DE102010053022B4

DE102010053022B4 - Vorrichtung zur Messung einer Drehrate

Info

Publication number: DE102010053022B4
Application number: DE102010053022.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan ROMBACH; Dipl.-Ing. Northemann Thomas; Michael Maurer; Matthias Dienger; Prof. Dr.-Ing. Manoli Yiannos
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Hahn-Schickard-Gesellschaft fur Angewandte Fo De; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2030-12-03
Also published as: JP2013545986A; US20140060185A1; CN103339471A; WO2012072255A1; DE102010053022A1; EP2646774A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Messung einer Drehrate, mit einem mechanischen Drehratensensor (2), der eine träge Masse aufweist, die mittels einer Anregungseinrichtung entlang einer Primärachse in eine Primärschwingung versetzbar und entlang einer quer zur Primärachse verlaufenden Sekundärachse derart auslenkbar ist, dass sie beim Auftreten einer Drehrate um eine quer zur Primärachse und quer zur Sekundärachse verlaufende sensitive Achse entlang der Sekundärachse eine durch die Coriolis-Kraft angeregte Sekundärschwingung durchführt, mit mindestens einem Sensorelement (4) zur Erfassung eines amplitudenmodulierten Sensorsignals für die Sekundärschwingung, mit einem Sigma-Delta-Modulator, der einen mit dem Sensorelement verbundenen Tiefpassfilter (6), einen diesem nachgeschalteten Quantisierer und einen in einem Rückkopplungspfad angeordneten Sekundäraktor (10) aufweist, mittels dem eine der Coriolis-Kraft entgegenwirkenden Kraft auf die Masse ausübbar ist, wobei der Sekundäraktor (10) derart über den Rückkopplungspfad mit dem Quantisierer verbunden ist, dass ein Rückkopplungssignal im zeitlichen Mittel die Auslenkung der Masse in Richtung der Sekundärschwingung kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschieben des Frequenzbands des amplitudenmodulierten Sensorsignals in einen niedrigeren Frequenzbereich zwischen dem Sensorelement und dem Tiefpassfilter (6) eine erste Modulationsstufe (5) angeordnet ist, und dass zum Rückgängigmachen der Frequenzverschiebung im Rückkopplungspfad zwischen dem Quantisierer und dem Drehratensensor (2) eine zweite Modulationsstufe (9) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Drehrate nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der Praxis bekannt. Sie wird beispielsweise in Fahrerassistenzsystemen von Kraftfahrzeugen, in elektronischen Einrichtungen, welche zur Stabilisierung des Fahrzustands eines Kraftfahrzeugs einzelne Räder abbremsen oder in Navigationssystemen verwendet. Der Drehratensensor der Vorrichtung hat eine träge Masse, die mittels einer Anregungseinrichtung relativ zu einer Halterung konstant in eine Primärschwingung versetzt wird. Die Masse ist derart aufgehängt, dass sie beim Auftreten einer Drehrate um eine orthogonal zur Achse der Primärschwingung verlaufende sensitive Achse durch die Coriolis-Kraft zu einer Sekundärschwingung angeregt wird. Dabei ist die Achse der Sekundärschwingung orthogonal zur Primärschwingung und orthogonal zur sensitiven Achse ausgerichtet.
Die Sekundärschwingung wird mit Hilfe eines Sensorelements gemessen und in ein entsprechendes analoges elektrisches Sensorsignal konvertiert. Da die Masse zur Primärschwingung angeregt werden muss, um das Drehratensignal zu detektieren, ist das Sensorsignal ein amplitudenmoduliertes Signal. Die Trägerfrequenz dieses Signals entspricht der Frequenz der Primärschwingung.
Das analoge Sensorsignal wird mit Hilfe eines Sigma-Delta-Modulators digitalisiert. Dieser weist einen Tiefpassfilter und einen 1-Bit-Quantisierer auf, mit dem das tiefpassgefilterte analoge Sensorsignal mit einer Frequenz, die weit oberhalb der benötigten Nyquisitfrequenz liegt, abgetastet und digitalisiert wird. So wird eine hohe zeitliche Auflösung des Sensorsignals erreicht. Das Ausgangssignal des Sigma-Delta-Modulators ist also ein binäres Signal mit hoher Taktfrequenz, ein sogenannter Bitstream. Dies führt zwar zu einem hohen Quantisierungsfehler bzw. einem starken Quantisierungsrauschen, durch das Integrationsverhalten des Sigma-Delta-Modulators kommt es allerdings zum sogenannten Noise-Shaping-Effekt, der das Rauschen spektral formt und vom Signal weitestgehend trennt. Mit dem Tiefpass-Filter kann das Quantisierungsrauschen sehr effektiv unterdrückt werden.
In Verbindung mit einer Dezimierung des Signals wird dessen hohe zeitliche Auflösung in eine hohe Amplitudenauflösung umgewandelt. Im Vergleich zu anderen analog-digital Umsetzverfahren lässt sich diese hohe Auflösung mit guter Umsetzgeschwindigkeit, Linearität und vor allem mit Bauteilen hoher Integrationsdichte erreichen. Aufgrund der Schaltungsstruktur und der Funktionsweise kann mit Hilfe des Sigma-Delta-Modulators auch eine Vereinigung aus mechanischem Sensor und elektrischem Wandler verwirklicht werden.
Zum Erhöhen der Linearität der Messung weist die Vorrichtung einen Sekundäraktor auf, mittels dem zwischen der Masse und der Halterung eine Kraft aufbringbar ist, die der Coriolis-Kraft entgegenwirkt. Der Sekundäraktor ist derart über einen Rückkopplungspfad mit dem Quantisierer verbunden, dass ein Rückkopplungssignal des Quantisierers im zeitlichen Mittel die Sekundärschwingung kompensiert. Als Rückkopplungssignal wird der binäre Bitstream verwendet. Dies bedeutet dass die auf die Masse wirkende Coriolis-Kraft fast vollständig kompensiert wird. Dadurch wird auch die Störunempfindlichkeit und letztendlich die Auflösung des Drehratensignals erhöht.
Die Vorrichtung hat den Nachteil, dass durch den Tiefpassfilter die Abtastfrequenz des Quantisierers sehr hoch sein muss, weil nun das abzutastende Signalband verbreitert wird. Das Signalband ist nicht nur ein kleiner Bereich und die Frequenz der Primärschwingung herum sondern reicht vom Basisband bis zum amplitudenmodulierten Drehratensignal heran. Gewöhnlich beträgt die Abtastfrequenz etwa das Hundertfache der Frequenz der Primärschwingung. Die Vorrichtung weist deshalb einen entsprechend hohen Energieverbrauch auf.
Die Abtastfrequenz des Quantisierers kann zwar dadurch reduziert werden, dass anstelle des Tiefpassfilters ein Bandpass als Schleifenfilter verwendet wird. Um die nötige Steilheit der Übertragungsfunktion des Bandpass-Filters zu generieren, müssen die verwendeten Operationsverstärker eine hohe Verstärkung im Signalband haben, damit sie auch noch bei der Eingangssignalfrequenz zuverlässig arbeiten. Durch die hohe Verstärkung ergibt sich aber ebenfalls ein hoher Energieverbrauch. Zudem wird der Komparator mit einer Abtastfrequenz betrieben die gewöhnlich dem 4–8 fachen der Resonanzfrequenz des mechanischen Sensors entspricht. Dies erhöht den Energieverbrauch zusätzlich.
Aus DE 103 20 675 A1 ist ferner eine Vorrichtung zur Messung einer Drehrate bekannt, die einen mechanischen Drehratensensor hat, der eine träge Masse aufweist, die mittels einer Anregungseinrichtung entlang einer Primärachse in eine Primärschwingung versetzbar und entlang einer quer zur Primärachse verlaufenden Sekundärachse derart auslenkbar ist, dass sie beim Auftreten einer Drehrate um eine quer zur Primärachse und quer zur Sekundärachse verlaufende sensitive Achse entlang der Sekundärachse eine durch die Coriolis-Kraft angeregte Sekundärschwingung durchführt. Die Vorrichtung weist ein Sensorelement zur Erfassung eines amplitudenmodulierten Sensorsignals für die Sekundärschwingung auf. Außerdem hat die Vorrichtung einen Sigma-Delta-Modulator, der einen Integrator, einen diesem nachgeschalteten Quantisierer und einen Sekundäraktor aufweist, mittels dem eine der Coriolis-Kraft entgegenwirkenden Kraft auf die Masse ausübbar ist. Der Sekundäraktor ist derart mit dem Quantisierer verbunden, dass ein Rückkopplungssignal im zeitlichen Mittel die Auslenkung der Masse in Richtung der Sekundärschwingung kompensiert. In der Regelschleife des Sigma-Delta-Modulators ist zwischen dem Sensorelement und dem Quantisierer eine erste Modulationsstufe angeordnet, mittels der das Regelsignal auf eine höhere Frequenz herauf gemischt wird. In eine Rückkopplungspfad, der den Ausgang des Quantisierers mit dem Eingang des Integrators verbindet, ist eine zweite Modulationsstufe angeordnet. Auch diese Vorrichtung weist noch einen relativ hohen Energieverbrauch auf.
Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einer geringen Energieaufnahme eine zuverlässige und präzise Detektion des Drehratensignals ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
In vorteilhafter Weise ist es dadurch möglich, den Quantisierer mit einer relativ geringen Abtastrate zu betreiben, aber dennoch als Schleifenfilter ein Tiefpassfilter vorzusehen. Somit kann die Vorrichtung energiesparend betrieben werden. Durch die durch den Rückkopplungspfad bewirkte Kompensation der Coriolis-Kraft wird eine hohe Linearität und Bandbreite des Drehraten-Messsignals ermöglicht.
Außerdem ist das Drehraten-Messsignal weitgehend unabhängig von Temperatureinflüssen.
Der Drehratensensor kann als Stimmgabel-Gyroskop ausgestaltet sein. Ein solches Gyroskop ist aus Ajit Sharma et al.: „A High-Q In-Plane SOI Tuning Fork Gyroskop”, IEEE (2004), Seite 467–470 bekannt.
Der Drehratensensor kann aber auch eine Primär- und eine Sekundärmasse aufweisen, wobei letztere die trage Masse bildet. Die Primärmasse ist an der Halterung entlang einer Primärachse auslenkbar angeordnet. An der Primärmasse ist die Sekundärmasse derart aufgehängt, dass sie orthogonal zur Primärachse entlang einer Sekundärachse relativ zur Primärachse auslenkbar ist. Die aus der Primär- und der Sekundärmasse gebildete Anordnung steht mit einer Anregungseinrichtung in Antriebsverbindung, mittels der die Anordnung entlang der Primärachse hin- und herbewegbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die erste Modulationsstufe einen mit einem Sensorsignalausgang des Sensorelements verbundenen ersten Eingang und einen mit einem Signalgenerator verbundenen zweiten Eingang auf, wobei die zweite Modulationsstufe einen mit einem Ausgang des Quantisierers verbundenen ersten Eingang und einen mit dem Signalgenerator verbundenen zweiten Eingang hat, und wobei der Signalgenerator zum Erzeugen eines zumindest eine sinusförmige Komponente aufweisenden Ansteuersignals ausgebildet ist. Das tiefpassgefilterte Sensorsignal und das Sigma-Delta-Modulationssignal werden also in der Ihnen zugeordneten Modulationsstufe jeweils mit der sinusförmigen Komponente des Ansteuersignals moduliert bzw. multipliziert. Dadurch können das Sensorsignal und das Sigma-Delta-Modulationssignal jeweils energiesparend in ein anderes Frequenzband verschoben werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Anregungseinrichtung zum Erzeugen der Primärschwingung einen mit der Masse in Antriebsverbindung stehenden Primäraktor aufweist, und wenn der Primäraktor mit dem Sinussignalgenerator sychronisiert ist. Somit kann für zum Ansteuern des Primäraktors und zum Betreiben der Modulationsstufen dasselbe Sinussignal verwendet werden.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist der Sigma-Delta-Modulator eine Abtasteinrichtung auf, die mit dem Signalgenerator synchronisiert ist. Somit kann das von dem Sinussignalgenerator bereit gestellte Ansteuersignal auch zum Takten der Abtasteinrichtung genutzt werden.
Nachfolgend ist eh Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein regelungstechnisches Ersatzschaltbild einer Vorrichtung zur Messung einer Drehrate, die einen elektromechanischen Sigma-Delta-Modulator aufweist, und
2 ein Beispiel für das Leistungsdichtespektrum eines mit der Vorrichtung gemessenen, sigma-delta-modulierten Drehratensignals, wobei auf der Abszisse die Frequenz in Herz und auf der Ordinate die Leistung in dBFS/bin aufgetragen sind.
Eine Vorrichtung 1 zur Messung einer Drehrate weist einen in der Zeichnung nur schematisch dargestellten mechanischen Drehratensensor 2 auf, der eine Primärmasse hat, die an einer Halterung entlang einer Primärachse auslenkbar angeordnet ist. An der Primärmasse ist eine träge Sekundärmasse derart aufgehängt, dass sie orthogonal zur Primärachse entlang einer Sekundärachse relativ zur Primärachse auslenkbar ist. Die Primärmasse steht mit einer Anregungseinrichtung in Antriebsverbindung, mittels der die Anordnung, bestehend aus der Primärmasse und der Sekundärmasse parallel zur Primärachse hin- und herbewegbar ist. Zum Erzeugen eines eine sinusförmige Komponente aufweisenden Ansteuersignals für die Anregungseinrichtung weist diese einen Sinussignalgenerator 3 auf.
Die mit Hilfe der Anregungseinrichtung erzeugte Primärschwingung weist eine konstante Amplitude und eine konstante Frequenz auf. Die Frequenz der Primärschwingung stimmt im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz der Anordnung überein.
Beim Verdrehen des Drehratensensors 2 um eine orthogonal zur Primärachse und orthogonal zur Sekundärachse angeordnete sensitive Achse wirkt auf die Sekundärmasse die von der Primärmasse m, der Drehrate Ω und der Geschwindigkeit v_P der der Primärmasse abhängige Coriolis-Kraft F →_c = –2·m·Ω → × ν →_p, durch welche die Sekundärmasse parallel zur Sekundärachse in eine Sekundärschwingung versetzt wird.
Mit Hilfe eines Sensorelements 4, das mindestens eine erste, an der Primärmasse angeordnete Elektrode und wenigstens eine zweite, an der Sekundärmasse angeordnete Elektrode hat, wird ein von der Sekundärschwingung abhängiges elektrisches Sensorsignal erfasst. Da die Primärmasse zur Primärschwingung angeregt werden muss, um das Sensorsignal zu detektieren, ist das Sensorsignal amplitudenmoduliert. Die Trägerfrequenz des Sensorsignals stimmt mit der der Frequenz der Primärschwingung überein.
Ein Sensorsignalausgang des Sensorelements 4 ist mit einem ersten Eingang einer ersten Modulationsstufe 5 verbunden. Ein zweiter Eingang der ersten Modulationsstufe 5 ist am Ausgang des Sinussignalgenerators 3 angeschlossen. Mit Hilfe der ersten Modulationsstufe 5 wird das Drehratensignal in das Basisband moduliert. Das entsprechend modulierte analoge Drehratensignal wird an einem Ausgang der ersten Modulationsstufe 5 ausgegeben.
Dieser Ausgang ist mit einem Eingang eines analogen Tiefpassfilters 6 dritter Ordnung verbunden. In dem Tiefpassfilter 6 wird das Signal verstärkt und das Quantisierungsrauschen wird unterdrückt und so vorteilhaft aus dem Basisband geformt. Der Tiefpassfilters 6 weist folgende Laplace-Transformation auf:
Ein Ausgang des analogen Tiefpassfilters 6 ist mit einem ersten Komparatoreingang eines als 1 Bit Analog-Digitalkonverter bzw. Quantisierer dienenden Komparotors 7 verbunden. Ein zweiter, in der Zeichnung nicht näher dargestellter Eingang des Komparators liegt auf einem vorbestimmten elektrischen Potential. Der Komparator 7 weist eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Abtasteinrichtung auf, welche das am ersten Komparatoreingang anliegende modulierte Signal synchron zu dem sinusförmigen Ansteuersignal des Sinussignalgenerators 3 abtastet. Die Abtasteinrichtung hat zu diesem Zweck einen Taktsignaleingang, der mit dem Sinussignalgenerator 3 verbunden ist.
Am Ausgang 8 des Komparators 7 wird das durch Vergleich des abgetasteten Signals mit dem vorbestimmten elektrischen Potential erzeugte Sigma-Delta-Modulationssignal in Form eines Bitstreams ausgegeben.
Der Ausgang 8 des Komparators 7 ist über einen Rückkopplungspfad mit einem ersten Eingang einer zweiten Modulationsstufe 9 verbunden. Ein zweiter Eingang der zweiten Modulationsstufe 9 ist am Ausgang des Sinussignalgenerators 3 angeschlossen. Mit Hilfe der zweiten Modulationsstufe 9 wird das Sigma-Delta-Modulationssignal auf die Eingangsfrequenz hoch moduliert. Das so erhaltene Signal wird verstärkt, um einen im Rückkopplungspfad befindlichen Sekundäraktor 10 anzusteuern. Dieser legt in Abhängigkeit von dem auf die Eingangsfrequenz hoch modulierten Sigma-Delta-Modulationssignal eine Kraft zwischen der Primärmasse und der Sekundärmasse an, welche der Coriolis-Kraft F_C entgegenwirkt. In 1 ist das durch ein Addierglied 11 schematisch dargestellt. Mit Hilfe der von dem Sekundäraktor 10 erzeugten Kraft wird die Auslenkung der Primärmasse im zeitlichen Mittel kompensiert. Die Vorrichtung weist also zum Aufbereiten des Drehratensignals einen geschlossenen elektromechanischen Regelkreis auf.
Um eine hohe Sensitivität und Auflösung des Drehratensignals zu ermöglichen, können die Resonanzfrequenzen der Primärmasse und der Sekundärmasse aufeinander abgestimmt werden.
In 2 ist ein Beispiel für das Leistungsdichtespektrum eines am Ausgang 8 des Komparators 7 anliegenden Sigma-Delta-Modulationssignals graphisch wiedergegeben. Deutlich ist das typische Noise-Shaping-Verhalten des Sigma-Delta-Konverters erkennbar, bei dem die Resonanz fast vollständig verschwindet.

Claims

Vorrichtung (1) zur Messung einer Drehrate, mit einem mechanischen Drehratensensor (2), der eine träge Masse aufweist, die mittels einer Anregungseinrichtung entlang einer Primärachse in eine Primärschwingung versetzbar und entlang einer quer zur Primärachse verlaufenden Sekundärachse derart auslenkbar ist, dass sie beim Auftreten einer Drehrate um eine quer zur Primärachse und quer zur Sekundärachse verlaufende sensitive Achse entlang der Sekundärachse eine durch die Coriolis-Kraft angeregte Sekundärschwingung durchführt, mit mindestens einem Sensorelement (4) zur Erfassung eines amplitudenmodulierten Sensorsignals für die Sekundärschwingung, mit einem Sigma-Delta-Modulator, der einen mit dem Sensorelement verbundenen Tiefpassfilter (6), einen diesem nachgeschalteten Quantisierer und einen in einem Rückkopplungspfad angeordneten Sekundäraktor (10) aufweist, mittels dem eine der Coriolis-Kraft entgegenwirkenden Kraft auf die Masse ausübbar ist, wobei der Sekundäraktor (10) derart über den Rückkopplungspfad mit dem Quantisierer verbunden ist, dass ein Rückkopplungssignal im zeitlichen Mittel die Auslenkung der Masse in Richtung der Sekundärschwingung kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschieben des Frequenzbands des amplitudenmodulierten Sensorsignals in einen niedrigeren Frequenzbereich zwischen dem Sensorelement und dem Tiefpassfilter (6) eine erste Modulationsstufe (5) angeordnet ist, und dass zum Rückgängigmachen der Frequenzverschiebung im Rückkopplungspfad zwischen dem Quantisierer und dem Drehratensensor (2) eine zweite Modulationsstufe (9) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Modulationsstufe (5) einen mit einem Sensorsignalausgang des Sensorelements (4) verbundenen ersten Eingang und einen mit einem Signalgenerator (3) verbundenen zweiten Eingang aufweist, dass die zweite Modulationsstufe (9) einen mit einem Ausgang des Quantisierers verbundenen ersten Eingang und einen mit dem Signalgenerator (3) verbundenen zweiten Eingang aufweist, und dass der Signalgenerator (3) zum Erzeugen eines zumindest ehe sinusförmige Komponente aufweisenden Ansteuersignals ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungseinrichtung zum Erzeugen der Primärschwingung einen mit der Masse in Antriebsverbindung stehenden Primäraktor aufweist, und dass der Primäraktor mit dem Signalgenerator sychronisiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sigma-Delta-Modulator eine Abtasteinrichtung aufweist, die mit dem Signalgenerator synchronisiert ist.