專利名稱：用于控制/調(diào)整動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的物理量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于使用脈沖調(diào)制器、而將系統(tǒng)(特別是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，例如微機(jī)械傳感器)的物理變量控制或調(diào)整到特定的期望值或期望值輪廓(profile)的方法，其中通過(guò)該脈沖調(diào)制器而生成離散調(diào)制信號(hào)序列，并且其中所述信號(hào)影響物理變量的控制或調(diào)整。本發(fā)明還涉及用于使用脈沖調(diào)制器、同時(shí)將系統(tǒng)(例如，微機(jī)械傳感器)的至少兩個(gè)物理變量控制或調(diào)整到特定的期望值或期望值輪廓的方法，其中通過(guò)該脈沖調(diào)制器而生成離散調(diào)制信號(hào)序列，從而產(chǎn)生物理變量的控制或調(diào)整。
背景技術(shù)：
微機(jī)械傳感器是已知的。通常用于測(cè)定轉(zhuǎn)速的科里奧利陀螺儀(Coriolisgyroscopes，也被稱為振動(dòng)陀螺儀)是這樣的傳感器的顯著例子?？评飱W利陀螺儀具有被引起振動(dòng)的質(zhì)量體系統(tǒng)(mass system)。通常，該振動(dòng)是各個(gè)振動(dòng)的多倍的疊加。質(zhì)量體系統(tǒng)的各個(gè)振動(dòng)最初彼此獨(dú)立，并且，在理論上，可在每個(gè)情況下均被視為“諧振器(resonator)”。對(duì)于科里奧利陀螺儀的操作，需要至少兩個(gè)諧振器這些諧振器中的一個(gè)(第一諧振器)被人為激勵(lì)至振動(dòng)，這在后面被稱為“自激振動(dòng)”。隨后，當(dāng)移動(dòng)/旋轉(zhuǎn)科里奧利陀螺儀時(shí)，將另一個(gè)諧振器(第二諧振器)激勵(lì)至振動(dòng)。在此情況下，出現(xiàn)科里奧利力，其將第一諧振器與第二諧振器耦合(couple)，從第一諧振器的自激振動(dòng)獲取能量，并將所述能量變換為第二諧振器的讀出振動(dòng)(readout vibration)。后面，將第二諧振器的振動(dòng)稱為“讀出振動(dòng)”。為了確定科里奧利陀螺儀的移動(dòng)(特別是旋轉(zhuǎn))，拾取讀出振動(dòng)，并檢查對(duì)應(yīng)的讀出信號(hào)(例如，讀出振動(dòng)傳感器信號(hào)(pick-off signal))，以確定是否已出現(xiàn)了讀出振動(dòng)的幅度的改變，這代表對(duì)科里奧利陀螺儀的旋轉(zhuǎn)的測(cè)定。可將科里奧利陀螺儀實(shí)現(xiàn)為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩者。在閉環(huán)系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)應(yīng)的控制環(huán)路，不斷地將讀出振動(dòng)的幅度復(fù)位為固定值，優(yōu)選為0。
下面，將“諧振器”理解為表示可能包含機(jī)械彈簧(mechanical spring)的振動(dòng)質(zhì)量體系統(tǒng)(vibratory mass system)。在此說(shuō)明書(shū)中，為此目的還將術(shù)語(yǔ)“諧振器”用作同義詞。
對(duì)于科里奧利陀螺儀的詳細(xì)功能，例如，對(duì)未審查德國(guó)申請(qǐng)DE 102 48 733A1進(jìn)行參考?，F(xiàn)有的科里奧利陀螺儀(具體地，DE 102 48 733 A1中描述的科里奧利陀螺儀)具有這樣的缺點(diǎn)，即需要多個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以便從數(shù)字復(fù)位或調(diào)整信號(hào)生成對(duì)應(yīng)的力脈沖。然而，數(shù)模轉(zhuǎn)換器較昂貴，并需要可觀的電力。此外，它們相對(duì)不適于與其它電子元件集成，由此，對(duì)微型化施加了限制。
為了避免此缺點(diǎn)，在現(xiàn)有技術(shù)中，針對(duì)用脈沖調(diào)制器來(lái)替代數(shù)模轉(zhuǎn)換器而作出了規(guī)定。隨后，使用脈沖調(diào)制器的量化的輸出信號(hào)來(lái)替代數(shù)模轉(zhuǎn)換器的模擬輸出信號(hào)。
下面，通過(guò)參照?qǐng)D1而更詳細(xì)地說(shuō)明這樣的科里奧利陀螺儀。
圖1示出了電子估算(electronic evaluation)/控制系統(tǒng)1，其特征在于電荷放大器(charge amplifier)2、模數(shù)轉(zhuǎn)換器3、信號(hào)分離(separation)4、第一解調(diào)器5、第二解調(diào)器6、控制系統(tǒng)7、二維脈沖調(diào)制器8、第一和第二力脈沖(force impulse)變換單元9、10、以及第一至第四力生成器電極111至114。
使用附圖標(biāo)記2至11而標(biāo)識(shí)的器件總體形成兩個(gè)控制環(huán)路用于設(shè)置自激振動(dòng)的幅度、頻率和相位的一個(gè)控制環(huán)路；以及用于設(shè)置讀出振動(dòng)的幅度、頻率和相位的另一個(gè)控制環(huán)路。
如圖1所示，根據(jù)該發(fā)明的電路僅具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器3，而無(wú)數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在此，用二維脈沖調(diào)制器8、以及兩個(gè)力脈沖變換單元9、10來(lái)替代數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
下面，更詳細(xì)地說(shuō)明根據(jù)該發(fā)明的電子估算/控制系統(tǒng)的功能。
為了設(shè)置諧振器R的自激振動(dòng)/讀出振動(dòng)的幅度、或頻率、或相位，二維脈沖調(diào)制器8生成第一和第二三元量化輸出信號(hào)S1、S2，其中，在第一力脈沖變換單元9中，將第一三元量化輸出信號(hào)S1變換為力脈沖信號(hào)(電壓信號(hào))S3、S4。對(duì)應(yīng)地，通過(guò)第二力脈沖變換單元10將第二三元量化輸出信號(hào)S2變換為力脈沖信號(hào)(電壓信號(hào))S5、S6。優(yōu)選地，在每個(gè)情況下，三元量化輸出信號(hào)S1、S2可呈現(xiàn)值1、0和-1。如果信號(hào)S1具有值+1，那么，例如，第一力脈沖變換單元根據(jù)信號(hào)S1而生成兩個(gè)力脈沖信號(hào)S3、S4，其引起力脈沖。這些力脈沖信號(hào)S3、S4在第二和第四力生成器電極112、114、以及諧振器R之間生成電場(chǎng)，由此，使力脈沖起作用。如果信號(hào)S1具有值-1，則生成力脈沖信號(hào)S3、S4，使得所得到的力脈沖的方向與在S1＝1的情況下生成的力脈沖的方向相反。如果信號(hào)S1具有值0，則在第二和第四力生成器電極112、114、以及諧振器R之間不存在電場(chǎng)、或存在相互平衡的兩個(gè)電場(chǎng)。因此，每個(gè)力脈沖是在力生成器電極112和諧振器R之間、或在力生成器電極114和諧振器R之間存在的單個(gè)電場(chǎng)的結(jié)果。
根據(jù)下表，例如，因此，在第二和第四力生成器電極112、114上呈現(xiàn)下面的電位(0或U0)

如果電位U0具有負(fù)運(yùn)算符號(hào)，則作為該電位的積分的所得到的力總是為正。由第二力脈沖變換單元10變換為第五和第六力脈沖信號(hào)S5、S6的第二三元量化輸出信號(hào)S2也適用對(duì)應(yīng)的考慮，其中，在第一和第三力生成器電極111、113施加第五和第六力脈沖信號(hào)S5、S6。例如，經(jīng)由力生成器電極112、114而設(shè)置/控制自激振動(dòng)的參數(shù)，并且，經(jīng)由力生成器電極111、113而設(shè)置/控制讀出振動(dòng)的參數(shù)。
除了導(dǎo)致諧振器R的激勵(lì)之外，對(duì)力生成器電極111至114施加電場(chǎng)使電荷流向移動(dòng)中央電極(moving central electrode)。經(jīng)由電荷放大器2而測(cè)定此電荷，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器3將對(duì)應(yīng)的模擬輸出信號(hào)S7轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)S8，利用信號(hào)分離4，根據(jù)數(shù)字信號(hào)S8而生成第一數(shù)字讀出信號(hào)S9和第二數(shù)字讀出信號(hào)S10。由于流入中央電極的電荷取決于被瞬時(shí)施加電場(chǎng)的那些力生成器電極111至114的電容，所以，針對(duì)諧振器R的自激振動(dòng)/讀出振動(dòng)的幅度或頻率或其它參數(shù)而測(cè)定流動(dòng)的電荷。因此，可取決于三元量化輸出信號(hào)S1、S2的瞬時(shí)和/或時(shí)間上較早的輸出信號(hào)值，由信號(hào)分離4重構(gòu)諧振器R的移動(dòng)中的瞬時(shí)移動(dòng)/改變。如果出現(xiàn)正和負(fù)電位+/-U0，則信號(hào)分離4在重構(gòu)期間必須考慮電位U0(在力生成器電極111至114上存在的電壓)的運(yùn)算符號(hào)。
有利地，二維脈沖調(diào)制器8被配置為使得三元量化輸出信號(hào)S1和S2不會(huì)同時(shí)改變，這是由于，通常累加性地測(cè)定流到中央電極上的電荷，即，只能作為整體而測(cè)定源自兩個(gè)電場(chǎng)的疊加的電荷轉(zhuǎn)移，并且因此，不可能將部分電荷轉(zhuǎn)移分配給各個(gè)電場(chǎng)。隨后，三元量化輸出信號(hào)S1和S2之間的附加條件使得有可能實(shí)現(xiàn)將流動(dòng)的電荷明確分配到特定電場(chǎng)，并且因此，有可能在自激振動(dòng)和讀出振動(dòng)之間精確地區(qū)分。此上下文中的另一個(gè)可能的條件在于，確保僅允許兩個(gè)信號(hào)S1和S2中的一個(gè)在給定瞬間呈現(xiàn)除了0之外的值。
通過(guò)第一解調(diào)器5而將第一數(shù)字讀出信號(hào)S9解調(diào)為實(shí)部S11和虛部S12。類似地，通過(guò)第二解調(diào)器6而將第二數(shù)字讀出信號(hào)S10解調(diào)為實(shí)部S13和虛部S14。例如，第一數(shù)字讀出信號(hào)S9包含有關(guān)自激振動(dòng)的信息，而第二數(shù)字讀出信號(hào)S10包含有關(guān)讀出振動(dòng)的信息。第一和第二數(shù)字讀出信號(hào)S9、S10的實(shí)部和虛部S11至S14到達(dá)控制系統(tǒng)7，其取決于這些信號(hào)而生成激勵(lì)/補(bǔ)償信號(hào)S15至S18。例如，信號(hào)S15表示用于自激振動(dòng)的數(shù)字激勵(lì)/補(bǔ)償信號(hào)的實(shí)部，且信號(hào)S16表示其虛部，而信號(hào)S16表示用于讀出振動(dòng)的數(shù)字激勵(lì)/補(bǔ)償信號(hào)的實(shí)部，且信號(hào)S18表示其虛部。
將數(shù)字激勵(lì)/補(bǔ)償信號(hào)S15至S18提供到二維脈沖調(diào)制器8，其根據(jù)所述信號(hào)而生成三元量化輸出信號(hào)S1、S2。
上述控制原理(使用數(shù)字脈沖序列用于調(diào)整物理變量)不限于自激振動(dòng)/讀出振動(dòng)的控制，而是還可以以多種不同方式應(yīng)用在特征在于諧振器的靜電激勵(lì)或復(fù)位的微機(jī)械傳感器(“MEMS”微電機(jī)系統(tǒng))中，具體地，在上述科里奧利陀螺儀中，例如，頻繁地需要將諧振器的諧振頻率設(shè)置為預(yù)定值。這可使用可通過(guò)電壓來(lái)設(shè)置其(正或負(fù))彈簧常數(shù)(spring constant)的靜電復(fù)位彈簧而實(shí)現(xiàn)。通常，諧振器由其上懸掛振動(dòng)質(zhì)量體系統(tǒng)的機(jī)械彈簧(優(yōu)選為并聯(lián)連接)、以及振動(dòng)質(zhì)量體元件自身構(gòu)成?？赏ㄟ^(guò)結(jié)合圖1而說(shuō)明的控制系統(tǒng)而設(shè)置這樣的諧振器的諧振頻率。這意味著，不同于模擬可設(shè)置電壓，生成數(shù)字脈沖序列，其將諧振頻率“微調(diào)(trim)”為與脈沖的平均值相對(duì)應(yīng)的諧振頻率。例如，通過(guò)9000Hz和9200Hz的固有諧振的靜電復(fù)位彈簧的對(duì)應(yīng)的切換序列(即，通過(guò)包括兩個(gè)脈沖值的對(duì)應(yīng)的脈沖序列)，有可能設(shè)置9100Hz的固有諧振。如上所述，這具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，即可省略具有相對(duì)高的功耗的昂貴的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。因此，有可能使用離散脈沖來(lái)調(diào)整或設(shè)置諧振器的諧振頻率(例如，圖1中示出的諧振器的諧振頻率、或雙諧振器的諧振頻率)?？蔀榇四康亩褂梦丛趫D1中示出的分離的控制環(huán)路和分離的力生成器電極。在重構(gòu)例程期間，附加地，圖1中示出的信號(hào)分離隨后將必須考慮調(diào)整諧振頻率所需的信號(hào)/力生成器電極。
可以證明，為了將諧振頻率調(diào)整/設(shè)置為特定值，選擇確保脈沖的平均頻率與可切換的自然頻率極限值內(nèi)的期望的自然頻率的相對(duì)位置相對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)單的分配方法是不足的。事實(shí)上，這可能具有這樣的結(jié)果，即由于所謂的參數(shù)振蕩器效應(yīng)，振動(dòng)質(zhì)量體元件會(huì)經(jīng)受不可控的幅度和相位波動(dòng)，這在極限情況下會(huì)導(dǎo)致阻尼減小(deattenuation)、或者甚至諧振器的不穩(wěn)定的狀況(“參數(shù)效應(yīng)”)。這類似地適用于要通過(guò)離散脈沖序列來(lái)將任意物理變量設(shè)置/調(diào)整到特定值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決指定用于控制/調(diào)整微機(jī)械傳感器的(或者，更一般地，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的機(jī)械傳感器的)物理變量的方法的問(wèn)題，所述方法允許可能在此情況下出現(xiàn)的參數(shù)效應(yīng)的抑制。具體地，提供了用于將諧振器的彈簧常數(shù)數(shù)字化地調(diào)整到預(yù)定諧振頻率、并同時(shí)抑制參數(shù)效應(yīng)的方法。
為了解決此問(wèn)題，本發(fā)明提供了如專利權(quán)利要求1和專利權(quán)利要求9所述的方法。本發(fā)明還提供了如專利權(quán)利要求8和專利權(quán)利要求15所述的裝置?？稍趶膶贆?quán)利要求中找到本發(fā)明的構(gòu)思的有利實(shí)施例或發(fā)展。
所公開(kāi)的用于將動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的物理變量控制或調(diào)整為特定的期望值或期望值輪廓的方法利用了脈沖調(diào)制器，其生成實(shí)現(xiàn)物理變量的控制或調(diào)整的離散調(diào)制信號(hào)序列，并且，其特征在于，重復(fù)執(zhí)行以下步驟a)首先，確定物理變量的瞬時(shí)期望值和瞬時(shí)實(shí)際值之間的偏差的確切值或近似。
b)隨后，確定將源自瞬時(shí)調(diào)制信號(hào)的維持、或到其它調(diào)制信號(hào)的切換的偏差的相關(guān)改變。
c)最后，選擇將導(dǎo)致瞬時(shí)期望值的最佳近似的那個(gè)調(diào)制信號(hào)。
作為重復(fù)執(zhí)行步驟(a)至(c)的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)將物理變量控制或調(diào)整為期望值或期望值輪廓。作為所公開(kāi)的方法的基礎(chǔ)的重要原理在于，在每個(gè)重復(fù)步驟中，即每次在執(zhí)行步驟(a)之后，確定所有可生成的調(diào)制信號(hào)對(duì)物理變量的瞬時(shí)實(shí)際值、或?qū)ψ鳛槔媒贫烙?jì)的物理變量的實(shí)際值的影響。換句話說(shuō)，在脈沖調(diào)制器實(shí)際生成對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)、并因此具有對(duì)物理變量瞬時(shí)值的影響之前，模擬各個(gè)調(diào)制信號(hào)的影響。在模擬中，選擇對(duì)物理變量具有“最佳”影響(即，導(dǎo)致瞬時(shí)期望值的最佳近似)的那個(gè)調(diào)制信號(hào)。這樣的控制/調(diào)整方法的優(yōu)點(diǎn)在于，其可容易地與用于其它物理變量的控制/調(diào)整方法相組合，并同時(shí)防止參數(shù)效應(yīng)的抑制。
所公開(kāi)的方法可特別有利地應(yīng)用于具有諧振器的微機(jī)械傳感器。在此情況下，例如，要被控制或調(diào)整的物理變量可為諧振器的諧振頻率?？商鎿Q地，還可控制或調(diào)整諧振器的振動(dòng)的幅度或相位。所公開(kāi)的方法還可被應(yīng)用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，如加速計(jì)中的鐘擺系統(tǒng)(pendulum system)、具有可設(shè)置的頻率(例如，用于生成時(shí)鐘頻率)的振蕩器(電、電機(jī)、機(jī)械)。其它適用系統(tǒng)包括可設(shè)置的帶通濾波器、石英濾波器(quartz filter)等。可由根據(jù)本發(fā)明的方法來(lái)調(diào)整與這些系統(tǒng)結(jié)合使用的所有相關(guān)物理變量。本發(fā)明不限于在上面明確列出的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。
如上所述，在步驟(a)中，可確定物理變量的瞬時(shí)期望值和瞬時(shí)實(shí)際值之間的偏差的確切值、或該偏差的近似。為調(diào)整諧振器的諧振頻率，確定偏差的近似是有利的。其原因在于，在具有復(fù)位的微機(jī)械傳感器(閉環(huán)系統(tǒng))中，不斷地將必須被控制的諧振器的讀出振動(dòng)的幅度復(fù)位為0，并且，由此不能檢查到振動(dòng)，并且，因此，也不能讀出瞬時(shí)諧振頻率?？蛇@樣解決此問(wèn)題，其中，為了調(diào)整諧振器的諧振頻率的目的，模擬將源自調(diào)制信號(hào)序列到達(dá)諧振器的諧振器振動(dòng)響應(yīng)(假設(shè)定義的初始幅度和初始相位)，并且，在模擬中，選擇調(diào)制信號(hào)序列，以便產(chǎn)生用于諧振器的振動(dòng)的期望值輪廓的最大精確的近似。在此上下文中，用于振動(dòng)的期望值輪廓的頻率是必須被控制的諧振器諧振頻率?！罢嬲摹敝C振器受到由此得到的調(diào)制信號(hào)序列的影響。
“振動(dòng)響應(yīng)”被理解為意味著諧振器對(duì)調(diào)制信號(hào)序列的反應(yīng)，即，源自調(diào)制信號(hào)序列的諧振器的固有振動(dòng)(衰落過(guò)程)。關(guān)于在模擬中實(shí)現(xiàn)的衰落過(guò)程，應(yīng)理解，在模擬中，諧振器經(jīng)歷初始偏轉(zhuǎn)(初始幅度、初始相位)，并且隨后不干預(yù)諧振器，并且，盡管調(diào)制信號(hào)序列(其對(duì)衰落過(guò)程的影響在模擬中測(cè)試)調(diào)整衰變(衰減)的衰落過(guò)程的相位和幅度(到理想期望值)，但其對(duì)于初始偏轉(zhuǎn)的相位和幅度“不起作用”(這是“概要條件(outlinecondition)”，且與調(diào)制信號(hào)序列無(wú)關(guān))。
因此，取決于調(diào)制信號(hào)序列而模擬真實(shí)的振動(dòng)器的衰減的衰變固有振動(dòng)過(guò)程，并且，在每個(gè)重復(fù)步驟或時(shí)間步驟(時(shí)間離散數(shù)字調(diào)制方法)中，將作為先前的調(diào)制信號(hào)的結(jié)果而引起的振動(dòng)響應(yīng)與系統(tǒng)將在必須被調(diào)整的諧振頻率的情況下顯示的理想固有振動(dòng)相比較。確定所有可生成的調(diào)制信號(hào)對(duì)模擬的真實(shí)諧振器的瞬時(shí)振動(dòng)狀態(tài)的影響，并且，在下一個(gè)重復(fù)步驟中，模擬中的諧振器受到(expose to)調(diào)制信號(hào)的影響，該調(diào)制信號(hào)導(dǎo)致用于振動(dòng)的理想期望值輪廓的最佳近似(即，產(chǎn)生理想(自然)的振動(dòng)輪廓和模擬的真實(shí)(自然)的振動(dòng)輪廓之間的最佳匹配)。
例如，可通過(guò)在真實(shí)諧振器的振動(dòng)狀況的模擬中、將振動(dòng)響應(yīng)(固有振動(dòng))的幅度和相位同時(shí)控制到特定的期望值或期望值輪廓，而實(shí)現(xiàn)用于調(diào)整諧振頻率的調(diào)制信號(hào)序列的生成。為此d)為每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)計(jì)算有效總偏差，從瞬時(shí)期望值和如在模擬中調(diào)整的對(duì)應(yīng)值之間的偏差的和得到所述總偏差，其將源自此調(diào)制信號(hào)的維持(如果在先前的重復(fù)步驟中選擇了此調(diào)制信號(hào))、或到此調(diào)制信號(hào)的切換(如果在先前的重復(fù)步驟中選擇了不同的調(diào)制信號(hào))。
e)選擇所計(jì)算的有效總偏差最小的那個(gè)調(diào)制信號(hào)。
f)反復(fù)重復(fù)步驟d)和e)，即，在每個(gè)重復(fù)步驟中，步驟d)和隨后的步驟e)被執(zhí)行一次。
當(dāng)生成調(diào)制信號(hào)序列時(shí)，相應(yīng)地，同時(shí)考慮兩個(gè)物理變量(幅度和相位)。因此，“有效總偏差”為“全局”誤差，其表示用于可生成的調(diào)制信號(hào)的相位誤差和幅度誤差的和。因?yàn)椤叭帧闭`差被保持為盡可能的小(步驟e)，所以，總是將調(diào)整的優(yōu)先級(jí)賦予對(duì)總偏差貢獻(xiàn)最多(即，具有最大的“調(diào)整需要”)的物理變量。
如果以上述方式、將模擬的幅度和相位調(diào)整到用于振動(dòng)的理想的期望值輪廓，則“自動(dòng)地”設(shè)置諧振器的優(yōu)選諧振頻率。
為了改善精度，同時(shí)模擬源自到達(dá)諧振器的調(diào)制信號(hào)序列的兩個(gè)諧振器振動(dòng)響應(yīng)(固有振動(dòng))是適用的。對(duì)于這里的每個(gè)振動(dòng)響應(yīng)，將振動(dòng)響應(yīng)的幅度和相位同時(shí)調(diào)整到特定期望值/期望值輪廓。將一個(gè)振動(dòng)響應(yīng)的期望相位相對(duì)于另一個(gè)振動(dòng)響應(yīng)的期望相位移位相位π/2。在此情況下g)對(duì)于每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)，在每個(gè)情況中對(duì)所述兩個(gè)模擬分配有效總偏差，從模擬的瞬時(shí)期望值和如在模擬中調(diào)整的對(duì)應(yīng)值之間的偏差的和得到所述總偏差，其將源自此調(diào)制信號(hào)的維持(如果在先前的重復(fù)步驟中選擇了此調(diào)制信號(hào))、或到此調(diào)制信號(hào)的切換(如果在先前的重復(fù)步驟中選擇了不同的調(diào)制信號(hào))。
h)從所述兩個(gè)模擬累加關(guān)于同一調(diào)制信號(hào)的有效總偏差。
i)選擇如在先前步驟中計(jì)算的總和最小的那個(gè)調(diào)制信號(hào)。
j)在每次重復(fù)中，將步驟g)至i)各執(zhí)行一次。
本發(fā)明還提供了用于將動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的物理變量控制/調(diào)整為特定的期望值/期望值輪廓的實(shí)體，其中，所述實(shí)體具有脈沖調(diào)制器，通過(guò)該脈沖調(diào)制器，有可能生成實(shí)現(xiàn)物理變量的控制/調(diào)整的離散調(diào)制信號(hào)序列。該裝置的特征在于-比較單元，通過(guò)該比較單元，有可能確定物理變量的瞬時(shí)期望值和瞬時(shí)實(shí)際值之間的偏差的確切值或近似。
-計(jì)算單元，其連接到比較單元，并且通過(guò)該計(jì)算單元，有可能計(jì)算對(duì)于由比較單元確定的、并將源自瞬時(shí)調(diào)制信號(hào)的維持或到其它調(diào)制信號(hào)的切換的偏差的相關(guān)改變，以及-判定單元，其連接到計(jì)算單元，并且取決于由比較單元計(jì)算的偏差改變，判定哪個(gè)調(diào)制信號(hào)導(dǎo)致瞬時(shí)期望值的最佳近似，其中，可由判定單元控制由脈沖調(diào)制器生成的調(diào)制信號(hào)序列。
本發(fā)明還提供了用于使用脈沖調(diào)制器、而將動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的至少兩個(gè)物理變量同時(shí)控制或調(diào)整為特定的期望值或期望值輪廓的方法，所述脈沖調(diào)制器生成離散調(diào)制信號(hào)序列，所述序列實(shí)現(xiàn)物理變量的控制/調(diào)整，并且，其特征在于重復(fù)執(zhí)行以下步驟a)首先，對(duì)于每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)而計(jì)算有效總偏差，從物理變量的瞬時(shí)期望值和對(duì)應(yīng)的實(shí)際值之間的偏差的確切值或近似的和得到所述總偏差，其將源自此調(diào)制信號(hào)的維持(如果在先前的時(shí)鐘周期中選擇了此調(diào)制信號(hào))或到此調(diào)制信號(hào)的切換(如果在先前的時(shí)鐘周期中選擇了不同的調(diào)制信號(hào))。
b)將所計(jì)算的有效總偏差最小的那個(gè)調(diào)制信號(hào)用于控制/調(diào)整(在下一個(gè)時(shí)鐘周期中)。
c)作為重復(fù)執(zhí)行步驟a)和b)的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)將物理變量控制或調(diào)整為對(duì)應(yīng)期望值或期望值輪廓。作為所公開(kāi)的方法的基礎(chǔ)的重要原理在于，在每個(gè)時(shí)鐘周期(重復(fù)步驟)中，確定所有可生成的調(diào)制信號(hào)對(duì)物理變量的瞬時(shí)實(shí)際值、或?qū)ψ鳛槔媒贫烙?jì)的物理變量的實(shí)際值的影響。換句話說(shuō)，在脈沖調(diào)制器實(shí)際生成對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)、并因此具有對(duì)物理變量瞬時(shí)值的影響之前，模擬各個(gè)調(diào)制信號(hào)的影響。在模擬中，選擇對(duì)物理變量具有“最佳”影響(即，導(dǎo)致瞬時(shí)期望值的最佳近似)的那個(gè)調(diào)制信號(hào)(“貫穿所有可能性”原理)。這樣的控制/調(diào)整方法的優(yōu)點(diǎn)在于，理論上，可同時(shí)調(diào)整無(wú)限數(shù)目的物理變量，并還可實(shí)現(xiàn)參數(shù)效應(yīng)的抑制。
所公開(kāi)的方法可特別有利地應(yīng)用于具有諧振器的微機(jī)械傳感器。例如，要被控制/調(diào)整的物理變量可為諧振器的諧振頻率、或諧振器的自激振動(dòng)和/或讀出振動(dòng)的幅度或相位。
如上所述，在步驟a)中，有可能確定物理變量的瞬時(shí)期望值和瞬時(shí)實(shí)際值之間的偏差的確切值、或該偏差的近似。為了調(diào)整諧振器的諧振頻率，例如，確定偏差的近似是有利的。其原因在于，在具有復(fù)位的微機(jī)械傳感器(閉環(huán)系統(tǒng))中，不斷地將其讀出振動(dòng)必須被調(diào)整的諧振器的讀出振動(dòng)的幅度復(fù)位為0，并且，由此不能檢查到振動(dòng)，并且因此，也不能讀出瞬時(shí)諧振頻率。如果在調(diào)整諧振器的諧振頻率時(shí)、如下確定與此相關(guān)的諧振頻率偏差近似(見(jiàn)在文本中的上面的步驟a))，則可解決此問(wèn)題-模擬諧振器的固有振動(dòng)過(guò)程，其中，諧振器將在特定振動(dòng)初始條件下、且在受到于由脈沖調(diào)制器在先前生成的調(diào)制信號(hào)影響之后執(zhí)行該過(guò)程，-計(jì)算每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)將對(duì)模擬的諧振器的固有振動(dòng)過(guò)程具有的影響，并且，將假想產(chǎn)生的固有振動(dòng)輪廓與其振動(dòng)頻率為必須被調(diào)整的諧振頻率的、具有相同的振動(dòng)初始條件的固有振動(dòng)期望值輪廓相比較，-其中，假想產(chǎn)生的固有振動(dòng)輪廓與固有振動(dòng)期望值輪廓之間的偏差表示必須被確定的諧振頻率偏差近似。
在前面的段落中描述的方法的概括中，倘若可找到用于這些變量/參數(shù)/系統(tǒng)的可數(shù)值化模擬的模型(例如加速計(jì)的調(diào)整)，則有可能利用模擬來(lái)確定任意物理變量或任意系統(tǒng)(例如，非線性和/或時(shí)間相關(guān)系統(tǒng))的參數(shù)的偏差近似。理論上，還有可能基于模擬而調(diào)整所有相關(guān)變量/參數(shù)。
因而，取決于調(diào)制信號(hào)序列而模擬真實(shí)諧振器的衰減的衰變固有振動(dòng)過(guò)程，并且，在每個(gè)重復(fù)步驟或時(shí)鐘周期中，將源自先前的調(diào)制信號(hào)的固有振動(dòng)與理想系統(tǒng)在要被調(diào)整的諧振頻率的情況下將顯示出的“理想”的固有振動(dòng)相比較。確定所有可生成的調(diào)制信號(hào)對(duì)模擬的真實(shí)諧振器的瞬時(shí)振動(dòng)狀態(tài)的影響，并且在下一個(gè)時(shí)鐘周期期間，模擬中的諧振器受到在步驟b)中選擇的調(diào)制信號(hào)的影響，即(針對(duì)必須被同時(shí)調(diào)整的所有物理變量的)有效總偏差最小的調(diào)制信號(hào)。
例如，可通過(guò)將假想產(chǎn)生的固有振動(dòng)輪廓與固有振動(dòng)期望值輪廓的對(duì)應(yīng)幅度和相位彼此比較，而完成所述輪廓的比較。在此情況下，針對(duì)每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)而計(jì)算總偏差，從用于幅度和相位的瞬時(shí)期望值和對(duì)應(yīng)模擬值之間的偏差的和得到所述總偏差，其將源自此調(diào)制信號(hào)的維持、或到此調(diào)制信號(hào)的切換。在此上下文中，總偏差表示必須被確定的諧振頻率偏差近似。
當(dāng)將模擬的固有振動(dòng)與固有振動(dòng)期望值輪廓相比較時(shí)，因此同時(shí)考慮兩個(gè)物理變量(幅度和相位)。因此，術(shù)語(yǔ)“總偏差”表示“全局”誤差，其在此實(shí)施例中表示與可生成的調(diào)制信號(hào)相關(guān)的相位誤差和幅度誤差的和。類似地，“有效總誤差”表示全局誤差，其中，此全局誤差的一部分表示在此實(shí)施例中確定的總偏差，而該全局誤差的另一部分源自必須被進(jìn)一步調(diào)整的至少一個(gè)物理變量的偏差。因?yàn)槭谷终`差保持為盡可能的小(步驟b))，所以，總是將調(diào)整的優(yōu)先級(jí)賦予對(duì)有效總偏差貢獻(xiàn)最多(即，具有最大的“調(diào)整需要”)的那個(gè)物理變量。
如果以上述方式、將模擬的幅度和相位“微調(diào)”到用于固有振動(dòng)的理想的期望值輪廓，則自動(dòng)地將諧振器的優(yōu)選諧振頻率設(shè)置為期望值。
為了改善根據(jù)本發(fā)明的方法的精度，同時(shí)模擬諧振器的兩個(gè)固有振動(dòng)過(guò)程是合適的，其中，針對(duì)幅度和相位，將每個(gè)固有振動(dòng)過(guò)程與相關(guān)期望值/期望值輪廓相比較，并且，將一個(gè)固有振動(dòng)過(guò)程的期望相位相對(duì)于另一個(gè)固有振動(dòng)過(guò)程的期望相位移位相位π/2。在此情況下-對(duì)于每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)，在每個(gè)情況中對(duì)所述兩個(gè)模擬分配總偏差，從用于幅度和相位的瞬時(shí)期望值和對(duì)應(yīng)模擬值之間的偏差的和得到所述總偏差，其將源自此調(diào)制信號(hào)的維持、或到此調(diào)制信號(hào)的切換，并且，-累加來(lái)自所述兩個(gè)模擬的關(guān)于同一調(diào)制信號(hào)的總偏差，其中，在先前步驟中計(jì)算的總偏差和表示必須被確定的諧振頻率偏差近似。
本發(fā)明還提供了用于將動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的至少兩個(gè)物理變量同時(shí)控制或調(diào)整為特定的期望值/期望值輪廓的實(shí)體。該實(shí)體具有脈沖調(diào)制器，通過(guò)該脈沖調(diào)制器，有可能生成離散調(diào)制信號(hào)序列，所述序列實(shí)現(xiàn)物理變量的控制/調(diào)整。該實(shí)體的特征還在于計(jì)算單元，其對(duì)于每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)而計(jì)算有效總偏差，從物理變量的瞬時(shí)期望值和對(duì)應(yīng)的實(shí)際值之間的偏差的確切值或近似的和得到所述有效總偏差，其將源自此調(diào)制信號(hào)的維持、或到此調(diào)制信號(hào)的切換。還另外提供了判定單元，該判定單元連接到計(jì)算單元，并取決于由計(jì)算單元計(jì)算的有效總偏差而判定對(duì)于哪個(gè)調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)、所計(jì)算的有效總偏差將最小，并控制脈沖調(diào)制器，以便生成對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)。


下面，通過(guò)參照附圖以示例實(shí)施例的形式更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，附圖中圖1示出了包括脈沖調(diào)制器的科里奧利陀螺儀的電子估算/控制系統(tǒng)的示意圖，圖2示出了具有振動(dòng)質(zhì)量體的機(jī)械系統(tǒng)的仿真(連續(xù)圖示)，圖3示出了圖2中示出的仿真的矢量化圖示，圖4示出了圖2中示出的仿真的離散化圖示，圖5示出了圖2中示出的仿真的對(duì)稱離散化圖示，圖6示出了圖2中示出的仿真的第一替換對(duì)稱圖示，圖7示出了圖2中示出的仿真的第二替換對(duì)稱圖示，圖8示出了圖5中示出的圖示的時(shí)間相關(guān)圖示，圖9示出了圖6中示出的圖示的時(shí)間相關(guān)圖示，圖10示出了圖7中示出的圖示的時(shí)間相關(guān)圖示，圖11示出了針對(duì)到達(dá)振動(dòng)質(zhì)量體的兩個(gè)調(diào)制信號(hào)的情況的、具有振動(dòng)質(zhì)量體的機(jī)械系統(tǒng)的仿真，圖12示出了圖11中示出的仿真的替換仿真，圖13示出了用于檢測(cè)相位和幅度誤差的系統(tǒng)，圖14示出了具有振動(dòng)質(zhì)量體、誤差檢測(cè)和決策(decision-making)實(shí)體的機(jī)械系統(tǒng)的仿真，圖15示出了具有附加的內(nèi)部阻尼減小的、圖14中示出的仿真，圖16示出了當(dāng)相位匹配在仿真中模擬的相位時(shí)、機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)質(zhì)量體的衰落(die-away)過(guò)程，圖17示出了圖16中示出的衰落過(guò)程的頻譜，圖18示出了當(dāng)相位不匹配在機(jī)械系統(tǒng)的仿真中模擬的相位時(shí)、機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)質(zhì)量體的衰落過(guò)程，圖19示出了具有機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)質(zhì)量體的兩個(gè)相移仿真的系統(tǒng)，圖20示出了已知的三元脈沖調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，圖21示出了力和四個(gè)調(diào)制信號(hào)能夠到達(dá)的機(jī)械諧振器的諧振頻率的相互關(guān)系，圖22示出了修改的三元脈沖調(diào)制器的結(jié)構(gòu)，圖23示出了用于調(diào)諧機(jī)械諧振器的諧振頻率的實(shí)體的優(yōu)選實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，圖24示出了用于同時(shí)調(diào)整機(jī)械諧振器的諧振頻率、以及激勵(lì)或補(bǔ)償信號(hào)的實(shí)體的第一優(yōu)選實(shí)施例，以及圖25示出了根據(jù)本發(fā)明的用于控制機(jī)械諧振器的諧振頻率、以及激勵(lì)或補(bǔ)償信號(hào)的實(shí)體的第二優(yōu)選實(shí)施例。
在附圖中，通過(guò)相同的附圖標(biāo)記來(lái)標(biāo)識(shí)相同或相互對(duì)應(yīng)的部件、或組件。
具體實(shí)施例方式
如上所述，所公開(kāi)的方法同時(shí)允許設(shè)置諧振器的諧振頻率、以及激勵(lì)或復(fù)位諧振器的振動(dòng)幅度。下面，通過(guò)參照?qǐng)D2至19而說(shuō)明用于調(diào)整諧振器的諧振頻率的優(yōu)選實(shí)施例。
為了允許更佳地理解，下面的描述簡(jiǎn)要地說(shuō)明了包括振動(dòng)質(zhì)量體的機(jī)械系統(tǒng)的理論原理、以及可如何將其表示為模擬或離散系統(tǒng)。
1、機(jī)械振動(dòng)器(vibrator)的分析1.1微分方程假定這樣的振動(dòng)系統(tǒng)，其通過(guò)振動(dòng)器的質(zhì)量m、衰減常數(shù)d(以N(m/s)為單位)、以及偏轉(zhuǎn)相關(guān)回力(deflection-dependent return force)(彈簧常數(shù))k(以N/m為單位)來(lái)表示。令振動(dòng)器的偏轉(zhuǎn)為 彈簧力fk、衰減力(attenuationforce)fd和加速力(acceleration force)fb作用于振動(dòng)器。如果現(xiàn)在施加外力 則建立了力平衡。
x~=fk+fd+fb---(1)]]>方程(1)的右手邊的力(內(nèi)力)取決于振動(dòng)器的移動(dòng)，即，取決于其偏轉(zhuǎn) 及其起源(derivation)fk=ks2~---(2)]]>fd=dds2~dt---(3)]]>fb=md2s~2dt2---(4)]]>因此，導(dǎo)致下面的微分方程
md2s~2dt2=x~-ks~2-dds~2dt---(5)]]>現(xiàn)在，不妨假定T(最初)為任意恒定時(shí)間。如果現(xiàn)在將變量定義如下s~1=Tds~2dt---(6)]]>s~0=T2d2s~2dt2---(7)]]>那么，微分方程變?yōu)閟~0=x~T2m-s~2T2km-s~1Tdm---(8)]]>其具有附加條件s~1(t)=1T∫-∞ts~0(τ)dτ;s~2(t)=1T∫-∞ts~1(τ)dτ---(9)]]>1.2框圖可通過(guò)圖2中示出的框圖來(lái)圖解方程(8)。所述圖表示具有狀態(tài)變量 和 (積分器的輸出)的所謂的狀態(tài)變量形式。在矢量表示中，這產(chǎn)生圖3中示出的框圖，因子 和 成為矩陣A~=-Tdm1-T2km0;]]>C~=T2m0;]]>s~=s~1s~2---(10)]]>相關(guān)的狀態(tài)變量方程如下；s~(t)=1T∫-∞t(s~(τ)A~+x~(τ)C~)dτ---(11)]]>在圖中，用附圖標(biāo)號(hào)20表征的部件表示將對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)(或狀態(tài))與特定因子(或矩陣)相乘的運(yùn)算器。用附圖標(biāo)號(hào)21表征的部件表示基于特定因子而對(duì)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)進(jìn)行積分的積分器。用附圖標(biāo)號(hào)22表征的部件為延遲元件。用附圖標(biāo)號(hào)23表征的部件為求和、或減法節(jié)點(diǎn)。
1.3離散化對(duì)于輸入信號(hào) 和參數(shù)，即元素(矩陣 和 的形式的)表征具有遞增寬度T的階躍函數(shù)(step function)的情況，可使用離散信號(hào)來(lái)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行離散化x(n)=x~(nT)---(12)]]>s(n)=s~(nT)---(13)]]>使得可通過(guò)圖4中示出的框圖來(lái)表示該系統(tǒng)。相應(yīng)地A*(n)=eA~(nT)---(14)]]>C*(n)=C~(nT)(eA~(nT)-I)A~-1(nT)---(15)]]>
其中，I表示單位矩陣。對(duì)于在方程(10)中指定的矩陣，可通過(guò)方程(50)，以閉型(closed form)來(lái)表示A*A*=e-Td2mcos(h)-Td2msi(h)si(h)-T2kmsi(h)cos(h)+Td2msi(h);]]>h=Tkm-d24m2---(16)]]>1.4利用對(duì)稱結(jié)構(gòu)的表示可根據(jù)方程(40)和(41)，將轉(zhuǎn)移矩陣A*表示為；A*＝M-1A′M(17)其中，M=h0-Td2m1---(18)]]>M-1=-1h0Td2mh1---(19)]]>A′=e-Td2mcos(h)sin(h)-sin(h)cos(h)---(20)]]>這產(chǎn)生圖5中示出的框圖。如果矩陣A*、C，以及因此M、M-1為常量，則可相對(duì)于求和節(jié)點(diǎn)23和延遲元件22而移位M，由此，產(chǎn)生圖6中示出的框圖?，F(xiàn)在，在延遲元件22的輸出上呈現(xiàn)下面的信號(hào)s′＝sM-1(21)可消除鏈連接(chain connection)MM-1＝I，這是因?yàn)椋浔硎締挝痪仃?圖7)。然而，在此情況下，丟失原始的狀態(tài)矢量。由于變換方程(21)使?fàn)顟B(tài)變量(位置變量)的第二分量不變，即，由于s2＝s2′，所以，在對(duì)稱系統(tǒng)中，位置變量保持可用。人為引入的對(duì)稱結(jié)構(gòu)具有以下有利屬性如果將狀態(tài)變量s′＝[s1′ s2′]視為復(fù)數(shù)(標(biāo)記(index))s＝s1′+js2′，則可將矩陣乘法A′s′化簡(jiǎn)為兩個(gè)復(fù)數(shù)的乘法，即，As，其中，A‾=e-Td2m(cos(h)+jsin(h))=e-Td2m+jh---(22)]]>因此，可將該系統(tǒng)的衰落過(guò)程(對(duì)于x＝0)指定如下s(n+1)＝As(n)(23)在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，復(fù)變量s具有定義明確的幅度|s|和相位＝arc(s)。具體地，還有可能指定瞬時(shí)頻率
這對(duì)于隨后的時(shí)間相關(guān)的情況的分析來(lái)說(shuō)將是重要的。
1.5時(shí)間相關(guān)系統(tǒng)和參數(shù)效應(yīng)在例如可變諧振頻率的時(shí)間相關(guān)效應(yīng)的情況下，不允許以上變換。令A(yù)*＝A*(n) (25)C*＝C*(n) (26)隨后，下式根據(jù)A′和M時(shí)間相關(guān)A′＝A′(n)(27)M＝M(n)(28)如果現(xiàn)在期望對(duì)稱化，那么，首先產(chǎn)生如圖8中的系統(tǒng)。再次有可能將矩陣M(n)移動(dòng)通過(guò)求和節(jié)點(diǎn)23和延遲元件22。然而，在此情況下，M(n)變?yōu)镸(n-1)(圖9)?，F(xiàn)在(通常)，鏈連接K(n)＝M(n-1)M-1(n)不再產(chǎn)生單位矩陣，并且因此，產(chǎn)生了圖10中示出的結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，不妨假定由于作為時(shí)間的函數(shù)的彈簧常數(shù)k＝k(n)而建立了時(shí)間相關(guān)性。隨后，產(chǎn)生如下的校正矩陣K(n)=4k(n-1)m-d24k(n)m-d2001---(29)]]>可以看到，用于k(n)＝k(n-1)的校正矩陣為K(n)＝I，并且，這是所預(yù)計(jì)的。
2、用于彈簧常數(shù)的調(diào)制器所公開(kāi)的生成最優(yōu)脈沖序列的實(shí)體基于以下考慮，其中所述最優(yōu)脈沖序列用于控制振動(dòng)器的彈簧常數(shù)、同時(shí)實(shí)現(xiàn)參數(shù)效應(yīng)的最優(yōu)抑制1、該實(shí)體包括用于所有可能的調(diào)制狀態(tài)(在此例子中為兩個(gè)狀態(tài))的真實(shí)振動(dòng)器的確切的仿真。
2、假定給定的調(diào)制信號(hào)，則這允許虛擬衰落過(guò)程的模擬。
3、該實(shí)體包括優(yōu)選頻率上的理想的振動(dòng)器的模型，并且因此，可根據(jù)量和相位來(lái)仿真其狀態(tài)變量。
4、例如，該實(shí)體可根據(jù)量和相位而確定真實(shí)振動(dòng)器的仿真的狀態(tài)變量和理想的振動(dòng)器的狀態(tài)變量之間的誤差。
5、該實(shí)體包括判定單元，例如，其通過(guò)預(yù)先計(jì)算下一個(gè)時(shí)鐘周期中的所有可能性、并選擇具有最小誤差的可能性，而選擇下一個(gè)調(diào)制狀態(tài)，使得真實(shí)和理想的振動(dòng)器的仿真之間的誤差最小化。
2.1真實(shí)振動(dòng)器的仿真首先，將使用以上實(shí)施例而示出針對(duì)具有兩個(gè)不同的自然頻率(ωa和ωb)的兩個(gè)調(diào)制狀態(tài)(a和b)的情況如何能夠?qū)С稣鎸?shí)振動(dòng)器的仿真(而不限制總的適用性)。因此，矩陣 A*、A′、M在每個(gè)情況下呈現(xiàn)出兩個(gè)值，通過(guò)下標(biāo)a和b而指示這些值，例如，Aa*、Ab*?？苫趫D5而導(dǎo)出圖11中的圖。
可在圖11中看到第一分支25和第二分支26。根據(jù)輸入狀態(tài)s，每個(gè)分支產(chǎn)生輸出狀態(tài)sa(第一分支)或sb(第二分支)。利用切換器24，將輸出狀態(tài)sa或sb中的一個(gè)提供到延遲元件22，并且因此，將其再次提供到所述兩個(gè)分支25、26，作為下一個(gè)時(shí)鐘周期中的新輸入狀態(tài)s。每個(gè)分支模擬瞬時(shí)振動(dòng)狀態(tài)(通過(guò)輸入狀態(tài)s來(lái)表示)上的調(diào)制信號(hào)的效果(通過(guò)Aa*、Ab*來(lái)表示)。
由于當(dāng)前僅關(guān)心衰落過(guò)程，所以，可從分析中排除輸入信號(hào)x和矩陣C。取決于優(yōu)選調(diào)制狀態(tài)，切換器選擇sa或sb作為有效狀態(tài)s。矩陣Aa′和Ab′為對(duì)稱系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移矩陣，前連接(preconnected)和后連接(postconnected)矩陣Ma，b-1、Ma，b為將Aa，b′變換為原始(非對(duì)稱)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移矩陣Aa，b*的校正矩陣。因此，除了真實(shí)狀態(tài)sa，b之外，內(nèi)部信號(hào)s′a，b(這些信號(hào)是對(duì)稱系統(tǒng)將具有的狀態(tài))也是可用的。提供對(duì)稱系統(tǒng)的狀態(tài)的原因在于，這些狀態(tài)尤其適于作為瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅度的指示符。在下面討論、并且必須選擇切換器24的下一個(gè)切換設(shè)置的判定單元需要此信息作為判定準(zhǔn)則。然而，如圖12所示，還可直接使用非對(duì)稱系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移矩陣Aa，b*來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)振動(dòng)器的仿真，而并不必須在對(duì)稱狀態(tài)變量之前。
2.2確定相位和幅度誤差如上所述，彈簧常數(shù)的調(diào)制應(yīng)當(dāng)以這樣的方式發(fā)生，即有關(guān)幅度和相位的真實(shí)振動(dòng)器的仿真的衰落過(guò)程盡可能精確地遵循預(yù)定的期望函數(shù)。圖13示出了用于確定內(nèi)建(build-up)過(guò)程的近似的偏差大小的實(shí)體。輸入信號(hào)s′是仿真的(對(duì)稱的)狀態(tài)變量的矢量。通過(guò)將狀態(tài)變量矢量解釋為復(fù)標(biāo)記(complex index)，通過(guò)與e-jnω0t相乘，從中減去預(yù)定的期望函數(shù)的相位?，F(xiàn)在，使用結(jié)果{e1，e2}來(lái)確定相位e，即與缺省相關(guān)的相位偏移。也通過(guò)形成所述量而確定s′的幅度。在減去缺省的幅度a(n)之后，產(chǎn)生幅度偏差ae。最后，例如，可通過(guò)產(chǎn)生相位偏差和幅度偏差的平方和，而從相位偏差和幅度偏差導(dǎo)出總誤差e。在圖的右手邊上示出了該配置的簡(jiǎn)化符號(hào)表示<E>。
因此，可將模塊<E>視為比較單元，利用該比較單元，有可能確定真實(shí)振動(dòng)器的必須被調(diào)整的諧振頻率的瞬時(shí)期望值和瞬時(shí)實(shí)際值之間的偏差的近似。此外，可將模塊<E>視為比較單元，利用該比較單元，有可能確定在模擬中仿真的振動(dòng)器的必須被調(diào)整的諧振頻率的瞬時(shí)期望值和瞬時(shí)實(shí)際值之間的偏差的確切值(精確地說(shuō)，兩個(gè)確切值的和)。
還可不同地實(shí)現(xiàn)從模塊<E>的輸入信號(hào)確定總誤差e的方式，即模塊<E>的功能性；可使用其它總誤差準(zhǔn)則。例如，有可能形成s′(n)和缺省信號(hào)Aejnω0t之間的差，并從中導(dǎo)出例如所述量或它的平方(將所述信號(hào)視為復(fù)數(shù))e=|s′(n)-Aejnω0t|]]>或e=|s′(n)-Aejnω0t|2.]]>2.3調(diào)制實(shí)體的判定元件為了能夠確定用于彈簧常數(shù)的調(diào)制信號(hào)，即，為了能夠制定在用于下一個(gè)時(shí)鐘周期的仿真中的切換的設(shè)置，關(guān)于相對(duì)于缺省信號(hào)的誤差，使用兩個(gè)塊<E>而分析兩個(gè)可能的將來(lái)對(duì)稱狀態(tài)sa′和sb′。后連接判定元件27比較兩個(gè)誤差ea和eb，并且，作為下一個(gè)切換設(shè)置，選擇在較小誤差的情況下測(cè)定狀態(tài)的切換設(shè)置?？稍O(shè)置其頻率ω0的、用于相位和幅度的基準(zhǔn)生成器28生成基準(zhǔn)相位nω0T和基準(zhǔn)幅度a(n)，其對(duì)應(yīng)于理想的振動(dòng)器的值。a(n)是指數(shù)衰變函數(shù)，其具有取決于理想的振動(dòng)器的質(zhì)量因子的時(shí)間常量，即，α＝a(n)/a(n+1)＞1是恒定值?，F(xiàn)在，所示出的配置控制切換器，使得仿真的衰落過(guò)程遵循量和相位的平均的缺省。因此，可使用由判定元件生成的調(diào)制信號(hào)來(lái)控制真實(shí)的振動(dòng)器的彈簧常數(shù)，結(jié)果，這個(gè)真實(shí)切換的振動(dòng)器仿真出具有諧振頻率ω0的理想的非切換的振動(dòng)器。
所提出的系統(tǒng)具有兩個(gè)不足。一個(gè)不足是實(shí)踐性，而另一個(gè)不足與原理相關(guān)。實(shí)踐性不足與這樣的事實(shí)相關(guān)，即仿真的信號(hào)的幅度跟隨缺省信號(hào)的幅度，并且是指數(shù)衰變函數(shù)。結(jié)果，信號(hào)不斷變小，直到由于數(shù)值問(wèn)題的出現(xiàn)而造成校正功能不再可能為止。可通過(guò)將相關(guān)信號(hào)與衰變指數(shù)函數(shù)的倒數(shù)值(reciprocal value)相乘，而解決此問(wèn)題。所生成的調(diào)制信號(hào)在此上下文中保持相同。這通過(guò)將轉(zhuǎn)移矩陣Aa*和Ab*與上述提到的因子α相乘而實(shí)現(xiàn)。這具有使仿真阻尼減小的效果。隨后，缺省幅度變?yōu)槌Ａ縜(n)＝1，并且因此，不再必須通過(guò)基準(zhǔn)生成器生成缺省幅度。應(yīng)注意，作為其結(jié)果，在此上下文中被控制的真實(shí)的物理振動(dòng)器不再被阻尼減小，這是由于，通過(guò)此措施，調(diào)制信號(hào)保持不被影響。
該措施僅意欲確保調(diào)制信號(hào)生成器的數(shù)值穩(wěn)定連續(xù)操作。
還可直接從阻尼減小系統(tǒng)(d＝0)確定所述矩陣；在此情況下省略因子α。仿真的阻尼減小導(dǎo)致用于矩陣A*和M-1的簡(jiǎn)化方程。因?yàn)閐＝0，所以，現(xiàn)在其遵循h(huán)=ωT;ω=km---(30)]]>在此上下文中，ω是仿真的瞬時(shí)諧振頻率。由此，A~=01-ω2T20---(31)]]>A*=cos(ωT)sin(ωT)ωT-ωTsin(ωT)cosωT---(32)]]>M-1=-1ωT001---(33)]]>此處，通過(guò)將ω替換為ωa、ωb，從A*和M-1導(dǎo)出矩陣Aa*、Ab*，以及Ma-1、Mb-1。
現(xiàn)在，將討論使用所提出的系統(tǒng)的模擬的結(jié)果。選擇比率，以便可通過(guò)可切換的彈簧常數(shù)，而將真實(shí)的物理振動(dòng)器切換為9000Hz或9200Hz的固有諧振。對(duì)于該模擬，選擇缺省為9100Hz的頻率。選擇初始條件，使得真實(shí)的振動(dòng)器和仿真的相位相同。隨后，不干預(yù)真實(shí)的振動(dòng)器；在圖16中圖解了關(guān)聯(lián)的衰落過(guò)程30。應(yīng)當(dāng)清楚，產(chǎn)生了良好的指數(shù)衰落過(guò)程，并且，如果對(duì)此函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換，則在9100Hz上出現(xiàn)陡峭的諧振峰31(圖17)。然而，如果重復(fù)模擬，并且不與在仿真中模擬的內(nèi)建過(guò)程同相地啟動(dòng)真實(shí)的振動(dòng)器，則這導(dǎo)致如圖18所示的包絡(luò)曲線的未被控制的輪廓32。因此，應(yīng)當(dāng)清楚，允許模擬的衰落過(guò)程僅在一個(gè)相位位置中出現(xiàn)是不夠的。
2.4間隔π/2的兩個(gè)相位位置中的衰落過(guò)程的同步仿真可通過(guò)提供用于生成調(diào)制信號(hào)的兩個(gè)仿真，而克服所提到的不足，其中，在所述仿真中運(yùn)行相位間隔π/2的兩個(gè)內(nèi)建過(guò)程，其中，通過(guò)提供用于判定元件的集合誤差準(zhǔn)則，而同時(shí)監(jiān)視和控制所述內(nèi)建過(guò)程的相位和幅度(圖19)?？梢钥吹?，該仿真(圖15中示出的系統(tǒng))呈現(xiàn)兩次，成對(duì)的誤差分析模塊<E>也是如此。通過(guò)附圖標(biāo)號(hào)40來(lái)表示第一仿真，而通過(guò)附圖標(biāo)號(hào)50來(lái)表示第二仿真。對(duì)于下面的仿真，為相位缺省而添加π/2的恒定值，使得其衰落過(guò)程總是伴隨此相移而運(yùn)行。對(duì)于判定元件，現(xiàn)在，必須通過(guò)例如簡(jiǎn)單地相加，而組合切換狀態(tài)a和b中的相關(guān)誤差。如果現(xiàn)在使用此配置來(lái)控制真實(shí)的振動(dòng)器的彈簧常數(shù)，則所述振動(dòng)器的衰落過(guò)程在每個(gè)相位位置中正確地運(yùn)行，并且，這可利用模擬來(lái)驗(yàn)證。信號(hào)k(n)可用于控制脈沖調(diào)制器。
換句話說(shuō)同時(shí)模擬振動(dòng)器的兩個(gè)振動(dòng)響應(yīng)，所述響應(yīng)是由傳感器受到調(diào)制信號(hào)序列的影響而產(chǎn)生的，其中，對(duì)于每個(gè)振動(dòng)響應(yīng)，將振動(dòng)響應(yīng)的幅度和相位同時(shí)調(diào)整到特定的期望值/期望值輪廓，并且，將一個(gè)振動(dòng)響應(yīng)的期望相位相對(duì)于另一個(gè)振動(dòng)響應(yīng)的期望相位移位相位π/2。通過(guò)求和節(jié)點(diǎn)35而實(shí)現(xiàn)期望相位的位移。對(duì)于每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)，對(duì)所述兩個(gè)模擬分別分配從模擬的瞬時(shí)期望值和在模擬中調(diào)整的對(duì)應(yīng)值之間的偏差的和(用于第二調(diào)制信號(hào)的eb1和eb2或ea1和ea2的和)導(dǎo)出的有效總偏差(在第一仿真中ea1用于第一調(diào)制信號(hào)、以及eb1用于第二調(diào)制信號(hào)；在第二仿真中ea2用于第一調(diào)制信號(hào)、以及eb2用于第二調(diào)制信號(hào))，這將源自調(diào)制信號(hào)的維持、或向調(diào)制信號(hào)的切換。隨后，將與來(lái)自所述兩個(gè)模擬的相同的調(diào)制信號(hào)相關(guān)的有效總偏差相加(經(jīng)由求和節(jié)點(diǎn)33和34)，由此產(chǎn)生和ea及eb。選擇在先前的步驟中計(jì)算的和(ea或eb)最小的那個(gè)調(diào)制信號(hào)。
再次簡(jiǎn)要概述本發(fā)明的關(guān)鍵方面在微機(jī)械系統(tǒng)的情況下，經(jīng)常期望通過(guò)控制靜電彈簧而電調(diào)諧振動(dòng)器的自然頻率。作為要求在微型化和功耗的程度方面的需求的結(jié)果，期望省卻模擬控制、以及在此上下文中需要的DA轉(zhuǎn)換器。可能的替換為數(shù)字脈沖調(diào)制方法，其中，以適當(dāng)?shù)姆绞皆跁r(shí)間上分布在兩個(gè)極限值之間切換靜電彈簧常量的脈沖。分析示出了使用確保脈沖的平均頻率與極限值內(nèi)的期望頻率的相對(duì)位置相對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)單的分布方法是不足的。為了解決此問(wèn)題，提出了一種方法，其中，在指定的質(zhì)量和頻率方面，仿真的模擬衰落過(guò)程盡可能精確地遵循真實(shí)振動(dòng)器所要求的衰落過(guò)程。此近似中的未指定的參數(shù)是由近似過(guò)程生成的期望脈沖序列。已示出了必須由具有移位π/2的兩個(gè)相位位置的兩個(gè)仿真同時(shí)執(zhí)行衰落過(guò)程的近似。還示出了有可能在不改變結(jié)果的情況下切換到用于仿真的阻尼減小系統(tǒng)，其中，使脈沖調(diào)制器的連續(xù)操作成為可能。通過(guò)在這里生成的脈沖，以特定方式控制真實(shí)的振動(dòng)器的靜電彈簧，并且隨后，可以期望的方式設(shè)置所述真實(shí)的振動(dòng)器的諧振頻率。有效地抑制了參數(shù)效應(yīng)。
在前面的描述中，通過(guò)參照諧振頻率的調(diào)整，而說(shuō)明了本發(fā)明的“貫穿所有可能性原理(run through all possibilities principle)”(通過(guò)離散脈沖的有限組合可能性而成為可能)。下面的描述將討論此原理還可如何用于調(diào)整自激振動(dòng)/讀出振動(dòng)。通過(guò)例如參照?qǐng)D20，首先說(shuō)明在不應(yīng)用“貫穿”原理的情況下可如何調(diào)整自激振動(dòng)/讀出振動(dòng)。
圖20示出了脈沖調(diào)制器的可能的實(shí)施例100的復(fù)數(shù)圖示。
復(fù)輸入信號(hào)x(t)包括均被表示為數(shù)字值的實(shí)部和虛部。在加法器節(jié)點(diǎn)101中，從復(fù)輸入信號(hào)x(t)減去復(fù)反饋信號(hào)102，其中，這兩個(gè)復(fù)信號(hào)之間的差表示調(diào)整偏差。另外，在加法器節(jié)點(diǎn)101中，將延遲元件103的內(nèi)容(同樣也是復(fù)數(shù))加到此差。將延遲元件103的內(nèi)容經(jīng)由信號(hào)線104而提供到加法器節(jié)點(diǎn)101。延遲元件103和信號(hào)線104一起形成復(fù)積分器級(jí)，其對(duì)復(fù)調(diào)整偏差(即，輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之間的差)進(jìn)行積分。根據(jù)因子“a”，在放大器級(jí)106中放大積分信號(hào)105，并且，將放大信號(hào)107提供到第一乘法器級(jí)108。此處，將放大信號(hào)107乘以復(fù)混頻信號(hào)e-jω0t，由此得到被上混頻到頻率ω0的信號(hào)109。塊110確定復(fù)上混頻信號(hào)109的實(shí)部，并且，使由此得到的上混頻信號(hào)的實(shí)部111對(duì)于量化器112可用。
在圖20中示出的實(shí)施例的情況下，將量化器112實(shí)現(xiàn)為三元量化器，其借助比較器而將相關(guān)輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)的三個(gè)可能值-1、0、+1?？稍诹炕?12的輸出端拾取以此方式生成的量化的脈沖信號(hào)y(t)。為了生成復(fù)反饋信號(hào)102，在第二乘法器級(jí)113中，將實(shí)數(shù)值脈沖信號(hào)y(t)乘以復(fù)共軛的混頻信號(hào)e+jω0t。將通過(guò)實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)的相乘而由此得到的復(fù)反饋信號(hào)102提供到在該電路的輸入端上的加法器節(jié)點(diǎn)101。
以此方式，從復(fù)補(bǔ)償信號(hào)x(t)(與圖1中的信號(hào)S1和S2相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)y(t))生成對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)序列，其對(duì)諧振器R的讀出振動(dòng)復(fù)位，或產(chǎn)生諧振器R的自激振動(dòng)的激勵(lì)。
脈沖調(diào)制器100具有這樣的缺點(diǎn)，即脈沖調(diào)制器100所使用的量化方法不適于與用于調(diào)整其它物理變量的方法(例如，用于調(diào)整諧振器的諧振頻率的方法)相組合。如果使用圖22中示出的脈沖調(diào)制器200、而不是圖20中示出的脈沖調(diào)制器100，則可避免這些缺點(diǎn)。這在下面的描述中討論。
所呈現(xiàn)的是包括相對(duì)于兩個(gè)控制電極E1和E2而對(duì)稱排列的移動(dòng)電極的(微機(jī)械)諧振器。通過(guò)將電壓施加到控制電極，一方面，有可能對(duì)移動(dòng)電極施力，并且因此對(duì)諧振器施力，另一方面，還可通過(guò)控制電極來(lái)影響振動(dòng)器的諧振頻率。假定在所述電極上存在0或U0的電壓。在下表中給出了在此上下文中可能存在的力和諧振頻率的四個(gè)組合(還可見(jiàn)圖21)調(diào)制狀態(tài)/調(diào)制信號(hào) E1E2力 頻率a 0 0 0 ωab 0 U0F0ωb
cU00 -F0ωcdU0U00 ωd假定完全對(duì)稱，則通常，在此應(yīng)用ωa＞ωb＝ωc＞ωd。
在上表中指定的力F∈{-F0，0，F(xiàn)0}意味著三元激勵(lì)，即，使用其輸出信號(hào)被三元量化的脈沖調(diào)制器。因此，在用于調(diào)整諧振器的自激振動(dòng)/讀出振動(dòng)的幅度/相位的原理中，可使用圖20中示出的脈沖調(diào)制器。然而，如上面所指示的，如果要同時(shí)調(diào)整多個(gè)物理變量，則必須修改所述脈沖調(diào)制器。對(duì)于經(jīng)由相同的控制電極的自激振動(dòng)/讀出振動(dòng)和諧振頻率的同時(shí)調(diào)整，根據(jù)本發(fā)明，使用基于誤差準(zhǔn)則而操作的判定元件，來(lái)替代圖20中的量化器112。
圖22示出了可替代用于調(diào)整諧振器的自激振動(dòng)/讀出振動(dòng)的幅度和相位的脈沖調(diào)制器100而使用的、對(duì)應(yīng)的調(diào)整單元200的優(yōu)選實(shí)施例。
調(diào)整單元200具有第一求和節(jié)點(diǎn)201、第二求和節(jié)點(diǎn)202、第三求和節(jié)點(diǎn)203、延遲元件204、切換元件205、第一至第四誤差塊206至209、以及判定元件210。
與圖20中示出的脈沖調(diào)制器100相比的關(guān)鍵差別在于，使用了判定元件210而不是量化器112。最初在信號(hào)線211至214上施加輸入信號(hào)x(t)，其中，在求和節(jié)點(diǎn)202中，將信號(hào)e-jω0t加到信號(hào)x(t)，并且，在求和節(jié)點(diǎn)203中，從信號(hào)x(t)減去信號(hào)e-jω0t。將對(duì)應(yīng)的修改/不變的信號(hào)提供到誤差塊206至209，其確定所提供的信號(hào)對(duì)于輸入信號(hào)x(t)的瞬時(shí)期望值的偏差，或轉(zhuǎn)換所提供的信號(hào)，以便可通過(guò)判定元件210而識(shí)別對(duì)應(yīng)的偏差。將對(duì)應(yīng)的誤差信號(hào)(誤差塊206至209的輸出信號(hào))提供到判定元件210，其通過(guò)分析所述誤差信號(hào)而判定誤差塊206至209的哪個(gè)輸入信號(hào)顯示相對(duì)于瞬時(shí)期望值最小的偏差，并控制切換元件205，以便將所確定的偏差最小的相關(guān)誤差塊的輸入信號(hào)施加到延遲元件204的輸入端(所述信號(hào)中的一個(gè)存在于傳感器(pick-off)215至218上)。將由此在瞬時(shí)時(shí)鐘周期中被存儲(chǔ)在延遲元件204中的信號(hào)在下一個(gè)時(shí)鐘周期中提供到節(jié)點(diǎn)201，其中所述節(jié)點(diǎn)將所述信號(hào)加到輸入信號(hào)x(t)。傳感器215至218中的每個(gè)對(duì)應(yīng)于上表中列出的調(diào)制狀態(tài)/調(diào)制信號(hào)a)、b)、c)和d)。這意味著如果傳感器216連接到延遲元件204的輸入，則諧振器R受到調(diào)制信號(hào)b)的影響(即，將力F0施加到控制電極)，如果傳感器217連接到延遲元件204的輸入端，則諧振器R受到調(diào)制信號(hào)c)的影響(即，將力-F0施加到控制電極)，等等。
圖20和23中示出的調(diào)整單元100、200的功能是相似的。在所述兩個(gè)調(diào)整單元中，使復(fù)缺省信號(hào)(輸入信號(hào))x(t)和下混頻(到-ω0)的調(diào)制信號(hào)之間的積分誤差最小化。在圖20中，為了實(shí)現(xiàn)該目的，再次對(duì)誤差進(jìn)行上混頻和三元量化，其中，量化器112確定調(diào)制狀態(tài)。這導(dǎo)致使積分誤差最小化的閉合控制環(huán)路。然而，在圖23中，在特定時(shí)間點(diǎn)上，針對(duì)于在每種情況下出現(xiàn)的積分誤差而嘗試并分析所有可能的調(diào)制狀態(tài)a)至d)。對(duì)于狀態(tài)a)和d)，調(diào)制信號(hào)(更精確地力)在此實(shí)施例中為0，并且因此，積分誤差(直到x(t))保持不變，同時(shí)在級(jí)b)和c)中，減去/加上下混頻的調(diào)制信號(hào)。對(duì)于所有調(diào)制狀態(tài)a)至d)，通過(guò)誤差塊206至214而分析復(fù)積分誤差。結(jié)果，判定元件210找到最優(yōu)調(diào)制狀態(tài)a)、b)、c)或d)，并將切換元件205設(shè)置到對(duì)應(yīng)的位置，以便可以根據(jù)所選調(diào)制狀態(tài)，發(fā)生誤差與在傳感器215至218上存在的信號(hào)中的一個(gè)的積分。同時(shí)，通過(guò)脈沖生成單元(未在此處示出)，而生成根據(jù)該表的對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)，所述單元被判定元件210控制，并將所述調(diào)制信號(hào)施加到諧振器。所述信號(hào)可為二維或復(fù)信號(hào)。例如，誤差塊206至214形成它們的輸入信號(hào)的絕對(duì)值的平方，并將對(duì)應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到判定元件210。
上面的描述提出了用于使用數(shù)字脈沖而激勵(lì)機(jī)械振動(dòng)器的方法。還示出了可如何通過(guò)控制靜電彈簧常數(shù)的特定電極上的數(shù)字脈沖而調(diào)諧這樣的振動(dòng)器的諧振頻率。下面的描述將示出可如何組合所述兩個(gè)方法，即，可如何僅使用兩個(gè)電極、而將諧振器的諧振頻率的調(diào)整與諧振器的振動(dòng)的激勵(lì)/補(bǔ)償相結(jié)合。
上面的描述已經(jīng)描述了這樣的方法，其提供用于可切換的彈簧常數(shù)的控制信號(hào)，使得由質(zhì)量體和可切換彈簧構(gòu)成的諧振器盡可能精確地近似具有預(yù)定諧振頻率的諧振器。圖19示出了可在兩個(gè)諧振頻率之間切換的調(diào)整系統(tǒng)。由于在圖22中示出的調(diào)整單元200中，有必要在ωb＝ωc的情況下在三個(gè)不同的諧振頻率之間切換、并且在ωb≠ωc的情況下甚至在四個(gè)諧振頻率之間切換(見(jiàn)上表)，所以，如果要將圖19中示出的調(diào)整系統(tǒng)與圖22中示出的調(diào)整系統(tǒng)相組合，則必須對(duì)應(yīng)地?cái)U(kuò)展圖19中示出的調(diào)整系統(tǒng)。
圖23中示出的調(diào)整單元300提供了可能的解決方案調(diào)整單元300的特征在于第一分支301和第二分支301′。第一分支301的特征在于延遲元件302、第一至第四運(yùn)算器303至306、第五至第八運(yùn)算器307至310、第一至第四減法節(jié)點(diǎn)311至314、第一至第四誤差塊315至318、以及切換元件319。類似地，第二分支301′的特征在于延遲元件302′、第一至第四運(yùn)算器303′至306′、第五至第八運(yùn)算器307′至310′、第一至第四減法節(jié)點(diǎn)311′至314′、第一至第四誤差塊315′至318′、以及切換元件319′。
不妨假定，延遲元件302的輸出信號(hào)表示諧振器的模擬振動(dòng)過(guò)程的瞬時(shí)狀態(tài)。將該輸出信號(hào)提供到運(yùn)算器303至306的輸入，其中，每個(gè)運(yùn)算器在振動(dòng)模擬的瞬時(shí)狀態(tài)上模擬四個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)中的一個(gè)的影響。通過(guò)運(yùn)算器307至310，而將運(yùn)算器303至306的輸出信號(hào)變換為適于誤差分析的形式，從每個(gè)變換后的信號(hào)減去信號(hào)e-jω0t(在求和節(jié)點(diǎn)311至314)，并且，將由此得到的信號(hào)提供到誤差塊315至318。誤差塊315至318確定偏差、或由運(yùn)算器303至306從瞬時(shí)期望值(e-jω0t)生成的輸出信號(hào)的偏差的測(cè)定，并將對(duì)應(yīng)的偏差信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到加法節(jié)點(diǎn)321至324。如在上表中指定的，這里的字母a)、b)、c)和d)表示相關(guān)的調(diào)制狀態(tài)，要測(cè)試其對(duì)諧振器的影響。
第二分支301′的功能對(duì)應(yīng)于第一分支301的功能。同樣地，將在第二分支301′中由誤差塊315′至318′確定的偏差信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到加法節(jié)點(diǎn)321至324。在每個(gè)加法節(jié)點(diǎn)321至324中，將由第一分支301生成的偏差信號(hào)加到由第二分支301′生成的偏差信號(hào)，其中，在每個(gè)加法節(jié)點(diǎn)中，加上與相同的調(diào)制信號(hào)相關(guān)的偏差信號(hào)(調(diào)制狀態(tài))。將所添加的偏差信號(hào)提供到判定元件320。
所述兩個(gè)分支301和301′的不同之處僅在于，在減法節(jié)點(diǎn)311至314中減去的信號(hào)的特征在于相對(duì)于在減法節(jié)點(diǎn)311′至314′中減去的信號(hào)優(yōu)選的π/2的相移。判定元件320以下述方式同時(shí)控制切換元件319和319′，即來(lái)自運(yùn)算器303至306或303′至306′、且其與相應(yīng)的另一個(gè)分支的對(duì)應(yīng)偏差信號(hào)相加的相關(guān)偏差信號(hào)在幅度和相位方面具有相對(duì)于瞬時(shí)期望值(e-jω0t)的最小偏差的輸出信號(hào)被施加到延遲元件302或302′的輸入端。在此上下文中，ω0表示要調(diào)整到的諧振頻率。
當(dāng)傳感器331/331′)連接到延遲元件302/302′的輸入端時(shí)，諧振器R被暴露于調(diào)制信號(hào)b)(即，力F0存在于控制電極上)，當(dāng)傳感器332)/332′)連接到延遲元件302/302′的輸入端時(shí)，諧振器R被暴露于調(diào)制信號(hào)c)(即，力-F0存在于控制電極上)，等等。
因此，同時(shí)模擬了諧振器的兩個(gè)固有振動(dòng)輪廓(在分支301、301′中的每個(gè)中模擬固有振動(dòng)過(guò)程)，其中，將每個(gè)固有振動(dòng)過(guò)程在幅度和相位方面與相關(guān)期望值/期望值輪廓(e-jω0t)相比較，并且，將一個(gè)固有振動(dòng)過(guò)程的期望相位相對(duì)于另一個(gè)固有振動(dòng)過(guò)程的期望相位移位相位π/2，其中-對(duì)于每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)，在每個(gè)情況下將總偏差分配到兩個(gè)模擬(由誤差塊315-318或315′-318′生成的偏差信號(hào))，從針對(duì)幅度和相位的瞬時(shí)期望值和對(duì)應(yīng)模擬值之間的偏差的和得到所述總偏差，這將由此調(diào)制信號(hào)的維持、或向此調(diào)制信號(hào)的切換而產(chǎn)生。
-將相對(duì)于來(lái)自所述兩個(gè)模擬的相同的調(diào)制信號(hào)的總偏差相加(在加法節(jié)點(diǎn)321至324中)，其中，判定元件320確保諧振器被暴露于對(duì)應(yīng)的總偏差和產(chǎn)生期望值輪廓的最佳近似的那個(gè)調(diào)制信號(hào)(a)、b)、c)或d))。
在此情況下，優(yōu)選地，在兩個(gè)反饋分支301、301′中模擬阻尼減小系統(tǒng)。對(duì)作為用于上環(huán)路中的內(nèi)建過(guò)程的缺省的基準(zhǔn)載波ejωt作出規(guī)定。對(duì)于下環(huán)路，將基準(zhǔn)載波乘以j，由此產(chǎn)生π/2的相移。矩陣Ax*、Mx-1，x＝a，b，c，d，取以下形式Ax*=cos(ωxt)sin(ωxt)/(ωxt)-ωxsin(ωxt)cos(ωxt);]]>Mx-1=-1/ωxt001]]>圖24示出了調(diào)整實(shí)體400，其中，將來(lái)自圖22和23的調(diào)整單元200和300組合在一起，以形成單個(gè)單元，通過(guò)其，可將諧振器的諧振頻率ω和自激振動(dòng)/讀出振動(dòng)的幅度/相位同時(shí)調(diào)整到特定值。
在調(diào)整實(shí)體400中，在求和節(jié)點(diǎn)401至404中，將由誤差塊206至209生成的偏差信號(hào)加到由誤差塊315至318生成的偏差信號(hào)。轉(zhuǎn)而，求和節(jié)點(diǎn)401至404的輸出信號(hào)被加到由誤差塊315至318生成的偏差信號(hào)。僅添加與相同的調(diào)制信號(hào)相關(guān)的偏差信號(hào)，并且，因此，對(duì)于每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)而得到“全局”偏差信號(hào)。
因此，通過(guò)將由調(diào)整單元200、300針對(duì)特定狀態(tài)a)、b)、c)和d)而確定的“各個(gè)誤差”相加，而應(yīng)用總誤差準(zhǔn)則。由判定元件420選擇具有最小集合誤差的狀態(tài)，并且確定當(dāng)前調(diào)制狀態(tài)和切換設(shè)置(同時(shí)、且以同樣的方式切換切換器205、319和319′)。因?yàn)閷⒓险`差保持為盡可能的小，所以，總是將調(diào)整的優(yōu)先級(jí)賦予對(duì)集合誤差貢獻(xiàn)最多(即，具有最大的“調(diào)整需要”)的物理變量。
可不同地配置誤差塊206至209、315至318、以及315′至318′，以便不同地對(duì)相關(guān)偏差信號(hào)加權(quán)。例如，可對(duì)用于諧振頻率的調(diào)整、以及用于自激振動(dòng)/讀出振動(dòng)的調(diào)整的各個(gè)誤差不同地加權(quán)，或者形成相對(duì)于缺省函數(shù)的量和相位偏差，并且，從中導(dǎo)出誤差準(zhǔn)則。激勵(lì)經(jīng)由通過(guò)上混頻到諧振頻率ω、根據(jù)同相和正交分量而分離的(復(fù))基帶信號(hào)x(t)而發(fā)生。僅在真實(shí)的振動(dòng)器的參數(shù)(例如，ωa、ωb、ωc、ωd)已知具有足夠的精度的情況下，才可完成對(duì)此頻率ω的精確調(diào)諧。如果不是這樣的情況，則可通過(guò)附加的次級(jí)控制環(huán)路，而將矩陣Ax*和Mx-1，x＝a，b，c，d的元素調(diào)整到正確值(即，確定ωa、ωb、ωc、ωd，并相應(yīng)地形成矩陣Ax*和Mx-1，x＝a，b，c，d)。
在對(duì)稱電極的情況下，ωb＝ωc且Fa＝Fd＝0。此事實(shí)可用于開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化系統(tǒng)，這是因?yàn)?，同樣的系統(tǒng)部件是節(jié)約的圖25示出了由調(diào)整單元200′、以及調(diào)整單元300′構(gòu)成的調(diào)整單元500。在調(diào)整單元300′中，不檢查調(diào)制信號(hào)c)對(duì)模擬的固有振動(dòng)過(guò)程的效果，這是由于，該效果與調(diào)制信號(hào)b)將對(duì)模擬的固有振動(dòng)過(guò)程的效果相同。在調(diào)整單元200′中，不檢查調(diào)制信號(hào)d)對(duì)調(diào)諧器的振動(dòng)過(guò)程的效果，這是由于，該效果與調(diào)制信號(hào)a)將對(duì)調(diào)諧器的振動(dòng)過(guò)程的效果相同。加法節(jié)點(diǎn)的配置也相應(yīng)地不同。
附件1通用到對(duì)稱的狀態(tài)變量形式的轉(zhuǎn)換假定2階通用離散系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移矩陣A為A=a11a12a21a22---(34)]]>此外，令g=a22-a112---(35)]]>f＝g2+a12a21(36)h=|f|---(37)]]>b1=a12h---(38)]]>b2=gh---(39)]]>那么，對(duì)于f＜0，其中，M=1b10-b2b11;M-1=b10b21---(40)]]>給出對(duì)稱系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移矩陣A′
其中，c=a11+a222---(42)]]>其中，N=(12j2)j212;N-1=(12-j2)-j212---(43)]]>由此，A′′=N·M·A·M-1·N-1=N·A′·N-1=c-jh00c+jh---(44)]]>(約旦正規(guī)形式)。
附件2二階二次矩陣的求冪假定二階二次矩陣為A=a11a12a21a22---(45)]]>此外，令g=a22-a112---(46)]]>f＝g2+a12a21(47)h=|f|---(48)]]>c=a11+a222---(49)]]>那么，對(duì)于f＜0eA=eccos(h)-gsin(h)ha12sin(h)ha21sin(h)hcos(h)+gsin(h)h=ec(cos(h)1001+sin(h)h-ga12a21g)---(50)]]>并且，對(duì)于f＞0eA=eccosh(h)-gsinh(h)ha12sinh(h)ha21sinh(h)hcosh(h)+gsinh(h)h=ec(cosh(h)1001+sinh(h)h-ga12a21g)---(51)]]>假定cox(f)=cos(-f)f<01f=0cosh(f)f>0---(52)]]>six(f)=sin(-f)-ff<01f=0sinfff>0---(53)]]>
則對(duì)于eA給出eA=ec(cox(f)1001+six(f)-ga12a21g)---(54)]]>
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)使用脈沖調(diào)制器(8)而將特別是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的物理系統(tǒng)的物理變量控制/調(diào)整為特定的期望值/期望值輪廓的方法，通過(guò)所述脈沖調(diào)制器生成離散調(diào)制信號(hào)序列，其中，所述信號(hào)實(shí)現(xiàn)物理變量的控制/調(diào)整，其特征在于，重復(fù)執(zhí)行以下步驟a)確定物理變量的瞬時(shí)期望值和瞬時(shí)實(shí)際值之間的偏差的確切值或近似，b)確定將源自瞬時(shí)調(diào)制信號(hào)的維持、或到其它調(diào)制信號(hào)的切換的偏差的相應(yīng)改變，c)生成導(dǎo)致瞬時(shí)期望值的最佳近似的那個(gè)調(diào)制信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該系統(tǒng)為具有諧振器(R)的微機(jī)械傳感器(1)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，必須被控制/調(diào)整的物理變量為諧振器(R)的諧振頻率。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，必須被控制/調(diào)整的物理變量為諧振器(R)的變量的幅度/相位。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，-為了調(diào)整諧振器(R)的諧振頻率，模擬源自調(diào)制信號(hào)序列到達(dá)諧振器(R)的諧振器(R)振動(dòng)響應(yīng)，并且在模擬中，選擇調(diào)制信號(hào)序列，以便產(chǎn)生用于諧振器(R)的振動(dòng)的期望值輪廓的最大精確近似，其中，用于振動(dòng)的期望值輪廓的頻率是必須被調(diào)整的諧振頻率，并且，-諧振器(R)受到由此得到的調(diào)制信號(hào)序列的影響。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，通過(guò)在模擬中、將振動(dòng)響應(yīng)的幅度和相位同時(shí)調(diào)整到特定的期望值/期望值輪廓，而實(shí)現(xiàn)用于調(diào)整諧振頻率的調(diào)制信號(hào)序列的生成，其中a)為每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)計(jì)算有效總偏差(ea，eb)，從瞬時(shí)期望值和如在模擬中調(diào)整的對(duì)應(yīng)值之間的偏差的和得到所述總偏差，其將源自該調(diào)制信號(hào)的維持、或到該調(diào)制信號(hào)的切換，b)選擇所計(jì)算的有效總偏差(ea，eb)最小的那個(gè)調(diào)制信號(hào)，c)反復(fù)地重復(fù)步驟a)和b)。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，同時(shí)模擬諧振器的兩個(gè)振動(dòng)響應(yīng)，所述響應(yīng)源自調(diào)制信號(hào)序列到達(dá)諧振器(R)，其中，對(duì)于每個(gè)振動(dòng)響應(yīng)，將振動(dòng)響應(yīng)的幅度和相位同時(shí)調(diào)整到特定期望值/期望值輪廓，并且，將一個(gè)振動(dòng)響應(yīng)的期望相位相對(duì)于另一個(gè)振動(dòng)響應(yīng)的期望相位移位相位π/2，其中a)對(duì)于每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)，對(duì)所述兩個(gè)模擬的每一個(gè)分配有效總偏差(ea1、eb1、ea2、eb2)，該有效總偏差從模擬的瞬時(shí)期望值和在模擬中調(diào)整的對(duì)應(yīng)值之間的偏差的和導(dǎo)出，其將源自調(diào)制信號(hào)的維持、或到該調(diào)制信號(hào)的切換，b)累加來(lái)自所述兩個(gè)模擬的、關(guān)于同一調(diào)制信號(hào)的有效總偏差，c)選擇在先前步驟中計(jì)算的總和(ea、eb)最小的那個(gè)調(diào)制信號(hào)，d)反復(fù)地重復(fù)步驟a)到c)。
8.一種用于將特別是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的物理系統(tǒng)的物理變量控制/調(diào)整為特定的期望值/期望值輪廓的裝置，所述裝置的特征在于脈沖調(diào)制器(8)，通過(guò)該脈沖調(diào)制器可生成離散調(diào)制信號(hào)序列，其中，所述信號(hào)實(shí)現(xiàn)物理變量的控制/調(diào)整，其特征在于a)比較單元(E)，通過(guò)該比較單元，有可能確定物理變量的瞬時(shí)期望值和瞬時(shí)實(shí)際值之間的偏差的確切值或近似，b)計(jì)算單元(20、22、24)，其連接到比較單元(E)，并且通過(guò)該計(jì)算單元，有可能計(jì)算如由比較單元確定的、并將源自瞬時(shí)調(diào)制信號(hào)的維持或到其它調(diào)制信號(hào)的切換的偏差的相關(guān)改變，c)判定單元(27)，其連接到計(jì)算單元(20、22、24)，并且，取決于由比較單元計(jì)算的偏差改變，而判定哪個(gè)調(diào)制信號(hào)導(dǎo)致瞬時(shí)期望值的最佳近似，其中，可由判定單元(27)控制由脈沖調(diào)制器(8)生成的調(diào)制信號(hào)序列。
9.一種用于使用脈沖調(diào)制器、而將特別是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的物理系統(tǒng)的至少兩個(gè)物理變量同時(shí)控制/調(diào)整為特定的期望值/期望值輪廓的方法，所述脈沖調(diào)制器生成離散調(diào)制信號(hào)序列，所述序列實(shí)現(xiàn)物理變量的控制/調(diào)整，其中，a)對(duì)于每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)(a、b、c、d)計(jì)算有效總偏差，從物理變量的瞬時(shí)期望值和對(duì)應(yīng)的實(shí)際值之間的偏差的確切值或近似的和得到所述總偏差，其將源自此調(diào)制信號(hào)的維持、或到此調(diào)制信號(hào)的切換，b)使用具有最小的所計(jì)算的有效總偏差的那個(gè)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，c)反復(fù)地重復(fù)步驟a)和b)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，該系統(tǒng)為具有諧振器(R)的微機(jī)械傳感器。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，要被控制/調(diào)整的物理變量為諧振器(R)的諧振頻率、或自激振動(dòng)/讀出振動(dòng)的幅度/相位。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在調(diào)整諧振器的諧振頻率時(shí)，如下確定與此相關(guān)的諧振頻率偏差近似，其中，在步驟a)中確定所述近似-模擬諧振器的固有振動(dòng)過(guò)程，其中，諧振器將在特定振動(dòng)初始條件下、且在受到由脈沖調(diào)制器在先前生成的調(diào)制信號(hào)影響之后執(zhí)行該過(guò)程，-計(jì)算每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)將對(duì)模擬的諧振器的固有振動(dòng)過(guò)程具有的影響，并且，將假想產(chǎn)生的固有振動(dòng)輪廓與具有相同的振動(dòng)初始條件且其振動(dòng)頻率為必須被調(diào)整的諧振頻率的固有振動(dòng)期望值輪廓相比較，-其中，假想產(chǎn)生的固有振動(dòng)輪廓與固有振動(dòng)期望值輪廓之間的偏差表示必須被確定的諧振頻率偏差近似。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，假想產(chǎn)生的固有振動(dòng)輪廓與固有振動(dòng)期望值輪廓的比較包括所述輪廓的對(duì)應(yīng)的幅度和相位的比較，其中-針對(duì)每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)計(jì)算總偏差，從用于幅度和相位的瞬時(shí)期望值和對(duì)應(yīng)模擬值之間的偏差的和得到所述總偏差，其分別將源自此調(diào)制信號(hào)的維持、或到此調(diào)制信號(hào)的切換，-總偏差表示必須被確定的諧振頻率偏差近似。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，同時(shí)模擬諧振器的兩個(gè)固有振動(dòng)過(guò)程，其中，針對(duì)幅度和相位，將每個(gè)固有振動(dòng)過(guò)程與相關(guān)期望值/期望值輪廓相比較，并且，將一個(gè)固有振動(dòng)過(guò)程的期望相位相對(duì)于另一個(gè)固有振動(dòng)過(guò)程的期望相位移位相位π/2，其中-對(duì)于每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)，在每個(gè)情況中對(duì)所述兩個(gè)模擬分配總偏差，從用于幅度和相位的瞬時(shí)期望值和對(duì)應(yīng)模擬值之間的偏差的和得到所述總偏差，其分別將源自此調(diào)制信號(hào)的維持、或到此調(diào)制信號(hào)的切換，-累加來(lái)自所述兩個(gè)模擬的關(guān)于同一調(diào)制信號(hào)的總偏差，其中，在先前步驟中計(jì)算的和表示必須被確定的諧振頻率偏差近似。
15.一種將特別是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的物理系統(tǒng)的至少兩個(gè)物理變量同時(shí)控制/調(diào)整為特定的期望值/期望值輪廓的實(shí)體(400、500)，所述實(shí)體特征在于脈沖調(diào)制器，通過(guò)該脈沖調(diào)制器，有可能生成離散調(diào)制信號(hào)序列，所述序列實(shí)現(xiàn)物理變量的控制/調(diào)整，其特征在于-計(jì)算單元(200、200′、300、300′)，其對(duì)于每個(gè)可生成的調(diào)制信號(hào)計(jì)算有效總偏差，從物理變量的瞬時(shí)期望值和對(duì)應(yīng)的實(shí)際值之間的偏差的確切值或近似的和導(dǎo)出所述有效總偏差，其將源自此調(diào)制信號(hào)的維持、或到此調(diào)制信號(hào)的切換，-判定單元(420)，該判定單元連接到計(jì)算單元，并取決于由計(jì)算單元計(jì)算的有效總偏差而判定對(duì)于哪個(gè)調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)、所計(jì)算的有效總偏差將最小，其中，該判定單元控制由脈沖調(diào)制器生成的調(diào)制信號(hào)序列。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于針對(duì)設(shè)置值的特定進(jìn)程而控制/調(diào)整動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的物理量的方法。對(duì)此，使用生成離散調(diào)制信號(hào)序列的脈沖調(diào)制器，該序列影響物理量的控制或調(diào)整。重復(fù)執(zhí)行下面的步驟a)確定物理量的瞬時(shí)設(shè)定值和瞬時(shí)實(shí)際值之間的偏差的確切值或近似；b)確定將源自瞬時(shí)調(diào)制信號(hào)的維持、或到其它調(diào)制信號(hào)的移動(dòng)的偏差的相應(yīng)改變；以及c)生成導(dǎo)致瞬時(shí)設(shè)定值的最佳近似的調(diào)制信號(hào)。
文檔編號(hào)G01C19/56GK101065641SQ200580040229
公開(kāi)日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2005年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者岡特·斯帕林格 申請(qǐng)人:利特夫有限責(zé)任公司