JP2017146973A

JP2017146973A - マイクロマシニング技術によるアクチュエータを、特にマイクロミラーのマイクロマシニング技術によるアクチュエータを、制御するコントローラ、制御システム、マイクロミラーシステム、及び、マイクロマシニング技術によるアクチュエータの制御方法

Info

Publication number: JP2017146973A
Application number: JP2017027594A
Authority: JP
Inventors: オアトザイフェンアンドレアス; Ortseifen Andreas; イヤドアルディブスモハマド; Lyad Al Dibs Mohamad
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2017-08-24
Anticipated expiration: 2037-02-17
Also published as: DE102016202467A1; US20170242407A1; JP6910156B2; US10018971B2

Abstract

【課題】高次の共振周波数の励振を僅かな技術的コストで低減する。
【解決手段】目標値入力端子１００と、実際値入力端子１１６と、受信した目標値信号４において予め定められた第１の周波数帯域を減衰させ、フィルタリングされた目標値信号１０２を供給する目標値フィルタ１０１と、受信した実際値信号６の時間微分を供給する微分器１１３と、フィルタリングされた目標値信号と実際値信号との制御偏差１０４に基づき、マイクロマシンアクチュエータのための操作量信号１０６を供給するコントローラコア１０５と、操作量信号と実際値信号の微分との差の位相を、予め定められた第２の周波数帯域において修正し、修正操作量信号１１０を供給する位相回転素子１０９と、操作量フィルタ１１１とを設け、操作量信号において予め定められた第３の周波数を抑制し、マイクロマシンアクチュエータのためのフィルタリングされた操作量信号５を供給するように構成する。
【選択図】図５

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載のマイクロマシニング技術によるアクチュエータ、即ち、マイクロマシンアクチュエータを制御するコントローラ、及び、請求項８の上位概念に記載のマイクロマシンアクチュエータの制御方法に関する。

かかるコントローラを含む制御システムを備えたマイクロミラーシステム、及び、対応する制御方法は、独国特許出願公開第１０２０１３２１７１０２号明細書（DE 10 2013 217 102 A1）に記載されている。ここでは、コントローラは、目標値信号を受信する目標値入力端子と、実際値信号を受信する実際値入力端子とを備えている。受信した目標値信号は、目標値フィルタによって予め定められた第１の周波数帯域においてフィルタリングされて、フィルタリングされた目標値信号が供給される。受信した実際値信号に基づき、微分器によって実際値信号の時間微分が供給される。さらにコントローラコアが設けられており、これはフィルタリングされた目標値信号と実際値信号との間の制御偏差に基づき、マイクロマシンアクチュエータに対する操作量信号を供給する。操作量信号と実際値信号の微分との差が形成され、この差の位相が予め定められた第２の周波数帯域において修正されて、修正操作量信号が形成される。

独国特許出願公開第１０２０１３２１７１０２号明細書

このようなコントローラによって、マイクロマシンアクチュエータの一次共振周波数の望ましくない励振を、十分に減衰させることができる。但し、それよりも高次の共振は、公知のコントローラによっても十分には減衰されず、従って、マイクロマシンアクチュエータに不所望な振動が発生する可能性がある。このような背景から本発明の課題は、高次の共振周波数の励振をできるかぎり僅かな技術的コストで低減することである。

発明の概要
本発明に係るコントローラ、本発明に係る制御システム、及び、本発明に係るマイクロミラーシステムによれば、この課題は、以下のように構成された第１の操作量フィルタによって解決される。即ち、この第１の操作量フィルタは、修正操作量信号において予め定められた第３の周波数を抑制して、マイクロマシニング技術によるアクチュエータ、即ち、マイクロマシンアクチュエータのためのフィルタリングされた操作量信号を供給するように構成されている。本発明に係る方法によれば、上記課題を解決するために、修正操作量信号において第３の周波数を抑制して、マイクロマシンアクチュエータのためのフィルタリングされた操作量信号を供給する。

従来技術とは異なり、以下のような利点が得られる。即ち、予め定められる第３の周波数の適切に選定によって、修正操作量信号においてマイクロマシンアクチュエータの共振周波数及び／又は反共振周波数に対応する周波数を、第１の操作量フィルタを用いて抑制することができる。この場合、フィルタリングされた操作量信号によって、マイクロマシンアクチュエータを駆動することができる。このようにすれば、マイクロアクチュエータが共振周波数を有する周波数帯域において、このアクチュエータの励振ができるかぎり阻止される。その際、高次の共振周波数を抑制する目的で、コントローラコアの帯域幅を高める必要がなく、従って、必要とされる技術的コストをできるかぎり小さく抑制することができる。

第１の操作量フィルタは、次式で表現可能な伝達関数NO₁(s)を有することができる。

但し、ｆ_３は第３の周波数、ｑはＱファクタである。

好ましくは目標値信号は、時間領域にある基準量として供給される。実際値信号を、時間領域にある制御量として供給することができる。フィルタリングされた操作量信号を、マイクロマシンアクチュエータの制御入力端子に供給することができる。好ましくは、アクチュエータのポジションを検出可能なポジションセンサが設けられている。ポジションセンサは実際値信号を発生することができ、この信号はコントローラへ供給される。

１つの好ましい実施形態によれば、コントローラは第２の操作量フィルタを備えており、この第２の操作量フィルタは、修正操作量信号において予め定められた第４の周波数を抑制するように構成されている。第２の操作量フィルタを介して、第１の操作量フィルタによって抑制される第３の周波数に加え、修正操作量信号において、さらに別の第４の周波数を減衰させることができる。本発明に係る方法によれば、好ましくは、操作量信号において予め定められた第４の周波数が抑制される。

第２の操作量フィルタは、次式で表現可能な伝達関数NO₂(s)を有することができる。

但し、ｆ_４は第４の周波数、ｑはＱファクタである。

これに関連して、第１の操作量フィルタと第２の操作量フィルタが直列に接続されていると、特に好ましい。第１の操作量フィルタと第２の操作量フィルタとを直列に接続した場合、これらの操作量フィルタによる１つの共通の伝達関数NO(s)が得られ、これは両方の操作量フィルタの伝達関数の積に対応する。

さらに有利であると判明した１つの実施形態によれば、予め定められた第３の周波数と予め定められた第４の周波数との間隔は、１０ｋＨｚよりも狭く、好ましくは５ｋＨｚよりも狭く、特に好ましくは３ｋＨｚよりも狭い。第３の周波数と第４の周波数との間隔をこのように狭めることによって、これらの操作量フィルタが減衰作用を有する周波数範囲をオーバラップさせることができるようになる。このようにすれば、これら両方の操作量フィルタによって、周波数範囲が拡大された１つの共通の操作量フィルタを形成することができ、このように拡大された周波数範囲において、マイクロマシンアクチュエータの不所望な共振を抑制することができる。

好ましくは、第１の操作量フィルタ及び／又は第２の操作量フィルタを、ノッチフィルタとして構成することができる。ノッチフィルタ（英語ではnotch filter）は、著しく狭い周波数帯域で、特に単一の周波数において、強い減衰を生じさせる帯域阻止フィルタである。

目標値フィルタを、ノッチフィルタ、ＦＩＲフィルタ（英語ではfinite impulse response filter）又はＩＩＲフィルタ（英語ではinfinite impulse response filter）として構成することができる。

本発明に係るコントローラにおいてコントローラコアには、制御偏差をできるかぎり僅かに抑制する、という役割がある。コントローラコアを、例えばＰコントローラ、ＰＤコントローラ、ＰＩコントローラ又はＰＩＤコントローラとして構成することができる。別の選択肢としてコントローラコアを、三次又はそれよりも高次のコントローラとすることができる。さらにコントローラコアは、１つ又は複数のＩ要素、Ｄ要素、Ｐ要素、進み要素（位相進み要素）、遅れ要素（位相遅れ要素）、又は、ノッチフィルタ要素を含むことができる。

位相回転素子は好ましくは、操作量信号と実際値信号の微分との差の位相が、−１８０°の値よりも下回るのを阻止し、それによってコントローラの十分な位相余裕が得られるように、構成されている。例えば位相回転素子を、−１８０°乃至−３６０°の範囲にある位相を０°乃至−１８０°の範囲にある位相にマッピングするように構成することができる。好ましくは位相回転素子は、ゼロ次の伝達関数を有する。

マイクロマシンアクチュエータを制御するための、本発明に係る制御システムは、目標値信号を発生する信号発生器を備えている。さらにこの制御システムは、マイクロマシンアクチュエータのための操作量信号を調整処理する第１の信号調整処理ユニットと、実際値信号を調整処理する第２の信号調整処理ユニットを含んでいる。マイクロマシンアクチュエータを制御する既述のコントローラを介して、目標値信号と実際値信号とに基づき、操作量信号を供給することができる。

本発明に係るマイクロミラーシステムは、マイクロミラーとして構成された少なくとも１つのアクチュエータと、既述の制御システムとを備えている。

図面には、本発明の実施例が示されており、以下、それらの実施例について詳しく説明する。

マイクロマシンアクチュエータの伝達関数を示すボード線図。本発明に係るマイクロミラーシステムの実施例を示すブロック図。目標値信号を時間領域で示す図。目標値信号を周波数空間で示す図。本発明に係るコントローラの実施例を示すブロック図。２つの操作量フィルタの直列回路のボード線図。２つの操作量フィルタとマイクロマシンアクチュエータの直列回路のボード線図。

発明を実施するための形態
図１には、マイクロミラーとして形成されたマイクロマシニング技術によるアクチュエータ即ちマイクロマシンアクチュエータ２５の例示的な伝達関数のボード線図が示されている。このマイクロミラーは、マイクロシステム２４の一部として投影システムにおいて使用することができる。このボード線図には、その上方部分に振幅特性が、下方部分に位相特性が示されている。この伝達関数は、マイクロマシンアクチュエータ２５の入力信号と、マイクロマシンアクチュエータ２５の実際の変位を検出するセンサの出力信号との割合を表している。このボード線図からわかるように、アクチュエータ２５の伝達関数は複数の機械的共振点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を有している。特に、この伝達関数には複数の共振周波数が含まれており、これらの共振周波数において、振幅特性はそれぞれ１つの最大値を有する。さらに複数の反共振点Ａ１，Ａ２，Ａ３も示されており、これらの反共振点において、振幅特性はそれぞれ１つの最小値を有する。このかぎりにおいて、このマイクロマシンアクチュエータ２５は振動性である。

図２には、例示的なマイクロミラーシステム２４のブロック図が示されており、このシステムには、上述のマイクロマシンアクチュエータ２５が含まれている。マイクロミラーシステム２４のマイクロマシンアクチュエータ２５は、準静的動作において約６０Ｈｚの基本周波数で励振される。アクチュエータ２５の機械的共振を回避する目的で、制御システムはコントローラ１を備えている。コントローラ１には、信号発生器２１により形成された目標値信号４が供給される。コントローラ１は第１の操作量信号５を形成し、この信号は第１の信号調整処理ユニット２２において調整処理され、第２の操作量信号７としてマイクロマシンアクチュエータ２５へ供給される。第１の信号調整処理ユニット２２には、ディジタル／アナログ変換器２６とローパスフィルタ２７とドライバ２８とから成る直列回路が含まれている。

マイクロマシンアクチュエータ２５はマイクロミラーとして構成されており、詳しくは示されていない検出装置を備えており、この検出装置を介して、マイクロマシンアクチュエータ２５の変位を検出することができる。検出装置は、第１の実際値信号８を供給する。第１の実際値信号８は、第２の信号調整処理ユニット２３において調整処理され、第２の実際値信号６としてコントローラ１へ転送される。第２の信号調整処理ユニット２３には、アンチエイリアシングフィルタ２９とアナログ／ディジタル変換器３０と平衡調整ユニット３１とから成る直列回路が含まれている。

図３には、信号発生器２１により供給される目標値信号４の複数の例示的な推移が示されている。目標値信号４は、予め定められた約６０Ｈｚの基本周波数を有する周期的な鋸波信号であり、これによってマイクロミラーシステムは、毎秒約６０フレームのフレーム繰り返しレートで投影を生じさせることができる。

図４には、目標値信号４のスペクトルが表されている。目標値信号４は、約６０Ｈｚの基本周波数に加え、この基本周波数の偶数及び奇数の高調波振動もさらに含んでおり、それらの高調波振動は例えば１２０Ｈｚ，１８０Ｈｚ等のところにある。このような高調波振動の周波数成分に起因するリスクとは、目標値信号４の基本周波数よりも高い周波数のところで、マイクロマシンアクチュエータ２５の既述の機械的共振が励振される可能性がある、ということである。このような共振が励振されると、例えば望ましくない明暗の推移を引き起こす誤った投影が生じるおそれがある。

図５には、マイクロマシンアクチュエータ２５を制御するための、本発明に係るコントローラ１の実施例のブロック図が示されている。

このコントローラは、目標値信号４を受信する目標値入力端子１００を備えている。目標値信号４は目標値フィルタ１０１へ供給され、このフィルタ１０１は、受信した目標値信号４において、予め定められた周波数又は予め定められた周波数帯域を減衰させて、フィルタリングされた目標値信号１０２を供給するように構成されている。この目標値フィルタは、ＦＩＲフィルタ、ＩＩＲフィルタ、又はノッチフィルタとして構成されている。

さらに、実際値信号６を受信する実際値入力端子１１６が設けられている。実際値信号６は第１の減算器１０３へ供給され、第１の減算器１０３は、フィルタリングされた目標値信号１０２と実際値信号１１６との差を形成する。この差のことを、制御偏差１０４と称する。制御偏差１０４は、コントローラ１のコントローラコア１０５へ供給され、このコントローラコア１０５はＰＩＤコントローラとして構成されており、制御偏差１０４に基づき操作量信号１０６を発生する。

さらにコントローラは微分器１１３も備えており、これは受信した実際値信号６の時間微分１１４を形成する。第２の比較器１０７において、操作量信号１０６と受信した実際値信号６の時間微分１１４とから、差１０８が形成される。この差１０８は、位相回転素子１０９へ供給される。位相回転素子１０９は、操作量信号１０６と実際値信号６の微分１１４の差１０８の位相を、第２の周波数に関して、又は予め定められた第２の周波数帯域において修正し、修正操作量信号１１０を供給するように構成されている。

高次の共振の励振を回避する目的で、修正操作量信号１１０は、第１の操作量フィルタ１１１と第２の操作量フィルタ１１２とから成る直列回路へ供給される。この場合、両方の操作量フィルタ１１１，１１２は、ノッチフィルタとして構成されている。第１の操作量フィルタ１１１によって、修正操作量信号１１０において予め定められた第３の周波数が抑制される。さらに第２の操作量フィルタ１１２によって、予め定められた第４の周波数が抑制される。以上のようにして、マイクロマシンアクチュエータ２５のためのフィルタリングされた操作量信号５が、操作量出力端子１１５から供給される。

第１の操作量フィルタ１１１と第２の操作量フィルタ１１２は、予め定められた第３の周波数ｆ_３と予め定められた第４の周波数ｆ_４との間隔が、１０ｋＨｚよりも狭くなるように設計されており、好ましくは５ｋＨｚよりも狭くなるように、特に好ましくは３ｋＨｚよりも狭くなるように、設計されている。

図６には、第１の操作量フィルタ１１１と第２の操作量フィルタ１１２とから成る直列回路のボード線図が示されている。この直列回路の伝達関数は、式３に従って得られる。この直列回路によれば、第３の周波数ｆ_３及び第４の周波数ｆ_４のところで、強い減衰が生じている。第３の周波数ｆ_３と第４の周波数ｆ_４との間の領域で、振幅特性には約４０ｄＢの減衰が見られ、従って、周波数特性も、第３の周波数ｆ_３と第４の周波数ｆ_４との間の周波数帯域において抑制される。

図７には、第１の操作量フィルタ１１１と第２の操作量フィルタ１１２とマイクロマシンアクチュエータ２５とから成る直列回路のボード線図が示されている。図１に示したアクチュエータ２５のボード線図との対比からわかるように、第１の操作量フィルタ１１１と第２の操作量フィルタ１１２との直列回路によって、共振点Ｒ４が減衰されている。

発明を実施するための形態
図１には、マイクロミラーとして形成されたマイクロマシニング技術によるアクチュエータ即ちマイクロマシンアクチュエータ２５の例示的な伝達関数のボード線図が示されている。このマイクロミラーは、マイクロミラーシステム２４の一部として投影システムにおいて使用することができる。このボード線図には、その上方部分に振幅特性が、下方部分に位相特性が示されている。この伝達関数は、マイクロマシンアクチュエータ２５の入力信号と、マイクロマシンアクチュエータ２５の実際の変位を検出するセンサの出力信号との割合を表している。このボード線図からわかるように、アクチュエータ２５の伝達関数は複数の機械的共振点Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４を有している。特に、この伝達関数には複数の共振周波数が含まれており、これらの共振周波数において、振幅特性はそれぞれ１つの最大値を有する。さらに複数の反共振点Ａ１，Ａ２，Ａ３も示されており、これらの反共振点において、振幅特性はそれぞれ１つの最小値を有する。このかぎりにおいて、このマイクロマシンアクチュエータ２５は振動性である。

さらに、実際値信号６を受信する実際値入力端子１１６が設けられている。実際値信号６は第１の減算器１０３へ供給され、第１の減算器１０３は、フィルタリングされた目標値信号１０２と実際値信号６との差を形成する。この差のことを、制御偏差１０４と称する。制御偏差１０４は、コントローラ１のコントローラコア１０５へ供給され、このコントローラコア１０５はＰＩＤコントローラとして構成されており、制御偏差１０４に基づき操作量信号１０６を発生する。

Claims

マイクロマシンアクチュエータ（２５）を、特にマイクロミラーのマイクロマシンアクチュエータ（２５）を制御するコントローラであって、
目標値信号（４）を受信する目標値入力端子（１００）と、
実際値信号（６）を受信する実際値入力端子（１１６）と、
受信した前記目標値信号（４）において、予め定められた第１の周波数又は予め定められた第１の周波数帯域を減衰させて、フィルタリングされた目標値信号（１０２）を供給するように構成された、目標値フィルタ（１０１）と、
受信した前記実際値信号（６）の時間微分（１１４）を供給するように構成された、微分器（１１３）と、
フィルタリングされた前記目標値信号（１０２）と前記実際値信号（６）との間の制御偏差（１０４）に基づき、前記マイクロマシンアクチュエータ（２５）のための操作量信号（１０６）を供給するように構成された、コントローラコア（１０５）と、
前記操作量信号（１０６）と前記実際値信号（６）の微分（１１４）との差（１０８）の位相を、第２の周波数又は予め定められた第２の周波数帯域において修正して、修正操作量信号（１１０）を供給するように構成された、位相回転素子（１０９）と、
を備えている、
マイクロマシンアクチュエータ（２５）を制御するコントローラにおいて、
前記修正操作量信号（１１０）において予め定められた第３の周波数を抑制して、前記マイクロマシンアクチュエータ（２５）のためのフィルタリングされた操作量信号（５）を供給する第１の操作量フィルタ（１１１）を備えていることを特徴とする、
マイクロマシンアクチュエータ（２５）を制御するコントローラ。
前記修正操作量信号（１１０）において予め定められた第４の周波数を抑制するように構成されている第２の操作量フィルタ（１１２）を備えている、
請求項１に記載のコントローラ。
前記第１の操作量フィルタ（１１１）と前記第２の操作量フィルタ（１１２）とは、直列に接続されている、
請求項２に記載のコントローラ。
予め定められた前記第３の周波数と予め定められた前記第４の周波数との間隔は、１０ｋＨｚよりも狭く、好ましくは５ｋＨｚよりも狭く、特に好ましくは３ｋＨｚよりも狭い、
請求項２又は３に記載のコントローラ。
前記第１の操作量フィルタ（１１１）及び／又は前記第２の操作量フィルタ（１１２）は、ノッチフィルタとして構成されている、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のコントローラ。
マイクロマシンアクチュエータ（２５）を、特にマイクロミラーのマイクロマシンアクチュエータ（２５）を制御する制御システムであって、
目標値信号（４）を発生する信号発生器（２１）と、
前記マイクロマシンアクチュエータ（２５）のための操作量信号（５）を調整処理する第１の信号調整処理ユニット（２２）と、
実際値信号（８）を調整処理する第２の信号調整処理ユニット（２３）と、
を備えている、
マイクロマシンアクチュエータ（２５）を制御する制御システムにおいて、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の、マイクロマシンアクチュエータ（２５）を制御するコントローラ（１）を備えており、当該コントローラ（１）を介して、前記目標値信号（４）と前記実際値信号（８）とに基づき、前記操作量信号（５）を供給可能であることを特徴とする、
マイクロマシンアクチュエータ（２５）を制御する制御システム。
マイクロミラーとして構成されたマイクロマシンアクチュエータ（２５）と、請求項６に記載の制御システム（２０）とを備えているマイクロミラーシステム。
マイクロマシンアクチュエータ（２５）を、特にマイクロミラーのマイクロマシンアクチュエータ（２５）を制御する方法であって、
・目標値信号（４）を受信するステップと、
・実際値信号（６）を受信するステップと、
・受信した前記目標値信号（４）において、予め定められた第１の周波数又は予め定められた第１の周波数帯域を減衰させて、フィルタリングされた目標値信号（１０２）を供給するステップと、
・受信した前記実際値信号（６）の時間微分（１１４）を供給するステップと、
・フィルタリングされた前記目標値信号（１０２）と前記実際値信号（６）との間の制御偏差（１０４）に基づき、前記マイクロマシンアクチュエータ（２５）のための操作量信号（１０６）を供給するステップと、
・前記操作量信号（１０６）と前記実際値信号（６）の時間微分（１１４）との差（１０８）の位相を、予め定められた第２の周波数又は予め定められた第２の周波数帯域において修正して、修正操作量信号（１１０）を供給するステップと、
を含む、
マイクロマシンアクチュエータ（２５）を制御する方法において、
前記修正操作量信号（１１０）において第３の周波数を抑制して、前記マイクロマシンアクチュエータ（２５）のためのフィルタリングされた操作量信号（５）を供給することを特徴とする、
マイクロマシンアクチュエータ（２５）を制御する方法。
前記修正操作量信号（１１０）において予め定められた第４の周波数を抑制する、
請求項８に記載の方法。
予め定められた前記第３の周波数と予め定められた前記第４の周波数との間隔は、１０ｋＨｚよりも狭く、好ましくは５ｋＨｚよりも狭く、特に好ましくは３ｋＨｚよりも狭い、
請求項９に記載の方法。