DE10262211B4

DE10262211B4 - Vibratory gyroscope used to measure rotary motions in vehicles, includes sensors measuring frequency and phase to enable signal generator programming

Info

Publication number: DE10262211B4
Application number: DE2002162211
Authority: DE
Inventors: Volker Kempe
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams AG
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2012-07-26
Anticipated expiration: 2022-08-31

Abstract

Sensors (16-19) measure the frequency and/or phase of the vibratory component (22) in the freely-oscillating state. A controller (20) enables programming of the signal generator as a function of measured frequency and/or phase.

Description

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. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Vibrationskreisels.The invention relates to a vibratory gyroscope with a vibrating element and a drive element for exciting the vibrating element, a first pickup for measuring the vibration of the vibrating element in a first plane, a second pickup for detecting a vibration, which is a measure of the rate of rotation of the vibrating element, and a Control circuit for controlling the drive element as a function of the measured vibration, wherein the control loop has a tracking synchronization device having a controllable signal generator. In addition, the invention relates to a method for operating such a vibratory gyroscope.

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.Spinners are used to measure rotational movements. The use of mechanical gyros has been known for a long time and is used, for example, in aircraft to determine the position of the aircraft in the air. Mechanical gyros have fast rotating masses. Overall, a great precision of all components used is necessary, so that mechanical gyros are very expensive. For use in vehicles, they are unsuitable for this reason, among other things. In addition, they are sensitive to shocks and must be secured against such.

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.In vehicles therefore micromechanical vibration gyros are used. In principle, they differ from mechanical gyroscopes in that they do not have any rotating parts, but instead rely on microvibrations. They are robust and immune to external vibration, making them ideal for use in vehicles. A common representative of micromechanical vibratory gyros are piezoelectric tuning forks.

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.Due to the piezoelectric effect, a crystal generates an electrical potential when it is subjected to mechanical vibration, and conversely, the crystal reacts with vibrations when placed in an electric field. If an alternating current is applied to a piezoelectric material at a frequency which matches one of the specific elastic frequencies of the material, resonance phenomena are shown.

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.After the excitation with a resonant frequency of the vibrating element, this vibrates in a first direction. The mode of operation of a vibrating gyroscope is based on the fact that in the case of an external rotational movement of the vibrating element, the so-called Coriolis force occurs, which is perpendicular to the direction of the vibratory motion and to the external rotational movement. With a suitable geometry of the vibrating element, the Coriolis force results in a measurable vibration in a second plane perpendicular to the vibration in the first plane. The amplitude of the vibration in the second plane is a measure of the rate of rotation of the vibrating element.

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.In other types of vibration elements, such as circularly symmetric vibration elements, not the amplitude of the vibration is evaluated in a second plane, but the Coriolis force leads to a shift of nodes relative to the vibrating element. The displacement of the nodes is in turn a measure of the external rotation of the vibrating element.

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.For the operation of a vibratory gyro, it is necessary to constantly excite the vibrating element with its resonant frequency. To accomplish this with the required accuracy, known vibration gyroscopes have a control circuit for controlling the drive element as a function of the measured vibration, the control loop having a tracking synchronization device having a controllable signal generator. A typical vibratory gyroscope, as known from the prior art is in the 1 shown.

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.A vibrating element 22 has a drive element 1 and a customer 2 , It's a control loop with an amplifier 5 provided by the feedback of the measured vibration to the drive element 1 takes place so that the vibration of the vibrating element is maintained. A tracking synchronization device 21 ensures the required accuracy.

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.In a secondary control loop, a closed-loop measurement of the vibration of the vibrating element in the second plane, which is excited by the Coriolis force, takes place. For a more detailed description of the operation is on the description of the inventive arrangement according to 2 directed.

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.To those for excitation of the vibrating element 22 Required power to be kept low for the vibratory elements 22 used those that have a very high quality or a narrow bandwidth. However, it also follows that the time constants for the transient process are very large. The start time or the switch-off time for vibratory gyros is therefore very long and lasts up to the second range. For many applications, especially in safety-critical areas such as ESP (Electronic Stability Program) and vehicle rollover detectors, a short start-up time of the entire system is required. This not only applies to the initialization at the start of, for example, the vehicle, but also for one Restarting the system after performing check routines or possible failures that require a reset.

Zwar wird versucht, durch Einbeziehen des Vibrationselements in den primären Regelkreis sowie durch Optimierung der Parameter für die Amplituden- und Nachlaufsynchronisationsregelung die Startzeit zu verringern, die jedoch in vielen Anwendungsfällen immer noch zu lang ist.Although attempts are made to reduce start-up time by incorporating the vibrating element into the primary control loop and by optimizing the amplitude and lag synchronization control parameters, which is still too long in many applications.

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.Another problem of the known vibration gyro according to 1 is that increases during the operation of the vibrating gyro, the temperature of the components used and due to the temperature dependence of the resonant frequency of the vibrating element 22 to a permanent phase error in the tracking synchronizer 21 which can not be limited to an acceptable value. Since the phase information of the signal generator 9 is also used for the demodulation of the oscillation in the second level, leads the phase error in the tracking synchronizer 21 to a deterioration of the accuracy of the rotation rate measurement.

Aus der JP 01-032113 A ist ein Ansteuerverfahren für einen Vibrationskreisel bekannt. Dort wird ein Vibrationselement mit einer Anregungsfrequenz angetrieben, die der Resonanzfrequenz des Vibrators entspricht, in dem das Vibrationselement abwechselnd in einer erzwungenen und freien Schwingung betrieben wird, wobei die Frequenz des Vibrationselementes während der freien Schwingung bestimmt und bei der nächsten erzwungenen Schwingung gemäß der erkannten Frequenz korrigiert wirdFrom the JP 01-032113 A is a driving method for a vibratory gyroscope known. There, a vibrating element is driven at an excitation frequency corresponding to the resonant frequency of the vibrator in which the vibrating element is alternately operated in a forced and free vibration, the frequency of the vibrating element being determined during free vibration and at the next forced vibration according to the detected frequency is corrected

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Vibrationskreisel anzugeben, bei dem die Startzeit verkürzt ist und der Phasenfehler in der Nachlaufsynchronisationseinrichtung verkleinert wird.It is an object of the invention to provide a vibratory gyroscope in which the start time is shortened and the phase error in the tracking synchronizer is reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Vibrationskreisel der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass Mittel zur Messung der Frequenz des Vibrationselements im freischwingenden Zustand vorgesehen sind und zwischen einem Filter und vor dem Signalgenerator ein Schalter zur Unterbrechung der Nachlaufsynchronisationseinrichtung vorgesehen ist, so dass im unterbrochenen Zustand der Signalgenerator auf eine neue Frequenz setzbar ist, die mit der Resonanzfrequenz des Vibrationselements übereinstimmt, und im geschlossenen Zustand die Nachlaufsynchronisationseinrichtung betreibbar ist.This object is achieved by a vibratory gyro of the type mentioned, which is characterized in that means are provided for measuring the frequency of the vibrating element in the free-running state and between a filter and in front of the signal generator, a switch for interrupting the tracking synchronization device is provided, so that in the interrupted state, the signal generator is settable to a new frequency, which coincides with the resonant frequency of the vibrating element, and in the closed state, the tracking synchronization device is operable.

Bezüglich eines Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst.With respect to a method, the object is achieved by a method according to claim 9.

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 individuellen Temperaturverhalten des Vibrationselements und des Signalgenerators ab. Gemäß der Erfindung sind Mittel vorgesehen, durch die die Frequenz und gegebenenfalls zusätzlich die 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.The invention is based on the finding that the duration of the starting process essentially depends on the initial frequency difference between the resonant frequency of the vibrating element and the signal generator. At least at the time of system startup, neither the resonant frequency of the vibrating element nor the starting frequency of the signal generator is accurately known. In addition, they depend on the individual temperature behavior of the vibrating element and the signal generator. According to the invention means are provided by which the frequency and optionally additionally the phase of the vibrating element in the free-running state can be measured quickly. This can be done by separating the primary amplitude and phase locked loop. As a result, the resonant frequency of the vibrating element can be measured in the free-running state. A suitable pulse for exciting a vibration can be generated by the signal generator. With the information about the instantaneous frequency and phase, it is possible to program the programmable designed signal generator according to the invention, so that even after the short measuring phase the signal generator provides an optionally phase-correct signal with a frequency which exactly matches the resonant frequency of the vibrating element. A long settling time until a signal generator according to the prior art has been synchronized with the frequency of the vibrating element is eliminated.

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.Due to the possibility of measuring the resonant frequency of the vibrating element in a freely oscillating manner, such a measurement can also take place by a brief interruption of operation, which allows reprogramming of the programmable signal generator as a function of the measured resonant frequency which is possibly altered by temperature influences.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. It shows:

1 einen Vibrationskreisel nach dem Stand der Technik in einer schematischen Darstellung, 1 a vibration gyroscope according to the prior art in a schematic representation,

2 einen Vibrationskreisel nach der Erfindung, 2 a vibratory gyro according to the invention,

3 eine Zeitdiagramm mit den Funktionsphasen des Vibrationskreisels von 2 und 3 a time diagram with the operating phases of the vibratory gyroscope of 2 and

4 die Berechnung von Frequenzkorrekturen anhand eines Frequenz-Temperatur-Diagramms. 4 the calculation of frequency corrections based on a frequency-temperature diagram.

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. The vibration gyro of the prior art has already been briefly explained in the introduction to the description. The vibrating gyro according to the invention according to 2 works partially the same or similar to the known vibration gyro, so that the following description of the 2 also for a better understanding of the circuit according to the prior art according to 1 can be used. Functionally identical components are in the 1 and 2 provided with the same reference numerals.

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.In 2 is a vibrating element 22 with its drive elements 1 and 3 and his customers 2 and 4 shown schematically. The system consists of at least a first drive element 1 to place the vibration element in vibration with the resonance frequency and maintain this vibration, and at least a first customer 2 for detecting the vibration, wherein due to the output signal of the pickup 2 after a suitable signal conditioning a return to the drive element 1 he follows. For signal processing is an amplifier 5 provided to the customer 2 provided signal amplified to an appropriate signal level. In addition, an amplitude detector 10 for the measurement and filtering of the customer 2 measured amplitude provided. The amplitude detector 10 is with an excitation control 11 connected, in turn, the first drive element 1 controls. The excitation control 11 is also acted upon by a reference signal REF. The amplifier 5 , the amplitude detector 10 as well as the drive control forms together with the first customer 2 and the first drive element 1 an amplitude-locked loop.

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.For the realization of a robust, synchronous amplitude detection, the signal processing circuit usually additionally has a tracking synchronization device 21 , This allows the detection of the frequency and the phase of the vibration of the vibrating element 22 , The tracking synchronization device 21 consists of a phase detector 7 , a suitable low-pass filter 8th and a controllable signal generator 9 , which is realized as a voltage or current controlled oscillator. In an improved embodiment, it is a digitally controllable signal generator that can generate the required waveforms with different phase angles. The described amplitude and phase locked loops form primary control loops. By connecting the tracking synchronization device 21 and the amplitude detector 10 or the excitation control 11 is a precise control of the drive element 1 possible.

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.The tracking synchronization device 21 Above all, this is necessary because a pure frequency measurement does not lead to a sufficiently precise control of the first drive element 1 leads. A control of the phase shift between an input signal, in this case from the first customer 2 , and a controlled signal generator, in contrast, leads to the correction of the phase position and thus to a very accurate frequency tuning.

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.The information about the phase and frequency at the tracking synchronizer 21 is not only required for maintaining the vibration of the vibrating element in the first plane, but also for an accurate determination of the rotation rate, as described below.

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 Antriebselement 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.Usually, another customer 4 and a second drive element 3 provided, which are used for the detection of a vibration in a wide plane. In principle, a second customer is sufficient 4 without a second drive element 3 use. In this case, the oscillation can be determined in a second level in an open-loop measurement. From the point of view of a favorable signal-to-noise ratio, however, it is advantageous to carry out a so-called closed-loop measurement. In this case, a second drive element 3 provided, that of the vibration of the vibrating element 22 counteracts in the second level. The second drive element 3 is controlled in such a way that the oscillation excited by the Coriolis force is adjusted as completely as possible. Based on the drive signal of the second drive element 3 the rate of rotation of the vibrating element can be determined. The secondary control loop typically includes an amplifier 6 for the second customer 4 , a loop demodulator 12 , which is the signal of the customer 4 derives the phase and quadrature components, a filter 13 for the two components and a remodulator 14 which returns the baseband components to the resonant region of the vibrating element and adds them together. Suitable correction signals CORR may be applied to the secondary control loop to compensate for parasitic DC components caused by symmetry deviations and other variations of the vibrating element.

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.The second vibration contains the information about the rotation rate. The rotation rate signal can be detected by a demodulator arranged outside the secondary control loop 15 as he is in 1 is shown to be determined. Alternatively, it could be directly tapped and filtered as one of the baseband signals. The secondary control loop can, as mentioned above, also be omitted and determines the rotation rate in an open-loop measurement with a demodulator to be provided directly to the amplifier 6 of the second pickup is connected.

Für den sekundären Regelkreis sind neben analogen Signalverarbeitungsschaltungen auch digitale Signalverarbeitungsschaltungen aus dem Stand der Technik bekannt und verfügbar.In addition to analog signal processing circuits, digital signal processing circuits of the prior art are known and available for the secondary control circuit.

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.The invention is applicable to both the closed-loop measurement and the open-loop measurement and regardless of whether the secondary control loop is executed in analog or digital measurement technology.

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.The arrangement of 2 is opposite the circuit of 1 extended by a fast frequency and phase measurement system. In addition, instead of a conventional controlled signal generator 9 a programmable and controllable signal generator 22 intended. This includes a control unit 20 for the synchronization of the vibrating element 22 with the signal generator 23 a measurement of the frequency and / or phase of the vibrating element 22 in the free-running state causes and upon presentation of the measurement result, the signal generator 23 programmed accordingly.

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.Phases passed through during operation are in the 3 shown. In a first phase T1, lasting a few milliseconds after the system is turned on, the programmable signal generator generates 23 a first drive signal having a spectrum which is within a frequency range Δf in which the resonant frequency of the vibrating element 22 is expected. For example, a suitable spectrum is generated by a chirp signal by changing the frequency of the signal generator during the time interval T1 from a minimum to a maximum value. This signal excites the vibrating element 22 at. In order to obtain a strong resonance signal, the excitation should take place with the maximum permissible force, ie with the maximum permitted drive voltage. In this time interval are the switches 18 and 19 opened and a switch 17 connects the signal generator 23 with the first drive element 1 , The desk 17 is the switch through which the drive element 1 with the excitation control 11 or directly with the signal generator 23 can be connected. The desk 18 separates the secondary control loop, so that even in a closed-loop measurement no excitation of the vibrating element 22 through the second drive element 3 can be done. In addition, the tracking synchronization device becomes 21 interrupted by passing between a filter 8th and the signal generator 23 the desk 19 is opened.

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.In a second time interval T2, which in turn lasts a few milliseconds, the frequency and phase difference between the now free-vibrating vibration element 22 and the programmable, controllable signal generator 23 measured, for example by measuring the zero crossings of the amplified output signal of the first pickup 2 , In this time interval is the switch 17 in a neutral position, so it is neither the signal generator 23 on the direct way still the excitation control 11 with the first drive element 1 connected. The switches 18 and 19 are open, and the programmable signal generator 23 is operated as a voltage or current controlled oscillator without input control signal A and, as such, generates a rectangular or other periodic waveform with the fundamental frequency in the same range as the expected frequency of the vibrating element 22 ,

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.After the measurement, the frequency and the phase of the signal generator 23 set as accurately as possible to the measured values and the phase tracking control 21 and the amplitude control circuit subsequently by closing the switch 17 and 19 closed. The desk 17 thus connects the excitation control 11 with the first drive element 1 and the switch 19 closes the loop of the tracking synchronization device.

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 Vibrationskreisel in einem Normalbetriebszustand, der in 3 als Zeitintervall T3 bezeichnet wird.In the case, if as in 2 In addition, when a closed-loop measurement is made in the secondary control loop, the switch also becomes 18 closed to allow a counter-control in the secondary control loop. After performing these steps, the vibratory gyroscope is in a normal operating condition, which is in 3 is referred to as time interval T3.

Die Messung der Frequenz- und Phasendifferenz kann in unterschiedlichen Weisen durchgeführt werden, abhängig davon, ob ein Taktgenerator mit hoher Genauigkeit zur Verfügung steht.The measurement of the frequency and phase difference can be performed in different ways, depending on whether a clock generator with high accuracy is available.

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.According to the invention, in the case that no high accuracy clock generator is available, the frequency and phase difference between the free running vibration element and the signal generator is measured using the signal generator itself as a time base. This time base refers to the initial values of the frequency of the signal generator having a zero value as the input signal A. The frequency and phase measurement can be realized by counting the time intervals between successive zero crossings of the amplified output voltage of the first pickup using a pulse train of the signal generator whose frequency is N times higher than the approximately the resonance frequency ensprechende base frequency.

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. The signal generator may generate a rectangular signal at the base frequency, for example, by a frequency divider which divides the internal frequency by the factor N, or it may obtain from any other periodic signal a signal at the base frequency by a suitable technique ("locked table technique"). , N must be high enough, say 1024, to get enough accuracy for the frequency measurement. If necessary, an additional estimate of the residual difference of corresponding time intervals can be used.

Das Rauschen hinter dem Eingangsverstärker verursacht Jitter der abgeleiteten Nulldurchgänge, deren Auswirkungen durch geeignete Mittelwertbildung der Messwerte reduziert werden kann.The noise behind the input amplifier causes jitter of the derived zero crossings, the effects of which can be reduced by appropriate averaging of the measured values.

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.In the case of the availability of a highly accurate internal or external clock signal, the measurement of the initial frequency and phase difference between the excited, free-running vibration element and the free-running signal generator at A = 0, for example, by parallel measurement of both frequencies and subsequent calculation of the frequency and phase difference between the two below Use of appropriate means of the frequency and phase measurement system 16 , The rest of the procedure corresponds to the measurement with the signal generator as a time base.

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.Once started, the entire system is exposed to changing environmental conditions, especially the influence of temperature changes. Here, however, the accuracy of the phase control of the phase input and quadrature output signal of the signal generator 23 with respect to the phase of the vibrating element 22 decisive for the accuracy of the measurement. In closed-loop operation, the phase error between the signal generator increases 23 and the vibrating element 22 with the increasing frequency difference between the free-running vibration element 22 and the free-running signal generator 23 at A = 0 because reducing a rising frequency difference requires a larger phase error compensation signal in the closed-loop mode. The main reason for the increasing deviation of the frequencies of the free-running vibrating element 22 and the free-running signal generator 23 are the different temperature coefficients of both frequencies, which leads to a change in the frequency difference with a change in temperature.

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.By using the means according to the invention according to the 2 an improvement of the phase error is made possible, as explained below. According to the invention, the current frequency difference between the vibrating element 22 and the free-running signal generator 23 at A = 0 can be used to set the zero frequency of the signal generator 23 reset and reduce according to the compensating phase errors in the tracking synchronizer. The free-running signal generator can be implemented virtually as an algorithm, using the appropriate models, or real in hardware.

Zur Schätzung der aktuellen temperaturbedingten Phasendifferenz gibt es verschiedene Fälle.There are several cases for estimating the current temperature-related phase difference.

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.In the case that the temperature behavior of the frequencies of both the vibrating element 22 as well as the signal generator 23 are known, the current frequency can obviously be estimated by measuring the current temperature and the corresponding frequency difference can be calculated. The temperature behavior can be determined by frequency values at a given temperature, for example at room temperature, as well as the temperature coefficients of the vibrating element 22 and the signal generator 23 ,

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.According to the invention, the temperature measurement by the frequency measurement of the vibrating element 22 be replaced if a highly accurate internal or external clock generator is available.

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.Advantageously, this approach utilizes the fact that for most micro-mechanical vibratory elements, the resonant frequency depends strongly on the Young's moduli of the vibrating element, which varies linearly with temperature to a very good approximation. Consequently, only the first-order temperature coefficient is required. Thereby, the temperature dependence of the resonance frequency can be measured in advance by a simple two-point measurement.

Auch das Temperaturverhalten des Signalgenerators 23, welches von dem jeweiligen Schaltungsprinzip abhängt, muss gemessen und im voraus gespeichert werden.Also the temperature behavior of the signal generator 23 , which depends on the respective circuit principle, must be measured and stored in advance.

Nach der Erfindung wird die Messung der aktuellen Frequenz f_vs(T) des Vibrationselements 22 im Closed-Loop-Betrieb zur Temperaturberechnung verwendet. Bei der berechneten Temperatur wird die Frequenz f_CSG(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.According to the invention, the measurement of the current frequency f _vs (T) of the vibrating element 22 used in closed-loop operation for temperature calculation. At the calculated temperature, the frequency f _CSG (T) of the free-running signal generator is calculated. Based on the calculated difference between the actual frequency of the vibrating element 22 and the calculated frequency of the free-running signal generator, the correction signal for the starting values of the free-running signal generator is derived, in which case the current frequency of the signal generator to the current frequency of the vibrating element 22 puts. The principle of calculation is in 4 shown. T1 is the temperature at system start and T2 is the temperature at a later time, when the temperature has increased during operation.

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.According to the invention, in the case that the resonant frequency of the vibrating element 22 and its temperature coefficient are not known accurately enough and / or this applies to the free-running signal generator, the actual frequency difference between the two measured from time to time by the control loops by setting the switch 17 in the neutral position and opening the switch 18 and 19 be opened. After the measurement and setting of the signal generator 23 on the frequency of the vibrating element 22 the loops are closed again. The disadvantage of such a method is the interruption of the rotation rate measurement. According to the invention, however, this can be avoided by using a second signal generator, which is not shown in the figure, which is well suited to the zero frequency (A = 0) and to the temperature behavior of the first signal generator 23 is adjusted. The second signal generator is not included in the tracking synchronization device and is used only for timing the frequency / phase measurement system 16 in 2 used.

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.In this case, a continuous or regular measurement of the frequency difference between the zero frequency of this second signal generator and the frequency of the vibrating element takes place 22 (or the frequency of the vibrating element). It is also a comparison of the frequencies of the second signal generator and the first signal generator possible, provided that the first signal generator is coupled to the vibrating element. The signal generator in the loop is continuously or at certain time intervals on the measured frequency of the vibrating element 22 set.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: erstes Antriebselementfirst drive element
22: erster Abnehmerfirst customer
33: zweites Antriebselementsecond drive element
44: zweiter Abnehmersecond customer
5, 65, 6: Verstärkeramplifier
77: Phasendetektorphase detector
88th: Filterfilter
99: steuerbarer Signalgeneratorcontrollable signal generator
1010: Amplitudendetektoramplitude detector
1111: Anregungssteuerungexcitation controller
1212: Schleifen-DemodulatorLoop Demodulator
1313: Filterfilter
1414: Remodulatorremodulator
1515: Demodulatordemodulator
1616: Frequenz-/Phasen-MessvorrichtungFrequency / phase measuring device
17, 18, 1917, 18, 19: Schalterswitch
2020: Steuervorrichtungcontrol device
2121: NachlaufsynchronisationseinrichtungTrailing synchronization device
2222: Vibrationselementvibrating element
2323: programmier- und steuerbarer Signalgeneratorprogrammable and controllable signal generator

Claims

Vibrationskreisel mit – einem Vibrationselement (22) mit – einem Antriebselement (1) zur Anregung des Vibrationselements (22), – einem ersten Abnehmer (2) zur Messung der Schwingung des Vibrationselements (22) in einer ersten Ebene und – einem zweiten Abnehmer zur Detektion einer Schwingung, die ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements (22) ist, – einem Regelkreis zur Regelung des Antriebselements (1) in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung, – wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung (21) aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator (23) besitzt, wobei – Mittel zur Messung der Frequenz des Vibrationselements (22) im freischwingenden Zustand vorgesehen sind und – zwischen einem Filter (8) und dem Signalgenerator (23) ein Schalter (19) zur Unterbrechung der Nachlaufsynchronisationseinrichtung (21) vorgesehen ist, so dass im unterbrochenen Zustand der Signalgenerator (23) auf eine neue Frequenz setzbar ist, die mit der Resonanzfrequenz des Vibrationselements (22) übereinstimmt, und im geschlossenen Zustand die Nachlaufsynchronisationseinrichtung (21) betreibbar ist.Vibration gyro with - a vibrating element ( 22 ) with - a drive element ( 1 ) for excitation of the vibrating element ( 22 ), - a first customer ( 2 ) for measuring the vibration of the vibrating element ( 22 ) in a first plane and - a second pickup for detecting a vibration, which is a measure of the rate of rotation of the vibrating element ( 22 ), - a control circuit for controlling the drive element ( 1 ) in dependence on the measured oscillation, - wherein the control loop is a trailing synchronization device ( 21 ) having a controllable signal generator ( 23 ), wherein - means for measuring the frequency of the vibrating element ( 22 ) are provided in the free-running state and - between a filter ( 8th ) and the signal generator ( 23 ) a switch ( 19 ) for interrupting the tracking synchronization device ( 21 ) is provided, so that in the interrupted state of the signal generator ( 23 ) can be set to a new frequency which coincides with the resonant frequency of the vibrating element ( 22 ) and, in the closed state, the tracking synchronization device ( 21 ) is operable.

Vibrationskreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zusätzlich zur Messung der Phase des Vibrationselements (22) im freischwingenden Zustand eingerichtet sind und im unterbrochenen Zustand der Signalgenerator (23) auf die gemessene Phase setzbar ist.Vibration gyroscope according to claim 1, characterized in that in addition to measuring the phase of the vibrating element ( 22 ) are set up in the free-running state and in the interrupted state the signal generator ( 23 ) is settable on the measured phase.

Vibrationskreisel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Signalgenerator (23) erzeugte Spannung eine Zeitbasis für die Frequenz- und/oder Phasenmessung bildet.Vibration gyro according to claim 1 or 2, characterized in that the signal generator ( 23 ) forms a time base for the frequency and / or phase measurement.

Vibrationskreisel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (23) ein Signal mit einer internen Frequenz erzeugt, das als Zeitbasis bereitgestellt wird, und aus dem Signal mit der ersten Frequenz ein Signal mit einer zweiten, niedrigeren Frequenz gebildet wird zur Verwendung in der Regelung des Antriebselements (1).Vibration gyro according to claim 3, characterized in that the signal generator ( 23 ) generates a signal having an internal frequency which is provided as a time base, and from which signal having the first frequency a signal having a second, lower frequency is formed for use in the control of the drive element ( 1 ).

Vibrationskreisel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Taktgenerator vorgesehen ist zur Bereitstellung einer Zeitbasis für die Frequenz- und/oder Phasenmessung. Vibratory gyro according to claim 1 or 2, characterized in that an additional clock generator is provided for providing a time base for the frequency and / or phase measurement.

Vibrationskreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Kompensation der Temperaturabhängigkeiten des Vibrationselements (22) und des Signalgenerators (23) vorgesehen sind.Vibration gyro according to one of claims 1 to 5, characterized in that means for compensating the temperature dependencies of the vibrating element ( 22 ) and the signal generator ( 23 ) are provided.

Vibrationskreisel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine temperaturabhängige Ansteuerung des Signalgenerators (23) durch eine Steuereinheit (20) vorgesehen ist.Vibration gyro according to claim 6, characterized in that a temperature-dependent control of the signal generator ( 23 ) by a control unit ( 20 ) is provided.

Vibrationskreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Phase (T1), die nach dem Einschalten des Vibrationskreisels einige Millisekunden andauert, der programmierbare Signalgenerator (23) ein erstes Antriebssignal mit einem Spektrum erzeugt, das sich innerhalb eines Frequenzbereichs Δf befindet, in dem die Resonanzfrequenz des Vibrationselements (22) erwartet wird.Vibration gyro according to one of claims 1 to 7, characterized in that in a first phase (T1), which lasts for a few milliseconds after the vibration gyroscope is turned on, the programmable signal generator ( 23 ) generates a first drive signal having a spectrum which is within a frequency range Δf in which the resonant frequency of the vibrating element ( 22 ) is expected.

Verfahren zum Betrieb eines Vibrationskreisels, der – ein Vibrationselement (22), – ein Antriebselement (1) zur Anregung des Vibrationselements (22), – einen Abnehmer (2) zur Messung der Schwingung des Vibrationselements (22) in einer ersten Ebene und – einen Regelkreis mit einem Signalgenerator (23) zur Erzeugung eines Signals zur Ansteuerung des Antriebselements (1) aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Auftrennen des Regelkreises derart, dass das Vibrationselement (22) frei schwingt, b) Messung der Frequenz des Vibrationselements (22) im freischwingenden Zustand, c) Unterbrechen des Regelkreises nach einem Filter (8) und vor dem Signalgenerator (23) derart, dass im unterbrochenen Zustand der Signalgenerator (23) auf eine neue Frequenz setzbar ist, und d) Setzen des Signalgenerators (23) auf eine neue Frequenz, die mit der im freischwingenden Zustand gemessenen Frequenz übereinstimmt.Method for operating a vibratory gyroscope, comprising - a vibrating element ( 22 ), - a drive element ( 1 ) for excitation of the vibrating element ( 22 ), - a customer ( 2 ) for measuring the vibration of the vibrating element ( 22 ) in a first level and - a control loop with a signal generator ( 23 ) for generating a signal for driving the drive element ( 1 ) characterized by the steps of: a) disconnecting the control loop such that the vibrating element ( 22 ) freely oscillates, b) measuring the frequency of the vibrating element ( 22 ) in the free-running state, c) interrupting the control loop after a filter ( 8th ) and in front of the signal generator ( 23 ) such that in the interrupted state the signal generator ( 23 ) can be set to a new frequency, and d) setting the signal generator ( 23 ) to a new frequency that matches the frequency measured in the free-running state.

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) zusätzlich eine Phase des Vibrationselementes (22) gemessen wird und im Schritt d) der Signalgenerator (23) auf die gemessene Phase gesetzt wird.A method according to claim 9, characterized in that in step b) additionally a phase of the vibrating element ( 22 ) and in step d) the signal generator ( 23 ) is set to the measured phase.

Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Betriebsphasen durchlaufen werden: – eine Phase (T1, T2), in der die Resonanzfrequenz des Vibrationselements (22) ermittelt wird, und – ein Normalbetriebszustand (T3), in dem eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung des Regelkreises betrieben wird.A method according to claim 9 or 10, characterized in that the following operating phases are run through: a phase (T1, T2) in which the resonant frequency of the vibrating element ( 22 ), and a normal operating state (T3) in which a tracking synchronization device of the control loop is operated.

Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Phase zur Ermittlung der Resonanzfrequenz die folgenden Schritte durchlaufen werden: – Anregung des Vibrationselements (22), – Trennen des Antriebselements (1) von einem Signal zur Ansteuerung des Antriebselements (1), – Freie Schwingung des Vibrationselements (22) und Messung der Frequenz und/oder Phase des am Abnehmer (2) erhaltenen Signals, – Setzen des Signalgenerators (23) auf einen Wert in Abhängigkeit von der gemessenen Frequenz und/oder Phase, – Schließen des Regelkreises zum anschließenden Betreiben des Vibrationskreisels im Normalbetriebszustand.A method according to claim 11, characterized in that in a first phase for determining the resonant frequency, the following steps are performed: - excitation of the vibrating element ( 22 ), - separating the drive element ( 1 ) of a signal for driving the drive element ( 1 ), - Free vibration of the vibrating element ( 22 ) and measuring the frequency and / or phase of the customer ( 2 ) received signal, - setting the signal generator ( 23 ) to a value as a function of the measured frequency and / or phase, - closing the control loop for the subsequent operation of the vibratory gyroscope in the normal operating state.

Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung des Vibrationselements (22) ein Chirp-Signal verwendet wird.A method according to claim 12, characterized in that for the excitation of the vibrating element ( 22 ) a chirp signal is used.

Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturkompensation die folgenden Schritte ausgeführt werden: – Messung einer Temperatur, – Berechnung der Resonanzfrequenz des Vibrationselements (22) aus einer Kennlinie des Vibrationselements (22) und der gemessenen Temperatur, – unterbrechen des Regelkreises nach dem Filter (8) und vor dem Signalgenerator (23), – Setzen des Signalgenerators (23) auf die berechnete Frequenz, – Schließen des Regelkreises.A method according to claim 9 or 10, characterized in that the following steps are carried out for temperature compensation: - measurement of a temperature, - calculation of the resonant frequency of the vibrating element ( 22 ) from a characteristic of the vibrating element ( 22 ) and the measured temperature, - interrupt the control loop after the filter ( 8th ) and in front of the signal generator ( 23 ), - setting the signal generator ( 23 ) to the calculated frequency, - closing the control loop.

Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemessene Frequenz des Vibrationslements (22) zur Temperaturberechnung verwendet wird.Method according to one of claims 9 to 14, characterized in that a measured frequency of the vibrating element ( 22 ) is used for temperature calculation.