一种MEMS扫描镜闭环角度控制系统及方法

一种mems扫描镜闭环角度控制系统及方法
技术领域
1.本发明涉及mems扫描镜技术领域，具体公开了一种mems扫描镜闭环角度控制系统及方法。


背景技术：

2.谐振式mems扫描镜作为新一代激光雷达系统中的重要光学部件，具有体积小、成本低、可靠性高等优点。但mems扫描镜在实际应用中会受到多种因素的干扰，如机械振动、温度变化、电磁干扰等，这些因素都会对mems扫描镜的运动状态产生影响，进而降低系统的精度和可靠性。为了解决这些问题，需要对mems扫描镜进行闭环控制，实现对扫描镜的精确控制，保证其扫描角度的稳定。
3.闭环控制是一种将系统的输出反馈回输入，通过与目标信号进行比较并进行调整的控制方式。在mems扫描镜的闭环控制中，通过将反馈信号与期望信号进行比较，可以实现对mems扫描镜扫描角度的精确控制。由于mems扫描镜系统具有快速响应和高精度等特点，传统的模拟控制方案已经无法满足要求。同时，为提高系统的可移植性和集成化，采用数字式闭环控制方案。
4.2017年，s.rombach等人设计了一种专用集成电路(asic)用于mems扫描镜控制，该控制系统调节时间为20ms，整体功耗为0.86mw。但该控制系统兼容性较差，拓展性不强。2022年，paolofrigerio等人设计了一种基于锁相环的闭环控制系统，该系统旨在确保在扫描镜工作在驱动器传递函数的峰值处。该控制系统在1.6s的积分时间内能使谐振频率稳定在0.1ppm以内，同时保证视场角度达到60
°
。但该控制系统只部署在了一维扫描镜上，且系统调节时间过长。
5.有鉴于此特提出本发明。


技术实现要素：

6.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。
7.为此，本发明的目的在于一种mems扫描镜闭环角度控制系统，并提出了硬件实现方案，旨在解决了现有mems扫描镜控制技术中集成度不够，环境适应性较差等问题。通过闭环控制，可以使扫描镜在受到外界干扰的情况下，对扫描镜频率和幅度进行自动补偿，使扫描镜可以稳定工作在一定的扫描角度，以提高mems扫描镜在运行状态下扫描角度的稳定性。
8.为达上述目的，本发明一方面提出了一种mems扫描镜闭环角度控制系统，包括驱动模块、角度反馈模块和角度控制模块，其中：
9.所述驱动模块包括d/a转换芯片和运放电路。d/a转换模块将来自主控的数字信号转换成驱动mems扫描镜在两轴运动的正弦信号，并对两路信号进行叠加，运放电路对该叠加后的驱动信号进行电压放大和功率放大处理。
10.所述角度反馈模块包括角度传感器、信号处理电路和a/d转换芯片。角度传感器采
用压阻传感器，通过将一个金属薄膜固定在扫描镜的轴，当mems扫描镜发生微小的旋转时，薄膜会受到扭曲变形，导致其电阻值发生微小的变化。通过接入一个电桥电路对电阻进行检测。信号处理电路的主要功能是将从角度传感器获得的模拟信号进行放大和滤波处理。a/d转换芯片负责同步采集驱动信号和角度信号。
11.所述角度控制模块由主控芯片实现。主控芯片通过spi串口通信，驱动a/d芯片和d/a芯片进行转换，并对采样得到的数字信号进行处理，分别解算出输入信号与输出信号的相位差以及输出信号的幅度信息，计算各自与其目标值间的误差值，首先通过pll调节驱动信号的频率，待频率稳定后，通过agc调节驱动信号的幅度，使扫描镜的角度稳定。
12.为达到上述目的，本发明另一方面提出了一种mems扫描镜闭环角度控制方法，包括：
13.对获取到的驱动信号和角度信号进行预处理；
14.对扫描镜的角度和角度信号进行标定，确定两者的比例关系；
15.提取相位差和幅度信息，首先根据实际相位差和目标相位差的误差值，对驱动信号的频率进行更新，之后根据实际幅度和目标幅度的误差值对驱动信号的幅度进行更新。
16.本发明提出的mems扫描镜闭环角度控制系统及方法，解决了现有mems扫描镜技术中环境适应性较差、稳定性不足等问题。通过闭环控制，使得系统可以在环境温度变化等外界因素的干扰下对扫描镜的频率和幅度进行自动补偿，从而使得扫描镜能够在低功耗的情况下保持稳定的工作状态，实现在一定范围内的高精度、高鲁棒性扫描工作。
17.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
18.在附图中：
19.图1为本发明提出的mems扫描镜闭环角度控制系统结构示意图；
20.图2为图1中闭环角度控制的示意图；
21.图3为相关运算的整周期判断流程图；
22.图4为信号的整周期判断流程图。
具体实施方式
23.图1为本发明提出的mems扫描镜闭环角度控制系统结构示意图，该系统由4个主要模块组成。其中，具体的硬件结构包括a/d转换芯片、d/a转换芯片、mems扫描镜、角度传感器、功放电路、信号处理电路、主控芯片。
24.具体的，本发明采用的mems扫描镜，其运动包括y轴方向的扭转运动和x轴方向的弯曲运动。两轴方向的振幅可以由如下方程表示：
25.[0026][0027]
其中，b1、b2分别为两个振动方向上的振幅。ly为镜片质心到y轴的距离；l
x
为镜片质心到x轴的距离。其中ω1、ω2分别为两方向的固有频率；ω
1m
、ω
2m
分别为两方向上驱动信号的角频率。ζ1、ζ2为两轴的阻尼率。其中z1、z2为两个驱动信号对应的激励幅值。
[0028]
取βn代表系统的振幅放大因子，它反映系统的幅频特性，βn的表达式如下：
[0029][0030]
取代表系统的响应与激励的相位角，它反映系统的相频特性，表达式如下：
[0031][0032]
根据上述公式可以得到如图2所示的，不同阻尼比和不同频率比下的幅频特性和相频特性曲线。
[0033]
由此可以根据扫描镜的幅频特性和相频特性设计出一种闭环角度控制方法如图3所示。
[0034]
根据图2中的相频特性曲线。可知，在驱动频率等于系统的固有频率时，输入输出信号相位延迟-90
°
，此时可以设计一种基于锁相环的控制使扫描镜工作在系统的谐振频率附近，由幅频特性曲线可知，使此时的幅频响应达到最大。进一步地，引入自动增益控制用于放大驱动信号的电压，既调整上式中z1、z2的值，最终使扫描镜可以在低功耗下工作在目标偏转角度。
[0035]
所述闭环控制方法图3，这里以单轴为例分析，另一轴同理。具体包含以下步骤：
[0036]
1)首先由系统中的驱动电路产生原始驱动信号
[0037]
2)扫描镜接收到来自驱动电路的驱动信号后产生振动，此时角度反馈模块产生实时的角度信号uo(t)；
[0038]
3)主控芯片驱动a/d转换芯片对角度信号uo(t)和驱动信号ui(t)进行同步采样；
[0039]
4)主控芯片分别对采集到的ui(t)、uo(t)进行数字低通滤波，具体的采用fir数字滤波器，滤波方式为：
[0040][0041]
其中h(k)代表滤波器的脉冲响应，滤波器的阶数为n-1；
[0042]
5)滤波后，
[0043]
6)采用相关分析法，提取相位差和幅值信息。由于相关分析方法对数字信号的采样长度有较严格的条件，当采样信号不满足为周期长度的整数倍时，采用相关分析会出现
一定的估计误差；
[0044]
7)如图4所示，为对信号的整周期判断方法，具体步骤如下：
[0045]
7-1)首先设定起始搜索点x0，并记录其索引位置；
[0046]
7-2)查找并记录值的大小在搜索点set范围内的点；
[0047]
7-3)根据采样频率和采样点数，设定阈值length，剔除其中的非整周期点；
[0048]
7-4)进一步，对整周期信号进行直流量消减工作。
[0049]
8)采用相关估计解算幅值的核心公式为：
[0050][0051]ri
(0)和ro(0)分别为驱动信号和角度信号的自相关值；
[0052]
9)采用相关估计计算相位差的核心公式为：
[0053][0054]rio
(0)为两信号的互相关值。
[0055]
10)得到相位差和幅值信息后，采用比例-积分(pi)控制器补偿驱动信号的频率和幅度；
[0056]
11)离散化pi控制算法为：
[0057][0058]
其中ue(k)是pi控制器输出的控制信号，e(t)是角度误差值，k
p
是比例系数，ki是积分系数，ts是采样时间。
[0059]
12)比较与目标相位差之间的误差值，采用比例-积分(pi)控制，计算得到补偿后的角频率wi，并输出给驱动模块，使扫描镜工作在谐振频率附近；
[0060]
13)比较ao与目标幅值之间的误差值，采用比例-积分(pi)控制，计算得到补偿后的幅值ai，并输出给驱动模块，使扫描镜最终工作在目标角度。
[0061]
综上，本发明设计了一种闭环控系统用于控制mems扫描镜稳定工作在目标角度，明确了系统中需要包含的硬件组成，针对该系统设计了一种数字化控制方法用于简化mems扫描镜控制系统的复杂度，提高控制系统的精度和可移植性。此外，本发明利用扫描镜的幅频特性和相频特性，通过双闭环控制的方式，实现了低功耗、角度稳定地控制扫描镜。

技术特征：
1.一种mems扫描镜闭环角度控制系统，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，还用于对信号进行处理，驱动mems扫描镜在二维方向产生扭转和弯曲运动；角度反馈模块，用于实时检测扫描镜的偏转角度并反馈扫描镜的角度信号；角度控制模块，用于对信号进行采集，还用于实现对驱动信号的频率控制和幅度控制。2.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d/a转换芯片和功放电路；所述d/a转换芯片，用于接收来自主控芯片的控制指令，并将来自主控芯片的数字信号转换成原始驱动信号；所述功放电路，包括输入级、输出级和功率放大器，输入级用于将来自d/a转换芯片的信号进行阻抗匹配和滤波，以适配输出级的要求，输出级则用于将输入级的信号进一步放大，以达到mems扫描镜需要的电压水平，功率放大器用于在输出级的基础上再次对信号进行功率放大，以保证输出信号的稳定性和可靠性。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述角度反馈模块，包括角度传感器、信号处理电路和a/d转换芯片；所述角度传感器，用于将mems扫描镜的角度变化转换成电信号；所述信号处理电路，用于对角度传感器输出的电信号进行预处理，并输出角度反馈信号。主要实现对电信号的幅度放大，以及滤除电信号中的高频噪声和杂散信号；所述a/d转换芯片，用于将模拟信号转换成数字信号，实现对驱动信号和角度信号的同步采样，并将采样得到的数字信号传输至主控芯片。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述角度控制模块由主控芯片实现；所述主控芯片，用于驱动所述的d/a转换芯片和a/d转换芯片，实现信号的驱动和采集功能；所述主控芯片还用于实现控制算法的部署，根据控制得到的参数对数字驱动信号的频率和幅度进行更新。5.一种用于权利要求1-4中任意一项所述mems扫描镜闭环角度控制系统的工作方法，其特征在于，包括：获取驱动信号和角度信号，对获取的信号进行预处理；首先通过pll(锁相环)控制，将驱动信号频率锁定在mems扫描镜振频率附近，用于实现驱动力到振动幅值的转换效率最大化；其次采用agc(自动增益控制)使mems扫描镜的振动幅度保持稳定。6.根据权利要求5所述的mems扫描镜闭环角度控制系统的工作方法，其特征在于，所述锁相环控制，包括：相位检测器，用于比较驱动信号和角度信号的相位差；数控振荡器，利用pi(比例-积分)控制算法，用于对相位检测器得到的相位差进行误差计算，将得到的误差值进行比例和积分运算，以产生频率控制信号。7.根据权利要求5所述的mems扫描镜闭环角度控制系统的工作方法，其特征在于，所述自动增益控制，包括：幅度检测器，用于提取角度信号中的幅度信息；
增益控制器，利用pi(比例-积分)控制算法，用于对幅度检测器得到的幅度信息进行误差计算，将得到的误差值进行比例和积分运算，以产生幅度控制信号。

技术总结
本发明公开了一种MEMS扫描镜闭环角度控制系统及方法，具体控制系统包括扫描镜驱动模块、角度反馈模块和角度控制模块。首先，由驱动模块产生原始驱动信号使MEMS扫描镜在二维方向运动，同时，通过集成在扫描镜上的角度传感器进行实时检测得到扫描镜的角度信号，角度信号将被传输到角度控制模块进行处理。角度控制模块是该系统的核心，该角度控制模块分别由PLL(锁相环)控制和AGC(自动增益控制)两部分组成，首先PLL控制部分实现对MEMS扫描镜驱动信号的频率控制；然后AGC部分实现对MEMS扫描镜驱动信号的幅度控制。通过双闭环控制系统的设计，该系统可以使MEMS扫描镜的角度稳定，并提高扫描镜的环境适应性，同时有效降低扫描镜的功耗。的功耗。的功耗。


技术研发人员：徐帼锴 孟子阳 刘松涛 张高飞
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/9/23