DE2825124A1

DE2825124A1 - Lastantriebs- und -steuereinrichtung

Info

Publication number: DE2825124A1
Application number: DE19782825124
Authority: DE
Inventors: William Joseph Bigley; Vincent Joseph Rizzo
Original assignee: Lockheed Electronics Co Inc
Current assignee: Lockheed Electronics Co Inc
Priority date: 1978-01-06
Filing date: 1978-06-08
Publication date: 1979-07-12
Also published as: NO149230B; CA1124784A; NO149230C; DK238978A; BE868667A; IT7809500A0; US4295081A; NL7806092A; IT1103624B; DK148456B; PT68153A; GR69656B; FR2414223A1; NO781870L; ES466915A1; LU79893A1; DK148456C; GB1604929A

Description

. --- Patentanwälte

j Dipl. Ing. Hans-Jürgen Müller

1 Dr. rer. nat. Thomas Berenrti

1 Dr.-Ing. Hans Leyh 3 HJM/wie

tucile-Grchn-Stroße3Θ D8München80 2 8 2 5

LOCKHEED ELECTRONICS COMPANY, INC. Plainfield, New Jersey

Lastantriebs- und -steuereinrichtung

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Lastantriebs- und -steuereinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronisch gesteuerte Lastantriebsschaltung, insbesondere eine Lastbetätigungs-Servoeinrichtung mit dynamischer Regeneration zum Ausgleich von Lastresonanzen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten elektronischen Schaltung zum Antreiben einer mechanischen Last, insbesondere die Schaffung einer Lastbetätigungs-Servoeinrichtung, die eine zusätzliche regenerative Rückkopplungsstrecke aufweist, die einer mechanischen Last-/ Lastkupplungs-Resonanz entgegenwirkt.

Diese Aufgabe wird bei einer beispielsweisen Lastantriebsdrehzahl-Servoeinrichtung zum Steuern eines eine Last treibenden Motors gelöst. Dabei umfaßt eine herkömmliche Primär-Drehzahlschleife eine Drehzahl-Führungssignalquelle in Kaskadenaufbau, ein summierendes Fehlersignalerzeugungs-Verknüpfungsglied, ein den Frequenzgang der Regelschleife entzerrendes Filter mit einem Ansteuerverstärker zum Ansteuern des Motors und einen Drehzahlmesser, der ein Maß der Motor-Abtriebsdrehzahl an einen subtraktiven Eingang des Verknüpfungsglieds anlegt·

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Zur Erweiterung des Ansprechbereichs des Primär-Servosystems und zum Auffangen mechanischer Schwingungen, die diesen Ansprechbereich sonst stören würden, ist eine sekundäre Mitkopplungsstrecke vorgesehen, die die Eingangsdrehzahl-Führungsgröße mit einem Signal erhöht, das von dem momentan verbrauchten Motorstrom abhängt. Damit wird die Lastantriebskraft automatisch mit zunehmendem Motorstrom erhöht, wenn eine den Lastantrieb verzögernde mechanische Resonanz auftritt.

Durch die Erfindung wird also eine verbesserte Lastantriebs-Servoeinrichtung mit Resonanzausgleich angegeben, die mit dynamischer Regeneration arbeitet, um eine mechanische Last-/ Lastantriebs-Resonanz auszugleichen und zu überwinden. Die Antriebsschaltung umfaßt eine herkömmliche primäre, die Motordrehzahl regelnde Rückkopplungsschleife mit einer Drehzahl-Führungssignalquelle in Kaskadenaufbau, einem summierenden, ein Fehlersignal erzeugenden Verknüpfungsglied, einem den Frequenzgang der Regelschleife entzerrenden Filter mit Ansteuerverstärker zum Ansteuern eines lasttreibenden Motors und einem Drehzahlmessersignal-Rückkopplungsglied, das ein Maß der Motorabtriebsdrehzahl mit einem subtraktiven Eingang des Verknüpfungsglieds verbindet.

Um den Ansprechbereich des primären Rückkopplungskreises zu erweitern und eine mechanische Schwingung, die diesen Bereich sonst stören würde, aufzufangen, ist eine sekundäre Mitkopplungsstrecke vorgesehen, die das Drehzahl-Führungssignal um ein Signal erhöht, das von dem Motorstrom und damit von der Motorlast abhängt. Infolgedessen wird die Lastantriebsenergie automatisch mit zunehmendem Motorstrom erhöht, wenn eine den Lastantrieb verzögernde mechanische Resonanz auftritt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der lastbetätigenden zusammengesetzten Servoeinrichtung nach der Erfindung; und

Fig. 2 verschiedene für die Erfindung charakteristische Signalverläufe·

Fig. 1 zeigt eine Mehrschleifen-Servoeinrichtung zum Regeln der Geschwindigkeit einer getriebenen Last 36 entsprechend einer Antriebsdrehzahl-Führungsgröße, die von einer entsprechenden Führungssignalquelle 10 zugeführt wird. Die Lastbetätigung (z. B. Rotation) erfolgt durch einen Motor 20, dessen Abtriebswelle mit der Last 36 über eine Welle und/oder ein Getriebe 32 beliebiger Form und beliebigen Aufbaus verbunden ist. Die Anordnung umfaßt eine Drehzahlregelungs-Rückkopplungsschleife I für die Antriebsmaschine 20, wobei die Schleife I üblichen Aufbau hat und eine Betätigungsstrecke für die Antriebsmaschine 20 von der Führungssignalquelle 10 über ein lineares Summierglied (Verknüpfungspunkt) 12 (z. B. einen Operationsverstärker) und ein Entzerrungsfilter für den Vorwärtsverstärkungs-Durchlaßbereich mit einem Treiberglied mit einem Betriebsfrequenzbereich G(cj), aufweist. Das Vorwärtsverstärkungs-Entzerrungsglied 13 kann ganz einfach ein aktives oder ein passives Tiefpaßfilter ("Verzögerungsglied") üblicher Transformation ~t- aufweisen, dem ein Treiberverstärker 16 mit einem Verstärkungsfaktor B nachgeschaltet ist. Für die Zwecke der Erfindung entfällt die Erläuterung eines Widerstands 19 als Motorstromfühler. Im Rückkopplungsweg der Antriebsmaschinen-Schleife I ist ein Drehzahlmesser 30 angeordnet, dessen Eingang die momentane Drehzahl (Θ) der Motorabtriebswelle erfaßt und ein dieser Drehzahl proportionales elektrisches Signal dem subtraktiven Eingang des Summier-Verknupfungsglieds 12 zuführt.

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Die vorstehend erwähnte Antriebsmaschinen-Drehzahlregelschleife I ist an sich bekannt und wird daher nur kurz besprochen. Kormalerweise gibt die Führungssignalquelle 10 ein zeitveränderliches Ausgangssignal E. (t) ab, das eine Soll-Drehzahl für die Last spezifiziert. Dieses Signal E. (t) wird mit dem momentanen Wellendrehzahlsignal (Q) des Drehzahlmessers 30 verglichen und ein Differenzsignal (oder "Fehler"-Signal) dem Eingang der Vorwärtsverstärkungsstufe 13» 16 zugeführt. Das Ausgangssignal der Vorwärtsverstärkungsstufe das am"Ausgang des Treiberverstärkers 16 erscheint, wird dann als Ansteuersignal dem Motor 20 zugeführt. Im Gleichgewichtsbetrieb und unter Annahme eines ausreichenden Durchlaßbereichsvermögens des Motors 20 bewirkt die Antriebsschleife I eine automatische Beseitigung oder Minimierung des Fehlers am Ausgang des Summier-Verknüpfungsglieds 12, söckß die Drehzahl der Abtriebswelle des Motors 20 dem vorgeschriebenen"Wert E^_n(t) folgen muß. Im Fall von Frequenzen, die innerhalb des Frequenzbereichs des Regelsystems liegen, arbeitet das System tatsächlich in der vorstehend erläuterten Weise und bewirkt eine derartige Lastansteuerungsregelung.- -

Die Abtriebswelle des Motors 20 ist jedoch nit der Last 36 über eine Wellen-Getriebe-Kupplung 32 verbunden, die durch einen Federfaktor 34 darstellbar ist, der parallel zu einem molekularen Reibungselement 33 liegt. Die Feder 34 repräsentiert Wellen- und Getriebe-Elastizität, Spiel u. dgl., wogegen das schematisch dargestellte Element 33 die innere molekulare Reibung darstellt. Die Darstellung von 33-34 und deren Analyse ist wiederum für die Behandlung mechanischer Bewegung an sich bekannt. Die Schwierigkeit bei bestehenden Drehzahl-Servoeinrichtungen vom Primärtyp (einzige Regelschleife I) besteht in der Eigenresonanz der Kupplung 32. Insbesondere wird es bei einer Resonanzfrequenz der Elemente 33, 34 und 36 für den Motor 20 sehr schwierig, die Last 36 zu treiben, da

die vom Motor 20 erzeugte Abtriebsbewegung und -energie einfach in den effektiv schwingenden Elementen absorbiert und nicht an die Last 36 v/eitergegeben wird.

Um die vorstehenden Ausführungen grafisch zu verdeutlichen, wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Kurve 60 umfaßt einen Frequenzgang des Systems mit der Schleife I und weist eine Zone 62 auf, die eine solche Resonanz zeigt, bei der der Motorabtrieb der Eingangs-^ührungsgröße nicht wirksam folgen kann. Das gleiche gilt in bezug auf das normalisierte Regelkreisverhalten 63, das für das System gezeigt ist. Eine Strichlinienkurve 67 gibt den Motorstrom wieder, der im Resonanzbereich stark ansteigt infolge der unter solchen Bedingungen wesentlich höheren mit dem Motor 20 verbundenen Last.

Die Folge der vorstehend erläuterten Tatsachen ist, daß solche bestehenden Antriebsdrehzahl-Rückkopplungsschleifen auf Ansteuersignalfrequenzen begrenz·¹- werden, die unterhalb des Resonanzfrequenzbereichs liegen, insbesondere auf Frequenzen (cj), die beträchtlich unterhalb des Punkts 70 liegen, bei dem der Frequenzgang den Verstärkungsfaktor Eins kreuzt. Ein solcher begrenzter Frequenzgang ist jedoch nicht immer befriedigend, z. B. in Anwendungsfällen, bei denen die Ausgangslast ein Waffenstand od. dgl. ist, der auf sich schnell bewegende Zielobjekte feuern muß. Ferner ist in bezug auf das vorstehend Gesagte zu bemerken, daß der Frequenzbereich 62 bezüglich des Frequenzwerts nicht unveränderlich ist, da die effektiven Parameter der Antriebswellenkupplung 32 sich z. B. mit dem Pegel des Eingangssignals ändern. So hängt z. B. der effektive Kupplungs-Federfaktor (Element 34) vom Spiel ab, das wiederum vom Pegel der im Signal E- (t) reflektierten Änderungen des zugeführten Eingangsdrehzahlsignals abhängt.

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Infolgedessen wird bei den bestehenden Anordnungen der Faktor "b", der die Abfallgeschwindigkeit für das Tiefpaß-Entzerrungsfilter 13 der Schleife I umfaßt, im wesentlichen unterhalb eines mittleren Punkts 70 gewählt, d. h. unterhalb des Anfangsabschnitts der Frequenzzone 62, um sicherzustellen, daß eine ordnungsgemäße Rückkopplung stattfindet. Diese Beschränkung des Kreisverhaltens ist wiederum in manchen Anwendungsfällen unerwünscht und in anderen Fällen untragbar.

Zur Beseitigung der genannten Wachteile wird bei der Erfindung eine zweite, positive oder regenerative Rückkopplungsschleife II angewendet. Insbesondere wird der vom Motor 20 verbrauchte momentane Antriebsstrom erfaßt, z. B. durch einen Stromerfassungswiderstand 19, der zwischen den Treiberverstärker 16 und den Leistung aufnehmenden Eingang des Motors 20 geschaltet ist. Das Stromsignal am Widerstand 19 wird gedämpft und in von einem differenzverstärker 21 in ein einseitig geerdetes Signal umgewandelt und durch ein Rückkopplungsfilter 25 der Schleife II einem additiven Eingang des Summier-Verknüpfungsglieds 12 zugeführt. Bevorzugt ist die Übertragungsfunktion der gesamten Rückkopplungsstrecke der Schleife II fr » d. h. ein Faktor T (eine positive Zahl zwischen WuIl und Eins), der vorteilhafterweise mit dem Umkehrwert der Vorwärtsverstärkungsfilterfunktion G(G->) multipliziert wird. Dadurch wird ein schnelles Ansprechen mit hoher Stabilität erreicht. Bei einem Tiefpaß-Verzögerungsnetzwerk 13 würde das Filter 25 somit einfach ein Hochpaß- oder Voreilungsnetzwerk umfassen.

Beim Betrieb der zusätzlichen, regenerativen Rückkopplungsschleife II, wenn ein sich schnell änderndes Eingangs-Führungssignal E_in(t) einen Frequenzbereich 62 (vgl. Fig. 2) antrifft, fließt der steigende Motorstrom 67, der am Widerstand 19 erfaßt wird, durch den Differenzverstärker 21 und

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das Filter 25, wodurch, am oberen additiven Eingang des Summier-Verknüpfungsglieds 12 ein erhöhtes Potential anliegt. Dadurch wird das Drehzahl-Führungssignal E._n(t) erhöht, wodurch automatisch der Motor 20 mit erhöhtem Antrieb bei der Resonanz beaufschlagt wird und die der Kupplung 32 und der Last 36 zugeführte Abtriebsdrehkraft des Motors erhöht wird. Wenn sich die Skalierfunktion #"' Eins nähert, erfolgt ein nahezu vollständiger Ausgleich für die Kupplungsresonanz, so daß der zusammengesetzte Frequenzgang des offenen Kreises I des Systems durch den Resonanzbereich und darüber hinaus verläuft. Das Regelkreisverhalten für die gesamte Servoeinrichtung einschließlich beider Rückkopplungsstrecken I und II ist durch die Punktlinie 65 in Fig. 2 angegeben und verläuft zu einem Frequenzknickpunkt 72 in Abhängigkeit von dem Tiefpaßfilter (wobei der Wert "b" den Bandbereich des Filters definiert) und dem Verstärkungsgrad des offenen Regelkreises.

Infolgedessen resultiert die Mehrschleifen-Rückkopplungseinrichtung der Erfindung zur Betätigung der Last 36 in einer breitbandigen Lastbetätigungsschaltung, so daß eine Einrichtung mit verbessertem Frequenzgang und verbesserter Laststeuerung erhalten wird. Z.'B. ist ein Geschützstand für schweres Geschütz, der eine mechanische Kupplungsresonanz von ca. 8 Hz hat, bei einem bestehenden System mit nur einer Regelschleife I auf einen wirksamen Servobereich von 5 Hz oder weniger beschränkt. Bei dem System nach der Erfindung, bei dem die beiden Schleifen I und II vorgesehen sind, kann dementsprechend ein Tiefpaßfilter bei 10 Hz vorgesehen werden.

Die Erfindung kann selbstverständlich auch in Verbindung mit hydraulischen, pneumatischen oder anderen Betätigungsvorrichtungen sowie nicht nur für Dreh-, sondern auch für lineare Bewegungen benutzt werden. Bei allen solchen Anordnungen wird eine zusätzliche Mitkopplungsschleife verwendet, die ein Maß des angelegten Betätigungsgliedantriebs als Eingangsgröße verwendet.

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Claims

München, sch

Patentansprüche

/ 1.j Schaltungsanordnung,

gekennzeichnet durch

ein Summierglied (12) mit einem ersten und einem zweiten additiven Eingang, einem subtraktiven Eingang und einem Ausgang, einen Motor (20), ein erstes Netzwerk (13, 16), das den Ausgang des Summierglieds (12) mit dem Motor (20) verbindet, ein erstes Rückkopplungsglied (30), dessen Ausgang mit dem subtraktiven Eingang des Summierglieds (12) verbunden ist und dessen Eingang auf den Motor (20) anspricht, ein Fühlglied (19) zum Erfassen des vom Motor (20) verbrauchten Stroms, und ein zweites Netzwerk (21, 25), dessen Eingang mit dem Stromfühlglied (19) und dessen Ausgang mit dem ersten additiven Eingang des Summierglieds (12) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine Last (36) und eine zwischen den Motor (20) und die Last (36) geschaltete Antriebsverbindung (32).
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

eine mit dem zweiten Eingang des Summierglieds (12) verbundene Führungssignalquelle (10).
4-, Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das zweite und das erste Netzwerk (21, 25 und 13, 16) ein Übertragungsfunktionsverhältnis haben, wobei <T eine positive Zahl nicht größer als Eins ist.

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5· Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das erste Rückkopplungsglied ein Drehzahlmesser (30) ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Mihlglied einen Widerstand (19)» der mit dem Motor (20) reihengeschaltet ist, und einen mit dem Widerstand (19) verbundenen Verstärker (21) umfaßt.
7. Lastantriebs- und -steuereinrichtung, gekennzeichnet durch

ein Lastbetätigungselement (20) mit einem Eingang und einem Ausgang, einen Signalvergleicher (12) mit einem Führungssignaleingang, einem Gegenkopplungssignaleingang und einem Ausgang, Betätigungselement-Ansteuerglieder (13» 16), die den Ausgang des Signalvergleichers (12) mit dem Eingang des Lastbetätigungselements (20) verbinden, ein Gegenkopplungsglied (30), das den Ausgang des Lastbetätigungselements (20) und den Gegenkopplungssignaleingang des Vergleichers (12) verbindet, eine mit dem Führungssignaleingang des Vergleichers (12) verbundene Mihrungssignalquelle (10), und eine Mitkopplungsstufe (21, 25)» die mit dem Eingang des Lastbetätigungsglieds (20) verbunden ist und die diesem zugeführte Energie erhöht.
8. Einrichtung nach Anspruch 7»
dadurch gekennzeichnet,

daß der Signalvergleicher (12) ferner einen Mitkopplungssignaleingang aufweist, der in bezug auf den Führungssignaleingang additiv ist, und daß die Mitkopplungsstufe (21, 25) einen mit dem Ausgang der Betätigungselement-Ansteuerglieder (13, 16) verbundenen Eingang sowie einen mit dem Mitkopplungssignaleingang des Vergleichers (12) verbundenen Ausgang aufweist.

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