DE69422033T2 - Hybrides analog/digital schwingungsunterdrückungssystem - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein aktives Geräusch-Löschsystem bzw. Rausch- Löschungssystem, das eine analoge Rückkoppel-Steuerschleife aufweist, die einen Sensor zum Detektieren einer Restschwingung, eine Signalverarbeitungseinrichtung mit einem durchstimmbaren Bandpaßfilter zum Filtern der Ausgabe des Sensors und einen Aktuator, der auf die Filterausgabe antwortet, um ein Löschen von Schwingungen zu erzeugen, und eine Steuereinrichtung zum Durchstimmen des Filters in Abhängigkeit vom spektralen Inhalt des zu löschenden Rauschens enthält.
• Die meisten sich hin- und herbewegenden oder sich drehenden Maschinen erzeugen Schwingungen. Die Schwingungen werden oft auf die die Maschine stützende Struktur und in die Umgebungsluft übertragen. Strukturschwingungen können Maschinen in der Nähe oder die Struktur selbst beschädigen. In die Luft übertragene Schwingungen werden andererseits als Klangwellen wahrgenommen. In Abhängigkeit von der Quelle und der Umgebung kann der Klang von der Maschine für diejenigen in dem Gebiet unangenehm oder sogar gefährlich sein.
• In der Vergangenheit sind ein unerwünschtes Rauschen und eine unerwünschte Schwingung durch Schalldämpfung oder Isolation gesteuert worden. Jedoch kann unter Verwendung des Überlagerungsprinzips ein Rauschen und eine Schwingung auch durch Erzeugen eines akustischen Signals gesteuert werden, das dieselben spektralen Eigenschaften wie das unerwünschte Rauschen oder die unerwünschte Schwingung hat, aber um 180 Grad phasenversetzt ist (Anti-Rauschen). Mehrere Aspekte des Anti-Rauschens und seine Anwendungen sind im Artikel von Professor Barrie Chaplin mit dem Titel "Anti-noise - the Essex Breakthrough", veröffentlicht im CME Magazine, Januar 1983, Seiten 41-47 diskutiert.
• US-A-4527282 offenbart ein System zum Löschen eines unerwünschten akustischen Signals. Ein Lautsprecher erzeugt ein löschendes akustisches Signal, das mit einem unerwünschten akustischen Signal gemischt wird. Ein Mikrofon erfaßt das akustische Restsignal, das dann verstärkt und invertiert wird, um den Lautsprecher zu betreiben. Systeme von diesem Typ sind typischerweise anfällig für Instabilitäten und neigen dazu, nur in einem relativ beschränkten Frequenzbereich effektiv zu sein.
• Ein System, das die Instabilitätsprobleme einfacher Systeme vermeidet, wie beispielsweise desjenigen, das in US-A-4527282 offenbart ist, ist in US-A-4490841 beschrieben. Im beschriebenen System wird das Restsignal mittels eines Fouriertransformation analysiert. Die resultierenden Fourierkoeffizienten werden dann verarbeitet, um eine Gruppe von Fourierkoeffizienten zu erzeugen, die zum Erzeugen eines Löschsignals verwendet werden.
• Systeme, die Signale im Frequenzbereich verarbeiten, z. B. unter Verwendung einer Fouriertransformation, führen ihre Funktion unter Gleichgewichtsbedingungen gut durch. Jedoch dann, wenn sich die Grundfrequenz des Rauschsignals ändert, benötigt das System mehrere Zyklen zum Wiedereinrichten eines effektiven Löschens. Dies ist aufgrund der Zeit so, die zum Durchführen der Fouriertransformation verbraucht wird. Wenn eine solche Vorrichtung in einem Rauschsteuersystem eines Verbrennungsmotors verwendet wird, werden während einer Beschleunigung und eines Abbremsens Diskontinuitäten bzw. Stöße eines Rauschens auftreten. Diese Stöße können in Wirklichkeit einen höheren Spitzenwert haben als das nicht unterdrückte Rauschen eines Motors im Gleichgewicht. Weiterhin macht die Notwendigkeit, eine Digitalsignalverarbeitung mit hoher Geschwindigkeit auszuführen, diese Systeme teuer.
• Ein System, das auf dieses Problem gerichtet ist, ist in WO-A-93/03479 offenbart. Dieses System verwendete eine analoge Rückkoppelschleife, wie in der US-A- 4527282, aber mit einer Bank von durchstimmbaren Bandpaßfiltern in der Schleife. Die Filter werden in Antwort auf Änderungen in bezug auf die Grundfrequenz des Rauschens durchgestimmt, so daß das Durchlaßband jedes Filters auf einer Harmonischen der Grundfrequenz des Rauschens zentriert bleibt. Die Verwendung der Bank von Filtern erweiterte effektiv die Bandbreite der Schleife für periodisches Rauschen, was die Stabilitätsprobleme früherer aktiver Rauschsteuersysteme mit analoger Rückkoppelschleife mildert.
• Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, das System der WO-A-93/03479 zu verbessern, während die Fähigkeit zum Behandeln eines periodischen Rauschens mit einer sich ändernden Grundfrequenz beibehalten wird.
• Ein System gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Datenverarbeitungseinrichtung zum Bestimmen der aktuellen Übertragungsfunktion des Systems und zum Erzeugen von Steuersignalen in Abhängigkeit davon enthält, und dadurch, daß die Signalverarbeitungseinrichtung auf die Steuersignale antwortet, wobei die Steuersignale derart sind, daß der Betrieb der Signalverarbeitungseinrichtung modifiziert wird, um eine Stabilität der Schleife beizubehalten.
• Vorzugsweise weist die Signalverarbeitungseinrichtung eine Vielzahl von durchstimmbaren Bandpaßfiltern auf, wobei die Steuereinrichtung betreibbar ist, um jedes Filter in Abhängigkeit vom spektralen Inhalt des zu löschenden Rauschens (Geräusches) durchzustimmen.
• Vorzugsweise weist die Signalverarbeitungseinrichtung einen Entzerrer auf, der gekoppelt ist, um die Ausgabe des Filters oder jedes Filters zu empfangen, und die Datenverarbeitungseinrichtung bestimmt die Übertragungsfunktion auf der Basis der Entzerrerausgabe und der Sensorausgabe.
• Vorzugsweise arbeitet die Datenverarbeitungseinrichtung, um einen spektralen Inhalt des Restsignals zu Bestimmen und um das oder jedes Filter in Abhängigkeit vom bestimmten spektralen Inhalt zu steuern. Noch mehr bevorzugt wird das oder jedes Filter durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Amplitude wenigstens einer Frequenzkomponente des Restsignals durchgestimmt, wie es durch die Datenverarbeitungseinrichtung bestimmt ist. Noch bevorzugter wird ein Filter in Abhängigkeit von der Amplitude einer konstanten Frequenzkomponente des Rests durchgestimmt.
• Ein System gemäß der vorliegenden Erfindung enthält vorzugsweise eine Testeinrichtung zum Testen seines Betriebes. Bevorzugter weist die Testeinrichtung eine Testsignal-Erzeugungseinrichtung auf, die zum Anlegen eines Testsignals an den Aktuator betreibbar ist, einen Empfänger, der betreibbar ist, um die Ausgabe des Sensors zu empfangen, und eine Testschaltung zum Analysieren des durch den Empfänger empfangenen Signals in Antwort auf einen Betrieb der Testsignal-Erzeugungseinrichtung. Noch bevorzugter weist die Testsignal- Erzeugungseinrichtung einen Mikroprozessor auf. Noch bevorzugter stellt die Testeinrichtung ein Testsignal zur Verfügung, das einen Bereich von Frequenzen aufweist.
• Bevorzugt arbeitet die Datenverarbeitungseinrichtung zum Einstellen der Verstärkung des Systems und/oder zum Einstellen der Güte Q des oder jedes Filters.
• Nun wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
• Fig. 1 ein verallgemeinertes Blockdiagramm eines Schwingungs- Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
• Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Schwingungs-Steuerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, in die eine CPU eingebaut ist; und
• Fig. 3A-3D Ablaufdiagramme für CPU-Operationen für die Steuerschaltungs- CPU sind.
• Gemäß Fig. 1 weist die Steuerschaltung allgemein einen Eingangspuffer 850, programmierbare analoge Filter 852, eine Entzerrungsschaltung 854 und eine digitale auf einer CPU basierende Schaltung 856 auf. Der Eingangspuffer 850 ist allgemein ein Schnittstellenpuffer zum Empfangen von Daten vom Sensor 100 und zum Konditionieren der Signale zur Verarbeitung durch die analogen Filter 852. Geeigneterweise kann der Eingangspuffer 850 ein Verstärker mit einer programmierbaren Verstärkung sein, um die richtige Amplitude von Signalen vom Sensor 100 zu liefern. Der Eingangspuffer 850 führt geeigneterweise eine Verstärkung durch, die durch die CPU einstellbar sein kann, und dann, wenn es erwünscht ist, eine Filterung. Eine einfache Filterung kann wünschenswert sein, um verschiedene spezifische Problemfrequenzen zu eliminieren, wie beispielsweise eine elektromagnetische Interferenz, die durch elektrische Systeme in der Nähe erzeugt wird. Zusätzlich sorgt eine einstellbare Verstärkung der Verstärkung für eine Stabilität des Systems und maximiert gleichzeitig die Löschungsfähigkeit des Schwingungs-Steuersystems.
• Die analogen Filter 852 enthalten allgemein analoge Filter, die auf relevante Frequenzen abgestimmt sind. Für eine Breitbandlöschung können einige der analogen Filter auf spezifische relevante Frequenzen abgestimmt sein, die konstant bleiben. Die analogen Filter 852 enthalten weiterhin Nachführfilter, wie diejenigen, die oben beschrieben sind, die durch ein Synchronisiersignal gesteuert werden, wie beispielsweise das Synchronisiersignal, das durch einen Drehsensor 102 erzeugt wird. Die analogen Filter 852 verstärken relevante Frequenzen und dämpfen nichtrelevante Frequenzen, um die Signale bei den relevanten Frequenzen zu isolieren, um ein Löschen zuzulassen.
• Der Entzerrer 854 hilft beim Beibehalten eines stabilen Systems im Hinblick auf die Übertragungseigenschaften der mechanischen und elektrischen Systeme. Das elektromechanische System, das durch einen Motor 101, die Motorbefestigung und das Schwingungs-Steuersystem gebildet ist, zeigt eine Frequenzantwort, die durch eine Übertragungsfunktion charakterisiert sein kann, die zum Programmieren des Entzerrers 854 verwendet wird. Der Entzerrer 854 begrenzt Abweichungen der Phasenverschiebung über dem Betriebsbereich des Schwingungs-Steuersystems im Hinblick auf die Übertragungsfunktion. Im wesentlichen versucht der Entzerrer 854, eine konstante Phasenverschiebung für alle zwischen dem Sensor 100 und dem Aktuator 120 übertragenen Signale beizubehalten. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel verstärkt der Entzerrer 854 Signale bei bestimmten Frequenzen und dämpft Signale bei anderen. Die bestimmten Frequenzen, die zu verstärken und zu dämpfen sind, können gemäß der Übertragungsfunktion programmiert werden, um dadurch die Systemstabilität zu verbessern.
• Das digitale auf einer CPU basierende System 856 interagiert mit dem Eingangspuffer 850, den analogen Filtern 852 und dem Entzerrer 854, um dem Schwingungs-Steuersystem ein Maß an Intelligenz und Stabilität zur Verfügung zu stellen, was folgendes zuläßt: eine Einstellung der System-Übertragungsfunktion, damit sie gemäß den aktuellen Notwendigkeiten des Schwingungs-Steuersystems bewegt wird; der relevanten Frequenzen (gleichgültig, ob sie auf die Synchronisierfrequenz bezogen sind oder nicht), damit sie kontinuierlich geändert und eingestellt werden, während das System arbeitet; des Schwingungs- Steuersystems zum Testen von sich selbst; und ein Überwachen und ein Einstellen von Systemparametern, um für eine optimale Leistungsfähigkeit zu sorgen und eine Systemstabilität über dem gesamten interessierenden Frequenzbereich beizubehalten.
• Gemäß Fig. 2 weist ein digital gesteuertes System 1000 zum Steuern einer Motorschwingung gemäß der vorliegenden Erfindung folgendes auf: eine hybride analoge Schaltung 900 mit einem programmierbaren Analogteil 900A (der allgemein dem Filter und dem Summier-Verstärker der Fig. 1 der WO-A-93/03479 entspricht) und mit einem digitalen Steuerteil 900B (der allgemein der Steuerung der Fig. 1 der WO-A-93/03479 entspricht); einen Beschleuniger bzw. ein Gaspedal 100; einen Rotations- bzw. Drehsensor 102; und einen Aktuator 120. Die analoge Schaltung 900A weist geeigneterweise eine Schaltung zum steuerbaren Durchführen einer Zeitbereichsverarbeitung und eines Formens des erfaßten Motorschwingungssignals und zum Liefern des Treibersignals zum Aktuator 120 in Übereinstimmung mit Steuersignalen von der digitalen Steuerschaltung 900B auf. Die analoge Schaltung 900A arbeitet effektiv als Typ eines virtuellen Erdungs- (virtuellen Erd-)Rückkoppelsystems. Ein Rückkoppeln ist beim dargestellten System durch den Aktuator 120 und den Sensor 100 vorgesehen; die Ausgabe des Sensors 100 zeigt die Auswirkungen der Operation des Aktuators 120. Die digitale Steuerschaltung 900B entwickelt Steuersignale für die verschiedenen Komponenten der analogen Schaltung 900A auf einer dynamischen Basis, und zwar geeigneterweise gemäß einer charakteristischen Frequenz der Rausch- oder Schwingungsquelle, wie hier der Motordrehfrequenz, wie sie durch den Sensor 102 angezeigt wird. Wie es erklärt wird, kann die digitale Schaltung 900B auch für eine Selbstdiagnose sorgen.
• Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, enthält die analoge Schaltung 900A geeigneterweise einen herkömmlichen Verstärker 904 mit programmierbarer Verstärkung; ein geeignetes programmierbares aktives Filter 106, vorzugsweise parallele Bandpaßfilter 106-1 bis 106-n, die unter Verwendung eines durch einen Mikroprozessor MAX 260 programmierbaren universellen aktiven Filters implementiert sind; einen Summier-Verstärker 114; einen geeigneten programmierbaren Ausgangsentzerrer 916; und einen Leistungsverstärker 918 mit programmierbarer Verstärkung. Durch den Beschleuniger 100 erzeugte Signale werden auf geeignete Weise, wie es erklärt wird, durch einen Schalter 900 zum Verstärker 904 mit programmierbarer Verstärkung geliefert. Die Verstärkung des Verstärkers 904 wird gemäß Signalen von der Steuerung 900B dynamisch eingestellt, um eine ausreichende Verstärkung des Sensorsignals ohne eine durch eine Überverstärkung verursachte Begrenzung bereitzustellen. Die vom Beschleunigungssensor 100 empfangenen verstärkten Signale werden parallel zu den Bandpaßfiltern 106-1 bis 106-n geliefert. Das Filter 106 isoliert Schwingungen, die durch den Motor erzeugt werden, von Zufallsschwingungen, die aus dem Motor 101 oder anderen Quellen entstehen, und überträgt sie zum Summier-Verstärker 114. Der Motor 101 erzeugt Schwingungen primär bei Frequenzen, die sich auf die Motordrehfrequenz beziehen, wie ganzzahlige oder nichtganzzahlige Vielfache einer Grundfrequenz. Jedes Filter 106-1 bis 106-n hat eine programmierbare Mittenfrequenz und eine programmierbare Q (Güte) und eine programmierbare Verstärkung. Wie es oben beschrieben ist, ist die Mittenfrequenz für jedes Filter so programmiert, daß ein Filter Signale in einem Band überträgt, das bei einer geeigneten Frequenz zentriert ist, die auf die Motordrehfrequenz bezogen ist, und die übrigen Filter Signale in Bändern übertragen, die bei verschiedenen zugehörigen Frequenzen zentriert sind, wie beispielsweise ganzzahligen oder nicht ganzzahligen Vielfachen der Motordrehfrequenz. Der Ausgang jedes einzelnen Bandpaßfilters ist mit dem Summier-Verstärker 114 verbunden, der die durch die Filter 106-1 bis 106-n erzeugten Signale aufsummiert.
• Wenn es erwünscht ist, können eines oder mehrere durchstimmbare Bandpaßfilter enthalten sein, die nicht auf das Synchronisiersignal antworten, sondern statt dessen auf ein unabhängiges Frequenzsignal antworten, das durch die Steuerschaltung 900B erzeugt wird, wie es erklärt wird. Solche Filter würden ein Löschen von Signalen zulassen, die nicht zur Motorgeschwindigkeit gehören, wie von verschiedenen Pumpen oder Motoren innerhalb des Systems, die typischerweise mit einer konstanten Geschwindigkeit arbeiten (oder mit einer einstellbaren Geschwindigkeit arbeiten, die unabhängig von einer Motordrehung geeignet erfaßt wird).
• Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Ausgang des Summier-Verstärkers 114 mit dem programmierbaren Ausgangsentzerrer 916 verbunden, wie beispielsweise National Semiconductor LMC835, der Signale gemäß der bestimmten Frequenz jedes Signals programmierbar verstärkt oder dämpft. Der Ausgangsentzerrer 916 führt Stabilisierfunktionen durch Kompensieren der elektromechanischen Charakteristiken des Motorbefestigungssystems und des Sensors 100 durch. Weil die Motorbefestigung ein elektromechanisches System ist, zeigt sie eine eindeutige Frequenzantwort mit einer Amplituden- und Phasencharakteristik. Diese Charakteristiken werden durch eine Übertragungsfunktion ausgedrückt, die für jede Motorbefestigung relativ konstant bleibt, obwohl sie sich mit der Zeit etwas ändern kann. Die Übertragungsfunktion in bezug auf eine bestimmte Frequenz kann durch Anlegen eines Signals jener bestimmten Frequenz durch den Aktuator 120 an die Motorbefestigung bestimmt werden. Die Antwort der Motorbefestigung wird dann durch die Ausgabe des Sensors 100 bestimmt. Dies wird über den Bereich relevanter Frequenzen durchgeführt, der Wobbelbereich genannt wird, bis die Übertragungsfunktion für die Motorbefestigung bei verschiedenen Frequenzen über den interessierenden Bereich gebildet ist. Diese Übertragungsfunktionen werden dann gespeichert und zum Programmieren des Ausgangsentzerrers 916 verwendet. Obwohl für die Zwecke dieser Anmeldung die Übertragungsfunktionen unter Verwendung eines Wobbelbereichs gebildet werden, sollte beachtet werden, daß mehrere Techniken zum Bilden der Übertragungsfunktionen der Motorbefestigung bekannt sind. Der Entzerrer 916 wird programmiert, um die Übertragungsfunktion des elektromechanischen Motorbefestigungssystems zu kompensieren. Ein geeignet programmierter Entzerrer 916 veranlaßt, daß das mechanische Motorbefestigungssystem relativ konstant über einen breiten Frequenzbereich antwortet, so daß die durch das Schwingungs-Steuersystem erzeugten Signale nicht dazu führen, daß das Motorbefestigungssystem über dem relevanten Bereich oszilliert. Somit läßt der Entzerrer 916 ein optimales Löschen zu, ohne eine Systeminstabilität zu verstärken. Der Entzerrer 916 kann irgendwo auf dem Signalpfad zwischen dem Sensor 100 und dem Aktuator 120 angeordnet sein.
• Der Ausgangsentzerrer 916 liefert Signale zu einem Leistungsverstärker 918, der das durch das Ausgangsfilter 916 erzeugte Signal ausreichend verstärkt, um den Aktuator 120 zu treiben. Die Verstärkung des Verstärkers 918 ist geeigneterweise konstant, kann aber, wenn es erwünscht ist, gemäß Signalen von der Steuerung 900B dynamisch eingestellt werden, um eine Stabilität beizubehalten. Eine Einstellung der Verstärkung des Verstärkers 918 könnte dann wünschenswert sein, wenn die Verstärkung der einzelnen Bandpaßfilter nicht verändert werden kann. Die Ausgabe des Leistungsverstärkers 918 wird dann auf geeignete Weise über einen Schalter 902 zum Aktuator 120 übertragen.
• Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, enthält die digitale Steuerschaltung 900B geeigneterweise eine SynchronisiersignalSchnittstelle 922; einen Taktgenerator, geeigneterweise einen Taktgenerator 924, der eine Anzahl von Signalen bei verschiedenen Frequenzen gemäß empfangenen Steuersignalen erzeugt; eine Mensch-Schnittstelle 925; eine CPU 906 und ein Speichersystem 908; einen Multiplexer 909; einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) 910; einen Digital-zu- Analog-Wandler (DAC) 912; und einen Bus 905. Die CPU 906 kann irgendeine geeignete Art von Mikroprozessor oder Steuervorrichtung sein. Durch Senden und Empfangen von Signalen auf dem Bus 905 steuert die CPU 906 verschiedene Systemfunktionen und überwacht Operationen, einschließlich der Verstärkungen der Verstärker 904 und 918, der Güteverstärkung und der Mittenfrequenz jedes Bandpaßfilters 106-1 bis 106-n und der Parameter des Entzerrers 916.
• Eine Menschen-Schnittstellenschaltung 925 kann geeigneterweise mit einer Tafel von Schaltern verbunden sein, die dem Anwender verschiedene Optionen erlauben, um verschiedene Betriebsarten zu initiieren, um einen Eigentestzyklus zu initiieren oder um das Schwingungs-Steuersystem freizugeben oder zu sperren. Beispielsweise kann es unter bestimmten Umständen wünschenswert sein, zwischen verschiedenen alternativen Betriebsarten umzuschalten, wie beispielsweise die gelöschten Frequenzen während eines gesamten Betriebs kontinuierlich zu ändern oder, alternativ dazu, die gelöschten Frequenzen oder Frequenzvielfache auszuwählen, wenn das System zum ersten Mal freigegeben wird, und danach die Auswahl während eines gesamten Betriebs beizubehalten. Durch Betätigen bzw. Umlegen des geeigneten Schalters kann der Anwender die geeignete Betriebsart einer Frequenzauswahl anzeigen. Die Schnittstelle 925 kann auch eine Reihe von LEDs oder andere Indikatoren enthalten, um Informationen in bezug auf einen aktuellen Betriebszustand zu liefern.
• Die Mittenfrequenz jedes Bandpaßfilters 106-1 bis 106-n wird dynamisch gesteuert. Signale vom Drehsensor 102 werden zur Synchronisiersignal-Schnittstelle 922 geliefert, die geeigneterweise Signale mit derselben Frequenz wie das Signal des Drehsensors 102 erzeugt, aber kompatibel zur digitalen Elektronik der Steuerschaltung 900B ist. Der Ausgang der Synchronisier-Schnittstelle 922 ist mit dem Taktgenerator 924 verbunden. Der Taktgenerator 924 erzeugt mehrere Signale bei verschiedenen Frequenzen. Geeigneterweise kann der Taktgenerator 924 ein programmierbarer Taktgenerator sein, der Signale von verschiedenen Vielfachen der Motorgeschwindigkeit gemäß Steuersignalen erzeugt, die von der CPU 906 empfangen werden. Alternativ dazu kann der Taktgenerator 924 einen Frequenzvervielfacher mit phasenverriegelter Schleife enthalten, der die Frequenz der vom Sensor 102 empfangenen Signale vervielfacht. Eines der durch den Taktgenerator 924 erzeugten Signale bezieht sich auf eine Grund- Schwingungsfrequenz des Motors. Für Filter mit geschalteter Kapazität ist diese entsprechende Frequenz in Abhängigkeit vom Typ des verwendeten Filters typischerweise das 50- bis 100-fache der erwünschten Filter-Mittenfrequenz. Andere Signale, die durch den Taktgenerator 924 erzeugt werden, entsprechen zugehörigen Frequenzen (z. B. ganzzahligen oder nichtganzzahligen Vielfachen der Grund-Motordrehzahlfrequenz). Jede Mittenfrequenz eines Bandpaßfilters 106-1 bis 106-n wird gemäß dem entsprechenden Taktsignalausgang des Taktgenerators 924 verändert. Somit hat das erste Motordrehzahlfrequenz-Bandpaßfilter 106-1 eine Mittenfrequenz bei der ersten signifikanten Motorschwingungsfrequenz. Die übrigen Filter 106-1 bis 106-n werden gleichermaßen eingestellt, um Signale bei zugehörigen (z. B. ganzzahligen oder nichtganzzahligen Vielfachen der) Frequenzen zu übertragen. Der Taktgenerator 924 ist mit dem Bus 905 verbunden, so daß der Taktgenerator 924 durch die CPU 906 abgetastet, programmiert oder eingestellt werden kann.
• Die CPU 906 liefert die geeigneten Steuersignale zum Taktgenerator 924, der wiederum Taktsignale bei den richtigen Frequenzen zum Anlegen an die Bandpaßfilter 106-1 bis 106-n bei der Frequenz der zu löschenden Schwingung erzeugt. Der Taktgenerator 924 muß nicht von dem Synchronisiersignal abhängen, das durch den Sensor 102 erzeugt wird. Wenn es erwünscht ist, kann der Taktgenerator 924 ein separates unabhängiges Geschwindigkeitssignal empfangen, das zu einer Rauschquelle gehört, die unabhängig von einer Motorgeschwindigkeit (z. B. einem elektrischen Ventilator) ist, und/oder kann eine interne Taktschaltung (z. B. einen Kristalloszillator) enthalten, der Signale über einen breiten Frequenzbereich gemäß vorbestimmten Werten oder Signalen erzeugt, die durch den Mikroprozessor erzeugt werden. Der interne Takt ist insbesondere zum Erzeugen von Testsignalen über einen breiten Frequenzbereich zum Testen der Schaltung und zum Bestimmen der Übertragungsfunktion der mechanischen Motorbefestigung nützlich. Mit einem internen Takt kann eine Breitbandlöschung von Schwingungen durchgeführt werden, einschließlich Frequenzen, die nicht zur Motorgeschwindigkeit gehören, die durch den Sensor 102 angezeigt wird. Folglich kann eine beliebige periodische Schwingung, die durch den Sensor 100 erfaßt wird und durch die CPU 906 als signifikant bestimmt wird, gelöscht werden.
• Der ADC 910 enthält einen Eingang, der mit dem Multiplexer 909 verbunden ist, der Eingänge hat, die mit den Bandpaßfiltern 106-1 bis 106-n, dem Leistungsverstärker 918 und dem Beschleuniger 100 verbunden sind. Der Multiplexer 909 wird durch die CPU 906 gesteuert. Der ADC 910 wandelt Signale von analogen Signalen in digitale Signale für die CPU 906 um und wird durch die CPU 906 über den Bus 905 gesteuert.
• Der DAC 912 empfängt auch Steuersignale auf dem Bus 905 und wandelt die digitalen Signale in entsprechende analoge Signale um. Der Ausgang des DAC 912 ist selektiv mit dem Eingang des programmierbaren Verstärkers 904 oder mit dem Eingang des Aktuators 120 verbunden, um ein Testen zu ermöglichen, wie es beschrieben wird. Die CPU 906 kann den Leistungsverstärker 918 vom Aktuator 120 durch Öffnen des Schalters 902 trennen und kann den Beschleuniger 100 vom programmierbaren Verstärker 904 durch Öffnen des Schalters 900 trennen, um Systemtests über den ADC 910 und den DAC 912 durchzuführen.
• Nimmt man nun Bezug auf die Fig. 3A bis 3D, führt die CPU 906 vorzugsweise die folgende Sequenz von Operationen durch. Wenn das System eingeschaltet wird, wird eine Initialisierungssequenz initiiert (Schritt 1000). Dann wird ein Eigentest-Unterprogramm ausgeführt (Schritt 1002). Wie es in Fig. 3D gezeigt ist, wird beim Bewirken des Eigentest-Programms der Sensor (z. B. der Beschleuniger) 100 anfangs durch den Schalter 900 vom Ausgang des DAC 912 getrennt und mit dem Eingang des programmierbaren Verstärkers 904 verbunden (Schritt 1006). Der Ausgang des Leistungsverstärkers 918 wird unter Verwendung des Schalters 902 vom Aktuator 120 getrennt (Schritt 1008). Die CPU 906 erzeugt dann ein Testsignal bei einer bestimmten Frequenz (Schritt 1010), das über den Bus 905 zum DAC-Wandler 912 geliefert wird. Der DAC 912 wandelt das Testsignal in eine analoge Form um und liefert das Testsignal zur analogen Schaltung 900A. Die Antwort des Leistungsverstärkers 918 auf das Testsignal wird durch den ADC 910 empfangen. Anfängliche Verstärkungs- und Filterparameter werden aus dem Speicher 908 ausgelesen und zu den geeigneten Bauteilen geliefert (Schritt 1012). Die CPU 906 tastet dann den Ausgang eines der Bandpaßfilter 106-1 bis 106-n durch den Analog-zu-Digital-Wandler 910 ab (Schritt 1014) und bestimmt, ob die abgetastete Filterausgabe für ein bestimmtes arbeitendes Bandpaßfilter richtig ist (Schritt 1016). Wenn es nicht so ist, wird ein Fehlerdienstprogramm ausgeführt (Schritt 1018), um den Bediener über eine Fehlfunktion im System zu alarmieren. Keine weiteren Operationen werden durchgeführt (Schritt 1020).
• Wenn das abgetastete Bandpaßfilter richtig arbeitet, wird der Ausgang des Leistungsverstärkers 918 durch die CPU 906 über den ADC-Wandler 910 abgetastet (Schritt 1022) und getestet (Schritt 1024). Wenn der Leistungsverstärker 918 nicht richtig arbeitet, wird das Fehlerdienstprogramm ausgeführt (Schritt 1018). Wenn der Leistungsverstärker 918 richtig arbeitet, wird eine Bestimmung diesbezüglich durchgeführt, ob irgendeine der Bandpaßfilter 106- 1 bis 106-n noch nicht getestet ist (Schritt 1026), und wenn es so ist, werden das nächste Bandpaßfilter und der Leistungsverstärker 918 bei einer neuen Frequenz wiederum getestet (Schritt 1010). Wenn jedes der Bandpaßfilter 106-1 bis 106-n getestet worden ist und durchlaufen ist, wird ein Flag gesetzt, was anzeigt, daß das System den Eigentest durchlaufen hat (Schritt 1028), und ein Rücksprung zum Hauptprogramm wird bewirkt (Schritt 1030).
• Nach der Ausführung des Eigentest-Programms bestimmt die CPU den Zustand der Mensch-Schnittstelle für ausgewählte Optionen (Schritt 1032). Wenn verschiedene Optionen ausgewählt sind, können geeignete Unterprogramme aufgerufen werden, um die gewünschten Funktionen auszuführen. Die CPU 906 schließt dann den Schalter 900, um den Beschleuniger 100 wieder mit dem programmierbaren Verstärker 904 zu verbunden, und testet das durch den Drehsensor 102 gelieferte Signal (Schritt 1034). Wenn noch kein Signal vom Drehsensor 102 empfangen wird, fährt die CPU 906 damit fort, das Signal des Drehsensors 102 zu testen, bis ein Signal aktiviert ist. Als nächstes leitet das Hauptprogramm die CPU 906 dazu an, die Parameter für den Verstärker 904, die Filter 106-1 bis 106-n und die Parameter des Drehsensors 102 zu berechnen (Schritt 1040). Die berechneten Parameter werden dann zu den geeigneten Bauteilen heruntergeladen (Schritt 1042). Als nächstes schließt die CPU 906 den Schalter 902 und verbindet den Ausgang des Leistungsverstärkers 918 wieder mit dem Aktuator 120, um dadurch das Schwingungs-Steuersystem freizugeben.
• Zum Beginnen einer Überwachung und einer Steuerung des Systems werden alle Unterbrechungen für die CPU 906 freigegeben (Schritt 1046). Die CPU 906 tastet dann das Signal des Drehsensors 102 ab, um zu bestimmen, ob eine Periode hoher Beschleunigung initiiert worden ist (Schritt 1048). Während Perioden hoher Beschleunigung läuft der Motor sehr schnell, so daß sich die Grund- Motordrehzahlfrequenz und ihre zugehörigen Frequenzen schnell ändern und sich die Amplituden der Motorschwingungen erhöhen. Wenn es so ist, speichert die CPU 906 die aktuelle Verstärkung und Güte Q von jedem des Verstärkers und der Filter im Speicher 908 (Schritt 1050). Die CPU 906 reduziert dann die Güte jedes der Filter 106-1 bis 106-n um einen vorbestimmten Betrag (Schritt 1052). Alternativ dazu kann die Filtergüte durch einen Betrag eingestellt werden, der derart berechnet ist, daß er der Beschleunigungsrate des Motors entspricht. Die CPU 906 kann auch die Verstärkung des Leistungsverstärkers 918 erhöhen, um ein ausreichendes Anti-Rauschen in Antwort auf die hohe Beschleunigung bereitzustellen (Schritt 1054). Jedoch bleibt das Erhöhen der Verstärkung den oben beschriebenen Instabilitätskriterien ausgesetzt. Wenn die relevante gefilterte Frequenz zu hoch ist, kann ein signifikantes Erhöhen der Verstärkung eine Instabilität fördern. Wenn keine Periode hoher Beschleunigung beginnt, oder wenn die Filter- und Verstärkercharakteristiken bereits auf geeignete Weise geändert worden sind, tastet die CPU 906 das Signal des Drehsensors 102 ab, um zu bestimmen, ob das System am Ende einer Periode hoher Beschleunigung ist (Schritt 1056). Wenn es so ist, liest die CPU 906 die gespeicherten Verstärkungs- und Güteparameter aus dem Speicher 908 aus und speichert sie zu den jeweiligen Bauteilen um (Schritt 1058). Wenn der Motor nicht am Ende einer Periode hoher Beschleunigung ist oder wenn die Verstärkungs- und Güteparameter bereits zu den Bauteilen umgespeichert sind, werden die Ausgaben der Bandpaßfilter 106-1 bis 106-n abgetastet (Schritt 1060). Wenn die Filterausgangsamplituden eine vorbestimmte Schwelle übersteigen, wird die Verstärkung des programmierbaren Verstärkers 904 durch die CPU 906 reduziert, um annehmbare Ausgangspegel beizubehalten (Schritt 1062). Die Ausgabe der Filter 106-1 bis 106-n wird dann mit einer zweiten Schwelle verglichen (Schritt 1064). Wenn die Filterausgangsamplitude unter der zweiten Schwelle ist, wird die Verstärkung des programmierbaren Verstärkers 904 erhöht, um eine ausreichende Verstärkung zu erreichen (Schritt 1066). Änderungen der Verstärkung des Verstärkers 904 werden durch eine umgekehrt proportionale Änderung der Verstärkung des Leistungsverstärkers 918 im Gleichgewicht gehalten, wie es nötig sein kann, um eine Systemstabilität beizubehalten.
• Als nächstes bestimmt die CPU 906, ob das Merkmal der dynamischen Frequenzanpassung freigegeben worden ist (Schritt 1068). Das Merkmal der dynamischen Frequenzanpassung bestimmt, welche relevanten Frequenzen am größten sind, und programmiert die Mittenfrequenzen der Bandpaßfilter 106-1 bis 106-n für jene Frequenzen. Wenn es freigegeben ist, wird das vom Beschleuniger 100 empfangene Signal getestet, um zu bestimmen, welche Frequenzen am größten sind und somit die größte Schwingung hervorrufen (Schritt 1070). Parameter werden durch die CPU 906 zum Taktgenerator 924 geliefert, um die geeigneten Taktsignale zu erzeugen (Schritt 1072). Der Taktgenerator 924 ändert dann die Frequenz seiner Ausgangssignale, so daß die Bandpaßfilter 106-1 bis 106-n Mittenfrequenzen entsprechend den signifikantesten Frequenz haben. Nach einem Ausbilden der geeigneten Mittenfrequenzen testet die CPU 906 den Ausgang des Leistungsverstärkers 918, um zu bestimmen, ob die Ausgabe der analogen Schaltung instabil ist (Schritt 1074). Wenn es so ist, stellt die CPU 906 die Güte und die Verstärkung des Bandpaßfilters 106-n mit der höchsten Frequenz derart ein, daß eine Systemstabilität beibehalten wird (Schritt 1076). Die CPU 906 liest dann die Mensch-Schnittstelle 925, um zu bestimmen, ob das Löschungssystem freigegeben ist (Schritt 1078). Wenn es so ist, schließt die CPU 906 den Schalter 902, um den Ausgang des Leistungsverstärkers 918 mit dem Aktuator 120 zu verbinden (Schritt 1080). Wenn das Löschmerkmal nicht freigegeben ist, öffnet die CPU 906 den Schalter 902, und der Aktuator 120 wird vom Ausgang des Leistungsverstärkers 918 getrennt (Schritt 1082). Als nächstes prüft die CPU 906 die Mensch-Schnittstelle 925, um zu bestimmen, ob ein Eigentest des Systems erwünscht ist (Schritt 1084). Wenn es so ist, ruft die CPU 906 das Eigentest-Programm auf, wie es oben beschrieben ist (Schritt 1084). Dann springt die CPU 906 zurück zum Hauptprogramm und prüft die Mensch- Schnittstelle 925, um zu bestimmen, ob das Programm zu beenden ist (Schritt 1088). Wenn es nicht so ist, springt die CPU 906 zurück zum Start des Überwachungszyklus (Schritt 1048), und das System fährt damit fort, die Steuerschaltungsfunktionen zu überwachen. Wenn es so ist, werden die Unterbrechungen der CPU 906 gesperrt (Schritt 1090). Die CPU 906 öffnet dann den Schalter 902, um den Ausgang des Leistungsverstärkers 918 vom Aktuator 120 zu trennen (Schritt 1092). Eine Ausführung des Programms ist dann beendet (Schritt 1094).
• Das Steuersystem des bevorzugten Ausführungsbeispiels läßt zu, daß das Schwingungs-Steuersystem effektiver arbeitet. Bei digitalen Systemen nach dem Stand der Technik wird das durch den Beschleuniger 100 detektierte Rauschen aufgrund der Verarbeitungsverzögerung zwischen einer Erzeugung der Schwingung durch den Motor 101 und einer Erzeugung von Steuersignalen durch die Steuerschaltung phasenverschoben. Folglich wird das System anfällig gegenüber einer Instabilität, und die Leistungsfähigkeit des Schwingungs- Steuersystems verringert sich. Gegensätzlich dazu minimiert die analoge Schaltung des bevorzugten Ausführungsbeispiels die Antwortverzögerung. Zusätzlich stellt die digitale Schaltung in Kombination mit der analogen Schaltung einige Intelligenz zur Verfügung und läßt zu, daß die Systemleistung überwacht und optimiert wird.
• Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ein Motorschwingungs- Steuersystem beschrieben worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt und ist auf viele Situationen anwendbar, in welchen es wünschenswert ist, ein auf einer Welle basierendes Signal zu löschen. Auf einer Welle basierende Signale enthalten Longitudinal- oder Transversal-Wellen in Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen, Schwingungen und eine Biegung. Weiterhin wird die vorliegende Erfindung in vielen unterschiedlichen Situationen Anwendung finden, wie beispielsweise zum Beruhigen eines Kühlschranks, in einem aktiven Abgas-Schalldämpfer oder zum Löschen eines Ventilatorrauschens in einem Kanal bzw. Gang.
• Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das System zum Isolieren von Motorschwingungen von einem Fahrzeugkörper verwendet. Wenn jedoch der Beschleuniger 100 am Motor angebracht wäre, würde das System zum Löschen der Schwingungen im Motor selbst arbeiten. Daher wird angenommen, daß das vorliegende System für sowohl ein Isolieren als auch ein direktes Löschen unerwünschter periodischer akustischer Signale verwendet werden kann.
• Einem Fachmann auf dem Gebiet wäre klar, daß mehrere Änderungen in bezug auf die Bauteile, Materialien, den Aufbau und den Entwurf des obigen Systems variiert werden können.

Claims (12)

1. Aktives Rausch-Löschungssystem, das folgendes aufweist: eine analoge geschlossene Rückkoppel-Steuerschleife mit einem Sensor (100) zum Detektieren einer Restschwingung, einer Signalverarbeitungseinrichtung mit einem durchstimmbaren Bandpaßfilter (106-1, ..., 106-n) zum Filtern der Ausgabe des Sensors und einem Aktuator (120), der auf die Filterausgabe antwortet, ein Löschen von Schwingungen zu erzeugen, und eine Steuereinrichtung (9008) zum Durchstimmen des Filters in Abhängigkeit vom spektralen Inhalt des zu löschenden Rauschens, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Datenverarbeitungseinrichtung (906, 908, 909, 910, 912) zum Bestimmen der aktuellen Übertragungsfunktion des Systems und zum Erzeugen von Steuersignalen in Abhängigkeit davon enthält, und dadurch, daß die Signalverarbeitungseinrichtung auf die Steuersignale antwortet, wobei die Steuersignale derart sind, daß der Betrieb der Signalverarbeitungseinrichtung modifiziert wird, um eine Stabilität der Schleife beizubehalten.

2. System nach Anspruch 1, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung eine Vielzahl von durchstimmbaren Bandpaßfiltern (106-1, ..., 106-n) aufweist, wobei die Steuereinrichtung betreibbar ist, jedes Filter in Abhängigkeit von dem spektralen Inhalt des zu löschenden Rauschens durchzustimmen.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung einen Entzerrer (916) aufweist, der gekoppelt ist, die Ausgabe des oder jedes Filters zu empfangen, und die Datenverarbeitungseinrichtung die Übertragungsfunktion auf der Basis der Entzerrerausgabe und der Sensorausgabe bestimmt.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung arbeitet, um einen spektralen Inhalt des Restsignals zu bestimmen und das oder jedes Filter in Abhängigkeit vom bestimmten spektralen Inhalt zu steuern.

5. System nach Anspruch 4, wobei das oder jedes Filter durch die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Amplitude wenigstens einer Frequenzkomponente des Restsignals durchgestimmt wird, wie es durch die Datenverarbeitungseinrichtung bestimmt ist.

6. System nach Anspruch 5, wobei ein Filter in Abhängigkeit von der Amplitude einer konstanten Frequenzkomponente des Rests durchgestimmt wird.

7. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, das eine Testeinrichtung (900B) zum Testen seines Betriebs enthält.

8. System nach Anspruch 7, wobei die Testeinrichtung eine Testsignal- Erzeugungseinrichtung (906), die betreibbar ist, ein Testsignal an den Aktuator anzulegen, einen Empfänger (900B), der betreibbar ist, die Ausgabe des Sensors zu empfangen, und eine Testschaltung (900B) zum Analysieren des durch den Empfänger empfangenen Signals in Antwort auf einen Betrieb der Testsignal-Erzeugungseinrichtung aufweist.

9. System nach Anspruch 8, wobei die Testsignal-Erzeugungseinrichtung einen Mikroprozessor (906) aufweist.

10. System nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei die Testeinrichtung ein Testsignal zur Verfügung stellt, das einen Bereich von Frequenzen aufweist.

11. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung arbeitet, die Verstärkung des Systems einzustellen.

12. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung arbeitet, Q (die Güte) des oder jedes Filters einzustellen.