DE2554519C3 - Antriebsvorrichtung für einen Rotor - Google Patents
Antriebsvorrichtung für einen RotorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung für einen in einem Träger um eine Achse drehbar
gelagerten Rotor, mit einem im Träger gleichachsig zum Rotor drehbar gelagerten Gegenrotor und einem auf
äußere elektrische Signale ansprechenden Drehmomenterzeuger, der auf den Rotor und den Gegenrotor in
Richtung der gemeinsamen Achse entgegengesetzt wirkende Drehmomente ausübt. Solche Vorrichtungen
werden beispielsweise zum Antrieb kardanisch aufgehängter Kreisel benötigt.
Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art, die von gegenläufigen Massen Gebrauch machen, war es bisher
nicht möglich, das effektive Drehmoment des Systems im wesentlichen auf Null zu bringen. Hierin liegt ein
erheblicher Nachteil.
Bei Systemen, die von kardanisch aufgehängten Sensoren Gebrauch machen, ist gewöhnlich eine
winkelförmige Abtastbewegung erforderlich, ohne daß dadurch störende Drehmomente in die kardanische
Aufhängung eingeleitet werden dürfen. Typisch ist die Verwendung von Schwungrädern oder Steuermomentkreiseln
für die Kardanantriebe solcher Systeme.
Es gibt zwei besonders bedeutende Unvollkommenheiten bei solchen Kreiselantrieben. Als erstes führen
die auf Reibungskräfte und elastische Deformationen beruhenden Momente zu einer Sättigung des Antriebs-Drehmomentes
und begrenzen dadurch das Betriebszeitintervall, das erreichbar ist, bevor ein neues
Anfahren erforderlich ist. Als zweites werden die durch coulombsche Reibung und Federkräfte bedingten
Momente zwischen den verschiedenen Elementen der Antriebsvorrichtung auf die Trageinrichtung übertragen,
wo sie nichtkompensierte Störmomente erzeugen.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Kompensation von Reaktions-Drehmomenten
zu schaffen, die sonst auf die Trageinrichtung übertragen würden. Darüber hinaus sollen auch
restliche Drehmomente kompensiert werden, die dem
r> System inhärent sind, indem einer Momentsättigung
durch eine gegensinnig rotierende Masse vorgebeugt wird, die sonst infolge von dynamischen Störkräften des
Systems auftreten könnte.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch
4(i gelöst, daß zwischen dem Träger und dem Rotor oder
dem Gegenrotor ein Drehmomentkompensator angeordnet ist, daß mit den beiden Rotoren Geber
gekoppelt sind, die für Drehgrößen der Rotoren charakteristische elektrische Signale liefern, und daß mit
Γ) den Gebern und dem Drehmomentkompensator eine
elektronische Steuereinrichtung gekoppelt ist, die anhand der von den Gebern gelieferten Signale ein
Korrektursignal für den Drehmomentkompensator erzeugt, das bewirkt, daß die vom Diehmomentkom-
r>(i pensator auf den Träger und den Rotor bzw.
Gegenrotor in Richtung der gemeinsamen Achse ausgeübten Drehmomente eine solche Größe haben,
daß die Summe aller während des Betriebs auftretenden Drehmomente in Richtung der gemeinsamen Achse im
γ-, wesentlichen Null ist.
Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung handelt es sich demnach um eine Modifikation eines
üblichen Kreiselantriebes, bei welcher ein Hilfs-Drehmomenterzeuger,
Winkelgeschwindigkeitssensoren und
Mi eine elektronische Steuereinrichtung dazu benutzt
werden, eine Kompensations-Steuerschleife zu bilden, die dem Drehmomentkompensator Fehlersignale zuführt,
um eine Sättigung am Träger zu erzeugen, welche die Momente kompensieren, welche infolge von
hr> Reibungs- und Federkräften auftreten.
Je nach der Anwendung und der Geometrie der kardanischen Aufhängung werden auch kinematische
Inertialmomente berücksichtigt, die ebenfalls auf die
rotierenden Elemente des reaktionsfreien Antriebes wirken können. In diesen Fällen sind die interessierenden
Momente deterministisch, und es werden Eingangssignale für die Kompensations-Regelschleife benutzt,
die von den Masseneigenschaften der kardanischen ■-, Anordnung und Messungen der geeigneten Winkelgeschwindigkeiten,
Winkelbeschleunigungen und linearen Beschleunigungen des Systems abgeleitet sind, um das
Grundprinzip des reaktionsfreien Antriebes zu erweitern. Wenn diese Eingangssignale nicht erzeugt werden, in
werden auf die rotierenden Elemente der Antriebs- und Kardananordnung ausgeübte kinematische Inertialmomente
durch die Wirkung der Kompensations-Regelschleife. und des zugeordneten Drehmomenterzeugers
auf den Träger übertragen. r>
Demgemäß treibt bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein auf äußere Signale
ansprechender Drehmomenterzeuger einen als Trägheitsglied dienenden ersten Rotor, der mit dem
Drehmomenterzeuger gekoppelt ist, in ener ersten Richtung an. Ein zweiter, im Gegensinn umlaufender
Rotor wird von dem Drehmomenterzeuger in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung angetrieben.
Ein Drehmomentkompensator, der stationäre und rotierende Elemente umfaßt, ist mit einem der beiden 2r>
rotierenden Trägheitselemente gekoppelt, um das Gesamtdrehmoment des Systems während dessen
Betrieb auf einem im wesentlichen Null betragenden Wert zu halten. Mit den beiden Rotoren sind Sensoren
gekoppelt, die fortlaufend die Winkelgeschwindigkeit in
und die Beschleunigungen dieser Glieder messen. Die elektrischen Ausgangssignale der Sensoren werden von
der elektronischen Steuereinrichtung verarbeitet, deren Ausgangssignal in einer Rückkopplungsschleife als
Eingang dem Drehmomentkompensator zugeführt r, wird, so daß das System dem Drehmomentkompensator
Fehlersignale zuführt und dadurch störende Drehmomente kompensiert.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden
Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in
beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigt
F i g. 1 ein Diagramm zur Erläuterung der in einer Antriebsvorrichtung nach der Erfindung auftretenden
Drehmomente sowie der Messung und der elektronischen Verarbeitung der diesbezüglichen Größen, wobei
dicke Linien eine mechanische Kopplung und dünne ™ Linien elektrische Verbindungen zwischen den verschiedenen
Komponenten der Vorrichtung veranschaulichen,
F i g. 2 teilweise in Ansicht und teilweise im Schnitt
den mechanischen Teil einer Antriebsvorrichtung, r>
F i g. 3 eine Draufsicht auf Stator und Rotor des in der Vorrichtung nach F i g. 1 vorhandenen Drehmomenterzeugers,
F i g. 4 eine perspektivische Darstellung von Stator und Rotor des Drehmomentkompensators der Vorrich- «>
tung nach F i g. 2,
F i g. 5 eine schematische Darstellung der mechanischen Anordnung nach F i g. 2,
Fig.6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 der Anordnung nach Fig. 5 zur Veranschaulichung zweier h r>
zur Drehachse der Rotoren der Anordnung nach F i g. 2 senkrechter Achsen,
F i g. 7 ein Drehmomentschema der Vorrichtung nach den F i g. 1 und 5,
F i g. 8 eine schematiscbe Darstellung ähnlich F i g. 5
einer anderen Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung und
F i g. 9 ein Drehmomentschema der Vorrichtung nach Fig. 8.
Die F i g. 1 bis 6 und 8 veranschaulichen im wesentlichen reaktionsfreie Antriebsvorrichtungen, wie
sie in kardanisch aufgehängten Steuersystemen angewendet werden. Die dargestellte Vorrichtung ist auf
dem Bauteil 18 einer solchen Einrichtung befestigt
Die dargestellte Antriebsvorrichtung umfaßt einen Träger 10, der die Teile der Antriebsvorrichtung
aufnimmt Ein Drehmomenterzeuger 20 spricht auf ihm zugeführte, äußere elektrische Signale an. Der Drehmomenterzeuger
kann nach Art eines Elektromotors aufgebaut sein und einen Stator 20' und einen Rotor 20"
umfassen. Obwohl hier von einem Stator 20' die Rede ist, wird tatsächlich das Teil 20' in bezug auf den Rotor
20" gedreht, da sich das Bauteil 20' körperlich an einer im Gegensinn umlaufenden trägen Masse oder einem
Gegenrotor 40 befestigt ist. Ebenso wird der Rotor 20" von einem Fortsatz 31 gedreht. Elektrische Verbindungen
zu Bürsten, wenn der Rotor einen Kommutator aufweist, oder zu Schleifringen zwischen Rotor und
Stator, wenn solche angewendet werden, sind üblich und brauchen nicht dargestellt zu werden.
Eine mit einem Freiheitsgrad rotierende träge Masse oder ein Rotor 30 ist mit einem langgestreckten
Fortsatz 31 versehen, der senkrecht auf der Rotationsebene des Rotors 30 steht und auf der Rotationsachse
der Masse 30 und ihres Fortsatzes 31 angeordnet ist. Der Fortsatz 31 kann mit der Masse 30 einteilig
ausgebildet oder an ihr befestigt sein.
Eine andere mit einem Freiheitsgrad im Gegensinn rotierende träge Masse 40 oder ein Gegenrotor ist
ebenfalls mit dem Drehmomenterzeuger gekoppelt und wird von dem Drehmomenterzeuger in einer zum Rotor
30 entgegengesetzten Richtung in einer Ebene angetrieben, die im wesentlichen parallel zur Ebene des Rotors
30 liegt. Die Glieder 30,31 und 40 werden während des Betriebs des Systems angetrieben.
Ein Drehmomentkompensator 50 ist mit dem Träger 10 verbunden. Der Drehmomentkompensator 50
besteht aus einem Stator 50' und einem Rotor 50", deren Aufbau im wesentlichen dem Stator und dem Rotor des
Drehmomenterzeugers gleicht.
Meßwertgeber 60 bewirken eine Umsetzung der Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Rotoren
30 und 40 in elektrische Signale. Die Geber 60 koppeln den Drehmomentkompensator mit einer elektronischen
Steuereinrichtung 80 und liefern der Steuereinrichtung elektrische Signale über die Geschwindigkeiten und
Beschleunigungen.
Der Ausgang der elektronischen Steuereinrichtung 80 ist mit dem Drehmomentkompensator verbunden
und führt diesem elektrische Fehlersignale zu, die das Aufrechterhalten eines auf den Träger wirkenden
Drehmomentes ermöglichen, durch das das gesamte Drehmoment der Antriebsvorrichtung während des
Betriebs auf einem Wert gehalten wird, der im wesentlichen Null ist.
Zwei Varianten der Antriebsvorrichtung sind in den F i g. 5 und 8 dargestellt. Bei dem System nach F i g. 5 ist
der Rotor des Drehmomentkompensators mit dem Fortsatz 31 und dessen Stator mit dem Träger 10
verbunden. Bei der Ausführungsform nach F i g. 8 ist dagegen der Rotor des Drehmomentkompensators mit
dem Gegenrotor und dessen Stator mit dem Träger verbunden. Die erzeugte Drehmoment-Kompensation
ist im Fall der Ausführungsform nach Fig. 5 in Fig. 1 bei 52 mit + Tz bezeichnet und als auf den Rotor
wirkend dargestellt, weil es schwierig ist, die Wirkung -> solcher Drehmomenten auf den Fortsatz 31 schematisch
darzustellen. Wegen der Verbindung des Fortsatzes 3i
mit dem Rotor 30 gibt jedoch eine solche schematische Darstellung den tatsächlichen Zustand der Drehmoment-Kompensation
richtig wieder. Bei der Ausfüh- κι
rungsform nach F i g. 8 ist die Drehmoment-Kompensation bei 52 nicht vorhanden, sondern es wirkt statt
dessen ein Kompensation- Drehmoment + T2 bei 53 auf
den Gegenrotor 40.
Bezüglich der anderen Drehmomente der Antriebs- \-, vorrichtung zeigt die allgemeine Fig. 1, daß von dem
Drehmoment-Kompensator bei 51 auf den Träger 10 ein Drehmoment — Tz und von dem Träger 10 auf das
äußere Bauteil 18 ein Drehmoment -I- TJ ausgeübt wird.
Bei 15 wirkt ein Drehmoment + Tj auf die rotierende :n
Trägheitsmasse oder den Rotor 30 und ein Drehmoment — T3 auf den Träger 10. Bei 16 wirkt ein
Drehmoment + T4 auf den Gegenrotor 40 und ein
Drehmoment - T4 auf den Träger 10. Bei 17 wirkt ein
Drehmoment + Ti auf den Rotor 30 und ein Drehmo- 3-,
ment — Ts auf den Gegenrotor 40. Äußere Drehmomente
werden auf die Antriebsvorrichtung ausgeübt und die durch solche äußeren Drehmomente bedingten Kräfte
wirken auf die Einrichtungen, an denen die Antriebsvorrichtung befestigt ist. Solch externe Drehmomente sind jo
bei 12 als Drehmoment 4- Tt angedeutet das auf den
Rotor 30 wirkt. Ebenso wirkt ein Drehmoment + T1 auf
den Gegenrotor 40 bei 13.
Weiterhin wirkt der Drehmomenterzeuger 20 mit einem Drehmoment + Γι bei 21 auf den Rotor 30 und j-,
mit einem Drehmoment — Ti bei 22 auf den Gegenrotor 40.
Ein elektrisches Signal + VT, das in der folgenden
Symboltabelle definiert ist, wird dem Drehmomenterzeuger 20 von dem Fahrzeug, das mittels der
Antriebsvorrichtung stabilisiert wird, zugeführt, um den Drehmomenterzeuger während des Betriebszustandes
anzutreiben.
Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Rotoren 30 und 40 werden bei 32 und 42 mittels Sensoren 4-,
oder Gebern festgestellt, die in der Technik bekannt sind und deren Aufbau daher nicht erläutert zu werden
braucht. Die Geber bestehen aus einer Gebergruppe 61 bis 67, die mit dem Rotor 30 gekoppelt ist und dessen
Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ermittelt, und aus einer gleichen Gebergruppe 71 bis 77, die mit
dem Gegenrotor 40 gekoppelt ist und dessen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen feststellt
Die Geber 61 und 71 sind am Umfang der Rotoren 30 und 40 angeordnet und erfassen deren Drehzahl oder
Winkelgeschwindigkeit um die Achse 61'. Sie liefern entsprechende elektrische Ausgangssignale an einen
Verstärker 81 bzw. 83 der elektronischen Steuereinrichtung 80. Alle Komponenten der elektronischen Steuereinrichtung
80 sind in der Technik bekannt und t,o
brauchen nicht im einzelnen erläutert zu werden.
Die Geber 62 bis 67, die in den F i g. 5 und 8 allgemein bei 92 dargestellt sind, und die Geber 72 bis 77, die in den
F i g. 5 und 8 allgemein bei 94 dargestellt sind, sind in der Drehachse der Rotoren 30 und 40 angeordnet und (,5
sprechen auf Winkelgeschwindigkeiten und Beschleunigungen der Rotoren 30 und 40 in bezug auf zwei Achsen
62' und 62" an, die zueinander und zu der Rotationsachse 61' senkrecht stehen. Demgemäß erfassen die Geber
62 und 72 Winkelgeschwindigkeiten um eine ersle Achse 62', die zur Rotationsachse 61' senkrecht steh:.
und liefern entsprechende elektrische Signale, die auf eine Drehung der Rotoren 30 und 40 zurückzuführen
sind, als Eingangssignale dem Integrator und Operationsverstärker 35 der elektronischen Steuereinrichtung
80.
Geber 63 und 73 stellen die Winkelgeschwindigkeiten
in bezug auf eine zweite Achse 62" fest, die zur ersten Achse 62' und zur Rotationsachse 61' senkrecht steht,
und liefert elektrische Signale, die auf eine Drehung der Rotoren 30 und 40 zurückzuführen sind, dem Operationsverstärker
85 als Eingangssignale.
Geber 64 und 74 sprechen auf Winkelbeschleunigungen in bezug auf die erste Achse an und liefern dem
Operationsverstärker 85 entsprechende Signale.
Geber 65 und 75 sprechen auf Winkelbeschleunigungen um die genannte zweite Achse an und liefern dem
Operationsverstärker 85 entsprechende elektrische Eingangssignale.
Geber 66 und 76 sprechen auf Linearbeschleunigungen in bezug auf die erste Achse an und liefern dem
Operationsverstärker 85 entsprechende elektrische Eingangssignale.
Geber 67 und 77 sprechen auf lineare Beschleunigungen in bezug auf die zweite Achse an und liefern dem
Operationsverstärker 85 entsprechende Eingangssignale.
Ein Verstärker 81 liefert ein Ausgangssignal, das über eine Leitung 82 einer Summier- und Kompensationsschaltung
87 zugeführt wird. Ebenso liefert ein Verstärker 83 ein elektrisches Ausgangssignal auf einer
Leitung 84 der Summier- und Kompensationsschaltung 87. Auch das Ausgangssignal des Integrators und
Operationsverstärkers 85 wird über eine Leitung 86 der Summier- und Kompensationsschaltung 87 zugeführt.
Die Summier- und Kompensationsschaltung 87 bildet aus den erwähnten Eingangssignalen ein Ausgangssignal,
das über eine Leitung 88 als Rückkopplung dem Drehmomentkompensator 50 zugeführt wird, so daß
der Drehmomentkompensator die erforderlichen elektrischen Fehlerkorrektursignale erhält, die bewirken,
daß den Rotoren der Vorrichtung zusätzliche Drehmomente zugeführt werden, um das Gesamtdrehmoment
wenigstens annähernd auf Null zu halten, wie es oben beschrieben wurde und es anhand der F i g. 5 bis 9 noch
mehr im einzelnen beschrieben werden wird.
Die Fig.5 bis 9 veranschaulichen in schematischer
Weise den Aufbau und die Funktion zweier Ausführungsformen der reaktionsfreien Antriebsvorrichtung,
die sich hinsichtlich des Zusammenwirkens des Drehmomentkompensators
mit den Rotoren der Anordnung unterscheiden. Für die folgende Ableitung der geeigneten
Regelbeziehungen werden die verschiedenen Drehmomente, Trägheitsmomente, Winkelgeschwindigkeiten
und Kompensationsparameter, soweit sie von Bedeutung sind, nachstehend definiert. Obwohl dies von
dem mechanischen Aufbau der jeweils verwendeten Antriebsvorrichtung abhängt bestehen allgemein zwischen
dem Rotor 30 und dem Träger 10, dem Gegenrotor 40 und dem Träger 10 sowie auch zwischen
den beiden Rotoren 30 und 40 auf Reibung und elastische Deformationen zurückzuführende Störmomente.
Außerdem können sowohl auf den Rotor 30 als auch auf den Gegenrotor 40 Trägheits-Störmomente
wirken. Diese Momente und andere interessierende Parameter sind wie folgt definiert:
Tabelle der Symbole und Definitionen
Symbol Definition
Symbol Definition
V71-
Trägheitsmoment des Rotors Trägheitsmoment des Gegenrotors vom Drehmomenterzeuger 20 auf den Rotor
30 ausgeübtes Drehmoment vom Drehmomenterzeuger 20 auf den Gegenrotor 40 ausgeübtes Drehmoment 10 /424
vom Drehmomentkompensator 50 auf den Rotor 30 ausgeübtes Drehmoment
vom Drehmomentkompensator 50 auf den K\G\ Träger 10 ausgeübtes Drehmoment
durch Wechselwirkung mit dem Träger 10 auf r> K2C2
den Rotor 30 ausgeübtes Drehmoment Reaktionsmoment auf + T3 am Träger 10 S
durch Wechselwirkung mit dem Träger 10 auf den Gegenrotor 40 ausgeübtes Drehmoment
Reaktionsmoment auf + T4 am Träger durch Wechselwirkung mit dem Gegenrotor
40 auf den Rotor 30 ausgeübtes Drehmoment Reaktionsmoment auf + T5 am Gegenrotor
auf den Rotor 30 ausgeübtes äußeres Inertialmoment auf den Gegenrotor 40 ausgeübtes äußeres
Inertialmoment resultierendes Moment am Träger Winkelgeschwindigkeit des Rotors
Winkelgeschwindigkeit des Gegenrotors äußeres elektrisches Momentsignal
2»
2"> elektrisches Korrektursignal zur Kompensation
von + Tb
elektrisches Korrektursignal zur Kompensation von + T7
Verstärkung des für die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 30 charakteristischen Signals
Verstärkung des für die Winkelgeschwindigkeit des Gegenrotors 40 charakteristischen Signals
Verstärkung des für die Winkelgeschwindigkeit des Gegenrotors 40 charakteristischen Signals
Verstärkung der Kompensations-Steuerschleife
Korrekturfaktor für die für die Inertialmomente charakteristischen Signale
Laplace-Operator
Laplace-Operator
Zur Momentkompensation werden Messungen der Lasten benutzt, welche auf den Rotor 30 und den
Gegenrotor 40 zurückzuführen sind und sich aus den Winkelgeschwindigkeiten ergeben, die von den Gebern
61 und 71 nach Fig. 1 erfaßt werden. Hiervon wird ein Moment-Steuersignal für den Drehmomentkompensator
50 abgeleitet. Außerdem wird ein Servo-Steuersignal eingeführt, um äußere Inertial-Momente zu
korrigieren. Ein Servo-Blockschaltbild für die reaktionsfreie Antriebsvorrichtung ist in Fig. 7 dargestellt, die
sich auf die Anordnung nach F i g. 5 bezieht.
Dem Blockschaltbild nach F i g. 7 ist zu entnehmen, daß
T2=UV1-T1-T4
Kt G1A24
J411S KjG1A22
-(V1 +T1,+ T3 + T5)
I 4. ^1^1^22
Js'"
und daß K1G, =
A12
T„ = - T2 -T4-T3
(2)
'"17 | = j,siV | , + T2 + T1, + 73 + | ■'s) | (3 | - | Ml | G1 | T2 = | -(T3 + | T4) | Γ κ | IG1A22 Ί |
'"19 |
= .] ,.(-V-, + T1+ T4-T,)
J4O-J |
S + | JsV" | |||||||||
Durch | Einführen der Parameter | (4) | S | „ | 7« = | -(T3 + | T4) |
S
J3V. |
||||
A22J4,, A24 = —- J3(I |
Kl | Ί | S + | |||||||||
(5) | τ[ ' | 1 Γ | S Ί | |||||||||
T4T | + | LJ3OJ | J | Jmi | ||||||||
4L | ' Ί | J3O | S + | |||||||||
3(1 J | ||||||||||||
I | Gi^22 Jm, |
|||||||||||
J-V)S | ||||||||||||
und durch Erzeugen der Signale Vhr und V11. in solcher
Weise, daß sie die Momente T,, und T7 kompensieren,
reduzieren sich die obigen Gleichungen zu
(8)
"19 = · - 7 - "»π + (T1 + T4)
(H)I
Ohne Drehmomentkompensator 50 oder geschlossene
Schleife 80 wäre T2 — 0 und
TH = -(Ty+ T4)
,' c(Vr+ Th+ Ti+ T5)
,' c(Vr+ Th+ Ti+ T5)
— τ-- <"i
r7)
(M) (12)
(13)
Ein Vergleich der Gl. (8) und (11) zeigt, daß die Störungsmomente am Träger durch die Kompensations-Regelschleife
88 gedämpft werden, wie es beabsichtigt ist. Weiterhin zeigt ein Vergleich der Gl.
(10) und (13), daß die Sättigungseffekte der Momente T1
und T4 ebenfalls wie angegeben gedämpft werden. Die Sättigungseffekte der Inertial-Störmomente Tb und Tj
bleiben jedoch unverändert. Es sei jedoch erwähnt, daß diese Glieder durch einen sorgfältigen mechanischen
Aufbau vernachlässigbar klein gemacht werden können. Wenn beispielsweise die beiden Rotoren um eine
Hauptachse drehbar gelagert sind und die Trägheitsmomente in bezug auf die beiden anderen, orthogonalen
Hauptachsen gleich sind, sind die Inertial-Störmomente Null. Ein weiterer interessanter Gesichtspunkt bezüglich
dieser reaktionsfreien Antriebsvorrichtung besteht darin, daß das Verhältnis des aufgewendeten Drehmomentes
zur erreichten Winkelgeschwindigkeit durch die Addition der Kompensations-Regelschleife 88 im
wesentlichen unverändert bleibt, wie es die Gl. (9) und (12) zeigen. Diese beiden Gleichungen unterscheiden
sich nur in der Einführung des Störgliedes für T4 und
einer entsprechenden Dämpfung des Störgliedes für Tj,
wenn die Kompensations-Regelschleife geschlossen ist.
Die F i g. 8 und 9 zeigen eine andere Ausführungsform der reaktionsfreien Antriebsvorrichtung, die gleichermaßen
wirksam ist In diesem Fall ist der Drehmomentkompensator 50 so angeordnet, daß er anstatt zwischen
dem Träger 10 und dem Rotor 30 zwischen dem Träger 10 und dem Gegenrotor 40 wirkt Bei dieser
abgewandelten Ausführungsform bleiben die Gl. (7), (8) und (10) unverändert, während die Beziehung für ω|7,
die zuvor durch die Gl. (9) beschrieben wurde, nunmehr zur G!. (12) identisch wird. Alle anderen Parameter sind
die gleichen, wie es für die F i g. 5, 6 und 7 angegeben wurde.
Es sei erwähnt, daß die Kreise in den F i g. 7 und 9 die
gleichen Komponenten symbolisieren, die in F i g. 1 dargestellt und dort mit den in den F i g. 7 und 9 in den
Kreisen enthaltenen Ziffern als Bezugsziffern versehen sind. Die ein £ enthaltenden Kreise bezeichnen in den
Fig.7 und 9 Stellen, an denen eine algebraische Addition der zugeführten Signale stattfindet In den
F i g. 7 und 9 bezeichnet Vecdie von den Sensoren 62 bis
67 gemäß F i g. 1 und V7cdie von den Sensoren 72 bis 77
in F i g. 1 gelieferten Signale.
Der Hauptunterschied zwischen den Anordnungen nach den F i g. 5 und 8 besteht in der unterschiedlichen
Wirkung des Drehmomentkompensators 50 auf die Rotoren. Die Anordnung nach F i g. 2 ist schematisch in
den Fig.5 und 7 wiedergegeben. Hierbei wird das
Kompensationsmoment + Ti dem Rotor 30 aufgeprägt, wogegen bei der Ausführungsform nach den F i g. 8 und
9 das Kompensationsmoment + Ti dem Gegenrotor 40
aufgeprägt wird.
Die Beziehungen zwischen den Momenten und den
elektrischen Signalen der Anordnung nach den F i g. 2 und 5 sind am besten in F i g. 7 veranschaulicht,
zusammen mit der Tabelle der Symbole und den Gleichungen. Der Träger 10 übt das Drehmoment + Te
auf äußere Bauelemente aus, mit denen die Antriebsvorrichtung verbunden ist. Dieses Drehmoment ist durch
die Gl. (2) oder (8) definiert, wenn eine Drehmomentkompensation stattfindet. Wenn dagegen keine Drehmomentkompensation
vorgesehen ist, dann ist + T2 = 0
und es definiert die Gi. (11) die Moment-Beziehungen.
Wenn der Drehmomentkompensator 50 vorhanden ist, dann wirkt auf den Träger 10 ein negatives
Drehmoment — T2. In diesem Fall wird von dem
Drehmomentkompensator 50 ein positives Drehmoment + T2, das durch die Gl. (1) oder (7) repräsentiert
wird, auf den Rotor 30 ausgeübt.
Äußere elektrische Signale + Vr werden dem Drehmomenterzeuger 20 zugeführt. Der Drehmomenterzeuger
20 liefert ein positives Drehmoment + Ti, das auf den Rotor 30 wirkt, und ein negatives Drehmoment
— Ti, das auf den Gegenrotor 40 wirkt.
Ein Moment + Tb, das von außen auf die Antriebsvorrichtung
ausgeübt wird, wird durch außerhalb der Antriebsvorrichtung liegende Quellen erzeugt und wirkt
auf den Rotor 30. Ein gleichartiges, durch äußere Störungen erzeugtes Moment + Tj wirkt auf den
Gegenrotor 40.
Die Momente -73 und +Tz sind zwischen dem
Träger 10 und dem Rotor 30 vorhanden. Momente + Ts
und — Ts wirken zwischen den beiden Rotoren 30 und
40. Die Momente — Tt und + T4 sind zwischen dem
Träger 10 und dem Gegenrotor 40 vorhanden.
Die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 30 ist seinem Trägheitsmoment umgekehrt proportional und kann am
besten als Funktion des Laplace-Operators 5, nämlich als 1 /JysS ausgedrückt werden. Die Winkelgeschwindigkeit
coi 7 an der Drehachse des Rotors 30 ist daher als
Funktion \/JwS dargestellt Parameter, die diese
Winkelgeschwindigkeit enthalten, finden sich in den Gl. (3) und (9) sowie auch in Gl. (12) für den Fall, daß eine
Kompensation durch den Drehmomentkompensator 50 fehlt, in welchem Fall + T2 = 0 ist.
Die Winkelgeschwindigkeit des Gegenrotors 40 kann auf gleiche Weise als Funktion von l//soS ausgedrückt
werden. Die Winkelgeschwindigkeit wig des Gegenrotors
40 um seine Achse ist in Gliedern der Gl. (4) und (10) sowie auch in Gl. (13) für den Fall vorhanden, daß eine
Kompensation durch den Drehmomentkompensator 50 fehlt, in welchem Fall + T2 = 0 ist
Die Winkelgeschwindigkeit ωπ wird vom Verstärker
81 verstärkt, der einen Verstärkungsfaktor A22 aufweist. In gleicher Weise wird die Geschwindigkeit wig vom
Verstärker 83 mit dem Verstärkungsfaktor A2* verstärkt
Die den Verstärkungsfaktor Au bestimmenden Glieder sind aus Gl. (5) ersichtlich.
Das elektrische Korrektursignal Vtc wird zu dem
elektrischen Korrektursignal Vjc algebraisch summiert
Diese Korrektursignale kompensieren äußere Inertial-Momente,
die auf die Rotoren 30 und/oder 40 ausgeübt werden. Die Summe der Signale Vfccund V^cwerden für
eine Korrektur der äußeren Inertial-Momente benutzt und hierfür durch Parameter K2G2 modifiziert, die durch
Gl. (6) bestimmt sind. Gl. (6) beschreibt das Ausgangssignal des Integrators und Operationsverstärkers 85, das
auf der Leitung 86 erscheint
Die algebraische Summe der Signale auf den Leitungen 82, 84 und 86 bildet das Eingangssignal der
Summier- und Kompensationsschaltung 87, die hier als
/CiCJi bezeichnet ist und zur Kompensation der
Regelschleifenverstärkung und der Servokompensation dient und dem Drehmomentkompensator 50 auf der
Leitung 88 ein Eingangssignal zuführt, das die gewünschte Korrektur bewirkt.
F i g. 9 ist eine schematische Darstellung der Momente und elektrischen Signale bei der Anordnung nach
F i g. 8. Der Unterschied zwischen den F i g. 9 und 7
besteht darin, daß bei der Anordnung nach Fig.9 das
von dem Drehmomentkompensator gelieferte Drehmoment + Γ2 auf den Gegenrotor 40 und nicht auf den
Rotor 30 wirkt wie bei der Ausführungsform nach ") F >
g. 7. Im Hinblick auf alle anderen Einzelheiten wäre die Beschreibung der Wirkungsweise mit iier anhand
Fig. 7 gegebenen Beschreibung identisch und braucht
daher nicht wiederholt zu werden.
Hierzu S BkUl Zeichnungen
Claims (3)
1. Antriebsvorrichtung für einen in einem Träger um eine Achse drehbar gelagerten Rotor, mit einem
im Träger gleichachsig zum Rotor drehbar gelagerten Gegenrotor und einem auf äußere elektrische
Signale ansprechenden Drehmomenterzeuger, der auf den Rotor und den Gegenrotor in Richtung der
gemeinsamen Achse entgegengesetzt wirkende Drehmomente ausübt, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Träger (10) und dem Rotor (30) oder dem Gegenrotor (40) ein Drehmomentkompensator
(50) angeordnet ist, daß mit den beiden Rotoren (30, 40) Geber (60) gekoppelt sind,
die für Drehgrößen der Rotoren (30,40) charakteristische elektrische Signale liefern, und daß mit den
Gebern (60) und dem Drehmomentkompensator (50) eine elektronische Steuereinrichtung (80)
gekoppelt ist, die anhand der von den Gebern (60) gelieferten Signale ein Korrektursignal für den
Drehmomentkompensator (50) erzeugt, das bewirkt, daß die vom Drehmomentkompensator (50) auf den
Träger (10) und den Rotor (30) bzw. Gegenrotor (40) in Richtung der gemeinsamen Achse ausgeübten
Drehmomente (+ 7*2, — T2) eine solche Größe haben,
daß die Summe aller während des Betriebs
auftretenden Drehmomente in Richtung der gemeinsamen Achse im wesentlichen Null ist.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber (60) erste Geber (61,
71), welche mit dem Umfang der Rotoren (30, 40) gekoppelt sind und auf die Winkelgeschwindigkeit
der Rotoren in bezug auf ihre Drehachse (61') ansprechen, und zweite Geber (62 bis 67, 72 bis 77),
die mit den Rotoren (30, 40) an deren Drehachsen (6Γ) gekoppelt sind und auf die Winkelgeschwindigkeit
der Rotoren (30, 40) in bezug auf zwei zueinander und zu der Drehachse (6Γ) senkrechte
Achsen (62', 62") zur Messung der Winkelbeschleunigung um die Drehachse (61') und der Linearbeschleunigung
in Richtung der Drehachse ansprechen, umfassen.
3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung
(80) eine mit den Gebern (60) gekoppelte Verstärkungs- und Integrationseinrichtung (81, 83, 85) und
eine auf die Ausgangssignale der Verstärker- und Integrationseinrichtung ansprechende Summier-
und Kompensationsschaltung (87) zur Lieferung des Korrektursignals umfaßt.
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