EP2646774A1 - Vorrichtung zur messung einer drehrate - Google Patents

Vorrichtung zur messung einer drehrate

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Publication number
EP2646774A1
EP2646774A1 EP11794031.2A EP11794031A EP2646774A1 EP 2646774 A1 EP2646774 A1 EP 2646774A1 EP 11794031 A EP11794031 A EP 11794031A EP 2646774 A1 EP2646774 A1 EP 2646774A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
primary
signal
axis
sensor
mass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11794031.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Rombach
Thomas Northemann
Michael Maurer
Matthias Dienger
Yiannos Manoli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Original Assignee
Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV, Albert Ludwigs Universitaet Freiburg filed Critical Hann Schickard Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Publication of EP2646774A1 publication Critical patent/EP2646774A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5776—Signal processing not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring a rotation rate, comprising a mechanical rotation rate sensor having an inertial mass, which is displaceable by means of an excitation means along a primary axis in a primary vibration and along a transverse to the primary axis secondary axis is deflectable such that they occur when a rotation rate a secondary axis excited by the Coriolis force passes through a sensitive axis extending transversely to the primary axis and transverse to the secondary axis along the secondary axis, with at least one sensor element for detecting an amplitude-modulated sensor signal for the secondary oscillation, with a sigma-delta modulator having a sigma-delta modulator Sensor element associated low-pass filter, a quantizer downstream of this and a arranged in a feedback path secondary actuator by means of which a Coriolis force counteracting force is exerted on the mass, the second , Raktor is connected in such a way over the remindplungspfdd to the quantizer that
  • Such a device is known in practice. It is used, for example, in driver assistance systems of motor vehicles, in electronic devices which decelerate individual wheels to stabilize the driving state of a motor vehicle or in navigation systems.
  • the rotation rate sensor of the device has an inertial mass, which is constantly displaced by means of an excitation device relative to a holder in a primary vibration. The mass is suspended in such a way that upon the occurrence of a rate of rotation about a sensitive axis extending orthogonally to the axis of the primary oscillation it is excited by the Coriolis force to a secondary oscillation.
  • the axis of the secondary vibration is aligned orthogonal to the primary vibration and orthogonal to the sensitive axis.
  • the secondary oscillation is measured by means of a sensor element and converted into a corresponding analog electrical sensor signal. Since the mass to
  • the sensor signal is an amplitude modulated signal.
  • the carrier frequency of this signal corresponds to the frequency of the primary oscillation.
  • the analog sensor signal is digitized using a sigma-delta modulator.
  • the output signal of the sigma-delta delta modulator is thus a binary signal with a high clock frequency, a so-called bitstream.
  • this leads to a high quantization error or a strong quantization noise the integration behavior of the sigma-delta modulator leads to the so-called noise-shaping eflect, which spectrally shapes the noise and largely separates it from the signal. Mt the lowass
  • the quantization noise can be very effectively suppressed.
  • the device has a secondary reactor; by means of which between the mass and the holder a force can be applied, which counteracts the Coriolis force.
  • the secondary reactor is connected to the quantizer via a feedback path such that a feedback signal from the quantizer compensates for the secondary oscillation over the time average.
  • the binary bitstream is used. This means that the mass-acting Coriolis force is almost completely compensated. This also increases the noise immunity and ultimately the resolution of the rotation rate signal.
  • the device has the disadvantage that the sampling frequency of the quantizer must be very high due to the low-pass filter, because now the signal band to be scanned is broadened.
  • the signal band is not only a small range and the frequency of the primary vibration around but ranges from the baseband to the amplitude-modulated yaw rate signal. Usually, the sampling frequency is about one hundred times the frequency of the primary vibration. The device therefore has a correspondingly high energy consumption
  • the sampling frequency of the quantizer can be reduced by using a bandpass as a loop filter instead of the low-pass filter.
  • the operational amplifiers used In order to generate the necessary steepness of the transfer function of the bandpass filter, the operational amplifiers used must have a high gain in the signal band, so that they still work reliably at the input signal frequency. Due to the high gain, however, there is also a high energy consumption.
  • the comparator is operated at a sampling frequency which usually corresponds to 4-8 times the resonant frequency of the mechanical sensor. This additionally increases energy consumption.
  • a first modulation stage is arranged for shifting the frequency band of the amplitude-modulated sensor signal into a lower frequency range between the sensor element and the low-pass filter
  • a second modulation stage is arranged for reversing the frequency shift in the feedback path between the quantizer and the yaw rate sensor.
  • this makes it possible to operate the quantizer with a relatively low sampling rate, but nevertheless to provide a low-pass filter as a loop filter.
  • the device can be operated energy saving. Due to the compensation of the Coriolis force caused by the feedback path, a high linearity and bandwidth of the rotation rate measurement signal are made possible.
  • the rotation rate measurement signal is largely independent of temperature influences.
  • the rotation rate sensor can be designed as a tuning fork gyroscope.
  • a gyroscope is known from Ajit Sharma et al .: A High-Q In-Plane SOI Tuning Fork Gyroscope, IEEE (2004), pages 467-470.
  • the rotation rate sensor can also have a primary mass and a secondary mass, the latter forming the inertial mass.
  • the primary mass is arranged deflectable on the i o bracket along a primary axis.
  • the secondary mass is suspended in such a way that it can be deflected orthogonally to the primary axis along a secondary axis relative to the primary axis.
  • the arrangement formed by the primary and the secondary mass is in driving connection with an excitation device, by means of which the arrangement along the primary
  • the first modulation stage has a first input connected to a sensor signal output of the sensor element and a second connected to a signal generator
  • the second modulation stage has a first input connected to an output of the quantizer and a second input connected to the signal generator, and wherein the signal generator is designed to generate a drive signal having at least one sinusoidal component.
  • Modulation signal are thus modulated in their associated modulation stage in each case with the sinusoidal component of the drive signal or m ulti pli instance. Because of this, the sensor signal and the vertical delta modulation signal can each be shifted energy-savingly into another frequency band.
  • the excitation device for generating the primary oscillation has a primary actuator which is in driving connection with the mass, and if the primary reactor is synchronized with the sinusoidal signal generator.
  • the same sinusoidal signal can be used to drive the primary actuator and operate the 35 modulation stages.
  • the sigma-delta modulator has a sampling device which is synchronized with the signal generator.
  • the drive signal provided by the sine signal generator can also be used for clocking the sampling device.
  • FIG. 1 shows a control circuit equivalent circuit diagram of a device for measuring a rotation rate, which has an electromechanical sigma-delta modulator, and
  • FIG. 2 shows an example of the power density spectrum of a sigma-delta-modulated yaw rate signal measured by the device
  • a device 1 for measuring a rate of rotation has a mechanical rotation rate sensor 2, which is shown only schematically in the drawing, and has a primary mass which is deflectably arranged on a holder along a primary axis.
  • An inert secondary mass is suspended on the primary mass in such a way that it can be deflected orthogonally to the primary axis along a secondary axis relative to the primary axis.
  • the primary mass is in drive connection with an excitation device, by means of which the arrangement consisting of the primary mass and the secondary mass can be moved back and forth parallel to the primary axis.
  • an excitation device for generating a sinusoidal component having a drive signal for the excitation device, this has a sine signal generator 3.
  • the primary oscillation generated by means of the excitation means has a constant amplitude and a constant frequency The frequency of the primary oscillation substantially coincides with the resonant frequency of the arrangement.
  • a sensor element 4 which has at least one first electrode arranged on the primary mass and at least one second electrode arranged on the secondary mass, an electrical sensor signal dependent on the secondary oscillation is detected. Since the primary mass must be excited to the primary vibration to detect the sensor signal, the sensor signal is amplitude modulated. The carrier frequency of the sensor signal coincides with that of the frequency of the primary vibration.
  • a sensor signal output of the sensor element 4 is connected to a first input of a first modulation stage 5.
  • a second input of the first modulation stage 5 is connected to the output of the sinusoidal signal generator 3.
  • the rotation rate signal is modulated into the baseband.
  • the correspondingly modulated analog rotation rate signal is output at an output of the first modulation stage 5.
  • This output is connected to an input of a third-order analog low-pass filter 6.
  • the signal is amplified and the quantization noise is suppressed and thus advantageously formed from the baseband.
  • the low-pass filter 6 has the following Laplace transform
  • An output of the analog low-pass filter ⁇ is connected to a first comparator input of a comparator 7 serving as a 1-bit analog-to-digital converter or quantizer.
  • a second, not shown in detail in the drawing input the comparator is at a predetermined electrical potential.
  • the compati- rator 7 has a scanning device not illustrated in the drawing, which samples the signal at the first comparator input modulated signal syn ⁇ chron to the sinusoidal drive signal of the sine wave generator. 3
  • the sampling device has for this purpose a clock signal input which is connected to the sine signal generator 3.
  • the sigma-delta modulation signal generated by comparing the sampled signal with the predetermined electric potential is output in the form of a bit stream.
  • the output 8 of the comparator 7 is connected via a feedback path to a first input of a second modulation stage 9.
  • a second input of the second modulation stage 9 is connected to the output of the sinusoidal signal generator 3.
  • the sigma-delta modulation signal is highly modulated to the input frequency.
  • the signal thus obtained is amplified to drive a secondary reactor 10 located in the feedback path.
  • the latter applies a force between the primary mass and the secondary mass, which counteracts the Coriolis force F c , as a function of the sigma-delta modulation signal highly modulated onto the input frequency.
  • this is shown schematically by an adder 1 1.
  • the displacement of the primary mass is compensated in the time average.
  • the device therefore has a closed electromechanical control loop for processing the rotation rate signal
  • FIG. 2 shows graphically an example of the power density spectrum of a sigma-delta modulation signal applied to the output 8 of the comparator 7.
  • the typical noise-shaping behavior of the sigma-delta converter is clearly recognizable, in which the resonance almost completely disappears.

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Abstract

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

Description

Vorrichtung zur Messung einer Drehrate
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Drehrate, mit einem mechanischen Drehratensensor, der eine träge Masse aufweist, die mittels einer Anregungseinrichtung entlang einer Primärachse in eine Primärschwingung versetzbar und entlang einer quer zur Primärachse verlaufenden Sekundärachse derart auslenkbar ist, dass sie beim Auftreten einer Drehrate um eine quer zur Primärachse und quer zur Sekundärachse verlaufende sensitive Achse entlang der Sekundärachse eine durch die Coriolis-Kraft angeregte Sekundärschwingung durchfuhrt, mit mindestens einem Sensorelement zur Erfassung eines amplitudenmodulierten Sensorsignals für die Sekundärschwingung, mit einem Sigma-Delta- Modulator, der einen mit dem Sensorelement verbundenen Tiefpassfilter, einen diesem nachgeschalteten Quantisierer und einen in einem Rückkopplungspfad angeordneten Sekundäraktor aufweist, mittels dem eine der Coriolis-Kraft entge- genwirkenden Kraft auf die Masse ausübbar ist, wobei der Sekundäraktor derart über den Rückkopplungspfdd mit dem Quantisierer verbunden ist, dass ein Rückkopplungssignal im zeitlichen Mittel die Auslenkung der Masse in Richtung der Sekundärschwingung kompensiert. Eine derartige Vorrichtung ist aus der Praxis bekannt. Sie wird beispielsweise in Fahrerassistenzsystemen von Kraftfahrzeugen, in elektronischen Einrichtungen, welche zur Stabilisierung des Fahrzustands eines Kraftfahrzeugs einzelne Räder abbremsen oder in Navigationssystemen verwendet. Der Drehratensensor der Vorrichtung hat eine träge Masse, die mittels einer Anregungseinrichtung relativ zu einer Halterung konstant in eine Primärschwingung versetzt wird. Die Masse ist derart aufgehängt, dass sie beim Auftreten einer Drehrate um eine orthogonal zur Achse der Primärschwingung verlaufende sensitive Achse durch die Coriolis-Kraft zu einer Sekundärschwingung angeregt wird. Dabei ist die Achse der Sekundärschwingung orthogonal zur Primärschwingung und orthogonal zur sensitiven Achse ausgerichtet.
Die Sekundärschwingung wird mit Hilfe eines Sensorelements gemessen und in ein entsprechendes analoges elektrisches Sensorsignal konvertiert. Da die Masse zur
BESTÄTIGUNGSKOPIE Primärschwingung angeregt werden muss, um das Drehratensignal zu detektieren, ist das Sensorsignal ein amplitudenmoduliertes Signal. Die Trägerfrequenz dieses Signals entspricht der Frequenz der Primärschwingung.
5 Das analoge Sensorsignal wird mit Hilfe eines Sigma-Delta-Modulators digitalisiert.
Dieser weist einen Tiefpassfilter und einen 1 -Bit-Quantisierer auf, mit dem das tiefpassgefilterte analoge Sensorsignal mit einer Frequenz, die weit oberhalb der benötigten Nyquistfrequenz liegt, abgetastet und digitalisiert wird. So wird eine hohe zeitliche Auflösung des Sensorsignals erreicht. Das Ausgangssignal des Sigma- i o Delta-Modulators ist also ein binäres Signal mit hoher Taktfrequenz, ein sogenannter Bitstream. Dies fuhrt zwar zu einem hohen Quantisierungsfehler bzw. einem starken Quantisierungsrauschen, durch das Integrationsverhalten des Sigma-Delta- Modulators kommt es allerdings zum sogenannten Noise-Shaping-Eflekt, der das Rauschen spektral formt und vom Signal weitestgehend trennt. Mt dem Tiefoass-
15 Filter kann das Quantisierungsrauschen sehr effektiv unterdrückt werden.
In Verbindung mit einer Dezimierung des Signals wird dessen hohe zeitliche Auflösung in eine hohe Amplitudenauflösung umgewandelt. Im Vergleich zu anderen analog-digital Umsetzverfähren lässt sich diese hohe Auflösung mit guter 20 Umsetzgeschwindigkeit, Linearität und vor allem mit Bauteilen hoher Integrationsdichte erreichen. Aufgrund der Schaltungsstruktur und der Funktionsweise kann mit Hilfe des Sigma-Delta-Modulators auch eine Vereinigung aus mechanischem Sensor und elektrischem Wandler verwirklicht werden.
25 Zum Erhöhen der Linearität der Messung weist die Vorrichtung einen Sekundäraktor auf; mittels dem zwischen der Masse und der Halterung eine Kraft aufbringbar ist, die der Coriolis-Kraft entgegenwirkt. Der Sekundäraktor ist derart über einen Rückkopplungspfad mit dem Quantisierer verbunden, dass ein Rückkopplungssignal des Quantisierers im zeitlichen Mittel die Sekundärschwingung kompensiert. Als
30 Rückkopplungssignal wird der binäre Bitstream verwendet. Dies bedeutet dass die auf die Masse wirkende Coriolis-Kraft fast vollständig kompensiert wird. Dadurch wird auch die Störunempfindlichkeit und letztendlich die Auflösung des Drehratensignals erhöht. Die Vorrichtung hat den Nachteil, dass durch den Tiefpassfilter die Abtastfrequenz des Quantisierers sehr hoch sein muss, weil nun das abzutastende Signalband verbreitert wird. Das Signalband ist nicht nur ein kleiner Bereich und die Frequenz der Primärschwingung herum sondern reicht vom Basisband bis zum amplituden- modulierten Drehratensignal heran. Gewöhnlich beträgt die Abtastfrequenz etwa das Hundertfache der Frequenz der Primärschwingung. Die Vorrichtung weist deshalb einen entsprechend hohen Energieverbrauch auf
Die Abtastfrequenz des Quantisierers kann zwar dadurch reduziert werden, dass anstelle des Tiefpassfilters ein Bandpass als Schleifenfilter verwendet wird. Um die nötige Steilheit der Übertragungsfunktion des Bandpass-Filters zu generieren, müssen die verwendeten Operationsverstärker eine hohe Verstärkung im Signalband haben, damit sie auch noch bei der Eingangssignalfrequenz zuverlässig arbeiten. Durch die hohe Verstärkung ergibt sich aber ebenfalls ein hoher Energie- verbrauch. Zudem wird der Komparator mit einer Abtastfrequenz betrieben die gewöhnlich dem 4-8 fachen der Resonanzfrequenz des mechanischen Sensors entspricht. Dies erhöht den Energieverbrauch zusätzlich.
Es besteht deshalb die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einer geringen Energieaufnahme eine zuverlässige und präzise Detektion des Drehratensignals ermöglicht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zum Verschieben des Frequenzbands des amplitudenmodulierten Sensorsignals in einen niedrigeren Frequenzbereich zwischen dem Sensorelement und dem Tiefpassfilter eine erste Modulationsstufe angeordnet ist, und dass zum Rückgängigmachen der Frequenzverschiebung im Rückkopplungspfad zwischen dem Quantisierer und dem Drehratensensor eine zweite Modulationsstufe angeordnet ist. In vorteilhafter Weise ist es dadurch möglich, den Quantisierer mit einer relativ geringen Abtastrate zu betreiben, aber dennoch als Schleifenfilter ein Tiefpassfilter vorzusehen. Somit kann die Vorrichtung energiesparend betrieben werden. Durch die durch den Rückkopplungspfad bewirkte Kompensation der Coriolis-Kraft wird eine hohe Linearität und Bandbreite des Drehraten-Messsignals ermöglicht. Außerdem ist das Drehraten-Messsignal weitgehend unabhängig von Temperatureinflüssen.
Der Drehratensensor kann als Stimmgabel-Gyroskop ausgestaltet sein. Ein solches 5 Gyroskop ist aus Ajit Sharma et al.:„A High-Q In-Plane SOI Tuning Fork Gyroskop", IEEE (2004), Seite 467-470 bekannt.
Der Drehratensensor kann aber auch eine Primär- und eine Sekundärmasse aufweisen, wobei letztere die träge Masse bildet. Die Primärmasse ist an der i o Halterung entlang einer Primärachse auslenkbar angeordnet. An der Primärmasse ist die Sekundärmasse derart aufgehängt, dass sie orthogonal zur Primärachse entlang einer Sekundärachse relativ zur Primärachse auslenkbar ist. Die aus der Primär- und der Sekundärmasse gebildete Anordnung steht mit einer Anregungseinrichtung in Antriebsverbindung, mittels der die Anordnung entlang der Primär-
15 achse hin- und herbewegbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsförm der Erfindung weist die erste Modulationsstufe einen mit einem Sensorsignalausgang des Sensorelements verbundenen ersten Eingang und einen mit einem Signalgenerator verbundenen zweiten
20 Eingang auf, wobei die zweite Modulationsstufe einen mit einem Ausgang des Quantisierers verbundenen ersten Eingang und einen mit dem Signalgenerator verbundenen zweiten Eingang hat, und wobei der Signalgenerator zum Erzeugen eines zumindest eine sinusförmige Komponente aufweisenden Ansteuersignais ausgebildet ist. Das tiefpassgefilterte Sensorsignal und das Sig ma-Delta-
25 Modulationssignal werden also in der ihnen zugeordneten Modulationsstufe jeweils mit der sinusförmigen Komponente des Ansteuersignais moduliert bzw. m ulti pliziert. Da d urch kö n n en das Sensorsig na l u nd das S ig ma-Delta- Modulationssignal jeweils energiesparend in ein anderes Frequenzband verschoben werden.
30
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Anregungseinrichtung zum Erzeugen der Primärschwingung einen mit der Masse in Antriebsverbindung stehenden Primäraktor aufweist, und wenn der Primäraktor mit dem Sinussignalgenerator sychroni- siert ist. Somit kann für zum Ansteuern des Primäraktors und zum Betreiben der 35 Modulationsstufen dasselbe Sinussignal verwendet werden. Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist der Sigma-Delta- Modulator eine Abtasteinrichtung auf, die mit dem Signalgenerator synchronisiert ist. Somit kann das von dem Sinussignalgenerator bereit gestellte Ansteuersignal auch zum Takten der Abtasteinrichtung genutzt werden.
Nachfolgend ist ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeig Fig. 1 ein regelungstechnisches Ersatzschaltbild einer Vorrichtung zur Messung einer Drehrate, die einen elektromechanischen Sigma-Delta-Modulator aufweist, und
Fig. 2 ein Beispiel für das Leistungsdichtespektrum eines mit der Vorrichtung gemessenen, sigma-delta-modulierten Drehratensignals, wobei auf der
Abszisse die Frequenz in Herz und auf der Ordinate die Leistung in dBFS/bin aufgetragen sind.
Eine Vorrichtung 1 zur Messung einer Drehrate weist einen in der Zeichnung nur schematisch dargestellten mechanischen Drehratensensor 2 auf, der eine Primärmasse hat, die an einer Halterung entlang einer Primärachse auslenkbar angeordnet ist. An der Primärmasse ist eine träge Sekundärmasse derart aufgehängt, dass sie orthogonal zur Primärachse entlang einer Sekundärachse relativ zur Primärachse auslenkbar ist. Die Primärmasse steht mit einer Anregungseinrichtung in Antriebsverbindung, mittels der die Anordnung, bestehend aus der Primärmasse und der Sekundärmasse parallel zur Primärachse hin- und herbewegbar ist. Zum Erzeugen eines eine sinusförmige Komponente aufweisenden Ansteuersignais für die Anregungseinrichtung weist diese einen Sinussignalgenerator 3 auf Die mit Hilfe der Anregungseinrichtung erzeugte Primärschwingung weist eine konstante Amplitude und eine konstante Frequenz auf Die Frequenz der Primärschwingung stimmt im Wesentlichen mit der Resonanzfrequenz der Anordnung überein. 0
Beim Verdrehen des Drehratensensors 2 um eine orthogonal zur Primärachse und orthogonal zur Sekundärachse angeordnete sensitive Achse wirkt auf die Sekundärmasse die von der Primärmasse m, der Drehrate Ω und der Geschwindigkeit vP der der Primärmasse abhängige Coriolis-Kraft
F c. =— 2 · m · Ω x v p durch welche die Sekundärmasse parallel zur Sekundärachse in eine Sekundärschwingung versetzt wird.
Mit Hilfe eines Sensorelements 4, das mindestens eine erste, an der Primärmasse angeordnete Elektrode und wenigstens eine zweite, an der Sekundärmasse angeordnete Elektrode hat, wird ein von der Sekundärschwingung abhängiges elektrisches Sensorsignal erfasst. Da die Primärmasse zur Primärschwingung angeregt werden muss, um das Sensorsignal zu detektieren, ist das Sensorsignal amplitudenmoduliert. Die Trägerfrequenz des Sensorsignals stimmt mit der der Frequenz der Primärschwingung überein.
Ein Sensorsignalausgang des Sensorelements 4 ist mit einem ersten Eingang einer ersten Modulationsstufe 5 verbunden. Ein zweiter Eingang der ersten Modulationsstufe 5 ist am Ausgang des Sinussignalgenerators 3 angeschlossen. Mt Hilfe der ersten Modulationsstufe 5 wird das Drehratensignal in das Basisband moduliert. Das entsprechend modulierte analoge Drehratensignal wird an einem Ausgang der ersten Modulationsstufe 5 ausgegeben.
Dieser Ausgang ist mit einem Eingang eines analogen Tiefpassfilters 6 dritter Ordnung verbunden. In dem Tiefpassfilter 6 wird das Signal verstärkt und das Quantisierungsrauschen wird unterdrückt und so vorteilhaft aus dem Basisband geformt. Der Tiefpassfilters 6 weist folgende Laplace-Transförmation auf
„ / + 4066s2 + 9,827 · 106s + 1,185 - 1010
H LP KS) =
s
Ein Ausgang des analogen Tiefpassfilters ό ist mit einem ersten Komparatorein- gang eines als 1 Bit Analog-Digitalkonverter bzw. Quantisierer dienenden Kompa- rators 7 verbunden. Ein zweiter, in der Zeichnung nicht näher dargestellter Eingang des Komparators liegt auf einem vorbestimmten elektrischen Potential. Der Kompa- rator 7 weist eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Abtasteinrichtung auf, welche das am ersten Komparatoreingang anliegende modulierte Signal syn¬ chron zu dem sinusförmigen Ansteuersignal des Sinussignalgenerators 3 abtastet. Die Abtasteinrichtung hat zu diesem Zweck einen Taktsignaleingang, der mit dem Sinussignalgenerator 3 verbunden ist.
Am Ausgang 8 des Komparators 7 wird das durch Vergleich des abgetasteten Signals mit dem vorbestimmten elektrischen Potential erzeugte Sigma-Delta- Modulationssignal in Form eines Bitstreams ausgegeben.
Der Ausgang 8 des Komparators 7 ist über einen Rückkopplungspfad mit einem ersten Eingang einer zweiten Modulationsstufe 9 verbunden. Ein zweiter Eingang der zweiten Modulationsstufe 9 ist am Ausgang des Sinussignalgenerators 3 angeschlossen. Mit Hilfe der zweiten Modulationsstufe 9 wird das Sigma-Delta- Modulationssignal auf die Eingangsfrequenz hoch moduliert. Das so erhaltene Signal wird verstärkt, um einen im Rückkopplungspfad befindlichen Sekundäraktor 1 0 anzusteuern. Dieser legt in Abhängigkeit von dem auf die Eingangsfrequenz hoch modulierten Sigma-Delta-Modulationssignal eine Kraft zwischen der Primär- masse und der Sekundärmasse an, welche der Coriolis-Kraft Fc entgegenwirkt. In Fig. 1 ist das durch ein Addierglied 1 1 schematisch dargestellt. Mt Hilfe der von dem Sekundäraktor 1 0 erzeugten Kraft wird die Auslenkung der Primärmasse im zeitlichen Mittel kompensiert. Die Vorrichtung weist also zum Aufbereiten des Drehratensignals einen geschlossenen elektromechanischen Regelkreis auf
Um eine hohe Sensitivität und Auflösung des Drehratensignals zu ermöglichen, können die Resonanzfrequenzen der Primärmasse und der Sekundärmasse aufeinander abgestimmt werden. In Fig. 2 ist ein Beispiel für das Leistungsdichtespektrum eines am Ausgang 8 des Komparators 7 anliegenden Sigma-Delta-Modulationssignals graphisch wiedergegeben. Deutlich ist das typische Noise-Shaping-Verhalten des Sigma-Delta- Konverters erkennbar, bei dem die Resonanz fast vollständig verschwindet.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zur Messung einer Drehrate, mit einem mechanischen Drehratensensor (2), der eine träge Masse aufweist, die mittels einer Anregungseinrichtung entlang einer Primärachse in eine Primärschwingung versetzbar und entlang einer quer zur Primärachse verlaufenden Sekundärachse derart auslenkbar ist, dass sie beim Auftreten einer Drehrate um eine quer zur Primärachse und quer zur Sekundärachse verlaufende sensitive Achse entlang der Sekundärachse eine durch die Coriolis-Kraft angeregte Sekundärschwingung durchführt, mit mindestens einem Sensorelement (4) zur Erfassung eines amplitudenmodulierten Sensorsignals für die Sekundärschwingung, mit einem Sigma-Delta-Modulator, der einen mit dem Sensorelement verbundenen Tiefpassfilter (6), einen diesem nachgeschalteten Quantisierer und einen in einem Rückkopplungspfad angeordneten Sekundäraktor (1 0) aufweist, mittels dem eine der Coriolis-Kraft entgegenwirkenden Kraft auf die Masse ausübbar ist, wobei der Sekundäraktor (1 0) derart über den Rückkopplungspfad mit dem Quantisierer verbunden ist, dass ein Rückkopplungssignal im zeitlichen Mittel die Auslenkung der Masse in Richtung der Sekundärschwingung kompensiert, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschieben des Frequenzbands des amplitudenmodulierten Sensorsignals in einen niedrigeren Frequenzbereich zwischen dem Sensorelement und dem Tiefpassfilter (6) eine erste Modulationsstufe (5) angeordnet ist, und dass zum Rückgängigmachen der Frequenzverschiebung im Rückkopplungspfad zwischen dem Quantisierer und dem Drehratensensor (2) eine zweite Modulationsstufe (9) angeordnet ist.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Modulationsstufe (5) einen mit einem Sensorsignalausgang des Sensorelements (4) verbundenen ersten Eingang und einen mit einem Signalgenerator (3) verbundenen zweiten Eingang aufweist, dass die zweite Modulationsstufe (9) einen mit einem Ausgang des Quantisierers verbundenen ersten Eingang und einen mit dem Signalgenerator (3) verbundenen zweiten Eingang aufweist, und dass der Signalgenerator (3) zum Erzeugen eines zumindest eine sinusförmige Komponente aufweisenden Ansteuersignais ausgebildet ist.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungseinrichtung zum Erzeugen der Primärschwingung einen mit der Masse in Antriebsverbindung stehenden Primäraktor aufweist und dass der Primäraktor mit dem Signalgenerator sychronisiert ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sigma-Delta-Modulator eine Abtasteinrichtung aufweist, die mit dem Signalgenerator synchronisiert ist.
EP11794031.2A 2010-12-02 2011-12-01 Vorrichtung zur messung einer drehrate Withdrawn EP2646774A1 (de)

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DE102010053022.0A DE102010053022B4 (de) 2010-12-02 2010-12-02 Vorrichtung zur Messung einer Drehrate
PCT/EP2011/006018 WO2012072255A1 (de) 2010-12-02 2011-12-01 Vorrichtung zur messung einer drehrate

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Publication Number Publication Date
EP2646774A1 true EP2646774A1 (de) 2013-10-09

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ID=45315712

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