用于控制微机械执行器的调节器、控制系统和方法以及微镜系统技术方案

本发明专利技术公开一种用于控制微机械执行器的调节器，调节器具有：第一信号输入端，用于接收参考信号；第二信号输入端，用于接收测量信号；第一调节器元件，用于在所接收的参考信号中滤波和/或衰减预给定的频率模态和/或预给定的频率分量并且输出经滤波的和/或经衰减的参考信号；第二调节器元件，用于修改所接收的测量信号以及输出所修改的测量信号；第三调节器元件，用于将经滤波的和/或经衰减的参考信号和所接收的测量信号之间的调节偏差最小化并且输出经最小化的参考信号；第四调节器元件，用于修改所接收的测量信号的带宽并且将其从经最小化的参考信号中减去。本发明专利技术还公开一种相应的控制系统、一种相应的微镜系统和一种相应的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于控制微机械执行器的调节器、用于控制微机械执行器的控制系统、微镜系统和用于控制微机械执行器的方法。
技术介绍
当今在许多应用中均使用微机械执行器。例如在被安装在很小结构空间上的投影单元中使用微镜。在这样的投影单元中通常使用微镜，也就是所谓的MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System：微机电系统)。这样的MEMS镜通常具有多个可以相应地被电激发的机械共振点——也称作模态或者传递函数中的极点。此外，这样的MEMS镜还具有反共振模态——也称作传递函数中的零点或者凹口(notch)。MEMS镜的这些模态可区分为有效模态和干扰模态。干扰模态的激发尤其负面地损坏所投影的图像的质量。所述MEMS镜构成所谓的惯性弹簧质量系统，其在第一近似中可以被建模为二阶低通(PT2元件)。在此通过惯性弹簧质量系统的第一模态定义其角频率(Eckfrequenz)。可以使这种MEMS镜或者共振运行在一种或者多种有效模态上或者准静态运行。准静态控制借助低频信号实现并且避免了这些模态的激发。图9中以波特图示出不同的MEMS微镜的传递函数。在上面的图中示出在频率上的单位为dB的衰减。在下面的图中示出在频率上的单位为度的相位。在上面的图中可以看出，其传递函数被示出的五个微镜具有许多共振模态和反共振模态。它们在该图中通过尖峰示出，这些尖峰是向上或者向下。此外在下面的图中可以看出，这些微镜根据频率分别具有不同的相位特性曲线。尤其一些镜子分别具有一个至少直至一定的频率位于-0°和 -180°之间的相位特性曲线，而在另一些镜子中相位特性曲线超过-180°。对于借助MEMS镜的图像构建而言通常需要两个MEMS镜，其中，共振地控制这些MEMS镜中的一个，而准静态运行这些MEMS镜中的一个。在此，共振运行的MEMS镜负责图像的行投影，而准静态运行的MEMS镜负责逐行的图像构建。另一种可能性在于使用一种2D镜，其既在竖直方向上也在水平方向上运行。必须如此控制在准静态的状态中运行的MEMS镜，使得微镜的共振模态不被激励。通常在此借助锯齿波信号作为基准参量控制在准静态的状态中的MEMS镜，以便例如产生60Hz的帧速率。在此，该锯齿波信号在频域中具有基频的偶次的和奇次的高次谐波的多倍。在附图10的图中以虚线和实线表示两种可能的具有不同返回时间(Rücklaufzeit)的锯齿波信号，在横轴上示出时间，在纵轴上示出锯齿波信号的振幅。在附图10中上升的边沿是逐行控制MEMS镜的边沿。下降的边沿表示MEMS镜返回到初始位置。附图11中示出在频域中的相应的锯齿波信号。如在图11中看出的那样，锯齿波信号在频域中具有60Hz的频率分量和60Hz的多倍，亦即120Hz、180Hz等。在借助这样的锯齿波信号控制MEMS镜的情况下基频的多倍中的一个能够激励相应MEMS镜的一个共振模态。通常使用线性驱动器或者数字驱动器来控制准静态状态中的MEMS镜。为了实现控制时的充分的精度或者为了提高线性偏移，在闭合调节回路(closed loop：闭环)中调节微镜。在此可以使用不同的调节器，例如自适应PD调节器、前馈结构中的电流调节器和位置调节器、LMS谐波控制器、迭代谐波系数确定等等。所使用的调节器的共同点在于，它们需要非常高的系统带宽并且因此需要非常高的计算能力。在US 7,952,783 B2中公开了一种按照“迭代谐波系数确定”工作的控制装置。具有MEMS镜和调节器的系统例如通常需要1MHz的调节器带宽，以便精确调节每一个图像行。此外，已知的调节器方案中的一些还需要MEMS镜的附加的状态信息，所述附加的状态信息在现实中难以检测或者估计。高的系统带宽和高的计算能力在控制IC中意味着高的面积需求，例如用于模拟数字转换器、微控制器、数字模拟转换器、驱动器级等等。
技术实现思路
本专利技术公开一种具有权利要求1的特征的用于控制微机械执行器的调节器，具有权利要求7的特征的用于控制微机械执行器的控制系统、具有权利要求8的特征的微镜系统和具有权利要求9的特征的方法。据此设置： 一种用于控制闭合调节回路中的微机械执行器的调节器，所述调节器：具有第一信号输入端，所述第一信号输入端构造用于接收参考信号；具有第二信号输入端，所述第二信号输入端构造用于接收测量信号，所述测量信号表征所记录(aufnehmen)的、所述微机械执行器对控制信号的响应；具有第一调节器元件，所述第一调节器元件构造用于在所接收的参考信号中滤波和/或衰减预给定的频率模态和/或预给定的频率分量并且输出经滤波的和/或经衰减的参考信号；具有第二调节器元件，所述第二调节器元件构造用于修改所接收的测量信号，以便将闭合调节回路的第一模态的和/或另外的模态的品质最小化，并且构造用于输出所修改的测量信号；具有第三调节器元件，所述第三调节器元件构造用于将经滤波的和/或经衰减的参考信号和所接收的测量信号之间的调节偏差最小化并且输出经最小化的参考信号；具有第四调节器元件，所述第四调节器元件构造用于匹配所接收的测量信号，以便匹配闭合调节回路的带宽并且将经匹配的测量信号加到由经最小化的参考信号和所修改的测量信号组成的和上，所述和构成控制信号。此外设置： 一种用于控制闭合调节回路中的微机械执行器的控制系统，其具有信号发生器，所述信号发生器构造用于输出参考信号；具有根据本专利技术的调节器，所述调节器构造用于接收所述参考信号和输出用于所述微机械执行器的控制信号；具有第一信号预处理单元，所述第一信号预处理单元构造用于预处理并且向所述微机械执行器传输所述控制信号；具有第二信号预处理单元，所述第二信号预处理单元构造用于记录所述微机械执行器对所 述控制信号的响应并且向所述调节器传输表征所记录的响应的测量信号。此外设置： 一种微镜系统，其具有至少一个微镜；和具有至少一个根据本专利技术的控制系统，所述控制系统构造用于控制闭合调节回路中的微镜。最后设置： 一种用于控制闭合调节回路中的微机械执行器的方法，其具有以下步骤：接收参考信号；接收测量信号，所述测量信号表征所记录的、所述微机械执行器对控制信号的响应；在所述参考信号中滤波和/或衰减预给定的频率模态和/或预给定的频率分量；修改所接收的测量信号，以便将所述闭合调节回路的第一模态的和/或另外的模态的品质最小化；将经滤波的和/或经衰减的参考信号和所接收的测量信号之间的调节偏差最小化并且输出经最小化的参考信号；通过匹配所接收的测量信号来匹配所述闭合调节回路的带宽；以及向所述微机械执行器传输由所述经最小化的参考信号和所修改的测量信号以及经匹配的测量信号组成的和作为所述控制信号。专利技术所基于的认识在于，用于控制微机械执行器的已知的调节器的调节器结构非常复杂，因此在实现方面的耗费很大。本专利技术所基于的思想现在在于，考虑这一认识并且设置根据本专利技术的模块化的多反馈调节器结构，其具有仅四个线性的调节器元件。此外本专利技术建议，由第一调节器元件处理参考信号，其在所接收的参考信号中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制闭合调节回路中的微机械执行器(2)的调节器(1)，所述调节器：具有第一信号输入端(3)，所述第一信号输入端构造用于接收参考信号(4)；具有第二信号输入端(5)，所述第二信号输入端构造用于接收测量信号(6)，所述测量信号表征所记录的、所述微机械执行器(2)对控制信号(7)的响应；具有第一调节器元件(8)，所述第一调节器元件构造用于在所接收的参考信号(4)中滤波和/或衰减预给定的频率模态和/或预给定的频率分量并且输出经滤波的和/或经衰减的参考信号(12)；具有第二调节器元件(11)，所述第二调节器元件构造用于修改所接收的测量信号(6)以便将闭合调节回路的第一模态的和/或另外的模态的品质最小化，并且构造用于输出所修改的测量信号(13)；具有第三调节器元件(10)，所述第三调节器元件构造用于将经滤波的和/或经衰减的参考信号(12)和所接收的测量信号(6)之间的调节偏差最小化并且输出经最小化的参考信号(14)；具有第四调节器元件(9)，所述第四调节器元件构造用于匹配所接收的测量信号(6)，以便匹配闭合调节回路的带宽并且将经匹配的测量信号加到由经最小化的参考信号和所修改的测量信号组成的和上，所述和构成所述控制信号(7)。...

【技术特征摘要】
2013.08.28 DE 102013217105.61.一种用于控制闭合调节回路中的微机械执行器(2)的调节器(1)，
所述调节器：
具有第一信号输入端(3)，所述第一信号输入端构造用于接收参考信
号(4)；
具有第二信号输入端(5)，所述第二信号输入端构造用于接收测量信
号(6)，所述测量信号表征所记录的、所述微机械执行器(2)对控制信号
(7)的响应；
具有第一调节器元件(8)，所述第一调节器元件构造用于在所接收的
参考信号(4)中滤波和/或衰减预给定的频率模态和/或预给定的频率分量
并且输出经滤波的和/或经衰减的参考信号(12)；
具有第二调节器元件(11)，所述第二调节器元件构造用于修改所接收
的测量信号(6)以便将闭合调节回路的第一模态的和/或另外的模态的品
质最小化，并且构造用于输出所修改的测量信号(13)；
具有第三调节器元件(10)，所述第三调节器元件构造用于将经滤波的
和/或经衰减的参考信号(12)和所接收的测量信号(6)之间的调节偏差
最小化并且输出经最小化的参考信号(14)；
具有第四调节器元件(9)，所述第四调节器元件构造用于匹配所接收
的测量信号(6)，以便匹配闭合调节回路的带宽并且将经匹配的测量信号
加到由经最小化的参考信号和所修改的测量信号组成的和上，所述和构成
所述控制信号(7)。
2.根据权利要求1所述的调节器，其特征在于，
所述第四调节器元件(9)构造用于匹配所接收的测量信号(6)中的
瞬变时间和/或所述调节器(1)的和所述微机械执行器(2)的返回时间。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的调节器，其特征在于，
所述第二调节器元件(11)构造用于在修改时使所述微机械执行器的
第一模态的复极点朝所述闭合调节回路的极点-零点图中的实轴方向移动。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的调节器，其特征在于，
所述第二调节器元件(11)构造用于在所述修改时完全消除所述闭合
调节回路中的微机械执行器(2)的第一模态并且此外在所述闭合调节回路
中的微机械执行器(2)的极点-零点图中设置具有预给定的衰减系数的附
加极点。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的调节器，其特征在于，
所述第三调节器元件(10)构造为PID调节器元件(10)。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的调节器，其特征在于，
所述第一调节器元件(8)构造为数字滤波器元件(8)、尤其构造为IIR
滤波器元件和/或陷波滤波器元件和/或FIR滤波器元件。
7.一种用于控制闭合调...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·文茨勒，M·L·A·迪布斯，
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