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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer auslenkbaren mikromechanischen Aktoreinrichtung, insbesondere einem Mikrospiegel, sowie eine mikromechanische Vorrichtung mit einem periodischen Antrieb.
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Stand der Technik
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In Scannern, Videoprojektoren und Fahrzeugscheinwerfern kommen Mikrospiegel zum Einsatz, welche durch elektrische oder magnetische Kräfte in Schwingung versetzt werden können. Ein derartiger Mikroschwingspiegel ist etwa aus der Druckschrift
DE 199 63 382 A1 bekannt.
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Da die Amplitude der Auslenkung von äußeren Einflüssen abhängt und daher veränderlich ist, muss die Auslenkung des Mikrospiegels mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, um eine präzise Ablenkung des Laserstrahls zu gewährleisten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern einer auslenkbaren mikromechanischen Aktoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine mikromechanische Vorrichtung mit periodischem Antrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Ansteuern einer auslenkbaren mikromechanischen Aktoreinrichtung, insbesondere einem Mikrospiegel, wobei ein periodischer Sollauslenkungsverlauf einer Auslenkung der Aktoreinrichtung vorgegeben wird. Der Sollauslenkungsverlauf weist eine vorgegebene Periodendauer auf. Die Aktoreinrichtung wird anhand eines Ansteuersignals entsprechend der vorgegebenen Periodendauer periodisch angesteuert, sodass eine Periodendauer der Ansteuerperioden der vorgegebenen Periodendauer entspricht. Während mindestens einer Ansteuerperiode wird ein Auslenkungsverlauf der Auslenkung der Aktoreinrichtung gemessen. Das Ansteuersignal wird für mindestens eine der folgenden Ansteuerperioden anhand des Sollauslenkungsverlaufs und anhand des gemessenen Auslenkungsverlaufs angepasst.
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Der Sollauslenkungsverlauf entspricht einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf einer Amplitude der Auslenkung oder eines Schwenkwinkels der Aktoreinrichtung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine mikromechanische Vorrichtung mit periodischem Antrieb, welche eine auslenkbare Aktoreinrichtung, eine Steuereinrichtung und eine Messeinrichtung aufweist. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Aktoreinrichtung anhand eines Ansteuersignals mit einer vorgegebenen Periodendauer periodisch anzusteuern. Die Messeinrichtung ist dazu ausgebildet, während mindestens einer Ansteuerperiode einen Auslenkungsverlauf der Auslenkung der Aktoreinrichtung zu messen. Die Steuereinrichtung ist weiter dazu ausgebildet, das Ansteuersignal für mindestens eine der folgenden Ansteuerperioden anhand eines periodischen Sollauslenkungsverlaufs und anhand des gemessenen Auslenkungsverlaufs anzupassen. Eine Periodendauer des Sollauslenkungsverlaufs entspricht hierbei der vorgegebenen Periodendauer.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Regelkonzepte, welche das Ansteuersignal der Aktoreinrichtung kontinuierlich auch während der Ansteuerperiode anpassen, weisen eine große Reglerbandbreite auf, so dass diese größer als die erste Fundamentalmode der Aktoreinrichtung sein kann und mehrere Störmoden der Aktoreinrichtung innerhalb der Reglerbandbreite liegen können. Eine robuste Regelung wird dadurch erschwert und es kann zu größeren Oszillationen oder instabilem Verhalten kommen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Regler bereitgestellt, welcher während der Ansteuerperiode selbst in einem offenen Modus betrieben wird, sodass das Ansteuersignal während der Ansteuerperiode selbst nicht angepasst, sondern unverändert gelassen wird. Die Regelung und Anpassung des Ansteuersignals wird lediglich zu Beginn einer neuen Ansteuerperiode bzw. zwischen zwei Ansteuerperioden durchgeführt. Dadurch kann der Einfluss von Störmoden vermieden und die Genauigkeit der Ansteuerung verbessert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Ansteuersignal unter Verwendung eines FastBlockLMS-Algorithmus, eines LMS-Algorithmus, eines RLS-Algorithmus oder einer Modifikation oder abgeleiteten Form eines derartigen Algorithmus, insbesondere eines abgeleiteten FastBlockLMS-Algorithmus angepasst.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Ansteuersignal weiter anhand einer Eigenschaft der Aktoreinrichtung, insbesondere einer Resonanzfrequenz der Aktoreinrichtung angepasst. Insbesondere kann eine Übertragungsfunktion eines zum Anpassen verwendeten Algorithmus frequenzabhängig und in Abhängigkeit der Resonanzfrequenz der Aktoreinrichtung bestimmt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens entspricht die vorgegebene Periodendauer einer Resonanzfrequenz der Aktoreinrichtung. Die vorgegebene Periodendauer ist vorzugsweise gleich dem Inversen der Resonanzfrequenz der Aktoreinrichtung.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Messen des Auslenkungsverlaufs in jeder n-ten Ansteuerperiode wiederholt, wobei n eine positive natürliche Zahl ist. Indem nicht für jede einzelne Ansteuerperiode der Auslenkungsverlauf gemessen wird, kann die benötigte Rechenleistung reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Auslenkungsverlauf über mehrere Ansteuerperioden hinweg gemessen werden. Vorzugsweise kann der über mehrere Ansteuerperioden gemessene Auslenkungsverlauf gemittelt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das angepasste Ansteuersignal zum Ansteuern der Aktoreinrichtung beginnend mit der m-ten darauffolgenden Ansteuerperiode verwendet, wobei m eine positive natürliche Zahl ist. Die Ansteuerperiode, während welcher die Aktoreinrichtung anhand des angepassten Ansteuersignals angesteuert wird, muss somit nicht direkt auf die Messperiode fallen, sondern kann durch eine oder mehrere Ansteuerperioden von dieser getrennt sein. Insbesondere kann in dieser Zwischenzeit die Berechnung und Anpassung des Ansteuersignals durchgeführt werden, so dass auch langsamere und gegebenenfalls genauere Algorithmen verwendet werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist die Aktoreinrichtung in mehreren Auslenkrichtungen auslenkbar, wobei das Verfahren für jede der Auslenkrichtungen separat durchgeführt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der mikromechanischen Vorrichtung weist die Aktoreinrichtung einen Mikrospiegel auf.
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Gemäß einer Weiterbildung der mikromechanischen Vorrichtung ist die Steuereinrichtung weiter dazu ausgebildet, das Ansteuersignal unter Verwendung eines FastBlockLMS-Algorithmus oder eines LMS-Algorithmus anzupassen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern einer auslenkbaren mikromechanischen Aktoreinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Illustration eines Sollauslenkungsverlaufs, eines gemessenen Auslenkungsverlaufs und eines Ansteuersignals; und
- 3 eine schematische Ansicht einer mikromechanischen Vorrichtung mit periodischem Antrieb gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Ansteuern einer auslenkbaren mikromechanischen Aktoreinrichtung. Die Aktoreinrichtung kann insbesondere mindestens einen Mikrospiegel oder ein Mikrospiegelarray aufweisen. Die Aktoreinrichtung ist um eine, zwei oder mehrere Achsen herum auslenkbar, drehbar oder schwenkbar.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein periodischer Sollauslenkungsverlauf einer Auslenkung der Aktoreinrichtung vorgegeben. In 2 ist ein beispielhafter Sollauslenkungsverlauf f1 einer Amplitude A der Auslenkung der Aktoreinrichtung illustriert, wobei der Sollauslenkungsverlauf f1 eine vorgegebene Periodendauer T aufweist. Die vorgegebene Periodendauer T kann vorzugsweise einer Resonanzfrequenz der Aktoreinrichtung entsprechen.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S2 wird die Aktoreinrichtung anhand eines Ansteuersignals f2 entsprechend der vorgegebenen Periodendauer T periodisch angesteuert. Eine Periodendauer des Ansteuersignals und somit auch jeder Ansteuerperiode ist gleich der vorgegebenen Ansteuerperiode T. Ein beispielhafter Verlauf einer Signalstärke S des Ansteuersignals f2 ist ebenfalls in 2 illustriert.
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Während einer Ansteuerperiode, welche im Folgenden als Messperiode bezeichnet wird, wird ein Auslenkungsverlauf f3 der Auslenkung der Aktoreinrichtung gemessen. Ein beispielhafter zeitlicher Verlauf einer Amplitude A des gemessenen Auslenkungsverlaufs f3 ist in 2 dargestellt. Vorzugsweise werden für eine Vielzahl von Messpunkten innerhalb der Ansteuerperiode, beispielsweise 512 Messpunkte, entsprechende Messwerte der Auslenkung der Aktoreinrichtung gemessen und der Auslenkungsverlauf f3 durch Interpolation bestimmt.
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Für mindestens eine der auf die Messperiode folgenden Ansteuerperioden wird das Ansteuersignal f2 anhand des Sollauslenkungsverlaufs f1 und des gemessenen Auslenkungsverlaufs f3 angepasst.
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Im Folgenden wird die Anpassung des Ansteuersignals mittels eines vom FastBlockLMS-Algorithmus abgewandelten Algorithmus näher erläutert. Hierzu werden die zu den Messzeitpunkten während der Messperiode gemessenen Werte des Auslenkungsverlaufs f3 als Komponenten in einen Mess-Auslenkungsvektor eingetragen. Analog wird ein Sollauslenkungsvektor erstellt, dessen Komponenten gleich den Werten des Sollauslenkungsverlaufs f1 zu den jeweiligen Messzeitpunkten ist. Ein fouriertransformierter Mess-Auslenkungsvektor und ein fouriertransformierter Sollauslenkungsvektor werden durch Fouriertransformation des Mess-Auslenkungsvektors bzw. des Sollauslenkungsvektors bestimmt. Ein Fehlervektor wird durch Differenzbildung des fouriertransformierten Sollauslenkungsvektors und des fouriertransformierten Mess-Auslenkungsvektors berechnet. Der Fehlervektor wird mit einem vorgegebenen Skalierungswert und mit einer Übertragungsfunktion multipliziert und dadurch ein Offsetvektor berechnet. Die Übertragungsfunktion kann frequenzabhängig gewählt werden und kann insbesondere in Abhängigkeit von einer Eigenschaft der Aktoreinrichtung, insbesondere einer Resonanzfrequenz der Aktoreinrichtung bestimmt werden. Die Übertragungsfunktion kann jedoch auch auf einen konstanten Wert gesetzt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden entsprechende Offsetvektoren sowohl für eine Phase als auch für eine Amplitude des Fehlervektors berechnet.
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Das Ansteuersignal f2 wird ebenfalls fouriertransformiert und ein fouriertransformierter Steuersignalvektor mit entsprechenden Komponenten für jeden Messzeitpunkt berechnet. Der fouriertransformierte Steuersignalvektor wird durch Addition mit dem Offsetvektor angepasst und somit ein neuer fouriertransformierter Steuersignalvektor berechnet. Der Offsetvektor kann auch gewichtet sein, insbesondere um die Konvergenz und Stabilität des Algorithmus einzustellen und zu verbessern. Das angepasste Ansteuersignal f2 wird durch eine inverse Fouriertransformation des fouriertransformierten Steuersignalvektors und gegebenenfalls durch Interpolation bestimmt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch ein LMS- oder RLS-Algorithmus zur Bestimmung des angepassten Ansteuersignals f2 verwendet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Übertragungsfunktion per LMS-Algorithmus bestimmt, um die Konvergenz des FastBlockLMS-Algorithmus zu verbessern.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine Wavelet-Zerlegung verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Aktoreinrichtung in der direkt auf die Messperiode folgenden Ansteuerperiode anhand des angepassten Ansteuersignals angesteuert. Vorzugsweise wird während jeder einzelnen Ansteuerperiode der Auslenkungsverlauf f3 der Auslenkung der Aktoreinrichtung 2 gemessen und das Ansteuersignal f2 für die darauffolgende Ansteuerperiode angepasst.
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Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. So kann auch das Messen des Auslenkungsverlaufs f3 nur für jede n-te Ansteuerperiode durchgeführt werden, wobei n eine positive natürliche Zahl ist. Beispielsweise wird für jede zweite, dritte oder vierte Ansteuerperiode der Auslenkungsverlauf gemessen. Entsprechend kann das angepasste Ansteuersignal f2 zum Ansteuern der Aktoreinrichtung beginnend mit der m-ten darauffolgenden Ansteuerperiode verwendet werden, wobei m eine positive natürliche Zahl ist. Beispielsweise kann der Auslenkungsverlauf während einer ersten Ansteuerperiode gemessen werden, während einer darauffolgenden zweiten Ansteuerperiode kann das Ansteuersignal angepasst werden, und in einer weiteren darauffolgenden dritten Ansteuerperiode wird die Aktoreinrichtung anhand des angepassten Ansteuersignals angesteuert.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Aktoreinrichtung entlang mehrerer Achsen auslenkbar, wobei für jede Auslenkung ein entsprechender periodischer Sollauslenkungsverlauf vorgegeben wird, und das Ansteuersignal entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren angepasst wird.
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In 3 ist eine schematische Ansicht einer mikromechanischen Vorrichtung 1 mit periodischem Antrieb gezeigt. Die mikromechanische Vorrichtung 1 weist eine auslenkbare Aktoreinrichtung 2, insbesondere einen Mikrospiegel oder ein Mikrospiegelarray auf, wobei die Aktoreinrichtung 2 um eine oder mehrere Achsen herum drehbar, schwenkbar oder auslenkbar ist. Weiter weist die mikromechanische Vorrichtung 1 eine Steuereinrichtung 3 und eine Messeinrichtung 4 auf. Die Steuereinrichtung 3 ist dazu ausgebildet, die Aktoreinrichtung 2 anhand eines Ansteuersignals f2 mit einer vorgegebenen Periodendauer T periodisch anzusteuern. Das Ansteuersignal f2 kann beispielsweise einen zeitlichen Verlauf einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stroms eines Aktuators zum Auslenken der Aktoreinrichtung 2 vorgeben.
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Die Messeinrichtung 4 ist dazu ausgebildet, während mindestens einer Ansteuerperiode einen Auslenkungsverlauf f3 der Auslenkung der Aktoreinrichtung 2 zu messen.
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Die Steuereinrichtung 3 ist weiter dazu ausgebildet, das Ansteuersignal f2 für mindestens eine der folgenden Ansteuerperioden anhand eines periodischen Sollauslenkungsverlaufs f1 und anhand des gemessenen Auslenkungsverlaufs f3 anzupassen. Eine Periodendauer des Sollauslenkungsverlaufs f1 entspricht hierbei der vorgegebenen Periodendauer T.
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Die Steuereinrichtung 3 kann insbesondere dazu ausgebildet sein, das Ansteuersignal unter Verwendung eines FastBlockLMS-Algorithmus oder eines LMS-Algorithmus anzupassen, insbesondere nach dem oben beschriebenen Verfahren.
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Die Steuereinrichtung 3 kann dazu ausgebildet sein, jedes der oben beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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