DE1588255C - - Google Patents

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 Rohrwicklung mit einer Sinusspannung erregt, dann erzeugen die drei Statorwicklungen die Spannungen

E sin cot sin Θ, E sin cut sin (Θ + 120°) und
E sin u,t sin (0 + 240°);

25

E stellt die Amplitude der Spannung. dar, ω 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 bekannt, 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 Empfindlichkeit 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 V₂IQaI 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 als 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

F i g. 1 und 2 Blockdiagramme zweier verschiedener Ausfiihrungsformen der Erfindung mit geerdeten bzw. erdfreien Eingängen darstellen, die kapazitive Rückkopplungen und Querkopplungen zwischen den Verstärkern benutzen und an denen ein integriertes Signal eine Welle erhalten werden kann, um anderen Schaltelementen zugeführt werden zu können;

F i g. 3 zeigt die Aufzeichnung einer typischen Eingangs- und Ausgängsspannung einer integrierenden Schaltung. - -. ·

• Gemäß F i g. 1 weist der Drehmelder 1 drei Statorwicklungen 2, 3 und 4 und einen Rotor (nicht gezeichnet) mit einer Wicklung auf, die gegenüber den drei Statorwicklungen verdrehbar ist Die Rotorwicklung induziert entsprechend einer geeigneten Erregung in den Statorwicklungen Spannungen, die Funktionen des .Winkels zwischen der Rotorwicklung und der jeweiligen Statorwicklung sind. Entsprechend wird die Stellung einer Welle, die. mit dem Rotor verbunden ist, durch die Spannungen an diesen drei Wicklungen wiedergegeben,-die an einem Ende in Sternschaltung geschaltet sind. Das andere Ende der Wicklung 2 ist bei dieser Ausführungsform der Erfinj dung geerdet, so daß die damit verbundenen Einrichtungen keinen erdfreien Drehfeldgeber erfordern. Die ²S anderen Enden der Geberwicklungen 3 und 4 stellen die Eingänge der Schaltung 100 mit einem ersten Verstärkers und einem zweiten Verstärker6 dar. Die Verstärker 5 und 6 haben eine sehr hohe Eingangsimpedanz; die Spannung an ihren Eingängen ist sehr klein. Die Eingangssignale dieser Verstärker stammen von den jeweiligen Statorwicklungen 3 und 4," die über die Widerstände 7 bzw. 8 und die jeweiligen Schalter 9 und 9' mit den Verstärkerein- ■ gangen verbunden sind. Bei den Schaltern 9 und 9' handelt es sich um elektronische Schalter, auch wenn sie hier der Einfachheit halber nur als mechanische eingezeichnet sind. Wie durch die strichlierte Linie zwischen den Schaltern angedeutet, werden diese gleichzeitig betätigt Sie dienen dazu, die Eingangsleitungen zu unterbrechen und stellen sicher, daß unter bestimmten Bedingungen, die im folgenden beschrieben werden, die Eingangssignale der Schaltung 100 Null sind. Ein Rückkopplungskondensator 10 liegt zwischen der Ausgangsklemmen und dem Eingang vom Verstärker 5, und ein ähnlicher Rückkopplungskondensator 12 liegt zwischen der Ausgangsklemme 13 und dem Eingang von Verstärker 6. Jeder dieser Verstärker bildet mit dem entsprechenden Kondensator in der beschriebenen Verbindung eine Summier- oder Integrierschaltung, die das Integral der an ihrem Eingang liegenden Spannung bildet Die Verstärker 5 und 6 sind miteinander über den Kondensator 14 verbunden, der zwischen dem Ausgang des Verstärkers 5 und dem Eingang des Verstärkers 6 liegt. Auf diese Weise integriert der Verstärker 5 die Spannung der Statorwicklung 3 und der Verstärker 6 die Spannung der Statorwicklung 4, zusammen mit der Spannung, die am Ausgang 11 erscheint.

Um mit der Schaltung 100 eine gleichbleibende Ausgangsspannung in einem längeren Zeitintervall zu erzeugen, sind die Schalter 9 und 9' so geschaltet, daß sie gleichzeitig die Eingangsleitungen zu der Schaltung 100 öffnen und dafür sorgen, daß während eines solchen Intervalls keine Signalspannung auf die Eingänge der Schaltung 100 gelangt.· Ein weiteres Schalterpaar 15 und 15', das ebenfalls gleichzeitig schaltet, dient der Erdung der Eingänge der Schaltung 100. Zur wahlweisen Entladung der Kondensatoren 10 und 12 liegen parallel zu diesen Serienschaltungen des Schalters 16 und des Widerstandes 17 bzw. des Schalters 16' und des Widerstandes 17'. (Bei den Schaltern 16 und 16' handelt es sich ebenfalls um elektronische Schalter.) Die Widerstände 17 und 17' sind so klein bemessen, daß dann, wenn die Schalter 16 und 16' geschlossen werden, sich die Kondensatoren 10 und 12 während "einer halben Periode der Trägerwelle entladen.

Die Widerstände 7 und 8 und die Kondensatoren 10,14 und 12 der Schaltung 100 sollten sehr genau mit kleinen Toleranzen sein; die Verstärker 5 und 6 sollten in ihrem Arbeitsbereich nur sehr-kleine Verzerrungen erzeugen und eine sehr große-Verstärkung von niemals 10 OOOfach besitzen. Die Eingangsklemmen dieser Verstärker liegen auf Erdpotential, und die Eingangsimpedanzen sind so hoch, daß die Ströme, die infolge von außen angelegter Spannungen fließen, vernachlässigbar klein sein. .

Gemäß einem wichtigen .Merkmal der Erfindung haben die Widerstände 7-und 8 den gleichen Wert,

der Kondensator 12 ist L- mal so groß wie der Kondensator 10 und der Kondensator 14 ist 0,5mal so groß wie der Kondensator 10. Anders ausgedrückt, die Rückkopplung des Verstärkers ist J-^- mal so groß wie die des Verstärkers 5 und die Querkopplung ist halb so groß wie die Rückkopplung des Verstärkers 5. Wenn die Kapazitäten so dimensioniert werden, dann liefert Schaltung 100 bei Empfang der Spannungen vom Geber 1 an ihren Ausgängen 11 und 13 Spannungen, die dem Sinus bzw. Cosinus der Stellung des Geberrotors gegenüber dem Geberstator proportional sind. " -

Wenn in der Schaltung der Fig. 1 der Schalter 9 geschlossen ist, liegt am Ausgang 11 bei einer Eingangsspannung E sin Θ cot eine deren Integral proportionale Spannung. Es ist

R₁C

10

:/■

E sin Θ sin ωί di

E sin Θ

sin wt di ;

-ΊΟ

d. h., die Ausgangsspannung stellt eine Funktion des Sinus des Verdrehungswinkels des Rotors gegenüber einer Bezugsstellung dar. ■ .

Die Spannung am Ausgang 13 hängt von der über den Widerstände von der Wicklung4 anliegenden Spannung sowie von der vom Ausgang 11 über den Kondensator 14 anliegenden Spannung ab.

Da die Verstärker 5 und 6 an Erdpotential liegen, dennoch aber eine sehr hohe Eingangsimpedanz aufweisen, läßt sich die Wirkung des Verstärkers 6 durch folgende Gleichung ausdrücken: -■.;:■.■-...

■^8

de,

di

'12

13 _

di·

darin sind:

e_t = Eingangsspannung an Widerstand 8,
e_n = Spannung an Ausgang 11,
e_l3 = Spannung an Ausgang 13.

Da C₁₄. = 1/2C

₁₀

und C₁₂ = ήϊ C₁₀ ist, ist

dt

IfJC₁

ΊΟ

ji_ , C₁₀ de_a Ί U₈ 2- dt J'

Die Spannung, der Statorwicklung. 4 mag beide Polaritäten haben, also .Esintut (Θ + 120°) oder —£sin üjisin (0 + 120°). Der: letzte Ausdruck ist gleich dem Ausdruck E sin <ot [Θ — 60°). " ■

Es ergibt sich also

JSsin (0-60°) sin cut

dt

E(— sin θ sin wt) R₁ C₁₀

■)·

da R_e = R₇ ergibt sich

de.

2.E-sin tot

dt
[sin θ cos 60° — cos- Θ sin 60° — 1/2 sin

2E sin (ot

P C₁₀R₃

de,-

E'sin cot cos Θ

dt

■ΊΟ¹

I SL

sin ωί dt.

tung 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 Fig. 1 .liefert durch das. Hinzufügen, der beschriebenen Schaltereinrich- tungen. 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 F i g- 2. sind die Bezugsziffern der Schaltelemente,, die analog solchen aus Fig. 1 sind, mit einem Strich gekennzeichnet, und mit zwei Strichen,

■ wenn die- entsprechende. Bezugsziffer der Fig. 1 schon einen-Strich hat

Die Wicklung.2' der F i g. 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, l· 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 Widerstand28:.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 321 genau- den gleichen Wert und die Kondensatoren 10^{; 12.' und 14' verhalten sich zueinander

wie

: lÜY-i-. In dieser Schaltung führt die: Ver-

Das Ausgangssignal des Verstärkers 6- der- Schaltung 100 ist dem Cosinus, des Winkels & 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^Umformer.

In der Schaltung der F i g. 1 seien die· Schalter 9^: und 9' geschlossen und die Schalter 15, 15', 16 und 16' geöffnet Während, des Intervalles r₀ bis I₁ der ersten Halbschwingung der Eingangswelle· erzeugt 45 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 tp und t_r bezeichnet, das. dazugehörige- Integral mit 20. Da das Integral zur Zeitti, also nach so. kleine, möglichst-nahe bei Null liegende Gleich-und der ersten Halbwelle· der Eingangsspannung, ein Wechselspannung, und die Schaltung erzeugt als Ant-Maximunr.hat^ werden indiesemMöment die Schal- fd dihi SllilGb Γ

ter 9 und 9' geöfmet und die· Schalter 15 und: 15' geschlossen, womit sichergestellt, ist; daß- kein- Stör-

signal und keine-regellose Schwankung.vom Eingang 55 Rotors vont Geber I proportional ist herauf die Verstärker 5v-6-gelangenv Die Schalter 16· und 16' bleiben während-des-Integrationsintervallsti bis t_a geöffnet In. dieser Zeit dienen die Spannungen an beiden Ausgängen der SchaltunglOO als Eingangssignale für andere. Schaltkreise. Wegen- des.· verlän- 60 gerten Zeitintervalls, indem sie zurVerfügungistehen, und da die Verstärkereingänge an Null liegen, sind diese Spannungen völlig frei von störenden Überschwingungen, regellosen Schwankungen und Harmonischen, die an den Ausgängen auftreten können, wenn 65 die integrierten Spannungen nicht anliegen. Wenn die Ausgangsspannungen in anderen Schaltkreisen benutzt worden sind, dann kann dieVerstärkerschal-

bindungsstelle. der Wicklungen li\ 3*" und 4^ eine

pg, g g

wort aufdas·- dreiphasige. Stellungssignalvom Geber Γ emzweipfaasiges Signal an den Ausgängen: 11'und 13',· das dem Sinus, und Cosinus des Stellungswinkels des

Claims (6)

'Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltung für die Umwandlung dreiphasigerinzweiphasige Winkelstellungssignale, gekennzeichnet durch ein Paar- von Summierverstärkern (5; 6- in F i g. 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-

gang des einen Verstärkers (5; 5') und dem Eingang des anderen Verstärkers (6; 6') und schließlieh 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. 6') und schließlich durch eine Impedanz (24) im Eingangskreis des Verstärkers (26), die etwa so groß ist wie die Eingangsimpedanzen (7' bzw. 8') des ersten und zweiten Verstärkers (5' bzw. 6').

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') O- mal so groß ist

wie die kapazitive Kopplung (10; 10') des ersten Verstärkers (5; 5') und die kapazitive Kopplung (14; 14') vom Ausgang des ersten Verstärkers (5; 5') auf den Eingang des zweiten Verstärkers

(6; 6') V₂mal so groß ist wie die Rückkopplung (10; 10') 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 Fi 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'; S¹) aller drei Verstärker (26; 5'; 6'), 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'; 6¹) jeweils Widerstände etwa gleicher jGröße sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109549/80