DE102017222656A1 - SENSOR AND SENSOR SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Sensor (10) mit einem Sensorelement (12), das ausgebildet ist, in einem Betriebszustand des Sensors mit mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz zu schwingen, wobei aus den Schwingungen ein Sensorsignal abgeleitet werden kann, und mindestens einem Resonator (14), der ausgebildet ist, bei einer entsprechenden externen Anregung des Sensors mit mindestens einer Resonatorfrequenz zu schwingen, die an eine der vorgegebenen Schwingungsfrequenzen des Sensorelements oder an eine weitere Frequenz des Sensorelements angepasst ist..The invention relates to a sensor (10) having a sensor element (12) which is designed to vibrate in an operating state of the sensor with at least one predetermined oscillation frequency, wherein a sensor signal can be derived from the oscillations, and at least one resonator (14), which is designed to oscillate with a corresponding external excitation of the sensor with at least one resonator frequency which is adapted to one of the predetermined oscillation frequencies of the sensor element or to a further frequency of the sensor element.
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor und ein Sensorsystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen, die insbesondere zum Einsatz in der Automobiltechnik vorgesehen sind, und zwar vor allem in Fahrdynamik-Regelsystemen.The invention relates to a sensor and a sensor system according to the independent claims, which are intended in particular for use in automotive technology, especially in vehicle dynamics control systems.
Regelsysteme zur Sicherstellung eines stabilen fahrdynamischen Zustands und zur Erfassung des Zustands von Sicherheitssystemen in Fahrzeugen benötigen für einen zuverlässigen Betrieb exakte und verlässliche Daten insbesondere der Drehrate und Beschleunigung eines Fahrzeugs. Zur Vermeidung von fehlerhaftem Systemverhalten der Regelsysteme sind die zum Erfassen der Drehrate und Beschleunigung eingesetzten Sensoren üblicherweise mit umfassenden Überwachungsmaßnahmen ausgestattet, die vor allem für eine Erkennung Sensor-interner Defekte optimiert sind. Ein erkannter Fehlerzustand eines Sensors soll den Sensorsignalnutzern ausreichend schnell weitergeleitet werden, damit unerwünschte Regeleingriffe aufgrund von Sensorfehlern vermieden werden können.Control systems for ensuring a stable driving dynamic condition and for detecting the condition of safety systems in vehicles require accurate and reliable data, in particular the rate of rotation and acceleration of a vehicle, for reliable operation. To avoid erroneous system behavior of the control systems, the sensors used to detect the rate of rotation and acceleration are usually equipped with comprehensive monitoring measures, which are optimized especially for detecting sensor-internal defects. A detected error state of a sensor is to be forwarded to the sensor signal users sufficiently quickly so that undesired control interventions due to sensor errors can be avoided.
Aus der europäischen Patentanmeldung
Die deutsche Offenlegungsschrift
Die deutsche Patentschrift
Die deutsche Patentschrift
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen verbesserten Sensor und ein verbessertes Sensorsystem vorzuschlagen.The object of the present invention is now to propose an improved sensor and an improved sensor system.
Es hat sich gezeigt, dass externe Einflüsse auf einen Sensor dazu führen können, dass ein vom Sensor erzeugtes Signal häufig nur temporär, also zeitlich begrenzt, aber nicht dauerhaft gestört oder fehlerhaft ist, und daher kein eigentlicher Defekt des Sensors vorliegt. Für den Betrieb des Sensors kann die Erkennung solcher externen Einflüsse von Vorteil sein, da dies beispielsweise zum temporären Deaktivieren einer Nutzung des gestörten oder fehlerhaften Sensorsignals genutzt werden kann. Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegender Gedanke besteht daher darin, derartige externe Einflüsse auf einen Sensor, welche Störungen oder Fehler im Sensorausgangssignal bewirken können, dadurch zu erkennen, dass zusätzlich zu mindestens einem Sensorelement des Sensors mindestens ein Resonator vorgesehen ist, der bei entsprechender externer Anregung mit mindestens einer Resonatorfrequenz schwingen kann. Die mindestens eine Resonatorfrequenz ist hierbei an eine von mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz des mindestens einen Sensorelements oder an eine weitere Frequenz des Sensorelements angepasst. Durch den Resonator ist es möglich, einen externen Einfluss zu detektieren, welcher Schwingungen in einem Bereich durch Anregung des mindestens einen Resonators erzeugt, welche im Bereich der mindestens einen vorgegebenen Schwingungsfrequenz liegen und daher den ordnungsgemäßen Betrieb des mindestens einen Sensorelements beeinträchtigen können. Ein derartiger Sensor kann beispielsweise in Regelsystemen zur Sicherstellung eines stabilen fahrdynamischen Zustands und zur Erfassung des Zustands von Sicherheitssystemen in Fahrzeugen eingesetzt werden. Wird ein externer Einfluss auf den Sensor erkannt, welcher zu einer Störung des Betriebszustands des Sensors und zu einem fehlerhaften Sensorsignal führen kann, kann beispielsweise eine Sensorsignalverarbeitung insbesondere temporär ausgesetzt werden, so dass kein fehlerhaftes Sensorsignal in einem Regelsystem, in dem der Sensor eingesetzt wird, verarbeitet wird. Insgesamt können dadurch ein Sensor und ein Sensorsystem mit einer verbesserten Robustheit gegenüber externen Einflüssen geschaffen werden. Unter einer Resonatorfrequenz wird hierin eine Frequenz verstanden, bei welcher ein Resonator bei entsprechender externer Anregung schwingt. Es kann sich hierbei um eine Resonanzfrequenz eines Schwingungselements eines Resonators handeln.It has been shown that external influences on a sensor can lead to a signal generated by the sensor often being only temporarily, ie limited in time, but not permanently disturbed or faulty, and therefore there is no actual defect of the sensor. For the operation of the sensor, the detection of such external influences may be advantageous since this can be used, for example, for the temporary deactivation of a use of the disturbed or faulty sensor signal. An idea on which the present invention is based is therefore to recognize such external influences on a sensor, which can cause disturbances or errors in the sensor output signal, by providing at least one resonator in addition to at least one sensor element of the sensor, which with appropriate external excitation can vibrate at least one resonator frequency. The at least one resonator frequency is in this case adapted to one of at least one predetermined oscillation frequency of the at least one sensor element or to a further frequency of the sensor element. By the resonator, it is possible to detect an external influence, which generates vibrations in a range by excitation of the at least one resonator, which are in the range of at least one predetermined oscillation frequency and therefore can affect the proper operation of the at least one sensor element. Such a sensor can be used, for example, in control systems to ensure a stable driving dynamic state and to detect the state of safety systems in vehicles. If an external influence on the sensor is detected, which can lead to a disturbance of the operating state of the sensor and to a faulty sensor signal, sensor signal processing, for example, can be temporarily suspended, so that no faulty sensor signal is used in a control system in which the sensor is used. is processed. Overall, this can create a sensor and a sensor system with improved robustness to external influences. A resonator frequency is understood here to mean a frequency at which a resonator oscillates with a corresponding external excitation. This may be a resonance frequency of a vibration element of a resonator.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Sensor vorgesehen, der folgendes aufweist: ein Sensorelement, das ausgebildet ist, in einem Betriebszustand des Sensors mit mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz zu schwingen, und aus dessen Schwingungen ein Sensorsignal abgeleitet wird, und mindestens einen Resonator, der ausgebildet ist, in dem Betriebszustand des Sensors mit mindestens einer Resonatorfrequenz zu schwingen, die an eine der mindestens einen vorgegebenen Schwingungsfrequenz des Sensorelements und/oder an eine weitere Frequenz des Sensorelements angepasst ist.According to one embodiment of the invention, a sensor is provided which comprises a sensor element which is designed to oscillate in an operating state of the sensor with at least one predetermined oscillation frequency and from whose oscillations a sensor signal is derived, and at least one resonator which is formed is to oscillate in the operating state of the sensor with at least one resonator frequency, which is adapted to one of the at least one predetermined oscillation frequency of the sensor element and / or to a further frequency of the sensor element.
Es können Detektionsmittel vorgesehen sein, die ausgebildet sind, den mindestens einen Resonator zu überwachen und Schwingungen des Resonators im Bereich der mindestens einen Resonatorfrequenz zu detektieren. Insbesondere können die Detektionsmittel ausgebildet sein, mindestens ein elektrisches Signal für eine elektronische Verarbeitung mittels kapazitiver, piezoelektrischer und/oder piezoresistiver Erfassung der Schwingungen des mindestens einen Resonators zu erzeugen.Detection means may be provided which are designed to monitor the at least one resonator and to detect oscillations of the resonator in the region of the at least one resonator frequency. In particular, the detection means may be configured to generate at least one electrical signal for electronic processing by means of capacitive, piezoelectric and / or piezoresistive detection of the oscillations of the at least one resonator.
Es kann eine Auswerteschaltung vorgesehen sein, die ausgebildet ist, detektierte Schwingungen des Resonators im Bereich der mindestens einen Resonatorfrequenz zu verarbeiten und davon abhängig ein Indikatorsignal zu erzeugen. Die Auswerteschaltung kann insbesondere ausgebildet sein, aus detektierten Schwingungen einen Parameter abzuleiten und den abgeleiteten Parameter mit mindestens einem Schwellwert zu vergleichen und das Indikatorsignal zu erzeugen, wenn die detektierte Abweichung einen oder mehrere Schwellwerte überschreitet. Die Auswerteschaltung kann zudem ausgebildet sein, den mindestens einen Schwellwert anhand eines Resonanzverhaltens des Sensorelements zu kalibrieren, indem der mindestens eine Schwellwert derart festgelegt wird, dass eine externe Anregung des Sensors, welche eine Schwingung des Sensorelements im Bereich der mindestens einer vorgegebenen Schwingungsfrequenz verursacht, eine Schwellwertüberschreitung verursacht.An evaluation circuit may be provided which is designed to process detected oscillations of the resonator in the region of the at least one resonator frequency and to generate an indicator signal as a function thereof. The evaluation circuit may in particular be designed to derive a parameter from detected oscillations and to compare the derived parameter with at least one threshold value and to generate the indicator signal if the detected deviation exceeds one or more threshold values. The evaluation circuit can also be designed to calibrate the at least one threshold based on a resonance behavior of the sensor element by setting the at least one threshold such that an external excitation of the sensor, which causes a vibration of the sensor element in the range of at least one predetermined oscillation frequency Threshold exceeded.
Das Sensorelement kann ein mikromechanischer Drehratensensor mit einer ersten vorgegebenen Schwingungsfrequenz und einer zweiten vorgegebenen Schwingungsfrequenz sein, wobei die erste und die zweite vorgegebene Schwingungsfrequenz unterschiedlich sind. Insbesondere kann der Sensor einen zusätzlichen ersten und einen zweiten mikromechanischen Resonator aufweisen, wobei die Resonatorfrequenz des ersten mikromechanischen Resonators an die erste vorgegebene Schwingungsfrequenz und die Resonatorfrequenz des zweiten mikromechanischen Resonators an die zweite vorgegebene Schwingungsfrequenz angepasst ist.The sensor element may be a micromechanical rotation rate sensor having a first predetermined oscillation frequency and a second predetermined oscillation frequency, wherein the first and second predetermined oscillation frequencies are different. In particular, the sensor may have an additional first and a second micromechanical resonator, wherein the resonator frequency of the first micromechanical resonator is adapted to the first predetermined oscillation frequency and the resonator frequency of the second micromechanical resonator to the second predetermined oscillation frequency.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Sensorsystem vorgesehen, das folgendes aufweist: mindestens einen erfindungsgemäßen Sensor wie hierin beschrieben und eine Sensorsignalverarbeitung, die ausgebildet ist, das Sensorsignal des mindestens einen Sensors abhängig von der mindestens einen Resonatorfrequenz des mindestens einen Resonators zu verarbeiten. Insbesondere kann die Sensorsignalverarbeitung ausgebildet sein, eine Verarbeitung des Sensorsignals des mindestens einen Sensors auszusetzen, wenn das Messsignal bei der mindestens einen Resonatorfrequenz des mindestens einen Resonators eine Schwingung bei der mindestens einen vorgegebenen Schwingungsfrequenz des Sensorelements signalisiert.According to a further embodiment of the invention, a sensor system is provided which has at least one sensor according to the invention as described herein and sensor signal processing which is designed to process the sensor signal of the at least one sensor as a function of the at least one resonator frequency of the at least one resonator. In particular, the sensor signal processing may be configured to suspend processing of the sensor signal of the at least one sensor when the measurement signal at the at least one resonator frequency of the at least one resonator signals an oscillation at the at least one predetermined oscillation frequency of the sensor element.
Details einer oder mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen dargelegt. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.Details of one or more embodiments of the invention are set forth in the following description and the accompanying drawings. Other features, advantages and applications of the invention will become apparent from the description, the drawings and the claims.
Figurenlistelist of figures
Die Zeichnungen zeigen in
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems mit mehreren Sensoren und einem Sensor-externen Analysesystem zur Ermittlung eines Umweltstatus der Sensoren; -
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor; -
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor; -
4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor; -
5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor; -
6 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor, das Implementierungsdetails einer MEMS-Zelle und der Verschaltung mit einer Signalauswertung zeigt; -
7 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor; -
8 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines Drehratensensors mit einem Umweltstatus-Detektor; und -
9 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems mit mehreren Sensoren und einem Sensor-externen Analysesystem zur Ermittlung eines Umweltstatus der Sensoren.
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1 a first embodiment of a sensor system with a plurality of sensors and a sensor-external analysis system for determining an environmental status of the sensors; -
2 a first embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector; -
3 a second embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector; -
4 a third embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector; -
5 A fourth embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector; -
6 a fifth embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector showing implementation details of a MEMS cell and the interconnection with a signal evaluation; -
7 a sixth embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector; -
8th a seventh embodiment of a rotation rate sensor with an environmental status detector; and -
9 A second embodiment of a sensor system with a plurality of sensors and a sensor-external analysis system for determining an environmental status of the sensors.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION
In der folgenden Beschreibung können gleiche, funktional gleiche und funktional zusammenhängende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Absolute Werte sind im Folgenden nur beispielhaft angegeben und sind nicht als die Erfindung einschränkend zu verstehen.In the following description, identical, functionally identical and functionally connected elements may be provided with the same reference numerals. Absolute values are given below by way of example only and are not to be construed as limiting the invention.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zum Einsatz in der Automobiltechnik vorgesehen, und zwar vor allem in Fahrdynamik-Regelsystemen. Nachfolgend werden nun Sensorsysteme und Sensoren als Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, die zum Einsatz in solchen Regelsystemen geeignet sind, insbesondere Drehratensensoren. Die Erfindung ist allerdings nicht auf dieses Einsatzgebiet und auf Drehratensensoren beschränkt, sondern kann auch in anderen Einsatzgebieten mit ähnlichen Anforderungen an die Robustheit und Zuverlässigkeit von Sensoren und bei anderen Sensoren als Drehratensensoren wie beispielsweise Linearbeschleunigungssensoren eingesetzt werden.The present invention is intended in particular for use in automotive technology, especially in vehicle dynamics control systems. Hereinafter, sensor systems and sensors will be described as embodiments of the invention, which are suitable for use in such control systems, in particular rotation rate sensors. However, the invention is not limited to this application and rotation rate sensors, but can also be used in other applications with similar demands on the robustness and reliability of sensors and other sensors as rotation rate sensors such as linear acceleration sensors.
Wie bereits in der Einleitung beschrieben ist, ist zur Vermeidung von einem fehlerhaften Verhalten eines Regelsystems für die Fahrdynamik eines Automobils die Erkennung eines Fehlerzustands in dem oder den im Regelsystem eingesetzten Sensor(en) von besonderer Bedeutung. Ein Fehlerzustand eines Sensors kann einerseits durch einen Defekt im Sensor selbst ausgelöst werden, beispielsweise durch unerwünschte Partikel in mikromechanischen Sensorelementen (MEMS: Micro-Electro-Mechanical-System), oder auch durch unterbrochene elektrische Verbindungen zwischen einem Sensor-Element und einer zugehörigen Auswerte-Einheit, die beispielsweise durch einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) implementiert sein kann. Dieser Fehlerzustand wird häufig in Form eines Fehler-Status-Signals, beispielsweise durch ein Fehlerbit, der Auswerteeinheit des Sensors zur Verfügung gestellt und signalisiert, dass das aktuell bereitgestellte Signal nicht vertrauenswürdig ist.As already described in the introduction, in order to avoid a faulty behavior of a control system for the driving dynamics of an automobile, the recognition of a fault condition in the sensor (s) used in the control system is of particular importance. An error state of a sensor can be triggered on the one hand by a defect in the sensor itself, for example by undesired particles in micromechanical sensor elements (MEMS: micro-electro-mechanical system), or by interrupted electrical connections between a sensor element and an associated evaluation element. A unit that may be implemented, for example, by an Application Specific Integrated Circuit (ASIC). This error state is often provided in the form of an error status signal, for example by an error bit, the evaluation unit of the sensor and signals that the currently provided signal is untrustworthy.
Andererseits kann ein Ansprechen einer zur Erkennung eines Fehlerzustands vorgesehenen Überwachungseinheit des Sensors auch Ursachen außerhalb des Sensors haben. Solche Ursachen werden hierin auch als externe Anregung eines Sensors bezeichnet, da sie im Unterschied zu einer internen Anregung des Sensors zum Erzeugen unerwünschter Sensorsignale und/oder zu einer Störung eines Sensorsignals führen können. Beispielsweise können außerhalb des Sensorelements generierte thermisch-mechanische Verspannungen, Temperatureinflüsse, Feuchtigkeitseinflüsse oder Vibrationen eine Beeinflussung eines Sensorelements des Sensors generieren, die einerseits eine Signalstörung hervorruft und andererseits von der Überwachungseinheit als Sensordefekt interpretiert wird.On the other hand, a response of a monitoring unit provided for the detection of a fault condition of the sensor may also have causes outside of the sensor. Such causes are also referred to herein as external excitation of a sensor, since they can lead to the generation of unwanted sensor signals and / or to a disturbance of a sensor signal, in contrast to an internal excitation of the sensor. For example, thermal-mechanical stresses, temperature influences, moisture influences or vibrations generated outside the sensor element can generate an influence on a sensor element of the sensor, which on the one hand causes a signal disturbance and on the other hand is interpreted by the monitoring unit as a sensor defect.
Insbesondere umweltbedingte Störungen liegen oft nur temporär vor und können aufgrund dieser ungewollten Fehlererkennung zur Deaktivierung wichtiger Sicherheitsfunktionen führen. Eine Überwachungseinheit im Sensor kann oftmals nicht unterscheiden, ob ein realer Sensordefekt oder ob ein umweltbedingter externer Einfluss des Sensors vorliegt. Wichtig ist zunächst, den sicheren Systemzustand herzustellen, d.h. ein Sensorsignal bei einem Fehlerzustand als „ungültig“ zu qualifizieren. Zudem sollte innerhalb kurzer Zeit klassifiziert werden, ob es sich um einen signifikanten und dauerhaften Sensordefekt handelt oder ob eine temporäre externe Störung für die Funktionseinschränkung verantwortlich ist.In particular, environmental disturbances are often only temporary and can lead to the deactivation of important safety functions due to this unwanted error detection. A monitoring unit in the sensor often can not distinguish whether there is a real sensor defect or whether there is an environmental external influence of the sensor. First, it is important to establish the safe system state, i. to qualify a sensor signal as "invalid" in a fault condition. In addition, it should be classified within a short time, whether it is a significant and permanent sensor defect or whether a temporary external disturbance is responsible for the functional impairment.
Während im Fall eines Sensordefekts in der Regel ein Austausch des Steuergeräts mit dem Sensor erforderlich ist, der schnell veranlasst werden sollte, um den ordnungsgemäßen Einsatz eines Regelsystems zu gewährleisten, ist im Fall einer ursächlichen externen Beeinflussung ein Steuergerätetausch in der Regel nicht erforderlich.While in the case of a sensor failure usually a replacement of the control unit with the sensor is required, which should be promptly made to ensure the proper use of a control system, in the event of a causal external influence, a control unit replacement is usually not required.
Um eine Unterscheidung zwischen Sensordefekt und externen Beeinflussungen zu ermöglichen, können zusätzliche Umweltstatus-Überwachungen vorgesehen sein.In order to allow a distinction between sensor defect and external influences, additional environmental status monitoring may be provided.
Eine zusätzliche Berücksichtigung des Umweltstatus ermöglicht es zum einen, eine unerwünschte längerfristige Deaktivierung von Regelfunktionen ggf. zu vermeiden, zumal externe Beeinflussungen meist temporärer Natur sind. Zum anderen kann unter Berücksichtigung des Umweltstatus eine unerwünschte Fehlerqualifikation mit dem Attribut „Steuergerät defekt“ aufgrund externer Störungen verhindert werden. An additional consideration of the environmental status makes it possible on the one hand, if necessary, to avoid an unwanted long-term deactivation of control functions, especially since external influences are mostly of a temporary nature. On the other hand, taking into account the environmental status, an undesired error qualification with the attribute "defective control unit" due to external disturbances can be prevented.
Die entsprechende Status-Information wird nachfolgend mit „Umweltzustand“ bezeichnet. Der Umweltzustand kann Statusflag-Informationen über Temperatur, Feuchtigkeit, mechanische Verspannungen, Kräfte, lineare Beschleunigungen, Vibrationsbeschleunigungen, auch frequenzselektiv enthalten.The corresponding status information is referred to below as "environmental status". The environmental status may include status flag information about temperature, humidity, mechanical stresses, forces, linear accelerations, vibration accelerations, and frequency selective.
Der Umweltzustand kann sowohl im Sensor intern erfasst, aber auch außerhalb des Sensors mittels weiterer Indikatoren oder Sensoren generiert werden.The environmental status can be recorded internally in the sensor, but also generated outside the sensor by means of further indicators or sensors.
Eine mögliche Realisierung unter Berücksichtigung des Umweltzustands wird nun am Beispiel von mikromechanischen Drehratensensoren erläutert. Mikromechanische Drehratensensoren nutzen den Coriolis-Effekt zur Bestimmung des Drehratensignals. Dieses Grundprinzip erfordert einen permanent schwingenden Oszillator mit einer Schwingungsgeschwindigkeit
Der stabile permanente Drive-Schwingungsmodus des Oszillators wird mit Regelkreisen sichergestellt. Dieser Schwingungsmodus wird wiederum permanent mit einer oder mehreren Überwachungseinheiten auf seinen plausiblen Betriebszustand geprüft. Die Überwachung gewährleistet den sicheren Betrieb des Sensors und entsprechend die Plausibilität der Sensorsignale. Ein Fehler im Regelkreis des Sensor-Oszillators kann beispielsweise mittels Amplituden- oder Phasenüberwachung erkannt und eine nachfolgende Anwendung wie beispielsweise eine Fahrdynamikregelung schnell in einen sicheren Zustand transferiert werden, beispielsweise deaktiviert werden.The stable permanent drive oscillation mode of the oscillator is ensured with control loops. This vibration mode is in turn permanently checked with one or more monitoring units to its plausible operating condition. The monitoring ensures the safe operation of the sensor and the plausibility of the sensor signals. An error in the control loop of the sensor oscillator can be detected, for example, by means of amplitude or phase monitoring, and a subsequent application such as a vehicle dynamics control can be quickly transferred to a safe state, for example deactivated.
Die Überwachung findet im Bereich der Oszillator-Resonanzfrequenz statt. Daher ist dieser Überwachungsmechanismus empfindlich auf mechanische Störungen im Bereich der Arbeitsfrequenzen des Sensoroszillators.The monitoring takes place in the area of the oscillator resonance frequency. Therefore, this monitoring mechanism is sensitive to mechanical disturbances in the range of the operating frequencies of the sensor oscillator.
Nachfolgend wird nun erläutert, wie Betriebs- und Überwachungsmodi eines Drehratensensors so modifiziert werden können, damit zwischen einer „umweltbedingten Störung“ und einem Sensordefekt verlässlich unterschieden werden kann.It will now be explained how operating and monitoring modes of a yaw rate sensor can be modified so that a distinction can be made reliably between an "environmental fault" and a sensor fault.
Die bei Drehratensensoren üblicherweise vorgesehenen Sensor-Fehlerflags, die nicht zwischen Sensordefekt und umweltbedingter Störung unterscheiden, werden durch einen „Umweltstatus“ ergänzt, wodurch insbesondere die Verfügbarkeit eines Fahrzeugregelsystems bei rauen Einsatzbedingungen mit häufigen externen Anregungen des Drehratensensors verbessert werden kann. Durch diese Unterscheidungsmöglichkeit kann vermieden werden, dass in bestimmten Situationen ein Steuergerät als defekt klassifiziert wird und getauscht werden muss, obwohl die temporäre Einschränkung „nur“ durch eine ausgeprägte externe Beeinflussung verursacht wurde. Durch den zusätzlichen Umweltstatus kann die Verfügbarkeit eines Regelsystems verbessert und ein nicht gerechtfertigter Steuergerätetausch vermieden werden.The sensor error flags usually provided in the case of rotation rate sensors, which do not distinguish between sensor defect and environmental disturbance, are supplemented by an "environmental status", which can in particular improve the availability of a vehicle control system in harsh operating conditions with frequent external excitations of the rotation rate sensor. By means of this differentiation possibility it can be avoided that in certain situations a control unit is classified as defective and has to be exchanged, although the temporary restriction was "only" caused by a pronounced external influence. The additional environmental status improves the availability of a control system and avoids unjustified ECU replacement.
Nachfolgend sind einige Beispiele für relevante Umweltstatusinformationen aufgeführt, die detektiert werden können, um einen möglichen externen Einfluss auf einen Sensor zu bewerten:
- - Temperatur;
- - Feuchtigkeit;
- - Luftdruck;
- - Vibration, insbesondere selektiv für verschiedene Frequenzbereiche;
- - Körperschall-Signale;
- - mechanische Verspannungen.
- - temperature;
- - Humidity;
- - air pressure;
- - vibration, in particular selective for different frequency ranges;
- - structure-borne noise signals;
- - mechanical tension.
Der Umweltstatus kann Sensor-intern oder Sensor-extern generiert werden und von einem Analysesystem, beispielsweise einer Auswerteschaltung im Rahmen einer Signalaufbereitung weiterverarbeitet werden. Extern kann bedeuten, dass Umweltinformationen eines weiteren Sensors beispielsweise innerhalb des gleichen Steuergeräts bzw. ECU (Electronic Control Unit) verwendet werden, oder auch Informationen von anderen ECUs.The environmental status can be generated sensor-internally or sensor-externally and further processed by an analysis system, for example an evaluation circuit in the context of a signal conditioning. External can mean that environmental information of another sensor, for example, be used within the same ECU or (Electronic Control Unit), or information from other ECUs.
Neben der Verwendung der Umweltstatusinformation zur Verbesserung der Robustheit kann diese auch gezielt genutzt werden zur Verbesserung der Sensorsignalpräzision. Die oben genannten Umweltstatusinformationen wie „Temperatur“, „Feuchtigkeit“, „Mechanische Verspannung“ etc. können beispielsweise dazu führen, dass gemessene Sensorsignale verfälscht werden. Eine geeignete Kalibrierung der Sensorsignale, abhängig von Umweltstatusinformationen, kann die Präzision der bereitgestellten Sensorsignale verbessern.In addition to the use of environmental status information to improve the robustness, this can also be used selectively to improve the sensor signal precision. The above-mentioned environmental status information such as "temperature", "moisture", "mechanical stress", etc., for example, can lead to the fact that measured sensor signals are corrupted. Appropriate calibration of the sensor signals, depending on environmental status information, may improve the precision of the sensor signals provided.
Nachfolgend wird nun eine grundlegende Betriebsweise des Umweltstatus-Detektors am Beispiel eines in
Die Driveschwingung eines Drive-Schwingungselement
Die Beschleunigungssensorzelle Acc
Der Transfer der Ausgangssignale des Resonators
In
Links in
Rechts in
- - Toggeln von internen Zuständen;
- - Demodulation;
- - Delta-Frequenz-Analyse;
- - Spezifische Signaturen verschiedener Fehlerflags.
- - tokens of internal states;
- - demodulation;
- - Delta frequency analysis;
- - Specific signatures of different error flags.
Diese Maßnahmen können per Definition frequenzselektiv wirken, zumal sie auf den Wirkmechanismen des Standardbetriebsmodus arbeiten können.These measures can by definition have a frequency-selective effect, since they can work on the mechanisms of action of the standard operating mode.
Nutzfunktionen dieser redundanten Sensierungssysteme benötigen zunächst beide Signale, um die Sicherheitsanforderungen in allen Betriebszuständen ausreichend erfüllen zu können.The useful functions of these redundant sensing systems initially require both signals in order to be able to sufficiently fulfill the safety requirements in all operating states.
Im Fall einer signifikanten Signaldifferenz zwischen beiden redundanten Signalen - aufgrund eines Sensordefekts oder aufgrund einer umweltbedingten Störung - wird die Sicherheitsfunktion deaktiviert und gegebenenfalls ein Steuergerätefehler klassifiziert. Mittels dieser Überwachung kann das fehlerhafte Signal nicht identifiziert werden, so dass es nicht möglich ist, die Funktion für begrenzte Zeit mit einem Signalkanal im Rahmen der Sicherheitsanforderungen fortzuführen. Der Einsatz eines Umweltstatusdetektors UwDet ermöglicht es, eine temporäre externe Störung zu identifizieren, diese Störung einem Sensorkanal zuzuordnen, wodurch die Applikation temporär mit dem ungestörten Signalkanal fortgesetzt werden kann. Folglich kann diese Eigenschaft gerade in sicherheitskritischen Situationen zu einer Verbesserung der Verfügbarkeit der Sicherheitsfunktionen führen.In the case of a significant signal difference between both redundant signals - due to a sensor failure or due to an environmental disturbance - the safety function is deactivated and, if necessary, a control unit error is classified. By means of this monitoring, the erroneous signal can not be identified, so that it is not possible to continue the function for a limited time with a signal channel in the context of the security requirements. The use of an environmental status detector UwDet makes it possible to identify a temporary external fault, to assign this fault to a sensor channel, whereby the application can be temporarily continued with the undisturbed signal channel. Consequently, this characteristic can lead to an improvement in the availability of safety functions, especially in safety-critical situations.
Durch den in den obigen Ausführungsbeispielen enthaltenen Umweltstatusdetektors können folgende technischen Vorteile erzielt werden:By the environmental status detector included in the above embodiments, the following technical advantages can be obtained:
Es kann die Verfügbarkeit von Fahrdynamiksensoren verbessert werden.The availability of driving dynamics sensors can be improved.
Bei herkömmlichen Sensoren sind die Überwachungsfunktionen zur Detektion sensorinterner Defekte optimiert auf die Detektion von Sensordefekten. Diese Überwachungsfunktionen sprechen oft auch auf externe Umweltstörungen an, obwohl kein realer Sensordefekt vorliegt. Zur Gewährleistung maximaler Sicherheit bei gleichzeitig hoher Systemverfügbarkeit müssen deshalb sehr lange Qualifizierungszeiten für Fehler realisiert werden.In conventional sensors, the monitoring functions for detecting sensor-internal defects are optimized for the detection of sensor defects. These monitoring functions often respond to external environmental disturbances, although there is no real sensor defect. To ensure maximum safety with high system availability, therefore, very long qualification times for faults must be realized.
Eine eindeutige Unterscheidung zwischen realen Sensordefekten und externen Störungen durch den Umweltstatusdetektor ermöglicht es, bei realen Sensordefekten sehr schnell zu reagieren und damit die Sicherheit des Systems zu erhöhen. Zusätzlich kann bei eindeutiger Identifizierung von externen Störungen vermieden werden, dass ein unerwünschter Zustand „Steuergerät defekt“ qualifiziert wird, wodurch die Verfügbarkeit der Systeme erhöht wird.A clear distinction between real sensor defects and external disturbances by the environmental status detector makes it possible to react very quickly in the case of real sensor defects and thus to increase the safety of the system. In addition, by uniquely identifying external disturbances, it is possible to avoid qualifying an undesired "defective controller" state, thereby increasing the availability of the systems.
Schließlich kann auch die Präzision von Fahrdynamiksensoren verbessert werden.Finally, the precision of driving dynamics sensors can be improved.
Die vorliegende Erfindung kann eine Unterscheidung zwischen realen Sensorfehlern von durch Umwelteinflüssen verursachten Fehlermeldungen ermöglichen. The present invention can enable a distinction between real sensor errors of environmental errors caused by environmental conditions.
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