專利名稱：采用sigma-delta調(diào)制的微機(jī)械旋轉(zhuǎn)率傳感器正交和共振頻率的解耦控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求I前述部分的方法以及一種微機(jī)械旋轉(zhuǎn)率傳感器，所述微機(jī)械旋轉(zhuǎn)率傳感器具有共同地與第一震動(dòng)質(zhì)量(seismicmass)相關(guān)聯(lián)的至少三個(gè)修整電極元件。
背景技術(shù)：
已知的是，用于將旋轉(zhuǎn)率傳感器中的震動(dòng)質(zhì)量抑制在一定范圍的微機(jī)械彈簧已經(jīng)導(dǎo)致在驅(qū)動(dòng)模式或主要模式中的讀取方向上存在由于相對(duì)較小的制造不準(zhǔn)確性而產(chǎn)生的偏差，該制造不準(zhǔn)確性使得特別是在不存在旋轉(zhuǎn)率的情況下出現(xiàn)各自結(jié)構(gòu)的不期望的邊緣角。結(jié)果，產(chǎn)生干擾信號(hào)，該干擾信號(hào)是作為旋轉(zhuǎn)率信號(hào)分量而被不期望地評(píng)估的，并且因 而偽造旋轉(zhuǎn)率信號(hào)或者導(dǎo)致與旋轉(zhuǎn)率信號(hào)相關(guān)的測(cè)量誤差。這類非期望的邊緣角或彈簧傾斜是工藝導(dǎo)致的并且僅能在有限角度內(nèi)避免。如上所描述的干擾信號(hào)，其并不是由于所檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)率而是由于讀取方向上的故障偏差(其根據(jù)驅(qū)動(dòng)方向中的震動(dòng)質(zhì)量及其彈簧的偏差)而出現(xiàn)的，所述干擾信號(hào)也被稱為正交或正交信號(hào)。文獻(xiàn)WO 03/010492 Al提出了一種用于在旋轉(zhuǎn)率傳感器中抑制正交信號(hào)的方法，其中所述旋轉(zhuǎn)率傳感器包括與震動(dòng)質(zhì)量相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)修整電極安排，在所述方法中，通過(guò)向修整電極施加電壓的方式來(lái)抑制旋轉(zhuǎn)率傳感器的正交。然而，這種正交抑制會(huì)不期望地影響旋轉(zhuǎn)率傳感器讀取模式的共振頻率，結(jié)果這導(dǎo)致共振頻率之間的差分頻率也隨著旋轉(zhuǎn)率傳感器的驅(qū)動(dòng)模式或主要模式以及讀取模式或次要模式而改變。由于在讀取模式共振頻率的改變中二次方地包含了施加到修整電極上的電壓，因此這將更為不利。通常，晶片的旋轉(zhuǎn)率傳感器的正交的實(shí)施例由于工藝變動(dòng)而變化程度相對(duì)較高并且對(duì)于晶片的每個(gè)旋轉(zhuǎn)率傳感器而言也十分地不同。此外，已知地，通過(guò)至少一個(gè)修整電極元件或修整電極來(lái)重置讀取模式或次要模式下的旋轉(zhuǎn)率傳感器的一個(gè)或多個(gè)震動(dòng)質(zhì)量的偏差。然而，這通常也會(huì)影響次要振蕩器的共振頻率，以及影響可能的正交抑制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)率傳感器的測(cè)量方法以及對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)率傳感器，利用該旋轉(zhuǎn)率傳感器并且基于所檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)率、正交抑制以及次要振蕩器的共振頻率設(shè)置而對(duì)次要模式的偏差進(jìn)行重置，能夠被共同地執(zhí)行，特別地使得這三個(gè)影響能夠至少部分彼此獨(dú)立地被執(zhí)行或設(shè)置。通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求I的方法以及根據(jù)權(quán)利要求15的微機(jī)械旋轉(zhuǎn)率傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。優(yōu)選地，所述方法和旋轉(zhuǎn)率傳感器被體現(xiàn)或設(shè)計(jì)成使得至少能夠基于所檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)率和正交抑制并且與震動(dòng)質(zhì)量偏差的重置無(wú)關(guān)地來(lái)執(zhí)行共振頻率的設(shè)置，以及使得特別是還能夠基于所檢測(cè)旋轉(zhuǎn)率或次要模式范圍內(nèi)的至少一個(gè)震動(dòng)質(zhì)量的整個(gè)偏差以及正交抑制來(lái)彼此無(wú)關(guān)地設(shè)置偏差的重置。優(yōu)選地，將正交操縱變量定義為用于抑制由正交所引起的次要模式的偏差或振蕩的靜態(tài)操縱變量。因此，特別地，抑制了旋轉(zhuǎn)率傳感器輸出信號(hào)的不期望的正交信號(hào)或正交信號(hào)分量，其通常關(guān)于構(gòu)成旋轉(zhuǎn)率的旋轉(zhuǎn)率傳感器輸出信號(hào)分量而基本上相移90°或270° 方便地，重置操縱變量是諧波振蕩信號(hào)，其幅度取決于第一控制器單元的輸出，其中該幅值乘以諧波振蕩信號(hào)，該諧波振蕩信號(hào)具有與主要模式或驅(qū)動(dòng)模式相同的頻率。優(yōu)選地，將共振頻率操縱變量定義成靜態(tài)變量，利用該靜態(tài)變量，讀取模式下的共振頻率和驅(qū)動(dòng)模式下的共振頻率之間的頻率差值基本上具有限定值或被調(diào)整為限定值，或者可選地優(yōu)選為零或被調(diào)整為零。驅(qū)動(dòng)模式或主要模式優(yōu)選地被看作是旋轉(zhuǎn)率傳感器的自然模式，優(yōu)選地是自然振蕩，特別優(yōu)選地是在至少一個(gè)震動(dòng)質(zhì)量的共振頻率處振蕩，其中旋轉(zhuǎn)率傳感器的震動(dòng)質(zhì)量特別地是連續(xù)地振蕩。更特別優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)率傳感器具有至少兩個(gè)震動(dòng)質(zhì)量，其彼此耦合并且在驅(qū)動(dòng)模式期間以相反相位振蕩或者在相同方向上均存在彼此反向的偏差。讀取模式或次要模式優(yōu)選地被看作是由于旋轉(zhuǎn)率和Coriolis應(yīng)力的相關(guān)效應(yīng)而被優(yōu)選地設(shè)定的自然模式。優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)率傳感器包括至少四個(gè)修整電極元件，其共同地直接或間接關(guān)聯(lián)于所述震動(dòng)質(zhì)量，其中在第一修整電極元件和震動(dòng)質(zhì)量之間施加第一電修整電壓，在第二修整電極元件和震動(dòng)質(zhì)量之間施加第二電修整電壓，在第三修整電極元件和震動(dòng)質(zhì)量之間施加第三電修整電壓，以及在第四修整電極元件和震動(dòng)質(zhì)量之間施加第四電修整電壓，其中第一修整電壓U1、第二修整電壓U2、第三修整電壓U3以及第四修整電壓U4均基本上按照共振頻率操縱變量 τ、正交操縱變量iic和重置變量fls的以下相關(guān)性而被設(shè)置
權(quán)利要求
1.一種用于微機(jī)械旋轉(zhuǎn)率傳感器的準(zhǔn)確測(cè)量操作的方法，所述微機(jī)械旋轉(zhuǎn)率傳感器包括至少一個(gè)震動(dòng)質(zhì)量、用于以主要模式( )驅(qū)動(dòng)所述震動(dòng)質(zhì)量的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備、以及共同地與所述震動(dòng)質(zhì)量直接或間接地相關(guān)聯(lián)的至少三個(gè)修整電極元件(I )，其中，在這些修整電極元件(I)中的每一個(gè)與所述震動(dòng)質(zhì)量之間施加電修整電壓(U1, U2, U3, U4),其特征在于根據(jù)共振頻率操縱變量(沒(méi)j， τ，(0、正交操縱變量(^7， <，(0和重置變量來(lái)設(shè)置這些電修整電壓(U1, U2, U3, U4)中的每一個(gè)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)率傳感器(I)包括至少四個(gè)修整電極元件(1)，其共同地直接或間接關(guān)聯(lián)于所述震動(dòng)質(zhì)量(2)，其中在第一修整電極元件和所述震動(dòng)質(zhì)量之間施加第一電修整電壓，在第二修整電極元件和所述震動(dòng)質(zhì)量之間施加第二電修整電壓，在第三修整電極元件和所述震動(dòng)質(zhì)量之間施加第三電修整電壓，以及在第四修整電極元件和所述震動(dòng)質(zhì)量之間施加第四電修整電壓，其中所述第一修整電壓U1、所述第二修整電壓U2、所述第三修整電壓U3以及所述第四修整電壓U4每個(gè)都基本上利用共振頻率操縱變量 τ、正交操縱變量iic和重置變量Os的以下的相關(guān)性而被設(shè)置
3.如權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述修整電極元件(I)每個(gè)都被體現(xiàn)和安排成使得電容C1，C2，C3和C4形成在所述第一、第二、第三和第四修整電極元件與相關(guān)震動(dòng)質(zhì)量的各自相關(guān)質(zhì)量電極元件(2)之間,其中施加在所述修整電極元件和所述質(zhì)量電極元件之間的相關(guān)修整電壓如下
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在所有所述修整電極元件/質(zhì)量電極元件對(duì)(I, 2)中，Ai, I^ti, gi和Si基本上相同。
5.如權(quán)利要求I到4中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)率傳感器包括控制安排(3)，其中首先利用預(yù)定義的控制參考變量而從所述控制變量(y)中形成控制誤差變量，其中所述控制變量(y)代表其次要模式的方向中的所述震動(dòng)質(zhì)量的所檢測(cè)的偏差，以及其中所述控制參考變量是具有利用所述主要模式的頻率(Q1)而調(diào)制的頻率為的諧波頻率識(shí)別信號(hào)(yD)，或者該頻率識(shí)別信號(hào)被疊加在所述控制參考變量上，其后，如此形成的所述控制誤差變量被饋送給第一控制器單元(4)，在所述第一控制器單元中至少產(chǎn)生所述重置信號(hào)(2S)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述重置變量( )隨后在第一解調(diào)器單元(5)中利用兩個(gè)彼此相位移動(dòng)90度的諧波信號(hào)而被解調(diào)，由此獲取了正交變量和旋轉(zhuǎn)率變量，其后，根據(jù)正交參考變量而從所述正交變量中產(chǎn)生正交控制誤差變量，所述正交參考變量特別地為“O”值，其中所述正交控制誤差變量被饋送給正交控制器單元(10)，其使得所述正交操縱變量( )在輸出側(cè)變?yōu)榭捎?，以及其中所述旋轉(zhuǎn)率變量或正交變量利用頻率在第二解調(diào)器單元(8)中被解調(diào)，由此獲取獲取頻率變量，其后，根據(jù)頻率參考變量而從所述頻率變量中產(chǎn)生頻率控制誤差變量，所述頻率參考變量特別地為“O”值，其中所述頻率控制誤差變量被饋送給頻率控制器單元(9)，其使得共振頻率操縱變量(4)在輸出側(cè)變?yōu)榭捎谩?br> 7.如權(quán)利要求I到4中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)率傳感器包括控制安排(3)，其中首先利用預(yù)定義的控制參考變量而從控制變量(y)中產(chǎn)生控制誤差變量，其中所述控制變量(y)代表在其次要模式的方向中的所述震動(dòng)質(zhì)量的所檢測(cè)的偏差，以及其中所述控制參考變量是具有利用主要模式的頻率(Q1)而調(diào)制的頻率為的諧波頻率識(shí)別信號(hào)(yD)，或者該頻率識(shí)別信號(hào)被疊加在所述控制參考變量上，其后，如此形成的所述控制誤差變量被饋送給第一控制器單元(4)，隨后該第一控制器單元(4)的輸出信號(hào)在第一解調(diào)器單元(5)中利用兩個(gè)彼此相位移動(dòng)90度的諧波信號(hào)而被解調(diào)，由此獲取正交變量和旋轉(zhuǎn)率變量，其后，根據(jù)正交參考變量而從正交變量中產(chǎn)生正交控制誤差變量，所述正交參考變量特別地為“O”值，其中所述正交控制誤差變量被饋送給正交控制器單元(10)，其使得所述正交操縱變量(l>.在輸出側(cè)變?yōu)榭捎茫约捌渲兴鲂D(zhuǎn)率變量或正交變量利用頻率在第二解調(diào)器單元(8)中被解調(diào)，由此獲取獲取頻率變量，其后，根據(jù)頻率參考變量而從所述頻率變量中產(chǎn)生頻率控制誤差變量，所述頻率參考變量特別地為“O”值，其中所述頻率控制誤差變量被饋送給頻率控制器單元(9)，其使得所述共振頻率操縱變量(七)在輸出側(cè)變?yōu)榭捎谩?br> 8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)率傳感器具有使得置變量( ,Usd)變?yōu)榭捎玫闹刂脝卧?，其中該重置變? , GSD):特別地具有限定常量的重置值。
9.如權(quán)利要求I到8中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述控制安排(3)包括sigma-delta轉(zhuǎn)換器，利用該轉(zhuǎn)換器，所述控制變量被直接數(shù)字化或者與其相關(guān)的至少一變量被數(shù)字化，隨后所述共振頻率操縱變量(4)、所述正交操縱變量( )和所述重置變量( )作為數(shù)字變量而被生成。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述Sigma-delta調(diào)制器被體現(xiàn)為電機(jī)械式Sigma-delta調(diào)制器。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述sigma-delta調(diào)制器包括安排在所述第一控制器單元(4)的輸入側(cè)上游的電容/電壓轉(zhuǎn)換器(13)、所述第一控制單元自身(4)、在所述第一控制器單元的輸出側(cè)與其連接的量化器(12)、以及用于反饋控制過(guò)程的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器和電壓/應(yīng)力傳感器。
12.如權(quán)利要求I到11中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)率傳感器，特別是其控制安排(3)，具有操縱變量轉(zhuǎn)換單元(7)，該操縱變量轉(zhuǎn)換單元使得修整電壓ul, u2, u3和u4根據(jù)所述共振頻率操縱變量flT、所述正交操縱變量flC以及所述重置變量HS并且按照以下等式而變?yōu)榭捎?br> 13.如權(quán)利要求5到12中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，所述第一控制器單元(4)的輸出信號(hào)被數(shù)字化，以及至少所述第一解調(diào)器單元(5)、所述第二解調(diào)器單元(8)、所述正交控制器單元(10)和所述頻率控制器單元(9)以數(shù)字形式而體現(xiàn)，此外，所述操縱變量轉(zhuǎn)換單元(7)和/或重置單元(11)也特別地以數(shù)字形式而體現(xiàn)。
14.如權(quán)利要求7到13中的至少一個(gè)所述的方法，其特征在于，在任何情況下根據(jù)所述量化器(12)的數(shù)字輸出信號(hào)，兩個(gè)修整電壓(UpU4), (U2, U3)借助于一個(gè)混合器(Ml,M2)而被成對(duì)地處理。
15.一種微機(jī)械旋轉(zhuǎn)率傳感器，包括至少一個(gè)震動(dòng)質(zhì)量、用于以主要模式( )驅(qū)動(dòng)所述震動(dòng)質(zhì)量的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備、以及共同地與所述震動(dòng)質(zhì)量(2)直接或間接地相關(guān)聯(lián)的至少三個(gè)修整電極元件(I )，其中，在任何情況下，在這些修整電極元件中的每一個(gè)和所述震動(dòng)質(zhì)量之間施加電修整電壓，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)率傳感器被體現(xiàn)成使得其適于執(zhí)行如權(quán)利要求I到14中的至少一個(gè)所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于微機(jī)械旋轉(zhuǎn)率傳感器的準(zhǔn)確測(cè)量操作的方法，所述傳感器包括至少一個(gè)震動(dòng)質(zhì)量、用于以主要模式(q1)驅(qū)動(dòng)該震動(dòng)質(zhì)量的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)備、以及共同地與震動(dòng)質(zhì)量直接或間接地相關(guān)聯(lián)的至少三個(gè)修整電極元件(1)。在所述修整電極元件(1)和所述震動(dòng)質(zhì)量之間施加電修整電壓(u1,u2,u3,u4)。根據(jù)共振頻率操縱變量正交操縱變量和重置變量來(lái)調(diào)節(jié)這些電修整電壓(u1,u2,u3,u4)中的每一個(gè)。
文檔編號(hào)G01C19/56GK102893127SQ201180024166
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2011年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者M·埃格雷茲博格, A·庫(kù)吉, F·邁爾, M·莫勒, Y·馬諾利, T·諾瑟曼 申請(qǐng)人:大陸-特韋斯貿(mào)易合伙股份公司及兩合公司, 阿爾布萊希特-路德維希-弗萊堡大學(xué)