KR20060017648A - 회전 속도 센서 모니터링 방법 - Google Patents

회전 속도 센서 모니터링 방법 Download PDF

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KR20060017648A
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하인츠-베르너 모렐
디트마르 슈미트
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 제어 회로의 일부로서 대역 통과 필터에 해당되는 진동 자이로스코프를 포함한 회전 속도 센서의 모니터링 방법에 관한 것이다. 이러한 제어 회로는 디지털 부품 및 아날로그 부품으로 구성되며, 진동 자이로스코프에 여기 신호를 제공함으로써 그 진동 자이로스코프가 고유 진동수에서 진동하도록 한다. 출력 신호는 진동 자이로스코프로부터 산출될 수 있으며, 그 출력 신호로부터 필터링과 증폭에 의해 여기 신호와 회전 속도 신호가 산출될 수 있다. 본 발명의 회전 속도 센서 모니터링 방법에 따르면, 여분의 아날로그 부품과 적어도 하나의 아날로그/디지털 컨버터를 사용하여, 아날로그 신호를 측정하고 디지털 부품 내의 특성치를 판독하며 그 특성치를 한계치와 비교하는 것을 특징으로 한다.
회전 속도 센서, 모니터링 방법

Description

회전 속도 센서 모니터링 방법{METHOD FOR MONITORING A ROTATION RATE SENSOR}
본 발명은, 여기 신호(excitation signal)를 제공하여 고유 진동수에서 여기되도록 하며 디지털 부품 및 아날로그 부품을 포함하는 적어도 하나의 제어 루프의 일부이고 대역 통과 필터(bandpass filter)에 해당되는 진동 자이로스코프를 구비한 회전 속도 센서의 모니터링 방법으로서, 진동 자이로스코프로부터 출력 신호가 산출될 수 있고, 그 출력 신호로부터 필터링과 증폭에 의해 여기 신호와 회전 속도 신호가 산출되는 회전 속도 센서 모니터링 방법에 관한 것이다.
예를 들어 유럽 특허 공보 제0 461 761 B1호에는, 진동 자이로스코프가 2개의 반경 방향으로 정렬된 축에서 여기되고, 이를 위해서 적절한 트랜스듀서를 구비한 제1 제어 루프 및 제2 제어 루프가 진동 자이로스코프에 구비되는 회전 속도 센서가 개시되어 있다. 이러한 회전 속도 센서가 차량 움직임을 안정시키도록 하기 위해 차량에 사용되면, 그 회전 속도 센서의 고장이나 오작동으로 인한 위험이 생길 수 있다. 이를 방지하기 위해서, 회전 속도 센서의 기능을 모니터링하는 작업이 필요하게 된다.
본 발명의 회전 속도 센서 모니터링 방법에 따르면, 여분의 아날로그 부품과 적어도 하나의 아날로그/디지털 컨버터에 의해서, 아날로그 신호가 측정되고 디지털 부품 내의 특성치가 판독되며 그 특성치가 각각 한계치와 비교된다.
본 발명의 회전 속도 센서 모니터링 방법에 의하면, 작동 중에 회전 속도 센서를 거의 완전하게 모니터할 수 있게 되며, 아날로그 부품뿐만 아니라 디지털 부품의 오류도 식별할 수 있게 된다. 하지만, 소정의 시간에, 일례로 회전 속도 센서의 작동시에, 특히 점화 개시 후나 차량이 정지되어 있을 때에, 본 발명에 따른 회전 속도 센서 모니터링 방법과 조합하여 혹은 본 발명에 따른 회전 속도 센서 모니터링 방법의 범위 내에서 또 다른 모니터링 작업을 실시하는 것도 가능하다.
본 발명의 회전 속도 센서 모니터링 방법의 일 실시예에 따르면, 여기 신호는, 대역 통과 필터의 통과 대역 내에 위치하지만 회전 속도 신호의 주파수 범위 외에 있는 측파대(sideband)를 형성시키는 주파수를 갖는 변조 신호로 변조되고, 그 변조 신호의 진폭이 출력 신호에서 측정되며, 그 진폭이 소정의 한계치 미만일 때 오류 메시지가 생성된다.
이러한 실시예에 의하면, 회전 속도 센서의 작동에 아무런 영향을 미치지 않고서, 작동 중에 진동 자이로스코프를 포함한 전체 제어 루프의 작동을 모니터할 수 있게 된다.
또 다른 실시예에 따르면, 증폭 및 아날로그/디지털 변환 후에 출력 신호가 동상 성분(in-phase component)과 이상 성분(quadrature component)으로 복조되고, 동상 성분과 이상 성분은 필터링 후에 재변조되어 여기 신호를 형성할 수 있게 조합되며, 복조된 성분들에 변조 신호가 추가된다.
본 발명의 실시예의 바람직한 일 태양에 따르면, 변조 신호의 추가 이전에 측정 신호가 복조된 성분으로부터 산출되고 동기식으로 복조된다. 이러한 경우에, 바람직하게는 측정 신호가 복조된 출력 신호의 필터링 전후에 산출된다.
변조에 의해 형성된 측파대와 변조 신호와 측정 신호가 아주 낮은 진폭을 갖기 때문에, 동기식으로 복조된 측정 신호를 소정의 시간에 걸쳐 적분하고 그 적분치를 소정의 한계치와 비교함으로써 노이즈를 제거할 수 있다. 선택적으로, 본 발명의 회전 속도 센서 모니터링 방법은, 동기식으로 복조된 측정 신호가 적분되고 그 적분된 측정 신호가 소정의 한계치에 도달되는 시간이 측정되는 방식으로 수행될 수 있다.
공지된 진동 자이로스코프에 따르면, 변조 신호의 주파수가 200Hz이면 바람직한 것으로 판명되었다.
본 발명의 회전 속도 센서 모니터링 방법의 또 다른 실시예에 따르면, 회전 속도 신호가 회전 속도 센서의 출력부로부터 판독되고, 그 회전 속도 신호가 출력단에 제공되는 회전 속도 신호와 비교된다. 이에 의하면, 특히 출력단을 검사하여 회전 속도 신호가 정확하게 전송되는지 여부를 확인할 수 있게 된다.
다른 시스템으로 전송되는 회전 속도 신호의 검사는, 출력부에 연결된 시스템이 검사를 위해서 회전 속도 신호를 입력부로 역전송함으로써 행해진다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 디지털 부품 및 아날로그 부품은 검사 부품에 의해 연속하여 검사되고, 그 검사 부품은 모니터링 부품에 의해 한 작동 사이클 중 적어도 1회 모니터된다.
이러한 실시예의 한 가지 이점은, 연속 모니터링에 의해 오류 메시지가 신속하게 생성됨으로써, 회전 속도 신호가 오류일 수 있음을 사용자와 상위 레벨 시스템에 알릴 수 있다는 점이다. 이러한 신속한 반응이 검사 부품의 모니터링 작업에 의해 추가로 보조됨으로써, 부정확한 회전 속도 신호를 직접적으로 유발시키지는 않지만 제2 오류가 발생하는 경우에 위험을 초래할 수도 있는 오류들의 신호가 생성된다. 이를 위해서, 약간의 여분의 디지털 부품 및 아날로그 부품이 필요하게 된다.
본 발명에 의하면 여러 가지 실시예들이 가능하다. 그 중 하나의 실시예가 도면들에 개략적으로 도시되어 있으며, 그 도면들을 참고하여 이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 회전 속도 센서의 블록 다이어그램이다.
도 2는 도 1에 도시된 회전 속도 센서를 상세하게 도시한 상세도이다.
도 3은 회전 속도 센서의 제2 제어 루프를 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예와 그의 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, 적절 하게 프로그램되면 블록 다이어그램에 도시된 처리 단계들을 수행할 수 있는 마이크로프로세서가 사용될 수 있다.
도 1은 진동 자이로스코프(1)가 제1 여기 신호(excitation signal)(PD) 및 제2 여기 신호(SD)에 대한 2개의 입력부(2, 3)를 구비한 장치의 블록 다이어그램이다. 적절한 트랜스듀서, 일례로 전자기 트랜스듀서가 여기용으로 사용된다. 진동 자이로스코프는 또한 제1 출력 신호(PO) 및 제2 출력 신호(SO)에 대한 2개의 출력부(4, 5)를 구비한다. 이러한 신호들은 자이로스코프의 공간적으로 상이한 지점들 각각에서의 진동을 나타낸다. 이러한 자이로스코프는 일례로 유럽 공개 특허 공보 제0 307 321 A1호로부터 공지되어 있으며, 코리올리 힘(Coriolis force) 효과에 기초하고 있다.
진동 자이로스코프(1)는 높은 Q-인자 필터(Q-factor filter)로서, 입력부(2)와 출력부(4) 사이의 경로는 제1 제어 루프(6)의 일부이고, 입력부(3)와 출력부(5) 사이의 경로는 제2 제어 루프(7)의 일부이다. 제1 제어 루프(6)는 진동 자이로스코프의 공진 주파수, 일례로 14kHz에서 진동을 여기시키는 데 사용된다. 이러한 경우에, 여기력은 진동 자이로스코프의 한 축에 인가되며, 제2 제어 루프에 사용되는 진동 방향은 상기 축에 대해서 90°만큼 편위된다. 신호(SO)는 제2 제어 루프(7)에서 동상 성분(in-phase component)과 이상 성분(quadrature component)으로 분할되며, 그 중 하나가 필터(8)를 통해 출력부(9)로 전송되어, 이로부터 회전 속도에 비례한 신호가 산출된다.
대부분의 신호 처리는 두 제어 루프(6, 7)에서 디지털 형태로 행해진다. 신 호 처리에 소요되는 클럭 신호(clock signal)는 크리스탈 제어식 디지털 주파수 합성기(10)에서 생성되며, 도시된 실시예에서 클럭 주파수는 14.5MHz이다.
도 2에 도시된 블록 다이어그램을 보면, 부품들이 영역(64, 65, 66)으로 분할되어 있다. 이러한 경우에, 회전 속도 센서의 실제 작동에 사용되는 모든 부품들은 하나의 기능 영역(64)으로 조합된다. 검사 영역(65)은 기능 영역(64)의 부품들을 연속하여 검사하는 부품들을 포함한다. 모니터링 영역(66)은 검사 영역(65)의 부품들을 때때로 모니터하는 부품들을 포함한다. 따라서, 일례로 2개의 증폭기(11, 11'), 하나의 아날로그/디지털 컨버터(12) 및 하나의 디지털/아날로그 컨버터(13)가 진동 자이로스코프(1)의 작동을 위해 구비된다. 또 다른 부품, 일례로 필터는 본 발명을 이해하는 데 있어 필요없기 때문에, 상세히 설명하지 않는다. 진동 자이로스코프(1)로부터 산출되는 신호는 도면 부호 11에서 증폭되어 도면 부호 12에서 디지털화된 다음에 도면 부호 14에서 디지털 방식으로 처리되어 구동 신호를 산출하며, 이러한 구동 신호는 디지털/아날로그 컨버터(13)와 증폭기(11')를 통해서 진동 자이로스코프의 한 입력부로 전송된다.
작동시, 조절 데이터가 비휘발성 메모리(14')로부터 로딩된다. 회전 속도 신호를 포함한 데이터가 디지털 신호 처리부(14)로부터 마이크로컴퓨터(15)를 통해 로딩되어, UART/SPI 인터페이스(16)를 통해 또 다른 마이크로컴퓨터(17)로 전송된다. 마이크로컴퓨터(17)는 디지털 회전 속도 신호를 출력부(9)로 전송한다. 이와 함께, 디지털/아날로그 컨버터(18)가 디지털 신호 처리부(14)에 연결되어, 아날로그 회전 속도 신호가 출력부(9')에서 생성된다.
검사 영역(65)은 마이크로컴퓨터에 의한 자체 진단부(19)에 의해 형성되며, 데이터는 디지털 신호 처리부(14)로부터 습득가능하다. 또한, 검사 영역(65)은 기능 영역(64)의 아날로그 부품들을 검사할 수 있게 하기 위해서 시험 신호 주입기(20)[이 시험 신호 주입기는 자체 진단부(19)에 의해 제어될 수 있으며 선정가능한 지점들에서 아날로그 시험 신호를 기능 영역(64)의 아날로그 회로로 전송할 수 있음]를 구비한다. 기능 영역(64)의 아날로그 회로의 다수의 지점들이 다중화기(multiplexer)(21)에 연결되어, 선정가능한 아날로그 신호가 검사될 수 있게 된다.
이러한 아날로그 신호들 중 하나가 비교적 작은 진폭을 갖는 경우를 위해 증폭기(22)가 구비된다. 도시된 실시예에 따르면, 피검사 아날로그 신호는 반송파 주파수를 갖는다. 따라서, 복조기(23)가 다중화기(21)에 연결된다. 자체 진단부(19)는 아날로그/디지털 컨버터(24) 하류의 피검사 아날로그 신호에 접속 가능하다. 자체 진단부(19)에는, 출력부(9')로부터의 아날로그 출력 신호와, 추가 검사용으로 출력부(67)로부터의 알람 신호가 제공된다. 만일 자체 진단부(19)가 오류를 발견하면, 알람 신호가 OR 회로(68)와 출력부(67)를 통해서 생성된다. 또한, UART/SPI 인터페이스의 데이터 메시지의 상태 비트(status bit)를 통해 알람 신호가 생성된다.
마이크로컴퓨터에서의 프로그램 실행, 클럭 신호의 존재 및 메모리의 정확한 작동에 대한 모니터링 작업은, 모니터링 영역(66)에서 클럭 탐지기(69), 와치독(watchdog)(70) 및 RAM/ROM 검사기(71)에 의해 행해진다. 만일 이러한 부품들 중 하나가 오류를 발견하게 되면, 알람 신호가 OR 회로(68)와 출력부(67)를 통해서 생성된다. 자체 진단 작업은 일례로 유지 보수 작업 중에 혹은 차량의 작동 중단 시 간 중에 입력부(72)를 통해 개시될 수 있다.
제2 제어 루프(7)가 도 3에 블록 다이어그램으로 도시되어 있으며, 증폭기(25), 안티앨리어싱 필터(anti-aliasing filter)(26) 및 아날로그/디지털 컨버터(27)를 포함한다. 증폭되고 디지털화된 신호(SO)와 반송파(Ti1, Tq1)가 제공되는 배율기(28,29)가 실수부와 허수부로 분할시키는 데 사용된다.
이어서, 2개의 성분은 각각 sinx/x 필터(30, 31)와 저역 필터(32, 33)를 통과한다. 회전 속도 센서에 의해 측정될 회전 속도를 나타내는 2개의 신호(R1, R2)가, 필터링된 실수부로부터 전처리 회로(34)에 의해 산출된다. 신호(R2)가 일례로 현재 활용되고 있는 회로 기술에서 가능한 OV 내지 +5V의 진폭 범위 전체를 차지하지 않는다는 점에서, 신호(R1, R2)는 다르다. 오류 메시지를 출력시키기 위해서, 신호(R2)를 0으로 설정하게 되면, 그 오류 메시지에 의해 연결 시스템을 식별할 수 있게 된다.
저역 필터(32, 33)에 후속하여 가산기(35, 36)가 구비된다. 2개의 성분(Si, Sq) 각각은 배율기(37, 38)에 의해서 반송파(Ti2, Tq2)와 함께 재변조된다. 도면 부호 39에서의 추가 공정에 의해 14kHz의 진동이 발생되며, 이는 진동 자이로스코프(1)를 여기시키기에 적절한 전류로 출력 드라이버(40)에서 변환된다.
제2 제어 루프를 검사하기 위해서, 200Hz의 변조 신호가 발생기(41)에서 생성된다. 이러한 신호에 2개의 배율기(42, 43)에서 상수(k1, k2)가 곱하여져, 두 성분에 대한 변조 신호의 진폭이 서로에 독립적으로 변화될 수 있게 되며, 이러한 상수(k1, k2)는 변수로서 작동시 메모리로부터 로딩된다. 이러한 신호에 후속 가산기 (44, 45)에서 가변 바이어스 전압(bias voltage)(k3, k4)이 부가된다. 이러한 방식으로 산출된 변조 신호 성분은, 복조된 출력 신호의 두 성분에 가산기(35, 36)에서 부가된다. 이어서, 반송파 신호가, 재조합된 복조 출력 신호와 변조 신호와 함께 후속 배율기(37, 38)와 가산기(39)에 의해 변조된다.
증폭, 안티앨리어싱 필터링(26), 아날로그/디지털 변환 및 복조(28, 39) 후에 진동 자이로스코프의 출력부(5)로부터 얻어진 성분들은, 각각 필터(32, 33)의 상류와 필터(32, 33)의 하류에서 산출되며, 동기식 복조기로서 사용되는 배율기(47)에 출력부가 연결된 다중화기(46)에 측정 신호로서 제공된다. 배율기(47)의 출력 신호는 도면 부호 48에서 큰 주기에 걸쳐 적분되어 한계치 회로(49)로 전송된다. 적분치가 소정의 시간 내에 소정의 한계치를 초과하여 변조 신호가 존재함을 확인하게 되면, 마이크로컴퓨터(53)가 오류 메시지를 생성시킨다.
이러한 제2 제어 루프의 모니터링 이외에, 여타 다른 검사 장치가 도 3에 도시된 실시예에 포함된다. 예를 들어, 다중화기(51)에 의해 아날로그/디지털 컨버터(52)의 입력부에 연속하여 연결된 측정 지점들은 회전 속도 센서의 여러 지점들에 배치되며, 롬버스(rhombus)에 의해 식별된다. 따라서, 아날로그/디지털 컨버터(52)의 출력부에서의 값은 각각 측정 아날로그 신호들 중 하나의 크기를 나타내며, 마이크로컴퓨터(53)에 의해 직접 모니터될 수 있거나 혹은 최고치 탐지기(54)를 통해서 마이크로컴퓨터(53)로 전송될 수 있다.
이러한 방식으로 측정되어 모니터될 아날로그 신호들에 대한 예로서, 증폭기(25)로부터의 출력 신호와, 드라이버 회로(40)로부터의 출력 신호와, 안티앨리어싱 필터(anti-aliasing filter)(26)로부터의 출력 신호를 들 수 있다. 또 다른 측정 지점들이 회로들(미도시), 일례로 전압 공급 회로나 아날로그 출력부(9')(도 2)에 구비될 수 있다.
진폭이 작고 신호 대 잡음 비율이 낮기 때문에, 진동 자이로스코프(1)로부터의 출력 신호(SO)는 직접 측정될 수 없어, 여분의 증폭기(55)가 증폭기(25)와 병렬로 구비되며, 이 증폭기(55)의 출력부는 측정 지점들 중 하나를 나타낸다. 2개의 출력 전압을 비교하게 되면, 진동 자이로스코프(1)로부터의 출력 신호(SO)와 증폭기(25, 55)들 중 하나로부터의 출력 신호 중 어느 출력 신호에 오류가 있는지를 확인할 수 있게 된다.
아날로그/디지털 컨버터(27)는 여분의 해당 아날로그/디지털 컨버터(56)를 구비하며, 이러한 아날로그/디지털 컨버터(56)의 출력부는 아날로그/디지털 컨버터(27)의 출력부에서와 동일한 방식으로 마이크로컴퓨터(53)에 의해 검사될 수 있다. 두 아날로그/디지털 컨버터로부터의 출력치들을 비교하게 되면, 아날로그/디지털 컨버터에 결함이 있는지 아니면 상위 회로에 결함이 있는지를 확인할 수 있게 된다.
회전 속도 신호를 검사하기 위해서, 여분의 전처리 회로(57)가 도 2에 도시된 장치에 배치되며, 그 전처리 회로의 출력부는 마이크로컴퓨터(53)에 의해 검사될 수 있다. 앞서 설명한 바와 유사하게, 전처리 회로(57)의 출력치를 전처리 회로(34)의 출력치와 비교하게 되면, 전처리 회로(34, 57)들 중 어느 전처리 회로가 오작동되는지를 확인할 수 있게 된다.

Claims (11)

  1. 여기 신호를 제공하여 고유 진동수에서 여기되도록 하며 디지털 부품 및 아날로그 부품을 포함하는 최소한 하나의 제어 루프의 일부이고 대역 통과 필터에 해당되는 진동 자이로스코프를 구비한 회전 속도 센서의 모니터링 방법으로서, 상기 진동 자이로스코프로부터 출력 신호가 산출될 수 있고, 상기 출력 신호로부터 필터링과 증폭에 의해 여기 신호와 회전 속도 신호가 산출되는 회전 속도 센서 모니터링 방법에 있어서,
    여분의 아날로그 부품과 최소한 하나의 아날로그/디지털 컨버터에 의해서, 아날로그 신호가 측정되고 디지털 부품 내의 특성치가 판독되며 상기 특성치가 각각 한계치와 비교되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서 모니터링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    여기 신호는, 대역 통과 필터의 통과 대역 내에 위치하지만 회전 속도 신호의 주파수 범위 외에 있는 측파대를 형성시키는 주파수를 갖는 변조 신호로 변조되고, 상기 변조 신호의 진폭이 출력 신호에서 측정되며, 상기 진폭이 소정의 한계치 미만일 때 오류 메시지가 생성되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서 모니터링 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    증폭 및 아날로그/디지털 변환 후에 출력 신호가 동상 성분과 이상 성분으로 복조되고, 상기 동상 성분과 이상 성분은 필터링 후에 재변조되어 여기 신호를 형성할 수 있게 조합되며, 복조된 성분에 변조 신호가 추가되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서 모니터링 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    변조 신호의 추가 이전에 측정 신호가 복조된 성분으로부터 산출되고 동기식으로 복조되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서 모니터링 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    복조된 출력 신호의 필터링 전후에 측정 신호가 산출되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서 모니터링 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    동기식으로 복조된 측정 신호는 소정의 시간에 걸쳐 적분되고, 그 적분치는 소정의 한계치와 비교되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서 모니터링 방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    동기식으로 복조된 측정 신호가 적분되고, 그 적분된 측정 신호가 소정의 한계치에 도달되는 시간이 측정되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서 모니터링 방 법.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    변조 신호의 주파수는 200Hz인 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서 모니터링 방법.
  9. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 속도 신호가 회전 속도 센서의 출력부로부터 판독되고, 상기 회전 속도 신호가 출력단에 제공되는 회전 속도 신호와 비교되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서 모니터링 방법.
  10. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    출력부에 연결된 시스템이 검사를 위해서 회전 속도 신호를 입력부로 역전송하는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서 모니터링 방법.
  11. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    디지털 부품 및 아날로그 부품은 검사 부품에 의해 연속하여 검사되고, 상기 검사 부품은 모니터링 부품에 의해 한 작동 사이클 중 최소한 1회 모니터되는 것을 특징으로 하는 회전 속도 센서 모니터링 방법.
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