DE2001804A1 - Kreiselstabilisierte Plattform - Google Patents

Description

• Kreiselstabilisierte Plattform Die Erfindung betrifft eine Plattform, die durch Wendekreisel mittels Servomotoren stabilisiert ist.
• Die Lägestabilisierung von Plattformen wird im allgemeinen mit sogenannten integrierenden Wendekreiseln als Meßfühler für die Drehbewegungen bewirkt. Dabei wird bei einer Störung um die zu überwachende Achse das Ausgangssignal des Kreisels über eine geeignete analoge Servoelektronik einem Servomotor an der Plattform achse zugeführt, der ein dem Störmoment gleiches, aber entgegengerichtetes Stelimoment erzeugt, derart, daß die Plattformachse momentfrei bleibt. Die zur Stabilisierung erforderlichen integrierenden Wendekreisel sind sehr teure, hochgenaue Komponenten.
• Um die Drift der Kreisel sehr klein zu halten, werden für bestimmte Anwendungen auch sogenannte doppelintegrierende W3ndekreisel verwendet, die eine gasgelagerte Präzessionsachseventhalten. Die zur Stabilisierung notwendige Servoelektronik enthält im wesentlichen Vorhaltnetzwerke von der Form K(s) = 1 + Ts « > 1 1 + Xs die den zur Stabilisierung erforderlichen Phasenvorhalt liefern. Sie werden heute ausschließlich durch Beschaltung aktiver Elemente realisiert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plattform der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß größere Vorhaltwinkel erreicht werden können als bei vorbekannten Plattformen.
• Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, bei einer Plattform der eingangs erwähnten Art eine Elektronik mit einfachem raum- und gewichtssparenden Aufbau vorzusehen.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Plattform mit kleinen Abmessungen und geringem Gewicht zu schaffen.
• Der Erfindung liegt schließlich die Aufgabe zugrunde, eine Plattform zu schaffen, bei welcher die Auswirkung der Drift der Servo-Elektronik geringehalten werden kann.
• Erfindungsgexaß wird die Plattform so ausgebildet, daß der Servomotor von Signalen in Gestalt von Impulsfolgen steuerbar ist, die aus dem Kreiselsignal abgeleitet oder an dem Kreisel abgegriffe Eerden.
• Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird somit die Elektronik zur Stabilisierung der Plattform digital ausgebildet. Eine solche digitale Elektronik besitzt Vorteile hinsichtlich der Drift.
• Sie kann mit raum- und gewichtssparenden digitalen elektronischen Bausteinen aufgebaut werden sein.
• Der Kreisel kann ein integrierender Wendekreisel mit inErementellem Abgriff sein. Dann erfolgt die Integration der Winkelgeschwindigkeit durch den Kreisel. Es werden aber von'dem Kreisel inkrementelle Ausgangssignale in Gestalt von Impulsen oder Impulsfolgen.abgenoflen Der inkrementelle Abgriff kann ein elektronischer oder optischer Abgriff sein.
• Eine besonders vorteilhafte Lösung besteht aber darin, daß der Kreisel. ein nicht-integrierender Wendekreisel mit nachgeschaltetem Reset-Integrator ist. Ein solcher normaler, nicht-integrierender Wendekreisel ist einfacher im Aufbau, kleiner und leichter als integrierende Kreisel und auch billiger. Der Funktion nach entspricht aber ein nicht-integ'rierend"er Wendekreisel mit nachgeschaltetem Integratar einem integrierenden Wendekreisel.
• Dadurch, daß ein Reset-Integrator verwendet wird, der Ausgangsimpulse liefert, werden aber die Nachteile üblicher elektronischer Integratoren, nämlich Drift und dadurch bedingte Lagefehler, vernieden.
• Zur Erzielung des P-Anteils des dem Servomo-tor-zugeführten Signals kann vorgesehen sein, daß die erhaltenen Ausgangsimpulse jeweils einem -Af-Ab-Zähler zugeführt werden, der über einen Digital-Analog-Umsetzer den Servomotor ansteuert. Die Ausgangsimpulse können zusätzlich einer Logikschaltudg zur digitalen Bildung von Vorbaltsignalen zugeführt werden, welche Signale zusätzlich zu dem Ausgang des Digital-Analog-fissetzers auf den Servomotor geschaltet sind. Die';ogikschaltung kann beispielsweise zur Erzeugung eines Signals, welches einen einfachen Vorhalt annåhertz einen nonostabilen Multivibrator enthalten, der von den Ausgangsilpuisen angestoßen wird.
• Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß der Servomotor ein digitaler Servomotor (z.B-. Schrittmotor) und von den Ausgangsimpulsen uilttelbar beaufschlagt ist. B8 kann dann auf-einen.
• Digital-Analog-Unsetzer verzichtet werden.
• Die Erfindung ist nachstehend an Ausführungebeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Plattform nach der Erfindung für eine Achse.
• Figur 2 ist eine detailliertere Darstellung von Elementen aus Fig.1.
• Figur 3 zeigt den Verlauf des gewünschten D-Anteils bei einfachem Vorhalt und eine mögliche Annäherung durch die digitale Vorhaltlogik.
• Figur 4 ist eine ähnliche Darstellung für einen zweifachen Vorhalt.
• Figur 5 zeigt als Blockdiagrnmm eine abgewandelte Ausführung mit integrierendem Wendekreisel und inkrementellem Abgriff.
• In Figur 1 ist mit 10 der Plattformrahmen bezeichnet, auf welchen ein Störmoment wirkt. Die hierbei auftretende Winkelgeschwindigkeit wird von,einem Wendekreisel 12 erfaßt. Das Ausgangssignal des Wendekreisels wird auf einen Reset-Integrator 14 gegeben.
• Der Reset-Integrator liefert Impulse, die einem Auf-Ab-Zähler 16 zugeführt werden. Außerdem werden die Impulse auf eine Vorhaltlogik 18 aufgeschaltet. Die Vorhaltlogik 18 liefert einen Augang, der den gewünschten Vorhaltsignalen entßpricht oder diese jedenfalls annähert. Der Auf-Ab-Zähler 16 liefert über einen Digital-Analog-Umsetzer. 20 ein Ausgangssignal, welches dem P-Anteil des Servosignals entspricht. Die beiden Signale von der Vorhaltlogik 18 und'dem Digital-Analog-Umsetzer werden im Punkt 22 überlagert und auf einen Servomotor '24 gegeben. Der Servomotor-24 liefert ein Stellmoment, welches an dem Plattform rahmen 10 dem Störmoment entgegenwirkt, wie bei 26 in Figur 1 angedeutet ist.
• Figur 2 zeigt noch eine Einzelheit der Anordnung von Fig. 1.
• Hier ist wieder mit 10 der Reset-Integrator bezeichnet, der einen Ausgangsimpuls a U1 für jeden Winkel # f liefert. Diese Impulse werden einmal der Vorhaltlogik 18 und zum anderen dem Auf-Ab-Zähler 16 zugeführt. Der Auf-Ab-Zähler ist ein Binärzahler. Die Ausgänge der verschiedenen Zählerstufen sind über Widerstände R, 2R, 4R ..-.. 2N # R auf den Eingang eines Operationsverstärkers 28 geschaltet, der mit einer Gegenkopplung über einen Widerstand~ versehen ist. Wenn nur die Ausgänge der Zählerstufen an dem Eingang des Verstärkers 28 lägen, dann wäre dessen Ausgangssignal dem Zählerstand analog. Zusätzlich wird nun über einen Widerstand R1 aas Ausgangssignal von der Vorhaltlogik 18 ebenfalls auf den Eingang des Verstärkers 28 aufgeschaltet und dadurch den Signalen von dem Zähler 16 überlagert. Der Ausgang des Verstärkers 28 ist auf den Servomotor 24 geschaltet.
• Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt: Der Wendekreisel 12 liefert bekanntlich ein Ausgangssignal (Spannung), das einer Eingangswinkelgeschwindigkeit # proportional ist. Das Ausgangssignal Uw wird dem Reset-Inte-grator 14 zugeführt. Ein Reset-Integrator ist bekanntlich ein Integrator, dessen Ausgangaspannung bei konstantem Eingangssignal nicht kontinuierlich ansteigt, sondern beim Brreichen einer Referenzspaniung Uref auf Null zurtickgesetzt wird. Immer dann, wenn das Ausgangssignal des Integrators auf Null zurtickgesetzt wird, wird ein Impuls ausgelöst, der der digitalen Servoelektronik zugeführt wird. Die Frequenz der Ausgangsimpulse L UI des Reset-Integrators 14 ist seiner Eingangsspannung Uw und damit der Plattformwinkelgeschwindigkeit # proportional.
• Jeder einzelne Impuls a U1 entspricht also einer bestimmten Winkeländerung # # der Plattformlage, denn es gibt ja Beträgt bei Uw = 1 Volt die Ausgangs-Impulsfrequenz des Integrators N Impulse/sek., so ergibt sich 1 Impuls/sek. bei 1 Volt N Eingangsspannung, ist die Konstante Kw des Wendekreisels.
• Kw = X Volt rad/sek So ergibt sich also X Volt Ausgangsspannung, wenn die Eingangswinkelgeschwindigkeit lrad/sek. ist. Es gilt für 1 Volt Ausgangsspannung 1 Volt = Kw # 1 rad/sek.
• Damit gilt 1 Impuls/sek Kw = X # N 1 rad/sek X-N Es entspricht also 1 Ausgangsimpuls des Reset-Integrators eine Änderung der Plattformlage von Kw Radiant. Damit iat hier für den Lagewinkelmeßgeber wie bei einem integrierenden Wandekreisel eine Proportionalität zwischen Plattformlagewinkel als Eingangsgröße und der Ausgangsgröße des Meßgebers, nämlich hier einer Impulsfolge erreicht.
• Wie bereits erwähnt, wird zur Stabilisierung ein Vorhalt erster oder zweiter Ordnung (e nach Kreisel- und Plattformdaten) benötigt. Die Servo-Elektronik hat also P-D-Verhalten und prinzipiell folgende Übertragungsfunktionen: Der P-Anteil wird ausgehend von den Ausgangsimpulsen des Reset-Integrators 14 durch den Auf-Ab-Zähler 16 erreicht. Die Ausgangsimpulse des Reset-Integrators werden in dem Zähler aufsummiert und in dem Digital-Analog-Umsetzer 20 in ein dem Zählerstand analoges Signal verwandelt. Der Zählerstand entspricht der Anzahl der von dem Reset-Integrator 14 gelieferten Impulse und damit dem Integral des Wendekreiselsignals.
• Die Wirkung des D-Anteils nach Gleichung (8) kann erreicht werden, indem die Einheitssprungfunktion dieses D-Anteils durch Pulse, die von einer Logik erzeugt werden, angenähert und dem gewandelten Ausgangssignal des Zählers überlagert wird. Wenn sich nämlich die Plattformlage # um den Winkel ## geändert hat, was durch einen Ausgangsi-puls des Reset-Integrators angezeigt wird, so muß der D-Anteil nach Gleichung (8) einen Zeitverlauf erzeugen, für den gilt: Dieser Vrlauf-ist als Kurve 28 in Figur 3 dargestellt. Er kann durch ehrere Pulse, die beim Aüftreten eines # UI-Impulses von der Logik 18 erzeugt werden, mehr oder weniger genau angenähert werden. Wenn die ßf Inkremente hinreichend klein sind, reicht vielfach schon 1 Impuls zur Annäherung des Signalverlaufs aus, wie durch die Kurve 30 in Figur 3 angedeutet ist.
• Figur 4 zeigt die entsprechenden Kurven für einen Vorhalt zweiter Ordnung. Kurve 32 ist die wirkliche Sprungfunktion, während Kurve 34 eine mögliche Annäherung durch Pulse darstellt. Die durch Pulse angenäherte Sprungfunktion des entsprechenden D-Anteils wird dem digital-analog-gewandelten Ausgangssignal des Proportional-Zweiges (Auf-Ab-Zähler 16) additiv überlagert.
• Die Logikschaltung zur Erzeugung der angenäherten Sprungfunktionen kann im wesentlichen aus monostabilen Multivibratoren und Gattern oder ähnlichen logischen Elementen aufgebaut werden.
• Das Signal 30 von Figur 3 ergibt sich beispielsweise, indem ;jeder Ausgangsimpuls des Reset-Integrators einen monostabilen Multivibrator anstößt. Dieser Impuls gibt den Multivibrator in den zweiten Schaltzustand und kippt nach einer genau definierten Zeit in den Ausgangs zustand zurück. In ähnlicher Weise kann auch der Signalverlauf34 von Figur 4 erzeugt werden.
• Eine solche digitale Servo-Elektronik bietet verschiedene Vorteile: Es können mit der digitalen Servo-Elektronik größere Vorhaltwinkel erreicht werden als mit einer analogen Servo-Elektronik. Es sind keine zusätzlichen Filter im Kreis erforderlich. Die Elektronik hat einen sehr einfachen, raum- und gewichtssparenden Aufbau. Da auch übliche, nicht integrierende Wendekreisel kleiner und leichter als integrierende Kreisel sind, ist die beschriebene Lösung besonders für kleine Plugkörper-Plattformen mittlerer Genauigkeit geeignet, wo es auf kleine Abmessungen und geringes Gewicht ankommt.
• Auch ist die Drift der Servo-Elektronik geringer, oder sie wirkt sich jedenfalls in geringerem Maße aus.
• Figur 5 zeigt schematisch eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführung ist statt des Wendekreisels 12 mit Reset-Integrator 14 ein integrierender Wendekreisel 36 mit inkrementellem Abgriff vorgesehen. Dieser Kreisel liefert in ähnlicher Weise eine Impulsfolge, wie die Kombination von Wendekreisel 12 mit Reset-Integrator 14. Die erhaltenen Ausgangsimpulse werden auf eine Servo-Elektronik 38 gegeben, die ähnlich aufgebaut sind kann wie die Elektronik von Figur 1.
• Bei Verwendung eines digitalen Servomotors, z.B. eines Schrittmotors, kann die Digital-Analog-Umsetzung entfallen. Die digitale Elektronik hat dann jedoch einen geringfügig geänderten Aufbau.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Plattform, die durch Wendekreisel mittels Servomotoren stabilisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor (24) von Signalen in Gestalt von Impulsfolgen steuerbar ist, die aus dem Kreiselsignal abgeleitet oder an dem Kreisel abgegriffen werden.

2. Plattform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisel ein integrierender Wendekreisel (36) mit inkrementellem Abgriff ist.

3. Plattform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisel ein nicht-integrierender Wendekreisel (12) mit nachgeschaltetem Reset-Integrator (14) ist.

4. Plattform nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erhaltenen Ausgangsimpulse jeweils einem Auf-Ab-Zähler (16) zugeführt werden, der über einen Digital Analog-Umsetzer (20) den Servomotor (24) ansteuert.

5. Plattform nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsimpulse zusätzlich einer Logikechaltung (18) zur digitalen Bildung von Vorhaltsignalen zugeführt werden, welche Signale zusätzlich zu dem Ausgang des Digital-Analog Umsetzers (20) auf den Servomotor (24) geschaltet sind.

6. Plattform nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung zur Erzeugung eines Signals, welches Vorhalt annähert, einen oder mehrere monostabile Multivibratoren enthält, die von den Ausgangsimpulsen angestoßen werden. (Figur 3).

7. Plattform nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor ein digitaler Servomotor, z.B.

Schrittmotor, und von den Ausgangsimpulsen unmittelbar beaufschlagt is;t.