DE2019272C3 - Servomotor für eine Winkelverstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Servomotor für eine Winkelverstellung, die proportional der Phasenverschiebung zwischen zwei gleichfrequenten Wechselspannungen ist.

Es sind bereits Hilfsvorrichtungen zur Einstellung bestimmter Ortslagen, auch Winkellagen, bekannt, die einen Servomotor — einen Schrittschaltmotor — aufweisen, der dauernd ein Steuersignal empfängt, das durch einen Vergleich der gesteuerten Stellung mit der Ausgangsstellung erzeugt wird, und das dank seiner Eigenenergie eine Verschiebung einer Last in die gewünschte Stellung gewährleistet (L'-Onde Electrique, 44. Jahrgang, Nr. 445, April 1964, Seiten 396 - 402).

Bisher sind Servomotoren nur für die Einstellung der Geschwindigkeit und einer Ausgangsbeschleunigung bekannt, nicht aber zur Erzielung einer Winkelstellung. In allen zur Einstellung einer bestimmten Lage verwendeten Servomotoren wird eine Ausgangsstellung aus dem Steuersignal durch eine oder zwei durch den Motor erfolgende Integrationsvorgänge abgeleitet. Dies ist insbesondere der Fall bei

a) zweiphasigen Servomotoren oder Gleichstrommotoren, wo für ein vorgegebenes Widerstandsmoment die Ausgangsgeschwindigkeit proportional dem Steuersignal ist;

b) mit Gleichstrom oder Wechselstrom betriebenen Drehmoment-Motoren, wo für ein vorgegebenes Widerstandsmoment die Ausgangsbeschleunigung proportional dem Steuersignal ist.

Lediglich der Schrittmotor ergibt eine Stellung, die direkt eine Funktion des Steuersignals ist Ein solcher Motor ist aber numerisch, was heißen soll, daß er seme Ausgangslage nur schrittweise regulieren läßt Auflerdem muß in einem veränderlichen Leistungsbereich ein Kompromiß zwischen seiner Dämpfung und seiner Zeitkonstante gefunden werden.

In der Mehrzahl der Anwendungsfälle ist ein von Null verschiedenes Widerstandsmoment vorhanden, vor-,o herrschend ein bei Stillstand durch Trockenreibung vorhandenes Moment In anderen Anwendungsfallen, beispielsweise bei Radarantennen oder N achlauf antennen treten Störmomente auf, insbesondere durch Windeinwirkung entstehende Momente, is Aus der Theorie der Servo-Vorrichtungen ist bekannt daß das Vorhandensein eines konstanten Widerstandsmomente oder Störmomentes in einem festgelegten Bereich einen konstanten Stellungsfehler bewirkt der um so größer ist, je schwächer der Wirkungsgrad der Verstärkerkette ist, und dies trotz einer Integration bei den klassischen Servomotoren. Man beseitigt diesen Stellungsfehler, indem man m diese Kette eine Integrierstufe einbaut, und zwar so weit wie mögl ch vorn in der Verstärkerkette. Dann weist aber 2s eine solche Einrichtung zur Einstellung einer bestimmten Lage einen klassischen Servomotor auf und zwei Integratkjnsstufen. und die Stabilität eines solchen Syste ns wird um so unsicherer, je mehr Storverzogerungen auftreten. Eine Stabilität wird nur durch d.e •>o Korrekturkreise erreicht.

Es ist auch bekannt, Motorsysteme aus mehreren Ein/elmotoren zusammenzustellen, jedoch nicht bei Servomotoren. So ist ein System bekannt, bei welchem zwei Wechselströme gleicher 1requenz und verschobener Phasen dazu verwendet werden, um Winkelwerte zu messen oder festzustellen (Zeitschrift »Zmsr« 5, 1962, Seite 163-168). Auch ist ein solches System bekannt, um einen Synchronmotor automatisch anzulassen, beispielsweise einen Hysteresemotor mit Permanemmagnet (CH-PS 2 58 953) oder einen Motor mit veränderlicher Reluktanz. Diese Systeme erlauben jedoch nicht die Lösung der Aufgare, die der Erf.ndung zugrunde liegt und die darin besteht, zur Vermeidung der eingangs genannten Nachteile einen leistungsfähigen und sehr genauen Servomotor zu schaffen, der eine solche Winkelverstellung proportional der Phasenlage zweiter gleichfrequenter Wechselspannungen ausführt. Die gestellte Aufgabe wird bei einem Servomotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Servomotor vier Systeme umfaßt, von denen je zwei, nämlich ein Erregersystem und ein Induktionssystem, nach Art von Synchronmotoren zusammenwirken, daß zwei drehbar gelagerte, nicht motorisch zusammenwirkende Systeme starr mitcinander gekoppelt sind und daß von den beiden nicht starr gekoppelten Systemen das eine feststeht und das andere sich um den Winkel verstellt, der proportional der Phasenverschiebung zwischen den beiden Speisespannungen ist.

Dieser Servomotor benötigt keine zwei Integrationsstufen, sondern nur eine einzige, die nicht innerhalb des Servomotors liegt. Ein Servomotor gemäß der Erfindung beinhaltet also keine Integration. Er nimmt seine Winkellage auch unter der Steuerung eines Analogsignals sehr genau ein. Der Gesamtwirkungsgrad der Steuerkette oder Regelkette dieses Motors kann in großen Maße erhöht werden. Ein aufgrund eines konstanten Widerstandsmomentes oder Störmomentes

auftretender Stellungsfehler in dem gewählten Bereich kann mit Hilfe einer vorgeschalteten Integrationsstufe aufgehoben werden, ohne daß dadurch die Stabilität gefährdet wäre. Bei einer Steuereinrichtung mit mittlerer Präzision kann auf einen Rückführungskreis verzichtet werden. Bei Ausbildung dieser erfindunsgemäßen Servomotoren mit bewickelten Erreger- und Induktionssystemen ergibt sich außerdem der Vorteil einer Verstärkung des Ausgangssignals innerhalb des Motors.

We;ni als Steuersignal eine Impulsfolge vorliegt, gibt der Servomotor schrittweise, also numerisch, ein Ausgangssignal, jedoch mit der Möglichkeit, Zwischenschrittstellungen zu erhalten. Erfindungsgemäß ausgebildete Motoren weisen also auch die Vorteile auf, die Schrittschaltmotoren haben.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Jm einzelnen zeigt

Fig. 1 i'inen zentralen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Servomotors,

Fig. 2 einen zentralen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Servomotors gemäß der Erfindung,

Fig.3 das Blockschaltdiagramm einer Hilfsvorrichtung, in welcher ein erfindungsgemäß ausgebildeter Servomotor verwendet wird;

F i g. 4 zeigt einen Detail aus F i g. 3.

Der erfindungsgemäß ausgebildete Servomotor ist aus zwei Synchronmotoren gebildet, die vorzugsweise als Hysteresismotoren oder als Motoren mit veränderlicher magnetischer Reluktanz ausgebildet sind und die gleiche elektrische und mechanische Eigenschaften oder unterschiedliche Eigenschaften haben und mechanisch günstig gekoppelt sind. Diese Koppelung kann erfindungsgemäß auf vier verschiedene Arten erzielt werden, nämlich:

1. Das Erregersystem R_t des ersten Motors ist mit dem Induktionssystem R₂ des zweiten Motors starr gekoppelt. Die gesamte Einheit (R_u R₂) ist drehbar gelagert. Das Induktionssystem S₁ des ersten Motors ist nun feststehend. Das Erregersystem S2 des zweiten Motors kann sich frei drehen, wenn die beiden Motoren nicht erregt sind.

2. Das Erregersystem R] des ersten Motors ist mit dem Erregersystem S₂ des zweiten Motors starr gekoppelt. Die gesamte Einheit (A₁, 52) ist drehbar gelagert. Das Induktionssystem S\ des ersten Motors ist nun feststehend. Da·. Induktionssystem R₂ des zweiten Motors kann sich frei drehen, wenn die beiden Motoren nicht erregt sind.

3. Das Induktionssystem S₁ des ersten Motors ist mit dem Induktionssystem R₂ des zweiten Motors starr gekoppelt. Das gesamte System (Su R₂) ist drehbar gelagert. Das Erregersystem R\ des ersten Motors ist nun feststehend. Das Erregersystem S₂ des ,zweiten Motors kann sich frei drehen, wenn die beiden Motoren nicht erregt sind.

4. Das Induktionssystem S₁ des ersten Motors und da«: Erregersystem S₂ des zweiten Motors sind miteinander starr gekoppelt und drehbar gelagert. Das Erregersystem R\ des ersten Motors ist nun feststehend. Das Induktionssystem R₂ des zweiten Motors kann sich frei drehen, wenn die beiden Motoren nicht erregt sind. Die Erregerpole und ^wicklungen können entweder auf dem rotierenden

H₂'=

oder auf dem feststehenden System der Motoren angeordnet eein.

Die Erregung wird z. B. folgendermaßen durchgeführt:

a) der ertte Motor wird mit einem Zweiphasenstrom erregt, bei welchem eine der Phasen ein Magnetfeld

W₁ = H₀ ■ sin ω t,
die andere Phase ein Magnetfeld

W₁'= H_osinliur + -y ) = W₀ cos ωf

erzeugt

Das drehbare Systen des ersten Motors (R\ oder Si je nach Fall) steht also unter der Abhängigkeit eines kreisförmigen Drehfeldes mit der Winkelgeschwindigkeit ω und der Größe Wo-

b) der zweite Motor wird durch einen Zweiphasenstrom erregt, der gegenüber dem Zweiphasenstrom des ersten Motors um einen Phasenwinkel & verschoben ist

H₂ = H₀ sin(iuf + a)

H₀SUl (tut + u + 7 ) = H₀COSf(Nf + u)

Das drehbare System des zweiten Motors (je nach Fall R₂ oder S₂) steht also in Abhängigkeit eines kreisförmigen Drehfeldes von der Winkelgeschwindigkeit ω und dem Wert H₀, jedoch um den Winkel & gegenüber dem Drehfeld des ersten Motors verschoben.

Daraus ergibt sich, daß das drehbare System des ersten Motors synchron mit dem sich aus Wi und W₁' ergebenden Drehfeldvektor umläuft und daß das drehbare System des zweiten Motors aufgrund der Tatsache, daß es mit dem ersten Motor starr gekoppelt ist, sich ebenfalls synchron dreht.

Das nicht starr gekoppelte System des zweiten Motors wird sich also um einen Winkel α in der einen oder anderen Richtung verdreht entsprechend dem Vorzeichen von α einstellen, um diese Verzögerung zu kompensieren. Sobald also eine Phasenverschiebung <x infolge eines Steuersignals auftritt, ist dieses drehbare System des zweiten Motors einem mechanischen Moment unterworfen:

Cn= k sin a..

Dieses Moment verkleinert sich mit dem Winkel ε, um den er sich dreht, d. h. daß der Wert des Momentes wird:

C= k sin (α-ε).

Das Moment verschwindet, wenn ε = «wird.

Wenn also der Servomotor kein Steuersignal, d. h.

keinen Zweiphasenstrom zur Bildung von W2, W2' erhält, bleibt das zuletzt betrachtete drehbare System in Ruhe. Sobald ein Steuersignal empfangen wird, dreht er sich um einen Winkel « entsprechend der Phasenverschiebung. Der Motor kann also das Organ, mit dem er gekoppelt ist, betätigen.

Die in der Zeichnung dargestellten beiden Ausführungsbeispiele gehören zu der vorstehend unter Ziffer 4 genannten Kategorie. Bei ihnen sind also das Induktionssystem Si und das Erregersystem S₂ fest zueinander angeordnet und können sich also gemeinsam drehen. Das IErregersystem R\ ist feststehend und das Induktionssiystem R₂ dreht sich, wenn der Servomotor einen Befehl erhält.

In F i g. 1 trägt das feststehende Erregersystem R\ die Erregerwicklungen und das bewegliche Induktionssystem /?2 trägt für zweiphasige Synchronmotoren vom Hysteresistyp geeignete Magnetringe.

In Fig.2 ist es umgekehrt. In diesem Fall ist das Trägheitsmoment des Induktionssystems R2 viel größer als dasjenige des Induktionssystems Ri beim ersten Ausführungsbeispiel. Die mechanischen Momente, die auf die beiden Induktionssysteme R2 einwirken, sind genau die gleichen. Daraus folgt, daß der Servomotor nach F i g. 1 eine stärkere Kopplung, der Servomotor nach F i g. 2 eine schwächere Kopplung aufweist. Die Kopplung über das Trägheitsmoment, das die Zeitkonstante des Servomotors bestimmt, kann man also entsprechend den Erfordernissen geeignet festlegen.

Die nachstehend beschriebenen Servomotoren weisen nur ein einziges Polpaar pro Phase auf. Diese Besonderheit ist aber nicht zwingend. Wird z. B. der zweite Motor (R2, S₂) mit ρ Polpaaren pro Phase ausgeführt, so läßt sich ein Anzeigewinkel ot/p erzielen.

Im einzelnen ist aus F i g. 1 ersichtlich, daß die beiden zweiphasigen Synehronmotoren 2 und 3 (2 enthält die Systeme R\ Si und 3 die Systeme R2 S₂) von einem zylindrischen Gehäuse 10 umgeben sind, das durch einen flansch 11 verschlossen ist. Dieses Gehäuse und sein Flansch sind erforderlich, um die verschiedenen Lagerstellen für den Trägerstator 12 und den Rotor 31 des Motors 3 zu tragen.

Zu diesem Zweck ist ein zylindrischer Zapfen 13 koaxial zum Gehäuse 10 am Boden des Gehäuses 10 ausgebildet.

Dieser Zapfen 13 trägt in der Nähe seiner Verbindungsstelle mit dem Gehäuse ein Kugellager 14, das in den Flansch 15 des Trägerstators 12 eingepreßt eines der Lager dieses Stators bildet. In seinem mittleren Abschnitt trägt der Zapfen 13 den feststehenden Rotor 21 des Motors 2 mit den Polen für die beiden Phasen, von denen nur ein einziges Paar 211-212 aus F i g. 1 ersichtlich ist, und di:n zugehörigen Erregerwicklungen, von denen ebenfalls nur ein einziges Paar 221-222 aus Fig. 1 ersichtlich ist. Am freien Ende des Zapfens 13 ist eine Öffnung 16 für ein Kugellager 17 ausgebildet, welches eines der Lager für die Welle 30 des Rotors 31 bildet.

Der gleiche Zapfen 13 weist auf der Seite seiner Befestigung einen konzentrischen Kanal 18 auf. der das Hindurchführen von Drähten 25 für die Versorgung der Erregerwicklungen erlaubt.

Der Flansch 11 des Gehäuses 10 ist in seiner Mitte mit einer Bohrung 41 versehen, durch welche die Welle 30 des Rotors 31 des Motors 3 hindurchragt. Die Bohrung

41 ist auf der Innenseite des Gehäuses von einem Bund

42 umgeben, über welchen ein Hohlzylinderteil 43 teilweise geschoben ist das mit einem Ringflansch 44 versehen ist, der gegen die Planfläche des Flansches 11 anliegt.

Im Innern des Hohlzylinderteiles43 ist ein Kugellager 45 angeordnet, welches das zweite Lager für die Welle 30 des Rotors 31 des Motors 3 bildet. Auf der Außenseite des gleichen Hohlzylinderteiles 43 ist ein Kugellager 46 angeordnet, welches das zweite Lager für den Trägerstator 12 bildet.

Derjenige Teil des Trägerstators 12, der dem Stator 23 des Motors 2 zugeordnet ist trägt magnetische Ringe 231. welche den Anker des Motors 2 bilden. 6«;

Derjenige Teil des Trägerstators 12, der dem Stator 33 des Motors 3 zugeordnet ist, weist je Phase ein Polpaar auf — in Fig. 1 ist nur ein einziges Paar 331-332 ersichtlich — sowie zwei Erregerwicklungspaare, von denen ebenfalls nur ein einziges Paar 341-342 aus Fig. 1 ersichtlich ist.

Die Wicklungen des Stators 33 sind durch Löten mit Ringen 47 verbunden, die auf die Außenseite des Trägerstators 12 aufgeschrumpft sind. Diese Ringe stehen über Bürsten 48 mit äußeren Stromversorgungsanschlüssen in Verbindung.

Der Rotor 31 des Motors 3 trägt Ringe 311, die seinen Anker bilden.

F i g. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Servomotors. In. dieser Figur sind gleiche oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 bezeichnet.

Der Rotor 31 des Motors 3 trägt Pole, von denen zwei mit 311', 312' bezeichnet sind, und Erregerwicklungen, von denen zwei mit 321',322' bezeichnet sind.

In F i g. 2 sind die Erregerwicklungen des Motors 3 mit der Welle 30 des zweiten Motors und nicht mehr mit dem Trägerstator drehfest verbunden.

Daher weist der Zapfen 13 einen Kanal 19 für Versorgungsleitungen für die Erregerwicklungen des Motors 2 auf, welcher zum Rand des Zapfens 13 hin verschoben ist, dami· im Zapfen 13 ein weiterer, konzentrischer, zylindrischer Kanal 49 ausgebildet werden kann. In diesen Kanal 49 ragt eine Verlängerung 50 der Drehwelle 30, die sich bis zum linken äußeren Ende dieses Kanals erstreckt.

Diese Weilenverlängerung ist hohl ausgebildet und erlaubt somit das Hindurchführen von Versorgungsdrä^ipn für die Erregerwicklungen des Rotors 31. Diese Drähte durchqueren am äußeren Ende der Welle 50 einen Stopfen 51, dessen freiliegender Teil Schleifringe 47' trägt, die mit diesen Drähten verbunden sind. Die mit diesen Schleifringen zusammenwirkenden Bürsten bewirken eine Verbindung dieser Drähte mit äußeren Stromversorgungsanschlüssen.

Die F i g. 3 zeigt ein Beispiel des Aufbaues einer Hilfsvorrichtung, die einen erfindungsgemäß ausgebildeten Servomotor der zweiten Ausführungsform enthält.

In dieser Figur ist der erfindungsgemäß ausgebildete Servomotor mit der Bezugsziffer 61 bezeichnet. Er wird von einer einphasigen Wechselstromquelle 62 gespeist, die das öffentliche Wechselstromnetz sein kann.

Der feststehende Erregerteil Ri wird direkt von dieser Quelle 62 gespeist Ein Kondensator 63. der in Reihe mil einer der Erregerwicklungen des Erregerteils R\ gelegt ist. erlaubt eine zweiphasige Speisung dieses Rotors.

Das bewegliche Induktionssystem R₂ wird über ein Phasenverschiebesystem 64 versorgt das — wie nachstehend noch beschrieben wird — den Speisestrom für das Induktionssystem R₂ um einen Winkel λ verschiebt, wenn es einen Befehl erhält Die phasenverschobene Spannung, die am Phasenschieber 64 abgenommen wird, wird auf die Erregerwicklungen des Induktionssystems R₂ übe·- zwei Verstärker 65i und 65? gegeben, wobei der Eingangskreis des Verstärkers 65_t in Reihe mit einem Kondensator 66 geschaltet ist.

Die Verstärker 65] und 65₂ erlauben es, die zweiphasigen und auf das Erregersystem K₁ und das Induktionssystem R₂ gegebenen Spannungen gleich zu machen.

Mit der Bezugsziffer 67 ist ein Zahnradgetriebe bezeichnet über welches das Induktionssystem R₂ mechanisch mit einer zu bedienenden Belastung 68

verbunden ist. Mit der Bezugsziffer 69 ist ein Detektor bekannter Bauart zur Feststellung der Winkelverschiebüng bezeichnet, der ein Signal in Abhängigkeit von der augenblicklichen Winkellage der zu bedienenden -Belastung 68 liefert. Dieses Signal wird auf einen der Eingänge einer Vergleichsstufe 70 gegeben. Auf den anderen Eingang dieser Vergleichsstufe 70 wird das Steuersignal in Abhängigkeit von der Winkellage α gegeben, welche die Last 68 einnehmen soll.

Das Fehlersignal ει, welches die Vergleichsstufe 70 liefert, wird auf einen der Eingänge einer zweiten Vergleichsstufe 71 gegeben, die dem Servomechanismus 72 zugeordnet ist, der den Phasenschieber 64 betätigt, sobald ein Befehl erhalten wird.

F i g. 4 zeigt den Servomechanismus 72 und den Phasenschieber 64 gemäß Fig.3 im Detail. Als Phasenschieber 64 kann eine unter der Bezeichnung »ICoordinatentransformator« oder »Funktionsdrehmel-

der« bekannte Einrichtung voll genügen. Eine solche Einrichtung ist in einem Artikel von J. Pandelle, C. A. de Cambray, B. G ran co in unter dem Titel »Les transformateure de coordonnees« beschrieben, der in der französischen Fachzeitschrift »L'Onde Electrique«, 41. Jahrgang, Nr. 412 — 413, Juli/August 1961, auf den Seiten 628 bis 646 beschrieben ist.

Der Servomechanismus 72 weist folgende Teile auf: einen Verstärker 721, der das Fehlersignal 62 verstärkt, das von der Vergleichsstufe 71 geliefert wird, um die Erregerwicklungen von einer der Phasen eines Servomotors 722 zu erregen. Die Erregerwicklungen der anderen Phase werden von einer in der Figur nicht dargestellten passenden Quelle nach bekannter Art gespeist: einen Tachogenerator 723, der durch den Servomotor 722 betrieben wird, und ein Getriebe 724, welches den Phasenschieber 64 verstellt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Servomotor für eine Winkelverstellung, die proportional der Phasenverschiebung zwischen zwei gleichfrequenten Wechselspannungen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Servomotor vier Systeme (21, 23; 31, 33) umfaßt, von denen je zwei, nämlich ein Erregersystem und ein Induktionssystem, nach Art von Synchronmotoren zusammenwirken, daß zwei drehbar gelagerte, nicht motorisch zusammenwirkende Systeme starr miteinander gekoppelt sind und daß von den beiden nicht starr gekoppelten Systemen das eine feststeht und das andere sich um den Winkel verstellt, der proportional der Phasenverschiebung zwischen den beiden Speisespannungen ist.

2. Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feststehende System das Erregersystem (21) des ersten Synchronmotors (2) und das sich verstellende System das Induktionssystem (31) des zweiten Synchronmotors (3) ist.

3. Servomotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feststehende System das Erregersystem des ersten Synchronmotors (2) und das sich verstellende System das Erregersystem des zweiten Synchronmotors (3) ist.

4. Servomotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmotoren (2,3) als Hysteresemotoren ausgebildet sind.

5. Servomotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmotoren (2, 3) als Motoren mit veränderlicher Reluktanz ausgebildet sind.