DE2612721A1

DE2612721A1 - Motordrehzahlregler, insbesondere fuer einen elektronisch kommutierten buerstenlosen gleichstrommotor

Info

Publication number: DE2612721A1
Application number: DE19762612721
Authority: DE
Inventors: Richard Julian Treadwell
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1975-03-25
Filing date: 1976-03-25
Publication date: 1976-10-07
Also published as: CA1057352A; FR2305884B1; US4072884A; GB1527741A; DE2612721C3; FR2305884A1; DE2612721B2

Description

Pafen'anvSlte

Dr.-fng. ernst Sommarfold

Dr. Dieter ν. P₅₂₀Jd 9 R 1 9 7 9 1

Dip·-ing. Fetor £d:öiz ZD IZ /Z I

Dip: -Jncj. Woirmng !feeler 8 München 30, Postfa-ti 860688

7899-76

RCA 67081

British Prov.Appln.12395/75

vom 25.Märζ 1975

RCA Corporation,
New York, N.Y. (V.St.A.)

Motordrehzahlregler, insbesondere für einen elektronisch kommutierten burstenlosen Gleichstrommotor

Die Erfindung betrifft ein System zur Regelung der Drehung der Welle eines doppelseitig gerichteten bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer ersten und einer zweiten Regelspule, die auf eine Quelle von Bezugstaktimpulsen ansprechen. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit einem Motordrehzahlregler für einen elektronisch kommutierten bürstenlosen Gleichstrommotor mit doppelseitig gerichteter Vielfachdrehzahlregelung und einem Funktionsdrehmelder, welcher sowohl für eine phasenstarre Servorückkopplung als auch für eine Motorkommutation sorgt.

Es gibt viele Anwendungsgebiete, in denen eine genaue Regelung der Elektromotordrehzahl erforderlich ist.

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In einem umlaufenden Raumfahrzeug, in welchem Sonnenfelder "benutz"!; werden, um Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln, ist es z.B. notwendig, das Feld während des Umlaufs des Raumfahrzeuges zu drehen, um so eine optimale Ausrichtung bezüglich der Sonnenenergie zu erzielen. Für ein Raumfahrzeug in einer geostationären Umlaufbahn wird die Welle des Sonnenfeldes derart gedreht, daß sie in jeder Vierundzwanzigstundenperiode eine Drehung vollendet. Es ist daher notwendig, einen Motordrehzahlregler zu schaffen, welcher in der Lage ist, die Winkelstellung der Welle mit großer Genauigkeit bei extrem kleinen Motordrehzahlen zu regeln.

In der US-PS 3 828 234 ist ein System zur Regelung der Motordrehzahl beschrieben. Das dort beschriebene System bewirkt eine Regelung durch Verwendung einer Fehlersignalspannung;, welche eine Funktion der Phasendifferenz zwischen den Ausgangsspannungen eines Funktionsdrehmelders und einer geeigneten Phasenschieberschaltung ist. Die Fehlersignalspannung wird dann verstärkt und durch eine geeignete Motorelektronik kompensiert. Das Ausgangssignal der Motorelektronik wird dann benutzt, den Motor zu erregen und dadurch die Motorwelle solange zu drehen, bis die Größe der Fehlersignalspannung entweder Null wird oder auf einen vorbestimmten Wert abfällt.

Die vorliegende Erfindung ist auf einen Motordrehzahlregler mit doppelseitig gerichteter Vielfachdrehzahl gerichtet, wobei ein Funktionsdrehmelder sowohl für eine phasenstarre Servorückkopplung als auch für eine Motorkommutation für einen elektrisch kommutierten bür.sten-Iosen Gleichstrommotor sorgt.

Ein System zur Regelung der Drehung der Welle eines doppel-

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seitig gerichteten bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer ersten und einer zweiten Regelspule, die auf eine Quelle von Bezugstaktimpulsen ansprechen, ist gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet. Ein solches System regelt die Drehzahl und Drehrichtung einer Motorwelle von einer Bezugssignalquelle aus. Eine auf das Bezugssignal ansprechende Phasenspalt ere inrichtung erzeugt Ausgangssignale, welche mit einer Einrichtung -verbunden sind, die auf die Wirbelbewegung des Motors anspricht, um ein erstes Signal zu erzeugen, dessen Phase eine Funktion des Wellenwinkels ist. Eine ebenfalls auf das Bezugssignal ansprechende Phasenschiebereinriehtung und eine Mehrzahl von Regelsignalen erzeugt ein zweites Signal, dessen Phase eine Punktion der gewünschten Wellendrehzahl und Drehrichtung ist. Die Regelsignale zeigen die Wellendrehzahl und die Drehrichtung an. Eine Phasendetektoreinrichtung, die auf das Ausgangssignal der Phasenschiebereinrichtung und das erste Signal anspricht, erzeugt ein weiteres Signal in Übereinstimmung mit der dazwischen vorliegenden Phasendifferenz. Eine Modulationseinrichtung, die auf das Ausgangssignal der Phasendetektoreinrichtung und das Ausgangssignal der Funktionsdrehmeldereinrichtung anspricht, erzeugt ein Ausgangssignal, dessen Amplitude sich als Punktion der Ausgangssignale der Phasendetektoreinrichtung verändert. Eine Demodulationseinriehtung, die auf das Ausgangssignal der Modulationseinrichtung und die Ausgangssignale der Phasenspaltereinrichtung anspricht, erzeugt Ausgangssignale, welche auf den bürstenlosen Gleichstrommotor gegeben werden, um dessen Drehrichtung und Drehzahl zu regeln.

Im nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel des Systems der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:

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Pig. 1 ein Blockdiagramm eines Motorregelsystems gemäß der Erfindung, und

Pig. 2 einen schematisehen Schaltplan einer bevorzugten Impulsphasenschieberschaltung, die in dem Regelsystem der Fig. 1 verwendet werden kann.

In Pig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Motorregelsystems gezeigt. Masseverbindungen und Spannungsversorgungen und vielfache Leitungen, welche die Schaltungskomponenten miteinander verbinden, sind nicht gezeigt, können aber leicht in einer dem Durchschnittsfachmann geläufigen Weise angeordnet sein.

Ein bürstenloser Gleichstrommotor 12 treibt einen geeigneten Punktionsdrehmelder 14 an, welcher Primär- und Sekundärspulen (nicht gezeigt) aufweist und welcher auf der Leitung 22 ein elektrisches Signal erzeugt, das die winkelstellung der Motorwelle 10 anzeigt. Die Welle 10 des Motors 12 ist mechanisch direkt mit dem Punktionsdrehmelder 14 verbunden, so daß die Sekundärspulen des Punktionsdrehmelders 14 mit der gleichen Drehzahl wie die Motorwelle 10 rotiert. Die Primärspulen des Punktionsdrehmelders 14 werden durch orthogonale Spannungssignale erregt, die dem Punktionsdrehmelder 14 über Leitungen 16 und 18 von einem Zweiphasentreibersystem 20 zugeführt werden. Das Zweiphasentreibersystem 20, das einen Phasenspalter 44 und einen Teiler 42 aufweist, ist derart angeordnet, um ein elektrisches Eingangssignal von einem Oszillator 28 in die orthogonalen Spannungssignale umzuwandeln, die zur Erregung der Primärspulen des Punktionsdrehmelders 14 benutzt werden. Aufgrund der Erregung der Primärspulen des Punktionsdrehmelders wird an den Sekundärspulen des Punktionsdrehmelders 14 ein Spannungssignal in-

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duziert. Der Funktionsdrehmelder wird umgekehrt hinsichtlich, seiner konventionellen oder normalen Benutzung verwendet, indem die Sekundärspulen, welche normalerweise die Erregungswicklungen enthalten, als Ausgangswicklungen "benutzt werden, wohingegen die Primärspulen, welche normalerweise die Sinus/Kosinus-Ausgangswicklungen enthalten, als Eingangswicklungen "benutzt werden. Die Sekundär spannung des Funktionsdrehmelders wird längs der Leitung 22 zu einer Phasendetektorschaltung 24 übertragen. Die Frequenz des Sekundärspannung ssignales des Funktionsdrehmelders, das an die Phasendetektorschaltung 24 gelegt wird, ist die arithmetische Summe der Frequenz der die Primärspulen des Funktionsdrehmelders 14 erregenden Signale und ein Vielfaches der Anzahl von Drehungen pro Zeiteinheit der Motorwelle. Die Phase des Sekundärspannungssignales des Funktionsdrehmelders ist eine Funktion der Winkelstellung der Welle 10 und der Anzahl von Polen P (nicht gezeigt), des Funktionsdrehmelders 14 und steht in Beziehung mit der Phase von einem der Erregungsspannungssignale der Primärspule, die von dem Zweiphasentreibersystem 20 übertragen werden.

Die Phasendetektorschaltung 24 empfängt die Sekundärspannung des Funktionsdrehmelders 14 und vergleicht diese "bezüglich ihrer Phase mit einer Bezugsausgangs spannung, die über eine Leitung 25 von einer Phasenschieberschaltung 26 übertragen wird. Die Impulsphasenschieberschaltung 26, die eine Drehzahlregelungslogikschaltung 30 und eine Impulslogikschaltung 32 enthält, ist derart angeordnet, um ein elektrisches Bezugseingangssignal vom Oszillator 28 in eine Bezugsausgangsspannung mit einer Phase umzuwandeln, welche sich in einer vorbestimmten Weise als Funktion der Zeit verändert. Die Drehzahlregelungslogik-

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schaltung 30 ist in größeren Einzelheiten in Pig. 2 gezeigt, und spricht auf Signalspannungen auf Leitungen 81, 82 an, welche die Motorwellendrehzahl repräsentieren.

Die Motorwelle kann entweder mit normaler oder mit einer großen Drehzahl angetrieben werden. Schnellnachführung der Motorwelle ist zweckmäßig, wenn es notwendig ist, die Welle entweder in Rückwärts- oder Vorwärt sr ichtung mit einer großen Drehzahl zu drehen. Eine solche Bedingung kann z.B. während einer anfänglichen Ausrichtung der Welle mit einem festgelegten Bezugsoder Festpunkt auftreten. Die Impulslogikschaltung, die ebenfalls in größeren Einzelheiten in Fig. 2 gezeigt ist, spricht auf Signalspannungen auf Leitungen 83, 84 an, welche jeweils die Vorwärts- oder Rückwärtsdrehrichtung der Motorwelle darstellen.

Wie im einzelnen später beschrieben wird, ist die Veränderung der Phase der Ausgangsspannung der Phasenschieberschaltung 26 sowohl eine Funktion der geforderten Drehrichtung als auch der Drehzahl der Motorwelle. Kurz gesagt verursacht die gewünschte Richtung der Wellenrotation, daß Impulse periodisch hinzugefügt oder unterdrückt werden bezüglich des elektrischen Bezugsausgangssignales des Oszillators 28, wohingegen die Drehzahl der Wellendrehung die Rate bestimmt, mit welcher solche Impulse hinzugefügt oder unterdrückt werden. TJm den Motor mit einer vorbestimmten Rate laufen zu lassen, ist es notwendig, kontinuierlich die Phase der Ausgangsspannung der Phasenschieberschaltung 26 relativ zu der Phase der Bezugsspannung auf der Leitung 16 zu verschieben. Die periodische Hinzufügung oder Unterdrückung von Itapulsen von dem Ausgangs signal des Oszillators 28 verschiebt kontinuierlich die Phase der Aus-

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gangsspannung der Phasenschieberschaltung 26. Die Unterdrückung von Impulsen verursacht eine Verzögerung der Phase des Ausgangssignals der Phasensehieberschaltung relativ zu der Phase des Bezugssignals auf der Leitung 16, wohingegen die Hinzufügung von Impulsen ein Voreilen der Phase des Signals in Bezug zu der Phase des Signals auf der Leitung 16 verursacht. Der Betrag, um welchen die Phase des Signals entweder verzögert oder vorgerückt wird relativ zu der Phase des Signals auf der Leitung 16, wird durch die Rate "bestimmt, mit welcher die Impulse jeweils bezüglich des Ausgangssignals des Oszillators 28 unterdrückt oder hinzugefügt werden.

Der durch die Phasendetektorschaltung 24 vorgenommene Phasenvergleich ergibt eine Fehlersignalspannung, die eine Funktion der Phasendifferenz zwischen der Sekundärspannung des Funktionsdrehmelders und der Bezugsausgangsspannung der Impulsphasenschieberschaltung 26 ist. Die Phase der Bezugsausgangsspannung der Impulsphasenschieberschaltung 26, die über die Leitung 25 übertragen wird, ist nicht konstant, wie gewöhnlich in den bekannten Schaltungen, sondern ändert sich in einer vorbestimmten Weise als Funktion der Zeit.

Die Fehlersignalspannung der Phasendetektorschaltung wird über eine Leitung 27 zu einem Tiefpaßfilter 70 übertragen. Die Fehlersignalspannung von der Phasendetektorschaltung ist im wesentlichen eine Rechteckwelle mit einem An/Aus-Verhältnis gleich der Phasendifferenz zwischen der Sekundärspannung des Funktionsdrehmelders und der Bezugsaus gangs spannung der Phasenschieberschaltung 26. Der Filter 70 entfernt die Frequenzkomponente der Fehlersignalspannung der Phasendetektorschaltung, um eine Gleichspannung zu erzeugen, welche proportional zu der Phasendifferenz

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zwischen der Phase der Sekundärspannung des Funktionsdrehmelders und der Phase der Ausgangsspannung der Phasenschieberschaltung 26 ist. Die Ausgangsspannung des Filters 70 wird über eine Leitung 69 zu einer Formgebungsschaltung 68 übertragen.

Die Formgebungsschaltung 68 von konventionellem Aufbau hat eine Übertragungsfunktion G (S), welche für eine Kombination von Phasenvoreilungen und Phasennacheilungen bei verschiedenen Frequenzen sorgt. Der Zweck der Übertragungsfunktion besteht darin, ein genaues, stabiles und optimales Ansprechen des phasenstarren Servosystems in Gegenwart von Rauschen und anderen Schwankungen und Störungen zu erzielen. Die Übertragungsfunktion G (S) stellt das Verhältnis der Ausgangsspannung zu der Eingangsspannung für die Formgebungsschaltung 68 dar. In einem umlaufenden Raumfahrzeug, in welchem z.B. der Motor 12 benutzt werden kann, um die Wel}.e von Sonnenfeldern oder Antennen zu drehen, könnten Rauschen und/oder andere Störungen, wenn nicht angemessen geregelt, das Verhalten des Raumfahrzeuges nachteilig beeinflussen. Daher formt die Formgebungsschaltung das Frequenzansprechen des Motorregelungssystems, um ein optimales ffhasenstarres Servoverhalten zu erzielen. Die durch die Schaltung 68 erzeugte Formung ergibt eine Gleichspannung, welche proportional zum Produkt der Übertragungsfunktion G (S) der Schaltung 68 und der Phasendifferenz zwischen der Sekundärspannung des Funktionsdrehmelders und der Bezugsausgangsspannung der Phasenschieberschaltung 26 ist,

Die durch die Schaltung 68 erzeugte Spannung wird längs der Leitung 67 zu einem Eingang 66 eines Amplitudenmodulators geleitet, wo sie für eine Amplitudenmodulation der Sekundärspannung des Funktionsdrehmelders H benutzt wird. Die Sekundärspannung des Funktionsdrehmelders wird längs einer

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Leitung 65 zu einem Eingang 60 des Modulators 64 übertragen. Der Modulator 64 ist derart angeordnet, um an seinem Ausgang eine amplitudenmodulierte Spannung zu erzeugen, deren Amplitude in Übereinstimmung mit der Signalspannung, die am Ausgang der Phasendetektorschaltung erzeugt wird, variiert. Daher hat die Ausgangsspannung des Modulators 64.eine sinusförmige Wellenform, welche die gleiche !Frequenz und Phase wie die Seknndärspannung des !Funktionsdrehmelders 14 hat und deren Amplitude in der Zeit als Punktion der Phasendifferenz zwischen der Sekundärspannung des Punktionsdrehmelders und der Bezugsausgangsspannung der Phasenschieberschaltung 26, multipliziert mit der Übertragungsfunktion G (S) der Formgebungsschaltung 68, variiert.

Das Ausgangssignal des Modulators 64 wird längs Leitungen 61 und 63 jeweils zu den Eingangsklemmen 57 und 59 von Demodulatoren 54 und 56 übertragen. Die orthogonalen Spannungssignale von der Zweiphasentreiberschaltung 20 werden längs Leitungen 51, 52 jeweils mit Eingangsklemmen 53 und 55 der Demodulatoren 54 und 56 verbunden. Das modulierte Spannungssignal vom Modulator 64 wird daher durch die Demodulatoren 54 und 56 in Bezug auf die orthogonalen Spannungssignale vom Zweiphasentreibersystem demoduliert. Diese Demodulation erzeugt zwei Gleichspannungen T . und V , die durch folgende Gleichungen dargestellt werden:

ρ _in~ G (S) (G₁ - G₀) sin jS θ₀ (1)

sin

V _no ~ G (S) (G. - G_n) cos «5 Q_n cos ^N ι 0 d 0

wobei G (S) die Übertragungsfunktion der Schaltung 68, θ ^ die Phase der Bezugsausgangsspannung der Phasenschieber-

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schaltung 26, Q_Q die Phase der Welle des Punktionsdrehmelders "bezogen auf einen Festpunkt oder Bezugspunkt und Pt, die Polzahl des !"unktionsdrehmelders 14 ist. Die Gleichspannungen V_. und "V___, die von den

S XxI COo

Demodulatoren 54 und 56 erzeugt werden, werden nach Verstärkung durch A-Gleichspannungsverstärker 72 und 74 jeweils längs leitungen 75 und 77 zu ihren entsprechenden Motorwicklungen übertragen. Die Erregung der Wicklungen des Motors 12 ihrerseits treibt den Funktionsdrehnä.der 14 in einer Richtung und um einen Betrag an, der notwendig ist, um die Phase der Sekundärspannung des Funktionsdrehmelders zu verschieben, bis sie gleich einer vorbestimmten Phase relativ zu der Phase der Bezugsausgangsspannung der Phasenschieberschaltung 26 ist.

Der bürstenbse Gleichspannungsmotor 12 hat zwei Wicklungen derart, daß ein Strom I . in einer Wicklung ein Drehmoment Tg erzeugt, das durch die Gleichung bestimmt ist:

= ^{K 1}SXn ^sin 2^{s 9}m

während ein Strom Ι_ΛΛ_ in der anderen Wicklung ein Dreh-

COS

moment T_ß erzeugt, das durch folgende Gleichung bestimmt

^TG = ^{K 1}COs ^C0S

wobei K eine Proportionalitätskonstante, P_m die Polanzahl im Motor 12 und Q_m der Winkel der Welle des Motors 12 ist.

Die Motorströme I .„ und I__„ werden durch folgende

S J-IL COS

Gleichungen bestimmt;

T — . _ SXIL

sin TrTS+TJ S

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T - J- COS (f-\

^xcos ~ tr s + i; S ^{K J}

wobei τ die elektrische Zeitkonstante des Motors, R der Motorwiderstand, s der Laplaos-Operator ist und V .^ und ^ν«_ΛΟ jeweils die Ausgangsspannungen der Verstärker 72 und

COo

74 sind. Substitution der Gleichungen 1 und 5 in Gleichung und Substitution der Gleichungen 2 und 6 in Gleichung 4 ergibt den Ausdruck für das Motordrehmoment I, welches gleich der Summe von T_g und T^ ist und durch folgende Gleichung bestimmt wird:

= K G (S) (θ, - Q_n) ₂?Q₀ EG (S) (Q₁- Q_Q) ,

sin η— + τ=— cos

(7)

(Τ S + Ij R ^OJ-" 2: ⁿ ir S + Ij R

wobei P = P_R = P und ©_m = 9_Q ist. Die trigonometrischen Ausdrücke in der obigen Gleichungjfcönnen eliminiert werden, so daß das Motordrehmoment T durch folgende Beziehung gegeben ist:

K G(S) (Θ. - Q_Q)
T = i 2 (8)

(T S + 1) R

Das Motordrehmoment wird in einem Sinne angewendet, der die Differenz zwischen Gq und θ. Null macht. Der Motor 12 wird gezwungen, die Welle 10 zu betätigen und zu drehen mit einer Geschwindigkeit, die durch die Geschwindigkeit bestimmt wird, mit welcher sich die Phase des Ausgangssignals der Phasenschieberschaltung auf der Leitung 25 relativ zu der Phase des Ausgangssignals des Phasenspalters auf der Leitung 16 verändert. Durch stufenweise Veränderung der Phase der Bezugs spannung von der Phasenechieberschaltung 26 als .Funktion der Zeit muß der Motor entsprechend die Welle

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drehen und den Funktionsdrehmelder 14 antreiben, "bis die Größe der Fehlersignalspannung Null wird oder bis die Phase der Sekundärspannung des Funktionsdrehmelders gleich einer vorbestimmten Phase relativ zu der Phase des Ausgangssignals der Phasenschieberschaltung auf der Leitung 25 ist.

Die Ausgangsspannung des Funktionsdrehmelders wird daher durch die Phasendetektorschaltung 24 als ein Maß der Wellenposition und auch durch den Modulator 64 zum Zwecke der Kommutierung des Stromes in den Wicklungen des "bürstenlosen Gleichstrommotors 12 benutzt.

In Fig. 2 ist ein detaillierter Schaltplan der Impulsphasenschieber schaltung 26 der Fig. 1 gezeigt. Die Drehzahlregelungslogikschaltung 30 enthält einen «J/K-Flip-Flop 90, Teiler 98, 102, 104 und damit verbundene logische Elemente 92, 96, 100 und 106. Die Impulslogikschaltung enthält J/K-Flip-Flops 94, 114, 122 und 124, und damit verbundene logische Elemente, wie in Fig. 2 gezeigt ist.

Der J/K-Flip-Flop 90 der Drehzahlregelungslogikschaltung wird benutzt, um die gewünschte Drehzahl derMotorwelle anzuzeigen. Regelsignalspannungen in Form von Impulsen, welche die gewünschte Wellendrehzahl darstellen, werden mit den J-'und K-Eingängen des Flip-Flops 90 verbunden. Das impulsförmige Spannungssignal am K-Eingang des Flip-Flops 90 verursacht eine Rückstellung des Flip-Flopäbei Auftreten eines Taktimpulses und zeigt dadurch die normale Drehzahl der Motorwelle 10 an. Ein impulsförmiges Spannungssignal am J-Eingang des Flip-Flops 90 verursacht ein Setzen des Flip-Flops bei Auftreten eines Taktimpulses und zeigt dadurch die schnelle oder große Drehzahl der Motorwelle an.

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Der J/K-Flip-Flop 94 der Impulslogikschaltung 32, der auf impulsförmige Regelspannungen an seinen J- und K-Eingängen anspricht, zeigt die gewünschte Drehrichtung der Motorwelle an. Ein impulsförmiger Eingang, der die Rückwärtsdrehung der Motorwelle anzeigt, am J-Eingang des Flip-Flops 94- verursacht ein Setzen des Flip-Flops, wohingegen ein impulsförmiger Eingang am K-Eingang des Flip-Flops 94 die Vorwärtsdrehung der Welle darstellt und eine Rückstellung des Flip-Flops verursacht.

Die Taktimpulse für den Flip-Flop 90 und den Flip-Flop 94 werden von einer Frequenzteilerschaltung 93 abgeleitet, welche den Ausgang des Oszillators 28 durch einen Faktor Ng teilt. Für eine typische Anwendung, wie z.B. zum Drehen des Sonnenfeldes eines geοstationären Satelliten, ist die Ausgangsfrequenz des Oszillators 28 in der Größenordnung von 128 kHz und N₆ gleich 160.- Der Flip-Flop 90 und der Flip-Flop 94 stellen daher jeweils die Drehzahl und die Drehrichtung der Motorwelle 10 dar.

Vorwärtsbewegung der Motorwelle 10 wird durch periodische Unterdrückung eines Impulses am Ausgang der Impulsphasenschieberschaltung 26 auf der Leitung 25 verursacht. Rückwärtsbewegung der Motorwelle wird durch periodische Hinzufügung eines Impulses zu dem Ausgang der Phasenschieberschaltung 26 auf der Leitung 25 verursacht. Um eine große Drehzahl der Motorwelle in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung zu erzielen, ist jeweils das Unterdrücken oder Hinzufügen von Impulsen proportional häufiger als für eine normale Motorwellendrehzahl in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung.

Wenn die Motorwelle 10 mit normaler Drehzahl entweder in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung gedreht werden soll, wird

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-H-

der Flip-Flop 90 zurückgestellt und dadurch wird der Ausgang des Frequenzteilers 98 über das USB-Glied 96 mit dem Frequenzteiler 102 verbunden. Der Frequenzteiler 98 teilt das Eingangssignal auf der Leitung 34 vom Oszillator 28 (Fig. 1) durch einen Faktor Np. Das Ausgangssignal des UND-Gliedes 96 wird außerdem mit Hilfe des Frequenzteilernetzwerkes 102 durch einen Faktor N, geteilt. Wenn daher die Motorwelle mit normaler Drehzahl entweder in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung gedreht werden soll, ist die Frequenz der Ausgangsspannung des NOR-Gliedes 106 gleich der Frequenz der Ausgangsspannung des Oszillators 28 geteilt durch Np-N.,.

Wenn die Motorwelle 10 mit der großen Drehzahl entweder in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung gedreht werden soll, wird der Flip-Flop 90 gesetzt und der Ausgang des Frequenzteilernetzwerkes 98 wird über das UND-Glied 100 mit dem Frequenzteiler 104 verbunden. Der Frequenzteiler 104 teilt weiterhin das Aus gangs signal des TJIfD-Gliedes durch einen Faktor N,. Wenn die Motorwelle 10 daher mit der großen Drehzahl gedreht werden soll, ist die Frequenz der Ausgangsspannung 107 des NOR-Gliedes 106 gleich der Frequenz der Spannung des Oszillators 28 geteilt durch Ng'N., Die Frequenz der Ausgangsspannung des NOR-Gliedes 106 ist, wie erklärt wird, eine Anzeige der Rate, mit welcher Impulse auf der Ausgängsleitung 25 der Impulsphasensehieberschaltung 26 hinzugefügt oder unterdrückt werden.

Wenn die Welle 10 des Motors 12 mit großer Drehzahl gedreht werden soll, werden Impulse auf der Ausgangsleitung 25 der Phasenschieberschaltung 26 mit größerer Geschwindigkeit hinzugefügt oder unterdrückt als wenn die Motorwelle 10 mit normaler Drehzahl gedreht werden soll. Daher muß der Teilungsfaktor N. des Teilernetzwerkes 104 kleiner als der

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Teilungsfaktor N, des Teilernetzwerkes 102 sein, da die Frequenz der Aus gang sspannung vom NOR-Glied 106 für die große Drehzahl höher sein muß als die Frequenz der Ausgangsspannung für normale Drehzahl. Pur eine typische Anwendung wie z.B. "beim Drehen des Sonnenfeldes eines Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn ist die Ausgangsfrequenz des Oszillators 28 in der Größenordnung von 128 kHz,N₂ gleich 80 000, N₅ gleich 54 und H, gleich In einer solchen typischen Anwendung hat die Ausgangsspannung des NOR-Gliedes 106 eine Frequenz von 0,8 Hz wenn die Motorwelle mit großer Drehzahl laufen soll und von 0,02963 Hz, wenn die Motorwelle mit normaler Drehzahl laufen soll, d.h. die normale Drehzahl, um die Welle 10 einmal in 24 Stunden zu drehen.

Wie oben erklärt worden ist, zeigt der J/K-Flip-Flop 94 die gewünschte Drehrichtung der Motorwelle 10 an. Wenn die Motorwelle in Vorwärtsrichtung gedreht werden soll, wird der Flip-Flop 94 zurückgestellt und auf der Ausgangsleitnng 25 der Phasenschieberschaltung 26 werden Impulse unterdrückt. Wenn der Flip-Flop 94 gesetzt ist, zeigt dies an, daß die Motorwelle in Rückwärtsrichtung gedreht werden soll und auf der Ausgangsleitung 25 der Phasenschieberschaltung 26 werden Impulse hinzugefügt.

Das Hinzufügen oder Unterdrücken von Impulsen auf der Ausgangsleitung 25 der Impulsphasenschieberschaltung 26 wird durch J/K-Flip-Flops' 114, 122, 124 und ihre verbundenen logischen Schaltungen erzielt. Der Zustand eines 3©den Flip-Flop 114, 122 und 124 kann dargestellt werden als eine Dezimalzahl mit einem Wert von null bis sieben, wobei der besondere Wert davon abhängt, welcher der Flip-Flops 114, 122, 124 gesetzt oder zurückgestellt ist. Wenn z.B. die Flip-Flops 114 und 124 beide gesetzt sind und der Flip-Flop

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zurückgestellt ist, wird der Zustand der Flip-Flops durch, die Dezimalzahl fünf dargestellt.

Die Ausgangssignalspannung des Oszillators 28 wird über die leitung 55 mit den Takteingängen der Flip-Flops 114, 122 und 124 verbunden. Der Betrieb des Impuls-Addierer/ Unterdrücker-Teiles der Phasenschieberschaltung 26, dargestellt in Fig. 2, wird nunmehr im einzelnen beschrieben.

Wenn die Motorwelle 10 in der angezeigten Torwärtsrichtung gedreht werden soll und wenn ein niedriges Spannungsausgangssignal des NOR-Gliedes 106 vorliegt, verändern sieh die Flip-Flops 114, 122 und 124 vom Zustand sechsauf null und von null auf sechs bei aufeinanderfolgenden Taktimpulsen vom Oszillator 28. Da die Flip-Flops zwischen den Zuständen null und sechs bei aufeinanderfolgenden Taktimpulsen wechseln, wird ein Ausgang vom NAND-Glied 128 nur während des Zustandes sechs erzielt. Unter diesen Umständen hat die Ausgangssignalspannung vom NAND-Glied 128 eine Frequenz gleich der Hälfte der Taktfrequenz, wobei keine Unterdrückung von Impulsen für eine nMrige Signal spannung aus dem NOR-Glied 106 auftritt.

Wenn die Ausgangssignalspannung des NOR-Gliedes 106 hoch ist, verändern sich die Zustände der Flip-Flops 114, 122 und 124, wodurch die Unterdrückung eines Impulses auf der Ausgangsleitung der Phasenschieberschaltung 26 verursacht wird. Wenn insbesondere zu der Zeit, zu welcher die Ausgangs spannung des NOR-Gliedes 106 von einem niedrigen zu einem hohen Zustand wechselt, die Flip-Flops 114, 122 und 124 im Zustand null sind, gehen die Flip-Flops zum Zustand sechs über, wobei ein Ausgangsimpuls vom NAND-Glied 128 erzielt wird. Durch die logischen Steuerglieder 118, 120 und-126 gehen die Flip-Flops dann durch die Zustände eins

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und fünf, in welchen kein Ausgangsimpuls vorliegt. Die Flip-Flops 114, 122 und 124 gehen dann in den Zustand sieben über, in welchem ein Ausgangsimpuls vom NAND-Glied 128 erzielt wird. Anschließend wechseln die Flip-Flops bei aufeinanderfolgenden Taktimpulsen zwischen den Zuständen drei und sieben, wobei im Zustand sieben ein Ausgangsimpuls auftritt und im Zustand drei kein Ausgangsimpuls auftritt. Die Abwesenheit eines Ausgangsimpulses während der Zustände eins und fünf hat daher die Unterdrückung eines Impulses in der Ausgangsleitung der Phasenschieberschaltung 26 verursacht. Die Rate, mit welcher Impulse für die Vorwärtsdrehung der Motorwelle 10 unterdrückt werden, ist abhängig von der Frequenz der Ausgangssignalspannung des NOR-Gliedes 106.

Wenn die Motorwelle 10 in Rückwärtsrichtung gedreht werden soll, wird das Hinzufügen von Impulsen auf der Ausgangsleitung der PhasenscMeberschaltung 26 durch das NAND-Glied 116 gesteuert. Für Rückwärtsdrehung der Motorwelle wird der Flip-Flop 94 gesetzt und aktiviert daher das NAND-Glied 116. Wenn das Ausgangssignal des NOR-Gliedes niedrig ist, wechseln die Flip-Flops 114» 122 und 124, wie oben für die Vorwärtsdrehrichtung erklärt worden ist, zwischen den Zuständen null und sechs bei aufeinanderfolgenden Taktimpulsen. Wenn der Ausgang des NOR-Gliedes 106 hoch wird, wird ein Impuls auf der Ausgangsleitung der Phasenschieberschaltung 26 hinzugefügt. Wie oben für die Vorwärtsrichtung der Wellendrehung erklärt worden ist, durchlaufen die Flip-Flops 114, 122 und 124, wenn der Ausgang des NOR-Gliedes 106 sich von einer niedrigen Signalspannung zu einer hohen Signalspannung verschiebt, durch die Zustände eins und fünf, um den Zustand sieben zu erreichen. Für die Rückwärtsdrehung der Motorwelle 10, wenn die Flip-Flops den Zustand fünf erreichen, eimöglichen die

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NAIiD-Glieder 116 und 126 einen Ausgangs impuls vom NAND-Glied 128, wodurch ein Impuls auf der Ausgangsleitung der Phasenschieberschaltung 26 hinzugefügt wird. Die Rate, mit welcher Impulse auf der Ausgangsleitung der Phasenschieber schaltung 26 hinzugefügt v/erden, wenn die Motorwelle 10 in Rückwärtsrichtung gedreht werden soll, ist abhängig von der Frequenz der Ausgangssignalspannung vom NOR-Glied 106. Wie oben für den Betrieb in Vorwärtsdrehrichtung beschrieben worden ist, teilt das NAND-Glied 128 die Frequenz des Taktsignales durch zwei.

Die Ausgangssignalspannung vom NAND-Glied 128 wird über die Leitung 137 mit dem Frequenzteiler 36 verbunden. Der Teiler 36 teilt die Frequenz der Signalspannung durch einen Faktor N,- derart, daß die gesamte Frequenzteilung, die vom NAND-Glied 128 und vom Teiler 36 durchgeführt wird, gleich der Frequenzteilung ist, welche das Zweiphasentreibersystem 20 verursacht. Daher sind die Frequenz der Ausgangsspannung des Funktionsdrehmelders und die Frequenz der Ausgangssignalspannung der Impulsphasenschieberschaltung 26, welche beide Eingänge für den Phasendetektor 24 darstellen, identisch, wenn die Welle 10 mit der gewünschten Drehzahl gedreht wird. Das Unterdrücken oder Hinzufügen eines Impulses von der Ausgangssignalspannung der Phasenschieberschaltung 26 verursacht eine Terschiebung der Phase, dieses Ausgangssignales relativ zu der Phase des Ausgangssignales vom Oszillator 28.

Ein Beispiel eines geeigneten Zweiphasentreibersystems 20 (Fig. 1) zur Schaffung von zwei orthogonalen Treibersignalen mit einer Frequenz von 400 Hz sieht für die Größe Ν.- des Frequenzteilers 42 einen Wert von 80 vor. Das Ausgangssignal des Frequenzteilerss das zum Phasenspalter 44 über die Leitung 47 geleitet wird, hat eine Frequenz

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von 1 600 Hz, wenn das Signal des Oszillators 28 eine Frequenz von 128 KHz hat. Das Signal auf der Leitung 18 verzögert das Signal auf der Leitung 16 um eine Viertelperiode der Grundfrequenz von 400 Hz. Daher sind die Signale auf den Leitungen 16 und 18 um 90 phasenverschoben und enthalten ein Zweiphasensystem. Ein Ausführungsbeispiel einer geeigneten Phasenspalterschaltung wird in der oben erwähnten US-PS 3 828 234 beschrieben.

Verschiedene Gleichungen zur Bestimmung des Systembetriebes werden ebenfalls in diesem US-Patent beschrieben. Aus diesen Gleichungen kann die Winkelgeschwindigkeit 6 der Welle in Grad pro Sekunde, die gestufte Winkelbewegung θ der Welle in Grad pro Stufe und die Wefl.endreh.zahl Ö in Umdrehungen pro Sekunde berechnet werden. Bei einem typischen System der vorliegenden Art, in welchem die Frequenz des Oszillators 28 128KHz beträgt, waren für den Funktionsdrehmelder 14 und den Motor 12 jeweils 16 Pole vorgesehen, und wo die Größe der Frequenzteilung, welche durch die Drehzahlregelschaltung 30 der Impulsphasenschieberschaltung 26 bewirkt wird, gleich 4 320 000 für eine normale Drehzahl und 160 000 für eine große Drehzahl ist, sind die Werte von Θ,ΛΘ und θ in der unten angeführten Tabelle I angeführt.

Wellendrehzahl θ(Grad/Sekunde)Δ θ(Grad/Stufe) θ (Umdrehungen/

^m Sekunde)

Normal 4,166 χ 10~⁵ 1,406 χ 10~¹ 1,157 x 10~⁵ Groß 1,125 x 10~¹ 1,406 χ 10~¹ 3,125 x 10~⁴

Die Übertragungsfunktion G(S) der Formgebungsschaltung 68 kann bestimmt werden durch Verwendung eines Computermodells des phasenstarren Servoantriebs. Bei einer typischen Anwendung, bei welcher der Motor 12 das Sonnenfeld eines um-

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laufenden Raumfahrzeuges dreht, sind die Eingangsparameter, die "bei diesem Computermodell "benutzt werden, die Systembandbreite, die Trägheitsmomente des Raumfahrzeuges und des Feldes und verschiedene Systemnichtlinearitäten. Die untere Grenze der Systembandbreite wird bestimmt durch innere Motorstörungen, wie z.B. Verzahnungsdrehmoment und Coulombreibung. Das Verzahnungsdrehmoment ist die Veränderung des Motordrehmomentes bei sehr kleinen Drehzahlen, die verursacht wird durch Veränderungen im Magnetfluß aufgrund der Ausrichtung des Rotors und Stators des Motors bei verschiedenen Positionen des Rotors. Die obere G-renze der Systembandbreite wird durch die Resonanzfrequenz des Sonnerifeldes bestimmt, welche der zweite lorsionsmode des Feldes ist. Die betrachteten Systemnichtlinearitäten sind Coulombreibung, die Motordrehmomentkonstante, die Resonanzfrequenzen des Feldantriebes und des verbundenen Raumfahrzeugaufbaus und die Sättigungsgrenzen der Feldantriebselektronik.

Die Übertragungs- und Phasenbeziehung der Übertragungsfunktion Gr(S) werden· dann in das Computermodell eingeführt. Der Übertragungsfaktor und die Phase der Formgebungsschaltung 68 werden dann verändert, um ein Netzwerkfrequenzansprechen zu bestimmen,- das zu einem stabilen geschlossenen Schleifensystem führt.

Das Computermodell zeigt, daß, wenn der Motor benutzt wird, um das Sonnenfeld eines umlaufenden Raumfahrzeuges anzutreiben, wie oben beschrieben, die Übertragungsfunktion G(S) durch folgende Gleichung bestimmt wird:

K (T₁ S+l) (T₉ S+l)
G(S) = ^{λ ά}

(T,S+1) (T

J T J

wobei K eine Proportionalitätskonetante gleich 5,03 und

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T₁= 0,085 Sekunden
■%2 ~ 1»0 Sekunden
T₅ = 0,023 Sekunden
Xa- 0,004 Sekunden
TT₅ =0,1 Sekunden

und S der Laplace-Operator ist.

Es ist ein Motordrehzahlregler in einer speziellen Ausführungsform "beschrieben worden, die eine Drehzahlregelschaltung benutzt, welche für eine Hochpräzisionsregelung der Motordrehzahl durch digitale logische Schaltungen sorgt. Es wird angemerkt, daß das beschriebene Ausführungsbeispiel, in welchem die Impulsphasenschieberschaltung 26 eine Kombination von getakteten J/K-Flip-llops aufweist, um eine Unterdrückung oder Hinzufügung von Impulsen zu einer von einem Oszillator erzeugten Impulsfolge zu erzeugen, und der Phasenspalter 44 logische Elemente aufweist, nur beispielhaft angeführt ist. Andere Elemente, welche die Funktion einer zeitveränderlichen Phasenschieberschaltung 26 und eines Phasenspalters 44 erzeugen, können benutzt werden, um die Erfindung auszuführen. Es können daher viele andere Anordnungen leicht in Übereinstimmung mit dem offenbarten Prinzip der Erfindung durch einen Durchschnittsfachmann entworfen werden.

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Claims

Patentansprüche

1.j System zur Regelung der Drehung der Welle eines ^ ' doppelseitig gerichteten bürstenlosen Gleichstrommotors mit einer ersten und einer zweiten Regelspule, die auf eine Quelle von Bezugstaktimpulsen ansprechen, gekennzeichnet durch

a. eine erste auf die Bezugsimpulse ansprechende Einrichtung (20) zur Erzeugung von ersten und zweiten Ausgangssignalen (auf Leitungen 88, 89), die um 90 phasenverschoben sind,

b. eine Funktionsdrehmeldereinrichtung (14) mit einer direkt mit der Motorwelle gekoppelten Welle, die auf die ersten und zweiten Signale anspricht, um ein Ausgangs signal mit eineijkonstanten Amplitude und einer Phase zu erzeugen, die gleich dem Produkt der Anzahl von Polpaaren des JPunktionsdrehmelders und dem Winkel der Welle des Punktionsdrehmelders ist,

c. eine Phasenschiebereinrichtung (26), die auf die Bezugstaktimpulse und eine Mehrzahl von RegeLsignalen anspricht, um ein Ausgangssignal mit einer Phase zu erzeugen, die sich als Punktion der Zeit ändert, wobei die Regelsignale die Drehzahl und Drehrichtung der Welle anzeigen,

d. eine Phasendetektoreinrichtung (24), die auf das Ausgangssignal der Funktionsdrehmeldereinrichtung (14) und das Ausgangssignal der Phasenschiebereinrichtung (26) anspricht, um auf einer Ausgangsleitung (2?) ein Ausgangesignal mit einer Amplitude zu erzeugen_s die

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gleich der Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal der Funktionsdrehmeldereinrichtung und dem Ausgangssignal der Phasenschieberinrichtung ist,

e. eine Modulationseinrichtung (64) mit einem Ausgang (61, 63) und einem ersten und einem zweiten Eingang (66, 60), wobei der erste Eingang (66) mit dem Ausgang der Detektoreinrichtung und der zweite Eingang (60) mit dem Ausgang der Funktionsdrehmeldereinrichtung verbunden ist,

f. eine erste Demodulationseinrichtung (54), die auf das Ausgangssignal der Modulationseinrichtung und das erste Ausgangssignal (auf Leitung 88) anspricht, um ein Ausgangssignal zur Erregung der ersten Motorregelspule zu erzeugen, und

g. eine zweite Demodulationseinrichtung (56), die auf das Ausgangssignal der Modulationseinrichtung und das zweite Signal (auf Leitung 89) anspricht, um ein Ausgangssignal zur Erregung der zweiten Motorregelspule zu erzeugen.

2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Verstärkungseinrichtung (72), die auf das Ausgangssignal der ersten Demodulationseinrichtung anspricht, um dieses Signal für die Beaufschlagung der ersten Motorregelspule zu modifizieren, und durch eine zweite Verstärkungseinrichtung (74), die auf das Ausgangssignal der zweiten Demodulationseinrichtung anspricht, um dieses Signal für die Beaufschlagung der -zweiten Motorregelspule zu modifizieren.

3. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine PormgelDungseinrichtung (68), die in Reihe zwischen dem Ausgang der Phasendetektoreinrichtung und dem Eingang

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der Modulationseinrichtung geschaltet ist und auf das Ausgangssignal der Phasendetektoreinrichtung anspricht, um dieses Signal mit dem ersten Eingang der Modulationseinrichtung zu verbinden·

4. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Filtereinrichtung (70), die auf das Ausgangssignal der Phasendetektoreinrichtung anspricht, um dieses Signal für die Formgebungseinrichtung zu modifizieren.

5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktionsdrehmeldereinrichtung Eingänge hat zur Aufnahme des ersten und zweiten Ausgangssignales der ersten Einrichtung.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschiebereinrichtung eine zweite Einrichtung (94, 114, 122, 124, 116, 126, 128) aufweist, die wahlweise betätigbar ist, um Impulse von den Bezugsimpulsen zu unterdrücken ader hinzuzufügen in einer oder mehreren vorbestimmten Raten, um die Welle jeweils in einer ersten und der entgegengesetzten Richtung zu drehen.

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