DE2712795C2 - Synchronübertragungsgerät der Vernier- Resolver-Bauart - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Synchronübertragungsgerät der Vernier-Resolver-Bauart, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Synchronübertragungsgerät ist aus »The Bell System Technical Journal«, November 1957, Seiten 1487 bis 1500 bekannt. Es enthält einen Stator, der eine magnetischen Kreis mit vier Polen bildet. Der Stator trägt eine Primärwicklung, die gegenseitig unter einem Winkel von 90° angeordnete Polpaare bildet. Im Inneren des Stators ist ein Rotor angeordnet, der Zähne trägt, welche beim Vorbeigang an den Polen des Stators die Reluktanz des magnetischen Kreises ändern.

An die Primärwicklung ist eine Wechselspannung konstanter Amplitude angelegt. In den Sekundärwicklungen wird eine Spannung induziert, deren Amplitude von der Reluktanz des magnetischen Kreises und infolgedessen von der Winkelstellung des Rotors abhängt.

Derartige Synchronübertragungsgeräte zeichnen sich dadurch aus, daß keine Wicklung auf dem Rotor angeordnet werden muß. Auf diese Weise werden die Schwierigkeiten vermieden, die durch Schleifringe, Kontaktbürsten u.dgl. verursacht werden. Hingegen wird die Genauigkeit der Synchronübertragungsgeräte mit wicklungslosem Rotor durch Störungen beeinträchtigt, die charakteristisch für Transformatoranorcnungen sind. Es treten nämlich störende Kopplungen zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung auf. Es treten sowohl magnetische als auch kapazitive Störkopplungen auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Synchronübertragungsgerät der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß die genannten Störkopplungen erheblich unvermindert oder gänzlich beseitigt sind.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß die durch Störkopplungen verursachten Störspannungen, seien sie kapazitiven oder induktiven Ursprungs, einen Vektor aufweisen, dessen eine Komponente mit der Achse des Vektors der induzierten maximalen Nutzspannung in Phase ist und dessen Amplitude zu der angelegten Wechselspannung proportional ist. Ein Bruchteil dieser angelegten Wechselspannung kann daher in geeigneter Phasenlage mit den Signalen an den entsprechenden Wicklungen kombiniert werden, um die darin entstandenen Störspannungen zu kompensieren.

Eine besonders hohe Genauigkeit wird erhalten, wenn sowohl das senderseitige als auch das empfangsseitige Synchronübertragungsgerät erfindungsgemäß ausgebildet sind.

Aus der Druckschrift »Archiv für technisches Messen«, 1971, Seiten 219 bis 222. ist es an sich bereits bekannt, jeder primärseitigen Statorwicklung eine Kompensationswicklung zuzuordnen und die in der Kompensationwicklung induzierte Spannung in den Verstärker rückzukoppeln, der die zugehörige Primärwicklung speist. Bei

b5 einem solchen sogenannten wicklungskompensierten Resolver werden die durch Frequenzänderungen, Temperaturschwankungen oder Belastungen auftretende Änderungen des Übersetzungsverhältnisses eliminiert. Störkopplungen zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung treten jedoch nicht auf, da die Sekundärwicklung auf dem Rotor angeordnet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Eszeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Vernier-Resolvers, der als Sender geschaltet ist;

F i g. 2 eine aus einem senderseitigen Vernier-Resolver bekannter Art und einem ebensolchen empfängerseitigen Vernier-Resolver bestehende Übertragungseinrichtung, wobei die störenden induktiven und kapazitiven Kopplungen eingezeichnet sind;

F i g. 3 bis 7 mehrere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Synchronübertragungsgeräts der Vernier-Resolver-Bauart

Fig. 1 zeigt eine schematiche Ansicht eines Vernier-Resolvers bekannter Art. Er hat den Aufbau eines Differenhaltransformators mit veränderlicher Reluktanz, der aus einem magnetischen Kreis M und aus zwei Gruppen von Wicklungen besteht, einer Primärwicklung Pund zwei Sekundärwicklungen Si und Si, die in einem Stator vereinigt sind. Die Reluktanzänderung des magnetischen Kreises erfolgt durch einen Rotor, der aus einem magnetisierbaren Material besteht und erhabene Teile oder Zähne d aufweist

Die Primärwicklung P besteht aus Spulen, die auf Polen R des Stators angeordnet und derart in Reihe geschaltet sind, daß zwei benachbarte Pole Wicklungen mit entgegengesetztem Wicklungssinn tragen. Die Sekundärwicklungen Si und S2, die auf denselben Polen angebracht sind, bestehen jeweils aus zwei Spulen, die paarweise derart in Reihe geschaltet sind, daß zwei einander gegenüberliegende, als erhabene Teile ausgebildete Pole des Stators Wicklungen mit entgegengesetztem Wicklungssinn tragen. Im Betrieb wird an die Primärwicklung eine Wechselspannung U mit konstanter Frequenz und konstanter Amplitude angelegt und die Sekundärwicklungen 5, und S₂ liefern an ihren Klemmen induzierte Spannungen E₁ bzw. E₂, die von der Reluktanz des magnetischen Kreises abhängig sind. Der Vorbeigang der Zähne c/des Rotors an den feststehenden Polen des Stators legt diese Reluktanzänderung fest. Jedesmal dann, wenn einer der Zähne des Rotors an die Stelle des vorhergehenden tritt, durchläuft die veränderliche Reluktanz und infolgedessen der magnetische Zustand des Stators eine vollständige Änderungsperiode: Wenn η die Zähnezahl des Rotors ist, gibt es deshalb π Änderungs-Perioden dieses magnetischen Zustandes pro Umdrehung. Die induzierten Wechselspannungen E\ und £2, die davon abhängen, werden somit derselben Periodizität folgen und, infolge der 90°-Anordnung der induzierten Wicklungen S\ und S₂ des Stators, in denen sie erzeugt werden, sind ihre Amplituden proportional zu den trigonometrischen Sinus- und Cosinuslinien des Winkels, der jeder vollständigen Änderungsperiode der Reluktanz entspricht; also bei einem Drehwinkel ödes Rotors besteht eine Proportionalität der Spannungen zu den trigonometrischen Linien sind η 6?und cos η θ.

Daraus folgt, daß in dem Fall des Vernier-Resolvers, der als Beispiel dargestellt ist und dessen Rotor drei Zähne aufweist, die in den Sekundärwicklungen Si und S₂ durch die Wechselspannung ν am Eingang der Primärwicklung induzierten Spannungen £1 und E₂ folgende Form haben:

E\ = kv_ü sin (cot + φ) sin 3 θ E₂ = Arvo sin (cot + φ) cos 3 θ

v = Uo sin<yi;

ω=2 ,tF, wobei Fdie Frequenz der an die Primärwicklung angelegten Spannung ist;

θ = Drehwinkel des Rotors;

k — Übersetzungsverhältnis zwischen Primär-und Sekundärwicklung;

φ = Phasenverschiebungswinkel zwischen Primär-und Sekundärwicklung.

Allgemein wurden indem Fall, in welchem der Rotor π Zähne aufweist, die E\ und £2 angebenden Gleichungen die Werte sin /7#undcos η <9enthalten.

Diese Spannungswerte E, und £2 bilden die elektrische Darstellung des Winkelwertes θ und können durch jede auf dem Gebiet der Fernübertragung bekannte Empfangseinrichtung mit einer Genauigkeit pro Rotorumdrehung ausgewertet werden, die um so größer ist, je größer die Zähnezahl η des Rotors ist. Genau das ist der Vorteil der Geräte der Vernier·Resolverbauarl, daß sie nämlich, in Verbindung mit einer »Grob«-Fernübertragung und direkt durch dieselbe Drehwelle angetrieben, eine komplementäre »Fein«-Information des Vernier- oder Nonius-Typs liefern, was in dem Fall der herkömmlichen Resolvcrcinrichtungcn durch schwere, plalzraubende und reibungsbehaftete Raderübersetzungsgetriebc erreicht wird.

F i g. 2 zeigt ein Schaltbild einer Fernübertragungseinrichtung mit zwei Vernier-Resolvern der oben beschriebenen Art und veranschaulicht ausführlicher die weiter oben bereits erwähnten Störkopplungserscheinungen, die in diesen Geräten auftreten.

Die Einrichtung enthält einen Sender 1 und einen Empfänger II, die durch zwei Übertragpngsleitungen Li und L₂ miteinander verbunden sind, welche die Winkelsignale weiterleiten, die zu dem Sinus und zu dem Cosinus des bo Winkels η θ proportional sind. Wenn die konstante Erregerwechselspannung ν an die Primärwicklung des Senders I angelegt ist, kommt es in seinen Wicklungen zu folgenden Erscheinungen:

a) zwischen der Primärwicklung Pund den Sekundärwicklungen Si und Si:

— zu einer induktiven Nutzkopplung, die von der Stellung des Rotors abhängig ist und durch die Gegen- b5 induktionskoeffizienten M\ (Θ) und M.^i^) dargestellt ist;

— zu einer konstanten und zu der Erregerspannung ν proportionalen induktiven Störkopplung, die durch dicGejicninduktionskoeffizienten ;j/i Lind /».'dargestellt ist;

— zu einer konstanten kapazitiven Störkopplung /wischen denselben Wicklungen, die durch die Kapazitäten C] und C₂ dargestellt ist.

b) Darüber hinaus ergibt sich eine vor allem kapazitive Kopplung C zwischen den beiden Sekundärwicklungen S\ und 52.
5

Auf der Seite des Empfängers II ergeben sich folgende Erscheinungen in seinen Wicklungen:

a) zwischen den induzierenden Wicklungen Si und B₂ und der induzierten Wicklung F:

— eine induktive Nutzkopplung, die von der Stellung θ des Rotors abhängig und durch die Gegeninduktionskoeffizienten M\ (&) und W₂ (&)dargestellt ist;

— eine durch die Gegeninduktionskoeffizienten m\ und mΊ dargestellte, konstante, induktive Störkopplung;

— eine durch die Kapazitäten C, und C₂ dargestellte, konstante, kapazitive Störkopplung.

b) zwischen den beiden induzierenden Wicklungen Si und B₂ ergeben sich:

.5 _ eine induktive Kopplung, die durch den Gegeninduktionskoeffizienten /n"dargestellt ist; und

— eine kapazitive Kopplung, die durch die Kapazität Cdargestellt ist.

Auf diese Weise werden die elektrischen Signale, die der Sender I sendet, durch Störsignale beeinflußt, deren Komponenten, die mit der Achse maximaler Spannung in Phase sind, für die Sekundärwicklung S₁ folgende Form haben:

«ι = am\ ν für die Induktivitäten

ß\ = bQv für die Kapazitäten mit der Primärwicklung P. und

;-i = cC'Er für die Kapazität mit der Sekundärwicklung S₂,

wobei a, b, ckonstante Koeffizienten sind.

Ebenso wird das durch die Sekundärwicklung S₂ ausgesandte Signal durch entsprechende Störspannungen ä₂, ßi und yi beeinflußt. Es ist aber zu beachten, daß die Störspannungen des Typs λ und/?alle zu der Erregerspannung V₀ und infolgedessen zu dem Strom proportional sind, der in der induzierenden Wicklung fließt. Die

Störspannungen des Typs / sind zu den induzierten Spannungen E in der gegenüberliegenden Sekundärwicklung proportional. Daraus folgt, daß nutzbare Kompensationsspannungen an den Klemmen des Gerätes selbst verfügbar sind und deshalb gemäß der Erfindung, nach einer Größen- und Vorzeichenanpassung, an die Klemmen der Wicklungen angelegt werden können, in denen es zur Ausbildung der nachteiligen Störspannungen kommt, um sie zu Null zu machen.

Ebenso wird der Empfänger, der an seinen induzierenden Wicklungen Si und S₂ elektrische Signale

Vi = kVo sin (a>t + ψ) sin η θ = Ει
bzw.

v₂ = kVo sin (ωί + φ) cos η θ = E₂

empfängt, an den Klemmen seiner induzierten Wicklung ein Signal abgeben, für das gilt: V = JtArV₀ sin (ωΐ + φ + φ'\Μ\ (&) sin (η θ) - Μ'₂ (θ) cos η θ]

wobei Α·'das Übersetzungsverhältnis zwischen induzierenden Wicklungen und induzierter Wicklung des Empfängers ist; und wobei ψ der Phasenverschiebungswinkel zwischen induzierenden Wicklungen und induzierter Wicklung des Empfängers ist. Dieses Signal wird durch eine Störspannung beeinflußt, von der oben in dem Fall des Empfängers bereits festgestellt worden ist, daß sie zu den angelegten Spannungen und zu den Strömen proportional ist.

Auch in diesem Fall wird gemäß der Erfindung die Tatsache ausgenutzt daß die an den Klemmen einer Wicklung erscheinenden Störsignale zu den an die K lemmen einer anderen Wicklung angelegten Spannungen und zu den Strömen proportional sind, um aufgrund dieser Spannungen und Ströme Kompensationssignale zu erzeugen und sie in der geeigneten Richtung an die Klemmen der Wicklung anzulegen, in der es zu diesen Störsignalen kommt um sie zu verringern oder um ihre Amplitude zu Null zu machen.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsformen des Synchronübertragungsgerätes der Vernier-Resolver-Bauart nach der Erfindung angegeben.

Fig.3 zeigt eine erste Ausführungsform, die sich auf einen Vernier-Resolver-Sender bezieht Bei dieser Ausführungsform wird der Bruchteil der Erregerspannung, der für die Kompensation erforderlich ist an die Sekundärwicklungen S\ und S₂ über zwei zusätzliche Wicklungen Bc 1 und Bei angelegt, die mit diesen Sekundär-

wicklungen magnetisch gekoppelt sind. Widerstandspotentiometer, wie beispielsweise das Potentiometer 10, gestatten durch Änderung von Widerständen R_x !,/J₂I, Λ12, K₂₂, J^etie Kompensationsspannung einzustellen.

Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß sie sich für den Einbau der Kompensationsspulen in den Resolver selbst der durch die gestrichelte Umrißlinie 11 dargestellt ist eignet und daß bereits bei der Herstellung der Wicklungssinn der Wicklungen B_C\ und Bei und die Richtung des Anlegens der Kompensationsspannung an ihre Klemmen endgültig festgelegt werden können.

Durch eine geeignete Wahl der Windungszahl der Spulen ist es möglich, die Notwendigkeit von Potentiometern zu beseitigen und diese direkt mit den Primärwicklungen des Resolvcrs in Reihe zu schalten.

Ι·" i g. 4 zeigt eine Variante der ersten Ausführungslorm von F i g. 3. In dieser Variante liefern die zusätzlichen ψ

Wicklungen, wie die Wicklung Of₂, die mit der Primärwicklung P magnetisch gekoppelt sind, eine induzierte m

Spannung, von welcher ein Teil über den Potentiometer-Spannungsteiler, der aus den Widerständen Ru und R22 M

besteht, in Reihe mit der induzierten Spannung an die Klemmen der Sekundärwicklung S₂ angelegt wird, um die jjf

Störspannungskomponerite zu annulieren. E₂ ist die resultierende Spannung. Die Spannung E\ wird in analoger 5 lf

Weise erhalten. 4'

F i g. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform, die zwar ebenfalls bei einem Sender-Resolver anwendbar ist, sich |'

aber zur Verbesserung eines nichtmodifizierten Resolvers eignet. pj

Bei dieser Ausführungsform wird der Bruchteil der Erregerspannung v, der für die Kompensation erforderlich '$_t

ist, direkt an die Sekundärwicklung S₂ über eine Verbindungsleitung 22 und ein Addierglied 23 ;> η polegt. 10 ;;

Ein einstellbarer Widerstand 20 und ein Polaritätsinverter 21 ermöglichen die Einstellung der Amplitude und ·

des Vorzeichens der Kompensationsspannung. $

Das Addierglied 23 kann unter allen Einrichtungen ausgewählt werden, die technisch eine derartige Funktion jjjj

erfüllen, wie beispielsweise Transformatoren und Mischer-Verstärker. §

F i g. 6 zeigt eine Ausführungsform eines Sender-Vernier-Resolvers, in welchem eine Schaltung zur Kompen- 15 |

sation der kapazitiven Kopplungen zwischen den beiden Sekundärwicklungen S\ und S₂ benutzt wird (die Art ?-

und die Eigenschaften dieser Kopplung sind weiter oben angegeben). |ί

Dabei wird von einer gegenseitigen Entnahme der Nutzspannung einer Sekundärwicklung Gebrauch ge- 'A

macht, die mit der Nutzspannung der anderen Sekundärwicklung in einstellbarer Weise gemischt wird. ||

In dem Fall der Ausführungsform von Fig.6 ist eine Misch- oder Addierschaltung der Verstärkerbauart 20 ^ gewählt worden. Vi

Die Signale, die an den Klemmen der Sekundärwicklungen S\ und S₂ vorhanden sind, werden über die j|

Widerstände η bzw. r₂ zu den Eingängen von zwei Verstärkern A1 bzw. A₂ geleitet. |!

Die Kompensationssignale, die in der weiter oben angegebenen Weise entnommen werden, werden an U

dieselben Eingänge über die Leitungen 31 bzw. 32 und über Widerstände r\ bzw. r₂ angelegt, von denen deshalb 25 fa

gesagt werden kann, daß sie mit den Widerständen r\ bzw. r₂ Spannungsteilerschaltungen bilden. Es sei ange- §t

merkt, daß die gekreuzte symmetrische Kompensation mit zwei Kompensationsspannungen, die beschrieben und dargestellt ist, ebenfalls vollständig in dem Fall eines Resolvers vorgenommen werden kann, in welchem die Signale Sinus- und Cosinussignale sind, und zwar lediglich mit einer der beiden Leitungen, indem die Werte der Widerstände der Spannungsteilerschaltung passend gewählt werden, was die Schaltung durch Verwendung 30 einer einzigen Spannung, die gleich der Summe der beiden Kompensationsspannungen ist, in vorteilhafter Weise vereinfacht.

F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform eines Empfänger-Vernier-Resolvers, bei welchem eine Kompensation der Störkopplung zwischen den beiden induzierenden Wicklungen ß| und S₂ erfolgt. Die Benutzung der Kompensationsspannungen erfolgt dabei in gleicher Weise wie in Fig. 3, wobei diese Spannungen in den Kompensations- 35 wicklungen b\ und f>₂ nicht mehr aus der Erregerspannung, sondern aus den den induzierenden Wicklungen selbst zugeführten Strömen erzeugt werden.

Es sei angemerkt, daß infolge der symmetrischen Aufgaben, die die Sender- und Empfänger-Vernier-Resolver erfüllen, die Arten der Kompensation der Störspannungen, die weiter oben in dem Fall von Sender-Vernier-Resolvern angewandt und beschrieben worden sind, auch in dem Fall der Empfänger angewandt werden kann. 40 Insbesondere können die gemäß den Fi g. 3 und 4 aufgebauten Geräte in gleicher Weise als Sender oder als Empfänger benutzt werden, da die Kompensationsschaltungen, die sie enthalten, nur passive Bauelemente aufweisen.

Als Beispiel für die Größenordnungen der Genauigkeit sei angegeben, daß Empfänger-Vernier-Resolver, deren Rotor 50 Zähne besitzt deren Winkelgenauigkeit in der Größenordnung von ± 2 Winkelminuten liegt und 45 die mit einer Kompensationsschaltung gemäß F i g. 4 ausgerüstet waren, eine Genauigkeit von ± 15 Winkelsekunden aufwiesen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

50

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Synchronübertragungsgerät der Vernier-Resolver-Bauart, mit einem Stator aus einem Pole aufweisenden magnetischen Kreis, der eine Primärwicklung und zwei Sekundärwicklungen trägt, welche gegenseitig unter einem Winkel von 90° angeordnete Polpaare büden, und mit einem Zähne tragenden Rotor, dessen Zähne beim Vorbeigang an den Polen die Reluktanz des magnetischen Kreises ändern, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Kompensation von Störkopplungen zwischen zwei Wicklungen, wobei diese Einrichtung Mittel zur Entnahme einer Kompensationsspannung aus dem an eine der beiden Wicklungen angelegten Signal und Mittei zur Kombination der Kompensationsspannung mit dem Signal an der anderen der beiden Wicklungen, zwischen denen die Störkopplung vorhanden ist, aufweist.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Einrichtungen zur Kompensation sämtlicher Störkopplungen zwischen der Primärwicklung und den beiden Sekundärwicklungen.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zum Einstellen von Amplitude und Vorzeichen der Kompensationsspannungen.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kompensationswicklungen zur Entnahme bzw. Kompensation tier Kompensationsspannungen vorgesehen sind.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsmittel jeweils aus einem Addierglied bestehen.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einstellen von Amplitude und Vorzeichen der Kompensationsspannungen in die Verbindung zwischen den Ausgangsklemmen der Entnahmemittel und den Eingangsklemmen der Kombinationsmittel eingefügt sind.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einstellen von Amplitude und Vorzeichen der Kompensationsspannungen aus Widerstandspotentiometern bestehen.

8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Inverterschaltung zum Einstellen des Vorzeichensder Kompensationsspannungen.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Störkopplungen zwischen der Primärwicklung und jeweils einer der Sekundärwicklungen kompensiert werden.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Wicklungen zwei Sekundärwicklungen sind.