DE10262211B4 - Vibratory gyroscope used to measure rotary motions in vehicles, includes sensors measuring frequency and phase to enable signal generator programming - Google Patents
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Abstract
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
Ein Vibrationselement
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
Um die zur Anregung des Vibrationselements
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
Aus der
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
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:
Der Vibrationskreisel nach dem Stand der Technik wurde bereits in der Beschreibungseinleitung kurz erläutert. Der erfindungsgemäß erweiterte Vibrationskreisel gemäß
In
Für die Realisierung einer robusten, synchronen Amplitudendetektion besitzt der Signalverarbeitungskreis üblicherweise zusätzlich eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung
Die Nachlaufsynchronisationseinrichtung
Die Information über die Phase und Frequenz, die an der Nachlaufsynchronisationseinrichtung
Üblicherweise ist ein weiterer Abnehmer
Die zweite Schwingung beinhaltet die Information über die Drehrate. Das Drehratensignal kann durch einen außerhalb der sekundären Regelschleife angeordneten Demodulator
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
Während des Betriebs durchlaufene Phasen sind in der
In einem zweiten Zeitintervall T2, das wiederum einige Millisekunden andauert, wird die Frequenz- und Phasendifferenz zwischen dem nun freischwingenden Vibrationselement
Nach der Messung wird die Frequenz und die Phase des Signalgenerator
In dem Fall, wenn wie in
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
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
Durch eine Verwendung der erfindungsgemäßen Mittel entsprechend der
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
Nach der Erfindung kann die Temperaturmessung durch die Frequenzmessung des Vibrationselements
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
Nach der Erfindung wird die Messung der aktuellen Frequenz fvs(T) des Vibrationselements
Erfindungsgemäß werden in dem Fall, dass die Resonanzfrequenz des Vibrationselements
In diesem Fall erfolgt eine kontinuierliche oder regelmäßige Messung der Frequenzdifferenz zwischen der Nullfrequenz dieses zweiten Signalgenerators und der Frequenz des Vibrationselements
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 (15)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2002162211 DE10262211B4 (en) | 2002-08-30 | 2002-08-30 | Vibratory gyroscope used to measure rotary motions in vehicles, includes sensors measuring frequency and phase to enable signal generator programming |
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DE2002162211 DE10262211B4 (en) | 2002-08-30 | 2002-08-30 | Vibratory gyroscope used to measure rotary motions in vehicles, includes sensors measuring frequency and phase to enable signal generator programming |
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DE (1) | DE10262211B4 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014210521A1 (en) * | 2014-06-03 | 2015-12-03 | Continental Teves Ag & Co. Ohg | Jitter compensation in the clock generator of a rotation rate sensor |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6432113A (en) * | 1987-07-29 | 1989-02-02 | Nippon Denki Home Electronics | Driving method for vibration gyro |
EP1164353A1 (en) * | 2000-06-14 | 2001-12-19 | Alps Electric Co., Ltd. | Device for driving and detecting an oscillator in a vibratory gyroscope |
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2002
- 2002-08-30 DE DE2002162211 patent/DE10262211B4/en not_active Expired - Fee Related
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Q369 | Divided out of: |
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|
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Effective date: 20121027 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |