用于信号转换及在信号间生成预定传输行为的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于将输入信号z(t)转换成机械的或声音的输出信号p(t)的装置和方法，包括：使用在固定位置处的线圈和移动衔铁的电磁传感器(25)、感应器(13)、参数测量设备(15)以及控制器(29)。参数测量设备(15)识别考虑了所述磁元件的饱和和几何结构的、所述传感器(25)的非线性模型的参数信息P。诊断系统(22)揭露信号失真的物理原因并且生成用于优化所述传感器的设计和制造过程的信息。控制器(29)补偿非线性信号失真，稳定衔铁的静止位置，并且保护传感器免受机械和热过载。

【技术实现步骤摘要】

一般来说，本专利技术涉及用于将输入信号转换成输出信号以及用于在所述输入信号 和所述输出信号之间生成预定传输行为的装置和方法。
技术介绍
-般来说，本专利技术涉及这样的装置和方法：用于识别电磁传感器的非线性模型的 参数和用于使用该信息、通过改变该电磁传感器在设计、制造中的属性以及通过利用电控 制积极地补偿所述传感器的非期望的属性来校正该传感器在输入信号V和输出信号p之间 的传输特性。可以将该电磁传感器分别用作执行器（actuator)(例如，扬声器）或用作具 有电输入或输出的传感器（例如，麦克风）。 大多数扬声器、耳机和其他电声设备使用在静态磁场中具有移动音圈的电动力传 感器。已经针对这种传感器开发了模型，其为测量和控制应用提供了充分的准确性，例如在 US 4, 709, 391、US 5, 438, 625、US 4, 709, 391、US 5, 438, 625、US 6269318、US 5, 523715、 DE 4336608、US 5, 528, 695、US 6931135、US 7372966、US8019088、W02011/076288A1、EP 1743504、EP 2453670、EP 2398253 和 DE 102012020271 中所公开的。 将电信号转换成磁信号以及反之亦然的电磁传感器使用在固定位置处的线圈以 及经由具有膜片的传动销连接的移动衔铁。这种传感器具有在电动力传感器中未发现的一 些期望的属性（例如，高效率）。电磁原理中固有的非线性是信号失真的来源。通过使用利 用另外的磁铁的平衡的衔铁可以部分地减少该缺点。 简单的失真测量技术揭露了谐波失真和该传感器固有的其他非线性症状。然而， 这些测量的结果未给出对非线性传输行为的完整描述，而是取决于激发激励的具体属性。 电磁传感器的精确模型需要得到物理原因中更深的洞察力以及针对任何输入信号预测大 信号性能。针对电动力传感器开发的理论不适用于电磁传感器。F.V. Hunt在电声学-对 传感及其历史背景的分析（美国声学学会，纽约、1954,1982)中开发了第一非线性模型，该 文利用包含集中参数元件的等效电路描绘了电磁传感器。电感L(x)、传感系数T(x)以及 磁刚度K mag(X)取决于衔铁的位置X。该模型由J. Jensen等在于J. Audio (声音）Eng. Soc. Vol. 59, No. 3, 2011年三月中出版的文章平衡式衔铁接收机的非线性时域建模中使用，以 通过假定磁场中衔铁的对称静止位置（symmetrical rest position)来预测奇数阶谐波失 真的生成。所有参数都从具有没有饱和（saturation)和滞后（hysteresis)的磁材料的理 想传感器的几何结构导出。现有技术尚未公开用于识别适用于实际传感器的该模型的自由 参数的测量技术。
技术实现思路
根据本专利技术，将电磁传感器的非线性模型扩展至考虑衔铁和其他磁材料的饱和和 滞后。该扩展的模型通过使用诸如是衔铁位置X和电流i的函数的线圈电感L(x，i)、传导 系数T (X，i)和磁刚度Knm (X，i)之类的集中参数P描述了电磁传感器中非线性信号失真的 主要原因。上述非线性参数对应于描述了衔铁中的磁通量ΦΑ的非线性通量函数fjx，i)。 本专利技术公开了一种测量技术，其通过监控传感器的至少一个状态变量来识别该扩 展模型的全部自由参数。对衔铁位置X或其他机械或声音信号的直接测量需要有成本效益 的传感器。通过在终端监控电信号以及通过使用该模块来识别机械参数可以减少硬件需 求。通过最小化描述了所预测和所测量的状态变量之间的均方差的成本函数来估计该模型 的自由参数P的最佳值。可以在复制任意激励的同时，将该测量实现为自适应过程。该测 量免除了如在生产环境或在目标应用中发现的环境噪声。通过比较传感器的理论上的和实 际的行为，该测量技术评估了建模的准确性。 具有所识别的参数的扩展模型将信号失真的物理原因及其关系揭露成几何机构、 组件的材料和由制造中的组装过程导致的问题。存在两个可供替换的方式来使用该信息， 以校正传感器的振动和传输行为。 上述参数具有较高的诊断价值，以在发展过程期间评估设计选择。上述信息也对 制造和质量控制有用。偏移X tjff = Xs-Xe，例如，是用于调整衔铁的平衡位置\的有意义的 特征。 使用电模块和信号的活动控制是用于补偿传感器非线性的非期望的效应的供选 择的方式。从物理建模的结果导出控制定律（control law)。控制定律的资源参数与通过自 适应测量技术永久性识别的参数P相对应。在由于老化、单元的磨损、气候、负载的变化以 及其他外部的影响导致传感器的属性随着时间变化时，不需要人类专家来确保最优控制。 在输出信号中补偿非期望的非线性失真的情况下，控制系统使用状态预测器来合 成传感器的状态。这导致了具有总是稳定的前馈结果的控制定律。因为传输参数向量P随 着时间缓慢变化，所以在测量系统和控制器之间可以添加任何时间延长。本专利技术避免了从 测量系统到控制器的状态变量的任何反馈。 控制系统还可以用于在传感器的终端处生成DC组件，该DC组件主动地将衔铁移 动到对称点X s并主动地减少了偏移Xtjff。该特征对于稳定具有低机械刚度以及渴望具有小 有意泄漏的闭箱系统以对付静态空气压力变化的传感器非常重要。 根据本专利技术，控制器提供了避免导致传感器的热和机械过载的输入信号的高幅度 的保护，该传感器的热和机械过载可以导致输出信号的过度失真以及单元的损坏。该保护 系统使用由状态预测器合成的、与传感器的状态变量（例如，衔铁位置X、输入电流i)相对 应的状态向量X来检测过载情形。诸如最大位移X lim之类的可允许的工作范围的限制可以 从由测量系统提供的参数向量P自动地导出。 参考下文的附图、描述和权利要求，将更好地理解本专利技术的这些和其他特征、方面 和优点。 【附图说明】 图1是平衡的衔铁传感器的剖视图。 图2示出了平衡的衔铁传感器的简化磁路。 图3示出了使用用于对电和机械组件进行建模的集中参数的平衡的衔铁传感器 的简化模型。 图4示出了利用叠加的正DC (直流）位移xDC来测量的平衡的衔铁传感器的电输 入阻抗。 图5示出了利用叠加的负DC (直流）位移xDC来测量的平衡的衔铁传感器的电输 入阻抗。 图6根据本专利技术示出了平衡的衔铁传感器的磁路。 图7根据当前的专利技术示出了使用用于对电和机械组件进行建模的集中参数的平 衡的衔铁传感器的扩展模型。 图8根据本专利技术示出了通用识别和控制系统。 图9根据本专利技术示出了检测器的实施例。 图10示出了所识别的非线性电感L(x，i = 0)作为衔铁位置X的函数。 图11示出了所识别的非线性电感L(Xe，i = 0)作为在衔铁的平衡点Xe处的输入 电流i的函数。 图12根据本专利技术示出了控制器的实施例。 图13根据本专利技术示出了控制定律的实施例。 图14根据本专利技术示出了保护系统的实施例。 【具体实施方式】 通过如图1中所示出的平衡的衔铁设备的示例描绘了原理的推导，但是该原理的 推导可以本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于将输入信号v(t)转换成输出信号p(t)以及用于在所述输入信号v(t)与所述输出信号p(t)之间生成预定的传输行为的装置(30)，所述装置包括：电磁传感器(25)，具有线圈(7)和移动衔铁(1)，感应器(13)，其被配置并且布置成这样：测量所述传感器(25)的至少一个状态变量并生成代表所述所测量的状态变量的被监控信号(i(t))；参数测量设备(15)，其被配置并且布置成这样：基于所述被监控信号(i(t))生成电磁参数信息P，其中所述参数信息P描述以下关系u=Rei+d(L(x,i)i)dt+T(x,i)dxdt]]>其中u表示所述电磁传感器(25)的电输入电压，i表示所述电磁传感器(25)的输入电流，x表示所述移动衔铁的瞬时衔铁位置，Re表示所述线圈(7)的直流电阻，T(x,i)表示所述传感器(25)的非线性电磁传导系数以及L(x,i)表示所述线圈(7)的非线性线圈电感，所述L(x,i)取决于输入电流i以及瞬时的衔铁位置x。

【技术特征摘要】
2013.08.01 DE 102013012811.01. 用于将输入信号V(t)转换成输出信号p(t)以及用于在所述输入信号v(t)与所述 输出信号P(t)之间生成预定的传输行为的装置（30)，所述装置包括： 电磁传感器（25)，具有线圈（7)和移动衔铁（1)， 感应器（13)，其被配置并且布置成这样：测量所述传感器（25)的至少一个状态变量并 生成代表所述所测量的状态变量的被监控信号（i(t)); 参数测量设备（15)，其被配置并且布置成这样：基于所述被监控信号（i(t))生成电磁 参数信息P，其中所述参数信息P描述以下关系其中u表不所述电磁传感器（25)的电输入电压，i表不所述电磁传感器（25)的输入电 流，x表示所述移动衔铁的瞬时衔铁位置，&表示所述线圈（7)的直流电阻，T(x，i)表示所 述传感器（25)的非线性电磁传导系数以及L(x，i)表示所述线圈（7)的非线性线圈电感， 所述L(x，i)取决于输入电流i以及瞬时的衔铁位置X。2. 根据权利要求1所述的装置， 还包括非线性设备（59、87)，其被配置并且布置成这样：基于所述参数信息P生成描述 在所述移动衔铁（1)中的磁通量关于衔铁位置x和输入电流i的非线性依赖的通量函 数fjx，i)，其中所述通量函数fjx，i)考虑了所述磁通量的饱和或滞后； 所述装置还包括以下元件中的至少一个： 电感设备（57)，其被配置并且布置成这样：通过利用线性电感参数L(xs，0)缩放所述 通量函数4 (x，i)来生成所述线圈电感L(x，i)关于瞬时衔铁位置x和输入电流i的非线 性依赖，所述线性电感参数L(xs, 0)描述在对称点xs和零输入电流i = 0处的线圈电感 L(x, i)； 传感系数系统（53)，其被配置并且布置成这样：通过利用线性传感参数T(xs，0)缩放 所述通量函数fjx，i)来生成所述传感系数T(x，i)关于瞬时衔铁位置x和输入电流i的 非线性依赖，其中所述线性传感参数T (xs，0)描述在所述对称点xs和零输入电流i = 0处 的传感系数T(x，i); 磁刚度系统（55)，其被配置并且布置成这样：通过利用线性刚度参数1(_〇^0)缩放所 述通量函数4 (x，i)来生成所述电磁刚度 Kmm(x, i) = -Kmm(xs, 0)fL(x, i) 关于瞬时衔铁位置x和输入电流i的非线性依赖，其中所述线性刚度参数1(_〇^0)描 述在所述对称点xs和零输入电流i = 0处的电磁刚i)，其中电磁刚i)和 机械刚度K(x)描述对于零输入电流i = 0的所述传感器（25)的机械力的平衡。3. 根据权利要求2所述的装置，其中 所述参数P描述机械式悬挂机构（6)的所述机械刚度K(x)关于衔铁位置x的非线性 依赖，其中所述机械刚度K(x)是总刚度K(x)+K_(x，i)的、独立于衔铁（1)中的磁通量 的部分。4. 根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中 所述参数测量系统（15)被配置成接收所述传感器（25)的电信号，其中所述电信号与 所述被监控的信号（i(t))不同； 所述参数测量系统（15)还包括： -所述电磁传感器的非线性模型（73)，其被配置并且布置成基于所述被监控的信号 (i(t))和所述参数信息P来生成描述所述电信号的所估计的状态信号u' ； _模型评估系统（71)，其被配置并且布置成描述在所述所估计的状态信号u'与所述电 信号之间的偏差的误差信号；以及 _估计器（84)，其被配置并且布置成通过最小化所述误差信号e来生成所述参数信息 P的更新。5. 根据权利要求3所述的装置，还包括 控制器（29)，其被配置并且布置成基于所述输入信号v和所述参数信息P生成向所述 传感器（25)提供的电输入信号；其中所述控制器（29)包括 -状态预测器（37)，其被配置并且布置成基于所述参数信息P来生成包含瞬时衔铁位 置x和输入电流i的状态向量x ; -保护系统（42)，其被配置并且布置成基于所述状态向量x来生成描述所述传感器 (25)的机械或热过载的信息，并且使用所述信息以将所述输入信号v转换成修改的信号w ; 以及 -控制定律系统（39)，其被配置并且布置成通过使用所述状态向量x和所述参数信息 P基于所述修改的信号w来生成所述电输入信号。6. 根据权利要求5所述的装置，其中所述控制定律系统（39)包括 加法子控制器（60)，其被配置并且布置成基于所述参数信息P和所述状态向量x生成 控制增量0 (X); 乘法子控制器（61)，其被配置并且布置成基于所述传感系数T(x，i)的所述非线性特 征和所述状态变量x生成控制增益a (x); 加法器（51)，其被配置并且布置成通过将所述控制增量3 (x)添加到所述修改的信号 W来生成和信号W+0 (X);以及 乘法器（65)，其被配置并且布置成通过将所述和信号W+0 (x)乘以所述控制增益 a (x)来生成所述电输入信号u。7. 根据权利要求5或6所述的装置，其中所述保护系统（42)包括 保护控制系统（35)，其被配置并且布置成基于所述状态向量x和所述参数信息P来生 成至少一个保护控制信号（CX，CT);以及 可控制的传输元件（41 ;40)，其被配置并且布置成基于输入信号v和所述保护控制信 号（CX，CT)来生成所述修改的信号w。8. 根据权利要求7所述的装置，其中所述保护控制系统（35)还包括 热控制子系统（115)，其被配置并且布置成基于在所述参数信息P中提供的所述线圈 (7)的瞬时直流电阻&来生成热控制信号(^，其中如果线圈温度的增加 AT超过预定的阈 值A Tlim，则所述热控制信号CT减小所述输入信号v的分量。9. 根据权利要求7所述的装置，其中所述保护控制系统（35)还包括 工作范围检测器（125)，其被配置并且布置成基于所述参数信息P来生成位移限制 A xlim，该位移限制A Xlim描述所述衔铁从其静止位置的位移的最大幅度； 机械控制子系统（117)，其被配置并且布置成基于所述位移限制AXlim以及所述状态 向量X来生成机械控制信号Cx，其中如果由所述状态向量x提供的所述衔铁位置x的瞬时 位移超过所述预定的位移限制△ xlim，则所述保护控制信号Cx减小所述输入信号v的分量。10. 根据权利要求9所述的装置，其中所述工作范围检测器（125)包括以下元件中的至 少一个： 磁检测器（121)，其被配置并且布置成基于所述参数信息P生成磁限制值Xmag，其中所 述磁限制值xmag考虑了以下中的至少一个： 所述传感器（25)的气隙的总长度（D)， 所述传感器（25)的其他几何属性， 在所述传感器（25)中所使用的磁材料的属性（sk，sx); 机械检测器（119)，其被配置并且布置成基于在所述参数信息P中描述所述机械式悬 挂机构（6)的非线性的所述机械刚度K(x)来生成机械限制值xsus; 最小检测器（123)，其被配置并且布置成向所述位移阈值AXlim分配所述磁限制值Xmag和所述机械限制值xsus中的更小值。11. 根据权利要求5所述的装置，其中 所述控制器（29)生成所述电输入信号u中的直流信号，其中所述直流信号被配置和布 置成调整并且稳定所述衔铁（1)的所述平衡位置x ;以及 所述装置还包括功率放大器（5)，其被配置并且布置成向所述传感器（25)的输入传输 直流信号。12. 根据权利要求11所述的装置，还包括 膜片（8)，其与所述衔铁（1)连接； 外壳（14)，其被配置并且布置成通过所述膜片（8)的移动来压缩空气，其中所述外壳 (14)包括预定的泄漏（16)，用于补偿所述静态环境气压的变化并且用于生成所包围的空 气通过所述泄漏所需要的时间常数tb，所述时间常数tb比生成所述直流信号所需要的测 量时间Tm更大。13. 根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，还包括 诊断系统（22)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：沃尔夫冈·克里佩尔，
申请(专利权)人：沃尔夫冈·克里佩尔，
类型：发明
国别省市：德国;DE