DE2754497A1

DE2754497A1 - Einrichtung fuer ein servosystem mit geschlossenem kreis

Info

Publication number: DE2754497A1
Application number: DE19772754497
Authority: DE
Inventors: Vaerne Dipl Ing Gustavsson; Manne Salomonsson
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1976-12-09
Filing date: 1977-12-07
Publication date: 1978-06-15
Also published as: FR2373821B1; JPS5377980A; CH629008A5; US4196380A; GB1591287A; FR2373821A1; SE7613820L

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für ein Servosystem mit geschlossenem Kreis. Als Verwendungsbeispiel kann auf ein Servosystem, zum Ausrichten eines Geschützes hingewiesen v/erden, wobei dieses Geschütz dann einen 2'ahnkr.-inz aufweist, an dem das Geschütz im Prinzip starr befestigt ist, und der durch den Servomotor des Servosysterns gedreht werden kann.

Ein Beispiel eines geschlossenen Servokreises, der an sich bekannt ist, ist in der beigefügten Fig. 1 gezeigt, in der die üezufrsziffer 1 einen Verstärker, 2 einen Servomotor und 3 eine Last, z.B. in Form des Geschützes, bezeichnet. >'iit 4 ist noch eine Rückkopplungsschleife bezeichnet. Der nominale Wert wird am Punkt 5 eingegeben, und der tat- ;j;k:hliche Wert tritt am Punkt G auf. L¹ ei einem solchen Kreis

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verursachen häufig die elastische Nachgiebigkeit F und/oder ein toter Gang G unerwünschte Wirkungen, wie z.B. Unstabilitäten und diskontinuierliche Bewegungen bei niedrigen Geschwindigkeiten. Eine hohe dynamische Genauigkeit erfordert eine hohe Verstärkung in dem System; durch die Phasenverschiebungen und Amplitudenänderungen, die durch die elastische Nachgiebigkeit und den toten Gang verursacht werden, wird ,jedoch d^e Verstärkung und entsprechend auch die dynamische Genauigkeit begrenzt.

Bei vielen Servosystemen ist, w±e dies in Fig. 1 angedeutet ist, der größte Anteil von elastischer Nachgiebigkeit und totem Gang bei der Kraftübertragung zwischen dem Servomotor 2 und der Last 3 zu finden. Wenn das System in bekannter Weise gemäß der Fig. 2 abgewandelt wird, so daß die Rückkopplung direkt vom Ausgangsende des Servomotors aus vorgenommen wird, so werden die elastische Nachgiebigkeit F und der tote Gang G, die in der Fig. dargestellt sind, nicht direkt im geschlossenen Servokreis enthalten sein; die Rückkopplung findet jedoch vom Punkt 7 aus statt, der der Ausgangswelle des Servomotors entspricht. Der größere Teil der genannten unerwünschten Wirkungen wird dabei beseitigt; man erhält jedoch statt dessen eine Ungenauigkeit in der Lage der Last 3, die durch die elastische Nachgiebigkeit F und den toten Gang G bewirkt wird, in der Schaltung gemäß Fig. 2 ist noch ein Getriebe für den Servomotor mit der Bezugsziffer 8 bezeichnet.

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Hei gewissen Servosystemen ist es darüberhinaus unmöglich, eine Rückkopplung gemäi3 Fig. 2 zu erreichen. Dies ist z.B. der Fall, wenn in Übereinstimmung mit Fig. 3 ein Xreiselinstrument 9 auf der Last als lage- oder geschwindigireitsbestimmende Rückkopplungseinrichtung angeordnet ist. Wenn auch Störungen \ auftreten, z.B. von einer sich bewegenden Unterstützung - z.B. einem schaukelnden Schiff -, die das Servosystem beeinflussen, so kann dies vereinfacht gemäß Fig· 5 dargestellt werden, in der der Drehwinkel für den Servomotor 2 mit "f bezeichnet ist und in der der Drehwinkel für das Getriebe ti (die Last 3) mit (X bezeichnet ist. Die Störungen ρ werden in die Schaltung am Punkt 10 eingeführt, hinter dem auf diese Weise das Signal CL + ^:r> erhalten wird .

Um gute servotechnische Eigenschaften in einem System gemäß Fig. 3 zu erhalten, müssen Anstrengungen unternommen werden, ein Getriebe zu verwenden, das starr und so frei wie möglich von totem Gang ist. Vorgespannte Lagerungen, überdimensionierte Getriebeelemente, Zahnräder, die stark gegeneinander angesetzt sind, Kopplungselemente mit Federwirkung und andere teure, platzraubende und schwere Lösungen sind angewendet worden. Dabei wurde eine gewisse Verbesserung erreicht. In vielen Fällen ist es jedoch in der Praxis nicht möglich, so große Vet^besserungen zu erreichen, wie dies erwünscht wäre, wenn diese Maßnahmen getroffen werden.

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Die Erfindung ist auf diese Probleme gerichtet. Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer einfachen und wirksamen Einrichtung, die in einem System z.B. des in Fig. 3 gezeigten Typs den größeren Teil der obigen Schwierigkeiten beseitigt, die durch die federnde Nachgiebigkeit und den toten Gang im Getriebe zwischen dem Servomotor und der Last verursacht werden.

Das charakteristische Merkmal der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß Meßeinrichtungen an Meßpunkten vor und hinter den Stellen vorgesehen sind, an denen der unerwünschte tote Gang und/oder die federnde Nachgiebigkeit auftritt, und daß mit diesen Meßeinrichtungen ein Parameter im geschlossenen Servokreis wie z.B. die Größe, die Geschwindigkeit usw. dieses toten Ganges und/oder dieser federnden Nachgiebigkeit gemessen wird, und daß die Meßeinrichtungen, gegebenenfalls zusammen mit Signalverarbeitungseinrichtungen, auch so angeordnet sind, daß durch die Meßeinrichtungen gemessene Werte, gegebenenfalls nach Signalverarbeitung, in einem Punkt in den Servokreis eingespeist werden können, der von den genannten Meßpunkten einen Abstand hat, so daß die durch den toten Gang und/oder die federnde Nachgiebigkeit verursachten Wirkungen aus dem Signal, das zurück in den Kreis gespeist wird, entfernt sind.

Die weitergehende Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht in der Anwendung der Meßeinrichtungen im Zusammen-

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hang mit dem Antriebsrad für die Last, die durch den Servomotor angetrieben wird.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsforn, die die für die Erfindung wesentlichen Eigenschaften hat, wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Pig.1 schematisch und in Übereinstimmung mit derc bis 3

oben Gesagten bereits bekannte Servosystem;

Fig. 4 schematisch ein Servosystem, das von der neuen Einrichtung Gebrauch macht;

Fig. 5 schematisch und teilweise in Ansicht eine erste bis 6

und eine zweite Ausführungsform des Systems gemäS Fig. 4·

In den Fig. tragen einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen.

Die Servoschaltungen gemäß den Fig. 1 bis 3 sind schon in Verbindung mit den oben genannten Problemen beschrieben worden. Die Servoschaltung gemäß Fig. 4 unterscheidet sich von der Servoschaltung gemäß Fig. 3 unter anderem darin, daß die Größen φ und α, d.h. die Stellungen der Ausgangswelle des Servomotors bzw. der Ladung 3, bezogen auf dasselbe

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Koordinatensystem kontinuierlich mit Meßeinrichtungen gemessen werden, nachdem die Größe φ in einem Umwandlungsteil 8¹ auf dieselbe nominelle Geschwindigkeit wie die Größe α umgewandelt ist, die in Fig. 4 mit der Größe Φ¹ bezeichnet ist. In Fig. 4 sind diese Heßeinrichtungen durch eine erste Additionsschaltung 11 dargestellt, die die Größe (φ* - α), die der momentanen Größe des unerwünschten toten Ganges G und der unerwünschten federnden Nachgiebigkeit F entsprechen, geben.

Das geschwind!gkeitsmessende Kreiselinstrument 9 gibt Information über die Geschwindigkeit der Last 3 in einem raumfesten Koordinatensystem. Diese Information wird in Form eines Ausgangssignales erhalten, das proportional zu ^£ (α +β) ist, wobei ß der Momentanwert der Störung ist.

Durch Integration des Signals des Kreiselinstruments in einer Integrierschaltung 12 wird ungefähr das Signal (α + β) erhalten. Es sollte bemerkt werden, daß eine ideale Integration in der Praxis unmöglich ist. Eine Addition des integrierten Signals (α +β) des Kreiselinstruments und des gemessenen Wertes (φ¹ - α) des toten Ganges G und der federnden Nachgiebigkeit F in einer zweiten Addierschaltung 13 ergibt als Resultat ein Signal (φ¹ +β). Es sollte bemerkt werden, daß dieses Signal keine Information über den toten Gang G und die federnde Nachgiebigkeit F

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des Getriebes enthält. Daher wird, soweit der Einfluß des toten. Ganges und der federnden Nachgiebigkeit betroffen ist, das System im wesentlichen dieselben Eigenschaften wie ein System gemäß Fig. 2 haben.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 5 besteht die Last 3 aus einem Geschütz ¹4, das in Querrichtung mittels eines Zahnkranzes 15 von an sich bekanntem Typ gedreht werden kann. Der Zahnkranz kann mittels eines Antriebsrades 16 auf der Ausgangswelle des Getriebes angetrieben werden. Die Meßeinrichtungen zum Messen der Werte von ^f und ~\ werden durch zwei Winkel-Meßgeber 17 und 13 dargestellt, von denen der Geber 17 im Eingriff mit einem Zahnrad auf der Welle des Servomotors und der Geber 18 im Eingriff mit dem Zahnkranz 15 steht. Das Zahnrad auf dem Geber 18 ist dabei von einer Art, die an sich bekannt ist, bei der das Zahnrad geteilt und federbelastet ist. Es wird daher in einer federbelasteten Berührung mit den Zahnkranz 15 stehen. Die Plattform 15'» die den Zahnkranz trägt und auf der das Geschütz angebracht ist, ist in praktischen Fällen meistens nicht völlig ohne Spiel gelagert, während der letzte Teil des Getriebes in dem Servokreis aus den die Drehbewegung übertragenden Zahnrädern 15 und 16 zusammen mit der Plattform bestehen wird, die ein gewisses Spiel hat.

Es ist wesentlich, an welcher Stelle der Winkel-Meßgeber 13 in bezug auf das Antriebsrad 16, bezogen auf die

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Ebene der Plattform, angeordnet wird, damit ganz ausschließlich Drehbewegungen und keine Translationsbewegungen durch den Winkel-Meßgeber 18 angezeigt werden. Vorhersehbare Translationsbewegungen sind in diesem Falle in erster Linie solche, die in einem rechten Winkel zu dem Durchmesser der Plattform stattfinden, der durch das Antriebsrad 16 hindurchgeht und die unter anderem wegen des Spiels der Lagerung der Plattform entstehen werden. Es hat sich gezeigt, daß der Winkel-Meßgeber 18, um mit ihm den Winkel C so genau wie möglich zu reproduzieren, unter einem Winkel 0 in bezug auf das Antriebsrad 16 angeordnet werden soll, der ungefähr 90° beträgt.

Um eine noch wirksamere Ausschaltung der Wirkungen von Translationsbewegungen zu erreichen, wenn die Plattform durch das Antriebsrad 16 gedreht wird, wird in Übereinstimmung mit Pig· 6 der Winkel-Meßgeber 18 durch zwei Winkel-Meßgeber 18« und 18" ersetzt, die diametral (= 180°) einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der Winkel 0 zwischen dem Antriebsrad 19 und jedem Winkel-Meßgeber im Beispiel der Ausfuhrungsform dann ungefähr 90° ist. In diesem Falle wird eine dritte Additionsschaltunc 19 benutzt, so daß aus den Signalen es.¹ unda" das Signal & gebildet und abgegeben wird, in de:: die Einflüsse der Translationsbewegungen der Plattform beseitigt sind.

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Die Einzelteile, auf die im Vorhergehenden nicht ausführlich Bezug genommen worden sind, sind in diesem Zusammenhang an sich bekannt.

Die Erfindung ist nicht auf die oben nur als Beispiel beschriebene Ausführung form beschränkt, sondern kann innerhalb des Bereiches der beigefügten Ansprüche abgewandelt werden. Die Lösung ist natürlich nicht auf das gezeigte Verarbeiten von Signalen beschränkt. So können z.?>., anstatt da¹·" die Größen Λ und ' gemessen werden, ihre zeitlichen Ableitungen gemessen werden, und diese können direkt mit dem Ausgangssignal des rrezeigten Kreiselinstruments verglichen we -den. Außerdem können alle bekannten servotechnischen I-iöglionkeiten zum Signalverarbeiten und alle Einzellösungen im vorliegenden Falle angewendet werden. Als weiteres Beispiel, kann noch erwärmt werden, da.s das erwähnte Messen mit den i e ^einrichtungen nicht kontinuierlich stattfinden tnu:3, sondern auch in reirelrniilüigen Ze j tlntervallen durchgeführt werden kann, was der Fall ist, wenn den Homentanwert messende Wandler benutzt werden, z.B. des Typs mit Codierscheiben, und wenn die digitalisierten Signale verarbeitet werden.

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Le e -s ei i e

Claims

Patentansprüche :

1J Einrichtung für ein Servosystem mit geschlossenem Kreis, dadurch gekennzeichnet , daß Heßeinrichtungen (17, 18), die an MeSpunkten vor unö hinter Stellen angeordnet sind, an denen toter Gang (g) und/oder elastische Nachgiebigkeit (P) auftreten, zum Messen eines Parameters im geschlossenen Servo kreis wie z.B. Groi3e, Geschwindigkeit usw. dieses toten Ganges und/oder dieser elastischen Nachgiebigkeit und so, gegebenenfalls zusammen mit Signalverarbeitungseinrichtungen, angeordnet sind, daß

durch die Meßeinrichtungen gemessene Werte (-f, <T ), gegebenen-

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ORK3INAL INSPECTED

falls nach Signalverarbeitung, an einer Stelle in den Servokreis einspeisbar sind, die von den Meßpunkten getrennt ist, so daß die durch den toten Gang und/oder die elastische Nachgiebigkeit verursachten Wirkungen aus dem wieder in den Kreis eingespeisten Signal entfernt sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der ein lagebestimmendes oder geschwindigkeitsbestimmendes Kreiselinstrument zur Lagerückkopplung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß Addiereinrichtungen (13) zum Addieren der Werte (φ¹, -α), die durch die Meßeinrichtungen gemessen sind, zum Signal (α + ß) des Kreiselinstruments vorgesehen sind, so daß die Wirkungen des toten Ganges und/oder der elastischen Nachgiebigkeit aus dem Rückkopplungssignal (φ¹ + ß), das aus dem Signal des Kreiselinstruments besteht, entfernt sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei der im Servokreis eine Last in Form eines Geschützes, das ausgerichtet werden kann und das mit einem Zahnkranz versehen ist, der mittels des Servomotors des Servokreises über ein Antriebsrad drehbar ist, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Meßeinrichtung einen Geber (18) aufweist, der mit dem Zahnkranz (15) in Berührung steht und in bezug auf das Antriebs-

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rad (16) urn ungefähr 90° versetzt angeordnet ist.
4· Einrichtung nach Anspruch 2, bei der eine Last in Form eines Geschützes, das ausgerichtet werden kann, im Servokreis eingeschlossen ist und die einen Zahnkranz umfaßt, der mit Hilfe des Servomotors des Servokreises über ein Antriebsrad drehbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Meßeinrichtungen zwei Geber (18*, 18·') umfassen, die mit dem Zahnkranz (15) in Berührung stehen und die im wesentlichen einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Geber (18·, 18··), der mit dem Zahnkranz in Berührung steht, ein geteiltes Zahnrad aufweist, das federbelastet ist.

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