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Die Erfindung betrifft einen Vibrationskreisel mit
einem Vibrationselement und einem Antriebselement zur Anregung des
Vibrationselements, einem ersten Abnehmer zur Messung der Schwingung
des Vibrationselements in einer ersten Ebene, einem zweiten Abnehmer
zur Detektion einer Schwingung, die ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements ist,
und einem Regelkreis zur Regelung des Antriebselements in Abhängigkeit
von der gemessenen Schwingung, wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung
aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator besitzt.
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Kreisel werden eingesetzt, um Drehbewegungen
messen zu können.
Der Einsatz von mechanischen Kreiseln ist seit langer Zeit bekannt
und wird beispielsweise in Flugzeugen eingesetzt, um die Lage des
Flugzeugs in der Luft feststellen zu können. Mechanische Kreisel besitzen
dazu schnell rotierende Massen. Insgesamt ist eine große Präzision aller verwendeten
Bauteile notwendig, so daß mechanische
Kreisel sehr teuer sind. Für
den Einsatz in Fahrzeugen sind sie unter anderem aus diesem Grund ungeeignet.
Hinzu kommt, daß sie
empfindlich gegenüber
Stößen sind
und gegen solche abgesichert werden müssen.
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In Fahrzeugen werden deswegen mikromechanische
Vibrationskreisel eingesetzt. In ihrer prinzipiellen Funktionsweise
unterscheiden sie sich von mechanischen Kreiseln darin, daß sie keine
rotierenden Teile besitzen, sondern auf Mikrovibrationen aufbauen.
Sie sind robust und immun gegen externe Vibrationen und somit ideal
für den
Einsatz in Fahrzeugen. Ein verbreiteter Vertreter mikromechanischer
Vibrationskreisel sind piezoelektrische Stimmgabeln.
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Aufgrund des piezoelektrischen Effekts
erzeugt ein Kristall ein elektrisches Potential, wenn er mechanischen
Schwingungen ausgesetzt wird, und umgekehrt reagiert der Kristall
mit Vibrationen, wenn er in ein elektrisches Feld gebracht wird.
Wird auf ein piezoelektrisches Material ein Wechselstrom mit einer
Frequenz aufgebracht, die zu einer der spezifischen elastischen
Frequenzen des Materials paßt, zeigen
sich Resonanzerscheinungen.
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Nach der Anregung mit einer Resonanzfrequenz
des Vibrationselements schwingt dieses in einer ersten Richtung.
Die Funktionsweise eines Vibrationskreisels beruht nun darauf, daß bei einer äußeren Drehbewegung
des Vibrationselements die sogenannte Coriolis-Kraft auftritt, die
senkrecht zur Richtung der Vibrationsbewegung und zur äußeren Drehbewegung
steht. Bei einer geeigneten Geometrie des Vibrationselements führt die
Coriolis-Kraft zu einer meßbaren
Schwingung in einer zweiten Ebene, die senkrecht zu der Schwingung
in der ersten Ebene steht. Die Amplitude der Schwingung in der zweiten Ebene
ist ein Maß für die Drehrate
des Vibrationselements.
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Bei anderen Bauformen von Vibrationselementen,
beispielsweise bei kreissymmetrischen Vibrationselementen, wird
nicht die Amplitude der Schwingung in einer zweiten Ebene ausgewertet, sondern
die Coriolis-Kraft führt
zu einer Verschiebung von Schwingungsknoten relativ zu dem Vibrationselement.
Die Verschiebung der Schwingungsknoten ist wiederum ein Maß für die äußere Drehung des
Vibrationselements.
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Für
den Betrieb eines Vibrationskreisels ist es notwendig, das Vibrationselement
ständig
mit seiner Resonanzfrequenz anzuregen. Um dies mit der geforderten
Genauigkeit zu bewerkstelligen, besitzen bekannte Vibrationskreisel
einen Regelkreis zur Regelung des Antriebselements in Abhängigkeit
von der gemessenen Schwingung, wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung
aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator besitzt. Ein typischer
Vibrationskreisel, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist,
ist in der 1 gezeigt.
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Ein Vibrationselement 22 besitzt
ein Antriebselement 1 und einen Abnehmer 2. Es
ist eine Regelschleife mit einem Verstärker 5 vorgesehen,
durch die eine Rückkopplung
der gemessenen Schwingung auf das Antriebselement 1 erfolgt,
so daß die
Schwingung des Vibrationselementes aufrechterhalten wird. Eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung 21 sorgt für die erforderliche
Genauigkeit.
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In einer sekundären Regelschleife erfolgt eine
Closed-Loop-Messung
der durch die Coriolis-Kraft angeregten Schwingung des Vibrationselementes
in der zweiten Ebene. Zu einer detaillierteren Beschreibung der
Funktionsweise wird auf die Beschreibung zu der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß 2 verwiesen.
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Um die zur Anregung des Vibrationselements 22 erforderliche
Leistung niedrig zu halten, werden für die Vibrationselemente 22 solche
eingesetzt, die eine sehr hohe Güte
bzw. eine schmale Bandbreite besitzen. Daraus folgt aber auch, daß die Zeitkonstanten
für den
Einschwingvorgang sehr groß sind.
Die Startzeit bzw. die Abschaltzeit für Vibrationskreisel ist deswegen
sehr lang und dauert bis in den Sekundenbereich. Für viele
Anwendungen, insbesondere in sicherheitskritischen Bereichen wie ESP
(Elektronisches Stabilitäts-Programm)
sowie für Überschlagsdetektoren
in Fahrzeugen ist eine kurze Startzeit des gesamten Systems erforderlich.
Dies gilt nicht nur für
die Initialisierung beim Start beispielsweise des Fahrzeugs, sondern
auch für
einen Neustart des Systems nach der Durchführung von Prüfroutinen
oder möglichen
Ausfällen,
die einen Reset bedingen.
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Zwar wird versucht, durch Einbeziehen
des Vibrationselements in den primären Regelkreis sowie durch
Optimierung der Parameter für
die Amplituden- und Nachlaufsynchronisationsrege lung die Startzeit zu
verringern, die jedoch in vielen Anwendungsfällen immer noch zu lang ist.
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Ein weiteres Problem des bekannten
Vibrationskreisels gemäß 1 besteht darin, daß während des
Betriebs des Vibrationskreisels sich die Temperatur der verwendeten
Komponenten erhöht und
aufgrund der Temperaturabhängigkeit
der Resonanzfrequenz des Vibrationselements 22 zu einem bleibenden
Phasenfehler in der Nachlaufsynchronisationseinrichtung 21 führt, der
nicht auf einen akzeptablen Wert begrenzt werden kann. Da die Phaseninformation
des Signalgenerators 9 auch für die Demodulation der Schwingung
in der zweiten Ebene verwendet wird, führt der Phasenfehler in der
Nachlaufsynchronisationseinrichtung 21 zu einer Verschlechterung
der Genauigkeit der Drehratenmessung.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung,
einen Vibrationskreisel anzugeben, bei dem die Startzeit verkürzt ist
und der Phasenfehler in der Nachlaufsynchronisationseinrichtung
verkleinert wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
Vibrationskreisel der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet
ist, daß Mittel
zur Messung der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements im
freischwingenden Zustand vorgesehen sind und der Signalgenerator
programmierbar ist, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist zur
Programmierung des Signalgenerators in Abhängigkeit der gemessenen Frequenz
und/oder Phase.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis
zugrunde, daß die
Dauer des Startvorgangs wesentlich von der anfänglichen Frequenzdifferenz
zwischen der Resonanzfrequenz des Vibrationselements und des Signalgenerators
abhängt.
Zumindest zum Zeitpunkt des Systemstarts ist weder die Resonanzfrequenz des
Vibrationselements noch die Startfrequenz des Signalgenerators genau
bekannt. Darüber
hinaus hängen
sie von dem individuel len Temperaturverhalten des Vibrationselements
und des Signalgenerators ab. Gemäß der Erfindung
sind Mittel vorgesehen, durch die die Frequenz und/oder Phase des
Vibrationselements im freischwingenden Zustand schnell gemessen
werden kann. Dies kann dadurch geschehen, daß der primäre Amplituden- und Phasenregelkreis
aufgetrennt wird. Dadurch kann die Resonanzfrequenz des Vibrationselements
im freischwingenden Zustand gemessen werden. Ein geeigneter Impuls
zur Anregung einer Schwingung ist dabei durch den Signalgenerator
erzeugbar. Mit der Information über
die momentane Frequenz und Phase ist es möglich, den erfindungsgemäßen programmierbar
ausgestalteten Signalgenerator zu programmieren, so daß bereits
nach der kurzen Meßphase der
Signalgenerator ein gegebenenfalls phasengerechtes Signal mit einer
Frequenz bereitstellt, die exakt mit der Resonanzfrequenz des Vibrationselements übereinstimmt.
Eine lange Einschwingzeit, bis sich ein Signalgenerator nach dem
Stand der Technik mit der Frequenz des Vibrationselements synchronisiert
hat, entfällt.
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Durch die Möglichkeit, die Resonanzfrequenz
des Vibrationselements freischwingend zu messen, kann eine solche
Messung auch durch eine kurze Betriebsunterbrechung erfolgen, wodurch
eine Neuprogrammierung des programmierbaren Signalgenerators in
Abhängigkeit
der gemessenen und unter Umständen
durch Temperatureinflüsse
veränderten
Resonanzfrequenz ermöglicht
wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 einen
Vibrationskreisel nach dem Stand der Technik in einer schematischen
Darstellung,
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2 einen
Vibrationskreisel nach der Erfindung,
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3 eine
Zeitdiagramm mit den Funktionsphasen des Vibrationskreisels von 2 und
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4 die
Berechnung von Frequenzkorrekturen anhand eines Frequenz-Temperatur-Diagramms.
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Der Vibrationskreisel nach dem Stand
der Technik wurde bereits in der Beschreibungseinleitung kurz erläutert. Der
erfindungsgemäß erweiterte Vibrationskreisel
gemäß 2 funktioniert teilweise gleich
oder ähnlich
wie der bekannte Vibrationskreisel, so daß die nachfolgende Beschreibung
der 2 auch zum besseren
Verständnis
der Schaltung nach dem Stand der Technik gemäß 1 herangezogen werden kann. Funktionsgleiche
Komponenten sind in den 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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In 2 ist
ein Vibrationselement 22 mit seinen Antriebselementen 1 und 3 und
seinen Abnehmern 2 und 4 schematisch dargestellt.
Das System besteht aus wenigstens einem ersten Antriebselement 1,
um das Vibrationselement in eine Schwingung mit der Resonanzfrequenz
zu versetzen und diese Schwingung aufrechtzuerhalten, und wenigstens
einem ersten Abnehmer 2 zur Detektion der Schwingung, wobei
aufgrund des Ausgangssignals des Abnehmers 2 nach einer
geeigneten Signalaufbereitung eine Rückführung auf das Antriebselement 1 erfolgt.
Für die
Signalverarbeitung ist ein Verstärker 5 vorgesehen,
der das am Abnehmer 2 bereitgestellte Signal auf einen
geeigneten Signalpegel verstärkt. Darüber hinaus
ist ein Amplitudendetektor 10 für die Messung und Filterung
der am Abnehmer 2 gemessenen Amplitude vorgesehen. Der
Amplitudendetektor 10 ist mit einer Anregungssteuerung 11 verbunden,
die wiederum das erste Antriebselement 1 ansteuert. Die
Anregungssteuerung 11 ist darüber hinaus mit einem Referenzsignal
REF beaufschlagbar. Der Verstärker 5,
der Amplitudendetektor 10 sowie die Antriebssteuerung bildet
gemeinsam mit dem ersten Abnehmer 2 und dem ersten Antriebselement 1 einen
Amplitudenregelkreis.
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Für
die Realisierung einer robusten, synchronen Amplitudendetektion
besitzt der Signalverarbeitungskreis üblicherweise zusätzlich eine
Nachlaufsynchronisationseinrichtung 21. Diese erlaubt die Detektion
der Frequenz und der Phase der Schwingung des Vibrationselements 22.
Die Nachlaufsynchronisationseinrichtung 21 besteht aus
einem Phasendetektor 7, einem geeigneten Tiefpaßfilter 8 und einem
steuerbaren Signalgenerator 9, der als spannungs- oder
stromgesteuerter Oszillator realisiert ist. In einer verbesserten
Ausführung
handelt es sich um einen digital steuerbaren Signalgenerator, der
die erforderlichen Signalformen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln
erzeugen kann. Die beschriebenen Amplituden- und Phasenregelkreise
bilden Primärregelschleifen.
Durch Verbindung der Nachlaufsynchronisationseinrichtung 21 und
dem Amplitudendetektor 10 beziehungsweise der Anregungssteuerung 11 ist eine
präzise
Ansteuerung des Antriebselementes 1 möglich.
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Die Nachlaufsynchronisationseinrichtung 21 ist
vor allem deswegen notwendig, weil eine reine Frequenzmessung nicht
zu einer ausreichend exakten Ansteuerung des ersten Antriebselements 1 führt. Eine
Regelung der Phasenverschiebung zwischen einem Eingangssignal, in
diesem Fall vom ersten Abnehmer 2, und einem gesteuerten
Signalgenerator führt
dagegen zusätzlich
zu der Korrektor der Phasenlage und damit zu einer sehr genauen
Frequenzabstimmung.
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Die Information über die Phase und Frequenz,
die an der Nachlaufsynchronisationseinrichtung 21 abgreifbar
ist, wird nicht nur für
die Aufrechterhaltung der Schwingung des Vibrationselements in der
ersten Ebene benötigt,
sondern auch für
eine genaue Bestimmung der Drehrate, wie im Folgenden beschrieben.
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Üblicherweise
ist ein weiterer Abnehmer 4 sowie ein zweites Antriebselement 3 vorgesehen,
die für
die Detektion einer Schwingung in einer weiten Ebene verwendet werden.
Prinzipiell genügt
ein zweiter Abnehmer 4, ohne ein zweites Antrieb selement 3 einzusetzen.
In diesem Fall kann in einer Open-Loop-Messung die Schwingung in einer
zweiten Ebene bestimmt werden. Unter dem Gesichtspunkt eines günstigen
Signal/Rausch-Verhältnisses ist
es jedoch von Vorteil, eine sogenannte Closed-Loop-Messung vorzunehmen.
Dabei wird ein zweites Antriebselement 3 vorgesehen, das
der Schwingung des Vibrationselements 22 in der zweiten
Ebene entgegenwirkt. Das zweite Antriebselement 3 wird
dabei so angesteuert, daß die
durch die Coriolis-Kraft angeregte Schwingung möglichst vollständig ausgeregelt
wird. Anhand des Ansteuersignals des zweiten Antriebselements 3 ist
die Drehrate des Vibrationselements bestimmbar. Die sekundäre Regelschleife
umfaßt
typischerweise einen Verstärker 6 für den zweiten
Abnehmer 4, einen Schleifen-Demodulator 12, der
aus dem Signal des Abnehmers 4 die Phasen- und Quadratur-Komponenten ableitet,
ein Filter 13 für
die beiden Komponenten und einen Remodulator 14, der die
Basisbandkomponenten in den Resonanzbereich des Vibrationselements zurückführt und
diese addiert. Geeignete Korrektursignale CORR können der sekundären Regelschleife zugeführt werden,
um parasitäre
Gleichanteile zu kompensieren, die durch Symmetrieabweichungen und
andere Abweichungen des Vibrationselements entstehen.
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Die zweite Schwingung beinhaltet
die Information über
die Drehrate. Das Drehratensignal kann durch einen außerhalb
der sekundären
Regelschleife angeordneten Demodulator 15, wie er in 1 gezeigt ist, ermittelt
werden. Alternativ könnte
er als eines der Basisbandsignale direkt abgegriffen und gefiltert
werden. Die sekundäre
Regelschleife kann, wie oben angesprochen, auch weggelassen werden
und die Drehrate in einer Open-Loop-Messung ermittelt werden, wobei
ein Demodulator vorgesehen werden muß, der direkt an den Verstärker 6 des
zweiten Abnehmers angeschlossen ist.
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Für
den sekundären
Regelkreis sind neben analogen Signalverarbeitungsschaltungen auch
digitale Signalverarbeitungsschaltungen aus dem Stand der Technik
bekannt und verfügbar.
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Die Erfindung ist sowohl bei der Closed-Loop-Messung
als auch bei der Open-Loop-Messung anwendbar und unabhängig davon,
ob die sekundäre
Regelschleife in analoger oder digitaler Meßtechnik ausgeführt ist.
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Die Anordnung von 2 ist gegenüber der Schaltung von 1 durch ein schnelles Frequenz- und
Phasenmeßsystem
erweitert. Darüber
hinaus ist statt eines konventionellen gesteuerten Signalgenerators 9 ein
programmierbarer und steuerbarer Signalgenerator 22 vorgesehen.
Dieser beinhaltet eine Steuereinheit 20, die zur Synchronisation
des Vibrationselements 22 mit dem Signalgenerator 23 eine Messung
der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements 22 im
freischwingenden Zustand veranlaßt und bei Vorlage des Meßergebnisses
den Signalgenerator 23 entsprechend programmiert.
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Während
des Betriebs durchlaufene Phasen sind in der 3 dargestellt. In einer ersten Phase T1,
die nach dem Einschalten des Systems einige Millisekunden andauert,
erzeugt der programmierbare Signalgenerator 23 ein erstes
Antriebssignal mit einem Spektrum, das sich innerhalb eines Frequenzbereichs Δf befindet,
in dem die Resonanzfrequenz des Vibrationselements 22 erwartet
wird. Beispielsweise wird ein geeignetes Spektrum durch ein Chirp-Signal
erzeugt, indem die Frequenz des Signalgenerators während des
Zeitintervalls T1 von einem minimalen zu einem maximalen Wert geändert wird.
Dieses Signal regt das Vibrationselement 22 an. Um ein
starkes Resonanzsignal zu erhalten, sollte die Anregung mit der
maximal erlaubten Kraft, also mit der maximal erlaubten Antriebsspannung,
erfolgen. In diesem Zeitintervall sind die Schalter 18 und 19 geöffnet und
ein Schalter 17 verbindet den Signalgenerator 23 mit
dem ersten Antriebselement 1. Der Schalter 17 ist
dabei der Schalter, durch den das Antriebselement 1 mit
der Anregungssteuerung 11 oder direkt mit dem Signalgenerator 23 verbunden
werden kann. Der Schalter 18 trennt den sekundären Regelkreis
auf, so daß auch
bei einer Closed-Loop-Messung keine Anregung des Vibrationselements 22 durch
das zweite Antriebselement 3 erfolgen kann. Darüber hinaus
wird die Nachlaufsynchronisationseinrichtung 21 unterbrochen,
indem zwischen einem Filter 8 und dem Signalgenerator 23 der
Schalter 19 geöffnet
wird.
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In einem zweiten Zeitintervall T2,
das wiederum einige Millisekunden andauert, wird die Frequenz- und
Phasendifferenz zwischen dem nun freischwingenden Vibrationselement 22 und
dem programmierbaren, steuerbaren Signalgenerator 23 gemessen,
beispielsweise durch die Messung der Nulldurchgänge des verstärkten Ausgangssignals
des ersten Abnehmers 2. In diesem Zeitintervall ist der Schalter 17 in
einer neutralen Position, es ist also weder der Signalgenerator 23 auf
dem direkten Weg noch die Anregungssteuerung 11 mit dem
ersten Antriebselement 1 verbunden. Die Schalter 18 und 19 sind
offen, und der programmierbare Signalgenerator 23 wird
als spannungs- oder
stromgesteuerter Oszillator ohne Eingangssteuersignal A betrieben
und erzeugt als solcher eine rechteckige oder eine andere periodische
Signalform mit der Grundfrequenz in demselben Bereich wie die erwartete
Frequenz des Vibrationselements 22.
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Nach der Messung wird die Frequenz
und die Phase des Signalgenerator 23 so genau wie möglich auf
die gemessenen Werte gesetzt und die Phasennachlaufsteuerung 21 sowie
der Amplitudenregelkreis nachfolgend durch Schließen der
Schalter 17 und 19 geschlossen. Der Schalter 17 verbindet also
die Anregungssteuerung 11 mit dem ersten Antriebselement 1 und
der Schalter 19 schließt
den Regelkreis der Nachlaufsynchronisationseinrichtung.
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In dem Fall, wenn wie in 2 dargestellt eine Closed-Loop-Messung in der
sekundären
Regelschleife erfolgt, wird darüber
hinaus der Schalter 18 geschlossen, um eine Gegensteuerung
im sekundären
Regelkreis zu ermöglichen.
Nach der Durchführung
dieser Schritte befindet sich der Vibrations kreisel in einem Normalbetriebszustand,
der in 3 als Zeitintervall
T3 bezeichnet wird.
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Die Messung der Frequenz- und Phasendifferenz
kann in unterschiedlichen Weisen durchgeführt werden, abhängig davon,
ob ein Taktgenerator mit hoher Genauigkeit zur Verfügung steht.
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Nach der Erfindung wird in dem Fall,
daß kein
hochgenauer Taktgenerator zur Verfügung steht, die Frequenz- und
Phasendifferenz zwischen dem freischwingenden Vibrationselement
und dem Signalgenerator unter Verwendung des Signalgenerators selbst
als Zeitbasis gemessen. Diese Zeitbasis bezieht sich auf die anfänglichen
Werte der Frequenz des Signalgenerators mit einem Nullwert als Eingangssignal
A. Die Frequenz- und Phasenmessung kann dadurch realisiert werden,
daß die
Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der
verstärkten
Ausgangsspannung des ersten Abnehmers gezählt werden, wobei eine Impulsfolge
des Signalgenerators genutzt wird, deren Frequenz N-mal höher als
die ungefähr
der Resonanzfrequenz ensprechende Basisfrequenz ist.
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Der Signalgenerator kann ein rechteckiges Signal
mit der Basisfrequenz beispielsweise durch einen Frequenzteiler
erzeugen, der die interne Frequenz durch den Faktor N teilt oder
er kann aus einem beliebigen anderen periodischen Signal ein Signal
mit der Basisfrequenz durch eine geeignete Technik erhalten ("locked
table technique"). N muß hoch genug
sein, beispielsweise 1024, um eine ausreichende Genauigkeit für die Frequenzmessung
zu erzielen. Im Bedarfsfall kann eine zusätzliche Schätzung der Restdifferenz von
korrespondierenden Zeitintervallen eingesetzt werden.
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Das Rauschen hinter dem Eingangsverstärker verursacht
Jitter der abgeleiteten Nulldurchgänge, deren Auswirkungen durch
geeignete Mittelwertbildung der Meßwerte reduziert werden kann.
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Im Fall der Verfügbarkeit eines hochgenauen internen
oder externen Taktsignals erfolgt die Messung der anfänglichen
Frequenz- und Phasendifferenz zwischen dem angeregten, freischwingenden Vibrationselement
und dem freischwingenden Signalgenerator bei A = 0 beispielsweise
durch parallele Messung beider Frequenzen und nachfolgender Berechnung
der Frequenz- und Phasendifferenz zwischen beiden unter Verwendung
entsprechender Mittel des Frequenz- und Phasenmeßsystems 16. Die übrige Vorgehensweise
entspricht der Messung mit dem Signalgenerator als Zeitbasis.
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Nach dem Start ist das gesamte System
sich ändernden
Umgebungsbedingungen ausgesetzt, insbesondere dem Einfluß von Temperaturänderungen.
Hierbei ist allerdings die Genauigkeit der Phasenkontrolle des Phaseneingangs-
und Quadratur-Ausgangssignals
des Signalgenerators 23 in Bezug auf die Phase des Vibrationselements 22 maßgeblich
für die
Genauigkeit der Messung. In der Closed-Loop-Betriebsweise steigt
der Phasenfehler zwischen dem Signalgenerator 23 und dem
Vibrationselement 22 mit der steigenden Frequenzdifferenz
zwischen dem freischwingenden Vibrationselement 22 und
dem freischwingenden Signalgenerator 23 bei A = 0, weil
die Reduzierung einer steigenden Frequenzdifferenz ein größeres Phasenfehlerkompensationssignal
in der Closed-Loop-Betriebsweise erfordert. Der Hauptgrund für die wachsende
Abweichung der Frequenzen des freischwingenden Vibrationselements 22 und
des freischwingenden Signalgenerators 23 sind die unterschiedlichen
Temperaturkoeffizienten beider Frequenzen, was zu einer Änderung
der Frequenzdifferenz mit einer Temperaturänderung führt.
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Durch eine Verwendung der erfindungsgemäßen Mittel
entsprechend der 2 wird
eine Verbesserung des Phasenfehlers ermöglicht, wie im Folgenden ausgeführt ist.
Erfindungsgemäß kann die aktuelle
Frequenzdifferenz zwischen dem Vibrationselement 22 und
dem freischwingenden Signalgenerator 23 bei A = 0 verwendet
werden, um die Null-Frequenz des Signalgenerators 23 zurückzusetzen
und entsprechend den kompensierenden Phasenfehlern in der Nachlaufsynchronisationseinrichtung
zu reduzieren. Der freischwingende Signalgenerator kann virtuell
als Algorithmus implementiert werden, wobei die entsprechenden Modelle
zu verwenden sind, oder real in Hardware.
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Zur Schätzung der aktuellen temperaturbedingten
Phasendifferenz gibt es verschiedene Fälle.
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In dem Fall, daß das Temperaturverhalten der
Frequenzen sowohl des Vibrationselements 22 als auch des
Signalgenerators 23 bekannt sind, kann die aktuelle Frequenz
offensichtlich durch Messung der aktuellen Temperatur geschätzt und
die entsprechende Frequenzdifferenz berechnet werden. Das Temperaturverhalten
kann durch Frequenzwerte bei einer gegebenen Temperatur festgelegt
werden, beispielsweise bei Raumtemperatur, ebenso wie die Temperaturkoeffizienten
des Vibrationselements 22 und des Signalgenerators 23.
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Nach der Erfindung kann die Temperaturmessung
durch die Frequenzmessung des Vibrationselements 22 selber
ersetzt werden, wenn ein hochgenauer interner oder externer Taktgenerator zur
Verfügung
steht.
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In vorteilhafter Weise nutzt dieser
Ansatz die Tatsache, daß für die meisten
mikro-mechanischen Vibrationselemente die Resonanzfrequenz stark
von den Young-Modulen des Vibrationselements abhängt, welche sich in einer sehr
guten Näherung
linear mit der Temperatur ändert.
Folglich ist nur der Temperaturkoeffizient erster Ordnung erforderlich. Dadurch
kann die Temperaturabhängigkeit
der Resonanzfrequenz vorab durch eine einfache Zweipunktmessung
gemessen werden.
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Auch das Temperaturverhalten des
Signalgenerators 23, welches von dem jeweiligen Schaltungsprinzip
abhängt,
muß gemessen
und im voraus gespeichert werden.
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Nach der Erfindung wird die Messung
der aktuellen Frequenz fvs(T) des Vibrationselements 22 im Closed-Loop-Betrieb
zur Temperaturberechnung verwendet. Bei der berechneten Temperatur
wird die Frequenz fCSG(T) des freischwingenden
Signalgenerators berechnet. Basierend auf der berechneten Differenz
zwischen der aktuellen Frequenz des Vibrationselements 22 und
der berechneten Frequenz des freischwingenden Signalgenerators wird
das Korrektursignal für
die Startwerte des freischwingenden Signalgenerators abgeleitet,
wobei dann die aktuelle Frequenz des Signalgenerators auf die aktuelle
Frequenz des Vibrationselements 22 setzt. Das Prinzip der
Berechnung ist in 4 gezeigt.
T1 ist dabei die Temperatur beim Systemstart und T2 die Temperatur zu
einem späteren
Zeitpunkt, wenn sich die Temperatur während des Betriebs erhöht hat.
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Erfindungsgemäß werden in dem Fall, daß die Resonanzfrequenz
des Vibrationselements 22 und sein Temperaturkoeffizient
nicht genau genug bekannt sind und/oder dies auf den freischwingenden
Signalgenerator zutrifft, die aktuelle Frequenzdifferenz zwischen
den beiden von Zeit zu Zeit gemessen, indem die Regelschleifen durch
das Setzen des Schalters 17 in die neutrale Position und Öffnung der Schalter 18 und 19 geöffnet werden.
Nach der Messung und dem Setzen des Signalgenerators 23 auf die
Frequenz des Vibrationselements 22 werden die Schleifen
wieder geschlossen. Der Nachteil einer solchen Methode besteht in
der Unterbrechung der Drehratenmessung. Erfindungsgemäß kann aber dies
dadurch vermieden werden, daß ein
zweiter Signalgenerator, der in der Figur nicht dargestellt ist, verwendet
wird, der gut auf die Nullfrequenz (A = 0) und an das Temperaturverhalten
des ersten Signalgenerators 23 angepaßt ist. Der zweite Signalgenerator
ist nicht in die Nachlaufsynchronisationseinrichtung einbezogen
und wird nur für
die Zeitbestimmung des Frequenz/Phasenmeßsystems 16 in 2 eingesetzt.
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In diesem Fall erfolgt eine kontinuierliche oder
regelmäßige Messung
der Frequenzdifferenz zwischen der Nullfrequenz dieses zweiten Signalgenerators
und der Frequenz des Vibrationselements 22 (oder der Frequenz
des Vibrationselements). Es ist auch ein Vergleich der Frequenzen
des zweiten Signalgenerators und des ersten Signalgenerators möglich, sofern
der erste Signalgenerator mit dem Vibrationselement gekoppelt ist.
Der in der Schleife befindliche Signalgenerator wird kontinuierlich
oder in bestimmten Zeitschritten auf die gemessene Frequenz des
Vibrationselements 22 gesetzt.
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- 1
- erstes
Antriebselement
- 2
- erster
Abnehmer
- 3
- zweites
Antriebselement
- 4
- zweiter
Abnehmer
- 5,
6
- Verstärker
- 7
- Phasendetektor
- 8
- Filter
- 9
- steuerbarer
Signalgenerator
- 10
- Amplitudendetektor
- 11
- Anregungssteuerung
- 12
- Schleifen-Demodulator
- 13
- Filter
- 14
- Remodulator
- 15
- Demodulator
- 16
- Frequenz-/Phasen-Meßvorrichtung
- 17,
18, 19
- Schalter
- 20
- Steuervorrichtung
- 21
- Nachlaufsynchronisationseinrichtung
- 22
- Vibrationselement
- 23
- programmier-
und steuerbarer Signalgenerator