DE102020206919A1

DE102020206919A1 - Sensorsystem, Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems

Info

Publication number: DE102020206919A1
Application number: DE102020206919.0A
Authority: DE
Inventors: Ruslan Khalilyulin; Andrea Visconti; Francesco DIAZZI
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-12-09
Also published as: CN115667843A; WO2021244800A1; US20230009227A1

Abstract

Es wird ein Sensorsystem vorgeschlagen, umfassend:- eine analoge Verarbeitungsanordnung umfassend:--- eine Antriebsschaltung, die zur Erzeugung eines analogen Antriebssignals zum Antreiben eines schwingenden Elements eines mikro-elektromechanischen Gyroskops konfiguriert ist;--- eine Erfassungsschaltung, die mit der Antriebsschaltung und dem schwingenden Element gekoppelt ist, wobei die Erfassungsschaltung derart konfiguriert ist, dass sie aus einem vom Gyroskop erfassten Signal ein analoges Drehraten-Signal und ein analoges Quadratur-Signal erzeugt;--- einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler, die mit der Erfassungsschaltung gekoppelt und derart konfiguriert sind, dass sie das analoge Drehraten-Signal und das analoge Quadratur-Signal in ein digitales Drehraten-Signal und ein digitales Quadratur-Signal umwandeln;--- eine Kompensationsschaltung, die in einem Mess-Betriebsmodus des Sensorsystems derart konfiguriert ist, dass sie einen Quadratureinfluss auf das analoge Quadratur-Signal unter Verwendung zumindest eines Quadratur-Kompensationswertes kompensiert;und- eine digitale Verarbeitungsanordnung, die mit der analogen Verarbeitungsanordnung gekoppelt ist, wobei die digitale Verarbeitungsanordnung eine digitale Verarbeitungsschaltung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Verarbeitungsschaltung in dem Mess-Betriebsmodus des Sensorsystems derart konfiguriert ist, dass sie einen temperaturabhängigen quadraturinduzierten Null-Ratenoffset ZRO (zero rate offset) des digitalen Drehraten-Signals unter Verwendung mindestens eines ZRO-Kompensationswertes und Temperaturinformationen kompensiert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Sensorsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) sind allgemein bekannt und werden beispielsweise als Gyroskope zur Messung von Drehraten für verschiedene Applikationen verwendet. So kommen MEMS-Gyroskope in Smartphones, Tablets, tragbaren elektronischen Geräten, Fahrzeugsystemen und vielen weiteren Applikationen zum Einsatz.
Ein Problem beim Betrieb von MEMS-Gyroskopen entsteht durch Quadratur-Signale, die durch unerwünschte Kopplungen verursacht werden können und um 90° phasenverschoben (Quadraturphase) zu den Messsignalen sind. Quadratur-Signale können dabei die Messungen erheblich beeinflussen und verfälschen.
Die Kompensation von Quadratureinflüssen auf die Messungen stellt daher in der Praxis eine entscheidende Herausforderung für präzise und effiziente Drehratenmessungen dar.
Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze zur Quadraturkompensation bekannt. Ein bekanntes Verfahren, das in einem Open-Loop-Gyroskop verwendet werden kann, ist die Kompensation des Quadratur-Signals am „Sense“-Eingang unter Verwendung eines Signals, das von der Antriebsbewegung abgeleitet wird, wie beispielsweise in der US 7290435 B2 offenbart.
Ferner sind Verfahren zur Reduktion eines Nullraten-Offsets (Zero-Rate-Offset, ZRO) bzw. eines Drifts eines Nullraten-Offsets, beispielsweise aus der US 9410806 B2 , bekannt.
Die US 2019/0265036 A1 beschreibt ein System mit einer analogen Verarbeitungsanordnung, die eine Kompensationsschaltung aufweist, welche mit einer Erfassungsschaltung gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie ein analoges Quadratur-Signal unter Verwendung eines analogen Antriebssignals und eines Kompensationswerts nullt. Das System umfasst ferner eine digitale Verarbeitungsanordnung, die mit der analogen Verarbeitungsanordnung gekoppelt ist und die eine digitale Verarbeitungsschaltung umfasst, wobei die digitale Verarbeitungsschaltung so konfiguriert ist, dass sie einen quadraturinduzierten Ratenversatz des digitalen Raten-Signals über die Temperatur unter Verwendung eines digitalen Quadratur-Signals, des Kompensationswerts und von Temperaturdaten adaptiv kompensiert. Der Kompensationswert der analogen Verarbeitungsanordnung wird dabei von der digitalen Verarbeitungsschaltung wiederverwendet. Nachteilig bei einem solchen System ist, dass Nicht-Idealitäten der Kompensationsschaltung bzw. Quadraturtrimmschaltung nicht berücksichtigt werden. Ein in der Praxis vorhandenes nicht Ideales Verhalten der Kompensationsschaltung kann jedoch dazu führen, dass das tatsächliche Kompensationssignal, das am Eingang der Erfassungsschaltung eingespeist wird, nicht dem verwendeten Kompensationswert entspricht bzw. nicht exakt proportional zu diesem ist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sensorsystem und Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems breitzustellen, mit denen verbesserte und präzisere Messungen ermöglicht werden, sodass insbesondere eine verbesserte Kompensation von Quadraturinduzierten Fehlern bzw. Störungen ermöglicht wird.
Das erfindungsgemäße Sensorsystem gemäß dem Anspruch 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine vorteilhafte Kompensation von Quadratureinflüssen auf eine Drehratenmessung ermöglicht wird, sodass die Genauigkeit einer Messung kosteneffizient erhöht werden kann. Es ist erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise möglich, dass für die ZRO-Kompensation nicht direkt der Quadratur-Kompensationswert verwendet wird, der zur Kompensation des Quadratureinflusses auf das analoge Quadratur-Signal verwendet wird.
Durch die Verwendung eines Quadratur-Kompensationswertes zur Kompensation eines Quadratureinflusses auf das analoge Quadratur-Signal und die zusätzliche Verwendung eines ZRO-Kompensationswertes zur Kompensation eines temperaturabhängigen quadraturinduzierten Null-Ratenoffsets des digitalen Drehraten-Signals, kann erfindungsgemäß eine präzise Kompensation ermöglicht werden, bei der auch ein nicht ideales Verhalten der Kompensationsschaltung berücksichtigt werden kann. Insbesondere ist es möglich, eine Kompensation des Nullraten-Offsets (bzw. eine Kompensation des ZRO-Drifts) vorzunehmen, die unabhängig von dem nicht idealen Verhalten der Kompensationsschaltung bei der Kompensation des analogen Quadratur-Signals ist.
Derartige Vorteile ergeben sich erfindungsgemäß insbesondere gegenüber einem System, bei dem der gleiche Kompensationswert für die Kompensation des analogen Quadratur-Signals und für die Kompensation des quadraturinduzierten Null-Ratenoffsets des digitalen Drehraten-Signals verwendet werden würde. In einem solchen Fall könnte ein nicht ideales Verhalten der Quadraturtrimmschaltung bzw. Kompensationsschaltung nicht berücksichtigt werden.
Erfindungsgemäß kann somit eine besonders effiziente und genaue Drehratenmessung ermöglicht werden.
Es ist erfindungsgemäß denkbar, dass für jeden Kanal eines insbesondere mehrachsigen Drehratensensors jeweils ein (eigener) Quadratur-Kompensationswert und besonders bevorzugt jeweils ein (eigener) ZRO-Kompensationswert verwendet wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Quadratur-Kompensationswert unterschiedlich von dem ZRO-Kompensationswert ist. Hierdurch kann eine präzise und flexible Kompensation erzielt werden, wobei auch ein nicht ideales Verhalten der Kompensationsschaltung besonders vorteilhaft berücksichtigt werden kann. Es ist entsprechend denkbar, dass der ZRO-Kompensationswert ein von dem Quadratur-Kompensationswert separater Wert ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass der Quadratur-Kompensationswert und der ZRO-Kompensationswert unterschiedlich ermittelt und/oder berechnet werden. Es ist gemäß einer Ausführungsform insbesondere möglich, dass der Quadratur-Kompensationswert und der ZRO-Kompensationswert mit voneinander unabhängigen Methoden ermittelt und/oder berechnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass Sensorsystem zur Ausführung einer Quadraturtrimmung konfiguriert ist, wobei bei der Quadraturtrimmung der Quadratur-Kompensationswert ermittelt wird. Es ist möglich, dass der bei der Quadraturtrimmung ermittelte Quadratur-Kompensationswert dann im Mess-Betriebsmodus verwendet wird, um einen Quadratureinfluss auf das analoge Quadratur-Signal zu kompensieren. Es ist möglich, dass die Quadraturtrimmung zur Ermittlung des Quadratur-Kompensationswertes vor einer Bestimmung des ZRO-Kompensationswertes erfolgt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Sensorsystem des Weiteren umfasst:

a. eine Steuereinrichtung zum Umschalten zwischen dem Mess-Betriebsmodus und einem ZRO-Trimm-Modus, in dem die Kompensationsschaltung wahlweise deaktiviert und wieder aktiviert wird und in dem keine Kompensation des temperaturabhängigen quadraturinduzierten Offsets des digitalen Drehraten-Signals erfolgt, und
b. Schaltungsmittel zum Bestimmen des ZRO-Kompensationswertes,

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Schaltungsmittel derart konfiguriert sind, dass der ZRO-Kompensationswert als skalierte Differenz zwischen dem unkompensierten digitalen Quadratur-Signal und dem kompensierten digitalen Quadratur-Signal ermittelt wird. Es ist denkbar, dass bei der Ermittlung der skalierten Differenz ein Skalierungsfaktor verwendet wird. Es ist beispielsweise denkbar, dass der Skalierungsfaktor den Wert eins hat oder einen von eins verschiedenen Wert.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass das Sensorsystem einen Temperatursensor zum Erfassen der aktuellen Betriebstemperatur umfasst und dass die digitale Verarbeitungsschaltung derart konfiguriert ist, dass der ZRO-Kompensationswert unter Berücksichtigung der aktuellen Betriebstemperatur des Sensorsystems mithilfe eines oder mehrerer Temperaturkoeffizienten angepasst wird. Somit kann eine besonders genaue Kompensation über verschiedene Temperaturen erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kompensationsschaltung mit der Erfassungsschaltung gekoppelt ist, wobei die Kompensationsschaltung derart konfiguriert ist, dass die Kompensationsschaltung das analoge Quadratur-Signal unter Verwendung eines analogen Antriebs-Signals und des Quadratur-Kompensationswertes kompensiert. Hierdurch kann eine Kompensation des analoge Quadratur-Signals elektrisch im vorderen Teil des „Sense“-Eingangs bzw. der Erfassungsschaltung realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Kompensationsschaltung mit dem schwingenden Element des Gyroskops gekoppelt ist und dass die Kompensationsschaltung derart konfiguriert ist, dass die Kompensation des Quadratureinflusses auf das analoge Quadratur-Signal durch Anlegen einer mechanischen Kraft an das schwingende Element erfolgt, wobei die Stärke der Kraft entsprechend dem Quadratur-Kompensationswert gewählt wird. Hierdurch ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass die Kompensation des Quadratureinflusses auf das analoge Quadratur-Signal unmittelbar durch eine mechanische Kraft am Gyroskop erfolgen kann.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Mess-Betriebsmodus, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quadratureinfluss auf das analoge Quadratur-Signal und ein temperaturabhängiger quadraturinduzierter Null-Ratenoffset ZRO des digitalen Drehraten-Signals kompensiert werden, wobei der Quadratureinfluss auf das analoge Quadratur-Signal unter Verwendung zumindest eines Quadratur-Kompensationswertes kompensiert wird und
wobei der temperaturabhängige quadraturinduzierte Null-Ratenoffset ZRO des digitalen Drehraten-Signals unter Verwendung eines ZRO-Kompensationswertes und unter Verwendung von Temperaturinformationen kompensiert wird.
Für das Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Mess-Betriebsmodus können dabei die Ausgestaltungen, Vorteile und Effekte Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem beschrieben worden sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die aktuelle Betriebstemperatur des Sensorsystems erfasst wird und dass der ZRO-Kompensationswert unter Berücksichtigung der aktuellen Betriebstemperatur des Sensorsystems mithilfe eines oder mehrerer Temperaturkoeffizienten angepasst wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem ZRO-Trimm-Modus zum Bestimmen mindestens eines ZRO-Kompensationswertes zur Kompensation eines temperaturabhängigen quadraturinduzierten Null-Ratenoffsets ZRO des digitalen Drehraten-Signals,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kompensationsschaltung mit Hilfe der Steuereinrichtung deaktiviert wird, um ein unkompensiertes analoges Quadratur-Signal zu erfassen und zu digitalisieren,
dass die Kompensationsschaltung mit Hilfe der Steuereinrichtung aktiviert wird, um den Quadratureinfluss auf ein analoges Quadratur-Signal zu kompensieren,
dass dieses kompensierte Quadratur-Signal digitalisiert wird,
dass dann mit Hilfe der Schaltungsmittel das unkompensierte digitale Quadratur-Signal und das kompensierte digitale Quadratur-Signal miteinander verglichen werden und
dass der ZRO-Kompensationswert auf Basis dieses Vergleichs bestimmt wird.
Für das das Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem ZRO-Trimm-Modus können dabei die Ausgestaltungen, Vorteile und Effekte Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem, insbesondere im Zusammenhang mit dem ZRO-Trimm-Modus, beschrieben worden sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figurenliste
Es zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
3 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Sensorsystem umfasst eine analoge Verarbeitungsanordnung mit einer Antriebsschaltung 10, die zur Erzeugung eines analogen Antriebssignals zum Antreiben eines (oder mehrerer) schwingenden Elements 2 eines mikro-elektromechanischen Gyroskops 1 konfiguriert ist. Eine AntriebsAchse 4 empfängt hierbei ein elektrisches Antriebssignal, wodurch das schwingende Element 2 mit einer bestimmbaren Frequenz zu Schwingungen angetrieben wird. Die Antriebsschaltung 10 umfasst ferner einen C/V-Converter 17, eine Phasenregelschleife 16 (Phase-Locked-Loop, PLL) und einen Amplitudenregulator 15 zur Regelung einer Schwingungsamplitude des schwingenden Elements 2.
Mithilfe des Gyroskops 1 kann ein Signal für eine Detektions-Achse 3 erfasst werden. Das Gyroskop 1 kann gemäß Ausführungsformen der Erfindung jedoch auch als mehrachsiges Gyroskop ausgebildet sein. Entsprechend können beispielsweise drei Detektions-Achsen 3', 3'', 3''' vorgesehen sein, wobei jeweils ein Signal erzeugt wird, das der Bewegung des schwingenden Elements 2 und der entsprechenden Drehung des Gyroskops 1 bezüglich der jeweiligen Achse entspricht. Somit können mithilfe des Gyroskops 1 beispielsweise Signale für drei Kanäle erzeugt werden. Im Folgenden wird die Beschreibung im Wesentlichen auf einen der Kanäle beschränkt. Für die weiteren Kanäle bzw. Detektions-Achsen 3', 3'', 3''' können jedoch jeweils entsprechende Mittel und Methoden implementiert werden.
Das Sensorsystem umfasst eine Erfassungsschaltung 20, die mit der Antriebsschaltung 10 und dem schwingenden Element 2 gekoppelt ist, wobei die Erfassungsschaltung 20 derart konfiguriert ist, dass sie aus einem vom Gyroskop 1 erfassten Signal ein analoges Drehraten-Signal und ein analoges Quadratur-Signal erzeugt. Beispielsweise kann die Signalerfassung durch das Gyroskop 1 kapazitiv mithilfe von entsprechenden Elektrodenvorrichtungen erfolgen.
Das Sensorsystem umfasst einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler 21, 21', die mit der Erfassungsschaltung 20 gekoppelt sind. Der eine oder die mehreren Analog-Digital-Wandler 21, 21' sind derart konfiguriert, dass sie das analoge Drehraten-Signal und das analoge Quadratur-Signal in ein digitales Drehraten-Signal 22 und ein digitales Quadratur-Signal 23 umwandeln. Das digitale Drehraten-Signal 22 und das digitale Quadratur-Signal 23 werden mithilfe von entsprechenden Filtern 50, 50' gefiltert.
Das Sensorsystem umfasst ferner eine Kompensationsschaltung 30, die in einem Mess-Betriebsmodus des Sensorsystems derart konfiguriert ist, dass sie einen Quadratureinfluss auf das analoge Quadratur-Signal unter Verwendung zumindest eines Quadratur-Kompensationswertes 31 kompensiert. Es ist insbesondere denkbar, dass jeweils ein Quadratur-Kompensationswert 31 für jede Achse 3', 3'', 3''' bzw. jeden Kanal des Gyroskops 1 verwendet wird. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform ist die Kompensationsschaltung 30 mit der Erfassungsschaltung 20 gekoppelt. Die Kompensationsschaltung 30 ist derart konfiguriert, dass die Kompensationsschaltung 30 das analoge Quadratur-Signal unter Verwendung eines analogen Antriebs-Signals, insbesondere bereitgestellt mithilfe des C/V-Converters 17 der Antriebsschaltung 10, und des Quadratur-Kompensationswertes 31 kompensiert. Somit wird eine Kompensation des analogen Quadratur-Signals elektrisch im vorderen Teil bzw. am Eingang der Erfassungsschaltung 20, insbesondere vor dem C/V-Converter 27, durchgeführt.
Das Sensorsystem umfasst des Weiteren eine digitale Verarbeitungsanordnung, die mit der analogen Verarbeitungsanordnung gekoppelt ist. Die digitale Verarbeitungsanordnung umfasst eine digitale Verarbeitungsschaltung 40. Die digitale Verarbeitungsschaltung 40 ist in dem Mess-Betriebsmodus des Sensorsystems derart konfiguriert, dass sie einen temperaturabhängigen quadraturinduzierten Null-Ratenoffset ZRO (zero rate offset) des digitalen Drehraten-Signals 22 unter Verwendung mindestens eines ZRO-Kompensationswertes 41 und unter Verwendung von Temperaturinformationen kompensiert. Der ZRO-Kompensationswert 41 ist dabei ein von dem Quadratur-Kompensationswert 31 separater Wert. Es ist daher insbesondere möglich, dass es sich bei dem ZRO-Kompensationswert 41 und dem Quadratur-Kompensationswert 31 nicht um den gleichen Wert handelt.
Die Temperaturinformationen werden von einem Temperatursensor 60, der zur Messung der aktuellen Betriebstemperatur des Sensorsystems ausgebildet ist, und mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers 61 bereitgestellt. Es kann ferner Filter 50" zur Filterung der bereitgestellten Daten/Informationen vorgesehen sein. Die Temperaturinformationen werden mit Temperaturkoeffizienten C1, CO kombiniert und zur Kompensation des temperaturabhängigen quadraturinduzierten Null-Ratenoffset ZRO (zero rate offset) des digitalen Drehraten-Signals 22 verwendet.
Zusätzlich zum vorgehend beschriebenen Mess-Betriebsmodus des Sensorsystems ist das Sensorsystem zur Ermittlung des Quadratur-Kompensationswertes 31 und des ZRO-Kompensationswertes 41 konfiguriert. Eine solche Ermittlung kann werkseitig und/oder im Einsatz bzw. in der Applikation des Sensorsystems durchführbar sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Sensorsystem zu einer Quadraturtrimmung konfiguriert sein, wobei bei der Quadraturtrimmung der Quadratur-Kompensationswertes 31 ermittelt wird. Ferner, insbesondere nach der Quadraturtrimmung, kann das Sensorsystem zur Ausführung einer Null-Raten-Ausgabe-Trimmung konfiguriert sein, wobei mithilfe der Null-Raten-Ausgabe-Trimmung der ZRO-Kompensationswert 41 in einer von der Quadraturtrimmung separaten Trimmung ermittelt wird. Es ist beispielsweise denkbar, dass während der Null-Raten-Ausgabe-Trimmung das analoge Quadratur-Signal unter Verwendung des Quadratur-Kompensationswertes 31 kompensiert wird und ein Null-Raten-Ausgabesignal des digitalen Drehraten-Signals ermittelt wird, wobei der ZRO-Kompensationswert 41 in Abhängigkeit des Null-Raten-Ausgabesignals ermittelt wird. Der ZRO-Kompensationswert 41 kann in einem Speicher 42 gespeichert werden.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Zusätzlich zu der in der 1 gezeigten Ausführungsform ist eine Steuereinrichtung 45 (PMU) gezeigt.
Der Mess-Betriebsmodus des Sensorsystems gemäß 2 entspricht prinzipiell dem Mess-Betriebsmodus der in 1 dargestellten Ausführungsform. Gemäß der Ausführungsform der 2 ist es möglich, dass das Sensorsystem - zusätzlich zum Betrieb im Mess-Betriebsmodus - zum Betrieb in einem ZRO-Trimm-Modus konfiguriert ist. Mithilfe der Steuereinrichtung 45 kann zwischen dem Mess-Betriebsmodus und dem ZRO-Trimm-Modus umgeschaltet werden. Im ZRO-Trimm-Modus kann die Kompensationsschaltung 30 mithilfe der Steuereinrichtung 45 wahlweise deaktiviert und wieder aktiviert werden. Im ZRO-Trimm-Modus ist ein unkompensiertes digitales Quadratur-Signal (insbesondere mit deaktivierter Kompensationsschaltung 30) und ein kompensiertes digitales Quadratur-Signal (insbesondere mit aktivierter Kompensationsschaltung 30) ermittelbar. Im ZRO-Trimm-Modus erfolgt vorteilhafterweise keine Kompensation des temperaturabhängigen quadraturinduzierten Offsets des digitalen Drehraten-Signals 22.
Es ist somit möglich, dass im ZRO-Trimm-Modus in vorteilhafterweise unter anderem ein Quadratur-Auslesemodus einstellbar ist, wobei ein unkompensiertes digitales Quadratur-Signal ermittelt und/oder ausgelesen wird, insbesondere während die Kompensationsschaltung 30 deaktiviert ist bzw. ohne dass eine Kompensation mithilfe der Kompensationsschaltung 30 stattfindet.
Ferner kann das Sensorsystem zur Ausführung einer Quadraturtrimmung konfiguriert sein, wobei bei der Quadraturtrimmung der Quadratur-Kompensationswert 31 ermittelt wird. Der Quadratur-Kompensationswert 31 kann dann von der Kompensationsschaltung 30 verwendet werden, um das kompensierte digitale Quadratur-Signal zu ermitteln bzw. auszulesen. Hierfür wird die Kompensationsschaltung 30 mithilfe der Steuereinrichtung 45 aktiviert, um den Quadratureinfluss auf das analoges Quadratur-Signal zu kompensieren. Dieses kompensierte Quadratur-Signal wird digitalisiert und kann als kompensiertes digitales Quadratur-Signal ausgelesen werden.
Die Steuereinrichtung 45 steuert ferner die erste Stufe der Erfassungsschaltung 20 bzw. Ausleseschaltung an, insbesondere den C/V-Converter 27, um den Verstärkungsfaktor für die Erfassung des unkompensierten bzw. des kompensierten digitalen Quadratur-Signals zu variieren.
Der ZRO-Kompensationswert 41 kann in Abhängigkeit des ermittelten unkompensierten digitalen Quadratur-Signals und des ermittelten kompensierten digitalen Quadratur-Signals bestimmt werden. Zur Bestimmung und Speicherung des ZRO-Kompensationswertes 41 sind Schaltungsmittel 42, 43, 44 vorgesehen.
Es ist möglich, dass die Schaltungsmittel 42, 43, 44 derart konfiguriert sind, dass der ZRO-Kompensationswert 41 als skalierte Differenz zwischen dem unkompensierten digitalen Quadratur-Signal und dem kompensierten digitalen Quadratur-Signal ermittelt wird. Ein Skalierungsfaktor Cqc zur Skalierung der Differenz kann dabei einen von eins verschiedenen Wert haben. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Skalierungsfaktor Cqc den Wert eins hat.
Die Schaltungsmittel 42, 43, 44 umfassen in der dargestellten Ausführungsform einen Speicher 43 für das unkompensierte und das kompensierte digitale Quadratur-Signal (und/oder für eine Differenz des unkompensierten und das kompensierten digitalen Quadratur-Signals), einen Rechner bzw. Calculator 44 zum Bestimmen der Differenz, und einen Speicher 42 für den ZRO-Kompensationswert 41.
Die Ermittlung des Quadratur-Kompensationswertes 31 und/oder des ZRO-Kompensationswertes 41 kann werkseitig, insbesondere bei der Herstellung des Sensorsystems, und/oder im Einsatz bzw. in der Applikation des Sensorsystems durchführbar sein.
In 3 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Ausführungsform gemäß 3 entspricht im Wesentlichen der in 2 dargestellten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in der 2 dargestellten Ausführungsform wird der ZRO-Kompensationswert 41 jedoch unter Berücksichtigung der Betriebstemperatur des Sensorsystems mithilfe der Temperaturkoeffizienten COqc, Clqc angepasst. Die Anpassung durch die Koeffizienten kann beispielsweise in erster Ordnung, aber auch in einer höheren Ordnung erfolgen. Somit ist es denkbar, eine besonders präzise Ermittlung und Anpassung des ZRO-Kompensationswertes 41 über verschiedene Temperaturen zu ermöglichen.
In 4 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Ausführungsform gemäß 4 entspricht im Wesentlichen der in 2 dargestellten Ausführungsform. Im Unterschied zu der in der 2 dargestellten Ausführungsform findet die Kompensation des Quadratureinflusses auf das analoge Quadratur-Signal durch Anlegen einer mechanischen Kraft an das schwingende Element 2 statt, wobei die Stärke der Kraft entsprechend dem Quadratur-Kompensationswert 31 gewählt wird. Hierbei ist die Kompensationsschaltung 30 mit dem schwingenden Element 2 des Gyroskops 1 derart gekoppelt, dass die mechanische Kraft an das schwingende Element 2 angelegt werden kann. Auch in diesem Fall werden für das Sensorsystem im Mess-Betriebsmodus sowohl der Quadratur-Kompensationswert 31 als auch der ZRO-Kompensationswert 41 verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7290435 B2 [0005]
US 9410806 B2 [0006]
US 2019/0265036 A1 [0007]

Claims

Sensorsystem, umfassend: - eine analoge Verarbeitungsanordnung umfassend: --- eine Antriebsschaltung (10), die zur Erzeugung eines analogen Antriebssignals zum Antreiben eines schwingenden Elements (2) eines mikro-elektromechanischen Gyroskops (1) konfiguriert ist; --- eine Erfassungsschaltung (20), die mit der Antriebsschaltung (10) und dem schwingenden Element (2) gekoppelt ist, wobei die Erfassungsschaltung (20) derart konfiguriert ist, dass sie aus einem vom Gyroskop (1) erfassten Signal ein analoges Drehraten-Signal und ein analoges Quadratur-Signal erzeugt; --- einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler (21, 21'), die mit der Erfassungsschaltung (20) gekoppelt und derart konfiguriert sind, dass sie das analoge Drehraten-Signal und das analoge Quadratur-Signal in ein digitales Drehraten-Signal (22) und ein digitales Quadratur-Signal (23) umwandeln; --- eine Kompensationsschaltung (30), die in einem Mess-Betriebsmodus des Sensorsystems derart konfiguriert ist, dass sie einen Quadratureinfluss auf das analoge Quadratur-Signal unter Verwendung zumindest eines Quadratur-Kompensationswertes (31) kompensiert; und - eine digitale Verarbeitungsanordnung, die mit der analogen Verarbeitungsanordnung gekoppelt ist, wobei die digitale Verarbeitungsanordnung eine digitale Verarbeitungsschaltung (40) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Verarbeitungsschaltung (40) in dem Mess-Betriebsmodus des Sensorsystems derart konfiguriert ist, dass sie einen temperaturabhängigen quadraturinduzierten Null-Ratenoffset ZRO (zero rate offset) des digitalen Drehraten-Signals (22) unter Verwendung mindestens eines ZRO-Kompensationswertes (41) und Temperaturinformationen kompensiert.
Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Quadratur-Kompensationswert (31) unterschiedlich von dem ZRO-Kompensationswert (41) ist.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem des Weiteren umfasst: a. eine Steuereinrichtung (45) zum Umschalten zwischen dem Mess-Betriebsmodus und einem ZRO-Trimm-Modus, in dem die Kompensationsschaltung (30) wahlweise deaktiviert und wieder aktiviert wird und in dem keine Kompensation des temperaturabhängigen quadraturinduzierten Offsets des digitalen Drehraten-Signals (22) erfolgt, und b. Schaltungsmittel (42, 43, 44) zum Bestimmen des ZRO-Kompensationswertes (41), wobei der ZRO-Kompensationswert (41) auf der Basis eines Vergleichs zwischen einem im ZRO-Trimm-Modus erfassten, unkompensierten digitalen Quadratur-Signal und einem im ZRO-Trimm-Modus erfassten, kompensierten digitalen Quadratur-Signal ermittelt wird.
Sensorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel (42, 43, 44) derart konfiguriert sind, dass der ZRO-Kompensationswert (41) als skalierte Differenz zwischen dem unkompensierten digitalen Quadratur-Signal und dem kompensierten digitalen Quadratur-Signal ermittelt wird.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem einen Temperatursensor (60) zum Erfassen der aktuellen Betriebstemperatur umfasst und dass die digitale Verarbeitungsschaltung (40) derart konfiguriert ist, dass der ZRO-Kompensationswert (41) unter Berücksichtigung der aktuellen Betriebstemperatur des Sensorsystems mithilfe eines oder mehrerer Temperaturkoeffizienten (C1, C0, C0qc, C1qc) angepasst wird.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (30) mit der Erfassungsschaltung (20) gekoppelt ist, wobei die Kompensationsschaltung (30) derart konfiguriert ist, dass die Kompensationsschaltung (30) das analoge Quadratur-Signal unter Verwendung eines analogen Antriebs-Signals und des Quadratur-Kompensationswertes (31) kompensiert.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (30) mit dem schwingenden Element (2) des Gyroskops (1) gekoppelt ist und dass die Kompensationsschaltung (30) derart konfiguriert ist, dass die Kompensation des Quadratureinflusses auf das analoge Quadratur-Signal durch Anlegen einer mechanischen Kraft an das schwingende Element (2) erfolgt, wobei die Stärke der Kraft entsprechend dem Quadratur-Kompensationswert (31) gewählt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Mess-Betriebsmodus, dadurch gekennzeichnet, dass ein Quadratureinfluss auf das analoge Quadratur-Signal und ein temperaturabhängiger quadraturinduzierter Null-Ratenoffset ZRO des digitalen Drehraten-Signals (22) kompensiert werden, wobei der Quadratureinfluss auf das analoge Quadratur-Signal unter Verwendung zumindest eines Quadratur-Kompensationswertes (31) kompensiert wird und wobei der temperaturabhängige quadraturinduzierte Null-Ratenoffset ZRO des digitalen Drehraten-Signals (22) unter Verwendung eines ZRO-Kompensationswertes (41) und unter Verwendung von Temperaturinformationen kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Betriebstemperatur des Sensorsystems erfasst wird und dass der ZRO-Kompensationswert (41) unter Berücksichtigung der aktuellen Betriebstemperatur des Sensorsystems mithilfe eines oder mehrerer Temperaturkoeffizienten (C1, C0, COqc, C1qc) angepasst wird.
Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7 in einem ZRO-Trimm-Modus zum Bestimmen mindestens eines ZRO-Kompensationswertes (41) zur Kompensation eines temperaturabhängigen quadraturinduzierten Null-Ratenoffsets ZRO des digitalen Drehraten-Signals (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (30) mit Hilfe der Steuereinrichtung (45) deaktiviert wird, um ein unkompensiertes analoges Quadratur-Signal zu erfassen und zu digitalisieren, dass die Kompensationsschaltung (30) mit Hilfe der Steuereinrichtung (45) aktiviert wird, um den Quadratureinfluss auf ein analoges Quadratur-Signal zu kompensieren, dass dieses kompensierte Quadratur-Signal digitalisiert wird, dass dann mit Hilfe der Schaltungsmittel (42, 43, 44) das unkompensierte digitale Quadratur-Signal und das kompensierte digitale Quadratur-Signal miteinander verglichen werden und dass der ZRO-Kompensationswert (41) auf Basis dieses Vergleichs bestimmt wird.