电磁驱动微镜的扫频建模方法及系统与流程

本发明涉及微机电系统(MEMS)的控制技术领域，特别涉及一种电磁驱动微镜的扫频建模方法及系统。

背景技术：

电磁驱动微镜是一种尺寸在毫米、微米级，在外部线圈磁场驱动下可转动的微型光学器件，结构一般包括镜面、扭杆、框架、驱动线圈等。因其具有驱动电压、电流低，响应速度快，偏转角度大等优势，逐渐受到研究者的重视。广泛应用于光通信、条码识别、投影成像、医疗器械、消费电子等领域。

目前MEMS微镜的建模方法主要以机理法为主。机理建模，即从物理、机械、电气关系的角度，分析器件内部作用，表示成数学公式形式。其优点是可从机理上判断系统阶次，有利于明确器件各参数对微镜性能的影响。缺点是因对器件的理想化往往与实际系统相差较大。

扫频法建模是对系统输入从低频到高频正弦信号，得到输出信号，分离出系统的幅频、相频特性，即Bode图。然后根据Bode图确定系统的频域模型，即传递函数。该方法优点是能够观察系统全频段的幅值、相位响应；确定系统的阶次，获得系统的共振频率、阻尼等参数，模型准确性高；缺点是一般只有三阶以下系统才能获得传递函数模型，不能反映系统内部机理。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种电磁驱动微镜的扫频建模方法。

本发明的另一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种电磁驱动微镜的扫频建模系统。

本发明的第一个目的通过下述技术方案实现：

一种电磁驱动微镜的扫频建模方法，所述扫频建模方法包括：

S1、采集输入输出数据；

对电磁驱动微镜输入幅值一定、频率从低到高若干组正弦信号，测量并记录输出信号；

S2、分析输入输出数据；

对照输入信号和输出信号，统计各频率点系统的幅值增益、相位变化，其中幅值增益为输出信号幅值/输入信号幅值，相位变化为输出信号相位减去输入信号相位，然后绘制电磁驱动微镜系统的伯德图，所述伯德图包括幅频曲线和相频曲线；

S3、确定系统模型；

将电磁驱动微镜系统的伯德图与标准N阶系统模型伯德图对比，确定电磁驱动微镜实际系统模型；

S4、系统模型有效性验证；

分别通过静态特性分析和动态特性分析验证系统模型是否与实际系统接近，若均接近，则判定系统模型有效。

进一步地，所述步骤S3、确定系统模型具体包括：

S31、判断系统阶次，然后不断调节标准N阶系统参数，并画出对应伯德图；

S32、当标准N阶系统与实际系统伯德图拟合程度达到相似标准时，标准N阶系统传递函数即为所求电磁驱动微镜实际系统模型。

进一步地，所述步骤S4、系统模型有效性验证具体包括：

S41、静态特性分析，通过静态输入输出关系与实验数据对比验证系统模型是否与实际系统接近；

S42、动态特性分析，通过阶跃响应调节时间、超调量以及振荡次数对比验证系统模型与实际系统接近。

本发明的第二个目的通过下述技术方案实现：

一种电磁驱动微镜的扫频建模系统，所述扫频建模系统包括：

采集输入输出数据模块，该模块用于对电磁驱动微镜输入幅值一定、频率从低到高若干组正弦信号，测量并记录输出信号；

分析输入输出数据模块，该模块用于对照输入信号和输出信号，统计各频率点系统的幅值增益、相位变化，其中幅值增益为输出信号幅值/输入信号幅值，相位变化为输出信号相位减去输入信号相位，然后绘制电磁驱动微镜系统的伯德图，所述伯德图包括幅频曲线和相频曲线；

确定系统模型模块，该模块用于将电磁驱动微镜系统的伯德图与标准N阶系统模型伯德图对比，确定电磁驱动微镜实际系统模型；

系统模型有效性验证模块，该模块用于分别通过静态特性分析和动态特性分析验证系统模型是否与实际系统接近，若均接近，则判定系统模型有效。

进一步地，所述确定系统模型模块具体包括：

判断单元，用于判断系统阶次，然后不断调节标准N阶系统参数，并画出对应伯德图；

处理单元，用于当标准N阶系统与实际系统伯德图拟合程度达到相似标准时，将标准N阶系统传递函数作为所求电磁驱动微镜实际系统模型。

进一步地，所述系统模型有效性验证模块具体包括：

静态特性分析单元，用于通过静态输入输出关系与实验数据对比验证系统模型是否与实际系统接近；

动态特性分析单元，用于通过阶跃响应调节时间、超调量以及振荡次数对比验证系统模型与实际系统接近。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明公开的一种电磁驱动微镜系统的扫频建模方法，包括：采集输入输出数据，分析输入输出数据，确定系统模型和模型有效性验证四个步骤，该方法优点是能够观察系统全频段的幅值、相位响应；确定系统的阶次，获得系统的共振频率、阻尼等参数，模型准确性高。

附图说明

图1是电磁驱动微镜的示意图；

图2是电磁驱动微镜系统框图；

图3是测量微镜系统输入、输出信号对比；

图4是电磁驱动微镜系统幅频特性曲线；

图5是电磁驱动微镜系统相频特性曲线；

图6是模型与实际平台稳态值对比；

图7是本发明中公开的电磁驱动微镜的扫频建模方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。

实施例一

请参见图7，图7是本实施例中公开的电磁驱动微镜的扫频建模方法的流程图。本实施例公开的电磁驱动微镜的扫频建模方法，旨在将扫频建模法应用于电磁驱动微镜系统，建立系统模型，便于系统特性分析和控制器设计。

本实施例中所指系统为电磁驱动微镜系统的简称。

下面结合图1-图7，具体说明一种电磁驱动微镜的扫频建模方法法的详细过程。如附图7所示，电磁驱动微镜的扫频建模方法包括下列步骤：

步骤S1、采集输入输出数据；

对电磁驱动微镜输入幅值一定，频率从低到高若干组正弦信号，测量并记录输出信号。

步骤S2、分析输入输出数据；

对照输入信号和输出信号，统计各频率点系统的幅值增益、相位变化，其中幅值增益为输出信号幅值/输入信号幅值，相位变化为输出信号相位减去输入信号相位。然后画成幅频、相频曲线，即电磁驱动微镜系统伯德图。

其中，伯德图是线性非时变系统的传递函数对频率的半对数坐标图，其横轴频率以对数尺度(log scale)表示，纵坐标幅值或相角采用线性分度，利用伯德图可以看出系统的频率响应。伯德图一般是由二张图组合而成，伯德图由两张图组成：①G(jω)的幅值(以分贝，dB表示)-频率(以对数标度)对数坐标图，其上画有对数幅频曲线；②G(jω)的相角-频率(以对数标度)对数坐标图，其上画有相频曲线。

步骤S3、确定系统模型；

将电磁驱动微镜系统的伯德图与标准N阶模型对比。将电磁驱动微镜系统的伯德图与标准N阶模型伯德图对比。首先判断系统阶次，然后不断调节标准N阶系统参数，并画出对应伯德图。当标准N阶系统与实际系统伯德图拟合较好时，标准N阶系统传递函数即为所求微镜实际系统模型。

实际电磁驱动微镜系统幅频特性为“低通、选频”特性，在121Hz处有一个波峰；相频特性从0°递减，在121Hz附近急剧下降，到-180°左右放缓，曲线关于(121Hz,90°)中心对称。以上特点与线性二阶系统十分接近。将线性二阶系统伯德图与系统伯德图对比，当二阶系统的自然振荡角频率ω_n取系统共振频率121Hz，阻尼比取0.1，增益K取系统静态增益11.41667时，二者拟合较好。相较于标准线性二阶系统，微镜系统幅频特性在中低频段(50rad/s～800rad/s)幅值略有下降，相频特性也有一定差别，其原因主要是系统存在参数不确定性和高阶未建模动态。综上，应用该方法建立模型为(输入为驱动电压，单位V，输出为PSD距离，单位mm)：

步骤S4、系统模型有效性验证；

分别通过静态特性分析和动态特性分析验证系统模型是否与实际系统接近，若均接近，则判定系统模型有效，即符合实际系统要求。

S41、静态特性分析，通过静态输入输出关系与实验数据对比验证系统模型是否与实际系统接近。

由于模型是线性二阶系统，则其静态输入-输出曲线应为过原点直线，且静态增益为11.41667，通过其静态输入输出关系与实验数据对比，与实际系统相近。

S42、动态特性分析，通过阶跃响应调节时间、超调量以及振荡次数对比验证系统模型与实际系统接近。

实验阶跃响应调节时间为45ms左右，超调量约为21％，振荡次数为7；模型阶跃响应调节时间为45ms左右，超调量约为60％，振荡次数为7。说明了模型的有效性。

实施例二

本实施例公开了一种电磁驱动微镜的扫频建模系统，所述扫频建模系统包括：

采集输入输出数据模块，该模块用于对电磁驱动微镜输入幅值一定、频率从低到高若干组正弦信号，测量并记录输出信号。

分析输入输出数据模块，该模块用于对照输入信号和输出信号，统计各频率点系统的幅值增益、相位变化，其中幅值增益为输出信号幅值/输入信号幅值，相位变化为输出信号相位减去输入信号相位，然后绘制电磁驱动微镜系统的伯德图，所述伯德图包括幅频曲线和相频曲线。

确定系统模型模块，该模块用于将电磁驱动微镜系统的伯德图与标准N阶系统模型伯德图对比，确定电磁驱动微镜实际系统模型；

其中，所述确定系统模型模块具体包括：

判断单元，用于判断系统阶次，然后不断调节标准N阶系统参数，并画出对应伯德图；

处理单元，用于当标准N阶系统与实际系统伯德图拟合程度达到相似标准时，将标准N阶系统传递函数作为所求电磁驱动微镜实际系统模型。

系统模型有效性验证模块，该模块用于分别通过静态特性分析和动态特性分析验证系统模型是否与实际系统接近，若均接近，则判定系统模型有效。

其中，所述系统模型有效性验证模块具体包括：

静态特性分析单元，用于通过静态输入输出关系与实验数据对比验证系统模型是否与实际系统接近；

动态特性分析单元，用于通过阶跃响应调节时间、超调量以及振荡次数对比验证系统模型与实际系统接近。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个装置和单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各装置和单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明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发明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，都包含在本发明的保护范围之内。