CN101799479B - 用于转速传感器的振动补偿 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于转速传感器(38)的补偿电路(42)，包括用于在考虑第一和第二测量值(621，622)的差值或和值的情况下产生正交补偿信号(73)的第一分析处理单元(72，76)。补偿电路(42)具有第二分析处理单元(86)，其用于在考虑检测到的第一和第二测量值的和值或差值的情况下产生振动补偿信号(99)。本发明还涉及相应的检测电路(42)和转速传感器(38)。本发明还涉及用于转速传感器的补偿方法，包括：在检测传感元件(12)上检测第一和第二测量值(621，622)；由第一和第二测量值产生第一差值或和值；在考虑第一差值或和值的情况下产生正交补偿信号(73)；由第一和第二测量值产生第二和值或差值(90)；在考虑第二和值或差值(90)的情况下产生振动补偿信号(99)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于转速传感器的补偿电路，其中，所述补偿电路包括一第一分析处理单元，所述第一分析处理单元用于在考虑一第一测量值和一第二测量值的差值或和值的情况下产生一正交补偿信号。此外，本发明涉及一种用于转速传感器的检测电路，其中，所述检测电路具有一用于产生转速信号的调制器或乘法器，所述转速信号表示所述转速传感器的转速的大小的特征。本发明还涉及一种转速传感器，其中，该转速传感器包括一驱动单元。此外涉及一种用于转速传感器的补偿方法。
背景技术
在一种常规的转速传感器中，如在DE 10 2004 061 804 A1中描述的转速传感器，会产生正交力，这些正交力是抑制传感元件的干扰运动所必须的。这些正交力导致转速传感器的振动敏感性增加，即，导致待测量的转速值以实际上并不存在的量值失真形成测量的转速。测量值失真也被称为“实际转速”。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于转速传感器的补偿电路，该补偿电路提供的转速测量值没有由于振动的测量值失真或者由于振动的测量值失真至少显著降低。此外，本发明的目的是提供具有这一优点的用于转速传感器的检测电路和一种具有这一优点的转速传感器。此外，本发明的目的是提供一种相应的、用于转速传感器的补偿方法。这些目的通过独立权利的特征组合实现。本发明的有利实施形式在从属权利要求中给出。
本发明通过以下方式建立在这种类型的补偿电路上，即，所述补偿电路具有一第二分析处理单元，所述第二分析处理单元用于在考虑检测到的第一测量值和第二测量值的和值或差值的情况下产生一振动补偿信号。
一种优选的实施形式规定，所述第二分析处理单元具有一输入端，所述输入端用于来自所述转速传感器的驱动单元的调节回路的调节量。
所述补偿电路可以具有一加法器或减法器，所述加法器或减法器用于由所述正交补偿信号和所述振动补偿信号产生一第三和值或差值。
另一种优选实施形式规定，所述第一分析处理单元具有一第一滤波器、尤其是一第一低通或带通滤波器，和/或，所述第二分析处理单元具有一第二滤波器、尤其是一第二低通滤波器。
本发明通过以下方式建立在这种类型的检测电路上，即，所述检测电路包括一按本发明的补偿电路。
本发明通过以下方式建立在这种类型的转速传感器上，即，所述转速传感器包括一按本发明的补偿电路或一按本发明的检测电路。
此外，本发明通过以下方式建立在这种类型的补偿方法上，即，所述补偿方法包括以下步骤：在检测传感元件上检测一第一测量值和一第二测量值；由所述第一测量值和所述第二测量值产生一第一差值或和值；在考虑所述第一差值或和值的情况下产生一正交补偿信号；由所述第一测量值和所述第二测量值产生一第二和值或差值；和在考虑所述第二和值或差值的情况下产生一振动补偿信号。
所述产生振动补偿信号的步骤可以包括与一调节量调制或相乘，所述调节量来自所述转速传感器的驱动单元的调节回路。
有利的是，所述补偿方法包括一个另外的步骤，在所述另外的步骤中，由所述正交补偿信号和所述振动补偿信号产生一第三和值或差值。
特别优选的是，所述正交补偿信号的产生包括一第一滤波、尤其是一第一低通或带通滤波，和/或，所述振动补偿信号的产生包括一第二滤波、尤其是一第二低通滤波。
附图说明
现在参照附图借助一些特别优选的实施形式来阐述本发明。其中示出：
图1示意性地示出转速传感器的微机械的传感器部分；和
图2示出按本发明的转速传感器的第一实施形式的示意性方框图。
具体实施方式
按本发明的实施形式的以下说明在同时使用这两幅图的情况下进行。在振动陀螺仪中，科里奥利力用于确定外部的转速Ω。为此，使微机械传感器部分(科里奥利元件)12的振动质量10(运动的质量结构)置身于沿第一方向x的速度v中。这借助一驱动振荡14实现，该驱动振荡14具有频率ω。振动质量10借助一些弹簧元件16悬挂在基底18上，其中，该振动质量10能够在第一方向x上执行驱动振荡14(偏移)并且能够在第二方向y上执行偏移20，该第二方向y与第一方向x垂直。科里奥利力FC＝2mv×Ω与速度成比例并且在第二方向y上作用，其中，这样检测到的转速Ω(旋转速度)的矢量指向一个与平面(x，y)垂直地定向的方向z。
转速传感器38包括一振荡器/驱动单元40和一分析处理/检测单元42。一用于保证振荡条件的调节电路44和一用于调节一恒定的驱动信号24的AGC调节电路46(自动增益控制(automatic gain control))被用于构成用于以有限振幅驱动的振动质量10的振荡器/驱动单元40。在该振荡器/驱动单元40中，机械振动器10、16受到一机械驱动力FA。为了在第一方向x上驱动振动质量10而设有一些驱动器件22，这些驱动器件22作为电容器示出，因为这些驱动器件可以设计成电容式的。一驱动信号24可以被输送给这些驱动器件22，该驱动信号24在这些驱动器件22中转换成一机械驱动力FA。此外，在振动质量10上设置有驱动测量器件26，这些驱动测量器件26由于振动质量10在第一方向x上的驱动振荡14而产生一反馈信号对281、282，所述反馈信号对281、282借助一电容电压转换器对30和一第一差动式模拟数字转换器48进行处理。在所示的实施形式中，这些驱动测量器件26同样被设计成电容式的并且作为电容器示出。经处理的反馈信号50被输送给一PLL电路52(锁相环路(phase-locked-loop))，该PLL电路52由该反馈信号50产生一调节量54。该调节量54被输送给一第一数字模拟转换器56，该第一数字模拟转换器56产生所述驱动信号24。此外，经处理的反馈信号50被输送给一用于自动增益控制的AGC调节器58，该AGC调节器产生一AGC信号60，该AGC信号60用于影响输送给驱动器件22的驱动信号24的强度。
由于传感元件10中存在缺陷，在驱动振荡14的频率ω的范围中也产生一与路程成比例的干扰偏移xQ，该干扰偏移被称为“正交干扰”(或者简称为“90°相位差”)。振动质量10的干扰偏移xQ由力FQ产生并且与由所述与速度成比例的科里奥利力FC产生的测量偏移xC的相位差为90°。第二方向y上的总偏移xM＝xC+xQ是测量偏移xC和干扰偏移xQ的叠加。该总偏移在测量器件34上测量并且转换成一偏移信号621、622。这些测量器件34在此同样设计成电容式的并且作为电容器示出。该干扰偏移xQ可以具有不同的方向。但是重要的是，干扰偏移xQ的矢量分量在第二方向y上，因为这些测量器件34测量该方向y上的偏移xM。补偿器件64被设置用于抑制干扰偏移xQ，这些补偿器件64作用在振动质量10上。这些补偿器件64在此同样设计为电容式的并且作为电容器示出。一补偿驱动信号66可被输送给这些补偿器件64，该补偿驱动信号66用于通过电装置来抑制干扰信号xQ，因而在传感器输出68端上见不到该干扰信号。
现在说明所述分析处理/检测单元42。与速度成比例的科里奥利力FC＝2mv×Ω引起振动质量10在方向y上(即在测量器件34上)的测量偏移20，并且由此产生一调幅的、具有驱动振荡14的频率ω的信号对621、622。所述信号对621、622借助一第二电容电压转换器对70和一第二差动式模拟数字转换器72处理。所述分析处理通过力补偿的原理(即一种所谓的“闭环”原理)进行。在此，振动质量10由于通过科里奥利力以及正交干扰xQ产生的力作用FC+FQ而产生的偏移y借助一施加到传感器部分10上的补偿力FK回到零。这些力FC和FQ与一通过所述反馈信号74产生的补偿力FK共同形成一合力，该合力作用在机械振动器10、16上。由于该合力，导致传感器部分10的机械偏移。该偏移y借助第二电容电压转换器70转换为电偏移信号621、622并且被输送给第二差动式数字模拟转换器72和一数字滤波器76，从而产生一负反馈信号74作为调节信号。该负反馈信号74被输送给一第二数字模拟转换器78并且被转换成一补偿力FK，该补偿力FK使传感器部分10的偏移y减小。该负反馈信号74也构成传感器输出信号80的基础。该负反馈信号74经受与电驱动信号24的调节量54的同步调制82。与距离成比例的干扰信号(90°相位差)XQ的抑制通过该同步调制82进行，所述干扰信号间接地源于驱动力FA。随后，在一输出滤波器84中进行输出滤波并且由此在输出端68上产生所述传感器输出信号80。
在常规结构类型的闭环转速传感器中，尤其是在平面外(out-of-plane)转速传感器中，通过将调制的力FQ反馈到传感器部分10中的有源正交补偿会出现振动敏感性，该振动敏感性使测量结果失真。借助分析性的计算可以证实：起干扰作用的振动敏感性在低频范围内是振动运动与力FQK调制的结果，所述力FQK是对正交运动xQ进行补偿所必需的。对平面外加速度的主要影响是正交力FQK，所述正交力FQK是抑制传感器部分10的干扰运动xQ所必须的：FQK＝(1/2)∈(A/d)U2(公式1)。正交补偿力FQK满足：A＝b y sin(ωt)(公式2)。在沿z轴的干扰运动中，距离d＝d0+z sin(ω干扰t)(公式3)变化。因此得到一力FQK，该力与以下的因素有关：
FQK≈sin(ωt)/(1+(z/d0)sin(ω干扰t))(公式4)。
幂级数的第二项的展开得到如下结果：
FQK≈sin(ωt)/(1-2(z/d0)sin(ω干扰t)+...)(公式5)。
这对应于两个运动形式的调制并且在边带ω-ω干扰和ω+ω干扰中产生力FQK：(sin(ωt))(sin(ω干扰t))＝(1/2)(cos((ω-ω干扰)t)-cos((ω+ω干扰)t))(公式7)。所述力FQK通过(平板)电容器的非线性的静电学以ω展开(zurückfalten)并且由此得到一信号，该信号对应于实际转速。
按照本发明，一描述该调制的力分量FQ干扰的振动补偿信号99在振动仿真电路86(第二分析处理单元86)中尽可能精确地仿真并且通过一加法器或减法器100和现有的补偿器件(电极)64反馈给传感器部分10。因此，静电学的非线性的影响可以完全地或在很大程度上被避免或者至少显著地被减小。为了实现对由振动引起的干扰XQ干扰的这类补偿，由振动引起的(起干扰作用的)运动XQ干扰借助一第二模拟数字转换器88检测。这样检测到的信号90可以通过滤波器92在带宽上进行限制，以便避免振动补偿的起干扰作用的副作用。振动仿真电路86的这样获得的输出信号94(其含有实际的转速信息)与驱动单元40的调节量54在一同步调制器96中调制并且借助一加法器或减法器100相加地馈送到闭环检测调节电路102的负反馈信号74中。替代地，通过振动补偿产生的并检测或推导出的信号94也可以用于对平均转速80或者计算出的偏移误差进行数字补偿。
Claims (12)
1.用于转速传感器(38)的补偿电路(42)，该转速传感器具有一个振动质量(10)，该振动质量借助一些弹簧元件(16)悬挂在一个基底(18)上，其中，所述补偿电路(42)包括一第一分析处理单元(72，76)，所述第一分析处理单元(72，76)用于在考虑一第一测量值(621)和一第二测量值(622)的差值或和值的情况下产生一正交补偿信号(73)，其特征在于，所述补偿电路(42)具有一第二分析处理单元(86)，所述第二分析处理单元(86)用于在考虑检测到的所述第一测量值(621)和所述第二测量值(622)的和值或差值(90)的情况下产生一振动补偿信号(99)。
2.如权利要求1所述的补偿电路(42)，其特征在于，所述第二分析处理单元(86)具有一输入端(98)，所述输入端(98)用于来自所述转速传感器(38)的驱动单元(40)的调节回路(44)的调节量(54)。
3.如权利要求1或2所述的补偿电路(42)，其特征在于，所述补偿电路(42)具有一加法器或减法器(100)，所述加法器或减法器(100)用于由所述正交补偿信号(73)和所述振动补偿信号(99)产生一第三和值或差值(74)。
4.如权利要求1或2所述的补偿电路(42)，其特征在于，所述第一分析处理单元(72，76)具有一第一滤波器(76)，和/或，所述第二分析处理单元具有一第二滤波器(92)。
5.如权利要求4所述的补偿电路(42)，其特征在于，所述第一滤波器(76)是一第一低通或带通滤波器，及所述第二滤波器(92)是一第二低通滤波器。
6.用于一转速传感器(38)的检测电路(42)，其中，所述检测电路(42)具有一用于产生转速信号(80)的调制器(82)或乘法器(82)，所述转速信号表征所述转速传感器(38)的转速大小，其特征在于，所述检测电路(42)包括一如权利要求1至5之一所述的补偿电路(42)。
7.转速传感器(38)，其中，所述转速传感器(38)包括一驱动单元(40)，其特征在于，所述转速传感器(38)包括一如权利要求1至5之一所述的补偿电路(42)或一如权利要求6所述的检测电路(42)。
8.用于一转速传感器(38)的补偿方法，该转速传感器具有一个振动质量(10)，该振动质量借助一些弹簧元件(16)悬挂在一个基底(18)上，其中，所述补偿方法包括以下步骤：
在检测传感元件(12)上检测一第一测量值(621)和一第二测量值(622)；
由所述第一测量值(621)和所述第二测量值(622)产生一第一差值或和值；
在考虑所述第一差值或和值的情况下产生一正交补偿信号(73)；
由所述第一测量值(621)和所述第二测量值(622)产生一第二和值或差值(90)；和
在考虑所述第二和值或差值(90)的情况下产生一振动补偿信号(99)。
9.如权利要求8所述的补偿方法，其特征在于，所述产生振动补偿信号(99)的步骤包括所述第二和值或差值(90)与一调节量(54)调制(96)或相乘(96)，所述调节量(54)来自所述转速传感器(38)的驱动单元(40)的调节回路(44)。
10.如权利要求8或9所述的补偿方法，其特征在于，所述补偿方法包括一个另外的步骤，在所述另外的步骤中，由所述正交补偿信号(73)和所述振动补偿信号(99)产生一第三和值或差值(74)。
11.如权利要求8或9所述的补偿方法，其特征在于，所述正交补偿信号(73)的产生包括进行一第一滤波(76)，和/或，所述振动补偿信号(99)的产生包括进行一第二滤波(92)。
12.如权利要求8或9所述的补偿方法，其特征在于，所述正交补偿信号(73)的产生包括进行一第一低通滤波或带通滤波，和/或，所述振动补偿信号(99)的产生包括进行一第二低通滤波。
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