DE102019211578A1 - Method for self-calibration of a rotation rate sensor and rotation rate sensor - Google Patents

Method for self-calibration of a rotation rate sensor and rotation rate sensor Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Drehratensensors vorgeschlagen, wobei der Drehratensensor einen analogen Schaltkreis (1), eine digitale Datenverarbeitungseinheit (2) und eine, in eine Antriebsrichtung und eine senkrecht zur Antriebsrichtung verlaufende Detektionsrichtung auslenkbare Schwingmasse aufweist, wobei durch den analogen Schaltkreis (1) aus einem, zu einer Auslenkung in Detektionsrichtung proportionalen Rohsignal (10) eine Quadraturkenngröße erzeugt wird, wobei durch die digitale Datenverarbeitungseinheit (2) aus der Quadraturkenngröße Kompensationsparameter bestimmt werden und durch den analogen Schaltkreis (1) eine Quadraturkompensation des Rohsignals (10) auf Grundlage der Kompensationsparameter erfolgt.Weiterhin wird ein Drehratensensor, aufweisend einen analogen Schaltkreis (1), eine digitale Datenverarbeitungseinheit (2) und eine, in eine Antriebsrichtung und eine senkrecht zur Antriebsrichtung verlaufende Detektionsrichtung auslenkbare Schwingmasse vorgeschlagen.A method for self-calibrating a yaw rate sensor is proposed, the yaw rate sensor having an analog circuit (1), a digital data processing unit (2) and an oscillating mass that can be deflected in a drive direction and a detection direction perpendicular to the drive direction, whereby the analog circuit (1 ) a quadrature parameter is generated from a raw signal (10) proportional to a deflection in the detection direction, with the digital data processing unit (2) determining compensation parameters from the quadrature parameter and the analog circuit (1) performing quadrature compensation of the raw signal (10) on the basis Furthermore, a yaw rate sensor, having an analog circuit (1), a digital data processing unit (2) and an oscillating mass that can be deflected in a drive direction and a detection direction running perpendicular to the drive direction, is vo struck.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Herstellungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Drehratensensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.The invention is based on a manufacturing method according to the preamble of claim 1 and a rotation rate sensor according to the preamble of claim 6.

Mikromechanische Drehratensensoren werden in vielfältigen Anwendungsbereichen wie beispielsweise im Automobilbau, in der Unterhaltungselektronik oder in Industrieanwendungen eingesetzt und eröffnen neuartige technologische Möglichkeiten wie beispielsweise Indoor-Navigation oder erweiterte Realität (augmented reality). Derartige Sensoren werden durch mikroelektromechanische Strukturen (microelectromechanical systems, MEMS) gebildet, die eine oder mehrere bewegliche Strukturen (Schwingmassen) aufweisen, die zu einer Antriebsschwingung angeregt werden und bei einer Drehung aufgrund der Corioliskraft eine senkrecht zur Antriebsschwingung verlaufende Detektionsschwingung ausführen, über die sich die anliegende Drehrate messen lässt.Micromechanical yaw rate sensors are used in a wide range of application areas such as automotive engineering, entertainment electronics or industrial applications and open up new types of technological possibilities such as indoor navigation or augmented reality. Such sensors are formed by microelectromechanical structures (microelectromechanical systems, MEMS), which have one or more movable structures (oscillating masses) that are excited to a drive oscillation and, when rotated, due to the Coriolis force, execute a detection oscillation running perpendicular to the drive oscillation, via which the can measure applied rate of rotation.

Aufgrund von Schwankungen im Fertigungsprozess, insbesondere bei der Herstellung der mikromechanischen Struktur, ergeben sich Abweichungen in den Eigenschaften und Abmessungen der Sensoren, so dass eine anschließende Kalibrierung notwendig ist, die sich deutlich in den Gesamtkosten des fertigen Produkts niederschlägt. Zudem führen weitere, über die Mikromaterialbearbeitung hinausgehende Faktoren, wie beispielsweise durch Lötprozesse erzeugte mechanische Spannungen, zu weiteren Veränderungen der mechanischen Parameter, so dass die, durch die vorher stattgefundene Kalibrierung erzeugte Anpassung nicht mehr dem optimalen Ergebnis entspricht.Due to fluctuations in the manufacturing process, especially in the manufacture of the micromechanical structure, there are deviations in the properties and dimensions of the sensors, so that subsequent calibration is necessary, which is clearly reflected in the total costs of the finished product. In addition, other factors going beyond micromachining, such as mechanical stresses generated by soldering processes, lead to further changes in the mechanical parameters, so that the adjustment generated by the calibration that took place beforehand no longer corresponds to the optimal result.

Eine der kritischen Fehlerquellen von MEMS-Drehratensensoren entsteht durch das sogenannte Quadratursignal. Die Quadratur entsteht durch eine unerwünschte Kopplung von Antriebs- und Detektionsschwingung, wie sie beispielsweise durch Abweichungen in der geometrischen Form der mikromechanischen Strukturen verursacht wird. Durch diese Kopplung entsteht eine, die Antriebsschwingung begleitende Bewegung in Detektionsrichtung, die mit der Antriebsschwingung in Phase schwingt, d.h. gegenüber der durch die Corioliskraft erzeugten Auslenkung um 90° phasenverschoben ist. Das Quadratursignal überlagert und verfälscht das durch die Corioliskraft erzeugte Messignal und muss im Allgemeinen durch die Ausleseelektronik kompensiert werden.One of the critical sources of error in MEMS rotation rate sensors is caused by the so-called quadrature signal. The quadrature is caused by an undesired coupling of drive and detection vibrations, as is caused, for example, by deviations in the geometric shape of the micromechanical structures. This coupling creates a movement in the detection direction that accompanies the drive vibration, which vibrates in phase with the drive vibration, i.e. is 90 ° out of phase with the deflection caused by the Coriolis force. The quadrature signal superimposes and falsifies the measurement signal generated by the Coriolis force and generally has to be compensated for by the readout electronics.

In der US 7,290,435 B2 und der US 2014/0190258 A1 werden in diesem Zusammenhang Drehratensensoren beschrieben, bei denen die Quadratur durch ein Ausgleichssignal kompensiert wird. Derartige Methoden beruhen entweder darauf, die Kompensations-Parameter bereits bei der Herstellung festzulegen oder durch eine Rückkopplungsschleife während des Sensorbetriebs kontinuierlich anzupassen. Letztere Variante hat den Vorteil, dass die durch die Rückkopplungsschleife erzeugte Anpassung des Kompensationssignals immer optimal ist. Sie kann jedoch beim Betrieb zu Offset-Sprüngen führen oder sich mit andere Kompensationsprozessen, wie beispielsweise einer Temperaturkompensation überlagern. Wenn die Kompensationsmechanismen nicht kontinuierlich korrigiert werden, kann es dadurch zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit kommen.In the US 7,290,435 B2 and the US 2014/0190258 A1 In this context, rotation rate sensors are described in which the quadrature is compensated for by a compensation signal. Such methods are based either on setting the compensation parameters during manufacture or on continuously adapting them using a feedback loop during sensor operation. The latter variant has the advantage that the adaptation of the compensation signal generated by the feedback loop is always optimal. However, it can lead to offset jumps during operation or overlap with other compensation processes, such as temperature compensation. If the compensation mechanisms are not continuously corrected, this can lead to a deterioration in performance.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem sich eine effiziente und zeitsparende Selbstkalibrierung durchführen lässt.Against this background, it is an object of the present invention to provide a method with which an efficient and time-saving self-calibration can be carried out.

Das Verfahren gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Selbstkalibrierung mittels sensorinterner Logik-Komponenten erfolgt, wodurch sich sowohl eine einfache und schnelle Kalibrierung als Teil des Herstellungsprozesses, als auch wiederholt durchgeführte Neukalibrierungen über die gesamte Produktlebensdauer des Sensors durchführen lassen. Auf diese Weise wird die, den Fertigungsprozess abschließende Produktprüfung verkürzt und zusätzlich die Möglichkeit für eine einfach durchzuführende Neukalibrierung geschaffen, um Veränderungen des Quadraturfehlers zu kompensieren, wie sie beispielsweise beim Verbau oder der Lötkontaktierung des Sensors oder im anschließenden Sensorbetrieb auftreten können. Die Selbstkalibrierung kann dabei durch den Nutzer initiiert werden oder auch durch eine vordefinierte Routine (beispielsweise bei jeder Inbetriebnahme des Sensors) bzw. durch spezifische Ereignisse ausgelöst werden. Da auf diese Weise eine regelmäßige Neubestimmung der optimalen Kompensationsparameter erfolgt, wird eine hohe Leistungsfähigkeit über die gesamte Lebensdauer des Sensors sichergestellt.The method according to the main claim has the advantage over the prior art that the self-calibration is carried out by means of logic components inside the sensor, which means that both a simple and fast calibration as part of the manufacturing process and repeated recalibrations can be carried out over the entire product life of the sensor . In this way, the product test that concludes the production process is shortened and the possibility of an easy-to-perform recalibration is created to compensate for changes in the quadrature error, such as those that can occur when installing or soldering the sensor or during subsequent sensor operation. The self-calibration can be initiated by the user or triggered by a predefined routine (for example every time the sensor is started up) or by specific events. Since the optimal compensation parameters are regularly re-determined in this way, high performance is ensured over the entire service life of the sensor.

Der Drehratensensor weist mindestens eine schwingfähig gelagerte Masse auf, die zu Schwingungen in mindestens zwei verschiedenen, aufeinander senkrecht stehenden Richtungen angeregt werden kann. Die Schwingung in Antriebsrichtung, im Folgenden als Antriebsschwingung bezeichnet, wird üblicherweise über von Elektrodenstrukturen erzeugte elektrostatische Felder angetrieben. Die Amplitude der Detektionsschwingung lässt sich beispielsweise mittels einer Kapazitätsmessung detektieren und in ein zur Auslenkung proportionales Rohsignal umwandeln. Das Rohsignal setzt sich zusammen, aus dem von der Corioliskraft bewirkten Signalanteil und dem Quadratursignal. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, den Quadraturanteil des Rohsignals in Form mindestens einer Quadraturkenngröße zu quantifizieren, basierend auf dieser Quadraturkenngröße Parameter zur Quadraturkompensation des Rohsignals zu ermitteln und die entsprechende Quadraturkompensation anzuwenden. Erfindungsgemäß werden diese Teilschritte von zwei verschiedenen Logik-Komponenten des Drehratensensors ausgeführt. Der analoge Schaltkreis erzeugt in einem ersten Schritt aus dem Rohsignal die Quadraturkenngröße. Die Quadraturkenngröße quantifiziert die Größe des Quadraturanteils des Rohsignals und entspricht vorzugsweise der Amplitude des Quadratursignals oder hängt mit dieser zusammen. Gemäß einer vorteilhaft einfachen Ausführungsform kann die Bestimmung beispielsweise durch eine Komparator-Schaltung geleistet werden, die beim Maximalwert des Quadratursignals getriggert wird und als Ausgabesignal das Vorzeichen des Quadratursignals liefert, das wiederum als Quadraturkenngröße dienen kann. Die Isolation des Quadratursignals aus dem Rohsignal kann beispielsweise durch einen Vergleich mit dem, die Antriebsschwingung treibenden Antriebssignal erfolgen. Während die durch die Corioliskraft getriebene Schwingung gegenüber der Antriebsschwingung um 90° phasenversetzt schwingt, erzeugen die Quadratureinflüsse eine Schwingung, die mit der Antriebsschwingung in Phase ist, so dass sich beide Signale durch ein phasenselektives Verfahren separieren lassen. Im auf die Erzeugung der Quadraturkenngröße folgenden Schritt führt die digitale Datenverarbeitungseinheit die Bestimmung eines oder mehrerer Kompensationsparameter durch (im Folgenden wird hier die Mehrzahl verwendet, womit jedoch ein einzelner Parameter implizit eingeschlossen ist). Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Kompensationsparameter algorithmisch und wird entweder durch eine verbindungsprogrammierte Steuerung oder durch einen Mikrokontroller durchgeführt. Vorzugsweise weist die digitale Datenverarbeitungseinheit hierfür einen Logik-Block auf, der im Folgenden auch als Selbstkalibrierungseinheit bezeichnet wird. Die Aufgabe der Selbstkalibrierungseinheit besteht darin, möglichst optimale Kompensationsparameter zu ermitteln, d.h. Kompensationsparameter, die eine möglichst vollständige Kompensation des Quadratursignals und eine entsprechend vollständige Korrektur des Rohsignals erzeugen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Kompensationsparameter zeitlich zu variieren und jede Veränderung auf ihre Auswirkung auf die Quadraturkenngröße hin zu testen. Vorteilhafterweise kann die Dauer eines solchen Testschritts sehr kurz sein, im Extremfall so kurz wie eine Schwingungsdauer der MEMS-Struktur, da für eine Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine aufwändigeren Operationen und keine Analog-Digital-Umwandlung des Quadratursignals notwendig sind. Auf diese Weise ist es vorteilhafterweise möglich, eine Neukalibrierung beispielsweise bei jeder Inbetriebnahme des Sensors durchzuführen, ohne dass es dadurch zu einer deutlichen Verzögerung des Startvorgangs kommt.The yaw rate sensor has at least one mass which is mounted to oscillate and which can be excited to oscillate in at least two different directions perpendicular to one another. The oscillation in the drive direction, hereinafter referred to as drive oscillation, is usually driven via electrostatic fields generated by electrode structures. The amplitude of the detection oscillation can be detected, for example, by means of a capacitance measurement and converted into a raw signal proportional to the deflection. The raw signal is composed of the signal component caused by the Coriolis force and the quadrature signal. The method according to the invention now provides for the quadrature component of the raw signal to be quantified in the form of at least one quadrature parameter, to determine parameters for quadrature compensation of the raw signal based on this quadrature parameter and to apply the corresponding quadrature compensation. According to the invention, these partial steps are carried out by two different logic components of the rotation rate sensor. In a first step, the analog circuit generates the quadrature parameter from the raw signal. The quadrature parameter quantifies the size of the quadrature component of the raw signal and preferably corresponds to the amplitude of the quadrature signal or is related to it. According to an advantageously simple embodiment, the determination can be made, for example, by a comparator circuit that is triggered at the maximum value of the quadrature signal and supplies the sign of the quadrature signal as an output signal, which in turn can serve as a quadrature parameter. The quadrature signal can be isolated from the raw signal, for example, by comparison with the drive signal driving the drive vibration. While the oscillation driven by the Coriolis force oscillates out of phase with the drive oscillation by 90 °, the quadrature influences generate an oscillation that is in phase with the drive oscillation, so that the two signals can be separated using a phase-selective process. In the step following the generation of the quadrature parameter, the digital data processing unit determines one or more compensation parameters (in the following the plural is used here, but this implicitly includes a single parameter). The compensation parameters are preferably determined algorithmically and are carried out either by a connection-programmed controller or by a microcontroller. For this purpose, the digital data processing unit preferably has a logic block, which is also referred to below as a self-calibration unit. The task of the self-calibration unit is to determine compensation parameters that are as optimal as possible, that is to say compensation parameters that generate the most complete possible compensation of the quadrature signal and a correspondingly complete correction of the raw signal. One possibility is to vary the compensation parameters over time and to test each change for its effect on the quadrature parameter. The duration of such a test step can advantageously be very short, in the extreme case as short as an oscillation period of the MEMS structure, since no more complex operations and no analog-to-digital conversion of the quadrature signal are necessary for an implementation of the method according to the invention. In this way, it is advantageously possible to carry out a new calibration, for example, each time the sensor is started up, without this resulting in a significant delay in the starting process.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt durch die digitale Datenverarbeitungseinheit auf Grundlage der Kompensationsparameter eine Korrektur eines Ausgangssignal des analogen Schaltkreises. Nach der Verarbeitung des Rohsignals durch den analogen Schaltkreis wird das analoge Signal durch einen Analog-Digital-Umsetzer umgewandelt und an die digitale Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet. Das digitale Ausgangssignal wird von digitalen Datenverarbeitungseinheit weiterverarbeitet und erfährt dabei vorzugsweise eine zusätzliche Kalibrierung auf Grundlage der von der digitalen Datenverarbeitungseinheit bestimmten Kompensationsparameter. Neben der Korrektur des Rohsignals kann auf diese Weise vorteilhafterweise auch eine zusätzliche Kalibrierung des digitalen Signals durchgeführt werden.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the digital data processing unit corrects an output signal of the analog circuit on the basis of the compensation parameters. After the raw signal has been processed by the analog circuit, the analog signal is converted by an analog-digital converter and passed on to the digital data processing unit. The digital output signal is further processed by the digital data processing unit and is preferably additionally calibrated on the basis of the compensation parameters determined by the digital data processing unit. In addition to the correction of the raw signal, an additional calibration of the digital signal can advantageously also be carried out in this way.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Quadraturkenngröße auf der Basis des Rohsignals synchronisiert mit einem Antriebssignal erzeugt. Insbesondere lässt sich auf diese Weise eine Abtrennung des Quadratursignals aus dem Rohsignal erreichen, da das Quadratursignal mit dem Antriebssignal in einer um 90° versetzten Phasenbeziehung steht. Denkbar ist auch, das Quadratursignal durch eine phasenselektive Demodulation zu isolieren und die Kompensationsparameter anschließend anhand der Amplitude des Quadratursignals festzulegen.According to a further preferred embodiment of the method according to the invention, the quadrature parameter is generated on the basis of the raw signal, synchronized with a drive signal. In particular, the quadrature signal can be separated from the raw signal in this way, since the quadrature signal has a phase relationship offset by 90 ° with the drive signal. It is also conceivable to isolate the quadrature signal by a phase-selective demodulation and then to define the compensation parameters on the basis of the amplitude of the quadrature signal.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Kompensationsparameter durch Minimierung des Quadraturanteils des Rohsignals. Wenn die Quadraturkenngröße die Größe des Quadratursignals wiedergibt, lassen sich die Kompensationsparameter durch eine Minimierung der Quadraturkenngröße optimieren. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Bestimmung der Kompensationsparameter durch ein Sweep-Verfahren oder ein binäre Suche. Beim Sweep-Verfahren wird ein Satz möglicher Parameterwerte in effizienter Weise systematisch abgesucht und so die optimalen Parameterwerte ermittelt. Bei der binären Suche werden die Kompensationsparameter in immer kleiner werdenden Schritten verändert, wobei sich die Richtung jeder Änderung danach richtet, ob sich der Quadraturanteil im vorhergehenden Schritt eine vergrößert oder verringert hat. In beiden Fällen konvergieren die Kompensationsparameter schrittweise gegen ihre optimalen Werte. Denkbar sind auch andere Optimierungsalgorithmen oder auch, dass die digitale Datenverarbeitungseinheit dazu konfiguriert ist, unterschiedliche algorithmischen Verfahren durchzuführen, wobei der verwendete Algorithmus vom Nutzer ausgewählt werden kann.According to a further preferred embodiment of the method according to the invention, the compensation parameters are determined by minimizing the quadrature component of the raw signal. If the quadrature parameter reflects the size of the quadrature signal, the compensation parameters can be optimized by minimizing the quadrature parameter. According to a further preferred embodiment of the method according to the invention, the compensation parameters are determined by a sweep method or a binary search. With the sweep method, a set of possible parameter values is searched efficiently and systematically and the optimal parameter values are thus determined. In the binary search, the compensation parameters are changed in increasingly smaller steps, the direction of each change depending on whether the quadrature component has increased or decreased in the previous step. In both cases, the compensation parameters gradually converge towards their optimal values. Other optimization algorithms are also conceivable or that the digital data processing unit is configured to carry out different algorithmic methods, the algorithm used can be selected by the user.

Die eingangs formulierte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen Drehratensensor gemäß Anspruch 6. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Drehratensensor zur Durchführung einer Ausführungsform des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Besondere Merkmale und Vorteile, die in Bezug auf das Verfahren beschrieben wurden, übertragen sich unmittelbar auf entsprechende Merkmale und Vorteile des Drehratensensors.The object formulated at the beginning is also achieved by a rotation rate sensor according to claim 6. In particular, the rotation rate sensor according to the invention is suitable for performing an embodiment of the method according to the invention described above. Special features and advantages that have been described in relation to the method are transferred directly to corresponding features and advantages of the yaw rate sensor.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors weist die digitale Datenverarbeitungseinheit eine verbindungsprogrammierte Steuerung auf und die verbindungsprogrammierte Steuerung ist zur Bestimmung der Kompensationsparameter konfiguriert. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehratensensors weist die digitale Datenverarbeitungseinheit einen Mikrokontroller auf und der Mikrokontroller ist zur Bestimmung der Kompensationsparameter und/oder zur Korrektur eines Ausgangssignal des analogen Schaltkreises konfiguriert. Auf diese Weise lässt sich durch die digitale Datenverarbeitungseinheit vorteilhafterweise neben der Korrektur des Rohsignals eine zusätzliche Kalibrierung des digitalen Signals durchgeführen.According to a preferred embodiment of the rotation rate sensor according to the invention, the digital data processing unit has a connection-programmed controller and the connection-programmed controller is configured to determine the compensation parameters. According to a further preferred embodiment of the rotation rate sensor according to the invention, the digital data processing unit has a microcontroller and the microcontroller is configured to determine the compensation parameters and / or to correct an output signal of the analog circuit. In this way, the digital data processing unit can advantageously perform an additional calibration of the digital signal in addition to the correction of the raw signal.

FigurenlisteFigure list

  • 1 veranschaulicht eine Variante zur Quadraturkompensation gemäß dem Stand der Technik. 1 illustrates a variant for quadrature compensation according to the prior art.
  • 2 veranschaulicht eine weitere Variante zur Quadraturkompensation gemäß dem Stand der Technik. 2 illustrates a further variant for quadrature compensation according to the prior art.
  • 3 veranschaulicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 illustrates an embodiment of the method according to the invention.
  • 4 zeigt einen zeitlichen Verlauf des Quadratursignals während eines erfindungsgemäßen Optimierungsvorgangs zusammen mit der Anpassung des entsprechenden Kompensationsparameters. 4th shows a time profile of the quadrature signal during an optimization process according to the invention together with the adaptation of the corresponding compensation parameter.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist das funktionale Prinzip einer Quadraturkompensation gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Der Drehratensensor weist eine mikromechanische Struktur 3 auf, die mit einer Antriebseinheit 4 zu Schwingungen in eine Antriebsrichtung angeregt werden kann. Diese Antriebsschwingung wird über ein elektrisches Signal 8 angetrieben, die resultierende Amplitude detektiert und ein zur Auslenkung proportionales Überwachungssignal 9 an das elektronische Auslesesystem 7 weitergegeben. Das elektronische Auslesesystem 7 des Drehratensensors weist einen analogen Schaltkreis 1 mit einer Antriebsregeleinheit 6 auf, die über das Antriebssignal 8 die Stärke der treibenden Kraft für die Antriebsschwingung derart regelt, dass sich eine stabile Schwingung in Antriebsrichtung einstellt, wodurch Dämpfungsverluste ausgeglichen werden. Der zugehörige Regelkreis umfasst damit die Antriebseinheit 4, die das Überwachungssignal 9 an die Antriebsregeleinheit 6 weitergibt, die auf Basis des Überwachungssignals 9 wiederum das Antriebssignal 8 reguliert.In 1 shows the functional principle of quadrature compensation according to the prior art. The yaw rate sensor has a micromechanical structure 3 on that with a drive unit 4th can be excited to vibrate in one drive direction. This drive oscillation is generated via an electrical signal 8th driven, the resulting amplitude is detected and a monitoring signal proportional to the deflection 9 to the electronic readout system 7th passed on. The electronic readout system 7th the rotation rate sensor has an analog circuit 1 with a drive control unit 6 on that via the drive signal 8th regulates the strength of the driving force for the drive oscillation in such a way that a stable oscillation is established in the drive direction, whereby damping losses are compensated. The associated control loop thus includes the drive unit 4th that the monitoring signal 9 to the drive control unit 6 passes that on the basis of the monitoring signal 9 again the drive signal 8th regulated.

Die mikromechanische Struktur 3 kann neben den Schwingungen in Antriebsrichtung auch Schwingungen in eine dazu senkrechte Richtung ausführen, die im Folgenden als Detektionsschwingung bezeichnet wird und mit einer Detektionseinrichtung 5 erfasst werden. Im Falle einer Drehbewegung des Drehratensensors um eine Achse senkrecht zur Antriebsrichtung wirkt eine Corioliskraft senkrecht zur Drehachse und senkrecht zur Antriebsrichtung. Diese Corioliskraft ist proportional zur Geschwindigkeit der schwingenden Masse und zur anliegenden Drehrate. Die Coriolisbeschleunigung bewirkt damit eine Auslenkung in Detektionsrichtung, so dass eine entsprechende Detektionsschwingung angeregt wird, die mit Hilfe der Detektionseinrichtung 5 über eine kapazitive Messung in ein zur Amplitude dieser Schwingung proportionales Rohsignal 10 umgewandelt wird. Die beiden Schwingungsmoden in Antriebs- und Detektionsrichtung sind idealerweise mechanisch voneinander entkoppelt und beeinflussen sich gegenseitig nicht. In einem realen System besteht dagegen immer eine gewisse Kopplung, die aufgrund von Fertigungsschwankungen in den Materialeigenschaften und geometrischen Abmessungen der mikromechanischen Struktur von Bauteil zu Bauteil variieren kann. Durch die Kopplung entsteht ein Energieübertrag von der Antriebsschwingung auf die Detektionsschwingung, so dass Auslenkungen in Detektionsrichtung bewirkt werden, die nicht durch die Corioliskraft hervorgerufen werden und das eigentliche Messignal überlagern und verfälschen.The micromechanical structure 3 In addition to the vibrations in the drive direction, it can also perform vibrations in a direction perpendicular thereto, which is referred to below as detection oscillation and with a detection device 5 are recorded. In the case of a rotary movement of the rotation rate sensor about an axis perpendicular to the drive direction, a Coriolis force acts perpendicular to the axis of rotation and perpendicular to the drive direction. This Coriolis force is proportional to the speed of the oscillating mass and the applied rate of rotation. The Coriolis acceleration thus causes a deflection in the detection direction, so that a corresponding detection oscillation is excited, which with the aid of the detection device 5 Via a capacitive measurement into a raw signal proportional to the amplitude of this oscillation 10 is converted. The two vibration modes in the drive and detection directions are ideally mechanically decoupled from one another and do not influence one another. In a real system, however, there is always a certain coupling that can vary from component to component due to manufacturing fluctuations in the material properties and geometric dimensions of the micromechanical structure. The coupling creates an energy transfer from the drive oscillation to the detection oscillation, so that deflections are caused in the detection direction which are not caused by the Coriolis force and which superimpose and falsify the actual measurement signal.

Das Rohsignal 10 wird durch die Auswertungseinheit 11 in ein digitales Signal 16 umgewandelt und an die digitale Datenverarbeitungseinheit 2 weitergegeben, wo es durch den Datenpfad 13 weiterverarbeitet wird und über die Schnittstelle 14 an ein an den Sensor angeschlossenes äußeres System weitergegeben wird. Um den Quadraturfehler im Rohsignal 10 zu kompensieren, weist die digitale Datenverarbeitungseinheit 2 ein Register 15 mit Kompensationsparametern auf, die bei der Endkalibrierung im Herstellungsprozess festgelegt werden und nachfolgend nicht mehr geändert werden. Auf Grundlage dieser Kompensationsparameter führt die Kompensationseinheit 12 des analogen Schaltkreises 1 eine Kompensation des Quadraturfehlers des Rohsignals 10 durch.The raw signal 10 is through the evaluation unit 11 into a digital signal 16 converted and sent to the digital data processing unit 2 passed where it is through the data path 13 is further processed and via the interface 14th is passed on to an external system connected to the sensor. About the quadrature error in the raw signal 10 to compensate, instructs the digital data processing unit 2 a register 15th with compensation parameters that are set during the final calibration in the manufacturing process and are not subsequently changed. The compensation unit performs on the basis of these compensation parameters 12 of the analog circuit 1 a compensation for the quadrature error of the raw signal 10 by.

Da sich das Quadraturverhalten bei der Montage der Sensoreinheit oder im anschließenden Sensorbetrieb weiter verändern kann, besteht der Nachteil der Verwendung von fixierten Kompensationsparametern darin, dass diese Veränderungen nicht berücksichtigt werden können und die Quadraturkompensation nicht zu optimalen Ergebnissen führt.Since the quadrature behavior can change further during the assembly of the sensor unit or in the subsequent sensor operation, the disadvantage of using fixed compensation parameters is that these changes cannot be taken into account and the quadrature compensation does not lead to optimal results.

In 2 ist ein weiteres Prinzip einer Quadraturkompensation gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Statt, wie in 1 dargestellt, das Kompensationsverhalten durch in einem Register 15 einmalig abgelegte Parameter festzulegen, wird hier die Kompensation durch einen geschlossenen Regelkreis realisiert. Das Ausgangssignal 16 der Auswertungseinheit 11 wird auch hier an den Datenpfad 13 weitergeleitet, der jedoch hier mit einer Kontrolleinheit 17 verbunden ist, die auf der Basis des vorverarbeiteten und digitalisierten Rohsignals Kompensationsparameter bestimmt und an die Kompensationseinheit 12 weiterleitet. Auf diese Weise bilden die Auswertungseinheit 11, der Datenpfad 13, die Kontrolleinheit 17 und die Kompensationseinheit 12 in eine geschlossene Regelschleife, über die die Quadraturkompensation dynamisch angepasst werden kann. Ein Nachteil dieser Methode liegt in der Entstehung von Offset-Sprüngen und der störenden wechselseitigen Beeinflussung durch andere Kompensationsprozesse.In 2 a further principle of quadrature compensation according to the prior art is shown. Instead of, as in 1 the compensation behavior is shown in a register 15th To define parameters that are stored once, the compensation is implemented here by means of a closed control loop. The output signal 16 the evaluation unit 11 is also here to the data path 13 forwarded, but here with a control unit 17th is connected, which determines on the basis of the preprocessed and digitized raw signal compensation parameters and to the compensation unit 12 forwards. In this way form the evaluation unit 11 , the data path 13 , the control unit 17th and the compensation unit 12 into a closed control loop, via which the quadrature compensation can be adjusted dynamically. A disadvantage of this method is the creation of offset jumps and the interfering mutual influence from other compensation processes.

In 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Selbstkalibrierung dargestellt. Im Vergleich zu den 1 und 2 weist der analoge Schaltkreis 1 einen zusätzlichen logischen Block 18 zur Quadraturbestimmung auf. Die Einheit 18 quantifiziert anhand des Rohsignals 10 die Größe des Quadratursignals, bestimmt eine Quadraturkenngröße und gibt diese Kenngröße an die Selbstkalibrierungseinheit 19 der digitalen Datenverarbeitungseinheit 2 weiter. Die Selbstkalibrierungseinheit 19 bestimmt auf der Basis des Quadratursignals und/oder dieses Kennwerts neue Kompensationsparameter, die an die Kompensationseinheit 12 weitergeleitet werden und dann zur Korrektur des Rohsignals 10 verwendet werden. Die Bestimmung der Kompensationsparameter kann beispielsweise durch eine algorithmische Minimierung Quadratursignals erfolgen. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise darin, den Kompensationsparameter systematisch zu variieren, bis das Quadratursignal verschwindet oder einen minimalen Wert annimmt, so dass der dadurch ermittelte Kompensationsparameter einem optimalen Wert entspricht.In 3 an embodiment of the method according to the invention for self-calibration is shown. Compared to the 1 and 2 instructs the analog circuit 1 an additional logical block 18th to determine the quadrature. The unit 18th quantified using the raw signal 10 the size of the quadrature signal, determines a quadrature parameter and transmits this parameter to the self-calibration unit 19th the digital data processing unit 2 continue. The self-calibration unit 19th determines on the basis of the quadrature signal and / or this characteristic value new compensation parameters that are sent to the compensation unit 12 and then to correct the raw signal 10 be used. The compensation parameters can be determined, for example, by an algorithmic minimization of the quadrature signal. One possibility, for example, is to vary the compensation parameter systematically until the quadrature signal disappears or assumes a minimum value, so that the compensation parameter determined thereby corresponds to an optimal value.

Optional kann die digitale Auswertungseinheit 2 einen Mikrokontroller 20 aufweisen, der auf Grundlage der von der Selbstkalibrierungseinheit 19 bestimmten Quadraturkenngröße weitere Kompensationsparameter berechnet, die von dem Datenpfad 13 zur Korrektur des Ausgangsignals 16 der Auswertungseinheit 11 verwendet werden. Die Selbstkalibrierungseinheit 19 kann alternativ auch Teil des Mikrokontrollers 20 sein, bzw. in Form einer Selbstkalibrierungsroutine auf dem Mikrokontroller 20 ausgeführt werden.Optionally the digital evaluation unit 2 a microcontroller 20th have based on the self-calibration unit 19th certain quadrature parameter calculated further compensation parameters from the data path 13 to correct the output signal 16 the evaluation unit 11 be used. The self-calibration unit 19th can alternatively also be part of the microcontroller 20th or in the form of a self-calibration routine on the microcontroller 20th are executed.

In der oberen Hälfte der 4 ist ein möglicher Verlauf des Quadratursignals 21 während einer, von der digitalen Datenverarbeitungseinheit 2, insbesondere von der Selbstkalibrierungseinheit 19 durchgeführten Optimierungsroutine dargestellt. Die algorithmische Bestimmung eines optimalen Kompensationsparameters, dessen Anpassung in der unteren Hälfte der 4 dargestellt ist, besteht hier in einer binären Suche, bei der der Kompensationsparameter 22 schrittweise variiert wird, wobei sich die Richtung jeder Veränderung des Kompensationsparameters 22 (d.h. Vergrößerung oder Verkleinerung) daran orientiert, ob die letzte Veränderung zu einer Verkleinerung oder Vergrößerung der Amplituden des Quadratursignals 21 geführt hat. Durch die binäre Suche wird der Kompensationsparameter 22 schrittweise an seinen optimalen Wert hergeführt, bei dem der Quadraturfehler, d.h. die Amplitude des Quadratursignals 21, minimal ist.In the upper half of the 4th is a possible course of the quadrature signal 21st during one, from the digital data processing unit 2 , especially from the self-calibration unit 19th performed optimization routine. The algorithmic determination of an optimal compensation parameter, its adaptation in the lower half of the 4th is shown here in a binary search in which the compensation parameter 22nd is varied gradually, the direction of each change in the compensation parameter changing 22nd (ie increase or decrease) based on whether the last change resulted in a decrease or increase in the amplitudes of the quadrature signal 21st has led. The binary search becomes the compensation parameter 22nd gradually brought to its optimal value at which the quadrature error, ie the amplitude of the quadrature signal 21st , is minimal.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 7290435 B2 [0005]US 7290435 B2 [0005]
  • US 2014/0190258 A1 [0005]US 2014/0190258 A1 [0005]

Claims (8)

Verfahren zur Selbstkalibrierung eines Drehratensensors, wobei der Drehratensensor einen analogen Schaltkreis (1), eine digitale Datenverarbeitungseinheit (2) und eine, in eine Antriebsrichtung und eine senkrecht zur Antriebsrichtung verlaufende Detektionsrichtung auslenkbare Schwingmasse aufweist, dadurch gekennzeichnet dass durch den analogen Schaltkreis (1) aus einem zu einer Auslenkung in Detektionsrichtung proportionalen Rohsignal (10) eine Quadraturkenngröße erzeugt wird, wobei durch die digitale Datenverarbeitungseinheit (2) unter Verwendung der Quadraturkenngröße mindestens ein Kompensationsparameter bestimmt wird und durch den analogen Schaltkreis (1) eine Quadraturkompensation des Rohsignals (10) auf Grundlage des mindestens einen Kompensationsparameters erfolgt.Method for self-calibration of a yaw rate sensor, the yaw rate sensor having an analog circuit (1), a digital data processing unit (2) and an oscillating mass deflectable in a drive direction and a detection direction running perpendicular to the drive direction, characterized in that the analog circuit (1) consists of A quadrature parameter is generated from a raw signal (10) proportional to a deflection in the detection direction, at least one compensation parameter being determined by the digital data processing unit (2) using the quadrature parameter and a quadrature compensation of the raw signal (10) based on the analog circuit (1) of the at least one compensation parameter takes place. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die digitale Datenverarbeitungseinheit (2) auf Grundlage des mindestens einen Kompensationsparameters eine Korrektur eines Ausgangssignal (16) des analogen Schaltkreises (1) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the digital data processing unit (2) corrects an output signal (16) of the analog circuit (1) on the basis of the at least one compensation parameter. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Quadraturkenngröße auf der Basis des Quadraturanteils des Rohsignals (10) erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the quadrature parameter is generated on the basis of the quadrature component of the raw signal (10). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestimmung der Kompensationsparameter durch Minimierung des Quadraturanteils erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the determination of the compensation parameters takes place by minimizing the quadrature component. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestimmung der Kompensationsparameter durch ein Sweep-Verfahren oder ein binäre Suche erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the determination of the compensation parameters is carried out by a sweep method or a binary search. Drehratensensor, aufweisend einen analogen Schaltkreis (1), eine digitale Datenverarbeitungseinheit (2) und eine in eine Antriebsrichtung und eine senkrecht zur Antriebsrichtung verlaufende Detektionsrichtung auslenkbare Schwingmasse, dadurch gekennzeichnet, dass der analoge Schaltkreis (1) zur Erzeugung einer Quadraturkenngröße aus einem zu einer Auslenkung in Detektionsrichtung proportionalen Rohsignal (10) konfiguriert ist, wobei die digitale Datenverarbeitungseinheit (2) zur Bestimmung von Kompensationsparametern unter Verwendung der Quadraturkenngröße konfiguriert ist, wobei der analoge Schaltkreis (1) zur Anwendung einer Quadraturkompensation des Rohsignals (10) auf Grundlage der Kompensationsparameter konfiguriert ist.Yaw rate sensor, comprising an analog circuit (1), a digital data processing unit (2) and an oscillating mass which can be deflected in a drive direction and a detection direction running perpendicular to the drive direction, characterized in that the analog circuit (1) for generating a quadrature parameter from one to one deflection The raw signal (10) proportional in the detection direction is configured, the digital data processing unit (2) being configured to determine compensation parameters using the quadrature parameter, the analog circuit (1) being configured to apply a quadrature compensation of the raw signal (10) based on the compensation parameters . Drehratensensor nach Anspruch 6, wobei die digitale Datenverarbeitungseinheit (2) eine verbindungsprogrammierte Steuerung aufweist und die verbindungsprogrammierte Steuerung zur Bestimmung der Kompensationsparameter konfiguriert ist.Rotation rate sensor after Claim 6 , wherein the digital data processing unit (2) has a connection-programmed controller and the connection-programmed controller is configured to determine the compensation parameters. Drehratensensor nach Anspruch 6, wobei die digitale Datenverarbeitungseinheit (2) einen Mikrokontroller (20) aufweist und der Mikrokontroller (20) zur Bestimmung der Kompensationsparameter und/oder zur Korrektur eines Ausgangssignal (16) des analogen Schaltkreises (1) konfiguriert ist.Rotation rate sensor after Claim 6 , the digital data processing unit (2) having a microcontroller (20) and the microcontroller (20) being configured to determine the compensation parameters and / or to correct an output signal (16) of the analog circuit (1).
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