DE69826373T2

DE69826373T2 - Signalverarbeitungssystem für einen Inertialsensor

Info

Publication number: DE69826373T2
Application number: DE69826373T
Authority: DE
Inventors: Stanley F. Encino Wyse; Daniel A. West Hills Tazartes; Juergen K.P. Tarzana Flamm; Charles A. Camarillo Lee
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1997-07-14
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2018-06-25
Also published as: DE69826373D1; EP0892246A2; EP0892246B1; EP0892246A3; US6324909B1; JP3816674B2; US5983718A; CA2241463A1; JPH11132771A; KR19990013847A; CA2241463C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Signalverarbeitungstechniken für Drehsensorsysteme, die in der Navigation und bei anderen Anwendungen verwendet werden. Insbesondere betrifft diese Erfindung Signalverarbeitungstechniken in Drehsensorsystemen, die Coriolis-Beschleunigungssensoren zum Messen von Drehungen einschließen.
Eine Winkelrate kann mit einem eingefangenen linearen Beschleunigungsmessgerät dadurch gemessen werden, dass es auf einem vibrierenden Rahmen angebracht wird und die Coriolis-Beschleunigungen gemessen werden, die durch die Winkelrate des Rahmens relativ zu einem Inertialraum erzeugt werden. Um im Allgemeinen eine genaue Winkelratenmessung zu erreichen muss die Frequenzantwort von derartigen Beschleunigungsmessgeräten bei der Vibrationsfrequenz des zitternden Rahmens gut definiert sein. Der Skalierungsfaktor bezieht sich direkt auf die geschlossene Schleifenverstärkung des Beschleunigungsmessgeräts. Große Fehler können aus der Vibrationsantriebsbewegung, die in das Beschleunigungsmessgerät gekoppelt wird, erzeugt werden, wenn das Maß dieser Bewegung nicht durch eine genaue Steuerung der Phase der Referenz bei der Demodulation des Coriolis-Signals abgewiesen wird.
Eine Technik zum Beseitigen der großen Fehler als Folge der Ungewissheiten in der Verstärkung und in der Phase des Beschleunigungsmessgerätausgangs besteht darin eine Genauigkeits-AC-Drehmoment-Rückkopplung zu verwenden, um exakt die Coriolis-Kräfte zu beseitigen, die durch die Rate entwickelt werden, wodurch eine absolute Null der Nachweismasse bei der Zitterfrequenz beibehalten wird.
In einigen Rückkopplungssteuersystemen verändert der Parameter, der gerade gemessen wird, die Amplitude eines sinusförmigen Trägersignals. In derartigen Systemen ist die Frequenz des Trägersignals normalerweise viel größer als die gewünschte Bandbreite für den Parameter, der gerade gemessen wird. Derartige amplitudenmodulierte Signale können von Sensoren erzeugt werden, die den Druck, die Beschleunigung, die Geschwindigkeit, die Winkelrate, und dergleichen messen. Für einige von diesen Sensoren wird die genaue Messung des Parameters durch Messen des Rückkopplungssignals bestimmt, das benötigt wird, um ein Gleichgewicht in einer geschlossenen Schleifenkonfiguration aufrechtzuerhalten.
Eine Anwendung, bei der eine genaue Messung eines modulierten Signals wichtig ist, ist ein Vibrationswinkelraten-Sensorsystem, das die Coriolis-Beschleunigung misst, die durch einen Winkelrateneingang erzeugt wird. Ein Eingang mit einer konstanten Rate zu einem derartigen Sensor verursacht ein Ausgangssignal, das bei der Frequenz der angesteuerten Oszillation der Einrichtung amplitudenmoduliert ist. Die erzeugte Coriolis-Beschleunigung ist proportional zu der Eingangsrate und ist zu der angesteuerten Vibrationsamplitude 90° phasenverschoben. Deshalb tritt die maximale Beschleunigung auf, wenn die maximale Vibrationsgeschwindigkeit auftritt, die relativ zu der maximalen Vibrationsamplitude 90° phasenverschoben ist. In den meisten Fällen ist der Ratensensor ein eingebauter Beschleunigungsdetektor oder ein kleines Beschleunigungsmessgerät, das auf dem Vibrationselement angebracht ist. Die Nachweismasse des Detektors entspricht der Coriolis-Beschleunigung, die durch die Rate erzeugt wird.
Wenn der Beschleunigungssensor in einer Konfiguration einer offenen Schleife betrieben wird, dann muss deren Frequenzantwort im Allgemeinen viel höher als die Ansteuerfrequenz sein, wenn die Verstärkung und die Phase des Ausgangssignals gut definiert sein sollen. Der Absolutwert der Verstärkung ist für den Skalierungsfaktor wichtig und die Phase des Signals relativ zu der angesteuerten Referenzoszillation ist wichtig, um irgendein „Quadratur" Signal abzuweisen, das eine Hauptfehlerquelle bei der Ratenmessung ist. Diese gleiche Verstärkung und die Phasenschwierigkeit werden auch in einer Beschleunigungserfassung einer geschlossenen Schleife auftreten, wenn typische Einfangschleifen-Techniken verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist eine Vorrichtung zum Verarbeiten von Signalen, die von einem Sensor zum Messen der Winkelrate ausgegeben werden, wie im Anspruch 1 definiert.
Die Erfindung stellt ein Beschleunigungssensorsystem mit einer Nachweismasse bereit, das von einer Rückkopplung in der Beschleunigungsmessgerät-Servoschleife bei der Ansteuerfrequenz befreit worden ist, indem sämtliches Rückkopplungsdrehmoment bei dieser Frequenz vollständig herausgefiltert wird. Die relative Bewegung der Nachweismasse ist dann ein direktes Maß der Rate, weil kein Rückkopplungsdrehmoment vorhanden ist, um die Nachweismassenantwort auf die Beschleunigung zu verändern. In einem derartigen Fall reagiert die Nachweismasse im Wesentlichen in einem Modus einer offenen Schleife, bei dem die Amplitude und die Phase der Bewegung relativ zu der Zitteransteuerung gut definiert sind. Das Beschleunigungssensorsystem in Übereinstimmung mit der Erfindung ist besonders nützlich bei der Erfassung von Coriolis-Beschleunigungen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik zum Beseitigen der Schwierigkeiten von früheren Rückkopplungsmodulationstechniken für amplitudenmodulierte Servosysteme bereit. Das Rückkopplungsmodulationssystem gemäß der Erfindung fängt den Coriolis-Sensor derart ein, dass die Phase und die Verstärkung des Signals, das von dem Sensor erzeugt wird, keinerlei Bedenken beim Aufrechterhalten eines guten Skalierungsfaktors sind. In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung einer Rückkopplungsschleife, die zwischen den Ausgang eines Servokompensators und eine Summationseinheit geschaltet ist. Die Rückkopplungsschleife umfasst einen Drehmoment-Remodulator. Der Sensor, der Demodulator, der Servokompensator und die Rückkopplungsschleife mit dem Drehmoment-Remodulator arbeiten zusammen, um einen Messausgang zu erzeugen, der unabhängig von der Verstärkung der Phase der dynamischen Eigenschaften der Erfassung, des Demodulators und der Servokompensation ist.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verarbeiten von Signalen, die von einem Sensor ausgegeben werden, um eine Winkelrate zu messen, umfasst eine Zittervorrichtung zum Ansteuern des Sensors mit einem oszillierenden Winkelgeschwindigkeitssignal einer Frequenz ω_D und einem Demodulator, der mit dem Sensor verbunden ist, um davon ausgegebene Signale (mit einem Signal proportional zu cos(ω_Dt)) zu demodulieren, um ein Ratenausgangssignal
zu erzeugen. Eine Rückkopplungsschleife ist zwischen den Sensorausgang und die Zittervorrichtung geschaltet. Die Rückkopplungsschleife kann einen Servokompensator, der verbunden ist, um von dem Sensor ausgegebene Signale zu empfangen, einschließen und das Kerbenfilter kann zwischen den Servokompensator und die Zittervorrichtung geschaltet sein. Das Kerbenfilter ist angeordnet, um Signale der Zitterfrequenz ω_D abzuweisen, um die Rückkopplungsschleife zu veranlassen kein Signal zu führen, welches ein Rückkopplungsdrehmoment in dem Sensor bei der Zitterfrequenz erzeugen würde. Deshalb ist eine relative Bewegung des Sensors ein direktes Maß der Winkelrate.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner ein Hochpassfilter, das mit der Sensoraufnahme verbunden ist, und einen In-Phase-Signalverarbeitungskanal, der mit dem Hochpassfilter verbunden ist. Der In-Phase-Signalverarbeitungskanal umfasst vorzugsweise einen Kosinus-Demodulator, der angeordnet ist, um Signale zu empfangen, die von dem Hochpassfilter ausgegeben werden, und eine erste Servokompensationsschaltung, die mit dem Kosinus-Demodulator verbunden ist, um ein Ratenmesssignal zu erzeugen. Ein Kosinus-Remodulator ist mit der ersten Servokompensationsschaltung verbunden. Ein Quadratur-Phasensignal-Verarbeitungskanal ist mit dem Hochpassfilter verbunden. Der Quadratur-Phasensignal-Verarbeitungskanal umfasst einen Sinus-Demodulator, der angeordnet ist, um von dem Hochpassfilter ausgegebene Signale zu empfangen, und eine zweite Servokompensationsschaltung, die mit dem Sinus-Demodulator verbunden ist. Ein Sinus-Remodulator ist mit der Servokompensationsschaltung verbunden. Eine erste Summationseinheit ist mit dem Kosinus-Remodulator und mit dem Sinus-Remodulator verbunden. Eine Beschleunigungsrückkopplungsschleife ist zwischen die Sensoraufnahme und die zweite Summationseinheit geschaltet. Die Beschleunigungsrückkopplungsschleife umfasst ein Kerbenfilter, welches angeordnet ist, um Signale der Zitterfrequenz ω_D abzuweisen, um zu bewirken, dass die Rückkopplungsschleife kein Signal führt, welches ein Rückkopplungsdrehmoment in dem Sensor bei der Zitterfrequenz erzeugen würde, sodass eine relative Bewegung des Sensors ein direktes Maß der Winkelrate ist, und derart, dass das Kerbenfilter ein Signal erzeugt, das die Beschleunigung anzeigt. Eine zweite Summationseinheit ist zwischen die erste Summationseinheit und das Kerbenfilter geschaltet. Die zweite Summationseinheit weist einen Ausgang auf, der mit dem Sensor verbunden ist, um an den Sensor ein Rückkopplungssignal anzulegen, das die Summe von Signalen ist, die von dem In-Phasen-Kanal, dem Quadratur-Phasenkanal und der Beschleunigungsrückkopplungsschleife ausgegeben werden.
Die Vorrichtung kann alternativ einen Demodulator umfassen, der mit dem Hochpassfilter verbunden ist, um das gefilterte Sensorsignal zu empfangen und ein Signal zu erzeugen, das die Winkelrate anzeigt. Eine Rückkopplungsschleife ist zwischen den Ausgang der Sensoraufnahme und das Beschleunigungsmessgerät geschaltet. Die Rückkopplungsschleife umfasst ein Kerbenfilter, das angeordnet ist, um Signale der Zitterfrequenz ω_D abzuweisen, um zu bewirken, dass die Rückkopplungsschleife kein Signal führt, welches ein Rückkopplungsdrehmoment in dem Sensor bei der Zitterfrequenz erzeugen würde.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Verarbeiten von Signalen, die von einem Coriolis-Kraftsensor ausgegeben werden, um eine Winkelrate zu messen, einen Demodulator, der mit dem Sensor verbunden ist, um Signale zu empfangen, die den Winkelratenausgang davon anzeigen, und einen Servokompensator, der verbunden ist, um Signale zu empfangen, die von dem Demodulator ausgegeben werden. Der Servokompensator erzeugt ein Ratenausgangssignal
, das den gemessenen Wert der Winkelrate anzeigt. Eine Rückkopplungsschleife, die einen Drehmoment-Remodulator einschließt, ist zwischen den Servokompensator und dem Sensor geschaltet. Der Drehmoment-Remodulator legt ein remoduliertes Winkelratensignal an den Sensor an, und zwar derart, dass der Demodulator, der Servokompensator und die Rückkopplungsschleife zusammenarbeiten, um einen gemessenen Ausgang zu erzeugen, der unabhängig von der Verstärkung und der Phase des Sensors, des Demodulators und des Servokompensators ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer herkömmlichen Schleife zum Einfangen des Signals, das von einem Sensor in einer Ratenmesseinrichtung ausgegeben wird;
2 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer ersten Einfangschleife gemäß der Erfindung;
3 ein ausführlicheres Blockdiagramm der ersten Einfangschleife der 2;
4 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer zweiten Einfangschleife gemäß der Erfindung;
5 ein ausführlicheres Blockdiagramm der ersten Einfangschleife der 3;
6 ein Blockdiagramm eines Multisensordrehsensors und einer Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung;
7 ein Blockdiagramm eines digitalen Signalprozessors, der in der Schaltungsanordnung der
6 enthalten sein kann;
8 eine analoge Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verarbeiten von Signalen, die von einem Coriolis-Sensor ausgegeben werden; und
9 eine digitale Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Verarbeiten von Signalen, die von einem Coriolis-Sensor ausgegeben werden.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Einfangschleife gemäß der vorliegenden Erfindung ist besonders nützlich in Winkelraten-Sensorsystemen, ist aber in der Anwendung nicht auf Winkelraten-Sensoren beschränkt. Es sei darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Einfangschleifen mit Sensoren zum Messen des Drucks, der Temperatur, der Geschwindigkeit, etc. verwendet werden können. Die Einfangschleife gemäß der vorliegenden Erfindung gilt auch für Sensoren, die durch den Parameter, der gerade erfasst wird, amplitudenmoduliert sind.
1 illustriert eine herkömmliche Einfangschleife, die bei der Verarbeitung von Signalen verwendet worden ist, die von Winkelraten-Sensorsystemen ausgegeben werden. Ein Rateneingang Φ .(s), wird an einen Sensor 14, beispielsweise ein lineares Beschleunigungsmessgerät, angelegt. Sensoren, die in 1 verwendet werden können, sind in den U.S. Patenten 4.679.434; 4.841.773; 5.065.627; und 5.142.921 offenbart. Sensoren, die in anderen Einfangschleifen enthalten sind, die danach beschrieben werden, können ähnlich zu dem Sensor 14 sein.
Der Sensor 14 wird durch ein zitterndes oder modulierendes Signal so angesteuert, dass der Rateneingang Φ .(s) durch cos(ω_Dt) moduliert wird, wobei ω_D die Ansteuerfrequenz für den Sensor ist und t die Zeit ist. Der Sensor 14 ist mit einem Servokompensator 16 verbunden, der Signale, die ihm eingegeben werden, mit einer Funktion G(s) moduliert und ein Ausgangssignal V(s) erzeugt. Das Signal V(s) wird an den Sensor 14 zurückgekoppelt. Der Sensor 14 reagiert in Übereinstimmung mit seiner dynamischen Antwortfunktion A(s) auf die Summe des modulierten Rateneingangssignals und des Rückkopplungssignals V(s). Das Signal V(s) wird auch einem Demodulator 18 eingegeben, der das Signal V(s) mit dem Signal cos(ω_Dt) demoduliert. Der Ausgang des Demodulators 18 ist die gemessene Rate
.
Der Signaleingang, so wie er von dem Sensor 14 für eine konstante Eingangsrate gesehen wird, oszilliert bei der Ansteuerfrequenz ω_D. Das Signal von dem Ausgang von dem Sensor 14 wird dann durch die Servokompensation (Gs) verstärkt und in einem Versuch zum Löschen des Rateneingangs Φ .(s) zurückgekoppelt. Das Signal, das an den Sensor 14 zurückgekoppelt wird, ist ein Maß der Eingangsrate. Weil der Ausgang V(s), der von dem Servokompensator ausgegeben wird, ein Signal bei der Vibrationsfrequenz ist, wird das Signal V(s) demoduliert, um einen konstanten Wert zu erhalten, der die konstante Eingangsrate darstellt.
Die Einfangschleifentechnik der 1 zeigt die Unzulänglichkeiten des dem Hintergrund der Erfindung dieser Offenbarung diskutierten Standes der Technik auf. Bezugnehmend auf 1 wird die Frequenzantwort des Sensors 14 und des Servokompensators 16 sehr kritisch, insbesondere bei der Ansteuerfrequenz ω_D. Für typische Instrumente ist diese Frequenz in dem Bereich 1 kHz bis 20 kHz, aber viele Beschleunigungsdetektoren weisen nicht gut definierte Ausgänge bei derartigen Frequenzen auf. Wenn zwei derartige Sensoren gerade verwendet werden, um die in einer Vibrationsumgebung benötigte gute Abweisung des gemeinsamen Modus zu erzielen, müssen sie deshalb sehr gut in sowohl der Verstärkung als auch der Phase bei der Ansteuerfrequenz angepasst sein. Wenn die Sensoren nicht gut angepasst bzw. aufeinander abgestimmt sind, dann wird die Differenz, die sich für die Vibrationseingänge ergibt, als eine Winkelrate interpretiert. Grundlegend ist der Ausgang sehr empfindlich auf die dynamischen Eigenschaften des Sensors und die Servofrequenzantwort.
Bezugnehmend auf 2 ist eine einfache Schleife gemäß der Erfindung gezeigt. Das Rateneingangssignal Φ .(s) wird einem Sensor 34 eingegeben, der das Rateneingangssignal Φ .(s) mit cos(ω_Dt) in der Weise, die voranstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde, multipliziert. Das Sensorausgangssignal wird einem Demodulator 36 eingegeben, der das Sensorsignal mit dem Signal cos(ω_Dt) demoduliert. Signale, die von dem Demodulator 36 ausgegeben werden, werden einem Servokompensator 38 eingegeben, der das gemessene Ratensignal
bereitstellt. Der Servokompensator weist vorzugsweise eine Verstärkung G(jω) auf, derart, dass G(jω)|_ω→0→∞ ist. Das gemessene Ratensignal
wird einer Rückkopplungsschleife 40 eingegeben, die einen Drehmoment-Remodulator 42 einschließt, der das Signal
mit cos(ω_Dt) moduliert. Signale, die von dem Drehmoment-Remodulator 42 ausgegeben werden, werden dann dem Sensor 34 eingegeben, um die Rückkopplungsschleife 40 abzuschließen.
Die in 2 dargestellte Einfangtechnik ist derjenigen der 1 hinsichtlich der Bildung von genauen Messungen des Rateneingangs Φ .(s) weit überlegen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Vorrichtung der 2 ähnlich zu derjenigen der 1 ist, außer dass die Demodulation innerhalb der Rückkopplungsschleife auftritt und die Rückkopplung ein remoduliertes Signal ist, das durch den Servokompensator 38 verarbeitet worden ist, der Signale, die dorthin eingegeben wurden, um G(s) verstärkt. Das System der 2 arbeitet durch vollständiges Unterdrücken sämtlicher relativen Bewegung der Nachweismasse des Sensors 34 von der Coriolis-Beschleunigung und durch Messen des Drehmoments, das benötigt wird, um dies zu tun.
Der Ausgang
, vor einer Remodulation, ist ein genaues Maß des Eingangs Φ .(s). Das Signal
ist im Wesentlichen unabhängig von den Verstärkungs- und Phasencharakteristiken der dynamischen Eigenschaften A(s) des Erfassungselements oder der Servokompensationsverstärkung G(s). Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Verstärkung G(s) sich unendlich annähert, wenn sich die Frequenz Null annähert, d.h. wenn die Servokompensation eine integrale Verstärkung einschließt. Im Grunde genommen wegen dieser unendlichen Verstärkung bringt das AC Rückkopplungssignal das Signal, das durch die Eingangsrate erzeugt wird, exakt auf Null, und das DC Signal
ist ein genaues Maß dieses AC Signals. Die Rateneingangsmessung ist grundlegend unbeeinflusst durch Änderungen in dem dynamischen Verhalten der dynamischen Erfassungseigenschaften A(s), der Servokompensation G(s) oder der Phasen- oder Verstärkungsverschiebungen durch den Demodulator 36. Es ist jedoch wichtig, dass das remodulierte Rückkopplungsdrehmoment proportional und in-Phase zu der Coriolis-Beschleunigungen ist, die gerade durch die Eingangsrate erzeugt wird.
Der Ausgang von der Einfangschleife muss für die Verstärkung und Phase der internen dynamischen Eigenschaften der Schleife unempfindlich sein, um eine gute Abweisung eines gemeinsamen Motors für irgendwelche linearen Vibrationseingänge in der Nähe der Frequenz der angesteuerten Oszillation bereitzustellen.
Wenn nur ein Sensor zum Erfassen der Winkelrate verwendet wird, gibt es keine Möglichkeit das Ratensignal von Signalen, die durch lineare Vibrationseingänge von der Umgebung bei oder in der Nähe der Ansteuerfrequenz erzeugt werden, zu unterscheiden. Deshalb sind die meisten Sensoren mit wenigstens zwei Sensoren konstruiert, die entgegengesetzt zueinander vibrieren, sodass deren Geschwindigkeitsvektoren zueinander 180° phasenverschoben sind. Wenn Winkelraten an einen derartigen Sensor angelegt werden, dann sind auch die ausgegebenen Coriolis-Signale zueinander phasenverschoben. Die Signale sind für lineare Vibrationseingänge in-Phase. Deshalb können die Winkelratensignale von Vibrationseingängen durch Summieren und Differenzieren der Signale unterschieden werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Fehler und Empfindlichkeiten der herkömmlichen Vorrichtung der 1 nicht zu der Einfangschleife gemäß der Ausführungsform der Erfindung, wie in 2 gezeigt ist, gehören. Die Ausgänge für jeden Sensor sind im Wesentlichen unabhängig von der Verstärkung und Phase des Sensors 34, des Demodulators 36 und des Servokompensators 38. Der Demodulator-Referenzeingang kann nominell jedoch eingestellt sein, um den Ausgang für typische dynamische Charakteristiken A(s) des Erfassungselements zu maximieren und die Stabilität, Bandbreite und das gesamte Betriebsverhalten der Einfangschleife zu optimieren.
3 zeigt die Einfangschleifen-Technik der 2 mit näheren Einzelheiten. Der Winkelrateneingang Φ .(s) und die Beschleunigung G_IN werden an ein Beschleunigungsmessgerät 200 angelegt. Das Beschleunigungsmessgerät ist vorzugsweise eine Einrichtung des Pendel-Typs, die funktionell durch die folgende Transferfunktion beschrieben werden kann:
Eine Signalaufnahmeeinrichtung 202 ist mit dem Sensor 200 verbunden. Der Sensor 200 kann ein Beschleunigungsmessgerät-Pendel einschließen, wie in dem technischen Gebiet altbekannt ist. Die Signalaufnahmeeinrichtung 202 erzeugt ein Aufnahmesignal, das den Pendelwinkel θ des Beschleunigungsgeräts anzeigt. Signale, die von der Aufnahmeeinrichtung 202 ausgegeben werden, werden einer Rateneinfangschleife 204 eingegeben. Signale, die von der Aufnahmeeinrichtung 202 ausgegeben werden, werden auch einer Beschleunigungs-Einfangschleife 206 eingegeben.
Die Rateneinfangschleife 204 umfasst ein Hochpassfilter 208, das mit dem Ausgang der Aufnahmeeinrichtung 202 verbunden ist. Nach einer Filterung durch das Hochpassfilter 208 wird das Aufnahmesignal einem ersten Demodulator 210 eingegeben, der das Aufnahmesignal mit cos(ω_Dt) demoduliert. Das Aufnahmesignal wird auch einem zweiten Demodulator 212 eingegeben, der das Aufnahmesignal mit sin(ω_Dt) demoduliert. Das Signal, das von dem Kosinus-Demodulator 210 ausgegeben wird, wird einem Kompensator 214 eingegeben, der eine Funktion H_c(s) auf Signale, die dort eingegeben werden, anwendet. Das Signal, das von dem Sinus-Demodulator 212 ausgegeben wird, wird ähnlich einem Kompensator 216 eingegeben, der eine Funktion H_s(s) anwendet.
Das Signal, das von dem Kompensator 214 ausgegeben wird, ist die Winkelraten-Messung
. Das Signal, das von dem Kompensator 214 ausgegeben wird, wird einem Kosinus-Remodulator 218 eingegeben, der das Signal
mit cos(ω_Dt) remoduliert. In ähnlicher Weise werden die Signale, die von dem Kompensator 216 ausgegeben werden, einem Sinus-Remodulator 220 eingegeben, der die Signale, die dort eingegeben werden, mit sin(ω_Dt) remoduliert.
Die remodulierten Signale, die von den Remodulatoren 218 und 220 ausgegeben werden, werden dann in einer Summationseinheit 222 kombiniert. Die Summe der remodulierten Signale wird invertiert und an eine Summationseinheit 223 als ein negatives Rückkopplungssignal eingegeben.
Die Verstärkung und die Phase der Aufnahmeeinrichtung 202 sind in der Rateneinfangschleife nicht wichtig, weil das Aufnahmesignal vollständig auf Null gebracht wird. Eine Demodulation und Remodulation kann durch digitale Multiplizierer, analoge Multiplizierer oder durch Schalt-Vollwellen-Demodulatoren erreicht werden. Eine volle Drehmomentrückkopplung bei der Zitterfrequenz unterdrückt vollständig die Pendelbewegung bei der Zitterfrequenz ω_D.
Die Beschleunigungseinfangschleife 206 umfasst einen Verstärker 224, der eine Verstärkung GH(s) auf das Signal anwendet, das von der Aufnahmeeinrichtung 202 ausgegeben wird. Das verstärkte Aufnahmesignal wird dann einem Kerbenfilter 230 eingeben, das Signale bei der Zitterfrequenz abweist (sperrt). Der Ausgang der Kerbenfilterschaltung 230 ist ein Signal Ĝ_m, das die gemessene Beschleunigung anzeigt. Das gemessene Beschleunigungssignal Ĝ_m wird invertiert und der Summationseinheit 223 eingegeben. Das Kerbenfilter 230 sperrt irgendeine Rückkopplung bei der Zitterfrequenz in der Beschleunigungsrückkopplungsschleife 206.
4 zeigt eine zweite Einfangschleife gemäß der Erfindung. Ein Sensor 54 empfängt ein Rateneingangssignal Φ .(s), das eine eingegebene Coriolis-Beschleunigung anzeigt. Der Ausgang des Sensors 54 wird einem Demodulator 56 eingegeben, der das Sensorausgangssignal mit einem Signal demoduliert, welches proportional zu cos(ω_Dt) ist, um das Ratenmesssignal
, zu erzeugen. Das Signal, das den Aufnahmewinkel von dem Sensor 54 anzeigt, wird einer Rückkopplungsschleife 57 eingegeben, die eine Servokompensationsschaltung 58 einschließt. Die Servokompensationsschaltung 58 erzeugt ein kompensiertes Messsignal an einer Kernfilterschaltung 59, die Signale bei der Zitterfrequenz abweist. Der Ausgang der Kerbenfilterschaltung wird dann dem Sensor 54 eingegeben, um das Rückkopplungssignal bereitzustellen.
4 zeigt eine Einrichtung, die eine geschlossene Schleife für die Beschleunigung und eine offene Schleife für die Rate betreibt. Die Ausführungsform der Erfindung der 4 erlaubt, dass die Nachweismasse vollständig frei von irgendeinem Rückkopplungssignal in der Servoschleife 57 bei der Ansteuerfrequenz ist, indem sämtliches Rückkopplungsdrehmoment bei der Ansteuerfrequenz vollständig herausgeschnitten wird. Die Bewegung der Nachweismasse ist dann ein direktes Maß der Rate, weil kein Rückkopplungsdrehmoment vorhanden ist, um die Antwort der Nachweismasse auf die Coriolis-Beschleunigung zu verändern. In diesem Fall reagiert die Nachweismasse in einem offenen Schleifenmodus, bei dem die Amplitude und Phase der Bewegung relativ zu dem Zitterantrieb gut definiert sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die Beschleunigungen niedriger Frequenz, die auf die Nachweismasse wirken, ebenfalls durch die Servoschleife 57 eingefangen werden.
5 zeigt zusätzliche Merkmale der Erfindung, wie in 4 gezeigt. Der Rateneingang Φ .(s) und die eingegebene Beschleunigung G_IN werden einem Beschleunigungsmessgerät 250 eingegeben, das funktional auch durch die voranstehend in Gleichung (1) angegebene Transferfunktion beschrieben werden kann. Das Beschleunigungsmessgerät 250 kann in dem Sensor 54 der 4 enthalten sein.
Das von dem Beschleunigungsmessgerät 250 ausgegebene Signal ist der Winkel θ, der einer Aufnahmeeinrichtung 252 eingegeben wird. Signale, die von der Aufnahmeeinrichtung 252 ausgegeben werden, werden einer Beschleunigungseinfangschleife 254 eingegeben, die einen Kompensator 256 und ein Kerbenfilter 260 einschließt, die ähnlich zu dem Kompensator 224 und dem Kerbenfilter 230 der 3 sein können. Der Ausgang der Kerbenfilterschaltung 230 ist ein Signal Ĝ_m, das die gemessene Beschleunigung anzeigt. Das gemessene Beschleunigungssignal Ĝ_m wird invertiert und dem Beschleunigungsmessgerät 250 als negatives Rückkopplungsdrehmoment eingegeben, um die Pendelbewegung auf Null zu bringen.
Der Ausgang der Aufnahmeeinrichtung 252 wird einem Hochpassfilter 262 eingegeben, das das Aufnahmesignal filtert und dieses dann einem Demodulator 264 eingibt. Der Demodulator 264 demoduliert das gefilterte Aufnahmesignal mit cos(ω_Dt), was die Ratenmessung
erzeugt.
In den Ausführungsformen der Erfindung, die in den 4 und 5 gezeigt sind, gibt es keine Drehmomentrückkopplung bei der Zitterfrequenz. Die Nachweismassen oder das Pendel ist vollständig frei, um nur auf die Coriolis-Kräfte anzusprechen. Deshalb sind die dynamischen Eigenschaften des Pendels im Hinblick auf die Verstärkungs- und Phasenantwort auf Coriolis-Beschleunigungen wichtig. Jedoch wird ein großer Teil der Schaltungsanordnung, die zum Implementieren der Ausführungsform der Erfindung benötigt wird, die in den 2 und 3 gezeigt ist, beseitigt, was eine signifikante Kostenreduktion bereitstellt. Der Beschleunigungseingang wird noch eine Niederfrequenz-Ratenschleife eingefangen, die ein Kerbenfilter aufweist. Das Kerbenfilter 260 weist Signale bei der Zitterfrequenz in der Rückkopplungsschleife 254 ab, um eine Verunreinigung des Rückkopplungssignals zu verhindern.
Die Einfangschleife der 2 arbeitet durch vollständiges Unterdrücken sämtlicher relativer Bewegung der Nachweismasse von der Coriolis-Beschleunigung und Messen des Drehmoments, welches benötigt wird, um dies zu tun. Die Einfangschleife der 4 erlaubt, dass die Nachweismasse vollständig frei ist, um auf die Coriolis-Beschleunigung anzusprechen, und misst deren relative Bewegung. Eine Kombination der zwei Bedingungen der 2 und 3 sollte nicht zusammen auftreten, weil dann weder die Drehmomentrückkopplung noch die Nachweismassen-Bewegung ein echtes Maß der Coriolis-Beschleunigung ist, die durch den Winkelrateneingang erzeugt wird.
Bezugnehmend auf 6 ist ein Blockdiagramm eines Mehrsensor-Aufbausystems 60 und einer zugehörigen Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung 62 gezeigt. Eine Zitteranordnung 61 ist angeordnet, um das Mehrsensor-Aufbausystem 60 mechanisch in eine Zitterbewegung zu versetzen. Die Zitteranordnung 61 umfasst einen zentralen Motor 64, einen äußeren Ring 66 und eine Vielzahl von Flügeln 70–72, die sich zwischen dem zentralen Rotor 64 und dem äußeren Ring 66 erstrecken. Der Flügel 70 weist ein Paar von piezoelektrischen Treibern 74 und 75 auf, die auf gegenüberliegenden Seiten davon angebracht sind. Ein Ansteuerstrom wird an die Treiber 74 und 75 mit Hilfe eines Zitteransteuerverstärkers 78 bereitgestellt, der über einen Digital-zu-Analog-Wandler 82 mit einem digitalen Signalprozessor 80 verbunden ist.
6 ist eine schematische Darstellung des Beschleunigungsmessgeräts 100 und des Zitteraufbaus 61. In der tatsächlichen Praxis umfasst der Mehrsensor-Aufbau 60 zwei Zitteranordnungen, die ähnlich wie die Zitteranordnung 61 ist, für jede Achse. Ein Beschleunigungsmessgerät ist an jedem der drei Flügel der zwei Zitteranordnungen angebracht, wie in dem U.S. Patent 5.065.627 offenbart, welches für Stewart et al. am 19. November 1991 erteilt wurde. Die zwei Zitteranordnungen sind auf einem gemeinsamen Rotor angebracht und werden 180° phasenverschoben in eine Zitterbewegung versetzt, wie in dem U.S. Patent mit der Nummer 5.065.627 offenbart.
Die Ansteuerströme an die zwei piezoelektrischen Treiber (Ansteuereinrichtungen) 74 und 75 weisen eine Phasenbeziehung auf, die bewirkt, dass sich eine der Ansteuereinheiten 74, 75 ausdehnt, während sich die andere zusammenzieht. Die Phasenbeziehung der Ansteuerströme an dem Flügel 70 verursacht eine Oszillationsbewegung des Flügels 70 in der Ebene des Papiers der 6 mit kleiner Amplitude. Die Flügel 71 und 72 weisen Paare von piezoelektrischen Ansteuereinheiten 86, 87 bzw. 88, 89 auf, die auch Ansteuerströme empfangen, die identisch zu den Ansteuerströmen sind, die an die Ansteuereinheiten 74 und 75 geliefert werden. Die Flügel 70–72 oszillieren somit in-Phase, wobei das Ergebnis eine Oszillations-Drehbewegung des Rings 66 um eine Achse durch die Zentrale Nabe 64 und senkrecht zu der Ebene des Papiers ist.
Ein Zitteraufnahmesensor 90, bei dem es sich um eine magnetische oder piezoelektrische Aufnahmeeinrichtung handeln kann, erzeugt elektrische Signale, die eine Winkeloszillation des Rings 66 anzeigen. Signale von dem Zitteraufnahmesensor 90 werden einem Verstärker 92 eingegeben. Signale, die von dem Verstärker 92 ausgegeben werden, werden einem Multiplexer 94 eingegeben, der mit dem digitalen Signalprozessor 80 über einen Analog-zu-Digital-Wandler 96 verbunden ist.
Der Mehrsensor-Aufbau 60 der 6 umfasst auch ein lineares Beschleunigungsmessgerät 100. Wie in 6 angedeutet umfasst der Mehrsensor-Aufbau 60 vorzugsweise fünf zusätzliche lineare Beschleunigungsmessgeräte (nicht gezeigt), die im Wesentlichen identisch zu dem linearen Beschleunigungsmessgerät 100 sind. Das lineare Beschleunigungsmessgerät 100 kann eine Pendeleinrichtung umfassen, die eine Nachweismasse 102 einschließt, die ein dielektrisches Material umfasst, welches zwischen zwei Platten 103, 104 eines Kondensators 105 aufgehängt ist. Die Kapazität des Kondensators 105 bezieht sich auf die Position der Nachweismasse relativ zu den Kondensatorplatten.
Signale, die die Position des Pendels anzeigen, werden einem Vorverstärker 110 eingegeben, der einen Ausgang aufweist, der mit einem Aufnahmedemodulator 112 verbunden ist. Signale, die von dem Aufnahmedemodulator 112 ausgegeben werden, werden einem Multiplexer 114 eingegeben, der mit dem digitalen Signalprozessor 80 über einen Analog-zu-Digital-Wandler 116 gekoppelt ist.
Die Kondensatorplatten empfangen elektrische Signale von einem Paar von Summationseinheiten 120 und 122, die über einen Digital-zu-Analog-Wandler 121 mit dem digitalen Signalprozessor 80 verbunden sind. Eine Aufnahmeerregungsschaltung 124 liefert Signale, die 180° phasenverschoben sind, an die Summationseinheiten 120 und 122, die die Signale von dem Digital-zu-Analog-Wandler 121 zu den Ausgängen der Aufnahmeerregungsschaltung 124 addieren.
7 zeigt einen Aufbau für den digitalen Signalprozessor 80. Der digitale Signalprozessor 80 stellt eine digitale Systemfrequenzsteuerung in einer Weise bereit, die eine hohe Genauigkeit, einen niedrigen Energieverbrauch und extrem geringe Kosten bereitstellt.
Der digitale Signalprozessor 80 empfängt ein Mastertaktsignal von dem Systemtakt 141. Dieser Takt stellt die Timingsequenz in einem Logikblock 151 ein, um die Funktionen auszuführen, die nachstehend beschrieben werden, und um Unterbrechungen an dem Systemprozessor 173, synchronisiert zu der Information, die über den Systemprozessorbus 175 bereitgestellt wird, zu erzeugen.
Der digitale Signalprozessor 80 synthetisiert Referenz-Sinus- und Kosinus-Wellenformausgänge 140 bzw. 142 unter Verwendung einer zyklischen Nachschlagtabelle 150. Ein Index von einem Frequenz- und Phasenanzeiger 143 verweist auf den gegenwärtigen Ort in der Nachschlagtabelle 150. Der Index wird bei jedem Aktualisierungsintervall (d.h. 1/8 einer Zitterperiode) inkrementiert, um die digitale Wellenform zu konstruieren. Diese Sinus- und Kosinus-Referenzwellenformen dienen als Genauigkeits-Phasenreferenzen für die verschiedenen Abschnitte der Controller-Schaltungsanordnung 80.
Ein Sinus-Modulator 152 multipliziert die digitalisierte Referenz-Kosinuswellenform mit der Kosinus-Amplitude. Der Systemprozessor 173 hat eine Steuerung über die Sinus- und Kosinus-Amplituden. Ein Sinus-Modulator 154 multipliziert die digitalisierte Referenz-Sinuswellenform mit der Sinus-Amplitude, die von dem Systemprozessor 175 empfangen wird. Die Ausgänge des Kosinus-Demodulators 152 und des Sinus-Demodulators 154 werden vektoriell durch eine Summationseinheit 156 kombiniert, um eine einzelne Wellenform mit einer spezifizierten Amplitude und Phase bereitzustellen, die dem Digital-zu-Analog-Wandler 82 eingegeben wird.
Der Ausgang des Digital-zu-Analog-Wandlers 82 ist die Zitteransteuerspannung, die an den geeigneten Satz von piezoelektrischen Bimorphen auf jedem Multisensor-Rotor 64 angelegt wird. Die piezoelektrischen Ansteuereinheiten 74–75, 86–87 und 88–89 dehnen sich alternierend aus und ziehen sich zusammen, wodurch eine Winkelbewegung auf jedem am Rotor angebrachten Beschleunigungsmessgerät-Cluster ausgeübt wird. Diese mechanische Anordnung stellt eine synthetisierte Erregungseinrichtung bereit, um die Zitterbewegung mit der Fähigkeit zu versehen die Amplitude, Phase und Frequenz zu steuern.
Für die Aufnahme-Erfassung erfasst der Aufnehmer 90 die Zitteramplitude des Rings 66 und übergibt diese Information zurück an den digitalen Signalprozessor 80 über den Multiplexer 94 und den Analog-zu-Digital-Wandler 96. Das Zitteraufnahmesignal wird durch einen Zitter-Kosinus-Demodulator 160 mit der Referenz-Kosinuswellenform demoduliert. Das Zitter-Aufnahmesignal wird auch durch einen Zitter-Sinus-Demodulator 162 mit der Referenz-Sinuswellenform demoduliert. Diese Demodulation wird durchgeführt, um die Amplitude und Phase der Zittergeschwindigkeit zu bestimmen. Die Ausgänge der Demodulatoren 160 und 162 werden durch Integratoren 164 bzw. 166 integriert. Die demodulierte und integrierte Information wird an den Systemprozessorbus 175 für eine Amplituden- und Frequenzsteuerung zugeführt.
Die Zitterwinkelgeschwindigkeit θ . relativ zu dem Drehmoment T, welches angelegt wird, wird folgendermaßen gegeben:
wobei ω₀ die Resonanzfrequenz in rad/s ist. Bei Resonanz sind θ . und T zueinander in Phase. Bei Frequenzen über der Resonanz läuft T vor θ . voran; und bei Frequenzen unter der Resonanz hängt T hinter θ . hinterher. Somit ist die Phasenbeziehung zwischen T und θ . eine Diskriminante für die Resonanzfrequenz.
Um die richtigen Signalbeziehungen zu erreichen wird die Drehmomentphase in der Weise einer geschlossenen Schleife eingestellt, um so eine Zitterwinkelfrequenz θ . zu erhalten, die vollständig in-Phase zu dem Kosinus-Wellenformausgang von der Tabelle 150 ist. Die Phase des Drehmomentantriebs wird dann beobachtet. Wenn eine signifikante Quadratur-(d.h. Sinus)-Komponente benötigt wird, dann wird die Frequenz um ein Inkrement (zum Beispiel 1 Hz) in Abhängigkeit von der Polarität des Quadratur-Demodulators nach oben oder nach unten gestuft. Dies stellt sicher, dass die Zitterfrequenz immer nahe zu der Resonanzfrequenz bleiben wird.
Die Summe der Quadrate der Signale, die von den Aufnahmedemodulatoren 160 und 162 ausgegeben werden, ist proportional zu der Zitterwinkelfrequenz. Die Zitterwinkelfrequenz wird auf einen spezifizierten Wert gesteuert, der den Winkelraten-Skalierungsfaktor der Mehrsensoreinrichtung einstellt. Eine Amplituden- und Phasensteuerung findet vorzugsweise bei einer 600 Hz Rate in dem Systemprozessor statt. Eine Frequenzsteuerung findet vorzugsweise bei einer 0,5 Hz Rate in dem Systemprozessor statt.
Um eine ausreichende Bandbreite zum Wiederherstellen des Beschleunigungsmessgeräts 100 sicherzustellen wird eine Hochfrequenz-Anregung (z.B. 250 kHz) an die Beschleunigungsmessgerät-Drehmomenteinrichtungen angelegt. Signale, die von dem Beschleunigungsmessgerät 100 aufgenommen werden, werden durch die Aufnahmedemodulatoren 112 demoduliert, um ein Signal hervorzubringen, welches proportional zu der Abweichung von Null ist. Jedes der Aufnahmesignale wird verstärkt und über den Multiplexer 114 an den A/D Wandler 116 bereitgestellt.
Jedes der sechs Beschleunigungsmessgerät-Aufnahmesignale wird durch den A/D Wandler 116 digitalisiert. Die Rate einer Digitalisierung ist vorzugsweise 19,2 kHz. Die digitalisierten Beschleunigungsmessgerät-Aufnahmesignale werden an den digitalen Signalprozessor 80 zur Eingabe an eine Aufnahmesignal-Verarbeitungsschaltung 165 bereitgestellt, die ein Paar von Rebalance-Pfade 169 und 171 einschließt. Der Rebalance-Pfad 169 ist ein In-Phase-Kanal, und der Rebalance-Pfad 171 ist ein Quadratur-Phasen-Kanal.
Der Rebalance-Pfad 190 ist ein Niederfrequenzkanal, der dem Effekt einer linearen Beschleunigung auf die Nachweismassen 102 entgegenwirkt. Die Rebalance-Pfade 169 und 171 sind Kanäle, die mit dem Zitterträgersignal arbeiten und die die Coriolis-Kräfte, die auf die Nachweismassen 102 wirken, auf Null bringen. Die Verwendung der digitalen Rückkopplungskanäle verhindert die Ansammlung von Fehlern als Folge von Offsets in analogen elektronischen Anordnungen und insbesondere beseitigt sie diese Fehler von dem Demodulationsprozess, der mit dem Winkelratensignal ausgeführt wird.
Noch bezugnehmend auf 7 werden in dem Quadraturkanal 171 Signale von dem Analog-zu-Digital-Wandler 116 einem Quadraturphasen-Demodulator 172 eingegeben, der sein Referenzsignal von dem Sinus-Generator 140 empfängt. Die Signale, die von dem Quadraturphasen-Demodulator 172 ausgegeben werden, werden einer Kompensatorschaltung 176 eingegeben und dann durch einen Integrator 178 integriert. Signale, die von dem Integrator 178 ausgegeben werden, werden dann einem Quadraturphasen-Remodulator 180 eingegeben, der ebenfalls sein Referenzsignal von dem Sinus-Generator 140 empfängt. Der Ausgang des Quadraturphasen-Remodulators 180 wird einer Arithmetiklogikeinheit (ALU) 182 eingegeben.
In dem In-Phase-Kanal 169 werden Signale von dem Analog-zu-Digital-Wandler 116 einem In-Phase-Demodulator 174 eingegeben, der sein Referenzsignal von dem Kosinus-Generator 142 empfängt. Signale von dem In-Phase-Demodulator 174 werden in einen Kompensator 184 geführt und dann durch einen Integrator 186 integriert. Der Signalausgang von dem Integrator 186 ist der Coriolis-Beschleunigungsausgang, der an den Systemprozessorbus 175 geliefert wird. Signale, die von dem Integrator 186 ausgegeben werden, werden auch einem In-Phase-Remodulator 188 eingegeben, der ebenfalls sein Referenzsignal von dem Kosinus-Generator 142 empfängt. Der Ausgang des In-Phase-Remodulators 188 ist mit der ALU 182 verbunden.
Signale, von dem Analog-zu-Digital-Wandler 116 werden auch einer Beschleunigungsschleife 190 eingegeben. Die Beschleunigungsschleife 190 umfasst ein digitales Kerbenfilter 192, welches mit dem digitalisierten Aufnahmesignal arbeitet, das von dem Analog-zu-Digital-Wandler 116 empfangen wird, um Signalkomponenten bei der Zitterfrequenz abzuweisen. Das sich ergebende gefilterte Signal wird durch einen digitalen Schleifenkompensator 200 verarbeitet und dann durch einen Integrator 202 integriert. Die Beschleunigungsschleife 190 weist eine integrale Verstärkung auf, um ein Beschleunigungsrückkopplungssignal bereitzustellen, welches von dem Integrator 202 ausgegeben und dem Systemprozessorbus 175 und der ALU 182 eingegeben wird. Die Signale, die von der ALU 182 ausgegeben werden, werden dem Digital-zu-Analog-Wandler 121 eingegeben, der ein Teil der Ansteuer-Schaltungsanordnung für die Beschleunigungsnessgeräte 100 ist.
Dieses Beschleunigungsrückkopplungssignal ist proportional zu der durchschnittlichen Beschleunigung (oder ΔV) über dem Aktualisierungs-Timerintervall von ungefähr 50μs. Die sechs Ausgänge dieser Art stellen die Beschleunigungen dar, die entlang der Eingangsachsen des Beschleunigungsmessgerätchips gemessen werden.
Die Coriolis-Beschleunigung, die proportional zu der Winkelrate ist, ist in-Phase zu der Zitterwinkelfrequenz. Jedoch könnte eine Kopplung der tangentialen Zitterbeschleunigung in die Beschleunigungsmessgeräte 100 hinein potentiell zu einer großen unerwünschten Quadraturkomponente bei der Zitterfrequenz führen. Wie voranstehend diskutiert müssen sowohl die Quadratur als auch die In-Phase-Komponenten auf Null gebracht werden, um Fehler als Folge von Aufnahme-Phasenverschiebungen zu vermeiden.
Der In-Phase-Remodulator 188 ist auf die Zitter-Aufnahme-Frequenz synchronisiert. Die Kombination des Kompensators 184, gefolgt von der Summationseinheit 186, weist eine integrale Verstärkung auf um ein Maß der Coriolis-Beschleunigung zuzuführen und die Amplitude für den In-Phase-Remodulator 188 einzustellen, der die Coriolis-Komponente auf Null ansteuert. Die Amplitude wird einmal in jedem Zitterzyklus aktualisiert, um eine ausreichende Schleifen-Bandbreite sicherzustellen. Diese Amplitude stellt die durchschnittliche Winkelrate über einem Zitterzyklus dar.
Der Quadraturkanal 171 enthält keine Information über die Coriolis-Beschleunigung, aber die Anwendung des demodulierten Quadratursignals stellt sicher, dass das Beschleunigungsmessgerät-Aufnahmesignal auf Null bleiben wird. Somit wird die Amplitude des Quadratur-Remodulators 180 ebenfalls einmal bei jedem Zitterzyklus aktualisiert. Die In-Phase-, Quadratur- und Niederfrequenz-Signalkomponenten von der Beschleunigungsschleife werden alle zusammen in der ALU 182 addiert. Der Ausgang der ALU 182 ist ein digitales Wort, das an den Digital-zu-Analog-Wandler 121 angelegt wird, der vorzugsweise ein D/A Wandler mit. hoher Genauigkeit des Typs, der in Compact-Disc-Playern verwendet wird, ist. Eine Umwandlung findet bei 20 kHz statt, um eine ausreichende Zeitauflösung für eine Neubildung der 2 kHz Zitter-Wellenform zu ermöglichen.
Der Ausgang des D/A Wandlers wird verwendet, um eine positive und negative Spannung unter Verwendung von linearen Verstärkern in invertierender Konfiguration zu erzeugen. Eine Aufnahmeerregung mit hoher Frequenz (typischerweise ungefähr 250 kHz) von dem Aufnahme-Erregungs-Generator 124 wird zu den positiven und negativen Signalpfaden addiert und subtrahiert. Die kombinierten Signale werden dann an die oberen und unteren Drehmomentplatten des Beschleunigungsmessgeräts angelegt. Die Verwendung einer differenziell angelegten Plattenspannung zusammen mit einer Spannung, die auf dem Pendel vorhanden ist, bewirkt, dass eine elektrostatische Kraft entwickelt wird, wobei die Kraft gelöscht wird, die von sowohl den linearen als auch den Coriolis-Beschleunigungs-Komponenten erzeugt wird, und wodurch eine Aufnahme bei Null beibehalten wird.
8 zeigt ein analoges System 300 zur Verarbeitung von Coriolis-Signalen, die durch eine Bewegung einer Nachweismasse 302 zwischen einem Paar von Kondensatorplatten 304 und 306 ausgegeben werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Nachweismasse 302 und die Kondensatorplatten 304 und 306 lediglich Beispiele eines Coriolis-Kraft-Sensors sind. In der tatsächlichen Praxis würde ein Sensoraufbau ähnlich zu demjenigen, der in dem U.S. Patent 5.065.627 offenbart ist, zur Umsetzung der Erfindung bevorzugt werden. Ein Kondensator 308 koppelt das Sensorausgangssignal an einen Verstärker 310. Eine Spannung V_bias wird an die Nachweismasse 302 über einen Widerstand 312 angelegt.
Das verstärkte Sensorausgangssignal geht durch einen Kondensator 314 an einen Aufnahme-Demodulator 316. Ein erstes Aufnahme-Erregungssignal wird an den Aufnahme-Demodulator 326 und an die Kondensatorplatte 304 über die Summationseinheit 329 angelegt. Ein zweites Aufnahme-Erregungssignal wird an die Kondensatorplatte 306 über die Summationseinheit 331 angelegt. Das zweite Aufnahme-Erregungssignal ist zu dem ersten Aufnahme-Erregungssignal 180° phasenverschoben. Die Aufrnahme-Erregungssignale weisen vorzugsweise eine Frequenz von 205 kHz auf.
Der Aufnahme-Demodulator 316 stellt Signale an einer Beschleunigungseinfangschleife 318 und an einer Winkelraten-Einfangschleife 320 bereit. Die Beschleunigungseinfangschleife 318 umfasst eine Servokompensationsschaltung 322, die ein Beschleunigungsausgangssignal erzeugt. Das Beschleunigungsausgangssignal wird einer Summationseinheit 324 eingegeben.
Die Winkelratenschleife 320 umfasst einen Sinus/Kosinus-Demodulator 326, der mit dem Aufnahme-Demodulator 316 verbunden ist, um den Signalausgang davon zu empfangen. Signale, die von dem Sinus/Kosinus-Demodulator 326 ausgeben werden, werden einer Schaltung 328 mit integraler Verstärkung eingegeben. Die Signale, die von der Schaltung 328 mit integraler Verstärkung ausgegeben wird, ist das Ratenausgangssignal. Das Ratenausgangssignal wird einer Sinus/Kosinus-Remodulatorschaltung 330 eingegeben. Ein Zitterreferenzsignal wird der Sinus/Kosinus-Remodulatorschaltung 330 und der Demodulatorschaltung 326 eingegeben.
Signale, die von der Sinus/Kosinus-Modulatorschaltung 330 ausgegeben werden, werden der Summationseinheit 324 eingegeben. Die Summationseinheit 324 addiert das Beschleunigungsausgangssignal und das modulierte Winkelratensignal und stellt ein Drehmomentrückkopplungssignal an einen Übergang 332 bereit, der mit den Summationseinheiten 329 und 331 verbunden ist. Die Summationseinheit 329 addiert das Drehmomentrückkopplungssignal 332 zu einem 0° Aufnahme-Erregungssignal und die Summationseinheit 331 subtrahiert das Rückkopplungssignal 332 von der 180° Aufnahme-Erregung.
9 illustriert ein digitales System zum Verarbeiten der Sensorausgangssignale. Wie in 6 gezeigt umfasst das vollständige Sensorsystem sechs Beschleunigungssensoren. Sechs Sensoren werden verwendet, um Signale zu erhalten, die die Winkelrate und die Beschleunigung für jede der drei zueinander senkrechten Achsen anzeigen.
Für die x-Achse erzeugt das Sensorsystem Signale X1 und X2. Diese Signale weisen Komponenten X_A1 und X_R1 bzw. X_A2 und X_R1 auf. Das Sensorsystem erzeugt ähnliche Signale für die y-Achse und die z-Achse für insgesamt zwölf Signale. Diese Signale ergeben sich aus 8, die eine Messung der Raten und Beschleunigungen darstellt. Für ein Dualrotor-Gegenzitterungs-System mit zwei Sätzen von Sensoren für jede Achse kann die entsprechende Rate und die Beschleunigungssignale 180° phasenverschoben in Zitterungen versetzt werden, um einen hohen Grad einer Gemeinschaftsmodus-Abweisung von linearen und winkelmäßigen Vibrationen hoher Frequenz zu erzielen. In einem digitalen Verarbeitungssystem tritt die gesamte Signalverarbeitung der Raten- und Beschleunigungssignale in dem Systemprozessor 384 auf, ohne dass zusätzliche Elektronik benötigt wird.
Die Signale X_A1 und X_A2 werden durch eine Summationseinheit 350 kombiniert, um ein Beschleunigungssignal X_A zu erzeugen. Die Signale Y_A1 und Y_A2 und die Signale Z_A1 und Z_A2 werden durch die Summationseinheiten 352 bzw. 354 kombiniert. Die Summationseinheiten 352 und 354 erzeugen jeweils Beschleunigungssignale Y_A und Z_A.
Die Signale X_R1 und X_R2 werden durch eine Summationseinheit 356 kombiniert, um ein Signal X_R zu erzeugen. Die Signale Y_R1 und Y_R2 und Z_R1 und Z_R2 werden in ähnlicher Weise durch Summationseinheiten 358 und 360 kombiniert, um jeweils Ratensignale Y_R und Z_R zu erzeugen.
Die Beschleunigungssignale X_A, Y_A und Z_A werden jeweils in Schaltern 364–366 eingegeben. Die Schalter 364–366 sind jeweils mit Abtast- und Halteschaltungen 370–372 verbunden. Die Ausgänge der Abtast- und Halteschaltungen 370–372 werden einem Multiplexer 374 eingegeben, der ein Ausgangssignal an einer Analog-zu-Digital-Schaltung 378 bereitstellt. Der Adressenbus 382 liefert ein geeignetes Steuersignal an den Multiplexer 374, um sequentiell den Kanal zu wählen, der umgewandelt werden soll. Die Analog-zu-Digital-Schaltung 378 stellt einen digitalen Signalausgang an einen digitalen Controller und dem Signalprozessor 384 bereit.
Die Drehungsratensignale X_R, Y_R und Z_R werden jeweils den Schaltern 390–392 eingegeben. Die Schalter 390–392 sind mit Abtast- und Halteschaltungen 394–396 jeweils verbunden. Die Ausgänge der Abtast- und Halteschaltungen 394–396 werden einem Multiplexer 400 eingegeben, der ein Ausgangssignal an einer Analog-zu-Digital-Schaltung 402 bereitstellt. Der Adressenbus 408 liefert das geeignete Steuersignal an den Multiplexer 400, um sequentiell die Kanäle zu wählen, die umgewandelt werden sollen. Die Analog-zu-Digital-Schaltung 402 stellt einen digitalen Signalausgang an den digitalen Controller und den Signalprozessor 384 bereit, der Daten zur Verwendung in dem System verarbeitet und ausgibt.

Claims

Vorrichtung zum Verarbeiten von Signalen, die von einem Sensor (200) ausgegeben werden, um eine Winkelrate zu messen, umfassend: eine Zittervorrichtung (61) zum Ansteuern des Sensors (200) mit einem oszillierenden Winkelgeschwindigkeitssignal, welches eine Frequenz ω_D aufweist; und einen Demodulator (210), der mit dem Sensor (200) verbunden ist, um davon ausgegebene Signale zu demodulieren, um ein Ratenausgangssignal
zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner umfasst: eine Rückkopplungsschleife (206), die zwischen den Sensorausgang und die Zittervorrichtung geschaltet ist, wobei die Rückkopplungsschleife (206) umfasst: einen Verstärker (224), der verschaltet ist, um Signale zu empfangen, die von dem Sensor (200) ausgegeben werden; und ein Kerbenfilter (230), das zwischen den Verstärker (224) und den Sensor (200) geschaltet ist, wobei das Kerbenfilter (230) angeordnet ist, um Signale der Zitterfrequenz ω_D abzuweisen, um zu bewirken, dass die Rückkopplungsschleife (206) kein Signal führt, welches ein Rückkopplungsdrehmoment in dem Sensor (200) bei der Zitterfrequenz erzeugen würde, so dass eine relative Bewegung des Sensors (200) ein direktes Maß der Winkelrate ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Hochpassfilter (208), welches verschaltet ist, um Signale zu empfangen, die von dem Sensor (200) ausgegeben werden; einen In-Phase-Signalverarbeitungskanal, der mit dem Hochpassfilter (208) verbunden ist, wobei der In-Phase-Signalverarbeitungskanal einschließt: einen Kosinus-Demodulator (210), der angeordnet ist, um Signale zu empfangen, die von dem Hochpassfilter (208) ausgegeben werden; eine erste Servo-Kompensationsschaltung (214), die mit dem Kosinus-Demodulator (210) verbunden ist, um ein Ratenmesssignal zu erzeugen; und einen Kosinus-Remodulator (218), der mit der ersten Servo-Kompensationsschaltung (214) verbunden ist; einen Quadratur-Phase-Signalverarbeitungskanal, der mit dem Hochpassfilter (208) verbunden ist, wobei der Quadratur-Phase-Signalverarbeitungskanal einschließt: einen Sinus-Demodulator (212), der angeordnet ist, um Signale zu empfangen, die von dem Hochpassfilter (208) ausgegeben werden; eine zweite Servo-Kompensationsschaltung (216), die mit dem Sinus-Demodulator (212) verbunden ist; und einen Sinus-Remodulator (220), der mit der Servo-Kompensationsschaltung verbunden ist; eine erste Summationseinheit (222), die mit dem Kosinus-Remodulator (218) und mit dem Sinus-Remodulator (220) verbunden ist; und eine zweite Summationseinheit (223), die zwischen die erste Summationseinheit (222) und das Kerbenfilter (230) geschaltet ist, wobei die zweite Summationseinheit (223) einen mit dem Sensor (200) verbundenen Ausgang aufweist, um an den Sensor (200) ein Rückkopplungssignal anzulegen, welches die Summe der Ausgangssignale ist, die von dem Kosinus-Remodulator (218), dem Sinus-Remodulator (220) und der Beschleunigungs-Rückkopplungsschleife (206) ausgegeben werden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, ferner mit einer Nachschlagtabelle (150), die angeordnet ist, um ein erstes Referenzsignal proportional zu cos(ω_Dt) an dem Kosinus-Demodulator (210) bereitzustellen und um ein zweites Referenzsignal proportional zu sinus(ω_Dt) an dem Sinus-Demodulator (212) bereitzustellen.