KR20080045744A

KR20080045744A - 센서 장치를 모니터링하기 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20080045744A
Application number: KR1020087008647A
Authority: KR
Inventors: 라파엘 마이어-베게린; 하인츠-베르너 모렐
Original assignee: 지멘스 파우데오 오토모티브 아게
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-05-23
Also published as: EP1924823B1; CN101263365B; US20090260435A1; US7926347B2; JP2009508130A; EP1924823A1; DE102005043559A1; AU2006290966A1; DE502006002842D1; CN101263365A; WO2007031409A1

Abstract

본 발명은 진동 자이로스코프를 포함한 센서 장치를 모니터하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 상기 진동 자이로스코프는 공진기로서 사용되며 가진 신호를 그 고유 주파수로 공급함으로써 진동 자이로스코프를 여진하는 하나 이상의 제어 회로의 일부이다. 출력 신호는 필터링과 증폭에 의해 가진 신호가 유도될 수 있는 진동 자이로스코프로부터 태핑될 수 있다. 본 발명은 온도 변화의 제1 값이 고유 주파수의 실제 값과 비교 중에 기준 온도에서 측정되고 메모리에 저장된 고유 주파수의 값의 차이와, 측정된 온도에 대한 고유 주파수의 온도 계수로부터 계산되는 것을 특징으로 한다. 온도 변화의 제2 값은 실제 온도와 메모리에 저장된 기준 온도에서의 온도 센서의 출력 변수들 간의 차이와, 온도 센서의 온도 계수로부터 계산된다. 상기 2개의 계산된 값들은 비교되며 상기 값들이 소정의 값을 초과하는 정도로 편차가 있는 경우에 오류 신호가 생성된다.

진동 자이로스코프, 신호, 공진기, 센서, 필터, 제어기

Description

센서 장치를 모니터링하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MONITORING A SENSOR ARRANGEMENT}

본 발명은 진동 자이로스코프(vibration gyroscope)를 포함하는, 센서 장치를 모니터링하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 상기 진동 자이로스코프는 공진기(resonator)를 구성하며 그 고유 주파수에서 가진 신호(exciter signal)를 제공함으로써 상기 진동 자이로스코프를 여진하는 하나 이상의 제어 회로의 일부이며, 출력 신호는 상기 진동 자이로스코프로부터 태핑될 수 있으며 상기 가진 신호는 필터링(filtering) 및 증폭(amplification)에 의해 상기 출력 신호로부터 유도되는 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 유럽 특허 공보 EP 0 461 761 B1호는 진동 자이로스코프가 주축에 대해 반경 방향으로 지향된 2개의 축에서 여진되는 회전속도센서를 개시하고 있으며, 이를 위해 제1 제어 회로(primary control circuit)와 제2 제어 회로(secondary control circuit)가 상기 진동 자이로스코프 상에 해당 변환기(transducer)들을 구비한다. 이러한 회전속도센서가 차량의 움직임을 안정화하기 위해 차량에 이용되는 경우에, 회전속도센서의 무오류 기능(fault-free function)은 차량의 신뢰할 수 있는 작동을 위한 중요한 선행조건이다. 이로 인해, 회전속도 센서를 모니터링 하기 위한 다양한 장치 및 방법들이 예를 들어 국제 공개 특허 공보 WO 2005/01378 A1호에 이미 개시되어 있으며, 불필요한 아날로그 부품 및 추가적인 디지털 부품들이 모니터링을 위해 사용된다.

본 발명의 목적은 오작동 또는 고장을 가능한 미리 감지하며 모니터링을 개선하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따른 방법에 의해 달성되며,

- 측정에 대해 비교된 온도 변화의 제1 값은 고유 주파수의 현재 값과 조정 중에 기준 온도(reference temperature)에서 미리 측정되어 메모리(memory)에 저장된 고유 주파수의 값 사이의 차이와, 고유 주파수의 온도 계수로부터 계산되며,

- 측정에 대해 비교된 온도 변화의 제2 값은 상기 메모리에 저장된 기준 온도 및 현재 온도에서의 온도 센서의 출력 변수들 사이의 차이와, 온도 센서의 온도 계수로부터 계산되며,

- 상기 2개의 계산된 값들이 비교되며,

- 소정의 양을 초과하는 편차(deviation)가 존재하는 경우에 오류 신호가 생성된다.

관련 센서 장치에 있어서, 온도 센서(temperature sensor)와 마이크로제어기(microcontroller)는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 추가적인 하드웨어 비용이 필요하지 않으며 단지 본 발명에 따른 측정을 프로그램으로서 수행하는 것이 필요한 어느 경우에도 통상적으로 존재한다.

센서 장치의 진동 자이로스코프가 센서 장치의 회로와 직접 열전도접촉을 하지 않는다면, 회로는 일반적으로 작동 중에 진동 자이로스코프에 비해 높은 온도를 갖는 것으로 일반적으로 추정된다. 이 경우에 정확한 비교를 수행하기 위해, 보정 온도를 위한 본 발명에 따른 방법의 태양은 계산에 포함될 온도 센서의 조정에 비교하여 변화된 열적 조건을 고려한다.

이러한 태양은 보정 온도가 온도 센서를 포함한 집적 회로의 측정된 전력 손실과, 메모리에 저장되고 조정 중에 측정된 전력 손실과, 주변환경에 대한 집적 회로의 열적 저항으로부터 계산된다.

본 발명은 아래의 수단을 포함하는 센서 장치를 모니터링하기 위한 장치를 또한 포함하며, 즉,

- 고유 주파수의 현재 값과 조정 중에 미리 측정되어 메모리에 저장된 고유 주파수의 값 사이의 차이와, 고유 주파수의 온도 계수로부터 온도의 변화의 제1 값을 계산하고,

- 측정 온도와 현재 온도에서의 온도 센서의 출력 변수들 사이의 차이와, 상기 온도 센서의 온도 계수로부터 온도 변화의 제2 값을 계산하며,

- 상기 2개의 계산된 값들을 비교하며,

- 소정의 양을 초과하는 편차가 존재할 경우에 오류 신호를 발생시키기 위한 수단들을 포함한다.

종속항에 상세히 기재된 측정은 본 발명에 따른 장치의 개선과 발전을 바람직하게도 가능하게 한다.

본 발명은 수많은 실시예들을 허용한다. 이들 중 하나는 도면에 개략적으로 도시되며 아래에 기재되어 있다.

도면은 본 발명에 따른 방법을 수행하는 역할을 하는 부재들을 구비한 진동 자이로스코프를 포함하는 센서 장치의 블록 다이어그램을 도시한다.

센서 장치와 그 부품들은 블록 회로도로 도시되어 있다. 하지만, 이는 본 발명에 따른 센서 장치가 상기 블록에 해당하는 개별 회로를 이용한 실시예에 제한되는 것을 의미하지 않는다. 본 발명에 따른 센서 장치는 고집적회로들을 사용한 매우 바람직한 방식으로 구현함으로써 대체할 수 있다. 이는 적합한 프로그래밍이 제시된다면 블록 회로도에 도시된 처리 단계를 수행하는 마이크로프로세서를 이용하여 수행될 수 있다.

센서 장치는 제1 가진 신호(PD)와 제2 가진 신호(SD)를 위한 2개의 입력부(2, 3)들을 구비한 진동 자이로스코프(1)를 포함한다. 여진(excitation)은, 예를 들어 전자기 변환기와 같이 적합한 변환기에 의해 영향을 받는다. 진동 자이로스코프는 제1 출력신호(PO)와 제2 출력신호(SO)를 위한 2개의 출력부(4, 5)들을 또한 구비한다. 이들 신호는 각각의 진동을 자이로스코프 상의 공간적으로 이격된 위치로 통과시킨다. 이러한 자이로스코프는, 예를 들어 유럽 공개 특허 공보 EP 0 307 321 A1호에 개시되어 있으며 코리올리힘(Coriolis force)의 영향을 기초로 한다.

진동 자이로스코프(1)는 입력부(2)와 출력부(4) 사이의 거리가 제1 제어 회로(6)의 일부이며, 입력부(3)와 출력부(5) 사이의 거리가 제2 제어 회로의 일부인 고품질 필터를 구성하며, 상기 제2 제어 회로는 본 발명을 이해하기 위해 이를 설명할 필요가 없으므로 도시되지 않는다. 제1 제어 회로(6)는 예를 들어 14 kHz인 진동 자이로스코프의 공진 주파수에서 진동을 여진하는 역할을 한다. 여진은 제2 제어 회로를 위해 사용되는 진동 방향이 90°만큼 오프셋된 진동 자이로스코프의 축에서 영향을 받는다. 도시되지 않은 제2 제어 회로에 있어서, 신호(SO)는 2개의 성분으로 분리되는데, 이들 성분 중 하나는 적합한 처리 이후에 회전 속도에 비례하는 신호로서 태핑될 수 있다.

양 제어 회로에 있어서, 신호 처리의 상당한 부분이 디지털 방식으로 수행된다. 신호 처리에 필요한 클럭신호(clock signal)는 쿼츠 제어 디지털 주파수 합성기(quartz-controlled, digital frequency synthesizer)(10)에서 생성되며, 도시된 실시예에서 그 클럭 주파수는 14.5 MHz이다. 본 발명에 따른 방법의 적용을 위해, 제1 제어 회로가 필수적으로 고려되며, 이를 위해 제1 제어 회로의 예시적인 실시예가 도 1에 도시되어 있다.

제어 회로는 반 앨리어스 필터(anti-alias filter)(12)와 아날로그/디지털 변환기(analog/digital converter)(13)가 결합되는, 출력 신호(PO)를 위한 증폭기(amplifier)(11)를 구비한다. 캐리어(Ti1, Tq1)들이 공급되는 배율기(multiplier)(14, 15)는 동상 성분(in-phase component) 및 이상 성분(quadrature component)으로의 분할(splitting)을 수행하기 위해 이용된다. 2개 의 성분들 각각은 (sinx/x) 필터(16, 17)와 저역통과 필터(low pass filter)(18, 19)를 이후 통과한다. 여파된 실수부(filtered real part)는 디지털 주파수 합성기를 제어하는 PID 제어기(20)에 공급되며, 그 결과 캐리어(Ti1 및 Tq1)들의 정확한 위상 각도를 초래하는 위상제어회로(phase control circuit)가 닫힌다. 아울러, 캐리어(Tq2)가 생성되며 상기 캐리어는 저역통과 여파된 허수부를 수신하는 또 다른 PID 제어기(21)의 출력 신호로 회로(22) 내에서 변조된다. 회로(22)의 출력 신호는 가진 신호(PD)로서 진동 자이로스코프(1)의 입력부(2)에 공급된다. PID 제어기를 대신하여, 상황에 따라 예를 들어 PI 제어기와 같은 다른 제어기도 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 방법을 수행하기 위하여, 마이크로제어기(27)가 제공되며, 상기 마이크로제어기는 본 발명에 따른 각각의 단계를 제어하며 EEPROM으로 구현된 비휘발성 메모리(28)로 접근한다. 또한, 본 발명에 따른 방법에 경우에는 수많은 센서 회로에서 임의의 경우에 존재하는 온도 센서가 사용되며, 상기 온도 센서는 실제 센서(29)와 아날로그/디지털 변환기(30)를 포함하여 구성된다. 버스 시스템(bus system)(31)은 상술한 부재들을 서로 연결하고, 디지털 주파수 합성기(10)에 연결하며, 회로(22)에 연결한다.

조정 방법의 범위 내에서, 센서 장치가 제조된 경우에, 측정된 진동 자이로스코프의 고유 주파수의 값(FORT)과, 온도 센서(29)의 출력 전압(VRT) 형태인 측정이 수행된 온도는 메모리(28)에 기록된다.

모니터링을 위하여, 이들 변수는 작동 중에 때때로 메모리(28)로부터 판독되 며 비교를 위하여 이들은 센서(29)로 측정된 현재 온도를 고려한 각각의 현재 고유 주파수와 비교된다(출력 전압(V_TA)). 비교는, 예를 들어 아래의 식을 기초로 한다:

T_adelta1 = (F_OTA - F_ORT) / T_CFO

T_adelta2 = (V_TA - V_RT) / T_Cv

여기서, T_adelta2 은 온도 센서를 사용하여 감지되는 온도의 변화이며, T_adelta1 은 주파수 변화를 기초로 하여 감지되는 온도의 변화이며, T_Cv 은 메모리에 저장된 온도 센서(29)의 온도 계수이며, F_OTA 는 현재 주파수이며, F_ORT 은 메모리에 저장된 주파수이며, T_CFO 은 마찬가지로 메모리에 저장된 진동 자이로스코프의 고유 주파수의 온도 계수이다.

고유 주파수의 현재 값은 디지털 주파수 합성기(10)와 그 클럭 주파수의 분할기(divider)의 각각의 설정으로부터 획득될 수 있다. 하지만, 또 다른 증폭기(24), 슈미트 트리거(Schmitt trigger)(25) 및 카운터(26)를 포함하여 구성된 주파수 측정 장치를 이용하여 현재 값을 계산할 수도 있다.

이상적인 경우에는 T_adelta1 및 T_adelta2 들이 동일하며, 차이가 소정의 양을 초과하는 값인 경우에는 복수의 잠재적인 오류 중 하나를 존재하는 오류로 추론할 수 있으며, 예를 들어 오류는 이후 진단 목적으로 이용 가능하도록 하기 위해 경고등이 켜지는 형태로 신호가 제공되거나 메모리에 저장될 수 있다.

조정과 상이하며 하나 이상의 제1 제어 회로(6)를 포함하는 회로의 전력 손 실을 고려하기 위하여, 상기 회로의 전력 드레인(power drain)(I)은 값(R)을 갖는 측정 저항기(32)를 이용하여 측정된다. 상기 회로에 대한 작동 전압(U)은 결합부(33)에 공급되며 회로 노드(circuit node)(34)를 통하여 다양한 부품으로 분배된다. 측정 저항기(32)에서의 전압 강하(U_i)는 인자(v)에 의해 증폭기(35)에서 증폭되며 멀티플렉서(multiplexer)(36)를 통해 아날로그/디지털 변환기(30)로 공급된다. 이어서, 마이크로제어기(27)가 P = U*I = U*U_i/(R*v) 식에 따라 전력 손실을 계산한다. 조정 중에, 전력 손실(P_RT)과 관련된 주변 온도(T_RT)는 메모리에 저장된다.

작동 중에 계산되는 전력 손실은 아래에서 P_A로 표시된다.

따라서, 특히 T_kor = T_RT + (P_A - P_RT)*R_TH로 표시된 보정 온도를 계산할 수 있으며, 여기서 R_TH 은 회로와 주변 사이의 열저항(thermal resistance)을 나타낸다. 따라서, T_adelta2 을 계산하기 위한 상기 식은 아래와 같이 보완된다.

T_adelta2kor = T_adelta2 - T_kor

전술한 바와 같이, 동일성이 부족한 경우에 오류 신호가 출력될 수 있으며, 특히

T_adelta1 ≠ T_adelta2kor 경우이다.

본 발명은 센서 장치를 모니터링하기 위한 방법 및 시스템에 이용될 수 있 다.

Claims

공진기를 구성하며 그 고유 주파수에서 가진 신호를 공급함에 의해 진동 자이로스코프를 여진시키는 최소한 하나의 제어 회로의 일부인 진동 자이로스코프를 포함하며, 출력 신호는 상기 진동 자이로스코프로부터 태핑될 수 있으며 상기 가진 신호는 필터링 및 증폭에 의해 상기 출력 신호로부터 유도되는, 센서 장치를 모니터링 하기 위한 방법에 있어서,

- 측정에 대해 비교된 온도 변화의 제1 값은 고유 주파수의 현재 값과 조정 중에 미리 기준 온도에서 측정되어 메모리에 저장된 고유 주파수의 값 사이의 차이와, 고유 주파수의 온도 계수로부터 계산되며,

- 측정에 대해 비교된 온도 변화의 제2 값은 상기 메모리에 저장된 기준 온도 및 현재 온도에서의 온도 센서의 출력 변수들 사이의 차이와, 온도 센서의 온도 계수로부터 계산되며,

- 상기 2개의 계산된 값들이 비교되며,

- 소정의 양을 초과하는 편차가 존재하는 경우에 오류 신호가 발생되는 것을 특징으로 하는 센서 장치 모니터링 방법.
제1항에 있어서,

온도 센서의 조정과 비교하여 변화된 열조건을 고려하는 보정 온도가 계산에 포함되는 것을 특징으로 하는 센서 장치 모니터링 방법.
제2항에 있어서,

보정 온도는 온도 센서를 포함하는 집적 회로의 측정된 전력 손실과, 조정 중에 측정되며 메모리에 저장된 전력 손실과, 주변환경에 대한 직접 회로의 열저항으로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 센서 장치 모니터링 방법.
공진기를 구성하고 그 고유 주파수에서 가진 신호를 공급함에 의해 진동 자이로스코프(1)를 여진하는 최소한 하나의 제어 회로(1, 6)의 일부인 진동 자이로스코프(1)를 포함하며, 출력 신호는 상기 진동 자이로스코프(1)로부터 태핑될 수 있으며 상기 가진 신호는 여파 및 증폭에 의해 상기 출력 신호로부터 유도되는, 센서 장치를 모니터링 하기 위한 장치에 있어서,

- 고유 주파수의 현재 값과 조정 중에 미리 측정되어 메모리에 저장된 고유 주파수의 값 사이의 차이와, 고유 주파수의 온도 계수로부터 온도 변화의 제1 값을 계산하고,

- 현재 온도와 메모리에 저장된 기준 온도에서의 온도 센서의 출력 변수들 사이의 차이와, 상기 온도 센서의 온도 계수로부터 온도 변화의 제2 값을 계산하며,

- 상기 2개의 계산된 값들을 비교하며,

- 소정의 양을 초과하는 편차가 존재할 경우에 오류 신호를 발생시키기 위한 수단(27)을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치 모니터링 장치.
제4항에 있어서,

상기 수단은 비휘발성 메모리(28)를 구비한 마이크로제어기(27)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치 모니터링 장치.
제4항 또는 제5항에 있어서,

온도 센서의 조정에 비하여 변화된 열적 조건들을 고려하는 보정 온도를 계산에 포함하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치 모니터링 장치.
제6항에 있어서,

온도 센서를 포함하는 집적 회로의 측정된 전력 손실과, 조정 중에 측정되고 메모리에 저장된 전력 손실과, 주변환경에 대하여 집적 회로의 열저항으로부터 보정 온도를 계산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치 모니터링 장치.
제4항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,

디지털 주파수 합성기(10)와 그 클럭 주파수의 분할기의 각각의 설정으로부터 현재 값을 결정하기 위한 수단을 특징으로 하는 센서 장치 모니터링 장치.