专利名称：微机械陀螺仪的正交和共振频率的解耦控制方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求I前述部分的方法以及一种微机械旋转率传感器，所述微机械旋转率传感器具有共同地与第一震动质量(seismicmass)相关联的至少三个修整电极元件。
背景技术：
已知的是，用于将旋转率传感器中的震动质量抑制在一定范围的微机械弹簧已经导致在驱动模式或主要模式中的读取方向上存在由于相对较小的制造不准确性而产生的偏差，该制造不准确性使得特别是在不存在旋转率的情况下出现各自结构的不期望的边缘角。结果，产生干扰信号，该干扰信号是作为旋转率信号分量而被不期望地评估的，并且因而伪造旋转率信号或者导致与旋转率信号相关的测量误差。这类非期望的边缘角或弹簧倾斜是工艺导致的并且仅能在有限角度内避免。如上所描述的干扰信号，其并不是由于所检测的旋转率而是由于读取方向上的故障偏差(其根据驱动方向中的震动质量及其弹簧的偏差)而出现的，所述干扰信号也被称为正交或正交信号。文献W003/010492A1提出了一种用于在旋转率传感器中抑制正交信号的方法，其中所述旋转率传感器包括与震动质量相关联的两个修整电极安排，在所述方法中，通过向修整电极施加电压的方式来抑制旋转率传感器的正交。然而，这种正交抑制会不期望地影响旋转率传感器读取模式的共振频率，结果这导致共振频率之间的差分频率也随着旋转率传感器的驱动模式或主要模式以及读取模式或次要模式而改变。由于在读取模式共振频率的改变中二次方地包含了施加到修整电极上的电压，因此这将更为不利。通常，晶片的旋转率传感器的正交的实施例由于工艺变动而变化程度相对较高并且对于晶片的每个旋转率传感器而言也十分地不同。此外，已知地，通过至少一个修整电极元件或修整电极来重置读取模式或次要模式下的旋转率传感器的一个或多个震动质量的偏差。然而，这通常也会影响次要振荡器的共振频率，以及影响可能的正交抑制。
发明内容
本发明目的在于提供一种旋转率传感器的测量方法以及对应的旋转率传感器，利用该旋转率传感器并且基于所检测的旋转率、正交抑制以及次要振荡器的共振频率设置而对次要模式的偏差进行重置，能够被共同地执行，特别地使得这三个影响能够至少部分彼此独立地被执行或设置。通过根据权利要求I的方法以及根据权利要求15的微机械旋转率传感器来实现本发明的目的。优选地，所述方法和旋转率传感器被体现或设计成使得至少能够基于所检测的旋转率和正交抑制并且与震动质量偏差的重置无关地来执行共振频率的设置，以及使得特别是还能够基于所检测旋转率、次要模式范围内的至少一个震动质量的整个偏差以及正交抑制来彼此无关地实现对偏差的重置。优选地，将正交操纵变量定义为用于抑制由正交所引起的次要模式的偏差或振荡的操纵变量。因此，特别地，抑制了旋转率传感器输出信号的不期望的正交信号或正交信号分量，其通常关于构成旋转率的旋转率传感器输出信号部分而基本上相移90°或270°方便地，重置变量是谐波振荡信号，其振幅取决于第一控制器单元的输出，其中该幅值乘以谐波振荡信号，该谐波振荡信号具有与主要模式或驱动模式相同的频率。优选地，将共振频率操纵变量定义成静态变量，利用该静态变量，读取模式下的共振频率和驱动模式下的共振频率之间的频率差值基本上具有限定值或被调整为限定值，或者可选地优选为零或被调整为零。驱动模式或主要模式优选地被看作是旋转率传感器的自然模式，优选地是自然振 荡，特别优选地是在至少一个震动质量的共振频率处振荡，其中旋转率传感器的震动质量特别地是连续地振荡。更特别优选地，旋转率传感器具有至少两个震动质量，其彼此耦合并且在驱动模式期间以相反相位振荡或者在相同方向上均存在彼此反向的偏差。读取模式或次要模式优选地被看作是由于旋转率和Coriolis效应的相关效应而优选地发生的自然模式。优选地，旋转率传感器包括至少四个修整电极元件，其共同地直接或间接关联于
所述震动质量，其中在第一修整电极元件和震动质量之间施加第一电修整电压，在第二修
整电极元件和震动质量之间施加第二电修整电压，在第三修整电极元件和震动质量之间施
加第三电修整电压，以及在第四修整电极元件和震动质量之间施加第四电修整电压，其中
第一修整电压U1、第二修整电压U2、第三修整电压U3以及第四修整电压U4均基本上按照共
振频率操纵变量 τ、正交操纵变量Iic和重置变量fls的以下相关性而被设置
r-: ^ r--:^ r-: ^ r-; ~U1 —y Ut — Uc + Ms. It2 — \Kr +Wc — I!s' W3 = γΜτ Λ-Uc + Ms, = y Ut ~Uc —Us 。可选地，重置变量也优选地被看作是和/或共振频率操纵变量是 Τ，β和/或正交操纵变量是 ο优选地，修整电极元件均被体现和安排成使得电容Cl，C2, C3和C4形成在第一、第二、第三和第四修整电极元件与相关震动质量的各自相关质量电极元件之间，其中施加于修整电极元件和质量电极元件之间的相关修整电压如下C1 二 S0 A±!iiifLA =,0% 4^，以及 Q =,0
g, -^q2 ' g2 +s2q2 ' g,-s,q2g4 +s4q2其中，i是每种情况下与电极元件编号有关的索引，gi是修整电极元件与非偏差状态下的相关质量电极元件之间的间隙的距离，Ai是修整电极元件与非偏差状态下的相关质量电极元件之间的重叠面积，乘积土^tiqi是随主要模式qi偏差的变化而改变的重叠面积，其中\是修整电极元件和相关质量电极元件之间的重叠深度，并且&是与主要模式qi的偏差相关的第一正几何常数，以及乘积土SiQ2是修整电极元件和质量电极元件之间的间隙根据次要模式q2偏差的距离变化，其中Si是与次要模式q2的偏差相关的第二正几何常数。修整电极元件优选地体现化为平面电容板，所述平面电容板基本上平行于笛卡尔坐标系的x-y平面。在该上下文中，由质量电极元件的乘积±ri*qim定义的偏差特别地出现在修整电极元件相关的X轴方向中。修整电极元件的重叠深度\在此朝向y轴方向。质量电极元件在z轴方向上相对于修整电极元件的偏差特别优选地朝向z轴方向。在所有修整电极元件质量电极元件对中,Ai, T1, ti； gi和Si优选地具有基本上相同的大小，也就是说A1=A2=A3=A4，并且相应地，对于r” ti； gi和Si的第i个值，各自具有相同的值。优选地，旋转率传感器包括可以调节电修整电压的控制安排，其中解调控制变量Y被馈送给第一控制器单元，所述第一控制器单元特别地通过使用彼此相位移动90°的两个谐波信号从原始控制变量y中进行解调而获取控制变量Y，其中原始控制变量y代表在其次要模式的方向上的检测到的震动质量偏差。该解调特别地利用两个彼此相位移动90度的谐波来进行，其在任何情况下都具有与主要模式共振频率相对应的频率。有利地，控制安排具有输出变量转换单元，其中已调制的控制变量Y根据主要模式频率COjP次要模式频率032之间的频率差和至少一个阻尼参数而被转换，或者根据至少一转换常数而以恒定状态的方式转换成旋转率变量和正交变量，其后，在任何情况下利用 对参考变量的限定而从中构成旋转率控制误差变量和正交控制误差变量，并且随后旋转率控制误差变量和正交控制误差变量作为输入变量被馈送给第一控制器单元，其针对基于所检测的旋转率的至少部分解耦的正交抑制和震动质量偏差重置而在输出侧至少生成正交操纵变量fic和重置变量Os 可选地，优选地利用控制参考变量的限定而从已调制控制变量Y中构成控制误差变量，其后控制安排在输出变量转换单元中根据主要模式频率ω^Ρ次要模式频率ω2之间的频率差和至少一个阻尼参数而被动态地转换成控制误差变量，或者根据至少一转换常数而以恒定状态的方式被转换成旋转率控制误差变量和正交控制误差变量，其后，旋转率控制误差变量和正交控制误差变量作为输入变量被馈送给第一控制器单元，其针对基于所检测的旋转率的至少部分上解耦的正交抑制和对震动质量偏差的重置而在输出侧至少生成正交操纵变量Ge和重置变量As。优选地，旋转率传感器，特别是其控制安排，具有操纵变量转换单元，通过所述操纵变量转换单元，修整电压U1, U2, U3和U4可以根据共振频率操纵变量( τ、正交操纵变量He以及重置变量Os按照以下等式而获得M1 =^jitT — He+Us U2+tic —Us 3 =1Jut+Uc +Hs 4 =^Jut -Uc —Us 优选地，以如此方式设置输出变量转换单元使得其可以执行已调制控制变量Y或控制误差变量的乘法，其依照如下转换矩阵，
_ I0)γ — 2T{S) = CO1 — (Dn s — OC2
s -I其中是α 2与次要模式相关的阻尼参数，以及s是Laplace变量。控制安排优选地具有频率控制单元，其使得可以根据频率信息项或者取决于频率信息项的频率控制误差信息项，从已调制的控制变量Y中得到共振频率操纵变量优选地，谐波频率识别信号在控制安排中产生或者被馈送给该控制安排，所述频率识别信号具有与主要模式频率O1不同的频率COs，其中频率识别信号被叠加在正交操纵变量和/或重置变量戍5上，特别地仅有仅叠加在重置变量is上，其后，在借助于主要模式频率01和次要模式频率ω2之间的频率差值利用频率GJs进行附加解调之后，从已调制控制变量Y中获取频率信息，其后，通过频率控制器单元根据该信息或者根据取决于该信息的频率控制误差信息来至少得到共振频率操纵变量有利地，利用频率《s(特别是利用具有频率的谐波信号)进行附加解调之后，输出变量转换单元的频率信息变为可用的，并且附加地借助于频率信息参考变量而从频率信息中获得频率控制误差信息项，其中所述频率信息参考变量特别地是零Ηζ，其后，该频率控制误差信息被馈送给频率控制器单元，从其中产生共振频率操纵变I a!。优选地，谐波频率识别信号作为参考变量而引入或者叠加在参考变量上，或者是在输出变量转换单元的上游以产生控制误差变量，或者是在输出变量转换单元的下游以产生旋转率控制误差变量和正交控制误差变量，其后旋转率控制误差变量和正交控制误差变量作为输入变量被馈送给第一控制器单元，其在输出侧至少产生正交操纵变量Sr和重置变量拓？=
有利地，服从于频率识别信号的信息的重置变量随后利用频率ω s (特别是利用具有频率的谐波信号)被解调，作为其结果而获取了频率信息，其后，该频率信息可用于输出变量转换单元，并且附加地借助于频率信息参考变量(其特别是零OHz)而从频率信息中获得频率控制误差信息项，其后该频率控制误差信息被馈送给频率控制器单元，从其中产生共振频率操纵变量Λ优选地，旋转率信号特别地通过低通滤波而从重置变量的振幅中作为测量信号而被获取，该测量信号基本上与所探测的旋转率成比例。优选地，旋转率传感器被体现成使得其能够检测关于至少两个不同轴的旋转率，也就是说旋转率传感器是“多轴”设计的。优选地，第一和第二修整电极元件采用基本上不可移动的方式来体现和安排，特别是相对于所述电极元件的各自电极表面而基本上不可移动，并且与震动质量电性绝缘并且空间间隔地安排。修整电极元件便利地彼此隔开并且特别优选地均具有相同设计。旋转率传感器便利地具有彼此耦合的两个震动质量。有利地,第一和第二修整电极兀件均具有至少一个电极表面，所述电极表面被安排成基本上平行并相对于震动质量的修整表面，并且其中第一和第二修整电极元件的电极表面通常与相对的修整表面区域相关联，和/或所述电极表面在该区域重叠，特别地与震动质量的偏差状态无关，至少达到限定的振幅/偏差，特别优选地甚至处于震动质量最大偏差的情况下。电极表面在这里有利地总是突起超过修整表面的相对区域。电极表面和修整表面更特别有利地基本上平面设计。微机械旋转率传感器优选地被看作是微机械陀螺仪。本发明还涉及旋转率传感器在机动车辆中的用途，特别地用于机动车辆控制系统。根据本发明的方法以及根据本发明的旋转率传感器可以用于不同的区域来检测一或多个旋转率和/或借助于相应的信号处理来检测一个或多个旋转加速度。在本上下文中，使用优选地是在车辆中，尤其是机动车辆和飞行器、自动化技术、导航系统、摄像机的图像稳定器、工业机器人以及游戏控制台，并且特别优选地应用于本上下文中的各自对应的控制系统。对方法和旋转率传感器的使用更特别有利地应用于机动车辆控制系统(诸如ESP)中的一个/多个偏航率传感器和/或一个/多个偏航加速度传感器。
在从属权利要求以及参考附图对示意性实施例的以下描述中可以发现更多的优选实施例。在示意性的附图中图I示出了从修整电极元件和从质量电极元件中构成的电容的示例性实施例,其中修整电极元件以关于传感器外壳位置固定的方式而体现，而质量电极元件与震动质量连接或体现为其一部分；
图2示出了基于稳定状态下的傅立叶系数线形的频率信息获取的示例性图释；图3示出了方法和旋转率传感器的示例性原理A，其中馈送了谐波频率识别信号；以及图4示出了方法和旋转率传感器的示例性原理B，其中谐波频率识别信号作为参考变量而被预先定义。
具体实施例方式图I所示的由修整电极元件I和质量电极元件2构成的示例性电容是平行板电容，其中跨过间隙gi的一个或多个距离形成在两个电极之间的z方向上，并且在主要模式下质量电极元件的偏差出现X方向中，其中重叠面积的变化出现在X方向上，并且在次要模式下质量电极的偏差出现在z方向。图3作为实例而示出了根据原理A的方法和旋转率传感器。所述旋转率传感器包括控制安排3，其中电修整电压U1, U2, U3,和U4利用该控制安排而被调节，其中已解调的控制变量Y被馈送到第一控制器单元4，所述第一控制器单元4特别地借助于使用两个彼此相移90度的谐波信号的解调装置5而从原始控制变量y中获取控制变量Y，其中原始控制变量y代表其次要模式的方向中的震动质量的所检测偏差。在本上下文中，控制误差变量作为实例而利用对控制参考变量O的限定从解调控制变量Y中构成，其后，在输出变量转换单元6中，根据主要模式频率O1和次要模式频率ω 2之间的频率差以及至少一个阻尼参数，控制安排3将控制误差变量动态地转换为旋转率控制误差变量和正交控制误差变量，标记为Ztl,其后，旋转率控制误差变量和正交控制误差变量作为输入变量被馈送给第一控制器单元4，所述第一控制器单元4在输出侧产生正交操纵变量ic和重置变量设V,以用于基于所检测的旋转率而至少部分地解耦正交抑制和重置震动质量偏差。在本上下文中，第一控制器单元4使得振幅Crs，e变为可用，其与具有同主要模式相同频率的谐波振荡COS(Olt)相乘，结果产生动态重置变量此外，控制安排3具有操纵变量转换单元7，其根据共振频率操纵变量，此处称作 τ，0、正交操纵变量知，此处称作Crc, 0、以及重置变量根据等式Ui = λ] u 了 - u c +Ii^ = λ] if τ +Uc — Us
权利要求
1.一种用于微机械旋转率传感器的准确测量操作的方法，所述传感器包括至少一个震动质量、用于以主要模式(Q1)驱动所述震动质量的至少一个驱动设备、以及共同地与所述震动质量直接或间接地相关联的至少三个修整电极元件(I)，其中，在这些独立的修整电极元件⑴中的每一个与所述震动质量之间施加电修整电压(U1, U2, U3, U4),其特征在于 根据共振频率操纵变量 τ，ο)、正交操纵变量(if, 和重置变量(fc)来设置这些电修整电压(U1, U2, U3, U4)中的每一个。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述旋转率传感器(I)包括至少四个修整电极元件(I)，其共同地直接或间接关联于所述震动质量(2)，其中，在第一修整电极元件和所述震动质量之间施加第一电修整电压，在第二修整电极元件和所述震动质量之间施加第二电修整电压，在第三修整电极元件和所述震动质量之间施加第三电修整电压，以及在第四修整电极元件和所述震动质量之间施加第四电修整电压，其中所述第一修整电压U1、所述第二修整电压U2、所述第三修整电压U3以及所述第四修整电压U4每个都实质上利用共振频率操纵变量βτ、正交操纵变量ftc和重置变量fts而被设置
3.如权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述修整电极元件每个都被体现和安排成使得电容Cl，C2, C3和C4形成在所述第一、第二、第三和第四修整电极元件和有关震动质量的各自的相关质量电极元件(2)之间,其中施加在所述修整电极元件和所述质量电极元件之间的相关修整电压如下
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，在所有所述修整电极元件质量电极元件对(I, 2)中，Ai, ri； ti； gi和Si基本上相同。
5.如权利要求I到4中至少一个所述的方法，其特征在于，所述旋转率传感器包括控制安排(3)，电修整电压利用该控制安排而被调节，其中解调的控制变量(Y)被馈送给第一控制器单元(4)，所述第一控制器单元特别地借助于利用彼此相位移动90°的两个谐波信号从原始控制变量(y)中进行解调(5)来获取控制变量(Y)，其中，所述原始控制变量(y)代表其次要模式( )的方向中的所述震动质量的所检测偏差。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制安排(3)具有输出变量转换单元(6)，其中已解调的控制变量(Y)根据主要模式频率(Co1)和次要模式频率(ω2)之间的频率差和至少一个阻尼参数(α2)而被动态地转换，或者根据至少一个转换常数而以恒定状态的方式被转换成旋转率变量和正交变量(Z，Ztl),其后，在任何情况下利用参考变量的限定，从其中形成旋转率控制误差变量和正交控制误差变量，并且随后旋转率控制误差变量和正交控制误差变量作为输入变量而被馈送给第一控制器单元(4)，其在输出侧至少产生正交操纵变量和重置变量(fis，trs，e)以用于基于所检测的旋转率的至少部分地解耦的正交抑制和所述震动质量的偏差的重置。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，利用控制参考变量的限定，从已解调的控制变量(Y)中产生控制误差变量，其后所述控制安排(3)在输出变量转换单元￠)中根据所述主要模式频率(O1)和所述次要模式频率(ω2)之间的频率差和至少一个阻尼参数(Ci2)动态地转换成控制误差变量，或者根据至少一个转换常数而以恒定状态的方式转换成旋转率控制误差变量和正交控制误差变量(Z，Ztl),其后，所述旋转率控制误差变量和所述正交控制误差变量作为输入变量被馈送给所述第一控制器单元(4)中，其在输出侧至少产生正交操纵变量CrQ(l)和重置变量(錢5, Crs，c)以用于基于所检测的旋转率的至少部分地解耦的正交抑制和所述震动质量的偏差的重置。
8.如权利要求I到7中的至少一个所述的方法，其特征在于，所述旋转率传感器，特别是其控制安排(3)，具有操纵变量转换单元(7)，通过所述操纵变量转换单元，所述修整电压Ul，U2, U3和U4根据共振频率操纵变量(IT、正交操纵变量Oe以及重置变量ftS而根据如下等式获得
9.如权利要求6到8中的至少一个所述的方法，其特征在于，所述输出变量转换单元(6)被配置成使得其能够执行已解调的控制变量(Y)或与其相关控制误差变量的乘法，其依照如下转换矩阵，
10.如权利要求6到9中的至少一个所述的方法，其特征在于，所述控制安排(3)具有频率控制单元(9)，其使之能够根据频率信息项或者根据与其相关的频率控制误差信息项而从已解调的控制变量(Y)中获得共振操纵变量Ο '0)。
11.如权利要求4到10中的至少一个所述的方法，其特征在于，谐波频率识别信号([lS，CCC0S(0)st))在所述控制安排⑶中产生或者被馈送给所述控制安排⑶，所述频率识别信号(Cis，aC0S(0)st))具有与所述主要模式频率(O1)不同的频率COs，其中所述频率识别信号(Us,ccCos(rost))被叠加在所述正交操纵变量 (,(0和/或重置变量■{Us, CFS，cx))上，其后，在借助于所述主要模式频率(O1)和所述次要模式频率(ω2)之间的差值利用频率《3而进行附加解调⑶之后，从已解调的控制变量⑴中获取频率信息，其后，所述频率控制器单元(9)根据该信息或者根据与其相关的频率控制误差信息而至少获得共振频率操纵变量|ι _， τ'ο)。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在利用频率进行附加解调(8)之后，输出变量转换单元(6)的频率信息是可用的，并且附加地借助于频率信息参考变量而从所述频率信息中获得频率控制误差信息项，其中所述频率信息参考变量特别地为零Hz，其后，该频率控制误差信息被馈送给频率控制器单元(9)，该频率控制器单元从中产生所述共振频率操纵变量(ατ, τ’ο)。
13.如权利要求6到10中的至少一个所述的方法，其特征在于，所述谐波频率识别信号(Yd)作为参考变量被引入或者被叠加在参考变量上，或者是在所述输出变量转换单元(6)的上游以产生所述控制误差变量，或者是在所述输出变量转换单元￠)的下游以产生旋转率控制误差变量和正交控制误差变量，其后，所述旋转率控制误差变量和所述正交控制误差变量作为输入变量被馈送给所述第一控制器单元(4)，该第一控制器单元在输出侧至少产生所述正交操纵变量fSc, 和所述重置变量(is,c)a
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，服从于频率识别信号的信息的所述重置变量 γ)随后利用频率《3而被解调(8)，作为其结果获取了所述频率信息，其后，该频率信息可用于所述输出变量转换单元(6)，并且附加地借助于特别为零Hz的频率信息参考变量而从所述频率信息中获得频率控制误差信息项，其后该频率控制误差信息被馈送给所述频率控制器单元(9),该频率控制器单元从中产生所述共振频率操纵变量
15.一种微机械旋转率传感器，包括至少一个震动质量、用于以主要模式( )驱动所述震动质量的至少一个驱动设备以及共同地与所述震动质量直接或间接地相关联的至少三个修整电极元件(I)，其中，在这些独立的修整电极元件(I)中的每一个与所述震动质量之间施加电修整电压，其特征在于，所述旋转率传感器被体现成使得其适于执行如权利要求I到14中的至少一个所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种用于微机械旋转率传感器的准确测量操作的方法，所述传感器包括至少一个震动质量、用于以主要模式(q1)驱动震动质量的至少一个驱动设备、以及共同地与震动质量直接或间接地相关联的至少三个修整电极元件(1)，其中在这些独立的修整电极元件(1)中的每一个与所述震动质量之间施加电修整电压(u1,u2,u3,u4)。根据共振频率操纵变量正交操纵变量和重置变量来调节这些电修整电压(u1,u2,u3,u4)中的每一个。
文档编号G01C19/56GK102893128SQ201180024349
公开日2013年1月23日 申请日期2011年3月17日 优先权日2010年3月17日
发明者M·埃格雷兹博格, A·库吉, F·迈尔 申请人:大陆-特韦斯贸易合伙股份公司及两合公司