DE2030457A1

DE2030457A1 - Vorrichtung zur Drehzahlüberwachung von Kreiseln

Info

Publication number: DE2030457A1
Application number: DE19702030457
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Dipl. Ing. 7772 Oberuhldingen; Eiser Joachim 7770 Überlingen. P Buchholz
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1970-06-20
Filing date: 1970-06-20
Publication date: 1971-12-23
Also published as: FR2095378A1; GB1299031A

Description

Patentanmeldung Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, 777 tJberlingen/Bodensee

Vorrichtung zur Drehzahlüberwachung von Kreiseln

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehsahlüberwachung von Kreiseln unter Ausnutzung des Kreiselmotorstromes„

Der Kreisel ist einer der wichtigsten Meßfühler eines Flugreglers für die Kurs- und lageregelung. Da die Sicherheit/und Zuverlässigkeit von Flugreglern von zunehmender Bedeutung für die Lagestabilisierung von Flugzeugen ist und manche Flugzeuge ohne Flugregler kaum geflogen werden können, ergibt sich die Notwendigkeit, die einwandfreie Funktion des Flugreglers und insbesondere auch der Kreisel zu überwachen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Aspekt dieser Kreiselüberwachung, nämlich auf die Überwachung der Drehzahl des Kreisels. Es soll sichergestellt werden, daß der Kreisel mit seiner Nenndrehzahl läuft, wenn der Flugregler eingeschaltet ist.

Es ist bekannt, den Flugrelger zeitverzögert über ein auf die Hochlaufzeit des Kreiselmotors plus SoleranzZuschlag eingestelltes Verzögerungsrelais mechanischer oder elektro-

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nischer Bauart zeitverzögert einzukuppeln« Damit wird ein vorzeitiges Einkuppeln des flugreglers während des Motorhoehlaufes verhindert· laehteilig ist jedoch, daß diese Einrichtung unabhängig von der wirklichen Drehzahl des Kreisels ist. Sie setzt praktisch einen funktionierenden Kreisel voraus und garantiert lediglich die erforderliehe Hochlaufzeit, bis der Meßgeber (Kreisel) betriebsbereit ist.

Es ist weiterhin bekannte eine Überwachung der Kreiselmotore durch eine ständige Motorstrommessung vorzunehmen,, Zugelassen ist ein festgelegter Toleranzbereieh der Stromstärke, bedingt durch Exemplarstreuungen und SpannungsSchwankungen,, Bei Unteroder Überschreiten der tolerierten Stromstärke in einer Phase des Kreiselmotors erscheint eine optische Anzeige» Die Stromstärkenmessung erfolgt dabei in folgender Weises Im Strompfad der Hauptphase liegt ein Strom-Spannungswandler. Die hieraus gewonnene Signalspannung wird gleichgerichtet und einer Triggerschaltung zugeführt, die bei Unterschreiten der Unterspannung und bei Überschreiten der Oberspannung anspricht„ Ursachen, die ein Ansprechen der Triggerschaltung bewirken, können An= lauf des Motors, Kreiselstillstand durch Klemmung, Windungsschluß, Überspannung einerseits und Drahtbruch oder Wackelkontakt andererseits sein. Es sind jedoch Fehler denkbar, bei denen der Kreisel steht und der Trigger trotzdem nicht anspricht, d.h. ein Defekt des Kreisels nicht erkannt wird. Bei flach verlaufenden Stromkurven ist eine Auswertung nach dieser Methode nicht möglich»

Es ist weiterhin eine Anordnung bekannt, bei welcher zur Reglerprüfung die Kreiseleinheiten jeder Achse auf einer Wippe montiert sind. Mit einem Prüfgerät wird die Wippe durch einen kleinen Elektromotor über einen angeflanschten Exsenter sinusförmig erregt. Sofern die Kreisel mit ihren Signalgebern

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funktionstüchtig sind, wird bei ebenfalls intaktem Regler durch die Präzessionsbewegung ein sinusförmiger Ruderausschlag stattfinden. Die Prüfung, die sich auch auf die Regelverstärker erstreckt, geschieht durch die sichtbare Bewegung der Ruder am Plugzeug in allen drei Achsen. Es handelt sich dabei um einen verdreifachten Regler, bei welchem durch eine Auswahlschaltung auch ein verpoltes Kreiselsignal optisch angezeigt wird. Im Plugbetrieb sind die Wippen durch mechanische Federn in ihren Nullagen gefesselt. Eine Überwachung findet dann nur noch durch die Auswahlschaltung statt, welche eine Abweichung der Kreiselsignale voneinander registriert. Diese Prüfmethode ist awar exakt und schließt auch die Meßfühler ein. Sie ist aber mechanisch sehr aufwendig und gestattet keine unmittelbare Überwachung der Kreisel während des Fluges im Betrieb.

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, eine Vorrichtung zur Drehzahlüberwachung von Kreiseln zu schaffen, welche auch während des Betriebs eine ständige Überwachung der Kreiseldrehzahl gestattet, welche auf Signale anspricht, die unmittelbar durch den Umlauf des Kreisels hervorgerufen sind und daher die Möglichkeit von Fehlinformationen ausschließen und die schließlich bei handelsüblichen Kreiseln ohne zusätzliche Eingriffe in die Kreisel anwendbar ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine frequenzabhängige Schaltung, die auf drehzahlabhängige Läuferoberwellen des Kreiselmotorstromes anspricht.

Eine Frequenzanalyse des Motorwechselstromes zeigt eine Grundwelle und eine Reihe von Oberwellen. Darunter gibt es Oberwellen, die von der Drehzahl des Motors unabhängig sind,

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während andere Oberwellen eine Drehzahlabhängigkeit zeigen.» Die Oberwellen rühren her vos der lutung des Ständers und des Läufers. Diese lutung hat zur Iolg®₉ daß der zeitliche Verlauf der Kraftschlußdiehte in einem festen Punkt des Luftspaltes nicht rein sinusförmig ist, sondern Oberwellen enthält. Dabei sind die Oberwellen, die von der lutung des Ständers herrühren, unabhängig von dar Motordrehzahlo Die Oberwellen, die durch die imtimg &®s Läufers verursacht werden ₉ hängen von der Motorireligahl- abo Solche Oberwellen werden in den Läufervioklraagen iafirnüiert₉ erscheinen aber durch induktive Kopplimg swisehea Läufer imfi Ständer auoh in dem Strom,, der in den Stromaialeitungen zu d.®m Kreisel fließt₀ Diese "Läuferoberwsllea" köaaom cfeeh ein© geeignet© frequsnaabhängige Se&aiismg ia &®n äsa ICrsis©! gng@führt©n Motorstrom er·= faßt werden₉ \m.ä lr@t"ß©s-safew®iehimg©n-dieser Läuferoberwellen geben eine AsiEsige für sia® Dr©lisahlabweiehung des Kreisels_o

Die Erfiaiimg tjirä vorteilhaft©^wsis© in der form verwirk licht j daß voa &®m Moto^stroakreis sin auf ein© frequenz

abgestiraater Sehwingkr@is erregbar ist₉ wobei l£ die Läufer·= nutensahl und a₀ äi® lenateslisalil fies Kreisels ist₉ und daß zur Erzeugtmg ©ines Ereisslübarwaohungssignals sine auf dia Signalamplitud© in äem SeSiwisgkreis ansprechende Schaltvorrichtung vorgesehen isto ¥®ηη der Kreisel mit seiner lenndrehzahl n₀ läuft, dann wird in dem MotorStromkreis eine durch die Ehitung des Läufers hervorgerufene Läuferoberwelle mit der frequenz f₀ erzeugt. Der Schwingkreis wird in Resonanz erregt_s und es ergibt sich in dem Schwingkreis eine relativ große Signalamplitude. Eine Abweichung der Motordrehzahl von der Nenndrehzahl bringt den Schwingkreis aus der Resonanz heraus,

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so daß die Signalamplitude absinkt und die Schaltvorrichtung anspricht und ein fehlersignal liefert.

Die Erfindung erfordert einen Schwingkreis von relativ hoher Güte. Ein solcher Schwingkreis kann in der 3?orm verwirklicht werden, daß im Motorstromkreis die Primärwicklung eines Transformators liegt, dessen Sekundärwicklung einen Teilleines auf die frequenz f₀ abgestimmten iarallelschwingkreises bildet , daß das Signal in dem Parallelschwingkreis über eine Impedanzwandlerstufe auf einen Serienschwingkreis mit einem Transformator geschaltet ist, dessen sekundärseitiges Ausgangssignal verstärkt und zu einem Teil auf eine Mitkopplungswicklung des Transformators in einem den Schwingkreis entdämpfenden Sinne aufgeschaltet ist.

Die Mitkopplung kann dann so erfolgen, daß fast eine Selbsterregung eintritt, wodurch sich ein hoher Q-Wert ergibt.

Vorteilhafterweise liegt das verstärkte Ausgangssignal über eine Zenerdiode und eine Gleichrichterdiode an einem Gattungskondensator. Von der Spannung an dem Glättungskondensator oder einer Teilspannung derselben ist ein Schmitt-Trigger ansteuerbar. Der Schmitt-Trigger liefert über einen Schalttransistor ein Kreiselüberwaehungssignal.

Durch eine solche Ausbildung der Schaltung ergibt sich eine hohe Empfindlichkeit durch frühes Überschreiten der Triggerschwelle. Die Spannungsabfälle an der Zenerdiode und der Gleichrichterdiode zusammen können gleich dem Gleichanteilpegel am Kollektor des Verstärkertransistors gemacht werden.

Die Erfindung ist sowohl bei Kreiseln mit Synchronmotor als auch bei Kreiseln mit Asynchronmotor anwendbar.

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Die Erfindung ist naenstshancl an einem Ausfünrungsbei spiel unter Bezugnahme auf die sugehörigen Zeichnungen näher erläutert s

Figuren 1a Ms d zeigen eine Frequenzanalyse

des Motorstromes eines Kreisels "bei verschiedenen Kreiseldreh.zah.len und dienen der Erläuterung der Erfindung«,

Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäBen Anordnung und

Figur 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach der Erfindung·

Bei der in den Figuren 1a bis d dargestellten Frequenzanalyse wurde ein handelsüblicher Kreisel mit Drehstrom von 400 Hertas gespeist und mit verschiedenen Läuferdrehzahlen Z^₁ = 22 400 U, pin, n_M2 = Π 900 üpm und n_M5 = 12 900Upm betrieben. Unter diesen Bedingungen wurde der Motorstrom einer Frequenzanalyse unterworfen. Es ergaben sich die entsprechend bezeichneten drei Kurvensüge. Man erkennt darin die Grundfrequenz G- bei 400 Hz sowie Ständeroberwellen, die mit S bezeichnet sind. Diese Ständeroberiirellen sind zwar in ihrer Amplitude, jedoch nicht in ihrer Frequenz von der Kreiseldrehselil abhängig« Man findet jedoch Läuferoberwellen, die mit L bezeichnet sind, und deren lage sich in Abhängigkeit von der Drehzahl des Kreisels verändert (Figur 1d)„

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Figur 2 zeigt schematise]! wie diese lauf eroberwellen zur Drehzahlüberwachung des Kreisels ausgenutzt werden. Mit M ist der Kreiselmotor bezeichnet. In der Stromzuleitung des Motors M liegt die Primärwicklung eines Eingangsübertrager oder Transformators 10. Der von dem Motorstrom hervorgerufene Spannungsabfall an dieser Primärwicklung wird transformatorisch auf einen Schwingkreis 12 übertragen. Die in dem Schwingkreis enthaltene Wechselspannung wird durch einen Gleichrichter H gleichgerichtet und steuert einen Schmitt-Trigger 16, der ein Kreiselüberwachungssignal liefert.

Figur 3 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Schaltung. Mit ist in Figur 3 die Primärwicklung des Eingangsübertragers 10 bezeichnet. Die Sekundärwicklung 20 des Eingangsübertragers bildet mit einem Kondensator 22 einen Parallelschwingkreis, der über einen Kondensator 24 gegen Masse liegt. Eine Anzapfung der Sekundärwicklung 20 ist mit der Basis eines Transistors verbunden. Der Kollektor des Transistors 28 liegt über einen Widerstand 30 an einer Yersorgungsspannung von +12 T und ist außerdem über einen Widerstand 32 mit der Basis des Transistoi^äs 28 verbunden. Ein Widerstand 34 verbindet den Emitter des Transistors 28 mit Masse» Der Transistor 28 ist somit als Emitter-Stufe geschaltet und wirkt als Impedanzwandler. Der Spannungsabfall an dem Widerstand 34 liegt an einem Serienschwingkreis_? bestehend aus einem Kondensator 36 und der Primärwicklung 38 eines Transformators 40. Die Sekundärwicklung 42 des Transformators, die über einen Kondensator 44 gegen Masse geschaltet ist, liegt über einen Widerstand 46 an der Basis eines Transistors 48. Im Kollektorkreis des Transistors 48 liegt ein Widerstand 50, ein Potentiometer 52 und ein weiterer Widerstand 54. Der Emitter des Transistors 48 ist über einen Widerstand 56 gegen Masse geschaltet. Der Kollektor des

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^transistors 48 ist über einen Widerstand 58 mit der Basis des Transistors verbunden« Der Abgriff des Potentiometers liegt über einen Kondensator 60 an einer Transformatorwieklung 62, die als Mitkopplungswieklung wirkt₀

Durch den Transistor 48 wird das Signal verstärkt und über die Mitkopplxmgswicklimg 62 erfolgt ein® Mitkopplung ₉ durch welche der Schwingkreis Ibis loarg ^or die Selbsterregung entdämpft wird» Eine solche Schaltung ist als "Q-Multiplier" ". an sich bekannt_o Bei ©is©i^j Aiasfilhrimg der Erfindung könnt© durch dies© Maßnahme ©in© Bandbreite iron 100 Hertz bei ©iner Bandmittenfrequenz τοη ©inigen KHs erreicht werden₀

Die Spannung aa Kollektor ä©© Sransistora 48 liegt über eine Zenerdioäe 64 und. eis© ©l@ielariohteräi©d® 66 an einem G-lattimgskosdensatos¹ 68_o Di® Spanatangsabfälle an der Zener= diode 64 und dar G-leiehrislaterlioi© 66 g-asaamen ©ntsprsehen genau den &l©i@Siaiit@ilp@g©i @a ICollektoi⁵. fl©s !Transistors 48„ Das Weeliseliiigmal ia äos Sslauiagkreis wird gleichgsriohtet mittels &®& EoadsjasatorfB 68 g©glätt©t_o Ton dam gleioh-

vsiä g®glätt©t@a iigaal trird Mittels eine® ?ot©n= ©is ggaigsotoE¹ ligaalamteil afegegriffon «ad. auf des. SeMi-c'^S^igges³ 16 gogefesa» Des? S©haitttrigger 16 ist in iiMieli©:»? Uq-Ibo aufgefeaiat Md &®äh®lb aieht aäher beschri©= hmio Der iiiisgeag &®b Sslaaidt^SriggerB stsiiort einen Sehalt« 2 ₅ gLqs? "osispigls^oiss ©in© Asassig©laMpe 74

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Die beschriebene Anordnung gestattet es, die Drehzahl eines Kreisels zu überwachen, ohne daß hierzu ein Eingriff in den Kreisel erforderlich wäre. Es können somit handelsübliche Kreisel verwendet werden. Die Überwachung kann während des ganzen Betriebs des Flugreglers durchgeführt werden. Die Überwachung erfolgt unter Ausnutzung eines Signals, welches unmittelbar durch den Umlauf des Kreiselläufers hervorgerufen wird und bei Stillstand des Läufers mit Sicherheit ausfällt. Die Möglichkeit von Fehlinformationen, etwa durch zufällig gleichzeitiges Auftreten verschiedener Fehler, ist ausgeschlossen. Die Funktion des Kreisels wird in keiner Weise beeinträchtigt. Durch geeignete Abstimmung des Schwingkreises und Einstellung des Potentiometers 70, welches die Ansprechschwelle des Schmitt-Triggers bestimmt, kann die Schaltung an verschiedene Kreiseltypen angepaßt werden.

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Claims

''Vorrichtung zur I)renzaalube:n?aoh.ung von Kreiseln unter Ausnutzung des Kreiselmotorstromes ,..-gekennzeichnet durch, eine frequenzabnängige Schaltung_s die auf drehzahl abhängige läuferoberwell©n des Kreiselmotorstromes anspricht.
2, Vorrichtung nach Anspruoh. I₃ dadurch gekennzeichnet, daß tob. dem Mo tor Stromkreis ©in auf eine frequenz

_f = -² ° see '

⁰ 60 .

abgestimmter Schwingkreis (12) erregbar ist, wbei I₂ die IJäufemutenzahl und a di© lemndrehsahl des Kreisels ist j raid daß %uv Brgeiagimg ©ines Kreiselüberwaehungssignals eine auf die Signalamplitude in dem Schwingkreis (12) ansprechende Schaltvorrichtung-(14s ¹^) vorgesehen ist_Q
3. Vorrichtung nach Angprueii 2, dadurch gekennzeichnet, daß im MotorStromkreis die Primärwicklung (18) eines Transformators (10) liegt, dessen Sekundärwicklung (20) einen Teil eines auf die Frequenz f abgestimmten Parallel™ Schwingkreises (20, 22) bildet, daß das Signal in dem Parallelschwingkreis (20_s 22) über eine Impedanzwandlerstufe (28 .o«) auf einen Serienschwingkreis' (36, 38) mit einem Transformator (40) geschaltet ist, dessen sekuhdärseitigee Ausgangssignal verstärkt und zu einem Teil auf eine Mitkopplungswioklung (62) des Transformatorβ (40) in einem dem Schwingkreis (36, 38) entdämpfenden Sinn© auf™ geschaltet ist«,

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Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkte Ausgangssignal über eine Zenerdiode (64) und eine Gleiehrichterdiode (66) an einem Glättungskondensator (68) liegt, daß von der Spannung an dem Grlättungskondensator oder einer Teilspannung derselben ein Schmitt-Trigger (16) ansteuerbar ist und daß der Schmitt-Trigger (16) Über einen Schalttransistor (72) ein Kreiselüberwachungssignal liefert.

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