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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer angeregten Schwingung
eines Systems auf einen Resonanzfall des Systems.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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Es
wird ein Verfahren benötigt,
welches den Rechenbedarf einer entsprechenden Vorrichtung reduziert
und dadurch insbesondere einen Chipflächenbedarf und einen Stromverbrauch
minimiert.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nach
einer Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass das System
ein Schwingelement, insbesondere ein Schwingrahmen eines Trägheitssensors,
insbesondere Drehratensensors, ist.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels.
Es zeigt
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1 einen
Drehratensensor mit einer Vorrichtung zum Regeln einer angeregten
Schwingung,
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2 ein
Ersatzschaltbild des Drehratensensors mit einer Vorrichtung zum
Regeln der angeregten Schwingung,
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3 ein
Diagramm mit der angeregten Schwingung sowie Momentanwerte und einen
sinusförmiger
Verlauf,
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4 die
Vorrichtung zum Regeln der angeregten Schwingung in einer schematischen
Darstellung,
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5 einen
Stellfrequenzregler in einer schematischen Darstellung,
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6 Diagramme
mit dem Übertragungsverhalten
des Drehratensensors sowie einem Frequenzverlauf der Stellamplitude,
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7 ein
Diagramm, welches das Verhalten der Stellgröße über die Frequenz zeigt,
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8 ein
Kennfeld,
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9 ein
Diagramm, welches ein Ausgangssignal eines Dekoders zeigt,
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10 eine Übertragungsfunktion
des Drehratensensors,
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11 Simulationsergebnisse
ohne Adaption einer Phasenänderungsschrittweite
mit kleinem Betrag,
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12 Simulationsergebnisse
ohne Adaption der Phasenänderungsschrittweite
mit großem
Betrag und
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13 Simulationsergebnisse
mit Adaption der Phasenänderungsschrittweite
zwischen dem großen
und dem kleinen Betrag.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die 8 zeigt
ein Kennfeld 102, welches anhand der Änderungen Δx und Δy die Änderung der Stellfrequenz über die
Zeit festlegt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Somit
ergibt sich eine sehr schnelle Reglung, welcher nach Erreichen der
Resonanzfrequenz eine Frequenzwelligkeit aufweist.
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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.
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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.