DE1588250A1 - Servoverstaerker - Google Patents

Description

. Patentanwalt ■

f>r,Ing. Wilhelm Reichöl 1588230

Frankiuri/Main-l
- Paiksiraße 13

Eigenes Zeichen: 5233 - Fs/Ja

General Electric Company, Scheneetady, HF.Y./Y.St.A.

Servoverstärker

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Servoverstärker und im "besonderen auf einen impulsbreitenmodulierten Servoverstärker mit einem transformatorlosen Demodulator, der in Mikrominiaturbauwei se unter Verwendung integrierter Schaltkreistechnik hergestellt werden kann. '

Servoeinriöhtungen sind in großer Vielzahl im industriellen und - militärischen Bereich für Werkzeug-Maschinensteuerungen, Steuereinrichtungen für Autopilote für Flugzeuge usw. in Verwendung. Der Umfang und die Art der Verwendung von Servoeinrichtungen kann in erhellichem Maße erweitert werden, wönn ein kleiner, wirtschaftlicher und relativ billiger Servoverstärker hoher BetriebsZuverlässigkeit geschaffen werden kann. Der Erfindung liegt die Auf-

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gäbe zugrunde, einen solchen Servoverstärker zu schaffen, der ' an einer kardanischen Aufhängung oder einer anderen "beweglichen Lagerung für die zu steuernden Servomotore direkt befestigt werden kann. Bei einer solchen Anordnung entfällt die Hotwendigkeit von Schleifringen, umfangreicher Verdrahtung usw., wodurch sowohl Kosten eingespart werden können, als auch eine Verringerung des Raumbedarfs, möglich ist. Außerdem wird durch das Entfallen von Komponenten wie Schleifringen und dgl. die Gesamtzuverlässigkeit der Anordnung wesentlich verbessert.

Zur Schaffung eines ServoVerstärkers mit den genannten Eigenschaften ist die Herstellung des Verstärkers in Mikrominiaturbauweise unter Verwendung der integrierten Schaltkreistechnik notwendig. Mir die Herstellung des Servoverstärkers mit den angestrebten Eigenschaften in Mikrominiaturbauweise und zur Erzielung einer gegenüber herkömmlichen integrierten Schaltkreisanordnungen höheren Zuverlässigkeit ist es erforderlich, einen Verstärker mit hohem Wirkungsgrad und geringer Verlustleistung zu schaffen. Außerdem können bei einer vollständigen Mikrominiaturisierung des Servoverstärkers keine Transformatoren, Induktivitäten, große Kondensatoren usw. verwendet werden. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Forderungen und schafft einen Servoverstärker mit niedriger Verlustleistung und hohem Wirkungsgrad bei großer Zuverlässigkeit. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein transformatorloser Demodulator verwendet, wodurch die Herstellung des Servoverstärkers vollständig in Mikrominiaturbauweise möglich ist.

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Gemäß der Erfindung umfaßt ein impulsbreitenmodulierter, zumindest teilweise in Mikrominiaturbauweise ausführbarer Servoverstärker-Einriclitungen zur Demodulation, Verstärkung und zum Anlegen eines betragsveränderlichen Eingangssignals an die Eingangsklemme sowie Einriclitungen, um ein verstärktes demoduliertes Steuersignal an der Ausgangsklemme bereitzustellen. Außerdem sind Schaltverstäi^kereijarichtungen, deren Aus gangs signal zur Steuerung der Servoeinrichtung verwendet wird, und weitere Schalteinrichtungen vorgesehen, um das verstärkte demodulierte Steuersignal an den einen Eingang der Schaltverstärker einrichtungen und ein Bezugsschaltsignal an den anderen Eingang der Schaltverstärkereinrichtungen zu legen, welches zusammen mit dem demodulierten verstärkten Steuersignal die Polarität und Größe von Leistungsiiapulsen regelt, die in die zu steuernde Servoeinrichtung eingespeist werden. "'■'. *

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Servoverstärker mit Einrichtungen zur transformatorlosen Demodula-, tion und Verstärkung ausgerüstet, die von einem direkten und einem invertierten zweiten Schaltsignal gesteuerte Demodulatorsehalteinrichtungen umfassen. Die Einrichtungen zur transformatorlosen Demodulation und Verstärkung sind ferner mit Differentialyerßtärkereinrichtungen versehen, die Eingangsklemmen für ein direktes und ein invertiertes Signal aufweisen. Die Demodulatorschalteinrichtungen dienen dazu, das betragsveränderliche Eingangssignal an die Eingangsklemme für das direkte und das invertierte Signal der DifferentialVerstärkereinrichtungen während ■'.'■' .^;·'-'^- BAD ORIGINAL

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alternierenden Halbwellen des zweiten Schaltsignals anzulegen, wodurch "ein zweiweggl'eichgerichtetes und verstärktes Steuersignal am Ausgang der DifferentialVerstärkereinrichtungen zur Verfügung steht.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt; es zeigen:

Fig.1 ein Funktionsschaltbild eines impulsbreitenmodulierten Servoverstärkers gemäß der Erfindung;

Fig.2 ein prinzipielles Schaltdiagramm eines transformatorlosen Demodulators, der ein Teil des impulsbreitenmodulierten Servoverstärkers gemäß Fig.1 ist;

Fig.3 und 5a ein detailliertes Schaltbild des impulsbreitenmodulierten Servoverstärkers;

Fig. 4- Diagramme des zeitabhängigen Verlaufs der Spannung und des Stromes, die die Wirkungsweise der Verstärkerschaltung gemäß Fig. 3 veranschaulichen;

Fig.5 ein detailliertes Schaltbild einer modifizierten Form des Schaltverstärkers, der zur Verwendung im impulsbreitenmodulierten Servoverstärker geeignet ist;

Fig.6 ein detailliertes Schaltbild eines DifferentialVerstärkers, der für die Verwendung im Servoverstärker gemäß Fig.1 und 3 geeignet ist.

Der impulsbreitenmodulierte Servoverstärker umfaßt gemäß Fig.1 einen herkömmlichen Differentialverstärker 11, an dessen Eingang ein betragsveränderliches Eingangssignal e^ angelegt wird. Das

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Aus gangs signal des Differential Verstärkers 11"" wird an die JEi ngangsklemme eines transformatorlosen Demodulators 12 gelegt, an dessen zweiten Eingang ein mit 15 "bezeichnetes Rechteckschaltsignal angelegt wird. Der transformatorlose Demodulator-12 dient der Demodulation und Verstärkung des betragsveränderlichen Eingangssignals, Das Ausgangssignal des transformatorlosen Demodulators 12 wird in einen Gleichstrom-Differentialverstärker 14 eingespeist, dessen Ausgangssignal an den Eingang eines Schaltverstärkers 15 zusammen mit einem Bezugsschaltsignal 16 angelegt wird. Das Bezugs schalt signal 16 wirkt mit dem demodulierten und verstärkten betragsveränderlichen Eingangssignal vom Gleichstrom-Differentialverstärker zusammen und verursacht eine Folge von Leistungsimpulsen, die an einen Motor 17 über den Schaltverstärker 15 angelegt werden. Zum Zwecke der Stabilisierung ist ein Rückkopplungsnetzwerk 18 zwischen den Ausgang des Schaltverstärkers 15 und den Eingang des Gleichstromverstärkers 14- geschaltet. Für die Rückkopplung kann das Ausgangssignal eines Tachometergenerators, eines Beschleunigungsmessers oder irgendeiner anderen Meßeinrichtung Verwendung finden, die auf Zustandsänderungen des Motors 17 anspricht.

In Fig*2 ist der transformatorlose Demodulator dargestellt, dessen Demodulatorschalteinrichtung 21 aus zwei Schalttransistoren und 22 aufgebaut ist, die parallel zu den Eingangsklemmen eines Differentialversbärkers 24 geschaltet sind. Der Differentialverstärker 24 ist von herkömmlichem Aufbau und besitzt eine Eirigangs-'klemme 25 für ein direktes Signal und eine Eingangsklemme 26 für

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ein invertiertes Signal, sowie eine Aus gangs klemme PS/. DIo ühnitber-Kollektorstrecke des ßchalttransisbors 22 liegt zwischen der Eingangsklemme 25 für das direkte Signal und Masse parallel zu dem über einen Begrenzungswiderstand 28 eingespeisben bMbragsveränderlichen Eingangssignal e . Der Basis des Schaltbransistore wird eine Rechbeckschwingung 13d von der Ausgangsklemme für das. direkte Signal eines nicht dargestellten Rechteckgenerators über eine geeignete Widerstandsbegrenzung zugeführt. In gleicher V/eise ist die Emitter-Kollektorstrecke des Schalttransistors 23 an die Eingangsklemme 26 für das invertierte Signal des Differentialverstärkers 24 parallel zu dem über einen Begrenzungswiderstand 29 zugeführten betragsveränderlichen Eingangssignal e angeschlossen. An die Basis des Schalttransistors 23 wird eine invertierte Rechteckschwingung 13i angelegt, die von der Ausgangsklemme für das invertierte Signal eines nicht dargestellten Rechteckgenerators geliefert wird.

Im Betrieb wird während der ersten Halbperiode der angelegten Rechteckschwingung der Schalttransistor 23 eingeschaltet und das angelegte Eingangssignal e nach Masse abgeführt, wodurch die Spannung an der Klemme 25 weniger als ein Millivolb ist. Während dieser Halbperiode ist der Schalttransistor 22 nichb leitend, so daß der volle Wert des Eingangssignals e„ an der Klemme 25 erscheint. Während der zweiten Halbperiode der Rechteckschwingung ist der Transisbor 23 abgeschaltet und der Transisbor 22 eingeschal bet, wodurch das Eingangssignal e nur an der Klemme 26 für das invertierte Signal des DifferenbialVerstärkers 24 er-ücheinb.

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Dadurch, wird an der Klemme 26 für das invertierte Signal ein · Impulszug negativer Halbwellen und an der Klemme 25 ein Impulszug positiver Halbwellen erzeugt, welche um 180 gegenüber der Schwingung an der anderen Klemme phasenverschoben ist. Da das Aus gangs signal des Differential Verstärkers 24- in Phase mit dem an die Eingangsklemme 26 gelegten Signal und in Gegenphase mit dem an die Eingangsklemme 25 gelegten Signal ist, erscheint an der Ausgangsklemme 27 ein zweiweggleichgerichtetes verstärktes Gleichstromsignal 50. Wenn die Polarität des Eingangssignals e

umgekehrt■wird, erscheint an der Ausgangsklemme 27 ein zweiweggleichgerichtetes Signal mit negativer Polarität. Die einzigen erforderlichen Kondensatoren sind die, welche möglicherweise''zur Glättung der zweiweggleichgerichteten Ausgangsspannung 30 an der Ausgangsklemme 27 des DifferentialVerstärkers 24 benötigt werden.

In Fig.6 ist eine detaillierte Schaltung eines Differentialverstärkers dargestellt, der als Gleichstrom-Differentialverstärker 2Pr gemäß Fig.2 Verxveiidung finden kann. Wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt, kann dieser Differentialverstärker an verschiedeneji Stellen des in Fig.1 als Blockschaltbild dargestellten Systems Verwendung finden. Der Differentialverstärker gemäß Fig.6 enthält zwei KPN" Transistoren 31 und 32, wobei die Eingangsklemme 25 für das direkte Signal mit der Basis des Transistors 32 und die Eingangsklemme 26 für das invertierte Signal mit der Basis des Transistors 31 verbunden ist. Die Emitter der Transistoren 31 und 32 sind über einen gemeinsamen Ableitwiderstand 33 mit dem negativen Anschluß der Stromversorgung verbunden,

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wogegen die Kollektoren der Transistoren über Kollektorwiderstände 34 und 35 in Serie mit einem gemeinsamen Widerstand 36 an den positiven Anschluß der Stromversorgung angeschlossen sind. Die Kollektoren der "beiden Transistoren 31 und 32 sind außerdem mit der Basis zweier differential zusammengeschalteter NPN Transistoren 37 und 38 verbunden.

Die Emitter der Differentialtransistoren 37 und 38 sind über einen gemeinsamen Ableitwiderstand 39 ^m^ d-^em negativen Anschluß der Stromversorgung verbunden, wogegen, die Kollektoren über Lastwiderstände 41 und 42 mit dem positiven Anschluß der Stromversorgung verbunden sind. Das vom Lastwiderstand 41 abgeleitete kombinierte und demodulierte Ausgangssignal wird über eine Zenerdiode 43 und einen Begrenzungswiderstand 44 an die Basis eines Transistors 45 angelegt. Der Transistor 45 istTeil eines zweistufigen Transistorverstärkers , der einen zweiten NPN Transistor 46 enthält, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors ""4^¹ -verbunden ist. Das Ausgangssignal des DifferentialVerstärkers liegt an der Klemme 27 an, die mit dem Emitter des Transistors 46 verbunden ist.

Der Differentialverstärker gemäß Fig.6 arbeitet in der Weise, daß die beiden Eingangssignale e.1 und'e.2, welche an die Eingangsklemmen 25 und' 26 angelegt werden, zu einem Ausgangssignal vereinigt werden, das an den zweistufigen Verstärker aus den Transistoren 45 und 46 angelegt wird. Durch dieses Zusammenfügen der beiden Eingangssignale wird eine Zweiweggleichrichtung bewirkt und ein demoduliertes verstärktes Ausgangssignal an der Ausgangs-

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klemme 27" zux" Verfügung' gestellt. Für den Fall, daß die Polarität des Eingangssignals e , welche an den Eingang des transformatorß.osen Demodulators gelegt wird, in der Polarität umgekehrt wird, tritt auch eine Vorzeichenumkehr für die Eingangssignale e.1 und e.2 auf, wodurch.die Polarität des demodulier ten und verstärkten Ausgangssignals 30 an der Ausgangsklemme 27 ebenfalls umgekehrt wird.

In Fig.3 ist die detaillierte Schaltung des impulsbreitenmodulierten Servoverstärkers gemäß der Erfindung dargestellt. Das betragsveränderliche Eingangssignal e wird an die Eingangsklemme 11aeines DifferentialVerstärkers 11 angelegt. Der Differentialverstärker 11 kann in genau derselben Weise aufgebaut sein, wie der in Fig.6 dargestellte, wobei allerdings die Stromversorgung, die Rückkopplung usw. für einen Wechselstrombetrieb entsprechend geänderV werden muß. Man erhält einen Verstärker hoher Verstärkung und hoher Stabilität mit einer hohen Eingangsimpedanz. Die Rückkopplung wird mit Hilfe eines diskreten in der dargestellten Weise angeschlossenen Rückkopplungswiderstandes erzeugt, wodurch optimale Betriebsbedingungen erzielt werden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 11 wird über einen Leiter 51 an den Eingang des transformatorlosen Demodulators 21,angelegt.

Da der transformatorlose Demodulator im Detail an Hand Fig.2 und 6 bereits beschrieben wurde, kann wohl auf eine weitere Beschrei-•bungv.vör zieht et werden. Es soll darauf hingewiesen werden, daß ι,'aktiven Teile der Schaltung für .das-niedere Signalniveau

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eines neuen impulsbreiteniaodulierten oervoverstärkers einschließlich der Demodulationsntufe unter Verwendung von Differentialver-Gbärkern ausgeführt werden kännen. Damit kann der gesamte Verstärker in Mikrominlaturbauweise hergestellt werden. Beim lii.rbwurf des transformatorlosen Demodulators wurde besondere Aufmerksamkeit auf die Schaffung einer Schaltung gerichtet, welche die Demodulation ohne Verwendung von Transformatoren oder Induktivitäten nur mit Kondensatoren oder FiItereinrichtungen ausführt, die in integrierter Bauweise herstellbar sind und sehr geringe Verlustleistung aufweisen. Um die Filterprobleme auf ein Minimum zu reduzieren, wurde eine Zweiweggleichrichtung verwendet. Der derart aufgebaute transformatorlose Demodulator 21 bietet eine Zweiweggleichrichtung ohne die Verwendung von Transformatoren bei sehr geringer Verlustleistung. Die aus den Transistoren 52 bis 55 aufgebaute Schaltung konvertiert eine geeignete Sinusbezugsschwingung in ein symmetrisches rechteckförmiges Bezugssignal für die Schalttransistoren 22 und 23.

Wenn der Schalttransisbor 23 eingeschaltet ist, wird das Eingangssignal e vom Emitter des Transistors 22 an die. Eingangsklemme für das direkte Signal des Differentialverstärkers 24 angelegt und ohne Phasenumkehr verstärkt. Während der nächsten Halbwelle wird der Transistor 22 eingeschaltet und der Transistor 23 abgeschaltet, wodurch das Signal am Emitter des Schalt-transistors 23 an den Eingang des DifferentialVerstärkers gelegt wird. Das in seiner Phase umgekehrte EingangssignaL vom Emitter des Schalttransistors 23 wird im Differentialverstärker

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erneut plianoimmgekelrct. Daraus ergibt sich, daß die Polarität der zweiten Halbwelle am Ausgang des DifferentialVerstärkers die gleiche wie. die der ersten Halbwelle ist. Somit erfährt das Ausgangssignal des Differentialverstärkers lediglich eine gleichstrommäßige Änderung und erscheint in Form eines zweiweg:gleichgerichteten Signals. Eine Bückkopplung vom Differentialverstärker 24- gewährleistet eine stabile Verstärkung des Demodulators.

Ein gewünschter durch den transformatorlosen Demodulator erzielbarer Vorteil IDt die Beseitigung der Driftspannung in den Schalttränsistoren 22 und 2J des DifferentialVerstärkers. Der symmetrische Aufbau des Demodulators ermöglicht auch die Unterdrückung von Widerstandsänderungen in Abhängigkeit von der Tem-, peratur. Es ist eine direkte Gleichstromkopplung am Eingang des Demodulators möglich, wobei nur sekundäre Gleichstromeffekte am Üemodulatorausgang auftreten. Eine am Eingang des Demodulators auftretende G-leichstromdrift verschwindet am Demodulatorausgang und erscheint nur noch als Wechselstromgeräüsch. Es kömian auch Emitterfolger 56 und 57 an den Ausgang des Demodulators aiige-"schlossen werden. Die Verwendung der Emitterfolger 56 und 57 bewirkt eine Geräuschverminderung. Um das an der Ausgangsklemme 27 auftretende zweiweggleichgerichtete Signal zu glätten, kann ein Kondensatorfilter vorgesehen sein. Die derart aufgebaute' Schaltung arbeitet mit sehr guter Linearität und einer annehmbaren Drift. .

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Das an der Ausgangsklemme 27 auftretende, demodulierte und verstärkte Steuersignal 30 wird an den Eingang eines Gleichstrom-Differentialverstärkers 14 gelegt. Der Differentialverstärker 14 kann dem in Fig.6 dargestellten Verstärker entsprechen und in Mikrominiaturbauweise aufgebaut sein. Ein besonderer Vorteil' des Servoverstärkersystems gemäß der Erfindung ist die Möglichkeit der Verwendung gewöhnlicher Dlfferentialverstärker, für die sowohl Verstärker mit hoher Gleichstrom- oder Wechselstromverstärkung Verwendung finden können. I¹Ur derartige Verstärker soll bei einer 0 Volt Eingangsspannung eine im wesentlichen bei Null liegende Ausgangsspannung vorhanden sein. Der Verstärker soll außerdem große Dynamik aufweisen und gegenüber Veränderungen in der Versorgungsleitung gut entkoppelt sein. Er soll gegen Temperatureinflüsse sehr stabil und mit Hilfe externer an ihn angeschlossener Elemente leicht in der Verstärkung zu regeln sein. Der Verstärker soll sowohl mit einem symmetrischen oder unsymmetrischen Eingang und außerdem sowohl mit einem symmetrischen oder unsymmetrischen Ausgang betriebsfähig sein. Alle diese Merkmale besitzt die in Pig.6 dargestellte Differentialverstärkerschaltung, die als Grundschaltung für alle Kreise mit niedrigem Signalsniveau im Servoverstärkersystem gemäß der Erfindung Verwendung finden.

Es wird als besonders vorteilhaft empfunden, daß der Servoverstärker gemäß der Erfindung derart aufgebaut ist, daß standardisierte Differentialverstärker als Unterbaugruppen verwendet werden können, die in Mikrominiaturbauweise herstellbar sind und da-

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durch die Größe des Servo Verstärkers erheblich reduzieren. Es ist möglich, einen Servoverstärker dieser Art zum Antrieb eines 75 -w" Gleichstrommotors zusammen mit dem Stabilisierungsnetzwerk

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in einem Gehäuse von etwa 15)5 cm bei einer maximalen Verlustleistung von ungefähr 6 W bis 9 W unterzubringen. Die Anwendung des Servoverstärkers ist auch für größere Verbraucher geeignet, für die z.B. Spitzenströme bis 100 Amperes bei 100 Volt benötigt werden. Bei der Massenproduktion des Differentialverstärkerplättchens können die Herstellungskosten für das Gesamtsystem erheblich reduziert werden* Außerdem wird auf Grund eines im wesentlichen nur mit integrierter Bauweise hergestellten Servoverstärkers die Zuverlässigkeit beträchtlich erhöht. Diese Erhöhung der Zuverlässigkeit ist besonders vorteilhaft, wenn der Servoverstärker in Verbindung mit kardanisch aufgehängten Motorantrieben' Verwendung findet. Bei einem derartigen Aufbau und der extrem kleinen Größe des Servoverstärkers ist es möglich, diesen zusammen mit dem Motor in der kardanischen Aufhängung oder einer anderen beweglichen Lagerung anzumontieren, wodurch die 'Verdrahtung erheblich vereinfacht und verringert und die Notwendigkeit von Schleifringen vermieden wird. Durch die Verringerung der Größe der elektronischen Einrichtungen kann auch die Größe der Batterie und def wärmeableitenden Einrichtungen erheblich verringert werden, so daß dadurch eine weitere Verkleinerung der Gesamtgröße des Servov^rßtärkers möglich ist. Auf Grund der Kleinheit des ' Servoverstärkers kann eine fiedundanz vorgesehen werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems weiter vergrößert wird.

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Der Ausgang des Gleichstrom-DifferentialVerstärkers 14 wird an den Eingang des Schaltverstärkers 15 gelegt. Ein maximaler Vorteil kann nur dann aus der integrierten Mikrominiaturbauweise des Servoverstärkers erhalten werden, wenn die Verlustleistung besonders bei größeren Leistungsstufen niedrig gehalten werden kann. Es ist eine, bedeutende Verbesserung gegenüber der 50%igen Wirtschaftlichkeit konventioneller B-Gleichstromverstärker erforderlich. Dies wird durch den impulsbreitenmodulierten Servoverstärker gemäß der Erfindung möglich, mit dem ein Wirkungsgrad von mehr als 90% für die an den Gleichstrommotor angelegte Leistung erzielt wird« Die"beträchtliche Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades wird durch die Verwendung des Schaltverstärkers 15 möglich, mit dem die Leistung an den Gleichstrommotor 1? angelegt wird. Im Schaltverstärker 15 wird das resultierende Gleichstrom-lehlersignal vom Ausgang des DifferentialVerstärkers 14 zu einer Sinusbezugsschwingung addiert, um einen Schaltleistungsverstärker zu betreiben, der impulsbreitenmodulierte Leistungsimpulse an den Gleichstrommotor 17 abgibt. Ein servostabilisiertea EÜckkopplimgsnetzwerk kann zwischen den Ausgang des Schaltleistungsverstärkers 15 und den Eingang des GleichstrOm-DifferentialverstärkerS 14 unter Verwendung der Leitung 59 geschaltet werden. Dieses Netzwerk kann zur Erzeugung der gewünschten Genauigkeit für die meisten Anwendungsfälle aus diskreten Elementen aufgebaut sein« Es sei bemerkt, daß die Servorückkopplung z.B. von auf die Belegung des Verbrauchers ansprechende Geberelemente, z.B, von einem (Eachometergenerator oder Beschleunigungsmesser, abgeleitet werden, um ein besseres Drehmomentverhalten zu erzielen.

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Wenn die Servorückkopplung von einem-solchen Getier abgegriffen wird, kann auf diskrete Elemente im Bückkopplungsnetzwerk verzichtet werden.·

Der Schaltleistungsverstärker gemäß ]?ig.3 benötigt eine Stromversorgung mit geteilter Mittelanzapfung und besteht aus Schaltleistungstransistoren 61, 62 und 62'. Die Schaltleistungstransistoren können entweder, aus einem einzigen Transistor 61 oder aus zwei Transistoren 62 und 62' in Form einer Darlington- Schaltung aufgebaut sein. Derartige Leistungsstufen sind bekannt und werden für den kommerziellen Verkauf gefertigt. Eine bekannte Ausführungsform wird von der Firma Minneapolis-Honeywell unter der Bezeichnung TO-5 mit einer Sättigungsspannung V^ von 1,5 Volt bei 1 Ampere geliefert. Wenn höhere Motorströme erforderlich sind, kann die Darlington-Schaltung mit Leistungstransistoren vom Typ STG- 2N2Q34- (3 Amperes, 3 Ohm) und mit einer Treiber stufe TO-46 aufgebaut sein. Selbstverständlich kann jeder andere Transistor mit niedrigem Sättigungswiderstand bei entsprechenden Strom- und Spannungswerten Verwendung finden.

Der Kollektor des Leistungstransistors 61 ist mit der positiven Klemme einer 28 .Volt Stromquelle verbunden, wogegen der Emitter mit der einen Klemme des Servomotors 17 in Verbindung steht. Die andere Anschlußklemme des Servomotors 17 ist mit Masse verbunden, mit der auch die negative Seite der Spannungsquelle in Verbindung steht. Der Emitter des Leistungstransistors 62 ist mit der negativen Klemme der 28 Volt Stromversorgung verbunden und der Kollek-

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tor steht über der Leitung 63 mit dem Motor 17 in "Verbindung. Die Basis des Leistungstransistors 61 ist mit dem Kollektor des PHP Transistors 64 verbunden, dessen Basis seinerseits mit dem Kollektor des EPN Transistors 65 in Verbindung steht. In gleicher Weise ist die Basis des Transistors 62' der Darlington-Schaltung mit dem Kollektor des PEP Transistors 66 verbunden. .Die Basen der Transistoren 65 und 66 sind gemeinsam an den Ausgang des Gleichstrom-Differentialverstärkers 14 angeschlossen, und sind außerdem über den Leiter 67 .mit einer Quelle für ein Schaltbezugspotential verbunden. Das Schaltbezugspötential kann sinusförmig sein, jedoch sind auch andere Schwingungsformen, z.B. Dreieck-, Sägeζah- oder dgl. Schwingungen verwendbar. Zur Vervollständigung der Schaltung sind antiparallel geschaltete Dioden 68 und 69 mit jedem der Leistungstrarisistoren 61 und 62 verbunden. Daraus ergibt sich, daß die Dioden 68 und 69 in Serie mit dem Motor 17 und entsprechenden Hälften der mit einem Mittelabgriff versehenen Stromquelle verbunden sind.

Im Betrieb wird das Ausgangssignal des Gleichstrom-Differentialverstärkers 14 zu einem Bezugssignal addiert, das aus einer Sinusschwingung mit festliegender· Amplitude besteht und über den Leiter 67 der Basis der Transistoren 65 und 66 zugeführt wird. Die Amplitude der sinusförmigen Bezugsspannung ist auf eine solche Größe eingestellt, daß beim fehlenden Gleichstromsignal vom Differentialverstärker 14 der Spitzenwert gleich oder etwas größer als die Zenerspannung der Dioden oder die Basisemitterspannung für das Einschalten der Transistoren 65 und 66 ist. Deshalb

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wird beim Fehlen des Gleichstromsignals keiner der Transistoren für langer, als einen kurzen Augenblick, der dem Spitzenwert der Sinusspannung entspricht, eingeschaltet. Das bewirkt, daß keine ■Gleichstromkomponente dem Motor 17 zugeführt wird. In Fig.4 sind die Schwingungsformen dargestellt, die am Schaltverstärker auftreten und zwar für ein fehlendes Gleichstromsignal, +50% und -50% Anteil des. Gleichstromsignals. Aus der Darstellung der Schwingungsform in der linken Spalte für das fehlende Gleichstromsignal ergibt sich, daß dem Motor 17 im wesentlichen kein Strom zugeführt wird.

Wenn ein positives Gleichstromsignal am Ausgang des Differentialverstärkers 14 auftritt, schaltet der ansteigende Teil der positiven Sinushalbwelle des Bezugspotentials den IPIT Transistor 65 an. Damit erfolgt die Einschaltung·der Transistoren 64 und 61 undx die Versorgung des Motors 17 mit einer Folge positiver Stromimpulse, welche einen Gleichstromweit aufweisen_s der proportional dem. Gleichstromsignal vom Differentialverstärker 14 ist. Mit dem Ansteigen djes Gleichstromsignals vom Differentialverstärker 14

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steigt die Impulsdauer an, wodurch der dem Motor 17 zugeführte Gleichstrom zunimmt. Dies ist in der mittleren Spalte der■ J¹Ig.4 dargestellt. Aus dieser Darstellung kann entnommen werden, daß der dem Motor zugeführte Strom bis zu einem Prozentsatz von 85% impulsbrei1?enraodullert werden kann. Yon diesem Wert an kann die Stromversorgung des Motors 17 als kontinuierlich angesehen werden.

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Das negative G-leichstromsignal vom Ausgang des Differential verstärker s 14 dient dazu, den PHP Transistor 66 einzuschalten. Damit wird die Darlington-Schaltung aus den Transistoren 62' und 62 eingeschaltet und eine negative Impulsfolge an den Motor angelegt, wodurch dieser in umgekehrter Sichtung angetrieben wird. Diese Verhältnisse sind in der rechten Spalte der Figur darge- . stellt, in welcher der exponentielle Anstieg des abfallenden Motorstroms für ein Verhältnis der Schaltperiode zur induktiven Zeitkonstante des Motors von ungefähr 4:1 dargestellt ist. Es Bei bemerkt, daß bei dieser Anordnung die induktive Schaltspitze erfordert, daß die Leistungstransistoren in der Lage sind, das Doppelte der, Motorspannung auszuhalten. Es sei außerdem bemerkt, daß die induktive Entladung, die dem Abschalten der Leistungstransistoren 01 oder 62 und 62^l folgt, einen Rückstrom durch die Dioden 68 odei* 69 zur Stromversorgung bewirkt. Dies ist Energie, die, wenn gespeichert, ein brauchbares Drehmoment liefert. Jedoch muß die Stromquelle von der Art sein, daß eine Energiespeicherung möglich ist. Daraus ergibt sich, daß die Gleichrichter-Schaltungen, die in der Stromversorgung benutzt werden, mit Kapazitäten für die Energiespeicherung ausgerüstet sein müssen. Am Ende eines jeden an den Motor 17 angelegten Stromimpulses wird die in der Induktivität der Motorwicklung gespeicherte Energie durch die Dioden 68 und 69 entladen. Dies ermöglicht eine Entladung ohne daß die Leistungstransistoren 61 oder 62 und 62' eingeschaltet sein müssen. Das heißt, an den Leistungstfansistoren liegt nur dann eine hohe Spannung an, wenn der Strom niedrig ist. Somit wird auch nur eine niedrige Verlustleistung verbraucht.

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In Fig.5.ist eine Schaltung für eine weitere Ausführungsform eines Schaltverstärkers dargestellt, der als Schaltverstärker "15 im Servoverstärkersystem gemäß Fig.1 "Verwendung finden kann. Der Schaltverstärker gemäß Fig.5 kann mit einer einzigen Stromversorgungsquelle betrieben werden, für die keine Mittelanzapfung, wie bei der Schaltung gemäß Fig.3, erforderlich ist. Der Schaltleistungsverstärker gemäß Fig.5 enthält vier Schalttransistoren 71 bis 74-> die in Form einer Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet sind.

Soweit erwünscht könnte an Stelle der einzelnen Leistungstransistoren· auch jeweils eine Darlington-Schaltung Verwendung finden. Der Motor 17 ist mit gegenüberliegenden Anschlüssen der Brücke verbunden. Zu diesem Zweck sind die Schalttransistoren ¹JA und 73 mit ihren Kollektoren an die positive Klemme der Stromversorgung und die Emitter an die beiden Klemmen des Motors 17 angeschlossen. Der Emitter des Schalttransistors 71 ist über eine Leitung 75 mit dem Kollektor des Transistors 74 verbunden, und der Emitter des Transistors 73 ist über eine Leitung 76 mit dem Kollektor des Transistors 72 verbunden. Die Schalttransistoren 72 bis 74- sind mit ihrem Emitter über geeignete Ableitwiderstände mit dem negativen Anschluß der Stromversorgung verbunden.

Die Basis des Sehalttransistors 71 ist mit dem Kollektor des PNP Treiber-Transistors 77 verbunden, dessen Kollektor mit der Basis des Sehalttransistors 72 in Verbindung steht. Die Basis des Treiber-Transistors 77 ist über einen geeigneten Ableitwider-

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stand mit dem Kollektor des HPN Transistors 78 verbunden. Der Eingang des Transistors 78, d.h. seine Basis, ist mit dem Differentialverstärker 14 und über eine Leitung 67 mit der Quelle der sinusförmigen Bezugsspannung verbunden. Der Ausgang des Differentialverstärkers 14 und die Leitung 67 sind außerdem über eine Leitung 79 mit dem Emitter des EPN Transistors 61 verbunden, dessen Basis geerdet ist. Der Kollektor des zweiten Transistors 7⁷I ist über geeignete Ableitwiderstände mit der Basis des PNP Transistors 82 und dem positiven Anschluß der Stromversorgung verbunden. Der PNP Transistor 82 seinerseits ist mit dem Kollektor an die Basiselektrode jedes der Schaltleistungstransistoren

73 und 74 angeschlossen. Die Schaltung wird vervollständigt durch Dioden 83, die antiparallel zu den Leistungstransistoren 71 "bis

74 geschaltet sind.

Bei der Schaltung gemäß Fig.4 müssen im Gegensatz zu den Transistoren gemäß Pig.3» die bis zum doppelten Wert der Motorspannung spannungsfest sein müssen, die Leistungstransistoren 71 bis 74 maximal der an den Motor 17 gelegten Spannung standhalten. Die Wirkungsweise der Schaltung ist ähnlich der der Schaltleistungsverstärker gemäß Fig. 3 mit Ausnahme des Betriebs der unteren Brückentransistoren 72 und 74. Wenn nämlich der Leistungstransistor 71 auf Grund eines positiven Signals am Ausgang des Differentialverstärkers 14 eingeschaltet wird, wird der Leistungstransistor 74 gesperrt, entsprechend einem über die Leitung 75 angelegten Sperrpotential. Das Einschaltpotential für den Leistungstransistor 71 wird auch an den Leistungstransistor 72 an-

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gelegt, so daß ein Strompfad über den [Transistor 71, den Motor 17j die Leitung 76 und den Transistor 72 geschlossen ist. Wenn die Polarität des Steuersignals am Ausgang des DifferentialVerstärkers 14 umgekehrt wird, wird der Strompfad über -den Transistor 73, den Motor 17₅ den Leiter 75 und den Transistor 74- ' leitend.

Der impulsbreitenmodulierte Servoverstärker gemäß der Erfindung besitzt, wie aus der vorhergehenden Beschreibung hervorgeht, den Vorteil einer sehr geringen Verlustleistung und hohen Zuverlässigkeit sowie sehr guten Wirtschaftlichkeit. Für den Servoverstärker wird ein neuer transformatorloser Demodulator verwendet, wodurch der Servoverstärker in seiner Gesamtheit in Mikrominiaturbauweise aufgebaut werden kann. Daraus ergibt sich, daß ein komplettes Servöverstärkersystem möglich ist, das in einem Gehäuse von weniger als etwa 15,5 cm untergebracht werden kann, wobei mehr als 90% der Energie an den Motor angelegt wird, Auf Grund des (geringen Raumbedarfs ist es möglich, den Servoveyatärker zusammen mit dem Motor kardanisch aufzuhängen. Eine derartige Anordnung benötigt keinerlei Schleifringe und Iceine umfangreichei Verdrahtung, wodurch die Gesamtzuverlässigkeit des Ser-Yösystems erheblich verbessert wird.

Patent ansprüche

0 0 9 8 λ 1 / 0 4 S 9.

Claims (1)

1. --15&8250

   Pa'tefltanspriich e

   Servoverstärker, der zumindest teilweise in Mikromini aturbau.7 weise herstellbar ist, gekennzeichnet durch einen Demodulator und Verstärker (11,12), ein betrageveränderliches am' einen Eingang des Demodulators und Verstärkers zur Erzeugung eines verstärkten demodulierten Steuersignals anliegendes Eingangssignal (e_), einen Schaltleistungsverstärker (15) _} der ausgangsseitig einen zu steuernden Verbraucher (17) speist, wobei dem Schaltleistungsverstärker an einem Eingang das verstärkte und modulierte Steuersignal und an einem zweiten Eingang ein Schaltbezugssignal (16) derart zugeführt wird, daß die Polarität und Größe der an den Verbraucher angelegten Leistungsimpulse steuerbar ist.

   2. Servoverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Verstärker (14) zwischen den Ausgang des Demodulators und Verstärkers und den Eingang des Schaltlelstungsverstärkers geschaltet ist,

   5. Servoverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückkopplungsschaltung (18) zwischen den zu steuernden Verbraucher und den Eingang des zusätzlichen Verstärkers geschaltet ist. ■ ■

   ORIGINAUNSPECfTED

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   4, Servoverstärker nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltleistungsverstärker zumindest ein Paar steuerbarer Halbleiter-Sehalteinrichtungen (61,62,26' oder 7"U • 72,73,74) aufweist, die Steuerelektroden zur Steuerung der LeItfähigkeit besitzen und die Stromversorgung mit wechselnder Polarität an den Verbraucher anschließen, wobei die Leitfähigkeit der Halbleiter-Schalteinrichtungen durch die Summe des modulierten und verstärkten Steuersignals und des Schaltbezugssignals (EEE), welche an die Steuerelektroden angelegt werden, steuerbar ist, und daß Dioden (68,69) antiparallel über jede der Halbleiter-Schalteinrichtungen und in Serie zu den Einrichtungen geschaltet sind, über welche die im Motor gespeicherte Energie während der nicht leitenden Intervalle der Halbleiter-Schalteinrichtungen abgeleitet wird.

   ^, jpervoverstärker nach Anspruch 1 oder 5> dadurch g e k e η η ζ e i 0 h .η. e t , daß der Schaltle is tungsver stärker, zumindest vier steuerbare Halbleiter-Schalteinrichtungen (71,72,73 ₅74-) hoher Leistung umfaßt, die in Brückenform angeordnet sind, um die Stromversorgung mit wechselnder Polarität an den Verbraucher anzuschließen, wobei der Verbraucher mit zwei gegenüberliegenden Anschlüssen der Brücke und die Stromversorgung mit den beiden anderen Anschlüssen der Brücke verbunden sind.

   $. Servoverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulator und Verstärker transformatorlos aufgebaut ist. -.-.·■

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   7· Servoverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennze ichn e t , daß der transformatorlose Demodulator und Verstärker einen Demodulatorschalter (22,23) umfaßt, der von dem direkten und invertierten Anteil eines zweiten Schaltsignals (13) gesteuert wird, daß ein Differentialverstärker (24) mit Eingangsklemmen (2^,26) für das direkte und invertierte Signal versehen ist, wobei der Demodulatorschalter dazu dient, das betragsveränderli- *. . ehe Eingangssignal während aufeinanderfolgender Halbwellen des zweiten Schaltsignals an die Eingangskiemmen (25j26) für das direkte und invertierte Signal anzulegen, wodurch ein zweiweggleichgerichtetes und verstärktes Steuersignal am Ausgang des Differentialverstärkers auftritt.

   8. Servoverstärker nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulatorschalter zwei Schalttransistoren (22, 23) umfaßt, die über die Eingangsklemmen für das direkte und invertierte Signal des Differentialverstärkers und über die Eingangssignalquelle (e ) geschaltet sind, wobei das zweite Schaltsignal (13) von einer Quelle geliefert wird, die eine Rechtecfcschwingung an den Ausgängen für daß direkte und invertierte Signal abgibt, welche mit der Basiselektrode entsprechender Schalttransistoren verbunden sind.

   9. Servoverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher ein Servomotor (17) ist.

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