专利名称：具有信号调理的电子传感器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及一种电子传感器，更具体地，涉及诸如陀螺仪的电子传感器中的信号处理。
背景技术：
通过微机电系统(MEMS)技术制造的电子传感器在许多领域中扮演着关键的角色。例如，微机电陀螺仪能够实现数种在运输和商业应用中重要的控制系统。在许多领域中还使用了其他的通过MEMS技术制造的微器件，诸如压力传感器、加速度计、致动器和谐振器。
在微陀螺仪的领域中，需要提供改进的技术，用于自信号，诸如表示由外部引入到陀螺仪的角速率的信号分量，提取所关注的精确分量。一种类型的微陀螺仪包括两个可移动的校验质量块(proofmasses)。通过陀螺仪中的电机使校验质量块以预定的频率在相同的平面中(面内)振动。该电机可以包括电极，其以振荡的方式在相同平面中驱动校验质量块。校验质量块的振荡被控制在校验质量块的谐振频率附近的频率。
除了一组校验质量块和驱动电极以外，该陀螺仪还包括校验质量块周围的感应电极，其报告表示每个校验质量块的运动的信号。特别地，某些电极感应校验质量块的面内运动。其他的电极感应校验质量块的面外运动。通过适当的信号处理和提取电路，可以自感应校验质量块的面外运动的电极的报告信号中取回角速率分量。
多种技术可被用于提取陀螺仪中的所关注的信号。然而，这些技术受到准确性、可靠性和成本的限制。特别地，来自面外电极的信号的角速率分量必须从数个无关分量中分离并提取，该无关分量诸如，电机驱动馈通(motor drive feeedthrough)、正交分量、电机驱动馈通的谐振以及其他的系统谐振和噪声。某些该无关分量可能大于角速率分量。而且，在陀螺仪的整个操作范围中，信号的角速率分量的大小和频率发生相当大的变化。还存在器件与器件之间的差异，其影响信号中的角速率分量同其他分量的关系。
用于从陀螺仪中分离并提取信号的当前方案使用了双窗口方案，用以提取从外部引入到器件的角速率。例如，一种已知用于自陀螺仪元件20提取报告角速率信号22的技术在图1中示出。在该技术中，由陀螺仪元件20生成两个信号24、26。第一信号24由位于与校验质量块的相同的平面中的电极(面内电极)报告。第一信号24表示以面内运动方式移动的陀螺仪的振荡。第一信号24的一种用途是用于电机驱动控制电路28，以提供控制回路，其将校验质量块的振荡维持在校验质量块的谐振频率附近的频率。第二信号26由未处于与校验质量块的相同的平面中的电极(面外电极)报告。第二信号包括表示由外部引入到陀螺仪元件26上的角速率。然而，第二信号26还包括其他无关的信号分量。
在该情况中，信号处理电路包括带通滤波器30，其接收第二信号26并且允许某些处于所选频率范围中的信号分量通过该滤波器。带通滤波器30的输出是时域中的复滤波第二信号32，其包括角速率分量和正交分量。复滤波第二信号32的角速率分量是陀螺仪的一个所关注的信号分量。复滤波第二信号32的正交分量是在陀螺仪以椭圆方式面外振荡时由其驱动力引起的误差。角速率分量同正交分量偏移90度。
这里，该系统使用双窗口方案，其包括生成两个窗口。这两个窗口是通过锁相环34生成的。该窗口被设置为相互具有90度的相差，以便于捕获两个信号分量。特别地，通过将复滤波第二信号32输入到第一乘法器36，可以提取正交分量。第一乘法器36通过使复滤波信号32同参考信号38相乘，对复滤波第二信号32进行解调，其中参考信号38是第一信号24的函数。参考信号38基本上是参考正弦曲线，其包括校验质量块的面内信号幅度和谐振频率。参考信号38由锁相环34生成。第一乘法器36的输出提供了计算的正交信号40，可以将其发送到电机驱动控制电路28。
通过将复滤波第二信号32输入到第二乘法器42，可以提取角速率分量。第二乘法器42通过使复滤波信号32同相移信号44相乘，对复滤波第二信号32进行解调，其中相移信号44同参考信号38相差为90度。相移信号44是通过将参考信号38连接到90度的移相器而得到的。第二乘法器42的输出提供了报告的角速率信号22，其表示从外部引入到陀螺仪元件20的旋转速率。低通滤波器48可被用于去除任何另外的具有高的频率的信号分量。
然而，该类型的系统具有限制。例如，该系统需要非常精确的窄带通滤波器。窄带通滤波器的使用仅使所期望的频率范围中的信号分量通过。使用窄带通滤波器需要使窗口延迟，用以同由滤波器引入的信号的延迟匹配。如果使用了带阻滤波器，则正交信号和速率信号可能包含噪声成分，并且最终值易受到信号的DC偏移的影响。而且，该系统未考虑可能影响角速率关系的器件同器件之间的差异。
此外，角速率传感器对于来自道路状况的干扰或者参数漂移是易损的。在干扰或参数变化影响角速率传感器的振荡幅度时，由于科里奥利效应(Coriolis Effect)导致的速率信号中的变化可能被解释为汽车本身的角速率的变化。现有技术的传感器未考虑振荡幅度的变化。可以使用自适应滤波，但是该技术仅适用于修正缓慢变化的传感器属性，并且需要调节。
另一问题是故障检测。角速率传感器用于安全临界系统。需要持续地监视整个传感器的功能，例如，传感器元件、ASIC、电子装置和软件，以确保一直进行正确操作。通常，如现有技术中执行的，使传感器离线执行诊断测试是不理想的。而且，将有利的是，消除由于传感器的临界特性引起的对故障检测的估计。
需要一种改进的用于自陀螺仪传感器的输出信号提取准确的角速率分量的系统。因此，理想的是，提供一种改进的用于提取信号的程序和装置，以克服全部或大部分的前述问题。还将有利的是，提供陀螺仪传感器的全部部件的实时故障检测。
图1是根据现有技术的用于自感应元件提取角速率的系统的框图；图2是本发明的电子传感器的一个实施例的高级框图；图3是本发明的传感器元件的一个实施例的顶视图；图4是图3中的传感器元件沿线4-4的剖面视图；图5是本发明的电子传感器的一个实施例的框图；图6和7是在时域中在不同的输入角速率下，来自图3中的传感器元件的感应电极的输出的图表；图8是在频域中的图7中的输出的图表；图9是来自传感器元件的信号及其在频域中的分量的示图；图10是获得自传感器元件的实验数据图；图11是绘出了计算的角速率相对于输入的角速率的实验数据图；图12是在100个样本上获得的来自传感器的实验角速率数据图；和图13是根据本发明的优选实施例归一化的来自图12的实验幅度数据图。
尽管本发明能够接受多种修改方案和可替换的形式，但是借助于附图中的示例示出了具体的实施例，并且其将在此处得到详细的描述。然而，应当理解，本发明目的并非在于限制于所公开的特定形式。确切的是，本发明涵盖所有处于权利要求限定的本发明的广泛范围内的修改方案、等效方案和变化方案。
具体实施例方式
所描述的是一种改进的程序和器件，用于调理诸如陀螺仪的电子传感器中的信号，以便于获得更加准确的角速率信息。角速率信息可以指出汽车中的异常的旋转偏航、俯仰和倾斜运动，诸如例如倾翻事故中出现的。对于具有任何组合的绕x、y和z轴的旋转，可以提供角度信息，其由关于每个轴的陀螺仪给出。本发明还包括关于陀螺仪的故障检测，其是有关汽车应用的重要方面。
为此，在一个实施例中，提供一种用于自具有感应元件的电子传感器中的信号提取分量的方法。该感应元件生成第一信号和第二信号。该方法包括步骤自感应元件接收第一信号，该第一信号具有事件频率；基于该事件频率自感应元件采样第二信号，该第二信号具有多个分量，该多个分量中的一个是第一关注分量；生成时域中的同步第二信号，该第二信号具有多个分量；由时域中的同步第二信号生成频域中的复数据；由该复数据确定第一关注分量；以及，使用来自第一信号的幅度信息对所关注的第一分量进行归一化。
该多个分量可以进一步包括第二关注分量。则该方法将进一步包括由复数据确定第二关注分量的步骤。自感应元件接收第一信号的步骤可以包括，接收锁相环中的第一信号。自感应元件采样第二信号的步骤可以包括，通过模数转换器采样第二信号。该采样可以进一步被执行，使得第二信号的采样处于事件频率的倍频处。生成频域中的复数据的步骤可以通过使用傅立叶变换(Fourier Tansform)执行。该方法可以进一步包括由第一关注分量确定报告关注分量的步骤，其中报告关注分量是基于第一关注分量的预定偏移而确定的。
在另一实施例中，提供一种用于在具有感应元件的陀螺仪传感器中提取角速率的方法，其中陀螺仪传感器的感应元件具有一对校验质量块。该方法包括步骤自感应元件接收第一信号，该第一信号表示校验质量块在第一平面中的第一运动；自感应元件接收第二信号，该第二信号表示校验质量块在第二平面中的第二运动；基于第一信号的频率自感应元件采样第二信号；生成时域中的同步第二信号，该同步第二信号包括多个分量，该多个分量中的一个是角速率；由时域中的同步第二信号生成频域中的复数据，该复数据包括多个分量；由该复数据确定角速率；以及，使用来自第一信号的幅度信息对角速率进行归一化。
在用于自信号提取所关注的分量的电子传感器中还提供一种系统。该系统包括传感器元件；锁相环、信号采样器、频谱分析仪和解码器。传感器元件报告第一信号和第二信号。第一信号具有事件频率。锁相环接收第一信号并且确定事件频率。信号采样器接收第二信号，并且生成时域中的同步第二信号。信号采样器还能够基于由锁相环确定的事件频率采样第二信号。频谱分析仪接收时域中的同步第二信号，并且生成频域中的复数据。解码器接收频域中的复数据，并且由该复数据生成第一关注分量。缩放单元使第一关注分量除以振荡器幅度的测量值，以对第一关注分量进行归一化。
在一个实施例中，该系统包括陀螺仪，其中传感器元件至少具有一对可移动的校验质量块，第一信号和第二信号表示校验质量块的振荡运动，并且第一关注分量是感应元件的角速率。解码器可以进一步生成第二关注分量，诸如校验质量块的正交。信号采样器可以是模数转换器。信号采样器可以进一步基于由锁相环确定的事件频率的倍频采样第二信号。频谱分析仪可以使用傅立叶变换生成复数据。缩放单元可被设置为，基于预定的偏移，由计算的第一关注分量生成报告的关注分量。
在另一实施例中，一个或者多个测试信号插入到针对传感器元件的驱动信号中，以检测故障状况。该测试信号具有独立于驱动信号的幅度和频率，由此其易于区分。第一测试信号添加到幅度参考，其用于将电机驱动到所需的频率和幅度。优选地，第二测试信号添加到传感器元件的正交信号的偏置参考。该第二测试信号呈现在传感器元件的y轴反馈信号中。故障检测器观测来自元件的反馈信号，以确定测试信号是否以同插入的测试信号接近的形式出现。如果测试信号未出现或者基本上不与插入的测试信号匹配，则指出故障。使用如此处描述的缩放单元，还可以从报告的角速率中减去第一测试信号。测试信号的插入和检测可以持续地进行。
现在，转到附图，图2说明了具有传感器元件52和数字处理单元54的电子传感器50的一个实施例。为了说明本发明，微陀螺仪传感器将用作电子传感器50的示例性实施例。然而，如受益于本公开内容的本领域的普通技术人员所将认识到的，本发明的方法和器件还可用于其它类型的电子传感器和器件。
在一个实施例中，数字处理单元54可以在数字信号处理器(DSP)控制器中实现，其包括多个功能模块，如下文将更加详细描述的。通常，在一个实施例中，数字处理单元54通过向传感器元件52发送电机驱动信号56，可以控制一个平面中的传感器元件52的校验质量块的运动。可替换地，如本领域的普通技术人员应认识到的，分立的模拟系统可用于控制传感器元件52的校验质量块的运动。此外，专用集成电路(ASIC)可以单独使用或者同模拟系统、数字系统或其全部一同使用，用于实现本发明。数字处理单元54还可以提取并报告角速率58，其反映了从外部引入到传感器元件52的角速率。为了提取并报告角速率58，本发明使用数字处理单元54自传感器元件52接收第一信号60和第二信号62。如下文将进一步描述的，由处于与校验质量块相同的平面的感应电极报告第一信号60。由未处于与校验质量块相同的平面的感应电极报告第二信号62。
参考图3和4，优选地，使用已知的MEMS技术，由硅制造传感器元件52。传感器元件52通常包括一对可移动的校验质量块64a、64b，一对外部电梳(combs)66a、66b、一对内部电梳68a、68b和一对面外感应电极70a、70b。图3是传感器元件52的顶视图，而图4是传感器元件52的剖面视图。具有传感器元件52的部件安装到基板72(在图3中未示出)，并且优选地，容纳在真空密封空腔(未示出)中。
如图3中所说明的，校验质量块对64a、64b连接到一连串的驱动梁74、基梁76和扭转梁78。梁74、76、78允许校验质量块64a、64b相对于一连串的定位点80移动。该定位点刚性连接到基板72。校验质量块64a、64b被允许至少在两个平面中移动。第一平面(面内)由图4中所示的x轴定义。第二平面(面外)由y轴定义。
外部电梳对66a、66b是电极，其在由x轴定义的第一平面中静电驱动校验质量块64a、64b。校验质量块以相互之间180°的相差振荡。外部电梳对66a、66b可以安装到基板72。外部电梳66a、66b由通过数字处理54生成的电机驱动信号56驱动，或者，可替换地，由分立的模拟系统或ASIC驱动。驱动信号56是以闭环形式生成的，用以使校验质量块64a、64b在校验质量块64a、64b的谐振频率附近的频率振荡。
内部电梳对68a、68b处于与校验质量块64a、64b相同的平面。内部电梳对68a、68b可以安装到基板72。内部电梳对68a、68b可以是电极，其静电感应校验质量块64a、64b在x轴中的运动。内部电梳对68a、68b用于向数字处理单元54报告第一信号60。应当认识到，驱动器和传感器的任务可以在电梳66和68之间互换。
面外感应电极对70a、70b静电感应校验质量块的面外运动。面外感应电极对70a、70b可以安置在校验质量块64a、64b的下面。面外感应电极对70a、70b用于向数字处理单元54报告第二信号62。如下文将更加详细解释的，第二信号62包含角速率分量，其反映了从外部引入到传感器元件52的角速率。第二信号62表示由z轴中的外部引入旋转速率引起的校验质量块64a、64b在y轴中的运动。如下文将更加详细解释的，数字处理单元54接收第二信号62，并且提取角速率分量，以报告角速率58。
如上文所提及的，数字处理单元54可以在包含数个功能模块的数字信号处理器(DSP)控制器中实现。参考图5，在一个实施例中，数字处理单元54通常可包括锁相环82、信号采样器84、频谱分析仪86、解码器88和缩放单元90。数字处理单元54可进一步包括电机驱动电子装置92，用于控制校验质量块64a、64b在x轴中的振荡。可替换地，利用使用本领域已知技术的外部系统，可以实现电机驱动电子装置92。这些功能模块可以是微码信号处理步骤，其作为操作指令在数字处理单元54或ASIC中进行编程。
在一个实施例中，数字处理单元54接收第一信号60，用于输入到电机驱动电子装置92和锁相环82中。电机驱动控制单元在闭合的控制回路中使用第一信号60，以产生用于传感器元件52的电机驱动信号56。应以f/2的频率驱动传感器元件52中的电机。由于传感器元件52同激励的机电相互作用，传感器元件52将以频率f振荡。电机驱动电子装置92的目的在于，在校验质量块64a、64b的谐振频率fRES下，维持沿x轴的恒定的幅度。在与图3和4所示相似的设计中，在一个实施例中，谐振频率fRES在约15kHz≤fRES≤22kHz的范围中。
为了实现校验质量块64a、64b的谐振频率fRES下的激励和操作，可以在电机驱动电子装置92中使用分立的锁相环，用以检测和匹配元件的谐振频率。该锁相环用于将激励频率驱动至fRES/2。电机驱动电子装置92中的控制回路用于控制驱动信号56的幅度。
数字处理单元54使用第二信号62，以提取关于报告角速率58的角速率分量。如上文所提及的，校验质量块64a、64b在y轴中的运动由面外感应电极70a、70b通过第二信号62报告给数字处理单元。该y轴中的运动包括至少两个主要分量(1)由x轴中的电机驱动信号引起的正交分量；和(2)由引起y轴中的运动的绕z轴的旋转输入经由科里奥利效应引起的角速率分量。来自x轴运动的正交分量与x轴同相。由z轴旋转引入的运动偏移了90度。
第二信号62将典型地包括其他的无关分量，诸如电机驱动容性馈通以及其他谐振和噪声源。来自两个面外感应电极的每一个的报告运动的示例在图6和7的图表中示出。这些图表说明了在测试过程中观测到的某些数据，其中传感器元件52经历了-100°/sec～+100°/sec之间的以25°/sec为增量的角速率。为了说明和清楚起见，在图6和7的图表中仅示出了三个增量。每个图表代表由y轴中的一个面外感应电极70a、70b报告的运动。
在图6中，观测到的主正弦曲线实际上是fRES/2下的驱动信号馈通。所关注的信号是波形中的尖峰。尖峰可见于点94(信号中心附近)和点96、98(在信号的波峰和波谷处)。在图7中，驱动信号馈通在波形中的剧烈变化是非常显著的。该信号不仅具有大的fRES/2下的分量，而且还具有3fRES/2、5fRES/2、7fRES/2的谐波下的分量。
在一个实施例中，通过使用锁相环82、信号采样器84、频谱分析仪86、解码器88和缩放单元90，自第二信号62提取角速率分量。
在一个实施例中，信号采样器84获取第二信号62的样本并且将第二信号62转换成可接受的用于数字处理单元54中的进一步处理的格式。例如，信号采样器84对第二信号62进行采样，并且将其转换成数字信号。在一个实施例中，信号采样器84包括诸如放大器和模数(A/D)转换器的部件。尽管图5中的信号采样器84被示为数字处理单元54的一部分，但是该部件还可以是向数字处理单元54的其他部件提供直接输入的分立单元。
在本发明的一个方面，锁相环82用于使信号采样器84的采样频率同传感器元件52相适应。换言之，锁相环82的输出被用于针对校验质量块64a、64b的特定的谐振频率，同步第二信号62。如果信号采样器84包括模数转换器，则该模数转换器基于来自锁相环82的输入，测量和采样电压信号。在优选实施例中，基于校验质量块64a、64b的谐振频率，对第二信号62进行过采样。例如，信号采样器84可被设置为在谐振频率的倍频下，诸如8fRES’进行过采样。这使得能够收集128个样本。如果传感器元件的谐振频率范围是15kHz≤fRES≤22kHz，则这导致了0.727～1.066ms之间的样本范围。这样，主要的计算、控制和报告回路将是约2.0ms。信号采样器84可被设置到其他的过采样率，诸如4fRES或16fRES。
信号采样器84的输出是数字同步第二信号100，并且将是时间的函数。由信号采样器84生成的同步第二信号100将包括合成信号，其包括正交分量和角速率分量。采样信号的其他分量可以包括电机驱动馈通以及其他系统谐振和噪声。
在本发明的优选实施例中，通过使用频谱分析仪86，将(在时域中的)同步第二信号100转换到频域。在一个实施例中，频谱分析仪86使用基于DSP的技术实现快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)，并且，特别地，实现离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)。DFT是适用于频谱分析仪的技术，这是因为其将用于解时域函数的数学技术应用到频谱中。
通常，频谱分析仪可以分解或分离叠加到原始波形的具有不同频率的正弦曲线形式的波形或函数。换言之，其识别或区分不同的频率的正弦曲线和它们各自的幅度。在该情况中，例如，通过本发明的频谱分析仪应用图7所示的第二信号62将导致与图8所示相似的频谱。在该情况中，第一组波峰102表示第二信号62的容性耦合电机驱动馈通分量。第二组波峰104表示第二信号62的两个组合分量——正交分量和角速率分量。应当注意，第二组波峰104的幅度根据外部施加到感应元件52的角速率的大小变化。如可以看见的，在三个针对不同角速率获取的图线之间，波峰高度中存在差别。第三、第四、第五和第六组波峰106表示第二信号62的电机驱动馈通的谐振。任何较高的波峰(未示出)是系统中第二信号62的另外的谐振和噪声分量。
通常，在该情况中，在所关注的整个频谱上执行傅立叶变换将需要大量的计算时间，用于搜索关注的特定频率。例如，如上文所提及的，在传感器元件52的一个实施例中找到的所关注的大致范围是15kHz≤fRES≤22kHz的范围，即校验质量块的谐振频率范围。
因此，在实施例中，如上文所提及的，本发明针对第一信号60使用锁相环82，调节信号采样器84的采样频率。这使得系统能够有利地使用基于事件的采样方法替换基于时间的采样方法。换言之，使用锁相环82作为信号采样器84的采样时钟的一部分，允许本系统拒绝频率外分量，并且分离两个以相同频率出现的组合分量(正交和角速率)。以这样的方法采样第二信号62提供了数个优点。首先，所关注的信号将总是处于基于事件的频谱中的相同的点。这消除了由于传感器元件之间的细微变化引起的搜索所关注的频率的额外的计算时间。其次，通过在波形的特定事件下采样信号，可以分离并独立测量第二信号的正交分量和角速率分量。
频谱分析仪86用于确定同步第二信号100的幅度和相位。如果使用离散傅立叶变换，则一般变换具有下列式(1)的形式。
X(k)=∑n=1Nx(n)exp[-j2π(k-1)(n-1)N]for1≤k≤N---(1)]]>然而，在本发明中，使用上文提及的基于事件的采样方法，仅需要在单个点而非N个点计算X(k)。这样，DFT的结果将具有式(2)的复数的形式。
X＝XREAL+jXCOMPLEX(2)因此，在一个实施例中，频谱分析仪86的输出是如图5中所示的复数据110。复数据110是两个所选频率下的分量的和角速率分量和正交分量。这样，频谱分析仪86的输出可以输入到解码器88中。
解码器88由接收自频谱分析仪86的复数据110确定计算角速率分量112和计算正交速率分量114。如上文所提及的，在本发明的一个实施例中，复数据110是两个基于事件的频率下的分量的和。这两个信号分量在物理上相互偏移90度，并且，使用上文所述的系统和方法，复数据110的分量也将相互偏移90度。
换言之，解码器88可以将复数据110分解为其角速率分量和其正交分量。参考图9中的示图，这得到了进一步的说明。由于上文所述的基于事件的采样方法，角度θ是恒定的。为了由复数据110获得计算的角速率分量112和正交分量114，使用具有类似式(3)的公式的角投影/旋转。
QUADRATUREANGULAR RATE=cosθsinθ-sinθcosθ=XREALXCOMPLEX---(3)]]>解码器88具有生成两个关注分量的输出计算角速率分量112和计算正交分量114。计算角速率分量112可以自数字处理单元54从外部报告。优选地，如下文进一步描述的，计算角速率分量112可发送到缩放单元90，用于进一步的处理。计算正交分量114可以发送到电机驱动电子装置92，以协助生成驱动信号56。
已经发现，对于具有相对固定的正交值和变化的角速率的系统，对于不同角速率中的单个频率，由解码器88计算的角速率分量112通常最终具有直线的形式。这在图10中得到说明，其示出了在实验过程中获得自一个面外感应电极70a、70b的数据。应当注意，在某些应用中，可能出现这样的变化，其导致了不能形成直线的点。这可能由这一事实导致，即正交分量实际上在测试之间发生变化。
因此，在本发明的一个实施例中，数字处理单元54进一步包括缩放单元90，用于将计算角速率分量112转换为报告角速率58。然后，可由数字处理单元54输出报告角速率58。
缩放单元90可以通过多种方法实现。图11说明了可用于将计算角速率信号112转换为报告角速率58的曲线的示例。该曲线示出了相对于输入角速率的计算角速率。图11中的曲线是通过来自与图3和4所示相似的传感器元件的实验数据获得的。对于不同的传感器可以预备相似的曲线。该数据可用于确定针对计算角速率信号112的偏移。在某些应用中，其中由于特定的采样方法或者由于传感器元件52中的其他的制造误差出现了测量误差，需要偏移。如果使用了偏移，则适用于施加偏移的公式在式(4)中。
QUADRATUREANGULAR RATE=cosθsinθ-sinθcosθ=XREALXCOMPLEX+cal_offset_1cal_offset_2---(4)]]>而且，已经发现，角速率传感器对于来自道路状况的干扰或者参数漂移是易损的。通常需要维持传感器的校验质量块的恒定的振荡幅度。然而，当干扰或参数变化影响角速率传感器的振荡幅度时，由于科里奥利效应导致的计算角速率分量112中的变化可能被不正确地解释为汽车本身的角速率的变化。这在图12中得到说明，其报告了在关于每隔2ms计算的100个样本的实验过程中获得的角速率。电机振荡幅度在样本50～60之间增加2.5％，以模拟由于干扰引起的电机振荡的增加。如可以看见的，报告角速率随着电机幅度的增加而不正确地增加，导致了报告角速率中的误差。
计算角速率分量112基于参数电子装置的参数(其可被校准)、校验质量块的速度(作为振荡幅度而被读取)和施加到传感器的实际角速率。因此，在本发明的优选实施例中，为了消除干扰和参数漂移的影响，在缩放单元90中使测量的角速率(实际上作为感应轴的幅度而被读取)除以振荡幅度的测量值，由此在外部因素影响校验质量块的振荡时对信号进行归一化。然后，在由数字处理单元54输出报告角速率58之前，该归一化的输出可以通过滤波器，诸如缩放单元90中的低通滤波器。
特别地，回来参考图5，本发明的优选实施例包括幅度重建模块81和幅度控制85。这些附加的模块可以通过模拟或数字控制方案实现。该幅度重建模块可以包括∑-Δ转换器和过采样功能。该幅度重建模块使用来自传感器元件52的第一信号60，并且提供校验质量块的实际幅度的重建。幅度控制模块85使用此传感器的实际振荡的重建幅度，并且将其同所需的幅度参考或AGC控制进行比较。幅度控制的目的在于，通过电机控制电子装置92，将传感器元件驱动至恒定的操作频率和幅度。重建的实际幅度还提供给缩放单元90，其中使测量的角速率(实际上作为感应轴的幅度而被读取)除以重建幅度，用于归一化，以提供更加准确的报告角速率输出。任选地，还提供了偏置控制，其使用来自解码器88的速率信息和偏置参考，以将传感器速率维持在零点周围(即，没有速率偏移)。
回顾前文，当角速率施加到绕Z轴的传感器时，传感器在X轴中的振荡运动将生成Y轴中的加速度。这由下式决定a＝ω×ν其中a是科里奥利加速度，其被定义为坐标系统的角速率ω(在该情况中是施加到传感器的角速率)和校验质量块的速度ν的向量积(cross product)。由于角速率输入以及X轴中的振荡，科里奥利效应将在传感器的Y轴中产生加速度。作为向量积，科里奥利加速度相对于传感器的校验质量块的振荡具有90°的相差。
由于校验质量块处于正弦运动中，因此校验质量块在X轴中的的位置可被定义为x＝Asin(ωxt)其中A是运动幅度(被控制为几乎为一常数)，而ωx是校验质量块的振荡频率。则速度变为vx=ddtAsin(ωxt)=Acos(ωxt)+dAdtsin(ωxt)]]>在解析上，已经发现dAdtsin(ωxt)≈0]]>其使得νx＝Acos(ωxt)这样，速度大小为｜νx｜＝Aωx稳定状态下的科里奥利加速度将产生具有与校验质量块的振荡频率相同的频率的正弦信号，如下所示αr=d2dt2Bcos(ωxt)=Bωx2cos(ωxt)+Higher_Order_Terms]]>而且，在解析上已经发现，高阶项是足够小的，可以忽略，因此我们得到了科里奥利加速度的大小为｜αr｜＝Bωx2将该项代回到原始的向量积式中，我们有ω∝αrνx,]]>或者ω∝Bωx2Aωx,]]>并且结果为ω∝BA]]>
因此，不需要分别计算出Y和X轴中的加速度和速度，振荡幅度足够用于确定施加到传感器的角速率。
典型地，对陀螺仪传感器的角速率进行滤波，以通过某种方式计算来自Y轴运动的速率，并且使其经历滤波方案，通常如低阶低通滤波器。然而，与此有关的问题在于，当该传感器安置在具有大的干扰的系统上时，诸如汽车，振动干扰可能转化为X轴振荡幅度中的干扰。这导致了由传感器计算的计算速率信号的偏差。如果振荡幅度增加，则计算速率将增加，即使实际的角速率并未变化。而且，如果角速率下降，则计算速率将以相同的方式下降，即使实际的角速率并未变化。然而，已经发现，低通滤波通常不足以去除这些干扰。
因此，通过获取来自传感器的计算速率输出并且根据前面的发现，即ω同B/A成比例，使其除以振荡幅度，本发明提供了归一化。这样，从计算速率信号中去除了干扰或者振荡幅度的漂移。然后，在传感器报告角速率之前，可以对计算速率进行滤波(通常是低通滤波)。图13说明了使用与图12相同的实验获得的报告角速率，其中电机振荡幅度在样本50和60之间增加了2.5％，以模拟由于干扰引起的电机振荡的增加。如可以看见的，当电机幅度增加时，报告角速率停留在原有水平，证实了报告角速率中增加的准确性。
而且，已经发现，陀螺仪传感器经历多种故障模式。由于角速率传感器可用于安全临界系统，因此需要持续地监视整个传感器的功能，包括传感器元件、DSP、ASIC、电子装置和软件，以便于确保一直进行正确操作。通常，使传感器离线执行诊断测试是不理想的。
因此，本发明的更加优选的实施例提供了实时诊断技术，以监视传感器的全部部件。该更优选的实施例将测试信号(通常是低频正弦信号)插入到校验质量块振荡幅度的参考电平以及偏置信号中。偏置电压变化的影响将作为正交而被测量。这用于确保偏置生成电路、感应轴电子装置和控制算法正确地工作。振荡参考的影响将呈现为测量的角速率的变化，通过使测量速率除以校验质量块的振荡幅度而使之无效，如前面描述的优选实施例中执行的。结果，施加到传感器的偏置电压的变化将仅导致感应轴正交的变化，而非导致测量角速率的变化。每个该测试持续运行，因此避免了中断传感器操作以执行诊断的需要。
回来参考图5，如前文所述，DSP的主要控制回路是2ms，其被定义为“DSP计算循环”。在该时间中，获取多个测量结果以确定电机和速率的幅度，并且执行计算以设置多种控制参数。待执行的故障测试将以该2ms间隔的某个倍数为间隔而发生。故障检查涉及有源和无源检查。
有源检查是一种这样的检查，其中自受到输入测试信号影响的输出点对量进行测量。该测试信号影响元件的性能特性，并且测量的量应反映该测试信号。这些情况中的测试信号添加到正常操作参数，诸如电机幅度参考和偏置参考。具体地，诸如正弦波的测试信号被引入到关于所需幅度的参考顶部，并且如果在反馈中未看见该正弦波，则指出了故障。优选地，使用两个独立的测试信号，测试信号1用于幅度参考，而测试信号2用于偏置参考。该测试信号还独立于幅度或偏置参考的频率，并且不影响角速率信号。结果，根据本发明的故障检测可以实时地执行。
在操作中，测试信号1被引入到所示求和模块87处的所需电机幅度。该测试信号，其通常不超过所需电机幅度的5％，添加到固定的参考值。这具有这样的效果，即创建了具有较大DC偏移的小正弦波的参考信号。DSP中的控制回路将使振荡的实际幅度维持在该时变参考电平。每次该参考完成一个循环，执行一次验证，其验证实际的电机幅度已完成循环。如果来自幅度重建81的反馈信号未追踪到预定幅度和相位范围中的参考信号(即，5％的时变幅度)，则由故障检测器89指出x轴故障。该测试信号不改变速率(参见图9)。然而，如前面所介绍的，归一化可以去除测试信号以提供正确信号。
对于该x轴故障模式，下列数种故障中的一种或多种故障可能出现串行外围设备接口(SPI)传送或接收错误、电机驱动电子装置故障、电机感应电子装置故障、幅度重建的∑-Δ故障、或者控制器算法故障(DSP、ASIC等)。通过将一连串的已知测试输入输入到主控制回路中，并且将计算输出同已知值进行比较，可以验证控制器算法故障。这样，其他的故障可以通过测试模式独立地进行识别。出现故障时，由故障检测器89设置故障标志，并且可以激活独立测试。
此外，测试信号2被引入到所示所需偏置参考求和模块95。该测试信号同样仅为参考偏置电平的小的百分比，并且被添加到固定的控制值。这具有这样的效果，即创建了具有较大DC偏移的小正弦波的参考信号。DSP中的控制回路将使实际正交维持在该时变参考电平。每次该参考完成一个循环，执行一次验证，其验证实际的电机幅度已完成循环。如果来自解码器88的反馈信号未追踪到第二组预定幅度和相位范围中的参考信号，则由故障检测器91指出y轴故障。该测试信号改变正交而不影响速率(参见图9)。
对于该y轴故障模式，下列数种故障中的一种或多种故障可能出现SPI传送或接收错误、偏置电子装置故障、速率感应电子装置故障、∑-Δ故障、控制器算法故障。通过将一连串的已知测试输入输入到偏置控制回路中，并且将计算输出同已知值进行比较，可以验证控制器算法故障。这样，其他的故障可以通过测试模式独立地进行识别。出现故障时，由故障检测器91设置故障标志，并且可以激活独立测试。
本发明的有源检查不需要插入的测试信号同参考信号具有某种关系。换言之，测试信号在相位和幅度上可以独立于参考信号。例如，测试信号可以具有参考信号的5％的幅度，并且具有约1Hz的频率。结果，本发明不需要调节回路功能或者使用耦合模拟。而且，本发明适于所有可能的故障模式。
本发明还预想了可执行的无源故障检查。无源检查是一种这样的检查，其中在控制系统中对量进行测量，并且将其同预期值进行比较。待测量的量可由控制器直接或间接控制，然而，控制器未有源地发送用于检查任何这些量的测试信号。
例如，一种无源测试用于PLL 82，其中自DSP上的频率输入端周期性地读取PLL的值，并且其必须处于在导线末端处校准的值的预定百分比内。另一无源测试用于电机幅度限制，其中每当检查电机幅度时，其值必须位于某个最大范围内。如果连续的测量结果均达到该范围，或者如果在测量结果的某个百分比处达到了限制，则设置错误标志。另一无源测试用于AGC限制，其中每当计算AGC时，执行该值同校准的最大和最小允许值的比较。如果计算结果超过了该最大或最小值，则将限制值发送到控制器，并且设置错误标志。如果连续的计算结果均达到了限制，或者如果在计算结果的某个百分比处达到了限制，则设置错误标志。该测试通过确保计算结果处于正确的范围之中来检查控制器。另一无源测试用于偏置限制，其中每当计算感应极板偏置时，执行该值同校准的最大和最小允许值的比较。如果计算结果超过了该最大或最小值，则将限制值发送到控制器，并且设置错误标志。如果连续的计算结果均达到了限制，或者如果在计算结果的某个百分比处达到了限制，则设置错误标志。该测试通过确保计算结果处于正确的范围之中来检查DSP。
所描述的是一种改进的方法和系统，用于调理来自电子传感器的输出信号的角速率分量，用于自其正确地提取该角速率分量。该方法和系统消除了对过多的滤波的需要，并且需要比现有技术少的计算。
其改善了电子传感器的准确性、速度和成本。该方法和系统减少了噪声频谱的影响，并且显著减少了电机驱动馈通的影响。该方法和系统通过额外使用锁相环利用离散傅立叶变换，以使采样频率同具体的电子传感器相适应。基于锁相采样方法、样本数目和每个波形的过采样量，关于离散傅立叶变换的系数事先是已知的。而且，该方法和系统提供了有效的和具有鲁棒性的基于事件的采样方案，替换了基于时间的采样方案。而且，本发明并入了通过归一化考虑传感器元件之间的差异的方法。而且，本发明提供了用于所有故障模式的故障检测。
上文的本发明的描述的目的仅为示例性的，而并非限制由本申请提出的任何专利的范围。本发明目的在于，仅受到权利要求的广泛范围的限制。
权利要求
1.一种用于在具有感应元件的电子传感器中进行信号调理的方法，该感应元件生成第一信号和第二信号，该方法包括步骤自感应元件接收第一信号，该第一信号具有事件频率；基于该事件频率自感应元件采样第二信号，该第二信号具有多个分量，该多个分量中的一个是第一关注分量；生成时域中的同步第二信号，该第二信号具有多个分量；由时域中的同步第二信号生成频域中的复数据；由该复数据确定第一关注分量；和使用来自第一信号的幅度信息对所述第一关注分量进行归一化。
2.权利要求1的方法，进一步包括步骤通过驱动信号驱动传感器元件，和将第一测试信号插入到驱动信号中，其中第一测试信号具有独立于驱动信号的频率。
3.权利要求2的方法，其中插入第一测试信号的步骤提供了传感器的第一关注分量中的变化，并且进一步包括步骤检测来自感应元件的第一反馈信号中的第一测试信号；如果第一反馈信号中的第一测试信号基本上不与来自插入步骤的第一测试信号匹配，则指出故障；和将第一测试信号从第一关注分量中减去。
4.权利要求2的方法，进一步包括步骤在驱动信号的正交偏置参考上插入第二测试信号；检测来自感应元件的第二反馈信号中的第二测试信号；和如果第二反馈信号中的第二测试信号基本上不与来自插入步骤的第二测试信号匹配，则指出故障。
5.权利要求4的方法，其中第一测试信号插入到传感器元件的幅度参考中，并且第二测试信号插入到传感器元件的偏置控制中，其中第二测试信号具有独立于正交频率的频率。
6.一种电子传感器中的信号调理系统，该系统包括传感器元件，其报告第一信号和第二信号，第一信号具有事件频率；锁相环，用于接收第一信号并且确定事件频率；信号采样器，用于接收第二信号，并且生成时域中的同步第二信号，该信号采样器能够基于由锁相环确定的事件频率采样第二信号；频谱分析仪，用于接收时域中的同步第二信号，并且生成频域中的复数据；解码器，用于接收频域中的复数据，并且生成第一关注分量，第一关注分量是频域中的复数据的分量；驱动信号，用于驱动传感器元件；和缩放单元，其使第一关注分量除以振荡器幅度的测量值，以对第一关注分量进行归一化。
7.权利要求6的系统，进一步包括第一测试信号，其插入到驱动信号中，并且具有独立于驱动信号的频率；和第一反馈信号，其来自传感器元件。
8.权利要求7的方法，其中第一测试信号提供了传感器的角速率中的变化，并且进一步包括故障检测器，其检测来自感应元件的第一反馈信号中的第一测试信号，并且如果第一反馈信号中的第一测试信号基本上不与第一测试信号匹配，则指出故障，并且其中缩放单元将第一测试信号从角速率中减去。
9.权利要求6的系统，进一步包括第一测试信号和第二测试信号，其插入到驱动信号中，每个测试信号具有独立于驱动信号的频率；第一反馈信号和第二反馈信号，其来自传感器元件；故障检测器，其将各个第一和第二反馈信号中的第一和第二测试信号同各个插入的第一和第二测试信号进行比较，其中如果第一反馈信号中的一个或多个第一反馈信号基本上不与第一测试信号匹配，且如果第二反馈信号中的第二反馈信号基本上不与第二测试信号匹配，则故障检测器指出故障。
10.权利要求9的系统，其中第一测试信号插入到驱动信号的幅度参考中，并且第二测试信号插入到驱动信号的偏置参考中。
全文摘要
一种用于自具有感应元件(52)的电子传感器(50)中的信号提取分量的方法。该感应元件(52)生成第一信号(60)和第二信号(62)。该方法包括步骤自感应元件(52)接收第一信号(60)，该第一信号(60)具有事件频率；基于该事件频率自感应元件(52)采样第二信号(62)，该第二信号(62)具有多个分量，该多个分量中的一个是第一关注分量(112、114)；生成时域中的同步第二信号(100)，该第二信号(62)具有多个分量；由时域中的同步第二信号(100)生成频域中的复数据(110)；由该复数据(110)确定第一关注分量(112、114)；以及，使用来自第一信号(60)的幅度信息对所关注的第一分量(112、114)进行归一化。
文档编号G01C19/56GK1720534SQ200480001654
公开日2006年1月11日 申请日期2004年8月23日 优先权日2003年10月22日
发明者史蒂芬·J·罗伯 申请人:摩托罗拉公司