周 玨 ，吳東岷

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 微電子學(xué)院，安徽 合肥 230026；2.中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

激光掃描在激光雕刻、激光雷達(dá)、激光精密打標(biāo)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前激光掃描方式主要分為振鏡掃描、MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）微鏡掃描以及轉(zhuǎn)鏡掃描[1]。

振鏡掃描是指振鏡電機(jī)帶動(dòng)反射鏡偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而使入射到反射鏡表面的光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)掃描[2]。振鏡掃描方式由于其機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其掃描速度較慢，掃描頻率一般為20 Hz 左右，掃描角度一般為20°×20°。

MEMS 微鏡采用微機(jī)電系統(tǒng)工藝，相比機(jī)械振鏡具有體積小、諧振頻率高、光學(xué)特性好的優(yōu)點(diǎn)[3]，由于其工作在諧振頻率處，快軸掃描頻率能達(dá)到27 kHz，掃描角度一般為40°×10°[4]。

轉(zhuǎn)鏡掃描是一種比較常見的機(jī)械掃描方式，其物面掃描點(diǎn)的形狀是線狀的。有些商業(yè)LIDAR（Light Detection and Ranging）系統(tǒng)采用這種方式。轉(zhuǎn)鏡掃描具有轉(zhuǎn)速高、掃描速度大、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)[5]。但轉(zhuǎn)鏡相比MEMS 微鏡，掃描圖像分辨率較低。

為了增大MEMS 微鏡掃描的角度，因此提出同步掃描方案。目前關(guān)于同步掃描的研究主要還是基于振鏡與轉(zhuǎn)鏡的同步，沈辰弋[6]提出了一種振鏡與步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)鏡同步掃描方案，其同步掃描通過等待零位置實(shí)現(xiàn)，掃描角度為30°×60°。謝機(jī)有[7]提出了一種振鏡與無刷電機(jī)帶動(dòng)的轉(zhuǎn)鏡掃描方案，但未進(jìn)行同步設(shè)計(jì)。

本文基于MEMS 微鏡的激光掃描特性，設(shè)計(jì)了MEMS 微鏡與無刷電機(jī)的同步方案，可以實(shí)現(xiàn)40°×180°掃描。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本設(shè)計(jì)由STM32F407 微控制器、MEMS 微鏡驅(qū)動(dòng)電路以及相位檢測電路三部分組成。由于MEMS 微鏡采用電磁驅(qū)動(dòng)，且需要工作在諧振頻率處[8]，因此MEMS 微鏡的驅(qū)動(dòng)信號需要具有頻率精度高的特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)MEMS 微鏡與無刷電機(jī)的同步，驅(qū)動(dòng)信號還需要具備相位可調(diào)的特點(diǎn)，因此，本設(shè)計(jì)采用直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesis，DDS）產(chǎn)生微鏡驅(qū)動(dòng)信號。STM32 通過SPI 接口與DDS 進(jìn)行通信，DDS 輸出經(jīng)濾波放大后驅(qū)動(dòng)MEMS 微鏡振動(dòng)。相位檢測電路完成對微鏡反饋信號與無刷電機(jī)反饋信號的調(diào)理。無刷電機(jī)由PWM 波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可通過改變PWM波占空比實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制[9]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作原理如圖2 所示。MEMS 微鏡在驅(qū)動(dòng)信號的作用下，會(huì)產(chǎn)生正弦反饋信號。微鏡反饋信號經(jīng)過零比較器產(chǎn)生方波信號，方波信號的跳變沿則標(biāo)志著微鏡過零點(diǎn)的時(shí)刻。無刷電機(jī)裝有光柵碼盤，當(dāng)無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光柵碼盤會(huì)使光電傳感器產(chǎn)生方波反饋信號，STM32會(huì)對方波信號進(jìn)行處理，獲取電機(jī)此刻的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及原點(diǎn)位置。為了能夠得到穩(wěn)定的相位差，需要通過PID算法對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使光電傳感器產(chǎn)生穩(wěn)定的方波信號，同時(shí)還需對過零比較器產(chǎn)生的方波信號進(jìn)行分頻處理，獲得與電機(jī)反饋同頻的方波信號。STM32 計(jì)算兩路反饋信號上升沿的時(shí)間差得到相位差，通過調(diào)節(jié)DDS驅(qū)動(dòng)信號的相位，便可使相位差趨近于0，實(shí)現(xiàn)同步掃描的目的。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 DDS 原理與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路主要是為了產(chǎn)生MEMS 微鏡的驅(qū)動(dòng)信號，使微鏡在諧振頻率處振動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用DDS 作為微鏡的信號源，其具有精度高，信號靈活可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)[10]。

DDS 主要組成部分是：相位累加器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和時(shí)鐘模塊[11]。其原理是：在系統(tǒng)時(shí)鐘的作用下，相位累加器會(huì)對頻率控制字（Frequency Tuning Word，F(xiàn)TW）進(jìn)行累加，而相位累加器的輸出會(huì)作為尋址地址去波形存儲(chǔ)器中查找數(shù)據(jù)并送入DAC（Digital-to-Analog Converter）進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)時(shí)鐘為500 MHz、相位累加器為32 位寬、相位偏移寄存器為14 位寬時(shí)，產(chǎn)生正弦信號的DDS 工作原理圖如圖3 所示。

圖3 DDS 原理框圖

DDS 的輸出取決于頻率控制字、相位控制字以及系統(tǒng)時(shí)鐘。在系統(tǒng)時(shí)鐘一定的情況下，頻率控制字越大，DDS 輸出頻率則越大。相位控制字（Phase Offset Word，POW）越大，則DDS 輸出信號的相位偏移越大。本設(shè)計(jì)中，DDS芯片時(shí)鐘為500 MHz，其輸出頻率精度能達(dá)到0.12 Hz。其關(guān)系式如下：

式中，fs為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，232代表相位累加器的容量，fout為系統(tǒng)輸出頻率。

式中，? 代表輸出相位偏移量，214代表相位偏移寄存器最大值。

由于DDS 是數(shù)字器件，其輸出信號是階梯狀的，內(nèi)部含有較多高次諧波，為了得到較為平滑的波形信號，需要設(shè)計(jì)低通濾波器對這些高頻分量進(jìn)行濾除[12]。針對DDS 技術(shù)中輸出波形的頻譜結(jié)構(gòu)及濾波器的傳輸特性[13]，為此本文設(shè)計(jì)七階巴特沃斯低通濾波器。電路圖如圖4 所示。

圖4 七階巴特沃斯濾波器電路圖

DDS 芯片對外提供SPI 接口，STM32 通過SPI 接口完成對DDS 的初始化以及輸出信號頻率、相位的配置[14]。

2.2 相位檢測電路設(shè)計(jì)

相位檢測電路的主要功能是實(shí)現(xiàn)MEMS 微鏡與無刷電機(jī)的同步掃描。其核心電路則是實(shí)現(xiàn)高精度的過零比較，本設(shè)計(jì)比較器采用LM393 芯片實(shí)現(xiàn)[15]，單電源供電下電路圖如圖5 所示。電機(jī)反饋信號由光電傳感器產(chǎn)生，光柵碼盤采用上下兩層設(shè)計(jì)，上層用于電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量，下層則用于電機(jī)原點(diǎn)位置的標(biāo)記，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖5 單電源供電下過零比較電路圖

圖6 上層光柵碼盤結(jié)構(gòu)圖

相位差檢測的原理是通過STM32 定時(shí)器通道1 與通道2 的輸入捕獲功能對微鏡反饋信號與電機(jī)反饋信號進(jìn)行上升沿捕獲，在配置完定時(shí)器頻率后，通過計(jì)算兩路捕獲寄存器的差值，便可得到上升沿的時(shí)間差。假設(shè)通道1 發(fā)生上升沿捕獲，記錄此時(shí)通道1 捕獲寄存器值C1 并標(biāo)記通道1 已發(fā)生捕獲，若通道2 隨后發(fā)生上升沿捕獲，則記錄此時(shí)通道2 捕獲寄存器值C2，同時(shí)對定時(shí)器計(jì)數(shù)值置0。而C2-C1 便為兩信號上升沿時(shí)間差，進(jìn)而可通過信號頻率計(jì)算出相位差。在定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率為1 MHz 的條件下，相位差計(jì)算公式如下：

式中φ 為相位差，單位為弧度；f 則是反饋信號頻率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)模塊：DDS 驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、PID 控制模塊[16]以及串口通信模塊。系統(tǒng)相位控制軟件工作流程圖如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)上電完成初始化后會(huì)對DDS 進(jìn)行配置，主要設(shè)置DDS 輸出正弦信號的頻率、幅值以及相位，之后便配置STM32F407 芯片輸出PWM 波驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。由定時(shí)器輸入捕獲功能計(jì)算得到相位差，通過改變PWM波占空比可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，設(shè)置DDS 芯片輸出正弦信號的相位偏移量可以減小相位差。

4 測試結(jié)果與誤差分析

實(shí)驗(yàn)裝置如圖8 所示，實(shí)驗(yàn)擬合了無刷電機(jī)響應(yīng)曲線，測試了PID 控制效果以及相位誤差。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置圖

在PWM 波頻率為100 Hz 下，PWM 波占空比與無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖9 所示。

圖9 無刷電機(jī)PWM 響應(yīng)線性擬合曲線

根據(jù)無刷電機(jī)PWM 響應(yīng)線性擬合結(jié)果，對PID 參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，在比例系數(shù)Kp=10、微分系數(shù)為Ki=0.8 的情況下，系統(tǒng)上升時(shí)間約為2.2 s，調(diào)節(jié)時(shí)間約為5 s，PID響應(yīng)曲線如圖10 所示。

圖10 PID 響應(yīng)曲線

在反饋信號周期為9.274 ms 的條件下，對相位誤差進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11 和表1 所示。

圖11 采樣點(diǎn)為1 000 的相位誤差圖

由表1 可知，系統(tǒng)最大誤差不超過0.138 ms，相位誤差不超過1.5%，誤差產(chǎn)生的原因可能有以下兩點(diǎn)：

表1 相位控制誤差數(shù)據(jù)

（1）光柵碼盤精度不夠高。光柵碼盤的細(xì)分精度直接影響無刷電機(jī)測速精度，進(jìn)而導(dǎo)致相位測量不準(zhǔn)確。

（2）光柵碼盤的安裝存在機(jī)械誤差，這會(huì)使光電傳感器產(chǎn)生的信號不均勻，從而引起相位測量不準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

本文針對MEMS 微鏡掃描存在的缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了MEMS微鏡與無刷電機(jī)同步掃描系統(tǒng)。本文首先根據(jù)MEMS 微鏡的工作特性設(shè)計(jì)了DDS 驅(qū)動(dòng)電路，其次通過設(shè)計(jì)光柵碼盤完成了無刷電機(jī)速度的測量，由相位檢測電路得到兩路同頻的方波信號，最后對系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)得到相位差并進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)相位差不超過1.5%，在一定程度上滿足同步掃描要求，為后續(xù)激光掃描應(yīng)用提供基礎(chǔ)。