DE20221628U1 - Vibrationskreisel - Google Patents
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Abstract
Vibrationskreisel
mit
– einem Vibrationselement (22) mit
– einem Antriebselement (1) zur Anregung des Vibrationselements (22),
– einem ersten Abnehmer (2) zur Messung der Schwingung des Vibrationselements (22) in einer ersten Ebene und
– einem zweiten Abnehmer zur Detektion einer Schwingung, die ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements (22) ist,
– einem Regelkreis zur Regelung des Antriebselements (1) in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung,
– wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung (21) aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator (23) besitzt,
dadurch gekennzeichnet, dass
– Mittel (16, 17, 18, 19) zur Messung der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements (22) im freischwingenden Zustand vorgesehen sind und
– eine Steuereinheit (20) vorgesehen ist, durch die der Regelkreis zwischen dem Vibrationselement und dem Signalgenerator unterbrechbar ist und der Signalgenerator (23) in Abhängigkeit der gemessenen Frequenz und/oder Phase während der Unterbrechung des Regelkreises auf eine neue Frequenz...
– einem Vibrationselement (22) mit
– einem Antriebselement (1) zur Anregung des Vibrationselements (22),
– einem ersten Abnehmer (2) zur Messung der Schwingung des Vibrationselements (22) in einer ersten Ebene und
– einem zweiten Abnehmer zur Detektion einer Schwingung, die ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements (22) ist,
– einem Regelkreis zur Regelung des Antriebselements (1) in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung,
– wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung (21) aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator (23) besitzt,
dadurch gekennzeichnet, dass
– Mittel (16, 17, 18, 19) zur Messung der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements (22) im freischwingenden Zustand vorgesehen sind und
– eine Steuereinheit (20) vorgesehen ist, durch die der Regelkreis zwischen dem Vibrationselement und dem Signalgenerator unterbrechbar ist und der Signalgenerator (23) in Abhängigkeit der gemessenen Frequenz und/oder Phase während der Unterbrechung des Regelkreises auf eine neue Frequenz...
Description
- Die Erfindung betrifft einen Vibrationskreisel mit einem Vibrationselement und einem Antriebselement zur Anregung des Vibrationselements, einem ersten Abnehmer zur Messung der Schwingung des Vibrationselements in einer ersten Ebene, einem zweiten Abnehmer zur Detektion einer Schwingung, die ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements ist, und einem Regelkreis zur Regelung des Antriebselements in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung, wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator besitzt.
- Kreisel werden eingesetzt, um Drehbewegungen messen zu können. Der Einsatz von mechanischen Kreiseln ist seit langer Zeit bekannt und wird beispielsweise in Flugzeugen eingesetzt, um die Lage des Flugzeugs in der Luft feststellen zu können. Mechanische Kreisel besitzen dazu schnell rotierende Massen. Insgesamt ist eine große Präzision aller verwendeten Bauteile notwendig, so dass mechanische Kreisel sehr teuer sind. Für den Einsatz in Fahrzeugen sind sie unter anderem aus diesem Grund ungeeignet. Hinzu kommt, dass sie empfindlich gegenüber Stößen sind und gegen solche abgesichert werden müssen.
- In Fahrzeugen werden deswegen mikromechanische Vibrationskreisel eingesetzt. In ihrer prinzipiellen Funktionsweise unterscheiden sie sich von mechanischen Kreiseln darin, dass sie keine rotierenden Teile besitzen, sondern auf Mikrovibrationen aufbauen. Sie sind robust und immun gegen externe Vibrationen und somit ideal für den Einsatz in Fahrzeugen. Ein verbreiteter Vertreter mikromechanischer Vibrationskreisel sind piezoelektrische Stimmgabeln.
- Aufgrund des piezoelektrischen Effekts erzeugt ein Kristall ein elektrisches Potential, wenn er mechanischen Schwingungen ausgesetzt wird, und umgekehrt reagiert der Kristall mit Vibrationen, wenn er in ein elektrisches Feld gebracht wird.
- Wird auf ein piezoelektrisches Material ein Wechselstrom mit einer Frequenz aufgebracht, die zu einer der spezifischen elastischen Frequenzen des Materials passt, zeigen sich Resonanzerscheinungen.
- Nach der Anregung mit einer Resonanzfrequenz des Vibrationselements schwingt dieses in einer ersten Richtung. Die Funktionsweise eines Vibrationskreisels beruht nun darauf, dass bei einer äußeren Drehbewegung des Vibrationselements die sogenannte Coriolis-Kraft auftritt, die senkrecht zur Richtung der Vibrationsbewegung und zur äußeren Drehbewegung steht. Bei einer geeigneten Geometrie des Vibrationselements führt die Coriolis-Kraft zu einer messbaren Schwingung in einer zweiten Ebene, die senkrecht zu der Schwingung in der ersten Ebene steht. Die Amplitude der Schwingung in der zweiten Ebene ist ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements.
- Bei anderen Bauformen von Vibrationselementen, beispielsweise bei kreissymmetrischen Vibrationselementen, wird nicht die Amplitude der Schwingung in einer zweiten Ebene ausgewertet, sondern die Coriolis-Kraft führt zu einer Verschiebung von Schwingungsknoten relativ zu dem Vibrationselement. Die Verschiebung der Schwingungsknoten ist wiederum ein Maß für die äußere Drehung des Vibrationselements.
- Für den Betrieb eines Vibrationskreisels ist es notwendig, das Vibrationselement ständig mit seiner Resonanzfrequenz anzuregen. Um dies mit der geforderten Genauigkeit zu bewerkstelligen, besitzen bekannte Vibrationskreisel einen Regelkreis zur Regelung des Antriebselements in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung, wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator besitzt. Ein typischer Vibrationskreisel, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist in der
1 gezeigt. - Ein Vibrationselement
22 besitzt ein Antriebselement1 und einen Abnehmer2 . Es ist eine Regelschleife mit einem Verstärker5 vorgesehen, durch die eine Rückkopplung der gemessenen Schwingung auf das Antriebselement1 erfolgt, so dass die Schwingung des Vibrationselementes aufrechterhalten wird. Eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung21 sorgt für die erforderliche Genauigkeit. - In einer sekundären Regelschleife erfolgt eine Closed-Loop-Messung der durch die Coriolis-Kraft angeregten Schwingung des Vibrationselementes in der zweiten Ebene. Zu einer detaillierteren Beschreibung der Funktionsweise wird auf die Beschreibung zu der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß
2 verwiesen. - Um die zur Anregung des Vibrationselements
22 erforderliche Leistung niedrig zu halten, werden für die Vibrationselemente22 solche eingesetzt, die eine sehr hohe Güte bzw. eine schmale Bandbreite besitzen. Daraus folgt aber auch, dass die Zeitkonstanten für den Einschwingvorgang sehr groß sind. Die Startzeit bzw. die Abschaltzeit für Vibrationskreisel ist deswegen sehr lang und dauert bis in den Sekundenbereich. Für viele Anwendungen, insbesondere in sicherheitskritischen Bereichen wie ESP (Elektronisches Stabilitäts-Programm) sowie für Überschlagsdetektoren in Fahrzeugen ist eine kurze Startzeit des gesamten Systems erforderlich. Dies gilt nicht nur für die Initialisierung beim Start beispielsweise des Fahrzeugs, sondern auch für einen Neustart des Systems nach der Durchführung von Prüfroutinen oder möglichen Ausfällen, die einen Reset bedingen. - Zwar wird versucht, durch Einbeziehen des Vibrationselements in den primären Regelkreis sowie durch Optimierung der Parameter für die Amplituden- und Nachlaufsynchronisationsregelung die Startzeit zu verringern, die jedoch in vielen Anwendungsfällen immer noch zu lang ist.
- Ein weiteres Problem des bekannten Vibrationskreisels gemäß
1 besteht darin, dass während des Betriebs des Vibrationskreisels sich die Temperatur der verwendeten Komponenten erhöht und aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz des Vibrationselements22 zu einem bleibenden Phasenfehler in der Nachlaufsynchronisationseinrichtung21 führt, der nicht auf einen akzeptablen Wert begrenzt werden kann. Da die Phaseninformation des Signalgenerators9 auch für die Demodulation der Schwingung in der zweiten Ebene verwendet wird, führt der Phasenfehler in der Nachlaufsynchronisationseinrichtung21 zu einer Verschlechterung der Genauigkeit der Drehratenmessung. - Daher ist es Aufgabe der Erfindung, einen Vibrationskreisel anzugeben, bei dem die Startzeit verkürzt ist und der Phasenfehler in der Nachlaufsynchronisationseinrichtung verkleinert wird.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Vibrationskreisel der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass Mittel zur Messung der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements im freischwingenden Zustand vorgesehen sind und der Signalgenerator programmierbar ist, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist zur Programmierung des Signalgenerators in Abhängigkeit der gemessenen Frequenz und/oder Phase.
- Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Dauer des Startvorgangs wesentlich von der anfänglichen Frequenzdifferenz zwischen der Resonanzfrequenz des Vibrationselements und des Signalgenerators abhängt. Zumindest zum Zeitpunkt des Systemstarts ist weder die Resonanzfrequenz des Vibrationselements noch die Startfrequenz des Signalgenerators genau bekannt. Darüber hinaus hängen sie von dem individuellen Temperaturverhalten des Vibrationselements und des Signalgenerators ab. Gemäß der Erfindung sind Mittel vorgesehen, durch die die Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements im freischwingenden Zustand schnell gemessen werden kann. Dies kann dadurch geschehen, dass der primäre Amplituden- und Phasenregelkreis aufgetrennt wird. Dadurch kann die Resonanzfrequenz des Vibrationselements im freischwingenden Zustand gemessen werden. Ein geeigneter Impuls zur Anregung einer Schwingung ist dabei durch den Signalgenerator erzeugbar. Mit der Information über die momentane Frequenz und Phase ist es möglich, den erfindungsgemäßen programmierbar ausgestalteten Signalgenerator zu programmieren, so dass bereits nach der kurzen Messphase der Signalgenerator ein gegebenenfalls phasengerechtes Signal mit einer Frequenz bereitstellt, die exakt mit der Resonanzfrequenz des Vibrationselements übereinstimmt. Eine lange Einschwingzeit, bis sich ein Signalgenera tor nach dem Stand der Technik mit der Frequenz des Vibrationselements synchronisiert hat, entfällt.
- Durch die Möglichkeit, die Resonanzfrequenz des Vibrationselements freischwingend zu messen, kann eine solche Messung auch durch eine kurze Betriebsunterbrechung erfolgen, wodurch eine Neuprogrammierung des programmierbaren Signalgenerators in Abhängigkeit der gemessenen und unter Umständen durch Temperatureinflüsse veränderten Resonanzfrequenz ermöglicht wird.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
-
1 einen Vibrationskreisel nach dem Stand der Technik in einer schematischen Darstellung, -
2 einen Vibrationskreisel nach der Erfindung, -
3 eine Zeitdiagramm mit den Funktionsphasen des Vibrationskreisels von2 und -
4 die Berechnung von Frequenzkorrekturen anhand eines Frequenz-Temperatur-Diagramms. - Der Vibrationskreisel nach dem Stand der Technik wurde bereits in der Beschreibungseinleitung kurz erläutert. Der erfindungsgemäß erweiterte Vibrationskreisel gemäß
2 funktioniert teilweise gleich oder ähnlich wie der bekannte Vibrationskreisel, so dass die nachfolgende Beschreibung der -
2 auch zum besseren Verständnis der Schaltung nach dem Stand der Technik gemäß1 herangezogen werden kann. Funktionsgleiche Komponenten sind in den1 und2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. - In
2 ist ein Vibrationselement22 mit seinen Antriebselementen1 und3 und seinen Abnehmern2 und4 schematisch dargestellt. Das System besteht aus wenigstens einem ersten Antriebselement1 , um das Vibrationselement in eine Schwingung mit der Resonanzfrequenz zu versetzen und diese Schwingung aufrechtzuerhalten, und wenigstens einem ersten Abnehmer2 zur Detektion der Schwingung, wobei aufgrund des Ausgangssignals des Abnehmers2 nach einer geeigneten Signalaufbereitung eine Rückführung auf das Antriebselement1 erfolgt. Für die Signalverarbeitung ist ein Verstärker5 vorgesehen, der das am Abnehmer2 bereitgestellte Signal auf einen geeigneten Signalpegel verstärkt. Darüber hinaus ist ein Amplitudendetektor10 für die Messung und Filterung der am Abnehmer2 gemessenen Amplitude vorgesehen. Der Amplitudendetektor10 ist mit einer Anregungssteuerung11 verbunden, die wiederum das erste Antriebselement1 ansteuert. Die Anregungssteuerung11 ist darüber hinaus mit einem Referenzsignal REF beaufschlagbar. Der Verstärker5 , der Amplitudendetektor10 sowie die Antriebssteuerung bildet gemeinsam mit dem ersten Abnehmer2 und dem ersten Antriebselement1 einen Amplitudenregelkreis. - Für die Realisierung einer robusten, synchronen Amplitudendetektion besitzt der Signalverarbeitungskreis üblicherweise zusätzlich eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung
21 . Diese erlaubt die Detektion der Frequenz und der Phase der Schwingung des Vibrationselements22 . Die Nachlaufsynchronisationseinrichtung21 besteht aus einem Phasendetektor7 , einem geeigneten Tiefpassfilter8 und einem steuerbaren Signalgenera tor9 , der als spannungs- oder stromgesteuerter Oszillator realisiert ist. In einer verbesserten Ausführung handelt es sich um einen digital steuerbaren Signalgenerator, der die erforderlichen Signalformen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln erzeugen kann. Die beschriebenen Amplituden- und Phasenregelkreise bilden Primärregelschleifen. Durch Verbindung der Nachlaufsynchronisationseinrichtung21 und dem Amplitudendetektor10 beziehungsweise der Anregungssteuerung11 ist eine präzise Ansteuerung des Antriebselementes1 möglich. - Die Nachlaufsynchronisationseinrichtung
21 ist vor allem deswegen notwendig, weil eine reine Frequenzmessung nicht zu einer ausreichend exakten Ansteuerung des ersten Antriebselements1 führt. Eine Regelung der Phasenverschiebung zwischen einem Eingangssignal, in diesem Fall vom ersten Abnehmer2 , und einem gesteuerten Signalgenerator führt dagegen zusätzlich zu der Korrektor der Phasenlage und damit zu einer sehr genauen Frequenzabstimmung. - Die Information über die Phase und Frequenz, die an der Nachlaufsynchronisationseinrichtung
21 abgreifbar ist, wird nicht nur für die Aufrechterhaltung der Schwingung des Vibrationselements in der ersten Ebene benötigt, sondern auch für eine genaue Bestimmung der Drehrate, wie im Folgenden beschrieben. - Üblicherweise ist ein weiterer Abnehmer
4 sowie ein zweites Antriebselement3 vorgesehen, die für die Detektion einer Schwingung in einer weiten Ebene verwendet werden. Prinzipiell genügt ein zweiter Abnehmer4 , ohne ein zweites Antriebselement3 einzusetzen. In diesem Fall kann in einer Open-Loop-Messung die Schwingung in einer zweiten Ebene bestimmt werden. Unter dem Gesichtspunkt eines günstigen Signal/Rausch-Verhältnisses ist es jedoch von Vorteil, eine so genannte Closed-Loop-Messung vorzunehmen. Dabei wird ein zweites Antriebselement3 vorgesehen, das der Schwingung des Vibrationselements22 in der zweiten Ebene entgegenwirkt. Das zweite Antriebselement3 wird dabei so angesteuert, dass die durch die Coriolis-Kraft angeregte Schwingung möglichst vollständig ausgeregelt wird. Anhand des Ansteuersignals des zweiten Antriebselements3 ist die Drehrate des Vibrationselements bestimmbar. Die sekundäre Regelschleife umfasst typischerweise einen Verstärker6 für den zweiten Abnehmer4 , einen Schleifen-Demodulator12 , der aus dem Signal des Abnehmers4 die Phasen- und Quadratur-Komponenten ableitet, ein Filter13 für die beiden Komponenten und einen Remodulator14 , der die Basisbandkomponenten in den Resonanzbereich des Vibrationselements zurückführt und diese addiert. Geeignete Korrektursignale CORR können der sekundären Regelschleife zugeführt werden, um parasitäre Gleichanteile zu kompensieren, die durch Symmetrieabweichungen und andere Abweichungen des Vibrationselements entstehen. - Die zweite Schwingung beinhaltet die Information über die Drehrate. Das Drehratensignal kann durch einen außerhalb der sekundären Regelschleife angeordneten Demodulator
15 , wie er in1 gezeigt ist, ermittelt werden. Alternativ könnte er als eines der Basisbandsignale direkt abgegriffen und gefiltert werden. Die sekundäre Regelschleife kann, wie oben angesprochen, auch weggelassen werden und die Drehrate in einer Open-Loop-Messung ermittelt werden, wobei ein Demodulator vorgesehen werden muss, der direkt an den Verstärker6 des zweiten Abnehmers angeschlossen ist. - Für den sekundären Regelkreis sind neben analogen Signalverarbeitungsschaltungen auch digitale Signalverarbeitungsschaltungen aus dem Stand der Technik bekannt und verfügbar.
- Die Erfindung ist sowohl bei der Closed-Loop-Messung als auch bei der Open-Loop-Messung anwendbar und unabhängig davon, ob die sekundäre Regelschleife in analoger oder digitaler Messtechnik ausgeführt ist.
- Die Anordnung von
2 ist gegenüber der Schaltung von1 durch ein schnelles Frequenz- und Phasenmesssystem erweitert. Darüber hinaus ist statt eines konventionellen gesteuerten Signalgenerators9 ein programmierbarer und steuerbarer Signalgenerator22 vorgesehen. Dieser beinhaltet eine Steuereinheit20 , die zur Synchronisation des Vibrationselements22 mit dem Signalgenerator23 eine Messung der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements22 im freischwingenden Zustand veranlasst und bei Vorlage des Messergebnisses den Signalgenerator23 entsprechend programmiert. - Während des Betriebs durchlaufene Phasen sind in der
3 dargestellt. In einer ersten Phase T1, die nach dem Einschalten des Systems einige Millisekunden andauert, erzeugt der programmierbare Signalgenerator23 ein erstes Antriebssignal mit einem Spektrum, das sich innerhalb eines Frequenzbereichs Δf befindet, in dem die Resonanzfrequenz des Vibrationselements22 erwartet wird. Beispielsweise wird ein geeignetes Spektrum durch ein Chirp-Signal erzeugt, indem die Frequenz des Signalgenerators während des Zeitintervalls T1 von einem minimalen zu einem maximalen Wert geändert wird. Dieses Signal regt das Vibrationselement22 an. Um ein starkes Resonanzsignal zu erhalten, sollte die Anregung mit der maximal erlaubten Kraft, also mit der maximal erlaubten Antriebsspannung, erfolgen. In diesem Zeitintervall sind die Schalter18 und19 geöffnet und ein Schalter17 verbindet den Signalgenerator23 mit dem ersten Antriebselement1 . Der Schalter17 ist dabei der Schalter, durch den das Antriebselement1 mit der Anregungssteuerung11 oder direkt mit dem Signalgenerator23 verbunden werden kann. Der Schalter18 trennt den sekundären Regelkreis auf, so dass auch bei einer Closed-Loop-Messung keine Anregung des Vibrationselements22 durch das zweite Antriebselement3 erfolgen kann. Darüber hinaus wird die Nachlaufsynchronisationseinrichtung21 unterbrochen, indem zwischen einem Filter8 und dem Signalgenerator23 der Schalter19 geöffnet wird. - In einem zweiten Zeitintervall T2, das wiederum einige Millisekunden andauert, wird die Frequenz- und Phasendifferenz zwischen dem nun freischwingenden Vibrationselement
22 und dem programmierbaren, steuerbaren Signalgenerator23 gemessen, beispielsweise durch die Messung der Nulldurchgänge des verstärkten Ausgangssignals des ersten Abnehmers2 . In diesem Zeitintervall ist der Schalter17 in einer neutralen Position, es ist also weder der Signalgenerator23 auf dem direkten Weg noch die Anregungssteuerung11 mit dem erster Antriebselement1 verbunden. Die Schalter18 und19 sind offen, und der programmierbare Signalgenerator23 wird als spannungs- oder stromgesteuerter Oszillator ohne Eingangssteuersignal A betrieben und erzeugt als solcher eine rechteckige oder eine andere periodische Signalform mit der Grundfrequenz in demselben Bereich wie die erwartete Frequenz des Vibrationselements22 . - Nach der Messung wird die Frequenz und die Phase des Signalgenerator
23 so genau wie möglich auf die gemessenen Werte gesetzt und die Phasennachlaufsteuerung21 sowie der Amplitudenregelkreis nachfolgend durch Schließen der Schalter17 und19 geschlossen. Der Schalter17 verbindet also die Anregungssteuerung11 mit dem ersten Antriebselement1 und der Schal ter19 schließt den Regelkreis der Nachlaufsynchronisationseinrichtung. - In dem Fall, wenn wie in
2 dargestellt eine Closed-Loop-Messung in der sekundären Regelschleife erfolgt, wird darüber hinaus der Schalter18 geschlossen, um eine Gegensteuerung im sekundären Regelkreis zu ermöglichen. Nach der Durchführung dieser Schritte befindet sich der Vibrationskreisel in einem Normalbetriebszustand, der in3 als Zeitintervall T3 bezeichnet wird. - Die Messung der Frequenz- und Phasendifferenz kann in unterschiedlichen Weisen durchgeführt werden, abhängig davon, ob ein Taktgenerator mit hoher Genauigkeit zur Verfügung steht.
- Nach der Erfindung wird in dem Fall, dass kein hochgenauer Taktgenerator zur Verfügung steht, die Frequenz- und Phasendifferenz zwischen dem freischwingenden Vibrationselement und dem Signalgenerator unter Verwendung des Signalgenerators selbst als Zeitbasis gemessen. Diese Zeitbasis bezieht sich auf die anfänglichen Werte der Frequenz des Signalgenerators mit einem Nullwert als Eingangssignal A. Die Frequenz- und Phasenmessung kann dadurch realisiert werden, dass die Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der verstärkten Ausgangsspannung des ersten Abnehmers gezählt werden, wobei eine Impulsfolge des Signalgenerators genutzt wird, deren Frequenz N-mal höher als die ungefähr der Resonanzfrequenz ensprechende Basisfrequenz ist.
- Der Signalgenerator kann ein rechteckiges Signal mit der Basisfrequenz beispielsweise durch einen Frequenzteiler erzeugen, der die interne Frequenz durch den Faktor N teilt oder er kann aus einem beliebigen anderen periodischen Signal ein Signal mit der Basisfrequenz durch eine geeignete Technik erhalten ("locked table technique"). N muss hoch genug sein, beispielsweise 1024, um eine ausreichende Genauigkeit für die Frequenzmessung zu erzielen. Im Bedarfsfall kann eine zusätzliche Schätzung der Restdifferenz von korrespondierenden Zeitintervallen eingesetzt werden.
- Das Rauschen hinter dem Eingangsverstärker verursacht Jitter der abgeleiteten Nulldurchgänge, deren Auswirkungen durch geeignete Mittelwertbildung der Messwerte reduziert werden kann.
- Im Fall der Verfügbarkeit eines hochgenauen internen oder externen Taktsignals erfolgt die Messung der anfänglichen Frequenz- und Phasendifferenz zwischen dem angeregten, freischwingenden Vibrationselement und dem freischwingenden Signalgenerator bei A = 0 beispielsweise durch parallele Messung beider Frequenzen und nachfolgender Berechnung der Frequenz- und Phasendifferenz zwischen beiden unter Verwendung entsprechender Mittel des Frequenz- und Phasenmesssystems
16 . Die übrige Vorgehensweise entspricht der Messung mit dem Signalgenerator als Zeitbasis. - Nach dem Start ist das gesamte System sich ändernden Umgebungsbedingungen ausgesetzt, insbesondere dem Einfluss von Temperaturänderungen. Hierbei ist allerdings die Genauigkeit der Phasenkontrolle des Phaseneingangs- und Quadratur-Ausgangssignals des Signalgenerators
23 in Bezug auf die Phase des Vibrationselements22 maßgeblich für die Genauigkeit der Messung. In der Closed-Loop-Betriebsweise steigt der Phasenfehler zwischen dem Signalgenerator23 und dem Vibrationselement22 mit der steigenden Frequenzdifferenz zwischen dem freischwingenden Vibrationselement22 und dem freischwingen den Signalgenerator23 bei A = 0, weil die Reduzierung einer steigenden Frequenzdifferenz ein größeres Phasenfehlerkompensationssignal in der Closed-Loop-Betriebsweise erfordert. Der Hauptgrund für die wachsende Abweichung der Frequenzen des freischwingenden Vibrationselements22 und des freischwingenden Signalgenerators23 sind die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten beider Frequenzen, was zu einer Änderung der Frequenzdifferenz mit einer Temperaturänderung führt. - Durch eine Verwendung der erfindungsgemäßen Mittel entsprechend der
2 wird eine Verbesserung des Phasenfehlers ermöglicht, wie im Folgenden ausgeführt ist. Erfindungsgemäß kann die aktuelle Frequenzdifferenz zwischen dem Vibrationselement22 und dem freischwingenden Signalgenerator23 bei A = 0 verwendet werden, um die Null-Frequenz des Signalgenerators23 zurückzusetzen und entsprechend den kompensierenden Phasenfehlern in der Nachlaufsynchronisationseinrichtung zu reduzieren. Der freischwingende Signalgenerator kann virtuell als Algorithmus implementiert werden, wobei die entsprechenden Modelle zu verwenden sind, oder real in Hardware. - Zur Schätzung der aktuellen temperaturbedingten Phasendifferenz gibt es verschiedene Fälle.
- In dem Fall, dass das Temperaturverhalten der Frequenzen sowohl des Vibrationselements
22 als auch des Signalgenerators23 bekannt sind, kann die aktuelle Frequenz offensichtlich durch Messung der aktuellen Temperatur geschätzt und die entsprechende Frequenzdifferenz berechnet werden. Das Temperaturverhalten kann durch Frequenzwerte bei einer gegebenen Temperatur festgelegt werden, beispielsweise bei Raumtemperatur, ebenso wie die Temperaturkoeffizienten des Vibrationselements22 und des Signalgenerators23 . - Nach der Erfindung kann die Temperaturmessung durch die Frequenzmessung des Vibrationselements
22 selber ersetzt werden, wenn ein hochgenauer interner oder externer Taktgenerator zur Verfügung steht. - In vorteilhafter Weise nutzt dieser Ansatz die Tatsache, dass für die meisten mikro-mechanischen Vibrationselemente die Resonanzfrequenz stark von den Young-Modulen des Vibrationselements abhängt, welche sich in einer sehr guten Näherung linear mit der Temperatur ändert. Folglich ist nur der Temperaturkoeffizient erster Ordnung erforderlich. Dadurch kann die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz vorab durch eine einfache Zweipunktmessung gemessen werden.
- Auch das Temperaturverhalten des Signalgenerators
23 , welches von dem jeweiligen Schaltungsprinzip abhängt, muss gemessen und im voraus gespeichert werden. - Nach der Erfindung wird die Messung der aktuellen Frequenz fvs(T) des Vibrationselements
22 im Closed-Loop-Betrieb zur Temperaturberechnung verwendet. Bei der berechneten Temperatur wird die Frequenz fCSG(T) des freischwingenden Signalgenerators berechnet. Basierend auf der berechneten Differenz zwischen der aktuellen Frequenz des Vibrationselements22 und der berechneten Frequenz des freischwingenden Signalgenerators wird das Korrektursignal für die Startwerte des freischwingenden Signalgenerators abgeleitet, wobei dann die aktuelle Frequenz des Signalgenerators auf die aktuelle Frequenz des Vibrationselements22 setzt. Das Prinzip der Berechnung ist in4 gezeigt. T1 ist dabei die Temperatur beim Systemstart und T2 die Temperatur zu einem späteren Zeitpunkt, wenn sich die Temperatur während des Betriebs erhöht hat. - Erfindungsgemäß werden in dem Fall, dass die Resonanzfrequenz des Vibrationselements
22 und sein Temperaturkoeffizient nicht genau genug bekannt sind und/oder dies auf den freischwingenden Signalgenerator zutrifft, die aktuelle Frequenzdifferenz zwischen den beiden von Zeit zu Zeit gemessen, indem die Regelschleifen durch das Setzen des Schalters17 in die neutrale Position und Öffnung der Schalter18 und19 geöffnet werden. Nach der Messung und dem Setzen des Signalgenerators23 auf die Frequenz des Vibrationselements22 werden die Schleifen wieder geschlossen. Der Nachteil einer solchen Methode besteht in der Unterbrechung der Drehratenmessung. Erfindungsgemäß kann aber dies dadurch vermieden werden, dass ein zweiter Signalgenerator, der in der Figur nicht dargestellt ist, verwendet wird, der gut auf die Nullfrequenz (A = 0) und an das Temperaturverhalten des ersten Signalgenerators23 angepasst ist. Der zweite Signalgenerator ist nicht in die Nachlaufsynchronisationseinrichtung einbezogen und wird nur für die Zeitbestimmung des Frequenz/Phasenmesssystems16 in2 eingesetzt. - In diesem Fall erfolgt eine kontinuierliche oder regelmäßige Messung der Frequenzdifferenz zwischen der Nullfrequenz dieses zweiten Signalgenerators und der Frequenz des Vibrationselements
22 (oder der Frequenz des Vibrationselements). Es ist auch ein Vergleich der Frequenzen des zweiten Signalgenerators und des ersten Signalgenerators möglich, sofern der erste Signalgenerator mit dem Vibrationselement gekoppelt ist. Der in der Schleife befindliche Signalgenerator wird kontinuierlich oder in bestimmten Zeitschritten auf die gemessene Frequenz des Vibrationselements22 gesetzt. -
- 1
- erstes Antriebselement
- 2
- erster Abnehmer
- 3
- zweites Antriebselement
- 4
- zweiter Abnehmer
- 5, 6
- Verstärker
- 7
- Phasendetektor
- 8
- Filter
- 9
- steuerbarer Signalgenerator
- 10
- Amplitudendetektor
- 11
- Anregungssteuerung
- 12
- Schleifen-Demodulator
- 13
- Filter
- 14
- Remodulator
- 15
- Demodulator
- 16
- Frequenz-/Phasen-Messvorrichtung
- 17, 18, 19
- Schalter
- 20
- Steuervorrichtung
- 21
- Nachlaufsynchronisationseinrichtung
- 22
- Vibrationselement
- 23
- programmier- und steuerbarer Signalgenerator
Claims (17)
- Vibrationskreisel mit – einem Vibrationselement (
22 ) mit – einem Antriebselement (1 ) zur Anregung des Vibrationselements (22 ), – einem ersten Abnehmer (2 ) zur Messung der Schwingung des Vibrationselements (22 ) in einer ersten Ebene und – einem zweiten Abnehmer zur Detektion einer Schwingung, die ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements (22 ) ist, – einem Regelkreis zur Regelung des Antriebselements (1 ) in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung, – wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung (21 ) aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator (23 ) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass – Mittel (16 ,17 ,18 ,19 ) zur Messung der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements (22 ) im freischwingenden Zustand vorgesehen sind und – eine Steuereinheit (20 ) vorgesehen ist, durch die der Regelkreis zwischen dem Vibrationselement und dem Signalgenerator unterbrechbar ist und der Signalgenerator (23 ) in Abhängigkeit der gemessenen Frequenz und/oder Phase während der Unterbrechung des Regelkreises auf eine neue Frequenz bzw. Phase setzbar ist. - Vibrationskreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Signalgenerator (
23 ) erzeugte Spannung eine Zeitbasis für die Frequenz- und/oder Phasenmessung bildet. - Vibrationskreisel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalgenerator (
23 ) ein Signal mit einer internen Frequenz erzeugt, das als Zeitbasis bereitgestellt wird, und aus dem Signal mit der ersten Frequenz ein Signal mit einer zweiten, niedrigeren Frequenz gebildet wird zur Verwendung in der Regelung des Antriebselements (1 ). - Vibrationskreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Taktgenerator vorgesehen ist zur Bereitstellung einer Zeitbasis für die Frequenz- und/oder Phasenmessung.
- Vibrationskreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Kompensation der Temperaturabhängigkeiten des Vibrationselements (
22 ) und des Signalgenerators (23 ) vorgesehen sind. - Vibrationskreisel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine temperaturabhängige Ansteuerung des Signalgenerators durch die Steuereinheit vorgesehen ist.
- Vibrationskreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind zur wiederholten Ansteuerung der Mittel (
16 ) zur Messung der Frequenz und/oder Phase und zum Setzen des Signalgenerators (23 ) auf eine neue Frequenz und/oder Phase. - Vibrationskreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter, nicht in die Regelschleife der Nachlaufsynchronisationseinrichtung (
21 ) eingebundener Signalgenerator vorgesehen ist, wobei sich das Temperaturverhalten des ersten und zweiten Signalgenerators ent sprechen, und wobei anhand eines Vergleichs der Frequenzen des ersten und des zweiten Signalgenerators eine neu zu setzende Frequenz des ersten Signalgenerators ableitbar ist. - Vibrationskreisel mit – einem Vibrationselement (
22 ) mit – einem Antriebselement (1 ) zur Anregung des Vibrationselements (22 ), – einem ersten Abnehmer (2 ) zur Messung der Schwingung des Vibrationselements (22 ) in einer ersten Ebene und – einem zweiten Abnehmer zur Detektion einer Schwingung, die ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements (22 ) ist, – einem Regelkreis zur Regelung des Antriebselements (1 ) in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung, – wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung (21 ) aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator (23 ) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass – Mittel (16 ,17 ,18 ,19 ) zur Messung der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements (22 ) im freischwingenden Zustand vorgesehen sind und – zwischen dem Vibrationselement (22 ) und dem Signalgenerator (23 ) Mittel (19 ) zur Unterbrechung der Nachlaufsynchronisationseinrichtung (21 ) vorgesehen sind, so dass im unterbrochenen Zustand der Signalgenerator (23 ) auf eine neue Frequenz und/oder Phase setzbar ist und im geschlossenen Zustand die Nachlaufsynchronisationseinrichtung (21 ) betreibbar ist. - Vibrationskreisel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Anregungssteuerung (
11 ) und dem Vibrationselement (22 ) Mittel (17 ) zur Unterbrechung der Anregung vorgesehen sind. - Vibrationskreisel mit – einem Vibrationselement (
22 ) mit – einem Antriebselement (1 ) zur Anregung des Vibrationselements (22 ), – einem ersten Abnehmer (2 ) zur Messung der Schwingung des Vibrationselements (22 ) in einer ersten Ebene und – einem zweiten Abnehmer zur Detektion einer Schwingung, die ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements (22 ) ist, – einem Regelkreis zur Regelung des Antriebselements (1 ) in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung, – wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung (21 ) aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator (23 ) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass – Mittel (16 ,17 ,18 ,19 ) zur Messung der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements (22 ) im freischwingenden Zustand vorgesehen sind und – das Vibrationselement (22 ) unabhängig vom Regelkreis mit dem Signalgenerator verbindbar ist zur Beaufschlagung des Vibrationselements mit einem Anregungssignal, insbesondere einem Chirp-Signal. - Vibrationskreisel nach einem der Ansprüche 1, 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein sekundärer Regelkreis vorgesehen ist, durch den eine Schwingung des Vibrationselements in einer zweiten Ebene messbar ist, wobei ein zweites Antriebselement (
3 ) und ein weiterer Abnehmer (4 ) des Vibrationselements (22 ) in den sekundären Regelkreis aufgenommen sind, so dass der sekundäre Regelkreis für eine Closed-Loop-Messung eingerichtet ist. - Vibrationskreisel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundäre Regelkreis durch Mittel (
18 ) zur Unterbrechung auftrennbar ist. - Vibrationskreisel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abschaltung der Anregung des Vibrationselements (
22 ) sowohl der Regelkreis zur Regelung des ersten Antriebslements (1 ) als auch der sekundäre Regelkreis unterbrochen werden. - Vibrationskreisel mit – einem Vibrationselement (
22 ) mit – einem Antriebselement (1 ) zur Anregung des Vibrationselements (22 ), – einem ersten Abnehmer (2 ) zur Messung der Schwingung des Vibrationselements (22 ) in einer ersten Ebene und – einem zweiten Abnehmer zur Detektion einer Schwingung, die ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements (22 ) ist, – einem Regelkreis zur Regelung des Antriebselements (1 ) in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung, – wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung (21 ) aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator (23 ) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationskreisel dazu eingerichtet ist, die folgenden Schritte auszuführen: – Anregung des Vibrationselements (22 ) durch den Signalgenerator (23 ), – Trennen des Antriebselments (1 ) von einem Signal zur Ansteuerung des Antriebselements (1 ) durch Mittel (17 ), – Freie Schwingung des Vibrationselements (22 ) und Messung der Frequenz und/oder Phase des am Abnehmer (2 ) erhaltenen Signals durch eine Frequenz- und Phasenmessvorrichtung (16 ), – Setzen des Signalgenerators (23 ) auf einen Wert in Abhängigkeit von der gemessenen Frequenz und/oder Phase durch die Steuereinheit (20 ), – Schließen des Regelkreises durch die Mittel (17 ) zum anschließenden Betreiben des Vibrationskreisels im Normalbetriebszustand. - Vibrationskreisel mit – einem Vibrationselement (
22 ) mit – einem Antriebselement (1 ) zur Anregung des Vibrationselements (22 ), – einem ersten Abnehmer (2 ) zur Messung der Schwingung des Vibrationselements (22 ) in einer ersten Ebene und – einem zweiten Abnehmer zur Detektion einer Schwingung, die ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements (22 ) ist, – einem Regelkreis zur Regelung des Antriebselements (1 ) in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung, – wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung (21 ) aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator (23 ) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationskreisel dazu eingerichtet ist, zur Temperaturkompensation die folgenden Schritte auszuführen: – Messung einer Temperatur, – Schätzung der aktuellen Frequenzen aufgrund eines bekannten Temperaturverhaltens des Vibrationselements (22 ) und des freischwingenden Signalgenerators (23 ) sowie der gemessenen Temperatur, – Unterbrechen des Regelkreises zwischen dem Vibrationselement (22 ) und dem Signalgenerator (23 ), – Setzen des Signalgenerators auf eine Frequenz und/oder Phase, die von der berechneten Frequenz und/oder Phase abhängen, – Schließen des Regelkreises. - Vibrationskreisel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemessene Frequenz des Vibrationslements (
22 ) zur Temperaturberechnung verwendet wird und die berechnete Temperatur die gemessene Temperatur ersetzt.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105883338A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-08-24 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种安全型振动盘自动控制装置 |
CN105883342A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-08-24 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种振动盘自动控制装置 |
-
2002
- 2002-08-30 DE DE20221628U patent/DE20221628U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN105883338A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-08-24 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种安全型振动盘自动控制装置 |
CN105883342A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-08-24 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种振动盘自动控制装置 |
CN105883338B (zh) * | 2016-05-19 | 2018-04-06 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种安全型振动盘自动控制装置 |
CN105883342B (zh) * | 2016-05-19 | 2018-06-01 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种振动盘自动控制装置 |
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