DE2237069A1 - Kreiselstabilisierte plattform - Google Patents

Description

Kreiselstabilisierte Plattform

Die Erfindung betrifft eine kreiselstabilisierte Plattform mit Lagereferenzkreiseln, von deren Abgriffsignalen über einen Servokreis mit Servomotoren die Plattformanlage stabilisierbar ist,

bei welcher eine frequenzstabilisierte Kreiselmotor-Stromversorgung für die Lagereferenzkreisel vorgesehen ist, und

bei welcher als Lagereferenzkreisel dynamisch abgestimmte, trockene Kreisel vorgesehen sind, bei denen der Kreiselmotor von flexiblen Gelenken gehalten wird, deren Hückstellmomente von Massenkräften dynamisch kompensiert werden.

309886/0235

Kreiselstabilisierte Plattformen dienen dazu, eine Lagereferenz z.U. für die Trägheitsnavigation zu schaffen. Das stabilisierte Element einer solchen Plattform ist kardanisch gelagert una enthält als Lagereferenz Kreisel, die ein Abgriffsignal liefern, wenn das stabilisierte Element eine Drenbewegung im daum ausführt. Diese Abgriffsignale werden in Servoverstärkern verarbeitet und verstärkt und in geeigneter Weise auf die um die Kardarachse wirksamen Servomotoren gegeben, die der Drehbewegung des stabilisierten Elementes entgegenwirken. Auf diese .Vcise wird die Lage des stabilisierten Elementes der Plattform unabhängig von Bewegungen z.B. eines Plugzeuges oder Flugkörpers, in dem die Plattform eingebaut ist.

Als Lagereferenz für eine solche Plattform können freie Kreisel dienen, die durch ihre Kreiselwirkung ihre Lage im Raum beizubehalten trachten. Dies wird durch eine kardanische Aufhängung des Kreiselmotors ermöglicht.

Bei diesen Kreiseln ist die Winkelablage der Plattform gleich dem Winkel zwischen der Rotorachse und einer entsprechenden Achse des Kreiselgehäuses. Dieser Winkel wird elektrisch ausgelesen und über den Servokreis der Plattform ausgeglichen. Lagerreibung innerhalb der kardaniechen Aufhängung führt notwendigerweise zu einer Kreiseldrift. Es sind daher verschiedene Wege beschritten worden, die Lagerreibung auszuschalten.

Es sind einmal zweiachsige Schwimmkreisel bekannt, bei denen Kreiselmotor- und Läufer in einem abgeschlossenen Gehäuse angeordnet sind, welches zugleich den inneren Kardanrahmen bildet. Dieses Gehäuse ist von einem zweiten Kardanrahmen umgeben.

309886/0235 - 3 -

BAD ORIGINAL

Gehäuse und zweiter Kardanrahmen schweben in einer j'lüssigkeit, die bei Betriebstemperatur das gleich spezifische Gewicht besitzt wie einmal das Gehäuse mit dem darin angeordneten Kreisel und zum anderen der zweite Kardanrahmen. Biese Flüssigkeit i3t in einem geschlossenen Aui3engehäuse enthalten,. Zur Zentrierung des zweiten Kardanrahmens in dem Außengehäuse und des inneren Gehäuses in dem zweiten Kardanrahmen dienen Baare von sehr feinen Spanndrähten um die wendeiförmige und sehr flexibel die elektrischen Leitungen angeordnet sind» Solciie Sehwimmkreisel sind hocnkomplizierte und aufwendige Bauteile ( " Gyroscopes Theory and Design " von Savet, Me Sraw-Hill, 1901 S. 62 )»

Zum anderen sind ^1! trockene " zweiachsige iagekreisel bekannt, bei denen der Kreiseliaotor im Gehäuse fest gelagert ist, und der Kreiselrotor durch flexible Gelenke mit der Mötoraehse verbunden ist. Diese kardanisch angeordneten flexiblen Gelenke sind zwar reibungsfrei, haben aber durch ihre Federwirkung ein Rückstellmoment. Zwischen den ii'ederelementen für die beiden Achsen befindet sich ein Zwischenring, der im Gegensatz zum Kreiselrotor nur um eine Achse beweglieh ist. Aus kinematischen Gründen muß dieser Zwischenring eine Sehwingbewegung mit der Spinfrequenz des Rotors ausführen, wenn der Hotor ausgelenkt ist. Die dabei auftretenden lieattionsmomente sind den Federkräften genau entgegengeriehtet und proportional dem Quadrat der Spinrrequenz oJ _s· Durch Abstimmung von /ederstreiiigkeitien und fassen kann man nur erreichen, daß bei der betriebsdrehzahl des Kreisels i^?eder- und Massenkräfte dem Betrage nacn gleien sind und sich daher gegenseitig aufheben^ so daß sicn der Kreisel im Endeffekt wie ein freier Kreisel verhält. Das ist die dynamische Abstimmung. ( " The Dynamically Tuned ?ree Gyro " von Howe and Savet, Control Engeneering, Juni 1964, 3. 67-72 )

309886/0235

_₄_

^iir eine exakte Abstimmung ist es wichtig, daß die opinirequeriz des Kreisels genau eingehalten wird. Es muß daher eine frequenzstabilisierte Kreiselmotorntromversorgung vorgesehen v/erden. Eine besondere Schwierigkeit besteht darin, dai3 die Abstimmung um zwei Achsen exakt stimmen mufi. Insbesondere müssen die :⁽¹ederkonstanten für beide Achsen exakt gleich 3ein. In der Praxis hat sich nun gezeigt, daß die dynamische Abstimmung häufig nicht in beiden Achsen vollkommen ist. 3s treten dann im Modell für das dynamische Verhalten des Kreisels Übertragungsglieder auf, deren 'ieiwerte periodisch mit der doppelten Spinfrequenz 2 6u

des Kreisels sind. Diese Übertragungsglieder führen einerseitss dazu, daß Dei Auslenkung des Kreisels 2 t» -Anteile in der

Abgrif i'apannurig enthalten sind, und daß andererseits mechanische Momente der frequenz 2 tw , die auf den Kreisel gelangen, dort gleichgerichtet werden und eine Kreiscldrift verursachen* Unebenheiten der ^otoroberCläche erzeugen ebenfalls über eine media·* nische Modulation der Luftspaltbreite Augriffsignale der frequenz η m ( η = 1, 2, 3...)»

Alle diese Abgri iTsignale eier Frequenz η *λι werden im öervo-* kreis wegen der Vorhaltnetzwerke hoch verstärkt Und erzeugen im Endverstärker des Servokreises ein beträchtliches AUsgäagsaignal, das zu einem ernöhten LeistungsVerbrauch führt. Außerdem rührt der 2 w -Anteil, wie erwähnt, zu einer Plattformdrift, wenn er über die Servomotoren wieder auf die üahwen zurückgekoppelt wird.

- 5 309886/023 5

Durch. die Kopplung der beiden lüeßachsen des Kreisels über die Kreiseldynamik tritt außerdem bei solchen Kreiseln eine schwach gedämpfte üiutationsachwingung auf. 'Die frequenz dieser Nutationsschwingung ist:

ca)

wobei I,und I₁ die Trägheitsmomente des Kreisels um die Meßachsen bzw. die Drallachse sind. Diese Nutationsi'requenz steht daher in einem festen Verhältnis zur Spinfrequenz. 'Venndie Notations frequenz über den Servokreis auf die Kreisel zurückgeführt wird, kann dies zu einer Instabilität führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kreiselstabilisierte Plattform mit dynamisch abgestimmten Kreiseln der vorerwähnten Art aufzubauen, bei der die durch Fehlabstimmung der Kreisel hervorgerufene Plattfcrmdrift sowie der Leistungsverbrauch der Servokreise minimal werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Servokreis ein digital gesteuertes Abtastfilter ( Kammfilter ) enthält, durch das die Kreiselspinfrequenz und deren höhere Harmonische im Abgriffsignal heraussiebbar sind, und

daß die Taktfrequenzen zur Steuerung des Abtastfilters mittels einer Ansteuerschaltung aus der Kreiselmotor-Stromversorgung abgeleitet sind.

- 5a -

309886/02 35

OMUiNAL

Kammfilter sind an sicn bekannt ( " Tneorie. der linearen Impulssysteme " von Jakow 3. Zypkia, ri. Oldenbourg Verlag, S. 320 - 326 ). 3ie beruhen auf folgendem Prinzip: Eine Eingangsspannung liegt über einen· iViderstand und einen Abtastschalter an einer ;.iehrzahl von Kondensatoren, Eine Aus gangs spannung wird an dem Widerstand a'cgegri i'iTen. tienn die Frequenz uo der Eingangs spannung ein gar.zzahliges

ti

Vielfaches der Abtastschalterfrequenz u; ist, d.n. der

ti.

Frequenz, mit welcher jeder einzelne Kondensator in den Kreis der Eingangospannung eingescnaltet wird, dann wird nach einer Einschwingzeit jeder Kondensator auf eine bestimmte Spannung aufgeladen und der Ladestrom wird null. Damit wird auch der Spannungsabfall an dem Widerstand und somit aucn die Ausgangsspannung null. 7/enn die Frequenz der Eingangssparmung nicht ein ganzzahliges Vielfacnes der Actastscnaltenrequenz ist, dann werden an die Kondensatoren in statistischer j'olge unterschiedliche positive und negative Spannungen angelegt. Infolgedessen laden sich die Kondensatoren nicnt au;", und es fließt bei jeder Abtastung, d.n. jedesmal, wenn der Stromkreis der Eingangsspannung über einen Kondensator geschlossen ist, ein der Singangsspaimung proportionaler Ladestrom über den V/iderstand. Dementsprechend erhält man bei jeder Abtastung einen der jeweiligem Lingangsspannung proportionalen Spannungsabfall an dem Widerstand als Auo-

309886/0235

BAD ORIGINAL

pangsspannung. Durch die Verwendung mehrerer Kondensatoren, die in jeder Abtastperiode nacheinander in den Stromkreis der Eingangsspannung eingeschaltet werden, wird die Eingangsspännung in jeder ihrer Perioden mehrfach abgetastet, so daß sich die Eingangsspannung aus den Abtastwerten im Ausgangskreis rekonstruieren laßt.

Ein solches digital gesteuertes Abtastfilter oder Kammfilter hat also mehrere Resonanzpunkte im Bereich der ganzzahligen Vielfachen der Abtasttaktfrequenz. Es kann also aus dem Abgriffsignal des Kreisels die Spinfrequenz und deren höhere Harmonische herausfiltern. Es weist eine große Dämpfung in den Resonanzpunkten auf, um die Störfrequenzen ausreichend zu unterdrücken. Es besitzt eine kleine Bandbreite, um Phasendrehungen im Servokreis besonders im unteren Frequenzbereich auszuschließen. Die Resonanzfrequenz wird unter allen Umweltbedingungen sehr genau eingehalten,, da die Resonanzfrequenz durch die digitale Abtastung bestimmt ist. Die Taktfrequenz der Abtastung wird aber gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung aus der stabilisierten Kreiselmotor-Stromversorgung abgeleitet. Sie ist daher nicht nur ebenfalls stabilisiert, sondern steht stets in definierter. Beziehung zu der Kreiselspinfrequenz. Ein Kammfilter läßt sich mit minimaler BaugrÖsse, minimaler Leistungsaufnahme und geringem Gewicht aufbauen*

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der Servokreis eine Reihenschaltung mehrerer digital gesteuerter Abtastfilter (Kammfilter) enthalten, die auf verschiedene, mit der Kreiselspinfrequenz in definierter Beziehung stehende Frequenzen abgestimmt und unter gemeinsamer Benutzung Von Teilen der Ansteuerschaltung von aus der Kreiselmotor-Stromversorgung abgeleiteten Taktfrequenzen gesteuert sind. Es kann so mit geringem

309886/0235 _

zusätzlichen Aufwand auch eine andere Störfrequenz ausgesiebt werden. Beispielsweise kann ein Kammfilter auf die durch die Kopplung der Meßachsen über die Kreiseldynamik hervorgerufene Nutationsfrequenz der Lagereferenzkreisel abgestimmt sein.

Die Dämpfung· des Kammfilters kann dadurch verbessert werden, daß das Kammfilter einen zusätzlichen Schalter zur impulsförmigen Abtastung des übertragenen Signals mit einer nachgeschalteten Signalspeicherschaltung (Sample-Hold-Schaltung) enthält.

Die Anordnung kann so getroffen sein, daß die Kreiselmotor-Stromversorgung einen quarzgesteuerten Oszillator enthält, aus dessen Ausgangsfrequenz die Taktfrequenz zur Steuerung des Kammfilters durch mehrfache Frequenzteilung mittels Frequenzteilerstufen ableitbar ist, und daß die Steuerung des zusätzlichen Schalters durch einen Decoder erfolgt, der von einer der letzten Frequenzteilerstufe vorgeschalteten Frequenzteilerstufe beaufschlagt ist.

Die Erfindung ist nachstäiend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines nach der Erfindung im Servokreis vorgesehenen Filters,

Fig. 2 zeigt die in den verschiedenen Punkten der Schaltung von Fig. 1 auftretenden Signalverlaufe.

Fig. 3 veranschaulicht die Verbesserung der Sperrdämpfung, welche durch eine erfindungsgemäße impulsmäßige Abtastung erreicht wird.

309886/0235

■~· fs *^mm

yig. 4 zeigt ein Blockschaltbild eines Regelkreisgliedes mit Kammfilter, wie es nach der Erfindung in einem Kanal des Servokreises verwendet wird.

In yig. 1 ist mit 10 ein quarzgesteuerter Oszillator bezeichnet, dessen Ausgangs frequenz durch mehrere nintereinandergeschaltete frequenzteiler 12, 14, 16 auf die Nutzfrequenzen herabgesetzt wird. Frequenzen des Frequenzteilers 14 werden auf einen mit ']o bezeichneten Decoder " 1 aus 8 " gegeben. Das bedeutet: Beim ersten Impuls am Eingang 'des Teilers 14 erscheint ein Signal an einem Ausgang " 1 ", beim nächsten Impuls verschwindet dieses Signal und es erscheint ein Signal an einem Ausgang " 2 " usw. Frequenzen des Frequenzteilers 16 beaufschlagen entsprechend einen mit 20 bezeichneten Decoder " 1 aus 10 ". Der Frequenzteiler teilt dabei die Ausgangsfrequenz des Frequenzteilers 14 im Verhältnis 1:8.

Die zehn Ausgänge " 1 bis 10 " des Decoders 20 steuern je einen Schalter 22, über den jeweils einer von zehn Kondensatoren in Reihe mit einem Y/iderstand 26 in den Stromkreis einer JSingangsspannung geschaltet wird, die von einem Kreiselabgriff erhalten wird und an einem Eingang 28 des Kammfliters 30 anliegt.

In Reihe mit den Kondensatoren 24 und dem Widerstand 26 liegt noch ein weiterer Schalter 32. Der Schalter 32 wird von dem Ausgang " 5 " des Decoders 18 gesteuert und ist geschlossen, solange an diesem Ausgang ein Signal anliegt.

Der Spannungsabfall am Widerstand 26 liegt an einem Impedanzwandler-Verstärker 34 an, dessen Ausgang über einen ebenfalls

- 9 _ 309886/0235

ORIGINAL

vom Decoderausgang "5" des Decoders 18 gesteuerten Schalter 36 einen Speicherkondensator 38 beaufschlagt. Das Ganze bildet eine Abtast- und Speicherschaltung 40 (Sample-Hold-Schaltung). Der Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 40 liegt über ein Tiefpaßfilter 41 zweiter Ordnung an dem Filterausgang 42.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Kammfilters wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert:

Die Ausgangssignale des Frequenzteilers 14 sind Rechteckimpulse A. Diese Rechteckimpulse A beaufschlagen den Decoder 20. Der Decoder 20 erzeugt Kecitecksignale B nacheinander an jeweils einem seiner zehn Ausgänge. Jedesmal bei der Vorderflanke eines Rechteckimpulses A verschwindet das Signal an einem Decoderausgang -z.B. "5" - und dafür erscheint ein Signal an dem nächstfolgenden Decoderausgang -z.B. "6". Damit wird jeweils ein zugehöriger Schalter 22 geschlossen. Der Eingangskreis ist damit aber noch nicht geschlossen. Hierzu ist vielmehr noch das Schließen des Schalters 32 erforderlich. Dieser Schalter 32 ist von dem Ausgang "5" des Decoders 18 gesteuert. Der Decoder 18 wird mit der achtfachen Frequenz der Impulsfolge A beaufschlagt, nämlich wegen der 1 : 8 Untersetzung des Frequenzteilers 18. Während Jedes Rechteckimpulses B am Decoder 20 durchläuft der Decoder 18 somit einmal seine sämtlichen acht Ausgänge, und an einer definierten Stelle jedes Rechteckimpulses B erscheint ein Impuls von ein Achtel der Länge des Impulses B am Ausgang "5" des Decoders 18. Diese Impulse sind in Fig. 2 mit C bezeichnet.

Es erfolgt so eine impulsform!ge Abtastung einer Eingangsspannung, die durch die gestrichelte Kurve 44 angedeutet ist,

309886/0235

- 10 -

so daß als Spannungsabfall am Y/iderstand 26 Impulse D auftreten. Jeder dieser Impulse D wird durch die Aßtast- und Jpeieherschaltung 40 in seiner Amplitude bis zum Erscheinen des nächsten Impulses gespeichert, so daß am Ausgang der Abtast- und Speicherschaltung 40 eine Stufenkurve E erscheint» Diese wird .durch einen Tiefpaß' 41 geglättet, so daß in Kurve J? die Eingangsspannung wiederhergestellt ist.

l⁽¹ig. 3 veranschaulicht die ,Virkung des Kammfilters im Resonanzi'all, d.h. bei ganzzahliger Beziehung zwischen der Taktfrequenz der Abtastung und der Frequenz der Eingangsspannung. Taktfrequenz der Abtastung ist dabei die frequenz der Impulse B an jedem. Decoderausgang. Mit 46 ist die Eingangs spannung, bezeiennet. Die Kurve 4β ist die Ausgangs spannung am Widerstand 26-, wenn der Schalter 32 in L¹¹Ig. 1 ständig geschlossen wäre» Es sind fern_er· die Impulse C ( ?ig. 2 ) aargestellt, mit denen die Schalter und 36 gesteuert werden. Mit 50 ia-t die Ausgangsspannung am •Viderstand 26 bezeichnet, wenn der Sehalter 52' so arbeitet.

Pig. 4 zeigt die Hinteieinandersehaltung von zwei Kammfiltern der beschriebenen Art, wobei an Eingangs klemmen 52, 54 geeignet, geteilte Impulsfrequenzen anliegen. Zs ist ein filter 5^< für die Nutationsfrequenz u.. vor 460 Hertz und ein zweites filter von 240 Hertz und deren nöhere '-tarmonische für die Kreiselspin— frequenz .Ό vorgesehen. Da die Kammfilter 5t., 60 die Gleic.a-Spannungskomponente des Abgriffsignals ( ι = ο ) nicht üoertragen, ist zu den filtern 5-, 60 noch ein Tiefpaßfilter 62 parallelgeschaltet.

- 11 -

3098-86/0.235

BAD ORIGINAL

Claims (1)

1. 2237059

   I Γ

   Al

   Paten t a η s ρ r ü ο η ο

   Kreiselstabilisierte Plattform nit Lagere ferenzkreiseln, von deren Aogri !'!"Signalen üoer einen oervokreis mit Servomotoren die Platt "ormla,^e stabilisia^tiar iot,

   bei welcher eine frequenzstabilisierte Kroiselmotor-otromversorguns; für die Lagerei'erenz vorgesehen ist und ι ei welcner als La^re ferenzkreisel dynamiseU abgestimmte trockene Kreisel vorgesehen sind, oei denen der Kreisel von flexiKLen Gelenken ;enalten iot, deren j'edernomente durch dynaniscne Iviomente kompensiert werden, dadurcn gekennzeichnet,

   daß der Sarvokreic ein digital gesteuertes Abtastfilter (5ö) (Kammfilter) enthält, durch das die Kreiselcpinfrequenz und deren hönere Harmonische im Au^rilTsi^nal heraussieboar sind, und

   daß die Takt Frequenzen zur Steuerung des Abtasti'ilters mittels einer Ansteuerschaltung aus der Kreiselmotor-3tromversorgun^ (10, 12 ...) abgeleitet sind.

   Kreiselstabilisierte Plattform nach Ansprucn 1, dadurcn gekennzeichnet, daß der Jervokreis eine Äeinenschaltunf-; mehrerer digital gesteuerter Abtastfilter ( Kammfilter ) (dö,60) enthält, die au: verschiedene, mit der Kreiselspi-nfrequenz ( <vj ) in definierter Beziehung 3tenende Frequenzen abgestimmt und unter gemeinsamer benutzung von Teilen der Ansteuerschaltung von aus der Kreiselmotorotromversorgung abgeleiteten Taktfrequenzen gesteuert sind.

   - 12 309886/0235

   BAD ORIGINAL

   ti

   3. Kreiselstabilisierte Plattform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kammfilter (58) auf die durch die Kopplung der Meßachsen über die Kreiseldynamik hervorgerufene Nutationsfrequenz (^_n) der Lagereferenzkreisel abgestimmt ist.

   4. Kreiselstabilisierte Plattform nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,, daß das Kammfilter einen zusätzlichen Schalter (32)' zur impulsförmigen Abtastung des übertragenen Signals mit einer nachgeschalteten Signalspeicherschaltung (40) (Sample-Hold-Schaltung) enthält.

   5· -^reiseistabilisierte Plattform nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiselmotor-Stromve'rsorgung einen quarzgesteuerten Oszillator (10) enthält, aus dessen Ausgangsfrequenz die Taktfrequenz zur· Steuerung des Kammfilters (30) durch mehrfache Frequenzteilung mittels Frequenzteilerstufen (12, 14, 16) ableitbar ist, und daß die Steuerung des zusätzlichen Schalters (32) durch einen Decoder (18) erfolgt, der von einer der letzten Frequenzteilerstufe (16) vorgeschalteten Frequenzteilerstufe (14) beaufschlagt ist.

   309886/0235