DE60110055T2 - Steuerungssystem für einen vibrationsstrukturkreisel - Google Patents

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Paul Christopher Mutley FELL
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuersystem für ein Vibrationsstrukturgyroskop und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein solches System, welches geeignet ist zur Benutzung in Verbindung mit einem durch Mikrobearbeitung aus Silizium hergestelltes Vibrationsstrukturgyroskop.
  • Vibrationsstrukturgyroskope, die unterschiedliche mechanische Vibrationsstrukturen benutzen, sind bekannt. Diese umfassen Stäbe, Stimmgabeln, Zylinder, halbkugelförmige Schalen und Ringe, die aus Keramikmaterial, aus Metall oder aus Silizium hergestellt sind. Ein gemeinsames Merkmal dieser bekannten Systeme besteht darin, dass sie eine Resonanzträgermodenschwingung bei einer Eigenfrequenz aufrecht erhalten müssen, die durch die mechanische Vibrationsstruktur bestimmt wird. Dies ergibt den linearen Impuls, der eine Korioliskraft erzeugt, wenn das Gyroskop um die jeweilige Achse gedreht wird.
  • Die WO-A-99 14557 beschreibt ein digitales Steuersystem für ein Vibrationsstrukturgyroskop mit einer digitalen Verarbeitungseinheit zur Verarbeitung der Ausgangssignale von den Abnahmemitteln und zur Überführung der verarbeiteten Signale nach den primären Antriebsmitteln über die Digital/Analog-Wandler. Die Ausgangssignale werden zeitlich abgetastet, bevor sie nach den digitalen Verarbeitungsmitteln gelangen.
  • Die WO-A-99 02942 beschreibt ein Verfahren zur Verminderung des Vorspannfehlers in einem Vibrationsstrukturgyroskop durch Summierung oder Subtraktion des Ausgangssignals der primären Abnahmemittel nach oder von dem Ausgangssignal der zweiten Abnahmemittel, um die Winkeltrennung der zweiten Abnahmemittel von den primären Treibermitteln genügend zu vermindern oder zu erhöhen, um den Gyroskopratenausgang auf Null zu setzen.
  • Die Fortschritte bei der Mikrobearbeitungstechnologie haben es möglich gemacht, Vibrationsstrukturgyroskope aus Silizium in hohen Stückzahlen und mit niedrigen Kosten zu erzeugen. Derartige Gyroskope wurden für Fahrzeuganwendungen entwickelt, beispielsweise dynamische Fahrzeugsteuersysteme, und zur Navigation von Kraftfahrzeugen. Die Leistungscharakteristiken dieser durch Mikrobearbeitung hergestellten Gyroskope sind derart beschaffen, dass sie die Erfordernisse eines Kraftfahrzeuges mit einem maximalen spezifizierten Ratenbereich erfüllen, und zwar im typischen Fall mit plus oder minus 100° pro Sekunde.
  • Derart mikrobearbeitete Vibrationsstrukturgyroskope sind ihrer Natur nach robust und billig, so dass sie attraktiv sind zur Benutzung bei anderen Bedarfsanwendungen, beispielsweise zur Flugzeugnavigation oder zur Leitung von Geschossen. Diese letztgenannte Anwendung erfordert im typischen Fall, dass das Gyroskop unter einem beträchtlich breiteren Bereich von Drehgeschwindigkeiten arbeitet. Es ist zwar möglich, die Ratenbereichsfähigkeit von Gyroskopen auszudehnen, die für Fahrzeuganwendungen entwickelt wurden, jedoch führt dies im typischen Fall zu einer Beeinträchtigung anderer Schlüsselleistungsparameter, beispielsweise Störungen und Vorspannungen.
  • Herkömmliche Vibrationsstrukturgyroskope besitzen eine ebene Ringvibrationsstruktur aus Metall oder Silizium oder sie besitzen eine zylindrische Vibrationsstruktur, die ein gutes allgemeines Verhalten hat. Ebene Ringvibrationsstrukturen werden im typischen Fall im Cos2θ-Vibrationsmodus angetrieben, wie schematisch in den 1a und 1b der beiliegenden Zeichnung angegeben. Ein Modus, bei dem die radialen Schwingungsbäuche längs der Achsen P ausgerichtet sind, wie dies in 1a dargestellt ist, werden im primären Modus erregt. Wenn das Gyroskop um die Achse normal zur Ebene des Rings gedreht wird, entwickeln sich Korioliskräfte Fc, die Energie in den sekundären Modus einkoppeln, deren radiale Schwingungsbäuche längs der Achsen S ausgerichtet sind, wie dies in 1b dargestellt ist. Die Größe der Kraft ist gegeben durch: Fc = 2mvΩapp (1)dabei ist m die modale Masse, v ist die effektive Geschwindigkeit und Ωapp ist die angewandte Drehgeschwindigkeit. Die primäre Modenvibrationsamplitude wird im typischen Fall mit einem festen Wert aufrecht erhalten. Dadurch wird auch die Geschwindigkeit v auf einem festen Wert gehalten und es wird demgemäß gewährleistet, dass die sich entwickelnden Korioliskräfte direkt proportional der Drehgeschwindigkeit Ωapp sind. Die Amplitude der sekundären Modenbewegung, die durch diese Korioliskräfte induziert wird, kann üblicherweise durch genaue Anpassung der Resonanzfrequenzen von primären und sekundären Moden verbessert werden. Die Drehung wird dann durch das Q (das Maß der Beziehung zwischen der gespeicherten Energie und der Rate der Verteilung der Energie) des sekundären Modus verstärkt, wodurch sich eine verbesserte Empfindlichkeit des Vibrationsstrukturgyroskops ergibt. Beim Betrieb mit diesem Modus offener Schleife hängt die Empfindlichkeit (Skalierungsfaktor) des Gyroskops von dem Q des sekundären Modus ab, und diese kann sich beträchtlich über den Temperaturarbeitsbereich ändern. Diese Abhängigkeit kann ausgeschlossen werden, indem das Gyroskop in einem erzwungenen Rückkopplungsmodus (geschlossene Schleife) betrieben wird. Bei diesem Modus wird die induzierte sekundäre Modenbewegung aktiv genullt, wobei die angelegte Kraft direkt proportional der Drehgeschwindigkeit ist.
  • Ein typisches herkömmliches Steuersystem mit geschlossener Schleife für ein Vibrationsstrukturgyroskop ist schematisch in 2 der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Dieses herkömmliche Steuersystem besteht grundsätzlich aus zwei unabhängigen Schleifen, nämlich einem primären Regelkreis 1 zwischen primären Abnahmemitteln 2, die als Bewegungsdetektorausgang von der ebenen Vibrationsringstruktur 3 wirken und primären Antriebsmitteln 4, die als Zwangseingang wirken und eine Vibration in der Struktur 3 erzeugen. Ein sekundärer Regelkreis 5 ist zwischen sekundären Abnahmemitteln 6 und sekundären Antriebsmitteln 7 vorgesehen.
  • Das Ausgangssignal 8 von den primären Abnahmemitteln 2 wird durch einen Verstärker 9 verstärkt und durch Demodulatoren 10 und 11 demoduliert. Das demodulierte Signal vom Demodulator 10 wird zunächst einer phasenstarren Schleife 12 zugeführt, die die relativen Phasen von primären Abnahmemitteln und primären Antriebssignalen an den Stellen 2 und 4 vergleicht und die Frequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators 13 derart einstellt, dass eine 90°-Phasenverschiebung zwischen dem angelegten Antrieb an den Mitteln 4 und der Resonatorbewegung der Struktur 3 aufrecht erhalten bleibt. Dadurch wird die Bewegung der Struktur 3 auf dem Resonanzmaximum gehalten. Der demodulierte Ausgang vom Demodulator 11 wird einem automatischen Verstärkungsregelkreis 14 zugeführt, die den Pegel des Ausgangssignals von den primären Abnahmemitteln 2 in dem automatischen Verstärkungsregelkreis 14 mit einem festen Bezugspegel V0 vergleicht. Dieses Signal V0 wird bei 15 einer Spannungsaddierstufe 16 zugeführt und die Ausgangsspannungen dieser Stufe werden dem automatischen Verstärkungregelkreis 14 zugeführt. Die Ausgangsspannung von dem automatischen Verstärkungsreelkreis 14 wird von dem Ummodulator 17 mit der Frequenz ummoduliert, die durch den spannungsgesteuerten Oszillator 13 zugeführt wird und dann erfolgt eine Speisung der primären Antriebsmittel 4 über einen Verstärker 18. Der primäre Antriebsspannungspegel wird derart eingestellt, dass ein fester Signalpegel und demgemäß eine feste Bewegungsamplitude an den Abnahmemitteln 2 aufrecht erhalten wird.
  • Der sekundäre Regelkreis 5 ist derart, dass das Signal, welches von den sekundären Abnahmemitteln 6 erhalten wird, durch den Verstärker 19 verstärkt und durch die Demodulatoren 20 und 21 demoduliert wird, um reale und quadratische Komponenten der geschwindigkeitsinduzierten Bewegung zu trennen. Die Realkomponente ist jene, die in Phase mit der primären Modenbewegung ist. Die Quadraturkomponente ist ein Fehlerausdruck, der infolge der Tatsache auftritt, dass die Modenfrequenzen nicht präzise angepasst sind. Das vom Demodulator 20 empfangene demodulierte Basisbandsignal wird durch das Quadraturschleifenfilter 22 gefiltert und das vom Demodulator 21 empfangene demodulierte Basisbandsignal wird durch ein Realschleifenfilter 23 gefiltert, um die gewünschte Systemdurchführung in Bezug auf Bandbreite und Störung zu erhalten. Das von dem Schleifenfilter 22 empfangene Signal wird im Ummodulator 24 ummoduliert und einer Spannungsaddierstufe 25 zugeführt, wo es mit dem Signal summiert wird, das vom Schleifenfilter 23 nach Ummodulation durch den Ummodulator 26 empfangen wird. Das summierte Ausgangssignal von der Spannungsaddierstufe 25 wird den sekundären Antriebsmitteln 7 über einen Verstärker 27 zugeführt, damit eine Null an der sekundären Abnahmeeinheit 6 aufrecht erhalten bleibt. Das reale Basisbandsignal SD (real), d. h. das Ausgangssignal vom Schleifenfilter 23, wird abgenommen, bevor eine Ummodulierung am Ummodulator 26 erfolgt, und es wird skaliert und am Ausgangsfilter 28 gefiltert, um das Ratenausgangssignal 29 vom System zu erhalten. Das reale Basisbandsignal SD (real) ist direkt proportional dem realen sekundären Antrieb, der der Vibrationsstruktur 3 zugeführt wird.
  • Für diesen Betriebsmodus ist der Ratenausgang Ωout gegeben durch:
    Figure 00050001
    dabei ist V0 ein eingestellter Wert der festen primären Modus-Amplitudenbezugsspannung; W ist die primäre Modenresonanzfrequenz, k ist eine Konstante, welche die modale Masse und den modalen Kopplungskoeffizienten umfasst, gppo ist die primäre Modenabnahmeverstärkung und gsd ist die sekundäre Modenantriebsverstärkung.
  • Bei einem Gyroskop, das in diesem herkömmlichen Modus mit geschlossener Schleife arbeitet, wird die minimal feststellbare Drehrate, die aufgelöst werden kann, durch die Empfindlichkeit der sekundären Modenabnahmemittel 6 bestimmt. Dies wird wiederum bestimmt durch die elektronischen Störungen des sekundären Abnahmeverstärkers 19. Bei einer festen Abnahmeverstärkung besteht die einzige Möglichkeit zur Verbesserung der Auflösung des Vibrationsstrukturgyroskops darin, die sekundäre Modenbewegung zu vergrößern, die über eine gegebene angelegte Rate erzeugt wird, die den Schleifenskalierungsfaktor erhöht. Dies kann erreicht werden durch Vergrößerung des Antriebswertes des primären Modus, um eine größere Bewegungsamplitude zu erhalten, d. h. durch Erhöhung des eingestellten Wertes V0 der primären Modenamplitude. In der Praxis besteht eine Grenze der maximalen Versetzung bei jeder gegebenen Vibrationsstrukturgyroskop-Ausbildung, und diese Grenze kann durch eine Zahl von Faktoren eingestellt werden, die die verfügbare Antriebskraft, die Bruchgrenze der Vibrationsstruktur und die Nicht-Linearitäten der Abnahmemittel und der Antriebsmittel umfassen, die üblicherweise aus induktiven, kapazitiven oder piezoelektrischen Wandlern bestehen.
  • Die maximale angelegte Rate, die das Vibrationsstrukturgyroskop zu messen in der Lage ist, wird durch die Fähigkeit der sekundären Antriebsmittel 7 begrenzt, eine Null in der sekundären Modenbewegung aufrecht zu erhalten. Die sekundären Antriebsmittel 7 üben eine Kraft aus, um die induzierte Korioliskraft zu nullen. Bei Drehgeschwindigkeiten über einem gewissen Wert ist die Größe der Korioliskraft derart, dass der sekundäre Antrieb nicht mehr eine genügende Kraft aufbringen kann, um die Bewegung zu nullen, die eine Sättigung des Ratenausgangs verursacht. Für typische herkömmliche Vibrationsstrukturgyroskope entspricht dieser Sättigungspegel den angelegten Drehgeschwindigkeiten von weniger als ein paar Hundert Graden pro Sekunde. Bei einer gegebenen Verstärkung der sekundären Antriebsmittel ist es möglich, die maximal messbare angelegte Rate zu erhöhen. Dies wird erreicht durch Verminderung der primären Modenamplitude, wodurch die Größe der induzierten Korioliskraft bei einer gegebenen Drehgeschwindigkeit vermindert wird. Jedoch wird durch diese Lösung das Signal bezüglich des Störverhaltens des Vibrationsstrukturgyroskops verschlechtert und dadurch wird in unerwünschter Weise die Auflösung vermindert.
  • Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Steuersystem für ein Vibrationsstrukturgyroskop, das in der Lage ist, größere Drehgeschwindigkeiten zu messen, wobei eine hohe Auflösung aufrecht erhalten bleibt.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung geht diese aus von einem Steuersystem für ein Vibrationsstrukturgyroskop mit den folgenden Teilen: mit einer Vibrationsstruktur, mit primären Antriebsmitteln und mit sekundären Antriebsmitteln, um die Vibrationsstruktur in eine primäre Moden-Vibrationsresonanz zu überführen und in dieser zu halten, mit primären Abnahmemitteln und mit sekundären Abnahmemitteln zur Feststellung der Vibration der Vibrationsstruktur, wobei das System ferner folgende Teile aufweist: einen primären Regelkreis zur steuerbaren Veränderung des Antriebssignals, das den primären Antriebsmitteln angelegt wird und einen sekundären Regelkreis zur einstellbaren Veränderung des den sekundären Antriebsmitteln zugeführten Signals, um einen Nullwert an den sekundären Abnahmemitteln aufrecht zu erhalten und ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um aktiv den Skalierungsfaktor in dem primären und sekundären Regelkreis einzustellen, wobei die Mittel zur aktiven Einstellung des Skalierungsfaktors Mittel aufweisen, um ein geschwindigkeitsabhängiges Signal von dem sekundären Regelkreis durch ein Signal zu teilen, das die Amplitude der primären Modenvibration anzeigt, wobei Mittel vorgesehen sind, um ein Ausgangssignal der Teilungsmittel zu filtern, um einen Ausgang zu liefern, der eine angelegte Geschwindigkeit anzeigt und wobei eine variable Skalierungsfaktorschleife vorgesehen ist, die ein Ausgangssignal von den Teilungsmitteln empfängt und aktiv einen Bezugsspannungssetzwert des primären Regelkreises einstellt, um dynamisch den Schleifenskalierungsfaktor des Steuersystems einzustellen.
  • Vorzugsweise sind die aktiven Skalierungsfaktoreinstellmittel mit Mitteln versehen, um die primäre Modenvibrationsamplitude für die angelegten Drehgeschwindigkeiten über einem gewählten absoluten Schwellwert zu vermindern.
  • Zweckmäßigerweise umfassen die aktiven Skalierungsfaktoreinstellmittel Mittel zur Verminderung der primären Modenvibrationsamplitude für die angelegten Drehgeschwindigkeiten über einem absoluten Ratenschwellwert, der niedriger ist als der Ratenausgangswert des sekundären Regelkreises.
  • Vorteilhafterweise umfasst der primäre Regelkreis Mittel zur Demodulation des Signals, das von den primären Abnahmemitteln empfangen wurde und außerdem eine phasenstarre Schleife zum Vergleich der relativen Phasen der primären Abnahmesignale und der primären Antriebssignale und einen spannungsgesteuerten Oszillator, dessen Frequenz durch die phasenstarre Schleife so eingestellt wird, dass eine 90°-Phasenverschiebung zwischen den Signalen erhalten bleibt, die den primären Antriebsmitteln und der Bewegung der Vibrationsstruktur zugeordnet sind und weiter ist ein automatischer Verstärkungsregelkreis vorgesehen, um das demodulierte Signal, das von den primären Abnahmemitteln empfangen wurde, mit einem festen Bezugsspannungspegel zu vergleichen, und es ist ein Ummodulator vorgesehen, um das Ausgangssignal umzumodulieren, das von dem automatischen Verstärkungsregelkreis mit der Frequenz erhalten wurde, die vom spannungsgesteuerten Oszillator zugeführt wurde, um das steuerbar veränderbare Antriebssignal zu erzeugen, das den primären Antriebsmitteln zugeführt wird.
  • Vorzugsweise umfasst der sekundäre Regelkreis Mittel zur Demodulation und Aufspaltung des Signals, das von den sekundären Abnahmemitteln empfangen wurde, in die Realkomponente und die Quadraturkomponente der durch Geschwindigkeit induzierten Bewegung der Vibrationsstruktur und weiter Schleifenfiltermittel, um getrennt die Realkomponente und die Quadraturkomponente zu filtern und schließlich Mittel zur Ummodulation und Summierung der gefilterten Signalkomponenten, damit sie für die sekundären Antriebsmittel angewendet werden können.
  • Zweckmäßigerweise ist die variable Skalierungsfaktorschleife zwischen dem demodulierten Ausgang der Filtermittel für die Realkomponente des sekundären geschlossenen Regelkreises und dem demodulierten Signal von den primären Abnahmemitteln geschaltet.
  • Zweckmäßigerweise umfasst die variable Skalierungsfaktorschleife Mittel, um das Modul des der variablen Skalierungsschleife zugeführten Eingangssignals in einen festen Spannungsbezugswert, bei der der Ausgang auf Werte von weniger oder gleich Eins begrenzt ist und Mittel zu unterteilen, um den Ausgang zu filtern und den gefilterten Ausgang zur Skalierung des Nullratenspannungswertes des festen Bezugsspannungswertes des automatischen Verstärkungsregelkreises des primären Regelkreises zu benutzen.
  • Vorzugsweise umfasst das Steuersystem Mittel zwischen dem sekundären Regelkreis und der variablen Skalierungsfaktorschleife, um den demodulierten Ausgang von den Realkomponenten-Schleifenfiltermitteln des sekundären Regelkreises durch das demodulierte Signal von dem primären Regelkreis zu unterteilen, um ein Ausgangssignal proportional zu der angelegten Geschwindigkeit zu liefern.
  • Stattdessen umfasst das Steuersystem Mittel zwischen dem sekundären Regelkreis und der variablen Skalierungsfaktorschleife, um den demodulierten Ausgang von den Realkomponenten-Schleifenfiltermitteln des sekundären Regelkreises durch den Bezugsspannungswert zu unterteilen, der den Ausgang von der variablen Skalierungsfaktorschleife bildet, um ein Ausgangssignal proportional der angelegten Geschwindigkeit zu liefern.
  • Vorzugsweise umfasst das Steuersystem Mittel, um einen Teil des Ausgangssignals abzunehmen, das den Eingang der variablen Skalierungsfaktorschleife bildet, diesen skaliert und filtert, um ein Ausgangssignal zu liefern, das die Geschwindigkeit anzeigt, die an das Gyroskop angelegt wurde.
  • Vorteilhafterweise wird das Steuersystem mit einem Vibrationsstrukturgyroskop benutzt, das eine Vibrationsstruktur hat, die aus Silizium hergestellt wurde.
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und um zu zeigen, wie diese in die Praxis umgesetzt werden kann, wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. In der Zeichnungen zeigen:
  • 1a zeigt schematisch ein Vibrationsstrukturgyroskop, welches nicht gemäß der Erfindung ausgebildet ist und einen Cos2θ-Vibrationsmodus aufweist, der als primärer Modus erregt wird;
  • 1b zeigt schematisch einen Sin2θ-Vibrationsmodus, wenn das nicht gemäß der Erfindung ausgebildete Vibrationsstrukturgyroskop um eine Achse zur Ebene der Vibrationsstruktur derart gedreht wird, dass Korioliskräfte erzeugt werden, die Energie in den sekundären Modus einkoppeln;
  • 2 ist ein schematisches Blockschaltbild eines herkömmlichen nicht gemäß der Erfindung ausgebildeten Steuersystems für ein Vibrationsstrukturgyroskop;
  • 3 ist ein verallgemeinertes Blockschaltbild eines Steuersystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ist ein verallgemeinertes Blockschaltbild eines Steuersystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 5 ist ein schematisches Blockschaltbild, welches funktionell eine variable Skalierungsfaktorschleife zeigt, die bei einem Steuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung Anwendung findet.
  • Ein Steuersystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für ein Vibrationsstrukturgyroskop ist in 3 der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der primäre Regelkreis 1 und der sekundäre Regelkreis 5 sehr ähnlich dem primären Regelkreis 1 und dem sekundären Regelkreis 5 des herkömmlichen Steuersystems gemäß 2 und gleiche Bauteile, die den 2 und 3 gemeinsam sind, besitzen gleiche Bezugszeichen und werden im Einzelnen nicht doppelt beschrieben. Obgleich das Steuersystem gemäß der Erfindung angewandt auf eine Vibrationsstruktur 3 aus Silizium beschrieben wird, so kann die Erfindung jedoch auch auf eine Vibrationsstruktur 3 Anwendung finden, die aus Metall oder einem piezokeramischen Material besteht.
  • Die Einstellung des Skalierungsfaktors wie vorstehend beschrieben hat das Problem, dass ein einmal eingestellter Skalierungsfaktor anschließend nicht verändert werden kann. Um den Geschwindigkeitsbereich des Vibrationsstrukturgyroskops auszudehnen, ohne das Verhalten bei niedrigeren Geschwindigkeiten zu beeinträchtigen, ist es notwendig, aktiv den Skalierungsfaktor in der Schleife bei höheren angelegten Geschwindigkeiten einzustellen. Ein Steuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst Mittel 30 in dem primären und sekundären Regelkreis 1, 5, um die Möglichkeit zu schaffen, dass das Gyroskop hohe angelegte Drehzahlen messen kann, wobei die optimale Auflösung bei niedrigeren Drehzahlen aufrecht erhalten bleibt. Zu diesem Zweck umfasst die Einstelleinrichtung 30 für den Skalierungsfaktor Mittel, um die primäre Modenvibrationsamplitude für die angelegten Drehzahlen über einem gewählten absoluten Schwellwert zu vermindern. Die angelegten Geschwindigkeiten sind positiv oder negativ. Der absolute Schwellwert-Geschwindigkeitswert ΩTh wird zweckmäßigerweise auf einen Wert eingestellt, der etwas unter der normalen Ausgangsgrenze der sekundären Antriebsmittel 7 liegt.
  • Für angelegte Geschwindigkeiten unter einem Schwellwert wird die primäre Modenamplitude auf einem konstanten Wert gehalten. Die sekundäre Modenbewegung, die durch die Korioliskräfte induziert wird, ist direkt proportional der angelegten Geschwindigkeit und wird in üblicher Weise unter Benutzung der sekundären Antriebsmittel 7 genullt. Wenn die angelegte Geschwindigkeit den Schwellwert überschreitet, wird die primäre Modenamplitude vermindert, wodurch der sekundäre Schleifenskalierungsfaktor vermindert wird. In diesem Geschwindigkeitsbereich wird der sekundäre Antrieb auf einem konstanten maximalen Wert gehalten und die primäre Modenamplitude ändert sich umgekehrt proportional zu der angelegten Geschwindigkeit. Dies wird dadurch erreicht, dass man den gesetzten Wert der primären Modenamplitude der Bezugsspannung VAGC in der folgenden Weise einstellt. VAGC OC 1/ΩAPP (3)
  • Um einen linearen Geschwindigkeitsausgang über den gesamten Betriebsbereich zu erhalten, ist es notwendig, den sekundären Antriebswert zu benutzen, der unter Benutzung der primären Modenamplitude normalisiert ist.
  • Der Geschwindigkeitsausgang Ωout ist gegeben durch:
    Figure 00120001
    dabei ist VPPD das primäre Abnahmesignal, das die primäre Modenamplitude anzeigt.
  • Um dies zu verwirklichen und einen Betrieb mit einem ausgedehnteren Geschwindigkeitsbereich zu schaffen, ist, wie in 3 dargestellt, eine Einstelleinrichtung 30 für den Skalierungsfaktor vorgesehen, die zwischen den sekundären Regelkreis 5 und den primären Regelkreis 1 geschaltet ist. Die Einrichtung 30 umfasst Mittel 34 zwischen dem sekundären Regelkreis 5 und der variablen Skalierungsfaktorschleife 31, um den demodulierten Ausgang 32 von den Realkomponenten-Schleifenfiltermitteln 23 des sekundären Regelkreises 5 durch die demodulierte Signalkomponente 33 des primären Regelkreises 1 zu teilen, um ein Ausgangssignal 35 proportional zu der angelegten Geschwindigkeit zu erhalten. Der Ausgang 35 bildet den Eingang einer variablen Skalierungsfaktorschleife 31 (diese bildet einen Teil der Mittel 30) und wird benutzt, um den Spannungsbezugswert 15 zu skalieren, der dem automatischen Verstärkungsregelkreis 14 des primären Abnahmesignals 33 zugeführt wird. Dieses Ausgangssignal 35 wird ebenfalls skaliert und durch Mittel 36 gefiltert, um das endgültige Ausgangssignal Ωout zu liefern, das die an das Gyroskop angelegte Geschwindigkeit anzeigt.
  • Stattdessen können, wie in 4 der beiliegenden Zeichnung dargestellt, die Mittel 30 zur aktiven Einstellung des Skalierungsfaktors unter Benutzung der Eingangsspannung 15 betrieben werden, anstatt in Verbindung mit der demodulierten anderen Signalkomponente 33 des geschlossenen primären Regelkreises 1, ohne dass die Basisfunktion des Steuersystems geändert würde. So bilden, wie aus 4 ersichtlich, die Mittel 34, die zwischen dem sekundären Regelkreis 5 und der variablen Skalierungsfaktorschleife 31 angeordnet sind, um den demodulierten Ausgang 32 von den Realkomponenten-Schleifenfiltermitteln 23 des sekundären Regelkreises 5 durch VAGC, d. h. den Bezugsspannungspegel 15, zu teilen, den Ausgang der variablen Skalierungsfaktorschleife 31, wodurch ein Gleichstrom-Ausgangssignal 35 erzeugt wird, das proportional ist der angelegten Geschwindigkeit, und dieses Ausgangssignal bildet den Eingang nach der variablen Skalierungsfaktorschleife 31. Das Signal 35 wird ebenfalls skaliert und gefiltert, wie bei 36, um das Endausgangssignal 37 (Ωout) zu erzeugen, das die Geschwindigkeit anzeigt, die an das Gyroskop angelegt wird.
  • Die Funktionalität der variablen Skalierungsfaktorschleife 31 ist schematisch in 5 dargestellt. Das Modul des Eingangssignals 35 (Ωout), das der variablen Skalierungsfaktorschleife 31 zugeführt wird, wird bei 38 in einen Festspannungsbezugspegel dividiert, der ΩTh anzeigt, wobei der Ausgangswert X auf weniger als Eins oder gleich Eins bei 39 begrenzt wird. Dieser Bezugspegel setzt den Schwellgeschwindigkeitswert ΩTh und begrenzt wirksam die maximale reale Antriebsamplitude, die den sekundären Antriebsmitteln 7 angelegt wird. Der Ausgang X wird bei 40 benutzt, um Vθ zu skalieren, d. h. den Nullgeschwindigkeitswert des automatischen Verstärkungssteuer-Bezugsspannungspegels VAGC (Eingang 15). Der Ausgang 41 von 40 wird in einem Schleifenfilter 42 gefiltert, um das erforderliche dynamische Ansprechen zu liefern, bevor der automatische Verstärkungsregelkreis 14 tätig wird.
  • Die variable Skalierungsfaktorschleifenfilterung hat eine kritische Rolle bei der Bestimmung des dynamischen Verhaltens des Steuersystems. Wenn die Bandbreite der variablen Skalierungsfaktorschleife 31 im typischen Fall niedrig ist im Vergleich mit jener des sekundären (realen) Regelkreises 5, dann spricht die primäre Amplitude relativ langsam auf schnelle Änderungen in der angelegten Geschwindigkeit in dem Bereich über dem Schwellwert ΩTh an und dies bedeutet, dass die Null an den sekundären Abnahmemitteln 6 vorherrschend durch Einstellung der sekundären Antriebsmittel 7 unter der Steuerung des sekundären Regelkreises 5 aufrecht erhalten wird. Bei einem schnellen Ansteigen in ΩAPP verursacht dies, dass die augenblicklichen sekundären Antriebspegel die Bedingung des stetigen Zustands für die äquivalente angelegte Geschwindigkeit überschreiten. Dies erfordert, dass ΩTh so eingestellt wird, dass ein genügender Übersteuerungsbereich eingestellt wird, der verhindert, dass der sekundäre Antrieb "überschwingt" und die Ausgangsgrenze unter diesen Übergangsbedingungen überschreitet. Dies steht im Gegensatz zum Verhalten dieses Systems, da der ausnutzbare dynamische Bereich des sekundären Regelkreises 5 unter Normalbedingungen begrenzt wird, d. h. wenn keine schnellen Änderungen in ΩAPP auftreten. Eine Ausdehnung der Bandbreite der variablen Skalierungsfaktorschleife 31 begrenzt das Ausmaß des sekundären Antriebsüberschwingens, indem die Möglichkeit geschaffen wird, dass der automatische Verstärkungsregelkreis 14 schneller anspricht. Eine Ausdehnung der Bandbreite verschlechtert jedoch die Störempfindlichkeit des Systems.
  • Die Schleifenfilterausbildung des erfindungsgemäßen Steuersystems im Einzelnen hängt von den präzisen Durchführungserfordernissen ab. Der ausnutzbare Geschwindigkeitsbereich des Vibrationsstrukturgyroskops, auf den die Ausbildung angewandt wird und die vorzugsweise eine Vibrationsstruktur aus Silizium hat, kann von den typischen 100° pro Sekunde auf über 10.000° pro Sekunde ausgedehnt werden. Dies wird ohne Verschlechterung der Leistung bei niedrigeren angelegten Geschwindigkeiten erreicht. Es ergibt sich jedoch eine gewisse Verschlechterung der Störempfindlichkeit, wenn die Geschwindigkeit über den Schwellwert erhöht wird, und zwar wegen der verminderten Amplitude der primären Bewegung.

Claims (11)

  1. Steuersystem für ein Vibrationsstrukturgyroskop mit den folgenden Teilen: mit einer Vibrationsstruktur (3), mit primären Antriebsmitteln (4) und mit sekundären Antriebsmitteln (7), um die Vibrationsstruktur (3) in eine primäre Moden-Vibrationsresonanz zu überführen und in dieser zu halten, mit primären Abnahmemitteln (2) und mit sekundären Abnahmemitteln (6) zur Feststellung der Vibration der Vibrationsstruktur (3), wobei das System ferner folgende Teile aufweist: einen primären Regelkreis (1) zur steuerbaren Veränderung des Antriebssignals, das den primären Antriebsmitteln (4) angelegt wird und einen sekundären Regelkreis (5) zur einstellbaren Veränderung des den sekundären Antriebsmitteln (7) zugeführten Signals, um einen Nullwert an den sekundären Abnahmemitteln (6) aufrecht zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um aktiv den Skalierungsfaktor in dem primären und sekundären Regelkreis (1, 5) einzustellen, wobei die Mittel (30) zur aktiven Einstellung des Skalierungsfaktors Mittel (34) aufweisen, um ein geschwindigkeitsabhängiges Signal von dem sekundären Regelkreis (5) durch ein Signal zu teilen, das die Amplitude der primären Modenvibration anzeigt, wobei Mittel (36) vorgesehen sind, um ein Ausgangssignal (35) der Teilungsmittel (34) zu filtern, um einen Ausgang zu liefern, der eine angelegte Geschwindigkeit anzeigt und wobei eine variable Skalierungsfaktorschleife (31) vorgesehen ist, die ein Ausgangssignal (35) von den Teilungsmitteln (34) empfängt und aktiv einen Bezugsspannungssetzwert des primären Regelkreises (1) einstellt, um dynamisch den Schleifenskalierungsfaktor des Steuersystems einzustellen.
  2. Steuersystem nach Anspruch 1, bei welchem die aktiven Skalierungsfaktor-Einstellmittel (30) Mittel aufweisen, um die primäre Moden-Vibrationsamplitude für angelegte Drehgeschwindigkeiten zu vermindern, die über einem gewählten absoluten Schwellgeschwindigkeitswert liegen.
  3. Steuersystem nach Anspruch 2, bei welchem die aktiven Skalierungsfaktor-Einstellmittel (30) Mittel aufweisen, um die primäre Moden-Vibrationsamplitude für angelegte Drehgeschwindigkeiten über einem absoluten Schwellgeschwindigkeitswert zu vermindern, der kleiner ist als die Geschwindigkeits-Ausgangsbegrenzung des sekundären Regelkreises (5).
  4. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der primäre Regelkreis (1) mit den folgenden Mitteln ausgestattet ist: mit Mitteln zur Demodulation des von den primären Abnahmemitteln (2) empfangenen Signals; mit einer phasenstarren Schleife (12) zum Vergleich der relativen Phasen der primären Abnahmemittel und der primären Antriebssignale; mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (13), dessen Frequenz durch die phasenstarre Schleife (12) so eingestellt wird, um eine 90°-Phasenverschiebung zwischen dem den primären Antriebsmitteln (4) zugeführten Signal und der Bewegung der Vibrationsstruktur (3) aufrecht zu erhalten; mit einem automatischen Verstärkerregelkreis (14) zum Vergleich des von den primären Abnahmemitteln (2) empfangenen demodulierten Signals mit einem festen Bezugsspannungssignal; mit einem Ummodulator (17) zur Ummodulation des Ausgangssignals, das von dem automatischen Verstärkerregelkreis (14) mit einer Frequenz empfangen wurde, die durch den spannungsgesteuerten Oszillator (13) zugeführt wurde, um die steuerbaren veränderbaren Antriebssignale zu liefern, die den primären Antriebsmitteln (4) zugeführt werden.
  5. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem der sekundäre Regelkreis (5) Mittel aufweist, um das von den sekundären Abnahmemitteln (7) empfangene Signal zu demodulieren und in die Realkomponente und die Quadraturkomponente der durch Geschwindigkeit induzierten Bewegung der Vibrationsstruktur (3) aufzuspalten, wobei Schleifenfiltermittel (22, 23) vorgesehen sind, um die Realkomponente und die Quadraturkomponente getrennt zu filtern und ferner Mittel (24, 25) vorgesehen sind, um die gefilterten Signalkomponenten umzumodulieren und zu summieren, um sie an die sekundären Antriebsmittel (7) anzulegen.
  6. Steuersystem nach den Ansprüchen 4 und 5, bei welchem eine variable Skalierungsfaktorschleife (31) zwischen einen demodulierten Ausgang (32) der Schleifenfiltermittel (23) für die Realkomponente des sekundären Regelkreises (5) und das demodulierte Signal von den primären Abnahmemitteln (2) geschaltet ist.
  7. Steuersystem nach Anspruch 6, bei welchem die variable Skalierungsfaktorschleife (31) Mittel (34) aufweist, um das Modul des Eingangssignals, das der variablen Skalierungsfaktorschleife (31) zugeführt wird, in einen festen Spannungsbezugspegel zu teilen, wobei der Ausgang auf Werte begrenzt ist, die kleiner oder gleich Eins sind und wobei Mittel (36) vorgesehen sind, um den Ausgang zu filtern und um den Ausgang zur Skalierung des Null-Geschwindigkeits-Spannungswertes des festen Bezugsspannungspegels für den automatischen Regelkreis (14) des primären Regelkreises (1) zu benutzen.
  8. Steuersystem nach Anspruch 7, bei welchem Mittel zwischen dem sekundären Regelkreis (5) und der variablen Skalierungsfaktorschleife (31) vorgesehen sind, um den demodulierten Ausgang (32) der Schleifenfiltermittel (23) der Realkomponente des sekundären Regelkreises (5) durch das demodulierte Signal von dem primären Regelkreis (1) zu teilen, um ein Ausgangssignal zu liefern, das proportional der angelegten Geschwindigkeit ist.
  9. Steuersystem nach Anspruch 7, welches Mittel aufweist, die zwischen dem sekundären Regelkreis (5) und der variablen Skalierungsfaktorschleife (31) angeordnet sind, um den demodulierten Ausgang der Schleifenfiltermittel (23) der Realkomponente des sekundären Regelkreises (5) durch den Bezugsspannungspegel zu teilen, der den Ausgang von der variablen Skalierungsfaktorschleife (31) bildet, um ein Ausgangssignal zu liefern, das proportional der angelegten Geschwindigkeit ist.
  10. Steuersystem nach den Ansprüchen 8 oder 9, welches Mittel aufweist, um einen Teil des Ausgangssignals abzunehmen, das den Eingang nach der variablen Skalierungsfaktorschleife (31) bildet, um es zu skalieren und zu filtern und um ein Ausgangssignal (37) zu liefern, das die an das Gyroskop angelegte Geschwindigkeit anzeigt.
  11. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Kombination mit einem Vibrationsstrukturgyroskop, dessen Vibrationsstruktur (3) aus Silizium hergestellt ist.
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