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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Regler zur Ansteuerung eines mikromechanischen Aktors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zur Ansteuerung eines mikromechanischen Aktors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Ein Mikrospiegelsystem mit einem Ansteuersystem, welches einen solchen Regler aufweist, und ein entsprechendes Verfahren zur Ansteuerung werden in der
DE 10 2013 217 102 A1 beschrieben. Der Regler weist einen Sollwerteingang zum Empfangen eines Sollwertsignals sowie einen Istwerteingang zum Empfangen eines Istwertsignals auf. Das empfangene Sollwertsignal wird mittels eines Sollwertfilters in einem vorgegebenen ersten Frequenzband gefiltert, um ein gefiltertes Sollwertsignal bereitzustellen. Ein Differenzierer stellt anhand des empfangenen Istwertsignals eine zeitliche Ableitung des Istwertsignals bereit. Ferner ist ein Reglerkern vorgesehen, welcher anhand einer Regelabweichung zwischen dem gefilterten Sollwertsignal und dem Istwertsignal ein Stellgrößensignal für den mikromechanischen Aktor bereitstellt. Es wird die Differenz von Stellgrößensignal und der Ableitung des Istwertsignals gebildet und die Phase dieser Differenz wird in einem vorgegebenen, zweiten Frequenzband modifiziert, um ein modifiziertes Stellgrößensignal zu erhalten.
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Mit diesem Regler kann die unerwünschte Anregung von einer ersten Resonanzfrequenz des mikromechanischen Aktors ausreichend gedämpft werden. Allerdings werden Resonanzen höherer Ordnung mit dem bekannten Regler nur unzureichend gedämpft, so dass es zu unerwünschten Schwingungen des mikromechanischen Aktors kommen kann. Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Anregung von Resonanzen höherer Ordnung mit einem möglichst geringen technischen Aufwand zu verringern.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem erfindungsgemäßen Regler, dem erfindungsgemäßen Ansteuersystem und dem erfindungsgemäßen Mikrospiegelsystem wird die Aufgabe durch ein erstes Stellgrößenfilter gelöst, welches derart ausgebildet ist, eine vorgegebene dritte Frequenz in dem modifizierten Stellgrößensignal zu unterdrücken, um ein gefiltertes Stellgrößensignal für den mikromechanischen Aktor bereitzustellen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Lösung der Aufgabe eine dritte Frequenz in dem modifizierten Stellgrößensignal unterdrückt, um ein gefiltertes Stellgrößensignal für den mikromechanischen Aktor bereitzustellen.
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Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich der Vorteil, dass solche Frequenzen in dem modifizierten Stellgrößensignal, welche den Resonanzfrequenzen und/oder Antiresonanzfrequenzen des mikromechanischen Aktors entsprechen, bei entsprechender Wahl der vorgegebenen dritten Frequenz mittels des ersten Stellgrößenfilters unterdrückt werden können. Der mikromechanische Aktor kann mit einem gefilterten Stellgrößensignal betrieben werden. Insofern wird eine Anregung des mikromechanischen Aktors in einem Frequenzband, in welchem dieser Resonanzfrequenzen aufweist, möglichst unterbunden. Es ist nicht erforderlich, die Bandbreite des Reglerkerns zu erhöhen, um die Resonanzfrequenzen mit höherer Ordnung zu unterdrücken, so dass der der erforderliche technische Aufwand möglichst gering gehalten werden kann.
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Das erste Stellgrößenfilter kann eine Übertragungsfunktion NO
1(s) aufweisen, welche wie folgt dargestellt werden kann:
mit
- f3:
- dritte Frequenz
- q:
- Güte-Faktor
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Bevorzugt wird das Sollwertsignal als im Zeitbereich vorliegende Führungsgröße bereitgestellt. Das Istwertsignal kann als im Zeitbereich vorliegende Regelgröße bereitgestellt werden. Das gefilterte Stellgrößensignal kann einem Steuereingang eines mikromechanischen Aktors zugeführt werden. Bevorzugt ist ein Positionssensor vorgesehen, über welchen eine Stellung des Aktors erfassbar ist. Der Positionssensor kann ein Istwertsignal erzeugen, welches dem Regler zugeführt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Regler ein zweites Stellgrößenfilter auf, welches dazu ausgebildet ist, eine vorgegebene, vierte Frequenz in dem modifizierten Stellgrößensignal zu unterdrücken. Über das zweite Stellgrößenfilter ist es möglich, zusätzlich zu der dritten Frequenz, welche mittels des ersten Stellgrößenfilters unterdrückt wird, eine weitere, vierte Frequenz in dem modifizierten Stellgrößensignal zu dämpfen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bevorzugt eine vorgegebene vierte Frequenz in dem Stellgrößensignal unterdrückt.
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Das zweite Stellgrößenfilter kann eine Übertragungsfunktion NO
2(s) aufweisen, welche wie folgt dargestellt werden kann:
mit
- f4:
- vierte Frequenz
- q:
- Güte-Faktor
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In diesem Zusammenhang ist es besonders bevorzugt, wenn das erste Stellgrößenfilter und das zweite Stellgrößenfilter in Reihe geschaltet sind. Bei einer Reihenschaltung des ersten Stellgrößenfilters mit dem zweiten Stellgrößenfilter ergibt sich eine gemeinsame Übertragungsfunktion NO(s) der Stellgrößenfilter, welche dem Produkt der Übertragungsfunktionen der beiden Stellgrößenfilter entspricht: NO(s) = NO1(s)·NO2(s) (Gleichung 3)
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Als vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, bei welcher die vorgegebene dritte Frequenz und die vorgegebene vierte Frequenz weniger als 10 kHz beabstandet sind, bevorzugt weniger als 5 kHz, besonders bevorzugt weniger als 3 kHz. Durch einen derart geringen Abstand der dritten Frequenz von der vierten Frequenz kann erreicht werden, dass sich die Frequenzbereiche, in welchen die Stellgrößenfilter eine dämpfende Wirkung haben, überlappen. Die beiden Stellgrößenfilter können auf diese Weise ein gemeinsames Stellgrößenfilter mit einem vergrößerten Frequenzbereich bilden, in welchem unerwünschte Resonanzen des mikromechanischen Aktors unterdrückt werden können.
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Bevorzugt sind das erste Stellgrößenfilter und/oder das zweite Stellgrößenfilter als Kerbfilter ausgebildet. Kerbfilter (engl. notch filter) sind Bandsperrfilter, welche in einem sehr engen Frequenzband, insbesondere bei genau einer Frequenz, eine starke Dämpfung aufweisen.
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Das Sollwertfilter kann als Kerbfilter, als FIR-Filter (engl. finite impulse response filter) oder als IIR-Filter (engl. infinite impulse response filter) ausgestaltet sein.
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Dem Reglerkern kommt bei dem erfindungsgemäßen Regler die Aufgabe zu, die Regelabweichung möglichst gering zu halten. Der Reglerkern kann beispielsweise als P-Regler, PD-Regler, PI-Regler oder PID-Regler ausgestaltet sein. Alternativ kann der Reglerkern ein Regler dritter oder höherer Ordnung sein. Der Reglerkern kann ein oder mehrere I-Elemente, D-Elemente, P-Elemente, Lead-Elemente (phasenanhebende Elemente), Lag-Elemente (phasensenkende Elemente) oder Kerbfilterelemente aufweisen.
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Das Phasendrehelement ist bevorzugt derart ausgebildet, dass es ein Abfallen der Phase der Differenz von Stellgrößensignal und der Ableitung des Istwertsignals unter einen Wert von –180° verhindert, so dass eine ausreichende Phasenreserve des Reglers erhalten werden kann. Beispielsweise kann das Phasendrehelement dazu ausgebildet sein, eine Phase im Bereich von –180° bis –360° auf eine Phase im Bereich von 0° bis –180° abzubilden. Bevorzugt weist das Phasendrehelement eine Übertragungsfunktion nullter Ordnung auf.
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Das erfindungsgemäße Ansteuersystem zur Ansteuerung eines mikromechanischen Aktors weist einen Signalgenerator zur Erzeugung eines Sollwertsignals auf. Ferner umfasst das Ansteuersystem eine erste Signalaufbereitungseinheit zur Aufbereitung eines Stellgrößensignals für den mikromechanischen Aktor und eine zweite Signalaufbereitungseinheit zur Aufbereitung eines Istwertsignals. Über einen vorstehend beschriebenen Regler zur Ansteuerung des mikromechanischen Aktors ist das Stellgrößensignal anhand des Sollwertsignals und des Istwertsignal bereitstellbar.
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Das erfindungsgemäße Mikrospiegelsystem weist mindestens einen als Mikrospiegel ausgebildeten mikromechanischen Aktor und ein vorstehend genanntes Ansteuersystem auf.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Bode-Diagramm der Übertragungsfunktion eines mikromechanischen Aktors.
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2 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Mikrospiegelsystems.
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3 zeigt ein Sollwertsignal im Zeitbereich.
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4 zeigt ein Sollwertsignal im Frequenzraum.
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5 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Reglers.
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6 zeigt ein Bodediagramm einer Reihenschaltung zweier Stellgrößenfilter.
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7 zeigt ein Bodediagramm einer Reihenschaltung zweier Stellgrößenfilter und eines mikromechanischen Aktors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt in einem Bode-Diagramm einer beispielhaften Übertragungsfunktion eines als Mikrospiegel ausgebildeten mikromechanischen Aktors 25, welcher als Teil eines Mikrosystems 24 in einem Projektionssystem verwendet werden kann. Das Bode-Diagramm zeigt in seinem oberen Teil den Amplitudengang und in seinem unteren Teil den Phasengang. Die Übertragungsfunktion beschreibt das Verhältnis zwischen dem Eingangssignal des mikromechanischen Aktors 25 und einem Ausgangssignal eines Sensors, welcher die tatsächliche Auslenkung des mikromechanischen Aktors 25 erfasst. Dem Bode-Diagramm kann entnommen werden, dass die Übertragungsfunktion des Aktors 25 mehrere mechanische Resonanzstellen R1, R2, R3, R4 aufweist. Insbesondere umfasst die Übertragungsfunktion mehrere Resonanzfrequenzen, bei denen der Amplitudengang jeweils ein Maximum aufweist. Ferner sind mehrere Antiresonanzstellen A1, A2, A3 erkennbar, bei welchen der Amplitudengang jeweils ein Minimum aufweist. Insofern ist der mikromechanische Aktor 25 schwingungsfähig.
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In der 2 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Mikrospiegelsystems 24 dargestellt, welches einen derartigen mikromechanischen Aktor 25 aufweist. Der mikromechanische Aktors 25 des Mikrospiegelsystems 24 wird in einem quasi-statischen Betrieb mit einer Grundfrequenz von ca. 60 Hz angeregt. Um mechanische Resonanzen des Aktors 25 zu vermeiden, weist das Ansteuersystem einen Regler 1 auf. Dem Regler 1 wird ein Sollwertsignal 4 zugeführt, welches von einem Signalgenerator 21 erzeugt wird. Der Regler 1 erzeugt ein erstes Stellgrößensignal 5, welches in einer ersten Signalaufbereitungseinheit 22 aufbereitet und als zweites Stellgrößensignal 7 dem mikromechanischen Aktor 25 zugeleitet wird. Die erste Signalaufbereitungseinheit 22 umfasst einen Reihenschaltung eines Digital/Analog-Wandlers 26, eines Tiefpassfilters 27 und eines Treibers 28.
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Der mikromechanische Aktor 25 ist als Mikrospiegel ausgebildet und weist eine nicht näher dargestellte Erfassungseinrichtung auf, über welche die Auslenkung des mikromechanischen Aktors 25 erfassbar ist. Die Erfassungseinrichtung stellt ein erstes Istwertsignal 8 bereit. Das erste Istwertsignal 8 wird in einer zweiten Signalaufbereitungseinheit 23 aufbereitet und als zweites Istwertsignal 6 an den Regler 1 weitergeleitet. Die zweite Signalaufbereitungseinheit 23 umfasst eine Reihenschaltung eines Antialiasing-Filters 29 mit einem Analog/Digital-Wandler 30 und einer Abgleicheinheit 31.
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Die 3 zeigt mehrere beispielhafte Verläufe eines Sollwertsignals 4, welches durch den Signalgenerator 21 bereitgestellt wird. Das Sollwertsignal 4 ist ein periodisches Sägezahnsignal mit einer vorgegebenen Grundfrequenz von ca. 60 Hz, so dass das Mikrospiegelsystem eine Projektion mit einer Bildwiederholrate von ca. 60 Bildern/s erzeugen kann.
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In der 4 ist ein Spektrum des Sollwertsignals 4 wiedergegeben. Neben der Grundfrequenz von ca. 60 Hz umfasst das Sollwertsignal 4 zusätzlich gerade und ungerade harmonische Oberschwingungen der Grundfrequenz, z:B. bei 120 Hz, 180Hz usw. Von den Frequenzanteilen dieser Oberschwingungen geht die Gefahr aus, dass die zuvor beschriebenen mechanischen Resonanzen des mikromechanischen Aktors 25 angeregt werden können, welche bei Frequenzen oberhalb der Grundfrequenz des Sollwertsignals 4 liegen. Die Anregung dieser Resonanzen kann zu fehlerhaften Projektionen führen, beispielsweise zu unerwünschten Hell-Dunkel-Verläufen.
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Die 5 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Reglers 1 zur Ansteuerung des mikromechanischen Aktors 25.
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Der Regler weist einen Sollwerteingang 100 zum Empfangen des Sollwertsignals 4 auf. Das Sollwertsignal 4 wird einem Sollwertfilter 101 zugeleitet, welches dazu ausgebildet ist, eine vorgegebene Frequenz oder ein vorgegebenes Frequenzband in dem empfangen Sollwertsignal 4 zu dämpfen, um ein gefiltertes Sollwertsignal 102 bereitzustellen. Das Sollwertfilter ist als FIR-Filter, als IIR-Filter oder als Kerbfilter ausgebildet.
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Ferner ist ein Istwerteingang 116 zum Empfangen des Istwertsignals 6 vorgesehen. Das Istwertsignal 6 wird einem ersten Subtrahierer 103 zugeführt, welcher die Differenz des gefilterten Sollwertsignals 102 und des Istwertsignals 116 bildet, welche als Regelabweichung 104 bezeichnet wird. Die Regelabweichung 104 wird einem als PID-Regler ausgebildeten Reglerkern 105 des Reglers 1 zugeführt, welcher anhand der Regelabweichung 104 ein Stellgrößensignal 106 erzeugt.
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Der Regler weist zudem einen Differenzierer 113 auf, der eine zeitliche Ableitung 114 des empfangenen Istwertsignals 6 bildet. In einem zweiten Komparator 107 wird die Differenz 108 aus dem Stellgrößensignal 106 und der zeitliche Ableitung 114 des empfangenen Istwertsignals 6 gebildet. Diese Differenz 108 wird einem Phasendrehelement 109 zugeführt. Das Phasendrehelement 109 ist dazu ausgebildet ist, die Phase der Differenz 108 von Stellgrößensignal 106 und der Ableitung 114 des Istwertsignals 6 für eine zweite Frequenz oder in einem vorgegebenen zweiten Frequenzband zu modifizieren, um ein modifiziertes Stellgrößensignal 110 bereitzustellen.
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Um die Anregung von Resonanzen höherer Ordnung zu verhindern, wird das modifizierte Stellgrößensignal 110 einer Serienschaltung aus einem ersten Stellgrößenfilter 111 und einem zweiten Stellgrößenfilter 112 zugeführt. Beide Stellgrößenfilter 111, 112 sind als Kerbfilter ausgebildet. Mittels des ersten Stellgrößenfilters 111 wird eine vorgegebene dritte Frequenz in dem modifizierten Stellgrößensignal 110 unterdrückt. Das zweite Stellgrößenfilter 112 unterdrückt eine vorgegebene, vierte Frequenz. Insofern wird an einem Stellgrößenausgang 115 ein gefiltertes Stellgrößensignal 5 für den mikromechanischen Aktor 25 bereitgestellt.
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Das erste Stellgrößenfilter 111 und das zweite Stellgrößenfilter 112 sind derart dimensioniert, dass die vorgegebene dritte Frequenz f3 und die vorgegebene vierte Frequenz f4 weniger als 10 kHz beabstandet sind, bevorzugt weniger als 5 kHz, besonders bevorzugt weniger als 3 kHz.
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Die 6 zeigt ein Bodediagramm einer Reihenschaltung des ersten Stellgrößenfilters 111 mit dem zweiten Stellgrößenfilter 112. Die Übertragungsfunktion dieser Reihenschaltung ergibt sich nach Gleichung 3. Die Reihenschaltung weist bei der dritten Frequenz f3 und vierten Frequenz f4 eine hohe Dämpfung auf. Im Bereich zwischen der dritten Frequenz f3 und vierten Frequenz f4 weist der Amplitudengang eine Dämpfung von ca. 40dB auf, so dass auch Frequenzen im Frequenzband zwischen der dritten Frequenz f3 und vierten Frequenz f4 unterdrückt werden.
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7 zeigt ein Bodediagramm einer Reihenschaltung des ersten Stellgrößenfilters 111 mit dem zweiten Stellgrößenfilter 112 und mit dem mikromechanischen Aktor 25. Im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Bodediagramm des Aktors 25 ist zu erkennen, dass die Resonanzstelle R4 durch die Reihenschaltung von erstem Stellgrößenfilter 111 und zweitem Stellgrößenfilter 112 gedämpft ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013217102 A1 [0002]
