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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft allgemein Signalverarbeitungstechniken für Drehsensorsysteme,
die in der Navigation und bei anderen Anwendungen verwendet werden.
Insbesondere betrifft diese Erfindung Signalverarbeitungstechniken
in Drehsensorsystemen, die Coriolis-Beschleunigungssensoren zum
Messen von Drehungen einschließen.
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Eine
Winkelrate kann mit einem eingefangenen linearen Beschleunigungsmessgerät dadurch
gemessen werden, dass es auf einem vibrierenden Rahmen angebracht
wird und die Coriolis-Beschleunigungen
gemessen werden, die durch die Winkelrate des Rahmens relativ zu
einem Inertialraum erzeugt werden. Um im Allgemeinen eine genaue
Winkelratenmessung zu erreichen muss die Frequenzantwort von derartigen
Beschleunigungsmessgeräten
bei der Vibrationsfrequenz des zitternden Rahmens gut definiert
sein. Der Skalierungsfaktor bezieht sich direkt auf die geschlossene
Schleifenverstärkung
des Beschleunigungsmessgeräts. Große Fehler
können
aus der Vibrationsantriebsbewegung, die in das Beschleunigungsmessgerät gekoppelt wird,
erzeugt werden, wenn das Maß dieser
Bewegung nicht durch eine genaue Steuerung der Phase der Referenz
bei der Demodulation des Coriolis-Signals abgewiesen wird.
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Eine
Technik zum Beseitigen der großen
Fehler als Folge der Ungewissheiten in der Verstärkung und in der Phase des
Beschleunigungsmessgerätausgangs
besteht darin eine Genauigkeits-AC-Drehmoment-Rückkopplung zu verwenden, um
exakt die Coriolis-Kräfte
zu beseitigen, die durch die Rate entwickelt werden, wodurch eine
absolute Null der Nachweismasse bei der Zitterfrequenz beibehalten
wird.
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In
einigen Rückkopplungssteuersystemen
verändert
der Parameter, der gerade gemessen wird, die Amplitude eines sinusförmigen Trägersignals.
In derartigen Systemen ist die Frequenz des Trägersignals normalerweise viel
größer als
die gewünschte
Bandbreite für
den Parameter, der gerade gemessen wird. Derartige amplitudenmodulierte
Signale können
von Sensoren erzeugt werden, die den Druck, die Beschleunigung, die
Geschwindigkeit, die Winkelrate, und dergleichen messen. Für einige
von diesen Sensoren wird die genaue Messung des Parameters durch
Messen des Rückkopplungssignals
bestimmt, das benötigt
wird, um ein Gleichgewicht in einer geschlossenen Schleifenkonfiguration
aufrechtzuerhalten.
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Eine
Anwendung, bei der eine genaue Messung eines modulierten Signals
wichtig ist, ist ein Vibrationswinkelraten-Sensorsystem, das die
Coriolis-Beschleunigung misst, die durch einen Winkelrateneingang erzeugt
wird. Ein Eingang mit einer konstanten Rate zu einem derartigen
Sensor verursacht ein Ausgangssignal, das bei der Frequenz der angesteuerten
Oszillation der Einrichtung amplitudenmoduliert ist. Die erzeugte Coriolis-Beschleunigung
ist proportional zu der Eingangsrate und ist zu der angesteuerten
Vibrationsamplitude 90° phasenverschoben.
Deshalb tritt die maximale Beschleunigung auf, wenn die maximale
Vibrationsgeschwindigkeit auftritt, die relativ zu der maximalen
Vibrationsamplitude 90° phasenverschoben
ist. In den meisten Fällen
ist der Ratensensor ein eingebauter Beschleunigungsdetektor oder
ein kleines Beschleunigungsmessgerät, das auf dem Vibrationselement
angebracht ist. Die Nachweismasse des Detektors entspricht der Coriolis-Beschleunigung,
die durch die Rate erzeugt wird.
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Wenn
der Beschleunigungssensor in einer Konfiguration einer offenen Schleife
betrieben wird, dann muss deren Frequenzantwort im Allgemeinen viel
höher als
die Ansteuerfrequenz sein, wenn die Verstärkung und die Phase des Ausgangssignals
gut definiert sein sollen. Der Absolutwert der Verstärkung ist
für den
Skalierungsfaktor wichtig und die Phase des Signals relativ zu der
angesteuerten Referenzoszillation ist wichtig, um irgendein „Quadratur" Signal abzuweisen,
das eine Hauptfehlerquelle bei der Ratenmessung ist. Diese gleiche
Verstärkung
und die Phasenschwierigkeit werden auch in einer Beschleunigungserfassung
einer geschlossenen Schleife auftreten, wenn typische Einfangschleifen-Techniken verwendet
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Signalen, die
von einem Sensor zum Messen der Winkelrate ausgegeben werden, wie
im Anspruch 1 definiert.
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Die
Erfindung stellt ein Beschleunigungssensorsystem mit einer Nachweismasse
bereit, das von einer Rückkopplung
in der Beschleunigungsmessgerät-Servoschleife
bei der Ansteuerfrequenz befreit worden ist, indem sämtliches
Rückkopplungsdrehmoment
bei dieser Frequenz vollständig
herausgefiltert wird. Die relative Bewegung der Nachweismasse ist
dann ein direktes Maß der
Rate, weil kein Rückkopplungsdrehmoment
vorhanden ist, um die Nachweismassenantwort auf die Beschleunigung
zu verändern.
In einem derartigen Fall reagiert die Nachweismasse im Wesentlichen
in einem Modus einer offenen Schleife, bei dem die Amplitude und
die Phase der Bewegung relativ zu der Zitteransteuerung gut definiert
sind. Das Beschleunigungssensorsystem in Übereinstimmung mit der Erfindung
ist besonders nützlich
bei der Erfassung von Coriolis-Beschleunigungen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Technik zum Beseitigen der Schwierigkeiten
von früheren
Rückkopplungsmodulationstechniken
für amplitudenmodulierte
Servosysteme bereit. Das Rückkopplungsmodulationssystem
gemäß der Erfindung
fängt den
Coriolis-Sensor derart ein, dass die Phase und die Verstärkung des Signals,
das von dem Sensor erzeugt wird, keinerlei Bedenken beim Aufrechterhalten
eines guten Skalierungsfaktors sind. In einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Vorrichtung einer Rückkopplungsschleife, die zwischen
den Ausgang eines Servokompensators und eine Summationseinheit geschaltet
ist. Die Rückkopplungsschleife
umfasst einen Drehmoment-Remodulator. Der Sensor, der Demodulator,
der Servokompensator und die Rückkopplungsschleife
mit dem Drehmoment-Remodulator arbeiten zusammen, um einen Messausgang
zu erzeugen, der unabhängig
von der Verstärkung
der Phase der dynamischen Eigenschaften der Erfassung, des Demodulators
und der Servokompensation ist.
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Die
Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Verarbeiten von Signalen, die von einem Sensor ausgegeben
werden, um eine Winkelrate zu messen, umfasst eine Zittervorrichtung
zum Ansteuern des Sensors mit einem oszillierenden Winkelgeschwindigkeitssignal
einer Frequenz ω
D und einem Demodulator, der mit dem Sensor
verbunden ist, um davon ausgegebene Signale (mit einem Signal proportional
zu cos(ω
Dt)) zu demodulieren, um ein Ratenausgangssignal
zu
erzeugen. Eine Rückkopplungsschleife
ist zwischen den Sensorausgang und die Zittervorrichtung geschaltet.
Die Rückkopplungsschleife
kann einen Servokompensator, der verbunden ist, um von dem Sensor
ausgegebene Signale zu empfangen, einschließen und das Kerbenfilter kann
zwischen den Servokompensator und die Zittervorrichtung geschaltet
sein. Das Kerbenfilter ist angeordnet, um Signale der Zitterfrequenz ω
D abzuweisen, um die Rückkopplungsschleife zu veranlassen
kein Signal zu führen,
welches ein Rückkopplungsdrehmoment
in dem Sensor bei der Zitterfrequenz erzeugen würde. Deshalb ist eine relative
Bewegung des Sensors ein direktes Maß der Winkelrate.
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Vorzugsweise
umfasst die Vorrichtung ferner ein Hochpassfilter, das mit der Sensoraufnahme
verbunden ist, und einen In-Phase-Signalverarbeitungskanal, der
mit dem Hochpassfilter verbunden ist. Der In-Phase-Signalverarbeitungskanal
umfasst vorzugsweise einen Kosinus-Demodulator, der angeordnet ist,
um Signale zu empfangen, die von dem Hochpassfilter ausgegeben werden,
und eine erste Servokompensationsschaltung, die mit dem Kosinus-Demodulator
verbunden ist, um ein Ratenmesssignal zu erzeugen. Ein Kosinus-Remodulator
ist mit der ersten Servokompensationsschaltung verbunden. Ein Quadratur-Phasensignal-Verarbeitungskanal
ist mit dem Hochpassfilter verbunden. Der Quadratur-Phasensignal-Verarbeitungskanal
umfasst einen Sinus-Demodulator, der angeordnet ist, um von dem
Hochpassfilter ausgegebene Signale zu empfangen, und eine zweite
Servokompensationsschaltung, die mit dem Sinus-Demodulator verbunden
ist. Ein Sinus-Remodulator ist mit der Servokompensationsschaltung
verbunden. Eine erste Summationseinheit ist mit dem Kosinus-Remodulator
und mit dem Sinus-Remodulator
verbunden. Eine Beschleunigungsrückkopplungsschleife
ist zwischen die Sensoraufnahme und die zweite Summationseinheit
geschaltet. Die Beschleunigungsrückkopplungsschleife
umfasst ein Kerbenfilter, welches angeordnet ist, um Signale der
Zitterfrequenz ωD abzuweisen, um zu bewirken, dass die Rückkopplungsschleife
kein Signal führt,
welches ein Rückkopplungsdrehmoment
in dem Sensor bei der Zitterfrequenz erzeugen würde, sodass eine relative Bewegung
des Sensors ein direktes Maß der
Winkelrate ist, und derart, dass das Kerbenfilter ein Signal erzeugt, das
die Beschleunigung anzeigt. Eine zweite Summationseinheit ist zwischen
die erste Summationseinheit und das Kerbenfilter geschaltet. Die
zweite Summationseinheit weist einen Ausgang auf, der mit dem Sensor verbunden
ist, um an den Sensor ein Rückkopplungssignal
anzulegen, das die Summe von Signalen ist, die von dem In-Phasen-Kanal,
dem Quadratur-Phasenkanal und der Beschleunigungsrückkopplungsschleife
ausgegeben werden.
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Die
Vorrichtung kann alternativ einen Demodulator umfassen, der mit
dem Hochpassfilter verbunden ist, um das gefilterte Sensorsignal
zu empfangen und ein Signal zu erzeugen, das die Winkelrate anzeigt.
Eine Rückkopplungsschleife
ist zwischen den Ausgang der Sensoraufnahme und das Beschleunigungsmessgerät geschaltet.
Die Rückkopplungsschleife
umfasst ein Kerbenfilter, das angeordnet ist, um Signale der Zitterfrequenz ωD abzuweisen, um zu bewirken, dass die Rückkopplungsschleife
kein Signal führt,
welches ein Rückkopplungsdrehmoment
in dem Sensor bei der Zitterfrequenz erzeugen würde.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Verarbeiten von Signalen,
die von einem Coriolis-Kraftsensor ausgegeben werden, um eine Winkelrate
zu messen, einen Demodulator, der mit dem Sensor verbunden ist,
um Signale zu empfangen, die den Winkelratenausgang davon anzeigen,
und einen Servokompensator, der verbunden ist, um Signale zu empfangen,
die von dem Demodulator ausgegeben werden. Der Servokompensator
erzeugt ein Ratenausgangssignal
,
das den gemessenen Wert der Winkelrate anzeigt. Eine Rückkopplungsschleife,
die einen Drehmoment-Remodulator
einschließt,
ist zwischen den Servokompensator und dem Sensor geschaltet. Der
Drehmoment-Remodulator legt ein remoduliertes Winkelratensignal
an den Sensor an, und zwar derart, dass der Demodulator, der Servokompensator
und die Rückkopplungsschleife
zusammenarbeiten, um einen gemessenen Ausgang zu erzeugen, der unabhängig von
der Verstärkung
und der Phase des Sensors, des Demodulators und des Servokompensators
ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer herkömmlichen
Schleife zum Einfangen des Signals, das von einem Sensor in einer
Ratenmesseinrichtung ausgegeben wird;
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2 ein
vereinfachtes Blockdiagramm einer ersten Einfangschleife gemäß der Erfindung;
-
3 ein
ausführlicheres
Blockdiagramm der ersten Einfangschleife der 2;
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4 ein
vereinfachtes Blockdiagramm einer zweiten Einfangschleife gemäß der Erfindung;
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5 ein
ausführlicheres
Blockdiagramm der ersten Einfangschleife der 3;
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6 ein
Blockdiagramm eines Multisensordrehsensors und einer Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung;
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7 ein
Blockdiagramm eines digitalen Signalprozessors, der in der Schaltungsanordnung
der
-
6 enthalten
sein kann;
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8 eine
analoge Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Verarbeiten von Signalen, die von einem Coriolis-Sensor
ausgegeben werden; und
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9 eine
digitale Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung zum Verarbeiten von Signalen, die von einem Coriolis-Sensor
ausgegeben werden.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
Einfangschleife gemäß der vorliegenden
Erfindung ist besonders nützlich
in Winkelraten-Sensorsystemen,
ist aber in der Anwendung nicht auf Winkelraten-Sensoren beschränkt. Es
sei darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Einfangschleifen
mit Sensoren zum Messen des Drucks, der Temperatur, der Geschwindigkeit,
etc. verwendet werden können.
Die Einfangschleife gemäß der vorliegenden
Erfindung gilt auch für
Sensoren, die durch den Parameter, der gerade erfasst wird, amplitudenmoduliert
sind.
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1 illustriert
eine herkömmliche
Einfangschleife, die bei der Verarbeitung von Signalen verwendet worden
ist, die von Winkelraten-Sensorsystemen ausgegeben werden. Ein Rateneingang Φ .(s),
wird an einen Sensor 14, beispielsweise ein lineares Beschleunigungsmessgerät, angelegt.
Sensoren, die in 1 verwendet werden können, sind
in den U.S. Patenten 4.679.434; 4.841.773; 5.065.627; und 5.142.921
offenbart. Sensoren, die in anderen Einfangschleifen enthalten sind,
die danach beschrieben werden, können ähnlich zu
dem Sensor 14 sein.
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Der
Sensor
14 wird durch ein zitterndes oder modulierendes
Signal so angesteuert, dass der Rateneingang Φ .(s) durch cos(ω
Dt) moduliert wird, wobei ω
D die Ansteuerfrequenz für den Sensor ist und t die
Zeit ist. Der Sensor
14 ist mit einem Servokompensator
16 verbunden,
der Signale, die ihm eingegeben werden, mit einer Funktion G(s)
moduliert und ein Ausgangssignal V(s) erzeugt. Das Signal V(s) wird
an den Sensor
14 zurückgekoppelt.
Der Sensor
14 reagiert in Übereinstimmung mit seiner dynamischen
Antwortfunktion A(s) auf die Summe des modulierten Rateneingangssignals
und des Rückkopplungssignals
V(s). Das Signal V(s) wird auch einem Demodulator
18 eingegeben,
der das Signal V(s) mit dem Signal cos(ω
Dt)
demoduliert. Der Ausgang des Demodulators
18 ist die gemessene
Rate
.
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Der
Signaleingang, so wie er von dem Sensor 14 für eine konstante
Eingangsrate gesehen wird, oszilliert bei der Ansteuerfrequenz ωD. Das Signal von dem Ausgang von dem Sensor 14 wird
dann durch die Servokompensation (Gs) verstärkt und in einem Versuch zum
Löschen
des Rateneingangs Φ .(s) zurückgekoppelt.
Das Signal, das an den Sensor 14 zurückgekoppelt wird, ist ein Maß der Eingangsrate.
Weil der Ausgang V(s), der von dem Servokompensator ausgegeben wird,
ein Signal bei der Vibrationsfrequenz ist, wird das Signal V(s)
demoduliert, um einen konstanten Wert zu erhalten, der die konstante
Eingangsrate darstellt.
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Die
Einfangschleifentechnik der 1 zeigt
die Unzulänglichkeiten
des dem Hintergrund der Erfindung dieser Offenbarung diskutierten
Standes der Technik auf. Bezugnehmend auf 1 wird die
Frequenzantwort des Sensors 14 und des Servokompensators 16 sehr
kritisch, insbesondere bei der Ansteuerfrequenz ωD.
Für typische
Instrumente ist diese Frequenz in dem Bereich 1 kHz bis 20 kHz,
aber viele Beschleunigungsdetektoren weisen nicht gut definierte
Ausgänge
bei derartigen Frequenzen auf. Wenn zwei derartige Sensoren gerade
verwendet werden, um die in einer Vibrationsumgebung benötigte gute
Abweisung des gemeinsamen Modus zu erzielen, müssen sie deshalb sehr gut in
sowohl der Verstärkung
als auch der Phase bei der Ansteuerfrequenz angepasst sein. Wenn
die Sensoren nicht gut angepasst bzw. aufeinander abgestimmt sind, dann
wird die Differenz, die sich für
die Vibrationseingänge
ergibt, als eine Winkelrate interpretiert. Grundlegend ist der Ausgang
sehr empfindlich auf die dynamischen Eigenschaften des Sensors und
die Servofrequenzantwort.
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Bezugnehmend
auf
2 ist eine einfache Schleife gemäß der Erfindung
gezeigt. Das Rateneingangssignal Φ .(s) wird einem Sensor
34 eingegeben,
der das Rateneingangssignal Φ .(s) mit cos(ω
Dt)
in der Weise, die voranstehend unter Bezugnahme auf
1 beschrieben
wurde, multipliziert. Das Sensorausgangssignal wird einem Demodulator
36 eingegeben,
der das Sensorsignal mit dem Signal cos(ω
Dt)
demoduliert. Signale, die von dem Demodulator
36 ausgegeben
werden, werden einem Servokompensator
38 eingegeben, der
das gemessene Ratensignal
bereitstellt.
Der Servokompensator weist vorzugsweise eine Verstärkung G(jω) auf, derart,
dass G(jω)|
ω→0→∞ ist. Das
gemessene Ratensignal
wird
einer Rückkopplungsschleife
40 eingegeben,
die einen Drehmoment-Remodulator
42 einschließt, der
das Signal
mit
cos(ω
Dt) moduliert. Signale, die von dem Drehmoment-Remodulator
42 ausgegeben
werden, werden dann dem Sensor
34 eingegeben, um die Rückkopplungsschleife
40 abzuschließen.
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Die
in 2 dargestellte Einfangtechnik ist derjenigen der 1 hinsichtlich
der Bildung von genauen Messungen des Rateneingangs Φ .(s) weit überlegen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Vorrichtung der 2 ähnlich zu
derjenigen der 1 ist, außer dass die Demodulation innerhalb
der Rückkopplungsschleife auftritt
und die Rückkopplung
ein remoduliertes Signal ist, das durch den Servokompensator 38 verarbeitet worden
ist, der Signale, die dorthin eingegeben wurden, um G(s) verstärkt. Das
System der 2 arbeitet durch vollständiges Unterdrücken sämtlicher
relativen Bewegung der Nachweismasse des Sensors 34 von
der Coriolis-Beschleunigung und durch Messen des Drehmoments, das
benötigt
wird, um dies zu tun.
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Der
Ausgang
,
vor einer Remodulation, ist ein genaues Maß des Eingangs Φ .(s). Das Signal
ist im
Wesentlichen unabhängig
von den Verstärkungs-
und Phasencharakteristiken der dynamischen Eigenschaften A(s) des
Erfassungselements oder der Servokompensationsverstärkung G(s).
Diese Bedingung ist erfüllt,
wenn die Verstärkung
G(s) sich unendlich annähert,
wenn sich die Frequenz Null annähert,
d.h. wenn die Servokompensation eine integrale Verstärkung einschließt. Im Grunde
genommen wegen dieser unendlichen Verstärkung bringt das AC Rückkopplungssignal
das Signal, das durch die Eingangsrate erzeugt wird, exakt auf Null,
und das DC Signal
ist
ein genaues Maß dieses
AC Signals. Die Rateneingangsmessung ist grundlegend unbeeinflusst
durch Änderungen
in dem dynamischen Verhalten der dynamischen Erfassungseigenschaften
A(s), der Servokompensation G(s) oder der Phasen- oder Verstärkungsverschiebungen durch den
Demodulator
36. Es ist jedoch wichtig, dass das remodulierte
Rückkopplungsdrehmoment
proportional und in-Phase zu der Coriolis-Beschleunigungen ist,
die gerade durch die Eingangsrate erzeugt wird.
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Der
Ausgang von der Einfangschleife muss für die Verstärkung und Phase der internen
dynamischen Eigenschaften der Schleife unempfindlich sein, um eine
gute Abweisung eines gemeinsamen Motors für irgendwelche linearen Vibrationseingänge in der
Nähe der
Frequenz der angesteuerten Oszillation bereitzustellen.
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Wenn
nur ein Sensor zum Erfassen der Winkelrate verwendet wird, gibt
es keine Möglichkeit
das Ratensignal von Signalen, die durch lineare Vibrationseingänge von
der Umgebung bei oder in der Nähe
der Ansteuerfrequenz erzeugt werden, zu unterscheiden. Deshalb sind
die meisten Sensoren mit wenigstens zwei Sensoren konstruiert, die
entgegengesetzt zueinander vibrieren, sodass deren Geschwindigkeitsvektoren
zueinander 180° phasenverschoben
sind. Wenn Winkelraten an einen derartigen Sensor angelegt werden,
dann sind auch die ausgegebenen Coriolis-Signale zueinander phasenverschoben.
Die Signale sind für
lineare Vibrationseingänge
in-Phase. Deshalb können
die Winkelratensignale von Vibrationseingängen durch Summieren und Differenzieren
der Signale unterschieden werden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Fehler und Empfindlichkeiten der
herkömmlichen
Vorrichtung der 1 nicht zu der Einfangschleife
gemäß der Ausführungsform
der Erfindung, wie in 2 gezeigt ist, gehören. Die
Ausgänge
für jeden
Sensor sind im Wesentlichen unabhängig von der Verstärkung und
Phase des Sensors 34, des Demodulators 36 und
des Servokompensators 38. Der Demodulator-Referenzeingang kann nominell
jedoch eingestellt sein, um den Ausgang für typische dynamische Charakteristiken
A(s) des Erfassungselements zu maximieren und die Stabilität, Bandbreite
und das gesamte Betriebsverhalten der Einfangschleife zu optimieren.
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3 zeigt
die Einfangschleifen-Technik der
2 mit näheren Einzelheiten.
Der Winkelrateneingang Φ .(s) und die Beschleunigung G
IN werden
an ein Beschleunigungsmessgerät
200 angelegt.
Das Beschleunigungsmessgerät
ist vorzugsweise eine Einrichtung des Pendel-Typs, die funktionell
durch die folgende Transferfunktion beschrieben werden kann:
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Eine
Signalaufnahmeeinrichtung 202 ist mit dem Sensor 200 verbunden.
Der Sensor 200 kann ein Beschleunigungsmessgerät-Pendel
einschließen,
wie in dem technischen Gebiet altbekannt ist. Die Signalaufnahmeeinrichtung 202 erzeugt
ein Aufnahmesignal, das den Pendelwinkel θ des Beschleunigungsgeräts anzeigt.
Signale, die von der Aufnahmeeinrichtung 202 ausgegeben
werden, werden einer Rateneinfangschleife 204 eingegeben.
Signale, die von der Aufnahmeeinrichtung 202 ausgegeben
werden, werden auch einer Beschleunigungs-Einfangschleife 206 eingegeben.
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Die
Rateneinfangschleife 204 umfasst ein Hochpassfilter 208,
das mit dem Ausgang der Aufnahmeeinrichtung 202 verbunden
ist. Nach einer Filterung durch das Hochpassfilter 208 wird
das Aufnahmesignal einem ersten Demodulator 210 eingegeben,
der das Aufnahmesignal mit cos(ωDt) demoduliert. Das Aufnahmesignal wird
auch einem zweiten Demodulator 212 eingegeben, der das
Aufnahmesignal mit sin(ωDt) demoduliert. Das Signal, das von dem
Kosinus-Demodulator 210 ausgegeben wird, wird einem Kompensator 214 eingegeben,
der eine Funktion Hc(s) auf Signale, die
dort eingegeben werden, anwendet. Das Signal, das von dem Sinus-Demodulator 212 ausgegeben
wird, wird ähnlich
einem Kompensator 216 eingegeben, der eine Funktion Hs(s) anwendet.
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Das
Signal, das von dem Kompensator
214 ausgegeben wird, ist
die Winkelraten-Messung
.
Das Signal, das von dem Kompensator
214 ausgegeben wird,
wird einem Kosinus-Remodulator
218 eingegeben, der das
Signal
mit
cos(ω
Dt) remoduliert. In ähnlicher Weise werden die Signale,
die von dem Kompensator
216 ausgegeben werden, einem Sinus-Remodulator
220 eingegeben,
der die Signale, die dort eingegeben werden, mit sin(ω
Dt) remoduliert.
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Die
remodulierten Signale, die von den Remodulatoren 218 und 220 ausgegeben
werden, werden dann in einer Summationseinheit 222 kombiniert.
Die Summe der remodulierten Signale wird invertiert und an eine
Summationseinheit 223 als ein negatives Rückkopplungssignal
eingegeben.
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Die
Verstärkung
und die Phase der Aufnahmeeinrichtung 202 sind in der Rateneinfangschleife
nicht wichtig, weil das Aufnahmesignal vollständig auf Null gebracht wird.
Eine Demodulation und Remodulation kann durch digitale Multiplizierer,
analoge Multiplizierer oder durch Schalt-Vollwellen-Demodulatoren erreicht werden.
Eine volle Drehmomentrückkopplung
bei der Zitterfrequenz unterdrückt
vollständig
die Pendelbewegung bei der Zitterfrequenz ωD.
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Die
Beschleunigungseinfangschleife 206 umfasst einen Verstärker 224,
der eine Verstärkung
GH(s) auf das Signal anwendet, das von der Aufnahmeeinrichtung 202 ausgegeben
wird. Das verstärkte
Aufnahmesignal wird dann einem Kerbenfilter 230 eingeben,
das Signale bei der Zitterfrequenz abweist (sperrt). Der Ausgang
der Kerbenfilterschaltung 230 ist ein Signal Ĝm, das die gemessene Beschleunigung anzeigt.
Das gemessene Beschleunigungssignal Ĝm wird
invertiert und der Summationseinheit 223 eingegeben. Das
Kerbenfilter 230 sperrt irgendeine Rückkopplung bei der Zitterfrequenz
in der Beschleunigungsrückkopplungsschleife 206.
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4 zeigt
eine zweite Einfangschleife gemäß der Erfindung.
Ein Sensor
54 empfängt
ein Rateneingangssignal Φ .(s), das eine eingegebene Coriolis-Beschleunigung
anzeigt. Der Ausgang des Sensors
54 wird einem Demodulator
56 eingegeben,
der das Sensorausgangssignal mit einem Signal demoduliert, welches proportional
zu cos(ω
Dt) ist, um das Ratenmesssignal
,
zu erzeugen. Das Signal, das den Aufnahmewinkel von dem Sensor
54 anzeigt,
wird einer Rückkopplungsschleife
57 eingegeben,
die eine Servokompensationsschaltung
58 einschließt. Die
Servokompensationsschaltung
58 erzeugt ein kompensiertes
Messsignal an einer Kernfilterschaltung
59, die Signale
bei der Zitterfrequenz abweist. Der Ausgang der Kerbenfilterschaltung wird
dann dem Sensor
54 eingegeben, um das Rückkopplungssignal bereitzustellen.
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4 zeigt
eine Einrichtung, die eine geschlossene Schleife für die Beschleunigung
und eine offene Schleife für
die Rate betreibt. Die Ausführungsform
der Erfindung der 4 erlaubt, dass die Nachweismasse vollständig frei
von irgendeinem Rückkopplungssignal
in der Servoschleife 57 bei der Ansteuerfrequenz ist, indem
sämtliches
Rückkopplungsdrehmoment
bei der Ansteuerfrequenz vollständig
herausgeschnitten wird. Die Bewegung der Nachweismasse ist dann
ein direktes Maß der
Rate, weil kein Rückkopplungsdrehmoment
vorhanden ist, um die Antwort der Nachweismasse auf die Coriolis-Beschleunigung zu
verändern.
In diesem Fall reagiert die Nachweismasse in einem offenen Schleifenmodus,
bei dem die Amplitude und Phase der Bewegung relativ zu dem Zitterantrieb
gut definiert sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die Beschleunigungen niedriger
Frequenz, die auf die Nachweismasse wirken, ebenfalls durch die
Servoschleife 57 eingefangen werden.
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5 zeigt
zusätzliche
Merkmale der Erfindung, wie in 4 gezeigt.
Der Rateneingang Φ .(s) und die eingegebene Beschleunigung GIN werden einem Beschleunigungsmessgerät 250 eingegeben,
das funktional auch durch die voranstehend in Gleichung (1) angegebene
Transferfunktion beschrieben werden kann. Das Beschleunigungsmessgerät 250 kann
in dem Sensor 54 der 4 enthalten
sein.
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Das
von dem Beschleunigungsmessgerät 250 ausgegebene
Signal ist der Winkel θ,
der einer Aufnahmeeinrichtung 252 eingegeben wird. Signale,
die von der Aufnahmeeinrichtung 252 ausgegeben werden,
werden einer Beschleunigungseinfangschleife 254 eingegeben,
die einen Kompensator 256 und ein Kerbenfilter 260 einschließt, die ähnlich zu
dem Kompensator 224 und dem Kerbenfilter 230 der 3 sein
können.
Der Ausgang der Kerbenfilterschaltung 230 ist ein Signal Ĝm, das die gemessene Beschleunigung anzeigt.
Das gemessene Beschleunigungssignal Ĝm wird
invertiert und dem Beschleunigungsmessgerät 250 als negatives Rückkopplungsdrehmoment
eingegeben, um die Pendelbewegung auf Null zu bringen.
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Der
Ausgang der Aufnahmeeinrichtung
252 wird einem Hochpassfilter
262 eingegeben,
das das Aufnahmesignal filtert und dieses dann einem Demodulator
264 eingibt.
Der Demodulator
264 demoduliert das gefilterte Aufnahmesignal
mit cos(ω
Dt), was die Ratenmessung
erzeugt.
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In
den Ausführungsformen
der Erfindung, die in den 4 und 5 gezeigt
sind, gibt es keine Drehmomentrückkopplung
bei der Zitterfrequenz. Die Nachweismassen oder das Pendel ist vollständig frei,
um nur auf die Coriolis-Kräfte
anzusprechen. Deshalb sind die dynamischen Eigenschaften des Pendels
im Hinblick auf die Verstärkungs-
und Phasenantwort auf Coriolis-Beschleunigungen wichtig. Jedoch
wird ein großer
Teil der Schaltungsanordnung, die zum Implementieren der Ausführungsform
der Erfindung benötigt
wird, die in den 2 und 3 gezeigt
ist, beseitigt, was eine signifikante Kostenreduktion bereitstellt.
Der Beschleunigungseingang wird noch eine Niederfrequenz-Ratenschleife
eingefangen, die ein Kerbenfilter aufweist. Das Kerbenfilter 260 weist
Signale bei der Zitterfrequenz in der Rückkopplungsschleife 254 ab,
um eine Verunreinigung des Rückkopplungssignals
zu verhindern.
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Die
Einfangschleife der 2 arbeitet durch vollständiges Unterdrücken sämtlicher
relativer Bewegung der Nachweismasse von der Coriolis-Beschleunigung
und Messen des Drehmoments, welches benötigt wird, um dies zu tun.
Die Einfangschleife der 4 erlaubt, dass die Nachweismasse
vollständig
frei ist, um auf die Coriolis-Beschleunigung anzusprechen, und misst
deren relative Bewegung. Eine Kombination der zwei Bedingungen der 2 und 3 sollte
nicht zusammen auftreten, weil dann weder die Drehmomentrückkopplung
noch die Nachweismassen-Bewegung ein echtes Maß der Coriolis-Beschleunigung ist,
die durch den Winkelrateneingang erzeugt wird.
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Bezugnehmend
auf 6 ist ein Blockdiagramm eines Mehrsensor-Aufbausystems 60 und
einer zugehörigen
Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung 62 gezeigt. Eine
Zitteranordnung 61 ist angeordnet, um das Mehrsensor-Aufbausystem 60 mechanisch
in eine Zitterbewegung zu versetzen. Die Zitteranordnung 61 umfasst
einen zentralen Motor 64, einen äußeren Ring 66 und
eine Vielzahl von Flügeln 70–72,
die sich zwischen dem zentralen Rotor 64 und dem äußeren Ring 66 erstrecken.
Der Flügel 70 weist
ein Paar von piezoelektrischen Treibern 74 und 75 auf,
die auf gegenüberliegenden
Seiten davon angebracht sind. Ein Ansteuerstrom wird an die Treiber 74 und 75 mit
Hilfe eines Zitteransteuerverstärkers 78 bereitgestellt,
der über
einen Digital-zu-Analog-Wandler 82 mit einem digitalen
Signalprozessor 80 verbunden ist.
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6 ist
eine schematische Darstellung des Beschleunigungsmessgeräts 100 und
des Zitteraufbaus 61. In der tatsächlichen Praxis umfasst der
Mehrsensor-Aufbau 60 zwei Zitteranordnungen, die ähnlich wie
die Zitteranordnung 61 ist, für jede Achse. Ein Beschleunigungsmessgerät ist an
jedem der drei Flügel
der zwei Zitteranordnungen angebracht, wie in dem U.S. Patent 5.065.627
offenbart, welches für
Stewart et al. am 19. November 1991 erteilt wurde. Die zwei Zitteranordnungen
sind auf einem gemeinsamen Rotor angebracht und werden 180° phasenverschoben
in eine Zitterbewegung versetzt, wie in dem U.S. Patent mit der
Nummer 5.065.627 offenbart.
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Die
Ansteuerströme
an die zwei piezoelektrischen Treiber (Ansteuereinrichtungen) 74 und 75 weisen eine
Phasenbeziehung auf, die bewirkt, dass sich eine der Ansteuereinheiten 74, 75 ausdehnt,
während
sich die andere zusammenzieht. Die Phasenbeziehung der Ansteuerströme an dem
Flügel 70 verursacht
eine Oszillationsbewegung des Flügels 70 in
der Ebene des Papiers der 6 mit kleiner
Amplitude. Die Flügel 71 und 72 weisen
Paare von piezoelektrischen Ansteuereinheiten 86, 87 bzw. 88, 89 auf,
die auch Ansteuerströme
empfangen, die identisch zu den Ansteuerströmen sind, die an die Ansteuereinheiten 74 und 75 geliefert werden.
Die Flügel 70–72 oszillieren
somit in-Phase, wobei das Ergebnis eine Oszillations-Drehbewegung
des Rings 66 um eine Achse durch die Zentrale Nabe 64 und
senkrecht zu der Ebene des Papiers ist.
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Ein
Zitteraufnahmesensor 90, bei dem es sich um eine magnetische
oder piezoelektrische Aufnahmeeinrichtung handeln kann, erzeugt
elektrische Signale, die eine Winkeloszillation des Rings 66 anzeigen.
Signale von dem Zitteraufnahmesensor 90 werden einem Verstärker 92 eingegeben.
Signale, die von dem Verstärker 92 ausgegeben
werden, werden einem Multiplexer 94 eingegeben, der mit
dem digitalen Signalprozessor 80 über einen Analog-zu-Digital-Wandler 96 verbunden
ist.
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Der
Mehrsensor-Aufbau 60 der 6 umfasst
auch ein lineares Beschleunigungsmessgerät 100. Wie in 6 angedeutet
umfasst der Mehrsensor-Aufbau 60 vorzugsweise fünf zusätzliche
lineare Beschleunigungsmessgeräte
(nicht gezeigt), die im Wesentlichen identisch zu dem linearen Beschleunigungsmessgerät 100 sind.
Das lineare Beschleunigungsmessgerät 100 kann eine Pendeleinrichtung
umfassen, die eine Nachweismasse 102 einschließt, die
ein dielektrisches Material umfasst, welches zwischen zwei Platten 103, 104 eines
Kondensators 105 aufgehängt
ist. Die Kapazität
des Kondensators 105 bezieht sich auf die Position der Nachweismasse
relativ zu den Kondensatorplatten.
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Signale,
die die Position des Pendels anzeigen, werden einem Vorverstärker 110 eingegeben,
der einen Ausgang aufweist, der mit einem Aufnahmedemodulator 112 verbunden
ist. Signale, die von dem Aufnahmedemodulator 112 ausgegeben
werden, werden einem Multiplexer 114 eingegeben, der mit
dem digitalen Signalprozessor 80 über einen Analog-zu-Digital-Wandler 116 gekoppelt
ist.
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Die
Kondensatorplatten empfangen elektrische Signale von einem Paar
von Summationseinheiten 120 und 122, die über einen
Digital-zu-Analog-Wandler 121 mit dem digitalen Signalprozessor 80 verbunden sind.
Eine Aufnahmeerregungsschaltung 124 liefert Signale, die
180° phasenverschoben
sind, an die Summationseinheiten 120 und 122,
die die Signale von dem Digital-zu-Analog-Wandler 121 zu
den Ausgängen
der Aufnahmeerregungsschaltung 124 addieren.
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7 zeigt
einen Aufbau für
den digitalen Signalprozessor 80. Der digitale Signalprozessor 80 stellt eine
digitale Systemfrequenzsteuerung in einer Weise bereit, die eine
hohe Genauigkeit, einen niedrigen Energieverbrauch und extrem geringe
Kosten bereitstellt.
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Der
digitale Signalprozessor 80 empfängt ein Mastertaktsignal von
dem Systemtakt 141. Dieser Takt stellt die Timingsequenz
in einem Logikblock 151 ein, um die Funktionen auszuführen, die
nachstehend beschrieben werden, und um Unterbrechungen an dem Systemprozessor 173,
synchronisiert zu der Information, die über den Systemprozessorbus 175 bereitgestellt
wird, zu erzeugen.
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Der
digitale Signalprozessor 80 synthetisiert Referenz-Sinus-
und Kosinus-Wellenformausgänge 140 bzw. 142 unter
Verwendung einer zyklischen Nachschlagtabelle 150. Ein
Index von einem Frequenz- und
Phasenanzeiger 143 verweist auf den gegenwärtigen Ort
in der Nachschlagtabelle 150. Der Index wird bei jedem Aktualisierungsintervall
(d.h. 1/8 einer Zitterperiode) inkrementiert, um die digitale Wellenform
zu konstruieren. Diese Sinus- und Kosinus-Referenzwellenformen dienen
als Genauigkeits-Phasenreferenzen
für die
verschiedenen Abschnitte der Controller-Schaltungsanordnung 80.
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Ein
Sinus-Modulator 152 multipliziert die digitalisierte Referenz-Kosinuswellenform
mit der Kosinus-Amplitude. Der Systemprozessor 173 hat
eine Steuerung über
die Sinus- und Kosinus-Amplituden. Ein Sinus-Modulator 154 multipliziert
die digitalisierte Referenz-Sinuswellenform mit der Sinus-Amplitude, die von dem
Systemprozessor 175 empfangen wird. Die Ausgänge des
Kosinus-Demodulators 152 und des Sinus-Demodulators 154 werden
vektoriell durch eine Summationseinheit 156 kombiniert,
um eine einzelne Wellenform mit einer spezifizierten Amplitude und
Phase bereitzustellen, die dem Digital-zu-Analog-Wandler 82 eingegeben
wird.
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Der
Ausgang des Digital-zu-Analog-Wandlers 82 ist die Zitteransteuerspannung,
die an den geeigneten Satz von piezoelektrischen Bimorphen auf jedem
Multisensor-Rotor 64 angelegt wird. Die piezoelektrischen
Ansteuereinheiten 74–75, 86–87 und 88–89 dehnen
sich alternierend aus und ziehen sich zusammen, wodurch eine Winkelbewegung
auf jedem am Rotor angebrachten Beschleunigungsmessgerät-Cluster ausgeübt wird.
Diese mechanische Anordnung stellt eine synthetisierte Erregungseinrichtung
bereit, um die Zitterbewegung mit der Fähigkeit zu versehen die Amplitude,
Phase und Frequenz zu steuern.
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Für die Aufnahme-Erfassung
erfasst der Aufnehmer 90 die Zitteramplitude des Rings 66 und übergibt diese
Information zurück
an den digitalen Signalprozessor 80 über den Multiplexer 94 und
den Analog-zu-Digital-Wandler 96. Das Zitteraufnahmesignal
wird durch einen Zitter-Kosinus-Demodulator 160 mit der
Referenz-Kosinuswellenform demoduliert. Das Zitter-Aufnahmesignal
wird auch durch einen Zitter-Sinus-Demodulator 162 mit
der Referenz-Sinuswellenform demoduliert. Diese Demodulation wird
durchgeführt,
um die Amplitude und Phase der Zittergeschwindigkeit zu bestimmen.
Die Ausgänge
der Demodulatoren 160 und 162 werden durch Integratoren 164 bzw. 166 integriert.
Die demodulierte und integrierte Information wird an den Systemprozessorbus 175 für eine Amplituden-
und Frequenzsteuerung zugeführt.
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Die
Zitterwinkelgeschwindigkeit θ . relativ zu dem Drehmoment T, welches
angelegt wird, wird folgendermaßen
gegeben:
wobei ω
0 die
Resonanzfrequenz in rad/s ist. Bei Resonanz sind θ . und T zueinander
in Phase. Bei Frequenzen über
der Resonanz läuft
T vor θ . voran; und bei Frequenzen unter der Resonanz hängt T hinter θ . hinterher. Somit
ist die Phasenbeziehung zwischen T und θ . eine Diskriminante für die Resonanzfrequenz.
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Um
die richtigen Signalbeziehungen zu erreichen wird die Drehmomentphase
in der Weise einer geschlossenen Schleife eingestellt, um so eine
Zitterwinkelfrequenz θ . zu erhalten, die vollständig in-Phase zu dem Kosinus-Wellenformausgang
von der Tabelle 150 ist. Die Phase des Drehmomentantriebs wird dann
beobachtet. Wenn eine signifikante Quadratur-(d.h. Sinus)-Komponente
benötigt
wird, dann wird die Frequenz um ein Inkrement (zum Beispiel 1 Hz)
in Abhängigkeit
von der Polarität
des Quadratur-Demodulators
nach oben oder nach unten gestuft. Dies stellt sicher, dass die
Zitterfrequenz immer nahe zu der Resonanzfrequenz bleiben wird.
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Die
Summe der Quadrate der Signale, die von den Aufnahmedemodulatoren 160 und 162 ausgegeben
werden, ist proportional zu der Zitterwinkelfrequenz. Die Zitterwinkelfrequenz
wird auf einen spezifizierten Wert gesteuert, der den Winkelraten-Skalierungsfaktor
der Mehrsensoreinrichtung einstellt. Eine Amplituden- und Phasensteuerung
findet vorzugsweise bei einer 600 Hz Rate in dem Systemprozessor
statt. Eine Frequenzsteuerung findet vorzugsweise bei einer 0,5
Hz Rate in dem Systemprozessor statt.
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Um
eine ausreichende Bandbreite zum Wiederherstellen des Beschleunigungsmessgeräts 100 sicherzustellen
wird eine Hochfrequenz-Anregung (z.B. 250 kHz) an die Beschleunigungsmessgerät-Drehmomenteinrichtungen
angelegt. Signale, die von dem Beschleunigungsmessgerät 100 aufgenommen
werden, werden durch die Aufnahmedemodulatoren 112 demoduliert,
um ein Signal hervorzubringen, welches proportional zu der Abweichung
von Null ist. Jedes der Aufnahmesignale wird verstärkt und über den
Multiplexer 114 an den A/D Wandler 116 bereitgestellt.
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Jedes
der sechs Beschleunigungsmessgerät-Aufnahmesignale
wird durch den A/D Wandler 116 digitalisiert. Die Rate
einer Digitalisierung ist vorzugsweise 19,2 kHz. Die digitalisierten
Beschleunigungsmessgerät-Aufnahmesignale
werden an den digitalen Signalprozessor 80 zur Eingabe
an eine Aufnahmesignal-Verarbeitungsschaltung 165 bereitgestellt,
die ein Paar von Rebalance-Pfade 169 und 171 einschließt. Der
Rebalance-Pfad 169 ist ein In-Phase-Kanal, und der Rebalance-Pfad 171 ist
ein Quadratur-Phasen-Kanal.
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Der
Rebalance-Pfad 190 ist ein Niederfrequenzkanal, der dem
Effekt einer linearen Beschleunigung auf die Nachweismassen 102 entgegenwirkt.
Die Rebalance-Pfade 169 und 171 sind Kanäle, die
mit dem Zitterträgersignal
arbeiten und die die Coriolis-Kräfte,
die auf die Nachweismassen 102 wirken, auf Null bringen. Die
Verwendung der digitalen Rückkopplungskanäle verhindert
die Ansammlung von Fehlern als Folge von Offsets in analogen elektronischen
Anordnungen und insbesondere beseitigt sie diese Fehler von dem
Demodulationsprozess, der mit dem Winkelratensignal ausgeführt wird.
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Noch
bezugnehmend auf 7 werden in dem Quadraturkanal 171 Signale
von dem Analog-zu-Digital-Wandler 116 einem
Quadraturphasen-Demodulator 172 eingegeben, der sein Referenzsignal
von dem Sinus-Generator 140 empfängt. Die Signale, die von dem
Quadraturphasen-Demodulator 172 ausgegeben werden, werden
einer Kompensatorschaltung 176 eingegeben und dann durch
einen Integrator 178 integriert. Signale, die von dem Integrator 178 ausgegeben
werden, werden dann einem Quadraturphasen-Remodulator 180 eingegeben,
der ebenfalls sein Referenzsignal von dem Sinus-Generator 140 empfängt. Der
Ausgang des Quadraturphasen-Remodulators 180 wird einer
Arithmetiklogikeinheit (ALU) 182 eingegeben.
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In
dem In-Phase-Kanal 169 werden Signale von dem Analog-zu-Digital-Wandler 116 einem
In-Phase-Demodulator 174 eingegeben,
der sein Referenzsignal von dem Kosinus-Generator 142 empfängt. Signale von
dem In-Phase-Demodulator 174 werden in einen Kompensator 184 geführt und
dann durch einen Integrator 186 integriert. Der Signalausgang
von dem Integrator 186 ist der Coriolis-Beschleunigungsausgang, der an den Systemprozessorbus 175 geliefert
wird. Signale, die von dem Integrator 186 ausgegeben werden,
werden auch einem In-Phase-Remodulator 188 eingegeben,
der ebenfalls sein Referenzsignal von dem Kosinus-Generator 142 empfängt. Der
Ausgang des In-Phase-Remodulators 188 ist
mit der ALU 182 verbunden.
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Signale,
von dem Analog-zu-Digital-Wandler 116 werden auch einer
Beschleunigungsschleife 190 eingegeben. Die Beschleunigungsschleife 190 umfasst
ein digitales Kerbenfilter 192, welches mit dem digitalisierten
Aufnahmesignal arbeitet, das von dem Analog-zu-Digital-Wandler 116 empfangen
wird, um Signalkomponenten bei der Zitterfrequenz abzuweisen. Das
sich ergebende gefilterte Signal wird durch einen digitalen Schleifenkompensator 200 verarbeitet
und dann durch einen Integrator 202 integriert. Die Beschleunigungsschleife 190 weist
eine integrale Verstärkung
auf, um ein Beschleunigungsrückkopplungssignal
bereitzustellen, welches von dem Integrator 202 ausgegeben
und dem Systemprozessorbus 175 und der ALU 182 eingegeben
wird. Die Signale, die von der ALU 182 ausgegeben werden,
werden dem Digital-zu-Analog-Wandler 121 eingegeben, der
ein Teil der Ansteuer-Schaltungsanordnung
für die
Beschleunigungsnessgeräte 100 ist.
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Dieses
Beschleunigungsrückkopplungssignal
ist proportional zu der durchschnittlichen Beschleunigung (oder ΔV) über dem
Aktualisierungs-Timerintervall von ungefähr 50μs. Die sechs Ausgänge dieser
Art stellen die Beschleunigungen dar, die entlang der Eingangsachsen
des Beschleunigungsmessgerätchips
gemessen werden.
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Die
Coriolis-Beschleunigung, die proportional zu der Winkelrate ist,
ist in-Phase zu der Zitterwinkelfrequenz. Jedoch könnte eine
Kopplung der tangentialen Zitterbeschleunigung in die Beschleunigungsmessgeräte 100 hinein
potentiell zu einer großen
unerwünschten
Quadraturkomponente bei der Zitterfrequenz führen. Wie voranstehend diskutiert
müssen
sowohl die Quadratur als auch die In-Phase-Komponenten auf Null gebracht werden,
um Fehler als Folge von Aufnahme-Phasenverschiebungen zu vermeiden.
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Der
In-Phase-Remodulator 188 ist auf die Zitter-Aufnahme-Frequenz
synchronisiert. Die Kombination des Kompensators 184, gefolgt
von der Summationseinheit 186, weist eine integrale Verstärkung auf
um ein Maß der
Coriolis-Beschleunigung zuzuführen
und die Amplitude für
den In-Phase-Remodulator 188 einzustellen,
der die Coriolis-Komponente auf Null ansteuert. Die Amplitude wird
einmal in jedem Zitterzyklus aktualisiert, um eine ausreichende
Schleifen-Bandbreite sicherzustellen. Diese Amplitude stellt die
durchschnittliche Winkelrate über
einem Zitterzyklus dar.
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Der
Quadraturkanal 171 enthält
keine Information über
die Coriolis-Beschleunigung, aber die Anwendung des demodulierten
Quadratursignals stellt sicher, dass das Beschleunigungsmessgerät-Aufnahmesignal auf
Null bleiben wird. Somit wird die Amplitude des Quadratur-Remodulators 180 ebenfalls
einmal bei jedem Zitterzyklus aktualisiert. Die In-Phase-, Quadratur-
und Niederfrequenz-Signalkomponenten
von der Beschleunigungsschleife werden alle zusammen in der ALU 182 addiert.
Der Ausgang der ALU 182 ist ein digitales Wort, das an
den Digital-zu-Analog-Wandler 121 angelegt wird, der vorzugsweise
ein D/A Wandler mit. hoher Genauigkeit des Typs, der in Compact-Disc-Playern
verwendet wird, ist. Eine Umwandlung findet bei 20 kHz statt, um
eine ausreichende Zeitauflösung
für eine
Neubildung der 2 kHz Zitter-Wellenform zu ermöglichen.
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Der
Ausgang des D/A Wandlers wird verwendet, um eine positive und negative
Spannung unter Verwendung von linearen Verstärkern in invertierender Konfiguration
zu erzeugen. Eine Aufnahmeerregung mit hoher Frequenz (typischerweise
ungefähr
250 kHz) von dem Aufnahme-Erregungs-Generator 124 wird zu den positiven
und negativen Signalpfaden addiert und subtrahiert. Die kombinierten
Signale werden dann an die oberen und unteren Drehmomentplatten
des Beschleunigungsmessgeräts
angelegt. Die Verwendung einer differenziell angelegten Plattenspannung
zusammen mit einer Spannung, die auf dem Pendel vorhanden ist, bewirkt,
dass eine elektrostatische Kraft entwickelt wird, wobei die Kraft
gelöscht
wird, die von sowohl den linearen als auch den Coriolis-Beschleunigungs-Komponenten
erzeugt wird, und wodurch eine Aufnahme bei Null beibehalten wird.
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8 zeigt
ein analoges System 300 zur Verarbeitung von Coriolis-Signalen,
die durch eine Bewegung einer Nachweismasse 302 zwischen
einem Paar von Kondensatorplatten 304 und 306 ausgegeben
werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Nachweismasse 302 und
die Kondensatorplatten 304 und 306 lediglich Beispiele
eines Coriolis-Kraft-Sensors sind. In der tatsächlichen Praxis würde ein
Sensoraufbau ähnlich
zu demjenigen, der in dem U.S. Patent 5.065.627 offenbart ist, zur
Umsetzung der Erfindung bevorzugt werden. Ein Kondensator 308 koppelt
das Sensorausgangssignal an einen Verstärker 310. Eine Spannung
Vbias wird an die Nachweismasse 302 über einen
Widerstand 312 angelegt.
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Das
verstärkte
Sensorausgangssignal geht durch einen Kondensator 314 an
einen Aufnahme-Demodulator 316.
Ein erstes Aufnahme-Erregungssignal wird an den Aufnahme-Demodulator 326 und
an die Kondensatorplatte 304 über die Summationseinheit 329 angelegt.
Ein zweites Aufnahme-Erregungssignal
wird an die Kondensatorplatte 306 über die Summationseinheit 331 angelegt.
Das zweite Aufnahme-Erregungssignal ist zu dem ersten Aufnahme-Erregungssignal
180° phasenverschoben.
Die Aufrnahme-Erregungssignale weisen vorzugsweise eine Frequenz
von 205 kHz auf.
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Der
Aufnahme-Demodulator 316 stellt Signale an einer Beschleunigungseinfangschleife 318 und
an einer Winkelraten-Einfangschleife 320 bereit. Die Beschleunigungseinfangschleife 318 umfasst
eine Servokompensationsschaltung 322, die ein Beschleunigungsausgangssignal
erzeugt. Das Beschleunigungsausgangssignal wird einer Summationseinheit 324 eingegeben.
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Die
Winkelratenschleife 320 umfasst einen Sinus/Kosinus-Demodulator 326,
der mit dem Aufnahme-Demodulator 316 verbunden ist, um
den Signalausgang davon zu empfangen. Signale, die von dem Sinus/Kosinus-Demodulator 326 ausgeben
werden, werden einer Schaltung 328 mit integraler Verstärkung eingegeben.
Die Signale, die von der Schaltung 328 mit integraler Verstärkung ausgegeben
wird, ist das Ratenausgangssignal. Das Ratenausgangssignal wird
einer Sinus/Kosinus-Remodulatorschaltung 330 eingegeben. Ein
Zitterreferenzsignal wird der Sinus/Kosinus-Remodulatorschaltung 330 und
der Demodulatorschaltung 326 eingegeben.
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Signale,
die von der Sinus/Kosinus-Modulatorschaltung 330 ausgegeben
werden, werden der Summationseinheit 324 eingegeben. Die
Summationseinheit 324 addiert das Beschleunigungsausgangssignal
und das modulierte Winkelratensignal und stellt ein Drehmomentrückkopplungssignal
an einen Übergang 332 bereit,
der mit den Summationseinheiten 329 und 331 verbunden
ist. Die Summationseinheit 329 addiert das Drehmomentrückkopplungssignal 332 zu
einem 0° Aufnahme-Erregungssignal
und die Summationseinheit 331 subtrahiert das Rückkopplungssignal 332 von
der 180° Aufnahme-Erregung.
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9 illustriert
ein digitales System zum Verarbeiten der Sensorausgangssignale.
Wie in 6 gezeigt umfasst das vollständige Sensorsystem sechs Beschleunigungssensoren.
Sechs Sensoren werden verwendet, um Signale zu erhalten, die die
Winkelrate und die Beschleunigung für jede der drei zueinander
senkrechten Achsen anzeigen.
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Für die x-Achse
erzeugt das Sensorsystem Signale X1 und X2. Diese Signale weisen
Komponenten XA1 und XR1 bzw.
XA2 und XR1 auf.
Das Sensorsystem erzeugt ähnliche
Signale für
die y-Achse und
die z-Achse für
insgesamt zwölf
Signale. Diese Signale ergeben sich aus 8, die eine
Messung der Raten und Beschleunigungen darstellt. Für ein Dualrotor-Gegenzitterungs-System
mit zwei Sätzen
von Sensoren für
jede Achse kann die entsprechende Rate und die Beschleunigungssignale
180° phasenverschoben
in Zitterungen versetzt werden, um einen hohen Grad einer Gemeinschaftsmodus-Abweisung von linearen
und winkelmäßigen Vibrationen
hoher Frequenz zu erzielen. In einem digitalen Verarbeitungssystem
tritt die gesamte Signalverarbeitung der Raten- und Beschleunigungssignale
in dem Systemprozessor 384 auf, ohne dass zusätzliche Elektronik
benötigt
wird.
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Die
Signale XA1 und XA2 werden
durch eine Summationseinheit 350 kombiniert, um ein Beschleunigungssignal
XA zu erzeugen. Die Signale YA1 und
YA2 und die Signale ZA1 und
ZA2 werden durch die Summationseinheiten 352 bzw. 354 kombiniert.
Die Summationseinheiten 352 und 354 erzeugen jeweils
Beschleunigungssignale YA und ZA.
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Die
Signale XR1 und XR2 werden
durch eine Summationseinheit 356 kombiniert, um ein Signal
XR zu erzeugen. Die Signale YR1 und
YR2 und ZR1 und
ZR2 werden in ähnlicher Weise durch Summationseinheiten 358 und 360 kombiniert,
um jeweils Ratensignale YR und ZR zu erzeugen.
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Die
Beschleunigungssignale XA, YA und
ZA werden jeweils in Schaltern 364–366 eingegeben.
Die Schalter 364–366 sind
jeweils mit Abtast- und Halteschaltungen 370–372 verbunden.
Die Ausgänge
der Abtast- und Halteschaltungen 370–372 werden einem
Multiplexer 374 eingegeben, der ein Ausgangssignal an einer
Analog-zu-Digital-Schaltung 378 bereitstellt. Der Adressenbus 382 liefert
ein geeignetes Steuersignal an den Multiplexer 374, um
sequentiell den Kanal zu wählen,
der umgewandelt werden soll. Die Analog-zu-Digital-Schaltung 378 stellt
einen digitalen Signalausgang an einen digitalen Controller und
dem Signalprozessor 384 bereit.
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Die
Drehungsratensignale XR, YR und
ZR werden jeweils den Schaltern 390–392 eingegeben.
Die Schalter 390–392 sind
mit Abtast- und Halteschaltungen 394–396 jeweils verbunden.
Die Ausgänge
der Abtast- und Halteschaltungen 394–396 werden einem
Multiplexer 400 eingegeben, der ein Ausgangssignal an einer
Analog-zu-Digital-Schaltung 402 bereitstellt. Der Adressenbus 408 liefert
das geeignete Steuersignal an den Multiplexer 400, um sequentiell
die Kanäle
zu wählen,
die umgewandelt werden sollen. Die Analog-zu-Digital-Schaltung 402 stellt
einen digitalen Signalausgang an den digitalen Controller und den
Signalprozessor 384 bereit, der Daten zur Verwendung in
dem System verarbeitet und ausgibt.