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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung
zum automatischen Abstimmen elektrischer, elektromechanischer und in Verbindung
mit elektromechanischen Wandlern stehender mechanischer, passiver und aktiver, schwingfähiger
Gebilde.
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Zur Gewinnung eines Regelkriteriums zur automatischen Abstimmung eines
Schwingkreises kann man diesen mit einer Spannung der Sollfrequenz beaufschlagen
und die vom Prüfling abgenommene Spannung nach Gleichrichtung in einer Differenzierschaltung
auswerten. Der Regelvorgang muß dabei erst von außen eingeleitet werden, und die
Abgleichgenauigkeit ist wegen der Verwendung des Spannungsdifferentials in hohem
Maße von der Ansprechempfindlichkeit der zwischengeschalteten Verstärker abhängig.
Im Gegensatz zu dieser passiven Methode ist es bekannt, den abzugleichenden Schwingkreis
als frequenzbestimmendes Element in einem Oszillator zu einer aktiven Messung zu
verwenden und die Oszillatorspannung in einem temperaturstabilisierten Frequenzdiskriminator
zur Erzeugung der Steuerspannung zu verwenden. Bei Verzicht auf Abgleichgenauigkeit
kann durch Dämpfung des Frequenzdiskriminators ein sehr breiter Fangbereich, ein
großer Frequenzbereich, in dem der Regelkreis wirkt, erreicht werden. Beim automatischen
Abgleich ist man aber an hoher Genauigkeit und zugleich an einem großen Fangbereich
interessiert. Die Unvereinbarkeit dieser beiden Forderungen und der hohe Aufwand
des temperaturstabilisierten Frequenzdiskriminators lassen diese Methode nicht am
günstigsten erscheinen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Gewinnung des Regelkriteriums ist der
Phasenvergleich einer von dem abzustimmenden Schwingkreis beeinflußten Spannung
mit einer vom gleichen Normalfrequenzgenerator entnommenen, hochfrequenten Spannung
in einer Vergleichsstufe, die dann die Steuerspannung abgibt. Um einen steileren
Nulldurchang der Steuerspannungskurve über der Frequenz zu erzielen, ist es bekannt,
in den Vergleichszweig ein Phasendrehglied zu schalten, das 2 Phasenverschiebung
der Vergleichsspannung bewirkt. Zur Erzielung eines genügend breiten Fangbereiches
muß eine Regelung der Eingangsspannung oder eine Begrenzung der Steuerspannung erfolgen,
was aber höheren Aufwand darstellt.
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Eine Kombination, den abzugleichenden Schwingkreis als frequenzbestimmendes
Element in einem Oszillator zu verwenden und die erzeugte Frequenz mit der eines
Normalfrequenzgenerators in einem kombinierten Frequenz- und Phasendiskriminator
zu vergleichen, ergibt den steilsten Nulldurchgang der Steuerfunktion und somit
die höchste Abgleichgenauigkeit. Jedoch hat auch bei dieser Kombination die Steuerfunktion
die bekannte S-Form, so daß Rückregelung und/oder Begrenzung notwendig werden. Für
den etwas besseren Abgleich muß bei diesem Verfahren ein unverhältnismäßig höherer
Aufwand getrieben werden.
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Zur Messung größerer Frequenz- bzw. Phasenabweichungen sind Schaltungsanordnungen
bekannt, bei denen die Meßfunktion keinen S-förmigen Verlauf hat, sondern mit 1
bei niedrigen Frequenzen beginnt, bei einer bestimmten Frequenz zu Null wird und
für hohe Frequenzen -1 anstrebt. Bei einer solchen Schaltung wird in zwei Parallelkanälen
durch Überlagerung zwischen Eingangs- und Bezugsspannung je eine Mischspannung gebildet,
die 90° Phasenverschiebung haben, und diese Mischspannungen werden über je einen
Phasenschieber einer gemeinsamen Mischstufe zugeführt, an deren Ausgang eine Gleichspannung
entnehmbar ist, die ein Maß für die Frequenz-bzw. Phasenabweichung darstellt. Eine
derartige Schaltungsanordnung ließe sich in Verbindung mit dem abzugleichenden Schwingkreis
als frequenzbestimmendes Element in einem Oszillator zur Gewinnung eines Regelkriteriums
heranziehen, jedoch ist dieser Versuch unrentabel, da die beschriebene Schaltungsanordnung
zwar für hohe Frequenzabweichung bestimmt ist, aber, abgesehen von dem hohen Aufwand,
ist im Nulldurchgang der dann vorliegenden Steuerkurve keine ausreichende Steilheit
zu erzielen, so daß zwar ein natürlicher, großer Fangbereich, aber ungenügende Abgleichgenauigkeit
vorliegen.
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Bei einem weiteren Verfahren zum automatischen Abgleichen von Schwingkreisen
werden zwei Signale verschiedener, aber zur Sollfrequenz symmetrischer Frequenzen
über den abzugleichenden Schwingkreis geleitet, danach getrennt und amplitudenmäßig
miteinander verglichen, wodurch sich als Vergleichsspannung die als Regelkriterium
verwendete Steuerspannung ergibt. Die Signale können auch mit verschiedenen Niederfrequenzen
amplitudenmoduliert sein, so daß die Auswertung der oberhalb und unterhalb der Sollfrequenz
liegenden Signale niederfrequent erfolgen kann. Zur Erweiterung des Fangbereiches
können weitere Signale höherer und niedrigerer Frequenzen verwendet werden. Dieses
Verfahren ermöglicht einen automatischen Abgleich mit relativ hoher Genauigkeit
bei ausreichend groß zu gestaltendem Fangbereich. Obwohl der Aufwand in Anbetracht
der gegenüber denen der vorher beschriebenen Verfahren guten Ergebnisse als optimal
bezeichnet werden kann, ist er jedoch ziemlich hoch, und außerdem gestattet dieses
Verfahren, wie auch die vorher beschriebenen, nur die automatische Abstimmung passiver
Schwinggebilde.
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Es läßt sich noch erwähnen, daß es bekannt ist, ein schwingfähiges
Gebilde nach einer Sollfrequenz mit einer Regelungsschaltung einzustellen. Dabei
liegt der Schwerpunkt nicht direkt auf der Einstellung des schwingfähigen Gebildes,
sondern unmittelbar auf der Regelung einer physikalischen Größe, die das schwingfähige
Gebilde beeinflußt. Es handelt sich um zwei Brückenschaltungen, wobei die eine ein
Bezugselement und die andere ein gleich ausgebildetes Fühlelement aufweist. Die
Gewinnung der Regelgröße erfolgt durch VergleichvonAmplitude undPhasezwischen den
beiden Brückendiagonalen (vgl. USA.-Patentschrift 3 005135). Für das vorgesehene
Gebiet der automatischen Abstimmung werden aber derartige Brückenschaltungen wegen
des notwendigen Aufwandes und der zu erwartenden Ungenauigkeiten in praxi nicht
verwendet.
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Ferner ist die automatische Frequenznachstimmung eines Oszillators
derart bekannt, daß eine vom abzustimmenden Oszillator erzeugte Frequenz nach einer
Mischung mit einer zweiten Frequenz mit einer dritten Frequenz (Sollfrequenz) vom
Bezugsoszillator verglichen wird. Durch ein Phasendrehglied wird in einem der beiden
Kanäle ein Phasenunterschied von 90° zum anderen Kanal hervorgerufen. Die Signale
laufen dann über Rechteckwellenformer und im ersten Kanal noch über ein Differenzierglied.
An die beiden Kanäle schließt sich eine bekannte Anordnung, die
praktisch
einen Phasendiskriminator darstellt, an. Am Eingang eines nachfolgenden Brückenverstärkers
steht dann eine phasenabhängige Gleichspannung zur Verfügung, die über den Brückenverstärker
den Antrieb des Stellmotors bewirkt. Bei Regelabweichung wird das frequenzbestimmende
Element des 0szillators mit Hilfe des Stellmotors nachgestellt (vgl. USA.-Patentschrift
2 702 852). Die Wirksamkeit einer solchen Anordnung ist weitgehend von der Stabilität
des Brückenverstärkers und des Phasendiskriminators abhängig. Der Aufwand ist hier
durch die benötigte Vergleichsschaltung noch zu hoch und die Gefahr der durch die
einzelnen Schaltglieder hervorgerufenen Fehler sowie der bei der Gewinnung eines
Gleichspannungskriteriums entstehenden Unstabilitäten zu groß.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit
entsprechender Schaltungsanordnung zum automatischen Abstimmen elektrischer, elektromechanischer
und in Verbindung mit elektromechanischen Wandlern stehender mechanischer, passiver
und aktiver, schwingfähiger Gebilde mit elektrischen und mechanischen Mitteln zu
schaffen, wobei die Gewinnung des Regelkriteriums bei verringertem schaltungstechnischem
Aufwand und eine höhere Abstimmgenauigkeit erreicht werden.
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Die vorliegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zumautomatischenAbstimmen
schwingfähiger Gebilde, wobei das schwingfähige Gebilde nach einer Sollfrequenz
mit einer Regelschaltung eingestellt wird, indem bei Regelabweichung das frequenzbestimmende
Element der Regelstrecke mit Hilfe eines Stellmotors nachgestellt wird, erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß ein Signal der Sollfrequenz erzeugt wird, das mit einem niederfrequenten
Signal frequenzmoduliert und auf das abzustimmende Schwinggebilde geleitet wird,
an dessen Ausgang die verursachten, niederfrequenten Amplitudenschwankungen des
hochfrequenten, frequenzmodulierten Signals durch Gleichrichtung in ein niederfrequentes
Signal mit Oberwellen umgesetzt werden, das in einem nachfolgenden Verstärker verstärkt
und auf den das abzustimmende Schwinggebilde beeinflussenden Stellmotor geleitet
wird, und daß an den einen Mehrphasenmotor darstellenden Stellmotor als Hilfsphase
eine Spannung der gleichen Frequenz wie zur Modultion des sollfrequenten Signals
angelegt wird. Dabei können auch am Ausgang des abzustimmenden Schwinggebildes vor
oder nach der Gleichrichtung synchron zum Eingangssignal eine Umtastung vorgenommen
und die dadurch erzeugten Gleichspannungen in bekannter Weise für die richtungsabhängige
Abstimmung verwendet werden. Für die Frequenzmodulation des sollfrequenten Signals
kann im speziellen Fall ein niederfrequentes Rechtecksignal verwendet werden, was
einer Frequenzumtastung gleichkommt. Auch ist es möglich, als Modulationsspannung
ein Signal zu verwenden, das außer der Grundwelle noch wesentliche Anteile ungradzahliger
Harmonischer enthält, die in ihren jeweils in Betracht kommenden Maximalwerten zeitlich
mit denen der Grundwelle zusammenfallen. Zur Erzeugung eines ähnlichen frequenzmodulierten
Signals kann auch ein sinusförmiges, niederfrequentes Signal verwendet werden, wobei
dann der impulsartige, sonst durch die ungeradzahligen Harmonischen bewirkte Charakter
des frequenzmodulierten Signals über eine nichtlineare Modulationskennlinie des
Frequenzmodulators erreicht wird. Da für die Regelung nur die Größe der Grundwelle
entscheidend ist, kann nach der Gleichrichtung vor oder während der Verstärkung
zur Vermeidung einer Überbelastung der letzten Verstärkerstufen und des Stellmotors
durch die ohnehin für die Regelung nutzlosen Oberwellenanteile die Grundwelle ausgefiltert
und dem Stellmotor als Regelkriterium zugeführt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die frequenzmodulierten
Signale auch durch einen Eichkreis der Sollfrequenz beeinfiußt und das gewonnene
Regelkriterium zur Nachstimmung des Eingangsoszillators verwendet werden. In noch
weiter gehender Ausbildung kann nach dem beschriebenen Verfahren ein frequenzmodulierter
Generator in seiner Sollfrequenz dadurch mit einem Festgenerator geregelt werden,
daß durch Vergleich der beiden Signale in Form einer Transponierung auf die Frequenz
Null und anschließende Auswertung mit einem frequenzabhängigen Netzwerk, wie Tiefpaß-
oder Differenzierglied, das Regelkriterium zur Nachstimmung des frequenzmodulierten
Generators gewonnen wird.
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Zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ist eine Schaltungsanordnung
vorgesehen, bei der ein das hochfrequente Signal der Sollfrequenz erzeugender Generator
mit einem dieses Signal niederfrequent modulierenden Frequenzmodulator verbunden
ist, an den das abzustimmende Schwinggebilde angeschlossen ist, welches ausgangsseitig
mit einer Gleichrichterstufe verbunden ist, der ein Verstärker und ein Stellmotor
nachgeordnet sind, wobei die Hilfsphase des Stellmotors mit der gleichen niederfrequenten
Spannungsquelle verbunden ist, mit der auch der Frequenzmodulator gekoppelt ist.
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Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der entsprechenden
Schaltungsanordnung ist außer dem geringen Aufwand, daß hinter dem abzustimmenden
Schwinggebilde nur noch niederfrequent gearbeitet wird, wobei keine Vergleichsschaltungen
mehr notwendig sind, so daß Fehler durch Laufzeiten und entsprechend verfälschende
Phasenbeeinflussung des Meßergebnisses, Fehler durch Vergleich beim Arbeiten mit
niederfrequenten Spannungen und Fehler durch bei der Auswertung kleiner Gleichspannungen
und entsprechender Verstärkung entstehende Unstabilitäten bei Gewinnung eines Gleichspannungskriteriums
jetzt durch Gewinnung des Regelkriteriums nach einfacher Gleichrichtung direkt am
Prüfling und sofortige Verwendung zur Steuerung des Stellmotors vermieden werden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben,
wobei in den einzelnen Figuren folgendes dargestellt wird: F i g. 1 ein Blockschaltbild
eines Regelkreises zum automatischen Abstimmen, F i g. 2 Frequenz- und Spannungsverläufe
in einem Regelkreis nach F i g. 1, F i g. 3 Frequenz- und Steuerspannungsverläufe.
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In F i g.1 ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung als Blockschaltbild
dargestellt. Dabei ist ein Generator 1 zur Erzeugung des hochfrequenten Signals
der Sollfrequenz vorgesehen, der mit einem Frequenzmodulator 2 verbunden ist. Das
frequenzmodulierte Signal wird dem abzustimmenden Schwinggebilde 3 zugeführt, das
mit einer Gleichrichterstufe 4
verbunden ist, der ein Verstärker 5 mit dem
Stellmotor 6 nachgeordnet ist. Außerdem ist eine niederfrequente Spannungsquelle
7 vorgesehen, die mit dem
Stellmotor 6 und dem Frequenzmodulator
2 verbunden ist.
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Das frequenzmodulierte Signal wird durch das anfangs verstimmte Schwinggebilde
so beeinflußt, daß ein Signal mit niederfrequent schwankender Amplitude entsteht.
Die Schwankungsperiode ist dabei die der aufmodulierten Niederfrequenz. Die Amplitudenschwankungen
der hochfrequenten Spannung werden durch Demodulation in der Gleichrichterstufe
4 in eine niederfrequente Spannung übergeführt, die nach Verstärkung zusammen
mit der Hilfsphase ein gerichtetes Drehmoment des Stellmotors 6 je nach Art der
Verstimmung des abzustimmenden Schwinggebildes 3 zu dessen Nachstimmung bewirkt.
Bei Erreichen der Solleinstellung ist die Grundwelle der gewonnenen, niederfrequenten
Spannung völlig verschwunden, so daß kein Drehmoment mehr im Stellmotor 6 entsteht.
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Das Zustandekommen der Amplitudenschwankungen der hochfrequenten Spannung
mit der Periode der modulierten Niederfrequenz durch Einwirkung des abzustimmenden
Schwinggebildes ist in F i g. 2 dargestellt. Auf dem unteren Teil der senkrechten
Achse ist über co t die normierte Frequenzänderung des hochfrequenten Signals
aufgetragen als S2 = S2, -+- H - cos co t.
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Über der Abszisse sind die Charakteristika verschiedener Resonanzfälle
über S2 aufgetragen. Über co t
sind weiterhin die sich für die verschiedenen
Verstimmungen 0, des Resonanzkreises ergebenden Spannungsverläufe g (co
t) dargestellt, woraus schon zu erkennen ist, daß bei der Abstimmlage des
Resonanzkreises für S2, = 0 die Grundwelle verschwindet und einen Phasensprung aufweist,
der dann zu der Richtungsumkehr des Drehmomentes im Stellmotor führt.
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Das Verhalten ist aber auch mathematisch wie folgt leicht zu beschreiben:
Der Verlauf der Resonanzkurve läßt sich angeben durch
Wenn über den Kreis eine Spannung der modulierten Frequenz S2=f2o+H-coscot mit co
= 2 7v fv geführt wird, ergibt sich nach Demodulation ein in der Amplitude schwankender
Spannungsverlauf
Da eine Fourieranalyse dieser Funktion zu elliptischen Integralen führt, soll nur
der allgemeine Verlauf betrachtet werden. Nach Umformung mit dem entsprechenden
Additionstheorem ergibt sich
Eine Betrachtung für verschiedene Verstimmungen S20 führt zu einer Schreibweise
in folgender Form:
mit qg = 0 für S2. > 0 und T = n für Q,<0. Aus der letzten Darstellung erkennt
man, daß die Grundwelle, die allein das Drehmoment des Stellmotors bestimmt, für
00 = 0 verschwindet und nur noch Oberwellen auftreten. Weiterhin ergibt sich aber
der Phasensprung der Grundwelle bei Überschreiten der Abstimmeinstellung des Schwinggebildes,
so daß der Stellmotor 6 dann eine Drehrichtungsumkehr erfahren würde.
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In F i g. 3 ist über der normierten Verstimmung SZ der lediglich von
der Grundwelle abhängige Steuerspannungsverlauf qualitativ dargestellt. Man ersieht
aus der Darstellung, daß eine Erhöhung des Frequenzhubes H bei der Frequenzmodulation
den Anteil der Grundwelle und damit die Steuerspannung zunächst erhöht, aber bei
Überschreiten der Verstimmung für H > 920 der Grundwellenanteil wieder verringert
wird. 3e mehr aber der Hub H erhöht wird, desto mehr wird die Rückenflanke der Steuerspannung
in weitab vom Abgleichpunkt gelegene Bereiche gedrängt. Außerdem kann man durch
geeignete Mittel, z. B. eine entsprechend nichtlinear verifizierte Modulationskennlinie
des Frequenzmodulators 2, den Verlauf der Frequenzänderung nicht cosinusförmig,
sondern impulsförmig gestalten mit großer Impulshöhe und geringer Breite, wodurch
der Grundwellenanteil und damit die Steuerspannung sowie deren Steilheit im Nulldurchgang
wieder wesentlich erhöht werden. Unter Ausnutzung dieser verschiedenen Einflüsse
kann man einen Steuerspannungsverlauf erzielen, der eine sehr hohe Steilheit in
Abgleichnähe aufweist, was einen geringen Regelfehler zur Folge hat, und der für
einen sehr breiten Frequenzbereich über der Ansprechspannung des Regelkreises liegt.