用于运行微机电陀螺仪的方法、陀螺仪
阅读说明：本技术 用于运行微机电陀螺仪的方法、陀螺仪 (Method for operating a microelectromechanical gyroscope, gyroscope ) 是由 M·迪特里希 W·施密德 于 2021-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于运行微机电陀螺仪的方法,微机电陀螺仪具有可激励振动的至少一个质量块,用于检测测量值；驱动电路,用于激励和维持质量块的振动运动；用于所检测测量值的读取电路；其中,在陀螺仪的至少一个运行模式中脉冲地驱动质量块并且协调地读取测量值,其方式是,循环地重复下述阶段：a.起动阶段,激活并且运行驱动电路直到质量块实施具有预给定的第一目标幅度的限定振动运动；b.测量阶段,如此运行驱动电路,使得维持质量块的限定的振动运动,并且在测量阶段中检测并且由读取电路读取测量值；c.静止阶段,至少部分地停用驱动电路,其中,如此选择静止阶段的持续时间,使得质量块的振动运动的幅度不降低为零。(The invention relates to a method for operating a microelectromechanical gyroscope having at least one mass that can be excited to vibrate for detecting measured values; a drive circuit for exciting and maintaining the vibrating motion of the mass; a reading circuit for the detected measurement values; in at least one operating mode of the gyroscope, the masses are driven in pulses and the measured values are read in a coordinated manner, in that the following phases are cyclically repeated: a. a start-up phase, in which the drive circuit is activated and operated until the mass performs a defined oscillating movement with a predefined first target amplitude; b. a measuring phase in which the drive circuit is operated in such a way that a defined oscillating movement of the mass is maintained and in which measuring phases the measured values are detected and read by the reading circuit; c. a stationary phase, in which the drive circuit is at least partially deactivated, wherein the duration of the stationary phase is selected such that the amplitude of the oscillating movement of the mass does not decrease to zero.)
技术领域
本发明从一种用于运行微机电陀螺仪的方法出发，所述微机电陀螺仪具有：可激励进行振动的至少一个质量块，所述可激励进行振动的至少一个质量块用于检测测量值；至少一个驱动电路，所述至少一个驱动电路用于激励和维持所述质量块的振动运动；用于所检测的测量值的至少一个读取电路。
背景技术
微机电系统(MEMS)作为传感器用在多个应用中。例如，借助MEMS陀螺仪能够测量转动运动。为了识别转动运动，MEMS陀螺仪需要主动移动的质量块(Masse)，所述质量块将施加的旋转运动转化为产生的(resultierend)且可探测的科里奥利力。为了可调节地激励该运动需要电能，该电能构成传感器的总电流消耗的大部分。在由现有技术已知的方法中，在此通常目的在于移动的质量块的在传感器运行期间保持的恒定的振动幅度。为了实现恒定的且稳定的目标振动幅度，需要高达100ms的时间。在此之后才有稳定的转速信号可用。
发明内容
在此背景下，本发明的任务在于，提供一种用于运行陀螺仪的方法和一种陀螺仪，所述方法和所述陀螺仪能够实现节能的和/或高成本效益(kosteneffizient)的运行。
与现有技术相比，根据本发明的用于运行陀螺仪的方法的优点是，能实现脉冲的运行模式，在该脉冲的运行模式中，在使用陀螺仪期间能够暂时至少部分地停用驱动电路，使得系统的驱动电路或者说驱动调节装置(Antriebsregelung)的电流消耗下降。同时，(质量块起振达到第一目标幅度期间的)能量消耗能够保持得低，因为MEMS在运行期间不必定期地从静止位置中重新激励。根据本发明，这能够通过下述方式实现：如此选择静止阶段的持续时间，使得在质量块的振动运动的幅度降低为零之前、即在该质量块静止之前再激活驱动电路。因此，得到一种整体上特别省电的用于运行陀螺仪的方法，其中，同时能够执行精确的测量。
根据本发明尤其可以设想，在起动阶段(a.)期间激活驱动电路，直到质量块实施具有预给定的第一目标幅度的限定的振动运动。在测量阶段(b.)期间也优选如此激活驱动电路，使得驱动电路提供电驱动信号，借助该电驱动信号激励振动质量块进行具有第一目标幅度的振动。在静止阶段(c.)期间，优选至少如此部分地停用驱动电路，使得不输出电驱动信号并且与此相应地不驱动振动质量块。在切断电驱动信号之后，质量块的振动的幅度根据质量块振动的品质减小。在高品质的情况下，幅度仅比较缓慢地减小。根据本发明，当驱动电路不输出电驱动信号时，有利地节省电能。在质量块的振动运动的幅度下降为零之前(即在该振动完全衰减之前)，静止阶段结束并且驱动电路被再次激活，使得驱动电路再次提供电驱动信号，借助该电驱动信号驱动该振动质量块。由此，在幅度重新增加到第一目标幅度的情况下能够节省电流和时间，因为该质量块不必从其静止位置或静态位置中被激励，而是仍然实施剩余振动。
因此，根据本发明，能够提供一种特别节能的方法，该方法与下述方法相比具有优点：在所述方法中，暂时仅切断用于测量转速信号的路径的一部分，但是驱动器继续保持在恒定的目标幅度上。
此外，根据本发明的方法与下述方法相比具有优点：在所述方法中使用工作循环(DutyCycling)，在所述工作循环中，驱动运动在静止阶段中停止。在这种的方法中，该质量块必须周期性地从静止状态中启动，这会不利地导致长的循环时间、非常低的重复率和在从静止位置中相应地增加振动幅度时提高的电流消耗。替代地，根据本发明，能够在该质量块的振动运动的幅度降低为零之前再激活驱动电路。
以下阐述本发明的有利的构型和扩展方案。
根据一种优选的扩展方案设置，如此选择静止阶段的持续时间，使得质量块的振动运动的幅度最多衰减直至为大于零的预给定的幅度阈值。幅度阈值尤其能够理解为幅度在静止阶段结束时最小降低到的剩余振动幅度。在此优选可以设想，幅度阈值能够通过选择静止阶段的持续时间来预给定。当系统的品质或振动运动的衰减性能已知时，这能够特别有利地实现。但是，替代地或者附加地也可以设想，幅度阈值能够直接确定并且例如能够通过测量求取。
优选地例如可以设想，幅度阈值或者说剩余振动幅度相应于第一目标幅度的20％与80％(含)之间的值。幅度阈值尤其取决于陀螺仪的设计、振荡器的品质、MEMS的电特性、目标幅度、驱动电路在将能量馈入驱动运动中的方面的效率等。
根据一种优选的扩展方案设置，至少预给定各个阶段a.、b.和c.的持续时间和/或第一目标幅度和/或用于调节质量块的振动运动的调节参数和/或呈用于驱动电路和/或读取电路的参数组形式的、用于测量值的读取的滤波器参数。
根据一种优选的扩展方案设置，通过选择用于驱动电路和/或读取电路的不同参数组能够实现具有脉冲地驱动的质量块的多个运行模式。
根据一种优选的扩展方案设置，在尽可能低的电流消耗和测量值的争取达到的品质方面自动地至少优化各个阶段a.、b.和/或c.的持续时间和/或第一目标幅度和/或用于调节振动运动的调节参数和/或用于测量值的读取的滤波器参数。优选地，一方面，如此优化静止阶段的持续时间，使得在时间上累计的总电流消耗变得尽可能低，所述静止阶段具有与激活的时间窗口成比例的低电流消耗。另一方面，优选如此选择该比例，使得在静止阶段之后(或在静止阶段结束时)质量块的剩余幅度、即幅度阈值仍然尽可能高，以便使所需的起动阶段保持尽可能短。特别优选地可以设想，对各个阶段a.、b.和/或c.和/或第一目标幅度和/或用于调节质量块的振动运动的调节参数和/或用于测量值的读取的滤波器参数的自动优化在陀螺仪运行时进行，而不是在生产该陀螺仪时在工厂侧进行。因此，能够实现灵活的匹配和优化。
根据一种优选的扩展方案设置，至少在测量阶段期间测量测量值、尤其是涉及转动运动和/或转速的测量值。因此，在质量块以其固定的并且优选可选择的第一目标幅度振动的同时，能够实现有利的测量。通过这种的恒定的测量条件能够执行精确的测量。为了检测测量数据，在陀螺仪中或者陀螺仪上设置有探测机构，尤其是科里奥利探测机构和/或转速探测机构。探测机构的信号优选被提供给读取电路、测量装置或测量单元。
根据一种优选的扩展方案设置，至少在起动阶段a.中和/或在静止阶段c.中检测测量值并且由读取电路对所述测量值进行读取和加权，其中，所述测量值的加权基于当前的幅度与第一目标幅度的比例进行。由此，尤其可以设想，在测量阶段之前和/或之后——尤其是在该质量块尚未或者不再以第一目标幅度振动时——检测测量值。因此，有利地可以设想，可以减小在整个循环中的测量阶段的持续时间，由此能够特别有利地节省能量。然而，由于在起动阶段a.和/或静止阶段c.期间测量值是在不相应于第一目标幅度的情况下被记录的，优选对在起动阶段和/或静止阶段中记录的测量值进行加权和/或缩放。例如可以设想，所述加权如此进行，使得测量值——随着瞬时幅度(在该瞬时幅度的情况下记录一测量值)与第一目标幅度的间距变得越大——被越小地加权。因此，在第一目标幅度的情况下求取的测量值能够比远离第一目标幅度记录的测量值更高地加权。
根据一种优选的扩展方案设置，仅在起动阶段a.内的预给定的时间间隔期间和/或在静止阶段c.内的其他预给定的时间间隔期间检测测量值并且由读取电路对所述测量值进行读取和加权。因此，能够确定以下时间窗口：在起动阶段和/或静止阶段期间在所述时间窗口中求取测量值。因此，尤其能够有利地防止在过低的当前的振动幅度的情况下求取测量值。
根据一种优选的扩展方案设置，至少在起动阶段a.中和/或在静止阶段c.中检查当前的幅度是否大于预给定的最小幅度值，并且只有在当前的幅度大于可预给定的最小幅度值时，才检测测量值并且由读取电路对所述测量值进行读取和加权。
根据一种优选的扩展方案设置，在读取测量值时使用具有低延迟时间(Laufzeit)和高输出频率的宽带滤波器，使得对于具有脉冲地驱动的质量块的运行模式的每个循环，至少一个经滤波的测量值可供使用。
根据一种优选的扩展方案设置，进一步处理所读取的测量值，其中，分别对可预给定的数量的测量值求平均值和/或确定测量值与平均值的标准偏差。
根据一种优选的扩展方案设置，所述陀螺仪可选地在具有脉冲地驱动的质量块的至少一个运行模式中或者在具有连续地驱动的质量块的至少一个其他运行模式中运行，其中，在所述其他运行模式中，至少在限定的时间间隔中维持质量块的具有预给定的第二目标幅度的限定的振动运动。在连续的运行模式期间，优选持久地和/或连续地借助驱动电路来驱动质量块，并且使质量块保持在第二目标幅度，尤其在连续运行模式期间不暂时切断驱动电路。
根据一种优选的扩展方案设置，在具有脉冲地驱动的质量块的至少一个运行模式中和在具有连续地驱动的质量块的至少一个其他运行模式中，使用不同的用于驱动电路和/或读取电路的参数组。
根据一种优选的扩展方案设置，对于在具有脉冲地驱动的质量块的运行模式中的第一目标幅度以及对于在具有连续地驱动的质量块的其他运行模式中的第二目标幅度，选择相同的幅度值或者不同的幅度值。根据本发明的一种实施方式尤其可以设想，在脉冲的运行模式中的第一目标幅度与在连续的运行模式中的第二目标幅度不同。这导致在恒定的转动的情况下产生的科里奥利力的改变。在这种情况下，数据路径必须能够实现针对经修改的输入灵敏性匹配输出信号。为此，能够通过数字逻辑设置相应的可配置性和可切换性。相应地，特别优选地，将不同的用于驱动电路和/或用于读取电路的参数组用于不同的运行模式。
根据一种优选的扩展方案设置，在不同的运行模式之间的切换以用户发起的方式实现，或者自动地、基于事件地实现。因此，能够灵活地在脉冲的运行模式与连续的运行模式之间切换。
本发明的另一个主题是一种陀螺仪，其具有用于检测测量值的、可激励进行振动的至少一个质量块、用于激励和维持该质量块的振动运动的至少一个驱动电路和用于所检测的测量值的至少一个读取电路；其特征在于至少一个运行模式，在该至少一个运行模式中脉冲地驱动该质量块并且与此协调地读取测量值，其方式是，循环地重复下述阶段：
a.起动阶段，在所述起动阶段中激活并且运行驱动电路，直到质量块实施具有预给定的第一目标幅度的限定的振动运动，
b.测量阶段，在所述测量阶段中如此运行驱动电路，使得维持质量块的限定的振动运动，并且在所述测量阶段中检测测量值并且由读取电路读取所述测量值。
c.静止阶段，在所述静止阶段中至少部分地停用驱动电路，其中，如此选择所述静止阶段的持续时间，使得该质量块的振动运动的幅度不降低为零。
根据一种优选的扩展方案设置，能够重新配置驱动电路和/或读取电路，使得可选地能够实现具有脉冲地驱动的质量块的至少一个运行模式和/或能够实现具有连续地驱动的质量块的至少一个其他运行模式，在所述其他运行模式中至少在限定的时间间隔中维持该质量块的具有预给定的第二目标幅度的限定的振动运动。
根据一种优选的扩展方案设置运行模式控制单元，所述运行模式控制单元控制不同的运行模式之间的切换，并且所述运行模式控制单元针对相应所选择的运行模式为驱动电路和/或读取电路提供参数组，通过所述参数组至少预给定：在脉冲地驱动的质量块的情况下各个阶段a.、b.和c.的持续时间，和/或目标幅度，和/或用于调节振动运动的调节参数，和/或用于测量值的读取的滤波器参数。
根据一种优选的扩展方案设置，该陀螺仪包括至少一个存储器单元，在该至少一个存储器单元中能储存用于配置驱动电路和/或读取电路的至少一个参数组。在此可以设想，存储器单元是其中安装有陀螺仪的用户设备的一部分，和/或存储器单元属于陀螺仪或者明确配属于陀螺仪。优选地，支持至少一个连续的运行模式和一个或者多个脉冲的运行模式，其中，借助于不同的用于驱动电路和/或读取电路的参数组能够在不同的运行模式之间切换。这种的不同的参数组能够有利地储存在存储器单元中。
在此能够将已经结合根据本发明的用于运行陀螺仪的方法或者结合该方法的扩展方案所描述的特征、实施方式和优点用于陀螺仪。
本发明的实施例在附图中示出并且在以下描述中更详细地阐述。
附图说明
图1示出根据本发明的一种实施方式的用于运行微机电陀螺仪的方法的示意图；
图2示出根据本发明的一种实施方式的系统的示意图。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的一种实施方式的用于运行微机电陀螺仪的方法的示意图。所示的实施方式包括测量阶段101、静止阶段102、起动阶段103以及时间段104和其他时间段107。
微机电系统1或者说陀螺仪包括振动质量块2，借助于驱动电路3’能够激励该振动质量块进行振动运动。在测量阶段101期间，如此激活驱动电路3’，使得驱动电路3’提供电驱动信号，借助该电驱动信号激励振动质量块2进行具有第一目标幅度的振动。因此，质量块2在测量阶段101中以第一目标幅度振动。在测量阶段101期间，执行转速测量并且求取陀螺仪的测量值。为此，陀螺仪包括探测机构6，尤其是科里奥利探测机构和/或转速探测机构。通过经测量的转速采样的数量和滤波器7的设置，能够在一方面由于短的测量持续时间而实现的低电流消耗与另一方面测量数据的品质(例如噪声)之间对模式进行优化。要么直接提供测量数据，要么过渡到可选的后处理(Post-Processing)时间窗口(至时间段104的过渡)中。时间段104，即对测量值的后处理，能够构造为测量阶段的和/或静止阶段的一部分。在测量阶段101期间的电流消耗相对较高，因为振动质量块2保持在第一目标幅度。
在测量阶段101之后，至少部分地停用驱动电路3’，并且在静止阶段102期间至少部分地如此保持停用所述驱动电路，使得驱动电路3‘在静止阶段102期间不输出电驱动信号并且振动质量块2相应地不被驱动。因此，质量块2的振动幅度在静止阶段102期间相应于质量块振动的品质地减小。在高品质的情况下，幅度仅缓慢地减小。有利地能够如此优化静止阶段102的长度，使得一方面静止阶段102在循环中具有大的份额，但另一方面还存在足够的剩余振动幅度以缩短接下来的起动阶段103。静止阶段102的电流消耗非常低。在与总循环的其他时间窗口的相互作用(Zusammenspiel)中，静止阶段102的持续时间的优化能够通过以下方式进行：通过相应的逻辑使阶段(和尤其静止阶段102)的持续时间进行自我优化。替代地或者附加地，能够预先基于试验或者模拟执行优化。
在静止阶段102结束时，振动质量块2的振动的幅度降低为剩余幅度或者说幅度阈值。但是，质量块2仍然振动并且没有静止。在质量块2的振动的幅度下降为零之前，即在完全衰减之前，在静止阶段102结束时、尤其在达到幅度阈值时如此再激活驱动电路3’，使得驱动电路3’再次提供电驱动信号，借助该电驱动信号驱动振动质量块2。
因此，陀螺仪1的驱动质量块2在起动阶段103开始时仍然振动，但是以小于第一目标幅度的幅度振动。以专门针对脉冲的运行模式所优化的调节器参数组再激活驱动电路3’，以便将振动幅度提高为第一目标幅度并且稳定在那里。起动阶段103中的电流消耗相对较高。
优选地，一旦驱动电路3’的监控装置3通过信号表示即将达到第一目标幅度，其他时间段107就开始。现在，准确地监控各个调节元件的状态。如果监控装置3报告在第一目标幅度运行稳定，则过渡至测量阶段101。通过监控参数的选择，在时间段的持续时间与幅度稳定性的质量之间进行优化。此外，在其他时间段107中的电流消耗相对较高，但是与剩余的起动阶段103相比略微降低，因为所需要的驱动功率已经下降。其他时间段107也能够理解为起动阶段103的一部分。
可选地，在测量阶段101与静止阶段之间设置时间段104，和/或所述时间段104设置为测量阶段101的一部分和/或静止阶段102的一部分。在时间段104期间，能够借助于后处理装置(Nachbearbeitungseinrichtung)8匹配陀螺仪的测量值的输出。例如，在此能够求取并且输出测量值的平均值或者能够执行对一个测量值或多个测量值的校正。尤其也能够在时间段104启动时就已经过渡至静止阶段102(静止阶段102和时间段104的平行的启动)。电流消耗能够由此已经减小为相对较低的水平，如在静止阶段102中那样。时间段104也能够被理解为静止阶段102的一部分。
时间段或者说阶段101、102、103、104、107能够循环地或者说周期性地重复，使得实现脉冲的运行模式。因此，在其他遍历(Durchlauf)中，即在其他循环中，尤其将遍历其他测量阶段101‘、其他静止阶段102‘、其他起动阶段103‘以及可选地遍历附加的其他时间段107‘和可选地遍历附加的时间段104‘。
除了包括阶段和时间段101、102、103、可选地107、104的脉冲的运行模式之外，该系统还能够在连续的运行模式中运行。在连续的运行模式中，借助于驱动单元3’激励振动质量块2进行具有第二目标幅度的连续的振动。连续的运行模式的第二目标幅度能够与脉冲的运行模式的测量阶段101中的第一目标幅度不同或者替代地能够相应于第一目标幅度。时间窗口105、106示例性地构成从质量块2的静止位置(在测量过程启动时)或者从连续的运行模式到脉冲的运行模式的过渡(或者相反)。根据发生移动的质量块的先前的状态，能够在不同的位置上切换到脉冲的运行模式的循环中。如果质量块2或者说驱动器处于静止中，则优选在时间窗口105中以为此所需要的调节参数执行从静止位置中的启动。在此，例如在其他时间段107中进入到脉冲的运行模式的循环中。如果驱动器或者说质量块2已经偏移(因为该系统先前已在连续运行模式中运行)，则根据时间窗口106优选适合的是，在静止阶段102中进入到脉冲的运行模式的循环中。在连续的运行模式与脉冲的运行模式之间的切换能够以用户发起的方式、自动地和/或基于事件地实现。
优选地，即使在将各个阶段匹配为恒定的值时也能够优化总循环持续时间，以便在需要的情况下能够以恒定的输出频率向应用11提供转速测量值。
优选地，在阶段和时间段101、102、103、104、107中停用不需要的电路部件，以便进一步降低总电流消耗。例如，如果不需要测量装置5、滤波器7和后处理装置8的功能块，则至少部分地在起动阶段103和必要时其他时间段107期间停用所述功能块。
根据应用，能够保存和运行(abgefahren)不同的参数组和循环设置。例如，通过匹配各个阶段或者说时间段，能够以可改变或者可切换的方式实施总循环时间。为此，优选将用于驱动电路和/或读取电路的多个参数组保存在存储器单元9或设置单元中，所述参数组能够根据需要选择。因此，即使在使用陀螺仪期间，总循环持续时间也能够例如从40ms(25Hz)切换为20ms(50Hz)，如果这对于应用11或者其他应用而言是必需的话。在另一情况下，例如在更高的总电流消耗的情况下，能够延长测量阶段101的份额，以便改善测量质量。
参数组的加载、驱动调节器、对调节元件的监控、对不同的阶段和/或时间段的操控、测量数据的后处理以及对于循环的运行(Ablauf)和循环的激活与停用而言必需的所有其余的步骤，优选能够通过集成电路(ASIC)、可编程逻辑(FPGA)、微控制器和/或外部的主机应用11实现。子任务也能够通过不同的平台控制，例如在由ASIC和微控制器组成的组合中控制。
对于在启动时质量块2处于静止位置的情况，对质量块2的驱动运动的调节通常如此设计，使得静止的传感器元件被尽可能快地带入目标幅度。与此相应地优化驱动调节器的调节器系数。由此，在还存在剩余运动的情况下的启动可能导致调节器的不稳定性，或者甚至导致在MEMS元件中激励寄生的运动形式。因此优选地，为了针对不同的运行模式(借助于驱动电路2‘的连续的驱动和脉冲的驱动)确保稳定的运行，一方面驱动调节器能配置得如此宽，使得能够覆盖两个工作点，另一方面通过相应匹配的参数组的加载能够实现驱动调节器的运行模式之间的切换。优选地，匹配的参数组能够如此保存在传感器中的存储器单元9中和/或外部的存储器单元9中，使得能够调用所述匹配的参数组。优选地，能够通过数字逻辑在不同的参数组之间切换。这例如通过微控制器实现。
在图2中示出根据本发明的一种实施方式的系统的示意图。该系统包括构造为陀螺仪的微机电系统1，该微机电系统具有振动质量块2、尤其是驱动质量块。此外，陀螺仪包括探测机构6，尤其是科里奥利探测机构和/或转速探测机构。借助于探测机构6能够求取或测量测量值、尤其是涉及转动运动和/或转速的测量值。探测器件6的信号被提供给读取电路5或测量装置。读取电路5将测量值提供给一个滤波器7或多个滤波器。为了测量值的读取，在此优选使用具有低延迟时间和高输出频率的宽带滤波器7，使得对于脉冲的运行模式的每个循环，至少一个经滤波的测量值可供使用。此外，该系统能够包括后处理装置8。借助于后处理装置8能够进一步处理所读取的测量值，其中，尤其分别对可预给定的数量的测量值求平均值和/或确定测量值与平均值的标准偏差。此外，系统包括用于驱动调节装置或或者说驱动电路3’的存储器单元9。借助于存储器单元9和所存储的参数组，能够如此配置驱动电路3‘，使得能够设置期望的运行模式的振动激励。因此，借助于这种参数组能够例如相应于用于脉冲的运行模式的阶段101、102、103(和必要时104和/或107)来设置驱动电路3‘。另外，设置有具有通信单元的运行模式控制单元10。借助于运行模式控制单元10能够执行从脉冲的运行模式到连续的运行模式的切换或者从连续的运行模式到脉冲的运行模式的切换。借助于存储器单元9和/或运行模式控制单元10还能够在不同的脉冲的运行模式(例如具有各个阶段的不同的持续时间的脉冲的运行模式)之间进行切换。相应地，对于不同的脉冲的运行模式使用不同的参数组。此外，示出主机应用11，该主机应用能够请求转速测量，和/或向该主机应用提供转速测量值。振动质量块2借助于驱动电路3’来激励和运行。驱动电路3’尤其包括用于监控/探测质量块2的振动的监控装置3和用于控制质量块2的驱动器的控制装置4。
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