CN207924248U - 一种大尺度转角电磁悬浮微镜的测控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种大尺度转角电磁悬浮微镜的测控系统，包括信号发生器、前置放大器、锁相放大器、高压放大器、RC隔离电路、移相电路及控制器；前置放大器包括与RC隔离电路相连接的C‑V转换电路、与锁相放大器连接的放大器，C‑V转换电路采集电磁悬浮微镜的转子角位移信息，并与旋转参考角度比较以获取误差值，误差值经过控制器处理后获得控制电压；控制电压经高压放大器放大后再分别经过跟随器和反相器后输入到电磁悬浮微镜的驱动电极对上，其中一路电压经过RC隔离电路的电阻R施加在相应电极上，另外一路电压直接施加在相应电极上。本实用新型能实现微镜大角度的旋转，且控制精度高。

Description

一种大尺度转角电磁悬浮微镜的测控系统

技术领域

本实用新型涉及微机电系统中的微镜角度调节领域，特别涉及一种大尺度转角电磁悬浮微镜的测控系统。

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。

实用新型内容

为了解决现有技术所存在的问题，本实用新型提供一种大尺度转角电磁悬浮微镜的测控系统，能实现微镜大角度的旋转，且控制精度高。

本实用新型所采用的技术方案如下：一种大尺度转角电磁悬浮微镜的测控系统，包括信号发生器、前置放大器、锁相放大器、高压放大器、RC隔离电路、移相电路及控制器；锁相放大器包括相连接的乘法器和低通滤波电路，乘法器分别与前置放大器、移相电路连接，低通滤波电路与控制器连接；信号发生器分别与公共电极、移相电路连接，移相电路与锁相放大器的乘法器连接；前置放大器包括与RC隔离电路相连接的C-V转换电路、与锁相放大器连接的放大器，C-V转换电路用于采集电磁悬浮微镜的转子角位移信息，并与转子的旋转参考角度比较以获取误差值，误差值经过控制器处理后获得控制电压；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后再分别经过跟随器和反相器后输入到电磁悬浮微镜的驱动电极对上，其中一路电压经过RC隔离电路的电阻R施加在相应电极上，另外一路电压直接施加在相应电极上。

优选地，所述控制器包括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，通过D/A转换电路输出的3路控制电压经过高压放大器后转换成等量异号电压并施加到相应的驱动电极对。

优选地，所述控制器为DSP或ARM控制器。

优选地，所述信号发生器采包括相连接的主控芯片和DDS芯片，其中主控芯片为单片机。

优选地，所述信号发生器还包括一路带通滤波器，一端与DDS芯片连接，另外一端和电磁悬浮微镜的公共电极连接。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型技术方案通过公共电极激励检测出转子的角位置信息，经过带预载电压的PID控制算法获得控制电压到其中两对控制电极上，另外一对控制电极的电压为零，由于采用高精度电容检测和角位移控制方法，使用该测控电路的转角控制精度高，能在±180°大转角范围内实现精确控制。

附图说明

图1为电磁悬浮微镜结构示意图；

图2为本实用新型电磁悬浮微镜的控制原理框图；

图3为本实用新型的单路角位移检测控制框图；

图4为本实用新型的转子角位移检测原理图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

电磁悬浮微镜的结构如图1所示，主要由定子3和转子2组成，在转子的中心安装一个反射镜1；定子主要包括6块轴向旋转控制电极31、公共电极32、悬浮线圈33、稳定线圈34及引脚35等金属平面结构。6块轴向旋转控制电极呈环形分布于定子上，相对的两块旋转控制电极为一对，组成三对驱动电极对，分别是驱动电极对A、驱动电极对B和驱动电极对C，电极夹角为30°，电极之间夹角为30°；公共电极在中心，为圆形；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控制电极所在圆环的外周，稳定线圈分布于悬浮线圈的外周。定子上设有引脚间隙，9个引脚沿着定子的径向从引脚间隙分别引出轴向旋转控制电极、公共电极以及悬浮线圈、稳定线圈的连接线。

定子金属膜厚度为15μm；转子为圆形铝转子，厚度为8μm，转子直径大于悬浮线圈外径，小于稳定线圈内径，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15°，通孔之间的夹角为30°。当转子悬浮起来时，需要对驱动电极对加电，控制转子带动反射镜旋转到±180°范围内指定角度，改变入射光的传播方向，以满足大角度成像使用需要。公共电极通入检测电压，在旋转电极上检出检测信号以获得转子的实际转角。

这种电磁悬浮微镜的结构特点为：电磁悬浮微镜系统中，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。轴向旋转控制电极为三相，顺序通电，产生的静电力驱动转子轴向旋转。该结构的悬浮线圈分布在内侧，产生电磁力使转子悬浮。稳定线圈分布在外侧，利用稳定线圈电磁场在转子外侧的边缘效应，产生向内的电磁力，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，旋转控制电极分布在公共电极和悬浮线圈之间，增大静电力旋转作用力矩。公共电极集中在中心，可以增大传感电极的检测精度。

采用激光镭射加工出环形转子和定子的稳定线圈、悬浮线圈、轴向旋转控制电极、公共电极、引脚等平面金属结构。

为实现控制系统线性化，本实用新型测控系统采用闭环控制，原理框图如图2所示，包括控制器、加法器和角度检测电路，角度检测电路用于检测转子实际转角；控制器根据输入参考角度和所检测的转子实际转角，计算得到输出电压变化信号V_f，加法器将输出电压变化信号与预载电压运算后得到驱动电极对A、驱动电极对B和驱动电极对C的控制电压。输入参考角度若大于15°，则顺序加电，转子以步进角度15°旋转，当所需控制角度小于步进角度时，若转子落在驱动电极对A和驱动电极对B控制范围内，则角度检测电路获取转子实际转角，并和参考值比较以获得误差，经过控制器后获得输出电压变化信号V_f，再和预载电压V_b相加后获得施加在轴向驱动电极对上的控制电压信号V₁～V₂至控制极板，施加在驱动电极对A～C上的控制电压分别为V₁＝V_b+V_f，V₂＝V_b-V_f，V₃＝0。控制转子绕轴向旋转到参考角度，在对应控制极板对施加等量异号电压，以保持转子为电零位。

单路角位移检测控制框图如图3所示，包括信号发生器、前置放大器、锁相放大器、高压放大器、移相电路及控制器；锁相放大器包括相连接的乘法器和低通滤波电路，乘法器分别与前置放大器、移相电路连接，低通滤波电路与控制器连接；信号发生器分别与公共电极、移相电路连接，移相电路与锁相放大器的乘法器连接；前置放大器包括与RC隔离电路相连接的C-V转换电路、与锁相放大器连接的放大器，C-V转换电路用于采集电磁悬浮微镜的转子角位移信息，并与转子的旋转参考角度比较以获取误差值，误差值经过控制器处理后获得控制电压。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后再经过跟随器和反相器后输入到电磁悬浮微镜的驱动电极对上，其中1路经过RC隔离电路的电阻R施加到极板上，通过产生的静电力控制电磁悬浮微镜的轴向旋转，另外1路直接施加在对应极板上。

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两对驱动电极对施加电压，另外一对驱动电极对的电压为零。

高频载波激励信号由信号发生器产生，采用单片机STC12C5A60S2作为主控芯片控制AD9850型号DDS芯片，以实现频率和相位可调的多路正弦波信号发生器，再通过带通滤波电路去除高频噪声和直流偏置后获得高频载波激励信号。在公共电极上施加高频载波激励信号，定子的轴向驱动电极与转子构成电容，检测信号从RC隔离电路中的电容C引出，经C-V转换电路转换为电压信号，然后经放大器后得到与转角成比例关系的调幅信号，然后经过相敏解调、低通滤波组成的锁相放大器后得到和转角成比例关系的直流电压信号。相敏解调为乘法器，它将调幅信号与经过移相电路的信号相乘，获得直流信号和2倍频信号，再通过低通滤波器滤除2倍频信号，再经过A/D转换，得到反映转子角位移(即转子实际转角)的数字电压信号，经过PID控制器后获得控制电压再和预载电压相加后获得数字输出信号，再经过D/A转换后获得驱动电极控制电压，放大Ka倍后再经过跟随器和反相电路获得等量异号两路电压分别施加在相应驱动电极对上，其中一路电压经过RC隔离电路的电阻R施加在相应电极上，另外一路电压直接施加在相应电极上。RC隔离电路的阻容参数选择兼顾隔离效果和充电延迟效应，优化后电阻R为1MΩ，电容C为10pF。电路采用稳定性高、精度高、温度系数小的云母电容和金属膜电阻，以减小电路噪声。

对转子角位移检测的原理如图4所示，采用公共电极激励进行角度检测，在公共电极输入载波信号s＝V_ssinωt，通过质量块耦合在旋转控制电极，再通过C-V转换电路检出代表转子位置的电容检测信号。d点的电压V_d可表示为：

则C‐V转换电路的输出电压V_o为：

当ωRC_i＜＜1时，式子可简化为

式中：K_c为常数，k_c＝ω²C_iRCR_fC_com，R_f为C‐V转换电路的反馈电阻，C_com为电磁悬浮微镜的公共电极与转子之间的电容，C为RC隔离电路的电容，R为RC隔离电路的电阻，C_i为第i个轴向旋转控制电极的电容。可以看出，C-V转换电路的输出电压V_o包含转子角位移信号，它是幅度调制交流信号，通过锁相放大器后获得直流信号，即获得单路检测电容大小，反映转子的位置，作为反馈信号输送到控制器。

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3路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，通过D/A转换电路输出的3路控制电压经过高压放大器后转换成等量异号电压并施加到相应的驱动电极对；控制器通过通讯电路和上位机进行通讯，实现参数设置、控制曲线绘制和数据存储等功能。

如上所述，便可较好地实现本实用新型。上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大尺度转角电磁悬浮微镜的测控系统，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、RC隔离电路、移相电路及控制器；锁相放大器包括相连接的乘法器和低通滤波电路，乘法器分别与前置放大器、移相电路连接，低通滤波电路与控制器连接；信号发生器分别与公共电极、移相电路连接，移相电路与锁相放大器的乘法器连接；前置放大器包括与RC隔离电路相连接的C-V转换电路、与锁相放大器连接的放大器，C-V转换电路用于采集电磁悬浮微镜的转子角位移信息，并与转子的旋转参考角度比较以获取误差值，误差值经过控制器处理后获得控制电压；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后再分别经过跟随器和反相器后输入到电磁悬浮微镜的驱动电极对上，其中一路电压经过RC隔离电路的电阻R施加在相应电极上，另外一路电压直接施加在相应电极上。

2.根据权利要求1所述的大尺度转角电磁悬浮微镜的测控系统，其特征在于，所述控制器包括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，通过D/A转换电路输出的3路控制电压经过高压放大器后转换成等量异号电压并施加到相应的驱动电极对。

3.根据权利要求2所述的大尺度转角电磁悬浮微镜的测控系统，其特征在于，所述控制器为DSP或ARM控制器。

4.根据权利要求1所述的大尺度转角电磁悬浮微镜的测控系统，其特征在于，所述信号发生器采包括相连接的主控芯片和DDS芯片，其中主控芯片为单片机。

5.根据权利要求4所述的大尺度转角电磁悬浮微镜的测控系统，其特征在于，所述信号发生器还包括一路带通滤波器，一端与DDS芯片连接，另外一端和电磁悬浮微镜的公共电极连接。