DE2150266B2 - Einrichtung zum Regeln der Drehzahl einer elektrostatisch gelagerten Kreiselkugel - Google Patents

Description

F i g. 5 eine Übersicht über einen Teil der Lageregelungsschaltung mit dem Hilfskreis (101),

F ί g. 6 eine Übersicht über eine einstellbare Drehzahlregeleinrichtung, die bei der in der F i g. 5 dargestellten Ausführungsform verwendet werden kann, und

F i g, 7 eine Übersicht über eine Drehzahldiskriminatorschaltung, die in der in der Fig. 6 dargestellten Einrichtung benutzt werden kann.

Die F i g. 1 und 2 zeigen in schematiscuer Darstellung pinen Kreisel mit einem nichtleitenden keramischen Gehäuse 10, dessen Innenraum kugelförmig ausgestaltet ist und mit einem eine leitende Oberfläche aufweisenden und sich drehenden, kugelförmigen Kreiselrotor 11. Die kugelförmige Innenseite 12 des Gehäuses ist mit acht Okiantelektroden ausgestattet, von denen in der Fig. 2 die Außenseite dargestellt ist und die mit -j-1, — 1, 4-2, -2, +3, —3 und +4,-4 bezeichnet sind. Jeweils 2 Elektroden, z. B. +1 und — 1, liegen einander diametral gegenüber. Die Elektrodenflächen können als die Projektion der Seiten eines regelmäßigen Oktaeders auf die Oberfläche des kugelförmigen Kreiselrntors angesehen werden. In der F i g. 2 sind die Achsen der Elektrodensätze dargestellt und mit .r, y und ζ bezeichnet. Die x- und z-Achsen bestimmen die Ebene, die für die F i g. 1 als Schnittebene gewählt wurde. Im kugelförmigen Hohlraum 12 besteht ein Vakuum.

Je zwei Elektroden, z. B. +1 und — 1, sind in ein noch zu beschreibendes Servosystem der Lagerelektroden so eingeschaltet, daß bei einer Abweichung des Rotors 11 von der Mitte des Hohlraums 12, wobei z. B. der Spalt bei + 1 verengt und der Spalt bei ■·- 1 erweitert wird, die Spannung zum Zentrieren des Rotors abgesenkt oder erhöht wird. Es wird darauf hingewiesen, daß vier nicht rechtwinklige Lagerelektrodenachsen vorgesehen sind, wobei je zwei Achsen einen Winkel von ungefähr 110° bilden.

Die F i g. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Rotor 11, der aus einer festen Masse aus Beryllium oder aus einem anderen Material geringer Dichte besteht und einen Durchmesser von ungefähr 10 mm aufweist. Seine Außenseite ist kugelförmig. Der Rotor ist an der einen Seite mit einem sehr dünnen Belag (typisch sind 0,1 Mikron) aus einem dichten Material, z. B. Tantal, versehen, wie bei 13 dargestellt, wcdurch der Massenmittelpunkt um eine Strecke d_% in der Größenordnung von 0,4 Mikron gegen die geometrische Mitte oder um ungefähr 5 °/o eines in typischer Ausführung 2,5 Mikron weiten Spaltes und um eine Strecke d₂ von ungefähr 0,0085 Mikron gegen die Mitte des Hohlraumes verschoben ist.

Der geometrische Mittelpunkt bewegt sich um den Massenschwerpunkt auf einer Kreisbahn, die mi; dtr Drehimpulsebene zusammenfällt; nachfolgend ist dies als Unwucht bezeichnet. Die Unwucht tritt fast ausschließlich senkrecht zur Drehachse auf. Dies ist deswegen wichtig, weil eine Unwucht längs der Drehachse die Ursache für ein Fehler-Drehmoment unter Einwirkung der Erdbeschleunigung und der Trägheitsbeschleunigungen darstellt. Eine Unwucht senkrecht zur Drehachse ist keine Ursache für ein Fehler-Drehmoment.

Die Drehzahl des Kreiselrotors beträgt ungefähr 2550 U/sec. Ein nicht dargestellter Motor beschleunigt den Kreisel rotor anfangs auf die genannte Drehzahl. Die günstigste Eigenfrequenz des Reglers liegt im Vergleich zur Rotordrehzahl bei etwa 800Hz. Der Servoregler ist so eingestellt, daß sich der Rotor fast um den Massenmittelpunkt dreht, wobei die Abweichung D ungefähr 0,009 Mikron beträgt. Die geometrische Mitte der Kugel bewegt sich auf einer Kreisbahn mit einem Durchmesser von ungefähr 0,4 bis 0,5 Mikron, Bei einem beliebig steifen Servosystem würde die Kugel sich um ihren geometrischen Mittelpunkt drehen, so daß die erfindungsgemäße Einrichtung nicht verwendet werden könnte.

Die von einer Elektrode auf den Kreiselrotor ausgeübte Kraft F kann durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt werden:

= ,,( Spannung \^ä
[ Spalt /

(1)

Wenn, wie im vorliegenden Falle, für die Lagerelektroden nur eine Frequenz in Betracht kommt, so ist die von einer Elektrode ausgeübte Kraft einfach proportional dem der Elektrode zugeführten Strom im Quadrat:

F - ki*

(2)

F i g. 4 zeigt eine ÜbersicLt über eine vollständige Schaltung der Lageregelung für eine Achse (Elektroden + 1 und — 1), die den Schaltungen für die anderen drei Achsen gleicht und die einen Transformator 41 mit Mittelanzapfung aufweist, der die Elektroden + 1 und — 1 mit der Lageregelschaltung 14 und dem darin befindlichen Hilfskreis 15 und Kompensatiorskreis 16 verbindet. Eine Spannungsquelle 17 führt den Transformatoren 41 sowie dem Hilfskreis 15 eine Vorspannung zu über die Transformatoren 18 und 19,

Der den Elektroden zugeführte Strom besteht aus zwei Teilen: einem konstanten Vorstrom 2/₀ und einem Steuerstrom /_s, Die in den Transformator 41 an der Mittelanzapfung fließenden Vorströme sind ungeachtet der Drehstellung des Kreiselrotors einander gleich. Hieraus folgt, daß die a-jf den Kreiselrotor für eine Achse ausgeübte Nettokraft durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt werden kann:

F = * · [(<„ + 's)² - ('0 - h)²\ = 4 *i„i_s (3)

Die längs einer Achse der Lagerelektroden wirkende Kraft ist dann linear proportional dem Steuerstrom und kann so beeinflußt werden, daß sie proportional dem Abgriffsignal wird.

Die Lageregelungs-Einrichtung erhält ihr Lagesignal (Istwert) von der Transformatorwicklung 23. Ist der Kreiselrotor nicht mehr zentriert, so erzeugen die Vorströme/₀ eine Spannung an der Transformatorwicklung 23. Diese Spannung wird dem Reglerverstärker 15 zugeführt, der einen Steuerstrom /_s erzeugt. Der Kompensationskreis 16 wird benötigt, um eine Rückwirkung des Steuersignals auf den Verstärkereingang zu verhindern. Die Transformatorwicklung 21 ist auf denselben Kern wie die Wicklung des Transformators 41 gewickelt, und. die Wicklungen 22, 23 und 24 weisen sämtlich die gleiche Windungszahl auf. Bei entsprechender Bemessung des Kondensator 21 trifft der Steuerstrom /_s beim Fluß durch die Wicklungen 22 und 23 auf genau die gleiche Impedanz, so daß an den Wicklungen 22, 23 und 24 gleich hohe Spannungen erzeugt werden. Als Folge des Steuerstromes subtrahiert die Wicklung 24 vom Abgriffsignal 25 eine Spannung.

Wie aus der F i g. 5 mit Bezug auf F i g. 4 zu ersehen ist, ist ein Demodulator 40 mit der Mittelanzap-

Eung 24 des Transformators 20 verbunden. Der De- das Ausgangsende von C₅ mit dem Ausgangsende modulator 40 empfängt als Bezugssignal das von C₄ verbunden wird. Dies stellt die Wirkung des 20-kHz-Vorsignal und demoduliert das Eingangsab- elektronischen Schalters Q₁ dar. 1st der Schalter Q₁ ariffsignal bei normaler Arbeitsweise. Ein Siebglied geschlossen, so wird C₅ zu C₄ parallel geschaltet, mit einem Widerstand A₁ und einem Kondensator C₁ Sund die gesamte Resonanzkreiskapazitat beentfernt die hochfrequenten Komponenten aus dem trägt C₄ + C₅.

Ausgangssignal des Demodulators. Das Signal wird Daher wird die Resonanzfrequenz und damit die

dann durch ein Servo-Voreil-Nacheil-Netzwerk gelei- Frequenz der größten Nacheilung herabgesetzt, wotet, das aus den Widerständen A₂, R₃ und R_i sowie bei als Folge einer Herabsetzung des Beschleuniaus den Kondensatoren C₂ und C₃ besteht und in der io gungsdrehmomentes die Gleichgewichtsdrehzahl des Servoeinrichtung einen kompensierenden Phasenvor- Rotors sinkt.

lauf für die Stabilität bewirkt. Das Ausgangssigna! In der Praxis kann der Schalter S₁ durch eine clek-

des genannten Netzwerkes wird zu einem Pufferver- tronische Drehzahlservoeinrichtung ersetzt werden, stärker 100 und von diesem aus zu einem abge- die an die Gateelektrode G von Q₁ eine Spannung stimmten LC-Glied 101 geleitet, das ein scharf abge- 15 von + 12 Volt anlegt, wenn die Drehzahl in bezug stimmtes Phasennacheilnetzwerk aus einer Induktivi- auf eine Vergleichsdrehzahl zu niedrig ist, während tat L₁ und einem Kondensator C₄ darstellt. Das bei einer zu hohen Drehzahl eine Spannung von LC-Glied stellt in den Lageregelungskreisen ein Mit- - 12 Volt angelegt wird.

tel dar, das eine scharf abgestimmte Phasennachei- Die Fig.7 zeigt ein typisches Beispiel für einen

lung zwischen dem sinusförmigen Stellungsablei- ao Drehzahlgeber. Ein Impulsgenerator 50 steht mit tungssignal bei der Rotordrehfrequenz und der auf dem Set-Eingang eines Flipflops 51 in Verbindung, den Rotor ausgeübten elektrostatischen Kraft be- Wenn ein Set-Impuls das Flipflop 51 erreicht, so wirkt. wird dessen Ausgang auf f 12VoIt erhöht und der

Das Ausgangssignal des LC-Gliedes 101 wird Gateelektrode G des elektronischen Schalters Q₁ im dann zwecks Modulation mit der 20-kHz-Vorbela- 25 umschaltbaren Netzwerk nach der Fig. 6 zugeführt, stung zu einem Modulator 43, das modulierte Signal Am Eingang des Flipflops 51 wird ein Reset-Impuls zu einem Leistungsverstärker 45 und dann zur erhalten aus der tatsächlichen Kreiselrotor-Drehzahl. Transformatorwicklung 23 und dem Kompensations- Ein Rest (-Impuls bewirkt, daß der Ausgang des Flipkreis 16 geführt, flops 51 auf - 12VoIt absinkt. Sind die beiden Ge-Die Fig. 6 zeigt eine Einrichtung zum Durchfüh- 30 schwindigkeiten einander gleich und treten sie bei ren einer Rotordrehzahlregelung. Mittels eines Schal- 180° zueinander auf, so beträgt die Sollzeit des Austers S₁ kann wahlweise an die Elektrode G des Feld- gangswellenzuges des Flipflops 50%, d.h.. zur effekttransistors Q₁ eine positive oder eine negative Hälfte der Zeit ist der Schalter Q₁ offen und /ur Spannung angelegt werden. R. ist ein Vorwiderstand Hälfte geschlossen. Hierdurch bestimmt sieh ein für die genannte Elektrode. Die SourceelektrodeS 35 durchschnittlicher Nacheilwert und damit eine steht mit dem Ausgangsende des Kondensators C₄ in durchschnittliche Drehzahl des Drehmomcntw rtes. Verbindung. Die Drainelektrode D des Feldeffekt- Ist die Drehzahl des Rotors nicht gleich der cctransistorsQ₁ steht mit dem KondensatorC₅ in Ver- wünschten Drehzahl, die vom Impulsgeber bestimm! bindung, der seinerseits mit dem Eingangsende des wird, so weicht die Sollzeit von 50% derart ab. da.ß KondensatorsC₄ verbunden ist. Der Widerstand /?₆ 4° sich für den Schalter eine durchschnittliche Schließstellt einen eine hohe Impedanz aufweisenden Pfad zeit ergibt; der durchschnittliche Drehmomcntwcr! zum Ableiten einer möglichen subtrahierend wirken- verändert sich so, daß die Drehzahl des Kreiselmton den Vorspannung dar, die an C₅ abzufallen sucht. in Richtung der gewünschten Drehzahl wandert. Trr Wird an die Gateelektrode G von Q₁ über den Ergebnis wird die Phase des Kreiselrotor-Sign;il mit Schalters, eine Spannung von + 12 Volt angelegt, so 45 dem gewünschten Signal und damit die Drehzahl (!c·=. wird an Q₁ der Widerstand beim Durchgang des Kreiselrotors mit dem Sollwert verkoppelt. Es sind Stromes durch den Transistor von der D-zur S-Elek- mehrere elektronische Vorrichtungen bekam-, mit trode so hoch, daß C₅ auf die die Nacheilung erzeu- denen eine Drehzahldiskriminierung durchgeführt gende Schaltung nicht einwirkt. Wird der Gateelek- werden kann. Die oben beschriebene Regelung clei trode G von Q₁ üter den SchalterS₁ eine Spannung 50 Schaltzeit stellt nur ein bevorzugtes Beispiel dar. An von -12 Volt zugeführt so schaltet der Transistor Q₁ Stelle des dargestellten Digitalsystems kanu aucr durch und der Widerstand beim Durchgang des Stro- eine Proportionalregelung mit einem kontinuierlich mes von der D- zur S-Elektrode wird so niedrig, daß verstellbaren Nacheilnetzwerk benutzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: hängig sind, von Nachteil, da das getrennte Geschwmdigkeitssteuerungssignal die Umlaufclrehebene beeinflußt und eine solche .Anordnung für ein strapdown-System, d. h, für ein festmontiertes, nicht kardanisch aufgehängtes System unbrauchbar macht. Ein solches System, wenn festmontiert, würde eine erhebliche Ausweitung der Auswertelektronik erfordern, um die Lage der Drehachse relativ zu den Lagerelektroden festzustellen und mit einem hiervon ab'eleite-

1. Einrichtung zur Konstanthaltung der Drehzahl eines kugelförmigen Kreiselrotors, dessen
Massenmittelpunkt gegenüber dem geometrischen
Mittelpunkt versetzt und der im Gehäuse zwischen Elektrodenpaaren elektrostatisch mittels
einer angelegten Wechselspannung gelagert ist,
wobei die Elektrodenpaare mit jeweils einer io ten Signal die Phase der Oszillatoren zu steuern, die Lageregelschaltung zur Zentrierung des Kreisel- dem sich drehenden, kugelförmigen Kreiselrotor die

erforderlichen Impulse erteilen.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, ein System der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem mit möglichst wenigen Mitteln, unter Verwendung der vorhandenen Schaltmittei für die elektrostatische Lagerung des Rotors, das langsame Abbremsen des Rotors verhindert w'.rd

rotors verbunden sind, die einen Hilfskreis zur Erzeugung einer periodisch wirkenden Stellkraft aufweist, die den Rotor bei Abweichung von der Solldrehzahl bremst oder beschleunigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskreis aus einem in den Servokreis eingefügten, derart auf die RotorsoHdrehzahl abgestimmtes Phasenglied, z.B. LC-Kreis (101), besteht, daß

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Hilfs

eine bestimmte Phasenverzögerung zwischen den ao kreis aus einem in den Servokreis eingefügten, derart Stellkräften und einem vom jeweiligen Elektro- auf die Rotorsolldrehzahl abgestimmten Phasenglied,

z. B. LC-Kreis besteht, daß eine bestimmte Phasenverzögerung zwischen den Stellkräften und einem vom jeweiligen Elektrodenpaar abgenommenen La

denpaar abgenommenen Lage-Signal entsteht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C 4) des

LC-Gliedes (101) mittels eines Schalters (Q 1) »5 gesignal entsteht.

parallel zu einem zweiten Kondensator (C 5) ge- Die erfindungsgemlße Einrichtung weist den Vor

schaltet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (Ql) durch eine

teil auf, daß dem kugelförmigen Kreiselrotor die erforderlichen Antriebsimpulse erteilt werden, ohne daß, wie dies entsprechend der USA.-Patentschrift bistabile Kippschaltung (Sl) steuerbar ist, die mit 30 3 412 618 bei einem strapdown-System erforderlich einem Bezugsfrequenzgenerator (50) für die Soll- ist, besondere Einrichtungen vorgesehen werden drehzahl und mit einem Impulsgeber verbunden
ist, der eine dem Istwert der P itordrehzahl entsprechende Impulsfolge liefert.

müssen zur Feststellung der Lage der Drehachse des Kreiselrotors im Verhältnis zu den Lagerelektroden. Entsprechend der Erfindung wird eine in vorwählbarer Weise auf die Rotorgeschwindigkeit ansprechende Steuerung eingefügt zwischen die Lageaht?.-

stung und die Rückkoppelung der elektrostatischen

Kräfte, so daß ein veränderliches r-iechanisches Kräftepaar entsteht, welches die Drehgeschwindigkeit des Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Einrich- 40 Kreiselrotors regelt.

tung zur Konstanthaltung der Drehzahl eines kugel- Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist ein

förmigen Kreiselrotors, dessen Massenmittelpunkt aus einem LC-Kreis bestehendes, abgestimmtes Phagegenüber dem geometrischen Mittelpunkt versetzt senglied einen Kondensator auf, der mittels eines und der im Gehäuse zwischen Elektrodenpaaren Schalters parallel zu einem zweiten Kondensator geelektrostatisch mittels einer angelegten Wechselspan- 45 schaltet ist. Dieser Schalter kann nach einer weiteren nung gelagert ist, wobei die Elektrodenpaare mit je- Ausgestaltung der Erfindung durch eine bistabile weils einer Lageregelschaltung zur Zentrierung des Kippschaltung gesteuert werden, die mit einem Be-Kreiselrotors verbunden sind, d^;e einen Hilfskreis zur zugsfrequenzgenerator für die Solldrehzahl und mit Erzeugung einer periodisch wirkenden Stellkraft auf- einem Impulsgeber verbunden ist, der eine dem Istweist, die den Rotor bei Abweichung von der Soll- 5" w°,rt der Rotordrehzahl entsprechende Impulsfolge drehzahl bremst oder beschleunigt. liefert.

Ein in einem Vakuum in Umdrehung versetzter, Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird erkugelförmiger Kreiselrotor würde bei Anwesenheit reicht, daß unter Vermeidung einer kardanischen eines vernachlässigbaren schwachen Magnetfeldes Aufhängung ein strapdown-System, also ein festmonohne Beschleunigung seine Drehung beliebig lange 55 tiertes System, verwendet werden kann,
fortsetzen. In der Praxis bewirken jedoch Spuren von Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrie-

Gas und magnetische Streufelder eine schwache Ab- ben. In den Zeichnungen zeigt
bremsung innerhalb von Wochen oder Monaten. F i g. 1 eine zum Teil als Schnitt gezeichnete Dar-Zum Ausgleich dieser Verluste ist es daher er- stellung eines Kreiselrotors zwischen einer Anzahl wünscht, dem kugelförmigen Kreiselrotor eine aus- 60 von Elektroden,

reichende Antriebskraft zuzuführen.

Nach der USA.-Patentschrift 3 412 618 wird das Rotorstellsignal mit einem extern erzeugten Geschwindigkeitssteuerungssignal verknüpft. Abgesehen von Schwierigkeiten hinsichtlich des Driftmomentes 65 selrotors,

ist die Verwendung von zwei Signalen, d. h. des Stell- F i g. 4 ein Schaltplan der Lageregelungskreise,

signals und des Geschwindigkeitssteuerungssignals, die getrennt erzeugt werden und voneinander unab-

Fig.2 eine Darstellung der Lage und der Form der einzelnen Elektroden für den in der F i g. 1 dargestellten Kreiselrotor,

F i g. 3 eine schematische Darstellung eines Krei-