DE19714199C1

DE19714199C1 - Selbstanpassendes Steuerungssystem für Aktuatoren

Info

Publication number: DE19714199C1
Application number: DE19714199A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang J Dr Ing Klippel
Original assignee: Klippel Wolfgang J H
Current assignee: Klippel Wolfgang J H
Priority date: 1997-04-07
Filing date: 1997-04-07
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2017-04-08
Also published as: JPH1146393A; HK1020403A1; JP2972708B2; CN1146295C; GB2324888B; GB2324888A; CN1218361A; GB9805874D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Umwandlung ei nes elektrischen Eingangssignals in ein akustisches oder mechanisches Ausgangssignal, bestehend aus einem Wandler, der als Aktuator benutzt wird, einem Steuerungssystem mit linearem oder nichtlinearem Übertragungsverhalten und einem Parameterdetektor. Der Ausgang des Steuerungssystems ist über den Parameterdetektor mit den Klem men des Wandlers verbunden. Das Steuerungssystem kompensiert die vom Wandler erzeugten linearen und/oder nichtlinearen Signalverzerrungen und erzeugt im Gesamt system ein gewünschtes Übertragungsverhalten zwischen dem elektrischen Eingangs signal und dem Ausgangssignal. Der Parameterdetektor schätzt die Parameter des Wandlers aus den elektrischen Klemmensignalen, die zur Anpassung des Steuerungs systems an den speziellen Wandler verwendet werden.

STAND DER TECHNIK

Wandler, die als Aktuatoren (Lautsprecher, Kopfhörer, Schwingungsanreger) ge nutzt werden, erzeugen beträchtliche lineare und nichtlineare Verzerrungen im Ausgangs signal. Diese Verzerrungen vermindern die Qualität der Schallwiedergabe und den Wir kungsgrad bei der aktiven Lärmbekämpfung. Diese Verzerrungen können durch eine Servoregelung (bezeichnet als "motional feedback" in PCT WO 97/25 833 A1, US 5408533 und US 5542001) vermindert werden. Hierbei wird mit Hilfe einer Meßeinrichtung am Laut sprecher eine Istgröße ständig bestimmt und auf das Eingangsignal in negativer Phasenlage zu rückgekoppelt. Diese Methode hat sich jedoch in der Praxis nicht bewährt, da die erforderliche hohe Kreisverstärkung bei Veränderung des Lautsprechers und Beschädigung der Meßeinrich tung (Sensors) ein instabiles Verhalten und eine Zerstörung des Lautsprechers verursachen kann.

Aus diesem Grunde wurden neue Steuerungsysteme entwickelt, die exakt das inverse Übertragungsverhalten des Lautsprechers erzeugen und somit die Verzerrungen im abgestrahltem Signal kompensieren. Zu dieser Methode gehören das Polynomfilter im U. S. Patent 4,709,391, das sogenannte Spiegelfilter im U.S. Patent 5,438,625 und die Methode der Linearisierung mit Hilfe statischer Zustandsrückkopplung in der Veröffentlichung von J. Suykens, et al., "Feedback Linearization of Nonlinear Distortion in Electrodynamic Loudspeakers," J. Audio Eng. Soc., Band 43, Seite 690-694. Diese Steuerungssysteme besitzen jedoch freie Steuerparameter, die an den jeweiligen Lautsprecher exakt angepaßt werden müssen.

Die Bestimmung der optimalen Parameter des Steuerungssystems kann in adaptiver Weise erfolgen, wie es die deutsche Patentanmeldung DE 43 32 804 A1 offenlegt. Diese Anordnung kann die Filterparameter bei der Übertragung des Audiosignals bestimmen und verzichtet auf einen gesonderten Meßvorgang. Dadurch können Parameterveränderungen bedingt durch Alterung oder Erwärmung im normalen Betriebszustand ausgeglichen werden. Das adaptive Steuerungssystem erfordert Informationen über das Ausgangssignal oder den inneren Zustand des Wandlers. Die direkte Messung des akustischen oder mechanischen Ausgangssignals erfordert einen hochqualitativen Sensor (z. B. Mikrofon, Beschleunigungsaufnehmer), der teuer und in vielen Anwendungen nicht anwendbar ist.

Das deutsche Patent DE 43 34 040 legt ein adaptives Steuerungssystem offen, das keinen zusätzlichen akustischen oder mechanischen Sensor benötigt. Eine adaptive Detektoranordnung schätzt ein Bewegungssignal des Wandlers (zum Beispiel die Schnelle der Schwingspule) aus der elektrischen Klemmenspannung und dem Eingangsstrom des Wandlers. Die geschätzte Schnelle wird dem adaptiven Korrekturfilter zugeführt und zur Schätzung der optimalen Filterparameter benutzt. Die Anpassung der Detektorschaltung und die Anpassung des Korrekturfilters sind zwei getrennte adaptive Prozesse, die mit unterschiedlichen Systemstrukturen realisiert werden können. Hierbei müssen die Detektorparameter in keinem direkten Zusammenhang mit den Filterparametern stehen. Dieses bekannte System mit zwei separaten adaptiven Parameterschätzern erfordert jedoch einen hohen Rechneraufwand, und kann auf digitalen Signalprozessoren nicht kostengünstig implementiert werden.

ZIELE DER ERFINDUNG

Es ist das Ziel der Erfindung, eine Anordnung und eine Methode zu entwickeln, die ein elektrisches Eingangssignal in ein mechanisches oder akustisches Ausgangssignal umwandelt und dabei ein gewünschtes Übertragungsverhalten erzeugt.

Die Anordnung und Methode soll hierbei Veränderungen des Wandlers und externe Einflüsse kompensieren und dafür keinen zusätzlichen Sensor benötigen.

Die Anordnung und Methode soll unter allen Arbeitsbedingungen ein stabiles und robustes Systemverhalten garantieren und einfach und kostengünstig realisierbar sein.

ZUSAMMENFASSUNG

Zur Lösung dieser Aufgabe, besteht die Anordnung aus einem Wandler, einem Steuerungssystem und einem Parameterdetektor. Das Steuerungssystem hat einen Signaleingang, der mit dem elektrischen Eingangssignal versorgt wird und ein Signalausgang, der mit dem Signaleingang des Parameterdetektors verbunden ist. Der Parameterdetektor hat zwei Signalausgänge, welche mit den Klemmen des Wandlers verbunden sind. Der Parameterdetektor hat einen Parametervektorausgang, der einen Parametervektor bereitstellt. Das Steuerungssystem besitzt einen Parametervektoreingang, der mit dem Paramtervektorausgang des Parameterdetektors verbunden ist. Das Steuerungssystem besitzt eine veränderbare Übertragungscharakteristik zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang, die von dem über den Parametervektoreingang zugeführten Parametervektor abhängt.

Zur Lösung der genannten Aufgabe, enthält das Verfahren die folgenden Schritte:
Im ersten Schritt erfolgt die Umwandlung des elektrischen Eingangssignales in ein vor verzerrtes elektrisches Signal mit Hilfe einer eindeutigen Transformationsvorschrift, die durch Steuerparameter veränderbar ist. Im folgenden Schritt wird das vorverzerrte elektrische Signal mit Hilfe eines Wandlers in ein mechanisches oder akustisches Aus gangssignal umgewandelt. Im nächsten Schritt wird ein zweites elektisches Signal an den Klemmen des Wandlers gemessen, wobei sich das zweite elektrische Signal von dem vorverzerrten elektrischen Signal unterscheiden muß. In einem weiteren Schritt erfolgt die Modellierung des Zusammenhangs zwischen dem vorverzerrten elektrischen Signal und dem gemessenen zweiten elektrischen Signals mit Hilfe eines Wandlermo delles, das freie Modellparameter besitzt. Danach werden die optimalen Modellparame ter geschätzt, so daß das Wandlermodell mit den optimalen Modellparametern den Zu sammenhang zwischen dem vorverzerrten elektrischen Signal und dem gemessenen zweiten elektrischen Signal möglichst genau beschreibt. Schließlich werden die optima len Steuerparameter aus den optimalen Modellparametern berechnet. Hierfür wird der physikalischer Zusammenhang zwischen der Transformationsvorschrift und dem Wandlermodell und die gewünschte Beziehung zwischen dem elektrischen Eingangs signal und dem mechanischen oder akustischen Ausgangssignal benutzt.

Im letzten Schritt werden die optimalen Steuerparameter bei der Umwandlung des elektrischen Eingangssignals in das vorverzerrte elektrische Signal verwendet und die Transformationsvorschrift an die Eigenschaften des Wandlers angepaßt, so daß die Verzerrungen des Wandlers kompensiert werden und der gewünschte Zusammenhang zwischen dem elektrischen Eingangssignal und dem Ausgangssignal erzeugt wird.

Es ist ein Kennzeichen der Erfindung, daß die Signalvorverarbeitung des elektrischen Antriebssignals (Steuersystem Transformationsvorschrift) von der Systemidentifikation (Parameterdetektor, Parameterschätzung) des Wandlers getrennt ist. Allerdings liegt beiden Teilsystemen ein gemeinsames physikalisches Modell des Wandlers zu Grunde. Damit wird es möglich, beide Teilsysteme miteinander zu verkoppeln und die vom Steuerungssystem benötigten Steuerparameter direkt aus den vom Parameterdetektor gemessenen Wandlerparametern abzuleiten. Das Steuerungssystem kann im Unterschied zum bekannten Stand der Technik als ein nichtadaptives System ausgeführt werden, dessen Übertragungseigenschaften lediglich durch einen Parametervektor verändert werden. Dadurch vereinfacht sich das Gesamtsystem und kann mit geringeren Kosten realisiert werden.

Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist die Stabilisierung der Ruheposition der Schwingspule. Um den maximalen Wirkungsgrad des Wandlers auch bei Alterung zu gewährleisten, wird mit Hilfe des Parameterdetektors die Ruheposition der Schwingspule bestimmt und die Schwingspule durch Addition eines Gleichanteils im. Steuerungssystem in die optimale Position geführt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Berücksichtigung der Erwärmung der Schwingspule im Steuerungssystem. Eine Veränderung des Schwingspulenwiderstandes durch die im Wandler umgesetzte Leistung erfordert eine Korrektur der Eigenschaften des Steuerungssystems. Hierzu werden im Detektorsystem die thermischen Parameter des Lautsprechers geschätzt und dem Steuerungssystem im Parametervektor übergeben. Das Steuerungssystem schätzt die im Wandler umgesetzte elektrische Leistung aus dem übertragenen Signal, leitet hieraus die momentane Temperatur und den Widerstand der Schwingspule ab und paßt die Signalvorverzerrung an das veränderte Verhalten des erwärmten Lautsprechers an.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich dieses Steuerungssystem selbständig ohne Verwendung eines zusätzlichen Sensors an den Aktuator anpaßt. Der Lernprozeß kann bei Übertragung des Nutzsignals ständig oder zeitweise aktiviert werden. Zeitliche Parameterveränderungen des Schallsenders durch Erwärmung und Alterung werden durch das Steuerungssystem selbständig ausgeglichen und das gewünschte Übertragungsverhalten bleibt über einen langen Zeitraum gewährleistet. Das Steuerungssystem läßt sich einfacher realisieren als bisher bekannte Steuerungssysteme und besitzt verbesserte Eigenschaften in Bezug auf Stabilität und Robustheit.

KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN

Durch die folgende Abbildungen sollen die oben genannten Ziele, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung genauer dargestellt werden

Abb. 1 zeigt ein Signalflußplan des adaptiven Steuerungssystems entsprechend dem Stand der Technik.

Abb. 2 zeigt eine erste Ausführung der Erfindung.

Abb. 3 zeigt die Ausführung des adaptiven Steuerungssystems im einzelnen.

Abb. 4 zeigt eine detaillierte Ausführung der Fehlerschaltung und des Parameter schätzers für den Steifigkeitskoeffizienten k₁.

Abb. 5 zeigt eine zweite Ausführung der Erfindung.

Abb. 6 zeigt eine dritte Ausführung des Steuerungssystems zur Korrektur der Schwingspulenposition.

Abb. 7 zeigt eine vierte Ausführung des Steuerungssystems zur Kompensation der Schwingspulenerwärmung.

Abb. 8 zeigt das Schätzsystem für den momentanen Widerstand im einzelnen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNG Stand der Technik

Abb. 1 zeigt den Signalflußplan des bekannten Steuerungssystems, das im Patent DE 43 34 040 offengelegt wurde. Die Anordnung besteht aus einem Wandler 1, einem adaptiven Korrekturfilter 3, einer adaptiven Detektorschaltung 5, einem Referenzfilter 7 und einen Differenzverstärker 9. Ein elektrisches Signal w(t) wird vom Signaleingang 11 über ein Koffekturfilter 3 und Detektorschaltung 5 zu den Klemmen des Wandlers 1 geleitet. Die Detektorschaltung 5 schätzt die Schnelle v(t) der Schwingspule des angeschlossenen Wandlers 1. Das Referenzsignal r(t), erzeugt von dem Referenzfilter 7, und die Schnelle v(t) werden zu den Eingängen des Differenzverstärker 9 geführt. Das Fehlersignal e(t) = r(t) - v(t) am Ausgang des Differenzverstärkers wird sowohl dem Korrekturfilter 3 als auch der Detektorschaltung 5 zugeführt, die adaptive Systeme sind und eine getrennte Parameterschätzung durchführen und hierbei die Amplitude des Fehlersignals e(t) minimieren.

Erfindung

Abb. 2 zeigt eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung. Die Anordnung besteht aus einem Steuerungssystem 15, einem Parameterdetektor 17 und einem Wandler 19.

Das Steuerungssystem 15 besitzt einen Signaleingang 13, einen Signalausgang 23 und einen Parametervektoreingang 24. Die Übertragungscharakteristik zwischen dem Signaleingang 13 und Signalausgang 23 ist veränderlich und wird durch den momentanen Parametervektor P am Parametervektoreingang 24 bestimmt. Da die optimalen Steuerungsparameter direkt aus dem übergebenen Parametervektor P abgeleitet werden können, ist im Gegensatz zum Stand der Technik eine adaptive Parameterschätzung im Steuerungssystem nicht erforderlich.

Der Parameterdetektor 17 besitzt einen Detektoreingang 21, zwei Detektorausgänge 25 und 27 und einen Parametervektorausgang 29. Der Detektoreingang 21 wird mit dem Signal z(t) vom Signalausgang 23 versorgt. Die Detektorausgänge 25 und 27 sind mit den Klemmen des Wandlers 19 verbunden. Der Parametervektor P wird vom Parameterdetektor geschätzt und über den Parametervektorausgang 29 dem Parametervektoreingang 24 des Steuerungssystems 15 übergeben.

Der Parameterdetektor 17 enthält eine Fehlerschaltung 31 und einen Parameterschätzer 33.

Die Fehlerschaltung 31 besitzt einen Fehlerschaltungseingang 35, zwei Fehlerschaltungsausgänge 37 und 39, einen Fehlerausgang 41, einen Gradientenvektorausgang 43 und einen Parametervektoreingang 45. Der Fehlerschaltungseingang 35 erhält das Signal z(t) vom Detektoreingang 21. Die Fehlerschaltungsausgänge 37 und 39 sind jeweils über die Detektorausgänge 25 und 27 mit den Klemmen des Wandlers verbunden. Der Parametervektoreingang 45 erhält den Parametervektor P. Die Fehlerschaltung erzeugt ein Fehlersignal e(t), welches das Kriterium für die Identifikation der Wandlerparameter ist. Die Fehlerschaltung 31 stellt auch den Gradientenvektor S_G am Gradientenvektorausgang 43 bereit, der von den geschätzten Zustandssignalen des Wandler abgeleitet wird.

Der Parameterschätzer 33 besitzt einen Parameterschätzerausgang 47, einen Gradientenvektoreingang 49, der mit dem Gradientenvektorausgang 43 verbunden ist und einen Fehlereingang 51, der mit dem Fehlerausgang 41 verbunden ist. Der Parameterschätzer 33 schätzt mit Hilfe des Gradientenvektors S_G und dem Fehlersignal e(t) den Parametervektor P. Die geschätzten Parameter werden über den Parameterschätzerausgang 47 sowohl zu dem Parametervektoreingang 45 als auch zu dem Parametervektorausgang 29 geleitet. Ist die Amplitude des Fehlersignals e(t) minimal, dann ist der Detektorparameter optimal an den speziellen Wandler angepaßt und der Parametervektor P ist die beste Schätzung für die realen Wandlerparameter.

Abb. 3 zeigt eine detaillierte Ausführung des Steuerungssystems. Bei Benutzung des Spiegelfilters für einen stromgespeisten Wandler wird das Ausgangssignal z(t) des Steuerungssystems

aus dem Eingangssignal w und der Auslenkung

abgeleitet, wobei b(x_m) der auslenkungsabhängige Kraftfaktor, k(x_m) die auslenkungsabhängige Steifheit der mechanischen Aufhängung, m die bewegte Masse, R_m die mechanische Dämpfung, s der Laplace-operator und L^-1{} die inverse Laplacetransformation ist.

Nach Entwicklung der nichtlinearen Parameter

b(x) = b₀ + b₁x + b₂x²
L_e(x) = l₀ + l₁x + l₂x²
k(x) = k₀ + k₁x + k₂x² (3)

in nach dem quadratischen Glied abgebrochene Potenzreihen, erweisen sich die Koeffizienten in Gl. (3) und die linearen Parameter m, R_m als die freien Parameter des Steuerungssystems und die Elemente des Parametervektors P. Die veränderbare Übertragungsfunktion des Steuerungssystems wird mit Hilfe von steuerbaren Verstärkern realisiert, wobei der Verstärkungsfaktor jedes einzelnen Verstärkers durch einen Steuerparameter bestimmt wird. Abb. 3 zeigt die Einstellung des Steuerparameters k₁ im Detail. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung der anderen Parameter verzichtet, deren Einstellung in gleicher Weise geschieht. Das elektrische Signal w(t) am Signaleingang 13 wird mit Hilfe des Verstärkers 61 um den Faktor b₀ verstärkt und zum ersten Eingang des Addierers 63 geleitet. Die Auslenkung x_m wird mit Hilfe des lineare Filters 65 entsprechend Gl. (2) aus dem Signal w(t) erzeugt und über den Quadrierer 67 und einem anschließenden steuerbaren Verstärker 69 zu dem zweiten Eingang des Addierers 63 geleitet. Diese Teilschaltung kompensiert die Verzerrungen zweiter Ordnung, die durch den Koeffizienten k₁ der auslenkungsabhängigen Steifigkeit k(x) verursacht werden.

Ein Parameterschätzwert k₁ am Eingang 71, welcher ein Bestandteil des Parametervektors am Parametervektoreingangs 24 in Abb. 2 ist, wird über einen Parametertransformer 73 zu dem Steuereingang des steuerbaren Verstärkers 69 geleitet. Der Parametertransformer 73 leitet aus dem Wandlerparameter einen entsprechenden Steuerparameter ab, der das gewünschte Übertragungsverhalten zwischen dem Eingangssignal w(t) und dem mechanischen oder akustischen Ausgangssignal erzeugt. Um zum Beispiel das Gesamtsystem zu linearisieren, muß der Verstärkungsfaktor des steuerbaren Verstärkers 69 dem Wandlerparameter k₁ entsprechen. Darüberhinaus überprüft der Parametertransformer 73 den Wert des geschätzten Wandlerparameters auf physikalische Plausibilität und speichert den geschätzten Parameter. Dadurch verhält sich das Steuerungssystem robust und verbleibt beim Ausfall des Parameterdetektors funktionstüchtig.

Das statische, nichtlineare System 75 und der Addierer 77 kompensieren die Verzerrungen höherer Ordnung, die durch die nichtlineare Steifheit k(x) verursacht werden. Die Kompensation des nichtlinearen Kraftfaktors b(x) wird entsprechend Gl. (1) durch Benutzung des statischen, nichtlinearen Systems 79, des Multiplizierers 81 und des Addierers 83 realisiert. Abb. 3 zeigt die Übertragung des Wandlerparameters k₁ vom Parameterschätzerausgang 53 sowohl zu dem Parametereingang 55 der Fehlerschaltung 31 als auch über den Parameterausgang 57 zu dem Parametereingang 71.

Abb. 4 zeigt die Ausführung der Fehlerschaltung 31 und des Parameterschätzers 34 im einzelnen. Das Steuerausgangssignal z(t) wird über einen Fehlerschaltungseingang 35 zu einem Verstärker 59 geleitet, der eine hohe Ausgangsimpedanz hat. Dieser Verstärker verwandelt das Steuersignal z(t) in einen Strom i(t), der zu dem Wandler geleitet wird. Die Spannung u(t) zwischen den Wandlerklemmen entspricht der momentanen elektrischen Eingangsimpedanz des Wandlers.

Die Fehlerschaltung 31 enthält einen Differenzverstärker 57, dessen erster Eingang die Klemmenspannung u(t) und dessen zweiter Eingang die geschätzte Spannung û(t) erhält. Der Ausgang des Differenzverstärkers 57 erzeugt das Fehlersignal e(t) = û(t) - u(t), das an den Felderausgang 41 geleitet wird.

Die Fehlerschaltung schätzt die Spannung

aus der geschätzten Auslenkung

wobei R_e der Schwingspulenwiderstand und L_e(x) die auslenkungsabhängige Induktivität der Schwingspule sind. Dieser Teil der Fehlerschaltung hat eine veränderbare Übertragungscharakteristik zwischen dem Strom i(t) = z(t) und der geschätzten Spannung û(t) abhängig von den Wandlerparametern, die im Vektor P enthalten sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit zeigt Abb. 4 nur die Schätzung des Koeffizienten k₁. Das gleiche Prinzip wurde auch auf die verbleibenden Elemente des Parametervektors P angewendet. Die Fehlerschaltung ergibt sich aus Gl. (4) und enthält einen Verstärker 89 mit dem Verstärkungsfaktor R_e, ein statisches nichtlineares System 91 mit der Übertragungsfunktion L_e(x), einen Multiplizierer 93, einen Differenzierer 95, einen Addierer 97, ein statisches nichtlineares System 99 mit der Übertragungsfunktion b(x), einen Differenzierer 101, einen Multiplizierer 103 und einen Addierer 105. Die geschätzte Spannung û(t) an dem Ausgang des Addierers 105 wird zu dem Differenzverstärker 57 geleitet. Die Auslenkung x_D wird entsprechend Gl. (5) ebenfalls aus dem Strom i(t) unter Benutzung eines Multiplizierers 107, eines Addierers 109, eines statischen nichtlinearen Systems 111, eines Quadrierers 113, eines steuerbaren Amplifieres 115, eines Addierers 117 und eines linearen Filters 119 mit der Übertragungsfunktion H_G(s) = 1/(ms² + R_ms + k(0)) geschätzt.

Der steuerbare Amplifierer 115 besitzt einen Steuereingang, der mit dem geschätzten Parameter k₁ vom Parametereingang 55 (Bestandteil des Parametervektoreingangs 45 von Abb. 2) gespeist wird. Der Ausgang des Quadrieres 113 ist ebenfalls mit dem Eingang des linearen Filters 123 mit der Übertragungsfimktion H_G(s)s verbunden. Der Multiplizierer 124 multipliziert das Ausgangssignal des Filters 123 mit dem Ausgangssignal des statischen nichtlinearen Systems 99 und erzeugt das Gradientensignal s_k1, das zu dem Ausgang 126 (Bestandteil des Gradientenvektorausgangs 43 in Abb. 2) geleitet wird.

Die Parameterschätzer 33 in Abb. 2 bestimmt das Minimum des mittleren quadratischen Fehlers

abhängig von den Parametervektor P.

Beginnend mit einer ersten Schätzung des Parametervektors P erfolgt die nächste Schätzung des Parametervektors mit Hilfe der rekursiven Rechenvorschrift

die zu dem bekannten adaptiven Gradientenalgorithmus führt. Zur Schätzung des Parame ters k₁ entsprechend Gl. (7) enthält der Parameterschätzer 34 in Abb. 4 (Bestandteil des Pa rameterschätzers 33 in Abb. 2) einen Multiplizierer 127 und einen Integrierer 129. Der Multiplizierer 127 verknüpft das Fehlersignal e(t) und das Gradientensignal sk₁ = ∂û(t)/∂k₁ vom Gradienteneingang 49. Der Integrierer bestimmt entsprechend dem bekannten LMS Algorithmus aus dem Multipliziererausgangssignal den Parameterschätzwert k₁, der zu dem Parameterausgang 53 geleitet wird. Ist die Amplitude des Fehlers minimal, so ist der Detek tor optimal an den Wandler angepaßt und liefert den optimalen Schätzwert für den Wand lerparameter k₁ (Bestandteil des Vektors P) und der momentanen Zustandssignale (Auslenkung x_D, Klemmenspannung û) des Wandlers.

Abb. 5 zeigt eine zweite Ausführung der Erfindung. Das Steuerungssystem 16 ent spricht dem Steuerungssystem 15 in Abb. 2, enthält jedoch einen zusätzlichen Steuerzu standsvektorausgang 28 und einen Wandlerzustandsvektoreingang 30. Die Fehlerschaltung 26 entspricht der Fehlerschaltung 31 in Abb. 2, enthält jedoch einen zusätzlichen Steuer zustandsvektoreingang 32, der mit dem Steuerzustandsvektorausgang 28 verbunden ist, und einen Wandlerzustandsvektorausgang 34, der mit dem Wandlerzustandsvektoreingang 30 verbunden ist. Die Übergabe des Zustandsvektors S_C des Steuerungssystems in die Feh lerschaltung 31 erlaubt eine Modifikation der Parameterschätzung. Die Substitution des Stromes in den Gln. (4) und (5) durch Gl. (1) und die Berechnung der partiellen Ableitung entsprechend Gl. (7) nach dem Parametervektor P führt zu dem Gradientenvektor S_G, der sowohl von dem Zustand der Detektorschaltung als auch von dem Zustand des Steue rungssystems abhängig ist. Der Gradientenvektor S_G wird dem Gradientenvektoreingang 49 des Parameterschätzers 33 übergeben. Auch in dieser zweiten Ausführung der Erfindung werden die Parameter des Steuerungssystems und der Detektorschaltung in einem System gemeinsam geschätzt. Das garantiert Stabilität im Gesamtsystem und optimale Konvergenz in der Parameterschätzung.

Das Steuerungssystem 16 in Abb. 5 verwendet an Stelle des Spiegelfilters die Methode der Linearisierung mit Hilfe statischer Zustandsrückkopplung. Hierzu besitzt das Steuerungssystem 16 einen zusätzlichen Wandlerzustandsvektoreingang 30, der mit dem in der Detektorschaltung 26 geschätzten Zustandsvektor S_T (z. B. Auslenkung x_D) vom Wandlerzustandsvektorausgang 34 versorgt wird. Das Steuergesetz des Steuerungssystems 16 entspricht der Gl. (1) des Spiegelfilters, aber es benutzt anstelle der synthetisierten Aus lenkung x_m die von der Fehlerschaltung geschätzte Auslenkung x_D entsprechend Gl. (5).

Abb. 6 zeigt eine dritte Ausführung der Erfindung bestehend aus dem Parame terdetektor 17 und dem Wandler 19 entsprechend Abb. 2 und einem modifizierten Steuerungssystem 133. Das modifizierte Steuerungssystem enthält eine nichtlineare Steuerschaltung 149, einen Addierer 151 und eine Positionssteuerschaltung 143. Die Steuerschaltung 149 entspricht dem Steuerungssystem 15 in Abb. 3 und wird mit dem Parametervektor P über den Eingang 139 gesteuert. Die Positionssteuerschaltung 143 wird über den Eingang 153 ebenfalls mit dem Parametervektor P versorgt und erzeugt ein Gleichspannungssignal W_offset, das mit Hilfe des Addierers 151 zum elektrischen Eingangssignal w(t) addiert wird. Diese Anordnung verschiebt die Ruheposition der Schwingspule in das Minimum der Steifigkeitskennlinie k(x) oder zum Maximum der Kraftfaktorkennlinie b(x) und reduziert dadurch die nichtlinearen Verzerrungen, ver bessert die Stabilität und den Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Um die Ruheposition der Schwingspule beispielsweise in das Minimum der Steifigkeitskennlinie zu bewegen, erzeugt die Positionssteuerschaltung das Signal

mit Hilfe der geschätzten Wandlerparameter im Parametervektors P.

Abb. 7 zeigt eine dritte Ausführung der Erfindung, die die Erwärmung der Schwingspule bei der Steuerung des Wandlers berücksichtigt. Diese Anordnung enthält ebenfalls ein Steuerungssystem 161, einen Parameterdetektor 163 und einen Wandler 19. Wird der Wandler von einem Verstärker mit niedriger Ausgangsimpedanz gespeist (normale Spannungspeisung), dann haben temperaturbedingte Veränderungen des Schwingspulenwiderstands erheblichen Einfluß auf die Übertragungscharakteristik des Wandlers. Das Steuerungssystem 15 in Abb. 2 kann die Abhängigkeit des Widerstan des R_e von der Schwingspulentemperatur T nur dann berücksichtigen, wenn der Para meterdetektor 17 ständig aktiviert ist und der momentane Widerstand R_e(t) des Wand lers im Parametervektor P dem Steuerungssystem übergeben wird.

Das Steuerungssystem 161 in Abb. 7 simuliert das thermische Verhalten des Wandlers und schätzt den Schwingspulenwiderstand R_e(t) aus dem elektrischen Signal z(t) und den thermischen Parametern des Wandlers. Das Steuerungssystem 161 besteht aus einer Steuerschaltung 165 und einem Widerstandsschätzer 167. Die Steuerschal tung 165 basiert auf dem Spiegelfilter für Spannunsspeisung wie im U. S. Patent 5,438,625 offengelegt und besitzt einen zusätzlichen Parametereingang 169 für den mo mentanen Widerstand R_e(t). Der Widerstandsschätzer 167 wird mit dem elektrische Steu ersignal z(t) und dem thermischen Widerstand R_T vom Parametervektoreingang 171 ver sorgt und erzeugt den elektrischen Widerstand R_e(t) der zum Parametereingang 169 geleitet wird.

Der Parameterdetektor 163 enthält eine Schaltung 179, die mit dem Parameterde tektor 17 in Abb. 2 identisch ist. Der Parameterausgang 176 ist Bestandteil des Para metervektorausgangs 29 in Abb. 2 und stellt den aus den elektrischen Klemmensigna len gemessenen Schwingspulenwiderstand bereit. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden die weitereren Elemente des Parametervektors P und ihre Übergabe in das Steuer system 165 in Abb. 7 nicht dargestellt. Der Parameterdetektor enthält neben der Schaltung 179 einen Widerstandsschätzer 173, der mit dem Widerstandsschätzer 167 identisch ist, ei nen Differenzversstärker 175 und einen Integrierer 177. Der Widerstandsschätzer 173 wird mit dem elektrischen Steuersignal z(t) und dem thermischen Widerstand R_T gespeist und schätzt den momentanen Widerstand R_e(t). Der geschätzte elektrische Widerstand wird mit dem von der Schaltung 179 gemessenen elektrischen Widerstand mit Hilfe des Differenzverstärkers 175 verglichen und der thermische Widerstand R_T mit Hilfe des Integrierers 177 aus der Differenz des geschätzten und gemessenen Schwingspulenwi derstandes bestimmt. Der thermische Widerstand R_T wird sowohl zum Eingang 197 des Widerstandsschätzers 173 als auch über den Parameterausgang 179 zum Wider standsschätzer 167 im Steuerungssystem 161 geleitet.

Abb. 8 zeigt den Widerstandsschätzer 173 in detaillierter Darstellung. Das Steuersignal z(t) am Eingang 181 entspricht der Klemmenspannung u(t) des Wandlers in normaler Spannungsspeisung. Das Filter 183 bestimmt aus der Klemmenspannung den Eingangsstrom i(t) des Wandlers. Ein Multiplizierer 185, der mit den elektrischen Signalen u(t) und i(t) versorgt wird, schätzt die im Wandler in Wärme umgesetzte Lei stung P_D. Der Integrierer 187 und der Amplifier 189 bestimmen die Erhöhung der Schwingspulentemperatur

aus der Leistung P_D und den thermischen Parametern des Wandler (thermische Kapazität C_TB und thermischer Widerstand R_T). Der nachfolgende Verstärker 191 und der Addierer 193 erzeugen aus der Temperaturerhöhung den elektrischen Widerstand

R_e(T) = R_e(T₀)[1 + α ΔT] (10)

wobei α = 3.9.10-3 (für Kupferdraht) und R_e(T₀) der Schwingspulenwiderstand bei Raumtemperatur ist.

Die Erfindung wurde am Beispiel eines diskreten, analogen Schaltungsnetzwer kes ausgeführt. Der heutige Stand der Technik erlaubt es, dieses Steuerungssystem ebenfalls in einem digitalen Signalprozessorsystem zu implementieren.

Claims

1. Eine Anordnung zur Umwandlung eines elektrischen Eingangssignals in ein mechanisches oder akustisches Ausgangssignal unter Benutzung eines Wandlers und einer elektrischen Schaltung zur Kompensation der Signalverzerrungen des Wandlers, zur Realisierung eines gewünschten Übertragungsverhaltens zwischen dem elektrischen Einganssignal und dem mechanischen oder akustischen Ausgangssignal und zur automatischen Anpassung der elektrischen Schaltung an den Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ein Steuerungssystem und einen Parameterdetektor enthält, wobei
das Steuerungssystem einer Signaleingang, einen Signalausgang und einen Parametervektoreingang besitzt, das elektrische Eingangssignal zum Signaleingang geführt wird, der Parametervektoreingang mit einem oder mehreren Parameterwerten versorgt wird und am Signalausgang ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt wird; und
der Parameterdetektor einen Detektoreingang, zwei Detektorausgänge und einen Parametervektorausgang besitzt, der Detektoreingang mit dem Signalausgang verbunden ist, die Detektorausgänge mit den elektrischen Anschlüssen des Wandlers verbunden sind und an dem Parametervektorausgang zumindest ein Parameterwert ständig oder zu bestimmten Zeitpunkten zu dem Parametervektoreingang des Steuerungssystems geleitet wird, wobei dieser Parameterwert ein geschätzter Parameter eines Lautsprechermodelles oder eine davon abgeleitete Größe ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungssystem ein veränderbares Übertragungsverhalten zwischen dem Signaleingang und dem Signalausgang besitzt, das von den Parameterwerten am Parametervektoreingang abhängig ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungssystem eine Steuerschaltung enthält, die einen Eingang, einen Ausgang und mindestens einen Steuerparametereingang besitzt, wobei der Eingang mit dem elektrischen Eingangssignal versorgt wird und am Ausgang das elektrische Ausgangssignal erzeugt wird, und jedem Steuerparametereingang ein Steuerparameter zugeführt wird, der den linearen oder nichtlinearen Zusammenhang zwischen elektrischem Eingangssignal und elektrischem Ausgangssignal bestimmt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungssystem mindestens einen Parametertransformator enthält, der einen Transformatoreingang besitzt, welcher mit einem Parameterwert von dem Parametervektoreingang versorgt ist, der Parametertransformator einen Transformatorausgang besitzt, der mit einem Steuerparametereingang verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Parameterwert am Transformatoreingang und dem Steuerparameter am Transformatorausgang ein eindeutiger Zusammenhang besteht.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Parametertransformator einen Speicher enthält, der es ermöglicht, einen Steuerparameter am Transformatorausgang zu erzeugen, auch wenn der Parameterdetektor nicht aktiviert ist und kein Parameterwert am Transformatoreingang vorhanden ist.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Parametertransformator einen Grenzwertdetektor besitzt, der den Steuerparameter auf einer definierten Wert setzt, falls er, außerhalb eines definierten Bereiches liegt.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameterdetektor ein adaptives System ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameterdetektor eine Fehlerschaltung und einen Parameterschätzer enthält, wobei
die Fehlerschaltung einen Fehlerschaltungseingang, einen Fehlerschaltungsausgang, einen Parametereingang, einen Gradientenvektorausgang und einen Fehlerausgang besitzt, wobei der Fehlerschaltungseingang mit dem Detektoreingang, die Fehlerschaltungsausgänge mit den entsprechenden Detektorausgängen jeweils verbunden sind, der Parametereingang einen oder mehrere Parameterwerte erhält, der Gradientenvektorausgang einen oder mehrere Gradientensignale bereitstellt und der Fehlerausgang ein Fehlersignal produziert; und
der Parameterschätzer einen Gradientenvektoreingang besitzt, der mit dem Gradientenvektorausgang verbunden ist, einen Fehlereingang, der mit dem Fehlerausgang, verbunden ist und einen Parameterschätzerausgang, der sowohl mit dem Parametervektorausgang als auch mit dem Parametereingang verbunden ist, und der Parameterschätzer mindestens einen Parameterwert durch Minimierung der Amplitude des Fehlersignals bestimmt.

10. Die Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerschaltung einen Monitor, einen Schätzer und einen Differenzverstärker enthält, wobei
der Monitor zur Messung eines elektrischen Signals an den Klemmen des Wandlers einen Monitoreingang, der mit dem Fehlerschaltungseingang verbunden ist, zwei Monitorausgänge, die jeweils mit den Fehlerschaltungsausgängen verbunden sind, und einen Meßausgang besitzt;
der Schätzer einen Schätzereingang, einen Schätzerparametereingang, der mit dem Parametereingang der Fehlerschaltung verbunden ist, einen Schätzergradientenvektorausgang, der mit dem Gradientenvektorausgang verbunden ist, und einen Schätzerausgang besitzt, der Schätzer ein veränderliches Übertragungsverhalten zwischen dem Schätzereingang und dem Schätzerausgang aufweist, das von den Parameterwerten am Schätzerparametereingang bestimmt wird;
und der Differenzverstärker einen ersten und einen zweiten Differenzverstärkereingang und einen Differenzverstärkerausgang besitzt, der Schätzerausgang mit dem ersten Differenzverstärkereingang, der Meßausgang mit dem zweiten Differenzverstärkereingang und der Differenzverstärkerausgang mit dem Fehlerausgang verbunden ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektoreingang über den Fehlerschaltungseingang mit dem Schätzereingang verbunden ist.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerungssystem einen Steuerzustandsvektorausgang besitzt, der ein oder mehrere Zustandssignale des Steuerungssystems bereitstellt und der Parameterdetektor einen Steuerzustandsvektoreingang besitzt, der mit dem Steuerzustandsvektorausgang verbunden ist.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Parameterdetektor einen Wandlerzustandsvektorausgang besitzt, der ein oder mehrere geschätzte Zustandssignale des Wandlers bereitstellt und das Steuerungssystem einen Wandlerzustandsvektoreingang besitzt, der mit dem Wandlerzustandsvektorausgang verbunden ist.

14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung zur Korrektur der Ruheposition der Schwingspule eine Addierer, eine nichtlineare Schaltung und eine Positionskorrekturschaltung enthält, wobei
die Positionskorrekturschaltung einen Eingang besitzt, der mit dem Parametervektoreingang verbunden ist und einen Ausgang besitzt, an dem das optimale Positionskorrektursignal bereitgestellt wird;
der Addierer zwei Eingänge und einen Signalausgang besitzt, der Eingang der Steuerschaltung mit dem ersten Eingang des Addierers verbunden ist, und der Ausgang der Positionskorrekturschaltung mit dem zweiten Eingang des Addierers verbunden ist;
und die nichtlineare Schaltung einen Eingang und einen Ausgang besitzt, der Ausgang des Addierers mit dem Eingang der nichtlinearen Schaltung verbunden ist und der Ausgang der nichtlinearen Schaltung mit dem Ausgang der Steuerschaltung verbunden ist.

15. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem zur Kompensation der Schwingspulenerwärmung einen Widerstandsschätzer enthält, der einen Signaleingang, einen thermischen Parametereingang und einen Parameterausgang besitzt, wobei der thermische Parametereingang mit einem Parameterwert vom Parametervektoreingang versorgt wird, der Signaleingang des Widerstandsschätzers entweder mit dem Eingang oder Ausgang der Steuerschaltung verbunden ist und der Parameterausgang mit einem Steuerparametereingang der Steuerschaltung verbunden ist.

16. Ein Verfahren zur Umwandlung eines elektrischen Eingangssignals in ein mechanisches oder akustisches Ausgangssignal unter Benutzung der folgenden Schritte
Umwandlung des elektrischen Eingangssignals in ein vorverzerrtes elektrisches Signal mit Hilfe einer eindeutigen Transformationsvorschrift, die durch mindestens einen Steuerparameter veränderbar ist;
Umwandlung des vorverzerrten elektrischen Signals in ein mechanisches oder akustisches Ausgangssignal mit Hilfe eines Wandlers;
Messung eines zweiten elektrischen Signals an den elektrischen Eingangsklemmen des Wandlers, wobei sich das zweite elektrische Signal von dem vorverzerrten elektrischen Signal unterscheidet;
Beschreibung des Zusammenhangs zwischen dem vorverzerrten elektrischen Signal und dem gemessenen zweiten elektrischen Signal mit Hilfe eines Wandlermodelles, das freie Modellparameter besitzt;
Schätzung optimaler Modellparameter, so daß das Wandlermodell mit den optimalen Modellparametern den Zusammenhang zwischen dem vorverzerrten elektrischen Signal und dem gemessenen zweiten elektrischen Signal möglichst genau beschreibt;
Berechnung mindesten eines optimalen Steuerparameters aus den optimalen Modellparametern unter Benutzung des physikalischen Zusammenhangs zwischen Transformationsvorschrift und Wandlermodell und der gewünschten Beziehung zwischen dem elektrischen Eingangssignal und dem mechanischen oder akustischen Ausgangssignal, wobei diese Berechnung ständig oder zu bestimmten Zeitpunkten ausgeführt wird;
Verwendung des optimalen Steuerparameters bei der Umwandlung des elektrischen Eingangssignals in das vorverzerrte elektrische Signal.