DE102020202812A1

DE102020202812A1 - Verfahren und Vorrichtung zum verbesserten Betrieb eines Oszillators und Drehratensensor

Info

Publication number: DE102020202812A1
Application number: DE102020202812.5A
Authority: DE
Inventors: Alexander Buhmann; Tobias Hiller; Zsigmond Pentek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Es wird ein Verfahren zum verbesserten Betrieb eines Oszillators, insbesondere zur Steuerung einer Kraftrückkoppelung und/oder zur Korrektur eines Sensorsignals, mittels eines ersten Pilottonsignals und eines zweiten Pilottonsignals, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:-- Erzeugen, in einem ersten Schritt, des ersten und zweiten Pilottonsignals sowie Anregen des Oszillators mittels des ersten und zweiten Pilottonsignals;-- Bestimmen, in einem zweiten Schritt, eines Antwortverhaltens auf die Anregung des Oszillators umfassend zwei Antwortsignale des Oszillators, wobei ein erstes Antwortsignal zur Anregung mittels des ersten Pilottonsignals korrespondiert und ein zweites Antwortsignal zur Anregung mittels des zweiten Pilottonsignals korrespondiert, wobei sowohl das erste Antwortsignal als auch das zweite Antwortsignal jeweils eine Phaseninformation des Antwortverhaltens des Oszillators umfassen;-- Bilden, in einem dritten Schritt, eines Differenzsignals aus dem ersten und zweiten Antwortsignal und Steuerung der Kraftrückkoppelung und/oder Korrektur des Sensorsignals in Abhängigkeit des Differenzsignals.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum verbesserten Betrieb eines Oszillators, insbesondere zur Steuerung einer Kraftrückkoppelung und/oder zur Korrektur eines Sensorsignals, mittels eines ersten Pilottonsignals und eines zweiten Pilottonsignals, sowie einen Drehratensensor, der ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung verwendet.
Drehratensensoren sind allgemein bekannt; sie bestehen in üblicher Weise aus einer oder mehreren Massen, die durch eine in einer elektrischen oder elektronischen Schaltung erzeugten Spannung zur mechanischen Schwingung angeregt werden. Die mechanischen Schwingungen wirken auf eine oder mehrere Beschleunigungssensoren, die bei einer Drehung des Systems auch die auf die schwingenden Massen wirkende Corioliskraft messen. Aus den Anregungs- und Beschleunigungssignalen kann mit Hilfe einer geeigneten Auswerteschaltung die Drehrate des Systems bestimmt werden. Insbesondere sind solche Drehratensensoren bekannt, bei denen die Drehrate mit einem Detektionsregelkreis mit Kraftrückkoppelung (closed-loop) bestimmt wird.
Solche mikromechanischen Systeme zeigen einen sogenannten „Scale-Factor Instability“-Effekt. Dabei tritt zusätzlich zur üblichen Bias Instability, also einer langsamen Drift des Offsets, eine langsame Drift der Empfindlichkeit (d.h. des „Scale-Factors“) auf. Diese bewirkt, dass bei größeren (>10 dps, degrees per second) anliegende Drehraten oder Offsets die Signaldrift größer ist als im Ruhezustand. Je höher die Drehrate, desto stärker die Signaldrift.
Der Grund für den „Scale-Factor Instability“-Effekt ist, dass bei einem closed-loop Detektionsregelkreis die Empfindlichkeit des Sensors inhärent von der Verstärkung (dem sogenannten Gain) des Digital-Analog Wandlers (DAC) der zurückgeführten Feedback-Spannung abhängt. Durch nicht vollständig vermeidbares Flickerrauschen oder auch weitere Nichtidealitäten wie Random Telegraph Noise auf der Feedback-Spannung wird dadurch direkt der Scale-Factor beeinflusst.
Je nach Anwendung und darin auftretende typische Drehraten wirkt sich der Effekt mehr oder weniger stark aus und gewinnt speziell bei highperformance Anwendungen wie automatisiertem bzw. autonomem Fahren, Indoor Navigation oder Augmented Reality an Bedeutung, weil hierdurch die resultierenden Messfehler von Drehratensensoren zumindest tendenziell erhöht werden.
Aus der Druckschrift US 7628069 B2 ist ein Verfahren bekannt, mittels dem die Empfindlichkeit oder der „Scale-Factor“ durch ein der Kraftrückkoppelung hinzugefügtes Modulationssignal geschätzt wird. Hierbei wird jedoch lediglich die Amplitude von Signalen ausgewertet, die aus dem hinzugefügten Modulationssignal resultieren. Das führt dazu, dass dieses Modulationssignal sehr nahe an der Nutzfrequenz des Drehratensensors arbeiten muss und daher zu Beeinflussungen des Drehratenmesssignals führen kann.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum verbesserten Betrieb eines Oszillators sowie der erfindungsgemäße Drehratensensor gemäß den nebengeordneten Ansprüchen hat bzw. haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Scale-Factor-Instabilitäts-Effekt wenigstens entscheidend reduziert, oder aber vermieden bzw. kompensiert werden kann, so dass insgesamt ein verbesserter Betrieb eines Oszillators bzw. eines Drehratensensors und eine genauere Messung der Drehrate möglich ist. Wie bereits ausgeführt zeigen Drehratensensoren mit einem Detektionsregelkreis mit Kraftrückkoppelung (closed-loop) einen „Scale-Factor Instability“-Effekt, welcher zu einer Änderung des „Scale-Factors“ bzw. des Skalierungsfaktors führt. Insbesondere ist es Zielstellung der vorliegenden Erfindung die Messung der Scale-Factor Änderung und eine Kompensation des Effekts zu bewirken.
Erfindungsgemäß führt der verbesserte Betrieb des Oszillators bzw. des Drehratensensors insbesondere zu einer verbesserten Steuerung der Kraftrückkoppelung für den Detektionsregelkreis und/oder zu einer Korrektur des Sensorsignals, so dass ein genaueres bzw. weniger fehlerbehaftetes Sensorsignal die Folge ist. Erfindungsgemäß wird ein erstes Pilottonsignal und ein zweites Pilottonsignal verwendet, welches der Detektionsanordnung des Drehratensensors zusätzlich aufgeprägt wird. Erfindungsgemäß werden in einem ersten Schritt die beiden Pilottonsignale erzeugt sowie der Kraftrückkoppelungsregelkreis mitsamt dem Oszillator damit angeregt. Somit ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass Informationen über die Eigenschaften des Beschleunigungssensors - insbesondere Änderungen des Scale-Factors - und/oder der nachgeschalteten Auswerteschaltung gewonnen werden, sodass solche Fehler und insbesondere der Scale-Factor-Instabilitäts-Effekt reduziert oder aber vermieden bzw. kompensiert werden können. Hierzu wird in einem zweiten Schritt das Antwortverhalten auf die Anregung des Kraftrückkoppelungsregelkreises (und des Oszillators) bestimmt, wobei das Antwortverhalten zwei Antwortsignale des Oszillators umfasst. Das erste Antwortsignal korrespondiert dabei zur Anregung mittels des ersten Pilottonsignals und das zweite Antwortsignal korrespondiert zur Anregung mittels des zweiten Pilottonsignals. Erfindungsgemäß umfasst sowohl das erste Antwortsignal als auch das zweite Antwortsignal jeweils eine Phaseninformation des Antwortverhaltens des Oszillators. In einem dritten Schritt wird ein Differenzsignal aus dem ersten und zweiten Antwortsignal gebildet und die Kraftrückkoppelung und/oder die Korrektur des Sensorsignals in Abhängigkeit des Differenzsignals gesteuert.
In einer zum erfindungsgemäßen Verfahren analogen Weise ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. beim erfindungsgemäßen Drehratensensor vorgesehen, dass ein verbesserter Betrieb eines Oszillators - insbesondere zur Steuerung einer Kraftrückkoppelung und/oder zur Korrektur eines Sensorsignals - durch Verwendung des ersten und zweiten Pilottonsignal realisiert werden kann. Die Pilottonsignale werden hierbei in oder als Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. im oder als Teil des erfindungsgemäßen Drehratensensors insbesondere mittels eines Pilottonsignalgenerators erzeugt sowie dem Kraftrückkoppelungsregelkreis mit dem Oszillator zugeführt, wodurch dieser (d.h. der Kraftrückkoppelungsregelkreis und der Oszillator) mittels dieser Signale angeregt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist insbesondere eine Auswerteeinrichtung auf, mittels welcher das Antwortverhalten - insbesondere das erste Antwortsignal und das zweite Antwortsignal - auf die Anregung Kraftrückkoppelungsregelkreises und des Oszillators durch die Pilottonsignale bestimmt wird sowie das Differenzsignal gebildet wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. der erfindungsgemäße Drehratensensor ist ferner zur Steuerung der Kraftrückkoppelung und/oder zur Korrektur des Sensorsignals in Abhängigkeit des Differenzsignals eingerichtet und ein erfindungsgemäßer Drehratensensor zeichnet sich dadurch aus, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum verbesserten Betrieb eines Oszillators ausgeführt wird oder eine entsprechende Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Ein erfindungsgemäßer Drehratensensor - bzw. eine mikromechanische Sensoranordnung zur Messung einer Drehrate um wenigstens eine Drehachse - umfasst erfindungsgemäß insbesondere und vorteilhafterweise wenigstens eine schwingfähige seismische Masse, die zu einer Schwingung mit einer Antriebsfrequenz angetrieben bzw. angeregt wird. Indem die Steuerung der Detektionskraftrückkoppelung durch eine Änderung in der Ansteuerung eines Rückkoppelungskraft-Digitalanalogwandlers erfolgt und/oder indem die Korrektur des Sensorsignals durch Beaufschlagung mit einem Korrektursignal erfolgt, wobei das Korrektursignal mit einem konstanten Faktor multiplizierbar ist bzw. multipliziert werden kann, ist es gemäß bevorzugter Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft möglich, den Betrieb des Oszillators bzw. den Betrieb des Drehratensensors bzw. der mikromechanischen Sensoranordnung zu verbessern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Phaseninformation des Antwortverhaltens des Oszillators durch Anwendung eines In-Phase-und-Quadratur-Verfahrens, I&Q-Verfahren, erzeugt wird, wobei insbesondere sowohl das erste Antwortsignal als auch das zweite Antwortsignal durch Anwendung des In-Phase-und-Quadratur-Verfahrens, erzeugt wird. Dies ermöglicht den besonderen Vorteil, die Phasenlage des Antwortsignals zu bestimmen und auszuwerten. Weiterhin ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das erste Pilottonsignal und das zweite Pilottonsignal jeweils im Wesentlichen Einzelfrequenzsignale sind und wobei die Frequenz des ersten Pilottonsignals in einem ersten Frequenzabstand unterhalb der Antriebsfrequenz liegt, während die Frequenz des zweiten Pilottonsignals in einem zweiten Frequenzabstand oberhalb der Antriebsfrequenz liegt, wobei insbesondere der erste und zweite Frequenzabstand im Wesentlichen gleich groß sind. Dies ermöglicht den besonderen Vorteil, dass die Pilottonsignale ungefähr im gleichen Frequenzabstand zur Antriebsfrequenz des Drehratensensors (oberhalb und unterhalb der Antriebsfrequenz) angeordnet sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung müssen die Pilottonsignale nicht zwingend als Doppelfrequenz auf eine Trägerfrequenz (d.h. die Antriebsfrequenz des Drehratensensors) aufmoduliert werden, sondern können auch Einzelfrequenzen sein. Erfindungsgemäß ist es von besonderem Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie Drehratensensor invariant gegenüber Frequenztuningänderungen der Detektionsresonanzfrequenz ist. Dadurch, dass die Schritte des Verfahrens bevorzugt wiederholt durchgeführt werden, ist es vorteilhaft möglich, dass das erfindungsgemäße Verfahren als Regelung verwendet wird. Somit kann eine permanente Steuerung bzw. Regelung der Kraftrückkoppelung und/oder eine Korrektur des Sensorsignals zur Verbesserung des Betriebs umgesetzt werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figurenliste
Es zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Blockdiagramms, welches einen Drehratensensor mit einem Oszillator und ein Teil der Signalverarbeitung bzw. Auswerteschaltung des Drehratensensors, umfassend eine Einrichtung zur Scale-Factor-Berechnung, umfasst,
2 eine schematische Darstellung eines Blockdiagramms einer Einrichtung zur Scale-Factor-Berechnung des erfindungsgemäßen Drehratensensors.

Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist ein Blockdiagramm dargestellt, welches eine Detektionsvorrichtung eines Drehratensensors mit einem Oszillator (Detektionsoszillator) und ein Teil der Signalverarbeitung bzw. Auswerteschaltung des Drehratensensors, umfassend eine Einrichtung zur Scale-Factor-Berechnung, umfasst. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Drehratensensor in an und für sich üblicher Weise eine mikromechanische Struktur, welche eine schwingungsfähige (seismische) Masse oder mehrere (seismische) Massen umfasst, wobei die seismische Masse mittels eines durch eine elektrische bzw. elektronische Schaltung erzeugten Signals zu einer mechanischen Schwingung angeregt wird. Bei einer Drehung eines solchen Systems wirkt auf die sich gemäß der Antriebsschwingung bewegenden Masse eine Corioliskraft (die in 1 mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist), die mittels einer Detektionsanordnung bzw. einer Sensieranordnung bestimmbar bzw. messbar ist. Somit kann die auf das System einwirkende Drehrate aufgrund der an der Detektionsanordnung bzw. Sensieranordnung anliegenden Messsignale (sowie der Anregungssignale bzw. der Antriebsfrequenz) mit Hilfe einer geeigneten Auswerteschaltung bestimmt werden. In 1 sind jedoch nicht die mikromechanischen Einzelheiten eines solchen Drehratensensors dargestellt. Ferner ist auch hinsichtlich der Auswerteschaltung nicht eine üblicherweise vorhandene Quadraturkompensationsschaltung dargestellt. Die Bestimmung der Drehrate erfolgt erfindungsgemäß mit einem Detektionsregelkreis mit Kraftrückkoppelung (closed-loop). Wie bereits erwähnt, zeigen solche Systeme den sogenannten „Scale-Factor Instability“-Effekt, bei dem - zusätzlich zur üblichen Bias Instability - eine langsame Drift der Empfindlichkeit (d.h. des „Scale-Factors“) auftritt. Im Gegensatz zu Drehratensensoren mit closed-loop Auswertung bzw. Messung (d.h. unter Nutzung von Kraftrückkoppelung) weisen Open-Loop Drehratensensoren keinen auf einen solchen Wirkpfad basierenden „Scale-Factor Instability“-Effekt auf. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Messung der Scale-Factor Änderung und eine Kompensation des Effekts durchzuführen und ein solches Verfahren in einer entsprechenden Vorrichtung bzw. einem entsprechenden Drehratensensor umzusetzen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die schwingungsfähige Anordnung des Drehratensensors jedenfalls einen Oszillator 11 mit oder auch in einer (mikromechanischen) Detektionsanordnung bzw. Sensieranordnung derart auf, dass ein Detektionsregelkreis mit Kraftrückkoppelung realisiert wird (closed-loop-Anordnung). Die in der Regel mikromechanische Detektionsanordnung bzw. Sensieranordnung detektiert das anliegende Messsignal (welches in der Regel der Drehrate entspricht, welche auf das System einwirkt) typischerweise mit einer kapazitiven Messanordnung, wobei jedoch eine nicht-kapazitive Messanordnung erfindungsgemäß ebenfalls möglich ist. Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer kapazitiven Auswertung beschrieben. Das Messsignal der kapazitiven Messung wird in einer Detektions-C/V-Einrichtung 12 (Kapazitäts-Spannungs-Wandler) in ein Spannungssignal gewandelt und in einem Detektions-AD-Einrichtung 13 (Analog-DigitalWandler) in ein digitales Signal gewandelt, welches zur Steuerung bzw. Regelung der Kraftrückkoppelung 14 dient. Der Ausgang 15 entspricht dem Ausgang 14 nach einer Demodulation mit cos (ω*t + phi). Das digitale Spannungssignal durchläuft ferner einen Tiefpass 16, der als Messwert die ermittelte Drehrate ausgibt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. der erfindungsgemäße Drehratensensor weist einen Pilottonsignalgenerator 30 auf, mittels welchem das erste Pilottonsignal 31 und das zweite Pilottonsignal 32 generiert wird. Dies entspricht einem Teil des ersten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens. Erfindungsgemäß ist sowohl das erste Pilottonsignal 31 als auch das zweite Pilottonsignal 32 jeweils im Wesentlichen ein Einzelfrequenzsignal, wobei die Frequenz des ersten Pilottonsignals 31 in einem ersten Frequenzabstand unterhalb der Antriebsfrequenz (d.h. die Frequenz des ersten Pilottonsignals 31 ist niedriger als die Antriebsfrequenz) liegt, während die Frequenz des zweiten Pilottonsignals 32 in einem zweiten Frequenzabstand oberhalb der Antriebsfrequenz (d.h. die Frequenz des zweiten Pilottonsignals 32 ist höher als die Antriebsfrequenz) liegt. Erfindungsgemäß ist insbesondere, jedoch nicht zwingend, der erste und zweite Frequenzabstand im Wesentlichen gleich groß. Sowohl das erste Pilottonsignal 31 als auch das zweite Pilottonsignal 32 wird ferner erfindungsgemäß der Detektionsanordnung bzw. Sensieranordnung und somit auch dem Oszillator 11 (Detektionsoszillator) zugeführt (vgl. den Pfeil in 1 ausgehend vom Pilottonsignalgenerator 30 nach oben), weshalb dieser durch oder mittels des ersten und zweiten Pilottonsignals 31, 32 angeregt wird (ebenfalls als Teil des ersten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens).
Erfindungsgemäß wird das Signal zur Steuerung bzw. Regelung der Kraftrückkoppelung bzw. Kraftsteuerungseinrichtung 14 einer Scale-Factor-Berechnungseinrichtung 40 zugeführt. Der Scale-Factor-Berechnungseinrichtung 40 wird erfindungsgemäß ferner auch das erste Pilottonsignal 31 und das zweite Pilottonsignal 32 zugeführt (vgl. den Pfeil in 1 ausgehend vom Pilottonsignalgenerator 30 nach rechts), wodurch - in oder mittels der Scale-Factor-Berechnungseinrichtung 40 - ein Antwortverhalten auf die Anregung des Kraftrückkoppelungsregelkreises und des Oszillators 11 durch die Anregung mittels des ersten und zweiten Pilottonsignals 31, 32 bestimmbar ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, den Scale-Factor bzw. ein Maß für den Scale-Factor bzw. eine Scale-Factor-Information 50 (vgl. 2) zu bestimmen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bzw. alternativen Vorgehensweise zum erfindungsgemäßen verbesserten Betrieb des Oszillators 11 und des Kraftrückkoppelungsregelkreises bzw. des Drehratensensors wird ein Ausgangssignal, welches den Scale-Factor repräsentiert bzw. ein Maß für den Scale-Factor (Scale-Factor-Information 50) darstellt, durch die Scale-Factor-Berechnungseinrichtung 40 einer Regeleinrichtung 51 zur Ansteuerung eines Kraftrückkoppelungs-Digital-Analog-Wandlers 52 zugeleitet. Ausgehend vom Kraftrückkoppelungs-Digital-Analog-Wandler 52 wird ein Kraftrückkoppelungssignal der Detektionsanordnung bzw. der Sensieranordnung zugeführt, wodurch letztlich auch der Oszillator 11 beeinflusst wird. Somit wird gemäß dieser ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein verbesserter Betrieb des Oszillators 11 bzw. des Drehratensensors durch eine verbesserte Steuerung der Kraftrückkoppelung realisiert, nämlich in Abhängigkeit der Berechnung des Scale-Factors (bzw. der Scale-Factor-Information 50) bzw. in Abhängigkeit des Ausgangssignals der Scale-Factor-Berechnungseinrichtung 40, welches den Scale-Factor repräsentiert bzw. ein Maß für den Scale-Factor darstellt.
Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bzw. gemäß einer alternativen Vorgehensweise zum erfindungsgemäßen verbesserten Betrieb des Oszillators 11 und des Kraftrückkoppelungsregelkreises bzw. des Drehratensensors wird durch eine Korrektureinrichtung 53 aus dem Ausgangssignal der Scale-Factor-Berechnungseinrichtung 40 ein Faktor, insbesondere ein konstanter Faktor, bzw. eine Korrekturgröße, insbesondere eine konstante Korrekturgröße, abgeleitet und zu einer Korrektur des digitalen Spannungssignals 16 (bzw. dem „Rate LP“-Signal bzw. Messwert der ermittelten Drehrate) herangezogen, wodurch ein korrigierter Messwert 17 des Drehratensensors erhalten wird. Somit wird gemäß dieser zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein verbesserter Betrieb des Oszillators 11 und des Kraftrückkoppelungsregelkreises bzw. des Drehratensensors mittels Korrektur eines Sensorsignals realisiert, nämlich wiederum in Abhängigkeit der Berechnung des Scale-Factors bzw. in Abhängigkeit des Ausgangssignals der Scale-Factor-Berechnungseinrichtung 40.
Erfindungsgemäß ist es alternativ bzw. gemäß einer weiteren Ausführungsform auch möglich, sowohl gemäß der ersten als auch gemäß der zweiten Vorgehensweise vorzugehen.
Weitere Details des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Drehratensensors gehen aus 2 hervor, welche eine schematische Darstellung eines Blockdiagramms der Einrichtung zur Scale-Factor-Berechnung 40, d.h. der Scale-Factor-Berechnungseinrichtung 40, des erfindungsgemäßen Drehratensensors darstellt.
Gemäß sämtlicher erfindungsgemäßer Ausführungsformen gilt, dass das Antwortverhalten (des Oszillators 11 bzw. des Drehratensensors bzw. des Kraftrückkoppelungsregelkreises durch die Anregung mittels des ersten und zweiten Pilottonsignals 31, 32, welches durch die Scale-Factor-Berechnungseinrichtung 40 bestimmt wird) insbesondere zwei Antwortsignale des Oszillators 11 bzw. des Kraftrückkoppelungsregelkreises umfasst, wobei ein erstes Antwortsignal 41 mit der Anregung durch das erste Pilottonsignal 31 korrespondiert und ein zweites Antwortsignal 42 mit der Anregung durch das zweite Pilottonsignal 32 korrespondiert. Sowohl das erste Antwortsignal 41 als auch das zweite Antwortsignal 42 umfasst jeweils eine Phaseninformation des Antwortverhaltens des Oszillators 11 bzw. des Kraftrückkoppelungsregelkreises, welches durch die oder in der Scale-Factor-Berechnungseinrichtung 40 als Teil des zweiten Schritts des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgewertet wird. In einem dritten Schritt wird aus dem ersten und zweiten Antwortsignal 41, 42 ein Differenzsignal 45 und ferner eine Scale-Factor-Information 50 gebildet und die Steuerung der Kraftrückkoppelung (gemäß der ersten Ausführungsform) und/oder die Korrektur des Sensorsignals (gemäß der zweiten Ausführungsform) in Abhängigkeit des Differenzsignals 45 bzw. in Abhängigkeit der Scale-Factor-Information 50 vorgenommen.
Im Detail wird zur Bestimmung des ersten und zweiten Antwortsignals 41, 42 bzw. des Differenzsignals 45 bzw. der Scale-Factor-Information 50 erfindungsgemäß wie folgt vorgegangen: Wie bereits erwähnt, wird der Scale-Factor-Berechnungseinrichtung 40 sowohl das Signal am Ausgang 14 der Kraftsteuerungseinrichtung als auch das erste und zweite Pilottonsignal 31, 32 zugeführt, vgl. die rechte Seite der 2. Anschließend wird eine Phaseninformation des Antwortverhaltens des Oszillators 11 und des Kraftrückkoppelungsregelkreises durch Anwendung eines In-Phase-und-Quadratur-Verfahrens, I&Q-Verfahren, erzeugt, was zum ersten bzw. zweiten Antwortsignal 41, 42 führt. Im Detail wird hierzu:

-- in einem Block 311 das um 90° phasenverschobene erste Pilottonsignal 31 mit dem Signal 14 (am Ausgang der Kraftsteuerungseinrichtung) kombiniert bzw. multipliziert und hierdurch den Quadratur-Anteil des ersten Pilottonsignals 31 erhalten;
-- in einem Block 312 das originale erste Pilottonsignal 31 mit dem Signal 14 kombiniert bzw. multipliziert (und hierdurch den In-Phase-Anteil des ersten Pilottonsignals 31 erhalten);
-- in einem Block 321 das um 90° phasenverschobene zweite Pilottonsignal 32 mit dem Signal 14 kombiniert bzw. multipliziert (und hierdurch den Quadratur-Anteil des zweiten Pilottonsignals 32 erhalten);
-- in einem Block 322 das originale zweite Pilottonsignal 32 mit dem Signal 14 kombiniert bzw. multipliziert (und hierdurch den In-Phase-Anteil des zweiten Pilottonsignals 32 erhalten). Aus so erhaltenen In-Phase- und Quadratur-Anteilen wird die jeweilige Phaseninformation durch Arctan-Bildung als erstes bzw. zweites Antwortsignal 41, 42 gebildet, woraus durch Differenzbildung das Differenzsignal 45 und die Scale-Factor-Information 50 gebildet wird.

Somit wird erfindungsgemäß die Phaseninformation des Antwortverhaltens des Oszillators 11 und des Kraftrückkoppelungsregelkreises bzw. des Drehratensensors über eine I/Q-Demodulation verwendet.
Eine Änderung des Feedback DAC Gains (d.h. der Verstärkung beim Kraftrückkoppelungs-Digital-Analog-Wandler 52) erzeugt in der closed-loop Übertragungsfunktion von Kapazitäts-Spannungs-Wandler (Detektions-C/V-Einrichtung 12) zum Ausgang 14 des Regelkreises eine Phasenänderung bei gewissen Frequenzen. Wird erfindungsgemäß bei diesen Frequenzen das erste bzw. zweite Pilottonsignal 31, 32 eingespeist, kann mittels I/Q-Demodulation am Ausgang 14 des Regelkreises die Phasenänderung gemessen werden. Um diese Phasenänderung von derjenigen zu unterscheiden, die bei einer Änderung der Frequenztuning-Spannung erzeugt wird, werden erfindungsgemäß zwei Pilottöne verwendet; bei letzteren ändert sich die Phase nämlich gleichläufig und bei einer Änderung des Feedback DAC Gains 52 gegenläufig. Der Phasenunterschied von Idealwert zum gemessenen Wert ist dann ein Maß für die Scale-Factor Änderung, d.h. die Scale-Factor-Information 50. Dieses Maß wird gemäß der ersten Ausführungsform für einen verbesserten Betrieb des Oszillators 11 und/oder des Kraftrückkoppelungsregelkreises verwendet, in dem der Feedback DAC Gain 52 über einen Regler 51 nachgeführt wird, indem z.B. die Spannung der DAC Stufen (d.h. die Kraft-Rückkoppelungsspannung) angepasst wird oder eine digitale Verstärkung vor den Feedback DAC 52 gesetzt wird. Gemäß der zweiten Ausführungsform für einen verbesserten Betrieb des Oszillators 11 und/oder des Kraftrückkoppelungsregelkreises wird lediglich das Ausgangssignal 17 des Drehratensensors über eine digitale Verstärkung 53 verändert.
Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vor der I/Q-Demodulation die bekannten Rauschbestandteile, z.B. Delta-Sigma Dither Quellen und Quantisierungsrauschen des Delta-Sigma DACs, abgezogen. Damit wird das Signal-zu-Rausch Verhältnis der Methode verbessert.
Die Pilottonsignale 31, 32 (bzw. Töne) müssen erfindungsgemäß nicht als Doppelfrequenz auf eine Trägerfrequenz (Antriebsfrequenz) aufmoduliert werden, sondern können auch Einzelfrequenzen sein. Erfindungsgemäß ist das Verfahren insbesondere invariant gegenüber Frequenztuningänderungen. Aufgrund dessen, dass erfindungsgemäß die Phaseninformation des Antwortverhalten ausgewertet wird, kann der Frequenzabstand der Pilottonsignale zur Antriebsfrequenz größer gewählt werden, sodass Beeinflussungen des Drehratenmesssignals in vorteilhafter Weise gering vermindert werden können. So können beispielsweise die Scale-Factor Pilottöne (d.h. die Pilottonsignale 31, 32) weit außerhalb der Sensorbandbreite liegen, z. B. bei der Antriebsfrequenz +/- 2000 Hz (bei einer Antriebsfrequenz von bspw. ca. 25 kHz), so dass keine Beeinflussung des Drehratensignals zu erwarten ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7628069 B2 [0006]

Claims

Verfahren zum verbesserten Betrieb eines Oszillators (11) mit Kraftrückkoppelungsregelkreis, insbesondere zur Steuerung einer Kraftrückkoppelung und/oder zur Korrektur eines Sensorsignals, mittels eines ersten Pilottonsignals (31) und eines zweiten Pilottonsignals (32), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: -- Erzeugen, in einem ersten Schritt, des ersten und zweiten Pilottonsignals (31, 32) sowie Anregen des Oszillators (11) und/oder des Kraftrückkoppelungsregelkreises mittels des ersten und zweiten Pilottonsignals (31, 32); -- Bestimmen, in einem zweiten Schritt, eines Antwortverhaltens auf die Anregung des Oszillators (11) und/oder des Kraftrückkoppelungsregelkreises umfassend zwei Antwortsignale des Oszillators (11) und des Kraftrückkoppelungsregelkreises, wobei ein erstes Antwortsignal (41) zur Anregung mittels des ersten Pilottonsignals (31) korrespondiert und ein zweites Antwortsignal (42) zur Anregung mittels des zweiten Pilottonsignals (32) korrespondiert, wobei sowohl das erste Antwortsignal (41) als auch das zweite Antwortsignal (42) jeweils eine Phaseninformation des Antwortverhaltens umfassen; -- Bilden, in einem dritten Schritt, eines Differenzsignals (45) aus dem ersten und zweiten Antwortsignal (41, 42) und Steuerung der Kraftrückkoppelung und/oder Korrektur des Sensorsignals in Abhängigkeit des Differenzsignals (45).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Oszillator (11) eine mikromechanische Sensoranordnung oder ein Teil davon ist, wobei die mikromechanische Sensoranordnung zur Messung einer Drehrate um wenigstens eine Drehachse geeignet oder vorgesehen ist und wobei der Oszillator (11) und/oder die mikromechanische Sensoranordnung bei einer Antriebsfrequenz betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Abhängigkeit des ersten und/oder zweiten Antwortsignals (41, 42) und/oder des Differenzsignals (45) die Berechnung einer Scale-Factor-Information (50) erfolgt, wobei die Steuerung der Kraftrückkoppelung und/oder die Korrektur des Sensorsignals in Abhängigkeit der berechneten Scale-Factor-Information (50) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung der Kraftrückkoppelung durch eine Änderung in der Ansteuerung eines Rückkoppelungskraft-Digitalanalogwandlers (52) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Korrektur des Sensorsignals durch Beaufschlagung mit einem Korrektursignal erfolgt, wobei das Korrektursignal mit einem konstanten Faktor (53) multiplizierbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phaseninformation des Antwortverhaltens des Oszillators (11) und des Kraftrückkoppelungsregelkreises durch Anwendung eines In-Phase-und-Quadratur-Verfahrens, I&Q-Verfahren, erzeugt wird, wobei insbesondere sowohl das erste Antwortsignal (41) als auch das zweite Antwortsignal (42) durch Anwendung des In-Phase-und-Quadratur-Verfahrens, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Pilottonsignal (31) und das zweite Pilottonsignal (32) jeweils im Wesentlichen Einzelfrequenzsignale sind und wobei die Frequenz des ersten Pilottonsignals (31) in einem ersten Frequenzabstand unterhalb der Antriebsfrequenz liegt, während die Frequenz des zweiten Pilottonsignals (32) in einem zweiten Frequenzabstand oberhalb der Antriebsfrequenz liegt, wobei insbesondere der erste und zweite Frequenzabstand im Wesentlichen gleich groß sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit dem weiteren Schritt des wiederholten Durchführens des Verfahrens.
Vorrichtung zum verbesserten Betrieb eines Oszillators (11) und eines Kraftrückkoppelungsregelkreises, insbesondere zur Steuerung einer Kraftrückkoppelung und/oder zur Korrektur eines Sensorsignals, mittels eines ersten Pilottonsignals (31) und eines zweiten Pilottonsignals (32), wobei die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass: -- insbesondere mittels eines Pilottonsignalgenerators (30), ein erstes und zweites Pilottonsignal (31, 32) erzeugt wird sowie der Oszillator (11) und der Kraftrückkoppelungsregelkreis mittels des ersten und zweiten Pilottonsignals (31, 32) angeregt wird; -- insbesondere mittels einer Auswerteeinrichtung (40), ein Antwortverhalten auf die Anregung des Oszillators (11) und des Kraftrückkoppelungsregelkreises bestimmt wird, wobei das Antwortverhalten zwei Antwortsignale des Oszillators (11) und/oder des Kraftrückkoppelungsregelkreises umfasst, wobei ein erstes Antwortsignal (41) zur Anregung mittels des ersten Pilottonsignals (31) korrespondiert und ein zweites Antwortsignal (42) zur Anregung mittels des zweiten Pilottonsignals (32) korrespondiert, wobei sowohl das erste Antwortsignal (41) als auch das zweite Antwortsignal (42) jeweils eine Phaseninformation des Antwortverhaltens umfassen; -- insbesondere mittels der Auswerteeinrichtung (40), ein Differenzsignal (45) aus dem ersten und zweiten Antwortsignal (41, 42) gebildet wird und die Vorrichtung zur Steuerung der Kraftrückkoppelung und/oder der Korrektur des Sensorsignals in Abhängigkeit des Differenzsignals (45) eingerichtet ist.
Drehratensensor mit wenigstens einem Oszillator (11) und einem Kraftrückkoppelungsregelkreis, mit einer Signalverarbeitungseinrichtung, die aus erfassten Schwingungen des Oszillators (11) ein Drehratensignal bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach Anspruch 9 vorgesehen ist oder dass die Signalverarbeitungseinrichtung und/oder der Drehratensensor ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt.