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Servosystem mit über Schleifkontakte einstellbaren Brückennetzwerken
auf der Geber- und Empfängerseite und mit einer Nachlaufeinrichtung auf der Empfängerseite
Die Erfindung bezieht sich auf ein neues und verbessertes Servosystem nach Art einer
Brücke.
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Ein bekanntes mit einer Gleichspannung arbeitendes Servosystem nach
Art einer Brücke enthält zwei Potentiometer, von denen das eine in der betrachteten
örtlichen Station und das andere an einem entfernten Punkt liegt. Beide Potentiometer
besitzen normalerweise denselben Widerstand und an jedem Potentiometer ist dieselbe
Anzahl von Kontakten oder Anzapfungen vorgesehen. Ein Einstellelement, welches ein
Handrad od. dgl. sein kann, ist mit dem Schleifkontakt eines Potentiometers verbunden.
Das gesteuerte Element oder die Belastung ist mit dem Schleifkontakt des anderen
Potentiometers verbunden. Wenn die beiden Schleifkontakte verschiedene Spannungen
abgreifen, wird der Stromkreis eines Motors geschlossen, und der Motor stellt die
Belastung auf eine dem Handrad entsprechende Stellung ein. Wenn die örtliche Spannung
und die Spannung an dem fernen Punkt gleich sind, wird der Motorstromkreis geöffnet.
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Eine derartige Einrichtung und entsprechende nach Art einer Brücke
arbeitende und mit einer einphasigen Wechselspannung gespeiste Systeme sind jedoch
nicht überall anwendbar. Die Minimalspannung zwischen zwei Anzapfungen muß größer
sein als die Spannungsempfindlichkeit der Meßvorrichtung. Wenn diese Bedingung nicht
erfüllt ist, wird die Belastung nicht immer auf den gleichen Kontakt eingestellt,
auf welchem das Handrad steht. Die Anzahl der Anzapfkontakte für eine gegebene Spannung
an einem Potentiometer ist also begrenzt, und daher ist auch die Einstellgenauigkeit
des Systems begrenzt. Die Zahl der Kontakte und die Einstellgenauigkeit lassen sich
dadurch erhöhen, daß man die Spannung an dem Potentiometer erhöht. Da jedoch die
Meßvorrichtung die volle Potentiometerspannung aushalten muß, kann die Spannung
nicht unbegrenzt gesteigert werden.
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Die Wertigkeit eines Brückensystems, wie es oben beschrieben ist,
kann durch das Verhältnis
wobei V" die Spannung zwischen aufeinanderfolgenden Kontakten ist, hm die maximale
Brückenspannung ist und 1s die minimale Spannung zur Betätigung der Meßv orrichtung
ist.
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Die Wertigkeit des Servosystems ist um so größer, je größer das oben
angegebene Verhältnis ist. Bei einer typischen Ausführungsform mit zehn Kontakten
kann die Wertigkeit 1/s sein. Bei einem praktischen Gleichstromservosystem kann
die Wertigkeit kleiner als 1/e sein. Ein "Zweck der Erfindung besteht darin, ein
verhältnismäßig einfaches und wirksames Servosystem nach Art einer Brücke vorzuschlagen,
das hohe Empfindlichkeit und hohe Zuverlässigkeit besitzt, ohne zusätzliche Verstärker
od. dgl. zu benötigen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung soll ein Servosystem ein
örtliches vielphasiges Brückennetzwerk und ein entsprechendes vielphasiges Brückennetzwerk
in der entfernten Station enthalten. Die beiden Netzwerke haben feste Endkontakte,
welche über ein Kabel miteinander verbunden sind und an eine vielphasige Spannungsquelle
angeschlossen sind. Ein Einstellelement, beispielsweise ein Handrad, ist mechanisch
mit dem verstellbaren Kontakt zur Einstellung auf die festen Endkontakte und auf
feste Zwischenkontakte des örtlichen Brückennetzwerkes verbunden, und ein Motor
ist mit seiner Welle an einen beweglichen Kontakt zur Einstellung auf die festen
Endkontakte und festen Zwischenkontakte des entfernten Brückennetzwerkes angekuppelt.
Eine Meßvorrichtung liegt zwischen den beweglichen Kontakten und zeigt an, wenn
der entfernte bewegliche Kontakt an einer anderen Spannung und/oder anderen Phase
liegt als der örtliche bewegliche Kontakt. Sodann wird der Motor erregt, bis die
Übereinstimmung der beiden Kontaktstellungen wiederhergestellt ist.
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Ein Vorteil dieses Systems gegenüber einem Gleichstromsystem oder
einem einphasigen Wechselstrom-
System besteht darin, daß zwei Größen
gemessen werden; nämlich einerseits die Spannungsamplitude und andererseits die
Spannungsphase. Wie weiter unten noch genauer erläutert werden wird, können solche
Systeme eine viel größere Anzahl von Kontakten für dieselbe Leitungsspannung erhalten
als die oben beschriebenen bekannten Systeme und besitzen daher eine viel größere
Wertigkeit. Wenn man dieselbe Meßvorrichtung voraussetzt wie bei dem oben beschriebenen
System, kann ein Servosystem mit zehn Kontakten als dreiphasiges Brückensystem mit
einer Wertigkeit von 1/4, 1/a oder selbst 1/2 gebaut werden.
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Bei manchen Ausführungsformen der Erfindung kann die Meßvorrichtung
ein einphasiges Gerät sein, beispielsweise ein Relais od. dgl. In diesem Fall wird
der entfernte Schleifkontakt nur in einer Richtung bewegt. Bei einer verbesserten
Ausführungsform der Erfindung kann die Meß- und Antriebsvorrichtung ein Mehrphasenmotor
sein. Der Motor kann in beiden Richtungen umlaufen und stellt den entfernten Schleifkontakt
auf dem kürzesten Wege in die neue, richtige Stellung ein.
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Fig.1 ist ein Schaltbild eines bekannten Servosystems ; Fig. 2 ist
ein Blockschaltbild der Erfindung; Fig. 3 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform
der Erfindung unter Benutzung von dreiphasigen Brücken in Dreieckschaltung; Fig.
4 ist ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung unter Benutzung von dreiphasigen
Brücken in Sternschaltung; Fig.5 ist ein Schaltbild eines Teiles eines Servosystems
mit einer Brücke in Dreieckschaltung und einer Brücke in Sternschaltung; Fig.6 ist
ein Schaltbild einer anderen Art von Brückenschaltung, welche für dieErfindung verwendet
werden kann; Fig. 7 ist ein Schaltbild einer Brücke, von welcher eine kontinuierlich
veränderliche Spannung abgegriffen werden kann, die sich für die Erfindung verwenden
läßt; Fig.8 ist ein Schaltbild eines Servosystems mit einem Dreiphasenmotor, der
die Belastung in beiden Richtungen verstellen kann.
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Die bekannte Schaltung nach Fig. 1 enthält zwei Potentiometer 20 und
22, von denen das eine in der betrachteten örtlichen Station und das andere in einer
entfernten Station liegt. Beide Potentiometer besitzen denselben Widerstandswert
und die gleiche Anzahl von Anzapfkontakten, nämlich zehn Kontakte. Diese sind für
die örtliche Station mit 1 bis 10 und für die entfernte Station mit 1' bis 10' bezeichnet
und liegen normalerweise auf einem Kreise. Wenn an beiden Schleifkontakten 24 und
26 dieselbe Spannung liegt, wird die Meßvorrichtung, nämlich ein Relais 28, nicht
betätigt. Wenn die Schleifkontakte jedoch verschiedene Spannungen abgreifen, schließt
sich der Kontakt 29 des Relais und legt eine nicht mit dargestellte Spannung an
den Motor 30. Dieser Motor treibt sodann den entfernten Schleifkontakt26 an, bis
er sich in derselben Stellung befindet wie der örtliche Schleifkontakt 24. Die Belastung
32 wird ebenfalls durch den Motor angetrieben.
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Die Erfindung ist in ihren Grundzügen in Fig. 2 dargestellt. Die Einrichtung
enthält zwei mehrphasige Brücken 40 und 42, von denen die eine in der betrachteten
örtlichen Station und die andere in der entfernten Station liegt. Die eineBrücke
kann sich beispielsweise im, Führerstand eines Luftfahrzeugs befinden und die andere
beispielsweise im Heck dieses Luftfahrzeugs. Eine mehrphasige Spannungsquelle 44
liefert Spannung an die festen Endkontakte beider Brücken über die mehradrigen Kabel
46 und 48. Normalerweise wird die mehrphasige Spannungsquelle eine dreiphasigeSpannungsquelle
sein, jedoch ist dieErfindung nicht auf einen derartigen dreiphasigen Betrieb beschränkt.
Die Meßvorrichtung 50 ist zwischen die Brücken 40 und 42 eingeschaltet und mißt
die Spannungsamplitude und den Phasenwinkel zwischen den beiden Schleifkontakten
der beiden Brücken und liefert ein Steuersignal an die Leitung 52, wenn diese verschieden
sind. Die Leitung 52 ist an eine Antriebsvorrichtung 54 angeschlossen, welche den
Schleifkontakt der Brücke 42 auf einen Punkt bringt, an welchem die Spannung amplitudenmäßig
und phasenmäßig gleich der Spannung an der Brücke 40 ist. Die Belastung kann an
dieselbe Welle wie der Schleifkontakt angekuppelt sein und kann aus der Abstimmung
eines Senders oder Empfängers bestehen. Die Belastung ist schematisch durch das
Reckteck 56 dargestellt. Das Einstellelement kann ein Handrad sein, wie es bei 58
für die Brücke 40 dargestellt ist.
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Fig. 3 zeigt ein typisches Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine
nicht mit dargestellte dreiphasige Spannungsquelle liefert Spannung an die Klemmen
60, 62 und 64, welche mit den festen Kontakten 1, 4 und 7 der Brücke 66 verbunden
sind, und ferner an die festen Kontakte 1', 4' und 7' der Brücke 68. Beide Brücken
sind in Dreieck geschaltet. Auf jedem Brückenzweig liegen neun gleichmäßig voneinander
entfernte Kontakte oder Anzapfungen, von denen jede von einem beweglichen Schleifkontakt
berührt werden kann. Wenn die Schleifkontakte 70 und 72 verschiedene Kontakte berühren,
spricht das Relais 74 an, und der Motor 76 wird an Spannung gelegt. Dieser treibt
dann den entfernten Schleifkontakt 72 an, bis dieser in derselben Stellung wie der
örtliche Schleifkontakt 70 steht.
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Die Wertigkeit der Brücke nach Fig. 3 ist
Die Brücke nach Fig. 3 ist also dreifach besser als die Brücke nach Fig. 1.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die Spannungsamplitude zwischen den
Kontakten 1 und 2 ebenso groß ist wie die Spannungsamplitude zwischen den Kontakten
1 und 9. Wenn der Schleifkontakt 70 auf dem Kontakt 2 steht und der Schleifkontakt
72 auf dem Kontakt 9', so- könnte man also vermuten, daß am Relais 74 keine Spannung
auftreten und dieses Relais daher nicht betätigt werden würde. Dies ist jedoch nicht
der Fall. Die beiden Spannungen haben nämlich einen verschiedenen Phasenwinkel und
ergeben eine ziemlich große resultierende Spannung am Relais 74, so daß dieses anspricht.
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Das Servosystem nach Fig.4 enthält Briicken in Sternschaltung statt
in Dreieckschaltung. Die Wirkungsweise ist ähnlich derjenigen nach Fig.3. Die Wertigkeit
für die Schaltung nach Fig. 4, welche ein System mit zehn Stellungen darstellt,
ist
worin V die Spannung längs eines Schenkels des Sterns ist.
Fig.5
zeigt eine von zwei identischen Brücken, welche für eine andere Ausführungsform
des Servosystems benutzt wird. Die Brücke besteht aus einer Kombination einer Sternschaltung
und einer Dreieckschaltung. Die Wertigkeit für diese Anordnung ist 1/s.
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Eine kompliziertere Brückenschaltung ist in Fig. 6 dargestellt. Dort
ist ebenfalls nur eine von zwei Brücken gezeichnet. Die andere Brücke ist mit der
in Fig. 6 dargestellten identisch und ist ebenso an die in Stern geschaltete dreiphasige
Spannungsquelle angeschlossen. Die Meßvorrichtung für diese Schaltungsanordnung
und für die Schaltung in Fig. 5 kann ebenso ausgeführt werden wie für die Schaltung
in Fig. 3. Es kann gezeigt werden, daß die Wertigkeit des Systems nach Fig. 6 1/z
ist.
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Im Gegensatz zu den Schaltungsanordnungen nach Fig. 1 bis 6 mit diskreten
Einstellungen ist in Fig. 7 eine Brücke eines Servosystems mit kontinuierlicher
Einstellung dargestellt. Ein Widerstand 80, der an die festen Kontakte oder Anzapfungen
der Brücke angeschlossen ist, wird von einem Schleifkontakt bestrichen, so daß eine
kontinuierlich veränderliche Spannung abgegriffen wird. Die Genauigkeit dieser Anordnung
hängt natürlich von der Empfindlichkeit der Meßvorrichtung ab. Der Widerstand zwischen
zwei Anzapfkontakten beeinflußt die Wertigkeit nicht nachteilig, jedoch ist der
Gesamtwiderstand in Reihe mit der Meßvorrichtung viel kleiner als in Fig. 1.
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Man kann auch kompliziertere Brücken in Sternschaltung und kombinierte
Brücken für ein Potentiometer verwenden, wenn man sie hintereinanderschaltet, so
daß der Spannungsabfall zwischen den Potentiometeranzapfungen auf einem einigermaßen
konstanten und kleinen Wert bleibt.
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Bei einer mehrphasigen Brücke kann auch ein sogenannter mehrphasiger
Motor als ein kombiniertes Meß- und Betätigungselement verwendet werden. Eine derartige
Einrichtung ist in Fig. 8 dargestellt. Die Schleifkontakte 82 und 84 bestehen je
aus drei voneinander getrennten leitenden Elementen. Diese Elemente sind mechanisch
miteinander verbunden und können sich daher nur zusammendrehen. Jedes Element kommt
mit einem anderen Anzapfkontakt seiner Brücke in Berührung, so daß jeder Schleifkontakt
82 und 84 eine dreiphasige Spannung erhält. Der Dreiphasenmotor 86 besitzt drei
Statorwicklungen, von denen jede zwischen einem Element des Schleifkontaktes 82
und einem entsprechenden Element des anderen Schleifkontaktes 84 liegt. Wenn die
von den beiden Schleifkontakten abgenommenen Spannungen dieselbe Phasenlage haben,
wird der Motor 86 nicht erregt, jedoch findet eine Erregung des Motors statt, wenn
die Spannungen verschiedenphasig sind. Der Rotor 88 ist an den entfernten Schleifkontakt
84 angeschlossen, und die Belastung 90 wird daher angetrieben, bis die Schleifkontakte
82 und 84 an derselben Phase liegen. Ein wichtiger Vorteil dieser Erfindung besteht
darin, daß der Motor die richtige Einstellung auf dem kürzesten Wege herbeiführt.