NO339405B1 - Fremgangsmåte og anordning for å styre/regulere en fysisk variabel i et dynamisk system. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører fremgangsmåter og anordninger som angitt i innledningen av respektive selvstendige krav.

Oppfinnelsen vedrører nærmere bestemt en fremgangsmåte for å styre eller regulere en fysisk variabel i et dynamisk system, for eksempel en mikromekanisk sensor, til en spesifikk ønsket verdi eller ønsker verdiprofil, ved å anvende en pulsmodulator som det blir generert en sekvens med diskret moduleringssignaler ved hjelp av, hvor signalene påvirker styringen eller reguleringen av den fysiske variabelen. Oppfinnelsen vedrører ytterligere en fremgangsmåte for samtidig å styre eller regulere i det minste to fysiske variabler i et system, for eksempel en mikromekanisk sensor, til spesifikke ønskede verdier eller ønskede verdiprofiler ved å anvende en pulsmodulator, som det blir generert en sekvens med diskrete moduleringssignaler ved hjelp av, som produserer styringen eller reguleringen av de fysiske variablene. Oppfinnelsen vedrører også en tilhørende anordning og enhet.

Mikromekaniske sensorer er kjent. Coriolisgyroskop (også kalt vibrasjonsgyroskop) som vanligvis blir anvendt for å måle rotasjonshastigheter er et prominent eksempel på slike sensorer. Coriolisgyroskop har et massesystem som fås til å vibrere. Vibrasjonen er vanligvis en overlagring av et mangfold med individuelle vibrasjoner. De individuelle vibrasjonene for massesystemet er initialt uavhengige av hverandre og kan være abstrakt sett på i hvert tilfelle som "resonatorer". For driften av et Coriolisgyroskop kreves minst to resonatorer: én av disse resonatorene (første resonator) blir kunstig eksitert til å vibrere, og dette er i det etterfølgende henvist til som "eksiteringsvibrasjon". Den andre resonatoren (andre resonator) blir deretter eksitert til å vibrere når coriolisgyroskopet blir flyttet/rotert. I dette tilfellet forekommer corioliskrefter som kobler den første resonatoren til den andre resonatoren, tar energi fra eksiteringsvibrasjonen for den første resonatoren og overfører energien til den avleste vibrasjonen for den andre resonatoren. Vibrasjonen for den andre resonatoren blir i det etterfølgende henvist til som "avlest vibrasjon". For å kunne bestemme bevegelser (mer bestemt rotasjoner) for coriolisgyroskopet blir den avleste vibrasjonen fanget opp og et tilsvarende avlest signal (for eksempel det avleste vibrasjonsmåleverdisignalet) blir analysert for å finne ut om det har forekommet endringer i amplituden for det avleste signalet, som representerer et mål på coriolisgyroskopets rotasjon. Coriolisgyroskop kan være implementert som både åpen-sløyfe-systemer og lukkede-sløyfe-systemer. I et lukket-sløyfe-system blir amplituden for den avleste vibrasjonen kontinuerlig satt til en fast verdi - fortrinnsvis null - ved hjelp av en tilhørende reguleringssløyfe.

I det etterfølgende skal "resonator" forstås til å bety et vibrasjonsmassesystem som muligens omfatter mekaniske fjærer. Uttrykket "vibrator" blir også anvendt som et synonym for dette formålet i beskrivelsen.

For coriolisgyroskopets detaljerte funksjonalitet skal det henvises til for eksempel den ugranskede tyske søknaden DE 102 48 733 A1. Eksisterende coriolisgyroskop (mer bestemt coriolisgyroskopet som er beskrevet i DE 102 48 733 A1) har ulempen at et antall digital-analoge omformere kreves for å kunne generere de tilhørende kraftimpulsene fra de digitale tilbakestillings- eller reguleringssignalene. Imidlertid er digital-analoge omformere kostbare og krever betydelig elektrisk strøm. Videre er de relativt uegnet for integrasjon med andre elektroniske komponenter, og pålegger derved begrensninger på miniatyrisering.

Videre vises til WO 2004/099716 A1, og som også vedrører bruk av et coriolisgyroskop.

For å unngå denne ulempen er fremskaffelse gjort for å erstatte de digital-analoge omformerne med en pulsmodulator i den kjente teknikken. Kvantiserte utgangssignaler for pulsmodulatoren blir deretter anvendt i stedet for de analoge utgangssignalene for den digital-analoge omformeren.

Et slikt coriolisgyroskop er forklart mer detaljert nedenfor med henvisning til figur 1.

Figur 1 viser et elektrisk evaluerings-/reguleringssystem 1 som viser en ladningsforsterker 2, en analog-digital omformer 3, en signalseparator 4, en første demodulator 5, en andre demodulator 6, et reguleringssystem 7, en todimensjonal pulsmodulator 8, en første og andre kraftimpulstransformeringsenhet 9, 10, og en første til fjerde kraftgeneratorelektrode 1^til 114.

Helheten av komponentene som er identifisert ved å anvende henvisningstallene 2 til 11 danner to reguleringssløyfer: én reguleringssløyfe for å bestemme amplitudene, frekvensene og fasene for eksiteringsvibrasjonen og en ytterligere reguleringssløyfe for å bestemme amplitudene, frekvensene og fasene for den avleste vibrasjonen. Som vist i figur 1 har kretsen ifølge oppfinnelsen kun en analog-digital omformer 3 og ingen digital-analog omformer. De digital-analoge omformerne er erstattet her av den todimensjonale pulsmodulatoren 8 og de to kraftimpulstransformeringsenhetene 9, 10.

Funksjonaliteten for det elektroniske evaluerings-/styringssystemet ifølge oppfinnelsen er forklart mer detaljert nedenfor.

For å kunne bestemme amplitudene eller frekvensene eller fasene for eksiteringsvibrasjonen/den avleste vibrasjonen for resonator R genererer den todimensjonale pulsmodulatoren 8 et første og et andre trippelkvantisert utgangssignal Si, S2, hvor det første trippelkvantiserte utgangssignalet Si blir transformert til kraftimpulssignaler (spenningssignaler) S3, S4i den første kraftimpulstransformeringsenheten 9. Det andre trippelkvantiserte utgangssignalet S2blir tilsvarende transformert til kraftimpulssignaler (spenningssignaler) S5, S6i den andre kraftimpulstransformeringsenheten 10. De trippelkvantiserte utgangssignalene Si, S2kan fortrinnsvis anta verdiene 1, 0 og -1 i hvert tilfelle. Dersom signalet Si for eksempel har verdien +1 genererer den første kraftimpulstransformeringsenheten to kraftimpulssignaler S3, S4, som forårsaker en kraftimpuls fra signalet Si. Disse kraftimpulssignalene S3, S4genererer elektriske felt mellom den andre og den fjerde kraftgeneratorelektroden 112, 114og resonatoren R, som kraftimpulsene blir påvirket via. Dersom signalet Si har verdien -1 blir kraftimpulssignalene S3, S4 generert slik at orienteringen av resulterende kraftimpulser er motsatt av den for kraftimpulsene som blir generert dersom Si=1. Dersom signalet Si har verdien 0 er ingen elektriske felt eller to elektriske felt som er vekselvis balansert tilstede mellom kraftgeneratorelektrodene 112, 114og resonatoren R. Hver kraftimpuls er derfor et resultat av et enkelt elektrisk felt som er tilstede enten mellom kraftgeneratorelektroden 112og resonatoren R eller mellom kraftgeneratorelektroden 114og resonatoren R.

Ifølge for eksempel den følgende tabellen er de følgende potensialene (0 eller Uo) derfor tilstede ved den andre og fjerde kraftgeneratorelektroden 112, 114:

Dersom potensialet Uohar et negativt fortegn er den resulterende kraften alltid

positiv som et resultat av kvadratet av potensialet. Tilsvarende betraktninger gjelder også for det andre trippelkvantiserte utgangssignalet S2som blir transformert av den andre kraftimpulstransformeringsenheten 10 til et femte og sjette impulssignal S5, S6, som blir anvendt ved den første og tredje kraftgeneratorelektroden '\'\-\, 113. For eksempel blir parametrene for eksiteringsvibrasjonen bestemt/styrt via kraftgeneratorelektrodene 112, 114og parametrene for den avleste vibrasjonen blir bestemt/styrt via kraftgeneratorelektrodene 11^ 113.

Anvendelsen av elektriske felt til kraftgeneratorelektrodene 11 : til 114får den elektriske ladningen til å strømme til en bevegende sentral elektrode i tillegg til å forårsake eksiteringen av resonatoren R. Denne ladningen blir målt via ladningsforsterkeren 2, og et tilhørende analogt utgangssignal S7blir omformet av den analog-digitale omformeren 3 til et tilhørende digitalt signal Ss hvorfra et første digitalt avlest signal Sg og et andre digitalt avlest signal S10blir generert ved hjelp av signalseparatoren 4. Siden ladningen som strømmer på den sentrale elektroden er avhengig av kapasitansene for de kraftgeneratorelektrodene 11 : til 114 hvortil et elektrisk felt øyeblikkelig blir påført, er ladningen som strømmer et mål for amplitudene eller frekvensene eller andre parametere for eksiteringsvibrasjonen/den avleste vibrasjonen for resonator R. Derfor kan den øyeblikkelige bevegelsen/ endringen i bevegelse av resonatoren R bli rekonstruert av signalseparatoren 4 avhengig av momentan og/eller midlertidige eldre utgangssignalverdier for de trippelkvantiserte utgangssignalene Si, S2. Dersom positive og negative potensialer +/-U0forekommer må signalseparatoren 4 også ta i betraktning fortegnet for potensialet Uo(spenningen som er tilstede ved kraftgeneratoren 11 i til 114) under rekonstruksjonen.

Den todimensjonale pulsmodulatoren 8 er fordelaktig konfigurert slik at de trippelkvantiserte utgangssignalene Si og S2aldri endrer seg samtidig, siden ladningen som strømmer på den sentrale elektroden vanligvis blir målt i korthet, dvs. at ladningsoverføringer som resulterer fra en overlagring av to elektriske felt kun kan måles som en helhet og derfor er det ikke mulig å tildele deler av ladnings-overføringen til individuelle elektriske felt. Den ytterligere betingelsen mellom de trippelkvantiserte utgangssignalene Si og S2gjør det da mulig å oppnå en enhetlig tildeling av den strømmende ladningen til et spesifikt elektrisk felt, og det er derfor mulig å skille nøyaktig mellom eksiteringsvibrasjon og avlest vibrasjon. En ytterligere mulig tilstand i denne sammenhengen er å sikre at kun ett av de to signalene Si og S2har lov til å anta en verdi foruten 0 ved et gitt øyeblikk.

Det første digitale avleste signalet Sg blir demodulert av den første demodulatoren 5 inn i en reell del Sn og en imaginær del S12. Tilsvarende blir det andre digitalt avleste signalet S10demodulert av den andre demodulatoren 6 inn i en reell del S13og en imaginær del S14. Det første digitale avleste signalet Sg inneholder for eksempel informasjon om eksiteringsvibrasjonen og det andre digitale avleste signalet S10inneholder informasjon om den avleste vibrasjonen. Den sanne og imaginære delen Sn til S14av det første og andre digitale avleste signalet Sg, S10ankommer reguleringssystemet 7, som genererer eksiterings-/kompenserings-signaler S15til Sisavhengig av disse signalene. For eksempel representerer signalet S15den reelle delen og signalet S16representerer den imaginære delen av det digitale eksiterings-/kompenseringssignalet for eksiteringsvibrasjonen, hvorved signalet S16representerer den reelle delen og signalet Sisden imaginære delen av et digitalt eksiterings-/kompenseringssignal for den avleste vibrasjonen.

De digitale eksiterings-/kompenseringssignalene S15til Sisblir tilført den todimensjonale pulsmodulatoren 8 som genererer de trippelkvantiserte utgangssignalene Si, S2derfra.

Det ovennevnte prinsippet for styring (anvendelsen av en digital impulssekvens for å regulere en fysisk variabel) er ikke begrenset til styringen av eksiterings-/den avleste vibrasjonen, men kan også anvendes på mange ulike måter: I mikromekaniske sensorer ("MEMS": mikroelektromekaniske systemer) som viser elektrostatisk eksitering eller tilbakestilling av en resonator, mer bestemt i det ovennevnte coriolisgyroskopet, er det ofte nødvendig for eksempel å sette resonansfrekvensen for resonatoren til en forhåndsbestemt verdi. Dette kan oppnås ved å anvende elektrostatiske tilbakestillingsfjærer, hvor fjærkonstantene (positive eller negative) kan være satt ved hjelp av elektriske spenninger. Resonatoren består vanligvis av mekaniske fjærer (fortrinnvis tilkoblet i parallell) som vibrasjonsmassesystemet er suspendert på og vibrasjonsmasseelementet i seg selv. Resonansfrekvensen for en slik resonator kan være satt ved hjelp av reguleringssystemet som er forklart i forbindelse med figur 1. Dette betyr at i stedet for en analog innstillbar spenning blir en digital impulssekvens generert som "trimmer" resonansfrekvensen til en resonansfrekvens som tilsvarer gjennomsnittet av impulsene. For eksempel er det ved hjelp av en tilhørende svitsjesekvens for de elektrostatiske tilbakestillingsfjærene ved naturlige resonanser på 9000 Hz og 9200 Hz (dvs. ved hjelp av en tilhørende impulssekvens som omfatter to impulsverdier) mulig å sette en naturlig resonans på 9100 Hz. Som nevnt ovenfor er fordelen med dette at kostbare digital-analoge omformere som har relativt høyt strømforbruk kan utelates. Det er derfor mulig å regulere eller sette resonansfrekvensen for resonatoren (for eksempel den for resonatorene som er vist i figur 1 eller den for den doble resonatoren) som anvender diskrete impulser. Separate reguleringssløyfer og separate kraftgeneratorelektroder som ikke er tegnet i figur 1 kan anvendes for dette formålet. Under rekonstruksjons-rutinen vil signalseparasjonen vist i figur 1 da i tillegg måtte vurdere signalene/ kraftgeneratorelektrodene som er krevd for å regulere resonansfrekvensen.

Det kan vises at det ikke er tilstrekkelig å velge en enkel fordelingsmåte for å regulere/sette resonansfrekvensen til en bestemt verdi som sikrer at gjennomsnittsfrekvensen for impulsene tilsvarer den relative posisjonen for den ønskede naturlige frekvensen innenfor de svitsjbare naturlige frekvensekstreme verdiene. Dette vil faktisk resultere i at vibrasjonsmasseelementet vil utøve ukontrollerte amplitude- og faseskiftninger på grunn av den såkalte parametriske oscillator-effekten, som i ekstreme tilfeller kan føre til en dempning eller til og med ustabil oppførsel på resonatoren ("parametriske effekter"). Dette gjelder tilsvarende for hvilke som helst fysiske variabler som skal settes/reguleres til en spesifikk verdi ved hjelp av en diskret impulssekvens.

Oppfinnelsen er rettet mot problemet med å spesifisere en fremgangsmåte for å styre/regulere en fysisk variabel for en mikromekanisk sensor (eller mer generelt: for et dynamisk system) ved å anvende en pulsmodulator, hvor fremgangsmåten tillater undertrykkelse av parametriske effekter som kan forekomme i dette tilfellet. Mer bestemt er fremskaffelse av en fremgangsmåte gjort for digitalt å regulere fjærkonstantene for en resonator til en forhåndsbestemt resonansfrekvens mens parametriske effekter samtidig blir undertrykt.

For å kunne løse dette problemet tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte ifølge patentkrav 1 og patentkrav 9. Oppfinnelsen tilveiebringer også en anordning ifølge patentkrav 8 og patentkrav 15. Fordelaktige utførelser eller utvikling av den oppfinneriske ideen er beskrevet i underkravene.

Fremgangsmåten ifølge kravene for å styre eller regulere en fysisk variabel i et dynamisk system til en spesifikk ønsket verdi eller ønsket verdiprofil anvender en pulsmodulator, som genererer en sekvens med diskrete moduleringssignaler som effektuerer styringen eller reguleringen av den fysiske verdien, og er kjennetegnet ved den gjentatte utøvelsen av de følgende trinn: a) for det første, å bestemme en eksakt verdi eller en tilnærming for avviket mellom den momentane ønskede verdien og den momentane faktiske verdien

for den fysiske verdien.

b) Deretter bestemme den relevante avviksendringen som vil resultere fra å opprettholde det momentane moduleringssignalet eller svitsjingen over til de

andre moduleringssignalene.

c) Til slutt, å velge det moduleringssignalet som vil resultere i den beste tilnærmingen for den momentane ønskede verdien.

Som et resultat av den gjentatte utøvningen av trinnene (a) til (c) blir styringen eller reguleringen av den fysiske variabelen til den ønskede verdien eller ønskede verdiprofilen effektuert. Et viktig prinsipp som underligger i fremgangsmåten ifølge kravene er at i hvert iterasjonstrinn, dvs. hver gang etter utøvelse av trinnet (a), blir effektene av alle de fremkallbare moduleringssignalene på den momentane faktiske verdien av den fysiske variabelen eller på den faktiske verdien av den fysiske variabelen som er estimert ved hjelp av tilnærmingen, bestemt. Med andre ord blir effektene av de individuelle moduleringssignalene simulert før pulsmodulatoren faktisk genererer et tilhørende moduleringssignal og har derfor påvirkning på den momentane verdien av den fysiske variabelen. Det modulerte signalet blir valgt som har den "beste" effekten på den fysiske variabelen i simuleringen, dvs. resulterer i den beste tilnærmingen av den momentane ønskede verdien. Fordelen med en slik fremgangsmåte for styring/regulering er at den lett kan kombineres med tilsvarende fremgangsmåter for styring/regulering av andre fysiske variabler og samtidig hindrer en undertrykkelse av parametriske effekter.

Fremgangsmåten ifølge kravene kan anvendes med bestemt fordel på mikromekaniske sensorer som har en resonator. I dette tilfellet kan den fysiske variabelen som skal styres eller reguleres for eksempel være resonansfrekvensen for resonatoren. Alternativt kan amplituden eller fasen for en vibrasjon av resonatoren også være styrt eller regulert. Fremgangsmåten ifølge kravene kan også anvendes i dynamiske systemer slik som pendelsystemer i akselerometre, oscillatorer (elektriske, elektromekaniske, mekaniske) som har en innstillbar frekvens (for eksempel for å generere en klokkefrekvens). Ytterligere egnete systemer omfatter innstillbare båndfiltre, kvartsfiltre, etc. Alle relevante fysiske variabler som blir anvendt i forbindelse med disse systemene kan være regulert av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Oppfinnelsen er ikke begrenset til de dynamiske systemene som eksplisitt er listet ovenfor.

Som forklart ovenfor, kan i trinn (a) enten den eksakte verdien av avviket eller en tilnærming av avviket mellom den momentane ønskede verdien og den momentane faktiske verdien for den fysiske verdien bli bestemt. For å regulere resonansfrekvensen for resonatoren er det fordelaktig å bestemme en tilnærming av avviket. Grunnen til dette er at i en mikromekanisk sensor med tilbakestilling (lukket sløyfesystem) er amplituden for en avlest vibrasjon for resonatoren, hvilken avleste vibrasjon som må være styrt, kontinuerlig nullstilt og følgelig kan ingen vibrasjon bli undersøkt og derfor kan ingen momentan resonansfrekvens bli avlest heller. Dette problemet kan løses ved at, for formålet med å regulere resonansfrekvensen for resonatoren, resonatorvibrasjonsresponsen som vil resultere fra ankomsten av en moduleringssignalsekvens ved resonatoren (ved å anta en definert initial amplitude og initial fase), blir simulert, og moduleringssignalsekvensen blir valgt slik at en maksimal nøyaktighetstilnærming av en ønsket verdiprofil for en vibrasjon av resonatoren blir produsert i simuleringen. I denne sammenhengen er frekvensen for den ønskede verdiprofilen for vibrasjonen resonatorresonansfrekvensen som må bli styrt. Den "ekte" resonatoren blir utsatt for moduleringssignalsekvensen som følgelig blir oppnådd.

"Vibrasjonsrespons" skal forstås til å mene reaksjonen av resonatorene til moduleringssignalsekvensen, dvs. den naturlige vibrasjonen for resonatoren (dempningsprosess) som resulterer fra moduleringssignalsekvensen. Med hensyn til dempningsprosessen som blir utført i simuleringen, skal det forstås at i simuleringen så opplever resonatoren et initialt avvik (initial amplitude, initial fase) og blir deretter overlatt til seg selv, og selv om moduleringssignalsekvensen (hvilken effekt på dempningsprosessen blir testet i simuleringen) regulerer fasen og amplituden for den uttonende (dempede) dempningsprosessen (til den ideelle ønskede verdien), har det

"ingenting" med fasen og amplituden på det initiale avviket (dette er en "ytterliggende tilstand" og uavhengig av moduleringssignalsekvensen).

Den dempede uttonende naturlige vibreringsprosessen for den ekte resonatoren blir simulert avhengig av en moduleringssignalsekvens, og i hvert iterasjonstrinn eller tidsintervall (tidsdiskret digital moduleringsmetode) blir vibrasjonsresponsen, som blir forårsaket som et resultat av de foregående moduleringssignalene, sammenlignet med en ideell naturlig vibrasjon som systemet vil utøve i tilfelle av resonansfrekvensen som må bli regulert. Effektene av alle fremkalte moduleringssignaler på den momentane vibrasjonstilstanden for den simulerte ekte resonatoren blir bestemt, og i det neste iterasjonstrinnet blir resonatoren i simuleringen utsatt for moduleringssignaler, som resulterer i den beste tilnærmingen av den ideelle ønskede verdiprofilen for vibrasjonen, dvs. produserer det beste treffet mellom ideell (naturlig) vibrasjonsprofil og simulert ekte (naturlig) vibrasjonsprofil.

Genereringen av moduleringssignalsekvensen for å regulere resonansfrekvensen kan oppnås for eksempel ved samtidig å styre amplitude og fase for vibrasjonsresponsen (naturlig vibrasjon) til spesifikke ønskede verdier eller ønskede verdiprofiler i simuleringen av vibrasjonsoppførselen av den ekte resonatoren. For dette: d) et effektivt totalt avvik blir beregnet for hver fremkalte moduleringssignal, hvor det totale avviket blir oppnådd fra summen av avvikene mellom de momentane ønskede verdiene og tilsvarende verdier som er regulert i simuleringen, som vil resultere fra opprettholdelsen av dette moduleringssignalet (dersom dette moduleringssignalet ble valgt i det foregående iterasjonstrinnet) eller svitsjingen over til dette moduleringssignalet (dersom et annet moduleringssignal blir valgt i det foregående iterasjonstrinnet). e) Det moduleringssignalet som det beregnete effektive totale avviket blir minst for blir valgt. f) Trinnene d) og e) blir iterativt gjentatt, dvs. at trinn d) og deretter trinn e) blir utøvd én gang i hvert iterasjonstrinn.

Når moduleringssignalsekvensen blir generert blir to fysiske variabler (amplitude og fase) samtidig vurdert deretter. Det "effektive totale avviket" er derfor en "global" feil som representerer summen av fasefeilene og amplitudefeilene for et fremkalt moduleringssignal. Fordi den "globale" feilen blir holdt så liten som mulig (trinn e)), blir det alltid gitt reguleringsprioritet til den fysiske variabelen som bidrar mest til det totale avviket, dvs. har det største "behovet for regulering".

Dersom amplituden og fasen for simuleringen blir regulert til den idealiserte ønskede verdiprofilen for vibrasjonen på måten beskrevet ovenfor, blir den foretrukne resonansfrekvensen for resonatoren satt "automatisk".

For å kunne forbedre nøyaktigheten er det samtidig passende å simulere to resonatorvibrasjonsresponser (naturlige vibrasjoner) som resulterer fra en moduleringssignalsekvens som ankommer ved resonatoren. For hver av vibrasjonsresponsene her blir amplituden og fasen for vibrasjonsresponsen samtidig regulert til spesifikke ønskede verdier/ønskede verdiprofiler. Den ønskede fasen for den ene vibrasjonsresponsen blir forskjøvet relativt til den ønskede fasen for den andre vibrasjonsresponsen med fasen tt/2. I dette tilfellet: g) for hvert fremkalte moduleringssignal blir et effektivt totalawik tildelt i hvert tilfelle til de to simuleringene, hvor totalavviket blir oppnådd fra summen av avvikene mellom de momentane ønskede verdiene for simuleringen og tilsvarende verdier som er regulert i simuleringen, som vil resultere fra opprettholdelsen av dette moduleringssignalet (dersom dette moduleringssignalet ble valgt i det foregående iterasjonstrinnet) eller svitsjingen over til dette moduleringssignalet (dersom et ulikt moduleringssignal ble valgt i det foregående iterasjonstrinnet). h) Det effektive totale avviket relativ til det samme moduleringssignalet blir lagt sammen fra begge simuleringene.

i) Det moduleringssignalet hvor totalen som beregnet i det foregående trinnet er minst fra blir valgt.

j) Trinnene g) til i) blir hver og en utøvd én gang i hver iterasjon.

Oppfinnelsen tilveiebringer ytterligere en enhet for å styre/regulere en fysisk variabel i et dynamisk system til en spesifikk ønsket verdi/ønsket verdiprofil, hvor enheten har en pulsmodulator som det er mulig å generere en sekvens med diskrete moduleringssignaler ved hjelp av, som påvirker styringen/reguleringen av den fysiske variabelen. Anordningen er kjennetegnet ved: - en sammenligningsenhet som det er mulig å bestemme en eksakt verdi eller en tilnærming ved hjelp av for avviket mellom den momentane ønskede verdien og den momentane faktiske verdien for den fysiske variabelen, - en beregningsenhet som blir tilkoblet sammenligningsenheten og som det er mulig å beregne de relative endringene i avviket ved hjelp av, som blir bestemt av sammenligningsenheten og vil resultere fra opprettholdelsen av det momentane moduleringssignalet eller svitsjingen over til de andre moduleringssignalene, og

- en beslutningsenhet som er tilkoblet til beregningsenheten og, avhengig av avviksendringene beregnet av sammenligningsenheten, bestemmer hvilket moduleringssignal som resulterer i den beste tilnærmingen for den momentane ønskede verdien, hvor moduleringssignalsekvensen som blir generert av pulsmodulatoren kan være styrt av beslutningsenheten.

Oppfinnelsen tilveiebringer ytterligere en fremgangsmåte for samtidig å styre eller regulere minst to fysiske variabler i et dynamisk system til spesifikke ønskede verdier eller ønskede verdiprofiler som anvender en pulsmodulator som genererer en sekvens med diskrete moduleringssignaler, hvor sekvensen påvirker styringen/ reguleringen av de fysiske variablene, og er kjennetegnet ved den gjentatte utøvelsen av de følgende trinn: a) Først blir et effektivt totalawik beregnet for hvert fremkalte moduleringssignal, hvor totalavviket blir oppnådd fra summen av de eksakte verdiene eller tilnærmingene for avvikene mellom de momentane ønskede verdiene og tilsvarende faktiske verdier for de fysiske variablene, som vil resultere fra opprettholdelsen av dette moduleringssignalet (dersom dette moduleringssignalet ble valgt i den foregående klokkesyklusen) eller svitsjingen over til dette moduleringssignalet (dersom et ulikt moduleringssignal ble valgt i den foregående klokkesyklusen). b) Det moduleringssignalet som det beregnete effektive totalavviket er minst for blir anvendt for styringen/reguleringen (i den neste klokkesyklusen). c) Som et resultat av den gjentatte utøvningen av trinnene a) og b) blir styringen eller reguleringen av de fysiske variablene til tilsvarende ønskede verdier eller

ønskede verdiprofiler effektuert. Et viktig prinsipp som underligger fremgangsmåten ifølge patentkravene er at i hver klokkesyklus (iterasjonstrinn) blir effektene av alle fremkalte moduleringssignaler på de momentane faktiske verdiene for de fysiske variablene, eller på de faktiske verdiene for de fysiske variablene som estimert ved hjelp av tilnærming, bestemt. Med andre ord blir effektene av de individuelle moduleringssignalene simulert før pulsmodulatoren faktisk genererer et tilhørende moduleringssignal og har derfor påvirkning på de momentane verdiene for de fysiske variablene. Det moduleringssignalet som har den "beste" effekten på den fysiske variabelen i simuleringen blir valgt, dvs. resulterer i den beste tilnærmingen av den momentane ønskede verdien ("kjør gjennom alle muligheter" prinsipp). Fordelen med en slik fremgangsmåte for styring/regulering er at prinsipielt kan et ubegrenset

antall fysiske variabler bli regulert samtidig og undertrykkelse av parametriske effekter kan også oppnås.

Fremgangsmåten ifølge kravene kan anvendes spesielt fordelaktig med mikromekaniske sensorer som har en resonator. De fysiske variablene som skal styres/reguleres kan for eksempel være en resonansfrekvens for resonatoren eller amplituder eller faser for eksiteringsvibrasjonen og/eller avlest vibrasjon for resonatoren.

Som beskrevet ovenfor er det i trinn a) mulig å bestemme enten de eksakte verdiene for avvikene eller tilnærminger for avvikene mellom den momentane ønskede verdien og de momentane faktiske verdiene for de fysiske variablene. For å kunne regulere resonansfrekvensene for resonatoren er det fordelaktig å bestemme for eksempel en tilnærming for avviket. Årsaken til dette er at i en mikromekanisk sensor med tilbakestilling (lukket-sløyfe-system), så blir amplituden for en avlest vibrasjon for resonatoren, som avleser vibrasjon som må bli regulert, kontinuerlig nullstilt og følgelig kan ingen vibrasjon bli undersøkt og derfor kan ingen momentan resonansfrekvens leses heller. Dette problemet kan løses dersom resonansfrekvensavvikstilnærmingene som vedrører dette (se trinn a) i teksten over), når resonansfrekvensen for resonatoren blir regulert, blir fastlagt som følger: - en naturlig vibreringsprosess for resonatoren blir simulert, som resonatoren vil utøve under spesifikk vibrasjonsinitialtilstander og etter eksponering til moduleringssignalene som foregående ble generert av pulsmodulatoren. - effekten som hvert fremkalte moduleringssignal vil ha på den simulerte naturlige vibrasjonsprosessen for resonatoren blir beregnet, og de hypotetiske resulterende naturlige vibrasjonsprofilene blir sammenlignet med en naturlig vibrasjonsønsket verdiprofil, som har de samme vibrasjonsinitiale tilstandene og hvor vibrasjons-frekvensen er resonansfrekvensen som må bli regulert, - hvor avvikene mellom de hypotetiske resulterende naturlige vibrasjonsprofilene og den naturlige vibrasjonsønskede verdiprofilen representerer resonansfrekvensavvikstilnærmingene som må bli bestemt.

I generalisering av fremgangsmåten som blir beskrevet i det forrige avsnittet, er det mulig å bestemme avvikstilnærminger for en fysisk variabel eller parametere for et system (for eksempel ikke-lineære og/eller tidsavhengige systemer) ved hjelp av simulering, betinget av at en numerisk simulerbar tabell for disse variablene/ parametrene/systemene kan bli funnet (for eksempel: reguleringen av et akselerometer). Prinsipielt vil det også være mulig å regulere alle relevante variabler/parametere på grunnlag av simuleringen.

Følgelig blir en dempet uttonende naturlig vibreringsprosess for den ekte resonatoren simulert avhengig av en moduleringssignalsekvens og i hvert iterasjonstrinn eller klokkesyklus, blir den naturlige vibrasjonen, som resulterer fra de foregående moduleringssignalene, sammenlignet med en "ideell" naturlig vibrasjon som et ideelt system vil fremvise i tilfellet hvor resonansfrekvensen skal bli regulert. Effektene for alle fremkalte moduleringssignaler på den momentane vibrasjonstilstanden for den simulerte ekte resonatoren blir bestemt og under den neste klokkesyklusen, blir resonatoren utsatt for moduleringssignalet som ble valgt i trinn b), dvs. som det effektive totale avviket (for alle fysiske variabler som må bli regulert samtidig) er minst for.

Sammenligningen mellom de hypotetiske resulterende naturlige vibrasjonsprofilene med den naturlige vibrasjonsønskede verdiprofilen kan for eksempel gjøres ved å sammenligne tilhørende amplituder og faser for profilene med hverandre. I dette tilfellet er et totalt avvik beregnet for hvert fremkalte moduleringssignal, hvor det totale avviket blir oppnådd fra summen av avvikene mellom de momentane ønskede verdiene og tilsvarende simuleringsverdier for amplitude og fase som vil resultere fra opprettholdelsen av dette moduleringssignalet eller svitsjingen over til dette moduleringssignalet. I denne sammenhengen representerer de totale avvikene resonansfrekvensawikstilnærmingene som må bestemmes.

Når den simulerte naturlige vibrasjonen blir sammenlignet med den naturlige vibrasjonsønskede verdiprofilen, blir derfor to fysiske variabler (amplitude og fase) tatt i betraktning samtidig. Termen "totalt avvik" betegner derfor en "global" feil som i denne utførelsen representerer summen av fasefeil og amplitudefeil relativ til et fremkalt moduleringssignal. Tilsvarende betegner det "effektive totale avviket" en global feil, hvor én del av denne globale feilen representerer de totale avvikene som blir bestemt i denne utførelsen og en ytterligere del av den globale feilen resulterer fra avvikene for i det minste én fysisk variabel som må bli ytterligere regulert. Fordi den globale feilen blir holdt så liten som mulig (trinn b)), blir det alltid gitt reguleringsprioritet til den fysiske variabelen som bidrar mest til det effektive totale avviket, dvs. har det største "behov for regulering".

Dersom amplitude og fase for simuleringen blir "trimmet" til den ideelle ønskede verdiprofilen for den naturlige vibrasjonen på måten beskrevet ovenfor, blir det foretrukne resonansfrekvensen for resonatoren også satt til den ønskede verdien automatisk.

For å kunne forbedre nøyaktigheten for fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, er det passende samtidig å simulere to naturlige vibreringsprosesser for resonatoren, hvor hver naturlige vibrasjonsprosess blir sammenlignet med de relevante ønskede verdiene/ønskede verdiprofilene med hensyn til amplitude og fase, og den ønskede fasen for den ene naturlige vibrasjonsprosessen blir forskjøvet relativt til den ønskede fasen for den andre naturlige vibrasjonsprosessen med fasen tt/2. I dette tilfellet: - for hvert fremkalte moduleringssignal blir et totalt avvik tildelt i hvert tilfelle til de to simuleringene, hvor det totale avviket blir oppnådd fra summen av avvikene mellom de momentane ønskede verdiene og tilhørende simuleringsverdier for amplitude og fase, som vil resultere fra opprettholdelse av dette moduleringssignalet eller svitsjingen over til dette moduleringssignalet, og - de totale avvikene som vedrører det samme moduleringssignalet fra begge simuleringene blir lagt sammen, hvor de totale avvikssummene som ble beregnet i det foregående trinnet representerer resonansfrekvensavvikstilnærmingene som må bestemmes.

Oppfinnelsen tilveiebringer ytterligere en enhet for samtidig å styre eller regulere minst to fysiske variabler i et dynamisk system til spesifikke ønskede verdier/ ønskede verdiprofiler. Enheten har en pulsmodulator som det er mulig å generere en sekvens med diskrete moduleringssignaler ved hjelp av som påvirker styringen/ reguleringen av de fysiske verdiene. Enheten viser også en beregningsenhet som for hvert fremkalte moduleringssignal beregner et effektivt totalawik som blir utledet fra summen av de eksakte verdiene eller tilnærmingene for avvikene mellom de momentane ønskede verdiene og tilhørende faktiske verdiene for de fysiske variablene, som vil resultere fra opprettholdelsen av dette moduleringssignalet eller svitsjingen over til dette moduleringssignalet. Forsyning blir i tillegg gjort for en beslutningsenhet som er tilkoblet beregningsenheten, avhengig av de effektive totalavvikene som er beregnet av beregningsenheten, og bestemmer hvilket moduleringssignal det beregnete effektive totalawiket vil være minst for og styrer pulsmodulatoren for å kunne generere et tilhørende moduleringssignal. Oppfinnelsen er beskrevet mer detaljert under i form av eksempelvise utførelser med henvisning til figurene, hvori: Figur 1 viser en skjematisk illustrasjon av det elektroniske evaluerings-/ styringssystemet for et coriolisgyroskop omfattende en pulsmodulator. Figur 2 viser en emulering av et mekanisk system som innehar vibratormasse (kontinuerlig visning).

Figur 3 viser en vektorisert illustrasjon av emuleringen vist i figur 2.

Figur 4 viser en diskretisert illustrasjon av emuleringen vist i figur 2.

Figur 5 viser en symmetrisk diskretisert illustrasjon av emuleringen vist i figur 2. Figur 6 viser en første alternativ symmetrisk illustrasjon av emuleringen vist i figur 2. Figur 7 viser en andre alternativ symmetrisk illustrasjon av emuleringen vist i figur 2.

Figur 8 viser en tidsavhengig illustrering av illustrasjonen vist i figur 5.

Figur 9 viser en tidsavhengig illustrering av illustrasjonen vist i figur 7.

Figur 11 viser en emulering av et mekanisk system som har vibrasjonsmasse for tilfellet med to moduleringssignaler som ankommer ved vibrasjonsmassen.

Figur 12 viser en alternativ emulering til emuleringen vist i figur 11.

Figur 13 viser et system for å detektere fase- og amplitudefeil.

Figur 14 viser en emulering av et mekanisk system som innehar vibrasjonsmasse, feildetektering og en beslutningstakende enhet.

Figur 15 viser emuleringen vist i figur 14 med ytterligere intern dempning.

Figur 16 viser en dempningsprosess for vibrasjonsmassen i det mekaniske systemet når fasen passer til fasen som blir simulert i en emulering.

Figur 17 viser et spekter av dempningsprosessen vist i figur 16.

Figur 18 viser en dempningsprosess for vibrasjonsmassen i det mekaniske systemet når fasen ikke passer til fasen som blir simulert i emuleringen av det mekaniske systemet. Figur 19 viser et system som har to faseforskjøvet emuleringer av vibrasjonsmassen 1 et mekanisk system.

Figur 20 viser en struktur av en kjent trippelpulsmodulator.

Figur 21 viser forholdet mellom krefter og resonansfrekvenser for en mekanisk resonator hvorved fire moduleringssignaler kan ankomme.

Figur 22 viser strukturen over en modifisert trippelpulsmodulator.

Figur 23 viser strukturen over en foretrukket utførelse av en enhet for å tune resonansfrekvensen for en mekanisk resonator. Figur 24 viser en første foretrukket utførelse av en enhet for samtidig å regulere resonansfrekvensen og eksiteringen eller kompenseringssignalet for en mekanisk resonator, og Figur 25 viser en andre utførelse over en enhet for å styre både resonansfrekvensen og eksiteringen eller kompenseringssignalet for en mekanisk resonator ifølge oppfinnelsen.

Identiske eller innbyrdes tilsvarende komponenter eller innretninger er identifisert ved hjelp av de samme henvisningstall i figurene.

Som beskrevet ovenfor tillater samtidig fremgangsmåten ifølge kravene at resonansfrekvensen for en resonator blir satt og vibrasjonsamplituder for resonatoren blir eksitert eller tilbakestilt. En foretrukket utførelse for å regulere resonansfrekvensen for resonatoren er forklart nedenfor med henvisning til figurene 2 til 19.

1. Analyse av den mekaniske vibratoren

1.1 Differensiallikning

Det er antatt et vibrasjonssystem som er beskrevet ved massen m for vibratoren, dempningskonstant d (i N(m/s) og den awiksavhengige returkraften (fjærkonstant) k (i N/m). La vibratoravviket være 52. Fjærkraften fk, dempningskraften fdog akselerasjonskraften fbvirker på vibratoren. Dersom en ekstern kraft x nå blir påført blir en kraftlikevekt etablert.

Kreftene på den høyre siden av likningen (1) (interne krefter) er avhengige av □ bevegelsen av vibrasjonen, dvs. av dens avvik s2og derivasjonen derav:

Den følgende differensiallikningen er derfor gyldig:

La det nå bli antatt at T er (initialt) en konstant tid. Dersom variablene nå blir definert søm følger:

så blir differensiallikningen: med de ytterligere tilstandene: □

1.2 Blokkdiagram

□

Likning (8) kan være illustrert ved blokkdiagram met vist i figur 2. Diagrammet representerer den såkalte tilstandsvariabelformen med tilstandsvariablene 5, og s2(utgangssignaler for integratorene). I vektorrepresentasjon produserer dette blokkdiagrammet vist i figur 3, hvor faktorene Å og C er matriser:

Den relevante tilstandsvariabellikningen er som følger:

I figurene representerer komponentene kjennetegnet ved henvisningstallet 20 operatører som multipliserer tilsvarende inngangssignaler (eller tilstander) med de spesifiserte faktorene (eller matriser). Komponentene som er kjennetegnet ved henvisningstall 21 representerer integratorer som integrerer tilsvarende inngangssignaler på grunnlag av de spesifiserte faktorene. Komponentene som er kjennetegnet ved henvisningstallet 22 er forsinkelseselementer. Komponentene som er kjennetegnet ved henvisningstall 23 er adderings- eller subtraheringsnoder.

1.3 Diskretisering

For tilfellet hvor inngangssignalet x( t) og parameterne, dvs. elementene (i form av elementene for matrisene A( t) og C( t)), fremviser trinnfunksjoner som haren økningsvidde T, kan systemet være diskretisert ved å anvende diskrete signaler

slik at systemet kan bli representert ved blokkdiagrammet vist i figur 4. Følgelig rivor I representerer enhetsmatrisen. For matrisene spesifisert i likning (10) kan A<*>være representert i lukket form ved hjelp av likning (50):

1.4 Representasjon ved hjelp av symmetrisk struktur

Overgangsmatrisen A<*>kan være representert ifølge likningene (40) og (41) som

Dette produserer blokkdiagrammet vist i figur 5. Dersom matrisene A<*>, C og derfor M, M~ l er konstant kan M bli forflyttet relativ til adderingsnoden 23 og □ forsinkelseselementet 22, og derved produserer blokkdiagrammet vist i figur 6. Det følgende signalet er nå tilstede ved utgangen av forsinkelseselementet 22: Kjedetilkoblingen MM~ l =1kan være undertrykt fordi den representerer eflhetsmatrisen (figur 7). Den originale tilstandsvektoren er imidlertid tapt i dette tilfellet. Fordi transformasjonslikningen (21) forlater den andre komponenten med tilstandsvariablene (posisjonsvariabel) uendret, dvs. fordi s2= s2, forblir posisjonsvariabelen tilgjengelig i det symmetriske systemet. Den kunstige innførte symmetriske strukturen har den følgende fordelaktige egenskapen: dersom tilstandsvariabelen s' = [ s[ s<2>']blir betraktet som St kompleks tall (indeks) s = s(+ jsf2, kan matrisemultiplikasjonen AW bli redusert til multiplikasjonen av to komplekse tall, navngitt As, hvor

Derfor kan dempningsprosessen for systemet (for x=0) være spesifisert som følger: Ved hvert tidspunkt har den komplekse variabelen s en veldefinert amplitude |s| og ] fase <p = arc( s). Mer bestemt er det også mulig å spesifisere den momentane frekvensen

som vil være signifikant videre for analysen av det tidsavhengige tilfellet.

□

1.5 Tidsavhengig system og parametriske effekter

I tilfellet ved tidsavhengige effekter, slik som for eksempel en foranderlig resonansfrekvens er transformasjonene ovenfor ikke tillatt. La: Det følgende er da tidsavhengig ifølge A' og M\

Djersom symmetrisering nå er ønsket, blir først systemet i figur 8 produsert. Det er igjen mulig å flytte matrisen M( n) forbi adderingsnoden 23 og forsinkelseselementet 22. I dett tilfellet blir imidlertid M( n) M( n- 1) (figur 9). Kjedeforbindelsen K( n) =M( n- l) M~\ n) resulterer nå ikke lengre i enhetsmatrisen, og derfor blir strukturen vist i figdS 10 produsert. La det nå bli antatt at en tidsavhengighet blir etablert på grunn av St fjærBonstanten k=k( n) er en funksjon av tiden. Korreksjonsmatrisen blir deretter produsert som følger:

Det kan ses at korreksjonsmatrisen for k( n) =k( n- V) er K( n) =I, og dette var forventet. 2. Modulator for fjærkonståiiten □

Enheten ifølge kravene, som genererer en optimal impulssekvens for å styre fjærkonstantene for en vibrator mens en optimal undertrykking av de parametriske effektene også blir oppnådd, er basert på de følgende hensyn: 1. Enheten omfatter en eksakt emulering av den ekte vibratoren for alle mulige moduleringstilstander (to tilstander i dette eksempelet). 2. Dette tillater simulering av en virtuell dempningsprosess som antar et gitt moduleringssignal. 3. Enheten omfatter en modell av en ideell vibrator ved den foretrukne frekvensen, og kan derfor emulere dens tilstandsvariabler ifølge mengde og fase. 4. Enheten kan bestemme feilen mellom tilstandsvariablene for emuleringen av den ekte vibratoren og tilstandsvariablene for den ideelle vibratoren, for eksempel ifølge mengde og fase. 5. Enheten omfatter en beslutningsenhet som velger den neste moduleringstilstanden slik at feilen mellom emuleringen for den ekte og den ideelle vibratoren blir minimert, for eksempel ved å forhåndsberegne alle muligheter i den neste klokkesyklusen(e) og velge den som har den minste feilen.

2.1. Emulering av den ekte vibratoren

Det skal først vises hvordan, ved å anvende de ovennevnte utførelsene, en emulering av den ekte vibratoren kan være utledet for (uten å begrense den generelle anvendeligheten) tilfellet med to moduleringstilstander (a og b), som har to ulike naturlige frekvenser ( aa og<0>b). Matrisene A>A , A' M antar derfor to verdier i hvert tilfelle, og disse blir betegnet ved indeks a og b, for eksempel Aa, Ab. Diagrammet i figur 11 kan være utledet på grunnlag av figur 5.

□ □ □

En første gren 25 og en andre gren 26 kan ses i figur 11. Fra en inngangstilstand s, produserer hver gren en utgangstilstand sa (første gren) eller sb (andre gren). Ved hjelp av bryteren 24 blir én av utgangstilstandene sa eller sb tilført forsinkelseselementet 22 og derfor tilført til begge grenene 25, 26 igjen som en ny inngangstilstand s i den neste klokkesykflsen. Hver gren simulerer effekten av et moduleringssignal (representert ved A°,^ b) på Sen momentane vibrasjonstilstanden (representert ved inngangstilstand s).

Siden kun dempningsproseSserPfor øyeblikket er av interesse kan inngangssignalet x og matrisen C være ekskludert fra analysen. Avhengig av den foretrukne moduleringstilstanden velger bryteren enten sa eller sb som en gyldig tilstand s. Matrisene Aa ' og Ab 'er overgangsmatrisene for det symmetriske systemet, og de forhåndstilkoblete og etterkoblete matrisene ^ a. bMa. b er korreksjonsmatrisene som overfører 4».* inn i overgangsmatri s^ne <0 for det originale (usymmetriske) sisterne?. Derfor er de interne signalene d** (disse er tilstandene som det symmetriske systemet vil ha) tilgjengelig i tillegg til de sanne tilstandene<s>°j>. Årsaken til at tilstandene for defsymmetriske systemet blir tilveiebrakt er at disse er spesielt egnet som indikatorer fo7 momentan frekvens og momentan amplitude. Beslutningsenheten som blir beskrevet nedenfor og som må verge den neste svitsjeinnstillingen for bryteren 24 krever denne informasjonen som et beslutnings-kriteria. Imidlertid kan emuleringen av den ekte vibratoren også realiseres direkte ved å anvende overgangsmatrisene A* for det usymmetriske systemet uten å måtte oppgi de symmetriske tilstandsvariablene som vist i figur 12.

2.2 Bestemme fase- og ^Aiplitudefeil

Som nevnt ovenfor bør moduleringen av fjærkonstantene finne sted på en slik måte at dempningsprosessen for emuleringen av den ekte vibratoren når det gjelder amplitude og fase, følger en forhåndsbestemt ønsket funksjon så nøyaktig som mulig. Figur 13 viser en enhet for å bestemme størrelsen på avviket i tilnærmingen av den oppbygde prosessen. Inngangssignalet s' er vektoren for de (symmetriske) tilstandsvariablene for emuleringen. Ved å tolke tilstandsvariabelvektoren som en kompleks indeks, blir fasen for den forhåndsbestemte ønskede funksjonen subtrahert fra denne ved å multiplisere med é~} na>ot. Resultatet fe^} blir nå anvendt for å bestemme fasen<<>Pe, som er faseawiket relativ til standarden. Amplituden for s' blir også bestemt ved å danne mengden. Etter subtrahering av amplituden<c>K<n>) for standarden blir amplitudeawiket "produsert. Tilslutfkan en total feil e bli utledet fra faseawiket o§ amplitudeawiket, for eksempel ved å produsere summen av kvadratroten av begge avvikene. En forenklet symbolsk illustrasjorP<E> for innretningen er vist på den høyre siden i figuren.

Modulen <E> kan derfor være betraktet som en sammenligningsenhet som det er mulig å bestemme en tilnærming ved hjelp av for avviket mellom den momentane ønskede verdien og den momentane faktiske verdien for resonansfrekvensen, som må bli regulert, for den ekte regulatoren. Videre kan modulen <E> være betraktet som en sammenligningsenhet som det er mulig å bestemme en eksakt verdi (for å være presis, en summering av to nøyaktige verdier) ved hjelp av for avviket mellom den momentane ønskede verdien og den momentane faktiske verdien for resonansfrekvensen, som må være regulert, for vibratoren som blir emulert i simuleringen.

Måten som den totale feilen e blir bestemt på fra inngangssignalene for modulen

<E>, dvs. funksjonaliteten for modulen <E>, kan også være implementert ulikt; annet total feil kriteria kan være anvendt. For eksempel er det mulig å danne differansen mellom J( n) og det standard signalet Ae<1>™*' og utlede for eksempel mengden eller dens kvadrat fra denne (signalene er betraktet som komplekse):

eller

2.3 Beslutningselement for moduleringsenheten

For å være i stand til å bestemme moduleringssignalet for fjærkonstantene, dvs. for å være i stand til å spesifisere bryterinnstillingen i emuleringen for den neste klokkesyklusen, blir to mulige fremtidssymmetriske tilstander sa ' og sb ' analysert ved å anvende to blokker <E> med hensyn til feilen relativ til standardsignalet. En ettertilkoblet beslutningselement 27 sammenligner de to feilene ea, og som en neste bryterinnstilling, velger den som måler tilstanden med denOnindre feilen. En referansegenerator 28 for fase og amplitude, hvilken frekvens a0kan settes, genererer referansefasen næ0T og referanseamplitudeØ a( n), som tilsvarer verdiene for den ideelle vibratoren. a( ri) er en eksponentiell uttonende funksjon som har en tidskonstant som avhenger av kvalitetsfaktoren for déS ideelle vibratoren, dvs. at a=a^ ri) la( rt+\)^\ er en konstant verdi. Den illustrerte innretningen styrer nå bryteren slik at démpningsprosessen for emuleringen følger standarden gjennom-snittlig i mengde og fase. Fjærkonstanten for den ekte vibratoren kan derfor være styrt ved å anvende moduleringssignalet som blir generert av beslutningselementet, men resultatet at denne ekte svitsjede vibratoren emulerer en ideell ikke-svitsjet vibrator som har resonansfrekvensen ø0.

Det foreslåtte systemet har to svakheter. Én er av praktisk art og den andre vedrører prinsipp. Den praktiske svakheten vedrører faktumet at amplituden for signalet for emuleringen, som følger amplituden for standardsignalet, er en eksponentiell uttonende funksjon. Som et resultat blir signalet til og med mindre helt til korrekt virkemåte ikke lenger er mulig på grunn av forekomsten av numeriske problemer. Dette problemet kan løses ved å multiplisere de relevante signalene med den omvendte verdien for den uttonende eksponentielle funksjonen. Det genererte moduleringssignalet forblir det samme i denne sammenhengen. Dette blir oppnådd ved å multiplisere overgangsmatrisen A] og A\ med faktoren a nevnt ovenfor. Effekten av dette er å dempe emuleringen. Standardamplituden blir da konstant a( n) = l og må derfor ikke lengre bli generert av referansegeneratoren. Det skal bemerkes at den ekte fysiské-vibratOren som blir styr? i denne sammenhengen ikke blir dempet som et resultat av dette, siden moduleringssignalet forblir upåvirket av dette målet. Målet er kun ment for å sikre nummerisk stabil kontinuerlig drift av moduleringssignalgeneratoren.

Matrisen kan også bli bestemt direkte fra det dempede systemet (d=0); faktoren a blir utelatt i dette tilfellet. Dempningen av emuleringen resulterer i forenklede likninger for matrisene A<*>og M~ l. Fordi d=0følger:

I denne sammenhengen er □ den momentane resonansfrekvensen for emuleringen.

Følgelig

Matrisene A<a>*, Ab * og M^, Mb ~ blir utledet fra A<*>og Mrx ved å erstatte co med coa, cob der.

R@sultatet a~v en simulering som anvendeftlet foreslåtte systemet viltnå bli beskrevet. Forholdene blir valgt slik at den ekte fysiske vibratoren kan være svitsjet til en naturlig resonans på 9000 Hz eller 9200 Hz ved hjelp av de svitsjbare fjærkonstantene. En frekvensstandard på 9100 Hz ble valgt for simuleringen. De initiale tilstandene ble valgt slik at fasene for den ekte vibratoren og emuleringen ble identiske. Den ekte vibratoren ble deretter forlatt for seg selv; den tilknyttede dempningsprosessen 30 er vist i figur 16. Det er tydelig at en god eksponentiell dempningsprosess blir produsert, og dersom funksjonen blir utsatt for en Fourier-transformasjon, forekommer en skarp resonanstopp 31 ved 9100 Hz (figur 17). Dersom simuleringen blir gjentatt og den ekte vibratoren ikke har startet i fase med oppbyggingsprosessen som blir simulert i emuleringen resulterer dette imidlertid i en ukontrollert profil 32 for mantelkurven som er vist i figur 18. Det er derfor tydelig at det ikke er tilstrekkelig å tillate at den simulerte dempningsprosessen forekommer i kun én faseposisjon.

2.4 Samtidig emulering av dempningsprosessen i to faseposisjoner som er

fremvist ved x 12.

Den henviste svakheten kan overkommes ved å tilveiebringe to emuleringer for å generere moduleringssignalet, hvor to oppbyggingsprosesser som blir forskjøvet ved nl2 kjører i emuleringene, hvor fasene og amplitudene for oppbyggingsprosessene blir overvåket samtidig og styrt ved å tilveiebringe en mengde feilkriterier for beslutningselementet (figur 19). Det kan ses at emuleringen (systemet vist i figur 15) er tilstede to ganger, og det er også feilanalysemodulene <E> i par. Den første emuleringen er betegnet ved henvisningstallet 40, og den andre ved henvisningstallet 50. For den lavere emuleringen blir en konstant verdi på x 12 lagt til forfase-standarden, slik at dens dempningsprosessen alltid kjører med dette faseskiftet. For beslutningselementet må de relevante feilene i svitsjetilstandene a og b nå være kombinert ved rett og slett å addere dem for eksempel Dersom denne innretningen nå blir anvendt for å styre fjærkonstanten for den ekte vibratoren kjører dempningsprosessen korrekt i hver faseposisjon, og dette kan bli verifisert ved hjelp av simulering. Signalet k(n) kan anvendes for å styre pulsmodulatoren.

Med andre ord blir to vibrasjonsresponser for resonatoren simulert samtidig, hvor responsene resulterer fra å være utsatt for sensorene til en moduleringssignalsekvens, hvor amplitude og fase for hver av vibrasjonsresponsene blir regulert samtidig til spesifikke ønskede verdier/ønskede verdiprofiler, og den ønskede fasen for den ene vibrasjonsresponsen blir forskjøvet relativ til den ønskede fasen for den andre vibrasjonsresponsen med fasen nl2. Forskyvningen av den ønskede fasen blir oppnådd ved adderingsnoden 35. For hvert genererbart moduleringssignal blir hver av de to simuleringene tildelt et effektivt totalawik (i den første emuleringen: ea1 for det første moduleringssignalet, og eb2 for det andre moduleringssignalet; i den andre emuleringen: ea2 for det første moduleringssignalet, og eb2) som blir uledet fra summen av avvikene (sum av ea1 og ea2 eller av eb1 og eb2 for det andre moduleringssignalet) mellom de momentane ønskede verdiene for simuleringen og tilsvarende verdier som blir regulert i simuleringen, som vil resultere fra opprettholdelsen av moduleringssignalet eller fra å svitsje over til moduleringssignalet. De effektive totalavvikene som vedrører det samme moduleringssignalet fra begge simuleringene blir deretter addert (via adderingsnoden 33 og 34), og derved blir de produsert summene eaog eb. Det moduleringssignalet, hvor summen ( ea eller eb) som ble beregnet i det forrige trinnet er minst, blir valgt.

Vesentlige aspektér ved Oppfinnelsen blir kort oppsummert igjen: i tilfellet med mikromekaniske systemer er det ofte ønskelig å avstemme en vibrators naturlige frekvens ved å styre en elektrisk fjær. Som et resultat av å fordre krav med hensyn til grad av miniatyrisering og strømforbruk, er det ønskelig å forsyne med analog styring og DA-omformeren som kreves i denne sammenhengen. Et mulig alternativ er en fremgangsmåte for digital pulsmodulasjon, hvor impulsene som svitsjer de elektrostatiske fjærkonstantene mellom to ekstreme verdier er midlertidig fordelt på en egnet måte. En analyse viser at det ikke er tilstrekkelig å anvende en enkel fordelingsmetode som sikrer at gjennomsnittsfrekvensen for impulsene korresponderer med den relative posisjonen for den ønskede frekvensen innen de ekstreme verdiene. For å være i stand til å løse dette problemet er en fremgangsmåte foreslått, hvor en simulert dempningsprosess for en emulering følger den fordrete dempningsprosessen for en ekte vibrator så nøyaktig som mulig med hensyn til den spesifiserte kvaliteten og frekvensen. Den uspesifiserte parameteren i denne tilnærmingen er den ønskede impulssekvensen som blir generert av tilnærmingsprosessen. Det har blitt vist at tilnærmingen av dempningsprosessen må bli foretatt samtidig av to emuleringer som har to faseposisjoner som er forskjøvet med nil. Det har også blitt vist at det er mulig, uten å endre resultatet, å svitsje til udempede systemer for emuleringene, hvor kontinuerlig drift av pulsmodulatoren blir muliggjort. Den elektrostatiske fjæren(e) for den ekte vibratoren blir styrt på den spesifikke måten ved impulsene som blir generert her, og resonansfrekvensen for den ekte vibratoren kan deretter bli satt på den ønskede måten. Parametriske effekter blir effektivt undertrykt.

I den foregående beskrivelsen ble det oppfinneriske "prinsippet for å kjøre gjennom alle muligheter" (muliggjort av den bestemte kombinasjonsmuligheten for diskrete impulser) forklart med henvisning til reguleringen av resonansfrekvensen. Den følgende beskrivelsen vil omtale hvordan dette prinsippet også kan anvendes for å regulere eksiteringsvibrasjonen/avleste vibrasjonen. Med henvisning til figur 20 som et eksempel, blir det først forklart hvordan eksiteringsvibrasjon/avlest vibrasjon kan være regulert uten å anvende prinsippet for å "kjøre gjennom": Figur 20 viser en kompleks illustrasjon av en mulig utførelse 100 av en pulsmodulator.

Det komplekse signalet x( t) omfatter en reell del og en imaginær del, som begge er representert som digitale verdier. I adderingsnoden 101 blir det komplekse tilbakekoblingssignalet 102 subtrahert fra det komplekse inngangssignalet x( t), hvor differansen mellom disse to komplekse signalene representerer det regulerte avviket. I tillegg blir innholdet (likeledes kompleks) for forsinkelseselementet 103 tilført adderingsnoden 101 via signallinjen 104. ForsinkelseseleméStet 103 og signallinjen 104 danner sammen et kompleks integratortrinn som integrerer det komplekse reguleringsavviket, dvs. differansen mellom inngangssignalet og tilbakekoblingssignalet. Det integrerte signalet 105 blir forsterket i forsterkertrinnet 106 ifølge faktoren "a" og det forsterkede signalet 107 blir tilført det første multiplikatortrinnet 108. Der blir det forsterkede signalet 107 multiplisert med det komplekse miksede signalet e_<J>(°<ot>, og derved oppnå signalet 109 som blir mikset opp til frekvensen æ0- Blokken 110 bestemmer den sanne delen av det komplekse oppmiksede signalet 109, og den derfor oppnådde reelle delen 111 av det oppmiksede signalet blir gjort tilgjengelig til kvantisereren 112.

I utførelsestilfellet vist i figur 20 er kvantisereren 112 utført som en trippelkvantiserer, som med hjelp av komparatorer omformer det relevante inngangssignalet til tre mulige verdier -1, 0, +1 for et pulssignal. Det kvantiserte pulssignalet y(t) som blir generert på denne måten kan bli plukket opp ved utgangen på kvantisereren 112. For å være i stand til å generere det komplekse tilbakekoblingssignalet 102, blir reellverdipulssignalet y(t) multiplisert med det komplekskonjugerte miksede signalet e+ jw j det andre multiplikatortrinnet 113. Det komplekse tilbakekoblingssignalet 102, som derfor blir oppnådd ved å multiplisere et reelt og et kompleks tall, blir tilført adderernoden 101 ved kretsinngangen.

På denne måten blir en korresponderende moduleringssignalsekvens, som tilbake-stiller den avleste vibrasjonen for resonatoren R eller produserer en eksitering av eksiteringsvibrasjonen for resonatoren R, generert fra det komplekse kompenseringssignalet x(t) (pulssignalet y(t) tilsvarer signalene S1 og S2 i figur 1).

Pulsmodulatoren 100 har ulempen at kvantiseringsmetoden som blir anvendt av pulsmodulatoren 100 ikke er egnet for kombinering med fremgangsmåter for å regulere andre fysiske variabler (for eksempel en fremgangsmåte for å regulere resonansfrekvensen for en resonator). Disse ulempene kan unngås dersom pulsmodulatoren 200 vist i figur 22 blir anvendt i stedet for pulsmodulatoren 100 som er vist i figur 20. Dette blir omtalt i den etterfølgende beskrivelsen.

Anta en (mikromekanisk) resonator som omfatter en bevegelig elektrode, som er innrettet symmetrisk i forhold til to kontrollelektroder E\ og Ei. Ved å påføre en elektrisk spenning til kontrollelektrodene er det på den ene siden mulig å utøve en kraft på den bevegelige elektroden og derfor på resonatoren, og på den andre siden kan resonansfrekvensen for vibratoren også^bli påvirket av kontrollelektrodene. De fire kraftkombinasjonene og resonansfrekvensene som er mulige i denne sammenhengen er gitt i den følgende tabellen (se også figur 21): Ved å anta fullstendig symmetri gjelder det vanligvis her afi

Kreftene F e {~~^o'°'^o} som er spesifisert i den ovennevnte tabellen antyder en trippeleksitering, dvs. anvendelsen av en pulsmodulator hvor utgangssignalene blir trippelkvantisert. Pulsmodulatoren vist i figur 20 kan derfor være anvendt prinsipielt får å regulere amplitudene/fasene for resonatorens eksiteringsvibrasjon/avleste vibrasjon. Som indikert ovenfor må imidlertid pulsmodulatoren være modifisert dersom et antall fysiske variabler skal bli regulert samtidig. For samtidig regulering av eksiteringsvibrasjon/avlest vibrasjon og resonansfrekvens via de samme kontrollelektrodene blir det ifølge oppfinnelsen anvendt et beslutningselement som opererer på grunnlag av et feilkriteria i stedet for kvantisereren 112 i figur 20.

Figur 22 viser en foretrukket utførelse av en korresponderende enhet 200 som kan anvendes i stedet for pulsmodulatoren 100 for å regulere amplituden og fasen for resonatorens eksiteringsvibrasjon/avleste vibrasjon.

Reguleringsenheten 200 har en første summeringsnode 201, en andre summeringsnode 202, en tredje summeringsnode 203, et forsinkelseselement 204, et svitsjeelement 205, en første til fjerde feilblokk 206 til 209 og et beslutningselement 210.

En viktig forskjell i forbindelse med pulsmodulatoren 100 vist i figur 20 er at i stedet for kvantisereren 112 som anvendes der, blir beslutningselementet 210 anvendt. Inngangssignalet x(t) blir initialt påført signallinjer 211 til 214, hvor signalet e~ jaot blir lagt til signalet x(t) i summeringsnoden 202 og signalet e~ jaot blir subtrahert fra signalet x(t) i summeringsnoden 203. Tilsvarende modifiserte/uendrete signaler blir tilført feilblokkene 206 til 209, som bestemmer avviket for de tilførfå signalene fra den momentane ønskede verdien for inngangssignalet x(t) eller omformer de tilførte signalene slik at tilsvarende avvik kan bli identifisert av beslutningselementet 210. Korresponderende feilsignaler (utgangssignaler for feilblokkene 206 til 209) blir tilført beslutningselementet 210, som ved å analysere feilsignalene bestemmer hvilket inngangssignal for feilblokkene 206 til 209 som fremviser det minste avviket fra den momentane ønskede verdien og styrer svitsjeelementet 205, slik at inngangssignalet for den relevante feilblokken hvor det bestemte avviket er minst, blir påført inngangen for forsinkelseselementet 204 (ett av signalene tilstede ved måleverdiomformerne 215 til 218). Signalet som derfor blir lagret i forsinkelseselementet 204 i den momentane klokkesyklusen blir tilført noden 201 i den neste klokkesyklusen, hvor noden legger signalet til inngangssignalet x(t). Hver av måleverdiomformerne 215 til 218 tilsvarer en moduleringstilstand/moduleringssignal a), b), c) og d) listet i den ovennevnte tabellen. Dette betyr at dersom måleverdiomformeren 216 er tilkoblet inngangen på forsinkelseselementet 204 så er resonatoren R utsatt for moduleringssignalet b) (dvs. at kraften blir påført kontrollelektrodene), og dersom måleverdiomformeren 217 er tilkoblet inngangen for forsinkelseselementet 204 er resonatoren R utsatt for moduleringssignalet c) (dvs. at kraften ~ Fo blir påført kontrollelektrodene), etc. D

Funksjonalitetene for reguleringsenhetene 100, 200 visl i figurene 20 og 23 er tilsvarende. I begge reguleringsenhetene blir en integrert feil mellom det komplekse standardsignalet (inngangssignalet) x(t) og det nedmiksede (med _<c>,o) moduleringssignalet minimert. I figur 20 blir feilen igjen oppmikset og trippelkvantisert for å kunne oppnå dette, hvor kvantisereren 112 bestemmer moduleringstilstanden. Dette resulterer i en lukket reguleringssløyfe som minimerer den integrerte feilen. I figur 23 blir imidlertid alle mulige moduleringstilstander a) til d) prøvet og analysert ved et spesifikt tidspunkt med hensyn til den integrerte feilen som forekommer i hvert tilfelle. For tilstandene a) og d) er moduleringssignalet (mer presist: kraften) null i denne utførelsen, og derfor forblir den integrerte feilen (opp til x(t)) uendret, mens i tilstandene b) og c) blir det nedmiksede moduleringssignalet subtrahert/addert. For alle moduleringstilstandene a) til d) blir den komplekse integrerte feilen analysert av feilblokker 205 til 214. Som er resultat finner beslutningselementet 210 den optimale moduleringstilstanden a), b) c) eller d) og setter svitsjeelementet 205 til den tilhørende posisjonen, slik at integreringen av feilen med ett av signalene som er tilstede ved måleverdiomformerne 215 til 218 kan finne sted ifølge en valgt moduleringstilstand. På samme tid blir det korresponderende moduleringssignalet ifølge tabellen generert av en impulsgenererende enhet (ikke vist her), hvor enheten blir styrt av beslutningselementet 210, og påført resonatoren. Signalene kan være todimensjonale eller komplekse signaler. Feilblokkene 206 til 214 danner for eksempel kvadraten av absoluttverdien for deres inngangssignal og viderefører korresponderende signaler til beslutningselementet 210.

Den ovennevnte beskrivelsen foreslår en fremgangsmåte for eksitering av en mekanisk vibrator ved å anvende digitale impulser. Det har også blitt vist hvordan resonansfrekvensen for en slik vibrator kan avstemmes ved hjelp av digitale impulser ved spesifikke elektroder som styrer en elektrostatisk fjærkonstant. Den følgende beskrivelsen vil vise hvordan begge fremgangsmåtene kan kombineres, dvs. hvordan reguleringen av resonatorens resonansfrekvens kan være kombinert med eksiteringen/ kompenseringen av resonatorens vibrasjoner ved å anvende kun to elektroder.

Den ovennevnte beskrivelsen beskriver allerede en fremgangsmåte som tilveiebringer et kontrollsignal for en svitsjbar fjærkonstant, slik at en resonator som består av en masse og en svitsjbar fjær tilnærmer så nøyaktig som mulig en resonator som har en forhåndsbestemt resonansfrekvens. Figur 19 viser et reguleringssystem som kan svitsje mellom to resonansfrekvenser. Siden det i reguleringsenheten 200 vist i figur 22 er nødvendig å svitsje mellom tre ulike resonansfrekvenser i hendelsen at °>b = °>c °9°9 med nnellom fire resonansfrekvenser i hendelsen at cob* coc(se tabell ovenfor), må reguleringssystemet vist i figur 19 være ekspandert tilsvarende dersom reguleringssystemet vist i figur 19 skal være kombinert med reguleringssystemet vist i figur 22.

Reguleringsenheten 300 vist i figur 23 tilveiebringer en mulig løsning: Reguleringsenheten 300 viser en første gren 301 og en andre gren 301'. Den første grenen 301 viser et forsinkelseselement 302, en første til fjerde operatør 303 til 306, en femte til åttende operatør 307 til 310, en første til fjerde subtraheringsnode 311 til 314, en første til fjerde feilblokk 315 til 318, og et svitsjeelement 319. Tilsvarende viser den andre grenen 301' et forsinkelseselement 302', en første til fjerde operatør 303' til 306', en femte til åttende operatør 307' til 310', en første til fjerde subtraheringsnode 311' til 314', en første til fjerde feilblokk 315' til 318', og et svitsjeelement 319'.

La det være antatt at utgangssignalet for forsinkelseselementet 302 representerer den momentane tilstanden for den simulerte vibrasjonsprosessen for resonatoren. Utgangssignalet blir tilført operatørinngangene 303 til 306, hvor hver operatør simulerer påvirkningen av én av de fire genererbare moduleringssignalene på den momentane tilstanden for vibrasjonssimuleringen. Utgangssignalene for operatørene 303 til 306 blir omformet ved hjelp av operatørene 307 til 310 til en form som er eget for feilanalyse, signalet e'<1®>'<*>blir subtrahert fra hvert av de omformede signalene (ved summeringsnodene 311 til 314), og signalene som blir oppnådd blir følgelig tilført feilblokkene 315 til 318. Feilblokkene 315 til 318 bestemmer avviket eller et mål for avviket for ftgangssignalene som blir generert av operatørene 303 til 306 fra den momentane ønskede verdien (e~JttV) og viderefører tilsvarende feilsignaler til adderingsnoder 321 til 324. Bokstavene a), b), c) og d) betegner her den relevante moduleringstilstanden som spesifisert i den ovennevnte tabellen, hvilken påvirkning på resonatoren skal tékes.

Funksjonaliteten for den andre grenen 301' tilsvarer funksjonaliteten for den første grenen 301. Awikssignalene, som blir bestemt av feilblokkene 315' til 318' i den andre grenen 301', er likeledes videreført til adderingsnodene 321 til 324. I hver adderingsnode 321 til 324 blir et avvikssignal som ble generert av den første grenen 301 lagt til et avvikssignal som ble generert av den andre grenen 301', hvor awikssignalene vedrørende det samme moduleringssignalet (moduleringstilstanden) blir addert i hver adderingsnode. De adderte awikssignalene blir tilført beslutningselementet 320.

De to grenene 301 og 301' awiker kun ved at signalet som blir subtrahert i subtraheringsnodene 311 til 314 viser et faseskift med fortrinnsvis n/ 2 i forhold til signalet som blir subtrahert i subtraheringsnodene 311' til 314'. Beslutnings elementet 320 styrer svitsjeelementene 319 og 319' samtidig og på en slik måte at utgangssignalet som kommer fra operatørene 303 til 306 eller 303' til 306' og hvilke tilknyttede avvikssignaler, summert med det tilhørende awikssignalet for den respektive andre gren, har det minste avviket relativt til den momentane ønskede verdien ( e~ jaot) med hensyn til amplitude og fase, blir påført inngangen for forsinkelseselementet 302 eller 302'. I denne sammenhengen representerer co0 resonansfrekvensen hvortil resonatoren skal bli regulert.

□

Når måleverdiomformeren 331/331') blir tilkoblet inngangen på forsinkelseselementet 302/302' blir resonatoren R utsatt for moduleringssignalet b) (dvs. kraften er tilstede ved kontrollelektrodene), og når måleverdiomformeren 332)/332') blir tilkoblet inngangen for forsinkelseselementet 302/302' blir resonatoren R utsatt for moduleringssignalet c) (dvs. kraften ~ Fo er tilstede ved kontrollelektrodene), etc.

Derfor blir to naturlige vibrasjonsprofiler simulert samtidig (en naturlig vibrasjonsprosess blir simulert i hver é~v grenene 301, 301'), hvor hver naturlige vibrasjonsprosess blir sammenlignet med relevante ønskede verdier/ønskede verdiprofiler (e"<;<v>) med hensyn til amplitude og fase, og den ønskede fasen for én naturlig vibrasjonsprosess blir forskjøvet med fasen n/ 2 relativ til den ønskede fasen for den andre naturlige vibrasjonsprosessen, hvor - for hvert genererbare moduleringssignal blir et totalawik tildelt i hvert tilfelle til de to simuleringene (awikssignal som blir generert av feilblokkene 315-318 eller 315'-318'), hvor totalawiket blir oppnådd fra summen av awikene mellom de momentane ønskede verdiene og tilhørende simuleringsverdier for amplitude og fase, som vil resultere fra opprettholdelsen av dette moduleringssignalet eller svitsjingen over til dette moduleringssignalet, - totalavvikene relativ til det samme moduleringssignalet bra begge simuleringene blir addert (i adderingsnodene 321 til 324), hvor beslutningselementet 320 sikrer at resonatoren blir utsatt for moduleringssignalet (a), b), c) eller d)) for hvor den tilhørende totalawikssummen resulterer i den beste tilnærmingen for den ønskede verdiprofilen.

Et dempet system er fortrinnsvis simulert i de to tilbakekoblingsgrenene 301, 301' i dette tilfellet. Forsyning blir gjort for en referansebærer e<Jfflt>som er standarden for oppbyggingsprosessen i den øvre sløyfen. For den nedre sløyfen blir referansebæreren multiplisert med j og derved produserer et faseskift med n/ 2. Matrisene Ax> Mx ~ > x=a, b, c, d, tar formen: D

Figur 24 viser en reguleringsenhet 400 hvor reguleringsenhetene 200 og 300 fra figur 22 og 23 blir kombinert sammen for å danne en enkel enhet som både resonansfrekvensen co og amplituden/fasen for eksiteringsvibrasjonen/avleste vibrasjonen for resonatoren kan bli regulert samtidig ved hjelp av til spesifiserte verdier.

□

I reguleringsenheten 400 blir awikssignalene, som ble generert ved feilblokkene 206 til 209, lagt til awikssignalene som ble generert ved feilblokkene 315 til 318 i summeringsnodene 401 til 404. Utgangssignalene for summeringsnodene 401 til 404 blir etter tur lagt til awikssignalene som ble generert ved feilblokkene 315 til 318. Kun avvikssignaler vedrørende det samme moduleringssignalet blir lagt til, og derfor blir "globale" awikssignaler oppnådd for hvert genererbare moduleringssignal.

Et samlet feilkriteria blir følgelig anvendt ved å addere de "individuelle feilene" som ble bestemt av reguleringsenhetene 200, 300 for de spesifikke tilstandene a), b), c) og d). Tilstanden som har den minste samlede feilen blir valgt av beslutningselementet 420 og bestemmer den nåværende moduleringstilstanden og svitsjeinnstillingen (bryterne 205, 319 og 319' blir svitsjet samtidig og på en identisk måte). Fordi den samlede feilen blir holdt så liten som mulig blir reguleringsprioritet alltid gitt til den fysiske variabelen som bistår mest til den samlede feilen, dvs. Har det største "reguleringsbehovet".

Feilblokkene 206 til 209, 315 til 318, og 315' til 318' kan være konfigurert ulikt for å vekte relevante avvikssignaler ulikt. De individuelle feilene for regulering av resonansfrekvensen og for regulering av eksiteringsvibrasjonen/avleste vibrasjonen kan for eksempel være vektet ulikt, eller danne mengden og faseawiket relativ til standardfunksjonen, og utlede et feilkriteria derifra. Eksiteringen finner sted via det (komplekse) basisbåndsignalet x(0, separert ifølge i-fase- og kvadratur-komponentene, ved å oppmikse til resonansfrekvensen co. Avstemmingen til denne frekvensen co kan kun gjøres presist dersom parametrene for den ekte vibratoren (f.eks. ( 0a>( 0b>( 0c>( 0d) erRjent med tilstrekkelig nøyaktighet. Dersom dette ikke er tilfelle kan elementene for matrisene<A>*og M^ > x=a, b, cyd være regulert til de korrekte verdiene ved hjelp av ytterligere sekundære reguleringssløyfer (dvs. at Wa^ b^ c^ d blir bestemt og matrisene A* og ^ > x=a, b, c, d D|jr dannet deretter).

I tilfelle med symmetriske elektroder er cob=cocog Fa =Fd =0. Dette faktumet kan utnyttes for å utvikle et forenkfet system fordi identiske system komponenter er økonomisert: figur 25 viser en reguleringsenhet 500 som består av en reguleringsenhet 200' og en reguleringsenhet 300'. I réguleringsenheten 300' blir ikke effekten av moduleringssignalet c) på den simulerte naturlige vibrasjonsprosessen undersøkt siden effekten er identisk med effekten som moduleringssignalet b) vil ha på den simulerte naturlige vibrasjonsprosessen. I reguleringsenheten 200' blir ikke effekten av moduleringssignalet d) på vibrasjonsprosessen for resonatoren undersøkt fordi effekten er identisk med effekten som moduleringssignalet a) vil ha på resonatorens vibrasjonsprosess. Konfigurasjonene for adderingsnodene er tilsvarende ulik.

Vedlegg 1: Konversjon av det generelle til en symmetrisk tilstandsvariabelform

Det blir antatt overgangsmatrisen A for et generelt diskret andre grads system:

Videre, la Deretter for /<<>°, hvor □ gir overgangsmatrisen A' for det symmetriske systemet: og derfor

(Jordan normal form).

Vedlegg 2: Eksponentiering av en kvadratisk 2.grads matrise Det er antatt en kvadratisk 2.grads matrise: Videre, la

Deretter, for /<0:

□

Claims (15)

1. Fremgangsmåte for å styre/regulere en fysisk variabel i et dynamisk system til en spesifikk ønsket verdi/ønsket verdiprofil, hvori en sekvens med diskrete moduleringssignaler blir generert ved hjelp av en pulsmodulator (8), og hvor styringen/reguleringen av den fysiske variabelen påvirkes av nevnte sekvens med diskrete moduleringssignaler,karakterisert vedden gjentatte utøvelsen av de følgende trinn: a) å bestemme en eksakt verdi eller en tilnærming for avviket mellom den momentane ønskede verdien og den momentane faktiske verdien for den fysiske variabelen, b) å bestemme den respektive awiksendringen som vil resultere fra opprettholdelsen av det momentane moduleringssignalet eller svitsjingen over til det andre moduleringssignalet, c) å generere det moduleringssignalet som resulterer i den beste tilnærmingen for den momentane ønskede verdien.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1,karakterisert vedat systemet er en mikromekanisk sensor (1) som har en resonator (R).

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2,karakterisert vedat den fysiske variabelen som må bli styrt/regulert er en resonansfrekvens for resonatoren (R).

4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2,karakterisert vedat den fysiske variabelen som må være styrt/regulert er amplituden/fasen for resonatorens (R) vibrasjon.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 3,karakterisert vedat - for å være i stand til å regulere resonatorens (R) resonansfrekvens blir resonatorens (R) vibrasjonsrespons, som resulterer fra ankomsten av en moduleringssignalsekvens ved resonatoren (R), simulert, og moduleringssignalsekvensen blir valgt slik at en maksimal nøyaktig tilnærming av en ønsket verdiprofil for en resonators (R) vibrasjon blir produsert i simuleringen, hvor frekvensen for den ønskede verdiprofilen for vibrasjonen er resonansfrekvensen som må være regulert, og - at resonatoren (R) er utsatt for moduleringssignalsekvensen som følgelig blir oppnådd.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5,karakterisert vedat generering av moduleringssignalsekvensen for å regulere resonansfrekvensen blir oppnådd ved å samtidig regulere amplituden og fase for vibrasjonsresponsen til spesifikke ønskede verdier/ønskede verdiprofiler i simuleringen, hvori: a) et effektivt totalawik (ea, eb) blir beregnet for hvert genererbare moduleringssignal, hvor det totale avviket blir oppnådd fra summen av avvikene mellom de momentane ønskede verdiene og tilsvarende verdier som er regulert i simuleringen, som vil resultere fra opprettholdelsen av moduleringssignalet eller svitsjingen over til moduleringssignalet, respektiv, b) at moduleringssignalet blir valgt for hvor det beregnete effektive totalawiket (ea, eb) er minst, c) trinnene a) og b) blir iterativt repetert.

7. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5 eller 6,karakterisert vedat to vibrasjonsresponser fro resonatoren blir simulert samtidig, hvor responsene resulterer fra ankomsten ved resonatoren (R) av en moduleringssignalsekvens, hvor hver av vibrasjonsrespons, amplitude og fase for vibrasjonsresponsen blir samtidig regulert til spesifikke ønskede verdier/ønskede verdiprofiler, og den ønskede fasen for den ene vibrasjonsresponsen blir forskjøvet relativ til den ønskede fasen for den andre vibrasjonsresponsen ved fasen n/ 2, hvor a) for hvert genererbare moduleringssignal blir de to simuleringene hver tildelt et effektivt totalawik (ea1, eb1, ea2, eb2) som blir utledet fra summen av awikene mellom de momentane ønskede verdiene for simuleringen og tilhørende verdier som blir regulert i simuleringen, som vil resultere fra opprettholdelsen av moduleringssignalet eller svitsjingen over til moduleringssignalet, respektiv, b) de effektive totalavvikene som vedrører det samme moduleringssignalet fra begge simuleringene blir lagt til, c) at moduleringssignalet blir valgt for hvor summen (ea, eb) som blir beregnet i det foregående trinnet er minst, d) trinnene a) til c) blir iterativt repetert.

8. Anordning for å styre/regulere en fysisk variabel i et dynamisk system til en spesifikk ønsket verdi/ønsket verdiprofil, hvor anordningen omfatter en pulsmodulator (8), som en sekvens med diskrete moduleringssignaler blir generert ved hjelp av, hvor styringen/reguleringen av den fysiske variabelen påvirkes av nevnte sekvens med diskrete moduleringssignaler,karakterisert veda) en sammenligningsenhet (E) som det ved hjelp av er mulig å bestemme en eksakt verdi eller tilnærming for avviket mellom den momentane ønskede verdien og den momentane faktiske verdien for den fysiske variabel, b) en beregningsenhet (20, 22, 24) som er tilkoblet sammenligningsenheten (E) og som det ved hjelp av er mulig å beregne de relevante endringene i avviket, som bestemt av sammenligningsenheten, som vil resultere fra opprettholdelsen av det momentane moduleringssignalet eller svitsjingen over til de andre moduleringssignalene, c) en beslutningsenhet (27) som er tilkoblet beregningsenheten (20, 22, 24) og, avhengig av avviksendringer som er beregnet av sammenligningsenheten, bestemmer hvilket moduleringssignal som resulterer i den beste tilnærmingen av den momentane ønskede verdien, hvor moduleringssignalsekvensen som blir generert av pulsmodulatoren (8) kan være styrt av beslutningsenheten (27).

9. Fremgangsmåte for samtidig styring/regulering av i det minste to fysiske variabler i et dynamisk system til spesifikke ønskede verdier/ønskede verdiprofiler, hvori en sekvens med diskrete moduleringssignaler blir generert ved å anvende en pulsmodulator (8), og der styringen/ reguleringen av de fysiske variablene påvirkes av sekvensen med diskrete moduleringssignaler,karakterisert veda) å beregne et effektivt totalawik for hvert genererbare moduleringssignal (a, b, c, d), hvor totalavviket blir oppnådd fra summen av de eksakte verdiene eller tilnærmingene for avvikene mellom de momentane ønskede verdiene og tilhørende faktiske verdier for de fysiske variablene, som vil resultere fra opprettholdelsen av dette moduleringssignalet eller svitsjingen over til dette moduleringssignalet, respektiv, b) å anvende det moduleringssignalet som har det minste beregnete effektive totalavviket for reguleringen, c) å repetere trinnene a) og b) iterativt.

10. Fremgangsmåte i samsvar med krav 9,karakterisert vedat systemet er en mikromekanisk sensor som har en resonator (R).

11. Fremgangsmåte i samsvar med krav 10,karakterisert vedat de fysiske variablene som skal bli styrt/regulert er resonansfrekvenser eller amplituder/ faser for eksiteringsvibrasjon/avleste vibrasjon til resonatoren (R).

12. Fremgangsmåte i samsvar med krav 11,karakterisert vedat under regulering av resonansfrekvensen til resonatoren, resonansfrekvensawikstilnærmingene som vedrører dette, blir tilnærmingene i trinn a) fastlagt som følger: - en naturlig vibreringsprosess for resonatoren, som resonatoren vil utøve under spesifikk vibrasjonsinitialtilstander og etter eksponering til moduleringssignalene som foregående ble generert av pulsmodulatoren, blir simulert, - effekten som hvert fremkalte moduleringssignal vil ha på den simulerte naturlige vibrasjonsprosessen for resonatoren blir beregnet, og de hypotetiske resulterende naturlige vibrasjonsprofilene blir sammenlignet med en naturlig vibrasjonsønsket verdiprofil, som har de samme vibrasjonsinitiale tilstandene og hvor vibrasjons-frekvensen er resonansfrekvensen som må bli regulert, - hvor avvikene mellom de hypotetiske resulterende naturlige vibrasjonsprofilene og den naturlige vibrasjonsønskede verdiprofilen representerer resonansfrekvensavvikstilnærmingene som må bli bestemt.

13. Fremgangsmåte i samsvar med krav 12,karakterisert vedat sammenligningen av de hypotetisk resulterende naturlige vibrasjonsprofilene og den naturlige vibrasjonsønskede verdiprofilen omfatter sammenligningen av tilhørende profilamplituder og -faser, hvor - et totalawik blir beregnet for hvert genererbare moduleringssignal, hvor totalavviket blir oppnådd fra summen av avvikene mellom de momentane ønskede verdiene og tilhørende simuleringsverdier for amplitude og fase, som henholdsvis vil resultere fra opprettholdelsen av dette moduleringssignalet eller svitsjingen over til dette moduleringssignalet, - totalavvikene representerer resonansfrekvensavvikstilnærminger som må bli bestemt.

14. Fremgangsmåte i samsvar med krav 13,karakterisert vedat to naturlige vibrasjonsprosesser for resonatoren blir simulert samtidig, hvor hver naturlige vibrasjonsprosess blir sammenlignet med relevante ønskede verdier/ ønskede verdiprofiler med hensyn til amplitude og fase, og den ønskede fasen for den ene naturlige vibrasjonsprosessen blir forskjøvet relativ til den ønskede fasen for den andre naturlige vibrasjonsprosessen med fasen nil, hvor - for hvert genererbare moduleringssignal blir et totalawik tildelt i hvert tilfelle for de to simuleringene, hvor totalavviket blir oppnådd fra summen av avvikene mellom de momentane ønskede verdiene og tilhørende simuleringsverdierfor amplitude og fase, som henholdsvis vil resultere fra opprettholdelsen av dette moduleringssignalet eller svitsjingen over til dette moduleringssignalet, - totalavvikene som vedrører det samme moduleringssignalet fra begge simuleringene blir lagt sammen, hvor summene som ble beregnet i det foregående trinnet representerer resonansfrekvensawikstilnærmingene som må blir bestemt.

15. Enhet (400, 500) for samtidig å styre/regulere i det minste to fysiske variabler i et dynamisk system til spesifikke ønskede verdier/ønskede verdiprofiler, hvor enheten omfatter en pulsmodulator (8) som det ved hjelp av er mulig å generere en sekvens med diskrete moduleringssignaler, der styringen/reguleringen av de fysiske variablene utføres av sekvensen med diskrete moduleringssignaler,karakterisert ved- en beregningsenhet (200, 200', 300, 300') som, for hvert genererbare moduleringssignal, beregner et effektivt totalawik som blir utregnet fra summen av de eksakte verdiene eller tilnærmingene for avvikene mellom de momentane ønskede verdiene og tilhørende faktiske verdiene for de fysiske variablene, som vil resultere fra opprettholdelsen av dette moduleringssignalet eller svitsjingen over til dette moduleringssignalet, respektiv, - en beslutningsenhet (420) som er tilkoblet beregningsenheten (200, 200', 300, 300') og, avhengig av de effektive totalavvikene beregnet av beregningsenheten, bestemmer hvilket moduleringssignal det beregnete effektive totalavviket vil være minst for, hvor moduleringssignalsekvensen som blir generert av pulsmodulatoren (8) er styrt av beslutningsenheten (420).