DE2612721C3

DE2612721C3 - Schaltungsanordnung zur Regelung der Drehzahl und der Winkellage des Läufers eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2612721C3
Application number: DE2612721A
Authority: DE
Inventors: Richard Julian Belle Mead N.J. Treadwell (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1975-03-25
Filing date: 1976-03-25
Publication date: 1980-05-22
Also published as: GB1527741A; DE2612721B2; DE2612721A1; US4072884A; FR2305884A1; FR2305884B1; CA1057352A

Description

55

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine genaue Regelung eines Elektromotors ist z. B. erforderlich, wenn er in einem umlaufenden Raumfahrzeug ein zur Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie dienendes Solarfeld jeweils in Ausrichtung mit der Sonne bringen, d. h. alle 24 Stunden einmal drehen soll. Wegen dieser extrem kleinen Drehzahl ergeben sich besondere Schwierigkeiten.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 38 28 234 bekannt. Die bekannte Schaltungsanordnung regelt den Motor unter Verwendung einer Fehlersignalspannung, die eine Funktion der Phasendifferenz zwischen den Ausgangsspannungen eines Drehmelders und eines Phasenschiebers ist. Die Fehlersignalspannung wird verstärkt und durch eine elektronische Steuerschaltung kompensiert, deren Ausgangssignal durch Erregung des Motors dessen Welle so lange dreht, bis die Größe der Fehlersignalspcnnung entweder Null wird oder auf einen vorbestimmten Wert abfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der genannten Art anzugeben, mit der die Drehzahl und die winkelmäßige Lage des Läufers eines insbesondere für den Antrieb eines Solarfeldes geeigneten kollektorlosen Gleichstrommotors bei extrem kleinen Motordrehzahlen mit höchster Präzision geregelt werden können.

Diese Aufgabe wirü durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Ein wesentlicher Vorteil der hier beschriebenen Schaltungsanordnung ist die besondere Eignung für eine digitale Steuerung, die eine praktisch beliebig hohe Präzision ermöglicht

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockdiagramm der Schaltungsanordnung und

F i g. 2 einen bevorzugten Impulsphasenschieber für die Schaltungsanordnung nach F i g. 1.

Ein kollektorloser Gleichstrommotor 12 treibt einen Drehmelder 14 an, welcher Primär- und Sekundärspulen (nicht gezeigt) aufweist und auf der Leitung 22 ein Ausgangssignal erzeugt, das die Winkelstellung der Welle 10 des Motors 12 anzeigt Die Welle 10 ist mechanisch mit dem Drehmelder 14 verbunden, so daß die Sekundärspulen des Drehmelders 14 sich mit der gleichen Drehzahl wie die Welle 10 drehen. Die Primärspulen des Drehmelders 14 werden durch orthogonale Spannungssignale erregt, die dem Drehmelder 14 über Leitungen 16 und 18 von einem Zweiphasentreiber 20 zugeführt werden. Der Zweiphasentreiber 20, der einen Phasenspalter 44 und einen Teiler 42 aufweist, wandelt Bezugstaktimpulse von einem Oszillator 28 in die orthogonalen Spannungssignale um, die zur Erregung der Primärspulen des Drehmelders 14 benutzt werden. Aufgrund der Erregung der Primärspulen des Drehmelders wird an den Sekundärspulen des Drehmelders 14 ein Ausgangssignal induziert. Der Drehmelder wird umgekehrt wie sonst üblich verwendet, da 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. Das Ausgangssignal des Drehmelders (eine Spannung) wird längs der Leitung 22 zu einem Phasendetektor 24 übertragen. Die Frequenz des Ausgangssignals des Drehmelders, das an den Phasendetektor 24 gelegt wird, ist die arithmetische Summe der Frequenz der die Primärspulen des Drehmelders 14 erregenden Signale und ein Vielfaches der Anzahl von Drehungen pro Zeiteinheit der Motorwelle. Die Phasenlage des Ausgangssignals des Drehmelders ist eine Funktion der Winkelstellung der Welle 10 und der Anzahl von Polen .P (nicht angezeigt) des Drehmelders 14 und steht in Beziehung mit der Phase der Signale der Primärspule, die von dem Zweiphasentreiber 20 übertragen werden.

Der Phasendetektor 24 empfängt das Ausgangssignal des Drehmelders 14 und vergleicht dieses bezüglich seiner Phase mit einem Bezugssignal, das über eine Leitung 25 von einem Phasenschieber 26 übertragen wird. Der Phasenschieber 26, der ein zur Drehzahlregelung dienendes Schaltwerk 30 und ein Impulsschaltwerk 32 enthält, wandelt Bezugstaktimpulse vom Oszillator 28 in ein Bezugssignal mit einer Phase um, welche sich in einer vorbestimmten Weise als Funktion der Zeit verändert. Das Schaltwerk 30 ist genauer in Fig.2 gezeigt und spricht auf Signalspannungen auf Leitungen 81,82 an, welche die Solldrehzahl repräsentieren.

Die Motorwelle kann entweder mit normaler oder mit einer großen Drehzahl angetrieben werden. Schnellauf der Motorwelle in Rückwärts- oder Vorwärtsrichtung kann z. B. während einer angänglichen Ausrichtung des Solarfeldes auf einem festgelegten Bezugspunkt auftreten. Das Impuls-Schaltwerk 32, das ebenfalls in Fig.2 detailliert 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 des vom Phasenschieber 26 abgegebenen Bezugssignals 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 der Bezugstaktimpulse des Oszillators 28, wohingegen die Ist-Drehzahl die Rate bestimmt, mit welcher solche Impulse hinzugefügt oder unterdrückt werden. Um den Motor mit einer vorbestimmten Drehzahl laufen zu lassen, ist es notwendig, kontinuierlich die Phasenlage des Bezugssignals des Phasenschiebers 26 relativ zu der Phasenlage des Signals auf der Leitung 16 zu verschieben. Die periodische Hinzufügung oder Unterdrückung von Impulsen des Oszillators 28 verschiebt kontinuierlich die Phasenlage des Bezugssignals des Phasenschiebers 26. Die Unterdrückung von Impulsen verursacht eine Verzögerung der Phasenlage des Bezugssignals des Phasenschiebers relativ zu der Phasenlage des Bezugssignals auf der Leitung 16, wohingegen die Hinzufügung von Impulsen ein Voreilen des erstgenannten Signals verursacht. Der Betrag, um welchen die Phasenlage geändert wird, wird durch die Rate bestimmt, mit welcher die Impulse jeweils bezüglich des Bezugssignals des Oszillators 28 unterdrückt oder hinzugefügt werden.

Der durch den Phasendetektor 24 vorgenommene Phasenvergleich ergibt ein Detektorsignal, dessen Amplitude eine Funktion der Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Drehmelders und dem Bezugssignal des Phasenschiebers 26 ist. Die Phasenlage dieses Bezugssignals, das 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.

Das Detektorsignal des Phasendetektors wird über eine Leitung 27 zu einem Tiefpaßfilter 70 übertragen. Es ist im wesentlichen eine Rechteckwelle mit einem Tastverhältnis gleich der Phr- i^rierenz zwischen dem Ausgangssignai des Drehmelders und dem Bezugssignal des Phasenschiebers 26. Das Tiefpaßfilter 70 entfernt die Frequenzkomponente des Detektorsignals des Phasendetektors, um eine Gleichspannung zu erzeugen, welche proportional zu der genannten Phasendifferenz ist. Die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters 70 wird über eine Leitung 69 zu einera Impulsformer 68 übertragen.

Der Impulsformer 68 von konventionellem Aufbau hat eine Übertragungsfunktion G (SJ, weiche 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 Rausehen und anderen Schwankungen und Störungen zu erzielen. Die Übertragungsfunktion G (S) stellt das Verhältnis der Ausgangsspannung zu der Eingangsspannung für den Impulsformer 68 dar. In einem umlaufenden Raumfahrzeug, in welchem z. B. der Motor 12 benutzt werden kann, um die Welle von Solarfeldern oder Antennen zu drehen, könnten Rauschen und/oder andere Störungen, das Verhalten des Raumfahrzeuges nachteilig beeinflussen. Daher formt der Impulsformer 68 den Frequenzgang des Motorregelungssystems, um ein optimales phasenstarres Servoverhalten zu erzielen. Der Impulsformer 68 bewirkt eine Gleichspannung, welche proportional zum Produkt der Übertragungsfunktion G (S) und der Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Drehmelders und dem Bezugssignal des Phasenschiebers 26 ist.

Die durch den Impulsformer 68 erzeugte Spannung wird längs der Leitung 67 zu einem ersten Eingang 66 eines Amplitudenmodulators 64 geleitet, wo sie für eine Amplitudenmodulation des Ausgangssignals des Drehmeiders 14 benutzt wird. Dieses wird längs einer Leitung 65 zu einem zweiten Eingang 60 des Modulators 64 übertragen. Der Modulator 64 erzeugt an seinem Ausgang eine amplitudenmodulierte Spannung, deren Amplitude sich in Übereinstimmung mit dem Detektorsignal am Ausgang des Phasendetektors 24 ändert. Daher hat das Ausgangssignal des Modulators 64 eine sinusförmige Wellenform, welche die gleiche Frequenz und Phasenlage wie das Ausgangssignal des Drehmelders 14 hat, und deren Amplitude sich in der Zeit als Funktion der Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Drehmelders und dem Bezugssignal des Phasenschiebers 26, multipliziert mit der Übertragungsfunktion Übertragungsfunktion G (S) des Impulsformers 68, ändert.

Das Ausgangssignai des Modulators 64 wird auf Leitungen 6t und 63 jeweils zu den Eingängen 57 und 59 von Demodulatoren 54 und 56 übertragen. Die orthogonalen Signale von dem Zweiphasentreiber 20 werden auf Leitungen 51, 52 Eingängen 53 bzw. 55 der so Demodulatoren 54 bzw. 56 zugeführt. Das modulierte Ausgangssignal vom Modulator 64 wird daher durch die Demodulatoren 54 und 56 in bezug auf die orthogonalen Signale vom Zweiphasentreiber 20 denioduliert. Diese Demodulation erzeugt zwei Gleichspannungen V_sin und Kos, die durch folgende Gleichungen dargestellt werden:

K,„ =

^P£ U₀. (1)

V_m = G (S) (G₁ - O₀) cos ?j W_n. (2)

wobei G (S) die Übertragungsfunktion des Impulsformers 68, Θ/ die Phasenlage des Bezugssignals des

Phasenschiebers 26, Θ_ο die Phasenlage der Welle des Funktionsdrehmelders bezogen auf einen Festpunkt oder Bezugspunkt und Pr die Polzahl des Drehmelders 14 ist. Die Gleichspannungen V^_n und V_cos, die von den Demodulatoren 54 und 56 erzeugt werden, werden als Erregersignale 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 Drehmelder 14 in einer Richtung und um einen Betrag an, der notwendig ist, um die Phasenlage der Sekundärspannung des Funktionsdrehmelders zu verschieben, bis sie gleich einer vorbestimmten Phasenlage relativ zu der Phasenlage des Bezugssignals des Phasenschiebers 26 ist.

Der Motor 12 hat zwei Wicklungen derart, daß ein Strom /_sm in einer Wicklung ein Drehmoment 7s erzeugt, das durch die Gleichung bestimmt ist:

Ti =

K /_sin sin -f <9„,.

(3)

während ein Strom /_CO5 in der anderen Wicklung ein

KG(S)(G₁- O₀) (r_eS + I)R

^Sln

PG₀

wobei P_n,= P_R=P und Θπ,= θ₀ ist. Die trigonometry sehen Ausdrücke in der obigen Gleichung können eliminiert werden, so daß das Motordrehmoment T durch folgende Beziehung gegeben ist:

T =

KG(S)(O₁ - N₀) (t_cS + I)R

(8)

35

Das Motordrehmoment wird in einem Sinne angewendet, der die Differenz zwischen θο und Θ, zu Null macht. Der Motor 12 wird gezwungen, die Welle 10 mit einer Drehzahl zu drehen, die durch die Geschwindigkeit bestimmt wird, mit welcher sich die Phasenlage des Bezugssignals des Phasenschiebers auf der Leitung 25 relativ zu der Phasenlage des Signals auf der Leitung 16 verändert. Durch stufenweise Veränderung der Phasenlage des Bezugssignals vom Phasenschieber 26 als Funktion der Zeit muß der Motor entsprechend die Welle drehen und den Drehmelder 14 antreiben, bis die Größe des Detektorsignals (Fehlersignalspannung) Null wird, oder bis das Ausgangssignal des Drehmelders eine vorbestimmte Phasenlage relativ zu der des Bezugssignals des Phasenschiebers auf der Leitung 25 hat

Das Ausgangssignal des Drehmelders wird daher durch den Phasendetektor 24 als ein Maß der Wellenposition und auch durch den Modulator 64 zum Zwecke der Kommutierung des Stromes in den Wicklungen des Motors 12 benutzt

In F1 g. 2 ist ein detaillierter Schaltplan des Phasenschiebers 25 der Fig. 1 gezeigt Das Schaltwerk 30 enthält ein //K-Flip-Flop 90, Teiler 98, 102, 104 und ao damit verbundene NOR- bzw. UND-Glieder 92,96,100 und 106. Das Schaltwerk 32 enthält //^-Flip-Flops 94, 114,122 und 124, und damit verbundene Verknüpfungsglieder, wie in F i g. 2 gezeigt ist

Das J/K-Flip-Flop 90 wird benutzt um die gewünschte Drehzahl der Motorwelle 10 anzuzeigen. Spannungssignale in Form von Impulsen, welche die gewünschte Wellendrehzahl darstellen, werden den /- und K-Em-Drehmoment Tc erzeugt, das durch folgende Gleichung bestimmt ist:

T_c = K /cos COS ^-

wobei K eine Proportionalitätskonstante, P_m die Polanzahl im Motor 12 und 0_m die Winkelstellung der Welle des Motors 12 ist.

Die Motorströme Λ,_η und /_COs werden durch folgende ίο Gleichungen bestimmt:

(r, S + 1)

V ^v sin

wobei Te die elektrische Zeitkonstante des Motors, R der Motorwiderstand, s der Laplace-Operator ist und V_s\„ und Vcos jeweils die Ausgangsspannungen der Verstärker 72 und 74 sind. Substitution der Gleichungen 1 und 5 in Gleichung 3 und Substitution der Gleichung 2 und 6 in Gleichung 4 ergibt den Ausdruck für das Motordrehmoment T, welches gleich der Summe von Ts und Trist und durch folgende Gleichung bestimmt wird:

- N₀)

I)R

Ρθ_ο

2"

(7)

gangen des Flip-Flops 90 zugeführt Das impulsförmige Spannungssignal am /C-Eingang des Flip-Flops 90 verursacht eine Rückstellung des Flip-Flops bei Auftreten eines Taktimpulses und zeigt dadurch die normale Drehzahl der Motorwelle 10 an. Ein impulsförmiges Spannungssignal am /-Eingang des Flip-Flops 90 verursacht ein Setzen des Flip-Flops bei Auftreten eines Taktimpulses und zeigt dadurch die hohe Drehzahl der Motorwelle 10 an.

Das //K-Flip-F!op 94, das auf impulsförmige Spannungssignale an seinen /- und K-Eingängen anspricht zeigt die gewünschte Drehrichtung der Motorwelle an. Ein impulsförmiges Eingangssignal das die Rückwärtsdrehung der Motorwelle anzeigt am /-Eingang des Flip-Flops 94 verursacht ein Setzen des Flip-Flops, wohingegen ein impulsförmiges Signal am iC-Eingang des Flip-Flops 94 die Vorwärtsdrehung der Welle darstellt und eine Rückstellung des Flip-Flops verursacht

Die Taktimpulse für das Flip-Flop 90 und das Flip-Flop 94 werden von einem Frequenzteiler 93 abgeleitet, weicher die Frequenz der Bezugstaktimpuise des Oszillators 28 durch einen Faktor N& teilt Für eine typische Anwendung, wie z.B. zum Drehen des Solarfeldes eines geostationären Sattelliten, ist die Ausgangsfrequenz des Oszillators 28 in der Größenordnung von 128 kHz und N₆ gleich 160. Das Flip-Flop 90 und das 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 des Impulsphasenschiebers 26 auf der Leitung 25 verursacht Rückwärtsbewegung der Motorwelle wird durch periodische Hinzufügung eines Impulses zu dem Bezugssignal des Phasenschiebers 26 auf der Leitung 25 verursacht Um eine hohe Drehzahl der Motorwelle in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung zu erzielen, ist jeweils das Unterdrücken oder Hinzufügen von Impulsen proportional häufiger als für eine normale

Molorwellendrehzahl in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung erforderlich.

Wenn die Motorwelle 10 mit normaler Drehzahl entweder in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung gedreht werden soll, wird das Flip-Flop 90 zurückgestellt, und dadurch wird der Ausgang des Frequenzteilers 98 über das UND-Glied 96 mit dem Frequenzteiler 102 verbunden. Der Frequenzteiler 98 teilt das Eingangssignal auf der Leitung 34 vom Oszillator 28 (F i g. 1) durch einen Faktor Λ&. Das Ausgangssignal des UND-Gliedes 96 wird außerdem mit Hilfe des Frequenzteilers 102 durch einen Faktor M geteilt. Wenn daher die Motorwelle mit normaler Drehzahl entweder in Vorwärts- oder Rückwärisrichlung gedreht werden soll, ist die Frequenz des Ausgangssignals des NOR-Gliedes iOö gieich der Frequenz der Bezugstaktimpuise des Oszillators 28 geteilt durch N₂ ■ Ni.

Wenn die Motorwelle 10 mit der großen Drehzahl entweder in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung gedreht werden soll, wird das Flip-Flop 90 gesetzt, und der Ausgang des Frequenzteilers 98 wird über das UND-Glied 100 mit dem Frequenzteiler 104 verbunden. Der Frequenzteiler 104 teilt weiterhin das Ausgangssignal des UND-Gliedes 100 durch einen Faktor Na. Wenn die Motorwelle 10 daher mit der großen Drehzahl gedreht werden soll, ist die Frequenz des Ausgangssignals am Ausgang 107 des NOR-Gliedes 106 gleich der Frequenz der Bezugstaktimpulse geteilt durch /Vj · Na. Die Frequenz des Ausgangssignals des NOR-Gliedes 106 zeigt die Rate an, mit welcher Impulse auf der Leitung 25 des Phasenschiebers 26 hinzugefügt oder unterdrückt werden.

Wenn die Welle 10 des Motors 12 mit großer Drehzahl gedreht werden soll, werden Impulse auf der Leitung 25 mit größerer Frequenz hinzugefügt oder unterdrückt, als wenn die Motorwelle 10 mit normaler Drehzahl gedreht werden soll. Daher muß der Teilungsfaktor M des Frequenzteilers 104 kleiner als der Teilungsfaktor M des Frequenzteilers 102 sein, da die Frequenz des Ausgangssignals vom NOR-Glied 106 für die große Drehzahl höher sein muß als die für normale Drehzahl. Für eine typische Anwendung wie z. B. beim Drehen des Solarfeldes eine Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn ist die Ausgangsfrequenz des Oszillators 28 in der Größenordnung von 128 kHz, N₂ gleich 80 000, /V₃ gleich 54 und /V₄ gleich 2. In einer solchen typischen Anwendung hat das Ausgangssignal 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, um die Welle 10 einmal in 24 C...„J„„ .... J„U~.-

hJlUlllll.ll ^.U Ul Vlll~ll.

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

Das Hinzufügen oder Unterdrücken von Impulsen auf der Leitung 25 des Impulsphasenschiebers 26 wird durch //K-Flip-Flops 114, 122, 124 und zugehörige Verknüpfungsglieder erzielt Der Zustand eines jeden Flip-Flops 114, 122 und 124 kann dargestellt werden als eine Dezimalzahl mit einem Wert von null bis sieben, wobei der besondere Wert davon abhängt, welches der Flip-Flop 114, 122, 124 gesetzt oder zurückgestellt ist. Wenn z. B. die Flip-Flops 114 und 124 beide gesetzt sind und das Flip-Flop 1 zurückgestellt ist, wird der Zustand der Flip-Flops durch die Dezimalzahl fünf dargestellt.

Die Bezugstaklimpulse des Oszillators 28 werden über die Leitung 35 den Takteingängen der Flip-Flops 114,122 und 124 zugeführt. Der Betrieb des Impuls/Addierer/Unterdrücker-Teils des Phasenschiebers 26, dargestellt in Fig.2, wird nunmehr im einzelnen beschrieben.

Wenn die Motorwelle 10 in der angezeigten Vorwärtsrichtung gedreht werden soll, und wenn ein niedriger Binärwert am Ausgang des NOR-Gliedes 106 vorliegt, verändern sich die Flip-Flops 114, 122 und 124 vom Zustand sechs auf null und von null auf sechs bei aufeinanderfolgenden Takiimpuisen vum Oszillator 28. Da die Flip-Flops zwischen den Zuständen null und sechs bei aufeinanderfolgenden Taktimpulsen wechseln, wird ein Ausgangssignal vom NAND-Glied 128 nur während des Zustandes sechs erzielt. Unter diesen Umständen hat das Ausgangssignal vom NAND-Glied 128 eine Frequenz gleich der Hälfte der Taktfrequenz, wobei keine Unterdrückung von Impulsen für einen niedrigen Binärwert des NOR-Gliedes 106 auftritt.

Wenn der Binärwerl am Ausgang 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 des Phasenschiebers 26 verursacht wird. Wenn insbesondere zu der Zeit, zu welcher das Ausgangssignal des NOR-Gliedes 106 von einem niedrigen zu einem hohen Binärwert 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 Verknüpfungsglieder 118,120 und 126 gehen die Flip-Flops dann durch die Zustände eins 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 des Phasenschiebers 26 verursacht. Die Rate, mit welcher Impulse für die Vorwärtsdrehung der Motorwelle 10 unterdrückt werden, ist abhängig von der Frequenz des Ausgangssignals des NOR-Gliedes 106.

Wenn die Moior^vcüc iO in Rückwärtsrichtung gedreht werden soll, wird das Hinzufügen von Impulsen auf der Ausgangsleitung des Phasenschiebers 26 durch das NAND-Glied 116 gesteuert. Für Rückwärtsdrehung der Motorwelle wird das Flip-Flop 94 gesetzt und aktiviert daher das NAND-Glied 116. Wenn das Ausgangssignal des NOR-Gliedes 106 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 Binärwert des NOR-Gliedes 106 hoch wird, wird ein Impuls auf der Ausgangsleitung des Phasenschiebers 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 vom niedrigen zum hohen Binärwert verschiebt, durch die Zustände

eins und fünf, um den Zustand sieben zu erreichen. Wenn für die Rückwärtsdrehung der Motorwelle 10 die Flip-Flops den Zustand fünf erreichen, ermöglichen die NAND-Glieder 116 und 126 einen Ausgangsimpuls vom NAND-Glied 128, wodurch ein Impuls auf der Ausgangsleitung des Phasenschiebers 26 hinzugefügt wird. Die Rate, mit welcher Impulse auf der Ausgangsleitung des Phasenschiebers 26 hinzugefügt werden, wenn die Motorwelle 10 in Rückwärtsrichtung gedreht werden soll, ist wieder abhängig von der Frequenz des ι ο Ausgangssignals vom NOR-Glied 106. Wie oben für den Betrieb in Vorwärtsdrehrichtung beschrieben worden ist, teilt das NAND-Glied 128 die Frequenz der Taktimpulse durch zwei.

Das Ausgangssignal vom NAND-Glied 128 wird über die Leitung 137 dem Frequenzteiler 36 zugeführt. Der Frequenzteiler 36 teilt die Frequenz durch einen Faktor M derart, daß die gesamte Frequenzteilung, die vom NAND-Glied 128 und vom Teiler 36 durchgeführt wird, gleich der Frequenzteilung des Zweiphasentreibers 20 ist. Daher sind die Frequenz des Ausgangssignals des Drehmelders und die Frequenz des Bezugssignals des Phasenschiebers 26, welche die Eingangssignale für den Phasendetektor 24 darstellen, identisch, wenn die Welle 10 mit der gewünschten Drehzahl gedreht wird. Das Unterdrücken oder Hinzufügen eines Impulses des Bezugssignals des Phasenschiebers 26 verursacht eine Verschiebung der Phasenlage dieses Bezugsignals relativ zu der Phasenlage der Bezugstaktimpulse vom Oszillator 28.

Ein Beispiel eines geeigneten Zweiphasentreibers 20 (Fig. 1) zur Schaffung von zwei orthogonalen Signalen mit einer Frequenz von 400 Hz sieht für die Größe N\ des Frequenzteilers 42 einen Wert von 80 vor. Das Ausgangssignal des Frequenzteilers, das zum Phasenspalter 44 über die Leitung 47 geleitet wird, hat eine Frequenz von 1600 Hz, wenn die Bezugstaktimpuise des Oszillators 28 eine Frequenz von 128 kHz haben. 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.

Aus bekannten Gleichungen kann die Winkelgeschwindigkeit Θ der Welle in Grad pro Sekunde, die gestufte Winkelbewegung Θ der Welle in Grad pro Stufe und die Wellendrehzahl 0_ro in Umdrehungen pro Sekunde berechnet werden. Bei einem typischen System der vorliegenden Art, in welchem die Frequenz des Oszillators 28 128 kHz beträgt, sind für den Drehmelder 14 und den Motor 12 jeweils 16 Pole vorgesehen, und wo die Größe der Frequenzteilung, welche durch das Schaltwerk 30 des Phasenschiebers 26 bewirkt wird, gleich 4320 000 für eine normale Drehzahl und 160 000 für eine große Drehzahl ist, sind die Werte von θ, ΔΘ und Q_m in der folgenden Tabelle angeführt:

Wellendrehzahl

θ (Grad/Sekunde)

Λ Θ (Grad/Stufe)

θ,,, !Umdrehungen/
Sekunde)

Normal
Groß

4,166 X 10
1,125 X 10

1,406 X 10 '
1,406 X 10 '

1,157 X 10
3,125 X 10

Die Übertragungsfunktion G(S)des Impulsformers 68 kann bestimmt werden durch Verwendung eines Computermodells des phasenstarren Servoantriebs. Bei einem Anwendungsbeispiel, bei welcher der Motor 12 das Solarfeld eines umlaufenden Raumfahrzeuges dreht, sind die Eingangsparameter, die bei diesem Computermodell benutzt werden, die Systembandbreite, die Trägheitsmomente des Raumfahrzeuges und des Solarfeldes 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 seht· 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 Grenze der Systembandbreite wird durch die Resonanzfrequenz des Solarfeldes bestimmt. Die betrachteten Systemnichtlinearitäten sind Coulombreibung, die Motordrehmomentkonstante,die Resonanzfrequenzendes Feldantriebes und des verbundenen Raumfahrzeugaufbaus und die Sättigungsgrenzen des elektronischen Feldantriebssystems.

40 Die Übertragungs- und Phasenbeziehung der Übertragungsfunktion G(S) werden dann in das Coniputermodell eingeführt. Der Übertragungsfaktor und die Phase des Impulsformers 68 werden dann verändert, um ein Netzwerkfrequenzansprechen zu bestimmen, das zu einem stabilen geschlossenen Schleifensystem führt

Das Computermodell zeigt, daß beim Antreiben des Solarfeldes eines umlaufenden Raumfahrzeuges die Übertragungsfunktion G(S) durch folgende Gleichung bestimmt wird:

50 G(S) =

K[T₁S +

+ 1)

[r,S -f I)Sr₄S -i- D'r.S -f !! '

wobei K eine Proportionalitätskonstante gleich 5,03 und

η = 0,085 Sekunden
τ 2 = 1,0 Sekunden
rj = 0,023 Sekunden
T4 = 0,004 Sekunden
T₅ = 0,1 Sekunden

und Sder Laplace-Operator ist

Ilicr/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Regeln der Drehzahl und der Winkellage des Läufers eines Gleichstrommotors mit einem auf Bezugstaktimpulse ansprechenden Zweiphasentreiber zur Erzeugung von ersten und zweiten gegeneinander um 90° phasenverschobenen Signalen, einem Drehmelder mit einer mit der Motorwelle gekoppelten Welle, der in Abhängigkeit von den ersten und zweiten Signalen ein Ausgangssignal mit einer konstanten Amplitude und einer Phasenlage erzeugt, die abhängig von der Anzahl von Polpaaren des Drehmelders und der Winkelstellung der Welle des Drehmelders ist, einem Phasenschieber, der in Abhängigkeit von den Bezugstaktimpulsen und von die Drehzahl und Drehrichtung der Welle vorgebenden Steuersignalen ein Bezugssignal mit einer Phasenlage erzeugt, die sich als Funktion der Zeit ändert, und einem Phasendetektor, der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Drehmelders und dem Bezugssignal des Phasenschiebers auf einer Ausgangsleitung ein Detektorsignal mit einer Amplitude erzeugt, die gleich der Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Drehmelders und dem Bezugssignal des Phasenschiebers ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor ein kollektorloser Gleichstrommotor (12) mit zwei Spulen ist, daß ein Modulator (64) an einem ersten Eingang (66) mit dem Ausgang des Phasendetektors (24) und an einem zweiten Eingang (60) mit dem Ausgang des Drehmelders (14) verbunden ist, daß zwei Demodulatoren (54,56) mit ihren ersten Eingängen (57,59) mit dem Ausgang des Modulators (64) verbunden sind und an ihren jeweils zweiten Eingängen (53, 55) das erste bzw. zweite Signal zugeführt bekommen, und daß jeder Demodulator ein Erregersignal zum Erregen je einer Spule erzeugt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Demodulatoren (54, 56) und den Motorspulen je ein Verstärker (72, 74) angeordnet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Impulsformer (68), der zwischen dem Ausgang des Phasendetektors (24) und dem Eingang des Modulators (64) angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ausgang des Phasendetektors (24) und Eingang des Impulsformers (68) ein Tiefpaßfilter (70) angeordnet ist.