JP2009513929A

JP2009513929A - ヨーレートセンサの監視方法

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Publication number: JP2009513929A
Application number: JP2006516123A
Authority: JP
Inventors: モレルハインツ−ヴェルナー; シュミットディートマー; マイアー−ヴェーゲリンラファエル
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2009-04-02
Also published as: KR20060017648A; EP1639315A1; DE502004010423D1; US7509830B2; WO2005001378A1; EP1639315B1; US20060272386A1

Abstract

振動式ジャイロスコープを備えるヨーレートセンサの監視方法であって、該ヨーレートセンサはバンドパスフィルタであり、かつ少なくとも1つの制御回路の一部であり、該制御回路はデジタルコンポーネントおよびアナログコンポーネントからなり、かつ前記振動式ジャイロスコープを、その固有周波数の励振信号の供給によって励振し、前記振動式ジャイロスコープから出力信号が取り出され、該出力信号からフィルタリングと増幅により励振信号とヨーレート信号が導出される形式のヨーレートセンサの監視方法において、冗長的アナログコンポーネントと少なくとも1つのA/D変換器によってアナログ信号を測定し、特徴値をデジタルコンポーネント内で読み出し、それぞれ限界値と比較する。

Description

本発明は、振動式ジャイロスコープを有するヨーレートセンサの監視方法に関するものであり、該振動式ジャイロスコープはバンドパスフィルタであり、かつ制御回路の少なくとも一部であり、該制御回路はデジタルコンポーネントとアナログコンポーネントからなり、かつ振動式ジャイロスコープを、その固有周波数を備える励振信号の供給によって励振し、前記振動式ジャイロスコープからは出力信号が取り出され、該出力信号からフィルタリングと増幅によって励振信号からヨーレート信号が導出される。

例えばEP0461761B1から、振動式ジャイロスコープが半径方向に配向された2つの軸で励振されるヨーレートセンサが公知である。このために相応の変換器を備える一次制御回路と二次制御回路が振動式ジャイロスコープに設けられている。この種のヨーレートセンサが車両運動の安定化のために車両に使用される場合、故障または誤機能によって危険の生じることがある。このことを回避するためには、ヨーレートセンサの機能監視が必要である。

このような監視は本発明の方法により次のようにして可能になる。すなわち、冗長的アナログコンポーネントと少なくとも1つのA/D変換器によってアナログ信号を測定し、特徴値をデジタルコンポーネント内で読み出し、それぞれ限界値と比較することにより可能になる。

本発明の方法は、動作中にヨーレートセンサをほぼ完全に監視することができ、エラーがアナログコンポーネントでもデジタルコンポーネントでも識別される。しかし本発明の方法との組み合わせ、または本発明の方法の改善形態の枠内で、所定の時点でさらなる監視を実行することもできる。この所定の時点とは例えば、ヨーレートセンサのスイッチオン時点、添加のスイッチオン時点、または自動車の静止状態である。

本発明の方法の改善形態では、励振信号を変調信号により変調する。この変調信号の周波数はバンドパスフィルタの通過領域内にあるが、しかしヨーレート信号の周波数領域外にある側波帯に作用する。そして出力信号においける変調信号の振幅を測定し、この振幅が所定の閾値よりしたにある場合、エラー通報を出力する。

この改善形態により、制御回路全体の機能を振動式ジャイロスコープも含めて動作中に監視することができ、その際にヨーレートセンサの機能が影響を受けることもない。

この改善形態は次のように構成することができる。すなわち出力信号を増幅とA/D変換後に同相成分と直交成分に復調し、同相成分と直交成分をフィルタリング後に再びに変調し、これらを励振信号に合成し、変調信号を復調された成分に加算するのである。

改善形態の有利な実施例では、復調された成分から、変調信号との加算の前に測定信号を取り出し、この測定信号を同期して復調する。このとき有利には測定信号を、復調された出力信号のフィルタリングの前後で導出する。

変調によって発生する側波帯と、ひいては変調信号並びに測定信号は非常に小さな振幅を有するから、ノイズを抑圧するために、同期して復調した測定信号を所定の時間に分かって積分し、積分値を所定の閾値と比較する。択一的にこの方法は、同期して復調した測定信号を積分し、積分した測定信号が所定の閾値に達するまでの時間を測定することにより実施することもできる。

公知の振動式ジャイロスコープでは、変調信号が200Hzの周波数であると有利であることが判明した。

本発明の別の改善形態では、ヨーレート信号がヨーレートセンサの出力端から読み出され、出力段に供給されるヨーレート信号と比較される。これによりとりわけ出力段を、ヨーレート信号がエラー無しでさらに導通されているか否かについて検査することができる。

別のシステムにさらに導通されるヨーレート信号の検査を次のように実行することができる。すなわち、出力端に接続されたシステムがヨーレート信号をその入力端に検査のためにフィードバックするのである。

本発明の別の改善形態では、デジタルコンポーネントとアナログコンポーネントが連続的にコントロールコンポーネントによりコントロールされ、監視コンポーネントがコントロールコンポーネントを、動作サイクルの間に少なくとも一度監視する。

この改善形態の利点は、連続的監視により迅速なエラー通報が可能なことである。これによりユーザおよび上位のシステムにエラー、および場合によりヨーレート信号にエラーのあることが通報される。
この迅速な応答はコントロールコンポーネントの監視により補充され、これにより直接的にヨーレート信号のエラーに結び付くものではないが、危険を引き起こし得る第2のエラーの通報することができる。従ってデジタルコンポーネントとアナログコンポーネントの冗長性は、僅かな程度で必要なだけである。

本発明によれば多数の実施形態が可能である。次に、本発明の実施例についていくつかの図面を参照しながら以下で説明する。
図１は、ヨーレートセンサのブロック回路図である。
図２は、図1のヨーレートセンサの詳細図である。
図３は、ヨーレートセンサの二次制御回路を示す図である。

なお、実施例ならびにそれらの一部分がここではブロック図として描かれているけれども、これは本願発明による装置が各ブロックに対応する個々の回路を用いた実現手法に限定されることを意味するものではない。本発明による装置はむしろ、高密度集積回路を用いてきわめて有利に実現することができる。この場合、適切なプログラミングによってブロック回路図に示されている処理ステップを実行するマイクロプロセッサを使用することができる。

図１は、一次励振信号PDと二次励振信号SDのための２つの入力端2，3を備えた振動式ジャイロスコープ１の設けられた装置構成を示すブロック回路図である。励起は適切な変換器ないしはトランスデューサたとえば電磁変換器によって行われる。振動式ジャイロスコープはさらに、一次側出力信号ＰＯと二次側出力信号ＳＯのための２つの出力端４，５を有している。これらの信号は、ジャイロスコープが空間的に配置された個所における個々の振動を表している。この種のジャイロスコープはたとえばEP 0 307 321 A1から公知であり、コリオリ力の作用に基づくものである。

振動式ジャイロスコープ１はＱの高いフィルタを成しており、この場合、入力端２と出力端４との間の区間が一次制御回路６の部分を成しており、入力端３と出力端５との間の区間が二次制御回路７の部分を成している。一次制御回路６は、たとえば１４ｋＨｚという振動式ジャイロスコープの共振周波数で振動を励振するために用いられる。この場合、励振は振動式ジャイロスコープの１つの軸において行われ、この軸に対し二次制御回路のために利用される振動方向が９０゜ずらされている。二次制御回路７において、信号ＳＯは２つの直交成分に分けられ、それらのうちの一方がフィルタ８を介して出力端９へ導かれ、そこからヨーレートに比例する信号を取り出すことができる。

両方の制御回路６，７において、信号処理の基本的な部分はディジタルで行われる。信号処理に必要とされる信号は水晶発振器により制御されるディジタル周波数シンセサイザ１０において形成され、そのクロック周波数はここで示す実施例ではたとえば１４．５ＭＨｚである。

図２のブロック回路図ではコンポーネントがセクション64，65，66に分けられている。ここで機能セクション64には、本来のヨーレートセンサの機能に用いるすべてのコンポーネントがまとめられている。コントロールセクション65は、機能セクション64にあるコンポーネントを連続的に監視するためのコンポーネントを含んでいる。監視セクション66は、コントロールセクション65のコンポーネントを時折監視するためのコンポーネントを含んでいる。例えば振動式ジャイロスコープ1の動作のために、2つの増幅器11.11'、A/D変換器12およびD/A変換器13が設けられている。さらなるコンポーネント、例えばフィルタは本発明の理解に不要なので詳細には図示されておらず、説明しない。
振動式ジャイロスコープ1から取り出され、11で増幅され、12でデジタル化された信号は14でデジタル処理され、そこからドライブ信号が発生する。このドライブ信号は、D/A変換器13と増幅器11'を介して振動式ジャイロスコープ1の入力端に供給される。

スイッチオンの際に不揮発性メモリ14'から比較データがロードされる。マイクロコンピュータ15を介して、デジタル信号処理部14からデータが取り出される。このテータはヨーレート信号を含んでおり、UART/SPIインタフェース16を介して別のマイクロプロセッサ17に導かれる。この別のマイクロプロセッサ17はデジタルヨーレート信号を出力端9に出力する。これとは並列にデジタル信号処理部14にはD/A変換器18が接続されており、このD/A変換器18の出力端9'にはアナログヨーレート信号が出力される。

コントロールセクション65は実質的にマイクロコンピュータを備える自己診断部19により構成され、データがデジタル信号処理のために使用される。さらにコントロールセクション65は、機能セクション64のアナログコンポーネントを検査するために、自己診断部19により制御されるテスト信号注入部20を有している。このテスト信号注入部20はアナログテスト信号を、機能セクション64のアナログ回路の選択可能な個所に供給することができる。機能セクション64のアナログ回路の複数の点がマルチプレクサ21と接続されており、これにより選択されたアナログ信号をコントロールすることができる。
このアナログ信号が比較的に小さな振幅を有する場合に対しては増幅器22が設けられている。この実施例でコントロールすべきアナログ信号は搬送波周波数である。従ってマルチプレクサ21には復調器23が接続されている。A/D変換器24の後方で自己診断部19はコントロールすべきアナログ信号にアクセスすることができる。さらなる検査のために自己診断部19は出力端9'からアナログ信号を、また出力端67から警報信号を受け取る。自己診断部19がエラーを検出すると、OR回路68と出力端67を介して警報信号が出力される。付加的に警報信号通知は、UART/SPIインタフェースのデータテレグラム中の状態ビットを介して行われる。

マイクロコンピュータでのプログラム経過並びにクロック信号存在の監視、およびメモリの申し分のない機能性の監視が、監視セクション66でクロック検出器69，ウォッチドッグ70およびRAM/ROM検査部71によって実行される。これらのコンポーネントがエラーを検出すると、OR回路68と出力端67を介して警報信号が出力される。入力端72を介して自己診断部19は、例えば保守作業または車両の動作フェーズでスタートすることができる。

二次制御回路7が図３にブロック回路図として示されており、増幅器25，アンチエーリアスフィルタ26およびA/D変換器27を含む。乗算器28，29には増幅されデジタル化された信号SOと、搬送波Ｔｉ１とTq1が供給される。この乗算器28，29によって実数部と虚数部への分離が行われる。

両方のコンポーネントはついで（sinx/x）フィルタ３０，３１およびローパフフィルタ３２，３３を通過する。フィルタリングされた実数部から処理回路３４によって、ヨーレートセンサにより測定すべきヨーレートを表す２つの信号Ｒ１およびＲ２が導出される。信号Ｒ１とＲ２の相違点は、信号Ｒ２は利用される回路技術によって可能なたとえば０Ｖ〜＋５Ｖまでの振幅範囲全体はとらない、ということである。エラー通報を出力するため信号Ｒ２がゼロにおかれ、接続されたシステムはこのことをエラー通報として識別する。

ローパスフィルタ32，33にはそれぞれ1つの加算器35，36が後置接続されている。ついで乗算器37.38によって、両方の成分ＳｉないしはＳｑは搬送波Ti2およびTq2により再び変調される。３９における加算によってやはり１４ｋＨｚの振動が発生し、この振動は出力ドライバ４０において、振動式ジャイロスコープ１の励振に適切な電流に変換される。

二次制御回路をコントロールするために発生器41では200Hzの変調信号が形成される。2つのマルチプレクサ42，43でこの信号は定数k1およびk2と乗算され、これにより相互に依存しないで変調信号の振幅を2つの成分のために調整することができる。定数k1とk2は調整可能であるか、ないしはスイッチオンの際にメモリからロードされる。引き続き加算器44，45で、調整可能なバイアス電圧k3とk4が加算される。このようにして導出された変調信号の成分は、加算器35と36で、復調された出力信号の2つの成分に加算される。
引き続き乗算器37，38および加算器39により搬送波信号が、再び合成され復調された出力信号と、付加的に変調信号により変調される。

振動式ジャイロスコープの出力端5から、増幅、アンチエーリアスフィルタリング26、28，39でのA/D変換および復調後に得られた成分は、それぞれフィルタ32，33の前後で取り出され、測定信号としてマルチプレクサ46に供給される。このマルチプレクサの出力端は、同期復調器として用いる乗算器47と接続されている。マルチプレクサの出力信号は、48で複数の周期にわたり積分され、閾値回路49に供給される。変調信号が存在することは、所定の時間内に積分値が所定の閾値を越えることにより検出される。このことによりマイクロコンピュータ53はエラー通報をトリガする。

二次制御回路のこの監視の他に、さらに別の監視装置が図３の実施例に設けられている。例えば順次マルチプレクサ51によりA/D変換器52の入力端に接続される測定点はヨーレートセンサの種々異なる個所に配置されており、菱形により示されている。A/D変換器52の出力端の値は、測定されたアナログ信号の大きさをそれぞれ表し、マイクロコンピュータ53により直接監視することができる。またはピーク値検出器54を介してマイクロコンピュータ53に導くこともできる。

ここに測定し、監視すべきアナログ信号を例として上げると、増幅器25の出力信号、ドライバ回路40の出力信号、アンチエーリアスフィルタ26の出力信号である。さらなる測定点を図示しない回路、例えば電圧供給回路またはアナログ出力端9'（図２）に設けることもできる。

振幅が小さく、またはS/N比も小さいため、振動式ジャイロスコープ1の出力信号SOを直接測定することはできない。そのため増幅器25に並列に冗長的増幅器55が設けられており、その出力端も同様に測定点となる。2つの出力電圧を比較することにより、振動式ジャイロスコープ1または増幅器25，55の一方の出力信号にエラーがあるか否かを検出することができる。

A/D変換器27には冗長的A/D変換器56が配属されている。この冗長的A/D変換器56の出力もA/D変換器27の出力と同様に問い合わせることができる。2つのA/D変換器の出力値を比較すると、同様にA/D変換器の故障、または先行の回路での故障を推定することができる。

ヨーレート信号をコントロールするために、図２の装置構成では冗長的処理回路57が設けられており、この処理回路の出力も同様にマイクロコンピュータ53により問い合わせることができる。処理回路34の出力値と比較することにより、同様にエラーの形式を推定することができ、例えば処理回路34，57がエラー動作しているか否かを推定することができる。

図１は、ヨーレートセンサのブロック回路図である。図２は、図1のヨーレートセンサの詳細図である。図３は、ヨーレートセンサの二次制御回路を示す図である。

Claims

振動式ジャイロスコープを備えるヨーレートセンサの監視方法であって、
該ヨーレートセンサはバンドパスフィルタであり、かつ少なくとも1つの制御回路の一部であり、
該制御回路はデジタルコンポーネントおよびアナログコンポーネントからなり、かつ前記振動式ジャイロスコープを、その固有周波数の励振信号の供給によって励振し、
前記振動式ジャイロスコープから出力信号が取り出され、該出力信号からフィルタリングと増幅により励振信号とヨーレート信号が導出される形式のヨーレートセンサの監視方法において、
冗長的アナログコンポーネントと少なくとも1つのA/D変換器によってアナログ信号を測定し、特徴値をデジタルコンポーネント内で読み出し、それぞれ限界値と比較する、ことを特徴とする監視方法。
請求項１記載の方法において、さらに励振信号を変調信号により変調し、
該変調信号の周波数はバンドパスフィルタの通過領域内にあり、かつヨーレート信号の周波数帯域外にある側波帯に作用するものであり、
出力信号における変調信号の振幅を測定し、
該振幅が所定の閾値を下回る場合、エラー通報を出力する方法。
請求項２記載の方法において、出力信号を増幅およびA/D変換の後に同相成分と直交成分に復調し、
同相成分と直交成分をフィルタリング後に変調し、励振信号に合成し、
変調信号を復調された成分に加算する方法。
請求項３記載の方法において、復調された成分から、変調信号の加算の前に測定信号を取り出し、該測定信号を同期して復調する方法。
請求項４記載の方法において、測定信号を、復調された出力信号のフィルタリングの前後で導出する方法。
請求項４または５記載の方法において、同期して復調した測定信号を、所定の時間にわたって積分し、当該積分値を所定の閾値と比較する方法。
請求項４または５記載の方法において、同期して復調した測定信号を積分し、積分された測定信号が所定の閾値に達するまでの時間を測定する方法。
請求項２から７までのいずれか一項記載の方法において、変調信号の周波数は200Hzである方法。
請求項１から８までのいずれか一項記載の方法において、ヨーレート信号をヨーレートセンサの出力端から読み出し、出力段に供給されるヨーレート信号と比較する方法。
請求項１から９までのいずれか一項記載の方法において、出力端に接続されたシステムはヨーレート信号をその入力端に検査のためフィードバックする方法。
請求項１から１０までのいずれか一項記載の方法において、デジタルコンポーネントとアナログコンポーネントが連続的にコントロールコンポーネントによりコントロールされ、監視コンポーネントがコントロールコンポーネントを、動作サイクルの間に少なくとも一度監視する方法。