调节装置、转速传感器和借助谐波期望值信号驱动调节装置的方法
【专利摘要】一种调节装置包括：传感器单元(170)，所述传感器单元输出描绘振荡器(190)沿着激励方向的偏转的测量信号。调节器主单元(200)从所述测量信号和谐波期望值信号中推导出用于致动器单元的控制信号，使得致动器单元(180)抵消振荡器(190)的偏转与谐波谐振的期望振幅的偏差。调节器扩展单元(600)在致动器单元(180)关断时估计振荡器(190)的残余振荡的实际相位和实际振幅并且将谐波期望值信号同步到残余振荡上。包含在所述残余振荡中的能量被利用，以便更快地达到振荡器的已定义的运行状态。
【专利说明】调节装置、转速传感器和借助谐波期望值信号驱动调节装置的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种调节装置、特别是转速传感器机构的调节装置，其具有谐波参考变量或者具有谐波期望值信号。此外，本发明还涉及一种用于借助谐波参考变量驱动调节装置的方法。
【背景技术】
[0002]通常的调节方法按具有恒定的或者仅缓慢改变的参考变量的调节问题而制定，其中受干扰变量影响的调节变量的值被保持尽可能逼近预设的期望值，或者被跟踪尽可能逼近变化的期望值。一些应用例如用于分析科氏力的微机械的转速传感器，通过调节回路设置具有谐振频率和限定的振荡振幅的振荡器的激励。调节器在此调节由其产生的力信号，使得预设的谐波的期望信号与所测量的振荡器运动之间的差异消失。
[0003]通常在此，描绘振荡器沿着激励方向的运动的测量信号首先被输送给解调器。解调器将测量信号与具有角频率《d的谐波信号相乘，所述角频率对应于振荡器的谐振角频率ω0。调节本身通过基带中的恒定的、在任何情况下与谐振角频率无关的期望值信号来进行。调节器的输出信号于是在调制器中又被调制到具有角频率ωπι的谐波信号上，所述角频率对应于振荡器的谐振角频率ω O。调制结果与预设的期望信号比较。这两个信号之差最终控制致动器，所述致动器根据调节器信号将力施加到振荡器上，使得该振荡器根据预设的期望振荡而振荡。由于调节在基带中进行，所以在调制器之后低通滤波器对混合产物进行滤波，尤其是在双倍的谐振频率的情况下，由此一般而言调节器的带宽并进而其反应速度被限制到偏转的改变上。
[0004]在申请时刻尚未公开的德国专利申请DE102010055631.9中描述了谐波期望值信号在振荡器的谐振角频率《O的频带中的调节。
[0005]在许多应用领域中，振汤器在驱动关断之后以裳减的振幅继续振汤。如果调节在振荡器的衰减阶段中被激活，那么起动时间取决于衰减的振荡与期望值信号之间的相位差和振幅差。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是一种调节器方案，用于改进调节装置针对谐波参考变量的接通特性。所述目的通过独立权利要求的主题来实现。优选的改进方案从相应的从属权利要求中得出。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]在下文中参照附图描述了本发明的实施形式、其运行方式以及其优点。所述实施形式的要素可以彼此组合，只要其不彼此排斥。
[0008]图1示出具有根据本发明的一种实施形式的调节装置的一种装置的示意性框图，该调节装置包括用于基于谐波期望值信号控制谐波振荡的调节器主单元和用于使谐波期望值信号同步化的调节器扩展单元。
[0009]图2A示出具有根据另一种实施形式的图1的调节器扩展单元的细节的简化的框图。
[0010]图2B示出具有根据另一种实施形式的图2A的调节扩展单元的其它细节的框图。
[0011]图3A示出具有根据一种实施形式的调节装置的一种装置的示意性框图，该调节装置与调节器主单元有关，该调节器主单元具有用于谐波期望值信号的连续的PI调节器和死区时间元件。
[0012]图3B示意性地示出根据图3A的PI调节器的传递函数。
[0013]图4A示出具有根据一种实施形式的调节装置的一种装置的示意性框图，该调节装置与调节器主单元有关，该调节器主单元具有用于谐波期望值信号的离散的PI调节器和死区时间元件。
[0014]图4B示意性地描述了图4A中的调节器主单元的传递函数。
[0015]图5A示出具有根据一种实施形式的调节装置的一种装置的示意性框图，该调节装置与调节器主单元和类似于带通起作用的调节器附加物有关，该调节器主单元具有用于谐波期望值信号的离散的PI调节器。
[0016]图5B示意性地示出根据图5A的调节器附加物的传递函数。
[0017]图6A示出对根据本发明的另一种实施形式的转速传感器的微机械的部分的示意性俯视图。
[0018]图6B示出图6A的转速传感器的微机械的部分的示意性截面图。
[0019]图6C不出根据图6A和6B的转速传感器的不意性框图。
[0020]图7示出对根据本发明的另一种实施形式的转速传感器的微机械的部分的示意性俯视图。
[0021]图8示出用于驱动调节装置的方法的简化的流程图。
[0022]具体实施形式
[0023]在图1中所示的装置100包括振荡器190和调节装置，其带有调节器主单元200和调节器扩展单元800。振荡器190是块体，该块体沿着激励方向可运动地悬挂并且能沿着激励方向以谐振频率ω0振荡。在静止的情况下，振荡器190进行谐振角频率ωΟ的平移的或者旋转的振荡。根据一种实施形式，振荡器190是激励单元、科氏单元或者转速传感器的检测单元。转速传感器例如可以构造为MEMS (微机电系统)。
[0024]传感器单元170检测振荡器190的运动并且输出测量信号，该测量信号描绘振荡器190沿着激励方向的总偏转。该测量信号对应于用于调节器主单元200的调节器输入信号。调节器主单元200将调节器输入信号与由调节器扩展单元600输出的谐波期望值信号比较并且基于信号差形成调节器输出信号，该调节器输出信号被输出到致动器单元180。调节器主单元200确定调节器输出信号，使得致动器单元180产生力信号，以至于预设的谐波期望信号与所测量的振荡器运动190之间的差消失。
[0025]根据一种实施形式，调节器扩展单元600包括致动器激活单元695，致动器单元180可以经由该致动器激活单元激活。在图1的框图中，致动器激活单元695作为在将调节器输出信号输送给致动器单元180中的开关来示出，其中该开关可以通过调节器扩展单元600的输出信号来控制。
[0026]调节器扩展单元600通过调节装置来激活，例如通过接通驱动电压来激活。致动器单元180首先保持被去活。振荡器190根据既往记录处于静止中或者在致动器单元180去活时进行残余振荡。调节器扩展单元600仍在致动器单元180去活时从测量信号中确定振荡器190的这样的残余振荡的实际相位和实际振幅并且将匹配于实际相位和实际振幅的、经同步的谐波期望值信号输出给调节器主单元200。一旦谐波期望值信号或者有由此导出的经同步的控制信号供使用，那么调节器扩展单元600经由致动器激活单元695激活致动器单元180，使得振荡器190的残余振荡的振幅以相位同步的方式放大，直至期望振幅，并且在此包含在残余振荡中的能量被利用。
[0027]调节器扩展单元600允许将振荡器从所有可考虑的初始状态在短时间内调节到其期望振幅并且将其保持在那里。尤其当振荡器190在驱动器或者致动器单元180去活之后要在衰减时间内的任意时间点又被置于振荡至期望振幅时才出现残余振荡。
[0028]根据一种实施形式，调节装置200、600和振荡器190是导航仪的转速传感器的组成部分，特别是用于飞行器的导航仪的转速传感器的组成部分，所述导航仪在短暂电流故障之后必须在尽可能短促的时间内又转到不受干扰的运行状态。调节器扩展单元600估计振荡器190的现有的、裳减的残余振荡的振幅和相位位置。
[0029]根据一种实施形式，调节器扩展单元600具有卡尔曼滤波器，用于估计振幅和相位位置。在考虑内部的信号运行时间的情况下从残余振荡的振幅和相位位置中推导用于谐波期望值信号的相位和振幅正确的接通的起始相位和起始振幅。利用现有的残余振荡，使得在短暂切断后的重新起动的持续时间被缩短。仍存在的残余振荡的振幅越大，所需要的时间越少，以便让振荡器又以期望振幅振荡。由此尤其在电流供给短暂故障之后，减小了包括调节装置200、600的系统的重新起动时间(起动时间(Hochlaufzeit))。
[0030]根据在图1中所示的实施形式，调节器扩展单元600包括检测单元610和同步单元620。检测单元610至少在装置100的起始相位中例如在重新接通驱动电压之后从测量信号中确定振荡器190的残余振荡的实际相位和实际振幅。从实际相位和实际振幅以及其它系统参数例如信号运行时间和信号延迟时间中，检测单元601确定同步信息，该同步信息预设由同步单元620产生的谐波期望值信号的相位和振幅。同步单元620接收同步信息并且将通过同步信息确定的谐波期望值信号转送给调节器主单元200上。例如，调节器主单元200具有求和单元221，该求和单元从由同步单元620输出的谐波期望值信号和测量信号中形成差分信号。
[0031]根据一种实施形式，谐波期望值信号的谐振角频率通过振荡器190的谐振角频率《O来预设，其中该频率也作为起始值来估计实际相位和实际振幅。根据另一种实施形式，调节器补充单元600包括温度检测单元，其中检测单元610以对实际相位和理论相位的估计作为振荡器190的经温度校正的谐振角频率的基础并且谐振期望值信号以经温度校正的谐振角频率振荡。
[0032]根据在图1中所示的实施形式，调节器扩展单元600包括频率存储单元630，该频率存储单元以时间间距保存描述振荡器190的振荡频率的频率信息。根据一种实施形式，频率存储单元630周期性地在非易失性存储器中保存瞬时的谐振角频率。例如，将更新频率选择为，使得能够进行典型应用的温度改变。根据一种实施形式，更新频率在IHz至IOOHz的范围中，例如大约IOHz。
[0033]调节器补充单元600调用频率信息，用于估计振荡器190的残余振荡的实际相位和实际振幅和/或使用存储在那里的频率信息来生成谐波期望值信号，例如控制产生期望值信号的振荡器。在对于重新接通重要的时长内，也就是说，在振荡器190的振荡的衰减时间内，温度几乎不改变并进而振荡器190的谐振角频率几乎不改变，以至于在连续的运行中最后存储在非易失性存储器中的用于重新启动后的驱动频率的值可以是用于振荡器190的实际谐振角频率的足够好的近似值并且能够被用作为用于调节的起始值。微机械的转速传感器中的振荡器例如具有在IOs的范围中的时间常数。在力激活关断之后，例如在驱动电压减损之后，振荡器在大约30s后始终以期望振幅的大约5%来振荡。
[0034]根据一种实施形式，检测单元610的过程控制部控制致动器激活单元695，使得致动器单元180当调节器补充单元600输出相位和振幅同步的谐波期望值信号时才被激活。根据一种实施形式，致动器激活单元695是开关机构，例如数字开关，该开关机构当相位和振幅正确的谐波期望值信号提供给调节器主单元200时才将调节器主单元200的调节器输出信号提供给致动器单元180。
[0035]根据另一种实施形式，检测单元610最迟在确定同步信息之后去活调节器补充单元600的不再被需要的这种部分单元。
[0036]图2A示出检测单元610的细节。根据一种实施形式，检测单元610包括滤波器单元612。例如，模拟的测量信号被以采样时间T采样，并且在此转换为数字测量信号。滤波器单元612从测量信号的采样值、用于包含在测量信号中的测量噪声的方差的估计值和用于测量信号的恒定的振幅偏移的估计值中估计用于残余振荡的时间曲线的估计值，例如所期望的过零。根据一种实施形式，滤波器单元612在此使用如下频率信息，所述频率信息例如从频率存储单元630中读取。控制单元616从用于残余振荡的时间曲线的估计值中确定基于实际相位和实际振幅的同步信息。在此，控制单元616考虑由滤波、所需要的计算和瞬态振荡延迟所产生的延迟。控制单元616计算起始相位和用于谐波期望值信号的振幅的起始值As以及时间点h，在该时间点，这样计算的谐波期望值信号在相位上与振荡器190的实际振荡相同。
[0037]同步单元620例如包括可控制的振荡回路622，该振荡回路的相位是可控制的。根据一种实施例，振荡器的频率也是可控制的。振荡器的频率例如是受温度控制的，以至于可以跟随振荡器190的谐波的谐振角频率的与温度有关的改变。根据另一种实施形式，振荡回路622的谐振角频率(pr通过频率存储单元630中的最后的项来预设。关于最后存储的频率的信息可以直接从频率存储单元630中被输送给振荡回路622或者可以经由控制单元616被输送给振荡回路622。
[0038]谐波期望值信号的振幅被控制为，使得该振幅根据一时间函数r(t)从与振荡器190的振汤的所估计的实际振幅相对应的起始振幅值As出发上升到振汤器190的谐波振汤的振幅的期望值。控制单元616对此例如输出具有被估计的实际振幅的起始值和期望值振幅的终值的斜坡信号，该斜坡信号的时间曲线和/或时间常数匹配于实际相位。
[0039]乘法器单元626将振幅信号As.r(t)与振荡回路622的输出信号相乘。在求和点221处形成谐波期望值信号与测量之间的差。根据一种实施形式，控制单元616关断滤波器单元612，一旦其结果已被传输到控制单元616。滤波器单元612的关断例如降低了电流消耗。附加地，在微处理器中实现时，估计所需要的计算能力可以自由地用于在装置的正常运行中所需的计算运算。根据另一种实施形式，控制单元616控制图1的致动器激活单元695，使得致动器单元180在时间点&被接通。
[0040]根据一种实施形式，调节器扩展单元600包括前级单元640。前级单元640从测量信号中确定，残余振荡的振幅A是否低于最小阈值Axmin。如果情况如此，那么由此得出，振荡器不再进行显著的残余运动并且振荡器可以毫无问题地从静止中启动。根据一种实施形式，谐波期望值信号因此以起始振幅As = Axmin启动。相位位置在从静止状态启动时是任意的并且谐波期望值信号的频率例如从温度的知识和用于振荡器190的线性的温度模型中确定或者从频率存储单元630中读取。根据一种实施形式，前级单元640从几个振荡周期中确定最大值Amax和最小值Amin并且根据方程I和2从所述值Amax和Amin中计算瞬时振荡振幅A的粗值和瞬时振荡偏移Atl:
【权利要求】
1.一种调节装置，包括: 传感器单元(170)，所述传感器单元适合于输出描绘振荡器(190)沿着激励方向的偏转的测量信号， 作用于所述振荡器(190)的致动器单元(180)，所述致动器单元能够通过控制信号来控制，其特征在于， 调节器主单元(200)，所述调节器主单元适合于从所述测量信号和谐波期望值信号中推导出用于所述致动器单元(180)的控制信号，使得所述致动器单元(180)抵消所述振荡器(190)的偏转与所述振荡器(190)的谐波谐振的期望振幅的偏差，以及 调节器扩展单元(600)，所述调节器扩展单元适合于，在致动器单元(180)去活时从所述测量信号中确定所述振荡器(190)的残余振荡的实际相位和实际振幅并且将匹配于所述实际相位和所述实际振幅的谐波期望值信号输出到所述调节器主单元(200)，使得在所述致动器单元(180)激活后，所述振动器(190)的残余振荡的振幅以相位同步的方式放大直至期望振幅并且在此包含在所述残余振荡中的能量被利用。
2.根据权利要求1所述的调节装置，其特征在于， 所述调节器主单元(200)是用于谐波期望值信号的调节器机构(225、325)，其中所述调节器机构(225、325)包括至少一个比例传递元件(224、324)和与所述比例传递元件 (224,324)并联地设置的积分传递元件(222、322)，并且所述调节器主单元(200)的调节器输入端与这两个传递元件(222、224、322、324)连接，以及 所述调节器机构(225、325)的传递函数在s平面中在调节器角频率《r处具有共轭复极点或者在z平面中在^ 处具有共轭复极点，其中T是所述调节器机构(225、325)的离散的输入信号的采样时间并且大于O。
3.根据权利要求2所述的调节装置，其特征在于， 所述积分传递元件(222、322)的积分作用系数和所述比例传递元件(224、324)的放大因数被选择为，使得所述调节器机构(225、325)在所述调节器输入端上加载所述调节器角频率的通过阶跃函数调制的谐波输入信号时适合于在所述调节器输出端上产生所述调节器角频率ω!.的具有提闻的振幅的谐波振荡。
4.根据权利要求3所述的调节装置，其特征在于， 所述积分作用系数和所述放大因数被选择为，使得所述调节器机构(225、325)的所述传递函数的零点补偿所述振荡器(190)的传递函数的极点。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的调节装置，其特征在于，所述调节器扩展单元(600)具有: 检测单元(610)，所述检测单元适合于，从所述测量信号中确定所述振荡器(190)的残余振荡的实际相位和实际振幅并且从所述实际相位和所述实际振幅中确定用于所述谐波期望值信号的同步信息，使得通过所述致动器单元(180)将所述振荡器(190)的残余振荡的振幅相位同步地放大并且包含在所述残余振荡中的能量能够被利用，以及 同步单元(620)，所述同步单元适合于，接收所述同步信息并且基于所述同步信息确定所述谐波期望值信号的相位和起始振幅值。
6.根据权利要求5所述的调节装置，其特征在于，所述检测单元(610)具有:滤波器单元(612)，所述滤波器单元适合于，从所述测量信号、用于瞬时振荡频率的估计值、用于包含在所述测量信号中的测量噪声的方差的估计值和用于所述测量信号的恒定的振幅偏移的估计值中确定用于所述残余振荡的时间曲线的估计值，以及 控制单元(616)，所述控制单元适合于，从用于所述残余振荡的时间曲线的估计值中确定并且输出描述所述实际相位和所述实际振幅的同步信息。
7.根据权利要求6所述的调节装置，其特征在于， 所述控制单元(616)适合于，在输出所述同步信息后，去活所述滤波器单元(612)。
8.根据权利要求6或7所述的调节装置，其特征在于， 所述控制单元(616)适合于，在输出所述同步信息后，激活所述致动器单元(180)。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的调节装置，其特征在于， 所述调节器扩展单元(600)适合于，使所述期望值振荡的振幅在预设的时长内从所述起始振幅值提高到期望振幅值。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的调节装置，其特征在于， 所述滤波器单元(61 2)是卡尔曼滤波器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的调节装置，其特征在于， 所述调节器扩展单元(600)包括频率存储单元(630)，所述频率存储单元适合于，时间间隔地存储描述所述振荡器(190)的当前振荡频率的频率信息， 所述调节器补充单元(600)此外适合于，使用被存储的频率信息用于估计所述振荡器(190)的残余振荡的实际相位和实际振幅和/或用于生成所述谐波期望值信号。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的调节装置，其特征在于，所述调节装置是转速传感器(500、505)的部分，所述转速传感器构成作为激励单元(590)、科氏单元(585)或检测单元(580)的振荡器并且所述致动器单元是传力器(561)，所述科氏单元(585)固定在所述激励单元(590)上，使得所述科氏单元(585)跟随所述激励单元(590)沿着所述激励方向的运动并且附加地沿着垂直于所述激励方向的检测方向能运动，以及 所述检测单元(580)固定在所述激励单元(590)或者所述科氏单元(585)上，使得所述检测单元(580)跟随所述激励单元(590)沿着所述激励方向的运动并且附加地沿着垂直于所述激励方向的检测方向能运动，或者 所述检测单元(580)跟随所述科氏单元(585)沿着垂直于所述激励方向的检测方向的运动并且沿着所述激励方向固定。
13.—种转速传感器,包括: 能运动地安置的振荡器(190)，所述振动器在激励方向上能够被激励进行谐波谐振，传感器单元(170)，所述传感器单元适合于输出描绘所述振荡器(190)沿着所述激励方向的偏转的测量信号， 作用于所述振荡器(190)的致动器单元(180)，所述致动器单元能够通过控制信号来控制，其特征在于， 调节器主单元(200)，所述调节器主单元适合于从所述测量信号和谐波期望值信号中推导出用于所述致动器单元(180)的控制信号，使得所述致动器单元(180)抵消所述振荡器(190)的偏转与谐振的期望振幅的偏差，以及调节器扩展单元(600)，所述调节器扩展单元适合于，在致动器单元(180)去活时从所述测量信号中确定所述振荡器(190)的残余振荡的实际相位和实际振幅并且将匹配于所述实际相位和所述实际振幅的谐波期望值信号输出到所述调节器主单元(200)，使得在所述致动器单元(180)激活后，将所述振动器(190)的残余振荡的振幅以相位同步的方式放大直至期望振幅并且在此包含在所述残余振荡中的能量被利用。
14.根据权利要求13所述的转速传感器，其中 所述振荡器是激励单元(590)，所述激励单元通过传力器(561)能够沿着激励方向偏转并且适合于以谐振角频率Otl振荡。
15.一种用于借助谐波参考变量驱动调节装置的方法，所述方法包括: 借助于传感器单元(170)产生描述振荡器(190)沿着激励方向的偏转的测量信号， 基于在致动器单元(180)去活 时对所述振荡器(190)的残余振荡的实际相位和实际振幅的估计产生相位同步并且振幅同步的谐波期望值信号， 从所述测量信号和所述相位同步并且振幅同步的谐波期望值信号中产生用于致动器单元(180)的经同步的控制信号，使得所述致动器单元(180)能够抵消所述振荡器(190)与谐波振荡的偏差，以及 随着提供所述经同步的控制信号或者在提供所述经同步的控制信号之后，激活所述致动器单元(180)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于， 所述调节器主单元(200)是用于谐波期望值信号的调节器机构(225、325)，其中所述调节器机构(225、325)包括至少一个比例传递元件(224、324)和与所述比例传递元件(224,324)并联地设置的积分传递元件(222、322)，并且所述调节器主单元(200)的调节器输入端与这两个传递元件(222、224、323、324)连接，以及 所述调节器机构(225、325)的传递函数在s平面中在调节器角频率《r处具有共轭复极点或者在z平面中在处具有共轭复极点，其中T是所述调节器机构(225、325)的离散的输入信号的采样时间并且大于O。
【文档编号】G01C19/5776GK103988051SQ201280059527
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年10月15日 优先权日:2011年12月1日
【发明者】马库斯·鲁夫 申请人:诺思罗普·格鲁曼·利特夫有限责任公司