WO2004020948A1 - Vibrationskreisel - Google Patents

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WO2004020948A1
WO2004020948A1 PCT/EP2003/006947 EP0306947W WO2004020948A1 WO 2004020948 A1 WO2004020948 A1 WO 2004020948A1 EP 0306947 W EP0306947 W EP 0306947W WO 2004020948 A1 WO2004020948 A1 WO 2004020948A1
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WO
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vibration
signal generator
frequency
phase
signal
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Application number
PCT/EP2003/006947
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English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Kempe
Original Assignee
Austriamicrosystems Ag
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Publication date
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Application filed by Austriamicrosystems Ag filed Critical Austriamicrosystems Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces

Definitions

  • the invention relates to a vibration gyro with a vibration element and a drive element for exciting the vibration element, a first pickup for measuring the vibration of the vibration element in a first plane, a second pickup for detecting a vibration which is a measure of the rate of rotation of the vibration element, and one
  • Control circuit for controlling the drive element as a function of the measured vibration, the control circuit having a tracking synchronization device which has a controllable signal generator.
  • Gyros are used to measure rotary movements.
  • the use of mechanical gyroscopes has been known for a long time and is used, for example, in aircraft in order to be able to determine the position of the aircraft in the air.
  • Mechanical gyroscopes have fast rotating ones
  • micromechanical vibratory gyros are used in vehicles. In their basic mode of operation, they differ from mechanical gyroscopes in that they do not have rotating parts, but are based on microvibrations. They are robust and immune to external vibrations, making them ideal for use in vehicles.
  • a common representative of micromechanical vibratory gyroscopes are piezoelectric tuning forks. Because of the piezoelectric effect, a crystal creates an electrical potential when exposed to mechanical vibrations, and conversely, the crystal reacts with vibrations when placed in an electric field. If an alternating current is applied to a piezoelectric material with a frequency that matches one of the specific elastic frequencies of the material, resonance phenomena become apparent.
  • a vibratory gyroscope After excitation with a resonance frequency of the vibration element, it vibrates in a first direction.
  • the functioning of a vibratory gyroscope is now based on the fact that the so-called Coriolis force occurs when the vibrating element is rotated externally and is perpendicular to the direction of the vibrating movement and to the external rotational movement.
  • the Coriolis force leads to a measurable vibration in a second plane, which is perpendicular to the vibration in the first plane.
  • the amplitude of the vibration in the second plane is a measure of the rate of rotation of the vibration element.
  • Vibration node relative to the vibration element.
  • the displacement of the vibration nodes is in turn a measure of the external rotation of the vibration element.
  • known vibratory gyros have a control loop for controlling the drive element as a function of the measured vibration, the control loop having a tracking synchronization device which has a controllable signal generator.
  • a typical vibratory gyroscope, as is known from the prior art is shown in FIG. 1.
  • a vibration element 22 has a drive element 1 and a consumer 2.
  • a control loop with an amplifier 5 is provided, through which the measured vibration is fed back to the drive element 1, so that the vibration of the vibration element is maintained.
  • a tracking synchronization device 21 ensures the required accuracy.
  • FIG. 2 Description of the arrangement according to the invention is shown in FIG. 2.
  • the vibration elements 22 In order to keep the power required to excite the vibration element 22 low, those are used for the vibration elements 22 that have a very high quality or a narrow bandwidth. It also follows from this that the time constants for the transient process are very large. The start time or the switch-off time for the vibratory gyroscope is therefore very long and takes up to a few seconds. For many applications, especially in safety-critical areas such as ESP (Electronic Stability Program) and for rollover detectors in vehicles, a short start time of the entire system is required. This applies not only to the initialization when starting the vehicle, for example, but also to a system restart after carrying out test routines or possible failures that require a reset.
  • ESP Electronic Stability Program
  • a further problem of the known vibratory gyro according to FIG. 1 is that the temperature of the components used increases during operation of the vibratory gyro and, due to the temperature dependence of the resonance frequency of the vibrating element 22, leads to a permanent phase error in the tracking synchronization device 21, which does not reach an acceptable value can be limited. Since the phase information of the signal generator 9 is also used for the demodulation of the oscillation in the second level, the phase error in the tracking synchronization device 21 leads to a deterioration in the accuracy of the rotation rate measurement.
  • a vibration gyro of the type mentioned at the outset which is characterized in that means for measuring the frequency and / or phase of the vibration element are provided in the freely oscillating state and the signal generator is programmable, a control unit being provided for programming of the signal generator depending on the measured frequency and / or phase.
  • the invention is based on the knowledge that the duration of the starting process depends essentially on the initial frequency difference between the resonance frequency of the vibration element and the signal generator. At least at the time of the system start, neither the resonance frequency of the vibration element nor the start frequency of the signal generator is exactly known. In addition, they depend on the individual len temperature behavior of the vibration element and the signal generator. According to the invention, means are provided by which the frequency and / or phase of the vibrating element can be measured quickly in the free-swinging state. This can be done by separating the primary amplitude and phase locked loops. As a result, the resonance requirement of the vibration element can be measured in the free-swinging state. A suitable pulse for exciting an oscillation can be generated by the signal generator.
  • the programmable signal generator With the information about the instantaneous frequency and phase, it is possible to program the programmable signal generator according to the invention, so that even after the short measurement phase, the signal generator provides a possibly correct signal with a frequency that exactly matches the resonance frequency of the vibration element. There is no long settling time until a signal generator according to the prior art has synchronized with the frequency of the vibration element.
  • FIG. 1 shows a vibratory gyroscope according to the prior art in a schematic illustration
  • FIG. 2 shows a vibration gyro according to the invention
  • Figure 3 is a timing diagram with the functional phases of the vibratory gyroscope of Figure 2 and
  • Figure 4 shows the calculation of frequency corrections using a frequency-temperature diagram.
  • the vibratory gyroscope according to the prior art was already briefly explained in the introduction to the description.
  • the vibration gyro according to FIG. 2, which is expanded according to the invention, functions in part in the same way or similarly to the known vibration gyroscope, so that the following description of FIG. 2 can also be used for a better understanding of the circuit according to the prior art according to FIG. 1. Components with the same function are provided with the same reference symbols in FIGS. 1 and 2.
  • a vibration element 22 with its drive elements 1 and 3 and its pickups 2 and 4 is shown schematically in FIG.
  • the system consists of at least a first drive element 1 in order to set the vibrating element in vibration with the resonance frequency and to maintain this vibration, and at least a first pickup 2 for the detection of the vibration, based on the output signal of the pickup 2 after a suitable signal processing a return to the drive element 1 takes place.
  • An amplifier 5 is provided for signal processing, which amplifies the signal provided at the consumer 2 to a suitable signal level.
  • an amplitude detector 10 is provided for measuring and filtering the amplitude measured on the consumer 2.
  • the amplitude detector 10 is connected to an excitation controller 11, which in turn controls the first drive element 1.
  • the excitation control 11 can also be supplied with a reference signal REF.
  • the signal processing circuit usually has an additional tracking synchronization device 21.
  • the tracking synchronization device 21 consists of a phase detector 7, a suitable low-pass filter 8 and a controllable one Signal generator 9, which is implemented as a voltage or current controlled oscillator. In an improved version, it is a digitally controllable signal generator that can generate the required signal shapes with different phase angles.
  • the described amplitude and phase control loops form primary control loops.
  • the overrun synchronization device 21 is necessary above all because a pure frequency measurement does not lead to a sufficiently exact control of the first drive element 1.
  • regulating the phase shift between an input signal, in this case from the first pickup 2, and a controlled signal generator additionally leads to the correction of the phase position and thus to a very precise frequency adjustment.
  • the information about the phase and frequency, which can be tapped at the tracking synchronization device 21, is required not only for maintaining the vibration of the vibration element in the first level, but also for an exact determination of the rotation rate, as described below.
  • a further pickup 4 and a second drive element 3 are usually provided, which are used for the detection of a
  • Vibration can be used in a wide plane.
  • a second customer 4 is sufficient, without a second drive. use element 3.
  • the vibration can be determined in a second level in an open-loop measurement. From the point of view of a favorable signal / noise ratio, however, it is advantageous to carry out a so-called closed loop measurement.
  • a second drive element 3 is provided, which counteracts the vibration of the vibration element 22 in the second plane.
  • the second drive element 3 is activated in such a way that the vibration excited by the Coriolis force is corrected as completely as possible.
  • the rate of rotation of the vibration element can be determined on the basis of the control signal of the second drive element 3.
  • the secondary control loop typically comprises an amplifier 6 for the second pickup 4, a loop demodulator 12 which derives the phase and quadrature components from the signal of the pickup 4, a filter 13 for the two components and a remodulator 14, which returns the baseband components to the resonance range of the vibration element and adds them.
  • Suitable correction signals CORR can be fed to the secondary control loop in order to compensate for parasitic DC components which result from deviations in symmetry and other deviations of the vibration element.
  • the second vibration contains the information about the rotation rate.
  • the rotation rate signal can be determined by a demodulator 15 arranged outside the secondary control loop, as shown in FIG. 1. Alternatively, it could be tapped and filtered directly as one of the baseband signals. As mentioned above, the secondary control loop can also be omitted and the yaw rate can be determined in an open-loop measurement, a demodulator having to be provided which is connected directly to the amplifier 6 of the second consumer.
  • digital signal processing circuits are also known and available from the prior art for the secondary control loop.
  • the invention can be used both in closed-loop measurement and in open-loop measurement and is independent of whether the secondary control loop is implemented in analog or digital measurement technology.
  • FIG. 2 The arrangement of FIG. 2 is expanded compared to the circuit of FIG. 1 by a fast frequency and phase measurement system.
  • a programmable and controllable signal generator 22 is provided instead of a conventional controlled signal generator 9.
  • a first phase T1 which lasts a few milliseconds after the system is switched on, the programmable signal generator 23 generates a first drive signal with a spectrum which is within a frequency range ⁇ f in which the resonance frequency of the vibration element 22 is expected.
  • a suitable spectrum is generated by a chirp signal by changing the frequency of the signal generator during the time interval T1 from a minimum to a maximum value. This signal excites the vibrating element 22.
  • the excitation should take place with the maximum permitted force, that is to say with the maximum permitted drive voltage.
  • the switches 18 and 19 are open and a switch 17 connects the signal generator 23 to the first drive element 1.
  • the switch 17 is the switch by which the drive element 1 can be connected to the excitation controller 11 or directly to the signal generator 23 ,
  • the switch 18 disconnects the secondary control loop, so that even with a closed loop measurement no excitation of the vibration element 22 can take place by the second drive element 3.
  • the tracking synchronization device 21 is interrupted by opening the switch 19 between a filter 8 and the signal generator 23.
  • a second time interval T2 which in turn lasts for a few milliseconds, the frequency and phase difference between the now freely oscillating vibration element 22 and the programmable, controllable signal generator 23 is measured, for example by measuring the zero crossings of the amplified output signal of the first consumer 2.
  • the switch 17 is in a neutral position, so that neither the signal generator 23 is connected directly nor the excitation control 11 to the first drive element 1.
  • Switches 18 and 19 are open and programmable signal generator 23 operates as a voltage or current controlled oscillator without input control signal A and as such generates a rectangular or other periodic waveform with the fundamental frequency in the same range as the expected frequency of vibrating element 22.
  • the frequency and the phase of the signal generator 23 are set to the measured values as precisely as possible and the phase tracking control 21 and the amplitude control loop are subsequently closed by closing the switches 17 and 19.
  • the switch 17 thus connects the excitation controller 11 to the first drive element 1 and the switch 19 closes the control loop of the overrun synchronization device.
  • the measurement of the frequency and phase difference can be carried out in different ways, depending on whether a clock generator with high accuracy is available.
  • the frequency and phase difference between the free-running vibration element and the signal generator is measured using the signal generator itself as a time base.
  • This time base relates to the initial values of the frequency of the signal generator with a zero value as input signal A.
  • the frequency and phase measurement can be implemented by counting the time intervals between successive zero crossings of the amplified output voltage of the first consumer, using a pulse train of the signal generator whose frequency is N times higher than the basic frequency approximately corresponding to the resonance frequency.
  • the signal generator can generate a rectangular signal with the base frequency, for example by means of a frequency divider which divides the internal frequency by the factor N, or it can obtain a signal with the base frequency from any other periodic signal by means of a suitable technique ("locked table technique") , N must be high enough, for example 1024, in order to achieve sufficient accuracy for the frequency measurement. If necessary, an additional estimate of the residual difference from corresponding time intervals can be used.
  • the noise behind the input amplifier causes jitter of the derived zero crossings, the effects of which can be reduced by suitable averaging of the measured values.
  • the accuracy of the phase control of the phase input and quadrature output signal of the signal generator 23 with respect to the phase of the vibration element 22 is decisive for the accuracy of the measurement.
  • the main reason for the increasing deviation of the frequencies of the free-swinging vibration element 22 and the free-swinging signal generator 23 is the different temperature coefficients of both frequencies, which leads to a change in the frequency difference with a temperature change.
  • the free-swinging signal generator can be implemented virtually as an algorithm, using the corresponding models, or in real hardware.
  • the current frequency can obviously be estimated by measuring the current temperature and the corresponding frequency difference can be calculated.
  • the temperature behavior can be determined by frequency values at a given temperature, for example at room temperature, as can the temperature coefficients of the vibration element 22 and the signal generator 23.
  • the temperature measurement can be replaced by the frequency measurement of the vibration element 22 itself if a high-precision internal or external clock generator is available.
  • the measurement of the current frequency f vs (T) of the vibration element 22 in closed-loop operation is used for temperature calculation.
  • the frequency f gg () of the free-swinging signal generator is calculated at the calculated temperature.
  • the correction signal for the start values of the free-swinging signal generator is derived, in which case the current frequency of the signal generator is based on the current frequency of the vibration element 22.
  • Tl is the temperature at system start and T2 is the temperature at a later point in time when the temperature has increased during operation.
  • the current frequency difference between the two is measured from time to time by setting the control loops of the switch 17 in the neutral position and opening of the switches 18 and 19 are opened. After the measurement and the setting of the signal generator 23 to the frequency of the vibration element 22, the loops are closed again.
  • the second signal generator is not included in the tracking synchronization device and is only used for the time determination of the frequency / phase measurement system 16 in FIG. 2. In this case, there is a continuous or regular measurement of the frequency difference between the zero frequency of this second signal generator and the frequency of the vibrating element 22 (or the frequency of the vibrating element). It is also possible to compare the frequencies of the second signal generator and the first signal generator, provided that the first signal generator is coupled to the vibration element.
  • the signal generator in the loop is set continuously or in certain time steps to the measured frequency of the vibration element 22.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vibrationskreisel, der einen Regelkreis zur Regelung eines Antriebselements in Abhängigkeit von einer gemessenen Schwingung besitzt, wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung mit einem steuerbaren Signalgenerator umfasst. Erfindungsgemäss sind zusätzlich Mittel zur Messung der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements im freischwingenden Zustand vorgesehen und der Signalgenerator ist programmierbar ausgeführt, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist zur Programmierung des Signalgenera-tors, beispielsweise in Abhängigkeit der gemessenen Frequenz und/oder Phase. Dadurch sind lange Einschwingvorgänge und damit eine lange Startzeit des Vibrationskreisels vermeidbar.

Description

Beschreibung
Vibrationskreisel
Die Erfindung betrifft einen Vibrationskreisel mit einem Vibrationselement und einem Antriebselement zur Anregung des Vibrationselements, einem ersten Abnehmer zur Messung der Schwingung des Vibrationselements in einer ersten Ebene, einem zweiten Abnehmer zur Detektion einer Schwingung, die ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements ist, und einem
Regelkreis zur Regelung des Antriebselements in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung, wobei der Regelkreis eine NachlaufSynchronisationseinrichtung aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator besitzt.
Kreisel werden eingesetzt, um Drehbewegungen messen zu können. Der Einsatz von mechanischen Kreiseln ist seit langer Zeit bekannt und wird beispielsweise in Flugzeugen eingesetzt, um die Lage des Flugzeugs in der Luft feststellen zu können. Mechanische Kreisel besitzen dazu schnell rotierende
Massen. Insgesamt ist eine große Präzision aller verwendeten Bauteile notwendig, so daß mechanische Kreisel sehr teuer sind. Für den Einsatz in Fahrzeugen sind sie unter anderem aus diesem Grund ungeeignet. Hinzu kommt, daß sie empfindlich gegenüber Stößen sind und gegen solche abgesichert werden müssen.
In Fahrzeugen werden deswegen mikromechanische Vibrationskreisel eingesetzt. In ihrer prinzipiellen Funktionsweise un- terscheiden sie sich von mechanischen Kreiseln darin, daß sie keine rotierenden Teile besitzen, sondern auf Mikrovibratio- nen aufbauen. Sie sind robust und immun gegen externe Vibrationen und somit ideal für den Einsatz in Fahrzeugen. Ein verbreiteter Vertreter mikromechanischer Vibrationskreisel sind piezoelektrische Stimmgabeln. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts erzeugt ein Kristall ein elektrisches Potential, wenn er mechanischen Schwingungen ausgesetzt wird, und umgekehrt reagiert der Kristall mit Vibrationen, wenn er in ein elektrisches Feld gebracht wird. Wird auf ein piezoelektrisches Material ein Wechselstrom mit einer Frequenz aufgebracht, die zu einer der spezifischen elastischen Frequenzen des Materials paßt, zeigen sich Resonanzerscheinungen.
Nach der Anregung mit einer Resonanzfrequenz des Vibrationselements schwingt dieses in einer ersten Richtung. Die Funktionsweise eines Vibrationskreisels beruht nun darauf, daß bei einer äußeren Drehbewegung des Vibrationselements die sogenannte Coriolis-Kraft auftritt, die senkrecht zur Richtung der Vibrationsbewegung und zur äußeren Drehbewegung steht . Bei einer geeigneten Geometrie des Vibrationselements führt die Coriolis-Kraft zu einer meßbaren Schwingung in einer zweiten Ebene, die senkrecht zu der Schwingung in der ersten Ebene steht. Die Amplitude der Schwingung in der zweiten Ebe- ne ist ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements.
Bei anderen Bauformen von Vibrationselementen, beispielsweise bei kreissymmetrischen Vibrationselementen, wird nicht die Amplitude der Schwingung in einer zweiten Ebene ausgewertet, sondern die Coriolis-Kraft führt zu einer Verschiebung von
Schwingungsknoten relativ zu dem Vibrationselement. Die Verschiebung der Schwingungsknoten ist wiederum ein Maß für die äußere Drehung des Vibrationselements.
Für den Betrieb eines Vibrationskreisels ist es notwendig, das Vibrationselement ständig mit seiner Resonanzfrequenz anzuregen. Um dies mit der geforderten Genauigkeit zu bewerkstelligen, besitzen bekannte Vibrationskreisel einen Regelkreis zur Regelung des Antriebselements in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung, wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrichtung aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator besitzt. Ein typischer Vibrationskreisel, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist in der Figur 1 gezeigt.
Ein Vibrationselement 22 besitzt ein Antriebselement 1 und einen Abnehmer 2. Es ist eine Regelschleife mit einem Verstärker 5 vorgesehen, durch die eine Rückkopplung der gemessenen Schwingung auf das Antriebselement 1 erfolgt, so daß die Schwingung des Vibrationselementes aufrechterhalten wird. Eine NachlaufSynchronisationseinrichtung 21 sorgt für die er- forderliche Genauigkeit.
In einer sekundären Regelschleife erfolgt eine Closed-Loop- Messung der durch die Coriolis-Kraft angeregten Schwingung des Vibrationselementes in der zweiten Ebene. Zu einer de- taillierteren Beschreibung der Funktionsweise wird auf die
Beschreibung zu der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Figur 2 verwiesen.
Um die zur Anregung des Vibrationselements 22 erforderliche Leistung niedrig zu halten, werden für die Vibrationselemente 22 solche eingesetzt, die eine sehr hohe Güte bzw. eine schmale Bandbreite besitzen. Daraus folgt aber auch, daß die Zeitkonstanten für den Einschwingvorgang sehr groß sind. Die Startzeit bzw. die Abschaltzeit für Vibrationskreisel ist deswegen sehr lang und dauert bis in den Sekundenbereich. Für viele Anwendungen, insbesondere in sicherheitskritischen Bereichen wie ESP (Elektronisches Stabilitäts-Programm) sowie für Überschlagsdetektoren in Fahrzeugen ist eine kurze Startzeit des gesamten Systems erforderlich. Dies gilt nicht nur für die Initialisierung beim Start beispielsweise des Fahrzeugs, sondern auch für einen Neustart des Systems nach der Durchführung von Prüfroutinen oder möglichen Ausfällen, die einen Reset bedingen.
Zwar wird versucht, durch Einbeziehen des Vibrationselements in den primären Regelkreis sowie durch Optimierung der Parameter für die Amplituden- und Nachlaufsynchronisationsrege- lung die Startzeit zu verringern, die jedoch in vielen Anwendungsfällen immer noch zu lang ist.
Ein weiteres Problem des bekannten Vibrationskreisels gemäß Figur 1 besteht darin, daß während des Betriebs des Vibrationskreisels sich die Temperatur der verwendeten Komponenten erhöht und aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz des Vibrationselements 22 zu einem bleibenden Phasenfehler in der NachlaufSynchronisationseinrichtung 21 führt, der nicht auf einen akzeptablen Wert begrenzt werden kann. Da die Phaseninformation des Signalgenerators 9 auch für die Demodulation der Schwingung in der zweiten Ebene verwendet wird, führt der Phasenfehler in der NachlaufSynchronisationseinrichtung 21 zu einer Verschlechterung der Genauig- keit der Drehratenmessung.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, einen Vibrationskreisel anzugeben, bei dem die Startzeit verkürzt ist und der Phasenfehler in der NachlaufSynchronisationseinrichtung verkleinert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Vibrations- kreisel der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß Mittel zur Messung der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements im freischwingenden Zustand vorgesehen sind und der Signalgenerator programmierbar ist, wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist zur Programmierung des Signalgenerators in Abhängigkeit der gemessenen Frequenz und/oder Phase .
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Dauer des Startvorgangs wesentlich von der anfänglichen Frequenzdifferenz zwischen der Resonanzfrequenz des Vibrationselements und des Signalgenerators abhängt. Zumindest zum Zeit- punkt des Systemstarts ist weder die Resonanzfrequenz des Vibrationselements noch die Startfrequenz des Signalgenerators genau bekannt. Darüber hinaus hängen sie von dem individuel- len Temperaturverhalten des Vibrationselements und des Signalgenerators ab. Gemäß der Erfindung sind Mittel vorgesehen, durch die die Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements im freischwingenden Zustand schnell gemessen werden kann. Dies kann dadurch geschehen, daß der primäre Amplituden- und Phasenregelkreis aufgetrennt wird. Dadurch kann die Resonanz requenz des Vibrationselements im freischwingenden Zustand gemessen werden. Ein geeigneter Impuls zur Anregung einer Schwingung ist dabei durch den Signalgenerator erzeug- bar. Mit der Information über die momentane Frequenz und Phase ist es möglich, den erfindungsgemäßen programmierbar ausgestalteten Signalgenerator zu programmieren, so daß bereits nach der kurzen Meßphase der Signalgenerator ein gegebenenfalls phasengerechtes Signal mit einer Frequenz bereitstellt, die exakt mit der Resonanzfrequenz des Vibrationselements übereinstimmt. Eine lange Einschwingzeit, bis sich ein Signalgenerator nach dem Stand der Technik mit der Frequenz des Vibrationselements synchronisiert hat, entfällt.
Durch die Möglichkeit, die Resonanzfrequenz des Vibrationselements freischwingend zu messen, kann eine solche Messung auch durch eine kurze Betriebsunterbrechung erfolgen, wodurch eine Neuprogrammierung des programmierbaren Signalgenerators in Abhängigkeit der gemessenen und unter Umständen durch Tem- peratureinflüsse veränderten Resonanzfrequenz ermöglicht wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 einen Vibrationskreisel nach dem Stand der Technik in einer schematischen Darstellung,
Figur 2 einen Vibrationskreisel nach der Erfindung, Figur 3 eine Zeitdiagramm mit den Funktionsphasen des Vibrationskreisels von Figur 2 und
Figur 4 die Berechnung von Frequenzkorrekturen anhand eines Frequenz-Temperatur-Diagramms .
Der Vibrationskreisel nach dem Stand der Technik wurde bereits in der Beschreibungseinleitung kurz erläutert. Der er- findungsgemäß erweiterte Vibrationskreisel gemäß Figur 2 funktioniert teilweise gleich oder ähnlich wie der bekannte Vibrationskreisel, so daß die nachfolgende Beschreibung der Figur 2 auch zum besseren Verständnis der Schaltung nach dem Stand der Technik gemäß Figur 1 herangezogen werden kann. Funktionsgleiche Komponenten sind in den Figuren 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 2 ist ein Vibrationselement 22 mit seinen Antriebselementen 1 und 3 und seinen Abnehmern 2 und 4 schematisch dargestellt. Das System besteht aus wenigstens einem ersten Antriebselement 1, um das Vibrationselement in eine Schwingung mit der Resonanzfrequenz zu versetzen und diese Schwingung aufrechtzuerhalten, und wenigstens einem ersten Abnehmer 2 zur Detektion der Schwingung, wobei aufgrund des Ausgangs- Signals des Abnehmers 2 nach einer geeigneten Signalaufbereitung eine Rückführung auf das Antriebselement 1 erfolgt. Für die Signalverarbeitung ist ein Verstärker 5 vorgesehen, der das am Abnehmer 2 bereitgestellte Signal auf einen geeigneten Signalpegel verstärkt. Darüber hinaus ist ein Amplitudende- tektor 10 für die Messung und Filterung der am Abnehmer 2 gemessenen Amplitude vorgesehen. Der Amplitudendetektor 10 ist mit einer Anregungssteuerung 11 verbunden, die wiederum das erste Antriebselement 1 ansteuert . Die AnregungsSteuerung 11 ist darüber hinaus mit einem Referenzsignal REF beaufschlag- bar. Der Verstärker 5, der Amplitudendetektor 10 sowie die
Antriebssteuerung bildet gemeinsam mit dem ersten Abnehmer 2 und dem ersten Antriebselement 1 einen Amplitudenregelkreis. Für die Realisierung einer robusten, synchronen Amplitudende- tektion besitzt der Signalverarbeitungskreis üblicherweise zusätzlich eine NachlaufSynchronisationseinrichtung 21. Diese erlaubt die Detektion der Frequenz und der Phase der Schwingung des Vibrationselements 22. Die NachlaufSynchronisationseinrichtung 21 besteht aus einem Phasendetektor 7, einem geeigneten Tiefpaßfilter 8 und einem steuerbaren Signalgenerator 9, der als spannungs- oder stromgesteuerter Oszillator realisiert ist. In einer verbesserten Ausführung handelt es sich um einen digital steuerbaren Signalgenerator, der die erforderlichen Signalformen mit unterschiedlichen Phasenwinkeln erzeugen kann. Die beschriebenen Amplituden- und Phasenregelkreise bilden Primärregelschleifen. Durch Verbindung der NachlaufSynchronisationseinrichtung 21 und dem Amplitudendetektor 10 beziehungsweise der Anregungssteuerung 11 ist eine präzise Ansteuerung des Antriebselementes 1 möglich.
Die NachlaufSynchronisationseinrichtung 21 ist vor allem des- wegen notwendig, weil eine reine Frequenzmessung nicht zu einer ausreichend exakten Ansteuerung des ersten Antriebselements 1 führt. Eine Regelung der Phasenverschiebung zwischen einem Eingangssignal, in diesem Fall vom ersten Abnehmer 2, und einem gesteuerten Signalgenerator führt dagegen zusätz- lieh zu der Korrektor der Phasenlage und damit zu einer sehr genauen Frequenzabstimmung.
Die Information über die Phase und Frequenz, die an der Nachlaufsynchronisationseinrichtung 21 abgreifbar ist, wird nicht nur für die Aufrechterhaltung der Schwingung des Vibrationselements in der ersten Ebene benötigt, sondern auch für eine genaue Bestimmung der Drehrate, wie im Folgenden beschrieben.
Üblicherweise ist ein weiterer Abnehmer 4 sowie ein zweites Antriebselement 3 vorgesehen, die für die Detektion einer
Schwingung in einer weiten Ebene verwendet werden. Prinzipiell genügt ein zweiter Abnehmer 4, ohne ein zweites Antrieb- selement 3 einzusetzen. In diesem Fall kann in einer Open- Loop-Messung die Schwingung in einer zweiten Ebene bestimmt werden. Unter dem Gesichtspunkt eines günstigen Signal/Rausch-Verhältnisses ist es jedoch von Vorteil, eine so- genannte Closed-Loop-Messung vorzunehmen. Dabei wird ein zweites Antriebselement 3 vorgesehen, das der Schwingung des Vibrationselements 22 in der zweiten Ebene entgegenwirkt. Das zweite Antriebselement 3 wird dabei so angesteuert, daß die durch die Coriolis-Kraft angeregte Schwingung möglichst voll- ständig ausgeregelt wird. Anhand des Ansteuersignais des zweiten Antriebselements 3 ist die Drehrate des Vibrationselements bestimmbar. Die sekundäre Regelschleife umfaßt typischerweise einen Verstärker 6 für den zweiten Abnehmer 4, einen Schleifen-Demodulator 12, der aus dem Signal des Abneh- mers 4 die Phasen- und Quadratur-Komponenten ableitet, ein Filter 13 für die beiden Komponenten und einen Remodulator 14, der die Basisbandkomponenten in den Resonanzbereich des Vibrationselements zurückführt und diese addiert. Geeignete Korrektursignale CORR können der sekundären Regelschleife zu- geführt werden, um parasitäre Gleichanteile zu kompensieren, die durch Symmetrieabweichungen und andere Abweichungen des Vibrationselements entstehen.
Die zweite Schwingung beinhaltet die Information über die Drehrate. Das Drehratensignal kann durch einen außerhalb der sekundären Regelschleife angeordneten Demodulator 15, wie er in Figur 1 gezeigt ist, ermittelt werden. Alternativ könnte er als eines der Basisbandsignale direkt abgegriffen und gefiltert werden. Die sekundäre Regelschleife kann, wie oben angesprochen, auch weggelassen werden und die Drehrate in einer Open-Loop-Messung ermittelt werden, wobei ein Demodulator vorgesehen werden muß, der direkt an den Verstärker 6 des zweiten Abnehmers angeschlossen ist.
Für den sekundären Regelkreis sind neben analogen Signalverarbeitungsschaltungen auch digitale Signalverarbeitungsschaltungen aus dem Stand der Technik bekannt und verfügbar. Die Erfindung ist sowohl bei der Closed-Loop-Messung als auch bei der Open-Loop-Messung anwendbar und unabhängig davon, ob die sekundäre Regelschleife in analoger oder digitaler Meß- technik ausgeführt ist.
Die Anordnung von Figur 2 ist gegenüber der Schaltung von Figur 1 durch ein schnelles Frequenz- und Phasenmeßsystem erweitert. Darüber hinaus ist statt eines konventionellen ge- steuerten Signalgenerators 9 ein programmierbarer und steuerbarer Signalgenerator 22 vorgesehen. Dieser beinhaltet eine Steuereinheit 20, die zur Synchronisation des Vibrationselements 22 mit dem Signalgenerator 23 eine Messung der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements 22 im freischwingenden Zustand veranlaßt und bei Vorlage des Meßergebnisses den Signalgenerator 23 entsprechend programmiert.
Während des Betriebs durchlaufene Phasen sind in der Figur 3 dargestellt. In einer ersten Phase Tl, die nach dem Einschal- ten des Systems einige Millisekunden andauert, erzeugt der programmierbare Signalgenerator 23 ein erstes Antriebssignal mit einem Spektrum, das sich innerhalb eines Frequenzbereichs Δf befindet, in dem die Resonanzfrequenz des Vibrationselements 22 erwartet wird. Beispielsweise wird ein geeignetes Spektrum durch ein Chirp-Signal erzeugt, indem die Frequenz des Signalgenerators während des Zeitintervalls Tl von einem minimalen zu einem maximalen Wert geändert wird. Dieses Signal regt das Vibrationselement 22 an. Um ein starkes Resonanzsignal zu erhalten, sollte die Anregung mit der maximal erlaubten Kraft, also mit der maximal erlaubten Antriebsspannung, erfolgen. In diesem Zeitintervall sind die Schalter 18 und 19 geöffnet und ein Schalter 17 verbindet den Signalgenerator 23 mit dem ersten Antriebselement 1. Der Schalter 17 ist dabei der Schalter, durch den das Antriebselement 1 mit der Anregungssteuerung 11 oder direkt mit dem Signalgenerator 23 verbunden werden kann. Der Schalter 18 trennt den sekundären Regelkreis auf, so daß auch bei einer Closed-Loop-Messung keine Anregung des Vibrationselements 22 durch das zweite Antriebselement 3 erfolgen kann. Darüber hinaus wird die Nachlaufsynchronisationseinrichtung 21 unterbrochen, indem zwischen einem Filter 8 und dem Signalgenerator 23 der Schalter 19 geöffnet wird.
In einem zweiten Zeitintervall T2 , das wiederum einige Millisekunden andauert, wird die Frequenz- und Phasendifferenz zwischen dem nun freischwingenden Vibrationselement 22 und dem programmierbaren, steuerbaren Signalgenerator 23 gemessen, beispielsweise durch die Messung der Nulldurchgänge des verstärkten Ausgangssignals des ersten Abnehmers 2. In diesem Zeitintervall ist der Schalter 17 in einer neutralen Position, es ist also weder der Signalgenerator 23 auf dem direkten Weg noch die AnregungsSteuerung 11 mit dem ersten Antriebselement 1 verbunden. Die Schalter 18 und 19 sind offen, und der programmierbare Signalgenerator 23 wird als spannungs- oder stromgesteuerter Oszillator ohne Eingangssteuersignal A betrieben und erzeugt als solcher eine rechteckige oder eine andere periodische Signalform mit der Grundfrequenz in demselben Bereich wie die erwartete Frequenz des Vibrationselements 22.
Nach der Messung wird die Frequenz und die Phase des Signal- generator 23 so genau wie möglich auf die gemessenen Werte gesetzt und die Phasennachlaufsteuerung 21 sowie der Amplitudenregelkreis nachfolgend durch Schließen der Schalter 17 und 19 geschlossen. Der Schalter 17 verbindet also die Anregungssteuerung 11 mit dem ersten Antriebselement 1 und der Schal- ter 19 schließt den Regelkreis der NachlaufSynchronisationseinrichtung.
In dem Fall, wenn wie in Figur 2 dargestellt eine Closed- Loop-Messung in der sekundären Regelschleife erfolgt, wird darüber hinaus der Schalter 18 geschlossen, um eine Gegensteuerung im sekundären Regelkreis zu ermöglichen. Nach der Durchführung dieser Schritte befindet sich der Vibrations- kreisel in einem Normalbetriebszustand, der in Figur 3 als Zeitintervall T3 bezeichnet wird.
Die Messung der Frequenz- und Phasendifferenz kann in unter- schiedlichen Weisen durchgeführt werden, abhängig davon, ob ein Taktgenerator mit hoher Genauigkeit zur Verfügung steht.
Nach der Erfindung wird in dem Fall, daß kein hochgenauer Taktgenerator zur Verfügung steht, die Frequenz- und Phasen- differenz zwischen dem freischwingenden Vibrationselement und dem Signalgenerator unter Verwendung des Signalgenerators selbst als Zeitbasis gemessen. Diese Zeitbasis bezieht sich auf die anfänglichen Werte der Frequenz des Signalgenerators mit einem Nullwert als Eingangssignal A. Die Frequenz- und Phasenmessung kann dadurch realisiert werden, daß die Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen der verstärkten AusgangsSpannung des ersten Abnehmers gezählt werden, wobei eine Impulsfolge des Signalgenerators genutzt wird, deren Frequenz N-mal höher als die ungefähr der Reso- nanzfrequenz ensprechende Basisfrequenz ist.
Der Signalgenerator kann ein rechteckiges Signal mit der Basisfrequenz beispielsweise durch einen Frequenzteiler erzeugen, der die interne Frequenz durch den Faktor N teilt oder er kann aus einem beliebigen anderen periodischen Signal ein Signal mit der Basisfrequenz durch eine geeignete Technik erhalten ("locked table technique") . N muß hoch genug sein, beispielsweise 1024, um eine ausreichende Genauigkeit für die Frequenzmessung zu erzielen. Im Bedarfsfall kann eine zusätz- liehe Schätzung der Restdifferenz von korrespondierenden Zeitintervallen eingesetzt werden.
Das Rauschen hinter dem Eingangsverstärker verursacht Jitter der abgeleiteten Nulldurchgänge, deren Auswirkungen durch ge- eignete Mittelwertbildung der Meßwerte reduziert werden kann. Im Fall der Verfügbarkeit eines hochgenauen internen oder externen Taktsignals erfolgt die Messung der anfänglichen Frequenz- und Phasendifferenz zwischen dem angeregten, freischwingenden Vibrationselement und dem freischwingenden Si- gnalgenerator bei A = 0 beispielsweise durch parallele Messung beider Frequenzen und nachfolgender Berechnung der Frequenz- und Phasendifferenz zwischen beiden unter Verwendung entsprechender Mittel des Frequenz- und Phasenmeßsystems 16. Die übrige Vorgehensweise entspricht der Messung mit dem Si- gnalgenerator als Zeitbasis.
Nach dem Start ist das gesamte System sich ändernden Umgebungsbedingungen ausgesetzt, insbesondere dem Einfluß von Temperaturänderungen. Hierbei ist allerdings die Genauigkeit der Phasenkontrolle des Phaseneingangs- und Quadratur- AusgangsSignals des Signalgenerators 23 in Bezug auf die Phase des Vibrationselements 22 maßgeblich für die Genauigkeit der Messung. In der Closed-Loop-Betriebsweise steigt der Phasenfehler zwischen dem Signalgenerator 23 und dem Vibration- selement 22 mit der steigenden Frequenzdifferenz zwischen dem freischwingenden Vibrationselement 22 und dem freischwingenden Signalgenerator 23 bei A = 0, weil die Reduzierung einer steigenden Frequenzdifferenz ein größeres Phasenfehlerkompen- sationssignal in der Closed-Loop-Betriebsweise erfordert. Der Hauptgrund für die wachsende Abweichung der Frequenzen des freischwingenden Vibrationselements 22 und des freischwingenden Signalgenerators 23 sind die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten beider Frequenzen, was zu einer Änderung der Frequenzdifferenz mit einer Temperaturänderung führt.
Durch eine Verwendung der erfindungsgemäßen Mittel entsprechend der Figur 2 wird eine Verbesserung des Phasenfehlers ermöglicht, wie im Folgenden ausgeführt ist. Erfindungsgemäß kann die aktuelle Frequenzdifferenz zwischen dem Vibration- selement 22 und dem freischwingenden Signalgenerator 23 bei
A = 0 verwendet werden, um die Null -Frequenz des Signalgenerators 23 zurückzusetzen und entsprechend den kompensierenden Phasenfehlern in der NachlaufSynchronisationseinrichtung zu reduzieren. Der freischwingende Signalgenerator kann virtuell als Algorithmus implementiert werden, wobei die entsprechenden Modelle zu verwenden sind, oder real in Hardware.
Zur Schätzung der aktuellen temperaturbedingten Phasendifferenz gibt es verschiedene Fälle.
In dem Fall, daß das Temperaturverhalten der Frequenzen so- wohl des Vibrationselements 22 als auch des Signalgenerators 23 bekannt sind, kann die aktuelle Frequenz offensichtlich durch Messung der aktuellen Temperatur geschätzt und die entsprechende Frequenzdifferenz berechnet werden. Das Temperaturverhalten kann durch Frequenzwerte bei einer gegebenen Temperatur festgelegt werden, beispielsweise bei Raumtemperatur, ebenso wie die Temperaturkoeffizienten des Vibrationselements 22 und des Signalgenerators 23.
Nach der Erfindung kann die Temperaturmessung durch die Fre- quenzmessung des Vibrationselements 22 selber ersetzt werden, wenn ein hochgenauer interner oder externer Taktgenerator zur Verfügung steht .
In vorteilhafter Weise nutzt dieser Ansatz die Tatsache, daß für die meisten mikro-mechanischen Vibrationselemente die Resonanzfrequenz stark von den Young-Modulen des Vibrationselements abhängt, welche sich in einer sehr guten Näherung linear mit der Temperatur ändert. Folglich ist nur der Temperaturkoeffizient erster Ordnung erforderlich. Dadurch kann die Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz vorab durch eine einfache Zweipunktmessung gemessen werden.
Auch das Temperaturverhalten des Signalgenerators 23, welches von dem jeweiligen Schaltungsprinzip abhängt, muß gemessen und im voraus gespeichert werden. Nach der Erfindung wird die Messung der aktuellen Frequenz fvs (T) des Vibrationselements 22 im Closed-Loop-Betrieb zur Temperaturberechnung verwendet . Bei der berechneten Temperatur wird die Frequenz f gg( ) des freischwingenden Signalge- nerators berechnet. Basierend auf der berechneten Differenz zwischen der aktuellen Frequenz des Vibrationselements 22 und der berechneten Frequenz des freischwingenden Signalgenerators wird das Korrektursignal für die Startwerte des frei- schwingenden Signalgenerators abgeleitet, wobei dann die ak- tuelle Frequenz des Signalgenerators auf die aktuelle Frequenz des Vibrationselements 22 setzt. Das Prinzip der Berechnung ist in Figur 4 gezeigt. Tl ist dabei die Temperatur beim Systemstart und T2 die Temperatur zu einem späteren Zeitpunkt, wenn sich die Temperatur während des Betriebs er- höht hat.
Erfindungsgemäß werden in dem Fall, daß die Resonanzfrequenz des Vibrationselements 22 und sein Temperaturkoeffizient nicht genau genug bekannt sind und/oder dies auf den frei- schwingenden Signalgenerator zutrifft, die aktuelle Frequenzdifferenz zwischen den beiden von Zeit zu Zeit gemessen, indem die Regelschleifen durch das Setzen des Schalters 17 in die neutrale Position und Öffnung der Schalter 18 und 19 geöffnet werden. Nach der Messung und dem Setzen des Signalge- nerators 23 auf die Frequenz des Vibrationselements 22 werden die Schleifen wieder geschlossen. Der Nachteil einer solchen Methode besteht in der Unterbrechung der Drehratenmessung. Erfindungsgemäß kann aber dies dadurch vermieden werden, daß ein zweiter Signalgenerator, der in der Figur nicht darge- stellt ist, verwendet wird, der gut auf die Nullfrequenz (A = 0) und an das Temperaturverhalten des ersten Signalgenerators 23 angepaßt ist. Der zweite Signalgenerator ist nicht in die NachlaufSynchronisationseinrichtung einbezogen und wird nur für die Zeitbestimmung des Frequenz/Phasenmeßsystems 16 in Figur 2 eingesetzt. In diesem Fall erfolgt eine kontinuierliche oder regelmäßige Messung der Frequenzdifferenz zwischen der Nullfrequenz dieses zweiten Signalgenerators und der Frequenz des Vibrationselements 22 (oder der Frequenz des Vibrationselements) . Es ist auch ein Vergleich der Frequenzen des zweiten Signalgenerators und des ersten Signalgenerators möglich, sofern der erste Signalgenerator mit dem Vibrationselement gekoppelt ist. Der in der Schleife befindliche Signalgenerator wird kontinuierlich oder in bestimmten Zeitschritten auf die ge- messene Frequenz des Vibrationselements 22 gesetzt.

Claims

Patentansprüche
1. Vibrationskreisel mit einem Vibrationselement (22) mit - einem Antriebselement (1) zur Anregung des Vibrationselements (22) , einem ersten Abnehmer (2) zur Messung der Schwingung des Vibrationselements (22) in einer ersten Ebene und einem zweiten Abnehmer zur Detektion einer Schwingung, die ein Maß für die Drehrate des Vibrationselements (22) ist, einem Regelkreis zur Regelung des Antriebselements (1) in Abhängigkeit von der gemessenen Schwingung, wobei der Regelkreis eine Nachlaufsynchronisationseinrich- tung (21) aufweist, die einen steuerbaren Signalgenerator (23) besitzt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß - Mittel (16, 17, 18, 19) zur Messung der Frequenz und/oder Phase des Vibrationselements (22) im freischwingenden Zu- stand vorgesehen sind und der Signalgenerator (23) programmierbar ist, wobei eine Steuereinheit (20) vorgesehen ist, durch die der Signalgenerator in Abhängigkeit der gemessenen Frequenz und/oder Phase programmierbar ist.
2. Vibrationskreisel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die durch den Signalgenerator (23) erzeugte Spannung eine
Zeitbasis für die Frequenz- und/oder Phasenmessung bildet.
3. Vibrationskreisel nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Signalgenerator (23) ein Signal mit einer internen Frequenz erzeugt, das als Zeitbasis bereitgestellt wird, und aus dem Signal mit der ersten Frequenz ein Signal mit einer zweiten, niedrigeren Frequenz gebildet wird zur Verwendung in der Regelung des Antriebselements (1) .
4. Vibrationskreisel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein zusätzlicher Taktgenerator vorgesehen ist zur Bereitstel- lung einer Zeitbasis für die Frequenz- und/oder Phasenmessung.
5. Vibrationskreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Mittel zur Kompensation der Temperaturabhängigkeiten des Vibrationselements (22) und des Signalgenerators (23) vorgesehen sind.
6. Vibrationskreisel nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine temperaturabhängige Ansteuerung des programmierbaren Signalgenerators durch die Steuereinheit vorgesehen ist .
7. Vibrationskreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß
Mittel vorgesehen sind zur wiederholten Ansteuerung der Mittel (16) zur Messung der Frequenz und/oder Phase und zur Neuprogrammierung des Signalgenerators (23) .
8. Vibrationskreisel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein zweiter, nicht in die Regelschleife der NachlaufSynchronisationseinrichtung (21) eingebundener Signalgenerator vorgesehen ist, wobei sich das Temperaturverhalten des ersten und zweiten Signalgenerators entsprechen, und wobei anhand eines Vergleichs der Frequenzen des ersten und des zweiten Signalgenerators eine neu zu programmierende Frequenz des ersten Signalgenerators ableitbar ist.
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