DE-102014105205-B4 - Gyroskop-Stoß- und -Störungsmessschaltung

Abstract

Gyro-Messschaltung (600) auf Grundlage eines differentiellen Demodulationskonzepts, umfassend: eine erste Demodulationseinheit (602A), gekoppelt zum Empfangen eines Gyro-Ausgangssignals von einem Gyroskop (202), wobei die erste Demodulationseinheit (602A) das Gyro-Ausgangssignal unter Verwendung eines ersten Referenzsignals (f R1 ) zu einem ersten demodulierten Gyro-Ausgang demoduliert, wobei das Gyro-Ausgangssignal ein Stoßsignal und eine Vielzahl von Gyro-Messsignalen umfasst, die sich auf eine interessierende Drehgeschwindigkeit beziehen; eine zweite Demodulationseinheit (602B), gekoppelt zum Empfangen des Gyro-Ausgangssignals, wobei die zweite Demodulationseinheit (602B) das Gyro-Ausgangssignal unter Verwendung eines zweiten Referenzsignals (f R2 ) zu einem zweiten demodulierten Gyro-Ausgang demoduliert, wobei das erste und das zweite Referenzsignal (f R1 , f R2 ) symmetrisch bezüglich einer Kennfrequenz (f 0 ) des Gyroskops (202) liegen; einen Subtrahierer (604), gekoppelt mit der ersten und der zweiten Demodulationseinheit (602A, 602B), wobei der Subtrahierer (604) den ersten und den zweiten demodulierten Gyro-Ausgang differentiell kombiniert, um das Stoßsignal zu isolieren, das asymmetrisch bezüglich der Kennfrequenz (f 0 ) liegt; und einen Spitzendetektor (606), gekoppelt mit dem Subtrahierer (604), wobei der Spitzendetektor (606) bestimmt, ob der kombinierte Gyro-Ausgang einen Schwellenpegel (VTH) überschreitet, und einen Stoß-Indikator erzeugt, um ein Hauptsystem zu warnen, ob eine anomale Stoß- oder Störungssituation auftritt.

Inventors

• Massimiliano Forliti
• Christian Rosadini

Assignees

• MAXIM INTEGRATED PRODUCTS, INC.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20140411

Priority Date

20130624

Claims (20)

1. Gyro-Messschaltung (600) auf Grundlage eines differentiellen Demodulationskonzepts, umfassend: eine erste Demodulationseinheit (602A), gekoppelt zum Empfangen eines Gyro-Ausgangssignals von einem Gyroskop (202), wobei die erste Demodulationseinheit (602A) das Gyro-Ausgangssignal unter Verwendung eines ersten Referenzsignals (f R1 ) zu einem ersten demodulierten Gyro-Ausgang demoduliert, wobei das Gyro-Ausgangssignal ein Stoßsignal und eine Vielzahl von Gyro-Messsignalen umfasst, die sich auf eine interessierende Drehgeschwindigkeit beziehen; eine zweite Demodulationseinheit (602B), gekoppelt zum Empfangen des Gyro-Ausgangssignals, wobei die zweite Demodulationseinheit (602B) das Gyro-Ausgangssignal unter Verwendung eines zweiten Referenzsignals (f R2 ) zu einem zweiten demodulierten Gyro-Ausgang demoduliert, wobei das erste und das zweite Referenzsignal (f R1 , f R2 ) symmetrisch bezüglich einer Kennfrequenz (f 0 ) des Gyroskops (202) liegen; einen Subtrahierer (604), gekoppelt mit der ersten und der zweiten Demodulationseinheit (602A, 602B), wobei der Subtrahierer (604) den ersten und den zweiten demodulierten Gyro-Ausgang differentiell kombiniert, um das Stoßsignal zu isolieren, das asymmetrisch bezüglich der Kennfrequenz (f 0 ) liegt; und einen Spitzendetektor (606), gekoppelt mit dem Subtrahierer (604), wobei der Spitzendetektor (606) bestimmt, ob der kombinierte Gyro-Ausgang einen Schwellenpegel (VTH) überschreitet, und einen Stoß-Indikator erzeugt, um ein Hauptsystem zu warnen, ob eine anomale Stoß- oder Störungssituation auftritt.
2. Gyro-Messschaltung (600) nach Anspruch 1 , wobei die Vielzahl von Gyro-Messsignalen symmetrisch bezüglich der Kennfrequenz (f 0 ) liegt und durch das differentielle Kombinationsverfahren in dem Subtrahierer (604) unterdrückt wird.
3. Gyro-Messschaltung (600) nach Anspruch 1 , wobei das Gyro-Ausgangssignal weiter eine Vielzahl von Gyro-Störsignalen umfasst, die sich auf eine Störung am mechanischen Verhalten des Gyroskops (202) beziehen und somit symmetrisch bezüglich der Kennfrequenz (f 0 ) liegen, wobei die Vielzahl von Gyro-Störsignalen ebenfalls durch das differentielle Kombinationsverfahren in dem Subtrahierer (604) unterdrückt wird.
4. Gyro-Messschaltung (600) nach Anspruch 3 , wobei das Stoßsignal im Wesentlichen im Frequenzspektrum nahe mindestens einem Signal unter der Vielzahl der Gyro-Störsignale und der Vielzahl der Gyro-Messsignale liegt.
5. Gyro-Messschaltung (600) nach Anspruch 3 , wobei mindestens ein Signal aus dem Stoßsignal, der Vielzahl von Gyro-Messsignalen und der Vielzahl von Gyro-Störsignalen mit einer Frequenzbandbreite (BW SK ) assoziiert ist.
6. Gyro-Messschaltung (600) nach Anspruch 1 , wobei das erste und das zweite Referenzsignal (f R1 , f R2 ) mit einer ersten Phase (φ R1 ) bzw. einer zweiten Phase (φ R2 ) assoziiert sind und die erste und die zweite Phase (φ R1 , φ R2 ) konfiguriert sind, bestimmte Filterungseffekte zu neutralisieren, die das Gyroskop (202) auf Signale ausübt, die symmetrisch bezüglich der Kennfrequenz (f 0 ) liegen.
7. Gyro-Messschaltung (600) nach Anspruch 1 , wobei eine Frequenz mindestens eines aus dem ersten und dem zweiten Referenzsignal (f R1 , f R2 ) so gewählt ist, dass sie näher bei der Frequenz (f SK ) des Stoßsignals als bei einer jeweiligen Frequenz liegt, die jedes aus der Vielzahl von Gyro-Messsignalen aufweist.
8. Gyro-Messschaltung (600) nach Anspruch 1 , wobei die erste Demodulationseinheit (602A) weiter umfasst: einen ersten elektronischen Mischer (802A), der das erste Referenzsignal (f R1 ) und das Gyro-Ausgangssignal kombiniert und den Spektralgehalt des Gyro-Ausgangssignals bezüglich einer ersten Referenzfrequenz (f R1 ) des ersten Referenzsignals verändert; und ein erstes Tiefpassfilter (804A), gekoppelt mit dem ersten elektronischen Mischer (802A), wobei das erste Tiefpassfilter (804A) einen ersten Filtergewinn (G LP1 ) und eine erste Eckfrequenz (f LP1 ) aufweist, die konfiguriert sind, dem ersten Tiefpassfilter (804A) zu ermöglichen, die Vielzahl von Gyro-Messsignalen und das Stoßsignal unterschiedlich zu verarbeiten.
9. Gyro-Messschaltung (600) nach Anspruch 8 , wobei die zweite Demodulationseinheit (602B) weiter umfasst: einen zweiten elektronischen Mischer (802B), der das zweite Referenzsignal (f R2 ) und das Gyro-Ausgangssignal kombiniert und den Spektralgehalt des Gyro-Ausgangssignals bezüglich einer zweiten Referenzfrequenz (f R2 ) des zweiten Referenzsignals verändert; und ein zweites Tiefpassfilter (804B), gekoppelt mit dem zweiten elektronischen Mischer (802B), wobei das zweite Tiefpassfilter (804B) einen zweiten Filtergewinn (G LP2 ) und eine zweite Eckfrequenz (f LP2 ) aufweist, die konfiguriert sind, dem zweiten Tiefpassfilter (804B) zu ermöglichen, die Vielzahl von Gyro-Messsignalen und das Stoßsignal unterschiedlich zu verarbeiten.
10. Gyro-Messschaltung (600) nach Anspruch 9 , wobei der erste Gewinn (G LP1 ) und der zweite Gewinn (G LP2 ) konfiguriert sind, bestimmte Filterungseffekte zu neutralisieren, die das Gyroskop (202) auf Signale ausübt, die symmetrisch bezüglich der Kennfrequenz (f 0 ) liegen.
11. Verfahren zum Indizieren eines Stoßes in einem Ausgang eines Gyroskops (202), umfassend die Schritte: Empfangen (952) eines Gyro-Ausgangssignals vom Gyroskop (202), wobei das Gyro-Ausgangssignal ein Stoßsignal und eine Vielzahl von Gyro-Messsignalen umfasst, die sich auf eine interessierende Drehgeschwindigkeit beziehen; Demodulieren (954) des Gyro-Ausgangssignals zu einem ersten demodulierten Gyro-Ausgang unter Verwendung eines ersten Referenzsignals (f R1 ); Demodulieren (956) des Gyro-Ausgangssignals zu einem zweiten demodulierten Gyro-Ausgang unter Verwendung eines zweiten Referenzsignals (f R2 ), wobei das erste und das zweite Referenzsignal (f R1 , f R2 ) symmetrisch bezüglich einer Kennfrequenz (f 0 ) des Gyroskops (202) liegen; differentielles Kombinieren (958) des ersten und des zweiten demodulierten Gyro-Ausgangs, um das Stoßsignal zu isolieren, das asymmetrisch bezüglich der Kennfrequenz (f 0 ) liegt; und Bestimmen (960), ob der kombinierte Gyro-Ausgang einen Schwellenpegel (V TH ) überschreitet.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei das Gyro-Ausgangssignal weiter eine Vielzahl von Gyro-Störsignalen umfasst, die sich auf eine Störung am mechanischen Verhalten des Gyroskops (202) beziehen und somit symmetrisch bezüglich der Kennfrequenz (f 0 ) liegen, wobei die Vielzahl von Gyro-Störsignalen ebenfalls durch das differentielle Kombinationsverfahren in dem Subtrahierer (604) unterdrückt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12 , wobei das Stoßsignal im Wesentlichen im Frequenzspektrum nahe mindestens einem Signal unter der Vielzahl der Gyro-Störsignale und der Vielzahl der Gyro-Messsignale liegt.
14. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei das erste und das zweite Referenzsignal (f R1 , f R2 ) mit einer ersten Phase (φ R1 ) bzw. einer zweiten Phase (φ R2 ) assoziiert sind und die erste und die zweite Phase (φ R1 , φ R2 ) konfiguriert sind, bestimmte Filterungseffekte zu neutralisieren, die das Gyroskop (202) auf Signale ausübt, die symmetrisch bezüglich der Kennfrequenz (f 0 ) liegen.
15. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei eine Frequenz mindestens eines aus dem ersten und dem zweiten Referenzsignal (f R1 , f R2 ) so gewählt ist, dass sie näher bei der Frequenz (f SK ) des Stoßsignals als bei einer jeweiligen Frequenz liegt, die jedes aus der Vielzahl von Gyro-Messsignalen aufweist.
16. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei einer der beiden Demodulationsschritte (954, 956) einen ersten Unterschritt des Mischens des Gyro-Ausgangssignals mit einem jeweiligen Referenzsignal (f R1 , f R2 ) und einen zweiten Unterschritt des gewichteten Filterns des gemischten Gyro-Ausgangssignals mit einem jeweiligen Filtergewinn (G LP1 , G LP2 ) umfasst.
17. Gyro-Messschaltung (300), umfassend: eine Demodulationseinheit (302), gekoppelt, um ein Gyro-Ausgangssignal zu empfangen, das ein Gyro-Messsignal und mindestens eins aus einem Stoßsignal und einer Vielzahl von Gyro-Störsignalen von einem Gyroskop (202) umfasst, wobei die Demodulationseinheit (302) das Gyro-Ausgangssignal unter Verwendung eines Referenzsignals (f R ) zu einem demodulierten Gyro-Ausgang demoduliert, sodass das mindestens eine aus dem Stoßsignal und der Vielzahl von Gyro-Störsignalen beibehalten wird, während das Gyro-Messsignal, das sich auf eine interessierende Drehgeschwindigkeit bezieht, unterdrückt wird; und einen Spitzendetektor (304), gekoppelt an die Demodulationseinheit (302), wobei der Spitzendetektor (304) bestimmt, ob der demodulierte Gyro-Ausgang einen Schwellenpegel (V TH ) überschreitet, und einen Stoß-Indikator erzeugt, um ein Hauptsystem zu warnen, ob eine anomale Stoß- oder Störungssituation vorliegt.
18. Gyro-Messschaltung (300) nach Anspruch 17 , wobei die Demodulationseinheit (302) weiter umfasst: einen elektronischen Mischer (306), der das Referenzsignal (f R ) und das Gyro-Ausgangssignal kombiniert und den Spektralgehalt des Gyro-Ausgangssignals bezüglich einer Referenzfrequenz (f R ) des Referenzsignals (f R ) verändert; und ein Tiefpassfilter (308), gekoppelt an den elektronischen Mischer (306), wobei das Tiefpassfilter (308) einen Filtergewinn (G LP ) und eine Eckfrequenz (f LP ) aufweist, die konfiguriert sind, dem Tiefpassfilter (308) zu ermöglichen, das Gyro-Messsignal und das mindestens eine aus dem Stoßsignal und der Vielzahl von Gyro-Störsignalen unterschiedlich zu verarbeiten.
19. Gyro-Messschaltung (300) nach Anspruch 17 , wobei die Frequenz des Gyro-Messsignals mit einer Kennfrequenz (f 0 ) des Gyroskops (202) und einer Frequenz (Ω) einer Drehgeschwindigkeit assoziiert ist, zu deren Messung das Gyroskop (202) verwendet ist.
20. Gyro-Messschaltung (300) nach Anspruch 17 , wobei die Frequenz des Referenzsignals (f R ) so gewählt ist, dass sie näher bei einer ersten Frequenz des mindestens einen aus dem Stoßsignal und der Vielzahl von Gyro-Störsignalen als bei einer zweiten Frequenz des Gyro-Messsignals liegt, und außerdem ausreichend weit weg von einer Spitzenfrequenz (f 1 ) des Gyroskops (202) liegen muss.

Description

Querverweis auf in Zusammenhang stehende Anmeldung Diese Anmeldung beansprucht Anmeldungs-Vorrang unter 35 U.S.C. §119(e) vor der vorläufigen Anmeldung Nr. 61/816,419 mit dem Titel „Gyroskop-Stoß- und -Störungsmessschaltung“, eingereicht am 26. April 2013, deren Gegenstand hier in seiner Gesamtheit als Referenz aufgenommen ist. Hintergrund A. Technisches Gebiet Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte Schaltungen, und genauer Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen eines Stoßes oder einer Störung, die ein Gyroskop erlitten hat, und zum Unterscheiden von drehungsbasierten Messsignalen von Störsignalen, die durch den Stoß oder die Störung eingebracht sind. Die DE 10 2004 061 804 A1 offenbart hierzu beispielsweise einen mikromechanischen Drehratensensor mit seismischer Masse, Antriebsmitteln und Messelementen zur Erfassung von Auslenkungen infolge Corioliskraft und Störeinflüssen. Zur Kompensation der Störauslenkung werden aus dem Auslenkungssignal ein Störauslenkungssignal demoduliert und daraus ein Kompensationssignal erzeugt, das Kompensationsmitteln zugeführt wird. B. Hintergrund der Erfindung Eine mikroelektromechanische Struktur (MEMS) wird weitverbreitet als Sensor zur Messung von Beschleunigung, Drehung, Druck und vielen anderen physikalischen Parametern eingesetzt. Die MEMS-Vorrichtung wird normalerweise auf einem Silizium-Substrat unter Verwendung eines Mikrobearbeitungs-Prozesses ausgebildet, weist charakteristische Strukturgrößen von einigen Mikrometern auf und wandelt mechanische Bewegung in elektrische Signale um, die den Pegel eines interessierenden Parameters angeben können. Insbesondere wurden MEMS-basierte Gyroskopvorrichtungen entwickelt und angewendet, um Drehgeschwindigkeiten der Vorrichtungen bezüglich bestimmter Achsen zu überwachen, und eine Vielzahl von Verbraucher- und Automobilanwendungen verwendete erfolgreich solche MEMS-basierten Gyroskopvorrichtungen. Beispielsweise sind bei vielen Automobilanwendungen die Gyroskopvorrichtungen zur Stabilitätskontrolle, Navigationsunterstützung, Lastausgleichs-/Aufhängungsregelung, Kollisionsvermeidung und Überrollerkennung eingebaut. Herkömmliche MEMS-basierte Gyroskopvorrichtungen verwenden mechanische Schwingungselemente (Prüfmassen), um eine Drehgeschwindigkeit zu erfassen. 1A stellt ein mechanisches Element 100 dar, das in einem sich drehenden Referenzrahmen angeordnet ist. Das mechanische Element 100 ist in einer ersten orthogonalen Achse (x-Achse) zur Schwingung angetrieben, und wenn sich der Rahmen bezüglich einer zweiten orthogonalen Achse (y-Achse) dreht, wird Schwingungsbewegung aufgrund der Coriolis-Beschleunigung entlang der dritten orthogonalen Achse (z-Achse) induziert. Eine entsprechende Trägheits-Corioliskraft FC kann dargestellt werden als:Fc=−2Ωmvwobei Ω die Drehgeschwindigkeit, m die Masse des mechanisches Elements 100 und v die Schwingungsgeschwindigkeit entlang der ersten orthogonalen Achse ist. 1B stellt eine beispielhafte Vibrations-Gyroskopvorrichtung 150 dar, die auf elektrostatischer Betätigung und kapazitiver Erfassung zum Aufnehmen der Corioliskraft beruht. Eine Prüfmasse 152 ist durch an zwei gegenüberliegenden Seiten angeordnete Kamm-Antriebe 154 angetrieben, entlang einer x-Achse zu schwingen. Ein Kondensator ist zwischen dem Substrat und der Prüfmasse 152 gebildet. Als Reaktion auf Drehung bezüglich einer y-Achse schwingt die Prüfmasse 152 auf das Substrat zu und von ihm weg, auf dem sich die Gyroskopvorrichtung 150 befindet, und deshalb verändert sich der Spaltabstand des Kondensators, was zu einer kapazitiven Änderung führt, die mit der Corioliskraft assoziiert ist. Eine Schnittstellen-Leseschaltung ist normalerweise in der Gyroskopvorrichtung 150 eingebaut, um diese kapazitive Änderung in ein Gyroskop-Messsignal umzuwandeln, das mit dem Betrag der Corioliskraft und daher mit der entsprechenden Drehgeschwindigkeit verknüpft ist. Obwohl das Gyroskop-Messsignal interessierende Informationen zur Drehgeschwindigkeit enthält, werden auch Störsignale durch verschiedene Stoß- und Störquellen eingebracht und könnten die Genauigkeit der Drehungsmessung wesentlich verschlechtern. Insbesondere in Automobilanwendungen ist Stoßfestigkeit kritisch und bildet eine Haupteigenschaft, weil strenge Sicherheitsauflagen verhängt werden müssen, um ein ausfallsicheres und robustes System sicherzustellen. In einem solchen Kontext muss ein Auftreten eines Stoßes oder einer Störung indiziert und dazu verwendet werden, anzuzeigen, dass ein unzuverlässiges und unvorhersehbares Drehgeschwindigkeitssignal ausgegeben wird, wenn das Niveau des Stoßes oder der Störung einen durch ein entsprechendes Drehungsmesssystem tolerierbaren Schwellwert überschreitet. Viele bestehende Gyroskopvorrichtungen auf dem Markt wendeten Sensor- oder Gehäuselösungen an, um die Stoßfestigkeit der Vorrichtungen selbst zu verbessern. Jedoch indiziert keine davon das Auftreten von Stoß oder Störung bezüglich einer bestimmten Toleranz und warnt ein Haup