KR101107028B1 - 진동 구조 자이로스코프의 스케일팩터 변화를 측정하는방법 및 장치 - Google Patents

진동 구조 자이로스코프의 스케일팩터 변화를 측정하는방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 자이로스코프의 스케일팩터 변화를 측정하는 장치는, 진동 구조체(R), 상기 진동 구조체를 공진시키는 구동 수단(1, 13), 상기 진동 구조체의 진동을 검출하는 픽오프 수단(2, 6), 직각 성분 루프(QCL) 시스템(7)과 실수 성분 루프(RCL) 시스템(8), 자동 이득 제어(AGC) 시스템(5)과 위상 고정 루프(PLL) 시스템(22), 상기 픽오프 수단으로부터 신호를 수신하고 상기 QCL, RCL, AGC, 및 PLL 시스템에 신호를 출력하는 sin/cos 픽오프 리졸버(38), 상기 QCL, RCL, AGC, 및 PLL 시스템으로부터 출력 신호를 수신하고 상기 구동 수단에 제어 신호를 공급하는 sin/cos 드라이브 리졸버(37), 및 분해된 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프축이 상기 진동 구조체 둘레에서 기지의 속도로 균일하게 각변위되도록 제어하기 위하여 상기 sin/cos 드라이브 및 픽오프 리졸버에 각변위 제어 신호를 공급하는 각변위 제어기(ADC)(40)를 포함한다.
Figure R1020057008771
자이로스코프, 스케일팩터, 진동 구조체, 구동 수단, 픽오프 수단, 직각 성분 루프 시스템, 실수 성분 루프 시스템, 자동 이득 제어 시스템, 위상 고정 루프 시스템, sin/cos 픽오프 리졸버, sin/cos 드라이브 리졸버, 각변위 제어기

Description

진동 구조 자이로스코프의 스케일팩터 변화를 측정하는 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING SCALEFACTOR VARIATION IN A VIBRATING STRUCTURE GYROSCOPE}
본 발명은 진동 구조 자이로스코프의 스케일팩터 변화를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
진동 구조 자이로스코프(vibrating structure gyroscope: VSG)는 여러 가지 예가 공지되어 있다. 이들은 진동 빔, 소리굽쇠(tuning fork), 반구형 셸 및 평면 링 등의 다양한 공진 구조체를 이용한다. 이들은 다양한 소재를 사용하여 여러 가지 기술로 제조될 수 있다. 실리콘을 사용하여 미세 기계 가공 기술로 제조된 구조체는, 고성능이 유지되면서 저비용으로 대량 생산될 수 있는 특별한 장점을 갖는다. 이로 인해 이들 구조체는 다량의 값싼 센서가 요구되는 애플리케이션용으로 특히 적합하다. 상기 애플리케이션 중 한 가지는 차량의 신형 제동 시스템의 선회속도(yaw rate) 감지를 위한 것이다.
이들 센서에 대한 애플리케이션의 많은 부분이 차량의 안전 조작에 중요하다. 자이로스코프 출력의 인테그리티(integrity)는 시스템의 기능을 제어하는데 사용되기 때문에 대단히 중요하다. 신형 제동 시스템 애플리케이션에 있어서, 상 기 신호는 브레이크의 애플리케이션을 제어하는데 사용된다. 따라서, 시스템 설계자는 이러한 센서 상에 고도의 내장테스트(Built in Test: BIT) 커버리지를 필요로 한다. 이러한 장치의 기본적인 기능을 테스트하는 기술은, 예를 들면, US 5,866,796A 및 US 5,889,193A에 공지되어 있다. 상기 공지된 기술은 바람직한 수준의 커버리지를 제공하지만 스케일팩터(스케일링, 즉 소정의 인가된 회전 속도에 응답하는 센서 출력의 변화)와 관련된 오류는 테스트할 수 없다. 이러한 오류는 센서의 속도 측정치가 진회전(true rotation)과는 현저하게 상이하게 되는 결과를 초래하거나 또는 일부 경우에서는 센서의 속도 측정치가 전혀 존재하지 않는 결과를 초래할 수 있다. 이것은 시스템을 고장나게 하거나 또는 오작동으로 인해 불행한 결과를 초래할 수 있다.
따라서 VSG 센서의 정확한 스케일팩터 동작의 내장테스트 커버리지를 제공하는 수단 또는 기술이 필요하다. 이러한 기능은 추가의 하드웨어 및 추가의 비용을 들이지 않고 제공되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일면에 따르면 진동 구조 자이로스코프의 소정값으로부터 스케일팩터의 변화를 측정하는 방법을 제공하는 것으로서, 상기 진동 구조 자이로스코프는 진동 구조체, 상기 진동 구조체를 진동 공진 상태로 위치시켜 유지하는 제1 및 제2 고정된 구동 수단, 및 상기 진동 구조체의 진동을 검출하는 제1 및 제2 고정된 픽오프 수단을 갖고, 상기 구동 수단 및 픽오프 수단은 상기 진동 구조체 둘레에 반경방향으로 위치되며, 상기 구동 수단 및 픽오프 수단으로부터의 출력은 분해된 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프를 발생시키도록 결합되고, 분해된 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프 축은 스케일팩터 SFCAL이 진동 구조 및 진동 모드 형상에 의하여 일정하게 설정된 브라이언 팩터 GB로 나누어진 소정의 스케일팩터값 SFRATE와 동일한 기지의 속도로 상기 진동 구조체의 중앙축에 대하여 상기 진동 구조 둘레에 서 균일하게 각변위된다.
상기 진동 구조체는 실질적으로 동일한 반송 및 응답 모드를 갖는, 실질적으로 평면형 링 형상이 바람직하다.
상기 제1 고정된 구동 수단에는 각도 0°에서 구동 신호 VCDcos2α가 인가되고 상기 제2 고정된 구동 수단에는 각도 45°에서 신호 VCDsin2α가 인가되어, 얻어진 반송 모드 구동력을 각도 α로 제공하는 것이 간편하다.
상기 제1 고정된 구동 수단에는 각도 0°에서 구동 신호 -VRDsin2α가 인가되고 상기 제2 고정된 구동 수단에는 각도 45°에서 신호 VRDcos2α가 인가되어, 얻어진 응답 모드 구동력을 각도 (α+45°)로 제공하는 것이 바람직하다.
각도 0°에서의 상기 제1 고정된 픽오프 수단의 출력 및 각도 45°에서의 상기 제2 고정된 픽오프 수단의 출력이 결합되어, 각도 (α+270°)로 분해된 진동 동작의 진폭을 나타내는 반송 모드 픽오프 신호 VCPO=(VPPOcos2α+ VSPOsin2α)를 제공하는 것이 바람직하다.
각도 0°에서의 상기 제1 고정된 픽오프 수단의 출력 및 각도 45°에서의 상기 제2 고정된 픽오프 수단의 출력이 결합되어, 각도 (α+135°)로 분해된 진동 동작의 진폭을 나타내는 응답 모드 픽오프 신호 VRPO=(VSPOcos2α- VPPOsin2α)를 제공하는 것이 간편하다.
상기 소정의 스케일팩터값 SFRATE는 상기 진동 구조 자이로스코프를 종래의 테스트 방식으로 회전시킬 때 측정된 스케일팩터인 것이 바람직하다.
상기 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프 축은 일정한 각도를 통하여 일정한 속도로 상기 진동 구조체 둘레에서 균일하게 각변위된 다음, 상기와 동일한 속도로 개시 위치로 다시 변위되는 것이 바람직하다.
상기 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프 축은 한쪽 방향으로 일정한 속도로 상기 진동 구조체 둘레에서 각변위되는 것이 간편하다.
상기 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프 축은 고정된 개시 위치의 양쪽에 진동 방식으로 일정한 각도를 통하여 일정한 속도로 상기 진동 구조체 둘레에서 균일하게 각변위되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 면에 따르면, 진동 구조 자이로스코프의 소정값으로부터 스케일팩터의 변화를 측정하는 장치를 제공하는 것으로서, 상기 장치는 실질적으로 평면형 링 형상이 바람직한 진동 구조체, 상기 진동 구조체를 진동 공진 상태로 위치시켜 유지하는 제1 및 제2 고정된 구동 수단, 상기 진동 구조체의 진동을 검출하며 상기 진동 구조체 둘레에 반경방향으로 위치되는 제1 및 제2 고정된 픽오프 수단, 직각 성분 및 실수 성분 루프 시스템(quadrature component and real component loop system), 자동 이득 제어 및 위상 고정 루프 시스템(automatic gain control and phase locked loop system), 상기 제1 및 제2 픽오프 수단으로부터 신호를 수신하고, 상기 직각 성분 및 실수 성분 루프 시스템과 상기 자동 이득 제어 및 위상 고정 루프 시스템에 신호를 출력하는 sin/cos 픽오프 리졸버(pick off resolver), 상기 직각 성분 및 실수 성분 루프 시스템과 상기 자동 이득 제어 및 위상 고정 루프 시스템으로부터의 출력 신호를 수신하고, 상기 제1 및 제2 구동 수단에 제어 신호를 공급하는 sin/cos 드라이브 리졸버(drive resolver), 및 상기 분해된 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프 축이 상기 진동 구조체의 중앙축에 대하여 기지의 속도로 상기 진동 구조체 둘레에서 균일하게 각변위되도록 제어하기 위하여 상기 sin/cos 드라이브 및 픽오프 리졸버에 각변위 제어 신호를 공급하는 각변위 제어기를 포함한다.
상기 진동 구조체는 실질적으로 평면형 링 형상이며, 실질적으로 동일한 반송 및 응답 모드를 갖는 것이 바람직하다.
상기 장치는 sin/cos 픽오프 리졸버로부터 신호를 수신하고, 상기 직각 성분 및 실수 성분 루프 시스템에 복조된 신호를 출력하는 복조기(demodulator), 상기 직각 성분 및 실수 성분 루프 시스템으로부터의 출력 신호를 수신하고 재변조하는 재변조기(remodulator), 상기 sin/cos 픽오프 리졸버로부터 신호를 수신하고, 상기 자동 이득 제어 및 위상 고정 루프 시스템에 복조된 신호를 출력하는 복조기, 및 상기 자동 이득 제어 및 위상 고정 루프 시스템에 의하여 출력된 신호를 수신하여 재변조하고, 상기 sin/cos 드라이브 리졸버에 재변조된 출력 신호를 전달하는 재변조기를 포함한다.
이하, 본 발명을 보다 잘 이해할 수 있도록 하고 본 발명이 실행될 수 있는 방법을 도시하기 위하여, 첨부 도면을 참조하여 예를 들어 상세하게 설명한다.
도 1(A)는 종래의 실리콘 진동 구조 자이로스코프의 반송 모드 진동 패턴을 예시하는 도면이다.
도 1(B)는 종래의 실리콘 진동 구조 자이로스코프의 응답 모드 진동 패턴을 예시하는 도면이다.
도 2는 진동 구조 자이로스코프의 종래의 아날로그 폐루프 제어 시스템의 개략도이다.
도 3은 진동 구조 자이로스코프의 종래의 디지털 전자 제어 시스템의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 회로 설계의 개략도이다.
본 출원인이 출원한 GB 2,322,196에는, 미세 기계 가공 기술을 사용하여 제조될 수 있고 신뢰도가 높은 고체적 애플리케이션에 사용하기에 적합한 센서 장치가 기재되어 있다. 센서는 외부 프레임 상에 위치한 8개의 컴플라이언트 서포트 레그(compliant support leg)에 의하여 외측에 장착된 결정 실리콘 평면 링(R)을 포함한다. 상기 공지된 센서는 일반적으로 첨부 도면의 도 1(A) 및 도 1(B)에 개략적으로 도시된 바와 같이 cos 2θ 진동 모드로 구동된다. 하나의 모드(도 1(A)) 는 반송 모드로서 여기된다. 센서가 링의 평면과 수직을 이루는 축을 중심으로 회전할 때, 에너지를 응답 모드(도 1(B))에 결합시키는 코리올리 힘, Fc가 발생된다. 힘의 크기는:
Figure 112005025485665-pct00001
... (1)
에 의하여 제공되며,
여기서, m은 모드 질량이고, v는 유효 속도이며, Ωapp는 인가된 회전율이다. 반송 모드 진동 진폭은 일반적으로 일정한 수준으로 유지된다. 이것은 또한 속도 v를 일정한 수준으로 유지하므로, 발달된 코리올리 힘과 회전율 Ωapp와의 정비례가 보장된다. 이들 코리올리 힘에 의하여 유도된 동작의 진폭은 반송 및 응답 모드의 공진 주파수를 정확하게 일치시킴으로써 향상될 수 있다. 동작은 향상된 장치 감도를 제공하는 응답 모드의 Q에 의하여 증폭된다. 상기 개방 루프 모드로 동작할 때, 장치의 감도(스케일팩터)는 제2 모드의 Q(저장된 에너지와 에너지 분산율 간의 관계)에 좌우되며, 상기 Q는 동작 온도 범위에 걸쳐 현저하게 변할 수 있다. 이러한 의존 관계는 센서를 폐루프(포스 피드백) 모드로 동작시킴으로써 무시될 수 있다. 상기 모드에서, 유도된 응답 모드 동작은 회전율과 정비례하는 상기 응답 모드를 달성하는데 요구되는 인가된 힘으로 활성적으로 제로로 된다.
일반적으로, 폐루프 동작은 첨부 도면 중 도 2에 개략적으로 도시된 제어 루프를 사용하여 실행될 수 있다. 반송 모드 동작은 제1 드라이브(1)에 의하여 여기되고 제1 픽오프(2)에서 검출된다. 상기 신호는, 반송 모드 제어 루프에 인가되기 전에, 실수 성분(real component) 및 직각 성분(quadrature component)을 각각 분리시키는 복조기(demodulator)(2a, 2c)에서 복조된다. 다음에, 신호는 제1 드라이브(1)에 인가되기 전에 재변조기(remodulator)(2b)에서 재변조된다. 위상 고정 루프(phase locked loop)(3)는 제1 픽오프 신호와 제1 구동 신호의 상대 위상을 비교하고, 인가된 드라이브와 공진기 동작 사이에 90도 위상 이동을 유지하도록 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator)(4) 주파수를 조정한다. 이로써 공진 동작이 최대로 유지된다. 제1 픽오프 신호는 신호 레벨을 일정한 기준 레벨 V0와 비교하는 자동 이득 제어 루프(automatic gain control loop)(5)에 또한 인가된다. 재변조기(2b) 레벨의 제1 드라이브는 제1 픽오프(2)에 일정한 신호 레벨(즉 동작의 진폭)을 유지하도록 조정된다.
응답 모드 동작은 제2 픽오프(6)에서 검출된다. 상기 신호는, 쿼드 루프 필터(quad loop filter)(7) 및 리얼 루프 필터(real loop filter)(8)에 각각 인가된 신호의 실수 성분 및 직각 성분을 분리시키도록 복조기(6a, 6b)에서 복조된다. 실수 성분은 반송 모드 동작과 동위상인 성분이다. 인가된 회전율에 의하여 유도된 동작은 실수 성분 신호(9)를 발생한다. 직각 성분 신호(10)는 정확하게 일치되지 않는 모드 주파수 때문에 일어나는 오차항(error term)이다. 상기 복조된 베이스밴드(DC) 신호에는, 원하는 시스템 성능(대역폭 등)이 달성되도록 루프 필터링이 인가된다. 다음에, 얻어진 신호는 재변조기(11a, 11b)에서 재변조되고, 제2 픽오프(6)에 제로를 유지하기 위하여 가산기(12)에 의하여 함께 합산되어 제2 드라이브 (13)에 인가된다. 제2 드라이브(13)를 거쳐 공진기 링(R)에 인가된 응답 모드 드라이브의 실수 성분과 정비례하는 리얼 기저대역 신호(real baseband signal), SD(리얼)는 출력 필터(14)에서 비교 및 필터링되어 정격 출력 신호(rate output signal)(15)를 발생한다.
상기 동작 모드에 있어서 인가된 회전율에 응답하는 스케일팩터는:
Figure 112005025485665-pct00002
... (2)
에 의하여 제공되고,
여기서, V0는 반송 모드 진폭 설정 레벨이며, ω는 반송 모드 공진 주파수이고, ｋ는 공진기 치수를 포함하는 상수이며, GB는 브라이언 함수(모드 결합 계수)이고, gPPO는 제1 픽오프 이득이며 gSD는 제2 드라이브 이득이다.
GB 2,322,196에 개시된 센서 장치는 GB 2,329,471에 개시된 디지털 전자 제어 시스템과 함께 또한 사용될 수 있다. 상기 구성은 첨부 도면 중 도 3에 도시되어 있다. 이를 구현하기 위하여, 제1 및 제2 픽오프(2, 6)로부터의 신호는 아날로그-디지털 변환기(analogue-digital converter)(16, 17)에서 직접 디지털화된다. 다음에, 소프트웨어에서 제2 픽오프(2)는 리얼 채널 복조기(18) 및 쿼드 채널 복조기(19)에서 복조되고, 그리고 제1 픽오프(2)는 리얼 채널 복조기(20) 및 쿼드 채널 복조기(21)에서 복조된다. 위상 고정 루프 및 자동 이득 제어 루프 기능은 소프트웨어 기능으로 구현된다.
쿼드 채널 복조기(21)는 아날로그-디지털 변환기(17)로부터 입력된 신호의 직각 성분을 분리시키고, 이렇게 분리시킨 성분을 위상 고정 루프 필터(22)에 인가하고 상기 위상 고정 루프 필터로부터 아날로그 전압 제어 발진기(voltage control oscillator: VCO) 회로(23)에 인가한다. VCO 회로(23)는 디지털 제어 워드에 의하여 반송 모드 공진 주파수로 구동되고, 변조 및 구동 업데이트의 타이밍을 제어한다. 리얼 채널 복조기(20)는 아날로그-디지털 변환기(17)로부터 입력된 신호의 실수 성분을 분리시키고, 이렇게 분리시킨 성분을 가산기(24)에 인가하여 상기 가산기에서 자동 이득 제어 세트 레벨 신호(25)와 합산하며 여기서 얻어진 신호를 자동 이득 제어(automatic gain control: AGC) 필터(26)에 전달한다. AGC 필터(26)로부터의 출력은, VCO(23)에 의하여 구동되는 재변조기(27)에 전달되어 디지털-아날로그 변환기(28)를 거처 제1 드라이브(1)에 전달되어 구동 레벨을 형성한다.
쿼드 채널 복조기(19)는 제2 픽오프(6) 출력 신호의 직각 성분을 분리시키고, 이렇게 분리시킨 성분을 쿼드 루프 필터(29)에 인가하고 상기 쿼드 루프 필터로부터 재변조기(30)에 인가한다. 마찬가지로, 제2 픽오프(6) 출력 신호는 리얼 채널 복조기(18)에 전달되어 실수 성분이 분리되고, 이렇게 분리된 성분을 리얼 루프 필터(31)에 인가하고 상기 리얼 루프 필터로부터 재변조기(32)에 인가한다. 재변조기(30, 32)로부터의 출력 신호는 가산기(33)에 의하여 합산 및 출력되어 아날로그-디지털 변환기(34)를 거쳐 제2 드라이브(13)에 구동 신호를 제공한다. 또한, 리얼 채널 루프 필터(31)로부터의 출력 신호는 적절한 특징을 제공하도록 출력 필터(35)를 통과하여 정격 출력 신호(36)를 형성한다.
종래, GB 2,322,196에 개시된 센서 장치의 스케일팩터는 상기 센서 장치를 레이트 테이블 상에 장착시키고 감응 축 둘레에 기지의 회전율을 인가하여 측정하였다. 다음에, 센서 출력은 회전 초당 밀리볼트 단위, 또는 디지털 기구에서는 비트로 정의된 보정 스케일팩터를 제공하도록 조정될 수 있다. 상기 과정은 센서를 최종 애플리케이션 시스템에 설치하기 전에 실행되는 것이 일반적이다. 이러한 보정은 자이로스코프를 제거하기 위하여 시스템을 분해하거나 또는 전체 구조에 정확하게 기지의 회전율을 가하지 않고서는 계속해서 체크될 수 없다.
상기와 같은 센서 장치의 스케일팩터는 센서의 동작 온도 범위에 걸쳐 어느 정도 변할 수 있는 것으로 공지되어 있다. GB 2,322,196에 개시된 센서 장치에 있어서, 상기 변화의 대부분은 제1 픽오프 gPPO 및 제2 드라이브 gSD 이득의 변화 및 반송 모드 공진 주파수 ω의 변화에 좌우된다. 공진 부재(R)의 기계적 고장 또는 전자 회로 부재의 완전한 기능 상실을 포함하는 심각한 고장은 일반적으로 US 5,866,796에 개시된 종래의 BIT 기술을 사용하여 검출가능하다. 그러나, 상기 기술은 이득의 변화, 예를 들면 스케일팩터가 사양 한계치를 초과하는 '가벼운' 고장은 검출하지 않는다.
센서가 회전함으로써 링 형상으로 된 진동 구조 상의 일정한 위치에 유지되어 있는 반송 모드가 관성 공간에 대하여 회전한다. 상기와 동일한 결과는 반송 및 응답 모드 드라이브 및 픽오프 축을 링에 대하여 회전시킴으로써 달성될 수 있다는 점을 알았다. 이것은 반송 모드 진동 패턴을 반송 모드 구동 축과 정렬 상태 를 유지하도록 링 둘레로 강제로 전진시키는 효과를 갖는다. 응답 모드 픽오프 축은 반송 모드 구동 축에 대하여 일정한 각분리를 유지하도록 또한 회전될 수 있다. 진동 동작의 관성은, 반송 모드 드라이브가 링 둘레를 회전할 때 진동 패턴이 원래의 진동 방향을 따라 지속되도록 한다. 개방 루프 시스템에서는, 응답 모드 축을 따르는 동작의 진폭은 반송 드라이브의 회전율과 정비례한다. 폐루프 시스템에서는, 이러한 잔류 동작은 코리올리 힘에 의하여 유도된 동작이 종래의 동작에서 제로로 되는 것과 동일한 방식으로 응답 모드 드라이브 루프에 의하여 제로로 된다.
도 2 및 도 3에 도시된 종래의 회로 설계는 도 4에 도시된 바와 같은 적절한 모드 축 회전력을 제공하도록 본 발명에 따라 변형될 수 있다. 도 4에 있어서, 도 2 및 도 3에 이미 표기된 구성 요소는 동일 도면 부호로 표기하였다. 도 4에서, sin/cos 드라이브 리졸버(37)는 반송 모드 구동 신호를 다음 비율로 제1 및 제2 구동 수단(1, 13) 트랜스듀서 사이에 분배한다:
Figure 112005025485665-pct00003
... (3)
Figure 112005025485665-pct00004
... (4)
여기서, VCD는 드라이브 리졸버(37) 입력의 반송 모드 구동 레벨이고, PD는 제1 구동 신호이며 SD는 제2 구동 신호이다. 이것은 각도 α로 작용하는 반송 모드 구동력을 도 4에 도시된 바와 같이 제1 드라이브(1) 트랜스듀서 축 방향으로 제공하며, 여기서 α=0°이다. 정상 동작에서, 반송 모드 드라이브는 순전히 제1 드라이브 트랜스듀서(1) 상에만 인가된다(예를 들면, α=0°).
응답 모드 드라이브는 반송 모드 구동 축에 대하여 45°각도로 인가된다. 이것은 구동 신호를 다음과 같이 인가함으로써 달성된다:
Figure 112005025485665-pct00005
... (5)
Figure 112005025485665-pct00006
... (6)
여기서, VRD는 드라이브 리졸버(37) 입력의 응답 모드 구동 레벨이다. 정상 동작에서, 응답 모드 드라이브는 순전히 제2 드라이브 트랜스듀서(13) 상에만 인가된다(예를 들면, α=45°).
sin/cos 픽오프 리졸버(38)는 픽오프 신호(39) 입력을 다음과 같이 복조기(2a, 2c)에 제공한다:
Figure 112005025485665-pct00007
... (7)
여기서, VCPO는 반송 전압이고, VPPO는 제1 픽오프 전압이며 VSPO는 제2 픽오프 전압이다. 전압 VCPO는 각도(α+270°)로 분해된 진동 동작을 나타내는 신호를 제공한다. 복조기(2a, 2c)로부터의 출력은 반송 모드 루프(5, 3)에 인가되는 입력을 제공한다.
또한, 픽오프 리졸버(38)는 복조기(6a, 6b)에 인가되는 신호(39a)를 다음과 같이 제공한다:
Figure 112005025485665-pct00008
... (8)
여기서, VRPO는 응답 전압이고, VSPO는 제2 픽오프 전압이며 VPPO는 제1 픽오프 전압이다. 전압 VRPO는 각도(α+135°)로 분해된 진동 동작을 나타내는 신호를 제공한다. 복조기(6a, 6b)는 응답 모드 루프(7, 8)에 인가하기 위하여 신호 VRPO의 실수 성분 및 직각 성분을 분리시킨다.
분해 성분은 당해 기술의 기본적인 기능을 변경시키지 않고 복조된 픽오프 신호에 교호로 인가될 수 있다는 점을 당업자는 이해할 수 있을 것이다.
구동 수단 축의 변위에 응답하는 스케일팩터는 다음 식에 의하여 제공된다:
Figure 112005025485665-pct00009
... (9)
여기서, SFCAL은 스케일팩터이고, Vo는 반송 모드 진폭 세트 레벨이며, ω는 반송 모드 공진 주파수이고, k는 진동 구조 치수를 포함하는 상수이며, gPPO는 제1 픽오프 이득이고 gSD는 제2 드라이브 이득이다.
소정의 구동 수단 회전율에 있어서, 스케일팩터는 센서 자체의 회전에 대한 스케일팩터의 1/GB배와 동일하다. 브라이언 함수, GB는 센서 구조의 외형 및 진동 모드 형상에 의하여 설정된 상수이다(GB 2,322,196의 센서 설계에서 GB~0.33). 상기 함수, GB는 모든 조건 하에서 매우 안정적이며, 센서 장치의 전체 동작 온도 범위(-40 내지 +85℃)에 걸쳐 100ppm 이하로 변할 수 있는 것으로 도시되어 있다.
스케일팩터에 관한 정보를 얻기 위하여, 각도 α는 기지의 비율 α.dt로 변경되어야 한다. 드라이브 및 픽오프 리졸버 블록(37, 38)을 아날로그 구성 요소를 사용하여 구현하는 경우, α-제어 블록(40)은 α가 원하는 범위의 값에 걸쳐 변경될 수 있도록 조정될 수 있는 전압 레벨을 출력한다. 디지털 기구에 있어서, α-제어 블록(40), 및 드라이브 및 픽오프 리졸버 블록(37, 38) 양자 모두는 소프트웨어 기능으로 구현된다. 따라서, 디지털 기구는 스케일팩터 자체 보정 기능이 어떠한 추가적인 하드웨어 및 추가의 비용도 필요없이 구현될 수 있다는 장점을 갖는다.
다수의 상이한 BIT 테스트 방법을 사용할 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 분해된 반송 및 응답 모드 드라이브 및 픽오프 축은 일정한 각도를 통하여 진동 구조체(R) 둘레에 각변위된 다음, 동일 속도로 개시 위치로 다시 변위된다. 상기 기술은 바이어스 오프셋 결과가 제거될 수 있기 때문에 특히 바람직하다. 바이어스는 인가된 속도가 없는 경우 출력에 오차가 생긴다. 상기 바이어스는 포지티브 및 네거티브 구동 회전 양자 모두에 대하여 일정한 극성 오프셋 신호, VB를 제공한다. 포지티브 회전에 있어서 출력은 다음 식에 의하여 제공되고:
Figure 112005025485665-pct00010
... (10)
네거티브 회전에 있어서 출력은 다음 식에 의하여 제공된다:
Figure 112005025485665-pct00011
... (11)
이들 2개의 신호 사이의 차이는 다음과 같다:
Figure 112005025485665-pct00012
... (12)
따라서, 상기 측정은 바이어스 오프셋에 의하여 영향을 받지 않는다. 동작의 보정 모드의 스케일팩터는 다음 식에 의하여 제공된다:
Figure 112005025485665-pct00013
... (13)
따라서, 레이트 스케일팩터는 다음과 같이 정의된다:
Figure 112005025485665-pct00014
... (14)
동작 시, 상기 보정 과정은 주기적으로 실행될 수 있고, 그 결과는 일반적으로 제조 공정 도중에 설정된 공장 보정값인 기준값과 비교될 수 있다. 아날로그 전자 기구에 있어서, 이 보정은 전용 회로의 추가를 필요로 한다. 디지털 기구에 있어서, 이 보정 기능은 소프트웨어 내에서 또한 달성될 수 있다. 소정의 한계치 외의 임의의 편차는 서비스 중인 장치의 고장을 표시하도록 경보 기능을 트리거하는데 사용될 수 있다. 아날로그 시스템에 있어서, 경보 상태는 출력 전압을 일정한 소정값으로 설정함으로써 표시되는 것이 일반적이다. 디지털 시스템 상에서, 상기 상태는 소정의 출력 워드에 의하여 표시된다.
상기 보정 과정은 내장테스트 애플리케이션에서 상당한 장점을 더 갖는다. 또한, 레이트 테이블 상에서 테스트를 거치지 않고 센서 장치의 스케일팩터를 초기에 보정하는데 사용될 수 있다. 임의의 자이로스코프 장치에 대한 일반적인 셋업 과정은 상기 장치를 레이트 테이블 상에 위치시키고 상기 장치를 자신의 감응 축을 중심으로 기지의 회전 속도로 회전시키는 것이다. 다음에, 출력의 신호 이득을 조정하여 회전 초당 소정의 출력 전압을 제공한다. 상기 과정은 시간이 많이 소모되며 값비싼 시험 기구가 필요하다. 본 명세서에 개시된 자체 보정 과정은 어떠한 시험 기구도 필요없이 고도의 정확도로 상기 기능을 수행할 수 있다. 스케일팩터는 일정한 기준값과 내부적으로 비교될 수 있고, 출력 이득은 원하는 값을 얻기 위하여 자동적으로 조정될 수 있다.
상기 기술을 사용할 때의 추가적인 장점은 상기 기술은 동작 시에 사용, 즉 온도 변화 또는 에이징 효과에 의하여 유도된 스케일팩터 변화를 보상하는데 사용될 수 있다는 점이다. 상기 기술은 주요한 자이로스코프 성능 파라미터의 안정성을 현저하게 향상시키는 방법을 제공한다.
다른 실시예에 있어서, 반송 응답 모드 드라이브 및 픽오프는 한쪽 방향으로 일정한 속도로 각변위될 수 있다. 일정한 속도의 α의 변위는 센서 장치에 인가된 리얼 회전에 의하여 발생된 상수와 구별될 수 없는, 센서 출력에서 오프셋된 상수와 중복된다. 그러나, 상기 기술은 센서가 고정형일 때 사용될 수 있다. 자동차 제동 애플리케이션에서, 상기 정보는 다른 센서, 즉 휠 회전 센서가 설치되어 있는 경우에 이용할 수 있다.
다른 방법은 일정한 반송 모드 구동 위치에 대해 모드 위치를 진동시키기 위해 진동 입력을 α제어 기능에 인가하는 것이다(일반적으로 α=0°). 이것은 진동 속도 신호를 센서 출력 상에 중첩시킨다. 진동 입력을 사용하는데는 응답 모드 드라이브에 유도된 응답을 인가된 진동 신호에 대하여 정확하게 복조시키는 것이 필요하다. 이것은 BIT 테스트 과정을 상당히 복잡하게 한다는 단점을 갖는다. 또한, 상기 신호는 센서 플랫폼이 고정형인 경우에만 활성화되도록 제어될 수 있다, 또한, 제공된 진동 속도 주파수는 상기 주파수의 임의의 신호가 BIT 테스트에 의하여 발생되도록 센서의 정상적인 동작 대역폭 외측에 설정될 수 있다.
본 발명의 방법 및 장치는 Cos 2θ 진동 모드 형상과 함께 평면 링 형상의 공진기를 사용하는 VSG 설계에 응용되는 예를 들어 설명하였다. 본 발명의 방법은 다양한 진동 모드 쌍을 사용하는 VSG 공진기 구조에도 또한 응용될 수 있다는 점을 당업자는 이해할 수 있을 것이다. 일반적으로, 상기 방법은 이론적으로는 상이한 반송 및 응답 모드 형상(예를 들면, 튜닝 포크)을 사용하여 작동되는 구조에 응용될 수 있지만, 본 명세서에 기재된 바와 같이 동일한 반송 및 응답 모드를 사용하는 공진기에 응용되는 것이 가장 편리하다.

Claims (15)

  1. 진동 구조 자이로스코프의 소정값으로부터 스케일팩터의 변화를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 진동 구조 자이로스코프는,
    진동 구조체,
    상기 진동 구조체를 진동 공진 상태로 위치시켜 유지하는 제1 및 제2 고정된 구동 수단, 및
    상기 진동 구조체의 진동을 검출하는 제1 및 제2 고정된 픽오프 수단
    을 포함하고,
    상기 구동 수단 및 픽오프 수단은 상기 진동 구조체 둘레에 반경방향으로 위치되며,
    상기 방법은,
    상기 구동 수단 및 픽오프 수단으로부터의 출력을 결합하여, 분해된 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프 축을 발생시키고,
    스케일팩터 SFCAL이 소정의 스케일팩터값 SFRATE를 상기 진동 구조 및 진동 모드 형상에 의해 설정되는 상수인 브라이언 팩터 GB로 나눈 SFRATE/GB과 동일한, 기지의 속도로, 상기 분해된 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프 축을 상기 진동 구조체의 중앙축에 대하여 상기 진동 구조체 둘레에서 균등하게 각변위시키는 단계를 포함하는, 스케일팩터의 변화 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동 구조체는 동일한 반송 및 응답 모드를 갖는 평면형 링 형상인 것을 특징으로 하는 스케일팩터의 변화 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 고정된 구동 수단에는 구동 신호 VCDcos2α가 각도 0°로 인가되고 상기 제2 고정된 구동 수단에는 신호 VCDsin2α가 각도 45°로 인가되어, 생성된 반송 모드 구동력을 각도 α로 제공하는 것을 특징으로 하는 스케일팩터의 변화 측정 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 고정된 구동 수단에는 구동 신호 -VRDsin2α가 각도 0°로 인가되고 상기 제2 고정된 구동 수단에는 신호 VRDcos2α가 각도 45°로 인가되어, 생성된 응답 모드 구동력을 각도 (α+45°)로 제공하는 것을 특징으로 하는 스케일팩터의 변화 측정 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    각도 0°에서의 상기 제1 고정된 픽오프 수단의 출력 및 각도 45°에서의 상기 제2 고정된 픽오프 수단의 출력이 결합되어, 각도 (α+270°)로 분해된 진동 동작의 진폭을 나타내는 반송 모드 픽오프 신호 VCPO=(VPPOcos2α+ VSPOsin2α)를 제공하는 것을 특징으로 하는 스케일팩터의 변화 측정 방법.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    각도 0°에서의 상기 제1 고정된 픽오프 수단의 출력 및 각도 45°에서의 상기 제2 고정된 픽오프 수단의 출력이 결합되어, 각도 (α+135°)로 분해된 진동 동작의 진폭을 나타내는 응답 모드 픽오프 신호 VRPO=(VSPOcos2α- VPPOsin2α)를 제공하는 것을 특징으로 하는 스케일팩터의 변화 측정 방법.
  7. 삭제
  8. 제2항에 있어서,
    상기 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프 축은 일정한 각도를 통하여 상기 기지의 속도로 상기 진동 구조체 둘레에서 균일하게 각변위된 다음, 상기 기지의 속도로 개시 위치로 다시 변위되는 것을 특징으로 하는 스케일팩터의 변화 측정 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프 축은 한쪽 방향으로 상기 기지의 속도로 상기 진동 구조체 둘레에서 각변위되는 것을 특징으로 하는 스케일팩터의 변화 측정 방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프 축은 고정된 개시 위치의 양쪽에서 진동 방식으로 일정한 각도를 통하여 상기 기지의 속도로 상기 진동 구조체 둘레에서 균일하게 각변위되는 것을 특징으로 하는 스케일팩터의 변화 측정 방법.
  11. 삭제
  12. 진동 구조 자이로스코프의 소정값으로부터 스케일팩터의 변화를 측정하는 장치에 있어서,
    진동 구조체,
    상기 진동 구조체를 진동 공진 상태로 위치시켜 유지하는 제1 및 제2 고정된 구동 수단,
    상기 진동 구조체의 진동을 검출하는 제1 및 제2 고정된 픽오프 수단,
    직각 성분 및 실수 성분 루프 시스템,
    자동 이득 제어 및 위상 고정 루프 시스템,
    상기 제1 및 제2 픽오프 수단으로부터 신호를 수신하고, 상기 직각 성분 및 실수 성분 루프 시스템과 상기 자동 이득 제어 및 위상 고정 루프 시스템에 신호를 출력하는 sin/cos 픽오프 리졸버,
    상기 직각 성분 및 실수 성분 루프 시스템과 상기 자동 이득 제어 및 위상 고정 루프 시스템으로부터의 출력 신호를 수신하고, 상기 제1 및 제2 구동 수단에 제어 신호를 공급하는 sin/cos 드라이브 리졸버, 및
    분해된 반송 및 응답 모드 구동 및 픽오프 축이 상기 진동 구조체의 중앙축에 대하여 기지의 속도로 상기 진동 구조체 둘레에서 균일하게 각변위되도록 제어하기 위하여 상기 sin/cos 드라이브 및 픽오프 리졸버에 각변위 제어 신호를 공급하는 각변위 제어기
    를 포함하고,
    상기 고정 수단 및 픽오프 수단은 상기 진동 구조체 둘레에 반경방향으로 위치되는
    스케일팩터의 변화 측정 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 진동 구조체는 평면형 링 형상이며, 동일한 반송 및 응답 모드를 갖는 것을 특징으로 하는 스케일팩터의 변화 측정 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 sin/cos 픽오프 리졸버로부터 신호를 수신하고, 상기 직각 성분 및 실수 성분 루프 시스템에 복조된 신호를 출력하는 복조기,
    상기 직각 성분 및 실수 성분 루프 시스템으로부터의 출력 신호를 수신하고 재변조하는 재변조기,
    상기 sin/cos 픽오프 리졸버로부터 신호를 수신하고, 상기 자동 이득 제어 및 위상 고정 루프 시스템에 복조된 신호를 출력하는 복조기, 및
    상기 자동 이득 제어 및 위상 고정 루프 시스템에 의하여 출력된 신호를 수신하여 재변조하고, 상기 sin/cos 드라이브 리졸버에 재변조된 출력 신호를 전달하는 재변조기
    를 포함하는, 스케일팩터의 변화 측정 장치.
  15. 삭제
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