DE102014100014A1

DE102014100014A1 - Elektromechanischer Resonanzkreis

Info

Publication number: DE102014100014A1
Application number: DE201410100014
Authority: DE
Inventors: Federico Forte; Gabriele CAZZANIGA; Luciano Prandi
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Hanking Electronics Hongkong Co Ltd Hk
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2014-07-10
Also published as: US20140300425A1; US8912856B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuerung und insbesondere Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Steuern eines Sensors mit einer Schwingmasse. Die Steuerung enthält: eine Analog-Digital-Umsetzer-(ADU-)Einheit zum Extrahieren eines digitalisierten Sensorsignals aus dem Sensorsignal; einen Phasenregler zum Erzeugen, auf der Grundlage des digitalisierten Sensorsignals, eines phasengeregelten Signals, das mit dem digitalisierten Sensorsignal phasensynchronisiert ist; einen Amplitudenregler zur Anwendung einer Verstärkung auf das digitalisierte Sensorsignal, um dadurch ein amplitudengeregeltes Signal zu erzeugen; einen Modulator zum Modulieren des amplitudengeregelten Signals, um dadurch ein moduliertes Signal zu erzeugen; und einen Phasenschieber zum Verschieben der Phase des modulierten Signals um 90 Grad. Das Ausgangssignal vom Phasenschieber wird verstärkt und dem Antrieb zum Anregen der Schwingmasse zugeführt, um dadurch einen Resonanzkreis zum Regeln der Schwingungsamplitude der Schwingmasse zu bilden.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensor-Steuerung und insbesondere eine Steuerung mit einer geschlossenen Schleife zur Regelung der Schwingungsamplitude einer Schwingmasse in einem Sensor.
Hintergrund der Erfindung
Zur Messung der Winkelgeschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts wird üblicherweise ein Drehratensensor verwendet. 1 zeigt eine Prinzipschaltung 100 eines herkömmlichen Gyroskops zum Messen der Drehrate eines Sensors. Wie abgebildet umfasst das herkömmliche Gyroskop: einen Sensorsignalprozessor 114 zum Verarbeiten eines Sensorsignals 106 vom Sensor einer Sensoreinheit 102 und einen Treibersignalprozessor 112 zum Erzeugen und Liefern eines Treibersignals (oder, gleichbedeutend, eines Erzwingungssignals oder Anregungssignals) 108 an einen Treiber der Sensoreinheit 102.
Solch ein herkömmliches System weist verschiedene Probleme auf. Erstens ist unter bestimmten Umständen, wie etwa während der Anlaufphase oder während Übergangsphasen, die durch ein äußeres Stoßereignis verursacht sind, die Anregungsfrequenz, die vom Systemtakt abgeleitet wird, ggf. nicht in der Nähe der Resonanzfrequenz. Eine Abweichung der Systemtaktfrequenz, die typischerweise ein ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz im eingeschwungenen Zustand ist, von nur wenigen Prozent, von ihrer Sollfrequenz kann zu einer sehr langen Anlaufzeit führen oder es sogar unmöglich machen, die Sensorbewegung zu starten. Als Folge davon erfordert das herkömmliche System eine Werkskalibrierung des spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) des Systemtakts.
Zweitens ist ein herkömmliches System zum größten Teil im Analogbereich verwirklicht, d. h. es nutzt mehr analoge als digitale Bauelemente. Da ein großer Teil der Prozesse in der Steuerung auf analogen Funktionen basiert, ist die herkömmliche Steuerung sehr anfällig für eine Prozessstreubreite, wobei sie typischerweise einen hohen Formfaktor und einen hohen Energieverbrauch aufweist.
Deshalb wird eine bessere Lösung benötigt, um die Hauptprobleme der herkömmlichen Sensor-Steuerung, darunter die lange Anlaufzeit, die geringe Unempfindlichkeit gegenüber einer Prozessstreubreite, den schlechten Schutz vor äußeren Stoßereignissen, den hohen Formfaktor und den niedrigen Wirkungsgrad beim Energieverbrauch anzugehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine Sensor-Steuerung und insbesondere Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zur Regelung der Schwingungsamplitude einer Schwingmasse in einem Sensor. Die Sensor-Steuerung sorgt für eine Verkürzung der Anlaufzeit, eine ausgeprägte Unempfindlichkeit gegenüber einer Prozessstreubreite und eine verbesserte Unterdrückung von äußeren Stoßereignissen.
Ein Aspekt der Erfindung ist eine Steuerung, die einen Sensor mit einer Schwingmasse steuert. Die Steuerung enthält: eine Analog-Digital-Umsetzer-(ADU)Einheit zum Extrahieren eines digitalisierten Sensorsignals aus dem Sensor-Weg- oder Geschwindigkeitssignal; einen Phasenregler zum Erzeugen, auf der Grundlage des digitalisierten Sensorsignals, eines phasengeregelten Signals, das mit dem digitalisierten Sensorsignal phasensynchronisiert ist; einen Amplitudenregler zur Anwendung einer Verstärkung auf das Erzwingungssignal; einen Modulator/Phasenschieber zum Modulieren der gewünschten Verstärkung mit einer periodischen Wellenform, die eine im Voraus festgelegte Phasenverschiebung bezüglich des Sensorsignals aufweist. Die im Voraus festgelegte Phasenverschiebung kann in dem Fall, in dem das Wegsignal umgesetzt wird, 90 Grad betragen, und in dem Fall, in dem das Geschwindigkeitssignal umgesetzt wird, 0 Grad betragen. Das Ausgangssignal vom Phasenschieber wird verstärkt und dem Antrieb zum Anregen der Schwingmasse zugeführt, um dadurch einen Resonanzkreis zum Regeln der Schwingungsamplitude der Schwingmasse zu bilden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Sensors mit einer Schwingmasse. Das Verfahren umfasst: Umsetzen eines Sensorsignals in ein digitales Format, um dadurch ein digitalisiertes Sensorsignal zu erzeugen, wobei das Sensorsignal eine Wegamplitude oder eine Geschwindigkeit der Schwingmasse indiziert; Regeln der Phase eines Systemtaktsignals, um dadurch das digitalisierte Sensorsignal mit dem Systemtaktsignal zu synchronisieren; Regeln der Amplitude des digitalisierten Sensorsignals durch Anwenden einer Verstärkung darauf; Modulieren des digitalisierten Sensorsignals; Verschieben der Phase des modulierten Sensorsignals um einen im Voraus festgelegten Winkel und Erzeugen eines Signals zum Antreiben der Schwingmasse auf der Grundlage des phasenverschobenen Sensorsignals.
Bestimmte Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung wurden in diesem zusammenfassenden Abschnitt allgemein beschrieben; zusätzliche Eigenschaften, Vorteile und Ausführungsformen werden hier vorgestellt oder sind für einen Durchschnittsfachmann angesichts der Zeichnungen, der Beschreibung und der Ansprüche offensichtlich. Demgemäß sollte einzusehen sein, dass der Schutzbereich der Erfindung nicht durch die in diesem zusammenfassenden Abschnitt offenbarten besonderen Ausführungsformen eingeschränkt sein soll.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun wird auf Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Figuren dargestellt sein können. Diese Figuren sollen nur veranschaulichend, nicht einschränkend sein. Obwohl die Erfindung allgemein im Kontext dieser Ausführungsformen beschrieben ist, versteht sich, dass nicht beabsichtigt ist, den Schutzbereich der Erfindung auf diese besonderen Ausführungsformen zu beschränken.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines herkömmlichen Gyroskops.
2 zeigt ein beispielhaftes Blockschaltbild eines Gyroskops zum Messen einer Drehrate gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild des Gyroskops von 2.
4 zeigt ein beispielhaftes Funktionsschaltbild eines Modulators/Phasenschiebers, der in dem Gyroskop von 3. verwendet werden könnte.
5 ist ein Ablaufdiagramm eines anschaulichen Prozesses zum Steuern eines Sensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In der folgenden Beschreibung sind zum Zweck der Erläuterung besondere Einzelheiten dargelegt, um für ein Verständnis der Erfindung zu sorgen. Einem Fachmann wird jedoch offensichtlich sein, dass die Erfindung ohne diese Einzelheiten umgesetzt werden kann. Ein Fachmann wird erkennen, dass die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung auf vielfältige Weise und unter Verwendung einer Vielfalt von Mitteln ausgeführt werden können. Fachleute werden auch erkennen, dass weitere Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen in ihren Schutzbereich fallen, ebenso weitere Gebiete, auf denen die Erfindung Nutzen bringen kann. Demgemäß veranschaulichen die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen besondere Ausführungsformen der Erfindung und sind dazu gedacht, ein Verschleiern der Erfindung zu vermeiden.
Ein Verweis in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform” bedeutet, dass ein besonderes Merkmal, ein Aufbau, eine Eigenschaft oder Funktion, in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Das Auftreten des Ausdrucks „in einer Ausführungsform” oder dergleichen an verschiedenen Stellen in der Beschreibung muss sich nicht unbedingt immer auf dieselbe Ausführungsform beziehen.
Des Weiteren sind Verbindungen zwischen Bauteilen oder zwischen Verfahrensschritten in den Figuren nicht auf Verbindungen beschränkt, die direkt betroffen sind. Stattdessen können in den Figuren dargestellte Verbindungen zwischen Bauteilen oder Verfahrensschritten abgeändert oder anderweitig durch Hinzufügen von Zwischen-Bauteilen oder -Verfahrensschritten verändert werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung betreffen eine Sensor-Steuerung und insbesondere Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Regeln der Schwingungsamplitude einer Schwingmasse durch Verwirklichen eines elektromechanischen Resonanzkreises in der Steuerung. Die Wegamplitude der Schwingmasse wird über eine Kapazitätsänderung an den Messelektroden erfasst. Das Auslesesignal von den Messelektroden wird in ein Digitalsignal umgesetzt, und das digitalisierte Signal wird in zwei Regler eingegeben: einen Phasenregler und einen Amplitudenregler. Die Ausgabe des Phasenreglers wird verwendet, um einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) zu treiben, und gewährleistet, dass das gesamte System mit der Bewegung der Schwingmasse phasensynchronisiert ist. Die Ausgabe des Amplitudenreglers wird mit einer periodischen Wellenform moduliert, die in dem Fall, in dem das Auslesesignal ein Wegsignal ist, um 90 Grad phasenverschoben ist, und in dem Fall, in dem das Sensorsignal ein Geschwindigkeitssignal ist, um 0 Grad phasenverschoben ist. Das phasenverschobene Signal wird verwendet, um die Schwingmasse so anzutreiben, dass die die Schwingmasse anregende Kraft gegenüber der Bewegung der Schwingmasse um 90 Grad oder gegenüber der Geschwindigkeit der Schwingmasse um 0 Grad phasenverschoben ist.
2 zeigt ein beispielhaftes Blockschaltbild 200 eines Gyroskops zum Messen einer Drehrate gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt ist, umfasst das Gyroskop 200: eine Sensoreinheit 202 mit einem Sensor, einem Treiber und einer Schwingmasse (in 2 nicht gezeigt); und eine Steuerung 204 zum Übermitteln eines Sensorsignals 206 und eines Treibersignals 208 an die Sensoreinheit 202. Die Sensoreinheit 202 wird nachstehend im Zusammenhang mit 3 genauer beschrieben. Der Sensor erzeugt als Reaktion auf die Wegamplitude oder Geschwindigkeit der Schwingmasse ein Sensorsignal 206, und das Sensorsignal 206 wird der Steuerung 204 und genauer gesagt der Signalaufbereitungskette 210 zugeführt. Das Sensorsignal 206 kann von jeder geeigneten Art von elektrischem Signal sein, das proportional zur Wegamplitude der Schwingmasse ist.
Die Signalaufbereitungskette 210 setzt das Sensorsignal 206 in ein Digitalsignal um und verarbeitet das Sensorsignal, um das Weg- oder Geschwindigkeitssignal der Schwingmasse daraus zu extrahieren, wobei das Wegsignal (oder, gleichbedeutend, Bewegungssignal) oder Geschwindigkeitssignal auf das Signal verweist, das zur Wegamplitude oder Geschwindigkeit der Schwingmasse proportional ist. Im Folgenden werden die Begriffe „Wegsignal” und „Bewegungssignal” austauschbar verwendet. Dann wird das Bewegungssignal einem Amplitudenregler 212 und einen Frequenz-/Phasenregler 216 zugeführt.
Der Frequenz-/Phasenregler 216 regelt Frequenz und Phase des Bewegungs- oder Geschwindigkeitssignals, und die Ausgabe des Frequenz-/Phasenreglers 216 wird verwendet, um einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) zu treiben und zu gewährleisten, dass das gesamte System mit der Bewegung oder Geschwindigkeit der Schwingmasse phasensynchronisiert ist. Im Folgenden verweist der Begriff „Phasensynchronisation” darauf, dass der Phasenunterschied zwischen zwei Signalen auf einem konstanten Wert gehalten wird. Von daher gewährleistet der Frequenz-/Phasenregler 216, dass der Betrieb der Steuerung 204 mit der Bewegung der Schwingmasse koordiniert ist.
Eine der Hauptfunktionen der Steuerung 204 ist die Steuerung der Amplitude der Schwingung der Schwingmasse. Hier regelt der Amplitudenregler 212 die Amplitude des Bewegungssignals, indem er eine Verstärkung auf eine periodische Wellenform anwendet, wobei die Periode der periodischen Wellenform genau die gleiche wie jene der Bewegung oder Geschwindigkeit der Schwingmasse ist. Dann wird die Ausgabe des Amplitudenreglers 212 einem Modulator/Phasenschieber 214 zugeführt. Der Modulator/Phasenschieber 214 moduliert die Verstärkung und verschiebt die Phase des modulierten Signals um 90 Grad (oder 0 Grad). Da die Ausgabe vom Modulator/Phasenschieber 214 verwendet wird, um ein Treibersignal (oder, gleichbedeutend, Erzwingungssignal oder Anregungssignal) 208 zum Anregen der Schwingmasse zu erzeugen, ist das Treibersignal 208 gegenüber dem Sensorsignal 206 um 90 Grad (oder 0 Grad) phasenverschoben. Da das Treibersignal 208 mit der Geschwindigkeit der Schwingmasse in Phase ist, ist das Barkhausen-Kriterium der Schwingungs-Selbstanregung schwingungsfähiger Systeme erfüllt.
3 zeigt ein detailliertes Blockschaltbild 300 des Gyroskops 200 von 2. Wie gezeigt, enthält die Sensoreinheit 302 Folgendes: eine Schwingmasse 310, die mittels zweier Federsätze im Raum aufgehängt ist; zwei Sensorelektroden (oder kurz: Elektroden) 304a und 304b und zwei Treiberelektroden (oder kurz: Treiber) 306a und 306b. Die Sensorelektroden 304a und 304b können kapazitive Elektroden sein, die auf die Wegamplitude der Schwingmasse 310 ansprechen und bewirken, dass ein Sensorsignal 314 erzeugt und über die zwei Anschlussklemmen S1 und S2 ausgegeben wird. Die Treiberelektroden 306a und 306b können auch kapazitive Elektroden sein, die als Reaktion auf ein Treibersignal 312, das über die Anschlussklemmen D1 und D2 erhalten wird, die Schwingmasse 310 anregen.
Es wird angemerkt, dass die Steuerung 316 agnostisch bezüglich des Sensortyps ist, d. h. die Sensoreinheit 302 kann von irgendeinem anderen geeigneten Typ und so gestaltet sein, dass andere physikalische Größen gemessen werden, sofern sie ein schwingungsfähiges Feder-Masse-System, mindestens einen Sensor und mindestens einen Treiber aufweist. Von daher können die Sensorelektroden 304a und 304b und die Treiberelektroden 306a und 306b auch von irgendeinem anderen geeigneten Typ sein. Beispielsweise können die Sensorelektroden 304a und 304b die Wegamplitude der Schwingmasse 310 anhand einer Stromänderung anstelle einer Kapazitätsänderung messen. Des Weiteren wird angemerkt, dass die Sensoreinheit 302 mehr als ein Paar Sensorelektroden (und ein Paar Treiberelektroden) enthalten kann, obwohl in 3 der Kürze wegen nur ein Paar Sensorelektroden 304a und 304b (und ein Paar Treiberelektroden 306a und 306b) gezeigt ist.
Zum Messen der Drehrate der Sensoreinheit 302 wird die Schwingmasse 310 durch Treiberelektroden 306a und 306b in der Richtung des Doppelpfeils 370 beispielsweise mit der Resonanzfrequenz f₀ in Schwingung versetzt. Die Schwingmasse 310 schwingt mit der Resonanzfrequenz, da die Reaktion des Feder-Masse-Systems auf eine Antriebskraft bei der Resonanzfrequenz ihren Spitzenwert erreicht. Wenn sich die Sensoreinheit 302 entlang einer Achse senkrecht zum Papier dreht, bewegt sich die Schwingmasse 310 aufgrund der Corioliskraft entlang einer Achse senkrecht zur Richtung des Doppelpfeils 372, und diese Bewegung wird von den Sensorelektroden 304a und 304b erfasst. In Ausführungsformen kann ein weiterer Satz Sensorelektroden verwendet werden, um die Geschwindigkeit der Schwingmasse 310 zu messen. Zu Erläuterungszwecken wird jedoch angenommen, dass die Sensorelektroden 304a und 304b die Bewegung oder Geschwindigkeit messen. In Ausführungsformen kann die Schwingmasse 310 so angeregt werden, dass sie sich in einer beliebigen Richtung bewegt, wenn mehrere Sätze Sensorelektroden die Bewegung der Schwingmasse 310 in Bezug auf die drei Achsen messen.
Die Steuerung 316 regelt die Schwingungsamplitude der Schwingmasse 310 unter Verwendung eines in der Steuerung 316 verwirklichten elektromechanischen Resonanzkreises. Die Steuerung 316 enthält eine Eingangsschaltung (oder, gleichbedeutend, einen Eingangssignalprozessor) 318 zum Umsetzen der Kapazitätsänderung des Sensorsignals 314 in eine Spannungsänderung, wobei die Kapazitätsänderung proportional zur Wegamplitude oder Geschwindigkeitsänderung der Schwingmasse 310 ist. Die Eingangsschaltung 318 kann von jedem geeigneten Schaltungstyp sein, wie etwa ein Ladungsverstärker, der das Sensorsignal 314 verarbeiten kann. Wenn die Sensorelektroden 304a und 304b in Reaktion auf die Wegamplituden- oder Geschwindigkeitsänderung der Schwingmasse 310 eine Stromänderung erzeugen, kann die Eingangsschaltung 318 ein Transimpedanzverstärker sein.
Die Ausgabe der Eingangsschaltung 318 ist ein Analogsignal, das einer Abtast- und Halteschaltung 320 zugeführt wird. Die Abtast- und Halteschaltung 320 ist eine Schaltung, die die Spannung eines sich kontinuierlich verändernden Analogsignals abtastet, ihren Wert für eine spezifizierte Mindestdauer auf einem konstanten Pegel hält und den Wert als Ausgangssignal abgibt. Das Ausgangssignal von der Abtast- und Halteschaltung 320 wird einem Analog-Digital-Umsetzer (ADU) 322, wie beispielsweise einem Bandpass-Sigma-Delta-Umsetzer, zugeführt. Es wird angemerkt, dass die Abtast- und Halteschaltung 320 benötigt wird, weil das Sensorsignal 314 anschließend durch den Analog-Digital-Umsetzer 322 aus einem analogen in ein digitales Signalformat umgesetzt wird. Das digitalisierte Sensorsignal vom ΔΣ-ADU 322 wird durch Demodulatoren 324 demoduliert, derart, dass die Hüllkurve der Amplitude des Sensorsignals 314 extrahiert wird. Beispielsweise kann das Digitalsignal mittels einer digital dargestellten periodischen Wellenform, wie etwa einer sinusförmigen Wellenform, demoduliert werden. Die Momentwerte der periodischen Wellenform können in einer Wertetabelle gespeichert sein. Die periodische Wellenform ist eine Subharmonische eines Systemtaktsignals 336, d. h. die Frequenz f_p der periodischen Wellenform wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt: f_p = f_vco/N, wobei f_vco die Frequenz des Systemtakts ist und N eine ganze Zahl ist. In einer Ausführungsform können die Daten, die das Sensorsignal 314 repräsentieren, vorab in einer Wertetabelle gespeichert worden sein, und die Signalverarbeitung wird durch Demodulatoren 324 digital durchgeführt, um eine Leseadresse zu erzeugen, die für ein Auslesen der in der Wertetabelle gespeicherten Daten unter Verwendung eines Phasenverschiebungsverfahrens erforderlich ist. Die Ausgabe von den Demodulatoren 324 kann auch den Phasenfehler zwischen dem Sensorsignal und einem internen Bezugstakt einschließen.
Das von den Demodulatoren 324 demodulierte Signal wird einem Tiefpassfilter 326 zugeführt, das Rauschen aus dem demodulierten Signal herausfiltert.
Die Ausgabe des Tiefpassfilters 326 wird verwendet, um zwei Größen zu regeln: die Schwingungsamplitude der Schwingmasse 310 und die Phase des Systemtaktsignals 336. Im stationären Zustand ist die Frequenz des Systemtaktsignals f_vco ein ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz f₀. In nichtstationären Zuständen, wie etwa während der Anlaufphase oder während Übergangsphasen, die durch ein äußeres Stoßereignis verursacht sind, ist die Frequenz f_i, abgeleitet vom Systemtaktsignal entsprechend der Gleichung f_i = f_vco/N, von der Resonanzfrequenz verschieden. Anders ausgedrückt, die Frequenz des Systemtaktsignals 336 ist kein ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz. Während solcher nichtstationärer Zustände muss das Systemtaktsignal 336 mit dem Sensorsignal 314 phasensynchronisiert werden. Der Grund hierfür ist, dass der Betrieb des Demodulators 324, wie der anderen Bauelemente der Steuerung 316, auf dem Systemtaktsignal 336 basiert, und durch Phasensynchronisation des Systemtaktsignals 336 mit dem Sensorsignal 314 kann das demodulierte Signal das Sensorsignal 314 genau repräsentieren.
Zwecks Regelung der Frequenz des Systemtaktsignals 336 erzeugt der Phasenregler 328 ein Ausgangssignal, das mit seinem Eingangssignal phasensynchronisiert ist. Wie nachstehend erörtert, wird das Ausgangssignal des Phasenreglers 328 verwendet, um das Systemtaktsignal 336 zu erzeugen. Durch ein Phasensynchronisieren des Ausgangssignal mit dem Eingangssignal synchronisiert nämlich der Phasenregler 328 die Phase des Sensorsignals 314 mit dem Systemtaktsignal 336, wodurch bewirkt wird, dass der Betrieb der Steuerung 316 sowohl während der nichtstationären Zustände als auch der stationären Zustände auf das Sensorsignal 314 abgestimmt ist.
Das Ausgangssignal des Phasenreglers 328 wird dem Digital-Analog-Umsetzer (DAU) 332 zugeführt. Optional kann das Ausgangssignal des Phasenreglers 328 einem Sigma-Delta-Digital-Modulator 330 zugeführt werden, bevor es durch den DAU 332 in ein digitales Format umgesetzt wird. Das Ausgangssignal des DAU 332 wird verwendet, um einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 334 zu treiben, wobei der VCO 334 das Systemtaktsignal 336 erzeugt.
Das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 326 wird einem Amplitudenregler 338 zugeführt. Der Amplitudenregler 338 wird verwendet, um auf das Antriebskraft-Signal eine Verstärkung anzuwenden, um dadurch die Amplitude oder Geschwindigkeit der Schwingung der Schwingmasse 310 zu regeln. Die Verstärkung, d. h. die Ausgabe des Amplitudenreglers 338, wird einem Modulator/Phasenschieber 340 zugeführt. 4 zeigt ein beispielhaftes Funktionsschaltbild 400 des Modulators/Phasenschiebers, wobei der Modulator/Phasenschieber 400 von 4 dem Modulator/Phasenschieber 340 von 3 gleich ist.
Im stationären Zustand moduliert der Modulator/Phasenschieber 400 die Verstärkung (d. h. das Ausgangssignal vom Amplitudenregler 338) unter Verwendung eines Trägersignals 402 bei der Frequenz der Bewegung (oder Geschwindigkeit) der Schwingmasse. Im stationären Zustand erfolgt die 90-(oder 0-)Grad Phasenverschiebung direkt bei dem Modulationsvorgang, denn die Phasensynchronisation durch den Phasenregler 328 garantiert eine präzise Phasenbeziehung zwischen der Bewegung (oder Geschwindigkeit) der Schwingmasse und einer periodischen Wellenform, die im digitalen Bereich 356 erzielt wird. In der Anlauf- oder Übergangsphase kann das Trägersignal 402 die Bewegung (oder Geschwindigkeit) der Schwingmasse noch nicht exakt replizieren. Deshalb wird in der Anlauf- oder Übergangsphase die 90-(oder 0-)Grad-Verschiebung durch eine Kombination verwirklicht, nämlich aus: (1) dem Ausgangssignal von den Demodulatoren 324, (2) einem gleichphasigen Trägersignal und/oder einem um 90° phasenverschobenen Trägersignal, und (3) einem Ausgangssignal vom Amplitudenregler 338. Die Kombination dieser Elemente ermöglicht eine Durchführung einer Modulation mit 90 (oder 0) Grad Phasenverschiebung mit guter Näherung, auch wenn sich die Sensoreinheit 302 nicht im stationären Zustand befindet.
Nun wieder zu 3: Das Ausgangssignal des Modulators/Phasenschiebers 340, das verwendet wird, um das Treibersignal (oder, gleichbedeutend, Anregungssignal) 312 der Schwingmasse 310 zu erzeugen, wird durch einen Digital-Analog-Umsetzer (DAU) 346 in ein analoges Format umgesetzt. Optional kann das Ausgangssignal des Modulators/Phasenschiebers 340 von einem Sigma-Delta-Digitalmodulator 344 verarbeitet werden, bevor es durch den DAU 346 umgesetzt wird. Das Ausgangssignal des DAU 346 kann durch einen Hochspannungs-(HV-)Verstärker 348 verstärkt werden, wobei optional eine Ladungspumpschaltung 350 verwendet werden kann, um die Amplitude des Treibersignals 312 zu erhöhen und dadurch die Betätigungskraft zum Anregen der Schwingmasse 310 zu verstärken. Optional, in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren, wie etwa der Werkstoffeigenschaft der Federn in der Sensoreinheit 302, dem Spannungspegel der Energieversorgung (in 3 nicht gezeigt), den Abmessungen der Sensoreinheit 302 und der Art der Vorrichtung, die die Sensoreinheit 302 verwendet, usw. können der HV-Verstärker 348 und die Ladungspumpschaltung 350 verwendet werden.
Es wird angemerkt, dass Signalaufbereitungskette 210 von 2 auf einen Satz Bauelemente verweist, darunter die FE-Schaltung 318, die Abtast- und Halteschaltung 320, den ΔΣ-ADU 322, die Demodulatoren 324 und das Tiefpassfilter 326 von 3. Für den Durchschnittsfachmann versteht sich jedoch, dass in der Signalaufbereitungskette 210 weitere geeignete Bauelemente enthalten sein können. Beispielsweise kann mehr als ein Filter verwendet werden, um in dem demodulierten Signal das Rauschen weiter zu reduzieren. Außerdem kann die Signalaufbereitungskette 210 mit anderen geeigneten Kombinationen elektrischer Bauelemente verwirklicht werden.
Während des stationären Zustandes ist die Frequenz des Systemtakts f_vco ein ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz f₀ der Schwingmasse 310. Jedoch ist in nichtstationären Zuständen, wie etwa in der Anlaufphase oder einer Übergangsphase, die durch ein äußeres Stoßereignis verursacht ist, die Frequenz des Systemtakts, f_vco, kein ganzzahliges Vielfaches der Resonanzfrequenz. Folglich hat das Erzwingungssignal, das aus dem Systemtaktsignal abgeleitet ist, eine Frequenz f_i, die von der Resonanzfrequenz f₀ verschieden ist, wobei f_i anhand der Gleichung f_i = f_vco/N berechnet wird und N eine ganze Zahl ist. Wie bereits erörtert, weist die Reaktion der Schwingmasse 310 auf eine Antriebskraft bei der Resonanzfrequenz ihren Spitzenwert auf. Folglich kann während nichtstationärer Zustände das Erzwingungssignal die Schwingmasse nicht in der effizientesten Weise antreiben. Außerdem muss, wie bereits erörtert, für eine korrekte Demodulation des Sensorsignals das Systemtaktsignal mit dem Sensorsignal phasensynchronisiert sein. Auch wenn das herkömmliche System den Systemtakt mit dem Sensorsignal phasensynchronisieren könnte, misslingt es ihm, während nichtstationärer Zustände die korrekte Frequenz zu erzwingen. Deshalb wird bei dem herkömmlichen System die Messung des Sensorsignals verzögert, bis das System seinen stationären Zustand erreicht. Ein Fehler von nur wenigen Prozent bei f_vco, bezogen auf den Sollwert im stationären Zustand, kann zu einer sehr langen Anlaufzeit führen oder es sogar unmöglich machen, die Schwingmassenbewegung zu starten. Um dieses Problem anzugehen, kann das herkömmliche System die Werkskalibrierung von f_vco und eine integrierte Temperaturkompensation aufweisen, um in jedem Fall ein korrektes Anlaufen zu ermöglichen, wodurch sich die Herstellungskosten und die Komplexität des Schaltungsaufbaus erhöhen.
Bei der vorliegenden Erfindung hingegen verschiebt der Modulator/Phasenschieber 340 die Phase des Treibersignals 312 um 90 (oder 0) Grad bezüglich des Sensorsignals 314. Wie bereits erörtert, kombiniert der Modulator/Phasenschieber 340 während nichtstationärer Zustände Folgendes: (1) das Ausgangssignal von den Demodulatoren 324, (2) ein um 90° phasenverschobenes Trägersignal und/oder ein gleichphasiges Trägersignal, und (3) das Ausgangssignal vom Amplitudenregler 338. Von daher kann, auch wenn die Frequenz f_vco des Systemtaktsignals 336 von ihrem Sollwert für den stationären Zustand abweicht, die Steuerung 316 die Schwingmasse 310 effektiv treiben. Der elektromechanische Regelkreis, der auf die Folge der Bauelemente rückverweist, die entlang des Datenflusses von Sensorsignal 314 zum Treibersignal 312 angeordnet sind, stellt bei einem einen hohen Prozentwert aufweisenden Frequenzfehler von f_vco und äußeren Stoßereignissen eine kurze Anlaufzeit sicher.
Typischerweise ist die herkömmliche Steuerung hauptsächlich im Analogbereich ausgeführt; d. h. die herkömmlichen Steuerungen weisen größtenteils analoge Bauelemente auf. Selbst wenn einige der herkömmlichen Steuerungen digitale Bauelemente aufweisen, ist die Anwendung der digitalen Bauelemente nicht dafür vorgesehen, die Leistungsfähigkeit im Hinblick auf eine Verkürzung der Anlaufzeit, eine ausgeprägte Unempfindlichkeit gegenüber einer Prozessstreubreite und eine Unterdrückung von äußeren Stoßereignissen zu verbessern. Die Steuerung 314 hingegen enthält eine geschlossene Regelschleife, die sowohl im analogen als auch im digitalen Bereich verwirklicht ist. In 3 trennt eine gestrichelte Linie 352 den analogen Bereich 354 vom digitalen Bereich 356, wobei analoger (oder digitaler) Bereich auf einen Abschnitt verweist, der nur analoge (oder digitale) Bauelemente enthält. Wie abgebildet, ersetzen die Bauelemente im digitalen Bereich 356 ihre analogen Entsprechungen, sodass sich die Komplexität des Schaltungsaufbaus deutlich verringert. Außerdem ermöglicht die Mischsignallösung mit hohem Digitalanteil Produktdifferenzierung, erhebliche Platzeinsparungen, Energieeinsparungen, Verkürzung der Testzeit, Rauschfestigkeit, Senkung der Herstellungskosten, hohe Rentabilität und verbesserte Leistung.
5 ist ein Ablaufdiagramm 500 eines anschaulichen Prozesses zum Steuern eines Sensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Prozess beginnt beim Schritt 502 mit einem Umsetzen des Sensorsignals 314 von der Schwingmasse 310 aus einem analogen in ein digitales Format, wobei das Sensorsignal 314 die Wegamplitude oder Geschwindigkeit der Schwingmasse 310 indiziert. Der Schritt 502 kann mehrere Schritte umfassen: Umwandeln der Kapazitätsänderung (oder Stromänderung) des Sensorsignals 314 in eine Spannungsänderung unter Verwendung der Eingangsschaltung 318; Abtasten und Halten der Spannungsänderungsdaten unter Verwendung der Abtast- und Halteschaltung 320; Umsetzen der abgetasteten und gehaltenen Signaldaten in ein digitales Format unter Verwendung des ΔΣ-ADU 322; Demodulieren des Digitalsignals unter Verwendung des Demodulators 324 und Filtern des demodulierten Signals unter Verwendung des Tiefpassfilters 326. Dann geht der Prozess zum Schritt 504 weiter.
Im Schritt 504 wird der interne Bezugstakt so geändert, dass das Systemtaktsignal 336 mit dem gefilterten Signal phasensynchronisiert wird. Genauer gesagt wird das gefilterte Signal durch den Phasenregler 328 verarbeitet, und das verarbeitete Signal wird verwendet, um das Systemtaktsignal 336 zu erzeugen. Dadurch synchronisiert nämlich der Phasenregler 328 die Phase des Systemtaktsignals 336 mit der des Sensorsignals 314.
Der Prozess geht überdies vom Schritt 502 zum Schritt 506 weiter. Im Schritt 506 wendet der Amplitudenregler 338 eine Verstärkung auf das Treibersignal an, um den Unterschied zwischen der Ist-Amplitude des Eingangssignals und der Soll-Amplitude auf null zu bringen. Dann, im Schritt 508, wird das eine geregelte Amplitude aufweisende Signal unter Verwendung des Modulators/Phasenschiebers 400 moduliert. Optional kann im Schritt 508 die Phase des modulierten Signals um einen vorher festgelegten Winkel verschoben werden. Beispielsweise verschiebt der Modulator/Phasenschieber 400 in dem Fall, in dem das Sensorsignal 314 die Wegamplitude der Schwingmasse 310 indiziert, die Phase des modulierten Signals um 90 Grad und in dem Fall, in dem das Sensorsignal 314 die Geschwindigkeit der Schwingmasse 310 indiziert, um 0 Grad. Dann geht der Prozess zum Schritt 510 weiter.
Im Schritt 510 wird das Treibersignal 312 der Schwingmasse 310 unter Verwendung des Ausgangssignals vom Phasenschieber 406 erzeugt. Der Schritt 510 kann mehrere Schritte umfassen: optional Modulieren des Ausgangssignals vom Phasenschieber 406 unter Verwendung eines Sigma-Delta-Digitalmodulators 344; Umsetzen des modulierten Signals aus dem digitalen in das analoge Format unter Verwendung des DAU 346 und Verstärken des umgesetzten Signals unter Verwendung des HV-Verstärkers 348, wobei der HV-Verstärker 348 das Treibersignal 312 ausgibt. Optional kann eine Ladungspumpschaltung 350 verwendet werden, um die Stärke der Betätigungskraft für die Schwingmasse 310 zu erhöhen. Schließlich wird das Treibersignal 312 über die Anschlussklemmen D1 und D2 den Treibern 306a und 306b zugeführt, um dadurch eine geschlossene Regelschleife zur Regelung der Schwingungsamplitude der Schwingmasse 310 zu bilden.
Die Erfindung ist verschiedenen Abänderungen und alternativen Formen zugänglich, und konkrete Beispiele davon wurden in den Zeichnungen gezeigt und sind hier genauer beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten besonderen Formen beschränkt sein soll, sondern im Gegenteil soll die Erfindung alle Abänderungen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Steuerung zum Steuern eines Sensors mit einer Schwingmasse, umfassend: eine Signalaufbereitungskette, die auf ein Sensorsignal vom Sensor anspricht und bewirkt, dass aus dem Sensorsignal ein digitalisiertes Sensorsignal extrahiert wird; einen Frequenz-/Phasenregler, der auf das digitalisierte Sensorsignal anspricht und bewirkt, dass ein frequenz-/phasengeregeltes Signal erzeugt wird, das mit dem digitalisierten Sensorsignal phasensynchronisiert ist; einen Amplitudenregler, der auf das digitalisierte Sensorsignal anspricht und bewirkt, dass ein amplitudengeregeltes Signal erzeugt wird; und einen Modulator/Phasenschieber, der auf das amplitudengeregelte Signal anspricht und bewirkt, dass eine Phase des amplitudengeregelten Signals moduliert und verschoben wird, um dadurch ein moduliertes Signal zu erzeugen, wobei die Schwingmasse so gestaltet ist, dass sie aufgrund des modulierten Signals angeregt wird, um dadurch einen Resonanzkreis zum Regeln einer Schwingungsamplitude der Schwingmasse zu bilden.
Steuerung nach Anspruch 1, wobei die Signalaufbereitungskette Folgendes enthält: einen Analog-Digital-Umsetzer, der auf das Sensorsignal anspricht und bewirkt, dass das Sensorsignal in ein Digitalsignal umgesetzt wird; und einen Demodulator, der auf das Digitalsignal anspricht und bewirkt, dass das digitalisierte Sensorsignal extrahiert wird, wobei das digitalisierte Sensorsignal die Hüllkurve der Schwingungsamplitude der Schwingmasse und den Phasenfehler zwischen dem Sensorsignal und einem internen Bezugstakt repräsentiert.
Steuerung nach Anspruch 1, wobei die Signalaufbereitungskette ferner Folgendes enthält: ein Tiefpassfilter, das auf das digitalisierte Sensorsignal anspricht und bewirkt, dass ein Rauschen aus dem digitalisierten Sensorsignal herausgefiltert wird.
Steuerung nach Anspruch 1, wobei die Signalaufbereitungskette ferner Folgendes enthält: eine Eingangsschaltung, die auf ein elektrisches Signal vom Sensor anspricht und bewirkt, dass das elektrische Signal in ein Spannungssignal umgesetzt wird.
Steuerung nach Anspruch 4, wobei die Signalaufbereitungskette ferner Folgendes enthält: eine Abtast- und Halteschaltung, die auf das Spannungssignal anspricht und bewirkt, dass von dem Spannungssignal Daten abgetastet werden und die Daten während einer festgesetzten Zeitdauer gehalten werden.
Steuerung nach Anspruch 1, ferner Folgendes umfassend: einen Digital-Analog-Umsetzer (DAU), der auf das frequenz-/phasengeregelte Signal anspricht und bewirkt, dass das frequenz-/phasengeregelte Signal in ein Analogsignal umgesetzt wird.
Steuerung nach Anspruch 6, ferner Folgendes umfassend: einen Sigma-Delta-Digitalmodulator, der auf das frequenz-/phasengeregelte Signal anspricht und bewirkt, dass das frequenz-/phasengeregelte Signal moduliert wird, bevor das frequenz-/phasengeregelte Signal dem DAU zugeführt wird.
Steuerung nach Anspruch 1, ferner Folgendes umfassend: einen Digital-Analog-Umsetzer (DAU), der auf das modulierte/phasenverschobene Signal anspricht und bewirkt, dass das modulierte/phasenverschobene Signal in ein Analogsignal zum Antreiben der Schwingmasse umgesetzt wird.
Steuerung nach Anspruch 8, ferner Folgendes umfassend: einen Sigma-Delta-Digitalmodulator, der auf das modulierte/phasenverschobene Signal anspricht und bewirkt, dass das modulierte/phasenverschobene Signal moduliert wird, bevor das modulierte/phasenverschobene Signal dem DAU zugeführt wird.
Steuerung nach Anspruch 8, ferner Folgendes umfassend: einen Verstärker, der optional von einer Ladungspumpschaltung gespeist werden kann, der auf das Analogsignal anspricht und bewirkt, dass das Analogsignal verstärkt wird.
Steuerung nach Anspruch 8, wobei das Sensorsignal die Wegamplitude der Schwingmasse indiziert und der Phasenunterschied zwischen dem Analogsignal und dem Sensorsignal 90 Grad beträgt.
Steuerung nach Anspruch 8, wobei das Sensorsignal eine Geschwindigkeit der Schwingmasse indiziert und das Analogsignal mit dem Sensorsignal gleichphasig ist.
Steuerung nach Anspruch 1, wobei der Sensor ein Gyroskop zum Messen einer Drehrate des Sensors ist.
Verfahren zum Steuern eines Sensors mit einer Schwingmasse, umfassend: Umsetzen eines Sensorsignals in ein digitales Format, um dadurch ein digitalisiertes Sensorsignal zu erzeugen, wobei das Sensorsignal eine Wegamplitude oder/und eine Geschwindigkeit der Schwingmasse indiziert; Regeln von Frequenz und Phase eines internen Bezugstakts, um dadurch eine Phasensynchronisation eines Systemtaktsignals mit dem digitalisierten Sensorsignal zu erzielen; Regeln eines Treiberamplitudensignals, abgeleitet von einer Amplitude des digitalisierten Sensorsignals; Modulieren des Treiberamplitudensignals; und auf der Grundlage des modulierten Signals Erzeugen eines Signals zum Antreiben der Schwingmasse.
Verfahren nach Anspruch 14, nach dem Schritt der Modulation des Treiberamplitudensignals des Weiteren umfassend: Verschieben der Phase des modulierten Signals um einen im Voraus festgelegten Winkel.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Umsetzens eines Sensorsignals in ein digitalisiertes Sensorsignal Folgendes enthält: Herausfiltern von einem Rauschen aus dem digitalisierten Sensorsignal.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Erzeugens eines Signals zum Antreiben der Schwingmasse Folgendes enthält: Umsetzen des phasenverschobenen Sensorsignals in ein Analogsignal; und Verstärken des Analogsignals, um das Signal zum Antreiben der Schwingmasse zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Sensor ein Gyroskop zum Messen einer Drehrate des Sensors ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Sensorsignal die Wegamplitude der Schwingmasse indiziert und der im Voraus festgelegte Winkel 90 Grad beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Sensorsignal die Geschwindigkeit der Schwingmasse indiziert und der im Voraus festgelegte Winkel 0 Grad beträgt.