DE1588219C3

DE1588219C3 - Servoregelsystem

Info

Publication number: DE1588219C3
Application number: DE1588219A
Authority: DE
Inventors: Albert Arnold Pittsfield Clark; Allen George Dalton Craig; Benjamin Pittsfield Wilbur
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-01-21
Filing date: 1967-01-19
Publication date: 1978-04-20
Also published as: BE692937A; JPS5012559B1; NL157998B; GB1170585A; FR1514417A; SE340541B; DE1588219B2; NL6616110A; DE1588219A1; CH475594A; US3456511A

Description

Die Erfindung betrifft ein Servoregelsystem zur Stabilisierung einer gyrostabilisierbaren bewegbaren Plattform in einer gewünschten Winkellage relativ zu einer Achse mit einem umschaltbaren Servomotor, der mit der Plattform über eine Einrichtung zum Reduzieren der Drehzahl gekoppelt ist um die Plattform um die Achse zu bewegen, bei dem ein transistorisierter Leistungsverstärker mit dem Motor verbunden ist der dem Motor Strom zu seiner Speisung zuführt, mit einer auf die Auswanderung der Plattform aus der gewünschten Winkellage ansprechenden Vorrichtung, die ein Signal abgibt das die Plattformbewegung anzeigt mit einem Servoverstärker, der Eingangssignale an den Leistungsverstärker abgibt und der ferner so verbunden ist daß er das Plattformbewegungssignal als erstes Rückkopplungssignal aufnimmt und daß er die Plattform in der gewünschten Lage stabilisiert

Bei bekannten Regelsystemen wird eine Masse hoher Trägheit durch ein, eine geschlossene Rückkopplungsschleife enthaltendes System im Raum stabilisiert, indem ein mit der Masse verbundener Servomotor den auf die Masse einwirkenden Störbewegungen entgegenwirkt Ein umschaltbarer Gleichstrommotor dient dabei als Hauptantrieb für die Masse hoher Trägheit und er wird mit einer elektrischen Spannung versorgt deren Polarität und Amplitude von einem Fehlersignal abhängt das durch Vergleich eines Lage-Eingangssignals mit einem Lage-Rückkopplungssignal im Servoverstärker erzeugt wird. Andere von diesem Fehlersignal verschiedene Fehlersignale werden im allgemeinen von der Hauptachse der beweglich aufgehängten Plattform mit einer oder mehreren Fühleinrichtungen abgeleitet, die zur Erfassung der Bewegung im Raum bei bekannten Systemen direkt mit der Plattform verbunden sind.

Bei früheren Regelsystemen ist die Plattform mit dem Servomotor über eine Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit verbunden, welche im allgemeinen ein Reduzier-Zahnradvorgelege ist die das benötigte Drehmoment liefert Die mechanische Kraft wird von einem herkömmlichen hochtourigen Motor abgeleitet, dessen Drehzahl auf im Bereich von 300 :1 bis 1000 :1 liegende Übersetzungsverhältnisse herunter übersetzt ist wodurch jedoch viele unerwünschte Einflüsse auf die Hochleistungs-Servoregelung eingeführt werden. Diese Einflüsse umfassen zusätzliche.Trägheit, die manchmal größer ist als die der Plattform, ferner Schlupf, Federung und Reibung wie auch mechanische Resonanzen im Vorgelege.

Die Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit bei Servoantrieben in Servoregelsystemen wurde bereits durch die Verwendung eines direkt antreibenden Systems beseitigt In diesem System steuert ein Servokraftantrieb einen langsam umlaufenden Elektromotor, der mit der Last über ein durchgehend massives, im wesentlichen starres Element verbunden ist

Es ist andererseits nach einem Aufsatz von T. M i t sutomi in den IRE Transactions, vom Juni 1958, Seiten 95 bis 105, ein Servoregelsystem der eingangs erwähnten Art bekannt das bei größeren Abweichungen von der Sollage zwar ausreichend genau arbeitet, bei dem jedoch keine ausreichenden Vorkehrungen getroffen sind, um kleinere und schnelle Regelabweichungen auch auszuregeln. Dadurch können sich in bestimmten Frequenzbereichen Instabilitäten ergeben. Eine Lösung dieses Problems hat man bereits mit Hilfe des dabei verwendeten Leistungsverstärkers versucht Dieser wurde transistorisiert, jedoch hat dies auch nicht zu einer endgültigen Lösung des Problems der Instabilitäten geführt

Es ist andererseits nach der US-PS 30 68 705 auch schon ein Servoregelsystem zur Stabilisierung einer Plattform bei einem gyroskopischen Apparat bekannt Bei diesem Regelsystem ist der elektrische Antrieb über eine biegsame Verbindung mit dem Gyroskop verbunden. Die Verbiegung der biegsamen Verbindung wird gemessen und als Rückkopplungssignal zur linearen

Steuerung des Drehmoments, das der Gyroskopachse zugeführt wird, verwendet Bei diesem Regelsystem ist jedoch nicht einmal der Vorschlag gemacht, durch eine Transistorisierung des Leistungsverstärkers das Ansprechverhalten zu verbessern.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein empfindliches und schnelles Servoregelsystem zur Stabilisierung einer gyrostabilisierbaren bewegbaren Plattform der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem Instabilitäten und bedingte Stabilitäten in allen praktisch vorkommenden Frequenzbereichen, insbesondere bei raschen Bewegungen der Plattform vermieden sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Servomotor ein Gleichstrommotor ist, daß die Trägheit des Gleichstrommotors und der Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit klein im Vergleich zur Trägheitsmasse ist und daß der Leistungsverstärker ein tastbarer Verstärker ist, der als Eingangssignale das Ausgangsfehlersignal des Servoverstärkers und ein sich zyklisch änderndes Signal einer bestimmten Bezugsfrequenz aufnimmt und der ein Ausgangssignal abgibt, das bei der Bezugstastfrequenz pulslängenmoduliert ist, wobei das Tastverhältnis dem Fehlersignal entspricht

Die erfindungsgemäße Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe schafft ein Servoregelsystem, das nicht nur eine große Servobandbreite aufweist, sondern das auch eine genügende Empfindlichkeit besitzt, so daß bereits kleine Regelabweichungen ausgeregelt werden können. Darüber hinaus werden aber auch große Regelabweichungen noch ausgeregelt Erst die erfindungsgemäße Anordnung zusammen mit der Transistorisierung des Leistungsverstärkers ergeben diese vorteilhaften Wirkungen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird auch eine Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit verwendet, jedoch lassen sich dabei Leistungsgewinne erhalten, die bisher als charakteristisch für direkt angetriebene Servoregelsysteme angesehen wurden. Dabei können gewisse, bei einem Antrieb mit Geschwindigkeitsreduzierung gegebene wünschenswerte Verhaltensmerkmale, einschließlich geringem Gewicht und geringer Größe im Vergleich zu direkt antreibenden Hauptantrieben beibehalten werden.

Die Begrenzung der Trägheit wird dadurch erzielt, daß ein Minimum an drehmomentvermehrenden Elementen vorgesehen ist, soweit sich das mit den Drehmomentsanforderungen für die Plattformstabilisation vereinbaren läßt Die Trägheit der gesamten Antriebsstrecke liegt bezüglich des Energieaufwands beträchtlich unterhalb der Trägheitsmasse des Motors.

Ganz allgemein kann das Wesen der vorliegenden Erfindung durch Bezugnahme auf eine mathematische Beziehung, weiche die durch eine Antriebsstrecke reflektierte Trägheit definiert, wie folgt erläutert werden:

Die gesamte Trägheit des Systems kann somit durch folgende mathematische Gleichung dargestellt werden:

J μ =

worin

Jm die Trägheit des Motors und der Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit bezogen auf die

Masse, ist (Masse · Abstand²),
Js die Trägheit des Motors und der Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit am Motor ist

(Masse · Abstand²),
μ das Übersetzungsverhältnis des Getriebes ist

Jt = Ju +

worm

Jt die gesamte Trägheit des Systems ist (Masse

stand²),

Jl die Trägheit der Plattformlast ist (Masse · Abstand²),

Jm die Trägheit des Motors und der Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit, bezogen auf die Masse, ist (Masse · Abstand²).

Wenn das Verhältnis /«//reinen errechneten prozentualen Wert von weniger als 15% hat dann ist der auf die Plattformstabilisation entsprechend der von der Antriebsstrecke reflektierten Trägheit nachteilig einwirkende Einfluß kaum bemerkbar. Eine genaue Stabilisation wurde mit einem System erzielt das bei Verhältnissen von 0,05% bis 5% untersucht wurde. Das Reduktionsverhältnis für die Geschwindigkeit mit dem diese Ergebnisse erzielt werden, hängt sowohl von der Motorträgheitscharakteristik und den Drehmomentsanforderungen des Systems als auch von weiteren Parametern für den speziellen Anwendungsfall ab. Deshalb ist es nicht möglich, eine ausreichende vollständige Verallgemeinerung hinsichtlich des Reduktionsverhältnisses für die Geschwindigkeit für alle Systeme anzugeben. Nur zur weiteren Veranschaulichung sei angegeben, daß Übersetzungsverhältnisse im Bereich von 40 :1 zu 4 :1 die gewünschten Ergebnisse in einem System mit einem langsam und stark gedrosselten Drehmoment laufenden Servomotor geliefert haben, wobei eine geringere reflektierte Trägheit bei niedrigeren Übersetzungsverhältnissen erzeugt worden ist Ein Ansteigen der Plattformmasse erlaubt höhere Übersetzungsverhältnisse um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen, was die Gefährlichkeit noch weiter verringert, wenn die Übersetzungsverhältnisse von den oben angegebenen allgemeinen Grundsätzen abweichen. Die oben allgemein beschriebene Antriebsstrecke ist für eine genaue Stabilisation der Plattform mit Einrichtungen zum Ermitteln der Bewegung im Raum und Servoeinrichtungen zur Steuerung des Motors verbunden. Die Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit für die Antriebsstrecke kann aus Getrieben oder anderen mechanischen Verbindungen bestehen, die Kurbel- und Hebelkombinationen od. dgL einschließen.

In seinem grundsätzlichen Aufbau ist im vorliegenden Servo-Regelsystem die mit gering reflektierter Trägheit aufgebaute Antriebsstrecke mit der Plattform verbunden. Die Einrichtungen zum Emitteln einer Bewegung im Raum liefern ein Signal, das kennzeichnend für die Plattformbewegung ist Dieses Signal wird vom elektrischen Servoteil des Systems umgeformt und liefert ein der Stabilisierung dienendes Rückkopplungssignal für den Motor der Antriebsstrecke. Die elektrischen Komponenten und die Schaltung, welche die Rückko'pplungsschleife des Servoteils des Regelsystems bilden, sind so konstruiert und miteinander verbunden, daß die Plattform über einen relativ breiten Frequenzbereich hinsichtlich der eingangsseitig wirksamen Grundbewegung stabilisiert ist Das die Bewegung im Raum kennzeichnende Signal wird in einem Servoverstärker leicht verstärkt welcher ein Fehlersi-

gnal für einen getasteten Kraftverstärker liefert, von dem das Steuersignal für den Motor abgeleitet wird. Dieser besondere Kraftverstärker, der im folgenden noch genauer beschrieben wird, erlaubt für den Servovorgang eine große Bandbreite durch die Verwendung einer Schaltfrequenz, die bedeutend über der des gewünschten Servobandpasses liegt Zusätzliche elektrische Rückkopplungen könen in den Servoteil des Systems zur Verbesserung der Leistung eingeführt werden. Ein Stromrückkopplungssignal im Servo ίο verbessert die Isolierung zwischen der Motormasse und der Plattformmasse bei hohen Frequenzen und bewirkt geringere Fehler bei der Servotätigkeit Das Servoregelsystem kann mit weiteren zusätzlichen Merkmalen ausgestattet sein, welche noch weitere betriebliche Vorteile liefern. Ein integrierender Schaltkreis für den Servoverstärker kann als Lagegedächtnis für das System vorgesehen sein, welche die Plattform in eine bestimmte räumliche Lage zurückführt, nachdem vorübergehend auftretende Störmomente, die die Drehmomentsleistung des Systems übersteigen, beseitigt sind. In ähnlicher Weise kann auch eine Maximalstrombegrenzung in die Schaltung für den Servoteil des Systems eingefügt werden, um eine Überlastung des Motors oder des Kraftverstärkers zu verhindern. Die Haupteinrichtungen zum Ermitteln der räumlichen Bewegung der Plattform können ein Beschleunigungsmesser, ein Kreisel oder ähnliche Einrichtungen sein.

Eine Beschleunigung der Plattform längs ihrer Höhen- und Querachse wird mit einem oder mehreren mit ihr verbundenen Kreisel gemessen. Solange die Geschwindigkeit der Bewegung im Raum, wie sie mit einem oder mehreren Kreiseln gemessen wird, mit dem Servoregelteil des Systems auf Null gehalten wird, verbleibt die Plattform in einer stationären Lage im Raum. Um die Plattform in eine andere räumliche Lage zu bewegen, kann ein Sollwert-Signal in den Servokreis eingespeist werden, welches die Plattform so lange verstellt, bis die von einem oder mehreren Kreiseln gemessene Geschwindigkeit mit dem Geschwindigkeitssollwert übereinstimmt Das Kreiselsignal wird an einen Servoverstärker angelegt, der ebenfalls die üblichen Eingangssignale zusammen mit Sollwert-Signalen erhält Ein Rückkopplungsverstärker zusammen mit den zugeordneten Schaltkreisen ist als Rückkoppung zwischen den Gleichstrommotor und den Servo-/erstärker geschaltet, um die Plattform zur verbesserten Stabilisierung gegen Störbewegungen der Basis zu solieren.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordlung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom jes Motors, der aus den pulslängenmodulierten Signalen gebildet wird, in eine zweite Stromrückkoppungsschleife eingespeist wird, die den Motor mit dem Eingang des Servoverstärkers verbindet Dazu ist 55 worin orteilhafterweise im Motorschaltkreis ein Shund orgesehen, der einen Strom proportional dem Strom !es Motors liefert und damit das System mit einem /eiteren Stromrückkopplungssignal versorgt Die Uromrückkopplungsschleife enthält vorzugsweise Einichtungen, die das Stromrückkopplungssignal, bevor es em Leistungsverstärker zugeführt wird, begrenzen. Damit wird der dem Gleichstrommotor zugeführte pitzenstrom begrenzt Die Geschwindigkeitsrückopplungssignale des Steuerkreises, die Stromrückopplungs- und die Strombegrenzungssignale werden ile in einer später im einzelnen beschriebenen Weise jsammengeführt, um ein kompensiertes und richtig begrenztes Fehlersignal für einen Gleichstrom-Kraftverstärker zu liefern, der zwischen den Servoverstärker
und den Servomotor geschaltet ist Dieser Kraftverstärker liefert einen nach Polarität und Amplitude dem
Steuerbefehl des Servoverstärkers entsprechende getastete Spannung. Die Verwendung eines in Festkörpertechnik aufgebauten, getasteten Kraftverstärkers liefert
eine kurze Zeitkonstante, weiche zusammen mit der
verhältnismäßig kurzen Zeitkonstante der Übertragungskette des Systems eine genaue Gesamtregelung
sicherstellt

Die Antriebsstrecke in dem oben beschriebenen,
einen Bandpaß enthaltenden servomechanischen Regelsystem umfaßt den umschaltbaren Gleichstrommotor,
der mit einem Reduzier-Vorgelege verbunden ist Diese
Kombination liefert das erforderliche Drehmoment für
die Stabilisationsbewegungen der Plattform bei dem
relativ niedrigen, vorausgehend erklärten Trägheitsverhältnis JmUt- Die üblichen hochtourigen Servomotoren,
welche mit ungefähr 1800 Umdrehungen pro Minute
und mehr umlaufen, können wegen der sehr hohen
Rotorträgheit keine Verwendung finden. Um die den
verfügbaren, umschaltbaren Gleichstrommotoren von
Natur aus anhaftende hohe Rotorträgheit zu überwinden, ist es notwendig, einen Motor zu verwenden,
welcher ein hohes Drehmoment bei einer viel
geringeren Geschwindigkeit von ungefähr 300 Umdrehungen pro Minute liefert Die vom Motor selbst
beigesteuerte, durch die Bezeichnung Jm dargestellte
Trägheit kann dabei auf einem vergleichsweise niederen
Wert gehalten werden. Das Reduzieren der Motorgeschwindigkeit verkleinert auch das Übersetzungsverhältnis der ausgewählten Einrichtung zum Reduzieren
der Geschwindigkeit, welches angenehmerweise die
Schlupf- und Reibungsverluste bei der Servoreaktion
verringert Die spezielle Kombination eines niedertourigen Motors mit einer Geschwindigkeitsreduktion im
Bereich von ungefähr 4 :1 zu 40:1 führt zu solch relativ
niedrigen Jm-Werten. Es gibt noch weitere im Vergleich
mit herkömmlich übersetzten Antrieben hinsichtlich der
Servoleistung erzielbare Vorteile, die von niedrigen
Jm-Werten hergeleitet werden können. Insbesondere ist
eine höhere als mit herkömmlichem Antrieb mögliche
mechanische Resonanzfrequenz als zusätzlicher Gewinn eines niedrigen Jm-Wertes erzielbar, obwohl die
Steifigkeit des Vorgeleges nicht größer ist Dieser
Gewinn tritt sichtbar zutage bei der Betrachtung der
Beziehung für die Energie-Übertragungsfunktion in
einem Lage-Servosystem. Die Resonanzfrequenz eines
Motors, der mit der Last über ein Vorgelege verbunden
ist ist gegeben durch:

(J „ +J₁) K₀

(3)

W_n die ungedämpfte Resonanzfrequenz ist (Radius/
Sek.),

Jm die Trägheit des Motors und der Einrichtung zum
Reduzieren der Geschwindigkeit, bezogen auf die
Masse, ist (Masse · Abstand²),

Jl die Trägheit der Plattformmasse ist (Masse · Abstand²),

Ko die Federkonstante des Vorgeleges ist (Gewicht · Abstand/Radius).

Somit wird bei einer gegebenen Steifigkeit (Kc) und
einer Trägheitsmasse (Ji) aus der Gleichung (3)

w S« bi m Er Ai

Prc dui Zu bai Ro hol dre de im tri im

., übt Φ Se· stu ter dar 1 Ze

pri we

ste Ek

Er mf Fr

abgeleitet, daß die Resonanzfrequenz mit dem Kleinerwerden von Jm ansteigt Auf diese Weise können Servosysteme mit größerer Bandbreite als mit den bisher zur Verfugung stehenden Hochgeschwindigkeitsmotoren erhalten werden, wodurch die vorliegende Erfindung im weitesten Maß für die verschiedensten Anwendungsgebiete verwendet werden kann.

Es wird nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung durch die spezielle Kombination eines niedertourigen Motors und den obenerwähnten Verhältnissen für die Geschwindigkeitsreduktion zu begrenzen. Da eine Verbesserung der Servoleistung im Vergleich mit herkömmlichen Antrieben zum Verringern der Geschwindigkeit mit verhältnismäßig niedrigen /atWerten erzielt wird, wird es offenbar, daß auch eine andere Einrichtung existiert, um diese Ergebnisse zu erhalten. Durch das Beseitigen der herkömmlichen hochtourigen Servomotoren charakterisierenden hohen Rotorträgheit wird es möglich, höhere Obersetzungsverhältnisse für die Geschwindigkeitsreduktion ohne Ansteigen des /AfWertes zu verwenden. Während bei höheren Übersetzungsverhältnissen das Anwachsen der Reibung g\ und des Schlupfes in den Servosystemen erwartet wird, • konnten bei einer besonderen Anwendung alle Nachteile durch ein niedrigeres, für den Motor erforderliches Drehmoment und einen verbesserten Wirkungsgrad wegen der höheren Motorgeschwindigkeit wettgemacht werden. Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, daß die Erfordernisse der' Erfindung für die Antriebsstrecke so lange erfüllt werden, als die addierten Werte der Motorträgheit und der Trägheit für die Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit bei einigen Prozenten der Systemträgheit gehalten werden, die durch die Plattform und ihre Belastung gegeben ist In Zukunft zur Verfügung stehende hochtourige, umschaltbare Gleichstrommotoren, die durch eine niedrige Rotorträgheit gekennzeichnet sind, und welche bei höheren Geschwindigkeiten ein bedeutendes Ausgangsdrehmoment abgeben, machen sich bisher ausschließende Kombinationen möglich. Daher zieht die Erfindung im weitesten Sinne geschwindigkeitsreduzierende Antriebs-Servosysteme in Betracht, bei denen der //w-Wert immer klein ist im Vergleich zu dem /rBetrag, was überrascht im Hinblick auf den beim Entwickeln von ;l Servoanlagen gültigen Grundsatz, daß die Systemleistung immer ein Kompromiß hinsichtlich der verwendeten Einrichtung zum Reduzieren der Geschwindigkeit darstellt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschema eines elektromechanischen Servosystems gemäß der Erfindung zum Stabilisieren der Plattformbewegung längs einer Achse,

Fig.2 ein Blockschema für einen Servoverstärker gemäß F ig. 1,

Fig.3 ein ausführliches Blockschema, das die prinzipiellen Elemente der Servoeinrichtung zeigt, aus weichen das Regelsystem gemäß F i g. 1 besteht

F i g. 4 ein Blockschema für ein Zweiachsen-Regelsystem gemäß der Erfindung.

In der Zeichnung werden in allen Figuren für gleiche Elemente jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet

In F i g. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung für die Anwendung mit hohen Stördrehmomenten beschrieben, bei der ein Kreisel mit einem Freiheitsgrad Betrag und Geschwindigkeit der Bewegung mißt wobei seine empfindliche Achse entweder auf die Höhen- oder Querachse der Plattform ausgerichtet ist Vorzugsweise wird ein zweiter Geschwindigkeitskreisel mit seiner empfindlichen Achse rechtwinklig zu der Achse des ersten Kreisels ausgerichtet Die beschriebene Kreiselanordnung wird allgemein für Zweiachsen-Stabilisaöon der Plattform benutzt wobei getrennte von der Höhen- und der Querachse abgeleitete Fehlersignale individuelle Antriebsstrecken in einer später beschriebenen Weise antreiben. Da im wesentlichen dieselben Servoelemente für diesen Zweck in jeder stabilisierten Achse benutzt werden, braucht nur die Anordnung einer einzigen Achse betrachtet werden. Demgemäß wird die Lage der Plattform 10 hinsichtlich der Höhenachse durch einen umschaltbaren, niedertourigen Gleichstrommotor 12 festgehalten, welcher mit der Plattform durch ein Reduktionsvorgelege 14 verbunden ist, um die Plattform im Vergleich zu der zu stabilisierenden Masse mit einer kleinen Motor- und Getriebeträgheit anzutreiben. Ein Einachsen-Geschwindigkeitskreisel 16 ist starr an der Plattform befestigt und liefert ein Geschwindigkeitssignal, das der Bewegung der Plattform im Raum proportional ist Der Geschwindigkeitskreisel hat vorzugsweise integrierende Eigenschaften, um eine größere Genauigkeit im Vergleich zu konventionellen Geschwindigkeitskreiseln zu erzielen. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die Lagestabilisation dadurch erzielt daß die Geschwindigkeitssignale, wie sie von den beiden Kreiseln gemessen werden, durch entsprechende Servoelemente auf Null gehalten werden, wodurch die Plattform in irgendeiner vorher festgelegten räumlichen Lage gehalten wird. Dies wird durch den Vergleich von an den Kreiseln abgenommenen Signalen erzielt, wobei so lange Drehmomente um die verschiedenen Kreiselachsen erzeugt werden, bis alle Signalableitungen im wesentlichen verschwinden. In Fig. 1 ist im Interesse der größeren Klarheit nur die Servoschleife für die Höhenachse dargestellt, jedoch folgt, daß eine gleiche Anordnung für die Querachsenstabilisation verwendet werden kann. Je nach den anzuwendenden Leistungskriterien können zum Stabilisieren der speziellen Achsen verschiedene Einrichtungen zum Reduzieren der Geschwindigkeit in der Antriebsstrecke verwendet werden. So z. B. liefert eine Kurbel und ein Hebelgestänge, das mit einem Servomotor verbunden ist eine geeignete Geschwindigkeitsverringerung längs einer Achse, an welcher nur eine begrenzte Bewegung auftritt

Eine Steuerstufe 18 stellt einen Vereinigungspunkt in der Servoregelschleife zum Zuführen der Steuersignale für den Fall dar, daß die Plattform aus ihrer trägheitsstabilisierten Lage in eine andere räumliche Orientierung gebracht werden solL Die Gleichstromlagesignale werden einem Servoverstärker 20 zugeführt, welcher aus dem Lagesignal, dem vom Kreisel gelieferten Signal und der Stromrückkopplung ein zusammengesetztes Fehlersignal für den Kraftverstärker 22 liefert Solange kein Lageeingangssignal an den Servoverstärker angelegt wird, besteht dessen Ausgang aus einem irgendwelchen Störbewegungen der Plattform entgegenwirkenden StabilisierungssignaL Der umlaufende Kreisel mißt ununterbrochen die Abweichungen der Kreiseldrehachse von ihrer Nullage. Die Antriebsstrecke bewegt die Plattform bis die Geschwindigkeitssignale vom Kreisel und das Lageeingangssignal gleich sind. Eine Stromrückkopplungsschleife 24 leitet ein kontinuierliches Signal von einem Shunt in der Servomotorschaltung ab, welches dem Motorstrom proportional ist Das Stromrückkopplungssignal wird in einem Verstärker 26 verstärkt der mit einem Netzwerk

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zur Begrenzung des dem Servomotor zugeführten Maximalstroms versehen ist und eine Nachführung für die Motorgeschwindigkeit im Interesse einer schnellen Servoreaktion liefert

Im Betrieb wird das Kreiselgeschwindigkeitssignal und das eingestellte Stromrückkopplungssignal im Servoverstärker zusammengeführt, um ein Ausgangsfehlersignal zu liefern, das direkt zur Steuerung des Servomotors dem Kraftverstärker zugeführt wird. Dies stellt eine Vereinfachung bekannter Servosysteme dar, die eine vereinigte Kreisel- und Stromrückkopplung verwenden, wobei das Kreiselgeschwindigkeitssignal differenziert wird, bevor es mit dem Stromrückkopplungssignal zusammengeschaltet wird. Die Zusammensetzung der Signale, wie es das Ausführungsbeispiel zeigt bringt beträchtliche Vorteile hinsichtlich der Leistung und insbesondere hinsichtlich der Drehmomentreaktion, wobei damit kein oder nur ein geringer Kostenanstieg in bezug auf das Gesamtsystem verbunden ist Wenn man einen integrierenden Schaltkreis als unterste erste Stufe für den Servoverstärker vorsieht erhält man als zusätzlichen Vorteil ein Lagegedächtnis und eine hohe Verstärkung bei niedriger Bewegungsfrequenz.

In Fig.2 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Servoverstärkers gemäß F i g. 1 dargestellt Der Verstärker 20 verkettet das Eingangslagesignal (Sollwert), das Geschwindigkeitssignal des Kreisels, das Stromrückkopplungssignal mit einem Signal zur Strombegrenzung und beaufschlagt den Kraftverstärker mit einem stabilisierten und kompensierten und in geeigneter Weise begrenzten Signal. Integrierende Schaltkreismerkmale im Servoverstärker liefern ein Lagegedächtnis zur automatischen Zurückführung in eine Sollwert-Lage für den Fall, daß Stördrehmomente die für den Servomotor gültigen Nennwerte übersteigen. Dementsprechend werden das Lageeingangssignal und das Geschwindigkeitssignal des Kreisels direkt an einen Vorverstärker 28 gelegt mit dem eine Rückkopplungsschleife 30 für hohe Verstärkung bei niedriger Frequenz verbunden ist Dadurch bleiben Fehler infolge eines Massen- oder äußeren Drehmoments, der Grundbewegung und der Drift des Servoverstärkers klein. Ein Lagegrenzsignal, welches in konventioneller Weise von einem nicht dargestellten Tachometer und Potentiometer, die mit dem Servomotor verbunden sind, abgeleitet wird, wird über einen Widerstand 32 dem Gleichstromverstärker 34 zugeführt wobei das Ausgangssignal des Verstärkers in Form einer Gleichspannung die Lage und Geschwindigkeit der Plattform in bezug auf irgendeine bestimmte Grenzlage anzeigt Das Ausgangssignal des Verstärkers wird zwei Zenerdioden 36 und 38 zugeführt die so zusammengeschaltet sind, daß sie einen Unempfindlichkeitsbereich aufweisen, um den Wert des Spannungssignals am Verbindungspunkt 40 zu begrenzen. Das Spannungssignal in diesem Punkt wird dadurch proportional entsprechend der Annäherung der Plattform an die Grenzlagen verringert, um dort die Plattformgeschwindigkeit zu verringern. Ein Stromrückkopplungssignal vom nicht dargestellten Servomotorschaltkreis wird im Gleichstromverstärker 42 verstärkt dessen Ausgangssignal an ein Netzwerk 44 angelegt ist Das Netzwerk dient der Filterung des Signals durch eine eine Serienschaltung aus einer Kapazität 46 und einem Widerstand 48 aufweisende Voreilschaltung, womit die Trägheitskonstante des Servomotors festgelegt wird. Auf diese Weise hilft das Stromrückkopplungssignal die Übergangsfunktion zur Stabilisierung des Servo zu formen. Eine Maximalstrombegrenzung für den Servomotor wird dadurch erhalten, daß das Stromrückkopplungssignal über zwei weitere Zenerdioden 50 und 52 vom Gleichstromverstärker 42 in Parallelschaltung dem Punkt 54 zugeführt wird. Diese Dioden sind wiederum derart miteinander verbunden, daß sie einen Unempfindlichkeitsbereich aufweisen und den Signalwert am Punkt 54 begrenzen. Somit werden die vom Servoverstärker kommenden Signale für Strom

ίο und Spannung so einreguliert daß das Anlegen eines ungeeigneten Drehmoments oder ungeeigneter elektrischer Befehle an den Servomotor verhindert wird. Am Punkt 40 werden das integrierte Geschwindigkeitssignal des Kreisels und das Lageeingangssignal mit dem Lagegrenzsignal verbunden und über einen Widerstand 56 einem Gleichstrom-Summierungsverstärker 58 zugeführt Ein weiteres Eingangssignal für den Summierungsverstärker bildet das abgeglichene Stromrückkopplungssignal, das vom, Voreilnetzwerk 44 abgeleitet ist Das Ausgangssignal des Summierungsverstärkers wird über Widerstände 60 und 62 an den Kraftverstärker 22 weitergeleitet und liefert ein geeignet begrenztes Eingangsfehlersignal. Für den' Betrieb ist der Servoverstärker mit einem Gedächtnis versehen, welches die automatische Rückführung der Plattform in irgendeine vorher befohlene Lage erlaubt nachdem die Plattform in eine Extremlage verschoben worden war. Sobald die Bedingungen, die durch das Erreichen einer Grenzlage verursacht werden, verschwinden, kehrt die Plattform automatisch in die befohlene Lage zurück. Die der Begrenzung des Signals dienenden Merkmale des Servoverstärkers verhindern den Bedarf hoher Drehmomente und Ströme wenn die Plattform eine Extremlage erreicht hat

In F i g. 3 sind in einem detaillierten Blockschema die wesentlichen Elemente für den Servoteil eines Regelsystems gemäß F i g. 1 dargestellt Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 3 ist der Gleichstrom-Summierungs- verstärker 58 in zwei Teile 58 und 58a aufgeteilt, wodurch ein Strombegrenzungssignal diesem Verstärken bei einem bekannten Impedanzwert zugeführt werden kann. Ein weiteres Merkmal des Verstärkerteils 58a besteht in dem mit ihm verbundenen Voreilnetzwerk, um die Ausgangssignalverstärkung bei verschie- ,< denen Frequenzen einzustellen. Die Voreilnetzwerke dienen bei dem Ausführungsbeispiel der Reduzierung mechanischer Resonanzen in dem Servoteil, in dem die Servoschleifenverstärkung bei Frequenzen, die den mechanischen Resonanzen zugeordnet sind, verringert wird. Demgemäß wird ein Eingangslagesignal zusammen mit dem Geschwindigkeitssignal des Kreisels und dem Signal zur Nulleinstellung an die Vorverstärkerstufe 28 des Servoverstärkers 20 angelegt Diese Vorverstärkerstufe enthält ein Voreilnetzwerk 30 zur Erzeugung hoher Signalverstärkung bei niedriger Frequenz. Ein im Vorverstärker angeordnetes Filter 64 hindert die Weitergabe des verstärkten Signals bei unerwünschten Frequenzen. Das gefilterte Ausgangssignal wird dem einen Teil des Summierungsverstärkers 58 zugeführt und dort mit dem Stromrückkopplungssignal, wie bereits beschrieben, vereinigt Das Stromrückkopplungssignal wird im Gleichstromverstärker 42 zuvor verstärkt und über das Voreilnetzwerk 44 auf den Summierungsverstärker gegeben. Das Strombegrenzungssignal wird vom verstärkten Stromrückkopplungssignal über eine Verbindungsleitung von der Ausgangsseite des Stromrückkopplungsverstärkers

zum Verbindungspunkt 66 geleitet, der die beiden Teile 58 und 58a des Summierungsverstärkers verbindet Zwei Zenerdioden 50 und 52 im Strombegrenzungsweg verhindern, daß der Signalwert am Verbindungspunkt 66 einen durch die maximale Zenerspannung bestimmten Wert überschreitet Im Betrieb kann das Netzwerk 42 eine weitere Schaltung mit einem nicht dargestellten Differentialverstärker enthalten, um ein Fehlersignal zwischen dem verstärkten Stromsignal und dem Ausgangssignal des Teils 58a des Summierurigsverstärkers abzuleiten. Der veränderte Aufbau bewirkt sogar eine größere Genauigkeit der Servofunktion. Das Geschwindigkeitsrückkopplungssignal des Kreisels für die Vorverstärkerstufe 28 wird durch elektrische Anzeigen vom Abgriffselement und dem Drehmomentsmotor (Stützmotor) eines herkömmlichen integrierenden Geschwindigkeitskreisel 16 erzeugt Die nicht dargestellten Abgriffselemente liefern eine Geschwindigkeits- und Lageinformation in bezug auf die Plattform, wie schematisch im Ausführungsbeispiel durch die gestrichelte Linie 68 dargestellt ist Die abgegriffene Größe stellt ein Wechselstromsignal dar, welches im Kreisel-Ausgangsverstärker 70 verstärkt wird und dann in einem phasenempfindlichen Demodulator 72 demoduliert wird, um ein Gleichstromgeschwindigkeitssignal zu erzeugen. Das Gleichstromgeschwindigkeitssignal wird einem Gleichstromverstärker 74 zugeführt und darauf mit dem Signal des Stützmotors des Kreisels in die Vorverstärkerstufe 28 eingespeist. Die beschriebene integrierende Geschwindigkeitskreiselanordnung stellt die Hauptrückkopplung des servomechanischen Regelsystems dar und dient der automatischen Stabilisierung der Plattform gegen Stördrehmomente und Grundbewegungen.

Das zusammengesetzte Fehlersignal, welches im Teil 58 des Summierungsverstärkers erzeugt wird, ist am Verbindungspunkt 66 zur weiteren Verstärkung im Teil 58a des Servoverstärkers richtig begrenzt Das endgültige Ausgangssignal des Servoverstärkers bildet ein stabilisiertes, kompensiertes und richtig begrenztes Fehlersignal, das den Kraftverstärker 22 ansteuert Um eine breite Servobandbreite im System zusammen mit einer guten elektrischen Empfindlichkeit zu erreichen, wird ein in Festkörpertechnik aufgebauter, tastbarer Kraftverstärker verwendet Die breite Bandbreite wird durch die Benutzung einer Tastfrequenz erzielt die im wesentlichen über dem Frequenzbereich des gewünschten Servobandpasses liegt Die durchschnittliche an den Servomotor 12 vom Kraftverstärker 22 angelegte Spannung wird durch das Verhältnis der Einschaltzeit zur gesamten Tastperiode bestimmt Um den Servomotor zu veranlassen sich in einer Richtung zu drehen, werden bestimmte Schalter im Kraftverstärker bei einigen Tastfrequenzen geschlossen. Ein Frequenzbezugssignal 76 wird zum Eingangsfehlersignal als Mittel zur Steuerung des Kraftverstärkers addiert

Im Betrieb summiert der Gleichstromservoverstärker das Geschwindigkeitssignal des Kreisels und das Istwert-Signal und verbindet es mit dem Stromrückkopplungssignal zur Erzeugung eines Fehlersignals, welches den tastbaren Kraftverstärker steuert Die Rückkopplungseinrichtungen des Kreisels enthalten einen Gleichstromverstärker, welcher den Kreiselausgangsverstärker antreibt Das Fehlersignal vom Servoverstärker wird mit einem Frequenzbezugssignal verbunden, um den Kraftverstärker so zu betreiben, daß die Ausgangsspannung zum Servomotor mit der Einschaltzeit variiert Die Drehrichtung des umschaltbaren Gleichstrommotors wird durch die Auswahl der geschlossenen Schalter im Kraftverstärker gesteuert Beim Nullfehler-Signal sind die Schalter des Verstärkers offen. Der Servomotor ist an die Plattform 10 über ein Reduziervorgelege 14 derart gekoppelt daß die zusammengefaßten Trägheitsmassen des Motors und des Getriebes klein sind im Verhältnis zur Trägheitsmasse der Plattform 10. Die automatische Plattformstabilisation wird in der ausgeführten Konstruktion mit großer Genauigkeit durchgeführt, wie auch eine genaue Höhen- und Seitenstabilisation der Plattform möglich ist ■ · '

In F i g. 4 ist das Servoblockschema eines zweiachsenservomechanischen Regelsystems dargestellt Es wurde nur der Teil der Stabilisation mit dem Geschwindigkeitskreisel gezeigt damit die allgemeinen elektrischen Verbindungen zwischen dem Höhen- und Querservoantrieb leichter zu verstehen sind. Grundsätzlich enthält die Darstellung ein elektrisches Schaltkreisschema für zusammengeschaltete Geschwindigkeitskreisel, die zur Trägheitsstabilisation und zum Antrieb der damit verbundenen Plattform längs der Höhen- und Querachsen verwendet werden. Um das erforderliche Geschwindigkeitssignal zu erhalten, sind ein Paar integrierender Geschwindigkeitskreisel längs ihrer entsprechenden Kreiseldrehachsen zueinander senkrecht ausgerichtet und in einem Kreiselblock mechanisch an die Plattform gekoppelt In der Darstellung sind die in den einzelnen Antriebseinheiten des zusammengesetzten Systems verwendeten gleichen Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Antriebseinheit für das Höhenservoteil 76 umfaßt einen integrierenden Geschwindigkeitskreisel 16, der mit Servoelementen so zusammengeschaltet ist daß er die Lage der nicht dargestellten Plattform regelt Der Kreisel entwickelt ein Signal das proportional der Lage seiner Achse im Raum ist, welches in Verbindung mit dem Kreiselstützmotor und damit verbundenen Servoelementen ein Drehmoment um die Kreiselausgangsachse hervorruft um den Kreisel im Raum um seine Eingangsachse zu drehen oder diese auszurichten. Sobald die Plattform die gewünschte Lage erreicht wird diese Lage automatisch durch Kreiselstabilisation beibehalten. Der Kreiselbezugsgenerator 79 treibt den nicht dargestellten Kreiselantrieb. Das Höheneingangssignal wird mit dem Kreiselrückkopplungssignal im Servoverstärker 20 verkettet Ein Umsetzer 80 reguliert die Gleichstromversorgung für alle Verstärker in der Servoeinheit Das zusammengesetzte Fehlersignal von den Servoverstärkern steuert den tastbaren Kraftverstärker 22, welcher den Servomotor 12 antreibt Der Kreiselrückkopplungskreis umfaßt den integrierenden Geschwindigkeitskreisel 16, der mit einem Kreiselausgangsverstärker 70, einem phasenempfindlichen Demodulator 72 und einem Gleichstromverstärker 74 derart verbunden ist, daß ein der Geschwindigkeit im Trägheitsraum proportionales Signal erzeugt wird. Das Geschwindigkeitssignal stellt einen Ausgang zusammengesetzter Signale dar, die von nicht dargestellten integrierenden Abgriffselementen und dem Stützmotor des Kreisels hervorgerufen werden. Ein Wechselstrom-Abgriffssignal wird im Kreiselausgangsverstärker 70 verstärkt sodann im phasenempfindlichen Demodulator 72 demoduliert der die Polarität und Amplitude des Eingangssignals feststellt und darauf wird das demodulierte Signal in den Gleichstromverstärker eingespeist Das resultierende Gleichstromsignal wird mit dem Ausgangssignal des Stützmotors vereinigt und liefert

das Geschwindigkeitsfehlersignal für den Servoverstärker 20. Der Kreiselbezugsgenerator 79 liefert bei der ausgeführten Konstruktion eine Bezugsfrequenz für den Demodulator.

In gleicher Weise sind die Servoelemente für die Querachsensteuerung 82 zusammengeschaltet Die Elemente der Querachsensteuerung, die mit denen der Höhenachsensteuerung übereinstimmen, sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet jedoch mit einem zusätzlichen Strich versehen. So ist der Kreisel 16 in der Einheit für die Servosteuerung um die Höhenachse in der Servosteuerung um die Querachse mit Kreisel 16' bezeichnet um anzudeuten, daß es sich um eine im wesentlichen gleiche Komponente handelt Der Stromlauf für die Servosteuerung um die Querachse entspricht ebenfalls dem Stromlauf für die Servosteuerung um die Höhenachse, so daß eine spezielle Beschreibung dieses Teils nicht nötig ist Die verbleiben-

den gemeinsamen Verbindungen der beiden Einheiten dienen dazu, Komponenten, die hinsichtlich ihrer Wirkungsweise voneinander unabhängig sind, mit Signalen vom gleichen Wert zu versorgen. Der gemeinsame Schaltkreis geht vom Kreiselbezugsgenerator 79 aus, welcher die Stützmotoren für die Kreisel antreibt und ein Frequenzbezugssignal den Demodulatoren zuführt Zur Vereinfachung der Darstellung wurde dieser Kreiselbezugsgenerator lediglich durch einen

ίο Block dargestellt wobei der Generator in bekannter Weise aus einem LC-Oszillator, einem Phasenteiler und Verstärker mit transformatorgekoppelten Ausgängen bestehen kann. Die Signale werden den Demodulatoren über eine Leitung 84 zugeführt, während die Signale zu den Kreiselstützmotoren über die Leitung 86 angelegt werden. Dabei wird jeder Kreisel und jeder Demodulator völlig unabhängig von seinem Gegenstück betrieben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Servoregelsystem zur Stabilisierung einer gyrostabilisierbaren bewegbaren Plattform in einer gewünschten Winkellage relativ zu einer Achse mit einem umschaltbaren Servomotor, der mit der Plattform über eine Einrichtung zum Reduzieren der Drehzahl gekoppelt ist, um die Plattform um die Achse zu bewegen, bei dem ein transistorisierter Leistungsverstärker mit dem Motor verbunden ist, der dem Motor Strom zu seiner Speisung zuführt, mit einer auf die Auswanderung der Plattform aus der gewünschten Winkellage ansprechenden Vorrichtung, die ein Signal abgibt, das die Plattformbewegung anzeigt, mit einem Servoverstärker, der Eingangssignale an den Leistungsverstärker abgibt und der ferner so verbunden ist, daß er das Plattformbewegungssignal als erstes Rückkopplungssignal aufnimmt und daß er die Plattform in der gewünschten Lage stabilisiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor ein Gleichstrommotor (12) ist, daß die Trägheit des Gleichstrommotors (12) und der Einrichtung (14) zum Reduzieren der Geschwindigkeit klein im Vergleich zur Trägheitsmasse ist und daß der Leistungsverstärker (20) ein tastbarer Verstärker ist, der als Eingangssignale das Ausgangsfehlersignal des Servoverstärkers (20) und ein sich zyklisch änderndes Signal (76) einer bestimmten Bezugsfrequenz aufnimmt und der ein Ausgangssignal abgibt, das bei der Bezugstastfrequenz pulslängenmoduliert ist, wobei das Tastverhältnis dem Fehlersignal entspricht

2. Servoregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsfrequenz beträchtlieh über dem gewünschten Frequenzdurchlaßbereich des Servosystems liegt

3. Servoregelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom des Motors (12), der aus den pulslängenmodulierten Signalen gebildet wird, in eine zweite Stromrückkopplungsschleife eingespeist wird, die den Motor mit dem Eingang des Servoverstärkers (20 oder 42) verbindet

4. Servoregelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß das Stromrückkopplungssignal von dem Shunt des Motors (12) abgeleitet ist

5. Servoregelsystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromrückkopplungsschleife Einrichtungen enthält die das Rückkopplungsstromsignal, bevor es dem Leistungsverstärker (22) zugeführt wird, begrenzen.