KUGI, Andreas (Hetzgasse 45/12, Wien, A-1030, AT)
MAIR, Florian (Rubensgasse 9, Wien, A-1040, AT)
MAURER, Michael (Kirchstrasse 29, Rheinhausen, 79365, DE)
MANOLI, Yiannos (Wintererstrasse 76, Freiburg, 79104, DE)
NORTHEMANN, Thomas (Stühlingerstrasse 13, Freiburg, 79106, DE)
ALBERT-LUDWIGS-UNIVERSITY OF FREIBURG (Georges-Koehler-Allee 102, Freiburg, 79110, DE)
EGRETZBERGER, Markus (Gartengasse 1, Atzenbrugg, A-3452, AT)
KUGI, Andreas (Hetzgasse 45/12, Wien, A-1030, AT)
MAIR, Florian (Rubensgasse 9, Wien, A-1040, AT)
MAURER, Michael (Kirchstrasse 29, Rheinhausen, 79365, DE)
MANOLI, Yiannos (Wintererstrasse 76, Freiburg, 79104, DE)
NORTHEMANN, Thomas (Stühlingerstrasse 13, Freiburg, 79106, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum präzisen Messbetrieb eines mikromechanischen Drehratensensors, umfassend wenigstens eine seismische Masse, zumindest eine Antriebseinrichtung zum Antreiben der seismischen Masse in der Primärmode (qi) und mindestens drei Trimm- Elektrodenelemente (1), welche der seismischen Masse direkt oder indirekt gemeinsam zugeordnet sind, wobei jeweils zwischen den einzelnen dieser Trimm- Elektrodenelemente (1) und der seismischen Masse eine elektrische Trimmspannung (ui, u2, u3, u4) angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jede dieser elektrischen Trimmspannungen (ui, u2, u3, u4) in Abhängigkeit einer Resonanzfrequenzstellgröße (üT, 0T,o) , einer Quadraturstellgröße (üc, 0c,o) und einer Rücksteilgröße (üs) eingestellt werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor mindestens vier Trimm- Elektrodenelemente (1) umfasst, welche der seismischen Masse (2) direkt oder indirekt gemeinsam zugeordnet sind, wobei zwischen dem ersten Trimm-Elektrodenelement und der seismischen Masse eine erste elektrische Trimmspannung angelegt wird, zwischen dem zweiten Trimm- Elektrodenelement und der seismischen Masse eine zweite Trimmspannung, zwischen dem dritten Trimm- Elektrodenelement und der seismischen Masse eine dritte Trimmspannung und zwischen dem vierten Trimm- Elektrodenelement und der seismischen Masse eine vierte Trimmspannung angelegt wird, wobei die erste Ui, die zweite u2, die dritte u3 und die vierte Trimmspannung u4 jeweils im Wesentlichen in folgender Abhängigkeit der Resonanzfrequenzstellgröße ilTr der Quadraturstellgröße ü..- und der RückStellgröße ü5 eingestellt werden: 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trimm-Elektrodenelemente (1) jeweils so ausgebildet und angeordnet sind, dass sich zwischen dem ersten, zweiten, dritten und vierten Trimm- Elektrodenelement und einem jeweils zugeordneten Massen- Elektrodenelement (2) der zugeordneten seismischen Masse, wobei zwischen Trimm-Elektrodenelement und Massen-Elektrodenelement die zugehörige Trimmspannung angelegt wird, eine Kapazität Ci, C2, C3 und C4 wie folgt ausbildet wobei i jeweils ein Index bezüglich der Nummerierung der Elektrodenelemente ist, gi die Spaltentfernung zwischen Trimm-Elektrodenelement und zugeordnetem Massen- Elektrodenelement im unausgelenkten Zustand, Ai die Überlappfläche zwischen Trimm-Elektrodenelement und zugeordnetem Massen-Elektrodenelement im unausgelenkten Zustand, das Produkt ± ri mal ti mal qi die Änderung der Überlappfläche in Abhängigkeit der Auslenkung der Primärmode qi ist, wobei ti die Überlapptiefe zwischen Trimm-Elektrodenelement und zugeordnetem Massen- Elektrodenelement und ri eine erste positive geometrische Konstante bezüglich der Auslenkung der Primärmode qi ist, und das Produkt ± Si mal q2 die Änderung der Spaltentfernung zwischen Trimm-Elektrodenelement und Massen-Elektrodenelement in Abhängigkeit der Auslenkung der Sekundärmode q2 ist, wobei Si eine zweite positive geometrische Konstante bezüglich der Auslenkung der Sekundärmode q2 ist. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei sämtlichen Trimm-Elektrodenelement-Massen- Elektrodenelementpaaren (1, 2) Ai, ri, ti, gi und Si im Wesentlichen gleich sind. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor eine Regelungsanordnung (3) umfasst, in der zunächst aus der Regelgröße (y) unter Vorgabe einer Regelführungsgröße eine Regelfehlergröße gebildet wird, wobei die Regelgröße (y) die erfasste Auslenkung der seismischen Masse in Richtung ihrer Sekundärmode repräsentiert, und wobei die Regelführungsgröße ein harmonisches Frequenzidentifikationssignal (yD) mit der Frequenz ω3 moduliert mit der Frequenz der Primärmode (ωι) ist oder der Regelführungsgröße solch ein Frequenzidentifikationssignal überlagert ist, wonach die so gebildete Regelfehlergröße einer ersten Reglereinheit (4) zugeführt wird, in welcher zumindest die Rücksteilgröße (üs) erzeugt wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass danach die Rücksteilgröße (u5) mit zwei zueinander um 90° phasenverschobenen harmonischen Signalen in einer ersten Demodulatoreinheit (5) demoduliert wird, wodurch eine Quadraturgröße und eine Drehratengröße gewonnen werden, wonach aus der Quadraturgröße in Abhängigkeit einer Quadraturführungsgröße, insbesondere mit dem Wert „0", eine Quadraturregelfehlergröße erzeugt wird, welche einer Quadraturreglereinheit (10) zugeführt wird, die ausgangsseitig die Quadraturstellgröße (ü~) bereitstellt und wobei die Drehratengröße oder Quadraturgröße in einer zweiten Demodulatoreinheit (8) mit der Frequenz ω3 demoduliert wird, wodurch eine Frequenzgröße gewonnen wird, wonach aus der Frequenzgröße in Abhängigkeit einer Frequenzführungsgröße, insbesondere mit dem Wert „0" eine Frequenzregelfehlergröße erzeugt wird, die einer Frequenzreglereinheit (9) zugeführt wird, die ausgangsseitig die Resonanzfrequenzstellgröße (ür) bereitstellt . 7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor eine Regelungsanordnung (3) umfasst, in der zunächst aus der Regelgröße (y) unter Vorgabe einer Regelführungsgröße eine Regelfehlergröße gebildet wird, wobei die Regelgröße (y) die erfasste Auslenkung der seismischen Masse in Richtung ihrer Sekundärmode repräsentiert, und wobei die Regelführungsgröße ein harmonisches Frequenzidentifikationssignal (yD) mit der Frequenz ω3 moduliert mit der Frequenz der Primärmode (ωι) ist oder der Regelführungsgröße solch ein Frequenzidentifikationssignal überlagert ist, wonach die so gebildete Regelfehlergröße einer ersten Reglereinheit (4) zugeführt wird, deren Ausgangssignal danach mit zwei zueinander um 90° phasenverschobenen harmonischen Signalen in einer ersten Demodulatoreinheit (5) demoduliert wird, wodurch eine Quadraturgröße und eine Drehratengröße gewonnen werden, wonach aus der Quadraturgröße in Abhängigkeit einer Quadraturführungsgröße, insbesondere mit dem Wert „0", eine Quadraturregelfehlergröße erzeugt wird, welche einer Quadraturreglereinheit (10) zugeführt wird, die ausgangsseitig die Quadraturstellgröße (ü ) bereitstellt und wobei die Drehratengröße oder Quadraturgröße in einer zweiten Demodulatoreinheit (8) mit der Frequenz ω3 demoduliert wird, wodurch eine Frequenzgröße gewonnen wird, wonach aus der Frequenzgröße in Abhängigkeit einer Frequenzführungsgröße, insbesondere mit dem Wert „0" eine Frequenzregelfehlergröße erzeugt wird, die einer Frequenzreglereinheit (9) zugeführt wird, die ausgangsseitig die Resonanzfrequenzstellgröße (ΰτ) bereitstellt . 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor eine Rückstelleinheit (11) aufweist, welche die Rücksteilgröße (■£-, 0SD) bereitstellt , wobei diese Rücksteilgröße (üs, ÜSD) insbesondere einen definierten konstanten Rückstellwert aufweist. 9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungsanordnung (3) einen Sigma-Delta-Wandler umfasst, mit welchem die Regelgröße direkt oder wenigstens eine davon abhängige Größe digitalisiert wird und wonach die Resonanzfrequenzstellgröße (ü ) , die Quadraturstellgröße ( ü.-) und die Rücksteilgröße ( :7) als digitale Größen erzeugt werden. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sigma-Delta-Modulator als elektro-mechanischer Sigma-Delta-Modulator ausgebildet ist. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sigma-Delta-Modulator einen Kapazitäts-Spannungs- Wandler (13) umfasst, welcher eingangsseitig vor der ersten Reglereinheit (4) angeordnet ist, die erste Reglereinheit selber, einen mit dieser ausgangsseitig verbundenen Quantisierer (12), sowie für die Rückführung der Regelung einen Digital-Analog-Wandler und einen Spannungs-Kraft-Wandler . 12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor, insbesondere dessen Regelungsanordnung (3) , eine Stellgrößentransformationseinheit (7) aufweist, durch welche in Abhängigkeit der Resonanzfrequenzstellgröße üT, der Quadraturstellgröße ΐί:Γ und der Rücksteilgröße üs nach Maßgabe der Gleichungen = ^üT— üc-f- üs f .~ = ^iüT + ü€— 5 , • s = äT -f üc -f" üs , u& = iü7— üc— us die Trimmspannungen ui, u2, u3 und u4 bereitgestellt werden. 13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal der ersten Reglereinheit (4) digitalisiert wird und zumindest die erste Demodulatoreinheit (5) , die zweite Demodulatoreinheit (8), die Quadraturreglereinheit (10) und die Frequenzreglereinheit (9) digital ausgebildet sind, sowie insbesondere zusätzlich die Stellgrößentransformationseinheit (7) und/oder die Rückstelleinheit (11) ebenfalls digital ausgebildet sind . 14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Trimmspannungen paarweise (Ui, U4) , (U2, U3) jeweils mittels eines Mischers (Ml, M2) verarbeitet werden, jeweils paarweise in Abhängigkeit des digitalen Ausgangssignals des Quantisierers (12) . 15. Mikromechanischer Drehratensensor, umfassend wenigstens eine seismische Masse, zumindest eine Antriebseinrichtung zum Antreiben der seismischen Masse in der Primärmode und mindestens drei Trimm- Elektrodenelemente (1), welche der seismischen Masse (2) direkt oder indirekt gemeinsam zugeordnet sind wobei jeweils zwischen den einzelnen dieser Trimm- Elektrodenelemente und der seismischen Masse eine elektrische Trimmspannung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehratensensor so ausgebildet ist, dass er zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 geeignet ist. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen mikromechanischen Drehratensensor mit mindestens drei Trimm-Elektrodenelementen, welche einer ersten seismischen Masse gemeinsam zugeordnet sind.
Es ist bekannt, dass mikromechanische Federn zur Aufhängung seismischer Massen in Drehratensensoren teilweise schon aufgrund relativ geringer Fertigungsungenauigkeiten, die insbesondere zu unerwünschten Flankenwinkeln der jeweiligen Strukturen führen, ohne Vorliegen einer Drehrate, in der Antriebsmode bzw. Primärmode Auslenkungen in Ausleserichtung verursachen. Hierdurch werden Störsignale erzeugt, welche unerwünschterweise als Drehratensignalanteile ausgewertet werden können und somit das Drehratensignal verfälschen bzw. einen Messfehler bezüglich des Drehratensignals verursachen.
Solche unerwünschten Flankenwinke 1 bzw. Verkippungen von Federn sind prozessbedingt und können nur eingeschränkt vermieden werden. Obig beschriebene Störsignale, welche nicht aufgrund einer erfassten Drehrate, sondern aufgrund von fehlerhaften Auslenkungen in Ausleserichtung in
Abhängigkeit der Auslenkung der seismischen Masse sowie deren Federn in Antriebsrichtung entstehen, werden auch als Quadratur bzw. Quadratursignale bezeichnet.
Druckschrift WO 03/010492 AI schlägt ein Verfahren zur
Unterdrückung von Quadratursignalen in einem Drehratensensor vor, welcher zwei Trimmelektroden-Anordnungen umfasst, die einer seismischen Masse zugeordnet sind, bei dem mittels der an den Trimmelektroden angelegten Spannung die Quadratur des Drehratensensors unterdrückt wird. Allerdings kann durch diese Quadraturunterdrückung die Resonanzfrequenz der
Auslesemode des Drehratensensors in unerwünschter Weise beeinflusst werden, wodurch auch die Differenzfrequenz zwischen den Resonanzfrequenzen hinsichtlich der
Antriebsmode bzw. Primärmode und der Auslesemode bzw.
Sekundärmode des Drehratensensors verändert wird. Dies ist umso nachteiliger, da die an den Trimmelektroden angelegte Spannung in die Verschiebung der Resonanzfrequenz der
Auslesemode quadratisch eingeht.
Es ist üblich, dass die Ausprägung der Quadratur von
Drehratensensoren eines Wafers, aufgrund von
Prozessschwankungen relativ stark streut bzw. sich von
Drehratensensor zu Drehratensensor eines Wafers relativ stark unterscheidet. Außerdem ist es bekannt, die Auslenkung der seismischen Masse/n eines Drehratensensors bezüglich der Auslesemode bzw. Sekundärmode mittels wenigstens eines Trimm- Elektrodenelements bzw. einer Trimmelektrode
zurückzustellen. Dies beeinflusst allerdings ebenfalls normalerweise die Resonanzfrequenz des Sekundäroszillators sowie eine mögliche Quadraturunterdrückung.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zum Messbetrieb eines Drehratensensors sowie einen
entsprechenden Drehratensensors vorzuschlagen, mit welchem eine Rückstellung der Auslenkung der Sekundärmode aufgrund einer erfassten Drehrate, eine Quadraturunterdrückung und eine Resonanzfrequenzeinstellung des Sekundäroszillators gemeinsam durchgeführt werden können, insbesondere so, dass diese drei Beeinflussungen zumindest teilweise unabhängig voneinander durchgeführt bzw. eingestellt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das
Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie den mikromechanischen
Drehratensensor gemäß Anspruch 15.
Das Verfahren sowie der Drehratensensor sind vorzugsweise so ausgeprägt bzw. ausgebildet, dass zumindest die Einstellung der Resonanzfrequenz unabhängig von der Rückstellung der Auslenkung der seismischen Masse aufgrund einer erfassten Drehrate und der Quadraturunterdrückung durchgeführt werden kann, sowie dass insbesondere auch die Rückstellung der Auslenkung aufgrund einer erfassten Drehrate bzw. die gesamte Auslenkung der zumindest einen seismischen Masse im Rahmen der Sekundärmode sowie die Quadraturunterdrückung voneinander unabhängig eingestellt werden können.
Die Quadraturstellgröße ist vorzugsweise als statische
Stellgröße zur Unterdrückung der auf Quadratur beruhenden Auslenkung bzw. Schwingung der Sekundärmode definiert. Damit wird insbesondere ein unerwünschtes Quadratursignal bzw. ein Quadratursignalanteil des Ausgangssignals des
Drehratensensors, welcher gegenüber dem die Drehrate
abbildenden Anteil des Ausgangssignals des Drehratensensors im Wesentlichen um 90° bzw. 270° phasenverschoben ist, unterdrückt .
Die Rückstellstellgröße ist zweckmäßigerweise ein
harmonisches Schwingungssignal, dessen Amplitude durch den Ausgang der ersten Reglereinheit bestimmt wird, wobei dieser Amplitudenwert mit einem harmonischen Schwingungssignal multipliziert wird, welches die gleich Frequenz aufweist, wie die Primär- bzw. Antriebsmode.
Die Resonanzfrequenzstellgröße ist bevorzugt als statische Größe definiert, mit welcher die Frequenzdifferenz aus der Resonanzfrequenz der Auslesemode und der Resonanzfrequenz der Antriebsmode im Wesentlichen einen definierten Wert aufweist bzw. auf einen definierten Wert eingeregelt wird oder alternativ vorzugsweise im Wesentlichen Null ist bzw. auf Null eingeregelt wird. Unter einer Antriebsmode bzw. Primärmode wird bevorzugt eine Eigenmode eines Drehratensensors verstanden, bevorzugt die Eigenschwingung, besonders bevorzugt die Schwingung mit einer Resonanzfrequenz, der mindestens einen seismischen Masse, in welcher die seismische Masse des Drehratensensors insbesondere ständig schwingt. Ganz besonders bevorzugt weist der Drehratensensor wenigstens zwei mit einander gekoppelte seismische Massen auf, welche gegenphasig
schwingen bzw. jeweils mit inverser Orientierung zueinander in gleicher Richtung im Zuge der Antriebsmode ausgelenkt werden .
Unter einer Auslesemode bzw. Sekundärmode wird vorzugsweise eine Eigenmode verstanden, welche sich vorzugsweise aufgrund einer Drehrate und der damit verbundenen Wirkung der
Corioliskraft einstellt.
Es ist bevorzugt, dass der Drehratensensor mindestens vier Trimm-Elektrodenelemente umfasst, welche der seismischen Masse direkt oder indirekt gemeinsam zugeordnet sind, wobei zwischen dem ersten Trimm-Elektrodenelement und der
seismischen Masse eine erste elektrische Trimmspannung angelegt wird, zwischen dem zweiten Trimm-Elektrodenelement und der seismischen Masse eine zweite Trimmspannung, zwischen dem dritten Trimm-Elektrodenelement und der seismischen Masse eine dritte Trimmspannung und zwischen dem vierten Trimm-Elektrodenelement und der seismischen Masse eine vierte Trimmspannung angelegt wird, wobei die erste Ui, die zweite u 2 , die dritte u 3 und die vierte Trimmspannung u 4 jeweils im Wesentlichen in folgender Abhängigkeit der
Resonanzfrequenzstellgröße ü Tr der Quadraturstellgröße ü c und der Rücksteilgröße ü s eingestellt werden:
Unter der Rücksteilgröße wird alternativ vorzugsweise auch OSD verstanden und/oder unter der Resonanzfrequenzstellgröße 0 T ,o und/oder unter der Quadraturstellgröße 0 c ,o-
Vorzugsweise sind die Trimm-Elektrodenelemente jeweils so ausgebildet und angeordnet, dass sich zwischen dem ersten, zweiten, dritten und vierten Trimm-Elektrodenelement und einem jeweils zugeordneten Massen-Elektrodenelement der zugeordneten seismischen Masse, wobei zwischen Trimm- Elektrodenelement und Massen-Elektrodenelement die
zugehörige Trimmspannung angelegt wird, eine Kapazität Ci, C 2 , C 3 und C 4 wie folgt ausbildet
C = g 0 Hl - ^ 1 *1 * 1 , C 2 = 212^1 f c 2 = £ Q Ä ' 3 ' S 1 U nd
L — t n ,
wobei i jeweils ein Index bezüglich der Nummerierung der Elektrodenelemente ist, gi die Spaltentfernung zwischen
Trimm-Elektrodenelement und zugeordnetem Massen- Elektrodenelement im unausgelenkten Zustand, Ai die
Überlappfläche zwischen Trimm-Elektrodenelement und
zugeordnetem Massen-Elektrodenelement im unausgelenkten Zustand, das Produkt ± ri mal ti mal qi die Änderung der Überlappfläche in Abhängigkeit der Auslenkung der Primärmode qi ist, wobei ti die Überlapptiefe zwischen Trimm- Elektrodenelement und zugeordnetem Massen-Elektrodenelement und ri eine erste positive geometrische Konstante bezüglich der Auslenkung der Primärmode qi ist, und das Produkt ± Si mal q 2 die Änderung der Spaltentfernung zwischen Trimm- Elektrodenelement und Massen-Elektrodenelement in
Abhängigkeit der Auslenkung der Sekundärmode q 2 ist, wobei Si eine zweite positive geometrische Konstante bezüglich der Auslenkung der Sekundärmode q 2 ist.
Die Trimm-Elektrodenelemente sind vorzugsweise als ebene Kondensatorplatten ausgebildet, welche im Wesentlichen parallel zur x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems angeordnet sind. Dabei erfolgt die Auslenkung, durch das Produkt ± ri * qi definiert, der Massen-Elektrodenelemente insbesondere in x-Richtung relativ zu den Trimm- Elektrodenelementen. Die Überlapptiefe ti der Trimm- Elektrodenelemente ist dabei in y-Richtung ausgerichtet. Die Auslenkung der Massen-Elektrodenelemente in z-Richtung relativ zu den Trimm-Elektrodenelementen ist besonders bevorzugt in z-Richtung ausgerichtet.
Vorzugsweise sind bei sämtlichen Trimm-Elektrodenelement- Massen-Elektrodenelementpaaren Ai, ri, ti, gi und Si im Wesentlichen gleich groß, also Ai = A 2 = A 3 = A 4 , und
entsprechend jeweils gleiche Werte für i-ten Werte von ri, ti, gi und Si.
Es ist bevorzugt, dass der Drehratensensor eine
Regelungsanordnung umfasst, in der zunächst aus der
Regelgröße unter Vorgabe einer Regelführungsgröße eine
Regelfehlergröße gebildet wird, wobei die Regelgröße die erfasste Auslenkung der seismischen Masse in Richtung ihrer Sekundärmode repräsentiert, und wobei die Regelführungsgröße ein harmonisches Frequenzidentifikationssignal (y D ) mit der Frequenz ω 3 moduliert mit der Frequenz der Primärmode ( coi ) ist oder der Regelführungsgröße solch ein
Frequenzidentifikationssignal überlagert ist, wonach die so gebildete Regelfehlergröße einer ersten Reglereinheit zugeführt wird, in welcher zumindest die Rücksteilgröße erzeugt wird. Insbesondere wird danach die RückStellgröße mit zwei zueinander um 90° phasenverschobenen harmonischen Signalen in einer ersten Demodulatoreinheit demoduliert, wodurch eine Quadraturgröße und eine Drehratengröße gewonnen werden, wonach aus der Quadraturgröße in Abhängigkeit einer Quadraturführungsgröße, insbesondere mit dem Wert „0", eine Quadraturregelfehlergröße erzeugt wird, welche einer
Quadraturreglereinheit zugeführt wird, die ausgangsseitig die Quadraturstellgröße bereitstellt und wobei die
Drehratengröße oder Quadraturgröße in einer zweiten
Demodulatoreinheit mit der Frequenz ω 3 demoduliert wird, wodurch eine Frequenzgröße gewonnen wird, wonach aus der Frequenzgröße in Abhängigkeit einer Frequenzführungsgröße, insbesondere mit dem Wert „0" eine Frequenzregelfehlergröße erzeugt wird, die einer Frequenzreglereinheit zugeführt wird, die ausgangsseitig die Resonanzfrequenzstellgröße ü T bereitstellt .
Es ist zweckmäßig, dass der Drehratensensor eine
Regelungsanordnung umfasst, in der zunächst aus der
Regelgröße unter Vorgabe einer Regelführungsgröße eine
Regelfehlergröße gebildet wird, wobei die Regelgröße die erfasste Auslenkung der seismischen Masse in Richtung ihrer Sekundärmode repräsentiert, und wobei die Regelführungsgröße ein harmonisches Frequenzidentifikationssignal (y D ) mit der Frequenz ω 3 moduliert mit der Frequenz der Primärmode (ωι) ist oder der Regelführungsgröße solch ein
Frequenzidentifikationssignal überlagert ist, wonach die so gebildete Regelfehlergröße einer ersten Reglereinheit zugeführt wird, deren Ausgangssignal danach mit zwei
zueinander um 90° phasenverschobenen harmonischen Signalen in einer ersten Demodulatoreinheit demoduliert wird, wodurch eine Quadraturgröße und eine Drehratengröße gewonnen werden, wonach aus der Quadraturgröße in Abhängigkeit einer
Quadraturführungsgröße, insbesondere mit dem Wert „0", eine Quadraturregelfehlergröße erzeugt wird, welche einer
Quadraturreglereinheit zugeführt wird, die ausgangsseitig die Quadraturstellgröße bereitstellt und wobei die
Drehratengröße oder Quadraturgröße in einer zweiten
Demodulatoreinheit mit der Frequenz ω 3 demoduliert wird, wodurch eine Frequenzgröße gewonnen wird, wonach aus der Frequenzgröße in Abhängigkeit einer Frequenzführungsgröße, insbesondere mit dem Wert „0" eine Frequenzregelfehlergröße erzeugt wird, die einer Frequenzreglereinheit zugeführt wird, die ausgangsseitig die Resonanzfrequenzstellgröße bereitstellt .
Insbesondere weist der Drehratensensor eine Rückstelleinheit auf, welche die RückStellgröße bereitstellt, wobei diese RückStellgröße besonders bevorzugt einen definierten
konstanten Rückstellwert aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Regelungsanordnung einen Sigma- Delta-Wandler umfasst, mit welchem die Regelgröße direkt oder wenigstens eine davon abhängige Größe digitalisiert wird und wonach die Resonanzfrequenzstellgröße, die
Quadraturstellgröße und die RückStellgröße als digitale Größen erzeugt werden.
Der Sigma-Delta-Modulator ist insbesondere als elektro- mechanischer Sigma-Delta-Modulator ausgebildet.
Besonders bevorzugt umfasst der Sigma-Delta-Modulator einen Kapazitäts-Spannungs-Wandler, welcher eingangsseitig vor der ersten Reglereinheit angeordnet ist, die erste Reglereinheit selber, einen mit dieser ausgangsseitig verbundenen
Quantisierer, beispielsweise mit der Abtastfrequenz f s , sowie für die Rückführung der Regelung einen Digital-Analog- Wandler und einen Spannungs-Kraft-Wandler.
Es ist zweckmäßig, dass das Ausgangssignal der ersten Reglereinheit digitalisiert wird und zumindest die erste Demodulatoreinheit, die zweite Demodulatoreinheit, die
Quadraturreglereinheit und die Frequenzreglereinheit digital ausgebildet sind, sowie insbesondere zusätzlich die
Stellgrößentransformationseinheit und/oder die
Rückstelleinheit ebenfalls digital ausgebildet sind.
Vorzugsweise werden jeweils zwei Trimmspannungen paarweise jeweils mittels eines Mischers verarbeitet, jeweils
paarweise in Abhängigkeit des digitalen Ausgangssignals des Quantisierers .
Es ist bevorzugt, dass die erste und die vierte
Trimmspannung mittels eines ersten Mischers (Ml) und die zweite und die dritte Trimmspannung mittels eines zweiten Mischers (M2) verarbeitet werden, jeweils in Abhängigkeit des digitalen Ausgangssignals des Quantisierers.
Bevorzugt weist der Drehratensensor, insbesondere dessen Regelungsanordnung, eine Stellgrößentransformationseinheit auf, durch welche in Abhängigkeit der
Resonanzfrequenzstellgröße :Q T , der Quadraturstellgröße und der Rücksteilgröße -ü s nach Maßgabe der Gleichungen
Ii 3 = <'ä r -ij- ü € i- ü s , u A = - ü r — ü c — ü s die Trimmspannungen ui , u 2 , u 3 und u 4 bereitgestellt werden. Es ist bevorzugt, dass der Drehratensensor so ausgebildet ist, dass er Drehraten um zumindest zwei verschiedene Achsen erfassen kann, also der Drehratensensor „mehrachsig"
ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass das erste und das zweite Trimm- Elektrodenelement, insbesondere hinsichtlich seiner
jeweiligen Elektrodenfläche, im Wesentlichen unbeweglich ausgebildet und angeordnet sind und elektrisch isoliert und beabstandet gegenüber der seismischen Masse angeordnet sind.
Die Trimm-Elektrodenelemente sind zweckmäßigerweise
voneinander isoliert und besonders bevorzugt jeweils
identisch ausgebildet.
Der Drehratensensor weist zweckmäßigerweise zwei seismische Massen auf, welche miteinander gekoppelt sind.
Es ist zweckmäßig, dass das erste und das zweite Trimm- Elektrodenelement jeweils zumindest eine Elektrodenfläche aufweisen, welche einer Trimmfläche der seismischen Masse im Wesentlichen parallel gegenüberliegend angeordnet sind und wobei die Elektrodenflächen des ersten und zweiten Trimm- Elektrodenelements stets einem gegenüberliegenden Bereich der Trimmfläche zugeordnet sind und/oder diesen Bereich überlappen, insbesondere unabhängig vom Auslenkungszustand der seismischen Masse, zumindest bis zu einer definierten Amplitude/Auslenkung, besonders bevorzugt auch bei maximaler Auslenkung der seismischen Masse. Zweckmäßigerweise ragen die Elektrodenflächen dabei stets über den
gegenüberliegenden Bereich der Trimmfläche hinaus. Die
Elektrodenflächen und die Trimmfläche sind ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen plan ausgebildet.
Unter einem mikromechanischen Drehratensensor wird bevorzugt ein mikromechanisches Gyroskop verstanden.
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung des
Drehratensensors in Kraftfahrzeugen, insbesondere in einem Kraftfahrzeugregelungssystem.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie der erfindungsgemäße Drehratensensor kann in unterschiedlichen Bereichen zum Erfassen einer oder mehrerer Drehraten und/oder mittels entsprechender Signalverarbeitung zur Erfassung einer oder mehrerer Drehbeschleunigungen verwendet werden. Dabei ist die Verwendung in Fahrzeugen, insbesondere in
Kraftfahrzeugen und Luftfahrzeugen, in der
Automatisierungstechnik, in Navigationssystemen, in
Bildstabilisatoren von Kameras, in der Industrierobotik und in Spielekonsolen bevorzugt, dabei besonders bevorzugt in den jeweiligen entsprechenden Regelungssystemen. Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung des Verfahrens sowie des Drehratensensors bei/als Gierraten- und/oder
Gierbeschleunigungssensor/en in einem
Kraftfahrzeugregelungssystem, wie beispielsweise ESP. Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren. zeigen in schematischer Darstellung
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Kapazität gebildet aus einem bezüglich des Sensorgehäuses ortsfesten Trimm-Elektrodenelement und einem mit der seismischen Masse verbundenen oder als Teil derselben ausgebildeten Massen-Elektrodenelement,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens bzw.
Drehratensensors, bei welchem ein
Frequenzidentifikationssignal als harmonischer Sollwert vor dem ersten Regler und vor einer
Demodulation als Führungsgröße der Regelgröße vorgegeben wird,
Fig. 3 ein beispielhaftes Modell eines 1-Bit
Elektromechanischen Sigma-Delta Modulators mit Sensor und Filterstruktur bzw. erstem Regler,
Fig. 4 eine beispielhafte Veranschaulichung eines
vereinfachten Regelkreises,
Fig. 5 ein Darstellung eines vereinfachten Spektrums
eines elektro-mechanischen Sigma-Delta Modulators,
Fig. 6 a) eine beispielhafte multi-bit Rückkopplung auf
eine Elektrode und b) eine single-bit Rückkopplung über mehrere Elektroden,
Fig. 7 beispielhafte Ausleseschaltungen mit a) single- ended und b) differentiellem Aufbau, und
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens bzw.
Drehratensensors, mit Vorgabe eines
Frequenzidentifikationssignals als harmonischen Sollwert für die Regelgröße, mittels Sigma-Delta Modulation .
Die in Fig. 1 dargestellte beispielhafte Kapazität aus
Trimm-Elektrodenelement 1 und Massen-Elektrodenelement 2 ist als Parallelplattenkondensator- wobei der Abstand bzw. die Spaltentfernung q in z-Richtung zwischen den beiden
Elektroden ausgebildet ist und die Auslenkung des Massen- Elektrodenelements in der Primärmode in x-Richtung erfolgt, wobei die Änderung der Überlappfläche in x-Richtung erfolgt, und die Auslenkung des Massen-Elektrodenelements in der Sekundärmode in z-Richtung erfolgt.
Fig. 2 veranschaulicht ein beispielhaftes Verfahren bzw. einen beispielhaften Drehratensensor, umfassend eine
Regelungsanordnung 3, in der zunächst aus der Regelgröße y unter Vorgabe einer Regelführungsgröße y D eine
Regelfehlergröße gebildet wird, wobei die Regelgröße y die erfasste Auslenkung der seismischen Masse in Richtung ihrer Sekundärmode repräsentiert, und wobei die Regelführungsgröße ein harmonisches Frequenzidentifikationssignal mit der
Frequenz ω 3 moduliert mit der Frequenz der Primärmode coi ist, wonach die so gebildete Regelfehlergröße einer ersten
Reglereinheit 4 zugeführt wird, in welcher die
Rücksteilgröße ΐί,- erzeugt wird.
Die Rücksteilgröße -ü s wird einerseits direkt der
Stellgrößentransformationseinheit 7 zugeführt und außerdem wird die Rücksteilgröße ti s mit zwei zueinander um 90°
phasenverschobenen harmonischen Signalen in einer ersten Demodulatoreinheit 5 demoduliert, wodurch eine
Quadraturgröße 0 s ,s und eine Drehratengröße Ü s ,c, gemeinsam als 0 S symbolisiert, gewonnen werden, wonach aus der
Quadraturgröße 0 s ,s in Abhängigkeit einer
Quadraturführungsgröße, insbesondere mit dem Wert „0", eine Quadraturregelfehlergröße erzeugt wird, welche einer
Quadraturreglereinheit 10 zugeführt wird, die ausgangsseitig die Quadraturstellgröße £l rr bzw. hier 0 c ,o genannt
bereitstellt und wobei die Drehratengröße 0 S , c m einer zweiten Demodulatoreinheit 8 mit der Frequenz ω 3 demoduliert wird, wodurch eine Frequenzgröße O s ,cc gewonnen wird, wonach aus der Frequenzgröße in Abhängigkeit einer
Frequenzführungsgröße, insbesondere mit dem Wert „0" eine Frequenzregelfehlergröße erzeugt wird, die einer
Frequenzreglereinheit 9 zugeführt wird, die ausgangsseitig die Resonanzfrequenzstellgröße ü T , hier 0 T ,0 genannt, bereitstellt. Die Drehratengröße 0 s ,c wird außerdem tiefpassgefiltert und bildet das Ausgangssignal 0 s ,co des Sensors, welches die Information über die erfasste Drehrate enthält .
Die Stellgrößentransformationseinheit 7 stellt nach Maßgabe der Gleichungen u t = — ü s , u 2 = -Jü T ·$·ύ ε — ü s ■
■ ü 3 = ^ti T 4- ü c - £ϊ 5 , 4 = ΰτ— ü c —· ü s die Trimmspannungen Ui, u 2 , u 3 und u 4 bereit.
Anhand der Fig. 8 ist der Drehratensensor und damit auch das entsprechende Verfahren unter Einsatz des Sigma-Delta
Modulators veranschaulicht. Dabei umfasst der
Drehratensensor eine Regelungsanordnung 3, in der zunächst aus der Regelgröße y unter Vorgabe einer Regelführungsgröße eine Regelfehlergröße gebildet wird, wobei die Regelgröße y die erfasste Auslenkung der seismischen Masse in Richtung ihrer Sekundärmode repräsentiert, und wobei die
Regelführungsgröße ein harmonisches
Frequenzidentifikationssignal mit der Frequenz ω 3 moduliert mit der Frequenz der Primärmode coi ist, wonach die so gebildete Regelfehlergröße einer ersten Reglereinheit 4 zugeführt wird, deren Ausgangssignal danach in einem
Quantisierer 12 mit der Taktfrequenz f s digitalisiert wird und die dadurch erzeugte Bitfolge anschließend in digitaler Weise mit zwei zueinander um 90° phasenverschobenen
harmonischen Signalen in einer ersten digitalen
Demodulatoreinheit 5 demoduliert wird, wodurch eine Quadraturgröße 0 s , s und eine Drehratengröße 0 s , c gewonnen werden, wonach aus der Quadraturgröße in Abhängigkeit einer Quadraturführungsgröße, insbesondere mit dem Wert „0", eine Quadraturregelfehlergröße erzeugt wird, welche einer
Quadraturreglereinheit 10 zugeführt wird, die ausgangsseitig die Quadraturstellgröße ü c , hier 0 c , o genannt, bereitstellt.
Die Drehratengröße 0 s , c wird in einer zweiten
Demodulatoreinheit 8 mit der Frequenz ω 3 demoduliert, wodurch eine Frequenzgröße O s , cc gewonnen wird, wonach aus der
Frequenzgröße in Abhängigkeit einer Frequenzführungsgröße, insbesondere mit dem Wert „0" eine Frequenzregelfehlergröße erzeugt wird, die einer Frequenzreglereinheit 9 zugeführt wird, die ausgangsseitig die Resonanzfrequenzstellgröße T , hier 0 T ,0 genannt, bereitstellt. Die Drehratengröße 0 s , c wird außerdem tiefpassgefiltert und bildet das Ausgangssignal 0 s , co des Sensors, welches die Information über die erfasste
Drehrate enthält.
Außerdem umfasst der Drehratensensor eine Rückstelleinheit 11, welche die RückStellgröße 0 S D bereitstellt, beispielgemäß als definierten konstanten Rückstellwert.
Die Regelungsanordnung umfasst beispielgemäß einen Sigma- Delta-Wandler, mit welchem die Regelgröße digitalisiert wird und wonach die Resonanzfrequenzstellgröße, die
Quadraturstellgröße und die RückStellgröße als digitale Größen erzeugt werden. Der Sigma-Delta-Modulator, als elektro-mechanischer Sigma-Delta-Modulator ausgebildet, umfasst dabei einen Kapazitäts-Spannungs-Wandler 13, welcher eingangsseitig vor der ersten Reglereinheit 4 angeordnet ist, die erste Reglereinheit 4 selber, einen mit dieser ausgangsseitig verbundenen Quantisierer 12 mit der
Abtastfrequenz f s , sowie für die Rückführung der Regelung einen nicht dargestellten Digital-Analog-Wandler und einen nicht abgebildeten Spannungs-Kraft-Wandler.
Die erste und die vierte Trimmspannung Ui , U 4 werden mittels eines ersten Mischers Ml und die zweite und die dritte
Trimmspannung U 2 , U 3 mittels eines zweiten Mischers M2 verarbeitet, jeweils in Abhängigkeit des digitalen
Ausgangssignals des Quantisierers 12.
Nachfolgend erfolgt beispielhaft eine Beschreibung und
Analyse durch mathematische Darstellungen:
Typischerweise besitzen mikroelektromechanische
Drehratensensoren zwei schwach gedämpfte, zueinander orthogonale mechanische Vibrationsmoden, die sog. primäre und sekundäre Mode, welche bei Auftreten einer Drehrate über den Corioliseffekt gekoppelt sind. Durch
herstellungsbedingte Ungenauigkeiten tritt im Allgemeinen eine weitere Kopplung zwischen Primär- und Sekundärmode auf, Unwuchteffekt bzw. Quadratur. Im Ausgangssignal des Sensors weisen die Signalkomponenten zufolge des Coriolis- und des Unwuchteffektes allerdings einen Phasenunterschied von 90° auf. Durch eine entsprechende Demodulation kann das Ausgangssignal demnach in eine Drehraten- und eine Quadraturkomponente zerlegt werden. Das konventionelle
Regelungskonzept von mikromechanischen Drehratensensoren umfasst daher typischerweise eine Quadraturregelung, welche die Signalkomponente zufolge des Unwuchteffektes mit Hilfe von zusätzlicher Aktorik kompensiert. Etwaige Offset-Driften der Drehratenkomponente im Ausgangssignal auf Grund von Demodulationsfehlern können dadurch vermieden werden. Um die Sensitivität zu erhöhen, werden in der Regel extrem schwach gedämpfte mechanische Strukturen eingesetzt. Das dadurch resultierende langsame dynamische Antwortverhalten des
Sensors zufolge einer Drehrate kann verbessert werden, indem die Drehratenkomponente mit Hilfe weiterer geeigneter
Aktoren in einer Rückstellregelung (auch Fesselungsbetrieb) kompensiert wird. Die gewünschte Sensordynamik wird dann durch den geschlossenen Kreis der Rückstellregelung
vorgegeben. Die maximale Sensitivität des Drehratensensors wird erreicht, wenn die Resonanzfrequenzen der primären und sekundären Mode identisch sind. Da in der Nähe dieses
Arbeitspunktes die Sensitivitätsänderung bereits bei
geringen Parameterabweichungen sehr groß wird, ist eine Regelung der Resonanzfrequenz notwendig. Die vorliegende Erfindung behandelt bevorzugt den Entwurf eines
Gesamtregelungskonzeptes , welches die Quadratur-, Rückstell- und Frequenzregelung umfasst.
Bei dem dieser Erfindung zugrundeliegenden Sensortyp handelt es zweckmäßigerweise sich um einen kapazitiven Drehratensensor. Hierbei erfolgen die Anregung und das Auslesen der Primär- bzw. Se kundär s chwingung mittels kapazitiver Aktoren und Sensoren. Für das Weitere sei angenommen, dass mit Hilfe geeigneter kapazitiver Aktoren, bzw. Antriebseinrichtungen der Dr e hr a t e n s e n s o r in der Primärmode in eine harmonische Schwingung mit konstanter Amplitude versetzt wird. Die Frequenz der Schwingung entspricht dabei der Resonanzfrequenz der Primärmode. Nimmt man weiterhin an, dass die Amplitude und Frequenz der P r imä r s chwi ngung ideal auf einen konstanten Sollwert geregelt werden, so lässt sich die Rückwirkung der Sekundärauf die P r i m ä r s c h w i n g u n g vernachlässigen und die Bewegungsdifferentialgleichung der Sekundärmode in der Form
*n . z q 2 + d 2 q z 4- fe 2 ~ &-ΣΙ$Ι (1) anschreiben. Dabei bezeichnen q^und Q 2 die Primär- und Sekundärmode, Ω die Drehrate sowie ...... , n..„ die Spannungen an den kapazitiven Aktoren zur Beeinflussung der Sekundärmode. Die positiven Konstanten >?· - , , und k ? entsprechen dem
Trägheits-, Dämpf ungs- und Steifigkeitskoeffizienten, während die Konstanten c 21 und k 21 , welche sowohl positive als auch negative Werte annehmen können, den Koppeltermen zufolge des Coriolis- und Unwuchteffektes entsprechen. Der nichtlineare Eingangsterm f z i q t> q 2f u lf ... , u^ ) hängt von der
Anordnung der kapazitiven Aktoren ab. Geht man von Parallelplattenkondensatoren aus, wie Fig. 1 gezeigt, können diese derart konzipiert werden, dass sowohl eine harmonische Anregung der Sekundärmode als auch eine Kompensation des
Koppelterms durch Anlegen einer konstanten
Spannungskomponente möglich ist. Durch den Gleichanteil erfolgt außerdem eine inhärente Beeinflussung der Resonanzfrequenz der Sekundärmode. Zunächst sei angenommen, dass nur Parallelplattenkondensatoren mit rechteckf örmigen Elektroden betrachtet werden. Bei einer Anzahl von m derartigen kapazitiven Aktoren zeigt Fig. 1 den ί-ten Aktor, ϊ = 1..... ,ηι, bestehend aus einer starr mit dem Gehäuse verbundenen Elektrode und einer beweglichen Elektrode. Die bewegliche Elektrode besitzt die translatorischen Freiheitsgrade :v. und z., wobei x, und z, die Bewegung des
Mittelpunktes der beweglichen Elektrode in Richtung der Primärmode bzw. der Sekundärmode beschreiben, d.h. wenn keine anderen Moden angeregt werden gilt - ι ο, und z ; — ±s. : Q 2 mit den positiven Konstanten r, und s. : . Die Kapazität
C i und die gespeicherte Energie IV P . des i-ten Aktors ergibt sich nun zu mi t de r e l e kt r i s che n S p annun g u r , d e r
Dielektrizitätskonstanten s, ri , dem Spalt g ir der Überlapp ¬ länge i ' ;, der Tiefe f ; und der Überlappfläche A = Lt. im unverformten Zustand. Die gesamte eingeprägte Kraft der kapazitiven Aktoren, ? in (1), berechnet sich in der Form
Aus (2) und (3) erkennt man, dass je nach geometrischer Anordnung des kapazitiven Aktors eine Kraftwirkung auf die Sekundärmode ausgeübt werden kann, welche vier unterschiedliche Vorzeichen-Permutationen aufweist, nämlich für x i = ±r i q 1 und , = rs. q : .
Nimmt man zunächst an, dass genau vier kapazitive Aktoren existieren, welche unterschiedliche Vorzeichen-Permutationen bes auf die Sekundärmode
^
Eine bevorzugte Ausbildung des Regelungskonzeptes stellt nun die Eingangsgrößentransformation
ÜJ ' U-y T -U S " Uj — ">>' -y T ' "5 ,
; (5)
dar. Setzt man die Transformation (5) in (4) ein und linearisiert den Ausdruck ,f, nach q 1 und q, um den Arbeitspunkt q 1 = ö und g 7 = 0, so erhält man eine näherungsweise Beziehung gültig für kleine Auslenkungen. Unter der Annahme, dass der Spalt für alle Parallelplattenkondensatoren gleich groß ist, d.h. :g =g, r sowie folgende geometrische Beziehungen erfüllt sind sA = s i A ir rst = τ :ί ε ( ΐ,- und s s A = s?A f für = i s ... s -m, welche als
Symmetriebedingungen für die gewichteten Überlappflächen und -längen interpretiert werden können, ergibt sich die lineare Approximation in der Form
Aus (6) erkennt man, dass die transformierten Eingangsgrößen nun voneinander entkoppelt sind. Gleichung (1) kann nun in der Form
m z q 2 - d 2 q z 4- ( fe 2 - fe £T ä r ) = h z ü s - Hc zl q l — (fe 21 +fe 21 , S }^ 1 (7) angeschrieben werden. Es zeigt sich unmittelbar in (7), dass der Eingang zur harmonischen Anregung der Sekundärmode, der Eingang ü r zur Kompensation der Unwucht und der Eingang ü. T zum Trimmen der Resonanzfrequenz der Sekundärmode herangezogen werden kann.
Im bisher Gesagten wurde die einschränkende Annahme getroffen, dass alle kapazitiven Aktoren rechteckf örmige Elektroden und keine rotatorischen Freiheitsgrade besitzen. Nun lässt sich das obige Konzept sehr einfach auf beliebig geformte Elektroden erweitern, die sich aus einer finiten Anzahl hinreichend kleiner rechteckförmiger Elemente darstellen lassen. Unter der Annahme einer Unterteilung in hinreichend kleine Elemente lässt sich somit auch die Kraftwirkung von beliebig geformten rotierenden Elektroden in der obigen Form approximieren. Weiterhin wird angenommen, dass die finiten Aktorelemente zu vier Gruppen k = 1, ,.. . . : 4 mit der Anzahl m^, an Elementen mit gemeinsamer Vorzeichen- Permutation zusammengefasst und mit der Spannung u,. versorgt werden. Erfüllen die verteilten Aktoren die geometrischen Beziehungen
V ,4, , = V V so Sekundärmode mit wiederum in der Form (6) approximieren. Für den eigentlichen, beispielhaften Reglerentwurf bedient man sich eines sogenannten Hüllkurvenmodells, welches die Dynamik der Fourier-Koeffizienten der Systemgrößen beschreibt. Dazu nimmt man zunächst an, dass die Primärmode eine harmonische Schwingung in der Form q t = Q iS mit der konstanten Amplitude Q ti und der Frequenz o^, welche der
Eigenfrequenz der Primärmode entspricht, vollführt. Weiterhin nimmt man an, dass die Sekundärmode sich als eine harmonische Schwingung der Form <? .? =
darstellen lässt. Bei einer harmonischen Anregung mit dem Eingang ü 5 = U s c os ^t) sowie den konstanten Eingängen ü T = U 7 und h..- = Ü rQ lässt sich die Dynamik der Fourier-Koeffizienten
Q ?s und Q mit Hilfe des Differenzialgleichungssystems mit dem Dämpfungsparameter und der Eigenfrequenz der Sekundärmode sowie den Eingangs- und Unwuchtparametern und den Eingängen U rr ,, U rn , U vs und U sc beschreiben. Im
Folgenden werden die harmonisch oszillierenden Systemgrößen (q 7 , ü s , ...) als „schnelle" Signale und die zugehörigen
Fourier-Koeffizienten (Q Z5 , Q 2<c , U ss , U s _ c , ...) als „langsame" Signale bezeichnet.
Für den Betrieb des Drehratensensors kann zwischen dem sog. „Split-Mode" und dem „Matched-Mode" unterschieden werden. Im
Split-Mode Betrieb ist der Eingang £f T . 0 konstant und der
Betrag der Frequenzdifferenz nimmt einen konstanten Wert i &i — ω. i » 1 an . Da für eine hinreichend große
Frequenzdifferenz die Änderung der Sensitivität zufolge von unterschiedlichen Dämpfungsparametern d 2 und damit keine wesentliche Rolle spielt, ist eine Regelung der sekundären Eigenfrequenz nicht notwendig und eine offline- Identifikation der Parameter er, und ausreichend. Im
Matched-Mode Betrieb hingegen wird ein möglichst kleiner Frequenzabstand ω 1 — iü ? -* 0 angestrebt. Die
Sensitivitätsänderung besitzt ihr Maximum in der Nähe des Punktes = weshalb eine Frequenzregelung und eine online-Identifikation des F r e qu e n z ab s t a n de s — ω 2 unumgänglich ist.
Da das Ausgangssignal = c-.q- sowohl zur Rückstellung der unbekannten Drehrate als auch zur Kompensation der - 2\
unbekannten Unwucht verwendet wird, kann aus dem Aus gangs s igna 1 keine weitere Information, z.B. über die Frequenzdifferenz, gewonn en werden . Dazu ist eine zusätzliche Anregung der Sekundärmode notwendig, welche Frequenzanteile im Spektrum enthält, die unterschiedlich von der Eigenfrequenz ω 1 sind. Eine einfach realisierbare
Möglichkeit ist eine harmonische Anregung mit der Frequenz c = ω^/Ι und £ :-> 1.
Nimmt man also Eingangsgrößen des Hüllkurvenmodells (8) der
U S€ = U C . i- ü s C5 sm{iü t)-rü s :c cos <:üi) sowie entsprechende
Zustandsgrößen Q 2S — Q z sr „ 4· Q 2 ss sin( ü) > Q 2 sc €ΟΞ ί ω '-0 und
Q z c = Q C - Q z cs s {iü s i) -I- an, so lässt sich unter
Vernachlässigung der Koppelterme zur Primärmode die Dynamik der neuen Fourier-Koeffizienten Q-, s .- r Qzsc Qi.cs und Q?. .C c (SC- Subsystem) durch ein Hüllkurvenmodell der Form
(11) angeben. Die Dynamik der Fourier-Koeffizienten Q T . C und Q-, C „ ( O-Subsystem) wird durch das Hüllkurvenmodell beschrieben .
Im Weiteren wird nun angenommen, dass das „schnelle" Ausgangssignal y = c-q durch einen robusten Regler R^(ß) auf einen harmonischen Sollwert Ό = Ycc c s{i. i") cos(iö t geregelt wird, mit l und i! » 1. Geht man zunächst davon aus, dass diese unterlagerte Rückstellregelung ideal ist und der Ausgang y dem Sollwert y 0 exakt folgt, d.h. es gilt Q- ?SS = G, 0, Q „ = 0 und G, r = c, so erhält man die
Eingangsgröße = iS &V j i- m eingeschwungenen Zustand aus (11) und (12) in der Form
(13)
Die einzelnen Komponenten - Γ · Γ L^- ^ und Ur können durch Demodulation der Stellgröße ü s gewonnen werden, wie in Fig. 2 gezeigt. Der Fourier-Koeffizient ^-.-e i n (13) ist proportional zur Drehrate und dient daher als Ausgang des Drehratensensors .
Die eigentliche Quadratur rege lung erfolgt nun durch Kompensation der Größe U SSQ mit Hilfe der Eingangsgröße ü cs .
Die für den Entwurf des Quadraturreglers R n (s) zugrundeliegende Strecke vom Eingang Ü CQ zum Ausgang U 25 , ; ist gegeben durch die stationäre Beziehung
G Q = (14)
Weiterhin erkennt man aus (13), dass der Fourier-Koeffizient U SCC linear von der Frequenzdifferenz c - — &J~ abhängig ist.
Die Frequenzdifferenz kann also in der Form t— = U scc ß*s.c ? fY c berechnet werden. Die Frequenzregelung hat nun die Aufgabe, den Fourier-Koeffizienten ü ? ..-.·· auf Null zu regeln. Die für die Frequenzregelung mit dem Regler R F {s} zugrundeliegende Übertragungsfunktion der um den Arbeitspunkt = ύύ 2 linearisierten Strecke vom Eingang L c > zum Ausgang U scc ist durch die stationäre Beziehung gegeben. Die zugehörige kaskadierte Regelungsstruktur ist in Fig. 2 dargestellt.
In der Realität ist die Übertragungsfunktion des geschlossenen Kreises der unter lagerten Rückstellregelung nicht exakt gleich eins. Die Antwort auf die harmonische Sollwertvorgabe weist dann im eingeschwungenen Zustand eine Phasenverschiebung φ ^ . und Amplitudenänderung _ ,_ auf, welche bei der anschließenden Demodulation korrigiert werden kann indem anstelle θΠ COSi £ t mit . . c0siG$.-t 4- ΦΛ demoduliert wird.
Das beispielhafte Auslesen eines Sensors mittels eines elektro-mechanischen Sigma-Delta (SD) Modulators im Fesselungsbetrieb (Rückstellregelung) bietet viele Vorteile gegenüber konventionellen Auslesesystemen ohne gefesselten Betrieb. Durch den gefesselten Betrieb lassen sich unter anderem die Bandbreite, der Dynamikbereich und die Linearität verbessern. Der Aufbau eines elektro-mechanischen SD-Modulators ist in Fig. 3 gezeigt und besteht aus einem Sensor, dem Kapazitäts-Spannungs-Wandler (C/V) , dem Filter bzw. die erste Reglereinheit R F ( }. welcher dem oben beschriebenen Rückstellregler entspricht, einem Quantisierer mit einer Abtastfrequenz f s , dem Digital-Analog-Umsetzer
(DAC) und einem Spannungs-Kraft-Wandler (-F/V) . Die Stabilität des geschlossenen Kreises wird durch eine geeignete Dimensionierung des Filters erreicht. In Fig. 4 ist ein vereinfachter Regelkreis gezeigt mit einem Eingang F , einer Übertragungsfunktion H(s , welche das System bestehend aus Sensor und Filter R^i ) abbildet, dem
Quantisierungsrauschen e und einem Ausgang D c welcher rückgekoppelt wird. Das Ausgangssignal ergibt sich für den geschlossenen Kreis im Laplace-Bereich zu
ί 1
, = F.,..—
i - 1 H(s) (16)
Anhand der Signalübertragungsfunktion (STF) und der Rauschübe rt r agungs fun kt i on (NTF) in (16) lässt sich erkennen, dass im Signalband eine große Verstärkung des Filters wünschenswert ist, um einerseits das Eingangssignal FLmit eins zum Ausgang D hin zu übertragen (d.h. man kann nun für den weiteren Reglerentwurf - wie in weiter oben erläutert - von einer idealen Rücks te 11 rege lung (y=y ri ) ausgehen) und andererseits das Quantisierungsrauschen zu unterdrücken. Bei Drehratensensoren lässt sich vorzugsweise ein Bandpassfilter verwenden mit einer Resonanzfrequenz die der primären Resonanzfrequenz des Drehratensensors entspricht. In Fig. 5 ist ein Spektrum des vorgestellten SD- Modulators gezeigt. Es sind zwei lokale Minima im Spektrum zu erkennen, das rechte resultiert aus dem Bandpassfilter und das linke aus der Übertragungsfunktion des Drehratensensors zufolge der Sekundärmode. Hier wird sofort ersichtlich, dass sich die Güte erheblich verbessern lässt, wenn die beiden lokalen Minima übereinander liegen. Beim SD-Modulator wird das digitale Ausgangs s ignal über einen DAC auf das Sensorelement zurückgeführt. Durch die aktive Rückkopplung wird die Linearität des Sensors verbessert. Dadurch wird bewirkt, dass das Messsignal am Eingang möglichst kompensiert wird und somit der Sensor im Idealfall ein verschwindendes Differenzsignal erfährt. Im Falle des SD Prinzips sollte die Aussage dahingehend modifiziert werden, dass das zu messende Signal im Mittel kompensiert wird und sich auf den Sensor nur der Fehler als Eingangssignal auswirkt. Durch die Verwendung von Multi-Bit Lösungen kann die Varianz zwischen Eingangs- und Au s g a n g s s i g n a 1 verringert und damit die Güte des Gesamtsystems in Bezug auf Linearität verbessert werden. Die Rückkopplung erfo lgt kapa z i t iv über e in pulsweitenmoduliertes Signal, ein Single oder Multi-Bit Spannungssignal oder ein Single oder Multi-Bit Ladungssignal. Die Multi-Bit Rückkopplung kann entweder durch einen speziellen DA Wandler erreicht werden, welcher eine implizite Linearisierung der Rückkopplungs kraft durchführt wie in Fig. 6a, oder durch die Verwendung von mehreren Rückkopplungselektroden wie in Fig. 6b zu sehen ist .
Durch die Verwendung von zeitkontinuierlichen SD Wandlern kann die Leistungsaufnahme in signifikanter Weise reduziert werden. Dies ist möglich, da die RC Technik geringere Bandbreiten für die Operationsverstärker (OPV) fordert. Im Vergleich zur Schalter-Kondensator Technik kann dies eine bis zu einem Faktor 10 geringere Bandbreite sein. Dadurch lässt sich ebenfalls die Stromaufnahme um denselben Faktor reduzieren. Für die zeitkontinuierliche Auswerteschaltung können zwei unterschiedliche Ansätze gewählt werden. Der erste basiert auf dem Abgreifen des Signals von der Mittenelektrode, wie in Fig. 7a zu sehen ist. Dieser Ansatz bietet den Vorteil, dass nur ein Verstärker für die Auswerteschaltung benötigt wird. Nachteile dieser Methode sind die komplizierte Erzeugung des Modulationssignals, welches um exakt 180° phasenverschoben sein sollte, und dass durch die Rückkopplung keine zusätzlichen Signale auf die Mittenelektrode übertragen werden dürfen. Aus diesen Gründen wird auch häufig ein voll differentieller Aufbau gewählt, welcher die vorgenannten Nachteile nicht aufweist und in Fig. 7b dargestellt ist. Als dritte Alternative kann für jede Kapazität ein eigener Verstärker gewählt werden. Dies führt aber zu einer großen Anzahl von Verstärken und einer Vergrößerung der Chipfläche.
In diesem Abschnitt wird das oben vorgestellte Regelungskonzept und der Sigma-Delta Modulator vereint zu einem weiteren, anhand der Fig. 8 veranschaulichten Ausführungsbeispiel. In dem digitalen Regelungsblock wird das Signal -ü s durch ti, -s . ersetzt. Das Signal u,- s . definiert die
Kraftrückkopplung des Sigma-Delta Modulators und kann zu einem konstanten Wert gesetzt werden. Mittels der beschriebenen Eingang s gr öß e n t r an s f o rma t i o n wird eine gegenseitige Beeinflussung der drei unterschiedlichen
Stellgrößen ü SQr U cs und verhindert . Die vier Spannungen ll^, und werden über die Mischer Ml und M2 auf die entsprechenden Elektroden der kapazitiven Aktoren des Drehratensensors eingeprägt. Dabei sind und ϋ ώ _ sowie u 2 _ und bzgl. der Stellgrößen ü c s und £Γ τ<δ gleich und unterscheiden sich nur durch den Kraftrückkoppelwert ·£, 0 . Der
Sigma-Delta Modulator besteht aus einem Kapazitäts- Spannungs-Wandler (C/V) , einem Schleifenfilter (R s {s)) , einem
1-bit Quantisierer , welcher mit einer Abtastfrequenz f s getaktet ist, sowie einer Kraftrückkopplung (DAC) definiert durch die beiden Mischer Ml und M2. Mit dem Ausgangssignal des Sigma-Delta Modulators werden die beiden Mischer Ml und M2 angesteuert. Die Kraftrückkopplung auf den Sensor durch die Spannungen u ir tu., u~ und u Ä erfolgt somit durch das
Umschalten zwischen den aktuellen Pegeln der Signale -u^ und 4_ bzw. ■ «,_ und .
Durch die Kombination der Quadratur- und Frequenzregelung sowie des Sigma-Delta Modulators lassen sich die Vorteile der jeweiligen Konzepte, wie in den vorgegangenen Abschnitten beispielhaft beschrieben, kombinieren.
Ein besonders vorteilhaftes Merkmal des Verfahrens und des Drehratensensors stellt die nichtlineare
Eingangsgrößentransformation (5) dar sowie die Verwendung eines zeitkontinuierlichen elektro-mechanischen Sigma-Delta Modulators .
Die Verwendung des zeitkontinuierlichen SD Wandlers zum Auslesen von Sensoren bringt verschiedenste Vorteile. Als erster Vorteil ist der reduzierte Leistungsverbrauch im Vergleich zur Schalterkondensatortechnik zu nennen. Dadurch, dass zeitkontinuierliche Signale verwendet werden, benötigen die verwendeten Operationsverstärker bis zu einem Faktor 10 weniger Bandbreite und damit bis zu einem Faktor 10 weniger Strom . Dies führt zu einem drastisch geringeren Energieverbrauch, welcher eine besondere Rolle gerade in dem stark wachsenden Markt der mobilen Sensorik besitzt. Des Weiteren besitzen zeitkontinuierliche SD Wandler einen impliziten Antialiasing Filter, welcher Frequenzen oberhalb von f s /2 filtert. Zwar besitzt der Sensor schon ein i e f p a s s v e r h a 1 t e n , doch reduziert dieser nicht in ausreichendem Maße Frequenzen oberhalb der Nyquist- Frequenz und die Eigenschaften dieses Filters sind auch nicht frei einstellbar. Die Eigenschaften zeitkontinuierlicher SD Wandler reduziert den Schaltungsaufwand und die Kosten sowie den erforderlichen Stromverbrauch. Des Weiteren wirkt durch die fehlende zyklische Umladung der Ausleseelektroden auf die Testmasse eine geringere Auslesekraft, was zu einer Erhöhung des Signal-Rauschabstandes führt und damit zu einer verbesserten Auflösung.
Konventionelle Verfahren zur Regelung der sekundären Resonanzfrequenz von kapazitiven D r e h r a t e n s e n s o r e n verzichten auf die Kompensation der inhärenten quadratischen Eingangsnicht 1 i ne ar i t ä t . Falls eine Quadratur- und/oder Rückstellregelung für den Betrieb des Dr ehr a t en s e n s o r s benötigt wird, hat dies zur Folge, dass sich die Frequenzregelung sowie die Quadratur- und Rückstellregelung gegenseitig beeinflussen. Da insbesondere im Fall einer Rückstellregelung das Ausgangs s ignal des Drehratensensors der benötigten Stellgröße zur Rückstellung der Drehrate entspricht, tritt hier das Problem auf, dass die Ausgangsgröße des Drehratensensors direkt von der Frequenzregelung beeinflusst wird. Wenn sich also die sekundäre Resonanzfrequenz, z .B. aufgrund von Temperatureinflüssen, ändert und die Frequenzregelung die dadurch entstehende Regelabweichung kompensiert, tritt auch eine Änderung des Ausgangssignals auf. Dieser unerwünschte E f f e k t k a n n d urch die vorge s chl agene Eingangsgrößentransformation vermieden werden, sodass aufwändige Korrekturen mittels Kennlinienfelder nicht erforderlich sind.
Für das vollständig entkoppelte Gesamtsystem mit den neuen transformierten Eingangsgrößen (ü. T , ü.- und ü^) können die
Frequenzregelung sowie die Quadratur- und Rückstellregelung unabhängig voneinander entworfen werden. Das vorgeschlagene Regelungskonzept besitzt den Vorteil, dass keine
Demodulation des Ausgangssignals und damit keine Entkopplung von Quadratur- und Drehratensignal mehr nötig ist,
vorausgesetzt der „schnelle" Rückstellregler ist hinreichend robust gegenüber Parameteränderungen (insbesondere der sekundären Resonanzfrequenz) ausgelegt. Eine Zerlegung in eine Quadratur- und Drehratenkomponente erfolgt durch
Demodulation der Stellgröße der Rückstellregelung. Außerdem hat das vorgeschlagene Regelungskonzept den Vorteil eines linearen Zusammenhanges zwischen der Resonanzfrequenz und dem zugehörigen Messsignal (U S£C = ^cc i^ ~ Gi 2 )/ißz c 2 ) und ermöglicht damit einen beliebig großen stabilen
Einzugsbereich für die Frequenzregelung.