DE102008044000A1 - Verfahren zum Regeln einer angeregten Schwingung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer angeregten Schwingung (37) eines Systems (1) auf einen Resonanzfall des Systems (1), wobei mit einer Abtastfrequenz Momentanwerte (9) der Schwingungsgröße diskret erfasst erden und die Abtastfrequenz unterhalb eines Zweifachen einer Maximalfrequenz des Systems (1) gewählt wird. Es sind folgende Schritte vorgesehen:
- Ermitteln einer Schwingungsamplitude (40) aus den Momentanwerten (39),
- Regeln einer Stellamplitude anhand der ermittelten Schwingungsamplitude,
- Vorgeben einer Stellfrequenz anhand der Stellamplitude,
- Erzeugen einer Stellschwingung unter Berücksichtigung der Stellfrequenz,
- Zusammenführen der Schwingungsamplitude und der Stellschwingung zu einem Stellsignal und
- Anregen des Systems (1) unter Berücksichtigung des Stellsignals.
Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer angeregten Schwingung eines Systems auf einen Resonanzfall des Systems.
  • Stand der Technik
  • Um schwingungsfähige Systeme anzuregen und auf einen Resonanzfall des Systems zu regeln, ist es notwendig, die angeregten Schwingungen des Systems zu erfassen. Geschieht dies mittels digitaler Technik, so werden die Schwingungen auf diskrete Weise abgetastet. Um Fehlern bei dem Abtasten entgegenzuwirken, erfolgt dies mit einer Abtastfrequenz, die wesentlich größer als die Maximalfrequenz, insbesondere größer als die zweifache Maximalfrequenz des angeregten Systems ist. Diese Vorgehensweise wird als Anwendung des Nyquisttheorems bezeichnet. Sie verhindert, dass die Schwingungen zu langsam abgetastet werden, wodurch ein Effekt auftreten kann, der bei einer Auswertung die Erfassung einer Schwingung mit wesentlich niederer Frequenz vermuten lässt, obwohl dies nicht der Fall ist, das sogenannte Aliasing. Insbesondere ist es in derartigen Fällen nicht möglich, festzustellen, welche Frequenz und welche Phasenlage die abgetastete Schwingung tatsächlich besitzt. Nachteilig ist hierbei, dass die Abtastfrequenz dauerhaft sehr hoch sein muss, was zu einem hohen Rechenbedarf seitens einer eingesetzten Erfassungseinrichtung führt. Dieser hohe Rechenbedarf spiegelt sich wieder in einem hohen Chipflächenbedarf bei der Umsetzung der Erfassungseinrichtung als integrierter Schaltkreis und in einem hohen Stromverbrauch.
  • Regelsysteme die das Verfahren einsetzten können insbesondere bei Systemen wie ESP (Electronic Stability Program), ROM (Roll Over Mitigation), EAS (Electronic Active Steering), ASC (Active Suspension Control), SbW (Steer by Wire) und anderen Fahrzeugstabilitätsanwendungen eingesetzt werden. Dies begründet sich darauf, dass in diesen Systemen so genannte Trägheitssensoren – Inertialsensoren – als Drehratensensoren eingesetzt werden. Diese besitzen in der Regel mindestens ein Teil, ein Bauteil, welches durch Anregung in Schwingungen versetzt wird und bei einer Drehung des Sensors einen Corioliseffekt bewirkt. Dadurch kann eine Relativbewegung zwischen dem schwingenden Teil und dem restlichen Drehratensensor gemessen werden. Weitere Einsatzbereiche solcher Sensoren sind NC-Applikationen wie Navigation, Mensch-Maschine-Schnittstellen, Spielkonsolen, Sport- und medizinische Bereiche. Diese Sensoren haben hohe Anforderungen insbesondere an eine hohe Rechenkapazität, hohe Stabilität, geringen Chipflächenbedarf und. niedrigen Stromverbrauch.
  • Es wird ein Verfahren benötigt, welches den Rechenbedarf einer entsprechenden Vorrichtung reduziert und dadurch insbesondere einen Chipflächenbedarf und einen Stromverbrauch minimiert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Regeln einer angeregten Schwingung eines Systems auf einen Resonanzfall des Systems vorgesehen, wobei mit einer Abtastfrequenz Momentanwerte der Schwingungsgröße diskret erfasst werden und die Abtastfrequenz unterhalb eines Zweifachen einer Maximalfrequenz des Systems gewählt wird, mit folgenden Schritten: Ermitteln einer Schwingungsamplitude aus den Momentanwerten, Regeln einer Stellamplitude anhand der ermittelten Schwingungsamplitude, Vorgeben einer Stellfrequenz anhand der Stellamplitude, Erzeugen einer Stellschwingung unter Berücksichtigung der Stellfrequenz, Zusammenführen der Schwingungsamplitude und der Stellschwingung zu einem Stellsignal und Anregen des Systems unter Berücksichtung des Stellsignals. Mit dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, die Abtastfrequenz unterhalb des Zweifachen der Maximalfrequenz des Systems zu halten, wodurch sehr viel Rechenleistung eingespart werden kann, da lediglich die Schwingungsamplitude erfasst werden muss. Auf diese Weise kann bei einer Umsetzung als integrierter Schaltkreis Chipfläche eingespart und der Strombedarf einer entsprechenden Vorrichtung minimiert werden. Die Funktionalität des Systems trotz Verletzung des Nyquisttheorems wird durch eine entsprechende Regelung, welche das Verfahren anwendet, gewährleistet. Es ist insbesondere vorgesehen, ein Abtas ten digital vorzunehmen. Besonders vorteilhaft ist, dass das Verfahren eine Frequenz und eine Phasenlage des Stellsignals regelt. So ergeben sich innerhalb des Verfahrens zwei zunächst getrennte Regelpfade, die zusammengeführt werden. Einerseits wird die Stellamplitude anhand der ermittelten Schwingungsamplitude geregelt und andererseits wird die Stellschwingung, vorzugsweise eine normierte Stellschwingung, in ihrer Frequenz und auch in ihrer Phasenlage mittels der Stellamplitude geregelt. Die Kombination der Stellamplitude und der Stellschwingung ergibt das Stellsignal, welches zum Anregen des Systems verwendet wird. Dieses Verfahren basiert auf der Vorgabe, dass das System in seinem Resonanzfall betrieben werden soll und dass die Stellamplitude im Resonanzfall einen bestimmten, möglichst bekannten Wert annimmt. Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren somit um eine Resonanzregelung, welche die Stellfrequenz mittels einer Amplitudenregelung überwacht und auf diese Weise die Stellschwingung regelt, sodass sich der gesamte Regelkreis und damit das schwingende System im Resonanzfall befindet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als System ein Feder-Masse-System verwendet wird. Ein Feder-Masse-System hat den Vorteil, dass seine Systemantwort bei einer Anregung bekannt und einfach berechenbar ist. Ferner lassen sich notwendige Größen für eine Berechnung aus dem Feder-Masse-System auf einfache Weise feststellen und messen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als System mindestens ein Teil eines Trägheitssensors, insbesondere eines Drehratensensors, verwendet wird. Ein Drehratensensor besitzt typischerweise mindestens einen Teil, welcher in Schwingungen versetzt wird. Bei einer Verdrehung des gesamten Drehratensensors wirkt auf dieses Teil eine Corioliskraft, wodurch eine relative Drehbewegung zwischen dem Teil und dem restlichen Drehratensensor erfolgt. Mittels entsprechender Sensorik, wie beispielsweise einer kapazitiven und/oder piezoelektrischen Sensorik, kann diese Relativbewegung erfasst und entsprechend ausgewertet werden. Mittels dieser Sensorik kann ebenfalls die angeregte Schwingung des Teils des Drehratensensors gemessen und in Form von Momentanwerten erfasst werden. Da die Teile innerhalb von Drehratensensoren mit sehr hoher Frequenz schwingen, ergibt bereits eine kleine Verringerung der benötigten Abtastfrequenz eine wesentliche Verbesserung bezüglich Rechenbedarf und Stromverbrauch zum Regeln der angeregten Schwingung des Teils des Drehratensensors. Insbesondere bei mehraxialen Sensorkernen, also Drehratensensoren, welche mehrere schwingende Teile in Richtung mehrerer Raumachsen besitzen, wird durch einen Multiplexbetrieb der Rechenaufwand verringert. Es ist insbesondere vorteilhaft, die Momentanwerte über eine kapazitive mikromechanische Sensorik abzutasten, da derartige Sensoren bereits bekannt sind und häufig eingesetzt werden. So können die bereits bestehenden Vorteile dieser Sensorik mit den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens kombiniert werden. Insbesondere in Verbindung mit Drehratensensoren ergibt sich eine signifikante Reduktion des Strombedarfs in Auswerteeinheiten wie ASiCs beispielsweise von Antriebs- und Detektionskreisen für das Anregen der Schwingung. Der Multiplexbetrieb bezieht sich dabei insbesondere auf die Verwendung einer Wandlerstufe für mehrere Sensorachsen. Zudem ergeben sich bessere Bedingungen für einen Multiplexbetrieb der Wandlerstufe für mehrere Sensorachsen, wie beispielsweise durch größere Zeitfenster für Umschaltvorgänge durch die reduzierte Abtastfrequenz. Ferner wird mittels des Regelns auf den Resonanzfall sichergestellt, dass das System immer in einem energetischen Optimum betrieben wird, woraus sich ein Hoch- oder Niedergütesystem ergibt.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für das Ermitteln der Schwingungsamplitude anhand der Momentanwerte ein sinusförmiger Verlauf für die momentane Schwingung berechnet wird und die Amplitude des sinusförmigen Verlaufs als Schwingungsamplitude verwendet wird. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass zur Berechnung des sinusförmigen Verlaufs zwischen den Momentanwerten interpoliert wird.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stellfrequenz mittels der Stellamplitude als Regelgröße geregelt wird. Die Stellamplitude ist bereits aus dem Regeln der Stellamplitude bekannt, weshalb es vorteilhaft und vereinfachend ist, diesen Wert weiter zu verwenden. Der Zusammenhang zwischen der Stellamplitude und der Stellfrequenz ergibt sich daraus, dass das System auf einen Resonanzfall geregelt werden soll.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Sollwert für die Stellamplitude ein Extremwert der Stellamplitude verwendet wird. Dieser Extremwert kann im Vorfeld durch Analyse und/oder Messungen des Verhaltens des Systems bezüglich unterschiedlicher Stellamplituden ermittelt werden. Durch die Vorgabe des Resonanzfalls liegt für die Stellamplitude ein Extremwert vor, welcher als Sollwert verwendet werden kann. Es gilt ferner der Rückschluss, dass sich, wenn die Stellamplitude den Extremwert annimmt, das System im Resonanzfall befindet.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Extremwert ein minimal möglicher Wert der Stellamplitude verwendet wird, der benötigt wird, um die Schwingung des Systems im Resonanzfall aufrechtzuerhalten.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Regeln der Stellamplitude auf den Extremwert mittels einer Kennlinie und/oder eines Kennfelds erfolgt. Die Verwendung einer Kennlinie und/oder eines Kennfelds ermöglicht es, sowohl lineare als auch nichtlineare Verhaltensweisen des Systems zu berücksichtigen. Ferner können im Vorfeld gewünschte Regelungsverläufe, wie beispielsweise Einschwingvorgänge, vorgegeben werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kennlinie eine Änderung der Stellamplitude über die Zeit eine Änderung der Stellfrequenz über die Zeit zuordnet. Dies setzt voraus, dass ein Zusammenhang zwischen der Stellamplitude und der Stellfrequenz bekannt ist. Dieser Zusammenhang kann im Vorfeld gemessen oder analytisch ermittelt und in der Kennlinie hinterlegt werden, sodass eine erfasste Änderung der Stellamplitude in einfacher Weise einer Änderung der Stellfrequenz zugeordnet werden kann.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kennfeld der Änderung der Stellamplitude über die Zeit und eine Änderung der Frequenz der Stellschwingung über die Zeit einer Änderung der Stellfrequenz über die Zeit zuordnet. Das Kennfeld besitzt die gleichen Vorteile wie die Kennlinie. Zusätzlich ist die vorteilhafte Möglichkeit vorhanden, einen Rückschluss der Stellschwingung in die Regelung mit einzubeziehen. Somit ist eine zusätzliche Größe miteinbezogen, welche die Regelgüte des Verfahrens. erhöht.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Stellschwingung eine Sinusschwingung oder eine Rechteckschwingung verwendet wird. Die Rechteckschwingung kann in einfacher Weise, beispielsweise durch Ein- und Ausschalten einer elektrischen Spannung erfolgen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen ist eine Ein- und/oder Ausschaltregelung vorgesehen, welche das Verfahren nur bei Bedarf durchführt. Vorteil dieser Ein- und/oder Ausschaltregelung ist es, dass der Stromverbrauch zusätzlich verringert werden kann, indem beispielsweise eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nur dann eingesetzt wird, wenn es benötigt wird.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Regeln einer angeregten Schwingung eines Systems auf einen Resonanzfall des Systems, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, mit einer eine Abtastfrequenz aufweisenden Abtastvorrichtung zur Erfassung von Momentanwerten der Schwingung, wobei die Abtastfrequenz unterhalb eines Zweifachen einer Maximalfrequenz des Systems liegt, mit einer Schwingungsamplitudenermittlungseinrichtung, die aus den Momentanwerten eine Schwingungsamplitude ermittelt, einen Stellamplitudenregler, der die Stellamplitude anhand der Schwingungsamplitude regelt, einen Stellfrequenzregler, der eine Stellfrequenz einer Stellschwingung anhand der Stellamplitude regelt, einen Oszillator, der die Stellschwingung anhand der Stellfrequenz erzeugt, eine Zusammenführeinrichtung, die aus der Stellamplitude und der Stellfrequenz ein Stellsignal erzeugt, und einen Aktuator, der das System unter Berücksichtigung des Stellsignals anregt.
  • Nach einer Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass das System ein Schwingelement, insbesondere ein Schwingrahmen eines Trägheitssensors, insbesondere Drehratensensors, ist.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Aktuator ein Kammantrieb ist. Elektrostatische Kammantriebe sind der Mikromechanik zuzuordnen. Ihr Arbeitsprinzip basiert auf einer Kraftwirkung, die zwischen zwei unterschiedlich elektrisch geladenen Plattenelementen generiert wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels. Es zeigt
  • 1 einen Drehratensensor mit einer Vorrichtung zum Regeln einer angeregten Schwingung,
  • 2 ein Ersatzschaltbild des Drehratensensors mit einer Vorrichtung zum Regeln der angeregten Schwingung,
  • 3 ein Diagramm mit der angeregten Schwingung sowie Momentanwerte und einen sinusförmiger Verlauf,
  • 4 die Vorrichtung zum Regeln der angeregten Schwingung in einer schematischen Darstellung,
  • 5 einen Stellfrequenzregler in einer schematischen Darstellung,
  • 6 Diagramme mit dem Übertragungsverhalten des Drehratensensors sowie einem Frequenzverlauf der Stellamplitude,
  • 7 ein Diagramm, welches das Verhalten der Stellgröße über die Frequenz zeigt,
  • 8 ein Kennfeld,
  • 9 ein Diagramm, welches ein Ausgangssignal eines Dekoders zeigt,
  • 10 eine Übertragungsfunktion des Drehratensensors,
  • 11 Simulationsergebnisse ohne Adaption einer Phasenänderungsschrittweite mit kleinem Betrag,
  • 12 Simulationsergebnisse ohne Adaption der Phasenänderungsschrittweite mit großem Betrag und
  • 13 Simulationsergebnisse mit Adaption der Phasenänderungsschrittweite zwischen dem großen und dem kleinen Betrag.
  • Die 1 zeigt ein System 1, welches von einer Regel- und Messeinrichtung 2 geregelt wird. Das System 1 ist als Feder-Masse-System 3 in Form eines Trägheitssensors 4 ausgebildet. Der Trägheitssensor 4 ist ein Drehratensensor, wel cher bei einer Verdrehung ein Messsignal bezüglich der Drehrate ausgibt. Zu diesem Zweck besitzt der Trägheitssensor 4 zwei Sensormodule 6, welche in gleicher Weise aufgebaut sind und über eine Feder 7 miteinander gekoppelt sind. Eine Verdrehung des Drehratensensors 5 erfolgt für das Messsignal beispielsweise in Richtung eines Pfeils 8. Jedes der Sensormodule 6 besitzt ein Schwingelement 9 in Form eines Schwingrahmens 10. Das Schwingelement 9 kann für den Zeitraum zur Erzeugung des Messsignals mittels Aktuatoren 11 in Form von Kammantrieben 12 zum Schwingen angeregt werden. Die Anregung erfolgt wechselweise in Richtung der Pfeile 13 und 14. Innerhalb der Schwingelemente 9 sind Detektionselemente 15 in Richtung von Pfeilen 17 verlagerbar angeordnet, welche mit einem in 1 nicht dargestellten Kapazitäts-Spannungs-Wandler Wechselwirken. Die Regel- und Messeinrichtung 2 ist über einen Signalpfad 16 bidirektional mit dem Trägheitssensor 4 verbunden.
  • Bei einem Verdrehen des mittels der Aktuatoren 11 angeregten Trägheitssensors 4 werden die Detektionselemente 15 jeweils in Richtung eines der Pfeile 17 ausgelenkt, wodurch der Kapazitäts-Spannungs-Wandler das Messsignal erzeugt und über den Signalpfad 16 an die Regel- und Messeinrichtung 2 übergibt. Anhand dieses Messsignals kann die eigentliche Drehrate des Trägheitssensors 4 ermittelt werden. Das Anregen der Schwingelemente 9 erfolgt durch eine Regelung mittels der Regel- und Messeinrichtung 2, welche über den Signalpfad 16 zum einen ein Stellsignal an die Aktuatoren 11 übergibt und zum anderen von den Aktuatoren 11, welche auch ein Sensieren der Schwingung ermöglichen, ein Signal zurückerhält, welches eine Position des Schwingrahmens beschreibt. Somit übernimmt die dargestellte Regel- und Messeinrichtung 2 sowohl die Aufgabe, die Schwingung der Schwingelemente 9 zu regeln als auch das Messsignal bezüglich der Drehrate des Trägheitssensors 4 aufzunehmen. Ferner besteht die nicht dargestellte Möglichkeit, dass auch das Detektionselement 15 mit Aktuatoren ausgestattet ist, welche erlauben, das Detektionselement 15 in Schwingungen zu versetzen, um beispielsweise Überlagerungen zwischen der Auslenkung durch das Verdrehen des Trägheitssensor 4 und einer Grundschwingung zu ermöglichen.
  • 2 zeigt ausschnittsweise den Drehratensensor 5 der 1 in einer schematischen Darstellung. Das Schwingelement 9 sowie das Detektionselement 15 sind in einem Massenelement 17 zusammengefasst. Die 2 zeigt den Auf bau exemplarisch an einem der Sensormodule 6. Das Massenelement 17 ist mittels zweier Federelemente 18 mit Referenzlagern 19 verbunden. Der Trägheitssensor 4 misst somit die Drehrate der Referenzlager 19 zu ihrer Umwelt. Der Signalpfad 16 ist in 2 zweigeteilt dargestellt und besteht aus einem Antriebspfad 20 und einem Detektionspfad 21, welche beide mit der Regel- und Messeinrichtung 2 verbunden sind. Der Antriebspfad 20 weist eine Signalpfad 22 für das Stellsignal auf, welcher zu einem Umsetzer 23 führt, der den Aktuator 11 betätigt. Der Aktuator 11 regt das Massenelement 17 wechselweise in den Richtungen des Doppelpfeils 24 an. Ein Messelement 25 misst die daraus folgende Auslenkung des Massenelements 17 und übergibt dieses Signal über einen Verstärker 26 und einem Signalpfad 27 an die Regel- und Messeinrichtung 2. Somit bildet der Antriebspfad 20 um einen geschlossenen Regelkreis mit der Regel- und Messeinrichtung 2 und dem Massenelement 17. Der Detektionspfad 21 weist einen Signalpfad 28 auf, welcher auf einen Umsetzer 29 führt. Der Umsetzer 29 übergibt ein über die Signalpfad 28 ankommendes Stellsignal an einen Aktuator 30, welcher das Massenelement 17 in Richtung eines Doppelpfeils 31 wechselweise auslenken kann. Der Signalpfad 28, der Umsetzer 29 und der Aktuator 30 sind optional. Ein Messelement 31' misst die Auslenkungen des Massenelements 17, welche entweder durch den Aktuator 30 und/oder durch ein Verdrehen des Trägheitssensors 4 erfolgen. Das sich daraus ergebende Messsignal wird über einen Verstärker 32 und ein weiterer Signalpfad 33 an die Vorrichtung 2 übergeben.
  • Die 3 zeigt ein Diagramm 34 mit einer Abszisse 35, welcher die Zeit t zugeordnet ist und einer Ordinate 36, welcher eine angeregte Schwingung 37 zugeordnet ist. Innerhalb des Diagramms 34 ist die angeregte Schwingung 37 als eine Sinuskurve 37' dargestellt, die dem Signal des Messelements 25 entspricht. Über der Sinuskurve 37' liegt ein sinusförmiger Verlauf 38, welcher eine geringere Frequenz aufweist als die Sinuskurve 37'. Die Sinuskurve 37' stellt die Schwingung des Systems 1 der 1 und 2 dar. Durch Abtasten der Schwingung 37 in äquidistanten Zeitabständen mittels einer Abtastfrequenz ergeben sich Momentanwerte 39. Die Abtastfrequenz ist geringer als ein Zweifaches einer Maximalfrequenz des Systems 1, sodass die Schwingung 37 nicht vollständig erfasst werden kann und aus den Momentanwerten 39 der sinusförmige Verlauf 38 in naheliegender Weise angenommen wird. Die Zwischenwerte, welche zwischen den Momentanwerten 39 liegen, können zur Vervollständigung des sinusförmi gen Verlaufs 38 aus den Momentanwerten 39 mittels Interpolation berechnet werden. Die Vorgehensweise zur Erfassung der Sinuskurve 37' mittels der geringen Abtastfrequenz führt somit zu einem Verlust der Information über Phasenlage und Frequenz der angeregten Schwingung 37. Erhalten bleibt die Information über die Schwingungsamplitude 40 der Sinuskurve 37, welche auch bei der Abtastung mit geringer Abtastfrequenz korrekt erfasst wird und einer Amplitude 40' des sinusförmigen Verlaufs 37 entspricht. Zur Durchführung einer Regelung des Systems 1 mit einer Erfassung der Schwingungsgröße in der in 3 dargestellten Form ist es notwendig, dass das angewendete Verfahren die Information über Phasenlage und Frequenz der Schwingung 37 anderweitig berücksichtigt.
  • Die 4 zeigt eine Vorrichtung 41 zum Regeln des Systems 1 der 1. Das System 1 ist in 4 schematisch anhand von Aktuatoren 11 und Messelementen 25 dargestellt, die eine Abtastungsvorrichtung 25' bilden. Die Vorrichtung 41 weist einen digitalen Bereich 42, einen Übergangsbereich 43 sowie einen analogen Bereich 44 auf. Ausgehend vom System 1 und dessen Messelementen 25 verlaufen Signalpfade 45 und 46 in eine analoge Messvorrichtung 47. Die analoge Messvorrichtung 47 erfasst die von den Messelementen 25 gebildeten Signale und wandelt sie in Werte der Schwingungsgröße um. Dies kann beispielsweise bei kapazitiven Messelementen 25 durch eine Messvorrichtung 47 in Form eines Kapazitäts-Spannungs-Wandlers 47' erfolgen. Die Messvorrichtung 47 übergibt das aufbereitete Signal mittels eines Signalpfads 48 an einen Analog-Digital-Wandler 49. Der Analog-Digital-Wandler ermittelt Momentanwerte 39 aus dem Signal und übergibt diese mittels eines Signalpfads 50 an eine Stellamplitudenregeleinheit 51. Die Stellamplitudenregeleinheit 51 besitzt eine Schwingungsamplitudenermittlungseinrichtung 52, welche aus den Momentanwerten 39 die aktuelle Schwingungsamplitude ermittelt und an einen Stellamplitudenregler 53 übergibt. Die vom Stellamplitudenregler 53 ermittelte Stellamplitude wird über einen Signalpfad 54 an eine Zusammenführeinrichtung 55 übergeben. Die Stellamplitudenregeleinheit 51 übergibt weiter die aktuelle Stellamplitude mittels eines Signalpfads 56 an einen Stellfrequenzregler 57, welcher anhand der Stellamplitude eine Stellfrequenz regelt und über eines Signalpfads 58 einem Oszillator 59 vorgibt. Der Oszillator 59 erzeugt aus der Stellfrequenz eine normierte Stellschwingung, das heißt eine Schwingung mit normierter Amplitude, die der Oszillator 59 über einen Signalpfad 60 an die Zusammenführeinrichtung 55 weitergibt. Die Stellschwingung ist als Sinusschwingung ausgeführt. In der Zu sammenführeinrichtung 55 wird die Stellamplitude mit der Stellschwingung multipliziert, sodass sich das Stellsignal ergibt und über einen Signalpfad 61 an einen Digital-Analog-Wandler 62 geführt wird. Der Digital-Analog-Wandler 62 erzeugt ein analoges Stellsignal, welches über einen Signalpfad 63 an die Aktuatoren 11 des Systems 1 übergeben wird. Somit ist ein Regelkreis 64 geschlossen, der es erlaubt, das System 1 anhand der erfassten Amplitude 40' zu regeln. Als System 1 sind die Systeme 1, die in den 1 und 2 dargestellt sind vorgesehen. 4 zeigt weiter eine Ein- und/oder Ausschaltregelung 65, welche über Signalleitungen 66 und 67 die Messvorrichtung 47 sowie den Analog-Digital-Wandler 49 und den Digital-Analog-Wandler 62 ausschalten kann. Dies erfolgt vorzugsweise dann, wenn das System 1 als der Drehratensensor 4 ausgebildet ist und keine Messung der Drehrate erfolgen soll. Auf diese Weise wird ermöglicht, weitere Energie einzusparen. Es ist denkbar, dass die Ein- und/oder Ausschaltregelung 65 weitere Komponenten ein- und/oder ausschalten kann. Weiter ist denkbar, nur die Messvorrichtung 47 und den Analog-Digital-Wandler 49 auszuschalten. In diesem Fall wird das digitale Stellsignal mit fester Amplitude und fester Frequenz erzeugt.
  • Die 5 zeigt den Stellfrequenzregler 57 der 4, welcher über den Signalpfad 56 die aktuelle Stellamplitude zugeführt wird und über den Signalpfad 58 die Stellfrequenz ausgibt. Der Stellfrequenzregler 57 weist einen Testsignalgenerator 66 auf, welcher sein Testsignal über einen Signalpfad 67 an einen Verstärker 68 weitergibt. Bei dem Testsignal handelt es sich vorzugsweise um ein oszillierendes Signal, es kann sich dabei aber auch um eine Sprungfunktion oder um eine Impulsfunktion handeln. Das Testsignal wird vorzugsweise in normierter Form erzeugt und kann über den Verstärker 68 in seiner Ausprägung eingestellt werden. Über einen Signalpfad 69 wird das verstärkte Testsignal einer Additionsvorrichtung 70 übergeben. Die Additionsvorrichtung 70 bekommt weiter ein Phasenmodulationssignal aus einem weiteren Signalpfad 71, welches mit dem verstärkten Testsignal addiert wird. Daraus ergibt sich ein moduliertes Testsignal, welches über einen Signalpfad 72 an eine Ausgabeeinheit 73 weitergegeben wird. Die Ausgabeeinrichtung 73 übergibt das modulierte Testsignal als Stellfrequenz mittels eines Signalpfads 74 an den Signalpfad 58. Ferner übergibt die Ausgabeeinrichtung 73 über einen Signalpfad 75 die Stellfrequenz an einen Differenzierer 76, welcher eine Änderung Δx der Stellfrequenz ermittelt und über einen Signalpfad 77 an einen Dekoder 78 übergibt. Der Signalpfad 56 übergibt die aktuelle Stellamplitude an einen Signalpfad 79, welcher zu einer Eingabevorrichtung 80 führt. Ausgehend von der Eingabevorrichtung 80 wird die Stellamplitude über einen Signalpfad 81 an einen Differenzierer 82 übergeben, der eine Änderung Δy der Stellamplitude über die Zeit ermittelt und über einen Signalpfad 83 an den Dekoder 78 übergibt. Der Dekoder 78 enthält ein Kennfeld 102. Mittels des Kennfelds 102 werden den Änderungen Δx und Δy eine Änderung der Stellfrequenz über die Zeit zugeordnet. Diese Änderung der Stellfrequenz wird über einen Signalpfad 83 an einen Integrierer 84 weitergegeben, welcher die Änderung der Stellfrequenz über die Zeit integriert und das Signal mittels eines Signalpfads 85 an einen Verstärker 86 übergibt. Im Verstärker 86 kann eine Phasenänderungsschrittweite eingestellt werden, indem der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 86 angepasst wird. Es ist von besonderem Vorteil, wenn im Verstärker 86 ein adaptives Anpassen der Phasenänderungsschrittweite erfolgt. Der Verstärker 86 ist über den Signalpfad 71 mit der Additionsvorrichtung 70 verbunden und übergibt somit das Phasenmodulationssignal.
  • Aufgrund des Stellfrequenzreglers 57 wird ermöglicht, dass anhand der Stellamplitude die Stellfrequenz geregelt wird und zur Durchführung der Regelung des Systems 1 die Information über Phasenlage und Frequenz der Schwingung 37 indirekt zu berücksichtigt wird. Dies ist unter der Voraussetzung möglich, dass das System 1 für seinen Resonanzfall geregelt werden soll. Somit ergibt sich als Prinzip für diese Regelung, dass ein Testsignal durch das Kennfeld 102 auf den gesamten Regelkreis 64 gegeben wird und das Testsignal derart moduliert wird, dass sich die Stellamplitude minimiert, also einen minimal möglichen Wert annimmt. Die minimierte Stellamplitude bildet somit den Sollwert. Dies ergibt sich durch das Übertragungsverhalten des Systems 1, da es als Feder-Masse-System 3 ausgebildet ist und somit ein PT2-Verhalten aufweist, welches einen Resonanzfall beinhaltet.
  • Die 6 zeigt ein Diagramm 87 und ein Diagramm 88. Das Diagramm 87 weist eine Abszisse 89 auf, welcher die Frequenz zugeordnet ist. Ferner weist das Diagramm 87 eine Ordinate 90 auf, welche das Übertragungsverhalten des Systems 1 beschreibt. Das Diagramm 88 weist ebenfalls eine Abszisse 92 auf, der die Frequenz zugeordnet ist und weist eine Ordinate 92 auf, welche das Stellsignal des Stellamplitudenreglers 53 beschreibt. Innerhalb des Diagramms 87 ist eine Kurve 93 gezeigt, welche das Übertragungsverhalten des Systems 1 über die Frequenz darstellt. Die Kurve 93 weist ein Maximum 94 auf, welches den Resonanzfall des Systems 1 beschreibt. Im Diagramm 88 ist eine Kurve 95 gestrichelt dargestellt, welche den Verlauf des Stellsignals des Stellamplitudenreglers 53 über die Frequenz beschreibt. Die Kurve 95 weist ein inverses Verhalten zur Kurve 94 auf, sodass sich ein Minimum 97, also ein Extremwert, für den Resonanzfall des Systems 1 bildet. Zwei Geraden 96 beschreiben einen Bereich um das Minimum 97, welche einen möglichen Stellbereich 98 für die Stellamplitude vorgeben. Die Stellamplitude soll sich für die Regelung nach Möglichkeit innerhalb dieses Stellbereichs 98 befinden, da sich daraus ganz oder fast der Resonanzfall des Systems 1 ergibt. Somit hat der Stellfrequenzregler die Möglichkeit, durch Einstellen der Stellamplitude in diesen Stellbereich festzulegen, dass sich die Stellfrequenz sowohl in Phase und Frequenz im Resonanzfall des Systems 1 befindet. Die Kurven 93 und 95 der 6 sind qualitativ dargestellt.
  • Die 7 zeigt einen Ausschnitt der Kurve 95 aus 6 im Stellbereich 98. Auf der Kurve 95 ist eine aktuelle Stellfrequenz mit einem Punkt 99, eine auf die aktuelle Stellfrequenz folgende Stellfrequenz mit dem Punkt 100 und eine vorliegende, gewünschte Stellfrequenz mit dem Punkt 101 gekennzeichnet.
  • Die 8 zeigt ein Kennfeld 102, welches anhand der Änderungen Δx und Δy die Änderung der Stellfrequenz über die Zeit festlegt.
  • Die 9 zeigt ein Diagramm 103 mit einer Abszisse 104, die der Zeit t zugeordnet ist, und einer Ordinate 105, die dem Ausgangssignal des Dekoders 78 zugeordnet ist. Innerhalb des Diagramms 103 ist eine Kurve 106 dargestellt, welche eine Rechteckskurve 107 ist, die oszilliert.
  • Der in 9 dargestellte Fall für die Werte, welche von dem Kennfeld 102 ausgegeben werden, liegt dann vor, wenn die Stellfrequenz im Punkt 101 gehalten werden soll. Dann ist es notwendig, dass die Stellfrequenz der Punkte 99 und 100 wechselweise angenommen werden, wodurch die Oszillation der Kurve 106 erfolgt.
  • Die 10 zeigt ein Übertragungsverhalten des Systems 1 ausschnittsweise in einem Diagramm 108. Das Diagramm 108 weist eine Abszisse 109 auf, welcher die Frequenz zugeordnet ist, und eine Ordinate 110, welcher die Schwingungs amplitude zugeordnet ist. Innerhalb des Diagramms 108 ist eine Kurve 111 dargestellt, welche das Übertragungsverhalten des Systems 1 beschreibt. Die Kurve 111 besitzt ein Minimum 112, welche die kleinstmögliche Amplitude der angeregten Schwingung des Systems 1 darstellt und somit den Resonanzfall anzeigt.
  • Die 11 zeigt Simulationsergebnisse für den in 4 erläuterten Regelkreis 64. Die 11 bis 13 weisen jeweils die Diagramme 113, 114, 115 und 116 auf. Die Diagramme 113, 114, 115 und 116 weisen jeweils eine Abszisse 117 auf, die der Zeit t zugeordnet sind. Das Diagramm 113 weist eine Ordinate 118 auf, welche der Stellfrequenz zugeordnet ist, das Diagramm 114 weist eine Ordinate 119 auf, welcher die Übertragungsfunktion des Systems 1 zugeordnet ist, das Diagramm 115 weist eine Ordinate 120 auf, welche dem Ausgangswert des Dekoders 78 zugeordnet ist und das Diagramm 116 weist eine Ordinate 121 auf, welche den Wert der Phasenänderungsschrittweite des Verstärkers 86 der 5 beschreibt. Im Diagramm 113 ist eine Kurve 122 aufgetragen, welche den Verlauf der Stellfrequenz über die Zeit darstellt. Im Diagramm 114 ist eine Kurve 123 dargestellt, welche einen Verlauf des Werts darstellt, den die Übertragungsfunktion über die Zeit annimmt. Im Diagramm 115 ist eine Kurve 124 dargestellt, welche den Verlauf des Ausgabesignals des Dekoders 78 aufzeigt. In dem Diagramm 116 ist eine Kurve 125 dargestellt, welche den Verlauf der Phasenänderungsschrittweite über die Zeit beschreibt.
  • In 11 sind Simulationsergebnisse gezeigt, die für den Fall entstehen, dass die Phasenänderungsschrittweite konstant einen geringen Wert (0,01 Hz) besitzt. In diesem Fall wird die Resonanzfrequenz des Systems 1, hier 16 kHz, vollständig erreicht. Dies geschieht aufgrund der geringen Phasenänderungsschrittweite nur sehr langsam. Die Kurve 122 ist rampenförmig und linear ansteigend. Die Kurve 123 hingegen sinkt allmählich auf lineare Weise ab und die Kurve 124 hält konstant den Wert Eins, da die Frequenz stetig anstiegen soll. Die Kurve 125 ist ebenfalls konstant über den gesamten gezeigten Zeitabschnitt, da es sich um einen konstanten Phasenänderungsschritt handelt. Es ergibt sich, eine Regelung, die die Resonanzfrequenz optimal erreicht.
  • Die 12 zeigt alle Merkmale der 11. Die 12 und 11 unterscheiden sich in den Verläufen der Kurven 122, 123, 124 und 125. Für die Simulationsergebnisse der 12 wird der Regelkreis 64 derart eingestellt, dass die Phasenänderungsschrittweite wesentlich größer als in 11 ist, hier 0,3 Hz. Daraus ergibt sich, dass die Kurve 122 in einem ersten Zeitabschnitt 126 sehr schnell bis zur Resonanzfrequenz ansteigt und anschließend um die Resonanzfrequenz herum oszilliert. Für die Kurve 123 ergibt sich im ersten Zeitabschnitt 126, dass sie sehr schnell auf ihr Minimum, hier – 0,5 – sinkt und in diesem Minimum verbleibt. Die Kurve 124 ist im vorderen Zeitabschnitt 126 zunächst konstant und lässt die Stellfrequenz ansteigen. Nach dem vorderen Zeitabschnitt 126, also nach Erreichen der Resonanzfrequenz, beginnt das Ausgangssignal des Dekoders 87 zu oszillieren, um die Resonanzfrequenz einzustellen. Die Kurve 125 verläuft ebenfalls wie in 11 konstant, jedoch hier mit einem Wert von 0,3 Hz.
  • Somit ergibt sich eine sehr schnelle Reglung, welcher nach Erreichen der Resonanzfrequenz eine Frequenzwelligkeit aufweist.
  • Die 13 zeigt Simulationsergebnisse für den Regelkreis 64, dessen Phasenänderungsschrittweite adaptiert wird. Die 13 zeigt alle Merkmale der 11. Die 13 und 11 unterscheiden sich in den Verläufen der Kurven 122, 123, 124 und 125. Der Verlauf der Kurve 122 weist einen ersten Zeitabschnitt 127 auf, in dem die Stellfrequenz langsam ansteigt. Dem ersten Zeitabschnitt 127 folgt ein zweiter Zeitabschnitt 128, in welchem die Stellfrequenz bis zur Resonanzfrequenz schnell ansteigt. Nach Erreichen der Resonanzfrequenz folgt ein dritter Zeitabschnitt 129, in welchem sich die Kurve 122, also die Stellfrequenz, einschwingt und die Stellfrequenz die Resonanzfrequenz optimal erreicht. Die Kurve 123 verläuft im ersten Zeitabschnitt 127 ebenfalls konstant und sinkt innerhalb des zweiten Zeitabschnitts auf ihr Minimum. Innerhalb dieses Minimums verbleibt die Kurve 123 für den gesamten dritten Zeitabschnitt 129. Die Kurve 124 verläuft im ersten und im zweiten Abschnitt 127 und 128 konstant. Das heißt, sie erzeugt einen Anstieg der Kurve 122, also der Stellfrequenz. Im dritten Zeitabschnitt 129 ist die Resonanzfrequenz von der Stellfrequenz erreicht und das Ausgangssignal des Dekoders beginnt zu oszillieren, wodurch eine Oszillation der Kurve 124 hervorgerufen wird. Die Kurve 125 zeigt im ersten Zeitabschnitt 127 einen konstanten Verlauf. Im zweiten Zeitabschnitt 128 steigt der Wert für die Phasenänderungsschrittweite an und wird anschließend konstant auf einem höheren Wert gehalten. Daraus ergibt sich der Anstieg der Kurve 122 im zweiten Zeitabschnitt 128. Nach Erreichen der Resonanzfrequenz durch die Stellfrequenz im dritten Zeitabschnitt 129 wird dies von der Adaption erkannt und innerhalb des dritten Zeitabschnitts 129 wird die Phasenänderungsschrittweite verkleinert und verbleibt für den Rest des dritten Zeitabschnitts konstant.
  • Durch Adaption der Phasenänderungsschrittweite wird ermöglicht, dass ein sehr schneller Regler implementiert werden kann, welcher ein optimales Regelergebnis liefert. Es ergeben sich lediglich kleine Phasenverschiebungen bei der Verwendung dieser Regelung.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Regeln einer angeregten Schwingung (37) eines Systems (1) auf einen Resonanzfall des Systems (1), wobei mit einer Abtastfrequenz Momentanwerte (9) der Schwingungsgröße diskret erfasst werden und die Abtastfrequenz unterhalb eines Zweifachen einer Maximalfrequenz des Systems (1) gewählt wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Ermitteln einer Schwingungsamplitude (40) aus den Momentanwerten (39), – Regeln einer Stellamplitude anhand der ermittelten Schwingungsamplitude, – Vorgeben einer Stellfrequenz anhand der Stellamplitude, – Erzeugen einer Stellschwingung unter Berücksichtigung der Stellfrequenz, – Zusammenführen der Schwingungsamplitude und der Stellschwingung zu einem Stellsignal und – Anregen des Systems (1) unter Berücksichtigung des Stellsignals.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als System (1) ein Feder-Masse-System (3) verwendet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als System (1) mindestens ein Teil eines Trägheitssensors (4), insbesondere eines Drehratensensors (5), verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Ermitteln der Schwingungsamplitude anhand der Momentanwerte (39) ein sinusförmiger Verlauf (38) für die momentane Schwingung (37) berechnet wird und die Amplitude (40') des sinusförmigen Verlaufs (38) als Schwingungsamplitude (40) verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellfrequenz mittels der Stellamplitude als Regelgröße geregelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollwert für die Stellamplitude ein Extremwert der Stellamplitude verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Extremwert ein minimal möglicher Wert der Stellamplitude verwendet wird, der benötigt wird, um die Schwingung (37) des Systems (1) im Resonanzfall aufrechtzuerhalten.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regeln der Stellamplitude auf den Extremwert mittels einer Kennlinie und/oder eines Kennfelds (102) erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie eine Änderung der Stellamplitude über die Zeit einer Änderung der Stellfrequenz über die Zeit zuordnet.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld (102) der Änderung der Stellamplitude über die Zeit und einer Änderung der Frequenz der Stellschwingung über die Zeit eine Änderung der Stellfrequenz über die Zeit zuordnet.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellschwingung eine Sinusschwingung oder eine Rechteckschwingung verwendet wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ein- und/oder Ausschaltregelung (65), welche das Verfahren nur bei Bedarf durchführt.
  13. Vorrichtung (41) zum Regeln einer angeregten Schwingung (37) eines Systems (1) auf einen Resonanzfall des Systems (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einer eine Abtastfrequenz aufweisenden Abtastvorrichtung (25') zur Erfassung von Momentanwerten (39) der Schwingung (37), wobei die Abtastfrequenz unterhalb eines Zweifachen einer Maximalfrequenz des Sys tems (1) liegt, gekennzeichnet durch eine Schwingungsamplitudenermittlungseinrichtung (52), die aus den Momentanwerten eine Schwingungsamplitude ermittelt, einen Stellamplitudenregler (53), der die Stellamplitude anhand der Schwingungsamplitude regelt, einen Stellfrequenzregler (57), der eine Stellfrequenz einer Stellschwingung anhand der Stellamplitude regelt, einen Oszillator (59), der die Stellschwingung anhand der Stellfrequenz erzeugt, eine Zusammenführeinrichtung (55), die aus der Stellamplitude und der Stellfrequenz ein Stellsignal erzeugt und einen Aktuator (11), der das System (1) unter Berücksichtigung des Stellsignals anregt.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Schwingelement (9), insbesondere ein Schwingrahmen (110) eines Trägheitssensors (4) ist.
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (11) ein Kammantrieb (12) ist.
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