CN115373135A - 一种谐振式mems扫描镜闭环控制系统及方法 - Google Patents

一种谐振式mems扫描镜闭环控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种谐振式MEMS扫描镜闭环控制系统及方法，该控制系统包括：驱动模块，用于产生原始驱动信号，并根据原始驱动信号驱动MEMS扫描镜接收并反射激光光源发射的激光；采集模块，用于接收MEMS扫描镜反射的光信号并得到光路信息；驱动模块，还用于依据光路信息计算MEMS扫描镜的实际最大偏转角度，根据实际最大偏转角度和目标最大控制偏转角的误差值，对原始驱动信号进行更新。本发明有助于提高MEMS扫描镜的稳定性，解决谐振式MEMS扫描镜因材料老化、温度漂移等因素引起的谐振频率变化而导致的扫描角度大幅减小的问题。

Description

一种谐振式MEMS扫描镜闭环控制系统及方法
技术领域
本发明涉及谐振式MEMS扫描镜技术领域，尤其涉及一种谐振式MEMS扫描镜闭环控制系统及方法。
背景技术
MEMS扫描镜是指采用MEMS技术在尺寸微纳米量级的半导体硅上加工制作而成的可驱动反射镜，通常由微镜镜面、微驱动器、弹性结构以及支撑结构四大部分组成，工作原理是利用微驱动器驱动微镜镜面的旋转，从而控制反射后光线的方向。其具有体积小、重量轻、低功耗、响应速度快、扫描频率高等优点，谐振式MEMS扫描镜是激光雷达的关键器件，主要被作为MEMS激光雷达中的扫描器使用，以满足激光雷达小尺寸、低功耗、高分辨率的工作需求。
为了实现扫描镜的低功耗大角度的工作，谐振式MEMS扫描镜必须采用闭环驱动方式。为了提高闭环控制的动态性能，闭环电路须采用数字式驱动方案。MEMS扫描镜会受环境温度的影响，环境温度变化会改变其频率特性，从而导致扫描角度变小。现有的开环控制暂态性能较差、调节时间过长并且抗干扰能力差，不适用于外界温度变化显著的应用场合。
还有以静电驱动扫描镜为对象提出了基于锁相环的闭环驱动电路，用于驱动谐振模式水平扫描。该电路可以使MEMS精确地以其谐振频率振荡，最大化微镜的扫描角度，但是为了最大化微镜扫描角度，导致该驱动电路的驱动电压过大，需要至少60V。2015年，PengZuo等人针对电磁式MEMS扭转微镜采用了PID算法进行控制，实现了最小0.3度的角度跟踪，且系统的调节时间仅为15ms，但该控制方案主要针对扫描镜工作在准静态模式下，没有对在正弦信号激励下微镜产生共振的情况进行研究。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于一种谐振式MEMS扫描镜的闭环控制系统，并进行了硬件实现解决了现有MEMS扫描镜技术中温度适应性较差、稳定性不足等问题。通过闭环控制，在环境温度变化过程中对扫描镜频率进行自动补偿，将驱动频率稳定在扫描镜谐振频率，以提高MEMS扫描镜在运行状态下扫描角度的稳定性。
为达上述目的，本发明一方面提出了一种谐振式MEMS扫描镜闭环控制系统，包括：
驱动模块，用于产生原始驱动信号，并根据所述原始驱动信号驱动MEMS扫描镜接收并反射激光光源发射的激光；
采集模块，用于接收所述MEMS扫描镜反射的光信号并得到光路信息；
所述驱动模块，还用于依据光路信息计算所述MEMS扫描镜的实际最大偏转角度，根据所述实际最大偏转角度和目标最大控制偏转角的误差值，对所述原始驱动信号进行更新。
本发明实施例的谐振式MEMS扫描镜闭环控制系统还可以具有以下附加技术特征：
进一步地，所述采集模块，包括PSD传感器和AD转换芯片，其中，所述PSD传感器，用于接收所述MEMS扫描镜反射的激光，并将反射的激光在所述PSD传感器上的位移量转换成PSD传感器的电压信号；所述AD转换芯片，用于接收并转换PSD传感器的电压信号得到位移信号，并传输至主控芯片。
进一步地，所述驱动模块，包括信号生成单元、功放单元和主控芯片，其中，所述信号生成单元，用于产生MEMS扫描镜的原始驱动信号；所述功放单元，用于将所述原始驱动信号放大至所述MEMS扫描镜需要的的电压；以及，所述主控芯片，用于依据光路转换公式计算预设时间内MEMS扫描镜的实际最大偏转角度。
进一步地，所述主控芯片，还用于，利用PI算法计算所述实际最大偏转角度与目标最大偏转角度的误差值得到频率控制字，并将所述频率控制字反馈到所述信号生成模块；所述信号生成模块，还用于根据所述频率控制字对所述原始驱动信号进行更新。
进一步地，所述系统，还包括电源模块，所述电源模块，用于为所述MEMS扫描镜、所述采集模块和所述驱动模块提供电能。
为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种谐振式MEMS扫描镜闭环控制方法，包括：
获取原始驱动信号，并根据所述原始驱动信号驱动MEMS扫描镜接收并反射激光光源发射的激光；
获取所述MEMS扫描镜反射的光信号的光路信息；
依据光路信息计算所述MEMS扫描镜的实际最大偏转角度，并根据所述实际最大偏转角度和目标最大控制偏转角的误差值，对所述原始驱动信号进行更新。
本发明实施例的谐振式MEMS扫描镜闭环控制系统及方法，解决了现有MEMS扫描镜技术中温度适应性较差、稳定性不足等问题。通过闭环控制，在环境温度变化过程中对扫描镜频率进行自动补偿，将驱动频率稳定在扫描镜谐振频率，以提高MEMS扫描镜在运行状态下扫描角度的稳定性。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述谐振式MEMS扫描镜闭环控制方法的步骤。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的谐振式MEMS扫描镜闭环控制系统结构示意图；
图2是根据本发明实施例的闭环控制示意图；
图3是根据本发明实施例的驱动电路整体示意图；
图4是根据本发明实施例的驱动电路实物图；
图5是根据本发明实施例的谐振式MEMS扫描镜闭环控制方法流程图；
图6是根据本发明实施例的计算机设备。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的谐振式MEMS扫描镜闭环控制系统、方法及设备。
图1是本发明一个实施例的谐振式MEMS扫描镜闭环控制系统的结构示意图。
如图1所示，该系统包括：
驱动模块100，用于产生原始驱动信号，并根据原始驱动信号驱动MEMS扫描镜接收并反射激光光源发射的激光；
采集模块200，用于接收MEMS扫描镜反射的光信号并得到光路信息；
驱动模块100，还用于依据光路信息计算MEMS扫描镜的实际最大偏转角度，根据实际最大偏转角度和目标最大控制偏转角的误差值，对原始驱动信号进行更新。
进一步地，采集模块200，包括PSD传感器和AD转换芯片，其中，
PSD传感器，用于接收MEMS扫描镜反射的激光，并将反射的激光在PSD传感器上的位移量转换成PSD传感器的电压信号；
AD转换芯片，用于接收并转换PSD传感器的电压信号得到位移信号，并传输至主控芯片。
具体地，采集模块200的二维PSD传感器、AD转换芯片，激光源将发射的激光打在MEMS扫描镜上，MEMS扫描镜将激光进行反射，二维PSD传感器接收反射激光将激光在PSD上的位移量转换成电压信号，AD转换芯片采集来自PSD传感器的电压信号，并将电压信号保存并传输给控制芯片，并由控制芯片依据光路转换公式计算出一段时间内MEMS扫描镜的实际最大偏转角度。
进一步地，驱动模块100，包括信号生成单元、功放单元和主控芯片，其中，
信号生成单元，用于产生MEMS扫描镜的原始驱动信号；
功放单元，用于将原始驱动信号放大至MEMS扫描镜需要的的电压；以及，
主控芯片，用于依据光路转换公式计算预设时间内MEMS扫描镜的实际最大偏转角度。
具体地，信号生成单元产生原始信号，原始信号包含两路正弦信号，用于表征MEMS扫描镜谐振状态下的扭转和弯曲运动，功放单元用于将信号放大至MEMS扫描镜工作需要的电压，提高信号的输出功率，主控芯片实现对MEMS扫描镜的闭环控制，MEMS扫描镜接收来自信号发生模块的驱动信号进行谐振运动。
进一步地，主控芯片接收来自AD转换芯片的位移信号，根据光路转换公式，将位移信号转换成实际偏转角度并计算实际最大偏转角度，主控芯片计算目标最大偏转角度与实际最大偏转角度的误差值，误差值通过PI算法计算频率控制字调节驱动信号的频率。
可以理解的是，通过与目标谐振最大偏转角比较得到误差值，误差值经PI(比例-积分)控制获得补偿频率，将该补偿频率反馈到MEMS扫描镜的驱动信号使MEMS扫描镜工作在谐振状态下，实现MEMS扫描镜的闭环控制。
进一步地，还包括，电源模块，产生功放单元需要的正负电压，并为各个模块提供需要的低纹波电压，保证控制电路的正常稳定工作。
下面结合附图对本发明实施例的谐振式MEMS扫描镜闭环控制系统进行详细阐述。
作为一种示例，本发明实施例的谐振式MEMS扫描镜闭环控制系统架构图，如图1所示。
包括激光、电源模块、MEMS扫描镜、PSD传感器、AD转换芯片、主控芯片、信号生成模块、功放模块。
本实施例采用的MEMS扫描镜y轴扭转轴和x轴弯曲轴固有频率为798.5Hz和1102.6Hz，主控芯片采用浮点型处理器TMS320F28335，具有150MHz的高速处理能力，32位浮点处理单元；信号生成模块采用DDS芯片，其生成信号频率精度为0.004Hz，其中包含10位DA转换；功放模块将驱动信号放大10倍，并给信号提供直流偏置；PSD传感器最大可接收面积为4.5cm×4.5cm，输出量程为±10V，距离和电压的比例系数为400mV/mm；AD转换芯片为12位，采样频率为1MHz，输入量程为±10V；电源模块产生±15V、5V、3.3V低纹波电压。
本发明实施例中，保证驱动电压一定，谐振状态下MEMS扫描镜的最大偏转角为：
Figure BDA0003804371030000051
Figure BDA0003804371030000052
Figure BDA0003804371030000053
Figure BDA0003804371030000054
其中θy-max为谐振下扭转轴最大偏转角，θx，max为谐振下弯曲轴最大偏转角，z1和z2为两个谐振频率对应的激励幅值，lx为扭转梁的长度，ly为即镜片质心到y轴的距离，ζ1、ζ2为阻尼比，m为镜片质量，K1为扭转梁结构的弹性系数，K2为悬臂梁结构的弹性系数。C1为扭转梁结构的阻尼系数，C2为悬臂梁结构的阻尼系数，ω1和ω2代表镜片绕y轴扭转运动和绕x轴弯曲运动的固有圆频率。
基于本发明中MEMS扫描镜上述特性，在本发明中的一项具体实施中，基于PSD传感器对反射激光的检测得到角度信号，直接以扫描镜的最大偏转角进行PI运算得到频率控制字，通过在信号生成模块修改驱动信号频率实现扫描镜的稳定工作。
进一步地，该闭环控制结合图2和图3，具体包含以下步骤：
1-1)驱动电路产生驱动信号
Figure BDA0003804371030000055
1-2)扫描镜接收到来自驱动电路的驱动信号在扭转和弯曲轴方向产生振动；
1-3)PSD传感器将扫描镜的振幅信号转化成电压信号uo(t)，经过AD采样读出电压信号；
1-4)主控芯片对表征振幅的电压信号uo(t)进行数字滤波，具体的采用FIR数字滤波器，滤波方式为：
Figure BDA0003804371030000056
其中h(k)代表滤波器的脉冲响应，滤波器的阶数为N-1；
1-5)对滤波后的电压信号y(t)根据PSD标定值和相关光路计算方法，解算出关于扫描镜的偏转角度；
1-6)对其中的最大偏转角度进行比例积分(PI)运算，得到补偿角频率w1i、w2i，并输出给信号生成模块，使扫描镜工作在谐振频率下，保证扫描角度的稳定。
基于本发明设计的谐振式MEMS扫描镜的闭环控制系统，在本发明中的一项具体实施中，针对MEMS扫描镜的温度漂移特性搭建闭环控制系统进行测试，以对扫描镜进行温度补偿，使扫描镜在温度变化过程中仍能保持扫描角度的稳定。进一步地，图4为本发明实施例的驱动电路实物图。
进一步地，该温度补偿方法包含以下步骤：
2-1)首先，将MEMS扫描镜系统置于温箱内，准备好供电和信号传输；
2-2)将温箱的温度从40～60摄氏度范围内以5摄氏度为步长进行温度变化，每个温度测试点维持20分钟以上；
2-3)根据前述步骤1-1)～1-6)建立角度检测和闭环控制环路，记录在每个温度测试点上扫描角度变化和闭环输出数据；
2-4)根据上述数据，建立出驱动信号和闭环输出反馈控制频率之间的关系式，得到温度补偿后闭环输出
Figure BDA0003804371030000061
既频率补偿后的扫描镜保持谐振运动。
综上，本发明由驱动模块产生带有初始频率的驱动信号使MEMS扫描镜振动，激光发射在MEMS扫描镜上，在采集模块上经PSD(位置传感器)得到关于MEMS扫描镜的角度信息，对该信息进行采集和转换，得到实际最大偏转角度。然后，通过与目标谐振最大偏转角比较得到误差值，误差值经PI(比例-积分)控制获得补偿频率，将该补偿频率反馈到MEMS扫描镜的驱动信号使MEMS扫描镜工作在谐振状态下，实现MEMS扫描镜的闭环控制。该系统有助于提高MEMS扫描镜的稳定性，解决谐振式MEMS扫描镜因材料老化、温度漂移等因素引起的谐振频率变化而导致的扫描角度大幅减小的问题。
为了实现上述实施例，如图5所示，本实施例中还提供了种谐振式MEMS扫描镜闭环控制方法，该方法包括：
S1，获取原始驱动信号，并根据原始驱动信号驱动MEMS扫描镜接收并反射激光光源发射的激光；
S2，获取MEMS扫描镜反射的光信号的光路信息；
S3，依据光路信息计算MEMS扫描镜的实际最大偏转角度，并根据实际最大偏转角度和目标最大控制偏转角的误差值，对原始驱动信号进行更新。
进一步的，上述步骤S2中，利用激光对MEMS扫描镜进行反射，并将反射的激光的位移量转换为电压信号；以及，将电压信号转换为位移信号。
进一步的，上述步骤S3中，获取MEMS扫描镜的原始驱动信号；将原始驱动信号放大至MEMS扫描镜需要的电压；以及，依据光路转换公式计算预设时间内MEMS扫描镜的实际最大偏转角度。
进一步的，上述步骤S3中，利用PI算法计算实际最大偏转角度与目标最大偏转角度的误差值得到频率控制字，根据频率控制字对原始驱动信号进行更新。
具体的，本发明提出一种谐振式MEMS扫描镜闭环控制方法，通过下述算法实现，包括以下步骤：
信号生成单元产生初始驱动信号
Figure BDA0003804371030000071
驱动信号经过功法单元输出驱动信号ui(t)；
PSD接收反射激光输出，输出位移信号uo(t)；
对PSD进行标定，记录不同位移的固定激光打在PSD上，得到位移量与PSD输出电压的对应关系；
AD转换芯片采集位移信号，主控芯片根据光路转换公式计算实际偏转角度，光路转换公式的计算方法为：
Figure BDA0003804371030000072
其中a为扫描镜镜面与PSD传感器的垂直距离，l为光斑在PSD传感器上的移动距离；
主控芯片计算两轴的实际最大偏转角度与目标最大偏转角度的误差值θ1、θ2，通过PI控制算法计算补偿角频率w1i、w2i；
PI控制算法为：
Figure BDA0003804371030000073
其中u(t)是PI控制器输出的控制信号，e(t)是角度误差值，KP是比例系数，TI是积分时间常数。
信号生成单元接收来自主控芯片的频率控制字，生成驱动信号
Figure BDA0003804371030000074
Figure BDA0003804371030000075
以驱动扫描镜正常工作在谐振状态下。
本发明具备驱动信号调制、角度检测和温度漂移补偿功能。本发明创造性地在扫描镜振幅检测中将由谐振频率变化所产生的振幅变化表征成最大偏转角度变化，可以直接得到扫描镜的工作情况，无需再计算扫描镜谐振频率变化，避免了MEMS扫描镜频率特性易受温度影响的缺陷，可实现更精确的控制；此外，本发明直接将偏转角度经过PI运算得到反馈控制频率，建立闭环控制环路，提供了一种更加简易的方法。
为了实现上述实施例的方法，本发明还提供了一种计算机设备，如图6所示，该计算机设备600包括存储器601、处理器602；其中，所述处理器602通过读取所述存储器601中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现上文所述谐振式MEMS扫描镜闭环控制方法的各个步骤。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种谐振式MEMS扫描镜闭环控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
驱动模块，用于产生原始驱动信号，并根据所述原始驱动信号驱动MEMS扫描镜接收并反射激光光源发射的激光；
采集模块，用于接收所述MEMS扫描镜反射的光信号并得到光路信息；
所述驱动模块，还用于依据光路信息计算所述MEMS扫描镜的实际最大偏转角度，根据所述实际最大偏转角度和目标最大控制偏转角的误差值，对所述原始驱动信号进行更新。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集模块，包括PSD传感器和AD转换芯片，其中，
所述PSD传感器，用于接收所述MEMS扫描镜反射的激光，并将反射的激光在所述PSD传感器上的位移量转换成PSD传感器的电压信号；
所述AD转换芯片，用于接收并转换PSD传感器的电压信号得到位移信号，并传输至主控芯片。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述驱动模块，包括信号生成单元、功放单元和主控芯片，其中，
所述信号生成单元，用于产生MEMS扫描镜的原始驱动信号；
所述功放单元，用于将所述原始驱动信号放大至所述MEMS扫描镜需要的的电压；以及，
所述主控芯片，用于依据光路转换公式计算预设时间内MEMS扫描镜的实际最大偏转角度。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述主控芯片，还用于，
利用PI算法计算所述实际最大偏转角度与目标最大偏转角度的误差值得到频率控制字，并将所述频率控制字反馈到所述信号生成模块；
所述信号生成模块，还用于根据所述频率控制字对所述原始驱动信号进行更新。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统，还包括电源模块，
所述电源模块，用于为所述MEMS扫描镜、所述采集模块和所述驱动模块提供电能。
6.一种谐振式MEMS扫描镜闭环控制方法，其特征在于，包括：
获取原始驱动信号，并根据所述原始驱动信号驱动MEMS扫描镜接收并反射激光光源发射的激光；
获取所述MEMS扫描镜反射的光信号的光路信息；
依据光路信息计算所述MEMS扫描镜的实际最大偏转角度，并根据所述实际最大偏转角度和目标最大控制偏转角的误差值，对所述原始驱动信号进行更新。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述获取所述MEMS扫描镜反射的光信号的光路信息，包括：
利用激光对所述MEMS扫描镜进行反射，并将反射的激光的位移量转换为电压信号；以及，
将所述电压信号转换为位移信号。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述依据光路信息计算所述MEMS扫描镜的实际最大偏转角度，包括：
获取MEMS扫描镜的原始驱动信号；
将所述原始驱动信号放大至所述MEMS扫描镜需要的电压；以及，
依据光路转换公式计算预设时间内MEMS扫描镜的实际最大偏转角度。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对原始驱动信号进行更新，包括：
利用PI算法计算所述实际最大偏转角度与目标最大偏转角度的误差值得到频率控制字，根据所述频率控制字对所述原始驱动信号进行更新。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器和存储器；
其中，所述处理器通过读取所述存储器中存储的可执行程序代码来运行与所述可执行程序代码对应的程序，以用于实现如权利要求6-9中任一项所述的谐振式MEMS扫描镜闭环控制方法。
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