DE102008044664B4

DE102008044664B4 - Method for frequency control of an oscillator arrangement

Info

Publication number: DE102008044664B4
Application number: DE102008044664.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Günthner Stefan
Original assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2023-12-21
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: DE102008044664A1

Abstract

Verfahren zur Frequenzregelung einer Oszillatoranordnung, umfassend zumindest einen ersten (1) und einen zweiten (2) mechanischen Oszillator, welche bezüglich ihrer jeweiligen Schwingung miteinander gekoppelt sind, wobei der erste Oszillator (1) als Antriebsoszillator eines Drehratensensorelements und der zweite Oszillator (2) als Ausleseoszillator dieses Drehratensensorelements ausgebildet ist, und mindestens eine erste Reglereinheit (3), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schwingungskopplungsgröße (Δφ, A) bezüglich der Schwingungen des ersten (1) und zweiten (2) Oszillators erfasst wird und in Abhängigkeit dieser Schwingungskopplungsgröße die Schwingungsfrequenz zumindest eines der Oszillatoren (1, 2) durch die erste Reglereinheit (3) auf einen definierten Wert eingeregelt wird.Method for frequency control of an oscillator arrangement, comprising at least a first (1) and a second (2) mechanical oscillator, which are coupled to one another with regard to their respective oscillation, the first oscillator (1) acting as the drive oscillator of a rotation rate sensor element and the second oscillator (2) as Readout oscillator of this rotation rate sensor element is formed, and at least one first controller unit (3), characterized in that at least one oscillation coupling variable (Δφ, A) is detected with respect to the oscillations of the first (1) and second (2) oscillator and the oscillation frequency as a function of this oscillation coupling variable at least one of the oscillators (1, 2) is adjusted to a defined value by the first control unit (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzregelung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, eine Oszillatoranordnung gemäß Oberbegriff von Anspruch 8 sowie die Verwendung der Oszillatoranordnung in Kraftfahrzeugen.The invention relates to a method for frequency control according to the preamble of claim 1, an oscillator arrangement according to the preamble of claim 8 and the use of the oscillator arrangement in motor vehicles.

Die Druckschrift WO 2004/038331 A1 offenbart ein Verfahren zur Frequenzanpassung von zwei Oszillatoren eines Drehratensensors, bei welchem ein Rauschen bzw. ein Störsignal der Schwingung eines der Oszillatoren überlagert wird. Der Signal-Rausch-Abstand des Drehratensignals zum Störsignal wird üblicherweise größer, je geringer die Differenzfrequenz der beiden Schwingungsfrequenzen der zwei Oszillatoren ist. Das Verfahren umfasst eine Regelung der Schwingungsfrequenzen, bei welchem die Schwingungsfrequenzen aneinander angepasst werden, indem der Signal-Rausch-Abstand maximiert wird bzw. der Wert des Störsignals gegenüber dem Auslesesignal minimiert wird.The publication WO 2004/038331 A1 discloses a method for frequency adjustment of two oscillators of a rotation rate sensor, in which noise or an interference signal is superimposed on the oscillation of one of the oscillators. The signal-to-noise ratio of the rotation rate signal to the interference signal usually increases, the lower the difference frequency of the two oscillation frequencies of the two oscillators. The method includes a control of the oscillation frequencies, in which the oscillation frequencies are adapted to one another by maximizing the signal-to-noise ratio or minimizing the value of the interference signal compared to the readout signal.

Druckschrift DE 10 2004 026 972 A1 schlägt einen Drehratensensor mit Frequenznachführung vor, welcher eine Kompensationsschaltung aufweist, mit welcher die Schwingungsfrequenz des Ausleseoszillators der Schwingungsfrequenz des Antriebsoszillators in Abhängigkeit der Betriebsspannung des Drehratensensors angepasst wird.Printed publication DE 10 2004 026 972 A1 proposes a yaw rate sensor with frequency tracking, which has a compensation circuit with which the oscillation frequency of the readout oscillator is adapted to the oscillation frequency of the drive oscillator depending on the operating voltage of the yaw rate sensor.

Die DE 103 60 963 A1 zeigt einen Corioliskreisel mit zwei Resonatoren, wobei die Resonatoren mechanisch oder elektrostatisch so verbunden oder gekoppelt sind, dass beide Resonatoren entlang einer gemeinsamen Schwingungsachse gegentaktig zueinander in Schwingung versetzbar sind.The DE 103 60 963 A1 shows a Coriolis gyroscope with two resonators, the resonators being mechanically or electrostatically connected or coupled in such a way that both resonators can be set to oscillate in opposite clockwise relation to one another along a common oscillation axis.

In der US 6,064,169 A ist Ein Steuerungssystem für ein Stimmgabel-Gyroskop gezeigt, das die Motorfrequenz verwendet, um die Motoramplitude zu steuern. Ein Phasen-/Frequenzdetektor erzeugt ein Fehlersignal, indem er die tatsächliche Schwingungsphase des Ausgangssignals mit der Phase eines Referenzsignals eines quarzgesteuerten Frequenzsynthesizers vergleicht. Das Fehlersignal wird in einer Rückkopplungsschleife gefiltert, um die Welligkeit des Phasendetektors zu reduzieren. Der Ausgang des Schleifenreglers wird dann verwendet, um das geeignete Ansteuersignal zu bestimmen, um das Fehlersignal konstant zu treiben und eine vorgegebene Schwingungsfrequenz beizubehalten.In the US 6,064,169A A control system for a tuning fork gyroscope is shown that uses motor frequency to control motor amplitude. A phase/frequency detector generates an error signal by comparing the actual oscillation phase of the output signal with the phase of a reference signal from a crystal-controlled frequency synthesizer. The error signal is filtered in a feedback loop to reduce the ripple of the phase detector. The output of the loop controller is then used to determine the appropriate drive signal to drive the error signal constantly and maintain a predetermined oscillation frequency.

In der US 2007/0163346 A1 ist ein Verfahren zur Frequenzverschiebung von Rotationsschwingungen in MEMS-Bauelementen offenbart. Eine Anzahl von ungleichmäßig verteilten Löchern oder Öffnungen auf der Prüfmasse kann konfiguriert werden, um die Massenverteilung innerhalb der Prüfmasse zu ändern. Während des Betriebs ändert das Vorhandensein von Löchern oder Öffnungen die Frequenz, mit der sich die Prüfmasse in einem Rotationsmodus um eine Mittellinie dreht, wodurch das Einbringen von Oberschwingungen in die Antriebs- und Sensorsysteme reduziert wird.In the US 2007/0163346 A1 a method for frequency shifting of rotational vibrations in MEMS components is disclosed. A number of unevenly spaced holes or openings on the proof mass can be configured to change the mass distribution within the proof mass. During operation, the presence of holes or openings changes the frequency at which the proof mass rotates about a centerline in a rotational mode, thereby reducing the introduction of harmonics into the drive and sensing systems.

In der US 2006/0033588A1 ist ein resonantes mikroelektromechanisches System gezeigt, wobei eine Antriebsvorrichtung für eine frei schwingende Masse einen Differentialsensorverstärker, der erste Signale liefert, die eine Schwingungsgeschwindigkeit der Masse anzeigen, eine Betätigungs- und Steuerstufe, die zweite Signale zum Antrieb der Masse auf der Grundlage der ersten Signale liefert, eine Filterschaltung eines Hochpasstyps, die zwischen dem Differenzmessverstärker und der Betätigungs- und Steuerstufe geschaltet ist und einen Bandpass, der die Resonanzfrequenz umfasst, aufweist.In the US 2006/0033588A1 A resonant microelectromechanical system is shown, wherein a drive device for a freely vibrating mass, a differential sensor amplifier that provides first signals indicative of a vibration speed of the mass, an actuation and control stage that provides second signals for driving the mass based on the first signals , a filter circuit of a high-pass type connected between the differential measurement amplifier and the actuation and control stage and having a bandpass that includes the resonance frequency.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Frequenzregelung einer Oszillatoranordnung sowie eine Oszillatoranordnung mit mindestens zwei mechanischen Oszillatoren vorzuschlagen, bei welcher die Schwingungsfrequenz zumindest eines Oszillators in Abhängigkeit beziehungsweise in Relation zu der Schwingungsfrequenz des anderen Oszillators beeinflusst werden kann und der dazu nötige Aufwand relativ gering gehalten werden kann.The invention has set itself the task of proposing a method for frequency control of an oscillator arrangement and an oscillator arrangement with at least two mechanical oscillators, in which the oscillation frequency of at least one oscillator can be influenced depending on or in relation to the oscillation frequency of the other oscillator and the effort required for this can be kept relatively low.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch die Oszillatoranordnung gemäß Anspruch 8.This object is achieved according to the invention by the method according to claim 1 and by the oscillator arrangement according to claim 8.

Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, eine Frequenzregelung der Schwingung eines Oszillators zumindest in Abhängigkeit einer Schwingungskopplungsgröße, bezüglich der Schwingungen des ersten und zweiten Oszillators, zu ermöglichen.The invention is based on the idea of enabling frequency control of the oscillation of an oscillator at least as a function of a oscillation coupling variable with respect to the oscillations of the first and second oscillators.

Unter eine Schwingungskopplungsgröße wird vorzugsweise eine Größe verstanden, die ein Maß für die Kopplung der Schwingungen des ersten und zweiten Oszillators darstellt. Diese Schwingungskopplungsgröße bezieht sich dabei insbesondere auf zumindest eine Schwingungsgröße beider Oszillatoren.An oscillation coupling variable is preferably understood to be a variable that represents a measure of the coupling of the oscillations of the first and second oscillators. This oscillation coupling variable relates in particular to at least one oscillation variable of both oscillators.

Unter der Kopplung bzw. Querkopplung wird zweckmäßigerweise verstanden, dass in Abhängigkeit der Auslenkung des ersten Oszillators systembedingt der zweite Oszillator mit einer zur Auslenkung des ersten Oszillators im Wesentlichen proportionalen Kraft und/oder von dieser Auslenkung abhängigen Kraft ausgelenkt wird und umgekehrt.Coupling or cross-coupling is expediently understood to mean that, depending on the deflection of the first oscillator, the second oscillator is deflected with a force essentially proportional to the deflection of the first oscillator and/or a force dependent on this deflection and vice versa.

Der erste Oszillator ist als Antriebsoszillator eines Drehratensensorelements ausgebildet und der zweite Oszillator als Ausleseoszillator dieses Drehratensensorelements.The first oscillator is designed as a drive oscillator of a rotation rate sensor element and the second oscillator as a readout oscillator of this rotation rate sensor element.

Es ist zweckmäßig, dass der erste Oszillator angetrieben bzw. angeregt wird, insbesondere mittels eines Eigenfrequenzregelungsmoduls, wohingegen der zweite Oszillator nicht direkt angetrieben wird, sondern durch die Kopplung bzw. Querkopplung zur Schwingung veranlasst bzw. angeregt wird. Das zusätzliche Einwirken zur Frequenzregelung auf den zweiten Oszillator wird hierbei besonders bevorzugt nicht als Antrieb verstanden.It is expedient for the first oscillator to be driven or excited, in particular by means of a natural frequency control module, whereas the second oscillator is not driven directly, but is caused or excited to oscillate by the coupling or cross-coupling. The additional effect on the second oscillator for frequency control is particularly preferably not understood as a drive.

Unter einem Kopplungsmittel wird bevorzugt ein mechanisches und/oder elektrisches Mittel verstanden, welches auch eine Anordnung mehrerer Elemente umfassen kann. Insbesondere ist das Kopplungsmittel als mindestens eine gemeinsame seismische Masse des ersten und zweiten Oszillators und/oder als wenigstens ein Federelement bzw. Aufhängungsfederelement, welches die Schwingungen des ersten und zweiten Oszillators miteinander querkoppelt, ausgebildet. Die seismische Masse ist dabei bezüglich ihres Schwerpunkts besonders bevorzugt asymmetrisch zu mindestens einer der Schwingungsrichtungen ausgebildet, wodurch eine Querkopplung zwischen den Schwingungen der Oszillatoren erzeugt wird. Alternativ vorzugsweise oder zusätzlich umfasst das Kopplungsmittel Elektrodenelemente, welche einer seismischen Masse des ersten Oszillators und einer seismischen Masse des zweiten Oszillators, insbesondere separat, zugeordnet sind und welche mittels einer Kopplungsregelungseinheit so angesteuert werden, dass die Schwingungen des ersten und zweiten Oszillators miteinander gekoppelt sind. Dabei wird besonders bevorzugt die Auslenkung des ersten Oszillators erfasst und in Abhängigkeit dieser Auslenkung der zweite Oszillator mit einer Trimmkraft beaufschlagt, um eine definierte Kopplungsgüte einzustellen. Die Erfassung der Auslenkung und die Beaufschlagung mit der Trimmkraft werden ganz besonders bevorzugt durch Elektrodenelemente durchgeführt.A coupling means is preferably understood to mean a mechanical and/or electrical means, which can also include an arrangement of several elements. In particular, the coupling means is designed as at least one common seismic mass of the first and second oscillators and/or as at least one spring element or suspension spring element, which cross-couples the vibrations of the first and second oscillators to one another. The seismic mass is particularly preferably designed to be asymmetrical to at least one of the vibration directions with respect to its center of gravity, whereby a cross-coupling between the vibrations of the oscillators is generated. Alternatively, preferably or additionally, the coupling means comprises electrode elements which are assigned, in particular separately, to a seismic mass of the first oscillator and a seismic mass of the second oscillator and which are controlled by means of a coupling control unit in such a way that the oscillations of the first and second oscillators are coupled to one another. In this case, the deflection of the first oscillator is particularly preferably detected and, depending on this deflection, the second oscillator is subjected to a trimming force in order to set a defined coupling quality. The detection of the deflection and the application of the trimming force are particularly preferably carried out by electrode elements.

Der erste und der zweite Oszillator weisen bevorzugt mindestens eine gemeinsame seismische Masse auf.The first and second oscillators preferably have at least one common seismic mass.

Es ist bevorzugt, dass die Phase der jeweiligen Schwingung der Oszillatoren direkt oder indirekt erfasst wird.It is preferred that the phase of the respective oscillation of the oscillators is recorded directly or indirectly.

Vorzugsweise wird der relative Phasenversatz bezüglich der Schwingungen der Oszillatoren als direkte oder indirekte Schwingungskopplungsgröße auf einen definierten Wert mittels zumindest der ersten Reglereinheit eingeregelt. Der relative Phasenversatz ist dabei insbesondere die Regeldifferenz eines Regelkreises, welcher die Schwingungsfrequenz eines der Oszillatoren auf einen definierten Wert einregelt. Es wird also besonders bevorzugt die Schwingungsfrequenz eingeregelt, indem der relative Phasenversatz eingeregelt wird.Preferably, the relative phase offset with respect to the oscillations of the oscillators is regulated to a defined value as a direct or indirect oscillation coupling variable by means of at least the first control unit. The relative phase offset is in particular the control difference of a control loop, which adjusts the oscillation frequency of one of the oscillators to a defined value. The oscillation frequency is therefore particularly preferably adjusted by adjusting the relative phase offset.

Der erste Oszillator schwingt zweckmäßigerweise mit seiner Eigenfrequenz, wobei die Schwingungsfrequenz des zweiten Oszillators wenigstens in Abhängigkeit der direkt oder indirekt ermittelten Phase der Schwingung des ersten Oszillators auf einen definierten Wert eingeregelt wird. Insbesondere wird die Schwingung des ersten Oszillators wenigstens mittels einer Schwingungsgebereinheit im Wesentlichen auf dessen Eigenfrequenz eingeregelt, wobei die Schwingungsfrequenz des zweiten Oszillators zumindest in Abhängigkeit der Phase der Ausgangsschwingung der Schwingungsgebereinheit oder der eigentlichen
Phase der Schwingung des ersten Oszillators auf einen definierten Wert eingeregelt wird.The first oscillator expediently oscillates at its natural frequency, with the oscillation frequency of the second oscillator being adjusted to a defined value at least depending on the directly or indirectly determined phase of the oscillation of the first oscillator. In particular, the oscillation of the first oscillator is essentially regulated to its natural frequency at least by means of a oscillation transmitter unit, the oscillation frequency of the second oscillator being at least dependent on the phase of the output oscillation of the oscillation transmitter unit or the actual
Phase of the oscillation of the first oscillator is adjusted to a defined value.

Vorzugsweise wird die Schwingung des ersten Oszillators so eingeregelt, dass dieser mit im Wesentlichen konstanter Amplitude schwingt.Preferably, the oscillation of the first oscillator is regulated so that it oscillates with a substantially constant amplitude.

Es ist zweckmäßig, dass die Amplitude der Schwingung zumindest eines der Oszillatoren, insbesondere des zweiten Oszillators, als Schwingungskopplungsgröße direkt oder indirekt erfasst wird und die Schwingungsfrequenz eines der Oszillatoren oder beider Oszillatoren wenigstens in Abhängigkeit dieser Amplitude auf einen definierten Wert eingeregelt wird.It is expedient that the amplitude of the oscillation of at least one of the oscillators, in particular of the second oscillator, is recorded directly or indirectly as a oscillation coupling variable and the oscillation frequency of one of the oscillators or both oscillators is adjusted to a defined value at least as a function of this amplitude.

Die Schwingungsfrequenzen des ersten und des zweiten Oszillators werden dabei vorzugsweise aneinander angepasst bzw. die eine Schwingungsfrequenz an die andere bzw. die Schwingungsfrequenzen des ersten und zweiten Oszillators werden auf einen gemeinsamen Wert eingeregelt.The oscillation frequencies of the first and second oscillators are preferably adapted to one another or one oscillation frequency to the other or the oscillation frequencies of the first and second oscillators are adjusted to a common value.

Die Oszillatoranordnung wird weiterentwickelt, indem die Beobachtereinheit so ausgebildet und in die Oszillatoranordnung eingebunden ist, dass sie einen relativen Phasenversatz bezüglich der Schwingungen der Oszillatoren und/oder einen Amplitudenwert der Schwingung eines der Oszillatoren, insbesondere des zweiten Oszillators, als Schwingungskopplungsgröße direkt oder indirekt erfassen kann.The oscillator arrangement is further developed in that the observer unit is designed and integrated into the oscillator arrangement in such a way that it can directly or indirectly detect a relative phase offset with respect to the oscillations of the oscillators and/or an amplitude value of the oscillation of one of the oscillators, in particular the second oscillator, as a oscillation coupling variable .

Die Oszillatoranordnung umfasst bevorzugt ein Eigenfrequenzregelungsmodul mit wenigstens einer Schwingungsgebereinheit,
welches zumindest eine Schwingungsgröße, insbesondere die Phase und Amplitude, der Schwingung des ersten Oszillators erfasst und die Schwingungsfrequenz des ersten Oszillators im Wesentlichen auf dessen Eigenfrequenz, insbesondere bei konstanter Amplitude, einregelt, wobei die Oszillatoranordnung zusätzlich ein Differenzregelungsmodul aufweist, welches die erste Reglereinheit umfasst und welches in Abhängigkeit der wenigstens einen Schwingungskopplungsgröße und/oder zumindest einer Schwingungsgröße der Schwingung des zweiten Oszillators die Schwingungsfrequenz des ersten und/oder zweiten Oszillators auf einen definierten Wert einregelt. Diese Schwingungskopplungsgröße und diese Schwingungsgröße der Schwingung des zweiten Oszillators können dabei dieselbe Größe sein, besonders bevorzugt die Amplitude der Schwingung des zweiten Oszillators.The oscillator arrangement preferably comprises a natural frequency control module with at least one vibration transmitter unit,
which detects at least one oscillation quantity, in particular the phase and amplitude, of the oscillation of the first oscillator and adjusts the oscillation frequency of the first oscillator essentially to its natural frequency, in particular at a constant amplitude, the oscillator arrangement additionally having a differential control module, which comprises the first control unit and which regulates the oscillation frequency of the first and/or second oscillator to a defined value depending on the at least one oscillation coupling variable and/or at least one oscillation variable of the oscillation of the second oscillator. This oscillation coupling variable and this oscillation variable of the oscillation of the second oscillator can be the same size, particularly preferably the amplitude of the oscillation of the second oscillator.

Das Differenzfrequenzregelungsmodul ist zweckmäßigerweise so ausgebildet, dass es eine Anpassung der Schwingungsfrequenz des ersten und zweiten Oszillators durchführen kann.The differential frequency control module is expediently designed so that it can carry out an adjustment of the oscillation frequency of the first and second oscillators.

Der Vorteil der Erfindung liegt unter anderem darin, dass es nicht notwendig ist, beide Oszillatoren direkt anzuregen, um ihre Frequenzen anzupassen. Es reicht aus, lediglich einen Oszillator anzutreiben, der wiederum über die Kopplung bzw. Querkopplung den zweiten Oszillator anregt.The advantage of the invention is, among other things, that it is not necessary to directly excite both oscillators in order to adjust their frequencies. It is sufficient to simply drive one oscillator, which in turn excites the second oscillator via the coupling or cross-coupling.

Da bereits viele bekannte Drehratensensoren Aktorik aufweisen, um eventuelle unerwünschte Querkopplungen zu reduzieren, ist gleichzeitig die benötigte Aktorik zur Erzeugung von Trimmkräften und/oder Querkopplungssignalen bereits vorhanden. Ferner kann bei bestimmten Gyroskopprinzipien diese Aktorik auch simultan zur Verschiebung der Schwingungsfrequenz des zweiten Oszillators verwendet werden. Für einen störungsfreien Betrieb eines Gyroskops muss das durch die Querkopplung verursachte, so genannte Quadratursignal nicht vollständig unterdrückt, sondern lediglich auf eine bestimmte Größe reduziert werden.Since many known rotation rate sensors already have actuators in order to reduce any unwanted cross-couplings, the required actuators for generating trimming forces and/or cross-coupling signals are already present. Furthermore, with certain gyroscope principles, this actuator can also be used simultaneously to shift the oscillation frequency of the second oscillator. For a gyroscope to operate smoothly, the so-called quadrature signal caused by the cross-coupling does not have to be completely suppressed, but rather only reduced to a certain size.

Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung der Oszillatoranordnung in Kraftfahrzeugen, insbesondere als Drehratensensorelement.The invention also relates to the use of the oscillator arrangement in motor vehicles, in particular as a rotation rate sensor element.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Oszillatoranordnung sind bevorzugt zur Frequenzanpassung der jeweiligen Schwingung des Antriebsoszillators und des Ausleseoszillators eines Drehratensensorelements vorgesehen. Insbesondere ist dies für Drehratensensorelemente in Kraftfahrzeugen vorgesehen.The method according to the invention and the oscillator arrangement according to the invention are preferably provided for frequency adjustment of the respective oscillation of the drive oscillator and the readout oscillator of a rotation rate sensor element. This is particularly intended for rotation rate sensor elements in motor vehicles.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Beschreibungen von Ausführungsbeispielen an Hand von Figuren.Further preferred embodiments result from the subclaims and the following descriptions of exemplary embodiments using figures.

Es zeigen in schematischer Darstellung

1 eine beispielhafte Oszillatoranordnung als Drehratensensorelement,
2 den normierte Amplitudengang des über die Querkopplung angeregten zweiten Oszillators in beispielgemäßer Abhängigkeit des Frequenzunterschieds,
3 einen beispielhaften relativen Phasenversatz bezüglich der Schwingungen der Oszillatoren in Abhängigkeit des Frequenzunterschieds,
4 Amplitude und relativen Phasenversatz in Abhängigkeit der Differenzfrequenz in einem Beispieldiagramm, und
5 bis 8 verschiedene Ausführungsbeispiele von Oszillatoranordnungen, welche eine Frequenzanpassung der Schwingungen ihrer beiden Oszillatoren in Abhängigkeit jeweils einer Schwingungskopplungsgröße ermöglichen.

Show it in a schematic representation

1 an exemplary oscillator arrangement as a rotation rate sensor element,
2 the normalized amplitude response of the second oscillator excited via the cross-coupling depending on the frequency difference according to the example,
3 an exemplary relative phase offset with respect to the oscillations of the oscillators depending on the frequency difference,
4 Amplitude and relative phase offset depending on the difference frequency in an example diagram, and
5 until 8th various embodiments of oscillator arrangements, which enable frequency adjustment of the oscillations of their two oscillators depending on a respective oscillation coupling variable.

1 zeigt beispielhaft den ersten und zweiten Oszillator 1 und 2 einer Oszillatoranordnung, welche das Konzept eines Drehratensensorelements bzw. Gyroskops veranschaulicht. Diese beiden Oszillatoren 1 und 2 umfassen jeweils gemeinsame seismische Masse 11 und sind über diese miteinander gekoppelt. Erster Oszillator 1 umfasst dabei außerdem Federelemente 12 mit der jeweiligen Federkonstante k_d/2, an denen seismische Masse 11 als in x-Richtung auslenkbarer Antriebsoszillator des Gyroskops aufgehängt ist. Zweiter Oszillator 2 weist Federelemente 13 mit der jeweiligen Federkonstante k_s/2 auf, an welchen seismische Masse 11 in z-Richtung auslenkbar als Ausleseoszillator des Gyroskops aufgehängt ist. In gekoppelten Oszillatorsystemen treten üblicherweise Querkopplungen zwischen beiden Oszillatoren bzw. deren Schwingungen auf. Diese resultieren beispielsweise durch Herstellungsungenauigkeiten der Federelemente 12, 13, wobei diese Federelemente bei einer Auslenkung in eine Richtung x ebenfalls in eine andere Richtung z ausgelenkt werden. Dies erfolgt beispielsweise durch ein „Verkippen“ der Federelemente. Alternativ oder zusätzlich kann die Querkopplung auch künstlich hervorgerufen werden. Die Bewegungsgleichung für die gekoppelte, mit der Kraft F_x angeregte und viskos gedämpfte, beispielgemäße Oszillatoranordnung ergibt sich zu: $m (\begin{matrix} \ddot{x} (t) \\ \ddot{z} (t) \end{matrix}) + (\begin{matrix} b_{d} & 0 \\ 0 & b_{s} \end{matrix}) (\begin{matrix} \dot{x} (t) \\ \dot{z} (t) \end{matrix}) + (\begin{matrix} k_{d} & k_{c c} \\ k_{c c} & k_{s} \end{matrix}) (\begin{matrix} x (t) \\ z (t) \end{matrix}) = (\begin{matrix} F_{x} (t) \\ 0 \end{matrix})$

1 shows an example of the first and

second oscillators

1 and 2 of an oscillator arrangement, which illustrates the concept of a rotation rate sensor element or gyroscope. These two

oscillators

1 and 2 each include a common seismic mass 11 and are coupled to one another via this. First oscillator 1 also includes spring elements 12 with the respective spring constant k _d /2, on which seismic mass 11 is suspended as a drive oscillator of the gyroscope that can be deflected in the x direction. Second oscillator 2 has spring elements 13 with the respective spring constant k _s /2, on which seismic mass 11 is suspended so that it can be deflected in the z direction as a readout oscillator of the gyroscope. In coupled oscillator systems, cross-couplings usually occur between both oscillators or their oscillations. These result, for example, from manufacturing inaccuracies of the

spring elements

12, 13, with these spring elements also being deflected in another direction z when deflected in one direction x. This is done, for example, by “tilting” the spring elements. Alternatively or additionally, the cross-coupling can also be caused artificially. The equation of motion for the coupled oscillator arrangement according to the example, excited with the force F _x and viscous damped, results from:

m (\begin{matrix} \ddot{x} (t) \\ \ddot{e.g} (t) \end{matrix}) + (\begin{matrix} b_{d} & 0 \\ 0 & b_{s} \end{matrix}) (\begin{matrix} \dot{x} (t) \\ \dot{e.g} (t) \end{matrix}) + (\begin{matrix} k_{d} & k_{c c} \\ k_{c c} & k_{s} \end{matrix}) (\begin{matrix} x (t) \\ e.g (t) \end{matrix}) = (\begin{matrix} F_{x} (t) \\ 0 \end{matrix})

Dabei beschreiben x und z die Koordinaten der Auslenkung seismischer Masse m und k_d und k_s die Steifigkeiten bzw. Federkonstanten der Federelemente 12, 13. Die Federkonstante k_cc ist ein Maß für die Querkopplung bzw. die Kopplung der Schwingungen des ersten und zweiten Oszillators 1, 2. Die Stärke der Dämpfung ist durch die Konstanten b_d und b_s ausgedrückt.In this case, x and z describe the coordinates of the deflection of seismic mass m and k _d and k _s the stiffnesses or spring constants of the spring elements 12, 13. The spring constant k _cc is a measure of the cross coupling or the coupling of the oscillations of the first and second oscillators 1, 2. The strength of the damping is expressed by the constants b _d and b _s .

Die Eigenfrequenz ω̂_d des ersten Oszillators 1, dessen Auslenkungen in erster Linie in x-Richtung erfolgt, ergibt sich bei relativ geringen Querkopplungen (k_cc<< k_d) zu ${\hat{ω}}_{d} \approx \sqrt{\frac{k_{d}}{m}} .$

Außerdem wird erster Oszillator 1 durch eine periodische Kraft geregelt angetrieben, so dass er in seiner Eigenfrequenz ω̂_d mit einer konstanten Amplitude x̂₀ schwingt. Im eingeschwungenen, stabil geregelten Schwingungszustand des ersten Oszillators stellt sich aufgrund der Querkopplung durch Federelemente 12, 13 auch eine Schwingung des zweiten Oszillators ein.The natural frequency ω̂ _d of the first oscillator 1, whose deflections occur primarily in the x direction, results from relatively low cross-couplings (k _cc << k _d ).

{\hat{ω}}_{d} \approx \sqrt{\frac{k_{d}}{m}} .

In addition, the first oscillator 1 is driven in a controlled manner by a periodic force, so that it oscillates at its natural frequency ω̂ _d with a constant amplitude x̂ ₀ . In the steady state, stably controlled oscillation state of the first oscillator, an oscillation of the second oscillator also occurs due to the cross-coupling by

spring elements

12, 13.

Es gilt dann für die Auslenkung des zweiten Oszillators in z-Richtung der in den 2 und 3 dargestellte, beispielhafte Amplituden- und Phasengang, wobei Δf der
Frequenzunterschied zwischen der Eigenfrequenz ω̂_d des ersten Oszillators und der Schwingungsfrequenz des zweiten Oszillators ${\hat{ω}}_{s} \approx \sqrt{\frac{k_{s}}{m}}$

für k_cc<< k_s ist. In 2 ist dabei der normierte Amplitudengang der normierten Amplitude A des über die Querkopplung angeregten zweiten Oszillators in Abhängigkeit des Frequenzunterschieds Δf zwischen den Schwingungsfrequenzen des ersten und zweiten Oszillators aufgetragen. 3 zeigt hingegen den relativen Phasenversatz Δφ bezüglich der Schwingungen der Oszillatoren in Abhängigkeit des Frequenzunterschieds zwischen den Schwingungsfrequenzen des ersten und zweiten Oszillators.The following applies to the deflection of the second oscillator in the

z direction

2 and 3 shown, exemplary amplitude and phase response, where Δf is the
Frequency difference between the natural frequency ω̂ _d of the first oscillator and the oscillation frequency of the second oscillator

{\hat{ω}}_{s} \approx \sqrt{\frac{k_{s}}{m}}

for k _cc << k _s . In 2 the normalized amplitude response of the normalized amplitude A of the second oscillator excited via the cross coupling is plotted as a function of the frequency difference Δf between the oscillation frequencies of the first and second oscillators. 3 shows, however, the relative phase offset Δφ with respect to the oscillations of the oscillators depending on the frequency difference between the oscillation frequencies of the first and second oscillators.

Aus der Beobachtung des relativen Phasenversatzes Δφ oder der Amplitude der Schwingung des zweiten Oszillators bzw. des Ausleseoszillators lässt sich folglich die Größe des Frequenzunterschiedes Δf sowie dessen Vorzeichen ableiten. Der relative Phasenversatz Δφ sowie die Amplitude der Schwingung des zweiten Oszillators sind also jeweils eine Schwingungskopplungsgröße bzw. eine Querkopplungsgröße bezüglich der Schwingungen des ersten und zweiten Oszillators. Wird der erste Oszillator mit der Kraft F_x angetrieben, so gilt im Resonanzfall eine Phasenverschiebung von 90° zwischen der anregenden Kraft F_x und der Schwingung des Antriebsoszillators in x-Richtung, wie anhand der 4 veranschaulicht ist. Die indirekt bzw. über die Querkopplung angeregte Schwingung des zweiten Oszillators, welche gestrichelt dargestellt ist, erfolgt in z-Richtung. Dabei ist die Länge des jeweiligen gestrichelten Pfeils abhängig von der Amplitude der Schwingung des zweiten Oszillators und der Winkel zu F_x vom Wert und Vorzeichen des
Frequenzunterschiedes Δf zwischen den Schwingungsfrequenzen der beiden Oszillatoren.The magnitude of the frequency difference Δf and its sign can therefore be derived from the observation of the relative phase offset Δφ or the amplitude of the oscillation of the second oscillator or the readout oscillator. The relative phase offset Δφ and the amplitude of the oscillation of the second oscillator are therefore each an oscillation coupling variable or a cross-coupling variable with respect to the oscillations of the first and second oscillators. If the first oscillator is driven with the force F _x , in the case of resonance there is a phase shift of 90° between the exciting force F _x and the oscillation of the drive oscillator in the x direction, as shown in 4 is illustrated. The oscillation of the second oscillator, which is excited indirectly or via the cross-coupling and is shown in dashed lines, occurs in the z-direction. The length of the respective dashed arrow depends on the amplitude of the oscillation of the second oscillator and the angle to F _x depends on the value and sign of the
Frequency difference Δf between the oscillation frequencies of the two oscillators.

In 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer Oszillatoranordnung, umfassend ein Eigenfrequenzregelungsmodul 9 sowie ein Differenzfrequenzregelungsmodul 10, veranschaulicht, anhand welcher außerdem das Verfahren zu Frequenzregelung erläutert wird. Diese Oszillatoranordnung weist einen ersten und einen zweiten Oszillator 1, 2 auf, beispielsgemäß ein Antriebsoszillator und ein Ausleseoszillator eines Drehratensensorelements bzw. eines Gyroskops, welche bezüglich ihrer Schwingungen miteinander gekoppelt bzw. quergekoppelt sind. Eigenfrequenzregelungsmodul 9 regelt die Schwingungsfrequenz des erstens Oszillators 1 auf den Wert seiner Eigenfrequenz ω̂_d bei konstanter Amplitude der Schwingung ein. Hierzu werden Phase und Amplitude dieser Schwingung erfasst. Die erfasste Amplitude des ersten Oszillators wird einer Amplitudenreglereinheit AGC (amplitude gain control) zugeführt, die Phase einer Resonanzreglereinheit PLL (phase-locked loop), welche eine Schwingungsfrequenz erzeugt, die einer Schwingungsgebereinheit 4 zugeführt wird, und welche ein Phasensignal an die Resonanzreglereinheit PLL zurückführt. Die Schwingungsgebereinheit 4 erzeugt ein Anregeschwingungssignal, welches mit dem Ausgang der Amplitudenreglereinheit multipliziert als Anregungssignal einen Aktuator ansteuert, der den ersten Oszillator anregt.In 5 An exemplary embodiment of an oscillator arrangement, comprising a natural frequency control module 9 and a differential frequency control module 10, is illustrated, on the basis of which the method for frequency control is also explained. This oscillator arrangement has a first and a second oscillator 1, 2, for example a drive oscillator and a readout oscillator of a rotation rate sensor element or a gyroscope, which are coupled or cross-coupled to one another with regard to their oscillations. Natural frequency control module 9 regulates the oscillation frequency of the first oscillator 1 to the value of its natural frequency ω̂ _d with a constant amplitude of the oscillation. For this purpose, the phase and amplitude of this oscillation are recorded. The detected amplitude of the first oscillator is supplied to an amplitude control unit AGC (amplitude gain control), the phase to a resonance control unit PLL (phase-locked loop), which generates an oscillation frequency which is supplied to a vibration generator unit 4, and which returns a phase signal to the resonance control unit PLL . The vibration generator unit 4 generates an excitation vibration signal, which, multiplied by the output of the amplitude controller unit, controls an actuator as an excitation signal, which excites the first oscillator.

Zusätzlich erzeugt Schwingungsgebereinheit 4 ein Phasensignal φ_indirekt, welches die Information über die Phase der zur Eigenfrequenzregelung des ersten Oszillators genutzten Anregeschwingung aufweist und somit über die Eigenfrequenzregelung von der Phase der Schwingung des ersten Oszillators abhängt. Phasensignal φ_indirekt ist also ein indirektes Phasensignal der Schwingung des ersten Oszillators, welches im Fall, dass die Schwingungsfrequenz des ersten Oszillators exakt auf dessen Eigenfrequenz eingeregelt ist, um 90° zur Phase des Schwingungssignals des ersten Oszillators verschoben ist. Phasensignal φ_indirekt wird Beobachtereinheit 6 zugeführt, welche in erste Reglereinheit 3 des Differenzfrequenzregelungsmoduls 10 integriert ist. Beobachtereinheit 6 wird zusätzlich ein Phasensignal der Schwingung des zweiten Oszillators zugeführt. Beobachtereinheit 6 bildet aus diesen beiden Phasensignalen ein Differenzsignal bzw. ermittelt den relativen Phasenversatz Δφ bezüglich der Schwingungen der beiden Oszillatoren. Der relative Phasenversatz Δφ ist somit eine Schwingungskopplungsgröße bezüglich der Schwingungen des ersten und zweiten Oszillators. Diese Schwingungskopplungsgröße Δφ wird Aktuator 15 der ersten Reglereinheit 3 zugeführt, welche durch eine Trimmkraft auf zweiten Oszillator 2 einwirkt. Erste Reglereinheit 3 regelt also beispielgemäß die Schwingungsfrequenz des zweiten Oszillators auf die Schwingungsfrequenz ω̂_d des ersten Oszillators ein, indem ein indirekter Phasenabgleich dieser beiden Schwingungen durchgeführt wird, so dass sich beispielgemäß eine vom Vorzeichen der Querkopplung abhängige Phasendifferenz von 0° oder 180° einstellt. Die Anregung des ersten Oszillators geschieht dabei beispielgemäß in x-Richtung und die aus der Kopplung bzw. Querkopplung resultierende Kraft auf den zweiten Oszillator wirkt dabei in z-Richtung mit positiver oder alternativ negativer Orientierung, welche durch besagtes Vorzeichen der Querkopplung ausgedrückt wird.In addition, vibration generator unit 4 generates a phase signal φ _indirectly , which has the information about the phase of the excitation oscillation used for natural frequency control of the first oscillator and thus depends on the phase of the oscillation of the first oscillator via the natural frequency control. Phase signal φ _indirect is therefore an indirect phase signal of the oscillation of the first oscillator, which is shifted by 90 ° to the phase of the oscillation signal of the first oscillator in the case that the oscillation frequency of the first oscillator is adjusted exactly to its natural frequency. Phase signal φ is _indirectly supplied to observer unit 6, which is integrated into first controller unit 3 of differential frequency control module 10. Observer unit 6 is additionally supplied with a phase signal of the oscillation of the second oscillator. Observer unit 6 forms a difference signal from these two phase signals or determines the relative phase offset Δφ with respect to the oscillations of the two oscillators. The relative phase offset Δφ is therefore an oscillation coupling variable with respect to the oscillations of the first and second oscillators. This oscillation coupling variable Δφ is supplied to the actuator 15 of the first control unit 3, which acts on the second oscillator 2 through a trimming force. First control unit 3, for example, regulates the oscillation frequency of the second oscillator to the oscillation frequency ω̂ _d of the first oscillator by carrying out an indirect phase adjustment of these two oscillations, so that, for example, a phase difference of 0° or 180°, which is dependent on the sign of the cross-coupling, is established. The excitation of the first oscillator occurs, for example, in x-direction and the force resulting from the coupling or cross-coupling on the second oscillator acts in the z-direction with a positive or alternatively negative orientation, which is expressed by the said sign of the cross-coupling.

Die in 6 dargestellte beispielhafte Oszillatoranordnung unterscheidet sich von der in 5 dargestellten dadurch, dass ebenso die Phase der Schwingung des ersten Oszillators 1, wie die Phase der Schwingung des zweiten Oszillators 2, direkt der Beobachtereinheit 6 der ersten Reglereinheit 3 zugeführt wird. Beobachtereinheit bildet eine Phasendifferenz als relativen Phasenversatz bzw. als Schwingungskopplungsgröße, mit welcher die Schwingungsfrequenz des zweiten Oszillators an die Schwingungsfrequenz des ersten Oszillators angepasst wird. Erste Reglereinheit 3 regelt dabei die relative Phasendifferenz auf eine vom Vorzeichen der Querkopplung abhängige Phasendifferenz von 90° oder 270° ein.In the 6 The exemplary oscillator arrangement shown differs from that in 5 shown in that the phase of the oscillation of the first oscillator 1, as well as the phase of the oscillation of the second oscillator 2, is fed directly to the observer unit 6 of the first controller unit 3. Observer unit forms a phase difference as a relative phase offset or as an oscillation coupling variable, with which the oscillation frequency of the second oscillator is adapted to the oscillation frequency of the first oscillator. The first control unit 3 regulates the relative phase difference to a phase difference of 90° or 270°, which depends on the sign of the cross-coupling.

In 7 wird eine beispielhafte Oszillatoranordnung gezeigt, welche auf der in 5 gezeigten Oszillatoranordnung basiert, mit dem Unterschied, dass das Ausgangssignal der ersten Reglereinheit 3 in Form der Trimmkraft an ersten Oszillator 1 angreift und somit die Schwingungsfrequenz des ersten Oszillators 1 an die Eigenfrequenz des zweiten Oszillators anpasst, indem die natürliche Eigenfrequenz des ersten Oszillators, auf welche er mittels des Eigenfrequenzregelungsmoduls 9 eingeregelt wird, durch die Trimmkraft geändert wird.In 7 an exemplary oscillator arrangement is shown, which is shown on the in 5 oscillator arrangement shown is based, with the difference that the output signal of the first controller unit 3 acts on the first oscillator 1 in the form of the trimming force and thus adapts the oscillation frequency of the first oscillator 1 to the natural frequency of the second oscillator, by adjusting the natural natural frequency of the first oscillator to which it is regulated by means of the natural frequency control module 9, through which the trimming force is changed.

8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Oszillatoranordnung, welche zwei separate Frequenzregelkreise umfasst, von denen das Eigenfrequenzregelungsmodul 9, welches anhand der 5 beschrieben ist, die Schwingungsfrequenz des ersten Oszillators 1 auf dessen Eigenfrequenz einregelt und das Differenzfrequenzregelungsmodul 10 die Schwingungsfrequenz des zweiten Oszillators 2, dessen Schwingung durch Kopplungsmittel 14 mit der Schwingung des ersten Oszillators quergekoppelt ist, an die Schwingungsfrequenz des ersten Oszillators anpasst. Dabei wird die Amplitude der Schwingung des zweiten Oszillators erfasst und von Beobachtereinheit 7 als Schwingungskopplungsgröße bereitgestellt. Erste Reglereinheit 3 passt nun die Schwingungsfrequenz des zweiten Oszillators in Abhängigkeit dieser Amplitude an die Schwingungsfrequenz des erstens Oszillators an. 8th illustrates an exemplary embodiment of an oscillator arrangement, which includes two separate frequency control loops, of which the natural frequency control module 9, which is based on 5 is described, the oscillation frequency of the first oscillator 1 is adjusted to its natural frequency and the differential frequency control module 10 adapts the oscillation frequency of the second oscillator 2, whose oscillation is cross-coupled to the oscillation of the first oscillator by coupling means 14, to the oscillation frequency of the first oscillator. The amplitude of the oscillation of the second oscillator is recorded and provided by the observer unit 7 as a oscillation coupling variable. First control unit 3 now adapts the oscillation frequency of the second oscillator to the oscillation frequency of the first oscillator depending on this amplitude.

Claims

Method for frequency control of an oscillator arrangement, comprising at least a first (1) and a second (2) mechanical oscillator, which are coupled to one another with regard to their respective oscillation, the first oscillator (1) acting as the drive oscillator of a rotation rate sensor element and the second oscillator (2) as Readout oscillator of this rotation rate sensor element is formed, and at least one first controller unit (3), characterized in that at least one oscillation coupling variable (Δφ, A) is detected with respect to the oscillations of the first (1) and second (2) oscillator and the oscillation frequency as a function of this oscillation coupling variable at least one of the oscillators (1, 2) is adjusted to a defined value by the first control unit (3).

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the phase of the respective oscillation of the oscillators (1, 2) is recorded directly or indirectly.

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the relative phase offset (Δφ) with respect to the oscillations of the oscillators (1, 2) is regulated as a direct or indirect oscillation coupling variable to a defined value by means of at least the first control unit (3).

Procedure according to Claim 3 , characterized in that the first oscillator (1) oscillates essentially at its natural frequency (ω̂ _d ) and the oscillation frequency of the second oscillator (2) is set to a defined one at least depending on the directly or indirectly determined phase of the oscillation of the first oscillator (1). Value is adjusted.

Procedure according to Claim 3 or 4 , characterized in that the oscillation of the first oscillator (1) is regulated at least by means of a vibration transmitter unit (4) essentially to its natural frequency (ω̂ _d ) and the oscillation frequency of the second oscillator (2) at least as a function of the phase (φ _indirectly ) of the Output vibration of the vibration transmitter unit (4) is adjusted to a defined value.

Method according to at least one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the amplitude (A) of the oscillation of at least one of the oscillators (1, 2) is recorded directly or indirectly as a oscillation coupling variable and the oscillation frequency of this oscillator or both oscillators is adjusted to a defined value at least as a function of this amplitude.

Procedure according to Claim 4 , 5 or 6 , characterized in that the oscillation frequencies of the first and second oscillators (1, 2) are adapted to one another.

Oscillator arrangement, comprising at least a first (1) and a second (2) mechanical oscillator and at least a first control unit (3), the first (1) and the second (2) mechanical oscillator being controlled with respect to their respective oscillation by at least one first coupling means ( 11, 12, 13, 14) are coupled to one another, and wherein the first oscillator (1) is designed as a drive oscillator of a rotation rate sensor element and the second oscillator (2) is designed as a readout oscillator of this rotation rate sensor element, characterized in that the oscillator arrangement has at least one first observer unit (6 , 7), which directly or indirectly detects at least one oscillation coupling variable (Δφ, A) with respect to the oscillations of the first (1) and the second (2) oscillator and wherein the first control unit (3) determines the oscillation frequency of at least one of the oscillators (1, 2) adjusted to a defined value at least depending on the vibration coupling variable (Δφ, A), the oscillator arrangement being used to carry out a method according to one of Claims 1 until 7 is trained.

Oscillator arrangement according to Claim 8 , characterized in that the observer unit (6, 7) is designed and integrated into the oscillator arrangement in such a way that it has a relative phase offset (Δφ) with respect to the oscillations of the oscillators (1, 2) and / or an amplitude value (A) of the oscillation of a of the oscillator (1, 2) can be recorded directly or indirectly as a vibration coupling variable.

Oscillator arrangement according to Claim 8 or 9 , characterized in that it comprises a natural frequency control module (9) with at least one vibration transmitter unit (4), which detects at least one vibration quantity, in particular the phase and the amplitude, of the vibration of the first oscillator (1) and the vibration frequency of the first oscillator (1) essentially to its natural frequency (ω̂ _d ), in particular at a substantially constant amplitude, the oscillator arrangement additionally having a differential frequency control module (10), which includes the first control unit (3) and which depends on the at least one vibration coupling variable (Δφ, A ) adjusts the oscillation frequency of the first (1) and/or second (2) oscillator to a defined value.

Oscillator arrangement according to Claim 10 , characterized in that the differential frequency control module (10) is designed so that it can carry out an adjustment of the oscillation frequencies of the first (1) and second (2) oscillators.

Use of the oscillator arrangement according to at least one of the Claims 8 until 11 , especially as a rotation rate sensor element, in motor vehicles.