一种基于谐振点实时估算的微镜控制方法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于谐振点实时估算的微镜控制方法及其系统。该方法为，首先设置微镜快轴和慢轴的初始控制信号，然后采集微镜快轴和慢轴的输入信号和位置反馈信号；接着对位置反馈信号进行解算，更新微镜快轴和慢轴的频率、幅度和相位；最后检测微镜快轴和慢轴是否达到期望状态，若没有，则继续优化。本发明专利技术提高了控制刷新率，让快轴以谐振工作频率，慢轴和激光发射脉冲跟随快轴频率改变，为MEMS扫描微镜的高速优化振动提供了稳定驱动。

【技术实现步骤摘要】
一种基于谐振点实时估算的微镜控制方法及其系统
本专利技术涉及微镜控制技术，具体涉及一种基于谐振点实时估算的微镜控制方法及其系统。
技术介绍
微机电系统(Micro-electro-mechanicalsystems，简称MEMS)是利用微加工技术制造出来的三维装置，至少包括一个可运动结构满足某种机械作用。MEMS微镜是其中一种使用MEMS加工技术制作的微小可驱动反射镜。在多种民用和国防领域都有着广泛的应用，如激光雷达，生物医学，光学投影等。电磁驱动的二维MEMS微镜可以实现快速扫描，针对电磁驱动的二维MEMS微镜已经有一些较为成熟的控制方案，如基于PID伺服控制原理，该方案通过使快轴在谐振点附近工作，加大电流环等使微镜达到最优幅度扫描。但是当外界环境改变时，谐振点也会随之偏移。如果微镜不工作在谐振点下，机械转角会大大降低，控制效率不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于谐振点实时估算的微镜控制方法及其系统，控制过程简单，并且提高了控制效率，使其稳定工作在谐振点上。实现本专利技术目的技术解决方案为：一种基于谐振点实时估算的微镜控制方法，包括如下步骤：步骤1、设置微镜快轴和慢轴的初始控制信号；步骤2、采集微镜快轴和慢轴的输入信号和位置反馈信号；步骤3、对位置反馈信号进行解算，更新微镜快轴和慢轴的频率、幅度和相位；步骤4、检测微镜快轴和慢轴是否达到期望状态，若没有，则返回步骤2，否则结束。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：本专利技术提高了控制刷新率，让快轴以谐振工作频率，慢轴和激光发射脉冲跟随快轴频率改变，为MEMS扫描微镜的高速优化振动提供了稳定驱动。附图说明图1是本专利技术实施例的基于微镜谐振点实时估算的控制系统的流程图。图2是本专利技术基于微镜谐振点实时估算的控制系统原理图。图3是本专利技术基于微镜谐振点实时估算的控制系统电路原理图。具体实施方式电磁式MEMS扭转微镜动态模型，具体为:JMθ″+bθ′+kθθ＝Tf(t)令输入信号为：Tf(t)＝Usin(ωt)则有：JMθ″+bθ′+kθθ＝Usin(ωt)对其求通解，有特征根为：由于该系统为二阶谐振系统，其极点位于共轭复数极点，即：令则有Δ＜0其特征根也可以表示为：可以知道通解：求特解为：θ*＝Acosωt+Bsinωt有最终解：由最终解可以看出，如果则系统响应和驱动信号无法达到最大程度耦合，微镜的振动最大幅值不能在一个稳定的状态，当且仅当时，系统震荡最大。因此，为了使快轴幅值保持在最大状态下，需要让系统驱动频率F向无限逼近，使其在谐振点上工作，即系统响应值θ0与系统的受迫响应θ*在同一频率相位上。基于上面的理论分析，本专利技术提出基于谐振点实时估算的微镜控制方法，将被控对象的给定输出与实际输出构成的偏差作为参数电压变化量ΔU、微镜频率变化量ΔF、相位变化量ΔP的输入，将偏差分别通过幅度环节、频率环节和相位环节的组合构成控制器，根据该控制器的输入输出控制三个参数，对被控对象进行控制来达到有效稳定系统工作状态使其产生机械谐振。微镜优化控制器的输出用于输入伺服控制器的控制对象，以使被控对象根据该输入量相应的输出每一个量，达到对被控对象的优化控制，其中，微镜控制器的输出为被控对象的控制参数。伺服控制器的输入量是被控对象的输出量与目标量的偏差值Δe，其中，目标量是预设的被控对象的输出的目标量。利用微镜的电磁特性控制驱动系统输出电压值来控制微镜的偏转角度，输出电压每变化ΔU的量会有一个标准的Δθ值与其一一对应。通过A/D模块对反馈的位置信号的实时采样来反馈微镜驱动上的峰值电压的大小。一旦微镜的偏转角度超出预设或者不能达到预设的幅度值(即反馈电压值)时而出现误差，输出模块输出相应的差值电压作为补偿，使镜面的偏角能够正确的转到预设位置。以此预设驱动电压的优化值使得偏转角度的保持在同一大小后，并且根据需求可以设定微镜所需要的偏转角度。同时根据位置反馈情况，可以实时了解幅度变化，处理器会计算出优化后的幅值即电压变化量ΔU响应到微镜控制器上来保持微镜角度不变。UOUT＝U0+ΔUΔU＝±KθΔθ其中UOUT为系统输出的改进电压值，U0为改进前的电压幅值，ΔU为根据角度θ变化所需变化的幅值差量。利用微镜的幅频特性可以控制驱动系统。在通过位置传感器反馈回的输出信号频率ω0与系统输入的频率ωI之间的差值e,当e产生变化时，说明系统处于不稳定状态。当且仅当e＝0时，即输出频率与输入频率相同且不变时，系统稳定。在系统工作时，可以把高速处理器控制检测信号与输入信号误差值做反馈信息。通过反馈信号，就能重新计算优化后的频率数值。若反馈信号不能满足所需信号的大小，使得幅度U增大，重新设定U与ΔU的关系。由于微镜控制系统只能实时跟踪输入信号，使得测试反馈值不能完全被利用，则除了电压变化量ΔU、微镜频率变化量ΔF引进第三种变量，相位变化量ΔP。在相位调制单元对微镜的驱动型号进行微调，将双轴控制中快慢轴进行比例控制。如果双轴相位不成比例，则会形无规律光面。并且在谐振时，若输出相位与输入相位不同时，即信号不同步，该系统会形成不稳定系统，微镜系统不能达到新的稳定。下面结合附图和具体实施例进一步说明本专利技术方案。通过图一的原理图实现微镜的优化控制，具体步骤如下:步骤1、设置微镜快轴和慢轴的初始控制信号(包括初始频率、幅度和相位)；步骤2、采集微镜快轴和慢轴的输入信号和位置反馈信号(包括相位、幅度和频率)；步骤3、对位置反馈信号进行解算，更新微镜快轴和慢轴的频率、幅度和相位，具体方法为：步骤3.1、将快轴反馈电压F1与快轴输入信号F2相减得ΔF；步骤3.2、对ΔF除以固定值得到中间变量F0，其中b表示微镜的阻尼系数，JM表示微镜的转动惯量；步骤3.3、对F0进行反三角函数运算，得到快轴更新频率值f快；步骤3.4、将f快除以K，得慢轴的更新频率值f慢，其中K表示快僈轴之间的转换倍率；步骤3.5、提取快、慢轴输入信号和位置反馈信号的幅值，得到Ui快、Ui慢、Uo快、U0慢，其中Ui快、Ui慢表示快、慢轴输入信号的幅值，Uo快、U0慢快、慢轴位置反馈信号的幅值；步骤3.6、计算快、慢轴输入信号和位置反馈信号的幅度差值，得到快、慢轴的更新幅度差U快＝Ui快-Uo快U慢＝Ui慢-U0慢；步骤3.7、将快、慢轴输入信号加上快、慢轴的更新幅度差，得到快、慢轴的更新幅度值；步骤3.8、提取僈位置反馈信号的相位，得到快轴的更新相位。步骤4、检测微镜快轴和慢轴是否达到期望状态，若没有，则返回步骤2，否则结束。如图2所示，基于谐振点实时估算的微镜控制系统，包括信号发生模块、功率放大模块、第一滤波模块、第二滤波模块、A/D采样模块、高速信号处理模块，其中信号发生模块依次连接第一滤波模块、功率放大模块和第二滤波模块，用于生成微镜装置的初始控制信号；A/D采样模块用于采集微镜装置反馈的信号，进行A/D转换，并传输给高速信号处理模块；高速信号处理模块用于对反馈信号进行频率解算，得到优化信号，并传输给信号发生模块更新驱动信号。本专利技术中所述信号发生模块包括STM32和DDS芯片。所述功率放大模块型号为AD8397。所述A/D采样模块的采样精度大于14Bit。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于谐振点实时估算的微镜控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、设置微镜快轴和慢轴的初始控制信号；步骤2、采集微镜快轴和慢轴的输入信号和位置反馈信号；步骤3、对位置反馈信号进行解算，更新微镜快轴和慢轴的频率、幅度和相位；步骤4、检测微镜快轴和慢轴是否达到期望状态，若没有，则返回步骤2，否则结束。

【技术特征摘要】
1.一种基于谐振点实时估算的微镜控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、设置微镜快轴和慢轴的初始控制信号；步骤2、采集微镜快轴和慢轴的输入信号和位置反馈信号；步骤3、对位置反馈信号进行解算，更新微镜快轴和慢轴的频率、幅度和相位；步骤4、检测微镜快轴和慢轴是否达到期望状态，若没有，则返回步骤2，否则结束。2.根据权利要求1所述的基于谐振点实时估算的微镜控制方法，其特征在于，步骤3进行解算的具体过程为：步骤3.1、将快轴反馈电压F1与快轴输入信号F2相减得ΔF；步骤3.2、对ΔF除以固定值得到中间变量F0，其中b表示微镜的阻尼系数，JM表示微镜的转动惯量；步骤3.3、对F0进行反三角函数运算，得到快轴更新频率值f快；步骤3.4、将f快除以K，得慢轴的更新频率值f慢，其中K表示快僈轴之间的转换倍率；步骤3.5、提取快、慢轴输入信号和位置反馈信号的幅值，得到Ui快、Ui慢、Uo快、U0慢，其中Ui快、Ui慢表示快、慢轴输入信号的幅值，Uo快、U0慢快、慢轴位置反馈信号的幅值；步骤3.6、计算快、慢轴输入信号和位置反馈信号的幅度差值，得到快、慢...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春勇，黄明成，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32