閉環電機驅動器補償的製作方法

2023-05-08 00:45:16

專利名稱：閉環電機驅動器補償的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及閉環控制系統中的補償網絡。
背景技術：
控制系統中通常採用閉環(反饋)控制。可以將閉環控制系統的頻率響應特徵化為根據描述該系統的傳遞函數得到的「極點」和「零點」的存在。可以通過在復s平面上繪製極點和零點的位置來圖形化表示閉環控制系統。可以就作為頻率的函數的增益和相位分量來圖形化表示頻率響應。極點導致隨著頻率的增益幅值降低和90度的相位滯後，而零點導致隨著頻率的增益幅值增加和90度的相位超前。通常，向閉環控制系統的反饋環路或者路徑增加補償網絡以獲得穩定性。極點和零點的精確位置取決於閉環頻率響應的期望特性以及所控制的系統的特性。超前-滯後補償器是一種改善系統中不期望的系統穩定性和暫態響應的一種補償網絡。超前-滯後補償器的超前部分以高頻率提供相位超前，這使極點向左移動以用於增加阻尼和相位餘量(並且因此增加穩定性)。超前-滯後補償器的滯後部分以低頻率提供相位滯後以及主極點。

發明內容
通常，在一個方面，本發明涉及一種包括誤差放大器和超前-滯後補償器的電路。 所述誤差放大器具有第一輸入，第二輸入以及用於基於所述第一輸入和第二輸入產生誤差信號的輸出，所述第一輸入接收基準信號。所述超前-滯後補償器包括超前部分和滯後部分。所述超前部分連接在所述誤差放大器的所述第二輸入和來自具有相關聯的頻率響應的閉環控制系統的外部受控系統的反饋路徑之間。所述滯後部分連接在所述誤差放大器的所述第二輸入和所述輸出之間。所述超前部分包括無源元件的網絡，連接所述無源元件的網絡以提供用於超前補償的高頻零點以及降低所述高頻零點對所述頻率響應的影響的高頻極點。本發明的實施例可以包括下面特徵中的一個或者多個。所述超前部分可以包括第一電阻器、第二電阻器和電容器，所述第二電阻器和所述電容器串聯連接為串聯電阻-電容(RC)電路，並且所述第一電阻器與所述串聯RC電路並聯連接以形成並聯RC電路。所述並聯RC電路中包括所述第二電阻器用於引入所述高頻極點。所述超前部分可以進一步包括與所述並聯RC電路串聯連接的第三電阻器。所述滯後部分可以包括電容器以提供主低頻極點。所述滯後部分可以包括與所述電容器串聯連接的電阻器。可選地，所述滯後部分可以包括並聯連接第二電容器以形成並聯RC網絡的電阻器，並且所述並聯RC網絡與所述電容器串聯連接。包括所述滯後部分的所述並聯RC網絡用於引人高頻極點。在另一方面，本發明涉及一種設備，包括驅動運動設備的移動的驅動器以及檢測所述移動並且基於所檢測的移動而產生輸出的傳感器。還包括耦合在所述傳感器和所述驅動器之間的控制環路電路。所述控制環路電路被配置成接收所述磁場傳感器輸出以及由外部控制器提供的輸入作為輸入，並且基於所接收的輸入產生輸出信號作為到所述驅動器的輸入。所述控制環路包括誤差放大器和超前-滯後補償器。所述誤差放大器具有第一輸入、 第二輸入以及基於所述第一輸入和所述第二輸入產生誤差信號的輸出，所述第一輸入接收外部控制器輸入作為基準信號。所述超前-滯後補償器包括超前部分和滯後部分。所述超前部分連接在所述誤差放大器的所述第二輸入和所述傳感器輸出之間，並且所述滯後部分連接在所述誤差放大器的所述第二輸入和所述輸出之間。所述超前部分包括無源元件的網絡，連接所述無源元件的網絡以提供用於超前補償的高頻零點以及高頻極點。在另一方面，本發明涉及一種具有控制器以及耦合到所述控制器的線性運動控制設備的系統。所述線性運動控制設備包括驅動線圈的線圈驅動器，所述線圈在被驅動時影響具有磁體的運動設備的線性移動；磁場傳感器，檢測與所述線性移動相關聯的磁場並且對所述磁場做出響應而產生輸出；以及控制環路電路，耦合在所述磁場傳感器和所述線圈驅動器之間。所述控制環路電路被配置成接收所述磁場傳感器輸出和由所述控制器提供的輸入作為輸入，並且基於所接收的輸入產生輸出作為到所述線圈驅動器的輸入。所述控制環路電路包括誤差放大器，所述誤差放大器具有第一輸入、第二輸入以及基於所述第一輸入和所述第二輸入產生誤差信號的輸出，所述第一輸入接收所述控制器輸入作為基準信號。所述控制環路電路進一步包括超前-滯後補償器，所述超前-滯後補償器包括超前部分和滯後部分，所述超前部分連接在所述誤差放大器的所述第二輸入和磁場傳感器輸出之間，並且所述滯後部分連接在所述誤差放大器的所述第二輸入和所述輸出之間。所述超前部分包括無源元件的網絡，連接所述無源元件的網絡以提供用於超前補償的高頻零點以及高頻極點。本發明的特定實施方式可以提供下面優點中的一個或者多個。可能在反饋路徑中生成噪聲並且噪聲被提供到超前-滯後補償器的輸入。因此，所述超前-滯後補償器的超前部分被配置成限制由所述超前部分引入的超前零點的影響，以使得存在於所述超前-滯後補償器的輸入處的噪聲不被所述誤差放大器放大並且不傳輸到輸出，例如以線圈電流波痕的形式。而且，在基本上不改變整體系統穩定性的情況下限制了超前零點的噪聲附加影響。超前部分電阻器值的不同選擇提供了調節所述超前-滯後補償器的超前部分的影響的能力。


通過下面附圖的詳細描述，將更加全面地理解本發明的上述特徵以及本發明本身，在附圖中圖1是採用超前-滯後補償器的示例性閉環控制系統的方框圖；圖2A-2C是用作所述超前-滯後補償器的滯後部分的示例性滯後補償網絡(圖 2A)和示例性滯後-超前補償網絡(圖2B-2C)的示意圖；圖3是超前-滯後補償器的常規超前部分的示意圖；圖4是用作所述超前-滯後補償器(根據圖1)的超前部分的示例性超前補償網絡的示意圖；圖5是對於具有「修改」的超前部分(如圖4所示)和常規的超前部分(如圖3所示)的閉環控制系統作為頻率的函數的增益和相位的一組曲線圖6A-6F是對於超前部分電阻元件的不同值的閉環控制系統的增益和相位對頻率的曲線圖；圖7是採用線性運動控制設備的示例性閉環控制系統的方框圖，所述線性運動控制設備包括磁場傳感器、線圈驅動器以及包括如圖1所示的超前-滯後補償器的傳感器到驅動器反饋接口。圖8A-8B是對於具有常規和修改的超前-滯後補償的與圖7所示類似系統的峰值到峰值線圈電流的曲線圖；以及圖9是其中可以利用諸如圖7所示的線性運動控制系統的示例性照相機透鏡聚焦系統的方框圖。
具體實施例方式參考圖1，示出了閉環控制系統(「系統」)10。系統10包括輸入源12、受控系統 14以及耦合在輸入源12和受控系統14之間的控制環路電路(「電路」)16。電路16經由反饋路徑18接收來自受控系統14的反饋信息以及來自輸入源12的輸入。電路16基於所接收的反饋和輸入信息來產生誤差信息，並且將該誤差信息提供到位於電路16和受控系統14之間的正向路徑22。應該理解的是，可以將反饋路徑實現為例如包括傳感器23和/ 或其它反饋路徑元件。同樣地，可以將正向路徑22實現為包括可以適合於被控制的系統的正向路徑元件(例如，驅動器電路)。後面將參考圖7和圖9描述包括這樣元件的示例性系統。仍然參考圖1，電路16包括誤差放大器M以及具有超前部分(超前補償網絡)28 和滯後部分30的超前-滯後補償器沈。所謂的「滯後部分」 30可以或者是滯後補償網絡或者是滯後-超前補償網絡，這將在後面參考圖2A-2C進行描述。誤差放大器M具有第一輸入或者端子32、第二輸入或者端子34和輸出36。超前部分觀串聯設置在反饋路徑18 和誤差放大器M的第二輸入34之間。滯後部分30連接在第二輸入34和誤差放大器的輸出36之間，即設置在誤差放大器M的反饋環路部分38中。這裡將用於描述極點和零點的術語「低頻」和「高頻」定義如下。「低頻」是指低於多級閉環系統的單位增益交叉(unity gain crossing)的頻率，將一個極點限定為主極點。 「高頻」是指高於理想系統的單位增益交叉的頻率。基於受控系統14的例如物理尺度的物理特性，假設受控系統14具有與其相關聯的如果不補償將使該系統不穩定的一個或者多個低頻「機械」極點。因而，超前-滯後補償器26提供合適的補償以改善系統10的響應參數。此外，超前部分觀(以下將其稱為「修改的超前部分」28以將其與常規超前補償器(圖3中示出的一個示例)區分開來)還被配置成降低輸出噪聲。輸出噪聲可以例如是在反饋路徑中產生的噪聲並且在由誤差放大器M 放大時在受控系統14處具有不期望的結果。電路16因而以用於閉環控制系統的超前-滯後補償為特徵，其中抑制所述補償的超前部分的影響以降低受控系統14處的輸出噪聲。圖2A-2C、圖3和圖4示出了超前-滯後補償的細節。圖2A-2C示出了滯後部分 30的可選示例性實施例。圖3示出了用於超前-滯後補償器的超前部分的常規結構。圖4 示出了 「修改的超前部分」觀。首先轉到圖2A，將滯後部分30實現為具有電容器(「Cl」)40的滯後補償網絡。電容器40連接在誤差放大器的輸入(在這裡和圖1中表示為節點「A」)和輸出(在這裡和圖1中表示為節點「B」)之間。在圖2B-2C中，將滯後部分30實現為滯後-超前補償網絡。參考圖2B，滯後-超前補償網絡包括串聯電阻-電容(RC)網絡，所述電阻-電容網絡包括與電容器C140(參考圖2A)串聯的第一電阻器(「Rl」)42。在滯後部分30的再一滯後-超前補償網絡實施例中，如圖2C所示，電容器C140與並聯RC網絡串聯連接，所述並聯 RC網絡通過將第二電容器(「C2」)44與電阻器(「R2」)46並聯連接形成。圖3示出了表示為超前部分觀』的常規超前部分。其包括並聯連接到電容器 (「C3」)52以形成並聯RC網絡的電阻器(「R3」)50。圖4示出了耦合在反饋路徑18和節點「A」之間的「修改的超前部分」 28。在該修改的超前部分觀中，修改並聯RC網絡觀』(圖3)以包括與C352串聯連接的第二電阻器 (「R4」)M。可選地，如後面將要討論的，可以進一步修改網絡觀以包括與修改的並聯RC 網絡串聯連接並且耦合在該網絡和節點A之間的第三電阻器(「R5」)56。返回來結合圖4參考圖1、圖2A-2C和圖3，在誤差放大器M的反饋環路中設置電容器Cl 40作為滯後補償器元件用於向系統的響應中引入主低頻「滯後」極點(「P1」)。更具體而言，C1*R3乘以誤差放大器的增益設置主極點。增加與電阻器R3並聯的電容器C3， 這形成常規的超前補償網絡，引入「超前」零點(「Z2」)以取消現有的機械極點(因而確保閉環穩定性)。可能不能在足夠的低頻處增加零點。替代地，利用超前補償網絡增加高頻零點是必要的。然而，增加高頻零點使得系統甚至對於可能存在於誤差放大器M的反饋輸入的噪聲更加敏感。如上所述，噪聲將由誤差放大器M進行放大並且傳遞到受控系統14。例如，如果將正向路徑設計為線圈驅動器以驅動諸如線性電機的受控系統，則噪聲可能作為線圈電流噪聲提供到線性電機，可能會在線性電機處產生討厭的可聞音調。因此，為了減少高頻超前零點的一些影響，設計修改的超前部分觀以向系統響應增加另一極點、高頻超前極點 (「P2」)。更具體而言，通過增加與電容器C352串聯的電阻器R4M來引入超前極點，如圖 4所示。定位該超前極點(在系統傳遞函數的複平面內)以使得該系統仍然接收由超前零點的放置帶來的一些益處。如上所述，可以通過增加串聯地位於並聯RC電路和誤差放大器輸入之間的電阻器R556來調節系統響應。R5的增加允許極點值放置的更多靈活性。包括電阻器R4和R5中的一個或者二者在以非常小的方式影響補償設計的其它方面的同時能夠校正噪聲。當然，C3、R3、R4和R5的超前部分部件值的選擇取決於系統。優選地，選擇電阻超前補償器分量值以使得R3的值大於R4和R5的值，並且基本上大於R5的值。例如，可以選擇R4的值為R3的值的三分之一，並且R5的值儘可能小，甚至接近於零。可以調節R4和R5 的值以定位極點和零點，使得獲得期望的響應。再次參考圖2B-2C，滯後部分30包括電阻器Rl 42用於提供低頻超前零點(Zl)， 這能夠改善補償的效果。用於圖2B的修改的超前部分觀和滯後部分30的極點和零點的相對頻率值按照增加頻率值的順序為P1 < Zl < Z2 < P2。如圖2C所示，在滯後部分30 中包括RC網絡(由R2 46和C2 44組成)生成另一極點，高頻滯後極點(「P2」)，提供高頻噪聲的附加削減。因此，用於如圖2C所闡述的修改的超前部分觀連同滯後部分30的極點和零點的相對頻率值為P1 < Z2 < P2 < P2』。更通常地，極點P2』的頻率值總是大於主極點Pl的頻率值，但是不必大於極點P2的頻率值。根據所補償的機械系統，一些機械極點可能落在低頻或者高頻處，並且因此需要低頻和高頻零點的組合(例如在上面示例中的零點Z2和Zl)用於最佳補償。如所描述的， 被包括用來降低系統噪聲的附加極點(例如在上面示例中的極點P2和P2』 )將是高頻極
點ο儘管將補償網絡28、30中的無源元件闡述為單獨的電阻器和電容器，但是應該意識到，可以使用這種無源元件的各種組合來進行配置。此外，可以使用各種元件配置無源元件。而且，無源元件可以由有源元件構成。例如，可以使用偏置的電晶體來配置電阻器。圖5示出了頻率響應的波特增益幅值和相位曲線圖組。幅值曲線60示出了常規的 (或者傳統的)超前_滯後補償器增益(曲線62)和具有修改的超前部分28的超前-滯後補償器增益(曲線64)之間的比較。從曲線可以看出，修改的超前部分，更具體的是高頻極點的生成去除了在傳統網絡的曲線中示出的高於IOKHz (發生作為高頻超前零點的結果) 的增益峰值。相對應的相位曲線70還示出了常規的(或者傳統的)超前-滯後補償器相位(曲線72)與具有修改的超前部分的超前-滯後補償器相位(曲線74)之間的比較。從這些曲線可以看出，修改的超前補償網絡，再次更加具體的是高頻極點的生成降低了較高頻率處的相位。因此，可以通過選擇合適的補償結構來調節幅值和相位特性。圖6A-6F示出了針對具有修改的超前部分28的超前-滯後補償器的R4和R5的變化值對閉環控制系統10(根據圖1)進行仿真的波特曲線。對於全部仿真，將電阻器R3 設置為2M。圖6A示出了對於R4的不同值增益對頻率的曲線80，具體而言，R4 = 0 (曲線82)， 250K(曲線84)，500Κ(曲線86)，750Κ(曲線88)和IM歐姆(曲線90)，同時將R5保持為零。 圖6Β示出了對於R4的不同值相位對頻率的相應曲線100，再次R4 = 0 (曲線102)，250Κ (曲線104)，500Κ(曲線106)，750Κ(曲線108)和IM歐姆(曲線110)，同時將R5保持為零。圖6C示出了對於R5的不同值增益對頻率的曲線120，具體而言，R5 = 0(曲線 122)，250Κ(曲線 124)，500Κ(曲線 126)，750Κ(曲線 128)和 IM 歐姆(曲線 130)，同時將 R4 保持為零。圖6D示出了對於R5的不同值相位對頻率的相應曲線140，再次R5 = 0(曲線 142)，250Κ(曲線 144)，500Κ(曲線 146)，750Κ(曲線 148)和 IM 歐姆(曲線 150)，同時將 R4 保持為零。圖6Ε示出了對於R4的不同值增益對頻率的曲線160，其中，R4 = 0(曲線162)， 250Κ(曲線164)，500Κ(曲線166)，750Κ(曲線168)和IM歐姆(曲線170)，同時將R5設置為250Κ歐姆。圖6F示出了對於R4 = 0(曲線182)，250Κ(曲線184)，500Κ(曲線186)， 750Κ(曲線188)和IM歐姆(曲線190)的相位對頻率的相應曲線180，同時將R5設置為 250Κ歐姆。從圖6A-6F所示的曲線可以看出，在超前補償網絡28中具有R5的效果使增益和相位曲線在較高頻率處向下傾斜。而且，增加R4的值使R4具有對在增加的較低頻率處的響應的影響。更通常地，R4和R5的使用允許系統設計者更加容易地調節系統的響應。能夠改變系統的響應以調節該系統的穩定性和噪聲來滿足期望的設計參數。圖7示出了向定位應用提供閉環運動控制的示例性控制系統200。控制系統200包括連接到運動控制設備(或者「設備」)204的控制器(例如微控制器或者處理器)202。控制系統200還包括運動設備206，所述運動設備206包括具有磁體208和線圈210的組件。 磁體/線圈組件連接到設備或者結構以對於給定應用進行運動。在這裡描述的一個實施例中，磁體208相對於線圈210可移動，並且控制系統200控制磁體208與線圈210的移動。 運動設備206可以是任何類型的線性運動設備，例如線性電機或者線性音圈致動器。該定位應用可以是利用由運動設備產生的位移的任何應用。 運動控制設備204包括表示為磁場傳感器212的位置傳感器、線圈驅動器214以及包括類似圖1的控制環路電路16並且這裡表示為控制環路電路16的控制環路電路的接口 216。設備204向線圈210提供與從控制器202接收的電輸入220相關的電流信號218。 設備204使用磁場傳感器212檢測磁場信號222的磁場強度。基於該檢測，磁場傳感器212 向接口 216提供傳感器輸出信號224。也可以經由諸如緩衝器228的接口電路將傳感器輸出信號224作為輸出226提供到控制器202。磁場傳感器212可以由任何類型的磁場感測設備(未示出)構成。磁場感測設備可以包括單個元件，或者可選地可以包括按照各種配置(例如半橋或者全(惠斯頓)橋) 設置的兩個或者更多元件。所述磁場感測設備的一個或者多個元件可以例如採取霍爾效應元件或者磁阻(MR)元件的形式。MR元件可以由任何類型的MR設備製成，包括但不限於 各向異性磁阻(AMR)設備；巨磁阻(GMR)設備；隧道磁阻(TMR)設備；以及由諸如銦化合物 (例如銦銻化合物)的半導體材料製成的設備。可以根據已知的技術和設計實現同樣未示出的磁場傳感器212的其它方面。應該理解，磁場感測設備將連接到可以包含各種電路的其它電路，所述各種電路一起操作以根據磁場信號生成傳感器輸出。儘管示出了磁場傳感器和線圈驅動器，但是可以使用其它類型的位置傳感器和驅動器電路。而且，可以實現設備204以控制旋轉(代替所示的線性)的運動設備的運動。仍然參考圖7，接口 216用於將線圈驅動器214連接到控制器202並且將線圈驅動器214耦合到磁場傳感器212。接口 216接收磁場傳感器212的輸出，(傳感器輸出224) 作為輸入電壓信號並且向線圈驅動器214提供輸出電壓信號230，線圈驅動器214將其轉換為要施加到線圈210的驅動電流(或者驅動信號)218。傳感器到驅動器的連接允許設備204基於傳感器內部反饋來校正位置，即在沒有控制器202 (和/或用戶)的幹預下，或者不需要其它部件，以提供位置反饋信息。在一個示例性實施例中，如圖7所示出的，將線性運動控制設備204實現為半導體集成電路(IC)。即，磁場傳感器與線圈驅動器214和接口 216的電路集成在單個半導體基底上。因此，可以將設備204製造和銷售為在模塊設計中使用的IC。應該意識到，圖7旨在僅闡述控制系統200的功能劃分。如果將運動控制設備204 構建為ic，則該設備204可以安裝或者嵌入在運動設備本身的磁體/線圈組件中。在2007 年 10 月 1 日遞交的發明名稱為"Hall-Effect Based Linear Motor Controller，，，申請人為David等人並且轉讓給本主題申請的受讓人Allegro Microsystems, Inc.的美國專利申請No. 11/865，118中描述了這樣的磁體/線圈組件的示例，在所述磁體/線圈組件中，磁體相對於靜止的線圈移動。在該示例中，IC連接到驅動線圈210，驅動線圈210安裝(或者耦合)到偏置機構，並且可移動磁體通過允許沿著期望的運動路徑移動的機械懸掛系統懸掛在設備/線圈結構上方。磁體/線圈組件可以代替採用靜止磁體和可移動線圈，或者由能夠產生磁場強度隨著位置改變而改變的一些其它機構在一個實施例中，可以將線圈驅動器214實現為H-橋或者全橋驅動器。H-橋驅動器提供雙向電流流動，因而能夠使諸如線性電機的運動設備沿正向和反向運行。這種類型的線圈驅動器尤其適合於諸如振動電機、快門觸發器、偏振濾波器、揚聲器控制等等一些示例的小線性電機的線性電機驅動和控制。線圈驅動器電流輸出218將連接到線圈210的兩端。替代地，可以將線圈驅動器214實現為低側音圈驅動器。這種類型的線圈驅動器僅提供單向電流流動。線圈驅動器電流輸出將連接到線圈210的低側。線圈210的高側將連接到諸如蓄電池的外部電源。圖8A-8B示出了利用電路16(根據圖1)的修改的超前部分而在線圈電流噪聲中的改善。圖8A示出了對於沒有修改的超前部分28的超前-滯後補償器的線圈電流信號242 的暫態響應曲線240。圖8B示出了對於包括修改的超前部分28和滯後部分30的超前-滯後補償器的線圈電流信號252的暫態響應曲線250。如上所述，具有超前-滯後補償和接口 216的其它特徵的設備204 (圖7)可以用於各種其它應用中，例如使用音圈電機或者致動器的應用。如圖9所示，一個示例是可以用於具有照相機的行動電話，也被稱為照相手機，的照相機透鏡聚焦模塊(或者「模塊」)260。 音圈電機作為致動器在諸如模塊260的透鏡驅動設備的有限運動、高頻激活應用以及其它精密儀器應用中使用。修改的超前部分28尤其很好地適合於類似閉環「自動聚焦」模塊260的應用。在自動聚焦模塊中，噪聲(例如來自DAC輸出的噪聲)經過補償網絡饋送，被放大和轉換為線圈電流。如果線圈噪聲足夠高並且集中於特定頻率，則如早前討論的，其將在系統輸出被轉換為不期望的聽得到的噪聲。模塊260包括執行鏡頭聚焦處理264並且向其它模塊組提供控制信號的控制器 (例如微控制器或者處理器)262。在照相手機應用中，控制器262可以控制照相手機的整體操作並且因而在電話和拍照功能之間切換，或者控制器262可以專用於拍照模式的操作 (具有單獨的控制器用於處理電話模式)。控制器262連接到驅動音圈致動器266的設備 204。如早前參考圖7所示，可以將設備204構建為將音圈驅動器和磁場傳感器集成在單個基底上的半導體集成電路。而且，磁體和設備/線圈組件可以與上面描述的類似，但是線圈和線圈驅動器用於單向驅動。可選地，可以使用具有簡單彈簧偏置機構的磁體。音圈致動器266控制光學組件270的透鏡268的線性移動以調節透鏡聚焦。附圖中由箭頭271(標記為「聚焦/縮放」)表明該鏡頭聚焦調節行為。設備204的線圈驅動器 214控制音圈致動器266。應該意識到，可以代替使用諸如壓電致動器和驅動器的一些類型的制動機構和驅動器。模塊260還包括圖像傳感器272、信號處理器(SP) 274和幀存儲器 276。幀存儲器276經由總線277耦合到控制器262。現在將描述該模塊的操作。假設控制器262切換至拍照功能或者處於拍照模式下，則激活圖像傳感器272，並且控制器262經由控制線路278向圖像傳感器272發送控制信號(定時信號)以開始圖像捕獲處理。掃描由透鏡268投射在圖像傳感器272上的圖像(由箭頭273表示該投射)，並且經由一條或者多條線路280將其施加到SP 274。控制器262激活信號處理器274以開始自動聚焦處理。SP 274對從圖像傳感器272輸出的圖像信號執行採樣、放大和A/D轉換並且輸出數字圖像數據。幀存儲器276臨時存儲經由一條或者多條線路282從SP 274順序輸出的數字圖像數據。SP 274根據存儲在幀存儲器276中的圖像數據確定圖像的對比度值。在每次由圖像傳感器272捕獲圖像並且將該圖像存儲在幀存儲器276中時，SP 274讀取該圖像數據並且計算對比度值。控制器262向線性運動控制設備204輸出控制信號，輸入220，以開始聚焦調節。 設備204的驅動器部分根據來自控制器的輸入信號220以及來自磁場傳感器212的反饋信號224生成驅動信號218。通過音圈致動器266的透鏡位置調節導致圖像銳度的改變。SP 274確定由圖像傳感器272順序捕獲的圖像數據的對比度值並且將透鏡移動之前和之後捕獲的圖像之間的值進行比較。Sp 274對在檢測到對比度值為峰值時獲得具有最佳銳度的圖像進行檢測並且向控制器262發送檢測信號。控制器262發送合適的控制信號(向設備 204)以將透鏡268移動回到獲得峰值對比度值的位置，即實現最佳銳度的精確位置，以完成聚焦調節。儘管將SP 274描述為確定對比度值，但是可以通過SP 274計算表示最佳焦點位置的其它參數。由控制器向設備204的接口 216提供的信號220可以是PWM輸入信號。如果使用 PWM輸入，則將其轉換為模擬電壓。如上所述，使用接口 216的反饋電路以經過外部音圈驅動電流。線圈中的電流改變，直到透鏡組件的位置導致關於輸入具有預定關係(例如與輸入匹配)的傳感器輸出電壓(或者如果使用PWM輸入則是PWM轉換的內部模擬信號)。傳感器輸出也經由接口 216的輸出226可以用於控制器262。 設備204還可以包括在圖中表示為睡眠輸入284的用戶控制的「睡眠」輸入，在設備204處於低功率睡眠模式下時降低電流消耗。終端用戶可以通過向睡眠輸入284施加邏輯電平信號來控制設備204的電流消耗。該低功率特徵使得該設備對於諸如蜂窩電話和數位相機的電池操作的應用是理想的。在上面提及的未決美國專利申請No. 11/865，118中描述了可以作為透鏡聚焦處理264使用的一個示例性鏡頭聚焦處理。也可以使用其它適合的透鏡聚焦處理和模塊設計。還應該想到其它圖像捕獲應用。例如，儘管將電路16表示為在自動聚焦應用模塊中使用，但是代替或者除了透鏡一偶的那個控制，模塊260的硬體和/或軟體可以適當地適於執行諸如圖像穩定的其它功能。類似透鏡移動控制，一些類型的圖像穩定應用可以在反饋控制環路中使用傳感器以檢測移動(在圖像穩定的情況下由於手振動導致的相機移動， 而不是如所示的用於自動聚焦模塊260的透鏡聚焦或者縮放)，並且使用所檢測的移動經由致動機構採取合適的校正行為。可以將其它類型的圖像穩定器實現為軟體(由處理器執行，例如類似控制器262的微控制器或者類似圖9的SP 274的信號處理器)。在任意一種這些類型的設計中，電路16(具有上述的補償網絡28、30)可以在一個或者多個反饋傳感器和驅動致動器的驅動電路之間使用，以提供補償和噪聲降低二者。儘管上面參考圖7和9描述的圖1的閉環控制系統10的特定示例實施例說明了具有磁場傳感器的反饋路徑、具有線圈驅動器電路的正向路徑以及諸如具有磁體/線圈組件的線性電機或者音圈致動器的線性運動設備形式的受控系統，但是也可以想到其它實施例。反饋路徑中類似傳感器23的傳感器可以是任何類型的傳感器，即根據控制系統10的期望應用的需要，適合於檢測或者測量諸如移動/運動(例如位置、臨近、位移、速度、方向及其衍生物)、光、壓力、應力/應變、溫度等等的特定物理參數的傳感器。也可以使用適合於要執行的感測類型的任何傳感器結構，無論其是電磁、光、電容、電阻或者壓電的等等給出的幾個示例。而且，如在附圖中所說明的，除了是線性電機或者致動器，受控系統14可以是旋轉電機或者其它類型的機器或者系統(例如存在於典型的工業、汽車或者消費應用中的)。這裡引述的全部參考文獻以引用的方式將其全部內容併入本文。

儘管描述了本發明的優選實施例，但是現在對於本領域的普通技術人員變得顯而易見的是可以使用結合其概念的其它實施例。因此這些實施例不應該限於所公開的實施例，而是應該僅由所附權利要求的精神和範圍來限定。
權利要求
1.一種電路，包括誤差放大器，具有第一輸入、第二輸入以及基於所述第一輸入和所述第二輸入產生誤差信號的輸出，所述第一輸入接收基準信號；包括超前部分和滯後部分的超前-滯後補償器，所述超前部分連接在所述誤差放大器的所述第二輸入和來自具有相關聯的頻率響應的閉環控制系統的外部受控系統的反饋路徑之間，並且所述滯後部分連接在所述誤差放大器的所述第二輸入和所述輸出之間；並且其中所述超前部分包括無源元件的網絡，所述無源元件的網絡被連接以提供用於超前補償的高頻零點以及降低所述高頻零點對所述頻率響應的影響的高頻極點。
2.如權利要求1所述的電路，其中所述超前部分包括第一電阻器、第二電阻器和電容器，所述第二電阻器和所述電容器串聯連接為串聯電阻-電容(RC)電路，並且所述第一電阻器與所述串聯RC電路並聯連接以形成並聯RC電路。
3.如權利要求2所述的電路，其中所述並聯RC電路中包括所述第二電阻器用於引入所述高頻極點。
4.如權利要求2所述的電路，其中所述超前部分進一步包括與所述並聯RC電路串聯連接的第三電阻器。
5.如權利要求4所述的電路，其中所包括的第二和第三電阻器的值小於所述第一電阻器的值。
6.如權利要求4所述的電路，其中所述第三電阻器的值基本上小於所述第一電阻器的值。
7.如權利要求4所述的電路，其中所述滯後部分包括電容器以提供主低頻極點。
8.如權利要求7所述的電路，其中所述滯後部分包括與所述電容器串聯連接的電阻
9.如權利要求7所述的電路，其中所述滯後部分包括並聯連接第二電容器以形成並聯 RC網絡的電阻器，並且所述並聯RC網絡與所述電容器串聯連接。
10.如權利要求9所述的電路，其中包括所述滯後部分的所述並聯RC網絡用於引人高頻極點。
11.如權利要求1所述的電路，其中所述第二輸入包括由用於檢測所述外部受控系統的移動的傳感器產生的信號。
12.—種設備，包括驅動器，用於驅動行動裝置的移動；傳感器，用於檢測所述移動並且對所述移動做出響應而產生輸出；控制環路電路，所述控制環路電路耦合在所述傳感器和所述驅動器之間，所述控制環路電路被配置成接收所述磁場傳感器的輸出以及由外部控制器提供的輸入作為輸入，並且基於所接收的輸入產生輸出信號作為所述驅動器的輸入；並且其中所述控制環路包括誤差放大器，具有第一輸入、第二輸入以及基於所述第一輸入和所述第二輸入產生誤差信號的輸出，所述第一輸入接收外部控制器的輸入作為基準信號；包括超前部分和滯後部分的超前-滯後補償器，所述超前部分連接在所述誤差放大器的所述第二輸入和所述傳感器的輸出之間，並且所述滯後部分連接在所述誤差放大器的所述第二輸入和所述誤差放大器的所述輸出之間；並且其中所述超前部分包括無源元件的網絡，所述無源元件的網絡被連接以提供用於超前補償的高頻零點以及高頻極點。
13.如權利要求12所述的設備，其中所述超前部分包括第一電阻器、第二電阻器和電容器，所述第二電阻器和所述電容器串聯連接為串聯電阻-電容(RC)電路，並且所述第一電阻器與所述串聯RC電路並聯連接以形成並聯RC電路。
14.如權利要求13所述的設備，其中所述並聯RC電路中包括所述第二電阻器用於引入所述高頻極點。
15.如權利要求13所述的設備，其中所述超前部分進一步包括與所述並聯RC電路串聯連接的第三電阻器。
16.如權利要求15所述的設備，其中所包括的第二和第三電阻器的值小於所述第一電阻器的值。
17.如權利要求15所述的設備，其中所述第三電阻器的值基本上小於所述第一電阻器的值。
18.如權利要求15所述的設備，其中所述滯後部分包括電容器以提供主低頻極點。
19.如權利要求18所述的設備，其中所述滯後部分進一步包括與所述電容器串聯連接的電阻器。
20.如權利要求18所述的設備，其中所述滯後部分包括並聯連接第二電容器以形成並聯RC網絡的電阻器，並且所述並聯RC網絡與所述電容器串聯連接。
21.如權利要求20所述的設備，其中包括所述滯後部分的所述並聯RC網絡用於引人高頻極點。
22.如權利要求12所述的設備，其中所述傳感器包括磁場傳感器。
23.如權利要求22所述的設備，其中所述磁場傳感器包括至少一個用於感測所述磁場的有源元件，並且所述至少一個有源元件是從霍爾效應元件和磁阻(MR)元件中選擇的一個。
24.如權利要求22所述的設備，其中所述驅動器是線圈驅動器並且所述移動是線性移動。
25.如權利要求12所述的設備，其中所述驅動器、所述傳感器以及所述控制環路電路被集成為半導體集成電路。
26.一種系統，包括 控制器；以及耦合到所述控制器的線性運動控制設備，所述線性運動控制設備包括 用於驅動線圈的線圈驅動器，所述線圈在被驅動時影響具有磁體的運動設備的線性移動；磁場傳感器，用於檢測與所述線性移動相關聯的磁場並且對所述磁場做出響應而產生輸出；控制環路電路，所述控制環路電路耦合在所述磁場傳感器和所述線圈驅動器之間，所述控制環路電路被配置成接收所述磁場傳感器的輸出和由所述控制器提供的輸入作為輸入，並且基於所接收的輸入產生輸出信號作為所述線圈驅動器的輸入；並且其中所述控制環路電路包括誤差放大器，具有第一輸入、第二輸入以及基於所述第一輸入和所述第二輸入產生誤差信號的輸出，所述第一輸入接收所述控制器的輸入作為基準信號；包括超前部分和滯後部分的超前-滯後補償器，所述超前部分連接在所述誤差放大器的所述第二輸入和磁場傳感器的輸出之間，並且所述滯後部分連接在所述誤差放大器的所述第二輸入和所述誤差放大器的所述輸出之間；並且其中所述超前部分包括無源元件的網絡，所述無源元件的網絡被連接以提供用於超前補償的高頻零點以及高頻極點。
27.如權利要求沈所述的系統，其中所述超前部分包括第一電阻器、第二電阻器和電容器，所述第二電阻器和所述電容器串聯連接為串聯電阻-電容(RC)電路，並且所述第一電阻器與所述串聯RC電路並聯連接以形成並聯RC電路。
28.如權利要求27所述的系統，其中所述並聯RC電路中包括所述第二電阻器用於引入所述高頻極點。
29.如權利要求27所述的系統，其中所述超前部分進一步包括與所述並聯RC電路串聯連接的第三電阻器。
30.如權利要求四所述的系統，其中所包括的第二和第三電阻器的值小於所述第一電阻器的值。
31.如權利要求四所述的系統，其中所述第三電阻器的值基本上小於所述第一電阻器的值。
32.如權利要求四所述的系統，其中所述滯後部分包括電容器以提供主低頻極點。
33.如權利要求32所述的系統，其中所述滯後部分進一步包括與所述電容器串聯連接的電阻器。
34.如權利要求32所述的系統，其中所述滯後部分包括並聯連接第二電容器以形成並聯RC網絡的電阻器，並且所述並聯RC網絡與所述電容器串聯連接。
35.如權利要求沈所述的系統，其中所述控制器被配置成使用所述線性運動控制設備來聚焦照相機的透鏡。
36.如權利要求沈所述的系統，其中所述線圈驅動器、所述磁場傳感器以及所述控制環路電路被集成為半導體集成電路。
37.如權利要求沈所述的系統，其中所述半導體集成電路和所述控制器位於照相機透鏡聚焦模塊上。
38.如權利要求沈所述的系統，其中所述運動設備包括線性電機。
39.如權利要求沈所述的系統，其中所述運動設備包括音圈致動器。
40.如權利要求沈所述的系統，其中所述線性運動控制設備具有睡眠輸入以使得所述線性運動控制設備能夠以低功率模式進行操作。
全文摘要
本發明提供一種在控制諸如線性電機的系統的閉環控制系統中使用的控制環路電路。所述控制環路電路包括以超前補償網絡為特徵的超前-滯後補償器，所述超前補償網絡被配置成在基本不改變超前補償在所述控制系統的頻率響應中的效果的情況下降低輸出噪聲。
文檔編號G05B11/01GK102224467SQ200980146623
公開日2011年10月19日 申請日期2009年9月23日 優先權日2008年11月26日
發明者D·J·哈斯, M·G·沃德 申請人:阿萊戈微系統公司