(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起方向に沿った振動子（１９０）の変位を表す測定信号の出力に適したセンサユニット（１７０）と、
振動子（１９０）に作用するアクチュエータユニット（１８０）であって、制御信号によって制御可能なアクチュエータユニットと
を含む制御装置において、
制御器メインユニット（２００）であって、アクチュエータユニット（１８０）が、振動子（１９０）の調和共振振動の設定振幅からの、振動子（１９０）の変位のずれを打ち消すように、アクチュエータユニット（１８０）のための制御信号を、測定信号と調和設定点信号とから推定すべく構成されてなる制御器メインユニットと、
制御器拡張ユニット（６００）であって、非アクティブ化されたアクチュエータユニット（１８０）で、測定信号から、振動子（１９０）の残留振動の実位相と実振幅とを決定するように構成されるとともに、アクチュエータユニット（１８０）をアクティブ化した後、振動子（１９０）の残留振動の振幅が設定振幅まで位相同期して増幅されるように、かつ、このプロセスでは、残留振動に含まれるエネルギが使用されるように、実位相と実振幅とに適応させてなる調和設定点信号を、制御器メインユニット（２００）に出力するように構成されてなる制御器拡張ユニットと、
を含むことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
制御器メインユニット（２００）は、調和設定点信号のための制御器装置（２２５，３２５）であり、制御器装置（２２５，３２５）は、少なくとも１つの比例伝達要素（２２４，３２４）と、比例伝達要素（２２４，３２４）と並列に配置された１つの積分伝達要素（２２２，３２２）とを含み、制御器メインユニット（２００）の制御器入力は、両方の伝達要素（２２２，２２４，３２２，３２４）に接続され、
制御装置（２２５，３２５）の伝達関数は、ｓ平面の制御器角周波数ωｒにおける共役複素極、またはｚ平面の
【数６５】
0005890533.tif 000066
における極を有し、Ｔは制御器装置（２２５，３２５）の離散入力信号のサンプリング時間であり、ωｒは０より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。
【請求項３】
積分伝達要素（２２２，３２２）の積分動作係数、および比例伝達要素（２２４，３２４）の増幅因子は、制御器装置（２２５，３２５）が、ステップ関数によって変調された制御器角周波数ωｒの調和入力信号を、制御器入力において受け付けたとき、増大する振幅を有する制御器角周波数ωｒの調和振動を、制御器出力において生成することに適しているように選択されることを特徴とする、請求項２に記載の制御装置。
【請求項４】
積分動作係数および増幅因子は、制御器装置（２２５，３２５）の伝達関数の零点が振動子（１９０）の伝達関数の極を相殺するように選択されることを特徴とする、請求項３に記載の制御装置。
【請求項５】
制御器拡張ユニット（６００）は、
捕捉ユニット（６１０）であって、測定信号から、振動子（１９０）の残留振動の実位相と実振幅とを決定するように構成されるとともに、アクチュエータユニット（１８０）によって、振動子（１９０）の残留振動が位相同期して増幅され、かつ残留振動に含まれるエネルギが使用可能であるように、実位相と実振幅とから、調和設定点信号のための同期情報を決定すべく構成されてなる捕捉ユニットと、
同期ユニット（６２０）であって、同期情報を受信し、同期情報に基づいて、調和設定点信号のための位相および初期振幅値とを決定するように構成されてなる同期ユニットとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。
【請求項６】
捕捉ユニット（６１０）は、
フィルタユニット（６１２）であって、測定信号、実際の共振角周波数の近似値、測定信号に含まれる測定ノイズの分散の推定値、および測定信号の一定振幅オフセットの推定値から、残留振動時の変動の推定値を決定するように構成されてなるフィルタユニットと、
制御ユニット（６１６）であって、残留振動時の変動の推定値から、実位相と実振幅とを記述する同期情報を決定し、同期情報を出力するように構成されてなる制御ユニットとを含むことを特徴とする、請求項５に記載の制御装置。
【請求項７】
制御ユニット（６１６）は、同期情報の出力後に、フィルタユニット（６１２）を非アクティブ化するように構成されてなることを特徴とする、請求項６に記載の制御装置。
【請求項８】
制御ユニット（６１６）は、同期情報の出力後に、アクチュエータユニット（１８０）をアクティブ化するように構成されてなることを特徴とする、請求項６に記載の制御装置。
【請求項９】
制御器拡張ユニット（６００）は、設定点振動の振幅を、所定の時間内に、初期振幅値から設定振幅値まで増加させるように構成されてなることを特徴とする、請求項６に記載の制御装置。
【請求項１０】
フィルタユニット（６１２）は、カルマンフィルタであることを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。
【請求項１１】
制御器拡張ユニット（６００）は、振動子（１９０）の現在の振動周波数を記述する周波数情報を、時間間隔をおいて記憶するように構成されてなる周波数記憶ユニット（６３０）を含み、
制御器拡張ユニット（６００）は、記憶された周波数情報を、振動子（１９０）の残留振動の実位相と実振幅とを推定するために、および／または調和設定点信号を生成するために使用するようにさらに構成されてなることを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。
【請求項１２】
制御装置は、振動子を、励起ユニット（５９０）、コリオリユニット（５８５）、または検知ユニット（５９０）として形成する回転速度センサ（５００，５０５）の一部分であり、アクチュエータユニットは、力伝達器（５６１）であり、
コリオリユニット（５８５）は、コリオリユニット（５８５）が励起方向に沿った励起ユニット（５９０）の運動に追随し、かつコリオリユニット（５８５）が励起方向に垂直な検知方向に沿って追加的に運動可能であるように、励起ユニット（５９０）に取り付けられ、
検知ユニット（５８０）は、検知ユニット（５８０）が、
励起方向に沿った励起ユニット（５９０）の運動に追随し、かつ励起方向に垂直な検知方向に沿って追加的に運動可能である、または
励起方向に垂直な検知方向に沿ったコリオリユニット（５８５）の運動に追随し、かつ励起方向に沿って固定されるように、
励起ユニット（５９０）、もしくはコリオリユニット（５８５）に取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の制御装置。
【請求項１３】
励起方向において調和共振振動に励起可能な、運動可能に支持された振動子（１９０）と、
励起方向に沿った振動子（１９０）のずれを表す測定信号の出力に適したセンサユニット（１７０）と、
制御信号によって制御可能な振動子（１９０）に作用するアクチュエータユニット（１８０）と、
制御器メインユニット（２００）であって、アクチュエータユニット（１８０）が、共振振動の設定振幅からの振動子（１９０）の変位のずれを打ち消すように、測定信号と調和設定点信号とから、アクチュエータユニット（１８０）のための制御信号を推定すべく構成されてなる制御器メインユニットと、
制御器拡張ユニット（６００）であって、非アクティブ化されたアクチュエータユニット（１８０）で、測定信号から、振動子（１９０）の残留振動の実位相と実振幅とを決定するように構成されるとともに、アクチュエータユニット（１８０）をアクティブ化した後、振動子（１９０）の残留振動の振幅が設定振幅まで位相同期して増幅されるように、かつ、このプロセスでは、残留振動に含まれるエネルギが使用されるように、実位相と実振幅とに適応させてなる調和設定点信号を、制御器メインユニット（２００）に出力するように構成されてなる制御器拡張ユニットと、
を含む回転速度センサ。
【請求項１４】
振動子は、力伝達器（５６１）によって励起方向に沿って変位可能であり、共振角周波数ω０での振動に適している励起ユニット（５９０）であることを特徴とする、請求項１３に記載の回転速度センサ。
【請求項１５】
調和コマンド変数を用いて制御装置を動作させる方法であって、
励起方向に沿った振動子（１９０）の変位を表す測定信号を、センサユニット（１７０）を用いて生成することと、
非アクティブ化されたアクチュエータユニット（１８０）で、振動子（１９０）の残留振動の実位相と実振幅との推定に基づいて、位相振幅同期調和設定点信号を生成することと、
アクチュエータユニット（１８０）が、調和振動からの振動子（１９０）のずれを打ち消すように、アクチュエータユニット（１８０）のための同期された制御信号を、測定信号と位相振幅同期調和設定点信号とから生成することと、
同期された制御信号を提供したときに、または同期された制御信号を提供した後に、アクチュエータユニット（１８０）をアクティブ化することと、
を含む方法。
【請求項１６】
制御器メインユニット（２００）は、調和設定点信号のための制御器装置（２２５，３２５）であり、制御器装置（２２５，３２５）は、少なくとも、比例伝達要素（２２４，３２４）と、比例伝達要素（２２４，３２４）と並列に配置された積分伝達要素（２２２，３２２）とを含み、制御器メインユニット（２００）の制御器入力は、両方の伝達要素（２２２，２２４，３２２，３２４）に接続され、
制御器装置（２２５，３２５）の伝達関数は、ｓ平面の共振角周波数ωｒにおける共役複素極、またはｚ平面の
【数６６】
0005890533.tif 000067
における極を有し、Ｔは制御装置（２２５，３２５）の離散入力信号のサンプリング時間であり、ωｒは０より大きいことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御ユニット、特に、調和コマンド変数、または調和設定点信号を有する回転速度センサに関する。さらに、本発明は、調和コマンド変数を用いて制御装置を動作させるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の制御方法は、一定、またはゆっくりとだけ変化する、コマンド変数に関連する問題を制御するために適合する方法であり、外乱によって影響される制御されたプロセス変数の値は、所定の設定点に近い値に維持される、または変化する設定点に可能な限り近い値にそれぞれ更新される。たとえばコリオリ力の解析のための微小機械回転速度センサのような幾つかの用途は、振動子の励起に、その共振周波数と、制御ループによって規定される振動振幅とを提供する。この処理において、制御器は、所定の調和設定点信号と測定された振動子の運動との差がなくなるように、制御器によって生成される力信号を制御する。
【０００３】
この処理において、通常、励起方向に沿った振動子の運動を反映する測定信号は、最初、復調器に供給される。復調器は、測定信号と角周波数ωｄの調和信号とを乗算し、該角周波数は、振動子の共振角周波数ω０に対応する。制御それ自体は、一定であるベースバンドにおける設定点信号、またはいかなる場合であっても共振角周波数に依存しない設定点信号によって行われる。制御器の出力信号は、変調器において、角周波数ωｍの調和信号に関して再変調され、該角周波数は、振動子の共振周波数ω０に対応する。変調積は、所定の設定信号と比較される。最終的に、２つの信号の差がアクチュエータを制御し、アクチュエータは、制御器信号に基づいて、振動子が所定の設定振動に従って振動するように、振動子に力を加える。制御がベースバンドにおいて行われるので、ローパスフィルタは、周波数変換積を、特に二倍共振周波数において濾波するが、その処理によって、制御器のバンド幅、および、したがって、変位を変化させる反応速度が、制限される。
【０００４】
本願出願時において、未公開の独国特許出願ＤＥ１０２０１００５５６３１．９には、振動子の共振角周波数ω０の周波数バンドにおける調和設定点信号を用いた制御が記載されている。
【０００５】
多くの応用分野において、振動子は、駆動を非アクティブ化した後、減衰する振幅で振動する。制御が振動子の減衰段階においてアクティブ化される場合、アクティブ化時間は、減衰している振動と設定点信号との間の、位相および振幅の差に依存する。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の目的は、調和コマンド変数のための制御装置のスイッチオン動作を改善するための制御概念である。当該目的は、独立請求項の主題によって達成される。さらなる実施形態は、対応する従属請求項によって与えられる。
【０００７】
以下においては、本発明の実施形態、およびそれらの機能と利点とが、図面に基づいて説明される。実施形態の要素は、それらが相互に排除しない限り、相互に組み合わせられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る制御装置を有する装置の概略ブロック図であり、制御装置は、調和設定点信号に基づいて調和振動を制御するための制御器メインユニット、および調和設定点信号を同期させるための制御器拡張ユニットを含む。
【図２Ａ】別の実施形態に係る図１の制御器拡張ユニットの詳細を示す概略ブロック図である。
【図２Ｂ】別の実施形態に係る図２Ａの制御器拡張ユニットのさらなる詳細を示すブロック図である。
【図３Ａ】実施形態に係る制御装置を有する装置の概略ブロック図であり、調和設定点信号のための連続ＰＩ制御器、および無駄時間要素を有する制御器メインユニットに関する。
【図３Ｂ】図３Ａに従うＰＩ制御器の伝達関数の概略図である。
【図４Ａ】実施形態に係る制御装置を有する装置の概略ブロック図であり、調和設定点信号のための離散ＰＩ制御器、および無駄時間要素を有する制御器メインユニットに関する。
【図４Ｂ】図４Ａの制御器メインユニットの伝達関数の概略図である。
【図５Ａ】実施形態に係る制御装置を有する装置の概略ブロック図であり、調和設定点信号のための離散ＰＩ制御器、およびバンドパスと同様に作用する制御器拡張を有する制御器メインユニットに関する。
【図５Ｂ】図５Ａの制御器拡張の伝達関数の概略図である。
【図６Ａ】本発明の別の実施形態に係る回転速度センサの微小機械部分の概略上面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの回転速度センサの微小機械部分の概略断面図である。
【図６Ｃ】図６Ａおよび図６Ｂに係る回転速度センサの概略ブロック図である。
【図７】別の実施形態に係る回転速度センサの微小機械部分の概略上面図である。
【図８】制御装置を動作させるための方法の簡略プロセスフローである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１に示されているように、装置１００は、振動子１９０と、制御器メインユニット２００および制御器拡張ユニット６００を有する制御装置とを含む。振動子１９０は、質量体であり、該質量体は、励起方向に沿って運動可能に懸架されており、励起方向に沿って共振周波数ω０で振動することができる。定常である場合には、振動子１９０は、共振周波数ω０の並進振動または回転振動を行う。一実施形態に従って、振動子１９０は、回転速度センサの、励起ユニット、コリオリユニット、または検知ユニットである。回転速度センサは、たとえば、ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）として形成されてもよい。
【００１０】
センサ１７０は、振動子１９０の運動を捕捉して、測定信号を出力し、該測定信号は、励起方向に沿った振動子１９０の全変位を反映している。測定信号は、制御器メインユニット２００のための制御器入力信号に対応する。制御器メインユニット２００は、制御器入力信号と、制御器拡張ユニット６００から出力される調和設定点信号とを比較し、信号差に基づいて、制御器出力信号を生成し、該制御器出力信号は、アクチュエータユニット１８０に出力される。制御器メインユニット２００は、アクチュエータユニット１８０が、所定の調和設定点信号と振動子１９０の測定された運動との差がなくなるように力信号を生成すべく、制御器出力信号を決定する。
【００１１】
実施形態に従って、制御器拡張ユニット６００は、アクチュエータアクティブ化ユニット６９５を含み、アクチュエータユニット１８０は、該アクチュエータアクティブ化ユニット６９５によってアクティブ化される。図１のブロック図において、アクチュエータアクティブ化ユニット６９５は、アクチュエータユニット１８０への制御器出力信号の供給におけるスイッチとして示されており、スイッチは、制御器拡張ユニット６００の出力信号によって制御可能である。
【００１２】
制御器拡張ユニット６００は、制御装置によってアクティブ化され、たとえば動作電圧のスイッチを入れることによってアクティブ化される。アクチュエータユニット１８０は、最初、非アクティブ化されている。以前の履歴に応じて、振動子１９０は、アクチュエータユニット１８０が非アクティブ化されている場合、静止している、または残留振動を行う。制御器拡張ユニット６００は、アクチュエータユニットが依然として非アクティブ化されている間に、測定信号から、振動子１９０のそのような残留振動の実位相と実振幅とを決定し、実位相と実振幅とに適応する同期設定点信号を、制御器メインユニットに供給する。調和設定点信号、または調和設定点信号から推定される同期された制御信号が利用可能になるとすぐに、制御器拡張ユニット６００は、振動子１９０の残留振動の振幅が設定振幅まで位相同期して増幅され、かつこの処理において残留振動に含まれるエネルギが用いられるように、アクチュエータアクティブ化ユニット６９５を介して、アクチュエータユニット１８０をアクティブ化する。
【００１３】
制御器拡張ユニット６００は、振動子を、全ての考慮すべき初期状態から開始して、非常に短い時間で、該振動子の設定振幅に設定し、それを維持することを可能にする。残留振動は、特に、駆動、またはアクチュエータユニット１８０を、減衰時間内の任意の時間において非アクティブ化した後に、振動子を設定振幅で振動させるべき場合に発生する。
【００１４】
実施形態に従って、制御装置２００，６００、および振動子１９０は、航法計器の回転速度センサの構成要素、特に、短時間の電源停止後できるだけ短い時間で未撹乱の動作状態に移行されなければならない、航空機のための航法機器の回転速度センサの構成要素である。制御器拡張ユニット６００は、振動子１９０の、現在減衰している残留振動の振幅および位相を推定する。
【００１５】
実施形態に従って、制御器拡張ユニット６００は、振幅、および位相を推定するためのカルマンフィルタを含む。残留振動の振幅および位相から、調和設定点信号の、位相、および振幅が正確なスイッチオンのための、初期位相、および初期振幅が、内部信号実行時間を考慮して推定される。現在の残留振動は、短時間のスイッチオフ後の再試運転期間が減少するように使用される。現在の残留振動の振幅が大きくなると、振動子を設定された振幅で再び振動させるために必要な時間は少なくなる。したがって、特に電力供給の短い停止の後、制御器２００，６００を含むシステムの再試運転時間（起動時間）が短くなる。
【００１６】
図１に示された実施形態に従って、制御器拡張ユニット６００は、捕捉ユニット６１０と、同期ユニット６２０とを含む。捕捉ユニット６１０は、少なくとも装置１００のアクティブ化段階、たとえば再び動作電圧のスイッチを入れた後に、測定信号から、残留振動の実位相と実振幅とを決定する。実位相、実振幅、ならびに、たとえば信号実行時間、および信号遅延時間である、さらなるシステムパラメータから、捕捉ユニット６１０は、同期情報を決定し、該同期情報は、同期ユニット６２０によって生成される調和設定点信号の位相および振幅を示す。同期ユニット６２０は、同期情報を受信して、同期情報によって決定された調和設定点信号を、制御器メインユニット２００に転送する。たとえば、制御器メインユニット２００は、同期ユニット６２０から出力された調和設定点信号および測定信号から差分信号を形成する、加算ユニット２２１を含む。
【００１７】
実施形態に従って、調和設定点信号の共振角周波数ωｒは、振動子１９０の共振各周波数ω０によって予め決定され、この周波数はまた、実位相と実振幅との推定における初期値として統合される。別の実施形態に従って、制御器拡張ユニット６００は、温度捕捉ユニットを含み、捕捉ユニット６１０は、振動子１９０の温度補正された共振角周波数に基づいて、実位相と実振幅との推定を行い、調和設定点信号は、温度補正された共振角周波数で振動する。
【００１８】
図１に示された実施形態に従って、制御器拡張ユニット６００は、周波数記憶ユニット６３０を含み、周波数記憶ユニットは、時間間隔をおいて、振動子１９０の現在の振動周波数を記述する周波数情報を記憶する。実施形態に従って、周波数記憶ユニット６３０は、周期的に、現在の共振角周波数を不揮発性記憶装置に記憶する。たとえば、更新周波数は、適用温度変化が追随されてもよいように選択される。実施形態に従って、更新周波数は、１Ｈｚ〜１００Ｈｚの範囲、たとえば１０Ｈｚ程度の範囲にある。
【００１９】
制御器拡張ユニット６００は、振動子１９０の残留振動の実位相と実振幅とを推定するために、周波数情報を読み出す、および／または、調和設定点信号を生成するために、たとえば設定点信号を生成する振動子を制御するための、調和設定点信号を生成するために、制御器拡張ユニットに記憶された周波数情報を使用する。再試運転に関連する期間において、このことは、現在進行中の動作中に不揮発性記憶装置に最後に記憶された駆動周波数の値が、再スタート後に、振動子１９０の実際の共振角周波数についての十分に良い近似値であり、制御のための初期値として使用できるように、振動子１９０の振動の減衰時間内において、振動子１９０の温度、および、したがって、共振角周波数がほとんど変化しないことを意味する。たとえば、微小機械回転速度センサの振動子は、１０秒の範囲の時定数を有する。力伝達を非アクティブ化した後、たとえば動作電圧の喪失後、振動子は、およそ３０秒後、依然として、設定振幅のおよそ５％で振動する。
【００２０】
実施形態に従って、捕捉ユニット６１０のシーケンス制御は、制御器拡張ユニット６００が位相振幅同期調和設定点信号を出力した場合にだけアクチュエータユニット１８０がアクティブ化されるように、アクチュエータアクティブ化ユニット６９５を制御する。実施形態に従って、アクチュエータアクティブ化ユニット６９５は、スイッチ装置、たとえばデジタルスイッチであり、位相振幅同期調和設定点信号が制御器メインユニット２００にとって利用可能である場合にだけ、アクチュエータユニット１８０に制御器メインユニット２００の制御器出力信号を供給する。
【００２１】
別の実施形態に従って、捕捉ユニット６１０は、少なくとも同期情報を決定した後に、制御器拡張ユニット６００の、もはや必要とされない部分ユニットを非アクティブ化する。
【００２２】
図２Ａは、捕捉ユニット６１０の詳細を示す。実施形態に従って、捕捉ユニット６１０は、フィルタユニット６１２を含む。たとえば、アナログ測定信号が、サンプリング時間Ｔでサンプリングされ、この処理において、デジタル測定信号に変換される。フィルタユニット６１２は、測定信号のサンプリング値、測定信号に含まれる測定ノイズの分散の推定値、および測定信号の一定振幅オフセットの推定値から、残留振動時の変動の推定値、たとえば推定される零点を推定する。実施形態に従って、フィルタユニット６１２は、この処理において、たとえば周波数記憶ユニット６３０から読み出された、周波数情報を使用する。制御ユニット６１６は、残留振動時の変動の推定値から、実位相と実振幅とに基づいて、同期情報を決定する。この処理において、制御ユニット６１６は、フィルタリング、必要とされる計算、および過渡的振動遅延の結果として生じる遅延を考慮する。制御ユニット６１６は、初期位相φ０、および調和設定点信号の振幅のための初期値ＡＳを算出し、調和設定点信号がこのように算出された時間ｔ０は、振動子１９０の実際の振動と同相にある。
【００２３】
同期ユニット６２０は、たとえば制御可能な振動回路６２２を含み、該振動回路の位相は制御可能である。実施形態に従って、振動子の周波数もまた、制御可能である。たとえば、振動子の周波数は、振動子１９０の調和共振角周波数の時間依存変化が追随されてもよいように、温度制御される。別の実施形態に従って、振動子回路６２２の共振角周波数ωｒは、周波数記憶ユニット６３０への最後のエントリによって決定される。最後に記憶された周波数に関する情報は、周波数記憶ユニット６３０から直接に、または制御ユニット６１６を介して、振動子回路６２２に供給されてもよい。
【００２４】
調和設定点信号の振幅は、該振幅が、時間関数ｒ（ｔ）に従って、振動子１９０の振動の推定された実振幅に対応する初期振幅値ＡＳに基づき、振動子１９０の調和振動の振幅の設定値まで増加されるように制御される。たとえば制御ユニット６１６は、この処理において、推定された実振幅の初期値と、設定点信号の最終値とを有する増加信号を出力し、増加信号の時間変動、および／または増加信号の時定数は、実位相に適応される。
【００２５】
乗算器ユニット６２６は、振幅信号ＡＳ・ｒ（ｔ）と、振動子回路６２２の出力信号とを乗算する。加算点２２１において、調和設定点信号と、測定信号との差が形成される。実施形態に従って、制御ユニット６１６は、それらの結果が制御器ユニット６１６に送信されると、フィルタユニット６１２を非アクティブ化する。フィルタユニット６１２を非アクティブ化することは、たとえば消費電力を減少させる。さらに、マイクロプロセッサにおける実現において、推定のために必要とされる計算能力が、装置の通常動作中に必要な計算動作から解放される。別の実施形態に従って、制御ユニット６１６は、アクチュエータユニット１８０が時間ｔ０においてスイッチオンされるように、図１のアクチュエータアクティブ化ユニット６９５を制御する。
【００２６】
実施形態に従って、制御器拡張ユニット６００は、プレステージユニット６４０を含む。プレステージユニット６４０は、測定信号から、残留振動の振幅Ａが最小閾値Ａｘｍｉｎより小さくなるかどうかを決定する。小さくなっている場合、振動子は、もはや有意な残留振動を行っていないこと、および、振動子は、その静止状態から問題なく始められてもよいことが推定されるべきである。実施形態に従って、調和設定点信号は、初期振幅ＡＳ＝Ａｘｍｉｎから開始される。静止状態から開始される間の位相は、任意であり、調和設定点信号の周波数は、たとえば温度に関する知見、および振動子１９０についての線形温度モデルから決定されてもよく、または周波数記憶ユニット６３０から読み出されてもよい。実施形態に従って、プレステージユニット６４０は、最大値Ａｍａｘを、いくつかの振動周期、および最小値Ａｍｉｎから決定し、ＡｍａｘおよびＡｍｉｎの値から、式１および式２に従って、現在の振動振幅Ａ、および現在の振動オフセットＡ０を算出する。
【００２７】
【数１】
0005890533.tif 000002
【００２８】
制御器拡張ユニット６００は、たとえばデジタル回路、たとえばＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）、またはＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）として実現される。制御器拡張ユニット６００、および制御器メインユニット２００は、同一または異なる部品で形成されてもよい。さらなる実施形態に従って、制御器拡張ユニット６００、および制御器メインユニット２００は、完全または部分的に、コンピュータまたはマイクロプロセッサから実行されるプログラムである。
【００２９】
実施形態に従って、フィルタユニット６１２は、カルマンフィルタである。振幅、および位相の値の推定は、振動子の減衰時定数と比較して、数桁速く実行される。実施形態に従って、振動子の運動ｙ０は、それ故に、非減衰調和振動であると見なされる。
【００３０】
【数２】
0005890533.tif 000003
【００３１】
測定信号ｙ＊（ｔ）は、実際の振動子運動ｙ０に加えて、不可避の測定ノイズｗ、および一定のオフセットＡ０を含む。
【００３２】
【数３】
0005890533.tif 000004
【００３３】
振動子運動ｙ０（ｔ）は、式（５）〜（１０）の微分方程式系の解であると見なされる。
【００３４】
【数４】
0005890533.tif 000005
【００３５】
この系の状態の記述は、行列記法を用いて、以下のように式（１１）で表現される。
【００３６】
【数５】
0005890533.tif 000006
【００３７】
差分方程式系を得るために、上述の系は、測定信号の使用されたサンプリング時間Ｔについて離散化される。このことは、ラプラス変換を用いて表現される。
【００３８】
【数６】
0005890533.tif 000007
【００３９】
差分方程式系は、要素ごとに、以下のように表現されてもよい。
【００４０】
【数７】
0005890533.tif 000008
【００４１】
計算および実装を簡単化するために、以下のように、状態変数ｘ２´をω０Ｍで規格化することが好ましい。
【００４２】
【数８】
0005890533.tif 000009
【００４３】
新たな状態変数
【００４４】
【数９】
0005890533.tif 000010
を用いて、離散化された系の状態の記述は、以下のように表現されてもよい。
【００４５】
【数１０】
0005890533.tif 000011
【００４６】
以下においては、測定ノイズｗの分散に対して記号Ｒが用いられる。
【００４７】
ノイズ測定値ｙ＊に基づいて、実施形態に従って、カルマンフィルタが、実際のシステム状態ｘの推定値
【００４８】
【数１１】
0005890533.tif 000012
を得るために使用される。カルマンフィルタは、以下の一組の式によって記述されてもよい。
【００４９】
【数１２】
0005890533.tif 000013
【００５０】
要素ごとに検討することによって、カルマンフィルタ方程式は、以下のように、式（３０）〜（４２）によって表現されてもよい。ここで、行列
【００５１】
【数１３】
0005890533.tif 000014
および
【００５２】
【数１４】
0005890533.tif 000015
の対称性を利用した。
【００５３】
【数１５】
0005890533.tif 000016
【００５４】
推定された信号
【００５５】
【数１６】
0005890533.tif 000017
の負の値から正の値へのゼロ交差が、振幅制御の設定信号を適切な位相において開始するために使用される。時間ゼロは、それが検出されたゼロ交差に一致するように選択される。推定された信号は、ｓｉｎ（ω０Ｍ・Ｔ・ｋ）に比例する。
【００５６】
振幅制御の設定点信号は、厳密に、推定された信号のゼロ交差において、初期位相０で開始されなければならない。しかしながら、時間解像度Ｔのサンプリング値だけが利用可能であるので、一般に、ゼロ交差は、厳密には、満たされない。実施形態に従って、この理由によって、追加的に考慮されるべき位相
【００５７】
【数１７】
0005890533.tif 000018
が、ゼロ交差前のサンプリング値
【００５８】
【数１８】
0005890533.tif 000019
およびゼロ交差後のサンプリング値
【００５９】
【数１９】
0005890533.tif 000020
から、式（４３）に従う線形補完によって決定される。
【００６０】
【数２０】
0005890533.tif 000021
【００６１】
この位相は、以下のサイクルにおいてのみ有効になり、そのことは、追加的に考慮されるべき遅延をもたらす。さらに、具現化に依存するさらなる遅延が、信号処理の間（たとえば、測定信号の捕捉中）に考慮されなければならない。これらのさらなる遅延は、サンプリング時間Ｔの倍数でｎｏｓｃであると仮定する。したがって、必要な初期位相
【００６２】
【数２１】
0005890533.tif 000022
は、式（４４）に従う。
【００６３】
【数２２】
0005890533.tif 000023
【００６４】
図２Ｂは、制御装置のフィルタユニット６１２のようなカルマンフィルタの詳細を示す。
【００６５】
システムがいくつかの振動子からなり、振動子の駆動が、共通の電子機器（たとえば、３つの回転速度センサからなる慣性測定ユニット（ＩＭＵ））のために、一緒に開始されなければならない場合、振動子のゼロ交差は、必ずしも同一のサンプリングサイクル内において発生する必要はない。この理由により、既にゼロ交差を有しているそれらの振動子のための開始位相は、追加的サンプリングサイクル毎にω０Ｍだけ増加する。このことは、最後の振動子がまた、そのゼロ交差を有するまで行われる。
【００６６】
たとえば、これらのセンサのうちの少なくとも１つに対して同期条件（測定された振動子信号のゼロ交差）が検出されるとすぐに、そのセンサの駆動が、上述の方法に従って開始される。残りのセンサのスイッチオンは、それらの個別の同期条件が満たされるとすぐに実行される。駆動をスイッチオンする時間は、全てのセンサについて、この処理において、個別に選択される。共通の電子機器を有し、そのことによって、共通の駆動のスイッチオン時間だけが可能である別の実施形態に従って、全てのセンサについて同期条件が検出されるまで待機する。サンプリングサイクル毎の同期条件は１回評価されてもよいので、同期条件が既に得られている各センサについて、サンプリングサイクルに対応する位相ω０Ｍ・Ｔが、追加サンプリングサイクル毎に開始位相に加算される。
【００６７】
図３Ａに示された実施形態は、制御器メインユニット２００が依拠する原理の動作モードを明確にするために、装置１００の内部の制御器メインユニット２００のアナログ実施形態を記載している。制御器メインユニット２００は、調和コマンド変数または調和設定点信号のためのＰＩ制御器であって、積分動作係数Ｋｉを有する積分伝達要素２２２と、増幅因子Ｋｐを有する比例伝達要素２２４とを備えるＰＩ制御器２２５を含む。調和コマンド変数のためのＰＩ制御器２２５は、制御器入力における一定振幅の調和振動から、制御器出力における同一の周波数と時間に比例する振幅とを有する調和振動を生成する。
【００６８】
図３Ｂは、ＰＩ制御器２２５の伝達関数ＧＲ０（ｓ）による、正弦波変調されたステップ関数信号ｘｄ（ｔ）の、時間に比例する振幅を有する調和出力信号ｕ（ｔ）への変換を示す。ＰＩ制御器の記載された振る舞いは、後に述べるように、制御器パラメータＫｉ，Ｋｐの数値決定を必要とする。式（４５）は、ｘｄ（ｔ）＝σ（ｔ）に対して、制御器出力信号ｕ（ｔ）と、制御器入力信号ｘｄ（ｔ）との関係を与える。
【００６９】
【数２３】
0005890533.tif 000024
【００７０】
制御器出力信号ｕ（ｔ）、および制御器入力信号ｘｄ（ｔ）のラプラス変換は、式（４６ａ）および式（４６ｂ）から得られる。
【００７１】
【数２４】
0005890533.tif 000025
【００７２】
したがって、調和設定点信号に対するＰＩ制御器２２５の伝達関数ＧＲ０（ｓ）は、式（４７）から得られる。
【００７３】
【数２５】
0005890533.tif 000026
連続ＰＩ制御器２２５の特徴は、一般化された積分要素から生じるｓ＝±ｊω０における共役複素極である。制御器入力における周波数ω０の調和振動に対して、ＰＩ制御器２２５は、制御器出力における位相シフトを生成しない。したがって、任意の位相の調整のために、制御器メインユニット２００は、制御器無駄時間ＴＲを有する無駄時間要素２２６を、ＰＩ制御器２２５と直列に、追加的に含む。したがって、制御器メインユニット２００の制御器伝達関数ＧＲ（ｓ）は、式（４８）から得られる。
【００７４】
【数２６】
0005890533.tif 000027
【００７５】
制御器パラメータＫｉ，Ｋｐは、式（４８）に従う制御器伝達関数における制御器零点が、式（４９）に従うシステム伝達関数の共役複素システム極を相殺するように選択される。
【００７６】
【数２７】
0005890533.tif 000028
制御器パラメータＫｉ，Ｋｐの決定のために、式（４８）と式（４９）の係数を等しいとすることによって、式（５０ａ）および式（５０ｂ）が得られる。
【００７７】
【数２８】
0005890533.tif 000029
【００７８】
一実施形態に従って、振動子１９０の減衰ｓ０および共振角周波数ω０は、ｓ０＜＜ω０が満たされ、したがって式（５０ｂ）が非常に良い近似で満たされるように選択される。式（５０ａ）から、積分動作係数ＫＩの増幅因子ＫＰに対する比のための数値決定規則として、式（５０ｃ）が得られる。
【００７９】
【数２９】
0005890533.tif 000030
【００８０】
補正された開ループの伝達関数Ｇｋ（ｓ）は、システム伝達関数ＧＳ（ｓ）と制御器伝達関数ＧＲ（ｓ）との積から得られる。共役複素システム極、および共役複素制御器零点の表現は、式（５０ｂ）および式（５０ｃ）に従う適切な数値決定によって相殺するので、補正された開ループの伝達関数Ｇｋ（ｓ）は、式（５１）から得られる。
【００８１】
【数３０】
0005890533.tif 000031
【００８２】
従来のＰＩ制御器によるフィードバック制御によって、＋９０°から−９０°への位相ジャンプが、周波数ω＝０における補正された開ループの位相周波数応答において発生する。それに対して、調和コマンド変数のために設計されたＰＩ制御器２２５において、１８０°の位相ジャンプは、周波数ω０において発生し、該位相ジャンプは、しかしながら、必ずしも＋９０°と−９０°の間ではない。一実施形態に従って、制御器無駄時間ＴＲは、それ故に、たとえば式（５２ａ）に従って制御器パラメータを数値決定することによって、１８０°の位相ジャンプが、できるだけ厳密にω０において発生するように選択される。
【００８３】
【数３１】
0005890533.tif 000032
【００８４】
システム無駄時間ＴＳだけによって、ω０において生成される位相シフトが、９０°よりも小さい場合、１８０°の位相比はまた、反転制御器によって生成されてもよい。この場合、制御器無駄時間ＴＲ、およびシステム無駄時間ＴＳによって、ω０において生成される位相は、それぞれ、単にπ／２を加算しなければならない。したがって、制御器無駄時間ＴＲのための数値決定規則は、
【００８５】
【数３２】
0005890533.tif 000033
である。
【００８６】
補正された開ループの周波数応答から、閉ループの安定性が、ナイキスト基準を介して推定されてもよい。補正された開ループは、一般化された積分要素、およびシステム無駄時間ＴＳと制御器無駄時間ＴＲとの組み合わせから成る。（５２ａ）または式（５２ｂ）に従って、制御器無駄時間ＴＲを適切に数値決定することによって、周波数ω０における位相特性は、一層低い周波数ω＜ω０に対する＋９０°から、一層高い周波数ω＞ω０に対する−９０°への、１８０°位相ジャンプを有する。閉ループの伝達関数ＧＷ（ｓ）は、補正された開ループＧｋ（ｓ）のうちの１つから得られる。
【００８７】
【数３３】
0005890533.tif 000034
【００８８】
制御器無駄時間ＴＲが、式（５２ａ）に従って決定されるとき、閉ループは、補正された開ループの軌跡が、０≦ω＜ω０に対して点−１を包囲も通過もしない場合、厳密に安定である。
【００８９】
それに対して、制御器無駄時間ＴＲが、式（５２ｂ）に従って決定され、かつＰＩ制御器２２５が１８０°の位相を生成するとき、閉ループは、補正された開ループの軌跡が負の実軸の−１より大きい値から始まる場合、厳密に安定である。
【００９０】
０≦ω＜ω０の区間で、絶対値特性は、ゲインクロスオーバ周波数において、０ｄＢラインと交差し、ゲインクロスオーバ周波数におけるω０までの周波数距離は、閉ループのバンド幅を決定する。増幅因子ＫＰを介して、絶対値周波数応答、および、したがって、ゲインクロスオーバ周波数は、結果として生じる閉ループのバンド幅が調整可能であるように、縦座標に沿ってシフトされてもよい。一実施形態に従って、増幅因子ＫＰは、安定性基準によって与えられる限度内でバンド幅が最大になるように選択される。
【００９１】
要約すると、制御器メインユニット２００は、調和コマンド変数のためのＰＩ制御器２２５を含み、該ＰＩ制御器は、調和設定点信号を供給されるとともに、増幅因子ＫＰを有する比例伝達要素２２４、および積分動作係数ＫＩを有する積分伝達要素２２２を含む。積分動作係数ＫＩ、および増幅因子ＫＰは、ｓ平面において、ＰＩ制御器の制御器伝達関数の零点と、システム伝達関数を記述する振動子１９０の共役複素極とが相殺するように選択される。
【００９２】
一実施形態に従って、励起方向における変位に関する振動子１９０の減衰ｓ０は、振動子１９０の共振角周波数ω０よりも非常に小さく、積分動作係数ＫＩの増幅因子ＫＰに対する比は、ｓｅｃ−１において、近似的に、減衰ｓ０に対応する。さらに、増幅因子ＫＰは、それぞれの安定性要件に対して、得られるバンド幅ができるだけ高くなるように選択されてもよい。したがって、積分動作係数ＫＩは、減衰ｓ０、および式（１２ｃ）に従う増幅因子ＫＰに応じて選択される。
【００９３】
一実施形態に従って、アクチュエータ１８０と、振動子１９０と、センサユニット１７０とから形成されるシステムは、システム無駄時間ＴＳを有し、制御器メインユニット２００は、無駄時間要素であって、制御器無駄時間ＴＲを有し、ＰＩ制御器２２５に直列に作用する無駄時間要素２２６を有する。制御器無駄時間ＴＲは、振動子１９０の共振周波数ω０に応じて選択され、システム無駄時間ＴＳは、周波数ω０における補正された開ループの位相周波数応答が、一層高い周波数に向かって、＋９０°から−９０°への位相ジャンプを有するように選択される。
【００９４】
本実施形態の第１の変形例に従って、調和コマンド変数のためのＰＩ制御器は、符号を反転せず、制御器無駄時間ＴＲは、共振角周波数ω０と、システム無駄時間ＴＳおよび制御器無駄時間ＴＲの和との積が、結果として、３π／２を有するように選択される。本実施形態の別の変形例に従って、調和コマンド変数のためのＰＩ制御器は、符号を反転して、位相をおよそ１８０°だけそれぞれシフトし、共振角周波数ω０と、システム無駄時間ＴＳおよび制御器無駄時間ＴＲの和との積が、結果として、π／２を有するように、制御器無駄時間ＴＲ、およびシステム無駄時間ＴＳによって共振角周波数ω０において達成される位相は、単に、π／２を加える。
【００９５】
制御器メインユニット２００は、高周波数変換積の減衰のためのローパスフィルタを必要とするベースバンド変換を提供しないので、制御器メインユニット２００は、かなり広いバンドを有して形成されてもよい。制御器メインユニット２００は、ベースバンド変換を提供する比較例の制御器よりも迅速に外乱に対して反応する。
【００９６】
図４Ａ、および図４Ｂは、制御器メインユニット２００が、増幅因子ＫＰを有する離散比例伝達要素３２４、および積分動作係数ＫＩを有する離散積分伝達要素３２２を備える、調和設定点信号のための離散ＰＩ制御器３２５を有する一実施形態に関する。実施形態に従って、センサユニット１７０によって出力されたアナログ測定信号は、サンプリングユニット３２１によって、サンプリング時間Ｔでサンプリングされ、離散ＰＩ制御器３２５のためのデジタル入力信号に変換される。別の実施形態に従って、センサユニットが、既に、デジタル測定信号を出力する。
【００９７】
システムがアクチュエータ１８０を含む実施形態に従って、振動子１９０、およびセンサユニット１７０は、システム無駄時間ＴＳを有し、制御器メインユニット２００は、制御器無駄時間ＴＲを有する離散ＰＩ制御器３２５と直列に配置された、無駄時間要素３２６を含む。以下において、システム無駄時間ＴＳ、および制御器無駄時間ＴＲは、式（５４ａ）および式（５４ｂ）に従って、サンプリング時間Ｔの倍数として表現される。
【００９８】
【数３４】
0005890533.tif 000035
【００９９】
この処理において、制御器無駄時間ＴＲは、補正された開ループが、共振角周波数ω０において、一層高い周波数に向かって、＋９０°から−９０°への位相ジャンプを有するように決定される。
【０１００】
一実施形態に従って、積分動作係数ＫＩの増幅因子ＫＰに対する比は、ｓ平面において、制御器伝達関数の制御器零点が、システム伝達関数の共役複素システム極を相殺するように調整される。別の実施形態に従って、制御器パラメータは、等価ベースバンドシステムの閉ループの伝達関数が、二重実固有値を有するように選択される。制御器メインユニット２００は、たとえばデジタル回路、たとえばＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）、もしくはＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）、またはコンピュータもしくはマイクロプロセッサのためのプログラムとして実現される。
【０１０１】
図４Ｂは、図４Ａに従う調和コマンド変数のための離散ＰＩ制御器３２５のｚ伝達関数ＧＲ０（ｚ）を示す。伝達関数ＧＲ０（ｚ）は、ＰＩ制御器３２５が、ステップ関数σ（ｋ）で変調された調和振動を含む入力信号ｘｄ（ｋ）から、時間に比例する振幅を有する同一周波数の調和振動を、制御器出力信号ｕ（ｋ）として、式（５５）によって表現されるように生成するように決定される。
【０１０２】
【数３５】
0005890533.tif 000036
【０１０３】
入力関数Ｘｄ（ｚ）、および出力関数Ｕ（ｚ）は、式（５６ａ）、および式（５６ｂ）に従って、ｚ変換から得られる。
【０１０４】
【数３６】
0005890533.tif 000037
【０１０５】
したがって、調和コマンド変数のためのＰＩ制御器３２５の伝達関数ＧＲ０（ｚ）は、式（５６ｃ）から得られる。
【０１０６】
【数３７】
0005890533.tif 000038
【０１０７】
一般化された積分部分により、そのような離散ＰＩ制御器は、
【０１０８】
【数３８】
0005890533.tif 000039
において極を有し、入力における周波数ω０の調和振動に関して、出力における位相シフトを生成しない。それにもかかわらず、任意の位相の調整を可能にするために、制御器メインユニット２００は、一実施形態に従って、遅延βＤを有する無駄時間要素３２６を備える。したがって、無駄時間要素３２６および離散ＰＩ制御器３２５を有する制御器メインユニット２００の制御器伝達関数ＧＲ（ｚ）は、式（５７）から得られる。
【０１０９】
【数３９】
0005890533.tif 000040
式（４９）に従って、連続的に制御されるシステムのモデルは、それに応じて離散化されなければならない。その目的のために、式（４９）に従う制御されたシステムの伝達関数において、システム無駄時間ＴＳは、最初に、式（５４ａ）に従ってサンプリング時間Ｔの倍数として表現される。
【０１１０】
【数４０】
0005890533.tif 000041
【０１１１】
一般に、伝達関数Ｇ（ｓ）を有する連続的に制御されるシステムの、離散化されたモデルのステップ伝達関数Ｇ（ｚ）は、式（５９）に従って算出されてもよい。
【０１１２】
【数４１】
0005890533.tif 000042
【０１１３】
式（５９ａ）〜（５９ｅ）の省略形を用いて、振動子１９０のためのステップ伝達関数Ｇ（ｚ）は、式（６０）に従って、式（５８）および式（５９）から得られる。
【０１１４】
【数４２】
0005890533.tif 000043
【０１１５】
本発明の一実施形態に従って、制御器無駄時間ＴＲは、補正された開ループの位相周波数応答が、共振角周波数ω０において、＋９０°から−９０°への一層高い周波数に向かう位相ジャンプを有するように決定される。補正された開ループのためのｚ伝達関数は、式（５１）と同様に、式（５８）に従って、システム伝達関数Ｇ（ｚ）と、式（５７）に従う制御器伝達関数ＧＲ（ｚ）の乗算から得られる。
【０１１６】
【数４３】
0005890533.tif 000044
【０１１７】
式（５２ａ）および式（５２ｂ）と同様に、制御器パラメータβＤは、補正された開ループの伝達関数が、共振角周波数ω０において、＋９０°から−９０°への位相ジャンプを有するように選択される。
【０１１８】
【数４４】
0005890533.tif 000045
【０１１９】
式（５２ａ）と比較して、連続制御器に対して、１／２ω０Ｔである追加部分があることが分かる。該追加部分は、遅延を表現し、追加的な半サンプリングサイクルの離散化まで遡ることができる。連続制御器の場合と同様に、離散化、制御器無駄時間βＤ・Ｔ、およびシステム無駄時間βＳ・Ｔによって生成される位相が、単に、最大でπ／２を加算すればよいように、システム無駄時間βＳ・Ｔ、および離散化によって生成される位相シフトが、それぞれ、共振周波数ω０において９０°よりも小さいならば、１８０°の位相ジャンプが、制御器のマイナス符号によって生成されてもよい。したがって、βＤのための数値決定規則は、この場合、式（６２ｂ）から得られる。
【０１２０】
【数４５】
0005890533.tif 000046
【０１２１】
式（６２ａ）および式（６２ｂ）は、通常、βＤに対する非整数値をもたらす。一般に、制御器パラメータβＤは、式（６３）に従って、整数部分ｎDと、ａＤ＞１として、残りの部分１／ａＤとを有する。
【０１２２】
【数４６】
0005890533.tif 000047
【０１２３】
一実施形態に従って、整数部分ｎDは、ｎDによって示される長さに従って、遅延チェインによって近似されてもよく、サンプリングサイクルの分数１／ａＤは、式（６４）に従って、１次のオールパスフィルタによって近似されてもよい。
【０１２４】
【数４７】
0005890533.tif 000048
一実施形態に従って、オールパスフィルタのパラメータαＤは、厳密な伝達関数
【０１２５】
【数４８】
0005890533.tif 000049
の位相、および式（６４）に従うオールパス近似の位相が、共振角周波数ω０において、できるだけ一致するように選択される。これらの条件から、オールパスフィルタのパラメータαＤのための条件式として、式（６５）が得られる。
【０１２６】
【数４９】
0005890533.tif 000050
【０１２７】
一実施形態に従って、αＤは、式（６６）に従う関数の零点が縮小区間を介して決定されるように、決定される。
【０１２８】
【数５０】
0005890533.tif 000051
【０１２９】
式（６３）および式（６６）に従うｎDおよびａＤの決定は、さらなる制御器パラメータＫＰおよびＫＩを決定する方法から独立している。
【０１３０】
図４Ａに係る離散ＰＩ制御器３２５の数値決定を含む、制御器ユニットを製造するための方法の一実施形態に従って、離散ＰＩ制御器の、増幅因子ＫＰおよび積分動作係数ＫＩは、式（５７）に従う制御器伝達関数ＧＲ（ｚ）の制御器零点が、式（６０）に従うシステム伝達関数Ｇ（ｚ）の共役複素システム極を相殺するように選択される。式（５７）および式（６０）の係数をｚ１に関して等しいとすることは、式（６７）に従う数値決定規則を導く。
【０１３１】
【数５１】
0005890533.tif 000052
【０１３２】
ｚ０に関する係数を等しいとすることは、式（６８）に従う数値決定規則を導く。
【０１３３】
【数５２】
0005890533.tif 000053
【０１３４】
一実施形態に従って、振動子１９０の減衰ｓ０、およびサンプリング時間Ｔは、式（６９ａ）および式（６９ｂ）に従う近似が十分に厳密であるように、ｓ０・Ｔ＜＜１が成立するように選択される。
【０１３５】
【数５３】
0005890533.tif 000054
【０１３６】
式（６９ａ）および式（６９ｂ）に従う近似によって、式（６７）および式（６８）に従う２つの独立な数値決定規則は、式（７０）に従う単一の数値決定規則によって近似されてもよい。
【０１３７】
【数５４】
0005890533.tif 000055
【０１３８】
一実施形態に従って、積分動作係数ＫＩの増幅因子ＫＰに対する比は、振動子の減衰ｓ０に等しく設定される、または振動子の減衰ｓ０にほぼ等しく設定される。離散ＰＩ制御器の数値決定は、システム極の制御器零点による相殺を含む記載された方法に従って、閉ループの良好な基準作用を導く。
【０１３９】
図５Ａ、および図５Ｂは、制御器メインユニット２００が、制御器拡張３２８を有し、該制御器拡張は、図４Ａに従うＰＩ制御器３２５および無駄時間要素３２６と直列に配置される実施形態に関する。以下においては、制御器拡張３２８の構造は、ベースバンドのためのアナログ制御器拡張から推定される。
【０１４０】
たとえば、振動子１９０は、ω０における共振角周波数に加えて、共振角周波数ω０を超える、または共振角周波数ω０未満の、機械構造共振のような、さらなる共振を有してもよい。制御器拡張３２８は、これらのさらなる共振が一層強く減衰するように形成される。この目的のために、所望のバンド幅を超えるキンク周波数においさらなる極を有する、１次の遅延要素（ＰＴ１要素）が、従来のベースバンドにおけるＰＩ制御器に追加される。この追加の制御器極は、制御器が、もはや高周波数のための比例要素として作用しないが、その絶対値周波数が、２０ｄｂ／ディケイドで低下することをもたらす。ベースバンドにおけるそのような拡張のステップ応答ｙ（ｋ）は、入力信号ｕ（ｋ）としてのステップ関数σ（ｋ）から、式（７１）に従って得られる。
【０１４１】
【数５５】
0005890533.tif 000056
【０１４２】
入力信号ｕ（ｋ）のｚ変換Ｕ（ｚ）は、ステップ信号のｚ変換に対応する。
【０１４３】
【数５６】
0005890533.tif 000057
【０１４４】
出力信号ｙ（ｋ）のｚ変換Ｙ（ｚ）は、式（７２ｂ）から得られる。
【０１４５】
【数５７】
0005890533.tif 000058
【０１４６】
式（４７）と同様に、そのようなベースバンドにおける制御器拡張の伝達関数ＧＲＥ０（ｚ）は、
【０１４７】
【数５８】
0005890533.tif 000059
となる。
【０１４８】
一実施形態に従って、バンドパス帯域における制御器拡張３２８は、制御器拡張３２８が、共振角周波数ω０の調和振動であって、同一周波数の調和振動を有するステップ関数によって変調された共振角周波数ω０の調和振動の受け付けに応答するように、今やベースバンドにおける制御器拡張と同様に構成され、ベースバンド拡張のステップ応答は、図５Ｂの右側に示されているような包絡線を規定する。
【０１４９】
図５Ｂは、符号変調ステップ関数ｕ（ｋ）の、符号振動を有する出力信号であって、その包絡線がバンドパス帯域における離散制御器拡張の伝達関数ＧＲＥ０（ｚ）に従ってステップ応答から得られる、符号振動を有する出力信号への変換を示す。伝達関数ＧＲＥ（ｚ）を有するバンドパス帯域における制御器拡張３２８の入力信号は、式（７４）から得られる。
【０１５０】
【数５９】
0005890533.tif 000060
【０１５１】
制御器出力信号ｙ（ｋ）は、調和振動であって、その包絡線が、ベースバンドにおけるＰＴ１制御器拡張のステップ応答に対応する調和振動である。
【０１５２】
【数６０】
0005890533.tif 000061
【０１５３】
ｚ変換Ｕ（ｚ）およびＹ（ｚ）は、式（７６ａ）および式（７６ｂ）から得られる。
【０１５４】
【数６１】
0005890533.tif 000062
【０１５５】
バンドパス帯域のための制御器拡張３２８の伝達関数ＧＲＥ（ｚ）は、式（７７）から得られる。
【０１５６】
【数６２】
0005890533.tif 000063
【０１５７】
伝達関数ＧＲＥ（ｚ）を有する制御器拡張３２８は、共振周波数ω０を中央周波数として有する１次のバンドパスと同様に、離散ＰＩ制御器３２５と直列に作用する。式（７８）に従う共振角周波数ω０の周囲の狭い領域の共振角周波数ω０における、補正された開ループの絶対値および位相は、不変である。
【０１５８】
【数６３】
0005890533.tif 000064
【０１５９】
この領域内で、補正された開ループの絶対値周波数応答は、ほとんど影響されないが、この領域外で、発生し得る不所望の共振が減少するように、絶対値のかなりの減少が発生する。
【０１６０】
図６Ａ〜図６Ｃは、さらなる実施形態に係る微小機械回転速度センサ５００に関する。回転速度センサ５００は、たとえば励起フレームである励起ユニット５９０であって、第１ばね要素５４１に懸架された励起ユニットを含む。第１ばね要素５４１は、励起ユニット５９０を、図６Ｂに示された支持基板５５０に固定的に接続された接続構造５５１に結合させる。ばね要素５４１は、励起方向５０１に沿った、励起ユニット５９０の支持基板５５０に対する変位を減衰させる。第２ばね要素５４２を介して、検知ユニット５８０は、励起ユニット５９０に結合され、主に励起方向５０１に垂直な検知方向５０２に沿って、運動可能である。励起方向５０１、および検知方向５０２は、支持基板５５０の表面に平行に延びる。第１および第２ばね要素５４１，５４２は、たとえば小さな断面積を有するビーム様構造であり、結合されるべき各構造の間に形成される。
【０１６１】
一実施形態に従って、回転速度センサ５００は、たとえば静電気力伝達器センサである第１の力伝達センサユニット５６１，５７１を含み、第１の力伝達センサユニットは、励起ユニット５９０および検知ユニット５８０から形成されたシステムの励起方向５０１に沿った振動を励起し、かつ／または励起ユニット５９０の対応する変位を捕捉することができる。回転速度センサ５００は、たとえば静電気力伝達器センサである第２の力伝達センサユニット５６２，５７２を含み、第２の力伝達センサユニットは、検知ユニット５８０に作用し、かつ／または検知ユニット５８０の変位を捕捉することができる。一実施形態に従って、第２の力伝達センサユニット５６２，５７２のうちの少なくとも１つは、それが、検知ユニット５８０の変位であって、外乱によって引き起こされる、または、閉ループの場合には、測定された変数によって引き起こされる変位を打ち消すように制御される。
【０１６２】
回転速度センサ５００の動作中、第１の力伝達センサユニット５６１，５７１は、たとえば励起ユニット５９０の励起方向５０１に沿った振動を励起し、検知ユニット５８０は、励起ユニット５９０と近似的に同一の振幅および位相で運動する。配置が基板平面に垂直な軸のまわりに回転されるとき、コリオリ力が、励起ユニット５９０、および検知ユニット５８０に作用しており、そのことは、検知方向５０２において、検知ユニット５８０を、励起ユニット５９０に対して変位させる。第２の力伝達センサユニット５６２，５７２は、検知ユニット５８０の変位、したがって支持基板平面に垂直な軸のまわりの回転運動を捕捉する。
【０１６３】
一実施形態に従って、力伝達センサユニット５６１，５７２，５６２，５７２のうちの少なくとも１つは、アクチュエータとして作用し、励起ユニット５９０および検知ユニット５８０のいずれかは、前述の装置２００のうちの１つの意味の範囲内で、振動子として作用する。
【０１６４】
回転速度センサ５００の図６Ｃに示された一実施形態に従って、たとえば第１の力伝達センサユニット５６１，５７１は、励起ユニット５９０の、共振角周波数ω０の励起方向５０１に沿った振動を励起する。前述の議論に従う制御ループにおいて、検知方向５０２に沿った検知ユニット５８０の振動（ｘ２振動子）は、たとえば、前述のように、調和力信号に対応する。
【０１６５】
ｘ２振動子の変位は、励起ユニット５９０上に形成された、共通の運動可能電極上の電荷を介して捕捉されてもよい。電荷は、接続構造５５１を介して測定されてもよい。電荷増幅ユニット５２１は、測定された信号を増幅する。通常、復調器は、測定された信号が制御器ユニットに供給されるより前に、測定された信号を、たとえば共振角周波数ω０に対応する周波数で変調するが、本発明の実施形態は、非復調調和信号を、前述の意味の範囲内で、測定信号として、上の議論に従って、制御器ユニット５２０に供給することを提供する。
【０１６６】
振動にとって有効な減衰ｓ０は、共振角周波数ω０よりもかなり小さい。励起フレーム、または励起ユニットを介して測定された信号は、各々、励起方向５０１に沿った励起ユニット５９０の運動を、部分的に再現する。発生源が回転速度センサ５００の外部であってもよい外乱、または閉ループ系における測定信号は、振動を重畳して、その振幅を変調する。制御器ユニット５２０は、変調された調和信号から、第２の力伝達センサユニット５６２，５７２のための制御信号を推定し、該制御信号は、第２の力伝達センサユニットが、外乱、または測定変数の各々によって生じる変位を打ち消すという効果を及ぼす。増幅因子５２２は、制御信号を、第２の力伝達センサユニット５６２，５７２の電極のための適切なリセット信号に変換する。制御器ユニット５２０は、前述の、制御器メインユニット、および制御器拡張ユニット６００のうちの１つを含む。
【０１６７】
図７に示された回転速度センサ５０５は、励起ユニット５９０と検知ユニット５８０との間に配置されたコリオリユニット５８５によって、図６Ａに示された回転速度センサ５００と異なる。コリオリユニット５８５を励起ユニット５９０に結合させる第２ばね要素５４２は、検知方向５０２における、励起ユニット５９０に相対的な、コリオリユニット５８５の変位を可能にする。第３ばね要素５４３は、支持基板５５０に部分的に接続されてもよく、検知ユニット５８０が、検知方向５０２に沿ったコリオリユニット５８５の運動に追随できるが、励起方向５０１に沿った運動には追随できないように、検知ユニット５８０をコリオリユニット５８５に結合させる。検知ユニット５８０は、励起方向５０１に関して固定されており、検知方向５０２に沿って運動可能である。
【０１６８】
別の実施形態に従って、第１または第２の力伝達センサユニット５６１，５６２，５７１，５７２のうちの少なくとも１つは、アクチュエータとして作用し、励起ユニット５９０、検知ユニット５８０、または励起ユニット５９０および検知ユニット５８０は、バンドパス制御器の原理に従って動作する、前述の装置のうちの１つに従う振動子として作用する。この処理において、力伝達センサユニット５６１および５７１は、ｘ１振動子のための力伝達センサユニットとして作用し、力伝達センサユニット５６２および５７２は、ｘ２振動子のための力伝達センサユニットとして作用する。
【０１６９】
回転速度センサは、別の実施形態に従って、図６Ａ、または図７に示されているように、配置のうちの２つを含み、２つの配置は、定常状態において励起ユニットが相互に反対方向の振動を行うように、相互に結合されている。他の実施形態は、図６Ａ、または図７に示されているように、配置のうちの４つを含み、４つの配置は、２つごとの励起ユニットが定常状態において相互に反対の振動を行うように、相互に結合されている。
【０１７０】
さらなる実施形態は、図１，図２Ａ，図２Ｂに示されているように、制御器メインユニット２００と制御器拡張ユニット６００との組み合わせを有する回転速度センサ装置に関する。制御器メインユニット２００は、少なくとも１つの、調和設定点信号のためのＰＩ制御器２２５，３２５を含み、該ＰＩ制御器は、比例伝達要素２２４，３２４、および比例伝達要素２２４，３２４と並列に配置された積分伝達要素２２２，３２２を有し、制御器メインユニット２００の制御ユニットは、両方の伝達要素２２２，２２４，３２２，３２４に接続される。調和設定点信号のためのＰＩ制御器２２５，３２５の伝達関数は、ｓ平面の制御器角周波数ωｒにおける共役複素極、またはｚ平面の
【０１７１】
【数６４】
0005890533.tif 000065
における極を有し、ＴはＰＩ制御器３２５の離散入力信号のサンプリング時間であり、ωｒは０より大きい。
【０１７２】
この目的のために、積分伝達要素２２２，３２２の積分動作係数、および比例伝達要素２２４，３２４の増幅因子は、調和コマンド変数のためのＰＩ制御器２２５，３２５が、制御器入力においてステップ関数によって変調された制御器角周波数ωｒの調和入力信号を受け付けたとき、制御器出力において増大する振幅を有する制御器角周波数ωｒの調和振動を生成するために適しているように選択される。
【０１７３】
調和設定点信号のためのＰＩ制御器２２５，３２５は、定常設定点信号のための従来のＰＩ制御器から導出される制御器であると見なすこともでき、ｓ平面またはｚ平面のそれぞれの極の位置によって、従来のＰＩ制御器と異なる。
【０１７４】
図８は、制御装置を調和コマンド変数で動作させるための方法に関する。センサユニットは、励起方向に沿った振動子の変位を表現する測定信号を生成する（８０２）。制御器拡張ユニットは、非アクティブ化されたアクチュエータユニットで、残留振動の実位相と実振幅との推定に基づいて、等しい振幅を有する位相同期調和設定点信号を生成する（８０４）。制御器メインユニットは、アクチュエータユニットが、調和振動からの振動子のずれを打ち消すことができるように、測定信号および同期設定点信号から、アクチュエータユニットのための同期制御信号を生成する。同期制御信号を提供したとき、または同期制御信号を提供した後、アクチュエータユニットは、アクティブ化される（８０６）。
【図１】
0005890533.tif 000068
【図２Ａ】
0005890533.tif 000069
【図２Ｂ】
0005890533.tif 000070
【図３Ｂ】
0005890533.tif 000071
【図４Ｂ】
0005890533.tif 000072
【図５Ａ】
0005890533.tif 000073
【図５Ｂ】
0005890533.tif 000074
【図６Ａ】
0005890533.tif 000075
【図６Ｂ】
0005890533.tif 000076
【図６Ｃ】
0005890533.tif 000077
【図７】
0005890533.tif 000078
【図３Ａ】
0005890533.tif 000079
【図４Ａ】
0005890533.tif 000080
【図８】
0005890533.tif 000081