DE69802825T2 - Digitales steuersystem für vibrationsstrukturkreisel - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein digitales Steuersystem für ein Vibrationsstruktur- Gyroskop der Bauart mit einer Vibrationsstruktur mit einem Primärantrieb und einem Sekundärantrieb, um die Vibrationsstruktur in Vibrationsresonanz zu überführen und darin zu halten und mit primären und sekundären Abgreifmitteln, um die Vibration der Vibrationsstruktur zu erkennen.
• Bekannte Vibrationsstruktur-Gyroskope benutzen eine Mehrzahl unterschiedlicher mechanischer Vibrationsstrukturen. Diese weisen Stäbe, Stimmgabeln, Zylinder, halbkugelförmige Schalen und Ringe auf. Ein gemeinsames Merkmal all dieser bekannten Systeme besteht darin, daß sie zur Aufrechterhaltung eine Resonanzträger-Betriebsart-Schwingung mit einer Eigenfrequenz erfordern, die durch den mechanischen Vibrationsaufbau bestimmt wird. Dies ergibt die lineare Bewegungsgröße, die eine Coriolis-Kraft erzeugt, wenn das Gyroskop um die jeweilige Achse gedreht wird. Es werden verschiedene herkömmliche Systeme benutzt, um die Coriolis-Kraft zu messen, und diese Systeme hängen von dem jeweiligen Aufbau des Gyroskops ab.
• In Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung ist ein typisches konventionelles Analog- Regelsystem für einen schalenartigen Vibrationsaufbau 3 gezeigt. Das System besteht aus zwei unabhängigen Schleifen, nämlich einer Primärschleife 1 bzw. einer Erregerschleife 1 zwischen primären Abgreifmitteln 2 die als Bewegungsdetektor- Ausgang vom Vibrationsausgang wirken und einem Primärantrieb 4, der als Zwangseingang wirkt und eine Vibration in der Struktur 3 erzeugt. Eine Sekundärschleife oder eine Dämpfungsschleife 5 ist zwischen den sekundären Abgreifmitteln 6 und einem Sekundärantrieb 7 angeordnet. Die Primärschleife 1 ist erforderlich, um die Vibrationsstruktur 3 mit ihrer Resonanzfrequenz zu erregen, die als eine 90º-Phase zwischen dem Primärabgriff 2 definiert ist und um die Amplitude des resultierenden Signals am Primärabgriff 2 zu steuern, die tatsächlich die Amplitude der resultierenden Vibration ist. Im typischen Fall wird der Phasendetektor 8 benutzt, um die 90º-Phasenbeziehung zu bestimmen, und ein Amplitudendetektor 9 mit einem Bezugswert 10 wird benutzt, um die erforderliche Amplitude des Primärabgriffs einzustellen. Die Sekundärschleife 5 ist in einer typischen Zwangsrückführungs-Konfiguration dargestellt, um eine Dämpfung für das hohe Q- Ratenansprechen zu liefern, damit die erforderliche Systemdurchführung erreicht wird.
• Das Regelsystem gemäß Fig. 1 ist konventionell ein analoges System, und es beruht über den größten Teil seiner Funktion auf der Fähigkeit, genau die Resonanzfrequenz der mechanischen Vibrationsstruktur mit hohem Q-Wert nachzuführen und durch die relative Phase zwischen erwünschten und unerwünschten oder Fehlersignalen zu unterscheiden.
• Praktische Sensoren arbeiten mit Frequenzen im Bereich zwischen 5 kHz bis 20 kHz mit Q-Faktoren im Bereich zwischen 2000 und 20000. Hierdurch ergeben sich schwerwiegende Beschränkungen bezüglich der Phasengenauigkeit der elektronischen Steuersysteme, die benutzt werden, um diese Gyroskope zu betreiben. Bei diesen Systemen kann ein Phasenfehler von 0,5 Grad zu großen Vorspannungsfehlern führen, und infolgedessen kann die erforderliche Spezifikation nicht erreicht werden.
• Üblicherweise werden die Steuerschleifen für diese Sensoren unter Benutzung präziser analoger elektronischer Schaltungen ausgelegt, die außerordentlich schwierig zu berechnen, auszulegen und in kleinen kostengünstigen Systemen (d. h. ASICS) zu integrieren sind. Es ist auch schwierig, Eichungen und Kompensationen bei Systemen vorzunehmen, die auf analogen Schaltungen beruhen. Außerdem erfordern moderne Systeme, daß die Sensorausgänge im digitalen Format verfügbar sind um die Systemintegration zu vereinfachen und um weitere Kompensationen zur Verbesserung der Arbeitsweise vorzunehmen.
• Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 enthält die Primärschleife 1 außerdem ein Filter 11, einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 12, eine Verstärkersteuerung 13 und einen Verstärker 14. Die Sekundärschleife 5 weist einen Verstärker 18, ein Filter 15 und einen Demodulator 16 auf, von dem ein Gleichstrom-Ausgangssignal 17 abgenommen wird, das proportional zu der angelegten Winkelrate ist.
• Es besteht daher ein Bedarf nach einer digitalen elektronischen Verwirklichung der Schleifen 1 und 5, um eine Anpassung an das ASIC-System zu ermöglichen und eine Möglichkeit einer besseren Durchführung zu schaffen, indem eine komplexere Kompensation "in der Schleife" durchgeführt werden kann. Leider ist bei einem Signal von 20 kHz eine 0,5-Grad-Phasenauflösung äquivalent einer Abtastverzögerung von 70 Nanosekunden. Dies stellt sehr hohe Anforderungen an irgendeine herkömmliche Präzisionsdigitalisierung und an ein Verarbeitungssystem, das erforderlich ist, um eine Auflösung bei der gewünschten Genauigkeit zu erzielen.
• In Fig. 2 ist ein herkömmliches Abtastdatensystem ähnlich dem aus der US-A- 5 444 639 bekannten System dargestellt, welches eine digitale Verarbeitung benutzt. Das herkömmliche System gemäß Fig. 2 benutzt Analog-Digital-Wandler 19 zum Abtasten und zur Umwandlung der Ausgangssignale jeweils von dem Primärabgriff 2 und dem Sekundärabgriff 6. Außerdem sind Digital-Analog-Wandler 20 vorgesehen, wobei die Wandler 19 und 20 auf einen festen Frequenz-Kristall- Oszillator 21 synchronisiert sind. Der Oszillator 21 arbeitet bei einer sehr hohen Frequenz (14 Mhz), und die Vibrationsstruktur 3 des Gyroskops arbeitet bei einer sehr viel niedrigeren Frequenz (20 kHz). Die Ausgänge von dem Primärabgriff 2 und dem Sekundärabgriff 6 werden durch den Digitalwandler 19 bei einer sehr hohen Frequenz digitalisiert und dann dem Eingang 22a der digitalen Verarbeitungseinheit 22 zugeführt, um eine quantisierte Repräsentation der analogen Ausgangswellenform zu erzeugen. Dies erfordert im typischen Fall eine 70 Nanosekunden- (14 MHZ) Abtast/Konversionsrate für jeden Kanal, einfach um eine 0,5-Grad-Auflösung zu quantisieren. Es wäre ein erheblicher zusätzlicher Verarbeitungsaufwand erforderlich, um die Phasen genügend aufzulösen, um eine Durchführung zu ermöglichen. Dies wäre schwierig und kostspielig zu verwirlichen, um die erforderliche Amplitudenauflösung zu erhalten, die im typischen Fall nur 12 Bits ist, um 1 Grad/Sekunde aufzulösen. Bei dem herkömmlichen System gemäß Fig. 2 wird vom Oszillator 21 ein Taktsignal an die Einheit 22 bei 22b geliefert und ein Datenausgangssignal bei 22c und ein digitales Ratenausgangssignal bei 22d.
• Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem digitalen Steuersystem, das keine sehr hohen Abtastraten erfordert und daher als Steuersystem für ein Vibrationsstruktur- Gyroskop geeignet ist.
• Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist ein digitales Steuersystem für ein Vibrationsstruktur-Gyroskop vorgesehen, das eine Vibrationsstruktur, einen Primärantrieb, welcher die Vibrationsstruktur in Vibrationsresonanz überführt und in dieser hält und einen Primärabgriff aufweist, um die Vibration der Vibrationsstruktur zu erkennen, wobei das System eine digitale Verarbeitungseinheit aufweist, um Ausgangssignale vom dem Primärabgriff zu empfangen, um die empfangenen Signale zu verarbeiten und um diese Signale nach dem Primärantrieb über Digital- Analog-Wandler zu überführen, und wobei Mittel vorgesehen sind, um zu vorgewählten Zeitintervallen die Ausgangssignale abzutasten, bevor diese nach der digitalen Verarbeitungseinheit gelangen, und wobei ein Frequenzoszillator variabler Frequenz mit der digitalen Verarbeitungseinheit verbunden ist und unter der Steuerung dieser digitalen Verarbeitungseinheit die Abtastintervalle der Abtasteinrichtung steuert.
• Vorzugsweise umfaßt das digitale Steuersystem einen Sekundärantrieb, um die Vibrationsstruktur in Vibrationsresonanz zu überführen und darin zu halten, und einen zweiten Abgriff zum Erkennen der Vibration der Vibrationsstruktur.
• Zweckmäßigerweise bewirkt die digitale Verarbeitungseinheit eine Einstellung der Frequenz des Frequenzoszillators variabler Frequenz, damit dieser Oszillator mehrere der Resonanzfrequenzen der Vibrationsstruktur einstellt, basierend auf den Ausgangssignalen, die von der digitalen Verarbeitungseinheit von dem Primärabgriff empfangen werden.
• Vorteilhafterweise erzeugt der Frequenzoszillator mit variabler Frequenz ein Unterbrechungssignal für die Verarbeitungseinheit, um die Schleifenfilterung und die Steuereinrichtung innerhalb der digitalen Verarbeitungseinheit mit den Ausgangssignalen zu synchronisieren, die von einem oder mehreren Analog-Digital- Wandlern empfangen wurden, die die Ausgangssignale von dem Primärabgriff und dem Sekundärabgriff empfangen, wobei der eine oder die Analog-Digital-Wandler einen Teil der Einrichtung zur Abtastung an gewählten Zeitintervallen der Ausgangssignale bilden, bevor diese nach der digitalen Verarbeitungseinheit geleitet werden.
• Vorzugsweise weist das digitale Steuersystem zwei Analog-Digital-Wandler auf, wobei der Frequenzoszillator mit variabler Frequenz derart angeordnet ist, daß im wesentlichen viermal die natürliche Resonanzfrequenz der Vibrationsstruktur betätigt wird, um eine Abtastung der Ausgangssignale von Primär- und Sekundärabgriff über jeden Viertelzyklus der Ausgangssignale nach dem Analog-Digital-Wandler von dem Primärabgriff und dem Sekundärabgriff zu gewährleisten.
• Zweckmäßigerweise weist die Abtasteinrichtung zwei oder mehrere Abtasthalteschaltungen für jeden Ausgangssignalkanal vom Primärabgriff und vom Sekundärabgriff auf, um eine Verschachtelung der Abtastungen zu bewirken.
• Vorteilhafterweise weist das digitale Steuersystem einen Datenpuffer auf, um Daten von dem Analog-Digital-Wandler oder den Wandlern nach jedem Viertelzyklus zu empfangen und um die Daten zu speichern und die digitale Verarbeitungseinheit in die Lage zu versetzen, Daten von dem Puffer über vollständige Zyklen der primären und sekundären Abgriffs-Ausgangssignal-Wellenform zu empfangen.
• Vorzugsweise erzeugen die Digital-Analog-Wandler eine Antriebswellenform zur Überführung nach dem Primär- und Sekundärantrieb, um die Vibrationsstruktur in Vibrationsresonanz zu versetzen, wobei die Digital-Analog-Wandler mit dem Ausgang des Frequenzoszillators variabler Frequenz synchronisiert sind.
• Vorzugsweise weisen die Mittel, die zu vorgewählten Zeitintervallen die Ausgangssignale abtasten, bevor diese nach der Datenverarbeitungseinheit gelangen, zwei oder mehrere Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler auf, die die Ausgangssignale von dem primären und sekundären Abgriff empfangen, um die Ausgangssignal-Wellenform über die Abtastperiode zu integrieren.
• Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Vibrationsstruktur-Gyroskop vorgesehen, welches ein digitales Steuersystem gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
• Zum besseren Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese verwirklicht werden kann, werden nachstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
• Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild eines herkömmlichen analogen Steuersystems für ein Vibrationsstruktur-Gyroskop, welches Steuersystem nicht Gegenstand der Erfindung ist;
• Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines herkömmlichen digitalen Abtastsystems für ein Vibrationsstruktur-Gyroskop, wobei das System nicht Gegenstand der Erfindung ist;
• Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines digitalen Steuersystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
• Fig. 4 ist ein detalliertes schematisches Diagramm eines digitalen Steuersystems gemäß der vorliegenden Erfindung nach Fig. 3;
• Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Abtast-Umkehr-Folge für das System gemäß Fig. 3 und 4 erkennen läßt;
• Fig. 6 ist ein Diagramm, welches die Daten- und Konversionsfolge für die Antriebsschleife des Steuersystems gemäß der Erfindung nach den Fig. 3 und 4 zeigt;
• Fig. 7 zeigt schematisch ein Diagramm des gesamten Abtast-Antriebszyklus für das Steuersystem gemäß der Erfindung nach Fig. 3 und 4; und
• Fig. 8 ist ein Blockschaltbild eines digitalen Steuersystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung.
• Ein digitales Steuersystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Blockdiagrammform in Fig. 3 der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Aus Zweckmäßigkeitsgründen ist das System bei diesem und weiteren Ausführungsbeispielen als Regelsystem mit geschlossener Schleife dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, die Erfindung auf ein Steuersystem mit offener Schleife anzuwenden, bei dem kein Sekundärantrieb oder Sekundärabgriff erforderlich ist. Insoweit als das Diagramm gemäß Fig. 3 die oben in Verbindung mit Fig. 2 diskutierten Merkmale aufweist, wurde den gleichen Teilen das gleiche Bezugszeichen zugeordnet, und diese Teile werden im einzelnen nicht nochmals beschrieben. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung sind, wie aus Fig. 3 ersichtlich, Mittel vorgesehen, um zu gewählten Zeitintervallen die Ausgangssignale abzutasten, bevor diese der digitalen Verarbeitungseinheit 22 zugeführt werden. Diese Mittel umfassen einen Frequenzoszillator 23 mit variabler Frequenz, der an die digitale Verarbeitungseinheit 22 bei 24 angeschlossen ist und unter deren Steuerung steht, um die Abtastintervalle der Abtastmittel zu steuern.
• Die Frequenz des Oszillators 23 kann durch ein digitales Steuerwort eingestellt werden, das bei 24 von der digitalen Verarbeitungseinheit 22 geliefert wird, die die Frequenz des Oszillators 23 so einstellt, daß sie der Resonanzfrequenz der Vibrationsstruktur 3 angepaßt ist, basierend auf den Ausgangssignalen, die von der Einheit 22 vom Primärabgriff 2 empfangen wurden. Die Resonanzfrequenz der Vibrationsstruktur 3 beträgt im typischen Fall 20 kHz. Die digitale Steuerung wird benutzt, um die Frequenz des Oszillators 23 auf ein geeignetes Vielfaches der Frequenz der Resonanzstruktur zweckmäßigerweise auf 80 kHz einzustellen, um ein hohes Maß an Auflösung zu erzielen. Das Steuerwort wird durch einen Schleifenfilter-Algorithmus innerhalb der digitalen Verarbeitungsstufe 22 bestimmt, basierend auf den Signalen, die an dem primären Abgriff 2 vorhanden sind.
• Die Signale von dem primären Abgriff 2 und die Signale von dem sekundären Abgriff 6 werden nach Durchlaufen der Analog-Digital-Wandler 19 am Eingang 25 bei 80 kHz von der Einheit 22 empfangen. Die Zeitgebung des Abtast- und Konversionszyklus wird insgesamt durch den Frequenzoszillator 23 variabler Frequenz gesteuert, der auch benutzt wird, um eine Unterbrechung 26 des Prozessors bei 80 kHz zu erzeugen, um die Schleifenfilterung und die Steueralgorithmen innerhalb der Prozessoreinheit 22 mit den Ausgangsdaten von den Analog-Digital-Wandlern 19 zu synchronisieren.
• Der Oszillator 23 variabler Frequenz arbeitet normalerweise mit dem Vierfachen der Eigenresonanzfrequenz des Vibrationsstruktur-Gyroskops, um eine Abtastung über einen jeden Viertelzyklus des Eingangssignals zu ermöglichen. Dadurch wird es möglich, die relative Phase der Eingangssignale vom Primärabgriff 2 und vom Sekundärabgriff 6 durch Summierung und Differenzierung der jeweiligen Abtastungen zu berechnen. In gleicher Weise werden die Antriebswellenformen zur Erregung des Primärantriebs 4 und des Sekundärantriebs 7 der Vibrationsstruktur durch die Digital-Analog-Wandler 20 erzeugt, die mit dem Ausgang des Oszillators 23 variabler Frequenz synchronisiert sind. Die Amplitude für jeden Viertelzyklus wird durch digitale Steuerworte von der Einheit 22 bei 22c eingestellt. Dies ermöglicht, eine Antriebswellenform mit jeder relativen Phase auf die Vibrationsstruktur 3 anzuwenden. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Abtast/Konversions-Zeit so niedrig wie 4/20 kHz gleich 80 kHz sein. Dies ist sehr viel weniger als die 14 MHz, die bei konventionellen Systemen erforderlich sind, und dies ermöglicht die Benutzung kostengünstiger präziser Analog-Digital-Wandler, die leichter in eine monolithische integrierte Schaltung integriert werden können.
• Fig. 4 zeigt im einzelnen eine Verwirklichung des Blockschaltbildes gemäß Fig. 3. In Fig. 4 sind die Abtast-Konvertierungs-Einrichtungen bzw. die Analog-Digital- Wandler 19 so angeordnet, daß dieses Signal über jeden Viertelzyklus (80 kHz) der Eingangswellenformen, die über die Einrichtung 2 oder 6 empfangen werden, abgetastet oder integriert wird. Zwei Abtasthalteschaltungen 27 sind für jeden Kanal erforderlich, d. h. jeder Ausgangskanal von den Einrichtungen 2 und 6 macht insgesamt vier Einrichtungen 27 aus. Zwei Einrichtungen pro Kanal ermöglichen eine Verschachtelung der Abtastungen, um zu gewährleisten, daß kein Verlust der Information auftritt. Ein Multiplexer 28 ist in jeden Kanal eingebaut, um den Ausgang von den zugeordneten zwei Abtasthalteschaltungen 27 zu empfangen und um den geeigneten Viertel-Abtastwert zur Konversion auszuwählen. Jeder Kanal enthält daher einen einzigen Analog-Digital-Wandler 29, um die Konversion durchzuführen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 liefert der Oszillator variabler Frequenz ein Ausgangssignal bei 20 kHz an den Unterbrecher 26 und ein Ausgangssignal mit 80 kHz bei 30 an die Gruppe von Abtasthalteschaltungen 27. Der Dateneingang bei 25 nach der Einheit 22 liegt bei 20 kHz und wird über den Puffer 31 empfangen, der die empfangenen Viertelzyklen-(80 kHz)-Daten empfängt, bevor diese der Einheit 22 zugeführt werden. Der Datenausgang von 22c liegt bei 20 kHz und wird im Puffer 31a gespeichert, worauf der Wert für jeden Viertelzyklus ausgelesen und den Digital-Analog-Wandlern 20 unter der Steuerung des Oszillators 23 (80 kHz) zugeführt wird.
• Fig. 5 zeigt die Abtast- und Konversionsfolge für das in Fig. 4 dargestellte System. Es ist nur ein einziges Abgreif-Ausgangssignal vom Primärabgriff 2 der Einfachheit wegen dargestellt, obgleich eine identische Folge für den Sekundärabgriff 6 maßgebend ist. Das Ausgangssignal von dem Sekundärabgriff 6 ist als Eingangswellenform bei 32 dargestellt. In Fig. 5 tastet eine erste von den beiden Abtast- und Halteschaltungen 27 des Paares, die mit dem Primärabgriff 2, wie bei 33 dargestellt, verbunden ist, den ersten Viertelzyklus der Eingangswellenform 32 bei P1 ab, wobei der Takt durch den Oszillator 23 variabler Frequenz gesteuert wird. Die zweite der beiden Abtast- und Halteschaltungen 27, die an den Primärabgriff 2 angeschlossen sind, wird, wie bei 34 dargestellt, den zweiten Viertelzyklus P2 der Eingangswellenform 32 abtasten, und während dieser Zeit wird der Analog-Digital-Wandler 29, der über den Multiplexer 28 an die erste und zweite Abtast- und Halteschaltung angeschlossen ist, die mit dem Primärabgriff 2 verbunden ist, die Analogspannung, die von der ersten Abtast- und Halteschaltung 27 gehalten wird, wie bei 35 umwandlen, nämlich in P1.
• Das Ergebnis der Umwandlung wird am Ende dieser Periode der digitalen Verarbeitungseinheit 22 verfügbar gemacht. Während des dritten Viertelzyklus tastet die erste der Abtast- und Halteschaltungen 21, die an den Primärabgriff 2 angeschlossen ist, wiederum die Eingangswellenform 32 bei P3 ab, während der erste der Analog-Digital-Wandler 29 das von der zweiten Abtast- und Halteschaltung 27, die mit dem Abgriff 2 verbunden ist, umwandelt, und zwar in P2.
• Während des darauffolgenden vierten Viertelzyklus tastet die zweite Abtast- und Halteschaltung 27 wiederum die Eingangswellenform bei P4 ab, während der erste Analog-Digital-Wandler 29 das von der ersten Abtast- und Halteschaltung gehaltene Signal in P3 umwandelt. Die letzte Abtastung P4 wird während des fünften Viertelzyklus, das den ersten Zyklus der neuen Periode bildet, konvertiert, während P1 wiederum durch die erste Abtast- und Halteschaltung 27 zu Beginn einer neuen Folge abgetastet wird.
• Die Daten sind vom ersten Analog-Digital-Wandler 29 nach jedem Viertelzyklus 80 kHz verfügbar, aber sie werden im Puffer (FIFO) 31 gespeichert, damit die Verarbeitungseinheit 22 auf vollständige Zyklen der Eingangswellenform einwirken kann, wie dies bei 36 in Fig. 5 dargestellt ist. Die Daten können daher durch die Einheit 22 mit einer niedrigeren Rate, beispielsweise mit 20 kHz, 10 kHz oder 5 kHz, unter der Steuerung eines Unterbrechers bei 26 ausgelesen werden, die durch den Oszillator 23 variabler Frequenz erzeugt wurden.
• Eine gleiche Prozedur wird für Primär- und Sekundärantrieb 4 bzw. 7 benutzt, wodurch die Antriebswellenform, die im typischen Fall sinusförmig oder quadratisch ist, durch den einen oder anderen Digital-Analog-Wandler 20 erzeugt wird, die mit dem Ausgang des Oszillators 23 variabler Frequenz synchronisiert sind. Die Amplitude der angelegten Antriebswellenform für jeden Viertelzyklus der Wellenform wird durch ein Digitalwort von der digitalen Verarbeitungseinheit 22 eingestellt. Durch Berechnung geeigneter Werte für jeden Viertelzyklus kann eine Antriebswellenform für jede relative Phase synthetisch hergestellt werden.
• Fig. 6 zeigt die Daten- und Konversionsfolge für die Antriebsfolge des Systems, das in Fig. 4 dargestellt ist. Es ist nur ein einziges Antriebs-Ausgangssignal für den Primärantrieb 4 bei 37 der Übersichtlichkeit wegen dargestellt, obgleich eine identische Folge bei dem Sekundärantrieb 7 auftritt. Die Daten für jeden Viertelzyklus werden durch die digitale Verarbeitungseinheit 22 während der vorhergehenden Unterbrechung berechnet und in den Puffer 31a eingelesen, der mit dem Digital-Analog-Wandler 20 verbunden ist, wie dies bei 38 in Fig. 6 dargestellt ist. Jeder Datenwert umfaßt die Summe einer reellen oder in Phase befindlichen Größenkomponente 39 und eine Qudaratur oder eine nicht in Phase liegenden Größenkomponente 40. Der reelle Komponentenwert 39 wird während des dritten und vierten Viertelzyklus negiert, so daß eine periodische in Phase liegende Wellenform erzeugt werden kann. In gleicher Weise wird der Quadraturkomponentenwert 40 während des ersten und vierten Viertelzyklus negiert, so daß eine außer Phase befindliche periodische Nachlauf-Wellenform erzeugt werden kann. Der Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 20 ist daher die Summe jener zwei möglichen Wellenformen, die die Möglichkeit schaffen, jede Phase und Größe des Signals für den Primärantrieb 4 oder den Sekundärantrieb 7 zu erzeugen.
• In Fig. 7 ist ein Gesamtabtast-Prozeß-Antriebs-Zyklus dargestellt. Gemäß Fig. 7 werden Daten für den ersten Zyklus der Eingangswellenform 41 vom Primärabgriff 2 und vom Sekundärabgriff 6 durch den Oszillator 23 variabler Frequenz abgetastet, und sie sind zur Verarbeitung während des zweiten Zyklus der Eingangswellenform 41 verfügbar. Eine digitale Verarbeitung/Filterung wird mit einer geeigneten Rate von beispielsweise 20 kHz oder weniger durchgeführt, und der Ausgang oder die Antriebsdaten für jeden Viertelzyklus werden in die Register der Digital-Analog- Wandler am Ende eines jeden Rahmenbildes, wie bei 42 dargestellt, eingeschrieben. Die Digital-Analog-Wandler-Folge zur Erzeugung der Antriebswellenform für den Primärantrieb 4 und für den Sekundärantrieb 7 wird in ähnlicher Weise durch den Oszillator 23 variabler Frequenz gesteuert.
• Die Frequenz und die relative Phasenlage der Eingangssignale vom Primärabgriff 2 und vom Sekundärabgriff 6 und die Antriebssignale für den Primärantrieb 4 und den Sekundärantrieb 7 werden daher genau definiert und unabhängig von dem Taktelement der Verarbeitungseinheit 22 gesteuert. Dadurch wird das System gegenüber Fehlern unempfindlich, indem fehlende Verarbeitungsschritte oder ausgedehnte Bearbeitungsschritte den Ausgang des Systems nicht wesentlich beeinträchtigen. Die Rahmenrate kann so gewählt oder reduziert werden, daß eine Anpassung an verfügbare Verarbeitungsleistung erfolgt.
• Der Oszillator 23 variabler Frequenz muß auf eine feine Frequenzauflösung eingestellt werden, damit die Frequenz der Vibrationsstruktur 3 genau nachgeführt werden kann. Dies kann durch ein geeignet breites Steuerwort oder stattdessen dadurch erreicht werden, daß eine Durchschnittsbildung über der Zeit erfolgt, um eine verbesserte Auflösung der Frequenzeinstellung oder eine verminderte Auflösung des parallelen Steuerworts zu erreichen.
• Um ein hohes Maß an Störsicherheit zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, Abtast- und Halteschaltungen zu benutzen, die eine Durchschnittsbildung bewirken oder die Eingangswellenform über der Abtastperiode integrieren. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 können zwei Sigma/Delta-Analog-Digital-Wandler 42 benutzt werden, von denen je einer an der Ausgangsleitung des Primärabgriffs 2 und einer an der Ausgangsleitung des Sekundärabgriffs 6 angeordnet ist. Dadurch wird die Abtast- und Halteschaltung überflüssig, und es wird die Möglichkeit geschaffen, daß die Integrationsperiode, die durch den Oszillator 23 variabler Frequenz eingestellt wird, digital einfach dadurch zu steuern, daß die Summierung innerhalb des Konverters 42 abgelesen und zurückgesetzt wird. Die Verarbeitungsrate wird so gewählt, daß das erforderliche dynamische Verhalten des Gyroskops optimiert wird, welches mit dem erfindungsgemäßen System ausgerüstet ist, und zwar innerhalb der verfügbaren Leistung der Einheit 22.

Claims (10)

1. Digitales Steuersystem für ein Vibrationsstruktur-Gyroskop, das eine Vibrationsstruktur, einen Primärantrieb, welcher die Vibrationsstruktur in Vibrationsresonanz überführt und in dieser hält und einen Primärabgriff aufweist, um die Vibration der Vibrationsstruktur zu erkennen, wobei das System eine digitale Verarbeitungseinheit aufweist, um Ausgangssignale von dem Primärabgriff zu empfangen, um die empfangenen Signale zu verarbeiten und um diese Signale nach dem Primärantrieb über Digital-Analog-Wandler zu überführen und wobei Mittel vorgesehen sind, um zu vorgewählten Zeitintervallen die Ausgangssignale abzutasten, bevor diese nach der digitalen Verarbeitungseinheit gelangen und wobei ein Frequenzoszillator variabler Frequenz mit der digitalen Verarbeitungseinheit verbunden ist und unter der Steuerung dieser digitalen Verarbeitungseinheit die Abtastintervalle der Abtasteinrichtung steuert.

2. Digitales Steuersystem nach Anspruch 1 mit einem Sekundärantrieb, um die Vibrationsstruktur in Vibrationsresonanz zu bringen und darin aufrechtzuerhalten und mit einem zweiten Abgriff zum Erkennen der Vibration der Vibrationsstruktur.

3. Digitales Steuersystem nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei welchem die digitale Verarbeitungseinheit eine Einstellung der Frequenz des Frequenzoszillators variabler Frequenz bewirkt, damit dieser Oszillator mehrere der Resonanzfrequenzen der Vibrationsstruktur einstellt, basierend auf den Ausgangssignalen, die von der digitalen Verarbeitungseinheit von dem Primärabgriff empfangen wurden.

4. Digitales Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Frequenzoszillator mit variabler Frequenz ein Unterbrechungssignal für die Verarbeitungseinheit erzeugt, um die Schleifenfilterung und die Steuereinrichtung innerhalb der digitalen Verarbeitungseinheit mit den Ausgangssignalen zu synchronisieren, die von einem oder mehreren Analog-Digital-Wandlern empfangen wurden, die die Ausgangssignale von dem Primärabgriff und dem Sekundärabgriff empfangen, wobei der eine oder die Analog-Digital-Wandler einen Teil der Einrichtung zur Abtastung an gewählten Zeitintervallen der Ausgangssignale bilden, bevor diese nach der digitalen Verarbeitungseinheit geleitet werden.

5. Digitales Steuersystem nach Anspruch 4, welches zwei Analog-Digital- Wandler aufweist, wobei der Frequenzoszillator mit variabler Frequenz derart angeordnet ist, daß im wesentlichen viermal die natürliche Resonanzfrequenz der Vibrationsstruktur betätigt wird, um eine Abtastung der Ausgangssignale von Primär- und Sekundärabgriff über jeden Viertelzyklus der Ausgangssignale nach dem Analog-Digital-Wandler von dem Primärabgriff und dem Sekundärabgriff zu gewährleisten.

6. Digitales Steuersystem nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die Abtasteinrichtung zwei oder mehrere Abtasthalteschaltungen für jeden Ausgangssignalkanal vom Primärabgriff und vom Sekundärabgriff aufweist, um eine Verschachtelung der Abtastungen zu bewirken.

7. Digitales Steuersystem nach Anspruch 6, welches einen Datenpuffer aufweist, um Daten von dem Digitalwandler oder den Digitalwandlern nach jedem Viertelzyklus zu empfangen und um die Daten zu speichern und die digitale Verarbeitungseinrichtung in die Lage zu versetzen, Daten von dem Puffer über vollständige Zyklen der primären und sekundären Abgriffs-Ausgangssignal- Wellenform zu empfangen.

8. Digitales Steuersystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei welchem die Digital-Analog-Wandler eine Antriebswellenform zur Überführung nach dem Primär- und Sekundärantrieb erzeugen, um die Vibrationsstruktur in Vibrationsresonanz zu versetzen, wobei die Digital-Analog-Wandler mit dem Ausgang des Frequenzoszillators variabler Frequenz synchronisiert sind.

9. Digitales Steuersystem nach Anspruch 2, bei welchem die Mittel, die zu vorgewählten Zeitintervallen die Ausgangssignale abtasten, bevor diese nach der Datenverarbeitungseinheit gelangen, zwei oder mehrere Sigma-Delta-Analog-Digital- Wandler aufweisen, die die Ausgangssignale von dem primären und sekundären Abgriff empfangen, um die Ausgangssignal-Wellenform über die Abtastperiode zu integrieren.

10. Vibrationsstruktur-Gyroskop mit einem digitalen Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9.