KR100642373B1

KR100642373B1 - 진동 자이로스코프를 포함하는 회전 속도 센서 및 그 회전 속도 센서를 이퀄라이징하는 방법

Info

Publication number: KR100642373B1
Application number: KR1020057003929A
Authority: KR
Inventors: 우베 베츠; 하인츠-베르너 모렐; 라파엘 스코루파
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2006-11-10
Also published as: WO2005001381A1; JP2006514305A; JP4096007B2; EP1639317B1; KR20050030977A; DE502004004742D1; EP1639317B8; US7062403B2; US20060009946A1; EP1639317A1

Abstract

본 발명은 1차 및 2차 제어 회로의 일부가 되는 진동 자이로스코프를 포함하는 회전 속도 센서에 관한 것이다. 상기 제어 회로는 각각 진동 제어 회로의 출력 신호를 증폭, 복조, 재변조시키며 그리고 여진 신호로서 진동 제어 회로에 다시 공급하며 그리고 상기 1차 제어 회로는 상기 진동을 유지하기 위해 필요한 에너지의 지배적인 부분을 제공한다. 복조 및 재변조에 이용되는 반송파를 형성하기 위하여, 반송파의 위상 길이를 조절하기 위한 수단을 포함하는 주파수 신시사이저가 제공된다. 상기 반송파는 위상 비교 회로와 결합하여 위상 제어 회로를 형성한다. 1차 제어 회로 내의 증폭된 출력 신호와 주파수 신시사이저에 의해 형성된 비교 반송파는 위상 비교 회로에 안내될 수 있다. 본 발명은 또한 본 발명의 회전 속도 센서를 트리밍하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

진동 자이로스코프를 포함하는 회전 속도 센서 및 그 회전 속도 센서를 이퀄라이징하는 방법{ROTATIONAL SPEED SENSOR COMPRISING A VIBRATING GYROSCOPE AND METHOD FOR EQUALISING THE ROTATIONAL SPEED SENSOR}

본 발명은, 제1 제어 루프 및 제2 제어 루프의 일부인 진동 자이로스코프를 구비하고, 제어 루프들이 각각 진동 자이로스코프로부터의 출력 신호를 증폭시키고 복조시키며 재변조시켜서 여진 신호(excitation signal)로서 진동 자이로스코프로 다시 공급하며, 제1 제어 루프가 진동을 유지시키는 에너지를 제공하는 회전 속도 센서와, 그 회전 속도 센서를 트리밍(trimming, 미세 조정)하는 방법에 관한 것이다.

이러한 회전 속도 센서들에 사용되는 진동 자이로스코프는 협대역(narrowband) 밴드 필터이며, 예를 들면 14kHz의 공진 주파수에서 작동한다. 회전 속도 센서를 사용하여 발생되는 회전 속도 신호는 제2 제어 루프로부터 습득되며, 제2 제어 루프 내의 진동 자이로스코프로부터의 출력 신호의 진폭과 위상에 종속된다. 구성 부품들의 허용 오차들에 따라, 제어 루프들을 트림(trim)하는 것이 필요하다.

본 발명에 따르면, 복조 및 재변조에 사용되는 반송파(carrier)를 생성시키기 위해서, 서로에 대해 반송파의 위상을 설정하는 수단을 구비하는 주파수 합성기(frequency synthesizer)가 마련되며, 이러한 주파수 합성기와 위상 비교 회로는 함께 위상 동기 루프(phase locked loop)를 형성하고, 이러한 위상 비교 회로에는 제1 제어 루프 내의 증폭된 출력 신호와 주파수 합성기에 의해 발생된 비교 반송파가 공급될 수 있어, 제어 루프의 정확한 작동, 특히 공진 상태의 관측이 가능하게 된다.

바람직하게는, 제1 제어 루프 내의 동기 복조기(synchronous demodulator)로서 작용하는 승산기에 제1 반송파가 공급될 수 있으며, 제1 제어 루프 내의 변조기로서 작용하는 승산기에 제2 반송파가 공급될 수 있다. 이러한 경우에, 위상 동기 루프가 고정(lock)될 때, 제2 반송파의 위상은, 진동 자이로스코프를 포함하는 전체 제1 제어 루프의 위상 회전이 공진 조건을 충족시키도록 선택된다는 점에서, 공진 조건의 관측이 이루어진다.

제1 제어 루프 내의 복조기로서 작용하는 승산기가 1차 회로 내의 공진에 직접적인 영향을 주지는 않지만, 추가적으로 제1 반송파의 위상이 제1 제어 루프 내의 증폭된 출력 신호의 위상에 대응되면 바람직한 것으로 판명되었다.

바람직하게는, 제2 제어 루프의 제1 경로 및 제2 경로 내의 각각의 동기 복조기로서 작용하는 승산기에 서로 90°로 위상 편이된 제3 반송파 및 제4 반송파가 공급될 수 있으며, 이러한 제1 경로 및 제2 경로 내의 각각의 변조기로서 작용하는 가산기에 서로 90°로 위상 편이된 제5 반송파 및 제6 반송파가 공급될 수 있도록, 제2 제어 루프를 작동시키는 수단들이 마련된다.

이와 관련하여, 위상 동기 루프가 고정될 때 제3 반송파 및 제4 반송파의 위상들과 제5 반송파 및 제6 반송파의 위상들 사이의 차이가, 공진 조건이 제2 제어 루프 내에서 충족되도록 선택된다면, 그리고 제3 반송파 내지 제6 반송파의 위상들이, 필터를 통해 제1 경로 내의 동기 복조기로서 작용하는 승산기로부터 습득될 수 있는 회전 속도 신호가 소정의 진동 자이로스코프의 회전에 대해 최대값을 채택하도록 비교 반송파에 대해 선택된다면, 제2 제어 루프 내의 공진 조건 및 회전 속도 신호의 진폭의 최대화가 모두 달성된다.

본 발명의 회전 속도 센서의 바람직한 일 태양에 따르면, 이전의 트리밍 공정에서 규정되는 위상값들에 대해 비휘발성 메모리(nonvolatile memory)가 제공되며, 회전 속도 센서가 작동될 때 이러한 비휘발성 메모리로부터 위상값들이 판독되어 주파수 합성기로 공급될 수 있다.

제어 루프들의 기본 구성 부품들, 특히 증폭기 및 필터와 같은 아날로그 구성 부품들은 온도 종속성 지연 시간을 갖는다. 본 발명의 회전 속도 센서의 경우에, 특정 온도에서 수행되었던 트리밍은, 반송파들의 온도 종속성 위상 보정에 의해서 각각의 온도에 적합하게 적용될 수 있다.

진동 자이로스코프의 공진 주파수는 온도 종속성을 가지므로, 만일 온도 변화의 측정치로서 진동 자이로스코프의 진동 주파수의 변화치를 사용하여 온도 종속성 위상 보정이 수행된다면, 이를 위한 별도의 온도 센서가 필요 없어질 수 있다.

온도 종속성이 또한 무시할 수 없는 제조 공차에 영향을 받는다면, 온도 종속성을 비휘발성 메모리에 저장시킬 수 있다.

본 발명은 또한 회전 속도 센서를 트리밍하는 방법을 포함하며, 이러한 방법에 따르면,

- 제1 제어 루프 내의 변조기로서 작용하는 승산기에 대한 반송파의 위상은 제1 제어 루프 내의 공진 조건을 충족시키도록 설정되며,

- 이어서, 제2 제어 루프 내의 동기 복조기로서 작용하는 승산기에 대한 서로 90°로 위상 편이된 두 반송파의 위상은, 제2 제어 루프 내의 공진 조건을 달성하기 위해서, 제2 제어 루프 내의 변조기로서 작용하는 승산기에 대한 서로 90°로 위상 편이된 또 다른 두 반송파의 위상에 대해 설정되고,

- 진동 자이로스코프가 회전될 때, 제2 제어 루프 내의 동기 복조기 및 변조기로서 작용하는 승산기에 대한 반송파의 위상은 회전 속도 신호가 최대가 되도록 비교 반송파에 대하여 동일한 방향으로 조정된다.

본 발명에서는 여러 가지 실시예들이 가능하다. 이러한 실시예들 중 하나가 도면들에 개략적으로 도시되어 있으며, 이하에서는 이러한 도면들을 참고로 하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 회전 속도 센서의 블록 다이어그램이다.

도 2는 주파수 합성기를 포함하는 제1 제어 루프 및 제2 제어 루프의 상세도이다.

본 발명의 실시예와 부품들이 블록 다이어그램 형태로 도시되어 있다. 하지만, 이는 본 발명에 따른 장치가 블록에 해당되는 개별 회로를 사용한 실시예로만 국한됨을 의미하는 것은 아니다. 실제로, 본 발명에 따른 장치는 대규모 집적 회로를 사용하여 아주 바람직한 방식으로 실시될 수 있다. 이러한 경우에는, 적절하게 프로그램되면 블록 다이어그램에 도시된 처리 단계들을 수행할 수 있는 마이크로프로세서가 사용될 수 있다.

도 1에는 진동 자이로스코프(1)가 제1 여진 신호(excitation signal)(PD) 및 제2 여진 신호(SD)에 대한 두 입력부(2, 3)를 구비하는 장치의 블록 다이어그램을 도시하고 있다. 이러한 여진(excitation)은 예를 들어 전자기 트랜스듀서와 같은 적절한 트랜스듀서에 의해 생성된다. 또한, 진동 자이로스코프는 제1 출력 신호(PO)와 제2 출력 신호(SO)에 대한 두 출력부(4, 5)를 구비한다. 이러한 신호들은 자이로스코프의 물리적으로 편위된 지점으로 각각의 진동을 전달한다. 이와 같은 자이로스코프는 일례로 유럽 공개 특허 공보 제0 307 321 A1호에 개시되어 있으며, 코리올리 힘의 효과에 기초하고 있다.

진동 자이로스코프(1)는, 제1 제어 루프(6)의 일부인 입력부(2)와 출력부(4) 사이의 섹션(section)과, 제2 제어 루프(7)의 일부인 입력부(3)와 출력부(5) 사이의 섹션을 구비하는 고성능의 필터를 구비한다. 제1 제어 루프(6)는 일례로 14kHz인 진동 자이로스코프의 공진 주파수에서 진동을 발생시키기 위해 사용된다. 이러한 경우에, 진동 자이로스코프의 축에서 여진이 발생되며, 이러한 축에 대해서 제2 제어 루프에 사용되는 진동의 방향이 90°만큼 편위된다. 제2 제어 루프(7)에서, 신호(SO)는 두 직교 성분들로 분할되며, 이중 하나가 필터(8)를 통하여 출력부(9)로 공급되어, 이러한 출력부(9)로부터 회전 속도에 비례하는 신호를 얻을 수 있다.

양 제어 루프(6, 7)에서, 신호 처리의 기본적인 부분은 디지털 방식으로 수행된다. 신호 처리를 위해 필요한 신호들은, 도시된 실시예에서 클록 주파수(clock frequency)가 14.5MHz인 크리스탈 제어식 디지털 주파수 합성기(crystal-controlled digital frequency synthesizer; 10)에서 생성된다.

제2 제어 루프(7)는 증폭기(25), 앤티앨리어싱 필터(antialiasing filter; 26) 및 아날로그/디지털 컨버터(27)를 포함한다. 증폭되고 디지털화된 신호(SO)와 아직 미분리된 성분(I, Q)들 및 반송파(T3, T4)들이 공급되는 승산기(multiplier; 28, 29)가 각각 동기 복조에 사용되어 실수부와 허수부로 분할시킨다.

이어서, 이러한 두 성분들은 (sinx/x) 필터(30, 31)와 저역 필터(32, 33)를 각각 통과한다. 조절 회로(34)는 필터링된 실수부로부터 회전 속도 센서에 의해 측정될 회전 속도를 나타내는 2개의 신호(R1, R2)를 얻는 데 사용된다. 신호(R2)가 예를 들면 사용된 회로에서 가능한 OV 내지 +5V의 진폭 범위 전체를 채택하지 않는다는 점에서, 신호(R1, R2)는 서로 다르다. 에러 메시지를 출력하기 위해서, 신호(R2)는 연결된 시스템이 에러 메시지로서 인식하는 "0(zero)"으로 정해진다.

각각의 저역 필터(32, 33)는, 이들의 하류에 연결되며 보정 변수의 가산에 사용될 수 있는 가산기(adder; 35, 36)를 구비한다. 이어서, 2개의 성분(Si, Sq)을 반송파(T5, T6)로 재변조시키기 위하여 승산기(37, 38)가 사용된다. 가산기(39)에서의 가산에 의하여 또 다른 14kHz의 진동이 발생되는데, 이러한 진동은 출력 드라이버(40)에서 진동 자이로스코프(1)를 여진시키기에 적합한 전류로 변환된다.

도 2는 또한 제1 제어 루프(6)를 도시하고 있으며, 진동 자이로스코프로부터의 출력 신호(PO)가 증폭기(41) 및 앤티앨리어싱 필터(42)를 통해 아날로그/디지털 컨버터(43)로 전송된다. 제2 제어 루프에서와 유사한 방식으로, 아날로그/디지털 컨버터(43)로부터의 출력 신호는 2개의 승산기(44, 45)(동기 복조기)로 공급된다. 이러한 승산기(44)에 후속하여 (sinx/x) 필터(46)와 PID 요소(47)가 이어진다. PID 요소의 출력부는 주파수 합성기(10)의 입력부에 연결되며, 이러한 주파수 합성기에서는 다양한 신호들이 예를 들어 14.5MHz의 크리스탈 발생 클록 주파수(crystal-generated clock frequency)의 주파수 분할에 의해서 공지된 방식대로 발생된다.

위상 비교 회로로서 작용하는 승산기, 주파수 합성기(10), 필터(46) 그리고 PID 요소(47)는 함께 위상 동기 루프(PLL)를 형성하며, 이러한 위상 동기 루프는, 아날로그/디지털 컨버터(43)의 출력 신호에 대한 비교 반송파(Tv)의 위상이 일례로 90°로 소정의 관계를 형성하게끔 반송파의 주파수가 조절되도록 한다. 주파수 합성기(10)는 크리스탈 발진기(crystal oscillator) 이외에도 프로그램 가능한 카운터 및 논리 회로를 포함하므로, 공급된 제어 신호들을 이용하여 주파수와 위상이 설정될 수 있다.

주파수 합성기는 공지되어 있으며, 본 명세서에서 기재된 바에 따르면, 주파수 합성기(10)에 의해 발생되는 클록 신호(Tv, T1 내지 T6)들이 동일한 주파수를 가지며, 이러한 주파수는 위상 동기 루프에 따르지만 비교 반송파(Tv)에 대한 클록 신호들의 위상에 의해 설정될 수 있다. 이러한 설정을 위한 데이터는 예를 들어 EEPROM과 같은 비휘발성 메모리(11)로부터 얻어진다.

제1 제어 루프 내의 또 다른 경로는 또 다른 승산기(45), 가산기(48), (sinx/x) 필터(49) 및 PID 요소(50)를 포함한다. 이어서, 반송파(T2)를 PID 요소(50)로부터의 출력 신호를 가지고 변조시켜 회로(52)로 전송하는 변조기로서의 승산기(51)가 이어지며, 이러한 회로(52)는 전류 형태의 여진 신호(PD)를 진동 자이로스코프(1)의 입력부(2)에 공급한다.

반송파(T1 내지 T6)의 위상을 트림하기 위해서, 우선, 위상 동기 루프가 고정된 후에, 최적의 공진 조건이 제1 루프 내에 형성될 때까지 주파수 합성기(10) 내의 반송파(T2)의 위상을 조절할 수 있도록, 적절한 값들이 트리밍(trimming) 장치(도시되지 않음)로부터 입력된다. 또한, 승산기(45)에서 변조되는 성분만이 복조되도록, 즉 반송파(T1)의 위상이 아날로그/디지털 컨버터(43)의 출력 신호의 위상과 대응되도록, 반송파(T1)의 위상을 설정하는 것이 가능하다.

제2 단계에서는, 제2 제어 루프가 공진 조건들로 트림된다. 이를 위해서, 90°의 위상각을 형성하는 클록 신호(T3, T4)는 그와 마찬가지로 90°의 위상각을 형성하는 클록 신호(T5, T6)에 대하여 조절된다. 이러한 상대적 조절에 의해서, 서로에 대해 90°만큼 위상 편이된 두 성분의 진폭이 변화되며 가산기(39)를 이용하여 가산된다. 이는 여진 신호(SD)의 위상을 변화시킨다. 이러한 변화는 제2 제어 루프에 대한 공진 조건이 충족될 때까지 행해진다.

제3 단계에서는 진동 자이로스코프가 회전되며, 반송파(T3, T4)의 위상들은 회전 속도 신호가 최대값이 되도록 편이된다. 전체 위상에 대한 이러한 조정의 영향을 제거하기 위해서, 두 반송파(T5, T6)도 동일한 방식으로 편이된다. 이러한 트리밍 작업이 종료될 때, 위상차에 대해 확인된 값들이 비휘발성 메모리(11) 내에 저장된다.

추가적으로, 필요할 경우에, 비휘발성 메모리(11)는, 클록 신호(T1 내지 T6)의 위상을 보정할 수 있도록 주파수 합성기 내의 알려진 주파수 오차와 함께 사용되는 지연 시간에 대한 온도 종속성을 저장하는 데 사용될 수 있다.

삭제

Claims

제1 제어 루프 및 제2 제어 루프의 일부인 진동 자이로스코프를 구비한 회전 속도 센서로서, 상기 제어 루프들은 각각 진동 자이로스코프로부터의 출력 신호를 증폭시키고 복조시키며 재변조시켜서 여진 신호로서 진동 자이로스코프로 다시 공급하며, 상기 제1 제어 루프는 진동을 유지시키는 에너지를 제공하는 회전 속도 센서에 있어서,

복조 및 재변조에 사용되는 반송파를 생성시키기 위해서, 서로에 대해 반송파의 위상을 설정하는 수단을 구비하는 주파수 합성기(10)가 마련되며, 상기 주파수 합성기(10)와 위상 비교 회로로서 작용하는 승산기(44)는 함께 위상 동기 루프(10, 44, 46, 47)를 형성하고, 상기 위상 비교 회로로서 작용하는 승산기(44)에는 제1 제어 루프(6) 내의 증폭된 출력 신호와 주파수 합성기(10)에 의해 발생된 비교 반송파가 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
제1항에 있어서,

상기 제1 제어 루프(6) 내의 승산기(45)에 제1 반송파가 공급될 수 있으며, 상기 제1 제어 루프(6) 내의 승산기(51)에 제2 반송파가 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
제2항에 있어서,

상기 위상 동기 루프(10, 44, 46, 47)가 고정될 때, 상기 제2 반송파의 위상은, 진동 자이로스코프(1)를 포함하는 전체 제1 제어 루프(6)의 위상 회전이 공진 조건을 충족시키도록 선택되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
제3항에 있어서,

상기 제1 반송파의 위상은 제1 제어 루프(6) 내의 증폭된 출력 신호의 위상에 대응되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 제어 루프(7)의 제1 경로 및 제2 경로 내의 각각의 승산기(28, 29)에는, 서로에 대해 90°로 위상 편이된 제3 반송파 및 제4 반송파가 공급될 수 있으며, 상기 제1 경로 및 제2 경로 내의 각각의 가산기(35, 36)에는, 서로에 대해 90°로 위상 편이된 제5 반송파 및 제6 반송파가 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
제5항에 있어서,

상기 위상 동기 루프(10, 44, 46, 47)가 고정될 때, 상기 제3 반송파 및 제4 반송파의 위상들과 제5 반송파 및 제6 반송파의 위상들 사이의 차이는 공진 조건이 제2 제어 루프(7) 내에서 충족되도록 선택되며, 상기 제3 반송파 내지 제6 반송파의 위상들은, 필터(30)를 통해 제1 경로 내의 승산기(28)로부터 습득될 수 있는 회전 속도 신호가 소정의 진동 자이로스코프(1)의 회전에 대해 최대값을 채택하도록, 비교 반송파에 대해 선택되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

이전의 트리밍 공정에서 규정되는 위상값들에 대해 비휘발성 메모리(11)가 제공되며, 회전 속도 센서가 작동될 때 상기 비휘발성 메모리로부터 위상값들이 판독되어 주파수 합성기(10)로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
제7항에 있어서,

상기 반송파의 온도 종속성 위상 보정이 수행되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
제8항에 있어서,

상기 온도 종속성 위상 보정은 온도 변화의 측정치로서 진동 자이로스코프(1)의 진동 주파수의 변화치를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 비휘발성 메모리(11)는 온도 종속성을 저장하는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서.
제1 제어 루프 및 제2 제어 루프의 일부인 진동 자이로스코프를 구비한 회전 속도 센서를 트리밍하는 방법으로서, 상기 제어 루프들은 각각 진동 자이로스코프로부터의 출력 신호를 증폭시키고 복조시키며 재변조시켜서 여진 신호로서 진동 자이로스코프로 다시 공급하며, 상기 제1 제어 루프는 진동을 유지시키는 에너지를 제공하고, 복조 및 재변조에 사용되는 반송파를 생성시키기 위해서, 서로에 대해 반송파의 위상을 설정하는 수단을 구비하는 주파수 합성기가 마련되며, 상기 주파수 합성기와 위상 비교 회로가 함께 위상 동기 루프를 형성하고, 상기 위상 비교 회로에는 제1 제어 루프 내의 증폭된 출력 신호와 주파수 합성기에 의해 형성된 비교 반송파가 공급될 수 있는 회전 속도 센서 트리밍 방법에 있어서,

- 상기 제1 제어 루프 내의 변조기로서 작용하는 승산기에 대한 반송파의 위상은 제1 제어 루프 내의 공진 조건을 충족시키도록 설정되며,

- 이어서, 상기 제2 제어 루프 내의 동기 복조기로서 작용하는 승산기에 대한 서로 90°로 위상 편이된 두 반송파의 위상은, 제2 제어 루프 내의 공진 조건을 달성하기 위해서, 제2 제어 루프 내의 변조기로서 작용하는 승산기에 대한 서로 90°로 위상 편이된 또 다른 두 반송파의 위상에 대해 설정되고,

- 상기 진동 자이로스코프가 회전될 때, 제2 제어 루프 내의 동기 복조기 및 변조기로서 작용하는 승산기에 대한 반송파의 위상은 회전 속도 신호가 최대가 되도록 비교 반송파에 대하여 동일한 방향으로 조정되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서 트리밍 방법.