PL178921B1 - Urządzenie do ustalania prędkości obrotowej, zwłaszcza w pojazdach samochodowych - Google Patents

Abstract

1 . Urzadzenie do ustalania predkosci obrotowej, zw lasz- cza w pojazdach sam ochodow ych, zawierajace czujnik, który m a wiele elementów czujnikowych umieszczonych na korpu- sie zdolnym do drgan, petle regulow anego generatora drgan w prow adzajaca co najmniej jeden z elem entów czujniko- w ych w stale drgania m echaniczne i pobudzajaca przy tym do drgan takze korpus, petle tlum iaca dolaczona do co najmniej jed nego elem entu czujnikow ego, oraz stopien w yjsciow y, który jest dolaczony do co najmniej jednego, nastepnego ele- m entu czujnikow ego, przy czym napiecie w yjsciow e stopnia w yjsciow ego jest funkcja predkosci obrotowej, znamienne tym, ze zaw iera blok z w budow anym testem BITE (16) z lozon y ze w zm acniacza (20) o zm iennym w zm ocnieniu i przelacznika (2 1 ), przy czym do w ejscia w zm acniacza (20) bloku BITE (1 6 ) je st dolaczona petla generatora drgan (1 7 ) z w ystepujacym na jej w ejsciu napieciem bledu petli genera- tora (U s,o), zas w y jscie bloku BITE (16) z w ystepujacym na je g o w yjsciu n ap ieciem przesuniecia (U bite) jest dolaczone do petli tlum iacej (18) i napiecie w yjscio w e (U rate) stopnia w y jscio w eg o (1 9 ) jest podstaw a do w ykrycia bledu, gdy przelacznik (21) w bloku BITE (16) je st zam kniety. P L 1 7 8 9 2 1 B 1 PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do ustalania prędkości obrotowej, zwłaszcza w pojazdach samochodowych.

Znane jest stosowanie czujników prędkości obrotowej w układach regulacji dynamiki jazdy samochodów, działających na przykład na zasadzie girometru wibracyjnego. Takie czujniki dokonują oceny zjawiska przyspieszenia Coriolisa, które służy za miarę aktualnej prędkości obrotowej w pojeździe samochodowym.

Opis takiego czujnika jest przedstawiony w opisie patentowym USA nr 4 759 220. W opisie tym przedstawiono budowę takiego czujnika, jak również przyporządkowany jemu układ komparacyjny. Czujnik stanowi w zasadzie cienkościenny wydrążony walec z materiału sprężystego. Na ścianie walca zamocowany jest zespół piezoelektrycznych elementów czujnikowych rozmieszczonych parami naprzeciwko siebie. Te elementy czujnikowe za pomocąpętli generatora drgań utrzymywane są w warunkach stałych mechanicznych drgań zasilających. Efekt Coriolisa powoduje, z przyłożoną prostopadle do drgań napędzających prędkością obrotową, pewne przyspieszenie Coriolisa, które powoduje odchylenie drgań napędzających w kierunku Coriolisa. To odchylenie jest miarą przyłożonej wartości prędkości obrotowej. Za pomocą układu wykrywania wyznacza się odpowiadające jej napięcie wyjściowe, które wykorzystuje się dla otrzymania prędkości zakręcania pojazdu.

Znany czujnik, włącznie z przyporządkowanym do niego układem komparacyjnym, nie zapewnia niezawodnego rozpoznania nieprawidłowości działania. Jeżeli taki czujnik stosowany

178 921 jest łącznie z układem bezpieczeństwa w samochodzie, to konieczne jest sprawdzanie prawidłowości jego działania.

Istotą urządzenia do ustalania prędkości obrotowej według wynalazku, zawierającego czujnik, który ma wiele elementów czujnikowych umieszczonych na korpusie zdolnym do drgań, pętlę regulowanego generatora drgań wprowadzającą co najmniej jeden z elementów czujnikowych w stałe drgania mechaniczne i pobudzającą przy tym do drgań także korpus, pętlę tłumiącą dołączoną do co najmniej jednego elementu czujnikowego, oraz stopień wyjściowy, który jest dołączony do co najmniej jednego, następnego elementu czujnikowego, przy czym napięcie wyjściowe stopnia wyjściowego jest funkcją prędkości obrotowej, jest to, że zawiera blok z wbudowanym testem BITE złożony ze wzmacniacza o zmiennym wzmocnieniu i przełącznika, przy czym do wejścia wzmacniacza bloku BITE jest dołączona pętla generatora drgań z występującym na jej wejściu napięciem błędu pętli generatora, zaś wyjście bloku BITE z występującym na jego wyjściu napięciem przesunięcia jest dołączone do pętli tłumiącej i napięcie wyjściowe stopnia wyjściowego jest podstawą do wykrycia błędu, gdy przełącznik w bloku BITE jest zamknięty.

Korzystnie pętla generatora drgań zawiera elektroniczną pętlę pobudzającą.

Korzystnie pętla tłumiąca jest elektroniczną pętlą tłumiącą ze sterowaną fazą i stałym wzmocnieniem.

Korzystnie stopień wyjściowy ma umieszczony na wejściu blok o stałym wzmocnieniu, do którego są dołączone pętla generatora drgań z napięciem wzbudzającym i pętla tłumiąca z napięciem tłumiącym, przy czym wyjście bloku o stałym wzmocnieniu jest dołączone przez punkt kalibracji przesunięcia do drugiego wzmacniacza o zmiennym wzmocnieniu, na którego wyjściu jest napięcie wyjściowe.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość niezawodnego rozpoznania stanu nieprawidłowego działania czujnika, gdyż na wyjściu czujnika bądź układu komparacyjnego pojawia się superpozycja oddziaływania szybkości obrotowej i sygnału przesunięcia, na podstawie której bezpośrednio można wnioskować o sprawności funkcjonalnej urządzenia.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia konstrukcję znanego czujnika i układu komparacji, a fig. 2 - schemat blokowy urządzenia według wynalazku.

Przedstawiony na fig. 1 czujnik oznaczono odnośnikiem 10. Na wydrążonym walcu 11 czujnika 10 osadzone sąposzczególne elementy czujnikowe A, A', B, B', C, C i D, D'. Liniami przerywanymi przedstawiono możliwe odkształcenia 11a i 1 lb wydrążonego walca 11 pod wpływem drgań.

Elementy czujnikowe A, B, C, D połączone sąz blokami elektronicznymi 12,13, 14, przy czym przez 12 oznaczono pętlę generatora drgań, która wprowadza określony element czujnikowy w stałe mechaniczne drgania napędzające. Przez 13 oznaczono pętlę tłumiącą, a przez 14 oznaczono obwód detektora, na którego wyjściu powstaje sygnał pomiarowy, który po dodatkowym filtrowaniu w filtrze 15, jest właściwym sygnałem wyjściowym Uout.

Za pomocą czujnika o konstrukcji przedstawionej na fig. 1 wraz z układami elektronicznymi czujnika prędkości obrotowej pracującego na zasadzie girometru wibracyjnego, można wyznaczać prędkość zakręcania, czyli szybkość zmiany kierunku pojazdu. Przy tym efekt Coriolisa działa z pewnym przyspieszeniem Coriolisa, prostopadłym do przyłożonej prędkości zakręcania, które powoduje odchylenie drgania napędowego w kierunku Coriolisa. To odchylenie jest ostatecznie miarą przyłożonej prędkości obrotowej i podlega pomiarowi.

Na figurze 2 przedstawiono schemat blokowy urządzenia według wynalazku. W przypadku tego urządzenia elementy czujnikowe oraz przyporządkowane im układy elektroniczne są wzajemnie sprzężone. Przedstawione urządzenie zawiera blok z wbudowanym testem BITE 16, pętlę regulowanego generatora drgań 17, pętlę tłumiącą 18 i stopień wyjściowy 19. Powyższe bloki sąz kolei podzielone na dalsze bloki. Zmienne oddziaływania między poszczególnymi blokami oznaczono odpowiednimi liniami łączącymi, ewentualnie zaznaczając kierunek działania za pomocą odpowiednich strzałek. W szczególności blok BITE 16 zawiera wzmac4

178 921 niacz 20 o zmiennym wzmocnieniu, w którym odbywa się generowanie funkcji BITE. Tę funkcję symbolizuje wyrażenie K_Bih./v_s. Jest ona przekazywana przez przełącznik 21 jako wielkość zakłócająca BITE UB_ite do punktu 22, który ma połączenie z blokami 23, 24 pętli tłumiącej 18. Blok 23 realizuje sprzężenie mechaniczne walca i elementów czujnikowych, na przykład piezoelementów. Funkcja przenoszenia elementów czujnikowych jest oznaczona przez k_z.

Blok 24 jest elektroniczną pętlą tłumiącą ze sterowaniem fazowym z automatyczną regulacją częstotliwości. Odpowiednią funkcję przenoszenia elektronicznej pętli tłumiącej oznaczono jako Ke,_D. W punkcie 22 znajduje się zwykle regulacja zera. Występujące w punkcie 22 napięcie Coriolisa oznaczono przez U_s. _D.

W pętli generatora 17 przedstawiono tylko dwa bloki 25, 26 działające naprzemiennie. Blok 25 realizuje sprzężenie mechaniczne między walcem a elementami czujnikowymi. Funkcja przenoszenia elementów czujnikowych jest także oznaczona przez k_z. Napięcie wejściowe pętli generatora 17 oznaczono przez U_{s o}. Jest to właśnie napięcie błędu tej pętli, natomiast napięcie wzbudzające tej pętli jest oznaczone jako Ufo. Blok 26 stanowi elektronicznąpętlę pobudzającą z regulatorem fazowym i regulatorem amplitudowym. Odpowiednia funkcja przenoszenia tej pętli została oznaczona przez k_e>o.

Z punktu połączeniowego między blokami 25 i 26, w którym występuje napięcie wzbudzające Ufo, zostaje ono doprowadzane do bloku 27 o stałym wzmocnieniu, dla prostowania fazoczułego, czyli demodulacji synchronicznej, w stopniu wyjściowym 19. Blok 27 poza tym otrzymuje z pętli tłumiącej 18 napięcie tłumiące U_f,d. Funkcję przenoszenia bloku 27 oznaczono przez k_BM · k₀. Na wyjściu bloku 27 zaznaczono punkt 28 kalibracji przesunięcia. Z tym punktem 28 jest połączony drugi wzmacniacz 29 o zmiennym wzmocnieniu, które oznaczono jako Vs. Z wyjścia wzmacniacza 29 można uzyskać napięcie wyjściowe U_rate zależne od szybkości obrotowej, będące miarą aktualnej szybkości obrotu. Zerowanie mechaniczne odbywa się w następnym punkcie 30. Przy tym zerowaniu wprowadza się pewne napięcie korekcji U_COr jako elektryczny ekwiwalent efektu Coriolisa.

Za pomocą urządzenia przedstawionego na fig. 2 można dokonać oceny czujnika prędkości obrotowej i równocześnie sprawdzenia poprawności funkcjonalnej czujnika i samych elektronicznych układów analizujących.

Jeżeli określony element czujnikowy znajdujący się na wydrążonym walcu zostanie wprawiony przez pętlę generatora 17 o regulowanej amplitudzie w stałe mechaniczne drgania pobudzające, to efekt Coriolisa oddziałuje wraz ze skierowanym prostopadle do drgań pobudzających rotacyjnym drganiem przyspieszenia Coriolisa, które powoduje pewne odchylenie drgań pobudzających w kierunku Coriolisa. W wyniku tych efektów następuje dodatkowo wprawienie w ruch drgający walca, na którym rozmieszczone są piezoelementy, jako elementy czujnikowe. Walec wykonuje ruch drgający w granicach zaznaczonych na fig. 1 liniami przerywanymi.

Jeżeli do oceny odchylenia, które jest miarąprędkości obrotowej, stosuje się pętlę kompensacyjną, to miarą mierzonej prędkości obrotowej jest wynikowa wielkość ustawcza. Jeżeli ta pętla kompensacyjna jest przestrojona przez współfazowo wprowadzony sygnał przesunięcia, to wielkość wyjściowa czujnika jest efektem superpozycji oddziaływania prędkości obrotowej i sygnału przesunięcia. Sygnał przesunięcia powstaje w bloku BITE 16. Wprowadzenie sygnału przesunięcia może na przykład odbywać się przez uruchamianie przełącznika 21, i wtedy przy znanym przesunięciu możliwe jest przetestowanie czujnika. Ponieważ funkcja testowa dotyczy zarówno analizujących układów elektronicznych, jak i elementu czujnikowego, to obydwie te części można przetestować na prawidłowość ich działania.

Określenie wielkości powstającego na wyjściu czujnika napięcia wyjściowego Ur_at_c, przy uaktywnionej funkcji BITE, może się odbywać na podstawie poniżej zamieszczonych rozważań dla girometru wibracyjnego z pętlą generatora o regulowanej amplitudzie, w przypadku elementu czujnikowego wprawionego w stałe mechaniczne drgania pobudzające. Te drgania pobudzające mają prędkość v₀, która jest proporcjonalna do napięcia wzbudzającego U_Fo pętli generatora.

178 921

Dla pętli generatora obowiązuje zależność:

' 7,o ~ 1

Ν·Μ^=Ι circ(k_z ) + arc(k_{e o} ) = 0’ | U_{F o} | = const (junkcjaA GC, pobudzenie)

K? ~ UF,O arc{v_o)-arc{U_FO)

US.O ~ 7 ‘ Fp Q

Element masy będący w ruchu pod wpływem drgania wzbudzającego o regulowanej amplitudzie i mający określoną prędkość chwilową, doznaje ze względu na prędkość obrotowąO pewnego odchylenia w kierunku Coriolisa, wywiera siłę Fc = 2 m v_ox Q Siła kompensująca, bądź napięcie kompensacyjne, czyli napięcie tłumiące U_Fj), przeciwdziałające sile Coriolisa w sposób nadążny, jest miarą występującej prędkości obrotowej. Pobieranie napięcia Coriolisa Us_D i generacja napięcia tłumiącego Uf_D odbywa się w pętli tłumiącej.

Obie pętle sąsprzężone za pośrednictwem elementu czujnikowego i pracująw opisanym przypadku zgodnie, to znaczy, że funkcja przenoszenia k_z dla pętli generatora i pętli tłumiącej jest taka sama.

Dla pętli tłumiącej obowiązuje zależność:

MKJ» ¹ arc(k_z ) + arc(k_{e D} ) « -180° u_cor=7-n-Up,o

Regulacja nadążna pętli tłumiącej działa tak samo również z wprowadzonymi sygnałami BITE o określonej częstotliwości i fazie. Przez włączenie pewnej wielkości zakłócającej o napięciu U_Bite można symulować prędkość obrotową. Wprowadzenie to odbywa się z pętli generatora, co zapewnia dodatkowy test tej pętli.

Sygnał zakłócający powinien odpowiadać określonej, ustawionej na stałe prędkości obrotowej, niezależnie od niezbędnej korekcji czułości na końcach pasma czujników. Zrealizowano to za pomocą dwóch stopni wzmacniających, z jednego w pętli tłumiącej i jednego w stopniu wyjściowej, o komplementarnym wzmocnieniu. Powoduje to, że napięcie wyjściowe Ur_ate czujnika w odniesieniu do wielkości zakłócającej o napięciu UBite jest niezależne od kompensacji wzmocnienia v_s stopnia wyjściowego.

178 921

Dla bloku BITE obowiązuje zależność:

TJ _!5βΓΓΕ_ττ _ ^kBITE^ , .TI W BITE ~ ^u S.O ~ F.O ^VS ^VS

U f.d (BITE) = Tj) ' Ubite ~ -U _BrrE ~ υ,,^ΒΐτΕ) = -—·υ,,_Λ

Napięcie wyjściowe U_rate czujnika stanowi, przy uaktywnionej funkcji BITE sumę (superpozycję) rzeczywistej prędkości obrotowej i symulowanej prędkości obrotowej Q na podstawie doprowadzonej wielkości zakłócającej.

U_F^-U_FD(BlTE-)kU_FD(ES) u_rs = (—+Av\-u_ro

V ^vs 7

F_rate ⁼ (A BM ' ^o|(Zf,L>| ' COS(OTC(U_{F D} · U_F q )) + U_ojy ) ·

-	-^ + ^·Ω	(|^F,01 ' BM ' F) ) + U„ff
k	k Ks z	\l 1 / )

U_rate (ΒΕΤΕ} = -k_BM k₀ k_BirE C/_{F o} k /(v_s)

Uaktywnienie wielkości zakłócającej odbywa się przez uruchomienie wejścia testującego, w wyniku czego czujnik jest testowany przy znanym rozregulowaniu napięciem Ur_ate(BITE). Tym testem można zatem sprawdzić poprawność działania zarówno układów elektronicznych pętli generatora, tłumienia, bloku wyjściowego, jak również sam element czujnikowy z jego zaciskami.

178 921 μ

ο ο

□ ο

ο

Οαί ο

178 921

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do ustalania prędkości obrotowej, zwłaszcza w pojazdach samochodowych, zawierające czujnik, który ma wiele elementów czujnikowych umieszczonych na korpusie zdolnym do drgań, pętlę regulowanego generatora drgań wprowadzającąco najmniej jeden z elementów czujnikowych w stałe drgania mechaniczne i pobudzającą przy tym do drgań także korpus, pętlę tłumiącą dołączoną do co najmniej jednego elementu czujnikowego, oraz stopień wyjściowy, który jest dołączony do co najmniej jednego, następnego elementu czujnikowego, przy czym napięcie wyjściowe stopnia wyjściowego jest funkcją prędkości obrotowej, znamienne tym, że zawiera blok z wbudowanym testem BITE (16) złożony ze wzmacniacza (20) o zmiennym wzmocnieniu i przełącznika (21), przy czym do wejścia wzmacniacza (20) bloku BITE (16) jest dołączona pętla generatora drgań (17) z występującym na jej wejściu napięciem błędu pętli generatora (U_{s o}), zaś wyjście bloku BITE (16) z występującym na jego wyjściu napięciem przesunięcia (U_Bite) jest dołączone do pętli tłumiącej (18) i napięcie wyjściowe (U_rate) stopnia wyjściowego (19) jest podstawą do wykrycia błędu, gdy przełącznik (21) w bloku BITE (16) jest zamknięty.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pętla generatora drgań (17) zawiera elektroniczną pętlę pobudzającą (26).
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pętla tłumiąca (18) jest elektroniczną pętlą tłumiącą ze sterowaną fazą i stałym wzmocnieniem.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że stopień wyjściowy (19) ma umieszczony na wejściu blok (27) o stałym wzmocnieniu, do którego są dołączone pętla generatora drgań (17) z napięciem wzbudzającym (U_f,o) i pętla tłumiąca (18) z napięciem tłumiącym (U_FD), przy czym wyjście bloku (27) o stałym wzmocnieniu jest dołączone przez punkt (28) kalibracji przesunięcia do drugiego wzmacniacza (29) o zmiennym wzmocnieniu, na którego wyjściu jest napięcie wyjściowe (U^e).