传感器控制中用于剩余值处理的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于控制传感器(310)的装置(300)，其具有转换器单元(320)，用于将输入信号(365)转换为用于控制该传感器(310)的控制信号(360)，以及具有比较单元(330)，用于确定差分信号(370)，该差分信号提供输入信号(365)和控制信号(360)之间的差。此外，该装置还具有调节器单元(340)，用于借助差分信号(370)调节输入信号(365)。在此，差差分分信号(370)的传递函数在传感器(310)的工作频率不等于零时具有零点。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】传感器控制中用于剩余值处理的装置和方法
本专利技术涉及一种用于剩余值处理的装置和一种用于剩余值处理的方法。
技术介绍
当今技术在许多领域依赖于高精度的传感器。这些传感器通常通过测量感应器从静止位置或复位位置的偏移来获得测量数据。因此，在机械传感器中测量弹簧由于感应器的位置变化或方向变化而引起的张力或扭力，并由此测得所期望的测量数据。在电容式传感器中，感应器的位置变化导致感应器和检验质量块之间的电容量的变化。这可以被测量并由此测得所期望的测量值。因此，为了提供高精度的传感器，必要的是，在测量前和测量过程中都能准确确定感应器的位置。理想情况是，测量系统在测量后回到静止状态，在该静止状态下，感应器位于准确定义的复位位置。然而，根据测量系统的构造，测量系统回到静止状态可能需要较长的时间。特别是，当感应器在测量之后以低阻尼振动时，该感应器可能需要很长时间才能重新位于复位位置。在这段时间内就不可能进行准确的测量，因为无法准确知道感应器的位置。此外还可能的是，测量系统的感应器由于意外的振荡而远离其复位位置。这也可能限制测量的准确性。因此，有必要确保感应器在测量开始之前位于复位位置。通常的方式是通过施加反作用于感应器的运动的回复力，并由此快速恢复到复位位置。对于某些传感器类型，例如对于复位的旋转速率传感器，必须向感应器施加随时间变化的回复力。这在旋转速率传感器中是必要的，以补偿由科里奥利力造成的偏转。该回复力则典型地是具有特定工作角频率和/或固有角频率ω0和特定振幅的振动。因此，也必须以明确不等于零的频率来控制旋转速率传感器，以确保恢复至具有特定振幅的角频率ω0。理想情况是，在电容式传感器中，感应器或检验质量块精确地以所需(例如所计算)的力控制或复位。该力在此通过电极上的产生静电力的电压施加。例如使用两个电极，也就是提供两个电压，这两个电压就通过电极间形成的电场产生电极间的力K。该力K的大小由K＝CU2/d得出，其中C为电极间的电容，U为所施加的电压，且d为电极间的距离。由此，为产生特定的力K，所施加的电压必须正比于K的平方根。在此，回复力例如可以通过两个相对的电极对产生，即，该回复力自这两个电极对的共同作用产生。例如可以向第一电极对施加电压并向第二电极对施加电压这在电容C相同和电极间的距离相同的情况下导致合力K＝C/d(U12-U22)＝C/dU02F。因此，通过值F能够调节回复力。f是可用于其他目的的自由参数。各个复位所需的力往往数字化计算，并且必须转换为模拟信号以用于感应器。在现实中，在例如从数字化计算的力向模拟物理电压的过渡中，由于在数字/模拟转换器中的转换(也被称为“量化”)，会产生误差。特别是，例如由于上述开平方函数的使用及其计算，和/或由于字长有限(例如16bit)的数字转换器，会产生非理想化的“量化”信号。由量化产生的误差可以以多种方式干扰传感器系统的特性，因此，所谓的“剩余值处理”就是必要的，在其中确定量化误差，并通过将该误差反馈回传感器系统来设法在相关频带中使误差最小化。根据现有技术，这借助图9A中示意性示出的控制回路实现。在以下说明中，图9A所示的信号F、E和Y的时间参考通过下标的时间标识构成。在时间点“t”所观察的信号就以下标的“t”标示。在第一次迭代中，通过在数字/模拟转换器10处的量化将量化误差Et加入在时间点t输入的信号Ft。量化的信号Yt用于复位和/或控制传感器系统。通过在比较单元20中比较输入信号Ft和量化的信号Yt确定未知误差Et，并将其存储在寄存器30中。在下一时间段中，通过求差器40从输入信号中减去存储在寄存器30中的误差Et。也就是求出在时间点(t+T)的输入信号Ft+T和在时间点t的误差Et的差。T在此是输入信号F的采样率。因此，输出信号Yt+T就是Yt+T＝Ft+T+Et+T-Et。由此求z变换(z＝eiωT)得出Y(z)＝F(z)+E(z)(1-z-1)。差分信号(即误差信号)E(z)到输出Y(z)的传递函数GE(z)就是GE(z)＝E(z)(1-z-1)/E(z)＝1-z-1。该传递函数的模在图10上方示出，其相位(或幅角)在下方示出。该传递函数在ω＝0时具有零点，因为在此z＝1。图9B示意性地示出了在图9A中示意性示出的、根据现有技术的控制回路的具体实施方式。特别是，数字/模拟转换器10具有两个开方运算器12和14，这两个开方运算器求根和并转换为模拟控制信号16、17。在平方运算单元18中，这些根又重新被平方，并由此求其差值，以产生量化的信号FQ，该信号最终对应在传感器上产生的力的缩放副本。如参照图9A所述，误差E由此在比较单元20中确定，存储在寄存器30中，并在下一采样步骤中通过求差器40从输入信号F中减去。由于ω＝0时为零点，这一构造特别适用于其组件以几乎恒定或非常缓慢变化的信号(即ω≈0)进行控制的传感器。但这仅仅是某些传感器的情况。如上所述，特别是对于旋转速率传感器，回复力具有以特定工作角频率或固有角频率ω0振动的振动行为。因此也必须以明确不等于零的频率来控制旋转速率传感器。如图10所示，对于这些频率，量化误差E的传递函数GE不等于零。也就是说，在该范围内的计算由于量化效应而伴随着很大误差。这导致了对传感器的不准确控制，并因此导致传感器的准确度的限制。
技术实现思路
本专利技术的任务在于提供一种用于剩余值处理的装置，其在受控传感器的工作角频率和/或谐振角频率ω0下没有量化误差。此外，所希望的是提供一种对应的方法。该任务通过独立权利要求的内容得以实现。有利的扩展方案由各从属权利要求给出。提供一种用于控制传感器的装置，其具有转换器单元，用于将输入信号转换为用于控制传感器的控制信号，具有比较单元，用于确定差分信号，该差分信号提供输入信号和控制信号之间的差，该装置还具有调节器单元，用于借助差分信号调节输入信号。在此，差分信号的传递函数在传感器的工作频率不等于零时具有零点。此外，上述任务还通过用于控制传感器的方法得以实现，该方法包括以下步骤：将输入信号转换为用于控制传感器的控制信号；确定差分信号，该差分信号提供输入信号和控制信号之间的差；以及借助差分信号调节输入信号。在此，差分信号的传递函数在传感器的工作频率不等于零时具有零点。通过该实施方式，输入信号和控制信号之间的误差，即差分信号，在受控传感器的工作频率下为零，因为差分信号的传递函数在此具有零点。该工作频率在此可以等于传感器的谐振频率。在传感器的工作频率或谐振频率的附近，由量化误差造成的对该传感器的控制的失真由此抵消，并因此能够确保传感器的精确可靠的运行。另外可获得明显改进的传感器线性度，特别是对于小信号。此外，能够无误地控制工作频率不等于零的传感器。这例如是旋转速率传感器的情况，在其中，为了执行测量，旋转速率传感器内部的振动体在工作频率不等于零的情况下进行振动。在一个扩展方案中，传感器为电容式传感器。由此能够仅借助电信号精确控制并读取传感器。在一个扩展方案中，传感器为微机械旋转速率传感器，例如微机电传感器(MEMS)。由于微机械旋转速率传感器需要非零的基本振动以测量旋转速率，因此也可以无量化误差地控制微机械旋转速率传感器。在一个扩展方案中，传感器可以在围绕其工作频率的带通频带内运行。通过带通滤波器衰减频谱范围，本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于控制传感器(310)的装置(300)，具有转换器单元(320)，用于将输入信号(365)转换为用于控制所述传感器(310)的控制信号(360)；比较单元(330)，用于确定差分信号(370)，所述差分信号提供所述输入信号(365)和所述控制信号(360)之间的差；调节器单元(340)，用于借助所述差分信号(370)调节所述输入信号(365)，其中所述差分信号(370)的传递函数在所述传感器(310)的工作频率下具有零点；并且所述工作频率不等于零。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.03.12 DE 102015003196.11.用于控制传感器(310)的装置(300)，具有转换器单元(320)，用于将输入信号(365)转换为用于控制所述传感器(310)的控制信号(360)；比较单元(330)，用于确定差分信号(370)，所述差分信号提供所述输入信号(365)和所述控制信号(360)之间的差；调节器单元(340)，用于借助所述差分信号(370)调节所述输入信号(365)，其中所述差分信号(370)的传递函数在所述传感器(310)的工作频率下具有零点；并且所述工作频率不等于零。2.根据权利要求1的装置(300)，其中，所述传感器(310)为电容式、微机械旋转速率传感器(200)。3.根据前述权利要求的任意一项的装置(300)，其中，所述传感器(310)在围绕其工作频率的带通频带内运行。4.根据前述权利要求的任意一项的装置(300)，其中，所述转换器单元(320)具有数字/模拟转换器，所述输入信号(365)为数字信号；且所述控制信号(360)为模拟信号。5.根据前述权利要求的任意一项的装置(300)，其中，所述转换器单元(320)基于所述输入信号(365)进行开方运算。6.根据前述权利要求的任意一项的装置(300)，其中，所述调节器单元(340)通过处理所述差分信号(370)并将处理过的差分信号(375)反馈回所述输入信号(365)来生成所述传递函数。7.根据前述权利要求的任意一项的装置(500)，其中，所述差分信号(570)的传递函数满足以下方程式：GE(z)＝1-2z-1cos(ω0T)+z-2其中GE(z)为所述差...

【专利技术属性】
技术研发人员：冈特·斯帕林格，史蒂芬·齐默尔曼，
申请(专利权)人：诺思罗普·格鲁曼·利特夫有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE