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Vorrichtung zur Ermittlung einer Drehrate
DE4447005A1
Germany
- Other languages
English - Inventor
Georg Pfaff Rainer Dr Erhardt Johannes Artzner Wolfram Bauer - Current Assignee
- Robert Bosch GmbH
Worldwide applications
Application DE4447005A events
1994-12-29
1994-12-29
1996-07-04
Status
Withdrawn
Description
translated from
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Ermittlung
einer Drehrate nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Die Verwendung von Drehratensensoren, die beispielsweise
nach dem Prinzip eines Vibrationsgyrometers arbeiten, ist im
Zusammenhang mit Systemen zur Fahrdynamikregelung bei
Kraftfahrzeugen bereits bekannt. Solche Sensoren werten den
Effekt der Coriolisbeschleunigung aus, die als Maß für die
aktuelle Giergeschwindigkeit des Fahrzeuges dient.
Die Beschreibung eines solchen Drehratensensors ist
beispielsweise der US-PS 4 759 220 zu entnehmen. In dieser
Druckschrift wird der typische Aufbau eines solchen Sensors
sowie die zugehörige Auswerteschaltung näher erläutert.
Dieser Sensor ist im wesentlichen ein dünnwandiger
Hohlzylinder aus elastischem Material. Auf der Zylinderwand
sind mehrere piezoelektrische Sensorelemente angebracht,
wobei jeweils zwei der Sensorelemente einander
gegenüberliegen. Diese Sensorelemente werden mit Hilfe einer
Oszillatorschleife in konstante mechanische
Antriebsschwingungen versetzt. Der Corioliseffekt bewirkt
zusammen mit einer senkrecht zur Antriebsschwingung
eingekoppelten Drehgeschwindigkeit eine
Coriolisbeschleunigung, die eine Auslenkung der
Antriebsschwingung in Coriolisrichtung zur Folge hat. Diese
Auslenkung ist ein Maß für die eingekoppelte Drehrate. Die
entstehende Ausgangsspannung wird mit Hilfe eines
Detektorschaltkreises ermittelt und letztendlich zur
Bestimmung der Drehrate herangezogen.
Der aus der US-PS 4 759 220 bekannte Sensor einschließlich
der zugehörigen Auswerteschaltung hat den Nachteil, daß eine
Fehlfunktion nicht ohne weiteres erkennbar ist. Wird ein
solcher Sensor im Zusammenhang mit sicherheitsrelevanten
Systemen in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, ist es
erforderlich, daß die Funktionsfähigkeit überprüft wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung einer
Drehrate hat gegenüber der bekannten Lösung den Vorteil, daß
eine Fehlfunktion des Sensors zuverlässig erkannt wird.
Besonders vorteilhaft ist dabei, daß nur ein geringer
Zusatzaufwand erforderlich ist und als Folge der sicheren
Sensorüberwachung der Aufwand für redundante Sensoren
deutlich reduziert werden kann.
Erzielt werden diese Vorteile, indem in die
Kompensationsschleife der Auswerteschaltung ein Offsetsignal
phasenrichtig eingekoppelt wird, wodurch die
Kompensationsschleife verstimmt wird. Es wird dann am
Ausgang des Sensors bzw. der Auswerteschaltung eine
Überlagerung von Drehrate und Offset angezeigt, aus der die
Funktionsfähigkeit direkt erkennbar wird.
Weitere Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe der in den
Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Dabei ist
besonders vorteilhaft, daß die Aufschaltung des Offsets über
die Betätigung eines Testeinganges erfolgen kann, wodurch
der Sensor bei bekannter Verstimmung testbar wird. Es ist
dabei ein umfangreicher Test möglich, da die Testfunktion
durch die Schleifenanordnung sowohl die Auswerteelektronik
als auch das Sensorelement selbst auf Fehlfunktion testet.
Das Einkoppeln einer Störgröße, die einer fest eingestellten
Drehrate entspricht, einer sogenannten BITE-Funktion hat den
Vorteil, daß der Sensorausgang aufgrund der Störgröße vom
Empfindlichkeitsabgleich unabhängig ist.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
dabei im einzelnen Fig. 1 eine Sensoranordnung samt
Auswerteschaltung, wie sie aus der US-AS 4 759 220 bekannt
ist und Fig. 2 das Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Auswerteschaltung, die eine Überprüfung
der Funktionsfähigkeit des Sensors sowie der
Auswerteschaltung selbst erlaubt.
In Fig. 1 ist der Sensor mit 10 bezeichnet. Der
Hohlzylinder 11 des Sensors 10 trägt die einzelnen
Meßelemente A, A′, B, B′, C, C′ und D, D′. Gestrichelt sind
die Verformungen eingezeichnet, die der Hohlzylinder 11
aufgrund von Schwingungen einnehmen kann.
Die Meßelemente A, B, C, D sind mit den Blöcken 12, 13, 14
der Elektronik verbunden, dabei bezeichnet 12 die
Oszillatorschleife (Drivekreis), die ein geeignetes
Sensorelement in eine konstante mechanische
Antriebsschwingung versetzt. Mit 13 ist eine
Dämpfungsschaltung bezeichnet und 14 stellt den
Detektorschaltkreis dar, an dessen Ausgang das Meßsignal um
entsteht, das im Filter 15 noch in geeigneter Weise
gefiltert wird, so daß das eigentliche Ausgangssignal Uout
erhalten wird.
Mit der in Fig. 1 dargestellten Sensoranordnung samt
Elektronik eines Drehratensensors, der nach dem Prinzip
eines Vibrationsgyrometers arbeitet, kann die
Giergeschwindigkeit bzw. die Gierrate eines Fahrzeuges
ermittelt werden. Dabei bewirkt der Corioliseffekt zusammen
mit einer senkrecht zur Antriebsschwingung eingekoppelten
Drehgeschwindigkeit eine Coriolisbeschleunigung, die eine
Auslenkung der Antriebsschwingung in Coriolisrichtung zur
Folge hat. Diese Auslenkung ist letztendlich ein Maß für die
eingekoppelte Drehrate und soll gemessen werden.
In Fig. 2 ist die Auswerteschaltung einer erfindungsgemäßen
Lösung dargestellt. Bei dieser Lösung sind der Sensor sowie
die zugehörige Elektronik miteinander verkoppelt. Im
wesentlichen umfaßt die dargestellte Anordnung vier Blöcke.
Der erste Block 16 ist der sogenannte BITE-Block, die
Oszillatorschleife ist mit 17 bezeichnet, die
Dämpfungsschleife mit 18 und die Ausgangsstufe trägt das
Bezugszeichen 19.
Die in der Fig. 2 enthaltenen Blöcke 16 bis 19 sind
ihrerseits in weitere Blöcke unterteilt. Die
Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Blöcken sind durch
entsprechende Verbindungslinien, gegebenenfalls unter Angabe
der Wirkungsrichtung durch entsprechende Pfeile
gekennzeichnet. Im einzelnen umfaßt der BITE-Block 16 einen
Verstärker 20 mit variabler Verstärkung, in dem die BITE-
Funktion generiert wird. Diese Funktion wird symbolisiert
durch den Ausdruck kBITE/vS. Sie wird über den BITE-Schalter
21 als BITE-Störgröße UBITE bei Auslösen eines Tests BITE-
Test an den Punkt 22 weitergegeben.
Dieser Punkt 22 steht mit den Blöcken 23, 24 der
Dämpfungsschleife 18 in Verbindung. Der Block 23 bezeichnet
die mechanische Kopplung (des Zylinders und der Meßelemente,
also beispielsweise der Piezo-Elemente). Die
Übertragungsfunktion des Sensorelementes ist mit kz
bezeichnet.
Der Block 24 stellt eine elektronische Dämpfungsschleife mit
Phasensteuerung aus der AFC und konstanter Verstärkung dar.
Die zugehörige Übertragungsfunktion der elektronischen
Dämpfungsschleife ist mit ke,D bezeichnet. Im Punkt 22
findet im übrigen die elektrische Nullpunkteinstellung
statt. Die am Punkt 22 anstehende Spannung ist mit US,D
bezeichnet.
Von der Oszillatorschleife 17 sind zwei Blöcke 25, 26
dargestellt, die miteinander wechselwirken. Der Block 25
bezeichnet wiederum die mechanische Kopplung zwischen
Zylinder und Piezoelementen. Die Übertragungsfunktion des
Sensorelementes ist kZ. Die Spannung ist mit US,O bezeichnet. Es ist
dies die Spannung der Oszillatorschleife, also die Spannung
der Anregung des Systems.
Block 26 bezeichnet die elektronische Anregungsschleife mit
Phasenregler (AFC) und Amplitudenregler (AGC). Die
zugehörige Übertragungsfunktion der Oszillatorschleife ist
mit ke,O bezeichnet.
Am Verbindungspunkt zwischen den Blöcken 25 und 26 liegt die
Antriebsspannung bzw. Force- oder Drivespannung UF,O, die
dem Block 27 zur Phasengleichrichtung und konstanten
Verstärkung der Ausgangsstufe 19 zugeführt wird. Block 27
erhält weiterhin die Spannung UF,D aus der Dämpfungsschleife
18. Die Übertragungsfunktion des Blocks 27 ist mit kBM*kO
bezeichnet. Am Ausgang des Blocks 27 ist ein Punkt 28
eingetragen, an dem der Offsetabgleich stattfindet. An den
Punkt 28 schließt sich ein Verstärker 29 mit variabler
Verstärkung an, die Verstärkung ist mit vS bezeichnet. Am
Ausgang des Verstärkers 29 ist die Drehratenausgangsspannung
Urate abgreifbar, die ein Maß für die tatsächlich vorhandene
Drehrate ist.
Die mechanische Nullpunkteinstellung erfolgt an Punkt 30. Zu
dieser Nullpunkteinstellung wird eine Spannung Ucor als
elektrisches Äquivalent des Corioliseffektes eingespeist.
Mit der in Fig. 2 als Blockschaltbild angegebenen Anordnung
läßt sich der Drehratensensor auswerten und gleichzeitig
eine Überprüfung der ordnungsgemäßen Funktionsfähigkeit des
Sensors und der Auswerteschaltung selbst realisieren.
Wird durch die amplitudengeregelte Oszillatorschleife ein
geeignetes Sensorelement in eine konstante mechanische
Antriebsschwingung versetzt, dann bewirkt der Corioliseffekt
zusammen mit einer senkrecht zur Antriebsschwingung
eingekoppelten Drehschwingung eine Coriolisbeschleunigung,
die eine Auslenkung der Antriebsschwingung in
Coriolisrichtung zur Folge hat. Es wird durch diese Effekte
der Hohlzylinder, auf dem die als Meßelemente dienenden
Piezoelemente angeordnet sind zusätzlich in Schwingungen
versetzt. Der Hohlzylinder schwankt daher zwischen den in
Fig. 1 gestrichelt eingezeichneten Grenzen.
Wird zur Auswertung der Auslenkung, die wie bereits erwähnt
ein Maß für die eingekoppelte Drehrate ist, eine
Kompensationsschleife verwendet, beispielsweise eine Servo-
Loop, dann ist die resultierende Stellgröße ein Maß für die
zu messende Drehrate. Wird diese Kompensationsschleife mit
einem phasenrichtig eingekoppelten Offsetsignal verstimmt,
wird der Ausgang des Sensors die Überlagerung von Drehrate
und Offset anzeigen. Erzeugt wird dieser Offset im BITE-
Block. Die Aufschaltung des Offsets kann beispielsweise über
die Betätigung des BITE-Schalters 21 erfolgen, es wird dann
der Sensor bei bekannter Verstimmung testbar. Da die
Testfunktion durch die Schleifenanordnung sowohl die
Auswerteelektronik als auch das Sensorelement betrifft,
können beide auf Fehlfunktion getestet werden.
Die Ableitung der am Ausgang des Sensors entstehenden
Spannung Urate bei aktivierter BITE-Funktion kann anhand der
folgenden Überlegungen für ein Vibrationsgyrometer mit
amplitudengeregelter Oszillatorschleife, bei dem ein
Sensorelement in eine konstante mechanische
Antriebsschwingung versetzt wird, erfolgen. Diese
Antriebsschwingung weist die Geschwindigkeit vO auf, sie ist
proportional zur Antriebsspannung der Oszillatorschleife
UF,O.
Für die Oszillatorschleife gilt:
kz · ke,O = 1
|kZ|·|ke,O| = 1
arc(kZ) + arc (ke,O) = 0°
|UF,O| = const (AGC-Funktion)
νO ∼ UF,O
νO = const
arc (νO) = arc(UF,O)
US,O = kz · UF,O.
|kZ|·|ke,O| = 1
arc(kZ) + arc (ke,O) = 0°
|UF,O| = const (AGC-Funktion)
νO ∼ UF,O
νO = const
arc (νO) = arc(UF,O)
US,O = kz · UF,O.
Das Masseelement, das sich in einer amplitudengeregelten
Antriebsschwingung befindet, erfährt aufgrund einer Drehrate
Ω eine Auslenkung in Coriolisrichtung (Fc = 2 m vO x Ω).
Die Kompensationskraft bzw. Kompensationsspannung
(Stellgröße UT,D), die der Corioliskraft entgegenwirkt
(Führungsregelung), ist ein Maß für die vorhandene Drehrate.
Das Erfassen der Coriolisspannung US,D und der Aufbau der
Gegenspannung UF,D erfolgt in einer Kompensationsschleife
(Dämpfungsschleife).
Die beiden Schleifen sind über das Sensorelement gekoppelt
und arbeiten in dem beschriebenen Fall resonant (d. h.
Übertragungsfunktion kZ für Oszillator- und
Dämpfungsschleife ist gleich).
Für die Dämpfungsschleife gilt:
Die Führungsregelung der Dämpfungsschleife funktioniert in
gleicher Weise auch für eingekoppelte Störsignale BITE
(Built in test, mit entsprechender Frequenz, Phasenlage)
Durch das Einkoppeln einer Störgröße UBITE kann somit eine
Drehrate simuliert werden. Das Einkoppeln erfolgt aus der
Oszillatorschleife, was zusätzlich den Vorteil des
Oszillatortests mit sich bringt.
Das Störsignal soll einer fest eingestellten Drehrate
entsprechen, unabhängig von der am Bandende notwendigen
Empfindlichkeitskorrektur des Komplettsensors. Dies wurde
durch zwei Verstärkerstufen (eine in der BITE/Dämmungs-
und eine in der Ausgangsschleife)mit reziproker Verstärkung
realisiert. Dies hat zur Folge, daß der Sensorausgang
aufgrund der Störgröße Urate(BITE) vom
Empfindlichkeitsabgleich vS unabhängig ist.
Für BITE-Anordnung gilt:
Der Ausgang des Sensors Urate zeigt bei aktiviertem BITE die
Summe (Überlagerung) der aktuellen Drehrate Ω und der
simulierten Drehrate, aufgrund der eingespeisten Störgröße.
Das Aktivieren der Störgröße erfolgt durch Betätigung eines
Testeinganges, wodurch der Sensor bei bekannter Verstimmung
Urate(BITE) testbar wird. Durch diesen Test ist sowohl die
komplette Antriebs-, Dämpfungs-, Ausgangselektronik als auch
das Sensorelement mit seinen Anschlüssen auf Fehlfunktionen
prüfbar.
Zusammenfassung der Abkürzungen:
kz =: Übertragungsfunktion des Sensorelements
ke,XX =: Übertragungsfunktion der Elektronik
US,XX =: Abgriffspannung
UF,XX =: Antriebsspannung XX = O =: Oszillatorschleife (Anregung) XX = D =: Dämpfungsschleife (Kompensation)
vO =: Geschwindigkeit des Masseelements in Antriebsrichtung
Ω =: Drehrate
Ucor =: elektrisches Äquivalent des Corioliseffekts
kc =: Corioliskonstante
UBITE =: BITE-Störgröße
kBITE =: BITE-Skalierungsfaktor
kBM =: Verstärkung des Balanced Modulator
kO =: Konstante Verstärkung Ausgangsstufe
vS =: variable Verstärkung der Ausgangsstufe (Empfindlichkeitsabgleich am Bandende)
Uoff =: Kompensationsspannung der Null-Drehrate (Offsetabgleich am Bandende)
Urate =: Drehratenausgangsspannung.
ke,XX =: Übertragungsfunktion der Elektronik
US,XX =: Abgriffspannung
UF,XX =: Antriebsspannung XX = O =: Oszillatorschleife (Anregung) XX = D =: Dämpfungsschleife (Kompensation)
vO =: Geschwindigkeit des Masseelements in Antriebsrichtung
Ω =: Drehrate
Ucor =: elektrisches Äquivalent des Corioliseffekts
kc =: Corioliskonstante
UBITE =: BITE-Störgröße
kBITE =: BITE-Skalierungsfaktor
kBM =: Verstärkung des Balanced Modulator
kO =: Konstante Verstärkung Ausgangsstufe
vS =: variable Verstärkung der Ausgangsstufe (Empfindlichkeitsabgleich am Bandende)
Uoff =: Kompensationsspannung der Null-Drehrate (Offsetabgleich am Bandende)
Urate =: Drehratenausgangsspannung.
Claims (8)
Hide Dependent
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Claims (8)
Hide Dependent
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1. Vorrichtung zur Ermittlung einer Drehrate mit einem
Sensor, der mehrere Sensorelemente aufweist, die auf einem
schwingungsfähigen Körper angeordnet sind, mit einer
geregelten Oszillatorschleife, die wenigstens eines der
Sensorelemente in konstante Schwingung versetzt, wodurch
auch der schwingungsfähige Körper angeregt wird, mit einer
Dämpfungsstufe, die mit wenigstens einem Sensorelement in
Verbindung steht und einer Ausgangsstufe, die mit wenigstens
einem weiteren Sensorelement in Verbindung steht und eine
Ausgangsspannung abgibt, die ein Maß für die zu ermittelnde
Drehrate ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur
Erkennung einer Fehlfunktion zuschaltbar sind, die durch
Erzeugung eines Offsetsignales eine vorgebbare Verstimmung
der Vorrichtung auslösen und zur einer Ausgangsspannung
führen, die eine Überlagerung aus Drehrate und Offset ist
und zur Fehlererkennung ausgewertet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der schwingungsfähige Körper zylinderförmig ist und auf
einer Seite frei schwingend und auf der anderen Seite fest
ist und die Sensorelemente in einer Spur gleichförmig auf
der Zylinderoberfläche angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung eines
Offsetsignales in der Sensorelektronik integriert sind und
einen BITE-Block (16) umfassen, mit einem Verstärker (20)
mit variabler Verstärkung sowie einem Schalter (21), über
den das Offsetsignal weiterleitbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Eingang des Verstärkers (20) des BITE-Blockes (16) mit
der Oszillatorschleife (17) in Verbindung steht, daß über
diese Verbindung die am Eingang der Oszillatorschleife
liegende Spannung (US,O) zugeführt wird, daß der BITE-Block
(16) mit der Dämpfungsschleife (18) in Verbindung steht und
über diese Verbindung die Offsetspannung (UBITE) der
Dämpfungsschleife (18) zugeführt wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Punkte (22, 28, 30)
vorhanden sind, an denen eine elektronische
Nullpunkteinstellung, eine mechanische Nullpunkteinstellung
sowie ein Offsetabgleich durchführbar sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschleife (17) eine
elektronische Anregungsschleife (26) mit Phasenregler und
Amplitudenregler umfaßt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsschleife (18) eine
elektronische Dämpfungsschleife mit Phasensteuerung aus dem
Phasenregler (AFC) und konstanter Verstärkung ist.
8. Vorrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß am Eingang des Ausgangsstufe (19) ein
Block (27) mit Phasengleichrichter und konstanter
Verstärkung liegt, der mit einer Oszillatorschleife (17) und
der Dämpfungsschleife (18) in Verbindung steht, wobei über
diese Verbindungen die Spannungen (UF,O) und (UF,D)
zugeführt werden, daß der Block (27) über dem Punkt (28) zum
Offsetabgleich mit einem Verstärker (29) mit variabler
Verstärkung in Verbindung steht, über den ein
Empfindlichkeitsabgleich möglich ist und an dessen Ausgang
die auszuwertende Spannung (Urate) abgreifbar ist.