高压放大器连接，所输出的控制电压经高压放大器放大、控制电压合成器处理后输入到电磁悬浮微镜的轴向旋转控制极板上，产生静电力使转子旋转到指定角度。本发明专利技术能实现微镜大角度的旋转。

A control system of internally stabilized electromagnetic levitation micro mirror

The invention relates to a control system of an internal stable electromagnetic levitation micromirror, which comprises a signal generator, a preamplifier, a phase-locked amplifier, a high voltage amplifier, a control voltage synthesizer, a phase-shifting circuit and a controller; a signal generator is connected with a phase-shifting circuit and a control voltage synthesizer respectively; and a phase-shifting circuit is connected with a phase-locked amplifier. The preamplifier includes a connected I_V conversion circuit, an amplifier, and an I_V conversion circuit for collecting the angular displacement information of the rotor of the electromagnetic levitation micromirror. The amplifier is connected with the input of the controller after the lock-in amplifier. The output of the controller is connected with the high-voltage amplifier, and the output control voltage is amplified by the high-voltage amplifier. The large and controlled voltage synthesizer is input to the axial rotating control plate of the electromagnetic levitation micromirror after being processed, and the electrostatic force is generated to rotate the rotor to a specified angle. The invention can realize the rotation of micro mirror at a large angle.

【技术实现步骤摘要】
一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统1、
本专利技术涉及微机电系统中的微镜角度调节领域，特别涉及一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统。2、
技术介绍
MEMS即微机电系统(MicroelectroMechanicalSystems)，是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，经过四十多年的发展，已成为世界瞩目的重大科技领域之一。它涉及电子、机械、材料、物理学、化学、生物学、医学等多种学科与技术，具有广阔的应用前景。利用微加工技术制造出微型器件并进行相应处理电路设计，可广泛应用于传感器和驱动器中。MEMS微镜是其中的一个典型应用，主要原理是控制微镜(即反射镜)和入射光之间的入射角以控制光线的偏转方向，被广泛用于光纤相位调制器、光学衰减器、光谱仪、光开关等领域。为使MEMS微镜能倾斜一定角度，现有的方法一般是把MEMS微镜安装在扭转梁上，在直流电压的静电驱动下使扭转梁偏转，从而带动微镜旋转一定的角度，改变与入射光之间的入射角度。受机械扭转梁刚度限制，这种方法最多实现±20°范围旋转角，无法实现大角度旋转。本系统利用电磁悬浮、变电容驱动原理，采用闭环控制，可以实现微镜在±180°范围内旋转。3、
技术实现思路
为了解决现有技术所存在的问题，本专利技术提供一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统，能实现微镜大角度的旋转。本专利技术所采用的技术方案如下：一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统，包括信号发生器、前置放大器、锁相放大器、高压放大器、控制电压合成器、移相电路及控制器；信号发生器分别与移相电路、控制电压合成器连接，移相电路与锁相放大器连接；前置放大器包括相连接的I-V转换电路、放大器，I-V转换电路用于采集电磁悬浮微镜的转子角位移信息，放大器经锁相放大器后与控制器的输入端连接；控制器的输出端与高压放大器连接，所输出的控制电压经高压放大器放大、控制电压合成器处理后输入到电磁悬浮微镜的轴向旋转控制极板上，通过轴向旋转控制极板产生的静电力控制电磁悬浮微镜的轴向旋转驱动电极。优选地，所述I-V转换电路与轴向旋转驱动公共电极连接，用于获取电磁悬浮微镜的转子实际转角，并与转子的旋转参考转角比较以获取误差值，误差值经过控制器处理后获得所述控制电压。优选地，所述电磁悬浮微镜的轴向旋转驱动电极设有三对，所述轴向旋转控制极板在任意时刻只对电磁悬浮微镜的一个轴向旋转驱动电极对施加电压，另外两个轴向旋转驱动电极对的电压为零。优选地，所述I-V转换电路的检测电压为：式中：Rf为I-V转换电路的反馈电阻，C为电磁悬浮微镜的公共电极，Ci为电磁悬浮微镜的第i个轴向旋转驱动电极对的电容，si为施加在第i个轴向旋转驱动电极对的载波信号，i取1、2、3。优选地，所述控制器为DSP或ARM控制器，包括3路A/D转换电路和3路D/A转换电路，通过A/D转换电路将转子角位移信息转换成数字信号后进行处理得出控制量，再通过D/A转换电路输出3路控制电压到相应的轴向旋转驱动电极对。优选地，所述锁相放大器包括相连接的乘法器和低通滤波电路，乘法器与前置放大器、移相电路连接，低通滤波器与控制器连接。优选地，所述信号发生器采用单片机AT89C51作为主控芯片。优选地，所述信号发生器还包括两路带通滤波器，其中一路带通滤波器与控制电压合成器连接，另外一路带通滤波器经移相电路与锁相放大器连接。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术技术方案通过频分复用技术检测出转子的角位置信息，经过处理后进入到控制器，经过控制算法计算后输出三路控制电压施加在控制电极对上，使转子旋转到指定角度，由于采用闭环控制，该转角控制精度高，并且能够实现±180°的大角度旋转。4、附图说明图1为内稳式电磁悬浮微镜的结构示意图；图2为本专利技术内稳式电磁悬浮微镜的控制系统的结构框图；图3为本专利技术的轴向旋转检测控制框图；图4为本专利技术的转子角位移检测原理图。5、具体实施方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例本专利技术内稳式电磁悬浮微镜的结构如图1所示，主要由定子3和转子1组成，转子的中心有一个通孔，直径为1.5mm，在转子的中心安装一个反射镜2；定子主要包括6块轴向旋转驱动电极34、公共电极35、悬浮线圈32、稳定线圈31、支撑柱33及引脚36等金属平面结构。6块轴向旋转驱动电极呈环形分布于定子上，相对的两块旋转驱动电极为一对，组成三对轴向旋转驱动电极对，电极夹角为24°，电极之间夹角为36°；公共电极分布在最外圈，为扇形，它们通过引线连接在一起，悬浮线圈、稳定线圈形成封闭结构，悬浮线圈分布于轴向旋转驱动电极所在圆环的内周，稳定线圈分布于悬浮线圈的内周。定子上设有引脚间隙，引脚沿着定子的径向从引脚间隙引出轴向旋转驱动电极、公共电极以及悬浮线圈、稳定线圈的连接线。定子厚度为15μm；转子为圆环形，厚度为8μm，直径为3.2mm，四周有8个通孔，8个通孔呈环形均匀分布在转子上，通孔夹角为21°，通孔之间的夹角为24°。当转子悬浮起来时，需要对轴向旋转驱动电极加电，控制转子带动反射镜旋转到指定角度，改变入射光的传播方向，以满足大角度成像使用需要。公共电极引出检测信号以获得转子的实际转角。支撑柱设置在悬浮线圈上，减少悬浮时转子与基底的粘附力，便于悬浮。这种内稳式电磁悬浮微镜的结构优点为：磁悬浮微镜系统中，悬浮线圈通交变电流，该交变电流产生的交变磁场与其在转子导体中感应出的涡流作用产生电磁力，使转子悬浮起来，稳定线圈使转子稳定悬浮在腔体中央。轴向旋转驱动电极为三相，顺序通电，产生的静电力驱动转子轴向旋转。内稳式结构的稳定线圈分布在定子靠近中央的位置，利用稳定线圈电磁场在环形转子中心通孔内侧的边缘效应，产生向外的电磁力，当转子偏离中心位置时，电磁力的侧向力不再平衡，产生的合力使转子能返回原位，悬浮线圈分布在外侧，产生电磁力使转子悬浮。旋转控制电极集中在外侧，增大静电力旋转作用力矩。公共电极集中在外侧，增大了传感电极的极板面积，可以增大传感电极的检测精度。环形转子的内圈半径尺寸比稳定线圈外圈半径要大，比悬浮线圈内圈半径要小。可采用光刻电镀微细加工技术制造定子的稳定线圈、悬浮线圈、轴向旋转驱动电极、公共电极、引脚等平面金属结构，金属层表面和金属层之间有绝缘介质；采用光刻和腐蚀工艺获得支撑柱；采用激光镭射加工出环形转子。如图2所示，本专利技术内稳式电磁悬浮微镜的控制系统包括信号发生器、前置放大器、锁相放大器、高压放大器、控制电压合成器、移相电路及控制器；信号发生器包括单片机和两路带通滤波器，其中一路带通滤波器与控制电压合成器连接，另外一路带通滤波器经移相电路与锁相放大器连接；前置放大器包括相连接的I-V转换电路(即电流-电压转换电路)、放大器，I-V转换电路用于采集转子的角位移信息，放大器经锁相放大器后与控制器的输入端连接；控制器的输出端与高压放大器连接，所输出的控制电压经高压放大器放大、控制电压合成器处理后输入到电磁悬浮微镜的轴向旋转控制极板上，产生静电力使转子旋转。电磁悬浮微镜的6块轴向旋转驱动电极共构成3对轴向旋转驱动电极对，在本专利技术中称为第一控制电极对、第二控制电极对和第三控制电极对。信号发生器采用单片机AT89C51作为主控芯片模拟I2C总线控制3路模数转换器AD9832，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统，其特征在于，包括信号发生器、前置放大器、锁相放大器、高压放大器、控制电压合成器、移相电路及控制器；信号发生器分别与移相电路、控制电压合成器连接，移相电路与锁相放大器连接；前置放大器包括相连接的I‑V转换电路、放大器，I‑V转换电路用于采集电磁悬浮微镜的转子角位移信息，放大器经锁相放大器后与控制器的输入端连接；控制器的输出端与高压放大器连接，所输出的控制电压经高压放大器放大、控制电压合成器处理后输入到电磁悬浮微镜的轴向旋转控制极板上，控制转子旋转到指定转角。

【技术特征摘要】
1.一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统，其特征在于，包括信号发生器、前置放大器、锁相放大器、高压放大器、控制电压合成器、移相电路及控制器；信号发生器分别与移相电路、控制电压合成器连接，移相电路与锁相放大器连接；前置放大器包括相连接的I-V转换电路、放大器，I-V转换电路用于采集电磁悬浮微镜的转子角位移信息，放大器经锁相放大器后与控制器的输入端连接；控制器的输出端与高压放大器连接，所输出的控制电压经高压放大器放大、控制电压合成器处理后输入到电磁悬浮微镜的轴向旋转控制极板上，控制转子旋转到指定转角。2.根据权利要求1所述的内稳式电磁悬浮微镜的控制系统，其特征在于，所述I-V转换电路与轴向旋转驱动电极连接，用于获取电磁悬浮微镜的转子实际转角，并与转子的旋转参考转角比较以获取误差值，误差值经过控制器处理后获得所述控制电压。3.根据权利要求1所述的内稳式电磁悬浮微镜的控制系统，其特征在于，所述电磁悬浮微镜的轴向旋转控制电极设有三对，在任意时刻，只对电磁悬浮微镜的一个轴向旋转控制电极对施加电压，另外两个轴向旋转控制电极对的电压为零。4.根据权利要求1所述的内稳式电磁悬浮微镜的控制系统，其特征在于，所述I-V转换电路的检测电压符合以下公式...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖奇军，罗忠辉，M·卡夫，
申请(专利权)人：肇庆学院，
类型：发明
国别省市：广东,44