CN115032786A - 一种提升微振镜扭转控制精度的控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提升微振镜扭转控制精度的控制系统，包括FPGA控制器、数模转换器、驱动电流放大器和角度位置传感器。该控制系统由FPGA控制器实现对扭转角度指令的解码，得到微振镜驱动数字波形，然后基于数模转换器和驱动电流放大器的处理，得到放大的微振镜驱动电流，然后，微振镜在微振镜驱动电流的作用下实现扭转，并由角度位置传感器测量并向FPGA控制器反馈实际扭转角度，FPGA控制器基于实际扭转角度更新扭转角度指令，输出更准确的微振镜扭转控制信号。如此反馈闭环式的控制可大幅度提升微振镜扭转的控制精度和响应速度。

Description

一种提升微振镜扭转控制精度的控制系统及控制方法
技术领域
本申请涉及微振镜驱动的技术领域，更具体地，涉及一种提升微振镜扭转控制精度的控制系统及控制方法。
背景技术
微振镜又叫MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)振镜，是一种利用MEMS加工技术在半导体硅片上刻画制作的微小可驱动的反射镜。微振镜与传统的机电驱动系统相比，具有体积小、重量轻等特点，而且由于其与大规模集成电路的制作工艺相兼容，具有易于大批量生产和成本低等特点。同时，由于可以将传感器、信号处理电路和执行机构等集成在一起，使微弱信号的放大、校正及补偿均在同一芯片中进行，能显著地抑制噪声干扰，提高信号品质和控制精度。因此，微振镜在投影显示、光纤通讯、数据存储、精密测量、医疗呈现和生物技术等国防和民用领域都有着广泛的应用。
微振镜常用的驱动方式可以分为四种：静电驱动、电磁驱动、压电驱动和电热驱动。其中，静电驱动是一种结构简单、工艺成熟以及功耗低的驱动方式，目前应用较为广泛。然而，现有的静电驱动模式微振镜也存在一些问题，静电驱动模式微振镜由于力学特性非线性、驱动力较小从而导致其扭转指向精度较低、响应较缓慢，不利于激光雷达的扫描成像。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种提升微振镜扭转控制精度的控制系统及控制方法，用以解决现有的静电驱动模式微振镜存在的扭转指向精度较低、响应较缓慢的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种提升微振镜扭转控制精度的控制系统，包括：
角度位置传感器，用于获取微振镜的实际扭转角度信息并传输给FPGA控制器；
FPGA控制器，用于基于获取的所述实际扭转角度信息更新扭转角度指令并解码，得到微振镜驱动数字信号；
数模转换器，用于将所述微振镜驱动数字信号转换为微振镜驱动模拟信号；
驱动电流放大器，用于将所述微振镜驱动模拟信号转换为微振镜驱动电流并放大，为微振镜沿扭转轴进行扭转提供所需的静电扭转力矩。
进一步地，所述角度位置传感器采用可变差动电容式传感器，具体包括：
检波电路，用于对角度位置信号进行解调；
差分滤波电路，用于对经过解调的角度位置信号进行低通滤波和差分放大，以获取所述实际扭转角度信息的模拟信号；
模数转换器，用于将所述实际扭转角度信息的模拟信号转换为所述实际扭转角度信息的数字信号并传输给所述FPGA控制器。
进一步地，所述FPGA控制器还用于控制激光发射，使得在合适的时序配合下，与通过所述微振镜驱动数字信号控制微振镜扭转的功能相互配合，实现对目标的扫描。
进一步地，还包括低通滤波器，用于滤除所述微振镜驱动模拟信号中的高频噪声。
进一步地，所述驱动电流放大器的总失真加噪声小于0.03％，所述微振镜驱动电流不小于50mA。
进一步地，所述数模转换器的精度不小于14Bit。
进一步地，所述FPGA控制器的型号为XC7K325T-FFG900。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种提升微振镜扭转控制精度的控制方法，包括步骤：
从外部指令中提取扭转角度指令并解码，得到微振镜驱动数字信号；
将所述微振镜驱动数字信号转换为微振镜驱动模拟信号；
将所述微振镜驱动模拟信号转换为微振镜驱动电流并放大；
利用所述微振镜驱动电流来驱动微振镜沿扭转轴进行扭转；
获取微振镜的实际扭转角度信息并传输给FPGA控制器，更新所述扭转角度指令，并通过解码得到的新的微振镜驱动数字信号来实现对微振镜扭转的控制。
进一步地，还包括步骤：
滤除所述微振镜驱动模拟信号中的高频噪声。
进一步地，所述FPGA控制器的型号为XC7K325T-FFG900。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的控制系统由FPGA控制器实现对扭转角度指令的解码，得到微振镜驱动数字波形；然后基于数模转换器和驱动电流放大器的处理，得到放大的微振镜驱动电流，提高了微振镜的静电扭转力矩；然后，微振镜在微振镜驱动电流的作用下实现扭转，由角度位置传感器测量并向FPGA控制器反馈实际扭转角度；FPGA控制器基于实际扭转角度更新扭转角度指令，输出更准确的微振镜扭转控制信号。如此循环反馈闭环式的控制可大幅度提升微振镜扭转的控制精度和响应速度。
(2)在本发明的控制系统中，微振镜在驱动电流的作用下进行扭转，通过高精度DAC可实现对驱动模拟波形的高精度控制，可提升微振镜扭转角度的控制精度。
(3)本发明的控制系统基于对驱动电流的控制来实现对静电扭转力矩的控制，具有更快的响应速度。其驱动回路中的DAC、放大器等，反馈回路中的ADC等，电路延迟均在ns级。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种在激光雷达中应用的微振镜扫描原理图；
图2为本申请实施例提供的一种微振镜数字波形转换的电路结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种微振镜驱动电流的放大电路结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种圆形静电扭转微振镜的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种圆形静电扭转微振镜的横截面图；
图6为本申请实施例提供的一种微振镜角度反馈电路中的检波电路的电路结构示意图；
图7为本申请实施例提供的一种微振镜角度反馈电路中的差分放大电路的电路结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在一个实施例中，提升微振镜扭转控制精度的控制系统及控制方法的应用场合是基于激光雷达。更为具体的，是用于激光雷达的扫描装置，通过控制微振镜的扭转来实现激光扫描，完成对目标和场景的三维探测感知。
图1示出了本实施例在激光雷达中应用的微振镜扫描原理图。微振镜驱动和激光发射控制相互配合，完成对目标和场景的三维探测感知。本实施例的提升微振镜扭转控制精度的控制系统主要包括二维微振镜驱动控制支路(驱动回路)和反馈支路(反馈回路)。其中，二维微振镜驱动控制支路主要包括FPGA、DAC和放大器，其功能是控制微振镜按照给出的扭转指令进行扭转，通过不停地扭转实现激光光束在空间中的扫描。
FPGA，即FPGA控制器，集成了激光发射序列发生器和扫描波形发生器的功能，用于提供微振镜的扫描驱动数字波形，并兼具激光发射的发射序列产生。最终在合适的时序配合下，激光发射序列发生器控制激光发射，扫描波形发生器控制微振镜扭转，在相互配合下完成对目标的扫描。FPGA控制器在初始时根据外界给出的扫描指令，提取得到角度扭转指令，对扭转角度进行解码，得到微振镜驱动的数字波形，具体输出SCLK、SDIN、SYNC和LDAC等数字信号，参考图2。优选的，FPGA采用XC7K325T-FFG900，其具备丰富的逻辑资源和各种控制接口，在保证微振镜驱动的同时，能够对激光雷达的光束发射、接收进行控制和实现激光信号处理及图像算法处理等。
DAC，即数模转换器，用于将微振镜驱动的数字波形转换为微振镜驱动的模拟波形。其转换电路参照图2，通过将SCLK、SDIN、SYNC和LDAC按照相应的时序进行解析，得到微振镜驱动的模拟信号。优选的，DAC的精度不小于14Bit。
放大器，即驱动电流放大器(包括驱动电流的放大电路)，用于微振镜驱动，即是给微振镜提供足额的电流，以产生所需的静电扭转力矩。微振镜驱动电流的放大电路在本实施例中具体可参照图3，本实施例中采用功率放大器LM3886实现驱动电流放大，其在结合实际应用中有以下特点：输出功率大、失真度小(总失真加噪声<0.03％)、电流电压抗过载能力强、环境温度试验得出其高低温工作稳定性较好以及抗电流瞬间冲击力较强。经过放大电路，可以得到用于微振镜驱动的电流，驱动电流在恒定时可控制在不小于50mA。
本实施例的微振镜采用圆形静电扭转微振镜，其由微振镜镜盘、悬臂、驱动电极等组成，由电钮驱动产生角度扭转，实现光束的扫描。驱动电流加在圆形静电扭转微振镜相应的电极上，产生静电扭转力矩，在静电扭转力矩的作用下，微振镜实现角度扭转。具体的，结合图4和图5对微振镜角度扭转的过程进行说明。具体的：圆形微镜盘由两个微悬臂支撑固定。其中，a1和a2分别为微镜盘下方底电极两边距扭转轴轴心的最短距离和最长距离；a3为圆形微镜盘面的半径；l是底电极沿扭转轴向的宽度；t为微振镜活动板的厚度；h是微振镜活动板与下方底电极的垂直间距。通过在底电极上施加相应的驱动电流，微振镜会产生沿扭转轴旋转的静电扭转力矩，微振镜镜盘在静电扭转力矩的作用下产生扭转角度。通过FPGA控制数字波形，实现对驱动模拟波形的幅值控制，进而实现对驱动电流大小的控制，进一步实现对静电扭转力的控制，最终实现对微振镜镜盘扭转角度的控制。
优选的，二维微振镜驱动控制支路还包括低通滤波器，其低通滤波电路为LCR组成的无源低通滤波器，主要用于滤除微振镜驱动模拟波形上的高频噪声，以提高微振镜驱动模拟波形的波形质量。
本实施例的提升微振镜扭转控制精度的控制系统的反馈支路主要包括角度位置传感器，其通过获得高频信号的幅值用以确定角度偏差，利用可变差动电容式传感器输出的高频幅值对应角度偏差的大小的特性进行实现。可变差动电容式传感器输出高频幅值通过电容值的改变而发生相应变化，也就是说，高频信号幅值的大小由电容值调节，把获得角度偏差的大小转化为计算高频信号幅值。角度位置传感器主要由检波电路、差分滤波电路和ADC采集电路组成。本实施例中，具体的角度位置检测电路参考图6和图7。
检波电路如图6所示，实质上就是角度位置信号经过二极管检波电路解调后，再进行RC低通滤波，然后进行差分放大，就可以得到相应的角度信号。差分滤波电路如图7所示。输入信号Ia、Ib为角度位置信号经过二极管检波电路得到的信号，VA、VB为差分信号，VP就是所要得到的角度反馈模拟信号。然后，利用ADC对角度反馈模拟信号进行采集，得到便于FPGA处理的数字信号。在本实施例中，可利用AD9240实现对角度反馈模拟信号的采集。
FPGA接收微振镜实际扭转角度的高精度测量信息，对输出的控制信号进行实时更新，输出更准确的控制信号，提升了微振镜驱动控制信号的控制精度。
需要说明的是，在本实施例中，该控制系统还应该包括：低噪声电源，其用于为该控制系统提供工作所需的电压。
在本实施例中，基于微振镜的驱动回路，利用DAC、低通滤波器和放大器实现对FPGA数字驱动波形的转换，得到驱动电流；基于微振镜运动机构，利用圆形静电扭转微振镜，实现对激光雷达光束的偏转，达到扫描成像的目的；基于检波电路、差分滤波电路和ADC采集电路构成的角度位置传感器的反馈回路，实现对微振镜实际扭转角度的高精度测量，并将微振镜扭转的角度反馈给FPGA，实现循环反馈的闭环控制。
在上述系统实施例的基础上，本发明还提供了一种提升微振镜扭转控制精度的控制方法，主要包括步骤：
从外部指令中提取扭转角度指令，对扭转角度进行解码，得到微振镜驱动数字波形；
将微振镜驱动数字波形转换为微振镜驱动模拟波形；
将微振镜驱动模拟波形转换为微振镜驱动电流并放大；
根据微振镜驱动电流驱动微振镜扭转；
将微振镜扭转的角度反馈给FPGA，从而更新扭转角度指令，并通过解码得到的新的微振镜驱动数字波形来实现对微振镜扭转的控制，实现循环反馈的闭环式控制。
优选的，该控制方法还包括步骤：
滤除微振镜驱动模拟波形信号中的高频噪声，以提高微振镜驱动模拟波形信号的波形质量。
优选的，FPGA采用XC7K325T-FFG900，其具备丰富的逻辑资源和各种控制接口，在保证微振镜驱动的同时，能够对激光雷达的光束发射、接收进行控制和实现激光信号处理及图像算法处理等。
本发明由FPGA实现对扭转角度指令的解码，得到微振镜驱动数字波形，然后基于DAC、低通滤波器和放大器的处理，得到微振镜驱动电流，圆形静电扭转微振镜在驱动电流的作用下实现扭转，并由角度位置传感器向FPGA反馈本次实际的扭转角度，以便其更新扭转角度指令，并通过解码得到的新的微振镜驱动数字信号来实现对微振镜扭转的控制，实现循环反馈式的闭环控制，大幅度提升了微振镜扭转指向的控制精度和响应速度。
以上所述仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其他实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行详细描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提升微振镜扭转控制精度的控制系统，其特征在于，包括：
角度位置传感器，用于获取微振镜的实际扭转角度信息并传输给FPGA控制器；
FPGA控制器，用于基于获取的所述实际扭转角度信息更新扭转角度指令并解码，得到微振镜驱动数字信号；
数模转换器，用于将所述微振镜驱动数字信号转换为微振镜驱动模拟信号；
驱动电流放大器，用于将所述微振镜驱动模拟信号转换为微振镜驱动电流并放大，为微振镜沿扭转轴进行扭转提供所需的静电扭转力矩。
2.如权利要求1所述的提升微振镜扭转控制精度的控制系统，其特征在于，所述角度位置传感器采用可变差动电容式传感器，具体包括：
检波电路，用于对角度位置信号进行解调；
差分滤波电路，用于对经过解调的角度位置信号进行低通滤波和差分放大，以获取所述实际扭转角度信息的模拟信号；
模数转换器，用于将所述实际扭转角度信息的模拟信号转换为所述实际扭转角度信息的数字信号并传输给所述FPGA控制器。
3.如权利要求1所述的提升微振镜扭转控制精度的控制系统，其特征在于，所述FPGA控制器还用于控制激光发射，使得在合适的时序配合下，与通过所述微振镜驱动数字信号控制微振镜扭转的功能相互配合，实现对目标的扫描。
4.如权利要求1所述的提升微振镜扭转控制精度的控制系统，其特征在于，还包括低通滤波器，用于滤除所述微振镜驱动模拟信号中的高频噪声。
5.如权利要求1所述的提升微振镜扭转控制精度的控制系统，其特征在于，所述驱动电流放大器的总失真加噪声小于0.03％，所述微振镜驱动电流不小于50mA。
6.如权利要求1所述的提升微振镜扭转控制精度的控制系统，其特征在于，所述数模转换器的精度不小于14Bit。
7.如权利要求3所述的提升微振镜扭转控制精度的控制系统，其特征在于，所述FPGA控制器的型号为XC7K325T-FFG900。
8.一种提升微振镜扭转控制精度的控制方法，其特征在于，包括步骤：
从外部指令中提取扭转角度指令并解码，得到微振镜驱动数字信号；
将所述微振镜驱动数字信号转换为微振镜驱动模拟信号；
将所述微振镜驱动模拟信号转换为微振镜驱动电流并放大；
利用所述微振镜驱动电流来驱动微振镜沿扭转轴进行扭转；
获取微振镜的实际扭转角度信息并传输给FPGA控制器，更新所述扭转角度指令，并通过解码得到的新的微振镜驱动数字信号来实现对微振镜扭转的控制。
9.如权利要求8所述的提升微振镜扭转控制精度的控制方法，其特征在于，还包括步骤：
滤除所述微振镜驱动模拟信号中的高频噪声。
10.如权利要求8所述的提升微振镜扭转控制精度的控制方法，其特征在于，所述FPGA控制器的型号为XC7K325T-FFG900。
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