WO2020126454A1 - System mit mikromechanischer taktgebender systemkomponente - Google Patents

System mit mikromechanischer taktgebender systemkomponente Download PDF

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WO2020126454A1
WO2020126454A1 PCT/EP2019/083395 EP2019083395W WO2020126454A1 WO 2020126454 A1 WO2020126454 A1 WO 2020126454A1 EP 2019083395 W EP2019083395 W EP 2019083395W WO 2020126454 A1 WO2020126454 A1 WO 2020126454A1
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WO
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odr
sensor
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clock frequency
frequency
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PCT/EP2019/083395
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English (en)
French (fr)
Inventor
Timo Giesselmann
Gerhard Lammel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to US17/273,662 priority patent/US11959747B2/en
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5776—Signal processing not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • G01C25/005—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass initial alignment, calibration or starting-up of inertial devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD

Definitions

  • the invention relates to a system with a micromechanical clock
  • the invention further relates to a method for operating a sensor system.
  • micromechanical clocking system components This can be, for example, a micromirror that is part of a
  • Projection module is excited to resonant vibrations.
  • the projection module could be referred to as a system in the sense of the invention.
  • a micromechanical clock-generating system component is a micromechanical rotation rate sensor with a detection mass which is excited for natural frequency oscillations for measurement purposes. Rotational movements of the sensor about an axis that is oriented parallel to the excitation plane and perpendicular to the excitation direction can be detected as deflections of the seismic mass perpendicular to this excitation plane, since such rotary movements cause a correspondingly directed Coriolis force.
  • Such a rotation rate sensor together with a processing unit for the sensor signals already represents a system in the sense of the invention. However, it can also include further sensor components and / or system components with different functionality.
  • the oscillator consisting of the vibrating mass and its spring suspension, is usually designed with a high quality in order to minimize the energy for the drive and to maximize the stability of the vibration.
  • the oscillation frequency of this oscillator is very stable over temperature and aging.
  • the Natural frequency of identical sensors has a very high scatter due to the manufacturing process.
  • the natural frequency of the oscillator is usually used to derive the output sampling rate. This usually comes with a fractional one
  • n and m are preferably selected as whole numbers and are usually determined individually when trimming the angular rate sensors by measuring f_osc and calculating suitable values n and m in order to get f_odr into a tolerance band around a desired clock frequency f_odr_nom. These values are usually stored in the non-volatile memory for adjustment parameters in the sensor.
  • n and divisor m Due to the design, the absolute size of the factor n and divisor m is limited, since large values would lead to high power consumption and a large chip area. However, with limited values of n and m also goes hand in hand that the output sampling rate only with a limited accuracy, i.e. can be set with a certain deviation a_odr from the target clock frequency or target sampling frequency f_odr_nom, for example in a single-digit percentage range.
  • m round (f_osc * n / f_odr_nom)
  • a_odr f_odr / f_odr_nom
  • the rotation rate measurement values are often integrated, for example as part of an algorithm for determining the orientation in space by the angular position.
  • This orientation can e.g. can be described by roll, pitch and yaw angles (English: roll, pitch, heading). If the integration is carried out by adding up the product of the rotation rate measured value and the time interval 1 / f_odr_nom, but the actual sampling rate f_odr differs from f_odr_nom, this means that the integration value is subject to an error factor of a_odr.
  • the deviation of the sensor sampling rate from the expected value is measured in practice, for example with another time standard (e.g. quartz oscillator), in order to correct this deviation as a correction for the
  • the present invention is based on the idea of using the micromechanical clocking system component in order to make it a part-independent
  • This reference time base is advantageous
  • the part-individual deviation a_odr of the clock frequency f_odr from a predetermined target clock frequency f_odr_nom is made available. This deviation a_odr is usually determined at the end of the manufacturing process of the clocking system component.
  • the task is solved with a system having a clocking system component
  • micromechanical oscillating element that can be excited to oscillate at a natural frequency
  • first circuit means that generate a clock frequency from the natural frequency of the oscillating element that is pre-adjusted to a predetermined target clock frequency
  • a processing device that generates a reference time base for at least part of the system on the basis of the generated clock frequency and the stored deviation.
  • the object is achieved with a method for operating a sensor system, with a micromechanical rotation rate sensor, in the sensor structure of which at least one oscillating element is formed, in which the oscillating element for measuring signal detection is excited to oscillate at a natural frequency,
  • a clock frequency is generated from the natural frequency of the oscillating element, which is pre-adjusted to a predetermined target clock frequency and determines the output sampling rate for the sensor data of the rotation rate sensor
  • a reference time base for at least part of the sensor system is generated on the basis of the generated clock frequency and the stored deviation.
  • system is designed as a sensor system, with a rotation rate sensor with a micromechanical system as the clocking system component
  • At least one oscillating element is formed in the sensor structure and is excited to oscillate at a natural frequency for measuring signal detection
  • Natural frequency generate a clock frequency that the
  • processing device is designed to process the sensor data on the basis of the reference time base.
  • circuit means for generating the clock frequency comprise at least one phase locked loop. In this way, the clock frequency can be generated with high accuracy.
  • a further advantageous development of the system is characterized in that the clocking system component and / or the processing device are equipped with storage means for the deviation. This allows the deviation to be made available for later use.
  • a further advantageous development of the system is characterized in that the clocking system component and / or the processing device have access to external storage means for the deviation. In this way, the deviation is advantageously designed to be accessible externally.
  • a further advantageous development of the system is characterized in that at least one further system component is provided, which generates an independent time base, and that the independent time base of the further system component can be calibrated and / or corrected on the basis of the reference time base. This allows the further
  • a further advantageous development of the system is characterized in that at least one oscillator component is provided with second circuit means for generating an output signal with a predetermined frequency, the design of the circuit means being based on the reference time base. In this way, the output signal can be generated very precisely with the predetermined frequency.
  • a further advantageous development of the method is characterized in that the sensor data of the rotation rate sensor are processed on the basis of the reference time base, in particular that the relative spatial orientation of the rotation rate sensor is determined by integrating the sensor data of the rotation rate sensor taking into account the clock frequency and the deviation .
  • a very precise sensing behavior of the sensor can thereby advantageously be provided
  • the reference time base is used to calibrate and / or correct an independent time base generated by a further system component.
  • the independent time base generated by the further system component can be designed very precisely.
  • Another advantageous development of the method is characterized in that the calibration and / or correction of the independent time base selectable times during sensor operation of the rotation rate sensor. This supports a low-power operation of the rotation rate sensor.
  • the reference time base is used to set the frequency of the output signal of an oscillator component.
  • the frequency of the output signal of the oscillator component can be provided very precisely.
  • Fig. 4 shows a third embodiment of the proposed system.
  • part-specific deviation a 0 dr it is advantageously possible for the part-specific deviation a 0 dr to be determined and stored already during manufacture when the yaw rate sensor is being compared, this value being made available for later use in sensor data processing.
  • the system 100 shows a conventional system 100 in the form of a sensor system.
  • the system 100 comprises a rotation rate sensor element 1 as the clock generator
  • System component 1 which is equipped with first circuit means 2, the first circuit means 2 comprising a PLL and also a register with values for the PLL, which results from the oscillation frequency of the clock
  • a clock frequency or an output data rate f_odr is generated, which is to be understood as the sampling rate of the sensor signal.
  • An output element 4 is used to output a signal with the output data rate f_odr to a processing device 10.
  • 2 shows a first embodiment as a sensor system
  • first storage means 5 can be seen, in which the deviation a_odr is stored and can be supplied to the processing device 10.
  • these storage means are part of the clock generator
  • Processing device 10 can be designed as a host system (e.g. an application processor) which synchronously rotates the rotation rate signal
  • the deviation a_odr is a part-individual factor that is determined once when the yaw rate sensor is manufactured.
  • the rotation rate sensor signals can be used, for example, to determine a
  • the correction in the algorithm takes place, for example, in a spatial axis as follows:
  • 3 shows a further embodiment of the proposed system 100.
  • external second storage means 20 are provided, by means of which the deviation a_odr is stored and can be supplied to the processing device 10.
  • the external storage means 20 could be, for example, a memory of the processing device 10 or of the host system or a database provided by the manufacturer with trimming parameters or a cloud that the user of the sensor system can access.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the proposed system 100. It can be seen that in this variant, second, externally designed storage means 20 are also provided for storing the deviation a_odr.
  • the output data rate f_odr des Rotation rate sensor 1 used to generate with the help of an oscillator 30 a time base which is used as the basis for processing the rotation rate sensor signals but can also be used elsewhere in the system.
  • the deviation a_odr is supplied to the oscillator 30, so that the
  • Oscillator 30 generated time base is derived from the part-specific natural frequency of the rotation rate sensor element, but is independent of this.
  • the time base of the oscillator 30 is fed to the processing device 10, the processing device 10 integrating the
  • Rotation rate sensor signal based on the corrected oscillator frequency.
  • the deviation a_odr is used to calibrate or compensate for an independent time base, for example around an inaccurate RC oscillator in a downstream processing device 10 in the form of a sensor stroke (for example microcontrollers for processing sensor data) to calibrate.
  • the oscillator 30 can also function as an accurate fractional PLL or FLL
  • the independent time base is only calibrated when the rotation rate sensor is switched on.
  • the independent time base continues with its inherent accuracy.
  • the rotation rate sensor has a relatively high electrical current consumption (eg 950 mA), which is orders of magnitude higher than the current consumption of a time base based on an RC oscillator (eg 300 nA).
  • the high accuracy of the time base is provided primarily when rotation rate sensor signals are to be processed.
  • the clocking system component 1 is a micromirror and the system 100 as an optical system, e.g. a
  • Micro projector system is trained.

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Abstract

System (100), aufweisend: - eine taktgebende Systemkomponente (1) mit - einem mikromechanischen Schwingelement, das zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz (f_osc) anregbar ist, und - ersten Schaltungsmitteln (2), die aus der Eigenfrequenz (f_osc) des Schwingelements eine Taktfrequenz (f_odr) generieren, die auf eine vorgegebene Soll-Taktfrequenz (f_odr_nom) vor-abgeglichen ist; - Speichermittel (4) für die verbleibende Abweichung (a_odr) der Taktfrequenz (f_odr) von der Soll-Taktfrequenz (F_odr_norn), wobei die Abweichung (a_odr) für die taktgebende Systemkomponente individuell bestimmt worden ist; und - eine Verarbeitungseinrichtung (10), die unter Zugrundelegung der generierten Taktfrequenz (f_odr) und der abgespeicherten Abweichung (a_odr) eine Bezugs-Zeitbasis für zumindest einen Teil des Systems (100) generiert.

Description

Beschreibung
Titel
System mit mikromechanischer taktqebender Svstemkomponente
Die Erfindung betrifft ein System mit einer mikromechanischen taktgebenden
Systemkomponente, insbesondere ein Sensorsystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems.
Stand der Technik
Wesentlich für die hier in Rede stehenden Systeme ist, dass sie eine
mikromechanische taktgebende Systemkomponente umfassen. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Mikrospiegel handeln, der im Rahmen eines
Projektionsmoduls zu resonanten Schwingungen angeregt wird. In diesem Fall könnte das Projektionsmodul als System im Sinne der Erfindung bezeichnet werden. Ein weiteres Beispiel für eine mikromechanische taktgebende Systemkomponente ist ein mikromechanischer Drehratensensor mit einer Detektionsmasse, die zu Messzwecken zu Eigenfrequenzschwingungen angeregt wird. Drehbewegungen des Sensors um eine Achse, die parallel zur Anregungsebene und senkrecht zur Anregungsrichtung orientiert ist, können als Auslenkungen der seismischen Masse senkrecht zu dieser Anregungsebene erfasst werden, da derartige Drehbewegungen eine entsprechend gerichtete Corioliskraft hervorrufen. Ein solcher Drehratensensor zusammen mit einer Verarbeitungseinheit für die Sensorsignale stellt bereits ein System im Sinne der Erfindung dar. Es kann aber auch noch weitere Sensorkomponenten und/oder Systemkomponenten mit anderer Funktionalität umfassen.
Der Oszillator, bestehend aus der schwingenden Masse und deren Federaufhängung, wird üblicherweise mit einer hohen Güte ausgelegt, um die Energie für den Antrieb zu minimieren, und die Stabilität der Schwingung zu maximieren. Die Schwingfrequenz dieses Oszillators ist über Temperatur und Alterung sehr stabil. Allerdings unterliegt die Eigenfrequenz von baugleichen Sensoren herstellungsbedingt einer sehr hohen Streuung.
Die Eigenfrequenz des Oszillators wird üblicherweise verwendet, um daraus die Ausgangs-Abtastrate abzuleiten. Dabei kommt üblicherweise eine fraktionale
Phasenregelschleife (engl fractional PLL) zum Einsatz, die aus der Schwingfrequenz des Oszillators f_osc einen Takt mit der Frequenz f_odr (engl output data rate, d.h. Ausgangs-Abtastrate) im Verhältnis n/m erzeugt: f_odr = f_osc * n / m
Die Werte n und m werden bevorzugt ganzzahlig gewählt und üblicherweise beim Abgleich (engl trimming) der Drehratensensoren teileindividuell bestimmt, indem f_osc gemessen wird und geeignete Werte n und m berechnet werden, um f_odr in ein Toleranzband um eine Soll-Taktfrequenz f_odr_nom zu bekommen. Diese Werte werden üblicherweise im nichtflüchtigen Speicher für Abgleichparameter im Sensor gespeichert.
Bauartbeding ist die absolute Größe des Faktors n und Divisors m limitiert, da große Werte zu einem zu hohen Stromverbrauch und hoher Chipfläche führen würden. Mit begrenzten Werten von n und m geht allerdings auch einher, dass die Ausgangs- Abtastrate nur mit einer begrenzten Genauigkeit, d.h. mit einer gewissen Abweichung a_odr von der Soll-Taktfrequenz bzw. Soll-Abtastfrequenz f_odr_nom, eingestellt werden kann, zum Beispiel in einem einstelligen Prozentbereich.
Beispielsweise würde für eine Eigenfrequenz f_osc = 25 kHz und eine Soll- Taktfrequenz f_odr_norm = 6,4 kHz der Wert m in Abhängigkeit vom Wert n bestimmt nach der Formel: m = round(f_osc * n / f_odr_nom)
In diesem Beispiel ergibt sich für einen gewählten Wert n=8 für den Wert m:
m = round(25 kHz * 8 / 6,4 kHz) = round(31 ,25) = 31 Mit dem Wert m = 31 ergibt sich jedoch eine tatsächliche Ausgangs-Abtastrate von f_odr = 6,452 kHz, sie liegt also um ca. 0.8% höher als die Soll-Abtastrate. Der Abweichung a_odr wird folgendermaßen definiert: a_odr = f_odr / f_odr_nom
Im obigen Beispiel ist
a_odr = 6,452 kHz / 6,4 kHz = 1 ,008
Bei der Verarbeitung der gemessenen Drehratensignale findet oftmals eine Integration der Drehratenmesswerte statt, zum Beispiel als Teil eines Algorithmus zur Bestim mung der Orientierung im Raum durch die Winkel-Lage. Diese Orientierung kann z.B. durch Roll-, Nick-, und Gierwinkel (englisch: roll, pitch, heading) beschrieben werden. Wenn die Integration durch Aufsummieren des Produkts aus Drehratenmesswert und Zeitintervall 1/f_odr_nom erfolgt, die tatsächliche Abtastrate f_odr aber von f_odr_nom abweicht, dann hat dies zur Folge, dass der Integrationswert einem Fehlerfaktor von a_odr unterliegt.
Dieser Fehler wird herkömmlich zwar akzeptiert, hat nachteilig jedoch eine Unge nauigkeit des Integrationsergebnisses zur Folge.
Um dieses Problem zu umgehen, wird in der Praxis beispielsweise mit einem anderen Zeitnormal (z.B. Quarzoszillator) die Abweichung der Sensor-Abtastrate vom erwarteten Wert gemessen, um diese Abweichung als Korrektur für die
Zeitkonstante bei der Integration der Sensorwerte zu berücksichtigen. Dies hat den Nachteil, dass ein separates Frequenznormal erforderlich ist, die Messung die Systemkomplexität erhöht und teilweise selbst mit Ungenauigkeit behaftet ist.
Offenbarung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, die mikromechanische taktgebende Systemkomponente zu nutzen, um eine teileunabhängige
hochgenaue Bezugs-Zeitbasis für das System oder zumindest einen Teil des
Systems zu generieren. Vorteilhafterweise ist diese Bezugs-Zeitbasis
unabhängig von der teileindividuellen Eigenfrequenz der taktgebenden Systemkomponente und auch unabhängig von der mit Hilfe von Schaltungs mitteln aus der Eigenfrequenz generierten Taktfrequenz f_odr. Dazu wird erfindungsgemäß die teileindividuelle Abweichung a_odr der Taktfrequenz f_odr von einer vorgegebenen Soll-Taktfrequenz f_odr_nom zur Verfügung gestellt. Diese Abweichung a_odr wird üblicherweise am Ende des Herstellungs prozesses der taktgebenden Systemkomponente bestimmt.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem System, aufweisend eine taktgebende Systemkomponente
mit einem mikromechanischen Schwingelement, das zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz anregbar ist, und mit ersten Schaltungsmitteln, die aus der Eigenfrequenz des Schwingelements eine Taktfrequenz generieren, die auf eine vorgegebene Soll-Taktfrequenz vor-abgeglichen ist;
Speichermittel für die verbleibende Abweichung der T aktfrequenz von der Soll-Taktfrequenz, wobei die Abweichung für die taktgebende Systemkomponente individuell bestimmt worden ist; und
eine Verarbeitungseinrichtung, die unter Zugrundelegung der generierten Taktfrequenz und der abgespeicherten Abweichung eine Bezugs-Zeitbasis für zumindest einen Teil des Systems generiert.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems, mit einem mikromechanischen Drehratensen sor, in dessen Sensorstruktur mindestens ein Schwingelement ausgebildet ist, bei dem das Schwingelement zur Messsignalerfassung zu Schwingungen mit einer Eigenfrequenz angeregt wird,
bei dem aus der Eigenfrequenz des Schwingelements eine Taktfrequenz generiert wird, die auf eine vorgegebene Soll- Taktfrequenz vor-abgeglichen ist und die Ausgabeabtastrate für die Sensordaten des Drehratensensors bestimmt,
dadurch gekennzeichnet, dass die für den Drehratensensor individuelle verbleibende
Abweichung der Taktfrequenz von der Soll-Taktfrequenz zur Verfügung gestellt wird, und
dass unter Zugrundelegung der generierten Taktfrequenz und der abgespeicherten Abweichung eine Bezugs-Zeitbasis für zumindest einen Teil des Sensorsystems generiert wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Systems sind Gegenstand von jeweils abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass das System als ein Sensorsystem ausgebildet ist, wobei als die taktgebende Systemkomponente ein Drehratensensor mit einer mikromechanischen
Sensorstruktur fungiert,
indem in der Sensorstruktur mindestens ein Schwingelement ausgebildet ist, das zur Messsignalerfassung zu Schwingungen mit einer Eigenfrequenz angeregt wird, und
indem Schaltungsmittel vorgesehen sind, die aus der
Eigenfrequenz eine Taktfrequenz generieren, welche die
Ausgabeabtastrate für die Sensordaten des Drehratensensors bestimmt,
und dass die Verarbeitungseinrichtung dazu ausgelegt ist, die Sensordaten unter Zugrundelegung der Bezugs-Zeitbasis zu verarbeiten.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass die Schaltungsmittel zum Generieren der Taktfrequenz mindestens eine Phasenregelschleife umfassen. Auf diese Weise kann die Taktfrequenz mit hoher Genauigkeit erzeugt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass die taktgebende Systemkomponente und/oder die Verarbeitungseinrichtung mit Speichermitteln für die Abweichung ausgestattet sind. Dadurch kann die Abweichung für eine spätere Verwendung bereitgestellt werden. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass die taktgebende Systemkomponente und/oder die Verarbeitungseinrichtung Zugriff auf externe Speichermittel für die Abweichung haben. Auf diese Weise wird die Abweichung vorteilhaft auch von extern zugreifbar ausgebildet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Systemkomponente vorgesehen ist, die eine unabhängige Zeitbasis generiert, und dass die unabhängige Zeitbasis der weiteren Systemkomponente unter Zugrundelegung der Bezugs-Zeitbasis kalibrierbar und/oder korrigierbar ist. Dadurch kann die weitere
Systemkomponente vorteilhaft mit sehr hoher Genauigkeit betrieben werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Oszillatorkomponente mit zweiten Schaltungsmitteln zum Generieren eines Ausgangssignals mit einer vorgegebenen Frequenz vorgese hen ist, wobei der Auslegung der Schaltungsmittel die Bezugs-Zeitbasis zugrun de liegt. Auf diese Weise kann das Ausgangssignal mit der vorgegebenen Frequenz sehr genau generiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeich net, dass die Sensordaten des Drehratensensors unter Zugrundelegung der Bezugs-Zeitbasis verarbeitet werden, insbesondere dass die relative räumliche Orientierung des Drehratensensors ermittelt wird, indem die Sensordaten des Drehratensensors unter Berücksichtigung der Taktfrequenz und der Abweichung aufintegriert werden. Dadurch kann vorteilhaft ein sehr genaues Sensierverhalten des Sensors bereitgestellt werden
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Bezugs-Zeitbasis verwendet wird, um eine von einer weiteren Systemkomponente generierte unabhängige Zeitbasis zu kalibrieren und/oder zu korrigieren. Dadurch kann die von der weiteren Systemkomponente generierte unabhängige Zeitbasis sehr genau ausgebildet werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Kalibrierung und/oder Korrektur der unabhängigen Zeitbasis zu wählbaren Zeitpunkten während des Sensorbetriebs des Drehratensensors vorgenommen wird. Dadurch ist ein stromschonender Betrieb des Drehraten sensors unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Drehratensensor eigens zur Kalibrierung und/oder Korrektur der unabhängigen Zeitbasis aktiviert wird. Auch auf diese Weise ist ein
stromschonender Betrieb des Drehratensensors unterstützt
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Systems zeichnet sich dadurch aus, dass die Bezugs-Zeitbasis verwendet wird, um die Frequenz des Ausgangs signals einer Oszillatorkomponente einzustellen. Dadurch kann die Frequenz des Ausgangssignals der Oszillatorkomponente sehr genau bereitgestellt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Elemente haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen.
Offenbarte Verfahrensmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden offen barten Vorrichtungsmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend das Sys tem in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vor teilen betreffend das System aus entsprechenden Ausführungen, Merkmalen und Vorteilen betreffend das Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems ergeben und umgekehrt. Der Einfachheit halber werden in den Figuren jeweils nur Änderungen zu vorgehenden Figuren erläutert.
In den Figuren zeigt:
Fig. 1 ein konventionelles System;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform des vorgeschlagenen Systems;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des vorgeschlagenen Systems;
und Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des vorgeschlagenen Systems.
Beschreibung von Ausführungsformen
Mithilfe des erfindungsgemäßen Systems wird vorteilhaft ermöglicht, einen Abweichungsfaktor, der bei Erzeugung der Abtastrate durch die fraktionale Phasenregelschleife entsteht, bei der Verarbeitung der Drehratenmesswerte zu berücksichtigen, ohne dass dazu ein weiteres Frequenznormal benötigt wird. Es soll dabei die hohe Genauigkeit und Stabilität des MEMS-Oszillators nutzbar gemacht werden.
Mit der Erfindung ist es vorteilhaft möglich, dass schon während der Herstellung beim Abgleich des Drehratensensors die teileindividuelle Abweichung a0dr bestimmt und gespeichert wird, wobei dieser Wert zur späteren Nutzung in der Sensordatenverarbeitung bereitgestellt wird.
Die Vorteile des vorgeschlagenen Systems und Verfahrens bestehen darin, dass:
- Die Genauigkeit der Sensordatenverarbeitung erhöht wird, ohne dass dafür ein weiteres Zeitnormal benötigt wird,
- Durch den MEMS-Oszillator eine hochgenaue Zeitbasis auch für andere Zwecke der Sensordatenverarbeitung oder Zeit/Frequenzmessung ohne zusätzliche Kosten bereitgestellt werden kann.
Fig. 1 zeigt ein konventionelles System 100 in Form eines Sensorsystems. Das System 100 umfasst ein Drehratensensorelement 1 als taktgebende
Systemkomponente 1 , die mit ersten Schaltungsmitteln 2 ausgestattet ist, wobei die ersten Schaltungsmittel 2 eine PLL umfassen und ferner ein Register mit Werten für die PLL, wodurch aus der Schwingfrequenz der taktgebenden
Systemkomponente eine Taktfrequenz bzw. eine Ausgangsdatenrate f_odr erzeugt wird, die als Abtastrate des Sensorsignals zu verstehen ist.
Mittels eines Ausgabeelements 4 wird ein Signal mit der Ausgangsdatenrate f_odr an eine Verarbeitungseinrichtung 10 ausgegeben. Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines als ein Sensorsystem
ausgebildeten erfindungsgemäßen Systems 100. Man erkennt in dieser Variante erste Speichermittel 5, in denen die Abweichung a_odr gespeichert wird und der Verarbeitungseinrichtung 10 zugeführt werden kann. Diese Speichermittel sind im in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel Bestandteil der taktgebenden
Systemkomponente 1 , nämlich des Drehratensensorelements. Die
Verarbeitungseinrichtung 10 kann als ein Host-System (z.B. ein Applikations prozessor) ausgebildet sein, welches das Drehratensignal synchron zur
Ausgabedatenrate aufintegriert, d.h. aufsummiert, und mit der Abweichung a_odr korrigiert.
Die Abweichung a_odr ist ein teile-individueller Faktor, der einmalig bei der Her stellung des Drehratensensors ermittelt wird. Die Drehratensensorsignale können beispielsweise zur Bestimmung einer
Orientierung benutzt werden, indem die Abtastwerte des Sensorsignals über der Zeit summiert werden. Wenn dabei die tatsächliche Abtastperiode At_real = 1/f_odr von der Soll-Abtastperiode At_nom = 1/f_odr_nom abweicht, so ergibt sich dadurch ein Fehler, der durch die bekannte Abweichung a_odr
folgendermaßen korrigiert werden kann.
Die Korrektur im Algorithmus erfolgt beispielsweise in einer Raumachse folgendermaßen:
Figure imgf000012_0001
At real = l/f_odr
Atjiom = 1 /f_odr_nom f odr = f odrjiom * a_odr
Figure imgf000012_0002
mit:
Winkelsumme über eine Menge von Drehratensensorwerten w
Atjreal ... tatsächliche Abtastperiode
Atjiom... Soll-Abtastperiode
f_odr ... tatsächliche Abtastfrequenz
f_odr_nom Soll-Abtastfrequenz
a odr ... Abweichungsfaktor der Abtastfrequenz
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen Systems 100.
In diesem Fall sind externe zweite Speichermittel 20 vorgesehen, mittels derer die Abweichung a_odr gespeichert wird und der Verarbeitungseinrichtung 10 zugeführt werden können. Bei den externen Speichermitteln 20 könnte es sich beispielsweise um einen Speicher der Verarbeitungseinrichtung 10 oder des Host-Systems handeln oder um eine vom Hersteller zur Verfügung gestellte Datenbank mit Trimmparametern oder um eine Cloud, auf die der Nutzer des Sensorsystems zugreifen kann.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen Systems 100. Man erkennt, dass bei dieser Variante ebenfalls zweite, extern ausgebildete Speichermittel 20 zum Hinterlegen der Abweichung a_odr vorgesehen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Ausgabedatenrate f_odr des Drehratensensors 1 genutzt, um mit Hilfe eines Oszillators 30 eine Zeitbasis zu generieren, die der Verarbeitung der Drehratensensorsignale zugrunde gelegt wird aber auch an anderer Stelle des Systems genutzt werden kann. Zusätzlich wird dem Oszillator 30 die Abweichung a_odr zugeführt, so dass die vom
Oszillator 30 generierte Zeitbasis zwar von der teileindividuellen Eigenfrequenz des Drehratensensorelements abgeleitet ist aber unabhängig von dieser ist. Die Zeitbasis des Oszillators 30 wird der Verarbeitungseinrichtung 10 zugeführt, wobei die Verarbeitungseinrichtung 10 der Integration des
Drehratensensorsignals die so korrigierte Oszillatorfrequenz zugrunde legt.
Die Abweichung a_odr wird statt der direkten Verwendung im sensordatenverar beitenden Algorithmus dazu genutzt, eine unabhängige Zeitbasis zu kalibrieren oder zu kompensieren, zum Beispiel um einen ungenauen RC-Oszillator in einem nachgela gerten Verarbeitungseinrichtung 10 in Form eines Sensorhubs (z.B. Mikrocontroller zur Verarbeitung von Sensordaten) zu kalibrieren.
Dies hat den Vorteil, dass die Genauigkeit der Zeitbasis nicht nur zur Verarbeitung der Drehratensignale dient, sondern auch für die Verarbeitung anderer Sensordaten genutzt werden kann.
Gegebenenfalls können vom Oszillator 30 auch noch weitere Systemkompon enten, wie z.B. Sensoren oder Verarbeitungseinheiten 40, mit einer unabhäng igen Zeitbasis versorgt werden.
Der Oszillator 30 kann auch als eine genaue fraktionale PLL oder FLL
(Frequency locked Loop) mit einem Teilerverhältnis n1/m1 ausgebildet sein, um nachgeschalteten Bauelementen 40 ein Ausgangssignal mit einer hochgenauen Frequenz zur Verfügung zu stellen. Die Abweichung a_odr wird in diesem Fall dazu genutzt, um ein genaues Frequenzsignal auf Basis der Ausgangs- Abtastrate f_odr des Sensors und der Abweichung a_odr zu erzeugen. Dabei wird das Teilerverhältnis n1 / m1 der genauen fraktionalen PLL bzw. FLL um den Wert a_odr korrigiert. Auf diese Weise lassen sich z.B. Frequenznormale für Funk-Sender und/oder - Empfänger (z.B. Bluetooth), für den Betrieb serieller Schnittstellenbausteine (UART, USB, usw.) erzeugen, ohne dass dafür weitere Quarze erforderlich sind. In einer weiteren Ausführungsform des als Sensorsystem ausgebildeten Systems 100 wird die unabhängige Zeitbasis nur dann kalibriert, wenn der Drehratensensor einge schaltet ist. Wenn der Drehratensensor ausgeschaltet ist, läuft die unabhängige Zeit basis mit ihrer inhärenten Genauigkeit weiter. Diese Variante ist vorteilhaft, da der Drehratensensor einen relativ hohen elektrischen Stromverbrauch (z.B. 950 mA) hat, der um Größenordnungen höher liegt als der Stromverbrauch einer Zeitbasis auf Basis eines RC-Oszillators (z.B. 300 nA). Ferner wird dadurch die hohe Genauigkeit der Zeitbasis vorrangig dann bereitgestellt, wenn Drehratensensorsignale verarbeitet werden sollen. Abhängig vom Anwendungsfall ist es auch möglich, dass der Drehratensensor selektiv zugeschaltet wird, um die unabhängige Zeitbasis zu kalibrieren, wann immer eine hohe Genauigkeit gefordert ist, auch wenn dies nicht zwingend der Verarbeitung von Drehratensignalen dient. Obwohl vorgehend das System 100 durchgängig als ein Drehratensensorsystem offenbart ist, mit dem eine Kompensation eines Trimmfehlers zur Bestimmung einer hochgenauen Zeitbasis für die Verarbeitung von Sensorsignalen möglich ist, ist es auch denkbar, dass die taktgebende Systemkomponente 1 ein Mikro spiegel ist und das System 100 als ein optisches System, z.B. ein
Mikroprojektorsystem, ausgebildet ist.

Claims

Ansprüche
1. System (100), aufweisend:
eine taktgebende Systemkomponente (1 ) mit
- einem mikromechanischen Schwingelement, das zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz (Lose) anregbar ist, und
- ersten Schaltungsmitteln (2), die aus der Eigenfrequenz (f_osc) des Schwingelements eine Taktfrequenz (f_odr) generieren, die auf eine vorgegebene Soll-Taktfrequenz (f_odr_nom) vor-abgeglichen ist;
Speichermittel (4) für die verbleibende Abweichung (a_odr) der
Taktfrequenz (f_odr) von der Soll-Taktfrequenz (f_odr_nom), wobei die Abweichung (a_odr) für die taktgebende Systemkomponente individuell bestimmt worden ist; und
eine Verarbeitungseinrichtung (10), die unter Zugrundelegung der generierten Taktfrequenz (f_odr) und der abgespeicherten Abweichung (a_odr) eine Bezugs-Zeitbasis für zumindest einen Teil des Systems (100) generiert.
2. System (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das System (100) als ein Sensorsystem ausgebildet ist, wobei als die taktgebende Systemkomponente (1 ) ein Drehratensensor mit einer mikromechanischen Sensorstruktur fungiert,
indem in der Sensorstruktur mindestens ein Schwingelement ausgebildet ist, das zur Messsignalerfassung zu Schwingungen mit einer Eigenfrequenz (f_osc) angeregt wird, und
indem die ersten Schaltungsmittel (2) vorgesehen sind, die aus der Eigenfrequenz (f_osc) eine Taktfrequenz (f_odr) generieren, welche die Ausgabeabtastrate für die Sensordaten des Drehratensensors bestimmt, und dass die Verarbeitungseinrichtung (10) dazu ausgelegt ist, die Sensordaten unter Zugrundelegung der Bezugs-Zeitbasis zu
verarbeiten.
3. System (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schaltungsmittel (2) zum Generieren der Taktfrequenz (f_odr) mindestens eine Phasenregelschleife (PLL) umfassen.
4. System (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die taktgebende Systemkomponente (1 ) und/oder die Verarbeitungs einrichtung (10) erste Speichermittel (5) für die Abweichung (a_odr) aufweisen.
5. System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die taktgebende Systemkomponente (1 ) und/oder die Verarbeitungseinrichtung (10) Zugriff auf externe zweite Speichermittel (20) für die Abweichung (a_odr) haben.
6. System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass mindestens eine weitere Systemkomponente vorgesehen ist, die eine unabhängige Zeitbasis generiert, und dass die unabhängige Zeitbasis der weiteren Systemkomponente unter Zugrundelegung der Bezugs-Zeitbasis kalibrierbar und/oder korrigierbar ist.
7. System (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass mindestens eine Oszillatorkomponente mit zweiten
Schaltungsmitteln zum Generieren eines Ausgangssignals mit einer vorgegebenen Frequenz vorgesehen ist, wobei der Auslegung der
Schaltungsmittel die Bezugs-Zeitbasis zugrunde liegt.
8. Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems mit einem mikromechani schen Drehratensensor, in dessen Sensorstruktur mindestens ein Schwing element ausgebildet ist,
bei dem das Schwingelement zur Messsignalerfassung zu Schwingungen mit einer Eigenfrequenz (Lose) angeregt wird, bei dem aus der Eigenfrequenz (Lose) des Schwingelements eine Taktfrequenz (f_odr) generiert wird, die auf eine vorgegebene Soll- Taktfrequenz (f_odr_nom) vor-abgeglichen ist und die Ausgabeabtastrate für die Sensordaten des Drehratensensors bestimmt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die für den Drehratensensor individuelle verbleibende Abweichung (a_odr) der Taktfrequenz (f_odr) von der Soll- Taktfrequenz (f Odr nomJ zur Verfügung gestellt wird, und dass unter Zugrundelegung der generierten Taktfrequenz (f_odr) und der abgespeicherten Abweichung (a_odr) eine Bezugs-Zeitbasis für zumindest einen Teil des Sensorsystems generiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensordaten des Drehratensensors unter Zugrundelegung der Bezugs-Zeitbasis verar beitet werden, insbesondere dass die relative räumliche Orientierung des Drehratensensors ermittelt wird, indem die Sensordaten des Drehraten sensors unter Berücksichtigung der Taktfrequenz ft_odr) und der Abwei chung (a_odr) aufintegriert werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugs-Zeitbasis verwendet wird, um eine von einer weiteren Systemkomponente generierte unabhängige Zeitbasis zu kalibrieren und/oder zu korrigieren.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung und/oder Korrektur der unabhängigen Zeitbasis zu wählbaren Zeitpunkten während des Sensorbetriebs des Drehratensensors vorgenommen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor eigens zur Kalibrierung und/oder Korrektur der
unabhängigen Zeitbasis aktiviert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugs-Zeitbasis verwendet wird, um die Frequenz des Ausgangs signals einer Oszillatorkomponente einzustellen.
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