DE102020206003A1

DE102020206003A1 - Verfahren zum Betreiben eines mikroelektromechanischen Gyroskops, Gyroskop

Info

Publication number: DE102020206003A1
Application number: DE102020206003.7A
Authority: DE
Inventors: Manuel Dietrich; Wolfgang Schmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2021-11-18
Also published as: US20210356272A1; CN113670285A

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines mikroelektromechanischen Gyroskops• mit mindestens einer zu Schwingungen anregbaren Masse 2 zum Erfassen von Messwerten,• mit mindestens einer Antriebsschaltung 3' zum Anregen und Aufrechterhalten einer Schwingungsbewegung der Masse 2, und• mit mindestens einer Ausleseschaltung 5 für die erfassten Messwerte; dadurch gekennzeichnet, dass die Masse 2 in mindestens einem Betriebsmodus des Gyroskops gepulst angetrieben wird und koordiniert dazu Messwerte ausgelesen werden, indem folgende Phasen zyklisch wiederholt werden:a. eine Anlaufphase, in der die Antriebsschaltung 3' aktiviert und betrieben wird, bis die Masse 2 eine definierte Schwingungsbewegung mit einer vorgegebenen ersten Zielamplitude ausführt,b. eine Messphase, in der die Antriebsschaltung 3' so betrieben wird, dass die definierte Schwingungsbewegung der Masse 2 aufrechterhalten wird, und in der Messwerte erfasst werden und von der Ausleseschaltung ausgelesen werden, undc. eine Ruhephase, in der die Antriebsschaltung 3' zumindest teilweise deaktiviert wird, wobei die Dauer der Ruhephase so gewählt wird, dass die Amplitude der Schwingungsbewegung der Masse 2 nicht auf null absinkt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Gyroskops nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) kommen als Sensoren in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz. Beispielsweise können mit MEMS-Gyroskopen Rotationsbewegungen gemessen werden. Zur Erkennung von Rotationsbewegungen benötigen MEMS-Gyroskope aktiv bewegte Massen, die eine anliegende Drehbewegung in eine resultierende und detektierbare Corioliskraft transformieren. Zur geregelten Anregung dieser Bewegung wird elektrische Energie benötigt, die einen Großteil der Gesamtstromaufnahme des Sensors darstellt. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird dabei typischerweise auf eine konstante Schwingamplitude der bewegten Masse abgezielt, die während des Betriebs des Sensors gehalten wird. Zum Erreichen einer konstanten und stabilen Zielschwingamplitude werden Zeiten von bis zu 100 ms benötigt. Erst danach stehen stabile Drehratensignale zur Verfügung.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Gyroskops und ein Gyroskop bereitzustellen, welche einen energiesparenden und/oder kosteneffizienten Betrieb ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Gyroskops gemäß Anspruch 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein gepulster Betriebsmodus erzielbar ist, bei dem die Antriebsschaltung während eines Einsatzes des Gyroskops zeitweise zumindest teilweise deaktiviert werden kann, sodass der Stromverbrauch der Antriebsschaltung bzw. Antriebsregelung des Systems sinkt. Gleichzeitig kann der Energieverbrauch - während des Einschwingens der Masse auf eine erste Zielamplitude - geringgehalten werden, da das MEMS während des Betriebs nicht regelmäßig aus einer Ruheposition neu angeregt werden muss. Dies kann erfindungsgemäß dadurch erzielt werden, dass die Dauer der Ruhephase derart gewählt wird, dass die Antriebsschaltung reaktiviert wird bevor die Amplitude der Schwingungsbewegung der Masse auf null abgesunken ist, also bevor die Masse zur Ruhe gekommen ist. Somit ergibt sich ein insgesamt besonders stromsparendes Verfahren zum Betrieb des Gyroskops, wobei gleichzeitig präzise Messungen durchgeführt werden können.
Es ist erfindungsgemäß insbesondere denkbar, dass die Antriebsschaltung während einer Anlaufphase (a.) aktiviert wird bis die Masse eine definierte Schwingungsbewegung mit einer vorgegebenen ersten Zielamplitude ausführt. Auch während einer Messphase (b.) ist Antriebsschaltung bevorzugt derart aktiviert, dass die Antriebschaltung ein elektrisches Antriebsignal liefert, mit dem die schwingende Masse zu einer Schwingungsbewegung mit der ersten Zielamplitude angeregt wird. Während der Ruhephase (c.) wird die Antriebsschaltung vorzugsweise zumindest derart teilweise deaktiviert, dass das elektrische Antriebssignal nicht ausgeben wird und die schwingende Masse dementsprechend nicht angetrieben wird. Nach Abschaltung des elektrischen Antriebssignals verringert sich die Amplitude der Schwingung der Masse in Abhängigkeit der Güte der Massenschwingung. Bei einer hohen Güte verringert sich die Amplitude nur vergleichsweise langsam. Während kein elektrisches Antriebssignal von der Antriebsschaltung ausgegeben wird, wird erfindungsgemäß vorteilhafterweise Strom gespart. Bevor die Amplitude der Schwingungsbewegung der Masse auf null abfällt (also bevor die Schwingung vollständig abgeklungen ist), endet die Ruhephase und die Antriebschaltung wird wieder aktiviert, sodass die Antriebschaltung wieder ein elektrisches Antriebsignal liefert, mit dem die schwingende Masse angetrieben wird. Hierdurch kann beim erneuten Erhöhen der Amplitude auf die erste Zielamplitude Strom und Zeit gespart werden, da die Masse nicht aus ihrer Ruhelage bzw. einer statischen Position angeregt werden muss, sondern noch eine Restschwingung ausführt.
Es kann somit erfindungsgemäß ein besonders energieeffizientes Verfahren bereitgestellt werden, welches Vorteile gegenüber Verfahren bietet, bei denen zeitweise lediglich Teile eines Pfades zur Messung der Drehratensignale abgeschaltet werden, der Antrieb aber weiter auf einer konstanten Zielamplitude gehalten wird.
Ferner bietet das erfindungsgemäße Verfahren Vorteile gegenüber Verfahren, bei denen ein DutyCycling verwendet wird, bei dem die Antriebsbewegung in den Ruhephasen zum Erliegen kommt. Bei einem solchen Verfahren müsste die Masse periodisch aus dem Stillstand heraus gestartet werden, was nachteilig zu langen Zykluszeiten, sehr geringen Wiederholraten und einem erhöhten Stromverbrauch beim jeweiligen Erhöhen der Schwingungsamplitude aus der Ruhelage heraus führt. Erfindungsgemäß kann stattdessen die Antriebsschaltung reaktiviert werden bevor die Amplitude der Schwingungsbewegung der Masse auf null abgesunken ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Dauer der Ruhephase so gewählt wird, dass die Amplitude der Schwingungsbewegung der Masse höchstens bis auf einen vorgegebenen Amplitudenschwellwert größer Null abklingt. Der Amplitudenschwellwert kann insbesondere als Restschwingungsamplitude verstanden werden, auf die die Amplitude am Ende der Ruhephase minimal absinkt. Es ist dabei bevorzugt denkbar, dass der Amplitudenschwellwert durch eine Wahl der Dauer der Ruhephase vorgegeben werden kann. Dies ist besonders dann vorteilhaft möglich, wenn die Güte des Systems bzw. das Abklingverhalten der Schwingungsbewegung bekannt ist. Es ist alternativ oder zusätzlich jedoch auch denkbar, dass der Amplitudenschwellwert unmittelbar festlegbar ist und beispielsweise über Messungen ermittelbar ist.
Es ist beispielsweise bevorzugt denkbar, dass der Amplitudenschwellwert bzw. die Restschwingamplitude einem Wert zwischen einschließlich 20 % und 80 % der ersten Zielamplitude entspricht. Der Amplitudenschwellwert ist insbesondere abhängig vom Design des Gyroskops, der Güte des Oszillators, den elektrischen Eigenschaften des MEMS, der Zielamplitude, der Leistungsfähigkeit der Antriebsschaltung im Hinblick auf eine Energieeinspeisung in die Antriebsbewegung, usw.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass zumindest die Dauer der einzelnen Phasen a., b., und c. und/oder die erste Zielamplitude und/oder Regelparameter zur Regelung der Schwingungsbewegung der Masse und/oder Filterparameter für das Auslesen der Messwerte in Form eines Parametersatzes für die Antriebsschaltung und/oder die Ausleseschaltung vorgegeben werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass durch Wahl unterschiedlicher Parametersätze für die Antriebsschaltung und/oder die Ausleseschaltung mehrere Betriebsmodi mit gepulst angetriebener Masse realisierbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass zumindest die Dauer der einzelnen Phasen a., b., und/oder c, und/oder die erste Zielamplitude und/oder Regelparameter zur Regelung der Schwingungsbewegung und/oder Filterparameter für das Auslesen der Messwerte im Hinblick auf eine möglichst geringe Stromaufnahme und eine angestrebte Güte der Messwerte automatisch optimiert werden. Vorzugsweise wird Dauer der Ruhephase mit geringem Stromverbrauch im Verhältnis zu den aktiven Zeitfenstern, einerseits so optimiert, dass die zeitlich integrierte Gesamt-Stromaufnahme möglichst gering wird. Andererseits ist das Verhältnis bevorzugt derart zu wählen, dass die Restamplitude der Masse nach der Ruhephase (bzw. am Ende der Ruhephase), also der Amplitudenschwellwert, noch möglichst hoch ist, um das notwendige Anlaufphase möglichst kurzzuhalten. Es ist besonders bevorzugt denkbar, dass eine automatische Optimierung der einzelnen Phasen a., b., und/oder c, und/oder der ersten Zielamplitude und/oder Regelparameter zur Regelung der Schwingungsbewegung und/oder Filterparameter für das Auslesen der Messwerte im Betrieb des Gyroskops stattfindet und nicht werkseitig bei der Fabrikation des Gyroskops. Somit ist eine flexible Anpassung und Optimierung möglich.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass zumindest während der Messphase, Messwerte, insbesondere betreffend eine Rotationsbewegung und/oder eine Drehrate, gemessen werden. Somit kann eine vorteilhafte Messung erfolgen, während die Masse mit ihrer festen und vorzugsweise wählbaren ersten Zielamplitude schwingt. Durch derartige konstante Messbedingungen können präzise Messungen durchgeführt werden. Zur Erfassung der Messdaten ist ein Detektionsmittel, insbesondere ein Coriolis- und/oder Drehratendetektionsmittel, im oder am Gyroskop vorgesehen. Ein Signal des Detektionsmittels wird vorzugsweise einer Ausleseschaltung, Messeinrichtung bzw. Messeinheit bereitgestellt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass zumindest in der Anlaufphase a. und/oder in der Ruhephase c. Messwerte erfasst und von der Ausleseschaltung ausgelesen und gewichtet werden, wobei die Wichtung der Messwerte auf Basis des Verhältnisses von aktueller Amplitude zu erster Zielamplitude erfolgt. Hierdurch ist es insbesondere denkbar, dass vor und/oder nach der Messphase - insbesondere während die Masse noch nicht oder nicht mehr mit der ersten Zielamplitude schwingt - Messwerte erfasst werden. Entsprechend ist es in vorteilhafter Weise denkbar, dass die Dauer der Messphase am Gesamtzyklus verringert werden kann, wodurch besonders vorteilhaft Energie gespart werden kann. Da die Messwerte während der Anlaufphase a. und/oder der Ruhephase c. jedoch bei einer Amplitude aufgenommen werden, die nicht der ersten Zielamplitude entspricht, werden die in der Anlaufphase und/oder Ruhephase aufgenommenen Messwerte bevorzugt einer Wichtung und/oder Skalierung unterzogen. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Wichtung derart vorgenommen wird, dass Messwerte - mit größer werdendem Abstand der momentanen Amplitude (bei der ein Messwert aufgenommen wird) von der ersten Zielamplitude - geringer gewichtet werden. Somit können Messwerte, die bei der ersten Zielamplitude ermittelt werden, höher gewichtet werden als Messwerte, die entfernt von der ersten Zielamplitude aufgenommen werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass nur während eines vorgegebenen Zeitintervalls innerhalb der Anlaufphase a. und/oder während eines weiteren vorgegebenen Zeitintervalls innerhalb der Ruhephase c. Messwerte erfasst und von der Ausleseschaltung ausgelesen und gewichtet werden. Somit kann ein Zeitfenster bestimmt werden, in dem Messwerte während der Anlaufphase und/oder Ruhephase ermittelt werden. Es kann somit insbesondere vorteilhafterweise verhindert werden, dass Messwerte bei einer zu geringen aktuellen Schwingungsamplitude ermittelt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass zumindest in der Anlaufphase a. und/oder in der Ruhephase c. geprüft wird, ob die aktuelle Amplitude größer ist als ein vorgegebener Mindestamplitudenwert und dass, nur wenn die aktuelle Amplitude größer ist als der vorgebbare Mindestamplitudenwert, Messwerte erfasst und von der Ausleseschaltung ausgelesen und gewichtet werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass beim Auslesen der Messwerte breitbandige Filter mit geringen Laufzeiten und hohen Ausgangsfrequenzen genutzt werden, so dass pro Zyklus des Betriebsmodus mit gepulst angetriebener Masse mindestens ein gefilterter Messwert zur Verfügung steht.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die ausgelesenen Messwerte weiterverarbeitet werden, wobei Mittelwerte über jeweils eine vorgebbare Anzahl von Messwerten gebildet werden und/oder eine Standardabweichung der Messwerte von einem Mittelwert bestimmt wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Gyroskop wahlweise in mindestens einem Betriebsmodus mit gepulst angetriebener Masse oder in mindestens einem weiteren Betriebsmodus mit kontinuierlich angetriebener Masse betrieben wird, wobei in diesem weiteren Betriebsmodus zumindest in definierten Zeitintervallen eine definierte Schwingungsbewegung der Masse mit einer vorgegebenen zweiten Zielamplitude aufrechterhalten wird. Während des kontinuierlichen Betriebsmodus wird die Masse vorzugsweise dauerhaft und/oder kontinuierlich mithilfe der Antriebschaltung angetrieben und auf der zweiten Zielamplitude gehalten, insbesondere ohne dass die Antriebsschaltung während des kontinuierlichen Betriebsmodus zeitweise abgeschaltet wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in dem mindestens einen Betriebsmodus mit gepulst angetriebener Masse und in dem mindestens einen weiteren Betriebsmodus mit kontinuierlich angetriebener Masse unterschiedliche Parametersätze für die Antriebsschaltung und/ für die Ausleseschaltung verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass für die erste Zielamplitude im Betriebsmodus mit gepulst angetriebener Masse und für die zweite Zielamplitude im weiteren Betriebsmodus mit kontinuierlich angetriebener Masse der gleiche Amplitudenwert oder unterschiedliche Amplitudenwerte gewählt werden. Es kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung insbesondere denkbar sein, dass sich die erste Zielamplitude im gepulsten Betriebsmodus von der zweiten Zielamplitude im kontinuierlichen Betriebsmodus unterscheidet. Dies führt zu einer Änderung der entstehenden Corioliskraft bei konstanter Rotation. In diesem Fall muss der Datenpfad eine Anpassung des Ausgangssignals auf die modifizierte Eingangsempfindlichkeit ermöglichen. Hierfür kann eine entsprechende Konfigurierbarkeit und Umschaltbarkeit durch eine digitale Logik vorgesehen sein. Es werden entsprechend besonders bevorzugt unterschiedliche Parametersätze für die Antriebsschaltung und/oder für die Ausleseschaltung für die unterschiedlichen Betriebsmodi verwendet.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi Benutzer-initiiert oder automatisch, Ereignis-basiert erfolgt. Somit kann flexibel zwischen einem gepulsten Betriebsmodus und einem kontinuierlichen Betriebsmodus gewechselt werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gyroskop mit mindestens einer zu Schwingungen anregbaren Masse zum Erfassen von Messwerten,
mit mindestens einer Antriebsschaltung zum Anregen und Aufrechterhalten einer Schwingungsbewegung der Masse, und mit mindestens einer Ausleseschaltung für die erfassten Messwerte; gekennzeichnet durch mindestens einen Betriebsmodus, in dem die Masse gepulst angetrieben wird und koordiniert dazu Messwerte ausgelesen werden, indem folgende Phasen zyklisch wiederholt werden:

a. eine Anlaufphase, in der die Antriebsschaltung aktiviert und betrieben wird, bis die Masse eine definierte Schwingungsbewegung mit einer vorgegebenen ersten Zielamplitude ausführt,
b. eine Messphase, in der die Antriebschaltung betrieben wird, so dass die definierte Schwingungsbewegung der Masse aufrechterhalten wird, und in der Messwerte erfasst werden und von der Ausleseschaltung ausgelesen werden, und
c. eine Ruhephase, in der die Antriebschaltung zumindest teilweise deaktiviert wird, wobei die Dauer der Ruhephase so gewählt wird, dass die Amplitude der Schwingungsbewegung der Masse nicht auf null absinkt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Antriebsschaltung und/oder die Ausleseschaltung umkonfigurierbar sind, so dass wahlweise mindestens ein Betriebsmodus mit gepulst angetriebener Masse realisierbar ist und/oder mindestens ein weiterer Betriebsmodus mit kontinuierlich angetriebener Masse realisierbar ist, in dem zumindest in definierten Zeitintervallen eine definierte Schwingungsbewegung der Masse mit einer vorgegebenen zweiten Zielamplitude aufrechterhalten wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass durch eine Betriebsmodus-Steuereinheit, die das Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi steuert und die der Antriebsschaltung und/oder der Ausleseschaltung für den jeweils ausgewählten Betriebsmodus einen Parametersatz zur Verfügung stellt, durch den zumindest die Dauer der einzelnen Phasen a., b., und c. bei gepulst angetriebener Masse und/oder die Zielamplitude und/oder Regelparameter zur Regelung der Schwingungsbewegung und/oder Filterparameter für das Auslesen der Messwerte vorgegeben werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Gyroskop mindestens eine Speichereinheit umfasst, in der mindestens ein Parametersatz zur Konfiguration der Antriebsschaltung und/oder der Ausleseschaltung abspeicherbar ist. Es ist dabei denkbar, dass die Speichereinheit Teil eines Benutzergeräts ist, in dem das Gyroskop verbaut ist, und/oder dass die Speichereinheit zum Gyroskop gehört oder explizit dem Gyroskop zugeordnet ist. Es werden bevorzugt mindestens ein kontinuierlicher Betriebsmodus und ein oder mehrere gepulste Betriebsmodi unterstützt, wobei mithilfe unterschiedlicher Parametersätze für Antriebs- und/oder Ausleseschaltung zwischen den verschiedenen Betriebsmodi gewechselt werden kann. Derartige unterschiedliche Parametersätze können vorteilhafterweise in der Speichereinheit abgespeichert werden.
Für das Gyroskop können dabei die Merkmale, Ausführungsformen und Vorteile Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Gyroskops, oder im Zusammenhang mit einer Weiterbildung des Verfahrens 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 Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
2 eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines mikroelektromechanischen eines Gyroskops gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die dargestellte Ausführungsform umfasst eine Messphase 101, Ruhephase 102, Anlaufphase 103 sowie einen Zeitraum 104 und einen weiteren Zeitraum 107.
Das mikroelektromechanischen System 1 bzw. Gyroskop umfasst eine schwingende Masse 2, die mithilfe einer Antriebsschaltung 3' zu einer Schwingungsbewegung angeregt werden kann. Während der Messphase 101 ist die Antriebsschaltung 3' derart aktiviert, dass die Antriebschaltung 3' ein elektrisches Antriebsignal liefert, mit dem die schwingende Masse 2 zu einer Schwingung mit einer ersten Zielamplitude angeregt wird. Entsprechend schwingt die Masse 2 in der Messphase 101 mit der ersten Zielamplitude. Während der Messphase 101 wird eine Drehratenmessung durchgeführt und es werden Messwerte des Gyroskops ermittelt. Hierfür umfasst das Gyroskop ein Detektionsmittel 6, insbesondere ein Coriolis- und/oder Drehratendetektionsmittel. Über die Anzahl der gemessenen Drehraten-Samples und die Einstellung der Filter 7 lässt sich der Modus zwischen einer geringen Stromaufnahme durch eine kurze Messdauer auf der einen und der Güte der Messdaten (z.B. Rauschen) auf der anderen Seite optimieren. Die Messdaten werden entweder direkt zur Verfügung gestellt oder es erfolgt der Übergang in das optionale Post-Processing Zeitfenster (Übergang zum Zeitraum 104). Der Zeitraum 104, also das Post-Processing der Messwerte, kann als Teil der Messphase und/oder der Ruhephase ausgebildet sein. Die Stromaufnahme während der Messphase 101 ist vergleichsweise hoch, da die schwingende Masse 2 auf der ersten Zielamplitude gehalten wird.
Nach der Messphase 101 wird Antriebsschaltung 3' zumindest teilweise deaktiviert und bleibt während der Ruhephase 102 zumindest teilweise derart deaktiviert, dass das elektrische Antriebssignal während der Ruhephase 102 von der Antriebsschaltung 3' nicht ausgeben wird und die schwingende Masse 2 entsprechend nicht angetrieben wird. Folglich verringert sich die Schwingamplitude der Masse 2 während der Ruhephase 102 entsprechend einer Güte der Massenschwingung. Bei hoher Güte verringert sich die Amplitude nur langsam. Die Länge der Ruhephase 102 kann vorteilhafterweise so optimiert werden, dass die Ruhephase 102 einerseits einen großen Anteil am Zyklus hat, andererseits aber noch eine ausreichende Restschwingamplitude vorhanden ist, um die anschließende Anlaufphase 103 zu verkürzen. Die Stromaufnahme Ruhephase 102 ist sehr gering. Die Optimierung der Dauer der Ruhephase 102 im Zusammenspiel mit den anderen Zeitfenstern des Gesamtzyklus kann durch eine Selbstoptimierung der Dauer der Phasen (und insbesondere der Ruhephase 102) durch eine entsprechende Logik stattfinden. Alternativ oder zusätzlich kann vorab auf Basis von Experimenten oder Simulationen eine Optimierung durchgeführt werden.
Zum Ende der Ruhephase 102 ist die Amplitude der Schwingung der schwingenden Masse 2 auf eine Restamplitude bzw. einen Amplitudenschwellwert abgesunken. Die Masse 2 schwingt jedoch noch und ist nicht in Ruhe. Bevor die Amplitude der Schwingung der Masse 2 auf null abfällt, also vollständig abgeklungen ist, wird die Antriebsschaltung 3' am Ende der Ruhephase 102, insbesondere bei Erreichen des Amplitudenschwellwerts, derart reaktiviert, dass die Antriebschaltung 3' wieder ein elektrisches Antriebsignal liefert, mit dem die schwingende Masse 2 angetrieben wird.
Zu Beginn der Anlaufphase 103 schwingt die Antriebsmasse 2 des Gyroskops 1 daher noch, jedoch mit einer Amplitude, die kleiner ist als die erste Zielamplitude. Die Antriebsschaltung 3' wird mit einem speziell auf den gepulsten Betriebsmodus optimierten Regler-Parametersatz reaktiviert, um die Schwingamplitude auf die erste Zielamplitude zu erhöhen und dort zu stabilisieren. Die Stromaufnahme in der Anlaufphase 103 ist vergleichsweise hoch.
Der weitere Zeitraum 107 beginnt bevorzugt, sobald eine Überwachung 3 der Antriebsschaltung 3' ein baldiges Erreichen der ersten Zielamplitude signalisiert. Nun wird der Zustand der einzelnen Regelglieder genau überwacht. Meldet die Überwachung 3 den stabilen Betrieb auf der ersten Zielamplitude, erfolgt der Übergang zur Messphase 101. Über die Wahl der Überwachungsparameter erfolgt eine Optimierung zwischen der Dauer des Zeitraums und der Qualität der Amplitudenstabilität. Die Stromaufnahme im weiteren Zeitraum 107 ist weiterhin vergleichsweise hoch, sinkt gegenüber der restlichen Anlaufphase 103 aber leicht ab, da die benötigte Antriebsleistung bereits sinkt. Der weitere Zeitraum 107 kann auch als Teil der Anlaufphase 103 verstanden werden.
Zwischen der Messphase 101 und der Ruhephase und/oder als Teil der Messphase 101 und/oder der Ruhephase 102 ist optional der Zeitraum 104 vorgesehen. Während des Zeitraums 104 kann mithilfe einer Nachbearbeitungseinrichtung 8 eine Ausgabe der Messwerte des Gyroskops angepasst werden. Beispielsweise kann hier der Mittelwert der Messwerte ermittelt und ausgegeben werden oder es können Korrekturen des Messwertes bzw. der Messwerte durchgeführt werden. Der Übergang zur Ruhephase 102 kann insbesondere auch bereits zum Start des Zeitraums 104 erfolgen (paralleler Start der Ruhephase 102 und Zeitraums 104). Die Stromaufnahme kann dadurch bereits auf ein vergleichbar geringes Niveau, wie in der Ruhephase 102, reduziert werden. Der Zeitraum 104 kann auch als Teil der Ruhephase 102 verstanden werden.
Die Zeiträume bzw. Phasen 101, 102, 103, 104, 107 können zyklisch bzw. periodisch wiederholt werden, sodass ein gepulster Betriebsmodus realisiert wird. Insbesondere werden bei einem weiteren Durchlauf, also in einem weiteren Zyklus, somit eine weitere Messphase 101', weitere Ruhephase 102', weitere Anlaufphase 103', sowie optional ein zusätzlicher weiterer Zweitraum 107' und optional ein zusätzlicher Zeitraum 104' durchlaufen.
Neben dem gepulsten Betriebsmodus, umfassend die Phasen und Zeiträume 101, 102, 103 und optional 107, 104, kann das System ferner in einem kontinuierlichen Betriebsmodus betrieben werden. Im kontinuierlichen Betriebsmodus wird die schwingende Masse 2 mithilfe der Antriebseinheit 3' zu einer kontinuierlichen Schwingung mit einer zweiten Zielamplitude angeregt. Die zweite Zielamplitude des kontinuierlichen Betriebsmodus kann von der ersten Zielamplitude in der Messphase 101 des gepulsten Betriebsmodus verschieden sein oder alternativ der ersten Zielamplitude entsprechen. Die Zeitfenster 105, 106 stellen beispielhaft den Übergang von der Ruhelage der Masse 2 (bei einem Start des Messprozesses) oder von dem kontinuierlichen Betriebsmodus in den gepulsten Betriebsmodus dar (oder umgekehrt). Abhängig vom vorherigen Zustand der bewegten Masse 2 kann der Wechsel in den Zyklus des gepulsten Betriebsmodus an verschiedenen Stellen erfolgen. Befindet sich die Masse 2 bzw. der Antrieb in Ruhe, wird vorzugsweise in Zeitfenster 105 ein Start aus der Ruhelage mit den dafür benötigten Regelparametern durchgeführt. Der Einstieg in den Zyklus des gepulsten Betriebsmodus erfolgt hierbei beispielsweise im weiteren Zeitraum 107. Ist der Antrieb bzw. die Masse 2 bereits ausgelenkt (da das System vorher im kontinuierlichen Betriebsmodus betrieben wurde), bietet sich gemäß Zeitfenster 106 bevorzugt ein Einstieg in den Zyklus des gepulsten Betriebsmodus in der Ruhephase 102 an. Der Wechsel zwischen kontinuierlichem Betriebsmodus und gepulstem Betriebsmodus kann Benutzer-initiiert, automatisch und/oder Ereignis-basiert erfolgen.
Vorzugsweise ist die Gesamt-Zyklusdauer auch bei einer Anpassung der einzelnen Phasen auf einen konstanten Wert optimierbar, um der Anwendung 11 mit einer konstanten Ausgangsfrequenz Drehraten-Messwerte zur Verfügung stellen zu können, falls dies benötigt wird.
Vorzugsweise werden in den Phasen und Zeiträumen 101, 102, 103, 104, 107 nicht benötigte Schaltungsteile deaktiviert, um die Gesamtstromaufnahme weiter zu reduzieren. Beispielsweise ist zumindest teilweise während der Anlaufphase 103 und ggf. des weiteren Zeitraums 107 die Funktionsblöcke der Messeinrichtung 5, des Filters 7 und der Nachbearbeitungseinrichtung 8 deaktiviert werden, sofern diese nicht benötigt werden.
Je nach Anwendung können verschiedene Parametersätze und Zyklus-Einstellungen hinterlegt und abgefahren werden. Zum Beispiel kann die Gesamtzykluszeit unter Anpassung der einzelnen Phasen bzw. Zeiträume änderbar oder umschaltbar ausgeführt werden. Dazu werden bevorzugt mehrere Parametersätze für die Antriebsschaltung und/oder Ausleseschaltung in einer Speichereinheit 9 bzw. Einstelleinheit hinterlegt, die nach Bedarf ausgewählt werden können. Die Gesamtzyklusdauer kann so beispielsweise von 40 ms (25 Hz) auf 20 ms (50 Hz) auch während des Einsatzes des Gyroskops umgeschaltet werden, falls dies für die Anwendung 11 oder eine andere Anwendung benötigt wird. In einem anderen Fall kann beispielsweise bei einer höheren Gesamtstromaufnahme der Anteil der Messphase 101 verlängert werden, um die Messqualität zu verbessern.
Das Laden der Parametersätze, der Antriebsregler, die Überwachung der Regelglieder, das Ansteuern der verschiedenen Phasen und/oder Zeiträume, das Post-Processing der Messdaten sowie alle sonstigen Schritte, die für den Ablauf des Zyklus und die Aktivierung und Deaktivierung des Zyklus benötigt werden, können vorzugsweise durch eine integrierte Schaltung (ASIC), eine programmierbare Logik (FPGA), einen Mikrocontroller und/oder eine externe Host-Anwendung 11 erfolgen. Teilaufgaben können auch durch verschiedene Plattformen gesteuert werden, beispielsweise in einer Kombination aus ASIC und Mikrocontroller.
Die Regelung der Antriebsbewegung der Masse 2 ist in dem Fall, dass sich die Masse 2 beim Start in der Ruhelage befindet, typischerweise so ausgelegt, dass das ruhende Sensorelement möglichst schnell auf Zielamplitude gebracht wird. Die Regler-Koeffizienten des Antriebsreglers werden dementsprechend optimiert. Dadurch kann der Start bei einer noch bestehenden Restbewegung zu einer Instabilität des Reglers oder sogar zur Anregung parasitärer Bewegungsformen im MEMS-Element führen. Um für die verschiedenen Betriebsmodi, kontinuierlicher und gepulster Antrieb mithilfe der Antriebsschaltung 2', einen stabilen Betrieb zu gewährleisten, ist daher vorzugsweise einerseits der Antriebsregler so breit konfigurierbar, dass beide Arbeitspunkte abgedeckt werden können, andererseits wird ein Umschalten zwischen den Betriebsmodi der Antriebsregler über ein Laden eines jeweils passenden Parametersatzes ermöglicht. Die passenden Parametersätze können vorzugsweise in einer Speichereinheit 9 im Sensor und/oder einer externen Speichereinheit 9 derart hinterlegt, dass sie abgerufen werden können. Zwischen verschiedenen Parametersätzen kann vorzugsweise durch eine digitale Logik umgeschaltet werden. Dies kann beispielsweise durch einen Mikrocontroller erfolgen.
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das System umfasst ein als Gyroskop ausgebildetes mikroelektromechanisches System 1 mit einer schwingenden Masse 2, insbesondere einer Antriebsmasse. Das Gyroskop umfasst ferner ein Detektionsmittel 6, insbesondere ein Coriolis- und/oder Drehratendetektionsmittel. Mithilfe des Detektionsmittels 6 können Messwerte, insbesondere betreffend eine Rotationsbewegung und/oder eine Drehrate, ermittelt bzw. gemessen werden. Ein Signal des Detektionsmittel 6 wird einer Ausleseschaltung 5 bzw. Messeinrichtung bereitgestellt. Die Ausleseschaltung 5 stellt die Messwerte einem Filter 7 bzw. mehreren Filtern bereit. Für das Auslesen der Messwerte werden dabei bevorzugt breitbandige Filter 7 mit geringen Laufzeiten und hohen Ausgangsfrequenzen genutzt, so dass pro Zyklus des gepulsten Betriebsmodus mindestens ein gefilterter Messwert zur Verfügung steht. Ferner kann das System eine Nachbearbeitungseinrichtung 8 umfassen. Mithilfe der Nachbearbeitungseinrichtung 8 können die ausgelesenen Messwerte weiterverarbeitet werden, wobei insbesondere Mittelwerte über jeweils eine vorgebbare Anzahl von Messwerten gebildet werden und/oder eine Standardabweichung der Messwerte von einem Mittelwert bestimmt wird. Das System umfasst ferner eine Speichereinheit 9 für die Antriebsregelung bzw. Antriebsschaltung 3'. Mithilfe der Speichereinheit 9 und gespeicherter Parametersätze kann die Antriebsschaltung 3' derart konfiguriert werden, dass die Schwinungsanregung des gewünschten Betriebsmodus eingestellt werden kann. Mithilfe derartiger Parametersätze kann die Antriebschaltung 3' somit beispielsweise entsprechend der Phasen 101, 102, 103 (und ggf. 104 und/oder 107) für einen gepulsten Betriebsmodus eingestellt werden. Des Weiteren ist eine Betriebsmodus-Steuereinheit 10 mit einer Kommunikationseinheit vorgesehen. Mithilfe der Betriebsmodus-Steuereinheit 10 kann ein Wechsel vom gepulsten in den kontinuierlichen Betriebmodus oder vom kontinuierlichen Betriebmodus in den gepulsten Betriebmodus durchgeführt werden. Mithilfe der Speichereinheit 9 und/oder der Betriebsmodus-Steuereinheit 10 kann auch zwischen unterschiedlichen gepulsten Betriebsmodi gewechselt werden, beispielsweise mit unterschliedlichen Dauern der einzelnen Phasen. Für die unterschiedlichen gepulsten Betriebsmodi werden entsprechend unterschiedliche Paramtersätze verwendet. Ferner ist eine Host-Anwendung 11 dargestellt, die Drehratenmessungen anfordnern kann und/oder der die Drehraten-Meswerte zur Verfügung gestellt werden. Die schwingende Masse 2 wird mithilfe der Antriebsschaltung 3' angeregt und betrieben. Die Antriebsschaltung 3' umfasst insbesondere eine Überwachung 3 zur Überwachung/Detektion der Schwingung der Masse 2 und eine Steuerung 4 zur Steuerung des Antriebs der Masse 2.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines mikroelektromechanischen Gyroskops • mit mindestens einer zu Schwingungen anregbaren Masse (2) zum Erfassen von Messwerten, • mit mindestens einer Antriebsschaltung (3') zum Anregen und Aufrechterhalten einer Schwingungsbewegung der Masse (2), und • mit mindestens einer Ausleseschaltung (5) für die erfassten Messwerte; dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (2) in mindestens einem Betriebsmodus des Gyroskops gepulst angetrieben wird und koordiniert dazu Messwerte ausgelesen werden, indem folgende Phasen zyklisch wiederholt werden: a. eine Anlaufphase, in der die Antriebsschaltung (3') aktiviert und betrieben wird, bis die Masse (2) eine definierte Schwingungsbewegung mit einer vorgegebenen ersten Zielamplitude ausführt, b. eine Messphase, in der die Antriebsschaltung (3') so betrieben wird, dass die definierte Schwingungsbewegung der Masse (2) aufrechterhalten wird, und in der Messwerte erfasst werden und von der Ausleseschaltung ausgelesen werden, und c. eine Ruhephase, in der die Antriebsschaltung (3') zumindest teilweise deaktiviert wird, wobei die Dauer der Ruhephase so gewählt wird, dass die Amplitude der Schwingungsbewegung der Masse (2) nicht auf null absinkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Ruhephase so gewählt wird, dass die Amplitude der Schwingungsbewegung der Masse (2) höchstens bis auf einen vorgegebenen Amplitudenschwellwert größer Null abklingt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Dauer der einzelnen Phasen a., b., und c. und/oder die erste Zielamplitude und/oder Regelparameter zur Regelung der Schwingungsbewegung der Masse (2) und/oder Filterparameter für das Auslesen der Messwerte in Form eines Parametersatzes für die Antriebsschaltung und/oder die Ausleseschaltung vorgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wahl unterschiedlicher Parametersätze für die Antriebsschaltung und/oder die Ausleseschaltung mehrere Betriebsmodi mit gepulst angetriebener Masse (2) realisierbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Dauer der einzelnen Phasen a., b., und/oder c, und/oder die erste Zielamplitude und/oder Regelparameter zur Regelung der Schwingungsbewegung und/oder Filterparameter für das Auslesen der Messwerte im Hinblick auf eine möglichst geringe Stromaufnahme und eine angestrebte Güte der Messwerte automatisch optimiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in der Anlaufphase a. und/oder in der Ruhephase c. Messwerte erfasst und von der Ausleseschaltung ausgelesen und gewichtet werden, wobei die Wichtung der Messwerte auf Basis des Verhältnisses von aktueller Amplitude zu erster Zielamplitude erfolgt.
Verfahren nach 6, dadurch gekennzeichnet, dass nur während eines vorgegebenen Zeitintervalls innerhalb der Anlaufphase a. und/oder während eines weiteren vorgegebenen Zeitintervalls innerhalb der Ruhephase c. Messwerte erfasst und von der Ausleseschaltung ausgelesen und gewichtet werden.
Verfahren nach 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in der Anlaufphase a. und/oder in der Ruhephase c. geprüft wird, ob die aktuelle Amplitude größer ist als ein vorgegebener Mindestamplitudenwert und dass, nur wenn die aktuelle Amplitude größer ist als der vorgebbare Mindestamplitudenwert, Messwerte erfasst und von der Ausleseschaltung ausgelesen und gewichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auslesen der Messwerte breitbandige Filter mit geringen Laufzeiten und hohen Ausgangsfrequenzen genutzt werden, so dass pro Zyklus des Betriebsmodus mit gepulst angetriebener Masse (2) mindestens ein gefilterter Messwert zur Verfügung steht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgelesenen Messwerte weiterverarbeitet werden, wobei Mittelwerte über jeweils eine vorgebbare Anzahl von Messwerten gebildet werden und/oder eine Standardabweichung der Messwerte von einem Mittelwert bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gyroskop wahlweise in mindestens einem Betriebsmodus mit gepulst angetriebener Masse (2) oder in mindestens einem weiteren Betriebsmodus mit kontinuierlich angetriebener Masse (2) betrieben wird, wobei in diesem weiteren Betriebsmodus zumindest in definierten Zeitintervallen eine definierte Schwingungsbewegung der Masse (2) mit einer vorgegebenen zweiten Zielamplitude aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mindestens einen Betriebsmodus mit gepulst angetriebener Masse (2) und in dem mindestens einen weiteren Betriebsmodus mit kontinuierlich angetriebener Masse (2) unterschiedliche Parametersätze für die Antriebsschaltung und/ für die Ausleseschaltung verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass für die erste Zielamplitude im Betriebsmodus mit gepulst angetriebener Masse (2) und für die zweite Zielamplitude im weiteren Betriebsmodus mit kontinuierlich angetriebener Masse (2) der gleiche Amplitudenwert oder unterschiedliche Amplitudenwerte gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi Benutzer-initiiert oder automatisch, Ereignis-basiert erfolgt.
Gyroskop • mit mindestens einer zu Schwingungen anregbaren Masse (2) zum Erfassen von Messwerten, • mit mindestens einer Antriebsschaltung (3') zum Anregen und Aufrechterhalten einer Schwingungsbewegung der Masse (2), und • mit mindestens einer Ausleseschaltung (5) für die erfassten Messwerte; gekennzeichnet durch mindestens einen Betriebsmodus, in dem die Masse (2) gepulst angetrieben wird und koordiniert dazu Messwerte ausgelesen werden, indem folgende Phasen zyklisch wiederholt werden: a. eine Anlaufphase, in der die Antriebsschaltung (3') aktiviert und betrieben wird, bis die Masse (2) eine definierte Schwingungsbewegung mit einer vorgegebenen ersten Zielamplitude ausführt, b. eine Messphase, in der die Antriebschaltung (3') betrieben wird, so dass die definierte Schwingungsbewegung der Masse (2) aufrechterhalten wird, und in der Messwerte erfasst werden und von der Ausleseschaltung ausgelesen werden, und c. eine Ruhephase, in der die Antriebschaltung (3') zumindest teilweise deaktiviert wird, wobei die Dauer der Ruhephase so gewählt wird, dass die Amplitude der Schwingungsbewegung der Masse (2) nicht auf null absinkt.
Gyroskop nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsschaltung und/oder die Ausleseschaltung umkonfigurierbar sind, so dass wahlweise mindestens ein Betriebsmodus mit gepulst angetriebener Masse (2) realisierbar ist und/oder mindestens ein weiterer Betriebsmodus mit kontinuierlich angetriebener Masse (2) realisierbar ist, in dem zumindest in definierten Zeitintervallen eine definierte Schwingungsbewegung der Masse (2) mit einer vorgegebenen zweiten Zielamplitude aufrechterhalten wird.
Gyroskop nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Betriebsmodus-Steuereinheit, die das Umschalten zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi steuert und die der Antriebsschaltung und/oder der Ausleseschaltung für den jeweils ausgewählten Betriebsmodus einen Parametersatz zur Verfügung stellt, durch den zumindest die Dauer der einzelnen Phasen a., b., und c. bei gepulst angetriebener Masse (2) und/oder die Zielamplitude und/oder Regelparameter zur Regelung der Schwingungsbewegung und/oder Filterparameter für das Auslesen der Messwerte vorgegeben werden.
Gyroskop nach einem der Ansprüche 16 oder 17, gekennzeichnet durch mindestens eine Speichereinheit, in der mindestens ein Parametersatz zur Konfiguration der Antriebsschaltung und/oder der Ausleseschaltung abspeicherbar ist.