专利名称：改善欠阻尼系统的响应的制作方法
技术领域：
本发明涉及欠阻尼系统，还涉及驱动欠阻尼系统的电路和方法。
背景技术：
现有技术中的欠阻尼系统的响应对于某些应用是不适宜的。例如，具有差的欠阻 尼响应的透镜组件不适宜用在袖珍数码相机应用中，因为该组件花费太长的时间在稳态聚 焦位置之间移动透镜。一种用于降低二阶系统的过冲(overshoot)/下冲(undershoot)以及建立时间 (setttling time)的技术是增大该系统的阻尼水平。但是增大该阻尼水平会增大所需的功 率，并且该增大的功率可能对于某些应用是不适宜的，例如不适合于由电池对系统供电的 应用。另一种用于降低二阶系统的过冲/下冲幅度的技术是延长改变驱动电压的时间， 但其也会使建立时间增大至一个不合适的水平。需要用于降低二阶欠阻尼系统的过冲/下冲以及建立时间的新技术。
发明内容
用于驱动欠阻尼系统的电路的一个实施例包括第一和第二信号发生器。该第一发 生器可操作以产生第一驱动信号。以及该第二信号发生器可操作以接收该第一驱动信号和 第二驱动信号，并根据该第一和第二驱动信号产生在第一持续时间内具有第一幅度以及在 第一持续时间之后具有第二幅度的系统驱动信号，该系统驱动信号可操作以使得欠阻尼系 统基本上以阻尼方式运作。该第一和第二发生器中的任一个或全部可被编程，使得技术人 员可以通过产生合适的驱动信号而非物理地修改该系统本身来调整任意欠阻尼系统的响 应。在另一个实施例中，使得欠阻尼系统以具有第一相的阻尼频率振荡，并且也使得 其以具有第二相的基本相同的阻尼频率振荡，以便第一相的振荡基本上抵消该第二相的振荡。这样的实施例允许技术人员实现更快的设置时间而不降低该欠阻尼系统的响应 时间。
图1是一个弹簧加荷(spring loaded)的电磁透镜组件的实施例图示。图2是图1中的组件的实施例的阶跃响应示图。图3A是驱动波形的一个实施例的示图，该驱动波形可通过降低该组件的过冲/下 冲以及建立时间来改善图1中的透镜组件实施例的响应。图;3B是当使用图3A的驱动波形驱动时，图1中的透镜组件实施例的响应示图。图4A是驱动波形的另一实施例的示图，其可通过降低该透镜组件的过冲和建立
5时间来改善图1中的透镜组件的实施例的响应。图4B是当使用图4A的驱动波形驱动时，图1中的透镜组件的实施例的响应的分 量的示图。图4C是当使用图4A的驱动波形驱动时，图1中的透镜组件的实施例的总体响应 (即，响应分量之和)的示图。图5是使用图4A的波形实施例驱动图1中的透镜组件实施例的驱动电路的一个 实施例的图示。图5A是图5中的可编程信号发生器的一个实施例的图示。图6是使用图4A中的波形实施例驱动图1中的组件实施例的驱动电路的另一实 施例的图示。图7是可结合图1中的透镜组件的实施例以及图5与6中的驱动电路的实施例的 一个系统的图示。
具体实施例方式图1是弹簧加荷的电磁透镜组件10的一个实施例的图示，该组件包括可聚焦的透 镜12。该透镜组件10可以是诸如照相机或录影机之类的系统(图1中未示出)的一部分。 美国专利US 7，612，957中示出了这种透镜组件的一个实例，其通过援引并入本文。除了透镜12之外，该透镜组件10还包括弹簧14，其用于迫使透镜趋向参考位置 16，并且该透镜组件10还包括线圈18和至少一个永磁体20 (图1中示出两个磁体)，它们 共同作用迫使透镜远离该参考位置。由于技术人员可以将该透镜组件10模型化为二阶弹 簧质量系统，因此图1中包括阻尼器22，以代表该透镜组件中固有的阻尼水平-该阻尼器不 是该透镜组件的真实部件，但代表着所有阻尼源的组合，例如弹簧14的硬度以及透镜12在 移动中可能遇到的任何摩擦。该线圈18可能包括电阻，但在图1中省略了对其的指示。此 外，有时将该弹簧14、线圈18和至少一个磁体20的组合称为弹簧加荷的音圈马达(vcm)。操作中，安装有该透镜组件10的系统(例如照相机)确定(例如利用图1中未示 出的自动聚焦电路)一个适于该透镜12正确聚焦的位置，并产生以及向线圈18传送对应 的驱动电压Vrail。由于该透镜12将从其当前位置“步进(step)”到聚焦位置，所以该系统 将“步进”该驱动电压Vrail,以便当在该线圈18上施加Vcoil时，该线圈中得到的电流Irail足 够将该透镜移动到聚焦位置、并且之后将该透镜保持在该聚焦位置。例如，假设该透镜12相对于该参考位置16的当前位置为X1,并且聚焦位置X2 (图 1中示出的透镜12的位置)距离该参考位置16比X1更远。因此，为了将该透镜12从\移动到&，该系统将线圈18上的电压VrailW起始线 圈电压Vrail = V1基本上阶跃(St印)至结束线圈电压Vrail = V2，其中V2高于V10由于线圈18用作电感器，因此尽管该线圈中的电流Irail会增大，但是其不会从一 个值阶跃到另一个值，至少不会像电压Vrail从V1阶跃到V2那么快。但是经过一定的时间 段(例如，其取决于例如线圈18的电感值)，驱动电压V2确实会使得该线圈电流Irail从起 始电流Icoil = I1增大到结束电流Icoil = V2/Rcoil = I2,12大于I1，其中Rcoil是线圈18的电 阻值(图1中省略了 U。随着该线圈电流Irail增大，线圈18产生的磁场的量值增大，并且该增大的线圈磁场与磁体20产生的磁场相互作用，从而增大作用在远离该参考位置16的方向上的净磁力
F
1 magnetic °随着Fmagnetie增大并且变得大于弹簧力Fsltting，其引起透镜12远离参考位置16的 移动。因此，Fmagneti。继续增大，并且透镜12继续移动，直到Irail达到I2，此时Fmagneti。达到 其稳态值并且透镜12近似到达位置x2，其为图1中示出的该透镜12的位置。只要Vrail和Irail分别保持为V2和12，该透镜12就会近似保持在位置&处。继续参考图1，可以预期该透镜组件10的替代实施例。例如，弹簧14可将该透镜 推离参考位置16，而不是将透镜12拉向参考位置；以及线圈18和磁体20的组合也可迫使 该透镜趋向该参考位置，而不是迫使该透镜远离该参考位置。参考图2，其描述了透镜组件10的一个潜在问题。图2是针对图1中的透镜组件10的一个欠阻尼实施例的透镜12的位置对时间曲 线图，其中线圈18上的电压Vcoil为理论上从Vrail = V1瞬间阶跃到Vrail = \。尽管实际上 Vcoil从V1至V2的瞬间阶跃可能是不切实际的或不可能的，但Vrail从V1至V2的理论阶跃允 许技术人员研究该透镜组件10的阶跃响应，并且因而了解当Vrail在相对短时间内从V1增 大至V2时该透镜组件的运作。参考图1和图2，如果该透镜组件10为欠阻尼的(即，阻尼水平相对较低)并且 该线圈电压Vrail快速地从V1增大到V2以便将该透镜12从^c1移动到&，那么该透镜12将 越过&，并围绕&以指数衰减的方式振荡一段时间。一个系统初始过冲，以及随后在周围 振荡，最后达到稳态值(这里的位置，这样的系统的阶跃响应可以被称为欠阻尼阶跃响 应。例如，如图2中所示，该透镜12的一个实施例最初会越过、的越过量大约是X1与&之 间差值的80%，并且使该振荡的幅度稳定在X1与&之间差值的10%之内所需的时间约为 150毫秒(ms)。相似的分析的也适用于在V1大于V2并且X1大于&的情况，这种情况下该 透镜12未达到其所期望的新的聚焦位置&。遗憾的是，诸如图2所示的相对差的欠阻尼响应，将使得图1中的透镜组件10对 于某些应用是不适宜的。例如，一个具有图2中的欠阻尼响应的透镜组件10的实施例，将 不适宜用在袖珍数码相机应用中，因为该组件花费太长的时间在稳态聚焦位置之间移动透 镜12。用于降低诸如透镜组件10之类的二阶系统的过冲/下冲以及建立时间的一项技 术是增大该组件的阻尼水平。但是增大该阻尼水平会增大将该透镜12从第一位置移动到 另一位置所需的功率，并且该增大的功率可能对于某些应用是不适宜的，这些应用例如是 由电池对该透镜组件10供电的应用。用于降低诸如该透镜组件10之类的二阶系统的过冲/下冲以及建立时间的另一 技术将结合图3A与;3B进行描述。图3A是线圈电压Vrail的一个实施例的示图，系统利用该线圈电压Vrail可驱动图1 中的线圈18。图;3B是当利用图3A的Vrail驱动线圈18时，图1中的透镜组件10的一个实施例 的响应示图。参考图3A，取代尽可能快地改变该线圈18驱动电压Vrail，安装有透镜组件10的系统可延长改变Vrail的时间。例如，该系统可通过一系列阶跃将VrailWV1增大到V2,其中每 次阶跃具有基本上相同的电压大小和基本上相同的持续时间。然而参考图3B，即使增大该系统改变驱动电压Vrail的时间，也可能无法使得该透 镜组件10的实施例适合于某些应用。尽管增大改变Vrail的时间可以降低过冲/下冲的幅 度，但其也会使建立时间增大至一个不合适的水平。即，增大Vrail增加或减小的时间以使该 透镜组件10的过冲/下冲达到一个合适的水平，可能会不利地使该透镜组件的建立时间增 大至一个不适宜的水平。参考图4A-图4C，描述了另一种技术，用于降低该透镜组件10 (或任何其他欠阻尼 二阶系统)的一个欠阻尼实施例的过冲/下冲幅度以及建立时间。图4A是多分量电压Vrail的示图，系统可以利用该电压驱动图1中的线圈18。图4B是图1中的透镜组件10的一个实施例对图4A中的各Vrail分量的相应的响 应的示图。图4C是图1中的透镜组件10的一个实施例对图4A中的Vrail的总体响应的示图。参考图4A-图4C，通常，该技术的实施例使用多分量驱动信号来驱动二阶系统(例 如图1中的透镜组件10)，使得由每个驱动信号分量引起的衰减振荡基本上彼此抵消。艮口， 一旦系统达到期望的新位置，其基本上停留在那里。因此，其有效建立时间近似与该系统第 一次达到该新位置所需的时间相等。而且，该系统可以比增大该系统的物理阻尼水平以降 低过冲/下冲的情况更快地达到该新的位置。例如，参考图1与图4A，结合有该透镜组件10的系统可以以分别具有幅度A1和A2 的两个分量阶跃30和32来改变该线圈18上的驱动电压Vrail,其中该第二分量阶跃32大 约在该第一分量阶跃30之后的Τ/2时刻开始，其中T为每个分量阶跃引起该透镜组件振荡 的周期，并且其中VA2 = G = V2-V10参考图1和图4Α-4Β，图4Α的Vrail的分量30和32分别引起该透镜组件10中的 振荡分量34和36，其中该分量34和36基本上彼此抵消。该分量34和36具有相同的振荡 频率fd，但是分别具有不同的稳态幅度D1和D2,以致& = h+Di+Dy但是由于在Vcoil分量 30施加到线圈18之后大约Τ/2 (T = l/fd)时刻向线圈18施加Vcoil分量32，因此该振荡分 量36相对于该振荡分量34移动大约1800°因此，在大约T/2的时刻开始，该分量36的振 荡(即过冲和下冲部分)抵消该分量34的振荡。例如，该振荡分量34的波峰基本上与该 振荡分量36的波谷对准，并因此基本上抵消该振荡分量36的波谷，反之亦然。因此，参考图4C，在T/2时刻开始，该振荡分量34和36的总和近似等于恒定位置 X2 = Xl+Di+D2。S卩，通过使用与图4A中相似的波形驱动欠阻尼系统，技术人员可以有效地增 大欠阻尼系统的阻尼水平而不会降低该系统的响应时间(例如，图4C中该透镜12从位置 Xl行进站到位置x2所花费的时间)。参考图1和图4A-图4C，这样的技术可以降低该透镜组件10的过冲/下冲幅度和 建立时间这两者。并且这种技术可以如此简化地完成不需要修改该透镜组件10的物理特 性(例如，阻尼水平或阻尼系数)。因此，由于可以通过编程/修正驱动波形而非物理修改 系统来调整系统的过冲/下冲幅度，建立时间，或者调整过冲/下冲幅度以及建立时间这两 者，这种技术可以降低制造诸如透镜组件10之类的系统的时间和成本。仍然参考图1和图4A-图4C，其描述了用于计算Vrail分量30和32的幅度A1及A2的一个买施例。诸如透镜组件10之类的二阶系统的位置χ关于时间t的关系可以根据如下等式 描述
权利要求
1.一种电路，包括第一发生器，可操作用于产生第一驱动信号；以及第二信号发生器，可操作用于接收所述第一驱动信号和第二驱动信号，并从所述第一 和第二驱动信号产生在第一持续时间内具有第一幅度以及在所述第一持续时间之后具有 第二幅度的系统驱动信号，所述系统驱动信号可使得欠阻尼系统基本上以阻尼方式运作。
2.根据权利要求1所述的电路，进一步包括第三信号发生器，其可操作用于产生所述 第二驱动信号。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一发生器可操作用于产生具有近似所述第一幅度的第一驱动信号；以及 所述第二发生器可操作用于接收具有近似所述第二幅度的第二驱动信号。
4.根据权利要求1所述的电路，进一步包括其中所述第一发生器可操作用于产生具有近似所述第一幅度的第一驱动信号；以及 第三发生器可操作用于产生具有近似与所述第一和第二幅度之间的差近似相等的第 三幅度的第二驱动信号。
5.根据权利要求1所述的电路，进一步包括其中所述第一发生器可操作用于产生具有近似所述第一幅度的第一驱动信号；以及 第三发生器可操作用于接收第三驱动信号，并从所述第三驱动信号产生具有近似与所 述第一和第二幅度之间的差近似相等的第三幅度的第二驱动信号。
6.根据权利要求1所述的电路，进一步包括其中所述第一发生器可操作用于产生具有近似所述第一幅度的第一驱动信号； 第三发生器可操作用于产生具有近似与所述第一和第二幅度之间的差近似相等的第 三幅度的第二驱动信号；以及其中所述第二发生器可操作用于在所述第一持续时间之后组合所述第一和第二驱动 信号。
7.根据权利要求1所述的电路，其中所述第二信号发生器可操作用于通过相对所述第 一驱动信号延迟所述第二驱动信号来产生所述系统驱动信号。
8.根据权利要求1所述的电路，其中所述第二信号发生器可操作用于通过相对所述第 一驱动信号将所述第二驱动信号延迟大约半个系统响应频率周期，从而产生所述系统驱动 信号。
9.根据权利要求1所述的电路，进一步包括第三发生器，其可操作用于产生相对所述 第一驱动信号延迟的第二驱动信号。
10.根据权利要求1所述的电路，进一步包括第三发生器，其可操作用于产生相对所述 第一驱动信号延迟了大约半个系统响应频率周期的第二驱动信号。
11.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一发生器可操作用于接收所述第二驱动 信号，并从所述第二驱动信号产生所述第一驱动信号。
12.—种系统，包括 欠阻尼子系统；以及可操作用于驱动所述子系统的电路，所述电路包括 第一发生器，可操作用于产生第一驱动信号；以及第二信号发生器，可操作用于接收所述第一驱动信号和第二驱动信号，并从所述第一 和第二驱动信号产生在第一持续时间内具有第一幅度以及在所述第一持续时间之后具有 第二幅度的系统驱动信号，所述系统驱动信号可使得欠阻尼系统基本上以阻尼方式运作。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述欠阻尼子系统包括欠阻尼二阶子系统。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述欠阻尼子系统包括电子马达。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述欠阻尼子系统包括弹簧加荷的音圈马达。
16.根据权利要求12所述的系统，其中所述欠阻尼子系统包括透镜组件。
17.根据权利要求12所述的系统，进一步包括控制器，其可操作用于产生所述第二驱 动信号。
18.根据权利要求12所述的系统，进一步包括 控制器，可操作用于产生所述第二驱动信号；以及其中所述第一信号发生器可操作用于从所述第二驱动信号产生所述第一驱动信号。
19.根据权利要求12所述的系统，进一步包括 控制器，可操作用于产生第三驱动信号；第三信号发生器，可操作用于从所述第三驱动信号产生所述第二驱动信号；以及 其中所述第一信号发生器可操作用于从所述第三驱动信号产生所述第一驱动信号。
20.一种方法，包括在第一时间周期内，使用具有第一量值的驱动信号驱动欠阻尼系统；以及 响应于所述第一时间周期的结束，将所述驱动信号从第一量值改变为第二量值。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第二量值大于所述第一量值。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一时间周期近似等于所述系统的阻尼共 振频率周期的一半。
23.根据权利要求20所述的方法，进一步包括在第一时间周期中，从具有第一量值的第一信号产生所述驱动信号；以及 响应于所述第一时间周期的结束，从具有第二量值的第二信号产生驱动信号。
24.根据权利要求20所述的方法，进一步包括在第一时间周期中，从具有第一量值的第一信号产生所述驱动信号；产生量值近似等于所述第一和第二量值之间的差的第二信号；以及响应于所述第一时间周期的结束，从所述第一和第二信号的组合产生所述驱动信号。
25.根据权利要求20所述的方法，进一步包括在第一时间周期中，从具有第一量值的第一信号产生所述驱动信号； 产生量值近似等于所述第一和第二量值之间的差的第二信号； 将所述第二信号延迟大约所述第一时间周期；以及 从所述第一信号和经延迟的第二信号的组合产生所述驱动信号。
26.一种方法，包括使欠阻尼系统以具有第一相的阻尼频率振荡；以及使所述系统以基本上具有第二相的阻尼频率振荡，使得第一相的振荡基本上抵消第二 相的振荡。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括使所述系统以第一相振荡一段时间之后，使所述系统以第二相振荡。
28.根据权利要求26所述的方法，进一步包括使所述系统以第一相振荡大约半个振 荡周期之后，使所述系统以第二相振荡。
29.根据权利要求26所述的方法，其中第一和第二相之间的差大约为180度。
30.根据权利要求26所述的方法，其中以第一和第二相进行的振荡包括各自的衰减振荡。
31.根据权利要求26所述的方法，其中以第一和第二相进行的振荡包括各自的指数衰 减振荡。
32.根据权利要求26所述的方法，进一步包括 以第一系数缩放所述第一相的振荡；以第二系数缩放所述第二相的振荡；以及其中随着时间的推移，所述系统的位置接近所述第一和第二系数之和。
33.根据权利要求26所述的方法，进一步包括在第一时间，通过向所述系统施加第一幅度的近似阶跃输入来引起在第一相的振荡；以及在第二时间，通过向所述系统施加第二幅度的近似阶跃输入来引起在第二相的振荡。
34.根据权利要求26所述的方法，其中 所述第二时间在所述第一时间之后；以及 所述第一幅度大于所述第二幅度。
全文摘要
本发明改善欠阻尼系统的响应。用于驱动欠阻尼系统的电路包括第一和第二信号发生器。第一发生器可操作用以产生第一驱动信号。以及第二发生器可操作用以接收第一驱动信号和第二驱动信号，并从第一和第二驱动信号产生在第一持续时间内具有第一幅度以及在第一持续时间之后具有第二幅度的系统驱动信号，该系统驱动信号可操作用以使得欠阻尼系统基本上以阻尼方式运作。第一和第二发生器中的任一个或全部都可被编程，使得技术人员可以通过产生合适的驱动信号而非物理修改该系统本身来调整任意欠阻尼系统的响应。这样的实施例允许技术人员实现更快的设置时间而不降低该欠阻尼系统的响应时间。
文档编号G02B7/04GK102116922SQ20091100009
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者欧伟, 赵建华, 郜小茹 申请人:意法半导体研发(上海)有限公司