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  • 法律状态
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    • 专利摘要:
    DieErfindung geht aus von einem Drehratensensor, wobei der Drehratensensoreine Antriebsresonanzfrequenz (f_rA) und eine Coriolisresonanzfrequenz(f_rD) aufweist. Der Drehratensensor weist daneben wenigstens eineBetriebsspannung (U_MK) auf, von der die Coriolisresonanzfrequenz(f_rD) abhängigist. Die Coriolisresonanzfrequenz (f_rD) ist mittels einer Abstimmspannung(U_DF) auf die Antriebsresonanzfrequenz (f_rA) abgestimmt. Der Kernder Erfindung besteht darin, dass eine Änderung der Coriolisresonanzfrequenz(f_rD) infolge einer Änderungder Betriebsspannung (U_MK) kompensierbar ist, indem aus einer Kompensationsschaltungeine geeignete geänderteAbstimmspannung (U_DF) darstellbar ist.
    公开号:DE102004026972A1
    申请号:DE200410026972
    申请日:2004-06-02
    公开日:2005-12-29
    发明作者:Wolfram Bauer；Udo-Martin Gomez；Burkhard Kuhlmann；Christoph Lang；Rainer Willig
    申请人:Robert Bosch GmbH；
    IPC主号:G01C19-56
    专利说明:
    [0001] DieErfindung geht aus von einem Drehratensensor, wobei der Drehratensensoreine Antriebsresonanzfrequenz f_rA und eine Coriolisresonanzfrequenzf_rD aufweist. Der Drehratensensor weist daneben wenigstens eineBetriebsspannung U_MK auf, von der die Coriolisresonanzfrequenzf_rD abhängig ist.Die Coriolisresonanzfrequenz f_rD ist mittels einer AbstimmspannungU_DF auf die Antriebsresonanzfrequenz f_rA abgestimmt.
    [0002] VielenDrehratensensoren liegt als Messprinzip die Nutzung des Corioliseffekteszugrunde. Die Corioliskraft entsteht, wenn sich ein Körper der Massem mit der Geschwindigkeit v bewegt und senkrecht zur Bewegungsrichtungeine Drehrate Ω wirkt FCoriolis = 2mvΩ.
    [0003] EineMöglichkeit,eine Masse in Bewegung zu versetzen, besteht darin, sie zu einerSchwingung anzuregen, der Antriebsschwingung. Wirkt eine Drehrateauf die schwingende Masse, so reagiert sie aufgrund der Corioliskräfte miteiner Coriolisschwingung senkrecht zur Antriebsschwingung.
    [0004] Wirddie Mechanik mit der Elektronik zu einem Schwingkreis kombiniert,so entsteht ein Resonator und die Frequenz dieser Antriebsschwingung entsprichtder Antriebsresonanzfrequenz f_rA der Mechanik. Die Coriolisschwingungerfolgt dann ebenfalls mit der Antriebsresonanzfrequenz. Die Resonanzfrequenzf_rD der Coriolismode ist jedoch unabhängig von der Antriebsresonanzfrequenzf_rA. Da die Empfindlichkeit bezuglich des Corioliseffektes am größten beider Resonanzfrequenz der Coriolismode f_rD ist, ist es sinnvoll,die Frequenz f_rD so abzustimmen, dass sie der Antriebsresonanzfrequenzf_rA entspricht.
    [0005] DieseAbstimmung der Coriolisresonanzfrequenz f_rD kann mit Hilfe elektrostatischerMitkoppelkräfteerfolgen, welche der mechanischen Federsteifigkeit entgegenwirkenund somit zu einer effektiven Verringerung der Federsteifigkeitführen,wodurch die Resonanzfrequenz f_rD verringert werden kann. Eine Möglichkeitder Frequenzabstimmung besteht darin, die Mechanik so auszulegen,dass ihre Coriolisresonanzfrequenz f_rD größer ist als die Antriebsresonanzfrequenz.Die Elektronik kann dann durch Anlegen einer elektrischen SpannungU_DF an das Sensorelement elektrostatische Mitkoppelkräfte derarterzeugen, dass die Resonanzfrequenz der Coriolismode so stark verringertwird, dass sie der Antriebsresonanzfrequenz entspricht. Die zu diesemZweck benötigteelektrische Spannung U_DF_Abg1 kann innerhalb der Elektronik abgeglichenwerden. Dies ist zum Beispiel in der deutschen Patentanmeldung DE 19910415 A1 gezeigt.
    [0006] EinProblem bei dem bisher beschriebenen System entsteht dann, wennin der Elektronik zu Mess- oder Kompensationszwecken weitere Spannungenerzeugt werden müssen,welche ebenfalls auf das Sensorelement wirken und durch die dadurch verursachteelektrostatische Mitkopplung die Coriolisresonanzfrequenz f_rD zukleineren Frequenzen verschieben. Alle Spannungen, welche zu Mess- oderKompensationszwecken ebenfalls auf das Sensorelement wirken, werdenin den folgenden Betrachtungen durch die Spannung U_MK repräsentiert.Beim Abgleich der Spannung U_DF_Abg1 ist darauf zu achten, dassU_MK einen Wert annimmt, welcher typisch für den Betrieb des Sensors ist.Dieser Wert wird im Folgenden als U_MK_Abg1 bezeichnet.
    [0007] Weiterhinkann es im Betrieb des Sensors dazu kommen, dass sich U_MK um dieSpannungsdifferenz ΔU_MK ändert. Gründe hierfür könnten zumBeispiel darin liegen, dass Schaltungen zur Unterdrückung vonStörungenim Sensorelement aufgrund von Temperaturabhängigkeiten oder Langzeitdriftenihre Ausgangsspannung ändern.Die Spannungsänderung ΔU_MK führt zu einerentsprechenden störendenVerschiebung der Coriolisresonanzfrequenz f_rD.
    [0008] DieErfindung geht aus von einem Drehratensensor, wobei der Drehratensensoreine Antriebsresonanzfrequenz f_rA und eine Coriolisresonanzfrequenzf_rD aufweist. Der Drehratensensor weist daneben wenigstens eineBetriebsspannung U_MK auf, von der die Coriolisresonanzfrequenzf_rD abhängig ist.Die Coriolisresonanzfrequenz f_rD ist mittels einer AbstimmspannungU_DF auf die Antriebsresonanzfrequenz f_rA abgestimmt. Der Kernder Erfindung besteht darin, dass eine Kompensationsschaltung vorgesehenist, mittels der eine Änderungder Coriolisresonanzfrequenz f_rD infolge einer Änderung der BetriebsspannungU_MK kompensierbar ist, indem aus der Kompensationsschaltung einegeeignet geänderteAbstimmspannung U_DF darstellbar ist. Vorteilhaft können hierdurchVerschiebungen der Coriolisresonanzfrequenz f_rD kompensiert werden.
    [0009] Vorteilhaftentspricht die Coriolisresonanzfrequenz f_rD des Drehratensensorsder Antriebsresonanzfrequenz f_rA.
    [0010] ZurKompensation der Verschiebung der Coriolisresonanzfrequenz f_rDweist die Kompensationsschaltung vorteilhaft einen Kompensationsfaktor kauf, welcher durch die Spannungen U_DF_Abg1 und U_MK_Abg1 bestimmtist. Vorteilhaft ist es hierbei, den Kompensationsfaktors k in Abhängigkeit vomArbeitspunkt zu wählen,welcher durch die Spannungen U_DF_Abg1 und U_MK_Abg1 bestimmt wird.
    [0011] Einevorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dass der Kompensationsfaktork in der Kompensationsschaltung mittels eines Kennlinienfeldes inForm wenigstens einer Wertetabelle hinterlegt ist. Dies bietet denVorteil, dass weder Temperaturabhängigkeiten noch Langzeitdriftenvon elektronischen Schaltungen zur analogen Bestimmung des Kompensationsfaktork berücksichtigtwerden müssen.
    [0012] Vorteilhaftist weiterhin die Verwendung eines Kennlinienfeldes, welches sowohlanalog als auch digital realisierbar ist, zur arbeitspunktabhängigen Bestimmungdes Kompensationsfaktors k.
    [0013] Einebesonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet, dassder Kompensationsfaktor k in der Kompensationsschaltung mittelseines Kennlinienfeldes in Form von zwei Wertetabellen hinterlegtist, wobei eine Wertetabelle Eingangswerte der Spannung U_DF_Abg1und die andere Wertetabelle Eingangswerte der Spannung U_MK_Abg1aufweist. Dadurch kann insgesamt die Anzahl der Einträge in denWertetabellen minimiert werden.
    [0014] Vorteilhaftist auch, die eine Wertetabelle dazu zu verwenden, die Änderungder Coriolisresonanzfrequenz f_rD in Abhängigkeit von der Änderung derSpannung U_MK zu linearisieren, wodurch ermöglicht wird, dass die andereWertetabelle Lediglich den Arbeitspunkt berücksichtigt, welcher durch die abgeglicheneSpannung U_DF_Abg1 bestimmt wird.
    [0015] Vorteilhaftist besonders die digitale Realisierung des Eingriffs der Kompensationsfaktorenzur Frequenzkompensation. Hierdurch ergeben sich unter anderem Kostenvorteiledurch einfach zu realisierende Schaltungen.
    [0016] Weiterevorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
    [0017] Ausführungsbeispieleder Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibungnäher erläutert.
    [0018] 1 zeigteinen erfindungsgemäßen Drehratensensormit Abstimmung der Coriolisresonanzfrequenz.
    [0019] 2 zeigtdie Arbeitspunktabhängigkeitder Abstimmung der Coriolisresonanzfrequenz.
    [0020] 3 zeigteinen erfindungsgemäßen Drehratensensormit digitaler Auswerteelektronik und hinterlegter Wertetabelle.
    [0021] 4 zeigteinen erfindungsgemäßen Drehratensensormit digitaler Auswerteelektronik und zwei hinterlegten Wertetabellen.
    [0022] Anhandder im folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindungdetailliert dargestellt werden.
    [0023] 1 zeigteinen erfindungsgemäßen Drehratensensormit Abstimmung der Coriolisresonanzfrequenz. Der Drehratensensorumfasst ein Sensorelement 100 und eine Auswerteelektronik 150.Die Auswerteelektronik 150 beinhaltet eine Kompensationsschaltung 155 unddarin eine Funktion 160 zur Bestimmung eines Kompensationsfaktors k.Das Sensorelement 100 wird von der Auswerteelektronik 150 durchdie Spannungen U_DF und U_MK angesteuert. U_MK ist die Summe ausder Spannung U_MK_Abg1, welche zum Zeitpunkt des U_DF Abgleichsanlag, und der Spannungsänderung ΔU_MK, welchesich währenddes Betriebs des Sensors ergibt. Diese Spannungsänderung ΔU_MK stellt das Eingangssignalfür dieerfindungsgemäße Kompensationsschaltung 155 dar.Diese Kompensationsschaltung multipliziert den Wert ΔU_MK mitdem Kompensationsfaktor k und der resultierende Wert wird dazu verwendet,die Spannung U_DF um die Spannungsdifferenz ΔU_DF zu ändern.
    [0024] EinEingriff auf die Spannung U_DF ist also in der Art vorgesehen, dasseine durch eine Spannungsänderung ΔU_MK verursachte Änderungder Coriolisresonanzfrequenz f_rD dadurch kompensiert wird, dassdie Spannung U_DF übereine Kompensationsschaltung entsprechend nachgeführt wird.
    [0025] 2 zeigtdie Arbeitspunktabhängigkeitder Abstimmung der Coriolisresonanzfrequenz. In dem Diagramm istdie Frequenzänderung Δf_rD derCoriolisresonanzfrequenz f_rD überder Spannung U_DF dargestellt. Eine Besonderheit der Erfindung liegtdarin, dass der Kompensationsfaktor k abhängig gemacht wird von den Abgleichwertender Spannungen U_DF_Abg1 und U_MK_Abg1. Die erfindungsgemäße Arbeitspunktabhängigkeitdes Kompensationsfaktors k wird im Folgenden erläutert.
    [0026] Dieelektrostatische Kraft im Sensorelement 100 ist proportionalzum Quadrat der an das Sensorelement 100 angelegten Spannung.Wenn die elektrostatische Kraft überdie mechanische Federkraft dominiert, ist auch die Änderungder Sensorresonanzfrequenz proportional zum Quadrat der an das Sensorelement 100 angelegtenSpannung. Dieser Zusammenhang ist in
    [0027] 2 beispielhaftdargestellt fürdie Wirkung der Spannung U_DF auf die Änderung der Coriolisresonanzfrequenzf_rD. Betrachtet man den Arbeitspunkt U_DF_Abg1_1, so führt eine Änderungder Spannung U_DF um den Wert ΔU_DFzu einer Frequenzänderungder Höhe Δf_rD_1. ImArbeitspunkt U_DF_Abg1_2 führtdie gleiche Änderung ΔU_DF zu derwesentlich größeren Frequenzänderung Δf_rD_2. Diequadratische Abhängigkeitgilt ebenfalls fürdie Frequenzänderungaufgrund der Spannungsänderungan U_MK.
    [0028] 3 zeigteinen erfindungsgemäßen Drehratensensormit digitaler Auswerteelektronik und hinterlegter Wertetabelle.
    [0029] Solldie Auswirkung einen Spannungsänderung ΔU_MK aufdie Coriolisresonanzfrequenz f_rD durch eine Änderung der Spannung ΔU_DF erfindungsgemäß kompensiertwerden, so muss der zu wählendeKompensationsfaktor k von den Spannungswerten U_DF_Abg1 und U_MK_Abg1, welche denArbeitspunkt beschreiben, abhängiggemacht werden. Eine erfindungsgemäße Möglichkeit, dies zu erreichen,besteht darin, ein Kennlinienfeld zu nutzen, durch das in Abhängigkeitder Spannungen U_DF_Abg1 und U_MK_Abg1 der entsprechende Kompensationsfaktork bestimmt werden kann.
    [0030] Inanaloger Schaltungstechnik ist solch eine arbeitspunktabhängige Einstellungdes Kompensationsfaktors k zum Beispiel mit Hilfe von Steilheitsmultiplizierernrealisierbar. Eine solche Realisierung ist unter Umständen aufwendig,da Temperaturabhängigkeitenund Langzeitdriften berücksichtigtwerden müssen.
    [0031] Eineerfindungsgemäße Alternativehierzu besteht darin, das Kennlinienfeld in Form einer Wertetabelle(engl.: look-up-table – LUT)abzulegen. Dies bietet die Vorteile, dass weder Temperaturabhängigkeitennoch Langzeitdriften zu befürchtensind. Die hinterlegte Wertetabelle LUT sowie die digitale Multiplikationsind im Vergleich zur analogen Lösungweniger störanfällig.
    [0032] In 3 isteine digitale Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Drehratensensors gezeigt.Dargestellt sind das Sensorelement 100 und eine Auswerteelektronik 350.Die Auswerteelektronik 350 weist einen analogen und einendigitalen Teil auf, welche in der Figur durch die Strichlinie abgegrenzt dargestelltsind. Digitale Signale werden durch Digital-Analog-Umsetzer (DAU) inanaloge Signale gewandelt. Die dargestellten digitalen Signale sinddadurch gekennzeichnet, dass der Signalname mit dem Buchstaben „d" beginnt. Die Auswerteelektronik 350 beinhalteteine Kompensationsschaltung 355 mit einer Wertetabelle 360 zurBestimmung des Kompensationsfaktors k und eine digitale Messelektronik 380.
    [0033] Diedigitale Messelektronik 380 erzeugt ein Digitalsignal dU_MK_Abg1,welches den Arbeitspunkt beschreibt und ein Digitalsignal dΔU_MK, welchesdie Änderungder Spannung U_MK verursacht. Ein Digitalwert dU_DF_Abg1, welcherein Maß für die abgeglicheneSpannung zur Einstellung der Coriolisresonanzfrequnz ist, steuerteinen Digital-Analog-Umsetzer(DAU) an und wird als Eingangssignal für das in der Wertetabelle (LUT) 360 hinterlegte Kennlinienfeldzur Bestimmung des Kompensationsfaktors k benutzt. Das digitaleProdukt aus diesem Faktor k und dem Signal dΔU_MK wird als dΔU_DF bezeichnet.Dieses Signal wird zur Ansteuerung eines DAU genutzt und in dasanaloge Signal ΔU_DF gewandelt,welches zu der abgeglichenen Spannung U_DF_Abg1 addiert wird undden störendenEffekt der Spannungsänderung ΔU_MK kompensiert.
    [0034] 4 zeigteinen erfindungsgemäßen Drehratensensormit digitaler Auswerteelektronik und zwei hinterlegten Wertetabellen.Dargestellt sind das Sensorelement 100 und eine Auswerteelektronik 450.Die Auswereelektronik 450 beinhaltet eine erste Wertetabelle(LUT1) 490, eine digitale Messelektronik 480 undeine Kompensationsschaltung 455 mit einer zweite Wertetabelle(LUT2) 460.
    [0035] Diebisher beschriebene Wertetabelle (LUT) mit zwei Eingangssignalenzur Beschreibung des Arbeitspunktes kann deutlich vereinfacht werden,wenn dafürgesorgt wird, dass der Kompensationsfaktor k nur noch vom Arbeitspunktder Spannung U_DF_Abg1 abhängt.Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispielhierfürist in 4 dargestellt. Die digitale Messelektronik erzeugtauch in diesem Fall ein den Arbeitspunkt bestimmendes Digitalsignal dU_MK_Abg1und eine SignaländerungdΔU_MK. DieseSignaländerungwird mit einem Faktor k1 digital multipliziert, wodurch das Digitalsignal dΔU_MK_linresultiert. Der Faktor k1 ist abhängig von dem Wert des SignalsdU_MK_Abg1 und wird übereine LUT ermittelt. Das Signal dΔU_MK_lin steuerteinen DAU an, welcher die Analogspannungsänderung ΔU_MK erzeugt. Die bisher beschriebeneElektronik wird beispielsweise in einem digitalen Regler zur Unterdrückung vonStörsignalen imDrehratensensor ohnehin eingesetzt und kann somit doppelt genutztwerden, da sie ebenfalls dafür sorgt,den Kompensationsfaktor k2 fürdie Frequenznachführunglediglich von dem Arbeitspunkt des Signals dU_DF_Abg1 abhängig zumachen. Dieser Faktor k2 wird mit dem Signal dΔU_MK_lin digital multipliziertwodurch das Digitalsignal dΔU_DFresultiert, welches zur Ansteuerung eines DAU und somit zur Erzeugungder Spannungsänderung ΔU_DF genutzt wird.
    [0036] Esist auch eine Realisierung denkbar, bei der am Eingang der LUT2nicht das Signal dΔU_MK_linanliegt, sondern direkt das Signal dΔU_MK. Statt einer LUT mit zweiEingangssignalen werden also zwei LUTs mit jeweils einem Eingangssignalbenutzt, wodurch die Anzahl der zu speichernden möglichenKompensationsfaktoren drastisch reduziert werden kann. Wird dasSignal dU_DF_Abg1 mit einer Auflösungvon x Bit quantisiert und das Signal dU_MK_Abg1 mit einer Auflösung vony Bit quantisiert, so wird eine LUT mit x mal y Einträgen reduziertauf eine LUT mit x Einträgenund eine LUT mit y Einträgen.Statt x mal y Speicherelementen werden lediglich x+y Speicherelementebenötigt.Außerdem bestehtdie Möglichkeit,einen ohnehin benötigten Schaltungsteildoppelt zu nutzen. Dies kann zum Beispiel der Teil eines digitalenReglers zur Unterdrückungvon Störsignalensein.
    [0037] DasPrinzip ist auch auf eine analoge Realisierung übertragbar.
    [0038] Essind daneben auch weitere Ausführungsbeispieledenkbar.
    权利要求:
    Claims (5)
    [1] Drehratensensor mit Frequenznachführung, – wobeider Drehratensensor eine Antriebsresonanzfrequenz (f_rA) und eineCoriolisresonanzfrequenz (f_rD) aufweist, – wobei der Drehratensensorwenigstens eine Betriebsspannung (U_MK) aufweist, von der die Coriolisresonanzfrequenz(f_rD) abhängigist, – wobeiMittel vorgesehen sind, mittels derer die Coriolisresonanzfrequenz(f_rD) mittels einer Abstimmspannung (U_DF) auf die Antriebsresonanzfrequenz (f_rA)abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eineKompensationsschaltung (150, 350, 450)vorgesehen ist, mittels der eine Änderung der Coriolisresonanzfrequenz(f_rD) infolge einer Änderungder Betriebsspannung (U_MK) kompensierbar ist, indem aus der Kompensationsschaltung(150, 350, 450) eine geeignet geänderte Abstimmspannung(U_DF) darstellbar ist.
    [2] Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Coriolisresonanzfrequenz (f_rD) der Antriebsresonanzfrequenz(f_rA) entspricht.
    [3] Drehratensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Kompensationsschaltung (150, 350, 450)einen Kompensationsfaktor k aufweist, welcher durch die SpannungenU_DF_Abg1 und U_MK_Abg1 bestimmt ist.
    [4] Drehratensensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,dass der Kompensationsfaktor k in der Kompensationsschaltung (350, 450)mittels eines Kennlinienfeldes in Form wenigstens einer Wertetabelle(360, 460, 490) hinterlegt ist.
    [5] Drehratensensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,dass der Kompensationsfaktor k in der Kompensationsschaltung (450)mittels eines Kennlinienfeldes in Form von zwei Wertetabellen (460, 490)hinterlegt ist, wobei eine Wertetabelle (460) Eingangswerteder Spannung U_DF_Abg1 und die andere Wertetabelle (490)Eingangswerte der Spannung U_MK_Abg1 aufweist.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2011-05-12| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2011-05-12| R012| Request for examination validly filed|Effective date: 20110222 |
    2013-11-08| R016| Response to examination communication|
    2013-11-11| R016| Response to examination communication|
    2014-11-24| R018| Grant decision by examination section/examining division|
    2015-12-15| R020| Patent grant now final|
    优先权:
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