用于控制微机械执行器的调节器、控制系统和方法以及微镜系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于控制微机械执行器的调节器、用于控制微机械执行器的控制系 统、微镜系统和用于控制微机械执行器的方法。
【背景技术】
[0002] 当今在许多应用中均使用微机械执行器。例如在被安装在很小结构空间上的投影 单元中使用微镜。
[0003] 在这样的投影单元中通常使用微镜，也就是所谓的MEMS(Micr〇-Electro-Mechani cal-System:微机电系统）。这样的MEMS镜通常具有多个可以相应地被电激发的机械共振 点--也称作模态或者传递函数中的极点。此外，这样的MEMS镜还具有反共振模态--也 称作传递函数中的零点或者凹口（notch)。
[0004] MEMS镜的这些模态可区分为有效模态和干扰模态。干扰模态的激发尤其负面地损 坏所投影的图像的质量。
[0005] 所述MEMS镜构成所谓的惯性弹簧质量系统，其在第一近似中可以被建模为二阶 低通（PT2元件）。在此通过惯性弹簧质量系统的第一模态定义其角频率（Eckfrequenz)。
[0006] 可以使这种MEMS镜或者共振运行在一种或者多种有效模态上或者准静态运行。 准静态控制借助低频信号实现并且避免了这些模态的激发。
[0007] 图9中以波特图示出不同的MEMS微镜的传递函数。在上面的图中示出在频率上 的单位为dB的衰减。在下面的图中示出在频率上的单位为度的相位。在上面的图中可以 看出，其传递函数被示出的五个微镜具有许多共振模态和反共振模态。它们在该图中通过 尖峰示出，这些尖峰是向上或者向下。此外在下面的图中可以看出，这些微镜根据频率分别 具有不同的相位特性曲线。尤其一些镜子分别具有一个至少直至一定的频率位于_〇°和 -180°之间的相位特性曲线，而在另一些镜子中相位特性曲线超过-180°。
[0008] 对于借助MEMS镜的图像构建而言通常需要两个MEMS镜，其中，共振地控制这些 MEMS镜中的一个，而准静态运行这些MEMS镜中的一个。在此，共振运行的MEMS镜负责图像 的行投影，而准静态运行的MEMS镜负责逐行的图像构建。另一种可能性在于使用一种2D 镜，其既在竖直方向上也在水平方向上运行。
[0009] 必须如此控制在准静态的状态中运行的MEMS镜，使得微镜的共振模态不被激励。
[0010] 通常在此借助锯齿波信号作为基准参量（FiihnmgsgrSBe)控制在准静态的状 态中的MEMS镜，以便例如产生60Hz的帧速率。在此，该锯齿波信号在频域中具有基频的偶 次的和奇次的高次谐波的多倍。在附图10的图中以虚线和实线表示两种可能的具有不同 返回时间（RUcklaufzeit)的锯齿波信号，在横轴上示出时间，在纵轴上示出锯齿波信号的 振幅。在附图10中上升的边沿是逐行控制MEMS镜的边沿。下降的边沿表示MEMS镜返回 到初始位置。附图11中示出在频域中的相应的锯齿波信号。
[0011] 如在图11中看出的那样，锯齿波信号在频域中具有60Hz的频率分量和60Hz的多 倍，亦即120Hz、180Hz等。在借助这样的锯齿波信号控制MEMS镜的情况下基频的多倍中的 一个能够激励相应MEMS镜的一个共振模态。
[0012] 通常使用线性驱动器或者数字驱动器来控制准静态状态中的MEMS镜。为了实现 控制时的充分的精度或者为了提高线性偏移，在闭合调节回路（closedloop:闭环）中调 节微镜。在此可以使用不同的调节器，例如自适应ro调节器、前馈结构中的电流调节器和 位置调节器、LMS谐波控制器、迭代谐波系数确定等等。所使用的调节器的共同点在于，它 们需要非常高的系统带宽并且因此需要非常高的计算能力。
[0013] 在US7, 952, 783B2中公开了一种按照"迭代谐波系数确定"工作的控制装置。
[0014] 具有MEMS镜和调节器的系统例如通常需要IMHz的调节器带宽，以便精确调节每 一个图像行。此外，已知的调节器方案中的一些还需要MEMS镜的附加的状态信息，所述附 加的状态信息在现实中难以检测或者估计。
[0015] 高的系统带宽和高的计算能力在控制IC中意味着高的面积需求，例如用于模拟 数字转换器、微控制器、数字模拟转换器、驱动器级等等。
【发明内容】
[0016] 本发明公开一种具有权利要求1的特征的用于控制微机械执行器的调节器，具有 权利要求7的特征的用于控制微机械执行器的控制系统、具有权利要求8的特征的微镜系 统和具有权利要求9的特征的方法。
[0017] 据此设置：
[0018] -种用于控制微机械执行器的调节器，所述调节器：具有第一信号输入端，所述第 一信号输入端构造用于接收参考信号；具有第二信号输入端，所述第二信号输入端构造用 于接收测量信号，所述测量信号表征所记录的、所述微机械执行器对控制信号的响应；具有 第一调节器元件，所述第一调节器元件构造用于在所接收的参考信号中滤波和/或衰减预 给定的频率模态和/或预给定的频率分量并且输出经滤波的和/或经衰减的参考信号；具 有第二调节器元件，所述第二调节器元件构造用于修改所接收的测量信号并且输出所修改 的测量信号，所述修改的方式是，通过在闭合调节回路中处理所接收的测量信号使微机械 执行器的第一模态的和/或其他模态的品质最小化；具有第三调节器元件，所述第三调节 器元件构造用于将经滤波的和/或经衰减的参考信号和所接收的测量信号之间的调节偏 差最小化并且输出经最小化的参考信号；具有第四调节器元件，所述第四调节器元件构造 用于对于至少一个预给定的频率旋转经最小化的参考信号和所修改的测量信号的差的相 位并且将所修改的参考信号作为控制信号向微机械执行器传输。
[0019] 此外设置：
[0020] 一种用于控制微机械执行器的控制系统，其具有信号发生器，所述信号发生器构 造用于输出参考信号；具有根据本发明的调节器，所述调节器构造用于接收所述参考信号 和输出用于所述微机械执行器的控制信号；具有第一信号预处理单元，所述第一信号预处 理单元构造用于预处理并且向所述微机械执行器传输所述控制信号；具有第二信号预处 理单元，所述第二信号预处理单元构造用于记录所述微机械执行器对所述控制信号的响应 并且向所述调节器传输表征所记录的响应的测量信号。
[0021] 此外设置：
[0022] -种微镜系统，其具有至少一个微镜；和具有至少一个根据本发明的控制系统，所 述控制系统构造用于控制微镜。
[0023] 最后设置：
[0024] 一种用于控制微机械执行器的方法，其具有以下步骤：接收参考信号；接收测量 信号，所述测量信号表征所记录的、所述微机械执行器对控制信号的响应；在所述参考信号 中滤波和/或衰减预给定的频率模态和/或预给定的频率分量；修改所接收的测量信号，其 方式是，通过在闭合调节回路中处理所接收的测量信号使微机械执行器的第一模态的和/ 或其他模态的品质最小化；将经滤波的和/或经衰减的参考信号和所接收的测量信号之间 的调节偏差最小化并且输出经最小化的参考信号；对于至少一个预给定的频率旋转经最小 化的参考信号和所修改的测量信号的差的相位并且将所修改的参考信号作为控制信号向 微机械执行器传输，并且将经最小化的参考信号和所修改的测量信号的具有所旋转的相位 的差作为控制信号向微机械执行器传输。
[0025] 发明所基于的认识在于，用于控制微机械执行器的已知的调节器的调节器结构非 常复杂，因此在实现方面的耗费很大。
[0026] 本发明所基于的思想现在在于，考虑这一认识并且设置根据本发明的模块化的多 反馈调节器结构，其具有仅四个线性的调节器元件。
[0027] 此外本发明建议，由第一调节器元件处理参考信号，其在所接收的参考信号中滤 除或者衰减预给定的频率模态和/或预给定的频率分量。由如此预处理的参考信号和表征 微机械执行器的当前位置的测量信号组成的差由第三调节器元件处理，所述第三调节器元 件将经滤波的和/或经衰减的参考信号和所接收的测量信号之间的调节偏差最小化。
[0028] 最后，由第四调节器元件对于至少一个预给定的频率旋转经最小化的参考信号和 所修改的测量信号的差的相位并且将其作为控制信号向微机械执行器传输，所修改的测量 信号由第二调节器元件修改，其方式是，在闭合调节回路中处理所接收的测量信号使微机 械执行器的第一模态的和/或其他模态的品质最小化。
[0029] 尤其本发明的所有调节器元件都能够作为线性的调节器元件实现。
[0030] 本调节器结构例如将微镜的第一共振模态最小化。另外，如果所控制的微镜在其 相位特生曲线中具有在-180°和-360°之间的相位变化过程，则在调节对象中执行一次 相位旋转。最后抑制该微镜的在调节器带宽之外的所有共振模态并且为将调节偏差最小化 而使用传统的调节器。
[0031] 本发明设置一种模块化的调节器结构，其与相应地使用的微机械执行器相关地能 够非常简单地匹配于相应的应用。
[0032] 此外，通过使用一阶到更高阶的线性的调节器元件提供具有小的复杂性的非常简 单的调节器，其能够非常简单地例如集成在ASIC中。
[0033] 通过本发明使得可能的是，利用具有微小的系统带宽（微机械执行器的第一共振 模态的10到30倍）的调节器，因为不需要各个图像行的任何调节。此外，各个调节器元件 的可匹配性能够实现高的调节器品质。
[0034] 有利的实施方式和扩展由从属权利要求以及从参考附图的描述得知。
[0035] 在一种实施方式中，第四调节器元件构造用于将相位从-180°到-360°旋转到 0°到-180°。这使得可能的是，能够以足够的带宽或者足够的增益和相位余量始终稳定地 运行由调节器、微镜等组成的系统。
[0036] 在一种实施方式中，第二调