CN108427347A - 一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统 - Google Patents

一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明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。本发明能实现微镜大角度的旋转。

Description

一种内稳式电磁悬浮微镜的控制系统
1、技术领域
本发明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、背景技术
MEMS即微机电系统(Microelectro Mechanical Systems)，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、发明内容
为了解决现有技术所存在的问题，本发明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。
本发明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，本发明具有如下有益效果：
本发明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为本发明内稳式电磁悬浮微镜的控制系统的结构框图；
图3为本发明的轴向旋转检测控制框图；
图4为本发明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发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明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，本发明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，在本发明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，以实现频率和相位可调的多路正弦波信号发生器。模数转换器AD9832的SCLK接单片机的I/O引脚1，SDATA接单片机的I/O引脚2，采用位选方式选择控制寄存器，FSELECT、PSEL0、PSEL1均接地。数字电和模拟电要分开，并用瓷珠在一点接地。模数转换器AD9832采用内部参考电源，REFIN接REFOUT，FSADJUST通过3.9K电阻接地，IOUT通过300Ω电阻输出信号，输出峰值电压为1.16V，可取单片机AT89C51其余空闲P1口和P3口共3个I/O引脚输出信号接3个AD9832的FSYNC，其中3个为载波发生，3个为同步解调参考信号，同步解调参考信号需要经过移相电路和前置放大器输出的信号相乘。由于是数字合成为阶梯波，输出不平滑，并且输出存在直流偏置，需要采用二阶模拟带通滤波器滤掉高频噪声和直流偏置，提高信噪比。
由于电路设计、制板以及芯片本身的原因，信号发生器的电路会产生一些噪声。噪声主要分为高频噪声和低频噪声两种。其中，高频噪声产生的原因有两种：AD9832数字合成为阶梯波，输出不平滑，从而产生了高频噪声；线路板元件排布、走线分布及电阻和电容热噪声产生的高频噪声。低频噪声主要是AD9832芯片产生的直流偏置。这些噪声的存在都会降低系统的信噪比和工作精度，使微弱信号的检测与控制受到影响，因而在信号发生器中设计出带通滤波器(BPF)进行噪声的去除。
锁相放大器包括相连接的乘法器和低通滤波电路(LPF)，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。为保证解调信号之间不发生干扰，各路载波频率之差要大于1.5kHz，带通滤波信号输出到解调电路中，解调电路采用锁相放大器，其主要作用是进一步提取窄带信号，净化信号频率，抑制噪声，提取需要的频率代表的位移信号。其原理为多频率输出信号乘以各对应频率同相位方波，输出2倍频的全波信号，再通过低通滤波器(LPF)获得直流信号。
移相电路用于实现交流电路±180°相移，使解调电路输入同步解调参考信号相位和前置放大器输出后的调制波信号相位一致，以获得最大的信号输出。
本实施例中，对电磁悬浮微镜的轴向旋转检测控制原理如图3所示。电容检测电路与公共电极连接，用于获取转子实际转角，并与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控制电压ur，例如当转子转动到第一控制电极对和第二控制电极对的控制区域时，若ur大于零，第一控制电极对的施加电压为V1，第二控制电极对的施加电压V2和第三控制电极对的施加电压V3均为零；若ur小于零，第二控制电极对的施加电压为V2，第一控制极电极对的施加电压V1和第三控制电极对的施加电压V3均为零，即只对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。为实现控制系统的线性化，将控制对象补偿为具有线性关系的伪线性系统，施加电压如下式：
式中，Ka为高压放大器放大倍数。
当所需控制旋转参考角度大于步进角度15°时，则按照相序加电，进行开环控制，转子以步进角度旋转，当转角小于步进角度时，则切换到闭环控制，控制电压V1、V2、V3转换成等量异号电压分别施加在三对轴向旋转控制电极对上。
对转子角位移检测的原理如图4所示，采用频分复用原理进行角度检测，在三相轴向旋转电极对输入3路频率不同的载波信号s1～s3，通过质量块耦合在公共电极，通过I-V转换电路检出代表转子位置的电容检测信号。第一轴向旋转控制电极对C1由C1P和C1N组成，第二轴向旋转控制电极对C2由C2P和C2N组成，第三轴向旋转控制电极对C3由C3P和C3N组成。控制器输出的控制电压经过同相放大器和反向放大器分别获得等量异号控制电压+V1和-V1后叠加检测载波s1分别施加在极板C1P和C1N上，同理，控制电压+V2和-V2叠加检测载波s2分别施加在极板C2P和C2N上，控制电压+V3和-V3叠加检测载波s3分别施加在极板C3P和C3N上。经过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为第i个轴向旋转驱动电极对的电容，si为载波信号，i取1、2、3；I-V转换电路将电流信号转换为电压信号，可以看出，输出电压Vo包含转子三相角位移信号，它是幅度调制交流信号，通过和相应载波相乘，低通滤波后获得直流信号，即获得三相检测电容大小，得出转子的实际转角大小和位置，作为转子角位移检测信号输送到控制器。
控制器为DSP或ARM控制器，主要包括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检测信号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控制极板对；通过通讯电路将数据传送给上位机，同时接收上位机发来的控制参数进行实时控制。上位机的控制功能包括转子轴向旋转角度实时采集和控制，可以设置控制参数便于调试，实现控制数据的存储和图形显示。
高压放大器主要放大控制器输出的电压信号，获得较大的驱动电压。控制电压合成电路采用加法器，将高压放大器输出后的直流电压与信号发生器中带通滤波器输出的载波信号进行叠加，再施加在电磁悬浮微镜的轴向旋转控制电极上。
如上所述，便可较好地实现本发明。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

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：
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。
5.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控制电极对。
6.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，所述控制电压合成电路采用加法器。
7.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。
8.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，所述信号发生器采用单片机AT89C51作为主控芯片。
9.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。
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