DE2150266C3 - Einrichtung zum Regeln der Drehzahl einer elektrostatisch gelagerten Kreiselkugel - Google Patents

Description

ρ ig, 6 eine Übersicht über eine einstellbare Dreh_za|,lre»eleinrichtung, die bei der in der F i g. 5 dargestellten AusführungsEorm verwendet werden kann, und

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

Die Fig. 1 und 2 ztigen in schematischer Darstellung einen Kreisel mit einem nichtleitenden keramischen Gehäuse 10, dessen Innenraum kugelförmig ausgestaltet ist und mit einem eine leitende Oberfläche aufweisenden und sich drehenden, kugelförmigeu Kreiselrotor 11. Die kugelförmige Innenseite 12 des Gehäuses ist mit acht Oktantelektroden ausgestattet, von denen in der F i g. 2 die Außenseite dargestellt ist und die mit +1, —1, +2, -2, +3, -3 und T-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 Kreisel-otors angesehen werden. In der F i g. 2 sind die Achsen der Elektrodensätze dargestellt und mit.r, y und ζ bezeichnet. Pie x- und z-Achsen bestimmen die Ebene, die für die Fig. 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 Il 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^D bilden.

Die Fig. 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, wodurch der Massenmittelpunkt um eine Strecke d_{ in der Größenordnung von 0,4 Mikron gegen die geometrische Mitte oder um ungefähr 5 ⁰Zn eines in typischer Ausführung 2,5 Mikron weiten Spaltes und um eine Strecke d., von ungefähr 0,0085 Mikron gegen die Mitte des Hohlraumes verschoben ist.

Der geometrische Mittelpunkt bewegt sich um den Massenschwerpunkt auf einer Kreisbahn, die mit der Drchimpulsebene zusammenfällt; nachfolgend ist dies als Unwucht bezeichnet. Die Unwucht tritt fast ausschließlich senkrecht zur Drcnachse auf. Dies ist deswegen wichtig, weil eine Unwucht längs der Drehachse die Ursache für ein Fehler-Drehrnoment 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 nirht dargestellter Motor beschleunigt den Kreiselrotor anfangs auf die genannte Drehzahl. Die günstigst' 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 ungetanr u,4 bis 0,5 Mikron. Bei einem beliebig steifen Servosystern würde die Kugel sich um ihren geometrischen Mittelpunkt drehen, so daß die erfmdungsgemaUe Einrichtung nicht verwendet werden könnte.

Die von einer Elektrode auf den Kreiselrotor ausgeübte Kraft F kann durch die nachstehende Glei-IQ chung ausgedrückt werden:

/Spannung^

(0

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 Übersicht über eine vollständige Schaltung der Lageregelung für eine Achse (Elektroden + 1 und — 1), die den Schaltungen für die anders ren 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 Kompensationskreis 16 verbindet. Eine Spannungsquelle 17 3c 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 Ii₀ und einem Steuerstrom /_s, Die in den Transformator 41 an der Mittelanzapfung fließenden Vorströme sind ungeachtet der Drehstellung des Kreisel rotors einander gleich. Hieraus folgt, daß die auf den Kreiselrotor für eine Achse ausgeübte Nettokraft durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt werden kann:

F = k- [(Z₀ + O* - (i₀ - i_sy-] = 4ki₀i_s (3)

Die längs einer Achse der Lagerelektroden wir-

kende 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

5'- der Kreiselrotor nicht mehr zentriert, so erzeugen die Vorströme /_§ eine Spannung an der Transformatorwicklung 23. Diese Spannung wird dem Reglerverstärker 15 zugeführt, der einen Steuerstiom i_s erzeugt. Der Kompensationskreis 16 wird benötigt, um

eine Rückwirkung des Steuersignals auf den Verstärkere.ingang zu verhindern. Die Transformatorwicklung 22 ist auf denselben Kern wie die Wicklung des Transformators 41 gewickelt, und die Wicklungen 22, 23 und 24 weisen sämtlich die gleiche Win Jungszahl auf. Bei entsprechender Bemessung des Kondensator 21 trifft der Steuerstrom i_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 Mitte!?,nzap-

fung 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. Ist der Schalter Q₁ giiffsignal bei normaler Arbeitsweise. Ein Siebglied geschlossen, so wird C, zu C₄ parallel geschaltet, mit einem Widerstand R₁ und einem Kondensator C₁ 5 und die gesamte Resonanzkreiskapazität beentfernt die hochfrequenten Komponenten aus dem trägt C₄ -f C_s.

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, wo-

tet, das aus den Widerständen R₁, Λ₃ und K₄ sowie bei als Folge einer Herabsetzung des Beschleuni-

aus den Kondensatoren C₂ und C₃ besteht und in der »o gungsdrehmotnentes die Cileichgewichtsdrehzahl des

Servoeinrichtung einen kompensierenden Phasenvor- Rotors sinkt.

lauf für die Stabilität bewirkt. Das Ausgangssignal In der Praxis kann der Schalter S₁ durch eine elek-

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 F i g. 7 zeigt ein typisches Beispiel für einen

lung zwischen dem sinusförmigen Stellungsablei- »o Drehzahlgeber. Ein Impulsgenerator 50 steht mit

üingssignal 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 + 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- 15 umschaltbaren Netzwerk nach der Fig.6 zugeführt, stung zu einem Modulator 43, das modulierte Signal Am Eingang des Flipflops 51 wird ein Reset-Itnpuls zu einem Leistungsverstärker 45 und dann zur erhalten av-j der tatsächlichen Kreiselrotor-Drehzahl. Transformatorwicklung 23 und dem Kompensations- Ein Reset-lmpuls 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^c zueinander auf, so beträgt die Sollzeit des Austers.V₁ kann wahlweise an die Elektrode G des Feld- gangswellenzuges des Flipflops 50°/o, d.h., zur cffekttrr.nsistors Q₁ eine positive oder eine negative Hälfte der Zeit ist der Schalter Q, offen und zur Spannung angelegt werden. R₁ ist ein Vorwiderstand Hälfte geschlossen. Hierdurch bestimmt sich ein für die genannte Elektrode. Die SourceelektrodeS 35 durchschnittlicher Nacheilwert und damit eine steht mit dem Ausgangsende des Kondensators C₄ in durchschnittliche Drehzahl des Drehmomentwertes. Verbindung. Die Ürainelektrode D des Feldeffekt- Ist die Drehzahl des Rotors nicht gleich der getransistorsQ, steht mit dem Kondensator C₅ in Ver- wünschten Drehzahl, die vom Impulsgeber bestimmt bindung, der seinerseits mit dem Eingangsende des wird, so weicht die Sollzeit von 50 %> derart ab, daß Kondensators C₄ verbunden ist. Der Widerstand R₆ 40 sich für den Schalter eine durchschnittliche Schließstellt einen eine hohe Impedanz aufweisenden Pfad zeit ergibt; der durchschnittliche Drehmomentwert zum Ableiten einer möglichen subtrahierend wirken- verändert sich so, daß die Drehzahl des Kreiselrotors den Vorspannung dar, die an C₅ abzufallen sucht. in Richtung der gewünschten Drehzahl wandert. Im

Wird an die Gateelektrode G von Q₁ über den Ergebnis wird die Phase des Kreiselrotor-Signals mit

Schalter^, eine Spannung von + 12VoIt angelegt, so 45 dem gewünschten Signal und damit die Drehzahl des

wird an Q₁ der Widerstand beim Durchgang des Kreiselrotors mit dem Sollwert verkoppelt. Es sind

Stromes durch den Transistor von der D- zur 5-Elek- mehrere elektronische Vorrichtungen bekannt, 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 dei trodeG von Q₁ über den Schalter.^ eine Spannung 50 Schaltzeit stellt nur ein bevorzugtes Beispiel dar. Ar

von -12VoIt zugeführt so schaltet der Transistor Q₁ Stelle des dargestellten Digitalsystems kann aud

durch und der Widerstand beim Durchgang des Stro- eine Proportionalregelung mit einem kontimiierlicr

mes von der D- zur S-Elektrode wird so niedrig, daß verstellbaren Nacheilnetzwerk benutzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 hängig sind, von Nachteil, da das getrennte GePatentansprüche: schwmdigkeitssteuerungssignal die Umlaufdrehebene beeinflußt und eine solche Anordnung für ein strap-

1. Einrichtung zur Konstanthaltung der Dreh- down-System, d.h. für ein festmontiertes, nicht karzahl eines kugelförmigen Kreiselrotors, dessen 5 danisch aufgehängtes System unbrauchbar macht. Ein Massenmittelpunkt gegenüber dem geometrischen solches System, wenn festmontiert, würde eine erheb-Mittelpunkt versetzt und der im Gehäuse zwi- liehe Ausweitung der Auswertelektronik erfordern, sehen Elektrodenpaaren elektrostatisch mittels um die Lage der Drehachse relativ zu den Lagerelekeiner angelegten Wechselspannung gelagert ist, troden festzustellen und mit einem hiervon abgeleitewobei die Elektrodenpaare mit jeweils einer io ten Signal die Phase der Oszillatoren zu steuern, die Lageregelschaltung zur Zentrierung des Kreisel- dem sich drehenden, kugelförmigen Kreiselroror die rotors verbunden sind, die einen Hilfskreis zur erforderlichen Impulse erteilen.

Erzeugung einer periodisch wirkenden Stellkraft Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden

aufweist, die den Rotor bei Abweichung von der Anmeldung, ein System der eingangs beschriebenen Solldrehzahl bremst oder beschleunigt, da- 15 Art zu schaffen, bei dem mit möglichst wenigen Mhdurch gekennzeichnet, daß der Hilfs- teln, unter Verwendung der vorhandenen Schaltmitkreis aus einem in den Servokreis eingefügten, tel für die elektrostatische Lagerung des Rotors, das derart auf die Rotorsolldrehzahl abgestimmtes langsame Abbremsen des Rotors verhindert wird.
Phasenglied, z. B. LC-Kreis (101), besteht, daß Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Hilfseine bestimmte Phasenverzögerung zwischen den ao kreis aus einem in den Servokreis eingefügten derari Stellkräften und einem vom jeweiligen Elektro- auf die Rotorsolldrehzahl abgestimmten Phasenglied, denpaarabgenortimenen Lage-Signal entsteht. z.B. LC-Kreis besteht, daß eine bestimmte Phasen-

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- verzögerung zwischen den Stellkräften und einem kennzeichnet, daß der Kondensator (C 4) des vom jeweiligen Elektrodenpaar abgenommenen La-LC-GIiedes (101) mittels eines Schalters (Q 1) as gesignal entsteht.

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

schaltet ist. teil auf, daß dem kugelförmigen Kreiselrotor die er-

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- forderlichen Antriebsimpulse erteilt werden, ohne kennzeichnet, daß der Schalter (Ql) durch eine daß, wie dies entsprechend der USA.-Patentschrift bistabile Kippschaltung (51) 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 nv' einem Impulsgeber verbunden müssen zur Feststellung der Lage der Drehachse des ist, der eine dem Istwert der Rotordrehzahl ent- Kreiselrotors im Verhältnis zu den Lagerelektroden, sprechende Impulsfolge liefert. Entsprechend der Erfindung wird eine in vorwählba-

35 rer Weise auf die Rotorgeschwindigkeit ansprechende Steuerung eingefügt zwischen die Lageabta-

stung und die Rückkoppelung der elektrostatischen

Kräfte, so daß ein veränderliches mechanisches 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

iormigen Kreiselrotors, dessen Massenmittelpunkt aus einem LC-Kreis bestehendes, abgestimmtes Phagegenuber dem geometrischen Mittelpunkt versetzt senglied einen Kondensator auf, der mittels eines und der im Gehäuse zwischen Elektrodenpaaren Schalters parallel zu einem zweiten Kondensator -eelektrostatisch 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, die einen Hilfskreis zur zugsfrequenzgenerator für die Solldrehzahl und mit Urzeugung einer periodisch wirkenden Stellkraft auf- einem Impulsgeber verbunden ist, der eine dem Istweist, die den Rotor bei Abweichung von der Soll- 50 wert der Rotordrehzahl entsprechende Impulsfolge drehzahl bremst oder beschleunigt. liefert.

Ein in einem Vakuum in Umdrehung versetzter, Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird er-

kugelformiger Kre.selrotor würde bei Anwesenheit reicht, daß unter Vermeidung einer Irardanischen eines vernachlassigbaren schwachen Magnetfeldes Aufhängung ein strapdown-System, also ein festmononne Beschleunigung seine Drehung beliebig lange 55 tiertes System, verwendet werden kann,
lortsetzen. In der Praxis bewirken jedoch Spuren von Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrie-

Oas und magnetische Streufelder eine schwache Ab- ben. In den Zeichnungen zeigt

bremsung innerhalb von Wochen oder Monaten. Fig. 1 eine zum Teil als Schnitt gezeichnete Dar-

.^{m Aus}g'^eich dieser Verluste ist es daher er- stellung eines Kreiselrotors zwischen einer Anzahl wünscht, dem kugelförmigen Kreiselrotor eine aus- 60 von Elektroden,

reichende Antriebskraft zuzuführen. Fig. 2 eine Darstellung der Lage und der Form

Nach der USA.-Patentschrift 3 412 618 wird das der einzelnen Elektroden für den in der Fig 1 dar-Rotorstellsignal mit einem extern erzeugten Ge- gestellten Kreiselrotor,

schwmdigkeitssteuerungssignal verknüpft. Abgesehen Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Krei-

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, Fig. 5 eine Übersicht über einen Teil der Laeere-

die getrennt erzeugt werden und voneinander unab- gelungsschaltung mit dem Hilfskreis (101)