專利名稱：具有信號(hào)調(diào)理的電子傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種電子傳感器，更具體地，涉及諸如陀螺儀的電子傳感器中的信號(hào)處理。
背景技術(shù)：
通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制造的電子傳感器在許多領(lǐng)域中扮演著關(guān)鍵的角色。例如，微機(jī)電陀螺儀能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)種在運(yùn)輸和商業(yè)應(yīng)用中重要的控制系統(tǒng)。在許多領(lǐng)域中還使用了其他的通過(guò)MEMS技術(shù)制造的微器件，諸如壓力傳感器、加速度計(jì)、致動(dòng)器和諧振器。
在微陀螺儀的領(lǐng)域中，需要提供改進(jìn)的技術(shù)，用于自信號(hào)，諸如表示由外部引入到陀螺儀的角速率的信號(hào)分量，提取所關(guān)注的精確分量。一種類型的微陀螺儀包括兩個(gè)可移動(dòng)的校驗(yàn)質(zhì)量塊(proofmasses)。通過(guò)陀螺儀中的電機(jī)使校驗(yàn)質(zhì)量塊以預(yù)定的頻率在相同的平面中(面內(nèi))振動(dòng)。該電機(jī)可以包括電極，其以振蕩的方式在相同平面中驅(qū)動(dòng)校驗(yàn)質(zhì)量塊。校驗(yàn)質(zhì)量塊的振蕩被控制在校驗(yàn)質(zhì)量塊的諧振頻率附近的頻率。
除了一組校驗(yàn)質(zhì)量塊和驅(qū)動(dòng)電極以外，該陀螺儀還包括校驗(yàn)質(zhì)量塊周圍的感應(yīng)電極，其報(bào)告表示每個(gè)校驗(yàn)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。特別地，某些電極感應(yīng)校驗(yàn)質(zhì)量塊的面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。其他的電極感應(yīng)校驗(yàn)質(zhì)量塊的面外運(yùn)動(dòng)。通過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理和提取電路，可以自感應(yīng)校驗(yàn)質(zhì)量塊的面外運(yùn)動(dòng)的電極的報(bào)告信號(hào)中取回角速率分量。
多種技術(shù)可被用于提取陀螺儀中的所關(guān)注的信號(hào)。然而，這些技術(shù)受到準(zhǔn)確性、可靠性和成本的限制。特別地，來(lái)自面外電極的信號(hào)的角速率分量必須從數(shù)個(gè)無(wú)關(guān)分量中分離并提取，該無(wú)關(guān)分量諸如，電機(jī)驅(qū)動(dòng)饋通(motor drive feeedthrough)、正交分量、電機(jī)驅(qū)動(dòng)饋通的諧振以及其他的系統(tǒng)諧振和噪聲。某些該無(wú)關(guān)分量可能大于角速率分量。而且，在陀螺儀的整個(gè)操作范圍中，信號(hào)的角速率分量的大小和頻率發(fā)生相當(dāng)大的變化。還存在器件與器件之間的差異，其影響信號(hào)中的角速率分量同其他分量的關(guān)系。
用于從陀螺儀中分離并提取信號(hào)的當(dāng)前方案使用了雙窗口方案，用以提取從外部引入到器件的角速率。例如，一種已知用于自陀螺儀元件20提取報(bào)告角速率信號(hào)22的技術(shù)在圖1中示出。在該技術(shù)中，由陀螺儀元件20生成兩個(gè)信號(hào)24、26。第一信號(hào)24由位于與校驗(yàn)質(zhì)量塊的相同的平面中的電極(面內(nèi)電極)報(bào)告。第一信號(hào)24表示以面內(nèi)運(yùn)動(dòng)方式移動(dòng)的陀螺儀的振蕩。第一信號(hào)24的一種用途是用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路28，以提供控制回路，其將校驗(yàn)質(zhì)量塊的振蕩維持在校驗(yàn)質(zhì)量塊的諧振頻率附近的頻率。第二信號(hào)26由未處于與校驗(yàn)質(zhì)量塊的相同的平面中的電極(面外電極)報(bào)告。第二信號(hào)包括表示由外部引入到陀螺儀元件26上的角速率。然而，第二信號(hào)26還包括其他無(wú)關(guān)的信號(hào)分量。
在該情況中，信號(hào)處理電路包括帶通濾波器30，其接收第二信號(hào)26并且允許某些處于所選頻率范圍中的信號(hào)分量通過(guò)該濾波器。帶通濾波器30的輸出是時(shí)域中的復(fù)濾波第二信號(hào)32，其包括角速率分量和正交分量。復(fù)濾波第二信號(hào)32的角速率分量是陀螺儀的一個(gè)所關(guān)注的信號(hào)分量。復(fù)濾波第二信號(hào)32的正交分量是在陀螺儀以橢圓方式面外振蕩時(shí)由其驅(qū)動(dòng)力引起的誤差。角速率分量同正交分量偏移90度。
這里，該系統(tǒng)使用雙窗口方案，其包括生成兩個(gè)窗口。這兩個(gè)窗口是通過(guò)鎖相環(huán)34生成的。該窗口被設(shè)置為相互具有90度的相差，以便于捕獲兩個(gè)信號(hào)分量。特別地，通過(guò)將復(fù)濾波第二信號(hào)32輸入到第一乘法器36，可以提取正交分量。第一乘法器36通過(guò)使復(fù)濾波信號(hào)32同參考信號(hào)38相乘，對(duì)復(fù)濾波第二信號(hào)32進(jìn)行解調(diào)，其中參考信號(hào)38是第一信號(hào)24的函數(shù)。參考信號(hào)38基本上是參考正弦曲線，其包括校驗(yàn)質(zhì)量塊的面內(nèi)信號(hào)幅度和諧振頻率。參考信號(hào)38由鎖相環(huán)34生成。第一乘法器36的輸出提供了計(jì)算的正交信號(hào)40，可以將其發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路28。
通過(guò)將復(fù)濾波第二信號(hào)32輸入到第二乘法器42，可以提取角速率分量。第二乘法器42通過(guò)使復(fù)濾波信號(hào)32同相移信號(hào)44相乘，對(duì)復(fù)濾波第二信號(hào)32進(jìn)行解調(diào)，其中相移信號(hào)44同參考信號(hào)38相差為90度。相移信號(hào)44是通過(guò)將參考信號(hào)38連接到90度的移相器而得到的。第二乘法器42的輸出提供了報(bào)告的角速率信號(hào)22，其表示從外部引入到陀螺儀元件20的旋轉(zhuǎn)速率。低通濾波器48可被用于去除任何另外的具有高的頻率的信號(hào)分量。
然而，該類型的系統(tǒng)具有限制。例如，該系統(tǒng)需要非常精確的窄帶通濾波器。窄帶通濾波器的使用僅使所期望的頻率范圍中的信號(hào)分量通過(guò)。使用窄帶通濾波器需要使窗口延遲，用以同由濾波器引入的信號(hào)的延遲匹配。如果使用了帶阻濾波器，則正交信號(hào)和速率信號(hào)可能包含噪聲成分，并且最終值易受到信號(hào)的DC偏移的影響。而且，該系統(tǒng)未考慮可能影響角速率關(guān)系的器件同器件之間的差異。
此外，角速率傳感器對(duì)于來(lái)自道路狀況的干擾或者參數(shù)漂移是易損的。在干擾或參數(shù)變化影響角速率傳感器的振蕩幅度時(shí)，由于科里奧利效應(yīng)(Coriolis Effect)導(dǎo)致的速率信號(hào)中的變化可能被解釋為汽車本身的角速率的變化。現(xiàn)有技術(shù)的傳感器未考慮振蕩幅度的變化?？梢允褂米赃m應(yīng)濾波，但是該技術(shù)僅適用于修正緩慢變化的傳感器屬性，并且需要調(diào)節(jié)。
另一問(wèn)題是故障檢測(cè)。角速率傳感器用于安全臨界系統(tǒng)。需要持續(xù)地監(jiān)視整個(gè)傳感器的功能，例如，傳感器元件、ASIC、電子裝置和軟件，以確保一直進(jìn)行正確操作。通常，如現(xiàn)有技術(shù)中執(zhí)行的，使傳感器離線執(zhí)行診斷測(cè)試是不理想的。而且，將有利的是，消除由于傳感器的臨界特性引起的對(duì)故障檢測(cè)的估計(jì)。
需要一種改進(jìn)的用于自陀螺儀傳感器的輸出信號(hào)提取準(zhǔn)確的角速率分量的系統(tǒng)。因此，理想的是，提供一種改進(jìn)的用于提取信號(hào)的程序和裝置，以克服全部或大部分的前述問(wèn)題。還將有利的是，提供陀螺儀傳感器的全部部件的實(shí)時(shí)故障檢測(cè)。


圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于自感應(yīng)元件提取角速率的系統(tǒng)的框圖；圖2是本發(fā)明的電子傳感器的一個(gè)實(shí)施例的高級(jí)框圖；圖3是本發(fā)明的傳感器元件的一個(gè)實(shí)施例的頂視圖；圖4是圖3中的傳感器元件沿線4-4的剖面視圖；圖5是本發(fā)明的電子傳感器的一個(gè)實(shí)施例的框圖；圖6和7是在時(shí)域中在不同的輸入角速率下，來(lái)自圖3中的傳感器元件的感應(yīng)電極的輸出的圖表；圖8是在頻域中的圖7中的輸出的圖表；圖9是來(lái)自傳感器元件的信號(hào)及其在頻域中的分量的示圖；圖10是獲得自傳感器元件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖；圖11是繪出了計(jì)算的角速率相對(duì)于輸入的角速率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖；圖12是在100個(gè)樣本上獲得的來(lái)自傳感器的實(shí)驗(yàn)角速率數(shù)據(jù)圖；和圖13是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例歸一化的來(lái)自圖12的實(shí)驗(yàn)幅度數(shù)據(jù)圖。
盡管本發(fā)明能夠接受多種修改方案和可替換的形式，但是借助于附圖中的示例示出了具體的實(shí)施例，并且其將在此處得到詳細(xì)的描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明目的并非在于限制于所公開(kāi)的特定形式。確切的是，本發(fā)明涵蓋所有處于權(quán)利要求限定的本發(fā)明的廣泛范圍內(nèi)的修改方案、等效方案和變化方案。
具體實(shí)施例方式
所描述的是一種改進(jìn)的程序和器件，用于調(diào)理諸如陀螺儀的電子傳感器中的信號(hào)，以便于獲得更加準(zhǔn)確的角速率信息。角速率信息可以指出汽車中的異常的旋轉(zhuǎn)偏航、俯仰和傾斜運(yùn)動(dòng)，諸如例如傾翻事故中出現(xiàn)的。對(duì)于具有任何組合的繞x、y和z軸的旋轉(zhuǎn)，可以提供角度信息，其由關(guān)于每個(gè)軸的陀螺儀給出。本發(fā)明還包括關(guān)于陀螺儀的故障檢測(cè)，其是有關(guān)汽車應(yīng)用的重要方面。
為此，在一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用于自具有感應(yīng)元件的電子傳感器中的信號(hào)提取分量的方法。該感應(yīng)元件生成第一信號(hào)和第二信號(hào)。該方法包括步驟自感應(yīng)元件接收第一信號(hào)，該第一信號(hào)具有事件頻率；基于該事件頻率自感應(yīng)元件采樣第二信號(hào)，該第二信號(hào)具有多個(gè)分量，該多個(gè)分量中的一個(gè)是第一關(guān)注分量；生成時(shí)域中的同步第二信號(hào)，該第二信號(hào)具有多個(gè)分量；由時(shí)域中的同步第二信號(hào)生成頻域中的復(fù)數(shù)據(jù)；由該復(fù)數(shù)據(jù)確定第一關(guān)注分量；以及，使用來(lái)自第一信號(hào)的幅度信息對(duì)所關(guān)注的第一分量進(jìn)行歸一化。
該多個(gè)分量可以進(jìn)一步包括第二關(guān)注分量。則該方法將進(jìn)一步包括由復(fù)數(shù)據(jù)確定第二關(guān)注分量的步驟。自感應(yīng)元件接收第一信號(hào)的步驟可以包括，接收鎖相環(huán)中的第一信號(hào)。自感應(yīng)元件采樣第二信號(hào)的步驟可以包括，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣第二信號(hào)。該采樣可以進(jìn)一步被執(zhí)行，使得第二信號(hào)的采樣處于事件頻率的倍頻處。生成頻域中的復(fù)數(shù)據(jù)的步驟可以通過(guò)使用傅立葉變換(Fourier Tansform)執(zhí)行。該方法可以進(jìn)一步包括由第一關(guān)注分量確定報(bào)告關(guān)注分量的步驟，其中報(bào)告關(guān)注分量是基于第一關(guān)注分量的預(yù)定偏移而確定的。
在另一實(shí)施例中，提供一種用于在具有感應(yīng)元件的陀螺儀傳感器中提取角速率的方法，其中陀螺儀傳感器的感應(yīng)元件具有一對(duì)校驗(yàn)質(zhì)量塊。該方法包括步驟自感應(yīng)元件接收第一信號(hào)，該第一信號(hào)表示校驗(yàn)質(zhì)量塊在第一平面中的第一運(yùn)動(dòng)；自感應(yīng)元件接收第二信號(hào)，該第二信號(hào)表示校驗(yàn)質(zhì)量塊在第二平面中的第二運(yùn)動(dòng)；基于第一信號(hào)的頻率自感應(yīng)元件采樣第二信號(hào)；生成時(shí)域中的同步第二信號(hào)，該同步第二信號(hào)包括多個(gè)分量，該多個(gè)分量中的一個(gè)是角速率；由時(shí)域中的同步第二信號(hào)生成頻域中的復(fù)數(shù)據(jù)，該復(fù)數(shù)據(jù)包括多個(gè)分量；由該復(fù)數(shù)據(jù)確定角速率；以及，使用來(lái)自第一信號(hào)的幅度信息對(duì)角速率進(jìn)行歸一化。
在用于自信號(hào)提取所關(guān)注的分量的電子傳感器中還提供一種系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳感器元件；鎖相環(huán)、信號(hào)采樣器、頻譜分析儀和解碼器。傳感器元件報(bào)告第一信號(hào)和第二信號(hào)。第一信號(hào)具有事件頻率。鎖相環(huán)接收第一信號(hào)并且確定事件頻率。信號(hào)采樣器接收第二信號(hào)，并且生成時(shí)域中的同步第二信號(hào)。信號(hào)采樣器還能夠基于由鎖相環(huán)確定的事件頻率采樣第二信號(hào)。頻譜分析儀接收時(shí)域中的同步第二信號(hào)，并且生成頻域中的復(fù)數(shù)據(jù)。解碼器接收頻域中的復(fù)數(shù)據(jù)，并且由該復(fù)數(shù)據(jù)生成第一關(guān)注分量?？s放單元使第一關(guān)注分量除以振蕩器幅度的測(cè)量值，以對(duì)第一關(guān)注分量進(jìn)行歸一化。
在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括陀螺儀，其中傳感器元件至少具有一對(duì)可移動(dòng)的校驗(yàn)質(zhì)量塊，第一信號(hào)和第二信號(hào)表示校驗(yàn)質(zhì)量塊的振蕩運(yùn)動(dòng)，并且第一關(guān)注分量是感應(yīng)元件的角速率。解碼器可以進(jìn)一步生成第二關(guān)注分量，諸如校驗(yàn)質(zhì)量塊的正交。信號(hào)采樣器可以是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。信號(hào)采樣器可以進(jìn)一步基于由鎖相環(huán)確定的事件頻率的倍頻采樣第二信號(hào)。頻譜分析儀可以使用傅立葉變換生成復(fù)數(shù)據(jù)?？s放單元可被設(shè)置為，基于預(yù)定的偏移，由計(jì)算的第一關(guān)注分量生成報(bào)告的關(guān)注分量。
在另一實(shí)施例中，一個(gè)或者多個(gè)測(cè)試信號(hào)插入到針對(duì)傳感器元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)中，以檢測(cè)故障狀況。該測(cè)試信號(hào)具有獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度和頻率，由此其易于區(qū)分。第一測(cè)試信號(hào)添加到幅度參考，其用于將電機(jī)驅(qū)動(dòng)到所需的頻率和幅度。優(yōu)選地，第二測(cè)試信號(hào)添加到傳感器元件的正交信號(hào)的偏置參考。該第二測(cè)試信號(hào)呈現(xiàn)在傳感器元件的y軸反饋信號(hào)中。故障檢測(cè)器觀測(cè)來(lái)自元件的反饋信號(hào)，以確定測(cè)試信號(hào)是否以同插入的測(cè)試信號(hào)接近的形式出現(xiàn)。如果測(cè)試信號(hào)未出現(xiàn)或者基本上不與插入的測(cè)試信號(hào)匹配，則指出故障。使用如此處描述的縮放單元，還可以從報(bào)告的角速率中減去第一測(cè)試信號(hào)。測(cè)試信號(hào)的插入和檢測(cè)可以持續(xù)地進(jìn)行。
現(xiàn)在，轉(zhuǎn)到附圖，圖2說(shuō)明了具有傳感器元件52和數(shù)字處理單元54的電子傳感器50的一個(gè)實(shí)施例。為了說(shuō)明本發(fā)明，微陀螺儀傳感器將用作電子傳感器50的示例性實(shí)施例。然而，如受益于本公開(kāi)內(nèi)容的本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所將認(rèn)識(shí)到的，本發(fā)明的方法和器件還可用于其它類型的電子傳感器和器件。
在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字處理單元54可以在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制器中實(shí)現(xiàn)，其包括多個(gè)功能模塊，如下文將更加詳細(xì)描述的。通常，在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字處理單元54通過(guò)向傳感器元件52發(fā)送電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)56，可以控制一個(gè)平面中的傳感器元件52的校驗(yàn)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。可替換地，如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到的，分立的模擬系統(tǒng)可用于控制傳感器元件52的校驗(yàn)質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。此外，專用集成電路(ASIC)可以單獨(dú)使用或者同模擬系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)或其全部一同使用，用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。數(shù)字處理單元54還可以提取并報(bào)告角速率58，其反映了從外部引入到傳感器元件52的角速率。為了提取并報(bào)告角速率58，本發(fā)明使用數(shù)字處理單元54自傳感器元件52接收第一信號(hào)60和第二信號(hào)62。如下文將進(jìn)一步描述的，由處于與校驗(yàn)質(zhì)量塊相同的平面的感應(yīng)電極報(bào)告第一信號(hào)60。由未處于與校驗(yàn)質(zhì)量塊相同的平面的感應(yīng)電極報(bào)告第二信號(hào)62。
參考圖3和4，優(yōu)選地，使用已知的MEMS技術(shù)，由硅制造傳感器元件52。傳感器元件52通常包括一對(duì)可移動(dòng)的校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b，一對(duì)外部電梳(combs)66a、66b、一對(duì)內(nèi)部電梳68a、68b和一對(duì)面外感應(yīng)電極70a、70b。圖3是傳感器元件52的頂視圖，而圖4是傳感器元件52的剖面視圖。具有傳感器元件52的部件安裝到基板72(在圖3中未示出)，并且優(yōu)選地，容納在真空密封空腔(未示出)中。
如圖3中所說(shuō)明的，校驗(yàn)質(zhì)量塊對(duì)64a、64b連接到一連串的驅(qū)動(dòng)梁74、基梁76和扭轉(zhuǎn)梁78。梁74、76、78允許校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b相對(duì)于一連串的定位點(diǎn)80移動(dòng)。該定位點(diǎn)剛性連接到基板72。校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b被允許至少在兩個(gè)平面中移動(dòng)。第一平面(面內(nèi))由圖4中所示的x軸定義。第二平面(面外)由y軸定義。
外部電梳對(duì)66a、66b是電極，其在由x軸定義的第一平面中靜電驅(qū)動(dòng)校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b。校驗(yàn)質(zhì)量塊以相互之間180°的相差振蕩。外部電梳對(duì)66a、66b可以安裝到基板72。外部電梳66a、66b由通過(guò)數(shù)字處理54生成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)56驅(qū)動(dòng)，或者，可替換地，由分立的模擬系統(tǒng)或ASIC驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)56是以閉環(huán)形式生成的，用以使校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b在校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b的諧振頻率附近的頻率振蕩。
內(nèi)部電梳對(duì)68a、68b處于與校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b相同的平面。內(nèi)部電梳對(duì)68a、68b可以安裝到基板72。內(nèi)部電梳對(duì)68a、68b可以是電極，其靜電感應(yīng)校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b在x軸中的運(yùn)動(dòng)。內(nèi)部電梳對(duì)68a、68b用于向數(shù)字處理單元54報(bào)告第一信號(hào)60。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，驅(qū)動(dòng)器和傳感器的任務(wù)可以在電梳66和68之間互換。
面外感應(yīng)電極對(duì)70a、70b靜電感應(yīng)校驗(yàn)質(zhì)量塊的面外運(yùn)動(dòng)。面外感應(yīng)電極對(duì)70a、70b可以安置在校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b的下面。面外感應(yīng)電極對(duì)70a、70b用于向數(shù)字處理單元54報(bào)告第二信號(hào)62。如下文將更加詳細(xì)解釋的，第二信號(hào)62包含角速率分量，其反映了從外部引入到傳感器元件52的角速率。第二信號(hào)62表示由z軸中的外部引入旋轉(zhuǎn)速率引起的校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b在y軸中的運(yùn)動(dòng)。如下文將更加詳細(xì)解釋的，數(shù)字處理單元54接收第二信號(hào)62，并且提取角速率分量，以報(bào)告角速率58。
如上文所提及的，數(shù)字處理單元54可以在包含數(shù)個(gè)功能模塊的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)控制器中實(shí)現(xiàn)。參考圖5，在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字處理單元54通?？砂ㄦi相環(huán)82、信號(hào)采樣器84、頻譜分析儀86、解碼器88和縮放單元90。數(shù)字處理單元54可進(jìn)一步包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子裝置92，用于控制校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b在x軸中的振蕩?？商鎿Q地，利用使用本領(lǐng)域已知技術(shù)的外部系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子裝置92。這些功能模塊可以是微碼信號(hào)處理步驟，其作為操作指令在數(shù)字處理單元54或ASIC中進(jìn)行編程。
在一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字處理單元54接收第一信號(hào)60，用于輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子裝置92和鎖相環(huán)82中。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元在閉合的控制回路中使用第一信號(hào)60，以產(chǎn)生用于傳感器元件52的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)56。應(yīng)以f/2的頻率驅(qū)動(dòng)傳感器元件52中的電機(jī)。由于傳感器元件52同激勵(lì)的機(jī)電相互作用，傳感器元件52將以頻率f振蕩。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子裝置92的目的在于，在校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b的諧振頻率fRES下，維持沿x軸的恒定的幅度。在與圖3和4所示相似的設(shè)計(jì)中，在一個(gè)實(shí)施例中，諧振頻率fRES在約15kHz≤fRES≤22kHz的范圍中。
為了實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b的諧振頻率fRES下的激勵(lì)和操作，可以在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子裝置92中使用分立的鎖相環(huán)，用以檢測(cè)和匹配元件的諧振頻率。該鎖相環(huán)用于將激勵(lì)頻率驅(qū)動(dòng)至fRES/2。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子裝置92中的控制回路用于控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)56的幅度。
數(shù)字處理單元54使用第二信號(hào)62，以提取關(guān)于報(bào)告角速率58的角速率分量。如上文所提及的，校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b在y軸中的運(yùn)動(dòng)由面外感應(yīng)電極70a、70b通過(guò)第二信號(hào)62報(bào)告給數(shù)字處理單元。該y軸中的運(yùn)動(dòng)包括至少兩個(gè)主要分量(1)由x軸中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)引起的正交分量；和(2)由引起y軸中的運(yùn)動(dòng)的繞z軸的旋轉(zhuǎn)輸入經(jīng)由科里奧利效應(yīng)引起的角速率分量。來(lái)自x軸運(yùn)動(dòng)的正交分量與x軸同相。由z軸旋轉(zhuǎn)引入的運(yùn)動(dòng)偏移了90度。
第二信號(hào)62將典型地包括其他的無(wú)關(guān)分量，諸如電機(jī)驅(qū)動(dòng)容性饋通以及其他諧振和噪聲源。來(lái)自兩個(gè)面外感應(yīng)電極的每一個(gè)的報(bào)告運(yùn)動(dòng)的示例在圖6和7的圖表中示出。這些圖表說(shuō)明了在測(cè)試過(guò)程中觀測(cè)到的某些數(shù)據(jù)，其中傳感器元件52經(jīng)歷了-100°/sec～+100°/sec之間的以25°/sec為增量的角速率。為了說(shuō)明和清楚起見(jiàn)，在圖6和7的圖表中僅示出了三個(gè)增量。每個(gè)圖表代表由y軸中的一個(gè)面外感應(yīng)電極70a、70b報(bào)告的運(yùn)動(dòng)。
在圖6中，觀測(cè)到的主正弦曲線實(shí)際上是fRES/2下的驅(qū)動(dòng)信號(hào)饋通。所關(guān)注的信號(hào)是波形中的尖峰。尖峰可見(jiàn)于點(diǎn)94(信號(hào)中心附近)和點(diǎn)96、98(在信號(hào)的波峰和波谷處)。在圖7中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)饋通在波形中的劇烈變化是非常顯著的。該信號(hào)不僅具有大的fRES/2下的分量，而且還具有3fRES/2、5fRES/2、7fRES/2的諧波下的分量。
在一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)使用鎖相環(huán)82、信號(hào)采樣器84、頻譜分析儀86、解碼器88和縮放單元90，自第二信號(hào)62提取角速率分量。
在一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)采樣器84獲取第二信號(hào)62的樣本并且將第二信號(hào)62轉(zhuǎn)換成可接受的用于數(shù)字處理單元54中的進(jìn)一步處理的格式。例如，信號(hào)采樣器84對(duì)第二信號(hào)62進(jìn)行采樣，并且將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)采樣器84包括諸如放大器和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的部件。盡管圖5中的信號(hào)采樣器84被示為數(shù)字處理單元54的一部分，但是該部件還可以是向數(shù)字處理單元54的其他部件提供直接輸入的分立單元。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，鎖相環(huán)82用于使信號(hào)采樣器84的采樣頻率同傳感器元件52相適應(yīng)。換言之，鎖相環(huán)82的輸出被用于針對(duì)校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b的特定的諧振頻率，同步第二信號(hào)62。如果信號(hào)采樣器84包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，則該模數(shù)轉(zhuǎn)換器基于來(lái)自鎖相環(huán)82的輸入，測(cè)量和采樣電壓信號(hào)。在優(yōu)選實(shí)施例中，基于校驗(yàn)質(zhì)量塊64a、64b的諧振頻率，對(duì)第二信號(hào)62進(jìn)行過(guò)采樣。例如，信號(hào)采樣器84可被設(shè)置為在諧振頻率的倍頻下，諸如8fRES’進(jìn)行過(guò)采樣。這使得能夠收集128個(gè)樣本。如果傳感器元件的諧振頻率范圍是15kHz≤fRES≤22kHz，則這導(dǎo)致了0.727～1.066ms之間的樣本范圍。這樣，主要的計(jì)算、控制和報(bào)告回路將是約2.0ms。信號(hào)采樣器84可被設(shè)置到其他的過(guò)采樣率，諸如4fRES或16fRES。
信號(hào)采樣器84的輸出是數(shù)字同步第二信號(hào)100，并且將是時(shí)間的函數(shù)。由信號(hào)采樣器84生成的同步第二信號(hào)100將包括合成信號(hào)，其包括正交分量和角速率分量。采樣信號(hào)的其他分量可以包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)饋通以及其他系統(tǒng)諧振和噪聲。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，通過(guò)使用頻譜分析儀86，將(在時(shí)域中的)同步第二信號(hào)100轉(zhuǎn)換到頻域。在一個(gè)實(shí)施例中，頻譜分析儀86使用基于DSP的技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)，并且，特別地，實(shí)現(xiàn)離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)。DFT是適用于頻譜分析儀的技術(shù)，這是因?yàn)槠鋵⒂糜诮鈺r(shí)域函數(shù)的數(shù)學(xué)技術(shù)應(yīng)用到頻譜中。
通常，頻譜分析儀可以分解或分離疊加到原始波形的具有不同頻率的正弦曲線形式的波形或函數(shù)。換言之，其識(shí)別或區(qū)分不同的頻率的正弦曲線和它們各自的幅度。在該情況中，例如，通過(guò)本發(fā)明的頻譜分析儀應(yīng)用圖7所示的第二信號(hào)62將導(dǎo)致與圖8所示相似的頻譜。在該情況中，第一組波峰102表示第二信號(hào)62的容性耦合電機(jī)驅(qū)動(dòng)饋通分量。第二組波峰104表示第二信號(hào)62的兩個(gè)組合分量——正交分量和角速率分量。應(yīng)當(dāng)注意，第二組波峰104的幅度根據(jù)外部施加到感應(yīng)元件52的角速率的大小變化。如可以看見(jiàn)的，在三個(gè)針對(duì)不同角速率獲取的圖線之間，波峰高度中存在差別。第三、第四、第五和第六組波峰106表示第二信號(hào)62的電機(jī)驅(qū)動(dòng)饋通的諧振。任何較高的波峰(未示出)是系統(tǒng)中第二信號(hào)62的另外的諧振和噪聲分量。
通常，在該情況中，在所關(guān)注的整個(gè)頻譜上執(zhí)行傅立葉變換將需要大量的計(jì)算時(shí)間，用于搜索關(guān)注的特定頻率。例如，如上文所提及的，在傳感器元件52的一個(gè)實(shí)施例中找到的所關(guān)注的大致范圍是15kHz≤fRES≤22kHz的范圍，即校驗(yàn)質(zhì)量塊的諧振頻率范圍。
因此，在實(shí)施例中，如上文所提及的，本發(fā)明針對(duì)第一信號(hào)60使用鎖相環(huán)82，調(diào)節(jié)信號(hào)采樣器84的采樣頻率。這使得系統(tǒng)能夠有利地使用基于事件的采樣方法替換基于時(shí)間的采樣方法。換言之，使用鎖相環(huán)82作為信號(hào)采樣器84的采樣時(shí)鐘的一部分，允許本系統(tǒng)拒絕頻率外分量，并且分離兩個(gè)以相同頻率出現(xiàn)的組合分量(正交和角速率)。以這樣的方法采樣第二信號(hào)62提供了數(shù)個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，所關(guān)注的信號(hào)將總是處于基于事件的頻譜中的相同的點(diǎn)。這消除了由于傳感器元件之間的細(xì)微變化引起的搜索所關(guān)注的頻率的額外的計(jì)算時(shí)間。其次，通過(guò)在波形的特定事件下采樣信號(hào)，可以分離并獨(dú)立測(cè)量第二信號(hào)的正交分量和角速率分量。
頻譜分析儀86用于確定同步第二信號(hào)100的幅度和相位。如果使用離散傅立葉變換，則一般變換具有下列式(1)的形式。
X(k)=∑n=1Nx(n)exp[-j2π(k-1)(n-1)N]for1≤k≤N---(1)]]>然而，在本發(fā)明中，使用上文提及的基于事件的采樣方法，僅需要在單個(gè)點(diǎn)而非N個(gè)點(diǎn)計(jì)算X(k)。這樣，DFT的結(jié)果將具有式(2)的復(fù)數(shù)的形式。
X＝XREAL+jXCOMPLEX(2)因此，在一個(gè)實(shí)施例中，頻譜分析儀86的輸出是如圖5中所示的復(fù)數(shù)據(jù)110。復(fù)數(shù)據(jù)110是兩個(gè)所選頻率下的分量的和角速率分量和正交分量。這樣，頻譜分析儀86的輸出可以輸入到解碼器88中。
解碼器88由接收自頻譜分析儀86的復(fù)數(shù)據(jù)110確定計(jì)算角速率分量112和計(jì)算正交速率分量114。如上文所提及的，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，復(fù)數(shù)據(jù)110是兩個(gè)基于事件的頻率下的分量的和。這兩個(gè)信號(hào)分量在物理上相互偏移90度，并且，使用上文所述的系統(tǒng)和方法，復(fù)數(shù)據(jù)110的分量也將相互偏移90度。
換言之，解碼器88可以將復(fù)數(shù)據(jù)110分解為其角速率分量和其正交分量。參考圖9中的示圖，這得到了進(jìn)一步的說(shuō)明。由于上文所述的基于事件的采樣方法，角度θ是恒定的。為了由復(fù)數(shù)據(jù)110獲得計(jì)算的角速率分量112和正交分量114，使用具有類似式(3)的公式的角投影/旋轉(zhuǎn)。
QUADRATUREANGULAR RATE=cosθsinθ-sinθcosθ=XREALXCOMPLEX---(3)]]>解碼器88具有生成兩個(gè)關(guān)注分量的輸出計(jì)算角速率分量112和計(jì)算正交分量114。計(jì)算角速率分量112可以自數(shù)字處理單元54從外部報(bào)告。優(yōu)選地，如下文進(jìn)一步描述的，計(jì)算角速率分量112可發(fā)送到縮放單元90，用于進(jìn)一步的處理。計(jì)算正交分量114可以發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子裝置92，以協(xié)助生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)56。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于具有相對(duì)固定的正交值和變化的角速率的系統(tǒng)，對(duì)于不同角速率中的單個(gè)頻率，由解碼器88計(jì)算的角速率分量112通常最終具有直線的形式。這在圖10中得到說(shuō)明，其示出了在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得自一個(gè)面外感應(yīng)電極70a、70b的數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)注意，在某些應(yīng)用中，可能出現(xiàn)這樣的變化，其導(dǎo)致了不能形成直線的點(diǎn)。這可能由這一事實(shí)導(dǎo)致，即正交分量實(shí)際上在測(cè)試之間發(fā)生變化。
因此，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)字處理單元54進(jìn)一步包括縮放單元90，用于將計(jì)算角速率分量112轉(zhuǎn)換為報(bào)告角速率58。然后，可由數(shù)字處理單元54輸出報(bào)告角速率58。
縮放單元90可以通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)。圖11說(shuō)明了可用于將計(jì)算角速率信號(hào)112轉(zhuǎn)換為報(bào)告角速率58的曲線的示例。該曲線示出了相對(duì)于輸入角速率的計(jì)算角速率。圖11中的曲線是通過(guò)來(lái)自與圖3和4所示相似的傳感器元件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的。對(duì)于不同的傳感器可以預(yù)備相似的曲線。該數(shù)據(jù)可用于確定針對(duì)計(jì)算角速率信號(hào)112的偏移。在某些應(yīng)用中，其中由于特定的采樣方法或者由于傳感器元件52中的其他的制造誤差出現(xiàn)了測(cè)量誤差，需要偏移。如果使用了偏移，則適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，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，角速率傳感器對(duì)于來(lái)自道路狀況的干擾或者參數(shù)漂移是易損的。通常需要維持傳感器的校驗(yàn)質(zhì)量塊的恒定的振蕩幅度。然而，當(dāng)干擾或參數(shù)變化影響角速率傳感器的振蕩幅度時(shí)，由于科里奧利效應(yīng)導(dǎo)致的計(jì)算角速率分量112中的變化可能被不正確地解釋為汽車本身的角速率的變化。這在圖12中得到說(shuō)明，其報(bào)告了在關(guān)于每隔2ms計(jì)算的100個(gè)樣本的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得的角速率。電機(jī)振蕩幅度在樣本50～60之間增加2.5％，以模擬由于干擾引起的電機(jī)振蕩的增加。如可以看見(jiàn)的，報(bào)告角速率隨著電機(jī)幅度的增加而不正確地增加，導(dǎo)致了報(bào)告角速率中的誤差。
計(jì)算角速率分量112基于參數(shù)電子裝置的參數(shù)(其可被校準(zhǔn))、校驗(yàn)質(zhì)量塊的速度(作為振蕩幅度而被讀取)和施加到傳感器的實(shí)際角速率。因此，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，為了消除干擾和參數(shù)漂移的影響，在縮放單元90中使測(cè)量的角速率(實(shí)際上作為感應(yīng)軸的幅度而被讀取)除以振蕩幅度的測(cè)量值，由此在外部因素影響校驗(yàn)質(zhì)量塊的振蕩時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行歸一化。然后，在由數(shù)字處理單元54輸出報(bào)告角速率58之前，該歸一化的輸出可以通過(guò)濾波器，諸如縮放單元90中的低通濾波器。
特別地，回來(lái)參考圖5，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例包括幅度重建模塊81和幅度控制85。這些附加的模塊可以通過(guò)模擬或數(shù)字控制方案實(shí)現(xiàn)。該幅度重建模塊可以包括∑-Δ轉(zhuǎn)換器和過(guò)采樣功能。該幅度重建模塊使用來(lái)自傳感器元件52的第一信號(hào)60，并且提供校驗(yàn)質(zhì)量塊的實(shí)際幅度的重建。幅度控制模塊85使用此傳感器的實(shí)際振蕩的重建幅度，并且將其同所需的幅度參考或AGC控制進(jìn)行比較。幅度控制的目的在于，通過(guò)電機(jī)控制電子裝置92，將傳感器元件驅(qū)動(dòng)至恒定的操作頻率和幅度。重建的實(shí)際幅度還提供給縮放單元90，其中使測(cè)量的角速率(實(shí)際上作為感應(yīng)軸的幅度而被讀取)除以重建幅度，用于歸一化，以提供更加準(zhǔn)確的報(bào)告角速率輸出。任選地，還提供了偏置控制，其使用來(lái)自解碼器88的速率信息和偏置參考，以將傳感器速率維持在零點(diǎn)周圍(即，沒(méi)有速率偏移)。
回顧前文，當(dāng)角速率施加到繞Z軸的傳感器時(shí)，傳感器在X軸中的振蕩運(yùn)動(dòng)將生成Y軸中的加速度。這由下式?jīng)Q定a＝ω×ν其中a是科里奧利加速度，其被定義為坐標(biāo)系統(tǒng)的角速率ω(在該情況中是施加到傳感器的角速率)和校驗(yàn)質(zhì)量塊的速度ν的向量積(cross product)。由于角速率輸入以及X軸中的振蕩，科里奧利效應(yīng)將在傳感器的Y軸中產(chǎn)生加速度。作為向量積，科里奧利加速度相對(duì)于傳感器的校驗(yàn)質(zhì)量塊的振蕩具有90°的相差。
由于校驗(yàn)質(zhì)量塊處于正弦運(yùn)動(dòng)中，因此校驗(yàn)質(zhì)量塊在X軸中的的位置可被定義為x＝Asin(ωxt)其中A是運(yùn)動(dòng)幅度(被控制為幾乎為一常數(shù))，而ωx是校驗(yàn)質(zhì)量塊的振蕩頻率。則速度變?yōu)関x=ddtAsin(ωxt)=Acos(ωxt)+dAdtsin(ωxt)]]>在解析上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)dAdtsin(ωxt)≈0]]>其使得νx＝Acos(ωxt)這樣，速度大小為｜νx｜＝Aωx穩(wěn)定狀態(tài)下的科里奧利加速度將產(chǎn)生具有與校驗(yàn)質(zhì)量塊的振蕩頻率相同的頻率的正弦信號(hào)，如下所示αr=d2dt2Bcos(ωxt)=Bωx2cos(ωxt)+Higher_Order_Terms]]>而且，在解析上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，高階項(xiàng)是足夠小的，可以忽略，因此我們得到了科里奧利加速度的大小為｜αr｜＝Bωx2將該項(xiàng)代回到原始的向量積式中，我們有ω∝αrνx,]]>或者ω∝Bωx2Aωx,]]>并且結(jié)果為ω∝BA]]>
因此，不需要分別計(jì)算出Y和X軸中的加速度和速度，振蕩幅度足夠用于確定施加到傳感器的角速率。
典型地，對(duì)陀螺儀傳感器的角速率進(jìn)行濾波，以通過(guò)某種方式計(jì)算來(lái)自Y軸運(yùn)動(dòng)的速率，并且使其經(jīng)歷濾波方案，通常如低階低通濾波器。然而，與此有關(guān)的問(wèn)題在于，當(dāng)該傳感器安置在具有大的干擾的系統(tǒng)上時(shí)，諸如汽車，振動(dòng)干擾可能轉(zhuǎn)化為X軸振蕩幅度中的干擾。這導(dǎo)致了由傳感器計(jì)算的計(jì)算速率信號(hào)的偏差。如果振蕩幅度增加，則計(jì)算速率將增加，即使實(shí)際的角速率并未變化。而且，如果角速率下降，則計(jì)算速率將以相同的方式下降，即使實(shí)際的角速率并未變化。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，低通濾波通常不足以去除這些干擾。
因此，通過(guò)獲取來(lái)自傳感器的計(jì)算速率輸出并且根據(jù)前面的發(fā)現(xiàn)，即ω同B/A成比例，使其除以振蕩幅度，本發(fā)明提供了歸一化。這樣，從計(jì)算速率信號(hào)中去除了干擾或者振蕩幅度的漂移。然后，在傳感器報(bào)告角速率之前，可以對(duì)計(jì)算速率進(jìn)行濾波(通常是低通濾波)。圖13說(shuō)明了使用與圖12相同的實(shí)驗(yàn)獲得的報(bào)告角速率，其中電機(jī)振蕩幅度在樣本50和60之間增加了2.5％，以模擬由于干擾引起的電機(jī)振蕩的增加。如可以看見(jiàn)的，當(dāng)電機(jī)幅度增加時(shí)，報(bào)告角速率停留在原有水平，證實(shí)了報(bào)告角速率中增加的準(zhǔn)確性。
而且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，陀螺儀傳感器經(jīng)歷多種故障模式。由于角速率傳感器可用于安全臨界系統(tǒng)，因此需要持續(xù)地監(jiān)視整個(gè)傳感器的功能，包括傳感器元件、DSP、ASIC、電子裝置和軟件，以便于確保一直進(jìn)行正確操作。通常，使傳感器離線執(zhí)行診斷測(cè)試是不理想的。
因此，本發(fā)明的更加優(yōu)選的實(shí)施例提供了實(shí)時(shí)診斷技術(shù)，以監(jiān)視傳感器的全部部件。該更優(yōu)選的實(shí)施例將測(cè)試信號(hào)(通常是低頻正弦信號(hào))插入到校驗(yàn)質(zhì)量塊振蕩幅度的參考電平以及偏置信號(hào)中。偏置電壓變化的影響將作為正交而被測(cè)量。這用于確保偏置生成電路、感應(yīng)軸電子裝置和控制算法正確地工作。振蕩參考的影響將呈現(xiàn)為測(cè)量的角速率的變化，通過(guò)使測(cè)量速率除以校驗(yàn)質(zhì)量塊的振蕩幅度而使之無(wú)效，如前面描述的優(yōu)選實(shí)施例中執(zhí)行的。結(jié)果，施加到傳感器的偏置電壓的變化將僅導(dǎo)致感應(yīng)軸正交的變化，而非導(dǎo)致測(cè)量角速率的變化。每個(gè)該測(cè)試持續(xù)運(yùn)行，因此避免了中斷傳感器操作以執(zhí)行診斷的需要。
回來(lái)參考圖5，如前文所述，DSP的主要控制回路是2ms，其被定義為“DSP計(jì)算循環(huán)”。在該時(shí)間中，獲取多個(gè)測(cè)量結(jié)果以確定電機(jī)和速率的幅度，并且執(zhí)行計(jì)算以設(shè)置多種控制參數(shù)。待執(zhí)行的故障測(cè)試將以該2ms間隔的某個(gè)倍數(shù)為間隔而發(fā)生。故障檢查涉及有源和無(wú)源檢查。
有源檢查是一種這樣的檢查，其中自受到輸入測(cè)試信號(hào)影響的輸出點(diǎn)對(duì)量進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)試信號(hào)影響元件的性能特性，并且測(cè)量的量應(yīng)反映該測(cè)試信號(hào)。這些情況中的測(cè)試信號(hào)添加到正常操作參數(shù)，諸如電機(jī)幅度參考和偏置參考。具體地，諸如正弦波的測(cè)試信號(hào)被引入到關(guān)于所需幅度的參考頂部，并且如果在反饋中未看見(jiàn)該正弦波，則指出了故障。優(yōu)選地，使用兩個(gè)獨(dú)立的測(cè)試信號(hào)，測(cè)試信號(hào)1用于幅度參考，而測(cè)試信號(hào)2用于偏置參考。該測(cè)試信號(hào)還獨(dú)立于幅度或偏置參考的頻率，并且不影響角速率信號(hào)。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的故障檢測(cè)可以實(shí)時(shí)地執(zhí)行。
在操作中，測(cè)試信號(hào)1被引入到所示求和模塊87處的所需電機(jī)幅度。該測(cè)試信號(hào)，其通常不超過(guò)所需電機(jī)幅度的5％，添加到固定的參考值。這具有這樣的效果，即創(chuàng)建了具有較大DC偏移的小正弦波的參考信號(hào)。DSP中的控制回路將使振蕩的實(shí)際幅度維持在該時(shí)變參考電平。每次該參考完成一個(gè)循環(huán)，執(zhí)行一次驗(yàn)證，其驗(yàn)證實(shí)際的電機(jī)幅度已完成循環(huán)。如果來(lái)自幅度重建81的反饋信號(hào)未追蹤到預(yù)定幅度和相位范圍中的參考信號(hào)(即，5％的時(shí)變幅度)，則由故障檢測(cè)器89指出x軸故障。該測(cè)試信號(hào)不改變速率(參見(jiàn)圖9)。然而，如前面所介紹的，歸一化可以去除測(cè)試信號(hào)以提供正確信號(hào)。
對(duì)于該x軸故障模式，下列數(shù)種故障中的一種或多種故障可能出現(xiàn)串行外圍設(shè)備接口(SPI)傳送或接收錯(cuò)誤、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電子裝置故障、電機(jī)感應(yīng)電子裝置故障、幅度重建的∑-Δ故障、或者控制器算法故障(DSP、ASIC等)。通過(guò)將一連串的已知測(cè)試輸入輸入到主控制回路中，并且將計(jì)算輸出同已知值進(jìn)行比較，可以驗(yàn)證控制器算法故障。這樣，其他的故障可以通過(guò)測(cè)試模式獨(dú)立地進(jìn)行識(shí)別。出現(xiàn)故障時(shí)，由故障檢測(cè)器89設(shè)置故障標(biāo)志，并且可以激活獨(dú)立測(cè)試。
此外，測(cè)試信號(hào)2被引入到所示所需偏置參考求和模塊95。該測(cè)試信號(hào)同樣僅為參考偏置電平的小的百分比，并且被添加到固定的控制值。這具有這樣的效果，即創(chuàng)建了具有較大DC偏移的小正弦波的參考信號(hào)。DSP中的控制回路將使實(shí)際正交維持在該時(shí)變參考電平。每次該參考完成一個(gè)循環(huán)，執(zhí)行一次驗(yàn)證，其驗(yàn)證實(shí)際的電機(jī)幅度已完成循環(huán)。如果來(lái)自解碼器88的反饋信號(hào)未追蹤到第二組預(yù)定幅度和相位范圍中的參考信號(hào)，則由故障檢測(cè)器91指出y軸故障。該測(cè)試信號(hào)改變正交而不影響速率(參見(jiàn)圖9)。
對(duì)于該y軸故障模式，下列數(shù)種故障中的一種或多種故障可能出現(xiàn)SPI傳送或接收錯(cuò)誤、偏置電子裝置故障、速率感應(yīng)電子裝置故障、∑-Δ故障、控制器算法故障。通過(guò)將一連串的已知測(cè)試輸入輸入到偏置控制回路中，并且將計(jì)算輸出同已知值進(jìn)行比較，可以驗(yàn)證控制器算法故障。這樣，其他的故障可以通過(guò)測(cè)試模式獨(dú)立地進(jìn)行識(shí)別。出現(xiàn)故障時(shí)，由故障檢測(cè)器91設(shè)置故障標(biāo)志，并且可以激活獨(dú)立測(cè)試。
本發(fā)明的有源檢查不需要插入的測(cè)試信號(hào)同參考信號(hào)具有某種關(guān)系。換言之，測(cè)試信號(hào)在相位和幅度上可以獨(dú)立于參考信號(hào)。例如，測(cè)試信號(hào)可以具有參考信號(hào)的5％的幅度，并且具有約1Hz的頻率。結(jié)果，本發(fā)明不需要調(diào)節(jié)回路功能或者使用耦合模擬。而且，本發(fā)明適于所有可能的故障模式。
本發(fā)明還預(yù)想了可執(zhí)行的無(wú)源故障檢查。無(wú)源檢查是一種這樣的檢查，其中在控制系統(tǒng)中對(duì)量進(jìn)行測(cè)量，并且將其同預(yù)期值進(jìn)行比較。待測(cè)量的量可由控制器直接或間接控制，然而，控制器未有源地發(fā)送用于檢查任何這些量的測(cè)試信號(hào)。
例如，一種無(wú)源測(cè)試用于PLL 82，其中自DSP上的頻率輸入端周期性地讀取PLL的值，并且其必須處于在導(dǎo)線末端處校準(zhǔn)的值的預(yù)定百分比內(nèi)。另一無(wú)源測(cè)試用于電機(jī)幅度限制，其中每當(dāng)檢查電機(jī)幅度時(shí)，其值必須位于某個(gè)最大范圍內(nèi)。如果連續(xù)的測(cè)量結(jié)果均達(dá)到該范圍，或者如果在測(cè)量結(jié)果的某個(gè)百分比處達(dá)到了限制，則設(shè)置錯(cuò)誤標(biāo)志。另一無(wú)源測(cè)試用于AGC限制，其中每當(dāng)計(jì)算AGC時(shí)，執(zhí)行該值同校準(zhǔn)的最大和最小允許值的比較。如果計(jì)算結(jié)果超過(guò)了該最大或最小值，則將限制值發(fā)送到控制器，并且設(shè)置錯(cuò)誤標(biāo)志。如果連續(xù)的計(jì)算結(jié)果均達(dá)到了限制，或者如果在計(jì)算結(jié)果的某個(gè)百分比處達(dá)到了限制，則設(shè)置錯(cuò)誤標(biāo)志。該測(cè)試通過(guò)確保計(jì)算結(jié)果處于正確的范圍之中來(lái)檢查控制器。另一無(wú)源測(cè)試用于偏置限制，其中每當(dāng)計(jì)算感應(yīng)極板偏置時(shí)，執(zhí)行該值同校準(zhǔn)的最大和最小允許值的比較。如果計(jì)算結(jié)果超過(guò)了該最大或最小值，則將限制值發(fā)送到控制器，并且設(shè)置錯(cuò)誤標(biāo)志。如果連續(xù)的計(jì)算結(jié)果均達(dá)到了限制，或者如果在計(jì)算結(jié)果的某個(gè)百分比處達(dá)到了限制，則設(shè)置錯(cuò)誤標(biāo)志。該測(cè)試通過(guò)確保計(jì)算結(jié)果處于正確的范圍之中來(lái)檢查DSP。
所描述的是一種改進(jìn)的方法和系統(tǒng)，用于調(diào)理來(lái)自電子傳感器的輸出信號(hào)的角速率分量，用于自其正確地提取該角速率分量。該方法和系統(tǒng)消除了對(duì)過(guò)多的濾波的需要，并且需要比現(xiàn)有技術(shù)少的計(jì)算。
其改善了電子傳感器的準(zhǔn)確性、速度和成本。該方法和系統(tǒng)減少了噪聲頻譜的影響，并且顯著減少了電機(jī)驅(qū)動(dòng)饋通的影響。該方法和系統(tǒng)通過(guò)額外使用鎖相環(huán)利用離散傅立葉變換，以使采樣頻率同具體的電子傳感器相適應(yīng)。基于鎖相采樣方法、樣本數(shù)目和每個(gè)波形的過(guò)采樣量，關(guān)于離散傅立葉變換的系數(shù)事先是已知的。而且，該方法和系統(tǒng)提供了有效的和具有魯棒性的基于事件的采樣方案，替換了基于時(shí)間的采樣方案。而且，本發(fā)明并入了通過(guò)歸一化考慮傳感器元件之間的差異的方法。而且，本發(fā)明提供了用于所有故障模式的故障檢測(cè)。
上文的本發(fā)明的描述的目的僅為示例性的，而并非限制由本申請(qǐng)?zhí)岢龅娜魏螌＠姆秶１景l(fā)明目的在于，僅受到權(quán)利要求的廣泛范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種用于在具有感應(yīng)元件的電子傳感器中進(jìn)行信號(hào)調(diào)理的方法，該感應(yīng)元件生成第一信號(hào)和第二信號(hào)，該方法包括步驟自感應(yīng)元件接收第一信號(hào)，該第一信號(hào)具有事件頻率；基于該事件頻率自感應(yīng)元件采樣第二信號(hào)，該第二信號(hào)具有多個(gè)分量，該多個(gè)分量中的一個(gè)是第一關(guān)注分量；生成時(shí)域中的同步第二信號(hào)，該第二信號(hào)具有多個(gè)分量；由時(shí)域中的同步第二信號(hào)生成頻域中的復(fù)數(shù)據(jù)；由該復(fù)數(shù)據(jù)確定第一關(guān)注分量；和使用來(lái)自第一信號(hào)的幅度信息對(duì)所述第一關(guān)注分量進(jìn)行歸一化。
2.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括步驟通過(guò)驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)傳感器元件，和將第一測(cè)試信號(hào)插入到驅(qū)動(dòng)信號(hào)中，其中第一測(cè)試信號(hào)具有獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率。
3.權(quán)利要求2的方法，其中插入第一測(cè)試信號(hào)的步驟提供了傳感器的第一關(guān)注分量中的變化，并且進(jìn)一步包括步驟檢測(cè)來(lái)自感應(yīng)元件的第一反饋信號(hào)中的第一測(cè)試信號(hào)；如果第一反饋信號(hào)中的第一測(cè)試信號(hào)基本上不與來(lái)自插入步驟的第一測(cè)試信號(hào)匹配，則指出故障；和將第一測(cè)試信號(hào)從第一關(guān)注分量中減去。
4.權(quán)利要求2的方法，進(jìn)一步包括步驟在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正交偏置參考上插入第二測(cè)試信號(hào)；檢測(cè)來(lái)自感應(yīng)元件的第二反饋信號(hào)中的第二測(cè)試信號(hào)；和如果第二反饋信號(hào)中的第二測(cè)試信號(hào)基本上不與來(lái)自插入步驟的第二測(cè)試信號(hào)匹配，則指出故障。
5.權(quán)利要求4的方法，其中第一測(cè)試信號(hào)插入到傳感器元件的幅度參考中，并且第二測(cè)試信號(hào)插入到傳感器元件的偏置控制中，其中第二測(cè)試信號(hào)具有獨(dú)立于正交頻率的頻率。
6.一種電子傳感器中的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器元件，其報(bào)告第一信號(hào)和第二信號(hào)，第一信號(hào)具有事件頻率；鎖相環(huán)，用于接收第一信號(hào)并且確定事件頻率；信號(hào)采樣器，用于接收第二信號(hào)，并且生成時(shí)域中的同步第二信號(hào)，該信號(hào)采樣器能夠基于由鎖相環(huán)確定的事件頻率采樣第二信號(hào)；頻譜分析儀，用于接收時(shí)域中的同步第二信號(hào)，并且生成頻域中的復(fù)數(shù)據(jù)；解碼器，用于接收頻域中的復(fù)數(shù)據(jù)，并且生成第一關(guān)注分量，第一關(guān)注分量是頻域中的復(fù)數(shù)據(jù)的分量；驅(qū)動(dòng)信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)傳感器元件；和縮放單元，其使第一關(guān)注分量除以振蕩器幅度的測(cè)量值，以對(duì)第一關(guān)注分量進(jìn)行歸一化。
7.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第一測(cè)試信號(hào)，其插入到驅(qū)動(dòng)信號(hào)中，并且具有獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率；和第一反饋信號(hào)，其來(lái)自傳感器元件。
8.權(quán)利要求7的方法，其中第一測(cè)試信號(hào)提供了傳感器的角速率中的變化，并且進(jìn)一步包括故障檢測(cè)器，其檢測(cè)來(lái)自感應(yīng)元件的第一反饋信號(hào)中的第一測(cè)試信號(hào)，并且如果第一反饋信號(hào)中的第一測(cè)試信號(hào)基本上不與第一測(cè)試信號(hào)匹配，則指出故障，并且其中縮放單元將第一測(cè)試信號(hào)從角速率中減去。
9.權(quán)利要求6的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括第一測(cè)試信號(hào)和第二測(cè)試信號(hào)，其插入到驅(qū)動(dòng)信號(hào)中，每個(gè)測(cè)試信號(hào)具有獨(dú)立于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率；第一反饋信號(hào)和第二反饋信號(hào)，其來(lái)自傳感器元件；故障檢測(cè)器，其將各個(gè)第一和第二反饋信號(hào)中的第一和第二測(cè)試信號(hào)同各個(gè)插入的第一和第二測(cè)試信號(hào)進(jìn)行比較，其中如果第一反饋信號(hào)中的一個(gè)或多個(gè)第一反饋信號(hào)基本上不與第一測(cè)試信號(hào)匹配，且如果第二反饋信號(hào)中的第二反饋信號(hào)基本上不與第二測(cè)試信號(hào)匹配，則故障檢測(cè)器指出故障。
10.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中第一測(cè)試信號(hào)插入到驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度參考中，并且第二測(cè)試信號(hào)插入到驅(qū)動(dòng)信號(hào)的偏置參考中。
全文摘要
一種用于自具有感應(yīng)元件(52)的電子傳感器(50)中的信號(hào)提取分量的方法。該感應(yīng)元件(52)生成第一信號(hào)(60)和第二信號(hào)(62)。該方法包括步驟自感應(yīng)元件(52)接收第一信號(hào)(60)，該第一信號(hào)(60)具有事件頻率；基于該事件頻率自感應(yīng)元件(52)采樣第二信號(hào)(62)，該第二信號(hào)(62)具有多個(gè)分量，該多個(gè)分量中的一個(gè)是第一關(guān)注分量(112、114)；生成時(shí)域中的同步第二信號(hào)(100)，該第二信號(hào)(62)具有多個(gè)分量；由時(shí)域中的同步第二信號(hào)(100)生成頻域中的復(fù)數(shù)據(jù)(110)；由該復(fù)數(shù)據(jù)(110)確定第一關(guān)注分量(112、114)；以及，使用來(lái)自第一信號(hào)(60)的幅度信息對(duì)所關(guān)注的第一分量(112、114)進(jìn)行歸一化。
文檔編號(hào)G01C19/56GK1720534SQ200480001654
公開(kāi)日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2004年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月22日
發(fā)明者史蒂芬·J·羅伯 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司