DE102015108218A1

DE102015108218A1 - Zustandsbeobachter

Info

Publication number: DE102015108218A1
Application number: DE102015108218.7A
Authority: DE
Inventors: Andrei-Daniel Basa; Dirk Hammerschmidt; Alexandra Iosub
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2015-12-03
Also published as: CN105278399A; US20150346703A1

Abstract

Zustandsbeobachter und Systeme, die Wellendigitalfiltermodelle anwenden, werden diskutiert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Zustandsbeobachter (im Englischen als „state observer“ bezeichnet), auf Steuerungssysteme, die für Steuerungsvorrichtungen mit einem Zustandsbeobachter anwendbar sind, und auf entsprechende Verfahren.
Hintergrund
In vielen Anmeldungen kann eine Steuerungseinheit eine gesteuerte Vorrichtung, beispielsweise eine elektronische Vorrichtung, eine mechanische Vorrichtung oder eine elektromechanische Vorrichtung, durch Senden eines oder mehrerer Steuersignale an die gesteuerte Vorrichtung steuern. In einigen Fällen kann die Steuerungseinheit das eine oder die mehreren Steuersignale auf Basis einer Rückmeldung von der gesteuerten Vorrichtung erzeugen, beispielsweise auf Basis eines Ausgangssignals der gesteuerten Vorrichtung.
In einigen Fällen ist es jedoch wünschenswert, das eine oder die mehreren Steuersignale nicht nur auf Basis einer Rückmeldung von der Vorrichtung zu erzeugen, sondern auch auf Basis von einem oder mehreren interne Zuständen der gesteuerten Vorrichtung, beispielsweise der internen Spannungen oder internen Ströme. Derartige interne Zustände können schwierig zu messen sein.
Daher wird in einigen Fällen ein Zustandsbeobachter eingesetzt, der eine Einheit ist, typischerweise computer-implementiert, die eine Schätzung von einem oder mehreren internen Zuständen der gesteuerten Vorrichtung bereitstellt. Für eine derartige Computer-Implementierung muss normalerweise die gesteuerte Vorrichtung, die ein kontinuierliches Zeitsystem sein kann, durch diskrete Zeitgleichungen angenähert werden. In Fällen, in denen die gesteuerte Vorrichtung mehrere dynamische Effekte umfasst, die miteinander wie ein Transistor und eine Last, beispielsweise Kondensatoren und Induktoren umfassend, wechselwirken, können zusätzliche Verzögerungen eintreten. Derartige zusätzliche Verzögerungen können Parameter- (beispielsweise Widerstands-, Induktivitäts- und Kondensatorwerte) abhängige Stabilitätsprobleme eines parametrisierten Modells der gesteuerten Vorrichtung hervorrufen, wobei das Modell zur Implementierung des Zustandsbeobachters herangezogen wird, auch wenn das Modell lediglich ein passives System darstellt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, verbesserte Möglichkeiten zur Steuerung einer Vorrichtung sowie einen hierfür geeigneten Zustandsbeobachter bereitzustellen.
Kurzzusammenfassung
Es werden ein System nach Anspruch 1, ein Zustandsbeobachter nach Anspruch 12 und ein Verfahren nach Anspruch 16 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild eines Systems gemäß einer Ausführungsform.
2 ist ein Blockschaltbild eines Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform darstellt.
4 ist ein beispielhaftes System gemäß einer Ausführungsform.
5 ist ein Schaltbild, das ein RLC-Netzwerk gemäß einer Ausführungsform darstellt.
Die 6, 7A–7C, 8A–8C, 9A–9C, 10A, 10B, 11A, 11B, 12A, 12B, 13A, 13B, 14A, 14B, 15A und 15B stellen verschiedene Komponenten zur Erstellung eines Zustandsbeobachters gemäß einer Ausführungsform dar.
Die 16A und 16B stellen eine Implementierung eines Wellendigitalfiltermodells für einen Zustandsbeobachter für das RLC-Netzwerk von 5 gemäß einer Ausführungsform dar.
Die 17A–17G, 18A, 18B, 19, 20A–20C, 21A–21C, 22, 23 und 24A–24D stellen die Implementierung von Transistoren und Transistorschaltkreisen unter Anwendung von Wellendigitalfiltern dar.
25 stellt eine in einigen Ausführungsformen anwendbare gesteuerte Vorrichtung dar.
26 stellt ein Wellendigitalfiltermodell für einen Zustandsbeobachter für die Vorrichtung von 25 gemäß einer Ausführungsform dar.
27 stellt Simulationsergebnisse dar, die den Betriebsablauf einiger Ausführungsformen darstellen.
Ausführliche Beschreibung
Nachstehend werden verschiedene Ausführungsformen mit Bezug auf die beigelegten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsformen lediglich zu Zwecken der Darstellung vorgeführt werden, und nicht als einschränkend auszulegen sind. Während beispielsweise Ausführungsformen hierin als eine Vielzahl an Merkmalen oder Elementen umfassend beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt werden können, können in anderen Ausführungsformen einige dieser Merkmale oder Elemente weggelassen und/oder durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. In noch weiteren Ausführungsformen können, neben denjenigen, die ausdrücklich beschrieben oder dargestellt werden, zusätzliche Merkmale oder Elemente bereitgestellt werden.
Merkmale oder Elemente aus verschiedenen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden. Überdies wird darauf hingewiesen, dass die in den Zeichnungen dargestellten oder hierin beschriebenen Verbindungen oder Kopplungen als direkte Verbindungen oder Kopplungen d.h. Verbindungen oder Kopplungen ohne zusätzliche Zwischen-Elemente, oder als indirekte Verbindungen oder Kopplungen d.h. als Verbindungen oder Kopplungen, die ein oder mehrere Zwischen-Elemente umfassen, implementiert werden können, sofern die grundlegende Funktion der Verbindung oder Kopplung, beispielsweise eine gewisse Art von Informationen oder eine gewisse Art eines Signals zu übertragen, im Wesentlichen beibehalten wird. Verbindungen oder Kopplungen können als draht-gebundene Verbindungen oder Kopplungen, drahtlose Verbindungen oder Kopplungen oder als Mischungen davon implementiert werden.
In einigen Ausführungsformen können Zustandsbeobachter unter Anwendung eines Wellendigitalfilters (WDFs), beispielsweise eines WDF-Modells einer gesteuerten Vorrichtung, implementiert werden. In einigen Ausführungsformen können die Wellendigitalfilter unter Anwendung einer Vielzahl an n-Port-Adaptern, beispielsweise Drei-Port-Adaptern, implementiert werden. In einigen Ausführungsformen können unter Anwendung eines derartigen Zustandsbeobachters, der unter Anwendung von Wellendigitalfiltern implementiert wird, interne Zustände einer gesteuerten Vorrichtung geschätzt und bei der Steuerung der gesteuerten Vorrichtung angewandt werden.
In einigen Ausführungsformen können die Wellendigitalfilter RLC(Widerstand-Induktivität-Kondensator)-Komponenten und/oder Transistoren umfassende Komponenten modellieren. In einigen Ausführungsformen können die Transistoren durch Wellendigitalfilter unter Anwendung eines Kleinsignalmodells der Transistoren modelliert werden.
In einigen Ausführungsformen kann unter Anwendung eines Wellendigitalfilters ein stabiles Modell für einen Zustandsbeobachter mit geringen Verzögerungen hinsichtlich einer gesteuerten Vorrichtung implementiert werden, die durch den Zustandsbeobachter modelliert wird.
Mit Bezugnahme auf die Figuren stellt 1 ein System gemäß einer Ausführungsform dar. Das System von 1 umfasst eine Steuereinheit 10, die eine gesteuerte Vorrichtung 11 über ein Steuerausgangssignal oder einen Vektor steuert, was in 1 als „Steuerungsausgang“ bezeichnet wird. Eine Implementierung einer Steuerungseinheit 10 kann von der Beschaffenheit der Steuerungseinheit 10 abhängen. Im Allgemeinen kann die Steuerungseinheit 10 in einer Software, Hardware, Firmware oder in Kombinationen davon implementiert werden. Beispielsweise kann die Steuerungseinheit 10 einen Spannungsregler, eine adaptive PID-Steuerungseinheit, eine Zustandsraumsteuerungseinheit oder jede andere beliebige Art einer herkömmlichen Steuerungseinheit umfassen. Die gesteuerte Vorrichtung 11 kann beispielsweise einen elektronischen Schaltkreis, eine mechanische Vorrichtung oder eine elektromechanische Vorrichtung umfassen, ist aber nicht auf diese Beispiele beschränkt. Die gesteuerte Vorrichtung 11 kann eine reale Vorrichtung oder auch eine simulierte Vorrichtung sein, beispielsweise eine VHDL-simulierte Vorrichtung. Das Steuerausgangssignal kann beispielsweise ein Spannungssignal oder ein Stromsignal sein. In einigen Ausführungsformen kann mehr als ein Steuerausgangssignal bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen kann das Steuerausgangssignal beispielsweise eine Versorgungsspannung für die gesteuerte Vorrichtung 11 sein, wobei die Versorgungsspannung durch die Steuerungseinheit 10 variabel ist. In der Ausführungsform von 1 kann die Steuerungseinheit 10 ein Steuerungsziel empfangen, das ein Soll-Ergebnis der Steuerung anzeigt. Überdies kann die Steuerungseinheit 10 eine Vorrichtungs-Rückmeldung von der gesteuerten Vorrichtung 11 empfangen, beispielsweise ein Ausgangssignal der gesteuerten Vorrichtung 11 oder jede andere beliebige Art einer Rückmeldung, beispielsweise eine Sensormessung einer mechanischen Vorrichtung. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen der Steuerungsausgang angepasst werden, um einen gewissen Wert oder Eigenschaft der Vorrichtungs-Rückmeldung zu erzielen, beispielsweise eine Soll-Signalstärke oder ein Signal-Rausch-Verhältnis, wie es von dem Steuerungsziel angezeigt wird.
Überdies umfasst das System von 1 einen Zustandsbeobachter 12 gemäß einer Ausführungsform, der auf Basis von Wellendigitalfilter (WDFs) implementiert wird. Der Zustandsbeobachter 12 kann beispielsweise als eine VHDL-synthetisierte digitale Hardware oder als ein auf einem oder mehreren Mikroprozessoren laufendes Programm implementiert werden. Die Wellendigitalfilter modellieren eine gesteuerte Vorrichtung 11 oder Teile davon. Beispielsweise empfängt der Zustandsbeobachter 12 das Steuerausgangssignal von der Steuerungseinheit 10 und modelliert das Verhalten der gesteuerten Vorrichtung 11 in Reaktion auf das Steuerausgangssignal. Unter Anwendung des Zustandsbeobachters 12 können interne Zustände der gesteuerten Vorrichtung, beispielsweise interne Ströme oder interne Spannungen, geschätzt und als interne Beobachter-Zustände der Steuerungseinheit 10 eingespeist werden. Die Steuerungseinheit 10 kann dann zusätzlich das Steuerausgangssignal auf Basis dieser geschätzten internen Zustände erzeugen. Beispielsweise kann die Regelung einer Spannung die in Induktivitäten und/oder Kapazitäten der gesteuerten Vorrichtung gespeicherte Energie als ein Beispiel für interne Zustände berücksichtigen.
In einigen Ausführungsformen kann der Zustandsbeobachter 12 auf Basis der Kenntnis der gesteuerten Vorrichtung 11 gestaltet sein. In einigen Ausführungsformen kann zusätzlich der Zustandsbeobachter 12 angepasst sein, dem Verhalten der gesteuerten Vorrichtung 11 genauer zu entsprechen, beispielsweise unter Berücksichtigung von Temperaturschwankungen, Verfahrensvariationen, der Installierung in unterschiedlichen Umgebungen oder beliebiger anderer äußerer Einflüsse, die die gesteuerte Vorrichtung 11 dazu bringen können, vom „idealen“ Verhalten auf Basis ihrer Ausgestaltung abzuweichen. Ein Beispiel für eine derartige Ausführungsform wird als nächstes mit Bezug auf 2 besprochen werden. Die Steuerungseinheit 10, die gesteuerte Vorrichtung 11 und der Zustandsbeobachter 12 der Ausführungsform von 2 entsprechen im Wesentlichen der Steuerungseinheit 10, der gesteuerten Vorrichtung 11 und dem Zustandsbeobachter 12 der Ausführungsform von 1, und deren mit Bezug auf 1 beschriebenen Funktion und Wechselwirkung kann auch für die Ausführungsform von 2 anwendbar sein. Zusätzlich dazu umfasst die Ausführungsform von 2 einen Parameterschätzer 20. Der Parameterschätzer 20 kann in Software, Hardware, Firmware oder in Kombinationen davon implementiert werden. Beispielsweise kann der Parameterschätzer 20 zusammen mit dem Zustandsbeobachter 12 als ein Programm, das von einem oder mehreren Mikroprozessoren oder anderen programmierbaren Vorrichtungen ausgeführt wird, oder als Hardware implementiert werden.
Der Parameterschätzer 20 empfängt die Vorrichtungs-Rückmeldung von der gesteuerten Vorrichtung 11, beispielsweise ein Ausgangssignal der gesteuerten Vorrichtung 11. Überdies empfängt der Parameterschätzer 20 eine Beobachter-Rückmeldung vom Zustandsbeobachter 12, beispielsweise ein Ausgangssignal des Modells der gesteuerten Vorrichtung, die im Zustandsbeobachter angewandt wird, das der von der gesteuerten Vorrichtung 11 empfangenen Vorrichtungs-Rückmeldung entspricht. Der Parameterschätzer 20 passt dann die Beobachterparameter an, beispielsweise Parameter der Wellendigitalfilter wie Wellenwiderstände, um die Unterschiede zwischen der Vorrichtungs-Rückmeldung und der Beobachter-Rückmeldung zu verringern oder zu minimieren. Derartige Wellenwiderstände können Parametern der gesteuerten Vorrichtung wie Induktanzen, Kapazitäten oder Widerständen entsprechen. Mit anderen Worten, der Parameterschätzer 20 stellt die Beobachterparameter ein, um das Modellieren der gesteuerten Vorrichtung 11 durch die Wellendigitalfilter in einigen Ausführungsformen zu verbessern. Zur Anpassung der Beobachterparameter kann irgendein herkömmlicher Algorithmus, beispielsweise irgendein herkömmlicher Optimierungsalgorithmus, beispielsweise ein einfacher Newtonscher Algorithmus oder entsprechende Algorithmen angewandt werden. Andere Methoden können auch angewandt werden. In einigen Beispielen können derartige angepasste Parameter auch in die Steuerungseinheit 10 als geschätzte interne Zustände eingespeist werden, um zur Erzeugung des Steuerausgangssignals oder Vektors angewandt zu werden. Mit anderen Worten, das kann die „Kenntnis“ der Steuerungseinheit in Bezug auf die tatsächlichen Parameter der gesteuerten Vorrichtung verbessern, die zur Optimierung der Steuerung angewandt werden kann.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform darstellt. Das Verfahren von 3 ist zwar dargestellt und wird als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen beschrieben werden, dennoch soll die Reihenfolge, in der diese Handlungen oder Ereignisse ausgeführt werden, nicht als einschränkend ausgelegt werden. Beispielsweise können die Handlungen oder Ereignisse in einer anderen als der gezeigten Reihenfolge ausgeführt werden, oder einige der Handlungen oder Ereignisse können parallel ausgeführt werden, beispielsweise durch unterschiedliche Teile eines Systems, eines Schaltkreises oder einer Vorrichtung. Die Handlungen oder Ereignisse können wiederholt ausgeführt werden, um einen Regelkreis zu implementieren. Das Verfahren von 1 kann unter Anwendung des Systems von 1 oder des Systems von 2 implementiert werden, kann jedoch auch auf andere Systeme oder Vorrichtungen angewandt werden.
Bei 30 umfasst das Verfahren von 3 das Erzeugen eines Steuersignals, um eine Vorrichtung auf Basis einer Rückmeldung von der Vorrichtung und der geschätzten interne Zustände der Vorrichtung zu steuern. Die Rückmeldung der Vorrichtung kann beispielsweise ein Ausgangssignal der Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann beispielsweise eine elektronische Vorrichtung oder Schaltkreis, eine mechanische Vorrichtung oder eine elektromechanische Vorrichtung sein. Die geschätzten internen Zustände können beispielsweise geschätzte interne Spannungen oder Ströme an oder durch Komponenten der Vorrichtung umfassen.
Bei 31 umfasst das Verfahren das Erzeugen einer Vorrichtungs-Rückmeldung auf Basis des Steuersignals. Mit anderen Worten, die Vorrichtungs-Rückmeldung wie einem Ausgangssignal der Vorrichtung kann sich ansprechend auf das bei 30 erzeugte Steuersignal verändern.
Bei 32 umfasst das Verfahren von 3 das Schätzen von internen Zuständen der Vorrichtung auf Basis des Steuersignals unter Anwendung eines Wellendigitalfiltermodells der Vorrichtung. Mit anderen Worten, das Verhalten der Vorrichtung kann in Reaktion auf das Steuersignal unter Anwendung eines Wellendigitalfilters simuliert werden, und auf Basis der Simulation können Schätzwerte der internen Zustände erhalten werden. Nach 32 setzt das Verfahren von 3 bei 30 mit den neuen Werten der Vorrichtungs-Rückmeldung beziehungsweise der bei 31 und 32 bereitgestellten internen Zustände fort. Daher wird ein Regelkreis zur Steuerung der Vorrichtung implementiert.
Um die mit Bezug auf die 1–3 erklärten Konzepte und Methoden weiter darzustellen, werden mit Bezug auf die 4–27 Implementierungen von Wellendigitalfiltermodellen, beispielsweise Systemen, ausführlich besprochen werden. Das dient jedoch nur zur weiteren Darstellung von hierin offenbarten Konzepten und Methoden, und soll nicht als einschränkend ausgelegt werden, da die hierin offenbarten Konzepte und Methoden auf eine große Vielfalt an Systemen angewandt werden kann, und das nachstehend dargestellte spezifische System lediglich als ein Beispiel dient.
4 stellt eine beispielhafte Vorrichtung dar, auf das hierin offenbarte Methoden und Konzepte gemäß einigen Ausführungsformen angewandt werden können. Die beispielhafte Vorrichtung von 4 umfasst ein Sensorsystem, beispielsweise auf Basis einer PSI5 (periphere Sensorschnittstelle 5) und/oder einer DSI3(verteilte Systemschnittstelle)-Sensorvorrichtung. Die Vorrichtung von 4 umfasst einen digitalen Teil 40 und einen analogen Teil 41, der mit einem Sensor 43 über eine externe Last 42, beispielsweise einem Kabelbaum, gekoppelt ist. Der digitale Teil 40 umfasst einen Empfänger 44, um Signale vom Sensor zu empfangen und zu verarbeiten, und einen digitalen Spannungsreglerteil 45, der gemeinsam mit einem Regelkreis 46 im analogen Teil 41 der Steuerung einer Sensorspannung dient und ein Beispiel für eine Steuerungseinheit wie die Steuerungseinheit 10 von den 1 und 2 ist. Der so gebildete Spannungsregler kann durch eine interne Last 47, die interne Widerstände, Kapazitäten etc. des analogen Teils 41 darstellen können, und durch eine externe Last 42 gebildet sein. Der digitale Teil 40 und der analoge Teil 41 können in einigen Ausführungsformen als ein Ein-Chip-System (SoC) implementiert werden. Der analoge Teil 41 kann beispielsweise Digital-Analog-Konverter und/oder Analog-Digital-Konverter umfassen, um mit dem digitalen Teil 40 zu kommunizieren und zwischen den im digitalen Teil 40 verwendeten digitalen Signalen und den im analogen Teil 41 verwendeten analogen Signalen zu konvertieren und an den Sensor 43 ausgegeben, oder vom Sensor 43 über eine externe Last 42 empfangen zu werden.
5 ist eine Schaltkreis-Darstellung der internen Last 47 und der externen Last 42 als auch von Sensor 43 d.h. eine Darstellung von Komponenten, die an dem Spannungsregler und dem Regelkreis 45, 46 angebracht sind. ReV in 5 stellt eine Spannungsquelle dar, die eine Spannung vom Regelkreis 46 ausgibt. Ein Knotenpunkt P5X von 5 entspricht einem Ausgangsknotenpunkt des Regelkreises 46 von 4. Re1 entspricht einem ersten Widerstand der internen Last 47, und Ce entspricht einer internen Kapazität der internen Last 47. Ein wie in 5 angezeigter Spannungsabfall an Re1 und Ce entspricht einem tatsächlichen geregelten Spannungs-Vreg Ausgang durch den Regelkreis 46. Re2 bezeichnet einen weiteren internen Widerstand der internen Last 47. Eine als Knotenpunkt gekennzeichnete ECU in 5 entspricht einem Ausgang des analogen Teils 41. Die externe Last 42 im Schaltbild von 5 wird von zwei als RI/2 gekennzeichneten Widerständen, von zwei als LI/2 gekennzeichneten Induktivitäten und von einer als CI gekennzeichneten Kapazität dargestellt. Je nach der durch die externe Last 42 dargestellten Verbindung, beispielsweise ein Kabelbaum, können andere Darstellungen in anderen Ausführungsformen angewandt werden. Ein als Knotenpunkt gekennzeichneter „Sensor“ in 5 stellt eine Schnittstelle zwischen der externen Last 42 und dem Sensor 43 dar.
Der Sensor 43 wird im Schaltbild von 5 durch einen Widerstand Rs und einen Kondensator Cs dargestellt, die den internen Widerstand und Kapazität des Sensors 43 darstellen. Überdies wird der Sensor 43 durch eine Stromquelle Isense dargestellt, wobei ein Stromausgang durch diese Stromquelle im Wesentlichen einem Sensorsignal entspricht (das dann durch den internen Widerstand Rs und den internen Kondensator Cs abgeändert wird).
Im Folgenden wird das Modellieren des Schaltkreises von 5 unter Anwendung von Wellendigitalfiltern zur Implementierung eines Zustandsbeobachters wie dem Zustandsbeobachter 12 von den 1 und 2 besprochen werden. Vor einem veranschaulichenden Beispiel zur Implementierung eines Modells des Schaltkreises von 5 unter Anwendung von Wellendigitalfiltern wird ein gewisser Hintergrund bezüglich Wellendigitalfilter diskutiert werden. Diese Diskussion wird der Prägnanz halber kurz ausfallen, da irgendwelche herkömmlichen Implementierungsmethoden von Wellendigitalfiltern angewandt werden können.
In Wellendigitalfiltern werden Verbindungen von Elementen durch Übertragungsleitungen modelliert und Signale werden unter Anwendung einer vorwärts wandernden Welle a(x) und einer rückwärts wandernden Welle b(x) modelliert. Die vorwärts wandernde Welle und die rückwärts wandernde Welle sind lineare Kombinationen von Spannung und Strom und umgekehrt, gemäß: a(x) = v(x) + R_Li(x) (1) b(x) = v(x) – R_Li(x) (2) v(x) = a(x) + b(x) / 2 (3)
Daher werden, wenn beispielsweise ein RLC-Netzwerk wie der Schaltkreis von 5 implementiert wird, Netzwerkgleichungen des durch Übertragungsleitungen gekoppelten Netzwerkes im Wesentlichen mittels Wellen gelöst. In den Gleichungen (1) und (4) stellt R_L einen Wellenwiderstand dar. v(x) entspricht einer Spannung bei einem Punkt x, und i(x) entspricht dem Strom bei Punkt x. Die Gleichungen (1) und (2) stellen vorwärts wandernde Wellen und rückwärts wandernde Wellen als lineare Kombinationen von Spannung und Strom dar, und die Gleichungen (3) und (4) stellen Spannung und Strom als lineare Kombinationen von vorwärts wandernden Wellen und rückwärts wandernden Wellen dar.
Um einen Wellendigitalfilter zu konstruieren, der verschiedene Elemente verbindet, können Adapter angewandt werden, die beispielsweise definieren, wie eine Vorwärts-Welle bei einem Port des Adapters zu Wellen bei anderen Ports des Adapters beiträgt. Ein generischer n-Port-Adapter ist in 6 dargestellt, wobei a_i, i = 1 ... n einlaufende (vorwärts wandernde) Wellen, und b_i reflektierte (rückwärts wandernde) Wellen darstellt. Der generische n-Port-Adapter kann gemäß b → = S ↔·a → (5) beschrieben werden, worin b → ein Vektor ist, der durch die b_i geformt wird, a → ein Vektor ist, der durch die a_i geformt wird, und S → eine n×n Streumatrix ist. Ein solcher generischer n-Port-Adapter erfordert somit n² Multiplikationen.
Als nächstes werden einige grundlegende Elemente besprochen, die für das Modellieren des Schaltkreises von 5 unter Anwendung von Wellendigitalfiltern anwendbar sind. Die 7A bis 7C stellen die Implementierung einer Stromquelle dar. 7A zeigt ein schematisches Schaltbild einer Stromquelle mit einem internen Widerstand R. Wie in 7B dargestellt, schließt in einer Wellendarstellung eine derartige Stromquelle eine vorwärts wandernde Welle a ab und überträgt eine neue Welle b. Die Wellenwerte können mit Bezug auf die Gleichungen (1)–(4) als dargestellt bestimmt werden. 7C zeigt nachstehend ein Symbol, das für eine solche Stromquelle verwendet wird.
Eine VHDL-Code-Darstellung einer solchen Stromquelle wird nachstehend gezeigt:

Einheit wdf_current_source ist
Architektur Verh von wdf_current-source ist
– Den Spannungsabfall berechnen:

Vo_s <= analog_t((ax + bx_s)/2.0);

In den 8A–8C ist das Modellieren eines offenen Endes dargestellt. 8A zeigt ein schematisches Schaltbild, 8B zeigt ein Wellendiagramm und 8C zeigt ein hierin verwendetes Symbol zur Darstellung eines offenen Endes. Hier wird die vorwärts wandernde Welle a reflektiert, um die rückwärts wandernde Welle b zu bilden, da über ein offenes Ende kein Strom fließen kann. Aus der Gleichung (4) folgt i(x) = 0 a(x) = b(x).
Die 9A–9C stellen die Implementierung eines kurzgeschlossenen Endes dar. Hier ist der Spannungsabfall null, und aus der Gleichung (3) folgt v(x) = 0 a(x) = –b(x) d.h. eine Wellenumkehrung. 9A zeigt ein schematisches Schaltbild, 9B zeigt ein Wellendiagramm, wobei die Multiplikation mit –1 der Wellenumkehrung entspricht, und 9C zeigt ein hierin verwendetes Symbol.
Elemente wie diejenigen, die mit Bezug auf die 7–9 oben erklärt werden und die nachstehend mit Bezug auf die 13–15 beschrieben werden, können untereinander unter Anwendung von n-Port-Adaptern verbunden sein, wie mit Bezug auf 6 oben generisch erklärt wird. Ein Typ eines in den folgenden Erklärungen angewandten n-Port-Adapters ist ein Drei-Port-Parallel-Adapter. Ein weiterer Typ ist ein Drei-Port-Serien-Adapter. Ein Parallel-Adapter kann angewandt werden, um eine parallele Kopplung von Elementen zu modellieren, während ein Serien-Adapter zur Modellierung einer Serienkopplung angewandt werden kann. Beispiele für solche spezifische Adapter werden als nächstes mit Bezug auf die 10–12 beschrieben werden.
10A zeigt ein Symbol, das für einen Drei-Port-Parallel-Adapter d.h. für einen Adapter, der für das Modellieren einer parallelen Verbindung angewandt wird. 10B zeigt ein beispielhaftes Implementierungsschema. Das Schema von 10B wendet Multiplikationen mit –1, Multiplikationen mit –y₁ und –y₂ als auch Additionen an, um die einlaufenden Wellen a₁, a₂ und a₃ mit den auslaufenden Wellen b₁, b₂ und b₃ zu verknüpfen. In 10A kennzeichnen R1, R2 und R3 Wellenwiderstände der drei Porte. Y₁ und y₂ können wie folgt berechnet werden:
worin G₁ = 1/R1, G₂ = 1/R2 und G₃ = 1/R3.
Ein möglicher VHDL-Code für einen solchen Drei-Port-Parallel-Adapter wird nachstehend gezeigt:
– Ausbreitungskonstanten definieren

gama1 <= (2.0/R1)/((1..0/R1) + (1.0/R3)), when ((R1 /= –1.0e+308 and R1 /= –5.0e+307 and R1 /= 0.0) and and (R3 /= –1.0e+308 and R3 /= –5.0e+307 and R3 /= 0.0)); gama2 <= (2.0/R2)/(1.0/R1) + (1.0/R2) + (1.0/R3)), when ((R1 /= –1.0e+308 and R1 /= –50e+307 and R1 /= 0.0) and and (R3 /= –1.0e+308 and R3 /= –5.0e+307 and R3 /= 0.0));

– Knotengleichungen errechnen

sl <= a3_s – al_s when ((a1 /= –1.0e+308 and a1 /= –5.0e+307) and (a3 /= 01.0e+308 and a3 /= –5.0e+307)) else 0.0; s2 <= a3_s – a2_s when ((a2 /= –1.0e+308 and a2 /= –5.0e+307) and (a3 /= –1.0e+308 and a3 /= –5.0e+307)) else 0.0; s56 <= (a3_s – (gama1·s1) – (gama2·s2)) when ((s1 /= –1.0e–308 and s1 /= –5.0e+307) and (s1 /= –1.0e+308 and s

– Ausgänge setzen

b3 <= s56 when (s56 /= –1.0e+308 and s56 /= –5.0e+307) else 0.0; b1 <= s1 + s56 when ((s1 /= –1.0e+308 and s1 /= –5.0e+307) and (s56 /= –1.0e+308 and s56 /= –5.0e+307)) else 0.0; b2 <= s2 + s56 when ((s2 /= –1.0e+308 and s2 /= –5.0e+307) and (s56 /= –1.0e+308 and s56 /= –5.0e+307)) else 0.0;

– Code-Ende
In einigen Fällen kann es möglich sein, die Implementierung eines Drei-Port-Adapters zu vereinfachen, falls angepassten Abschlüsse bereitgestellt werden. Beispielsweise wird für Ports, die mit Elementen wie Stromquellen, Widerständen, Kondensatoren etc. verbunden sind, der entsprechende Wellenwiderstand R1, R2 oder R3 des Portes durch das entsprechende Element bestimmt. Jedoch kann bei der Modellierung eine Situation auftreten, in der ein Port eines Adapters sich mit einem weiteren Adapter verbindet. In diesem Fall kann der Wellenwiderstand an eine von beiden Seiten angepasst werden, und Reflektionen können vermieden werden. Ein Beispiel ist in 11 dargestellt, wobei 11A ein Symbol und 11B eine mögliche Implementierung zeigt. Wie ersichtlich ist, ist, verglichen mit 10B durch den angepassten Abschluss die in 11B dargestellte Implementierung vereinfacht, und nur eine Multiplikation mit einem Parameter y₁ ist notwendig. Y₁ kann gemäß
mit G₃ = G₁ + G₂ (8) berechnet werden.
Die Gleichung (8) entspricht dem Erfordernis der Anpassung. Ein weiterer Typ eines Adapters, der im Modellierbeispiel der Schaltung von 5 angewandt werden wird, ist ein Drei-Port-Serien-Adapter mit angepasstem Abschluss. 12A zeigt ein Symbol und 12B zeigt eine mögliche Implementierung. Ähnlich dem parallelen Adapter mit angepasstem Abschluss ist eine Multiplikation mit einem Parameter –y₁ erforderlich. Y₁ kann gemäß
mit R₃ = R₁ + R₂ (10) berechnet werden.
Die Gleichung (10) ist das Anpassungserfordernis. Wie in 12 ersichtlich und durch eine Grauschattierung markiert ist, ist b₃ unabhängig von a₃, was die Berechnung vereinfacht.
In anderen Ausführungsformen können andere Adapter, beispielsweise Drei-Port-Serien-Adapter ohne angepasste Abschlüsse angewandt werden.
Als nächstes wird die Implementierung von Kondensatoren, Induktoren und Widerständen in Wellendigitalfiltern beschrieben. 13A zeigt ein Schaltbild eines Kondensators C und 13B zeigt eine entsprechende Komponente für eine Wellendigitalfilterdarstellung, die mit einem Port eines n-Port-Adapters gekoppelt werden kann. Wie ersichtlich ist, verwandelt sich der Kondensator in ein Verzögerungselement einer Zeiteinheit (z^–1 als Angabe einer Verzögerung im z-Umwandlungsbereich). Ein entsprechender Wellenwiderstand für dieses Element (das beispielsweise als R1, R2 oder R3 für die mit Bezug auf die 10–12 besprochenen Drei-Port-Adapter angewandt werden kann) ist
worin R_L der Wellenwiderstand ist, C die Kapazität des Kondensators und T_S die Dauer einer Abtastzeitspanne (ein diskreter Zeitschritt) des Wellendigitalfiltermodells.
In den 14A und 14B ist die Implementierung einer Induktivität in einem Wellendigitalfiltermodell dargestellt. 14A zeigt ein Schaltbild und 14B zeigt einen entsprechenden Teil eines Wellendigitalfiltermodells. Wie in 14B ersichtlich, wird der Induktor eine invertierte Verzögerung, wobei die Inversion durch eine Multiplikation mit –1 in 14B dargestellt wird. Der Wellenwiderstand R_L ist in diesem Fall
worin L die Induktivität des Induktors ist.
In den 15A und 15B ist die Implementierung eines Widerstandes dargestellt. 15A zeigt ein Schaltbild mit einem Widerstand und 15B zeigt eine entsprechende Wellendigitalfilterimplementierung. Der Widerstand in der Wellendigitalfilterimplementierung ist ein idealer Abschluss der Übertragungsleitung d.h. die vorwärts wandernde Welle a ist gedämpft oder abgeschlossen. Der Wellenwiderstand R_L ist in diesem Fall R_L = R (13), wobei R der Widerstandswert des Widerstands ist.
Mit den bis jetzt gezeigten Elementen kann eine Wellendigitalfilterimplementierung des Schaltkreises von 5 bereitgestellt werden. Das ist in 16 dargestellt. In 16 wird zur einfachen Orientierung der beispielhafte Schaltkreis von 5 wieder abgebildet. Überdies sind ein Wellendigitalfiltermodell dieses Schaltkreises mit den Stromquellen 161, 1611 und Port-Adaptern 162–1610 dargestellt.
Der Stromausgang bei Knotenpunkt P5X zur Erzeugung der geregelten Spannung Vreg ist durch eine Stromquelle 161 dargestellt. Der Widerstand R1 in Wellendigitalform ist mit einem angepassten Serien-Drei-Port-Adapter 162 gekoppelt. Der Kondensator Ce, der parallel gestaltet ist, wird durch ein Verzögerungselement dargestellt, das mit einem angepassten parallelen Drei-Port-Adapter 163 gekoppelt ist. Die Widerstände Re2 und RI/2, der an den Re2 unmittelbar anschließt, sind als ein Einzel-Wellendigitalfilterwiderstand dargestellt, der mit einem angepassten Serien-Drei-Port-Adapter 164 gekoppelt ist. Die erste Induktivität LI/2 (in 16 auf der linken Seite des Kondensators CI dargestellt) ist mit einem angepassten Drei-Port-Adapter 165 in Wellendigitalform gekoppelt (invertierte Verzögerung). Der Kondensator CI, der parallel gekoppelt ist, ist in Wellendigitalform als eine Verzögerung dargestellt, die mit einem angepassten Drei-Port-Adapter 166 gekoppelt ist. Die zweite Induktivität LI/2 ist durch eine invertierte Verzögerung dargestellt, die mit einem Serien-Drei-Port-Adapter 167 gekoppelt ist. Der zweite Widerstand RI/2 wird durch einen Abschluss dargestellt, der mit einem, wie gezeigt ist, Drei-Port-Serien-Adapter 168 gekoppelt ist. Es wird darauf hingewiesen, dass in einigen Beispielen auch die Reihenfolge der realen Port-Adapter ausgetauscht werden kann.
Für die Darstellung des Sensors wird die Stromquelle Isense als eine Stromquelle 1611 im Wellendigitalfiltermodell dargestellt. Die Stromquelle 1611 ist mit dem Drei-Port-Adapter 168 über einen nicht angeglichenen parallelen Drei-Port-Adapter 169 gekoppelt. Überdies ist ein angepasster Serien-Drei-Port-Adapter 1610 mit dem Drei-Port-Adapter 169 zur Implementierung der Serienschaltung des Widerstandes Rs und des Kondensators Cs gekoppelt, die als ein Abschluss beziehungsweise eine Verzögerung in 16 dargestellt sind.
Daher kann, mit den mit Bezug auf die 6–15 besprochenen, verschiedenen Elementen, der Schaltkreis als ein Wellendigitalfilter modelliert werden, um beispielsweise im Zustandsbeobachter 12 der 1 und 2 angewandt zu werden. In diesem Fall ist der Zustandsbeobachter unter Anwendung einer Vielzahl an Port-Adaptern implementiert, beispielsweise Drei-Port-Adaptern, die miteinander verkoppelt sind und mit einer Wellendigitaldarstellung von Widerständen, Induktivitäten, Kondensatoren und Stromquellen. In anderen Ausführungsformen können andere Implementierungen von Wellendigitalfiltern angewandt werden.
Geschätzte interne Zustände können beispielsweise Ströme oder Spannungen an den verschiedenen Elementen des RLC-Netzwerkes der 5 und 16 umfassen. Zeigen Spannungen oder Ströme beispielsweise an, dass ein hohes Ausmaß an Energie in Induktivitäten oder Kapazitäten gespeichert ist, dann kann V_reg ausgewählt werden, um niedriger zu sein, als wenn dies ohne Kenntnis der internen Zustände durchgeführt werden würde.
Im obigen Beispiel wurde ein unter Anwendung von Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten ein passives Netzwerk als ein Wellendigitalfilter zur Anwendung in einem Zustandsbeobachter modelliert. In anderen Ausführungsformen können beispielsweise Schaltkreise mit Transistoren modelliert werden. Das wird nun mit Bezugnahme auf die 17–27 erklärt werden.
In Ausführungsformen werden Kleinsignalmodelle zur Modellierung von Transistoren oder anderen nicht-linearen Elementen angewandt. Ein Kleinsignalmodell kann inkrementale Veränderungen in einem Drainstrom i_D, einer Gate-Source-Spannung v_GS und einer Drain-Source-Spannung v_DS eines Transistors zueinander in Beziehung bringen. Mit kleinen Veränderungen kann ein Kleinsignal-äquivalenter Schaltkreis unter Anwendung lediglich linearer Elemente wie Kondensatoren, Widerständen und gesteuerten Stromquellen gebaut werden, die unter Anwendung von Wellendigitalfiltern modelliert werden können, wie bereits oben erklärt wurde. Zur weiteren Veranschaulichung werden nachstehend verschiedene Wellendigitalfilterdarstellungen von NMOS-Transistoren besprochen. Entsprechende Methoden können auch auf andere Typen von Transistoren angewandt werden, beispielsweise PMOS-Transistoren.
Im Allgemeinen, wie nun mit Bezug auf die 17A–17G erklärt wird, kann ein NMOS-Transistor als ein Zwei-Port-Netzwerk angesehen werden. Zur Veranschaulichung dessen zeigt 17A einen NMOS-Transistor 170. Ein Gate-Anschluss eines NMOS-Transistors empfängt eine Eingangsspannung V_in, die in diesem Fall einer Gate-Source-Spannung V_gs entspricht, die durch eine Spannungsquelle angelegt wird. Ein Source-Anschluss des NMOS-Transistors 170 ist mit Masse gekoppelt und ein Drain-Anschluss gibt eine Ausgangsspannung V_out an eine Last aus, die durch einen Widerstand R_LO dargestellt ist. 17B zeigt ein Kleinsignalmodell. Die Spannungsquelle für die Gate-Source-Spannung wird durch eine „reine Spannungsquelle“ und einen internen Widerstand R_gg dargestellt, die mit einer Gate-Source-Kapazität C_gs des Kleinsignalmodells 170` gekoppelt sind. Überdies wird eine Ausgangsspannung durch eine Spannungsquelle erzeugt, die, wie durch einen Verstärkungs-Faktor g_m veranschaulicht ist, von der Gate-Source-Spannung abhängt. Ein Innen-Ausgangswiderstand wird als r_o gekennzeichnet.
Die Parameterwerte, im Besonderen der Wert von g_m, können von einem Arbeitspunkt des Transistors abhängen.
17C zeigt den Transistor 170 als eine Zwei-Port-Adapter-Darstellung mit Wellenwiderständen oder Wellenimpedanzen Z_in und Z_out, einer vorwärts wandernden Welle a₁ auf einer Eingangs-Port-Seite, einer rückwärts wandernden Welle b_in auf einer Eingangs-Port-Seite, einer vorwärts wandernden Welle a_out auf der Ausgangs-Port-Seite und einer rückwärts wandernden Welle b_out auf der Ausgangs-Port-Seite.
17D zeigt lediglich die Eingangs-Port-Seite und 17E zeigt eine Wellendigitalfilterdarstellung der Eingangs-Port-Seite mit einer Wellenquelle, die eine vorwärts wandernde Welle a_in erzeugt, die der Gate-Source-Spannung v_gs entspricht, und eine Wellensenke, die die rückwärts wandernde (einlaufende) Welle b_in beim Innen-Widerstandskörper R_gg abschließt.
17F zeigt den mit dem Ausgangs-Port verbundenen Teil von 17C und 17G zeigt eine Wellendigitalfilterdarstellung mit lediglich einer Senke, wie zuvor mit Bezug auf den Widerstand ausgeführt.
Was dann noch zu bestimmen bleibt, ist eine Darstellung des Transistors 170 selbst in Wellendigitalform. Als erstes wird ein Wellendigitalfiltermodell für einen Transistor in einer Common-Source-Verbindung besprochen. Hier kann das Kleinsignalmodell von 17B eingesetzt werden. Die Regelspannung v_GS wird an den internen Kondensator C_gs angelegt. Für die Wellen auf der Eingangsseite gilt daher die folgende Gleichung: v_GS = (a_{x_}C_gs + b_{x_}C_gs)/2, (14) wobei a_{x_}C_gs und b_{x_}C_gs die Wellen an der Kapazität C_gs sind. Die auslaufenden Wellen (wie in 17E ersichtlich, wird die einlaufenden Welle abgeschlossen) an der Ausgangs-Port-Seite b_x können gemäß b_x = –g_m·(a_{x_}C_gs + b_{x_}C_gs)·r₀/2. (15) berechnet werden.
Wie in 18A veranschaulicht, sind zur Umsetzung zwei Adapter erforderlich: ein Zwei-Port-Adapter, der den Eingangsteil (wie in 17E veranschaulicht) mit Kapazität C_gs verknüpft, und ein realer Zwei-Port-Adapter, der den auf der rechten Seite von 18A gezeigten Teil verknüpft. Das führt zu einer Wellendigitalfilterdarstellung des wie in 18B gezeigten Transistors. Die relevanten Gleichungen des ersten Adapters 181 sind
Die Gleichungen für den zweiten Zwei-Port-Adapter 182 sind
Eine ähnliche Vorgangsweise kann, wie in 19 veranschaulicht ist, für eine einfache Gate-Schaltung eines Transistors getroffen werden.
Ein weiteres Beispiel, das etwas ausführlicher dargestellt werden wird, ist in 20A gezeigt, in der eine einfache Drain-Schaltung eines Transistors veranschaulicht wird. 20B zeigt ein Kleinsignalmodell mit angezeigten Adaptern 201, 202, die beide Drei-Port-Adapter sind. 20C zeigt eine Wellendigitalfilterdarstellung eines Transistors in einer einfachen Drain-Schaltung unter Anwendung eines Kleinsignalmodells. Das Verhältnis zwischen der Welle kann
als ein Gleichungssatz b → = S ↔ a → geschrieben werden, wobei
Für die b_ij zeigt i den Port des Adapters (1, 2 oder 3) an, und j zeigt den Adapter (erster Adapter 201 oder zweiter Adapter 202) an.
Oben wurden relativ einfache Kleinsignalmodelle angewandt, die für einige Anwendungen ausreichend sein können. Es können aber auch komplexere Kleinsignalmodelle angewandt werden, die mehr interne Kapazitäten wie eine Gate-Drain-Kapazität in Betracht ziehen. Beispielsweise wird in den 21A–21B ein Modell mit einer einfachen Source-Schaltung, bei der neben einer Gate-Source-Kapazität C_gs auch eine Gate-Drain-Kapazität C_gd in Betracht gezogen wird, veranschaulicht. 21A veranschaulicht ein Kleinsignalmodell, 21B veranschaulicht den Standort von drei Adaptern 211, 212 und 213, und 21C zeigt das Wellendigitalfiltermodell.
Die 22 und 23 zeigen ein weiteres Beispiel für das Modellieren einer Common-Source-Schaltung, wobei in diesem Fall ein Bulk-Potential (durch g_mb·v_bs modelliert), eine Drain-Bulk-Kapazität C_db und eine Bulk-Source-Kapazität C_bs umfasst ist. 22 zeigt ein Kleinsignalmodell mit Standorten von Drei-Port-Adaptern 221–226, und 23 veranschaulicht ein entsprechendes Wellendigitalfiltermodell.
Im Allgemeinen können bei der Modellierung von Transistoren vergleichsweise geringfügige Verzögerungen eingebracht werden, und Verzögerungen können ein Vielfaches eines Probezeitraums sein.
Auf Basis der Transistormodellierung können beispielsweise Stromspiegel modelliert werden. 24A veranschaulicht ein Beispiel für einen einfachen Stromspiegel mit zwei Transistoren 241, 242. Der Transistor 241 wird in einer Dioden-Schaltung bereitgestellt. 24B zeigt ein Beispiel für einen Kleinsignal-äquivalenten Schaltkreis, der für das Wellendigitalfiltermodellieren anwendbar ist. 243 umfasst ein Modell für eine Diode (Modellieren des Transistors von 24A), und 244 umfasst ein Modell eines Transistors (somit Modellieren von Transistor 242), die im Wesentlichen dem bereits mit Bezug auf 17B besprochenen Kleinsignalschaltkreis entsprechen. Die Diode 243 kann durch eine Spannungsquelle mit einem inneren Widerstand r₀₁ modelliert sein. 24C zeigt die Konfiguration mit dem Ort eines parallelen Drei-Port-Adapters 245 und einem Transistormodell 246 (das dem Transistor 242 entspricht oder modelliert). 24D veranschaulicht ein Wellendigitalfiltermodell des Stromspiegels. 247 stellt ein Wellendigitalfiltermodell eines NMOS-Transistors dar, wie dies zuvor mit Bezug auf die 17–23 besprochen wurde, beispielsweise die in 18B veranschaulichte Darstellung.
Bei Anwendung derartiger Spiegel kann beispielsweise ein Wellendigitalfiltermodell des Systems von 4 mit einem Regelkreis 46, einer internen Last 47, einer externen Last 42 und einem Sensor 43 bereitgestellt werden. Ein entsprechendes Schaltbild wird in 25 gezeigt. Der Regelkreis 46 ist von zwei Stromquellen IDACP, IDACN und zwei Stromspiegeln dargestellt, wobei ein erster Stromspiegel durch die PMOS-Transistoren M1, M2, und ein zweiter Stromspiegel durch die NMOS-Transistoren M3, M4 gebildet ist. Die restlichen, in 25 gezeigten Elemente sind bereits mit Bezugnahme auf 5 besprochen worden und stellen die interne Last 47, die externe Last 42 und den Sensor 43, wie mit Bezugnahme auf 5 erklärt, dar.
In 26 ist eine entsprechende Wellendigitalfilterdarstellung gezeigt. Ein Teil 364 der Wellendigitalfilterdarstellung entspricht dem Teil, der bereits mit Bezugnahme auf 16 besprochen wurde. Überdies umfasst das Wellendigitalfiltermodell einen PMOS-Stromspiegel 361 (der die Transistoren M1, M2 von 25 darstellt) und eine NMOS-Strom-Wellendigitalfilterdarstellung 362 (die M3 und M4 darstellt). Die Stromspiegelwellendigitalfiltermodelle 361, 362 können im Wesentlichen, wie mit Bezugnahme auf 25 besprochen, implementiert werden. Die Wellendigitalfiltermodelle 361, 362 und 364 sind über einen Drei-Port-Adapter 363 zusammengekoppelt.
Daher, unter Anwendung eines Beispiels, ist oben veranschaulicht worden, dass auch Steuerungsvorrichtungen mit nicht-linearen Elementen wie Transistoren unter Anwendung von Wellendigitalfiltern modelliert werden können, um einen Zustandsbeobachter bereitzustellen, beispielsweise für ein Steuerungssystem, wie mit Bezugnahme auf die 1 und 2 veranschaulicht. Derartige Zustandsbeobachter können eine Vielzahl an n-Port-Adapter umfassen, die miteinander und mit einfachen Ein-Port-Elementen gekoppelt sind, die beispielsweise Widerstandskörper, Induktivitäten, Kapazitäten, Stromquellen, geschlossene Schaltungen oder offene Schaltungen, wie zuvor ausführlich besprochen.
In 27 ist ein Simulationsbeispiel für das Wellendigitalfiltermodell von 26 dargestellt. Wie ersichtlich ist, kann ein stabiles Simulationsverhalten erreicht werden.
Unter Anwendung von Digitalfiltern können im Allgemeinen Zustandsbeobachter mit einer geringen Anzahl an Verzögerungselementen für eine vorgegebene Filterbeschreibung implementiert werden. In einigen Ausführungsformen können gute Eigenschaften hinsichtlich Stabilität und Sensibilität erzielt werden. In einigen Ausführungsformen können Niedrig- und Mikrosteuerungseinheiten d.h. Mikrosteuerungseinheiten mit vergleichsweise kleiner Rechenleistung zur Implementierung der Wellendigitalfilter angewandt werden. Während spezifische Beispiele für Wellendigitalfiltermodellimplementierungen gezeigt wurden, können die hierin besprochenen Konzepte im Allgemeinen auf eine große Vielfalt an Vorrichtungen angewandt werden, um entsprechende Zustandsbeobachter zu erzielen, wie das für Fachleute offensichtlich ist. Daher sind die dargelegten Ausführungsformen nicht dahingehend zu verstehen, dass sie den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung auf irgendeine Art und Weise einschränken.

Claims

System, umfassend: eine Steuerung, die zur Ausgabe eines Steuersignals eingerichtet ist, einen Zustandsbeobachter, der zur Schätzung von internen Zuständen einer gesteuerten Vorrichtung eingerichtet ist, wobei der Zustandsbeobachter ein Wellendigitalfiltermodell von mindestens einem Teil der gesteuerten Vorrichtung umfasst, wobei die Steuerung zur Erzeugung des Steuersignals auf Basis der geschätzten internen Zustände eingerichtet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner zum Empfang eines Rückmeldungssignals von der gesteuerten Vorrichtung eingerichtet ist, wobei die Steuerung zur Erzeugung des Steuersignals auf Basis des Rückmeldungssignals eingerichtet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend einen Parameterschätzer, der zum Einstellen von Parametern des Wellendigitalfiltermodells auf Basis eines Vergleichs einer Ausgabe der gesteuerten Vorrichtung und eines internen Wellendigitalfilterzustandes, der der Ausgabe der gesteuerten Vorrichtung entspricht, eingerichtet ist.
System nach Anspruch 3, wobei die geschätzten internen Zustände mindestens einen der eingestellten Parameter umfassen.
System nach einem der Ansprüche 1–4, ferner umfassend die gesteuerte Vorrichtung, wobei die gesteuerte Vorrichtung zum Empfang des Steuersignals eingerichtet ist.
System nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das Wellendigitalfiltermodell ein Wellendigitalfiltermodell eines RLC-Netzwerkes, ein Modell von mindestens einem Transistor auf Basis eines Kleinsignalmodells des Transistors und/oder ein Wellendigitalfiltermodell eines Stromspiegels umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das Wellendigitalfiltermodell ein Wellendigitalfiltermodell eines Sensors umfasst.
System nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das Wellendigitalfiltermodell eine Vielzahl an n-Port-Adaptern umfasst.
System nach Anspruch 8, wobei die n-Port-Adapter mindestens einen seriellen Drei-Port-Adapter umfassen.
System nach Anspruch 8 oder 9, wobei die n-Port-Adapter mindestens einen parallelen Drei-Port-Adapter umfassen.
System nach Anspruch 1, wobei die geschätzten internen Zustände einen internen Strom und/oder eine interne Spannung umfassen.
Zustandsbeobachter, umfassend ein Wellendigitalfiltermodell von mindestens einem Teil einer Vorrichtung.
Zustandsbeobachter nach Anspruch 12, wobei das Wellendigitalfiltermodell eine Vielzahl an n-Port-Adaptern umfasst.
Zustandsbeobachter nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Wellendigitalfiltermodell einen Kabelbaum und/oder einen Sensor modelliert.
Zustandsbeobachter nach einem der Ansprüche 12–14, wobei das Wellendigitalfiltermodell einen Stromspiegel modelliert.
Verfahren, umfassend: Schätzen interner Zustände einer Vorrichtung auf Basis eines Steuersignals unter Anwendung eines Wellendigitalfiltermodells von mindestens einem Teil einer Vorrichtung, und Erzeugen des Steuersignals auf Basis der geschätzten internen Zustände.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend das Wiederholen des Erzeugens und des Schätzens, um einen Regelkreis zu implementieren.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, ferner umfassend das Erzeugen einer Vorrichtungsrückmeldung durch die Vorrichtung auf Basis des Steuersignals, wobei das Erzeugen des Steuersignals überdies auf der Vorrichtungsrückmeldung basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16–18, wobei die Vorrichtung einen Sensor umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16–19, wobei das Wellendigitalfiltermodell eine Vielzahl an n-Port-Adaptern umfasst.