微机电系统和控制方法技术方案

技术编号:18179698 阅读:33 留言:0更新日期:2018-06-09 21:53
本发明专利技术公开一种微机电系统(1),该微机电系统具有压电驱动器(2)和控制装置(3),该控制装置与压电驱动器耦合并且构造成用于基于压电驱动器的导纳(10)和/或阻抗的变化来操控压电驱动器。此外,本发明专利技术公开一种相应的控制方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】微机电系统和控制方法
本专利技术涉及一种微机电系统和一种相应的控制方法。
技术介绍
微机电系统(也被称为MEMS)如今使用在大量应用中,例如使用在传感器或微镜中。尤其在这样的系统中使用压电致动器,以便例如使微镜偏转。为了精确地操控这样的MEMS系统或相应的压电致动器,必须感测其位置或运动并且将所述位置或运动供应给相应的调节器。传统的MEMS系统为了对这样的MEMS致动器进行位置或运动感测而通常具有专用探测元件。这样的探测元件例如可以构造为电容式结构,该电容式结构的电容在MEMS致动器运动时改变。因此,通过感测改变的电容也可以推断出MEMS致动器的位置或运动。DE4442033A1例如示出这样的基于MEMS的转速传感器,在该转速传感器中电容式元件被分析处理。
技术实现思路
本专利技术公开一种具有权利要求1的特征的微机电系统和一种具有权利要求8的特征的控制方法。与此相应地设置有:一种微机电系统,该微机电系统具有压电驱动器和控制装置,该控制装置与压电驱动器耦合并且构造成用于基于压电驱动器的导纳和/或阻抗的变化来操控压电驱动器。此外设置有:一种用于微机电系统的控制方法,该控制方法具有以下步骤:感测微机电系统的压电驱动器的导纳和/或阻抗的变化,并且基于压电驱动器的导纳和/或阻抗的所感测的变化控制压电驱动器。本专利技术所基于的认知在于,压电驱动器的位置或运动的单独感测是耗费的并且提升微机电系统的复杂性。那么本专利技术所基于的想法在于,考虑到该认知并且设置如下可能性:即使在没有单独的位置感测的情况下也可以精确地调节压电驱动器。为此本专利技术设置为:仅将压电驱动器自身的导纳或阻抗用作为用于操控压电驱动器的基础。在微机电系统的共振情况中、即在共振运行中,压电驱动器或形成该驱动器的压电元件拉伸并且压缩。压电元件的长度变化也自动地导致压电元件的电容变化。这种变化可以通过测量流经压电驱动器的电流或通过测量压电驱动器的导纳或阻抗来感测。因此,控制装置能够感测压电驱动器的导纳和/或阻抗的变化,而不会为此使用单独的测量元件。因此,本专利技术能够在没有用于感测压电驱动器的当前位置的附加元件的情况下实现压电驱动器的操控。由此,在微机电系统的制造方面节省了耗时和复杂的工艺步骤。此外,减少了为了微机电系统所需要的面积、节省了通向在其他情况下所需要的传感器元件的连接线路并且节省了在其他情况下为了接触传感器元件所需要的连接盘。有利的实施方式和扩展方案由从属权利要求以及由说明书参考附图得出。在实施方式中,控制装置可以构造成用于在正常运行中给压电驱动器提供控制器控制电压,该控制器控制电压具有直流电压分量和叠加给该直流电压分量的交流电压分量。在此,通常交流电压分量在量值方面小于直流电压分量。也就是说,控制电压的电压走向通常处于正的范围中。在此,正常运行应理解为这样的运行,在该运行中微机电系统以符合用途的方式运行,即例如将微镜置于振荡中。通过直流电压可以防止压电驱动器的永久换极。交流电压分量激励压电驱动器产生相应的振动。在实施方式中,微机电系统可以具有电流测量设备,该电流测量设备构造成用于感测流经压电驱动器的电流并且将所述电流提供给控制装置,其中,控制装置构造成用于在校准阶段仅以交流电压分量激励压电驱动器,并且在这种激励的情况下基于所感测的电流感测压电驱动器的第一阻抗。在此,交流电压分量的频率可以处于压电驱动器的共振频率之外。然而,如果压电驱动器的与起激励作用的电压的频率成比例的分量进行校准,则可以经过整个频率范围,包括压电驱动器的共振频率所在的频率。在压电驱动器中,以频率处于压电驱动器共振频率处的交流电压分量所进行的激励导致在压电驱动器中的移动电流但是,为了能够分析处理这种移动电流,需要了解压电驱动器的特性。这可以通过测量压电驱动器的阻抗实现。压电驱动器的由此所要确定的特征例如可以是压电驱动器每单位长度变化的电容变化dCdx。该量值例如可以借助于在压电驱动器上的电容-电压测量或光学测量来确定。对于光学测量例如可以光学地感测压电驱动器的偏移。在实施方式中,控制装置可以构造成用于在微机电系统的正常运行中基于第一阻抗和在压电驱动器的正常运行中所感测的流经压电驱动器的电流来确定压电驱动器的振动幅度。为了对压电驱动器进行建模,可以利用所谓的Butterworth-VanDyke模型。该模型的出发点是:压电驱动器由寄生电容和与此并联的串联振荡电路组成,该串联振荡电路由L、C和R组成,该压电驱动器的共振频率通常处于几兆赫的范围内。压电驱动器与待驱动的元件的耦合(该耦合通常本身具有仅几千赫的共振)显示出压电驱动器的共振之外的激励。由于整体结构的机械运动,该压电驱动器发生变形,由此压电驱动器的电容C发生变化。在上面所提及的模型中,这可以仅被视为电容C的变化,因为L小到可忽略并且R通常也非常小。因此,压电驱动器可以近似地建模为电容C。在形式上可以将机械学和电学如下地相关联:压电驱动器的机械运动可以如下地描述:x:=A(Ω)cos(Ωt-φ(Ω))其中,Α(Ω)是压电驱动器的偏移幅度,并且余弦项表明随时间的改变。压电驱动器的电容C可以如下地描述:C:=-dCdxA(Ω)cos(Ωt-φ(Ω))+C0(1)其中,C0表明压电驱动器的基本电容。此外,流经压电驱动器的电流可以表示为:如果现在将第一公式(1)插入到第二公式(2)中,并且假设u:=ACcos(Ωt)+DC,则得出:ACA(Ω)ΩdCdxsin(-φ(Ω)+2Ωt)+DCsin(Ωt-φ(Ω))A(Ω)ΩdCdx-ACΩsin(Ωt)C0(3)为了确定压电驱动器的振动幅度,观察公式(3)的与控制电压的交流电压分量的频率成比例的dCdx分量。此外,分量AC*Ω*sin(*Ω*t)*C0起干扰作用并且必须通过适合的校准来考虑:DCsin(Ωt-φ(Ω))A(Ω)ΩdCdx(3.1)乘以cos(Ωt)带来:为了获得同相分量X,消去与2Ω成比例的项!要注意的仅是最后一项为了求得异相分量Y,将公式(3.1)乘以sin(Ω*t),得出Y=+1/2*DC*A(Ω)*Ω*dCdx*cos(Ω*t)。由X和Y的平方和得出根:已知DC、Ω和dCdx。在此,DC是直流电压分量的幅度、Ω是激励频率、即交流电压分量的频率,并且dCdx是压电驱动器每单位长度变化的电容变化。因此,可以通过方程式的简单转换计算当前的幅度Α(Ω)。在实施方式中,控制装置可以具有调节器、尤其是PI调节器,该调节器构造成用于基于所确定的幅度和预先给定的额定幅度实施压电驱动器的幅度调节。PI调节器能够实现幅度的精确和简单的调节。在实施方式中,控制装置可以构造成用于在正常运行中基于第一阻抗和在压电驱动器的正常运行中所感测的流经压电驱动器的电流确定压电驱动器的振动相位。上面的公式(4)中项X和Y也可以用于计算压电驱动器的振动相位。由此得出所述相位:在实施方式中,控制装置可以具有调节器、尤其是PI调节器,该调节器构造成用于基于所确定的相位和预先给定的额定相位实施压电驱动器的相位调节。为了调节控制电压的尤其是与控制电压的交流电压分量的频率成比例的分量,在此重要的是,公式(3)中的项-ACΩsin(Ωt)C0被补偿。该分量例如可以在操控压电驱动器时在没有直流电压的情况下测定,因为该分量仅与控制本文档来自技高网...
微机电系统和控制方法

【技术保护点】
微机电系统(1;11),具有压电驱动器(2),具有控制装置(3;13),该控制装置与所述压电驱动器(2)耦合并且构造成用于基于所述压电驱动器(2)的导纳(10)和/或阻抗的变化来操控所述压电驱动器(2)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.19 DE 102015220291.71.微机电系统(1;11),具有压电驱动器(2),具有控制装置(3;13),该控制装置与所述压电驱动器(2)耦合并且构造成用于基于所述压电驱动器(2)的导纳(10)和/或阻抗的变化来操控所述压电驱动器(2)。2.根据权利要求1所述的微机电系统(1;11),其中,所述控制装置(3;13)构造成用于在正常运行中给所述压电驱动器(2)提供控制器控制电压(4),该控制器控制电压具有直流电压分量(5)和叠加给所述直流电压分量(5)的交流电压分量(6)。3.根据权利要求2所述的微机电系统(1;11),所述微机电系统具有电流测量设备(7),该电流测量设备构造成用于感测流经所述压电驱动器(2)的电流(9)并且将该电流提供给所述控制装置(3;13),其中,所述控制装置(3;13)构造成用于在校准阶段仅以交流电压分量(6)激励所述压电驱动器(2),该交流电压分量的频率处于所述压电驱动器(2)的共振频率之外,并且在该激励的情况下基于所述电流(9)感测所述压电驱动器(2)的第一阻抗(8)。4.根据权利要求3所述的微机电系统(1;11),其中,所述控制装置(3;13)构造成用于在所述微机电系统(1、11)的正常运行中基于所述第一阻抗(8)和在所述压电驱动器(2)的正常运行中所感测的流经所述压电驱动器(2)的电流(9)来确定所述压电驱动器(2)的振动幅度。5.根据权利要求4所述的微机电系统(1;11),其中,所述控制装置(3;13)具有调节器、尤其是PI调节器,所述调节器构造成用于基于所确定的幅度和预先给定的额定幅度实施所述压电驱动器(2)的幅度调节。6.根据权利要求3至5中任一项所述的微机电系统(1;11),其中,所述控制装置(3;13)构造成用于在正常运行中基于所述第一阻抗(8)和在所述压电驱动器(2)的正常运行中所感测的流经所述压电驱动器(2)的电流(9)确定所述压电驱动器(2)的振动相位。7.根据权利要求6所述的微机电...

【专利技术属性】
技术研发人员:M·丘尔契奇
申请(专利权)人:罗伯特·博世有限公司
类型:发明
国别省市:德国,DE

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