DE1588255B2

DE1588255B2 - Elektrische schaltung fuer die umwandlung dreiphasiger in zweiphasige winkelstellungssignale

Info

Publication number: DE1588255B2
Application number: DE19671588255
Authority: DE
Inventors: Ronald L. Hillsdale N.J. Paradise (V.StA.)
Original assignee: Singer General Precision Inc
Current assignee: Singer General Precision Inc
Priority date: 1966-09-30
Filing date: 1967-09-29
Publication date: 1971-12-02
Also published as: US3453548A; DE1588255A1; GB1167972A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Schaltungen für Umwandlungssysteme, die dreiphasige Stellungssignale von drei Leitungen in zweiphasige Stellungssignale für Systeme mit zwei Leitungen übersetzen.

In vielen Systemen, z. B. in Regelsystemen, werden die Winkelstellungen von irgendwelchen Elementen, beispielsweise Wellen, elektrisch durch Drehmeldersignale dargestellt. Herkömmliche Drehmelder besitzen einen Stator mit drei unbeweglichen elektrischen Wicklungen, die gleichmäßig gegeneinander versetzt sind, und einen Rotor mit einer einzigen elektrischen Wicklung, die gegenüber den Statorwicklungen verdrehbar ist und durch eine Wechselspannung erregt werden kann. Mit dem Rotor ist eine Welle oder irgendein Element, dessen Stellung angezeigt werden soll, mechanisch so verbunden, daß eine Stellungsänderung des Elements eine gleiche oder proportionale Stellungsänderung des Rotors bewirkt. Damit wird die Stellung des Elements und des Rotors durch die Ausgangssignale der drei Statorwicklungen angezeigt. Wird z. B. die Rotorwicklung mit einer Sinusspannung erregt, dann erzeugen die drei Statorwicklungen die Spannungen

E sin u>t sin Θ, E sin ωί sin (Θ + 120°) und E sin i-,t sin ((-) + 240 );

25

E stellt die Amplitude der Spannung dar, co die Frequenz der Erregerspannung, t die Zeit und Θ den Winkel zwischen der Stellung der Welle und einer Bezugsstellung.

Drehmelder, die nur zwei um 90° gegeneinander versetzte Statorwicklungen und eine dagegen verdrehbare Rotorwicklung haben und somit dem Sinus und Cosinus des Stellungswinkels proportionale Ausgangssignale liefern, lassen sich ebenfalls in solchen Regelsystemen einsetzen, jedoch sind die Drehmelder für drei Leitungen auf Grund bestimmter inhärenter Eigenschaften vorteilhafter, da in ihnen alle geraden Harmonischen und alle Harmonischen, die ein ganzes Vielfaches von 3 sind, beseitigt werden. Andererseits sind zur Bezeichnung des Stellungswinkels der Welle zwei Signale in der Form des Sinus und Cosinus dieses Winkels hinreichend und in vielen Regelschaltungen den Signalen auf drei Leitungen vorzuziehen. Die Umwandlung der von einem System mit drei Leitungen herrührenden Information, die den Stellungswinkel einer Welle für ein zweiphasiges System wiedergibt, ermöglicht also in beiden Fällen den Einsatz des bevorzugten Bauteiles.

Die vorliegende Erfindung läßt sich ebenso auf verschiedenen anderen Gebieten anwenden, wo eine Umwandlung dreiphasiger Stellungssignale in zweiphasige erforderlich ist. Ein Beispiel für eine solche Anwendung sind Simulationssysteme mit einem Gleichstrom-Analog-Rechner. In solchen Systemen wird die Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung dem Rechner vorangeschaltet und liefert an diesen die direkten Signale.

Der Übergang von dreiphasigen Systemen mit drei Leitungen auf zweiphasige Systeme mit zwei Leitungen wurde bisher mit Erfolg mit Scott-T-Umformer vorgenommen. Jedoch ist ein Scott-T-Umformer schwer und empfindlich gegen regellose Schwankungen und Null-Harmonische, die eine sorgfältige Stabilisierung bestimmter angeschlossener Schaltkreise, wie Pufferverstärker, erforderlich machen; auch muß, wenn ein Signal von ihm ausgetastet oder abgeleitet werden soll, das in sehr kurzer Zeit geschehen, da ein solches Signal sich ständig ändert. Um Veränderungen der Ubertragungseigenschaften zu vermeiden, ist es beispielsweise aus den USA.-Patentschriften 2 917 626 und 2 983 880 belcannt, Summierverstärker zu verwenden, deren Ausgänge über eine Parallelschaltung eines Kondensators und eines Widerstands auf ihre Eingänge rückgekoppelt sind und bei denen ein nachfolgender Summierverstärker über einen Kondensator angeschaltet sein kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, dreiphasige Signale eines Systems mit drei Leitungen möglichst einfach ohne Fehler in zweiphasige Signale für ein System mit zwei Leitungen umzuformen und dabei die Empfind-¹ lichkeit gegen regellose Schwingungen und Null-Harmonische herabzusetzen. Die dazu verwendeten Schaltungen sind leichter zu stabilisieren und liefern obendrein in der Umwandlungszeit eine feste, unveränderliche Ausgangsspannung.

Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch ein Paar von Summierverstärkern, deren jeder eine kapazitive Rückkopplung vom Ausgang auf den Eingang aufweist, ferner durch eine kapazitive Kopplung zwischen dem Ausgang des einen Verstärkers und dem Eingang des anderen Verstärkers und schließlich durch etwa gleich große Impedanzen im Eingangskreis jedes Verstärkers.

Wenn die Dimensionierung der Kopplung zwischen den Verstärkern und den Rückkopplungen genau erfolgt, und zwar so, daß die Rückkopplung des zweiten um den Faktor L größer ist als die des

ersten, und die Querkopplung vom ersten zum zweiten ¹I₂HIaI so groß ist wie die Rückkopplung des ersten, dann erhält man Ausgangssignale, die in ihrer Größe proportional sind dem Sinus und Cosinus des Stellungswinkels der Welle oder eines anderen Bauelementes.

Auf diese Weise wird durch den Einbau geeigneter Schalter, die die Eingänge der Schaltung unterbrechen, ein Integrier- und Haltebetrieb ermöglicht, durch den eine stabile, feste Spannung für eine Austastung gegeben ist. Eine weitere Vorrichtung zum geeigneten Entladen des Rückkopplungskondensators kann durch einen Nebenschluß zu diesem erstellt werden. Es lassen sich also der Ubertragungs-, Integrier- und Haltebetrieb mit dieser Schaltung erreichen.

Bei einigen Anwendungen, die einen Drehmelder mit drei Wicklungen ^aIs Ubertragereinheit benutzen, da die Einrichtung vorteilhaft mit den drei Signalen dieses Melders arbeitet, darf unter Umständen keine der drei Wicklungen des Melders geerdet sein. Demgemäß ist bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung die Möglichkeit der Verwendung eines Melders mit drei Leitungen berücksichtigt, bei dem alle Wicklungen erdfrei sind und der gemeinsame innere Verbindungspunkt der drei Wicklungen eine Gleich- oder Wechselspannung von wenigen Volt gegenüber Erde aufweist. Bei dieser Ausführungsform wird ein zusätzlicher Verstärker benötigt, dessen Eingang mit der ' Wicklung verbunden ist, die sonst geerdet wird. Dieser zusätzliche Verstärker hat eine Widerstandsrückkopplung, dessen Ausgang über Widerstände mit den Eingängen der beiden anderen Verstärker verbunden ist.

Nachstehend werden zwei Ausführungsformen der Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise beschrieben, in denen

3 4

Fig. 1 und 2 Blockdiagramme zweier verschie- tung 100. Zur wahlweisen Entladung der KondendenerAusführungsformen der Erfindung mit geerdeten satoren 10 und 12 liegen parallel zu diesen Serienbzw, erdfreien Eingängen darstellen, die kapazitive schaltungen des Schalters 16 und des Widerstandes Rückkopplungen und Querkopplungen zwischen den 17 bzw. des Schalters 16' und des Widerstandes 17'. Verstärkern benutzen und an denen ein integriertes 5 (Bei den Schaltern 16 und 16' handelt es sich eben-Signal eine Welle erhalten werden kann, um anderen falls um elektronische Schalter.) Die Widerstände Schaltelementen zugeführt werden zu können; 17 und 17' sind so klein bemessen, daß dann, wenn

F i g. 3 zeigt die Aufzeichnung einer typischen die Schalter 16 und 16' geschlossen werden, sich die

Eingangs- und Ausgangsspannung einer integrieren- Kondensatoren 10 und 12 während einer halben

den Schaltung. io Periode der Trägerwelle entladen.

Gemäß F i g. 1 weist der Drehmelder 1 drei Sta- Die Widerstände 7 und 8 und die Kondensatoren torwicklungen 2, 3 und 4 und einen Rotor (nicht 10,14 und 12 der Schaltung 100 sollten sehr genau mit gezeichnet) mit einer Wicklung auf, die gegenüber kleinen Toleranzen sein; die Verstärker 5 und 6 sollten den drei Statorwicklungen verdrehbar ist. Die Rotor- in ihrem Arbeitsbereich nur sehr kleine Verzerrungenwicklung induziert entsprechend einer geeigneten 15 erzeugen und eine sehr große Verstärkung von mehr Erregung in den Statorwicklungen Spannungen, die als 10 OOOfach besitzen. Die Eingangsklemmen dieser Funktionen des Winkels zwischen der Rotorwicklung Verstärker liegen auf Erdpotential, und die Eingangsund der jeweiligen Statorwicklung sind. Entsprechend impedanzen sind so hoch, daß die Ströme, die infolge wird die Stellung einer Welle, die mit dem Rotor von außen angelegter Spannungen fließen, vernachverbunden ist, durch die Spannungen an diesen drei 20 lässigbar klein sein.

Wicklungen wiedergegeben, die an einem Ende in Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung

Sternschaltung geschaltet sind. Das andere Ende der haben die Widerstände 7-und 8 den gleichen Wert,

Wicklung 2 ist bei dieser Ausführungsform der Erfin- , ^, . . ,-,-,.1/T , _n · α ν

dung geerdet, so daß die damit verbundenen Einrich- ^{der K}°^nden^<* 12 ist L mal so groß wie der Kon-

tungen keinen erdfreien Drehfeldgeber erfordern. Die 25 densator 10 und der Kondensator 14 ist 0,5mal so

anderen Enden der Geberwicklungen 3 und 4 stellen groß wie der Kondensator 10. Anders ausgedrückt,

tslXT^d l„tS„ vLSS fffi * M*hWtaW *· Verstärkers is. f ma! so

Die Verstärker 5 und 6 haben eine sehr hohe Ein- groß wie die des Verstärkers 5 und die Querkopplung

gangsimpedanz; die Spannung an ihren Eingängen 30 ist halb so groß wie die Rückkopplung des Ver-

ist sehr klein. Die Eingangssignale dieser Verstärker stärkers 5. Wenn die Kapazitäten so dimensioniert

stammen von den jeweiligen Statorwicklungen 3 werden, dann liefert Schaltung 100 bei Empfang der

und 4, die über die Widerstände 7 bzw. 8 und die Spannungen vom Geber 1 an ihren Ausgängen 11

jeweiligen Schalter 9 und 9' mif den Verstärkerein- und 13 Spannungen, die dem Sinus bzw. Cosinus der

gangen verbunden sind. Bei den Schaltern 9 und 9' 35 Stellung des Geberrotors gegenüber dem Geberstator

handelt es sich um elektronische Schalter, auch wenn proportional sind.

sie hier der Einfachheit halber nur als mechanische Wenn in der Schaltung der F i g. 1 der Schaleingezeichnet sind. Wie durch die strichlierte Linie ter 9 geschlossen ist, liegt am Ausgang 11 bei einer zwischen den Schaltern angedeutet, werden diese Eingangsspannung E sin Θ ωί eine deren Integral gleichzeitig betätigt. Sie dienen dazu, die Eingangs- 40 proportionale Spannung. Es ist
leitungen zu unterbrechen und stellen sicher, daß unter

bestimmten Bedingungen, die im folgenden beschrie- 1 r . .

ben werden, die Eingangssignale der Schaltung 100 ^e"⁼ R₇C₁₀ J ^{£ sm Θ sm ωί di}
Null sind. Ein Rückkopplungskondensator 10 liegt
zwischen der Ausgangsklemme 11 und dem Eingang 45

vom Verstärker 5, und ein ähnlicher Rückkopplungs- — I ^£sm ^Θ _sm _ωί &t ;

kondensator 12 liegt zwischen der Ausgangsklemme J Ri Qo
13 und dem Eingang von Verstärker 6. Jeder dieser

Verstärker bildet mit dem entsprechenden Konden- d. h., die Ausgangsspannung stellt eine Funktion des

sator in der beschriebenen Verbindung eine Summier- 5° Sinus des Verdrehungswinkels des Rotors gegenüber

oder Integrierschaltung, die das Integral der an ihrem einer Bezugsstellung dar.

Eingang liegenden Spannung bildet. Die Verstärker 5 Die Spannung am Ausgang 13 hängt von der über

und 6 sind miteinander über den Kondensator 14 den Widerstand 8 von der Wicklung 4 anliegenden

verbunden, der zwischen dem Ausgang des Ver- Spannung sowie von der vom Ausgang 11 über den

stärkers 5 und dem Eingang des Verstärkers 6 liegt. 55 Kondensator 14 anliegenden Spannung ab.

Auf diese Weise integriert der Verstärker 5 die Span- Da die Verstärker 5 und 6 an Erdpotential liegen,

nung der Statorwicklung 3 und der Verstärker 6 die dennoch aber eine sehr hohe Eingangsimpedanz auf-

Spannung der Statorwicklung 4, zusammen mit der weisen, läßt sich die Wirkung des Verstärkers 6 durch

Spannung, die am Ausgang 11 erscheint. folgende Gleichung ausdrücken:

Um mit der Schaltung 100 eine gleichbleibende ^6o

Ausgangsspannung in einem längeren Zeitintervall ^ef _j_ q "^eu +C₂ ³ = 0,

zu erzeugen, sind die Schalter 9 und 9' so geschaltet, ^s dt dt
daß sie gleichzeitig die Eingangsleitungen zu der

Schaltung 100 öffnen und dafür sorgen, daß während d_{arm sm}d·
eines solchen Intervalls keine Signalspannung auf ⁶5

die Eingänge der Schaltung 100 gelangt. Ein weiteres e-, = Eingangsspannung an Widerstand 8,

Schalterpaar 15 und 15', das ebenfalls gleichzeitig e_n = Spannung an Ausgang 11,

schaltet, dient der Erdung der Eingänge der Schal- e_l3 = Spannung an Ausgang 13.

Da C₁₄ = 1/2 C₁₀ und C₁₂ = If C₁₀ ist, ist

de

13

dt

YJC₁

ΊΟ

den

di

Die Spannung der Statorwicklung 4 mag beide Polaritäten haben, also E sin ωί (Θ + 120°) oder —E sin ωί sin (Θ + 120°). Der letzte Ausdruck ist gleich dem Ausdruck E sin ωί (Θ — 60°).

Es ergibt sich also

IO

de,

13

dr

E sin (O — 60°) sin ωί R₈

E(— sin Θ sin ωί)

2 R₁ C₁₀

da R₈ = R₁ ergibt sich

de₁₃ 2E sin ωί

■)·

di
[sin Θ cos 60'

_ 2Esincüi
" PC₁₀R₈ ~

de,, £sin ωί cos Θ

cos Θ sin 60° - 1/2 sin 6>;

CmRo

£cos Θ

>s Θ Γ . RTJ ^S1

sin ωί di.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 6 der Schaltung 100 ist dem Cosinus des Winkels Θ proportional. Θ ist der Winkel, der die Rotorstellung angibt. Schaltung 100 erzeugt also Ausgangssignale, die dem Cosinus bzw. Sinus des als Eingangssignal anliegenden Winkels proportional sind und erfüllt damit die gleiehe Funktion wie ein Scott-T-Umförmer.

In der Schaltung der Fig. 1 seien die Schalter9 und 9' geschlossen und die Schalter 15, 15', 16 und 16' geöffnet. Während des Intervalles i₀ bis ii der ersten Halbschwingung der Eingangswelle erzeugt dann die Schaltung am Ausgang 13 eine Spannung, die dem Integral des Kurvenverlaufs 18 proportional ist. Mit 18 ist in F i g. 3 die erste Halbwelle zwischen i₀ und i_x bezeichnet, das dazugehörige Integral mit 20. Da das Integral zur Zeit t_u also nach der ersten Halbwelle der Eingangsspannung, ein Maximum hat, werden in diesem Moment die Schalter 9 und 9' geöffnet und die Schalter 15 und 15' geschlossen, womit sichergestellt ist, daß kein Störsignal und keine regellose Schwankung vom Eingang her auf die Verstärker 5, 6 gelangen. Die Schalter 16 und 16' bleiben während des Integrationsintervalls J₁ bis t₂ geöffnet. In dieser Zeit dienen die Spannungen an beiden Ausgängen der Schaltung 100 als Eingangssignale für andere Schaltkreise. Wegen des verlän- gerten Zeitintervalls, in dem sie zur Verfugung stehen, und da die Verstärkereingänge an Null liegen, sind diese Spannungen völlig frei von störenden Uberschwingungen, regellosen Schwankungen und Harmonischen, die an den Ausgängen auftreten können, wenn die integrierten Spannungen nicht anliegen. Wenn die Ausgangsspannungen in anderen Schaltkreisen benutzt worden sind, dann kann die Verstärkerschaltung wieder in den Ausgangszustand gesetzt werden, indem Schalter 16 und 16' geschlossen und dadurch die Kondensatoren 10 und 12 entladen werden. Um eine schnelle Entladung zu gewährleisten, haben die Widerstände 17 und 17' ziemlich kleine Werte, so daß die Spannungen auf Null zurückgegangen sind, und damit die Schaltung wieder im Ausgangszustand ist, bevor die nächste Schwingung des Eingangssignals beginnt. Die Schaltung der F i g. 1 liefert durch das Hinzufügen der beschriebenen Schaltereinrichtungen ein konstantes, genaues Ausgangssignal. Auf diese Weise werden von dieser Schaltung zwei Funktionen erfüllt, nämlich erstens das Umformen eines dreiphasigen Signals in ein zweiphasiges, und zweitens über einen verlängerten Zeitraum die Erzeugung einer konstanten, genauen Ausgangsspannung.

Die Schaltung der F i g. 1 läßt sich noch ändern bzw. ergänzen durch das Hinzufügen geeigneter Schaltungen zur Phasenumkehr, um so ein zweiphasiges System zu bilden, oder durch das Hinzufügen von Bauteilen zur Driftkompensation. In diesem Fall beinhalten solche Schaltungen die erfindungsgemäßen Merkmale, die hier beschrieben sind.

In Fig. 2 sind die Bezugsziffern der Schaltelemente, die analog solchen aus F i g. 1 sind, mit einem Strich gekennzeichnet, und mit zwei Strichen, wenn die entsprechende Bezugsziffer der F i g. 1 schon einen Strich hat.

Die Wicklung2' der Fig. 2 ist erdfrei und über einen Schalter 22 und einen Serienwiderstand mit dem Eingang des Verstärkers 26 verbunden. Der Schalter 22 wird mit den Schaltern 9' und 9" gleichzeitig betätigt, wie es die gestrichelte Linie anzeigt, so daß alle Eingangsleitungen unterbrochen werden und der Drehfeldgeber 1 abgeschaltet wird, sobald die Schalter geöffnet werden. Verstärker 26 ist völlig gleich aufgebaut wie die Verstärker 5' und 6', jedoch besteht die Rückkopplung des Verstärkers 26 aus einem zwischen Ausgang und Eingang geschalteten Widerstand 28. Das Ausgangssignal des Verstärkers 26 gelangt über die Widerstände 30 bzw. 32 auf den jeweiligen Eingang der Verstärker 5' und 6'. In dieser Schaltung haben die Widerstände 7', 8', 24, 28, 30 und 32 genau den gleichen Wert und die Kondensatoren 10', 12' und 14' verhalten sich zueinander _wi_e 1_: i^T; * in dieser Schaltung führt die Ver-

bindungssteile der Wicklungen 2', 3' und 4' eine kleine, möglichst nahe bei Null liegende Gleich- und Wechselspannung, und die Schaltung erzeugt als Antwort auf das dreiphasige Stellungssignal vom Geber 1 ein zweiphasiges Signal an den Ausgängen 11' und 13', das dem Sinus und Cosinus des Stellungswinkels des Rotors vom Geber 1 proportional ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltung für die Umwandlung dreiphasiger in zweiphasige Winkelstellungssignale, gekennzeichnet durch ein Paar von Summierverstärkern (5; 6 in Fig. 1 — 5';·6' in F i g. 2), deren jeder eine kapazitive Rückkopplung (10 bzw. 12 in F i g. 1 — 10' bzw. 12' in Fig. 2) vom Ausgang auf den Eingang aufweist, ferner durch eine kapazitive Kopplung (14 in F i g. 1 — 14' in F i g. 2) zwischen dem Aus-

IO

gang des einen Verstärkers (5; 50 und dem Eingang des anderen Verstärkers (6; 6') und schließlich durch etwa gleich große Impedanzen (7 bzw. 8 in F i g. 1 — T bzw. 8' in F i g. 2) im Eingangskreis jedes Verstärkers.
2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dritten Summierverstärker (26) mit einer Widerstandsrückkopplung (28) zwischen seinem Ausgang und Eingang sowie durch eine Kopplung seines Ausganges durch zwei etwa gleiche Widerstände (30 bzw. 32) auf die Eingänge des ersten und zweiten Verstärkers (5' bzw. 60 und schließlich durch eine Impedanz (24) im Eingangskreis des Verstärkers (26), die etwa so groß ist wie die Eingangsimpedanzen (T bzw. 80 des ersten und zweiten Verstärkers (5' bzw. 60-

3. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Kopplung (12; 12') zwischen Ausgang und Eingang des zweiten Verstärkers (6; 6') ^- mal so groß ist wie die kapazitive Kopplung (10; 100 des ersten Verstärkers (5; 50 und die kapazitive Kopplung (14; 14') vom Ausgang des ersten Verstärkers (5; 50 auf den Eingang des zweiten Verstärkers

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(6; 60 ¹I₂TOaI so groß ist wie die Rückkopplung (10; 100 des ersten Verstärkers.

4. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch elektronische Schalter (9; 9' und 15; 15' in F i g. 1 — 22; 9'; 9" in F i g. 2) zur gleichzeitigen Unterbrechung und Erdung der Eingangsleitung zu jedem der Verstärker (5; 6 in F i g. 1 — 26; 5'; 6' in Fi g. 2).

5. Elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein leitendes Uberbrückungsglied (16; 17 bzw. 16'; 17' in Fig. 1 — 16'; IT bzw. 16"; 17" in Fig. 2), das wahlweise parallel zu dem Kondensator (10 bzw. 12 in Fig. 1 — 10' bzw. 12' in Fig. 2) geschaltet werden kann, um die Schaltung in einen Ausgangszustand zu bringen.

6. Elektrische Schaltung nach Anspruch 2 in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsimpedanzen (24; 7'; 80 aller drei Verstärker (26; 5'; 60, die Rückkopplung (28) des dritten Verstärkers (26) und die Widerstandskopplung (30 bzw. 32) des Ausgangs des dritten Verstärkers (26) mit den Eingängen des ersten und zweiten Verstärkers (5'; 60 jeweils Widerstände etwa gleicher jGröße sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.

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