DE2155921A1

DE2155921A1 - Instrumentenkreiselsystem

Info

Publication number: DE2155921A1
Application number: DE19712155921
Authority: DE
Inventors: William J Owen; James A Quinn; Garry Terpstra
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1970-11-19
Filing date: 1971-11-10
Publication date: 1972-08-31
Also published as: DE2155921C3; FR2114349A5; GB1331150A; JPS5948325B1; SE365870B; DE2155921B2; US3702569A; IL37080A; IL37080A0

Description

Instrumentenkreiselsystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseitigung des Ein- und Ausschalteffektes auf die Auswanderungsgeschwindigkeit bei einem Instrumentenkreiselsystem mit Synchronmotor und Tollrotor zum Antrieb des Kreiselrades.

. __. KreiselT dieser Art "werden beispielsweise in Flugnävigationssystemen verwendet, um die momentane Plugposition in Beziehung zu einem Bezugs- oder Ursprungspunkt anzuzeigen. Für die Fehlerfreiheit der Lageberechnung oder Lagezeichnung werden sehr genaue Informationen vom Steuerkreisel benötigt, da bereits leichte Steuerfehler große Lagefehler verursachen können. Kreisel mit stabiler Plattform, wie sie in der Raumfahrt für Trägheitsieitsysteme verwendet werden, erfordern ebenfalls die größtmögliche Genauigkeit, die erreicht werden kann.

Ein seit langem bekanntes Problem beim Betrieb von Instrumentenkreiseln sind die Auswanderungsfehler. Zusätzlich zur normalerweise berechneten Kreiselpräzession oder normalen Auswanderung, treten Fehler durch die sogenannte "Zufallsauswanderung" auf. Einige dieser Fehler sind unver-

209836/0647

meidbar wie "beispielsweise jene, die durch den grundlegenden Lagerwiderstand verursacht sind. Andere Arten von Fehlern durch Zufallsauswanderung treten besonders bei Kreiseln der hier behandelten Art auf.

Solch ein Auswanderungsfehler scheint für die meisten synchronmotorgetriebenen Kreisel mit Vollrotor typisch zu sein. Es wurde festgestellt, daß nach dem anfänglichen Einschalten des Kreisels und nachdem der Rotor synchron mit dem Feld elektrisch gekoppelt ist, während der Rotor-Feldkopplung ein kleiner Auswanderungsfehler auftritt, der gleichförmig bzw. konstant zusätzlich zur grundlegenden Zufallsauswanderung .bleibt. Dieser Fehler jedoch, obwohl gleichbleibend während einer gegebenen Synchronoperation des Kreisels, nimmt in scheinbar zufälliger Art und Weise für jeden von aufeinanderfolgenden Ein- und Ausschaltvorgängen des Kreisels eine unterschiedliche Größe an. Der Grund oder die Gründe für solch eine "Verschiebung; der Nulläbgleichung eines Kreisels infolge" von Ein- und Ausschaltvorgängen sind nicht völlig bekannt. Als mögliche Gründe wurde unter anderem (a) ein nicht isoelastisches Drehmoment, das infolge Gleichrichtung der Vibration auf das Kreiselrad einwirkt, oder (b) eine Art Kopplung fc zwischen dem magnetischen Feld des Motorrotors und dem magnetischen Feld des Kreiseldrehmomentmagneten vorgeschlagen.

Vor dem Zeitpunkt dieser Erfindung gab es keine befriedigende Möglichkeit, diesen charakteristischen Auswanderungsfehler, hier "Ein-Ausschaltauswanderung" genannt, entweder zu stabilisieren oder zu beseitigen. Eine empirische Methode zur Reduzierung des Fehlers auf ein erträgliches Minimum könnte darin bestehen, eine Anzahl von Kreiselstarts durchzuführen, bis ein niedriger Wert der beobachteten Ein-Ausschaltauswanderungsgeschwindigkeit erscheint. Wegen der

209836/064

jedoch für jeden, synchronisierten Kreiselstart benötigten Zeit -und der damit gegebenen Wahrscheinlichkeit von langen Verzögerungen erscheint diese Methode der vielfachen Starts höchst unpraktisch.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber in der Schaffung eines Einzelstart-Kreisels zusammen mit einer Verbesserung der AuswanderungsCharakteristiken eines synchronmotorgetriebenen Kreisels mit Vollrotor.

Erfindungsgemäß werden die AuswanderungsCharakteristiken eines solchen Kreisels durch die Beseitigung der Auswanderungseffekte, die von Ein- und Ausschaltvorgängen des Kreisels herrühren, bedeutend verbessert. Für diesen Zweck wird die Zweiphasen-Motorerregerspannung in die Form von Rechteckimpulsen gebracht, und in bestimmten Zeitabständen wird ein Rechteckimpuls von jeder Phase durch eine logische Schaltung um 90° in der Weite variiert. Die resultierende periodische Phasenverschiebung des Feldes relativ zum Rotor macht eine Resynchronisierung an einem neuen Punkt des Rotorumfanges nötig. Der sich daraus ergebende schrittweise Vorgang führt zu einer langsamen andauernden Rotation oder Präzession des Feldes in Bezug zum Rotor.

Da durch Experimentieren gefunden wurde, daß der Ein-Ausschaltauswanderungsfehler in seiner Größe proportional dem Sinus des Phasenwinkels zwischen einem festen Punkt auf dem Rotor und der Überlappung (oder O°-Winkel) des elektrischen Feldes ist, resultiert die Präzession des Feldes um den Rotor in einer normalen sinusförmigen Veränderung des ^r Ein-Ausschaltauswanderungsfehlers. Entsprechend werden gleiche, umgekehrt positive und negative Werte der Ein-Ausschaltauswanderung innerhalb eines vollständigen Umlaufes der FeId-

209836/0647

präzession ausgeglichen, so daß, abgesehen von der normalen Auswanderung, der Resteffekt des Kreiselauswanderungsfehlers auf ein bloßes Minimum reduziert wird, z. B. auf die grundlegende Zufallsauswanderung.

Die hauptsächliche Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Instrumentenkreisel-Kontrollsystem zu schaffen, worin die Ein-Ausschaltauswanderungsfehler eines synchronmotorgetriebenen Kreisels mit Vollrotor beseitigt sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Phase der Synchronmotorlieferspannung periodisch verschoben wird, um eine sich wiederholende Neusynchronisierung des Feldes der Lieferspannung mit dem Rotor an entsprechend verteilten Stellen am Rotorumfang zu erreichen, wobei.das Feld langsam um den Rotor präzediert.

Das Kontrollsystem zur Durchführung dieses Verfahrens soll dabei vergleichsweise billig, wirksam und verläßlich sein, wobei die elektronische Einrichtung aus kompakten, leichtgewichtigen logisch integrierbaren Standardkomponenten besteht, die ohne Jede Komplikation leicht zusammengesetzt werden können und die komplette Anlage ergeben.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in der nachstehenden Beschreibung an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt einer Ausführungsform eines synchronmotorgetriebenen Kreisels, auf welchen die vorliegende Erfindung anwendbar ist;

209836/0647

Fig. 2 ein schematisches Diagramm, das in allgemeiner Weise das erfindungsgemäße Kontrollsystem eines Kreisels darstellt;

Fig. 5 das Fließbilddiagramm der Schaltung der logischen Elemente, im Kontrollsystem der Fig. 2 nur allgemein bezeichnet;

Fig. 4 ein Spannungsoszillogramm zur Darstellung der periodischen Phasenverschiebung in der Schaltung der Fig. 3;

Fig. 5 ein Kreisdiagramm zur vektoriellen Darstellung der Verschiebungen der Kreiselnullabgleichung;

Fig. 6 eine Darstellung der zyklischen Variation des Ein-Ausschaltauswanderungsfehlers bezogen auf

Fig. 5· .

Die Erfindung, die ihre spezielle Anwendung bei synchronmotorgetriebenen Kreiseln mit Vollrotor findet, ist nicht auf eine spezifische Type in dieser Kategorie beschränkt. Zum Beispiel kann der Kreisel, wie in Fig. 1 gezeigt, zweiachsigen Typs sein und eine flexible Kupplung aufweisen, die zwischen Kreiselrad 12 und dem Antriebs- oder Drehmotor M angebracht ist. Die Drehachse des Kreisels ist mit 14 bezeichnet. Der Drehmotor ist vom Synchrontyp und weist einen Wicklungsteil 16 und einen Vollrotor 18 auf, wobei letzterer über eine Antriebswelle 20, Kupplung 10 eingeschlossen, mit dem Kreiselrad 12 verbunden ist. Die Welle ist an einer verdickten Stelle 20* im Lager 22 gelagert, welches wiederum in einer relativ stabilen Unterstützung oder Grundplatte 24 gelagert ist, die einen Teil der Kreisellage-

209836/0 847

rung oder -gehäuses darstellt (nicht gezeigt).

Um eine Bewegung um zwei Schwenkachsen sicherzustellen, stellt die Wellenkupplung 10 die geeignete Form eines Universalgelenkes dar, wie es beispielsweise im US-Patent Nr. • 3 354- 726 beschrieben ist, welches vom selben Anmelder stammt wie die gegenwärtige Erfindung.

Die Ausgestaltung des Kreiselrades 12 ist eine solche, daß es die Funktionen des Drehmomenterzeugers, allge- W mein mit T bezeichnet, und der Aufnehme einrichtung, allgemein mit P bezeichnet, übernehmen kann. Die Umfangspartie 28 des Rades ist von magnetisierbarem Material gefertigt und bildet einen ringförmigen Kanal 30, der einen erfindungsgemäßen U-förmigen Querschnitt aufweist, wie in Fig. 1 dargestellt. Ein Permanentmagnet 32 vom Ringtyp (polarisiert an seiner inneren und äußeren Peripherie) ist am inneren Umfang des Kanales 30 so befestigt, daß er in Wirkzusammenhang mit den Wicklungen zur Erzeugung des Drehmomentes, allgemein als 34- bezeichnet, steht. Die Wicklungen 36 der Momentenspule, eine für Qeden Quadrant, sind in einem isolierten Zylinder 38 eingebettet, der sich teleskopartig teilweise in den Kali nal 30 und in einen ringförmigen Spalt 40 erstreckt, der zwischen der äußeren Kanalwand und dem Ringmagnet 32 gebildet wird.

Der die Spule tragende Zylinder 38 ist koaxial zur Längsachse 4-2 der Rotorwelle 20 auf dem Hauptträger 24- befestigt. Diese Achse und die Drehachse fluchten, wenn das Kreiselrad in Nullposition ist, wie gezeigt.

Wenn eine Präzession, der Drehachse durch die Auf nehme einrichtung P angezeigt wird, dann bewirkt das resultieren-

209836/06

de Signal ein korrigierendes Drehmoment auf das Kreiselrad gemäß der teilweisen Beaufschlagung der drehmoment erzeugenden Quadrantenwicklungen und der gegenseitigen Beeinflussung der entsprechenden'Magnetfelder im Spalt 4-0.

Die Aufnehmeeinrichtung P besteht aus einer Vielzahl von am Umfang verteilten Spulen 44, 46 usw., die auf der Grundplatte 24 "befestigt sind, sowie einem relativ bewegbaren Permanentmagnetring 48. Dieser Magnet ist koaxial zum drehmomenterzeugenden Magnet 32 auf dem Kreiselrad bei 50 befestigt und fluchtet in vertikaler Richtung mit den umfänglich angebrachten Magnetkernen 44', 46', usw. der Aufnehmerspulen 44 und 46, wobei Luftspalte 52, 5^S usw. geformt werden, die in der Hullposition des Kreisels von gleicher Weite sind. Präzession (Kippen) des Hades 10 (und der Drehachse) mit entsprechender Veränderung der Luftspalte erzeugt eine ungleiche Spulenspannung und damit das resultierende Aufnehmersignal.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind weitere Beschreibungen des Drehmomentgebers und der Aufnehmeeinrichtung nicht nötig. Für eine genauere Beschreibung soll auf das US-Patent Nr. 3 438 270 "Zweiachsiger Drehmomenterzeuger" hingewiesen werden, welches vom selben Anmelder stammt.

Ein erfindungsgemäßes Kreiselkontrollsystem, das einen Kreisel der eben beschriebenen Art enthält, ist schematisch und in vereinfachter Form in Fig. 2 dargestellt. In dem an Hand eines Beispiels gezeigten Kontrollverfahren ist das durch den Drehmotor M getriebene Kreiselrad 12 mit der Aufnehmeeinrichtung P und Drehmomenterzeuger T in konventioneller Art und Weise gekoppelt, beispielsweise wird die Kreiselpräzession durch die Aufnehmeeinrichtung festgestellt

2Q9836/06U

und das resultierende Signal bei 60 verstärkt, um über den Drehmomenterzeuger ein korrigierendes Drehmoment auf das Ead aufzubringen. Wenn ein "geschwindigkeitsgefangenes·¹ System benutzt wird (rate capture system), kann der Drehmomentenausgang durch das Potential Er, dargestellt werden, um das Ausgangssignal bei 62 zu produzieren, welches der gesamten Kreiselauswanderungsgeschwindigkeit W entspricht. Diese kann mittels zweier Komponenten dargestellt werden, z. B.

¥ - W_E + W_B

wobei Vg die Auswanderungsgeschwindigkeit, bewirkt durch den Ein-Ausschaltfehler, und W-g die grundlegende Zufallsauswanderungsgeschwindigkeit darstellt. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Beseitigung des Fehlereffektes

In allgemeiner Form bezugnehmend auf Fig. 2 wird der Drehmotor M von einer Energiequelle mit konstanter Frequenz, die durch den Oszillator OSC dargestellt ist, gespeist. Im gezeigten Beispiel beträgt die Frequenz 1.2288 MHZ. Die Ausgangsfrequenz des Oszillators wird in die Gerätestufe 64 eingespeist, wo sie fortlaufend in konventioneller Art und Weise durch eine Flip-Flop-Schaltung geteilt wird, bis der resultierende Eechteckimpulszug auf eine Frequenz von 1.92 KHZ reduziert ist. Der Stufenausgang dieser Frequenz stellt den Haupteingang für eine impulsverarbeitende und steuernde Stufe 66 dar, worin eine periodische Impulsunterdruckung stattfindet, wie anschließend beschrieben. Der einzelne Impulszug von Stufe 66, noch bei 1.92 KHZ, jetzt impulsunterdrückt in sich wiederholenden Zeitintervallen, wird zu einer letzten Stufe 68 geführt, die die Phase verschiebt und die Frequenz teilt.

209836/0647

Der Ausgang dieser Stufe stellt eine zweiphasige, um 90° verschobene Lieferspannung mit 480 Hz für den Drehmotor dar. Die Rechteckimpulse können, wenn es gewünscht wird, durch konventionelle Filterung, bezeichnet mit F, auf eine sinusförmige Form geglättet werden, obwohl das für die hier benutzte Frequenz nicht nötig ist· Diese Lieferspannung enthält dann die sich wiederholende Phasenverschiebung zur Kontrolle des Drehmotores gemäß der Erfindung. Die Stufe 66 weist außerdem noch einen zweiten Steuerkontroll eingang auf, der von der letzten Stufe 68 zur periodischen Zeitkontrolle der vorerwähnten Impulszugphasenverschiebung beschickt wird.

Bezugnehmend auf Fig. 3» wird der Oszillatorausgang (1.2288 MEZ) als erstes in einzelne Flip-Flops 70, die in Eeihe geschaltet sind, eingespeist (sechs Stück im vorliegenden Fall), um die Frequenz der Rechteckimpulse durch anfängliches schrittweises Halbieren auf 19·2 EHZ zu reduzieren, wie gezeigt. Eine weitere Reduktion der Frequenz um 1/5» also z. B. auf 3»84- KHZ, wird durch drei untereinander verbundene Flip-Flops 72 in bekannter Art und Weise erreicht, und ein letzter Flip-Flop 74 halbiert diese Frequenz zu 9.92 KHZ als letzte Stufe. Der Rechteckimpulszug dieser Frequenz stellt den Ausgang der Stufe 64 entlang der Linie 76 zur Stufe 66, der "Vier-Gatter"-Schaltung (quad gate) dar.

Die Stufe 66 besteht im wesentlichen aus dem sogenannten "Count-Down"-System 78 zur Herstellung eines Verbotsimpulses mit vergleichsweise niedriger Frequenz, weiterhin einem Einzel-Schuß-Multivibrator 80 mit R-O Schaltung zur Bestimmung der Dauer eines Einzel-Schuß-Impulses bzw. seiner Weite, und schließlich aus einer Vier-Gatter-Anordnung 82, die ein sogenanntes NAND-Gatter 84 enthält. Die Count-Down-Schaltung 78 besteht aus vier doppelten Flip-Flops

209836/0647

- ίο -

86, die in Serie geschaltet sind, um die Frequenz im Verhältnis 256 zu 1 zu reduzieren. Die Eingangsseite der doppelten Flip-Flops ist über Linie 88 mit einem Energiepotential von 480 Hz verbunden, das von der letzten Stufe 68 in bereits beschriebener Weise geliefert wird. Die Ausgangsseite ist über die Linie 90 mit der Eingangsseite des Einzel-Schuß-Erzeugers 80 verbunden· Daraus folgt, daß der Einzel-Schuß-Erzeuger nur Signale mit sehr niedrigen Frequenzintervallen empfängt, beispielsweise 1 Impuls für jeden Zug von 256 Impulsen bei einer Frequenz von 480 Hz.

Der Ausgang des Einzel-Schuß-Erzeugers 80 besteht aus einem einzelnen Rechteckimpuls, dessen Weite größer ist als diejenige des 1.92 KHZ Impulses am Gattereingang 76, z. B. können die Konstante» der B-C Zeitschaltung 92 so ausge-r wählt werden, daß die Dauer des Ausgangsimpulses 150 % eines einzelnen 1.92 KHZ Impulszyklus beträgt. Dieser erweiterte Impuls wird durch Gatter 94 geführt, das hier einfach als Wechselrichter funktioniert, und liefert das Ausblendsignal am Eingang 96 des NAND-Gatters 84. Wie bereits erwähnt, liefert die 1.92 KHZ Spannung von Linie 76 den anderen Gattereingang bei 98.

Für eine graphische Erklärung der Impulsausblendung wird auf das Oszillogramm der Fig. 4 Bezug genommen. Das erste Rechteckwellenoszillogramm 4-a stellt die 1.92 KHZ Eingangsspannung am Gattereingang 98 dar und wird als gleichmässiger Impulszug geliefert. Der Multivibrator Einzel-Schuß-Ausblendungs- oder Verbotsimpuls am Gattereingang 96 ist in 4-b gezeigt. Die Frequenz dieses Einzelimpulses beträgt ungefähr 1.953/sec, das 1 1/2-fache eines vollen Impulszyklus, wie er in 4-a gezeigt ist. Entsprechend wird bei jedem Erscheinen des Ausblendungsimpulses am Gattereingang 96 ein

2Q9836/0647

voller Impuls der 1·92 KHZ Spannung unterdrückt oder verhindert. Der resultierende Impulszug wird durch den Gatterwechselrichter 100 geführt, der Ausgang am Gatteranschluß 102 wird durch 4-c dargestellt.

Diese Ausgangsspannung wird entlang der Linie 102 zur Endstufe 68 geführt, die aus zwei Flip-Flops 104 und 106 besteht, die, wie im Diagramm dargestellt, geschaltet sind, um auf getrennten Ausgangsleitungen 108 bzw. 110 periodisch phasenverschobene Impulszüge herzustellen. Die Rechteckimpulszüge, gezeigt in 4-d und 4-e, bestehen aus zweiphasiger, um 90° verschobener Spannung bei scheinbar 480 Hz, zum erfindungsgemäßen Antrieb des Drehmotors·· Die zusammengeschalteten Flip-Flops 104 und 106 stellen ein impulsverarbeitendes Digitalsystem dar, das allgemein als "Modul vier¹¹ (modulo four) bekannt ist. Die Phasenimpulszüge A und B in den Ausgangsleitungen 108 und 110 werden mittels der "Uhr" (clock) oder Zeitimpulse des 1.92 KEZ Impulszuges 4-C in Verbindung mit den sogenannten "gesperrt" (set) und "klar" (clear) Stellungen der beiden Flip-Flops 104 und 106 gebildet, die mit S bzw. C bezeichnet sind. In der modernen Technologie werden Flip-Flops vom Typ "Meister-Sklave" verwendet, z. B. eine einzelne Flip-Flop Einheit, wie sie hier benutzt wird, besteht tatsächlich aus zwei konventionellen Flip-Flops. Die Gesperrt-Klar-Logik kontrolliert den ersten oder Meister-Flip-Flop und das Signal wird vom Meister-Flip-Flop zum zweiten öder Sklaven-Flip-Flop übertragen, in dem Moment, wo der Uhr-Impuls auf Null fällt. Der Uhr-Impuls 4-C beaufschlagt gleichzeitig die Uhr-Eingangsanschlüsse 112 und 114 der Flip-Flop Einheiten 104 und 106. Die C und S Ausgänge bei 116 und 118 des Flip-Flops 106 sind entsprechend mit den S und C Eingängen bei 120 und 122 des Flip-Flops 104 verbunden, und die S und G Ausgänge des Flip-Flops 104 sind entsprechend über

20 9-836/0647

2155321

die Leitungen 124 und 126 mit den S und C Eingängen des Flip-Flops 106 verbunden·

Daher,besteht der S-Ausgang des Flip-Flops 104 entlang der Leitung 124 für die Phase A in Übereinstimmung mit dem ^wModul-Vier^w-Programm für einen gleichmäßigen Uhr-Impulszug aus einem einzigen gleichmäßig weiten Impuls für jede vier Uhr-Impulse. Das bedeutet, daß die Frequenz der Phase A 1/4 der Ühr-Frequenz beträgt, also 480 Hz. Der S-Ausgang des Flip-Flops 106 für die Phase B ist ähnlich mit dem Unterschied, daß der Impulsbeginn um zwei Uhr-Impulse hinter den entsprechenden Impulsen der Phase A nachhinkt. Im Ergebnis ergibt sich eine Phasenverschiebung von 90° der Phase B gegenüber der Phase A.

Der 480 Hz Impulszug der Phasen A und B in Fig. 4 wird jedesmal, wenn das Uhr-Oszillogramm A-C 256 Zeitimpulse vollendet hat, einer Phasenverschiebung unterzogen. Wegen der Unterdrückung des vollen Uhr-Impulses für das Zeitintervall t wird die Bildung des darauffolgenden Impulses der Phase A (4-d) und des um 90° nachlaufenden Impulses der Phase B (4-e) entsprechend verzögert, um die Phasenverschiebungsintervalle t, und t zu bilden. Diese elektrische Phasenverschiebung in der gefilterten Lieferspannung für den Drehmotor beträgt bis zu 90°· Wenn der Drehmotor wie im vorliegenden Fall vom 4-Pol-Synchrontyp ist, findet für jede Phasenverschiebung der Lieferspannung eine mechanische Feldverschiebung von 45° am Rotorumfang statte Das Motorfeld wird dabei um diesen Betrag schrittweise zu aufeinanderfolgenden neuen Synchronisierungspunkten in einer langsamen Drehung um den Bot or bewegt. Mit anderen Worten, das beschriebene System der Phasenverschiebung zwingt das Motorfeld bei jedem Phasenwechsel zu einer neuen Ausbildung der

209836/0 647

Hysterese-Schleifen auf dem Rotor, wobei das Feld und der Rotor an fortschreitend unterteilten Stellen auf dem Rotor resynchronisiert wird und dabei das Feld gezwungen wird, um den Rotor zu präzedieren.

Die normale Rotorgeschwindigkeit wird bei einer solchen Resynchronisierung nicht merkbar beeinflußt, da die Rotorträgheit ausreichend ist, um den Rotor während des sehr kurzen Verschiebungsintervalles auf seiner vorgesehenen Geschwindigkeit zu halten (ungefähr 0,522 Millisek.).

Es ist augenscheinlich, daß die Richtung der relativen Drehung des Feldes im Hinblick auf den Rotor für die Ausführung der Erfindung unwichtig ist. Beispielsweise könnte der Ausblendeimpuls 4~b für den Wechsel des Uhrsignals so eingerichtet werden, daß die Zeitintervalle t und t-, einer elektrischen Verschiebung von nur 90° anstelle von 270° entsprechen, wodurch das synchronisierende Feld gezwungen würde, in die entgegengesetzte Richtung zu präzedieren.

Für ein Verständnis des beschriebenen Effektes der Feldpräzession auf die Kreiselnullabgleichung verursacht durch die Ein-Ausschaltauswanderung soll die Forschung, die zur Erfindung geführt hat, kurz diskutiert werden. Ein wichtiger Faktor war die Entdeckung von vorhersagbaren Abläufen, innerhalb derer sich die Ein-Aussehaltauswanderung ereignete. Nach Untersuchung einer bedeutenden Zahl von Kreisel Ein- und Ausschaltvorgangen wurde gefunden, daß die Auswanderungsgeschwindigkeit zwischen bestimmt definierten positiven und negativen Grenzen von derselben Größenordnung hin und her schwankte. Dies führte zum Schluß, wie später bestätigt werden konnte, daß die fehlerverursachende Nullabgleichung sinusmäßig von der relativen Winkellage des syn-

209836/0647

chronisierten Feldes und eines fixen Punktes auf dem Rotor abhängt.

Für eine zeichnerische Erklärung der Beziehung zwischen der fortschreitenden Phasenverschiebung und der Kreiselstellung, die eine Folge des Ein-Ausschaltauswanderungsfehlers ist, wird auf die Diagramme der Fig. 5 und 6 Bezug genommen. Das Kreisdiagramm der Fig. 5 zeigt einen frei drehbaren Nullabgleichvektor V, der die aufeinanderfolgenden schrittweisen Resynchronisierungsstellungen des Feldes und Rotors darstellt.

Betrachtet man als erstes die normal übliche Situation, wobei der Nullabgleich für einen gegebenen Kreiselvorgang konstant bleibt, soll angenommen werden, daß Punkt P die Überlappungs- oder 0°-Position des Motorfeldes auf dem Rotor darstellt, und daß Ρ™ ein feststehender Bezugspunkt auf dem Rotor des in Frage stehenden Kreisels darstellt. Der Nullabgleichvektor V kann dabei am Punkt P gedacht werden, wobei er einen Winkel "oc" zwischen dem Vektor und dem festen Punkt P₅₁ definiert. Gemäß der aufgestellten Beziehung ist die Ein-Ausschaltauswanderungsstellung in dieser Situation proportional zum Sinus "oc" und bleibt bei einem Wert, der durch den Vektor Vg dargestellt ist, während des Kreiselbetriebes konstant. Bei dem nächsten Inbetriebsetzen des Kreisels kann der Überlappungspunkt in jeder beliebigen Winkellage in Bezug zu Punkt Pj, sein und in einem solchen Falle würde die Nullabgleich-Auswanderungsgeschwindigkeit in Größe und Richtungssinn vom Sinus des so geformten neuen Winkels abhängen.

Es wird somit offensichtlich, daß die Phasenverschiebung des Kreiselmotorfeldes gemäß der Erfindung in ei-

209836/06

ner kontrollierten und geregelten Art und Weise, anstatt zufällig, erfolgt. Die Lage von Pq und damit der Nullabgleichvektor V kann als fortschreitend rotierend in gleichmäßig unterteilten Winkellagen, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind, vorgestellt werden.

Die resultierende sinusförmige Beziehung der Kreiselnullabgleichung und des Winkels oc ist in Fig. 6 gezeigt. Der Auswanderungsfehler, der der Nullabgleichung entspricht, neigt dazu, sich über wiederholte Zyklen von im wesentlichen gleichen positiven und negativen Werten auszugleichen, so daß nur die grundlegende Zufallsauswanderung R übrig bleibt. Entsprechenderweise ergibt sich, daß die Erfindung zwar den Ein-Ausschaltdefekt auf den Kreiselnullabgleich nicht an sich beseitigen kann, daß sie jedoch die Auswirkung des Effektes während einer normalen Ereiselbetriebsdauer ausgleicht. Bei Benutzung der Erfindung ist in dieser Richtung eine deutliche Verbesserung der Kreiseleigenschaften festzustellen.

209836/0647

Claims

- 16 Patentansprüche

1J Verfahren zur Beseitigung des Ein- und Ausschalteffek- τβΒ auf die Auswanderungsgeschwindigkeit bei einem Instrumentenkreis el sys tem mit Synchronmotor und Vollrotor zum Antrieb des Kreiselrades, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der Synchronmotorlieferspannung periodisch verschoben wird, um eine sich wiederholende Neusynchronisierung des Feldes der Lieferspannung mit dem Rotor an entsprechend verteilten Stellen am Rotorumfang zu erreichen, wobei das Feld langsam um den Rotor präzediert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die periodische Phasenverschiebung die Resynchronisierung in gleichmäßig unterteilten Schritten um den Rotorumfang herum bewirkt*
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Phasenverschiebung durch Änderung der Impulsdauer erreicht wird, die einem vorgegebenen Impulszug der Lieferspannung folgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorlieferspannung um 90° verschoben ist, um eine mechanische Feldverschiebung von 4-5° mit Rücksicht auf einen festen Punkt auf dem Rotor zu erreichen.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung in der Impulsdauer elektrisch ist und 90° beträgt .
6. Anordnung für ein Instrumentenkreiselsystem mit Sjriichronmotor und Vollrotor zum Antrieb des Kreiaelradef, wobei

209836/0647

der Kreisel eine "bestimmte Auswanderungsgeschwindigkeit aufweist, die während einer Synchronperiode gleich bleibt, sich, aber bei aufeinanderfolgenden Ein- und Ausschaltungen des Kreisels beliebig ändern kann, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Wechselspannungsquelle zur Lieferung der wechselnden Spannung für den Synchronmotor und einer Modulations-Einrichtung (64, 66, 68) zur Erzeugung der sich dauernd wiederholenden Phasenverschiebungen der Lieferspannung besteht, wobei die Modulations-Einrichtung eine Schaltung zur Einstellung der Phasenverschiebung beinhaltet, um eine langsame Präzession des Feldes der Lieferspannung um den Rotor zu erreichen und damit den Fehlereffekt der Ein- und Ausschalt-Kreiselauswanderung zu unterdrücken.
7- Anordnung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle einen zeitlich bestimmten Impulszug von höherer Frequenz als für den Eotor bestimmt liefert, und daß die Modulations-Einrichtung zur Phasenverschiebung eine Schaltung zur periodischen Unterdrückung eines Impulses des Einstellungsimpulszuges aufweist, und eine auf diese Impulse ansprechende Schaltung, die, kontrolliert durch den so modifizierten Impulszug, eine phasenverschobene ZweiphasenwechsellieferSpannung für den Kreiselmotor liefert.
8. Anordnung gemäß Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Impulse ansprechende Schaltung aus vielfachen untereinander verbundenen Flip-Flops besteht, um die Zweiphasenlieferspannung herzustellen.

9· Anordnung gemäß Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Frequenzteilung mit der Spannungsquelle verbunden ist, um einen Unterdrückungsimpuls vergleichsweise niedriger Frequenz herzustellen, und wobei, eine elek-

209836/0647

tronisehe Gatt er Schaltung sowohl ansprechbar auf die terdrückungsimpulse, als auch auf den Einstellungsimpulszug ist, um einen modifizierten Impulszug herzustellen.

10· Anordnung gemäß Anspruch 9» dadurch, gekennzeichnet, daß die Dauer der Unterdrückungsimpulse in Beziehung zur Dauer eines unterdrückten Impulses durch einen Ein-Schuß-Multivibrator mit einer zeitkonstanten Steuerung kontrolliert wird.

209836/0647

Leerseite