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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor, wobei der Drehratensensor eine Antriebsresonanzfrequenz f_rA und eine Coriolisresonanzfrequenz f_rD aufweist. Der Drehratensensor weist daneben wenigstens eine Betriebsspannung U_MK auf, von der die Coriolisresonanzfrequenz f_rD abhängig ist. Die Coriolisresonanzfrequenz f_rD ist mittels einer Abstimmspannung U_DF auf die Antriebsresonanzfrequenz f_rA abgestimmt.
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Vielen Drehratensensoren liegt als Messprinzip die Nutzung des Corioliseffektes zugrunde. Die Corioliskraft entsteht, wenn sich ein Körper der Masse m mit der Geschwindigkeit v bewegt und senkrecht zur Bewegungsrichtung eine Drehrate Ω wirkt FCoriolis = 2mvΩ.
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Eine Möglichkeit, eine Masse in Bewegung zu versetzen, besteht darin, sie zu einer Schwingung anzuregen, der Antriebsschwingung. Wirkt eine Drehrate auf die schwingende Masse, so reagiert sie aufgrund der Corioliskräfte mit einer Coriolisschwingung senkrecht zur Antriebsschwingung.
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Wird die Mechanik mit der Elektronik zu einem Schwingkreis kombiniert, so entsteht ein Resonator und die Frequenz dieser Antriebsschwingung entspricht der Antriebsresonanzfrequenz f_rA der Mechanik. Die Coriolisschwingung erfolgt dann ebenfalls mit der Antriebsresonanzfrequenz. Die Resonanzfrequenz f_rD der Coriolismode ist jedoch unabhängig von der Antriebsresonanzfrequenz f_rA. Da die Empfindlichkeit bezüglich des Corioliseffektes am größten bei der Resonanzfrequenz der Coriolismode f_rD ist, ist es sinnvoll, die Frequenz f_rD so abzustimmen, dass sie der Antriebsresonanzfrequenz f_rA entspricht.
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Diese Abstimmung der Coriolisresonanzfrequenz f_rD kann mit Hilfe elektrostatischer Mitkoppelkräfte erfolgen, welche der mechanischen Federsteifigkeit entgegenwirken und somit zu einer effektiven Verringerung der Federsteifigkeit führen, wodurch die Resonanzfrequenz f_rD verringert werden kann. Eine Möglichkeit der Frequenzabstimmung besteht darin, die Mechanik so auszulegen, dass ihre Coriolisresonanzfrequenz f_rD größer ist als die Antriebsresonanzfrequenz. Die Elektronik kann dann durch Anlegen einer elektrischen Spannung U_DF an das Sensorelement elektrostatische Mitkoppelkräfte derart erzeugen, dass die Resonanzfrequenz der Coriolismode so stark verringert wird, dass sie der Antriebsresonanzfrequenz entspricht. Die zu diesem Zweck benötigte elektrische Spannung U_DF_Abgl kann innerhalb der Elektronik abgeglichen werden. Dies ist zum Beispiel in der deutschen Patentanmeldung
DE 19910415 A1 gezeigt.
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Ein Problem bei dem bisher beschriebenen System entsteht dann, wenn in der Elektronik zu Mess- oder Kompensationszwecken weitere Spannungen erzeugt werden müssen, welche ebenfalls auf das Sensorelement wirken und durch die dadurch verursachte elektrostatische Mitkopplung die Coriolisresonanzfrequenz f_rD zu kleineren Frequenzen verschieben. Alle Spannungen, welche zu Mess- oder Kompensationszwecken ebenfalls auf das Sensorelement wirken, werden in den folgenden Betrachtungen durch die Spannung U_MK repräsentiert. Beim Abgleich der Spannung U_DF_Abgl ist darauf zu achten, dass U_MK einen Wert annimmt, welcher typisch für den Betrieb des Sensors ist. Dieser Wert wird im Folgenden als U_MK_Abgl bezeichnet.
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Weiterhin kann es im Betrieb des Sensors dazu kommen, dass sich U_MK um die Spannungsdifferenz ΔU_MK ändert. Gründe hierfür könnten zum Beispiel darin liegen, dass Schaltungen zur Unterdrückung von Störungen im Sensorelement aufgrund von Temperaturabhängigkeiten oder Langzeitdriften ihre Ausgangsspannung ändern. Die Spannungsänderung ΔU_MK führt zu einer entsprechenden störenden Verschiebung der Coriolisresonanzfrequenz f_rD.
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Die Offenlegungsschriften
DE 10248733 A1 und
US 2003/0101814 A1 zeigen jeweils eine Frequenzregelung mittels einer Minimierung eines Testsignals. Des Weiteren zeigt die Offenlegungsschrift
US 2003/0033850 A1 eine Frequenzregelung anhand der Bewertung eines Quadratursignals mit einer darauf aufbauenden Minimierung eines Durchgriffs auf ein Drehratensignal. Zudem ist in der Offenlegungsschrift
DE 19910415 A1 ein Verfahren zur Bestimmung und Änderung der Einstellung einer Frequenzlage offenbart, welches ebenfalls mittels einer Regelung abläuft.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor, wobei der Drehratensensor eine Antriebsresonanzfrequenz f_rA und eine Coriolisresonanzfrequenz f_rD aufweist. Der Drehratensensor weist daneben wenigstens eine Betriebsspannung U_MK auf, von der die Coriolisresonanzfrequenz f_rD abhängig ist. Die Coriolisresonanzfrequenz f_rD ist mittels einer Abstimmspannung U_DF auf die Antriebsresonanzfrequenz f_rA abgestimmt. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Drehratensensor eine Kompensationsschaltung aufweist, welche dazu eingerichtet ist, mittels einer Steuerung eine Änderung der Coriolisresonanzfrequenz infolge einer Änderung der Betriebsspannung zu kompensieren. Hierfür werden der Kompensationsschaltung die Änderung der Betriebsspannung sowie Werte der aufeinander abgeglichenen Betriebsspannung und der Abstimmspannung als Eingangsgrößen zugeführt, um eine Änderung der Abstimmspannung als Ausgangsgröße zu steuern. Vorteilhaft können hierdurch Verschiebungen der Coriolisresonanzfrequenz f_rD kompensiert werden.
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Vorteilhaft entspricht die Coriolisresonanzfrequenz f_rD des Drehratensensors der Antriebsresonanzfrequenz f_rA.
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Zur Kompensation der Verschiebung der Coriolisresonanzfrequenz f_rD weist die Kompensationsschaltung vorteilhaft einen Kompensationsfaktor k auf, welcher durch die Spannungen U_DF_Abgl und U_MK_Abgl bestimmt ist. Vorteilhaft ist es hierbei, den Kompensationsfaktors k in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt zu wählen, welcher durch die Spannungen U_DF_Abgl und U_MK_Abgl bestimmt wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass der Kompensationsfaktor k in der Kompensationsschaltung mittels eines Kennlinienfeldes in Form wenigstens einer Wertetabelle hinterlegt ist. Dies bietet den Vorteil, dass weder Temperaturabhängigkeiten noch Langzeitdriften von elektronischen Schaltungen zur analogen Bestimmung des Kompensationsfaktor k berücksichtigt werden müssen.
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Vorteilhaft ist weiterhin die Verwendung eines Kennlinienfeldes, welches sowohl analog als auch digital realisierbar ist, zur arbeitspunktabhängigen Bestimmung des Kompensationsfaktors k.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass der Kompensationsfaktor k in der Kompensationsschaltung mittels eines Kennlinienfeldes in Form von zwei Wertetabellen hinterlegt ist, wobei eine Wertetabelle Eingangswerte der Spannung U_DF_Abgl und die andere Wertetabelle Eingangswerte der Spannung U_MK_Abgl aufweist. Dadurch kann insgesamt die Anzahl der Einträge in den Wertetabellen minimiert werden.
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Vorteilhaft ist auch, die eine Wertetabelle dazu zu verwenden, die Änderung der Coriolisresonanzfrequenz f_rD in Abhängigkeit von der Änderung der Spannung U_MK zu linearisieren, wodurch ermöglicht wird, dass die andere Wertetabelle lediglich den Arbeitspunkt berücksichtigt, welcher durch die abgeglichene Spannung U_DF_Abgl bestimmt wird.
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Vorteilhaft ist besonders die digitale Realisierung des Eingriffs der Kompensationsfaktoren zur Frequenzkompensation. Hierdurch ergeben sich unter anderem Kostenvorteile durch einfach zu realisierende Schaltungen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit Abstimmung der Coriolisresonanzfrequenz.
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2 zeigt die Arbeitspunktabhängigkeit der Abstimmung der Coriolisresonanzfrequenz.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit digitaler Auswerteelektronik und hinterlegter Wertetabelle.
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4 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit digitaler Auswerteelektronik und zwei hinterlegten Wertetabellen.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Anhand der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit Abstimmung der Coriolisresonanzfrequenz. Der Drehratensensor umfasst ein Sensorelement 100 und eine Auswerteelektronik 150. Die Auswerteelektronik 150 beinhaltet eine Kompensationsschaltung 155 und darin eine Funktion 160 zur Bestimmung eines Kompensationsfaktors k. Das Sensorelement 100 wird von der Auswerteelektronik 150 durch die Spannungen U_DF und U_MK angesteuert. U_MK ist die Summe aus der Spannung U_MK_Abgl, welche zum Zeitpunkt des U_DF Abgleichs anlag, und der Spannungsänderung ΔU_MK, welche sich während des Betriebs des Sensors ergibt. Diese Spannungsänderung ΔU_MK stellt das Eingangssignal für die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung 155 dar. Diese Kompensationsschaltung multipliziert den Wert ΔU_MK mit dem Kompensationsfaktor k und der resultierende Wert wird dazu verwendet, die Spannung U_DF um die Spannungsdifferenz ΔU_DF zu ändern.
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Ein Eingriff auf die Spannung U_DF ist also in der Art vorgesehen, dass eine durch eine Spannungsänderung ΔU_MK verursachte Änderung der Coriolisresonanzfrequenz f_rD dadurch kompensiert wird, dass die Spannung U_DF über eine Kompensationsschaltung entsprechend nachgeführt wird.
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2 zeigt die Arbeitspunktabhängigkeit der Abstimmung der Coriolisresonanzfrequenz. In dem Diagramm ist die Frequenzänderung Δf_rD der Coriolisresonanzfrequenz f_rD über der Spannung U_DF dargestellt. Eine Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass der Kompensationsfaktor k abhängig gemacht wird von den Abgleichwerten der Spannungen U_DF_Abgl und U_MK_Abgl. Die erfindungsgemäße Arbeitspunktabhängigkeit des Kompensationsfaktors k wird im Folgenden erläutert.
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Die elektrostatische Kraft im Sensorelement 100 ist proportional zum Quadrat der an das Sensorelement 100 angelegten Spannung. Wenn die elektrostatische Kraft über die mechanische Federkraft dominiert, ist auch die Änderung der Sensorresonanzfrequenz proportional zum Quadrat der an das Sensorelement 100 angelegten Spannung. Dieser Zusammenhang ist in 2 beispielhaft dargestellt für die Wirkung der Spannung U_DF auf die Änderung der Coriolisresonanzfrequenz f_rD. Betrachtet man den Arbeitspunkt U_DF_Abgl_1, so führt eine Änderung der Spannung U_DF um den Wert ΔU_DF zu einer Frequenzänderung der Höhe Δf_rD_1. Im Arbeitspunkt U_DF_Abgl_2 führt die gleiche Änderung ΔU_DF zu der wesentlich größeren Frequenzänderung Δf_rD_2. Die quadratische Abhängigkeit gilt ebenfalls für die Frequenzänderung aufgrund der Spannungsänderung an U_MK.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit digitaler Auswerteelektronik und hinterlegter Wertetabelle.
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Soll die Auswirkung einer Spannungsänderung ΔU_MK auf die Coriolisresonanzfrequenz f_rD durch eine Änderung der Spannung ΔU_DF erfindungsgemäß kompensiert werden, so muss der zu wählende Kompensationsfaktor k von den Spannungswerten U_DF_Abgl und U_MK_Abgl, welche den Arbeitspunkt beschreiben, abhängig gemacht werden. Eine erfindungsgemäße Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, ein Kennlinienfeld zu nutzen, durch das in Abhängigkeit der Spannungen U_DF_Abgl und U_MK_Abgl der entsprechende Kompensationsfaktor k bestimmt werden kann.
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In analoger Schaltungstechnik ist solch eine arbeitspunktabhängige Einstellung des Kompensationsfaktors k zum Beispiel mit Hilfe von Steilheitsmultiplizierern realisierbar. Eine solche Realisierung ist unter Umständen aufwendig, da Temperaturabhängigkeiten und Langzeitdriften berücksichtigt werden müssen.
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Eine erfindungsgemäße Alternative hierzu besteht darin, das Kennlinienfeld in Form einer Wertetabelle (engl.: look-up-table – LUT) abzulegen. Dies bietet die Vorteile, dass weder Temperaturabhängigkeiten noch Langzeitdriften zu befürchten sind. Die hinterlegte Wertetabelle LUT sowie die digitale Multiplikation sind im Vergleich zur analogen Lösung weniger störanfällig.
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In 3 ist eine digitale Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drehratensensors gezeigt. Dargestellt sind das Sensorelement 100 und eine Auswerteelektronik 350. Die Auswerteelektronik 350 weist einen analogen und einen digitalen Teil auf, welche in der Figur durch die Strichlinie abgegrenzt dargestellt sind. Digitale Signale werden durch Digital-Analog-Umsetzer (DAU) in analoge Signale gewandelt. Die dargestellten digitalen Signale sind dadurch gekennzeichnet, dass der Signalname mit dem Buchstaben „d” beginnt. Die Auswerteelektronik 350 beinhaltet eine Kompensationsschaltung 355 mit einer Wertetabelle 360 zur Bestimmung des Kompensationsfaktors k und eine digitale Messelektronik 380.
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Die digitale Messelektronik 380 erzeugt ein Digitalsignal dU_MK_Abgl, welches den Arbeitspunkt beschreibt und ein Digitalsignal dΔU_MK, welches die Änderung der Spannung U_MK verursacht. Ein Digitalwert dU_DF_Abgl, welcher ein Maß für die abgeglichene Spannung zur Einstellung der Coriolisresonanzfrequnz ist, steuert einen Digital-Analog-Umsetzer (DAU) an und wird als Eingangssignal für das in der Wertetabelle (LUT) 360 hinterlegte Kennlinienfeld zur Bestimmung des Kompensationsfaktors k benutzt. Das digitale Produkt aus diesem Faktor k und denn Signal dΔU_MK wird als dΔU_DF bezeichnet. Dieses Signal wird zur Ansteuerung eines DAU genutzt und in das analoge Signal ΔU_DF gewandelt, welches zu der abgeglichenen Spannring U_DF_Abgl addiert wird und den störenden Effekt der Spannungsänderung ΔU_MK kompensiert.
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4 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehratensensor mit digitaler Auswerteelektronik und zwei hinterlegten Wertetabellen. Dargestellt sind das Sensorelement 100 und eine Auswerteelektronik 450. Die Auswerteelektronik 450 beinhaltet eine erste Wertetabelle (LUT1) 490, eine digitale Messelektronik 480 und eine Kompensationsschaltung 455 mit einer zweite Wertetabelle (LUT2) 460.
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Die bisher beschriebene Wertetabelle (LUT) mit zwei Eingangssignalen zur Beschreibung des Arbeitspunktes kann deutlich vereinfacht werden, wenn dafür gesorgt wird, dass der Kompensationsfaktor k nur noch vom Arbeitspunkt der Spannung U_DF_Abgl abhängt. Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel hierfür ist in 4 dargestellt. Die digitale Messelektronik erzeugt auch in diesem Fall ein den Arbeitspunkt bestimmendes Digitalsignal dU_MK_Abgl und eine Signaländerung dΔU_MK. Diese Signaländerung wird mit einem Faktor k1 digital multipliziert, wodurch das Digitalsignal dΔU_MK_lin resultiert. Der Faktor k1 ist abhängig von dem Wert des Signals dU_MK_Abgl und wird über eine LUT ermittelt. Das Signal dΔU_MK_lin steuert einen DAU an, welcher die Analogspannungsänderung ΔU_MK erzeugt. Die bisher beschriebene Elektronik wird beispielsweise in einem digitalen Regler zur Unterdrückung von Störsignalen im Drehratensensor ohnehin eingesetzt und kann somit doppelt genutzt werden, da sie ebenfalls dafür sorgt, den Kompensationsfaktor k2 für die Frequenznachführung lediglich von dem Arbeitspunkt des Signals dU_DF_Abgl abhängig zu machen. Dieser Faktor k2 wird mit dem Signal dΔU_MK_lin digital multipliziert wodurch das Digitalsignal dΔU_DF resultiert, welches zur Ansteuerung eines DAU und somit zur Erzeugung der Spannungsänderung ΔU_DF genutzt wird.
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Es ist auch eine Realisierung denkbar, bei der am Eingang der LUT2 nicht das Signal dΔU_MK_lin anliegt, sondern direkt das Signal dΔU_MK. Statt einer LUT mit zwei Eingangssignalen werden also zwei LUTs mit jeweils einem Eingangssignal benutzt, wodurch die Anzahl der zu speichernden möglichen Kompensationsfaktoren drastisch reduziert werden kann. Wird das Signal dU_DF_Abgl mit einer Auflösung von x Bit quantisiert und das Signal dU_MK_Abgl mit einer Auflösung von y Bit quantisiert, so wird eine LUT mit x mal y Einträgen reduziert auf eine LUT mit x Einträgen und eine LUT mit y Einträgen. Statt x mal y Speicherelementen werden lediglich x + y Speicherelemente benötigt. Außerdem besteht die Möglichkeit, einen ohnehin benötigten Schaltungsteil doppelt zu nutzen. Dies kann zum Beispiel der Teil eines digitalen Reglers zur Unterdrückung von Störsignalen sein.
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Das Prinzip ist auch auf eine analoge Realisierung übertragbar.
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Es sind daneben auch weitere Ausführungsbeispiele denkbar.
