DE19726006A1

DE19726006A1 - Rotation sensor for motor vehicles, etc.

Info

Publication number: DE19726006A1
Application number: DE1997126006
Authority: DE
Inventors: Erich Dr Zabler; Georg Pfaff; Wolfgang Golderer; Jiri Dr Marek; Joerg Dr Wolf; Frank Dr Bantien; Johannes Artzner; Bernd Dr Maihoefer; Markus Lutz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-06-19
Filing date: 1997-06-19
Publication date: 1998-09-10

Abstract

The sensor has at least one oscillator (1), which is actuable in a first direction, and at least one acceleration sensor (2), which to measure acceleration in a second direction perpendicular to the first direction. A demodulator (5) is provided, which demodulates the signal of at least one acceleration sensor with the oscillation frequency, to obtain a signal for the rotation rate. A low-pass filter (7) with a frequency less than the oscillation frequency is provided, to obtain a signal from the acceleration sensor, so that a linear acceleration signal can be obtained. At least two oscillators with respectively at least one acceleration sensor may be provided, and the at least two oscillators are actuable to obtain opposite phases. Further facilities (8) may be provided, which subtract the signals of the acceleration sensors from each other, so that a differential signal obtained is led to the demodulator.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Drehratensensor bzw. einem Verfahren zur Auswertung eines Drehratensensors nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Aus der DE 195 30 746 A1 ist bereits ein Drehratensensor bekannt, der einen Schwinger aufweist, auf dem ein Beschleunigungssensor angeordnet ist. Der Schwinger kann dabei zu Schwingungen in einer ersten Achse angeregt werden, die eine vorgegebene Schwingungsfrequenz aufweisen. Der Beschleunigungssensor ist zur Messung von Beschleunigungen in einer zweiten Achse ausgebildet, wobei die zweite Achse senkrecht zur ersten Achse ist. Durch die mit der Schwingung des Schwingers verursachte Bewegung wirkt auf den Beschleunigungssensor eine Coriolis-Beschleunigung wenn der Drehratensensor um eine Achse gedreht wird, die nicht parallel zur ersten und zweiten Achse ist. Die so erzeugte Coriolis-Beschleunigung kann dann von dem Beschleunigungssensor nachgewiesen werden. Die Coriolis-Beschleunigung ist dabei mit der Schwingungsfrequenz des Schwingers moduliert. Aus einem derartigen modulierten Signal läßt sich durch Demodulation mit der Schwingungsfrequenz die Drehrate ermitteln. Dazu kann beispielsweise ein Synchrongleichrichter mit einem nachfolgenden Tiefpaß verwendet werden.The invention is based on a rotation rate sensor or a Method for evaluating a rotation rate sensor according to the Genre of the independent claim. From the DE 195 30 746 A1 a rotation rate sensor is already known, the one Has an oscillator on which an acceleration sensor is arranged. The vibrator can cause vibrations in a first axis can be excited, which is a predetermined Have oscillation frequency. The accelerometer is for measuring accelerations in a second axis formed, the second axis perpendicular to the first Axis is. With the vibration of the vibrator The movement caused affects the acceleration sensor a Coriolis acceleration when the yaw rate sensor turns around an axis is rotated that is not parallel to the first and second axis. The Coriolis acceleration generated in this way can then be detected by the acceleration sensor. The Coriolis acceleration is with the Vibration frequency of the vibrator modulated. From a Such a modulated signal can be demodulated determine the yaw rate with the vibration frequency. To can for example a synchronous rectifier with a subsequent low pass can be used.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Drehratensensor bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Auswertung eines Drehratensensors weist demgegenüber den Vorteil auf, daß aus dem Signal des Beschleunigungssensors zusätzlich noch die lineare Beschleunigung ermittelt werden kann, die auf den Drehratensensor wirkt. Es können so zusätzliche Informationen ermittelt werden, die beispielsweise bei der Anwendung des Drehratensensors in einem Kraftfahrzeug zusätzliche nützliche Informationen liefern können.The rotation rate sensor according to the invention or the Method according to the invention for evaluating a In contrast, yaw rate sensor has the advantage that from the signal from the acceleration sensor the linear acceleration that can be determined on the rotation rate sensor works. It can be additional Information is determined, for example at the Application of the rotation rate sensor in a motor vehicle can provide additional useful information.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Drehratensensors bzw. des Verfahrens zur Auswertung eines Drehratensensors möglich. Durch die Verwendung von zwei gegenphasig schwingenden Schwingern auf denen jeweils ein Beschleunigungssensor angeordnet ist, läßt sich durch Differenzbildung der Einfluß durch Linearbeschleunigung auf das Drehratensignal unterdrücken. In diesem Fall kann durch Addition der Signale die Empfindlichkeit zum Nachweis der Linearbeschleunigung erhöht werden. Besonders einfach sind die Auswertemittel zum Nachweis der Linearbeschleunigung als Tiefpaß ausgebildet, dessen Grenzfrequenz unterhalb (vorzugsweise unter einem Zehntel) der Schwingungsfrequenz liegt.By those listed in the dependent claims Measures are advantageous training and Improvements in the rotation rate sensor and the method for Evaluation of a rotation rate sensor possible. Through the Use of two oscillators oscillating in opposite phases which each have an acceleration sensor arranged the influence through Suppress linear acceleration on the rotation rate signal. In this case, by adding the signals Sensitivity to detect linear acceleration increased will. The evaluation means for the Detection of the linear acceleration is designed as a low-pass filter, whose cutoff frequency is below (preferably below one Tenth) of the oscillation frequency.

drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Drehratensensors, Fig. 2 die Auswertemittel zur Auswertung eines Drehratensensors mit einem Schwinger und Fig. 3 schematisch die Auswertemittel zur Auswertung eines Drehratensensors mit zwei Schwingern.Embodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. They show: Fig. 1 schematically the construction of a rotation rate sensor, Fig. 2, the evaluation means for evaluation of a rotation rate sensor having a vibrator and Fig. 3 schematically shows the evaluation means for evaluation of a rotation rate sensor having two vibrators.

description

In der Fig. 1 wird schematisch ein Drehratensensor dargestellt, der zwei Schwinger 1 aufweist, auf denen jeweils ein Beschleunigungssensor 2 angeordnet ist. Die Schwinger 1 sind durch Schwingfedern 3 an Aufhängungen 4 aufgehängt.In FIG. 1, a yaw rate sensor is shown schematically, comprising two vibrator 1 on which an acceleration sensor 2 is arranged in each case. The oscillators 1 are suspended by suspension springs 3 on suspensions 4 .

Die Darstellung in der Fig. 1 ist nur schematisch, die einzelnen Schwinger 1 und die darauf angeordneten Beschleunigungssensoren 2 sind derart ausgebildet, wie dies in der DE 195 30 736 A1 oder der DE 44 42 033 A1 beschrieben wird. Derartige Drehratensensoren weisen mindestens einen Schwinger auf, auf dem ein Beschleunigungssensor angeordnet ist. In der Fig. 1 werden schematisch zwei Schwinger 1 gezeigt, da derartige Drehratensensoren einen verbesserten Nachweis der Drehrate erlauben, wie dies zur Fig. 3 beschrieben wird. Es sind natürlich aber auch Drehratensensoren denkbar, die nur einen Schwinger 1 mit einem darauf angeordneten Beschleunigungssensor aufweisen.The illustration in FIG. 1 is only schematic, the individual oscillators 1 and the acceleration sensors 2 arranged thereon are designed in the manner described in DE 195 30 736 A1 or DE 44 42 033 A1. Such rotation rate sensors have at least one oscillator on which an acceleration sensor is arranged. In Fig. 1 two oscillator 1 are shown schematically, because such angular rate sensors allow improved detection of the rotation rate, as described for FIG. 3. Of course, rotation rate sensors are also conceivable which have only one oscillator 1 with an acceleration sensor arranged thereon.

Durch nicht dargestellte Anregungsmittel werden die Schwinger 1 zu Schwingungen in der Y-Achse angeregt. Die Schwingung erfolgt dabei mit einer Schwingungsfrequenz, die in der Regel durch die mechanische Eigenfrequenz des Federmassesystems aus Schwinger 1 und Schwingungsfedern 3 erfolgt. Die Schwinger 1 weisen somit in Y-Achse eine Geschwindigkeit auf, die mit einem Sinus moduliert ist. Bei einer Drehung des Systems wird nun in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und der Drehrate eine Coriolis-Beschleunigung erzeugt, deren Richtung senkrecht zur Y-Achse ist. Für die weitere Beschreibung wird davon ausgegangen, daß diese Beschleunigung in X-Richtung weist und daß die Beschleunigungssensoren 2 eine Beschleunigung in dieser Richtung messen. Die Beschleunigungssensoren weisen somit ein Meßsignal auf, daß von der Drehrate abhängt und mit der Schwingungsfrequenz moduliert ist. In den Fig. 2 und 3 werden die Auswertemittel gezeigt, mit denen diese Signale der Beschleunigungssensoren weiterverarbeitet werden.The vibrators 1 are excited to vibrate in the Y axis by excitation means, not shown. The oscillation takes place at an oscillation frequency, which is usually achieved by the mechanical natural frequency of the spring mass system consisting of oscillator 1 and oscillation springs 3 . The oscillators 1 thus have a speed in the Y axis which is modulated with a sine. When the system is rotated, a Coriolis acceleration is generated depending on the speed and the yaw rate, the direction of which is perpendicular to the Y axis. For the further description it is assumed that this acceleration points in the X direction and that the acceleration sensors 2 measure an acceleration in this direction. The acceleration sensors thus have a measurement signal that depends on the rate of rotation and is modulated with the oscillation frequency. In FIGS. 2 and 3, the evaluation means are shown by which these signals are further processed from the acceleration sensors.

In der Fig. 2 werden der Schwinger 1 und der Beschleunigungssensor 2 noch einmal schematisch dargestellt, um den Ursprung der Signale zu verdeutlichen, die von den dargestellten Signalverarbeitungsmitteln verarbeitet werden. Das Signal des Beschleunigungssensors 2, das die frequenzmodulierte Drehrate darstellt, wird einem Synchrongleichrichter zugeführt. Weiterhin wird im Synchrongleichrichter 5 ein Signal des Schwingers 1 zugeführt, wobei dieses Signal eine Information über die Schwingungsfrequenz des Schwingers 1 enthält. Durch diese Information wird die Gleichrichtung des Synchrongleichrichters synchronisiert und durch eine nachfolgende Filterung in einem Tiefpaß 6 werden höherfrequente Signalanteile des Ausgangssignals des Synchronbleichrichters 5 herausgefiltert. Weiterhin wird das Signal des Beschleunigungssensors 2 einem Tiefpaß 7 zugeführt. Durch die Tiefpaßfilterung wird ein Signal erzeugt, das der Linearbeschleunigung entspricht. Der Schwinger 1 schwingt typischerweise mit einer hohen Schwingungsfrequenz in der Größenordnung von einigen kHz, als Beispiel werden hier zwei kHz betrachtet. Das Signal der Drehrate ist somit mit einer Frequenz von zwei kHz moduliert, so daß das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors 2 einen Signalanteil in dieser Frequenz enthält, wobei dieses Signal das Drehratensignal enthält. Weiterhin enthält das Ausgangssignal des Beschleunigungssensors 2 noch eine Niederfrequenzenanteil (Größenordnung < 100 Hz), in dem die linearen Beschleunigungsanteile die auf dem Beschleunigungssensor 2 enthalten sind. Durch eine einfache Tiefpaßfilterung im Tiefpaß 7, der beispielsweise eine Grenzfrequenz von 100 Hz aufweist, kann so der lineare Beschleunigungsanteil von dem hochfrequenten Drehratenanteil des Signals getrennt werden. Ebenso kann durch die Demodulation mittels des Synchrongleichrichters 5 der niederfrequente Signalanteil, der ja auf die Linearbeschleunigungen zurückzuführen ist, unterdrückt werden.In FIG. 2, the vibrator 1 and the acceleration sensor 2 are shown again schematically in order to illustrate the origin of the signals which are processed by the signal processing means shown. The signal from the acceleration sensor 2 , which represents the frequency-modulated yaw rate, is fed to a synchronous rectifier. Furthermore, a signal of the vibrator 1 is fed in the synchronous rectifier 5 , this signal containing information about the oscillation frequency of the vibrator 1 . The rectification of the synchronous rectifier is synchronized by this information and subsequent filtering in a low-pass filter 6 filters out higher-frequency signal components of the output signal of the synchronous rectifier 5 . Furthermore, the signal of the acceleration sensor 2 is fed to a low-pass filter 7 . The low-pass filtering generates a signal that corresponds to the linear acceleration. The oscillator 1 typically oscillates with a high oscillation frequency of the order of a few kHz, two kHz being considered here as an example. The signal of the rotation rate is thus modulated at a frequency of two kHz, so that the output signal of the acceleration sensor 2 contains a signal component in this frequency, this signal containing the rotation rate signal. Furthermore, the output signal of the acceleration sensor 2 also contains a low-frequency component (order of magnitude <100 Hz) in which the linear acceleration components contained on the acceleration sensor 2 . The linear acceleration component can thus be separated from the high-frequency rotation rate component of the signal by a simple low-pass filtering in the low-pass filter 7 , which has a cut-off frequency of 100 Hz, for example. Likewise, the low-frequency signal component, which is attributable to the linear accelerations, can be suppressed by the demodulation by means of the synchronous rectifier 5 .

In der Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei dem davon ausgegangen wird, daß zwei Schwinger 1 vorgesehen sind, auf den jeweils ein Beschleunigungssensor 2 angeordnet ist. Die beiden Schwinger 1 und die Anregungsmittel der beiden Schwinger 1 sind jedoch so ausgestaltet, daß beide Schwinger 1 mit dergleichen Schwingungsfrequenz allerdings in Gegenphase zueinander Schwingen. Dies bedeutet, daß die Geschwindigkeitskomponenten der beiden Schwinger jeweils ein umgekehrtes Vorzeichen aufweisen. Für die Signale der Beschleunigungssensoren bedeutet dies, daß der Signalanteil der auf die Drehrate zurückzuführen ist, ebenfalls ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweist, während das Signal, das auf eine Linearbeschleunigung zurückzuführen ist, das gleiche Vorzeichen aufweist. In der Fig. 3 werden daher die Signale der Beschleunigungssensoren 2 zur Ermittlung der Drehrate zunächst in einem Summationspunkt 8 voneinander abgezogen, bevor sie dem Synchrongleichrichter 5 zugeführt werden. Durch diese Subtraktion wird das Absolutsignal einer Coriolisbeschleunigung, das dem Synchrongleichrichter 5 zugeführt wird, verdoppelt. Der Synchrongleichrichter 5 erhält weiterhin das Frequenzsignal der Schwinger, wobei beide Schwinger die gleiche Schwingungsfrequenz aufweisen. In FIG. 3, another embodiment of the invention is shown, it is assumed in the fact that two transducers 1 are provided, is arranged on the in each case an acceleration sensor 2. However, the two oscillators 1 and the excitation means of the two oscillators 1 are designed such that both oscillators 1 with the same oscillation frequency oscillate in opposite phase to one another. This means that the speed components of the two oscillators each have an opposite sign. For the signals from the acceleration sensors, this means that the signal component that is attributable to the yaw rate also has an opposite sign, while the signal that is attributable to a linear acceleration has the same sign. In FIG. 3, the signals of the acceleration sensors 2 for determining the rotation rate are therefore first subtracted from one another at a summation point 8 before they are fed to the synchronous rectifier 5 . This subtraction doubles the absolute Coriolis acceleration signal that is fed to the synchronous rectifier 5 . The synchronous rectifier 5 also receives the frequency signal of the oscillators, both oscillators having the same oscillation frequency.

Das Ausgangssignal des Synchrongleichrichters 5 wird dann durch den Tiefpaßfilter 6 noch gefiltert und am Ausgang des Tiefpaßfilters 6 liegt dann das Drehratensignal an. Zur Ermittlung der Linearbeschleunigung werden die Signale der Beschleunigungssensoren 2 in einem Summationspunkt 8 aufaddiert. Durch diese Addition werden die Signalanteile der Linearbeschleunigung verdoppelt. Die Signalanteile, die durch die Drehrate verursacht werden, werden durch diese Summation jedoch aufgrund ihrer entgegengesetzten Vorzeichen voneinander abgezogen, so daß das Ausgangssignal des Summationspunktes 8 nur noch den Signalanteil enthält, der auf Linearbeschleunigungen zurückzuführen ist. Durch eine einfache Tiefpaßfilterung im Tiefpaß 7 wird dann das Signal der Linearbeschleunigung gewonnen.The output signal of the synchronous rectifier 5 is then filtered by the low-pass filter 6 and the rotation rate signal is then present at the output of the low-pass filter 6 . To determine the linear acceleration, the signals from the acceleration sensors 2 are added up at a summation point 8 . This addition doubles the signal components of the linear acceleration. The signal components which are caused by the rotation rate are, however, subtracted from one another by this summation on the basis of their opposite signs, so that the output signal of the summation point 8 only contains the signal component which can be attributed to linear accelerations. The signal of the linear acceleration is then obtained by a simple low-pass filtering in the low-pass filter 7 .

Die beiden Auswertungsarten nach der Fig. 2 und nach der Fig. 3 unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Fehlertoleranz. Zusätzlich zu den Nutzsignalen der Drehrate und der Linearbeschleunigung enthalten die Signale der Beschleunigungssensoren noch Störsignale. Diese können durch mechanische Effekte bei der Schwingung der Schwinger 1 zurückzuführen sein. Weiterhin können auch durch Störeinstrahlung elektrische Störungen auftreten. Der Drehratensensor mit zwei Schwingern 1, wie er der Auswerteschaltung nach der Fig. 3 zugrundeliegt, unterdrückt derartige Störgrößen deutlich besser als der Drehratensensor, wie er eine Auswerteschaltung nach der Fig. 2 zugrundeliegt.The two types of evaluation according to FIG. 2 and according to FIG. 3 differ in terms of their fault tolerance. In addition to the useful signals of the yaw rate and the linear acceleration, the signals from the acceleration sensors also contain interference signals. These can be due to mechanical effects in the vibration of the vibrators 1 . Electrical interference can also occur due to interference. The rotation rate sensor with two oscillators 1 , as it is based on the evaluation circuit according to FIG. 3, suppresses such disturbance variables much better than the rotation rate sensor as it is based on an evaluation circuit according to FIG. 2.

Claims

1. Rotation rate sensor with at least one oscillator ( 1 ) and at least one acceleration sensor ( 2 ) arranged on the oscillator ( 1 ), the at least one oscillator ( 1 ) being able to be excited to oscillate at an oscillation frequency in a first axis, and the at least one acceleration sensor ( 2 ) is designed to measure accelerations in a second axis which is perpendicular to the first axis, a demodulator ( 5 ) being provided which demodulates a signal of the at least one acceleration sensor with the oscillation frequency in order to obtain a signal of the rotation rate, characterized in that additional evaluation means ( 7 ) are provided in order to obtain from the signal of the at least one acceleration sensor ( 2 ) a signal which is a measure of a linear acceleration in the second axis.

2. Yaw rate sensor according to claim 1, characterized in that at least two oscillators ( 1 ), each with at least one acceleration sensor ( 2 ) are provided, that the at least two oscillators ( 1 ) can be excited to phase oscillations, and that means ( 8 ) are provided , which subtract the signals of the acceleration sensors ( 2 ) from each other and forward a difference signal thus obtained to the demodulator ( 5 ).

3. rotation rate sensor according to claim 2, characterized in that means ( 8 ) are provided which add the signals of the acceleration sensors and forward the sum signal thus obtained to the additional evaluation means ( 7 ).

4. rotation rate sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the additional evaluation means ( 7 ) are designed as a low-pass filter with a cut-off frequency below the oscillation frequency, preferably less than a tenth of the oscillation frequency.

5. Method for evaluating the signal of a rotation rate sensor with at least one oscillator ( 1 ) and at least one acceleration sensor ( 2 ) arranged on the oscillator ( 1 ), the at least one oscillator ( 1 ) being excited to oscillate at an oscillation frequency with a first axis and with the at least one acceleration sensor ( 2 ) an acceleration is measured in a second axis, the second axis being arranged perpendicular to the first axis, the measurement signal of the at least one acceleration sensor ( 1 ) being demodulated with the oscillation frequency by a signal of a rotation rate to obtain, characterized in that a linear acceleration in the second axis is measured by the additional effect of the signal of the at least one acceleration sensor.

6. The method according to claim 5, characterized in that at least two oscillators ( 1 ) each with at least one acceleration sensor ( 2 ) are provided, that the at least two oscillators ( 1 ) are excited to phase oscillations, and that the signals of the acceleration sensors ( 2 ) are subtracted from each other and a difference signal obtained in this way is demodulated.

7. The method according to claim 6, characterized in that the signals from the acceleration sensors are added and the sum signal thus obtained for measuring a linear Acceleration is processed.

8. The method according to claim 5 to 7, characterized in that the measurement of linear acceleration by Low pass filtering with a cutoff frequency below the Vibration frequency, preferably less than one Tenth of the oscillation frequency takes place.