DE2841318C2

DE2841318C2 - Kreiselgerät mit Gasfüllung zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit um zwei Achsen

Info

Publication number: DE2841318C2
Application number: DE2841318A
Authority: DE
Inventors: Gerald Scott Templeton Calif. Bower; Harold David Orinda Calif. Morris; Rex Bredesen Martinez Calif. Peters
Original assignee: Systron Donner Corp
Current assignee: Systron Donner Corp
Priority date: 1977-09-23
Filing date: 1978-09-22
Publication date: 1984-01-19
Also published as: DE2841318A1; FR2404223B1; GB2005411B; GB2005411A; US4147063A; FR2404223A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kreiselgerät mit Gasfüllung zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit um zwei Achsen, mit einem Rahmen, in dem der Kreiselrotor in Form einer Ringscheibe und ein durch eine Nabe und ein Gelenk mit dieser verbundener Motor angeordnet sind, wobei das Gelenk eine relative Schwenkbewegung der Ringscheibe eine ihrer Durchmesserlinien als Schwenkachse zuläut, der Motor mit einer Regelschaltung zur Konstanthaltung der Drehzahl des Kreiselrotors versehen ist, und in dem Rahmen zwei Winkelabgriffe mit 90° Winkelabstand um die Spinachse und mit Abstand von einer als Abgriffsfläche dienenden Flachseite der Ringscheibe angeordnet sind, weiche zwei Ausgangssignale in Abhängigkeit von ihrem Abstand von der Abgriffsfläche liefern, die den Winkelgeschwindigkeiten des Rahmens um jeweils eine von zwei senkrecht zueinander und senkrecht zu der Spinachse angeordneten Achsen entsprechen.

Fin derartiges Kreiselgerät ist bereits durch die DE-AS 20 05 124 bekanntgeworden, nach der zur Vermeidung von Vibrationen bei Verwendung einer an sich bekannten Doppelanschlageinrichtung zur Begrenzung der Neigung des Kreisels die Kanten eines Flansches des Anschlags so angeordnet sind, daß bei ίο entsprechender Neigung des Rotors eine gleichzeitige Berührung der Kanten und des Rotors an gegenüberliegenden Stellen stattfindet. Um dies zu gewährleisten, ist eine außerordentlich sorgfältige und genaue Fertigung erforderlich, da bereits geringe Toleranzen Vibrationen entstehen lassen, die die Betriebssicherheit des bekannten Kreiselgeräts gefährden.

Bei weiterer·, nach der DE-OS 14 73 984 und den US-PS 35 40 289 und 36 78 765 bekanntgewordenen Kreiselgeräten besteht der Nachteil, daß der Skaliehingsfaktor von der jeweiligen Drehgeschwindigkeit des Kreisels abhängt, so daß die Dämpfungskonstante nicht gleichbleibend ist. Hierdurch ist eine gleichbleibende Dämpfung der Vibration über einen variablen Drehzahlbereich nicht möglich. Darüber hinaus sind diese Kreiselgeräte aufgrund ihrer konstruktiven Ausbildung in der Fertigung aufwendig und weisen ein relativ großes Bauvolumen auf.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein

gattungsgemäßes Kreiselgerät zu schaffen, das bei einfachem Aufbau und sehr kleinem Bauvolumen eine konstante Dämpfung aufweist und vorbestimmte Ansprechwerte zweiter Ordnung erzielt.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß eine Dämpfung^einrichtung vorgesehen ist, die eine an der Nabe in naher Nachbarschaft zu der der Abgriffsfläche gegenüberliegenden, als Dämpfungsfläche dienenden Fläche der Ringscheibe mit axialem Abstand angebrachte Dämpfungsplatte aufweist, so daß das Gas in dem Spalt zwischen der Dämpfungsfläche und der Dämpfungsplatte die Dämpfung der relativen Schwenkbewegung zwischen der Ringscheibe und der Nabe bewirkt. Die Dämpfung erfolgt somit durch eine zusätzlich auf den Kreisel wirkende Kraft, wobei die Dämpfungskonstante auch bei variiei enden Drehgeschwindigkeiten konstant bleibt. Das Kreiselgerät kann daher mit oder nahe der Resonanzfrequenz betrieben werden.

Weitere Merkmale der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben und im folgenden anhand des in den Zeichnungen dargestellten Kreiselgerätes näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein dem Kreiselgerät zugeordnetes Kräftediagramm,

Fig.2 das Kreiselgerät in einer Seitenansicht im Schnitt,

F i g. 3 eine Draufsicht auf einen Teil des Kreiselgeräts nach F i g. 2 in Richtung der Pfeile 3-3,

F i g. 4 eine senkrechte Teilschnittansicht der Anordnung nach F i g. 3 in Richtung der Pfeile 4-4,
eo Fig.5 eine Draufsicht auf ein Teil der Anordnung nach F i g. 2 in Richtung der Pfeile 5-5,

Fig.6 ein Schaltbild des Signalkanals für eine Abfühlachse in dem Kreiselgerät,

F i g. 7 ein Blockschaltbild der Zweiachsen-Winkelgef>5 schwindigkeitsabfühlschaltung des Kreiselgerätes,

F i g. 8 ein Diagramm zur Darstellung eines durch den Kreiselrotor im Abgriff erzeugten Fehlersignals,

F i g. 9 ein Diagramm zur Darstellung eines anderen

v-J^a&äi&i

durch den Kreiselrolor im Abgriff erzeugten Fehlersignals,

Fig. IO ein Diagramm zur Darstellung eines Ausgangssignals bei Eingabe einer Winkelgeschwindigkeit um eine Abfühiachse.

Fig. 11 ein Diagramm zur Darstellung eines Ausgangssignals bei Eingabe einer Winkelgeschwindigkeit um eine andere Abfühiachse und

Fig. 12 das Schaltbild der Regelschaltung für den Motor.

Die Eigenfrequenz einer dünnen Scheibe um einen Durchmesset der Scheibe mit verhältnismäßig unbedeutender Federbegrenzung um diesen Durchmesser ist gleich der Rotationsfrequenz um eine Rotationsachse, die senkrecht zu diesem Durchmesser ausgerichtet ist. ι. Dieses setzt voraus, daß die dünne rotierende Scheibe ihre Masse im wesentlichen in der Rotationsebene aufweist, daß das mechanische System sich im ' „wesentlichen wie ein System zweiter Ordnung verhält .^.und daß die das System anregenden Kräfte oder "v'^Momente sinusförmig sind. Dies ergibt sich aus Fig. 1 -i*und den folgenden Beziehungen mit den in F ί g. 1 - enthaltenen Formelsymbolen:

F= ajn = Cu²Rm r>

V-,, F_n = ω² Rm cos Φ Jl = mR²

F, = m\Rm sin Φ ζω, Rm T = F₁R = u>²R²m0 k, = TI Φ = ω] R²m

M ■

ω,, = VkJT, = V ω² R²mlmR² = ω_]

Ferner ist zu beachten, daß ein lineares System zweiter Ordnung mit Dämpfung, das mit seiner !Eigenfrequenz erregt wird, eine Phasenverschiebung von 90° gegenüber der Anregung zeigt. Demzufolge findet die Verschiebung oder Drehung der dünnen Ringscheibe, die durch den Winkel Φ dargestellt wird, bei einer Drehstellung statt, die um 90° gegenüber der z-Achse von der in F i g. 1 gezeigten Stellung versetzt ist. Somit ist der eine Durchmesser in der Stellung /maximaler Auslenkung der Kreisringscheibe theoretisch mit der x-Achse ausgerichtet. Diese Zusammenhänge finden bei dem Kreiselrotor Anwendung wie im Zusammenhang mit der Trägerstruktur und der Ausrichtung der Signalgeneratoren weiter unten erläutert wird.

t In F i g. 2 ist ein Kreiselgerät in einer Seitenansicht im Schnitt dargestellt, das einen innerhalb eines geteilten Gehäuses angebrachten Rahmen 11 enthält. Das Oehäuse weist eine rotorseitige Abdeckung 12 und eine motorseitige Abdeckung 13 auf. Der Rahmen 11 ist in Ümfangsnuten 14, 16 in der rotorseitigen bzw. motorseitigen Abdeckung 12 bzw. 13 angeordnet. Einander gegenüberliegende Flächen 17 und 18 an der rotor- bzw. motorseitigen Abdeckung 12 bzw. 13 weisen bo einen gewissen Abstand zueinander auf, wenn die Flächen der inneren Ümfangsnuten 14, 16 auf den gegenüberliegenden Flächen des Rahmens 11 aufliegen. Gewindebohrungen 19 in einem flanschartigen Teilbereich der rotorseitigen Abdeckung 12 sind Durchgangsbohrungen 21 in dem flanschartigen Teilbereich der motorseitigen Abdeckung 13 zugeordnet. Befestigungselemente, wie beispielsweise Befestigungsschrauben 22.

sind durch die Durchgangsbohrungen 21 geführt und in die Innengewinde der Gewindebuhrungen 19 geschraubt, so daß dadurch die rotorseitige und motorsei· lige Abdeckung 12, 13 unter Aufbringung eines Preßdruckes auf die gegenüberliegenden Flächen des Rahmens 11 zusammengehalten wird. In dieser Weise wird der Rahmen 11 innerhalb der roior- und der motorseitigen Abdeckungen 12 und 13 in seiner Lage fesigehalten.

Der Kreiselrotor 23 ist mil einer Welle 24 verbunden, die von einem Motor 26 ausgehl und von diesem angetrieben wird. Der Motor 26 isi mit seinem einen Ende in eine Ausnehmung 27 im Rahmen 11 eingesei/t und wird darin festgehalten. Mit seinem anderen Ende ist er in eine Ausnehmung 28 in der motorseitigen Abdeckung 13 gehalten. Zwei Stromzuführungsleitungen 29 sind von dem äußeren Ende des Motors 26 ausgehend dargestellt.

, Zwei Abgriffsspulen 31, 32 sinu auf je einem Spulenhalterblock 33,34 angebracht. Jeder der Spulenhalterblöcke 33, 34 ist in Durchgangsbohrungen 36 eingesetzt, die im Rahmen 11 an gegenüberliegenden Seiten in bezug auf die Achse der Welle 24 ausgebildet sind. Die Achse der Welle 24 wird als Spinachse ζ bezeichnet, um die der Kreiselrotor 23 durch den Motor 26 in Rotation versetzt wird. Die Spulenhalterblöcke 33, 34 werden in Durchgangsbohrungen 36 durch je eine Madenschraube 37 gehalten, die in das Innengewinde einer Gewindebohrung 38 eingreift, die sich durch den Umfangsbereich des Rahmens bis zum Auftreffen auf eine jeweilige Durchgangsbohrung 36 erstreckt. Die Abgriffsspulen 31,32 weisen Signalleitungen 39 bzw. 41 auf, die von diesen ausgehen und durch öffnungen 42 in der motorseitigen Abdeckung 13 geführt sind. Die Äbgriffsspulen 31, 32 sind im Abstand von der Abgriffsfläche 43 auf dem Kreiselrotor 23 angeordnet.

F i g. 3 zeigt die Abgriffsfläche 43 auf dem Kreiselrotor 23. Die Abgriffsfläche 43 befindet sich auf einer Ringscheibe 44. Der Kreiselrotor 23 weist eine mittig angeordnete Nabe 46 mit einer Bohrung 47 auf, die zur Aufnahme und Befestigung der Rotorwelle 24 dient. Eine Feder 48 verläuft zwischen der Nabe 46 und der Ringscheibe 44. Die Feder 43 weist flache Biegeabschnitte 49 auf, die an gegenüberliegenden Seiten in bezug auf den Kreiselrotor 23 liegen. Die Ringscheibe 44 kann sich nur durch die Feder 48 begrenzt frei um die senkrechten Achsen in bezug auf die Nabe 46 nach F i g. 3 bewegen, wenn die flachen Biegeabschnitte 49 ausgelenkt werden.

Die Nabe 46 besitzt zwei diese durchsetzende Ausnehmungen, die durch die einander rechtwinklig schneidenden Kanten 51, 52 gebildet werden. Die einander schneidenden Kanten 51, 52 sind somit nicht nur in einem Winkel von 90° gegeneinander versetzt, sondern auch unter einem Versetzungswinkel von 45° gegenüber der einen Durchmesserachse angeordnet, die eine freie Bewegung der Ringscheibe 44 in bezug auf die Nabe 46 gestattet.

Fig.4 zeigt den Kreiselrotor 23 im Schnitt. Die Ringscheibe 44 ist aus zwei ringförmigen Scheiben 44a, 44b gebildet, die an entgegengesetzten Seiten eines Umfingsteilbereichs der Feder 48 angeordnet sind. Die Abgriffsfläche 43 ist auf der freiliegenden Seite des scheibenförmigen Rotorelementes 446, die Dämpfungsfläche 43 auf der freiliegenden Fläche des scheibenförmigen Rotorelementes 446 dargestellt. Die Nabe 46 ist ebenfalls aus Elementen 46a, 46b hergestellt, die auf gegenüberliegenden Seiten eines mittigen Teilbereichs

der Feder 48 angeordnet sind. Ein Abstandsstück 54 ist in der Nähe einer Seite der Nabe 46 dargestellt und dient zur Schaffung eines Abstandes zwischen einer Dämpfungsplatte 36 und der Dämpfungsfläche 53, wodurch ein Dämpfungszwischenraum bei 57 ausgebildet wird. Ein Nabenträger 58 ist an der Außenseite der Dämpfungsplatte 56 befestigt. Eine Bohrung 47 durchsetzt mittig den gesamten Kreiselrotor 23.

Benachbarte Oberflächen in der Anordnung der aufeinandergelegten Elemente des Kreiselrotors 23 sind durch ein geeignetes Klebemittel miteinander verbunden. Das Nabenelement 46a ist aus demselben dünnen Blechmaterial wie das scheibenförmige Rotorelement 44a hergestellt. In gleicher Weise wird das Nabenelement 466 in demselben dünnen Blech ausgebildet wie das scheibenförmige Rohrelement 44b. Da bei dieser Ausführungsform die Feder 48 ein durchgehendes Bauteil ist, das von der Mitte bis zum Umfang des Kreiselrotors 23 verläuft, muß die Dicke der Nabe 46 und der Ringscheibe 44 im wesentlichen dieselbe sein. Daher kann der Zwischenraum 57 durch die Auswahl einer vorbestimmten Dicke des Abstandsstückes 54 genau festgelegt werden. Da die Eigenfrequenz der Ringscheibe 44 um die diametrale, durch die flachen Biegeabschnitte 49 verlaufende Achse seines Freiheitsgrades im wesentlichen dieselbe ist wie die Rotationsfrequenz der Ringscheibe 44 um die Spinachse ζ von Motor und Rotor, hängt der Skalierungsfaktor des Zweiachsen-Winkelgeschwindigkeitsfühlers von der Dämpfungskonstanten ab. Der Skalierungsfaktor ist eine Funktion des Verhältnisses des Trägheitsmomentes des Rotors um eine der diametralen Achsen seines Freiheitsgrades zu der Dämpfungskonstanten. Somit ergibt eine sorgfältige Auswahl der Dämpfungskonstanten eine vorbestimmte Ansprechamplitude oder einen vorbestimmten Skalierungsfaktor, während dieselbe Phasenverzögerung von im wesentlichen 90° beim Ansprechen des Rotors in bezug auf Winkelgeschwindigkeitseingaben aufrecht erhalten wird. Dies ist wesentlich, da die Lage um die Spin--chse ζ herum von Bedeutung ist. um ein maximales Signal zu erhalten. Dieses wird erzielt, v'enn maximale Verschiebungen zwischen den Abgriffsspulen und der Abgriffsfläche 43 der Ringscheibe 44 für eine eingegebene Winkelgeschwindigkeit um eine der vorgegebenen Eingabeachsen erhalten werden.

In F i g. 5 ist dk Lage der verschiedenen Abgriffsspulen im Rahmen 1 ί dargestellt. Die Abgriffsspulen 31 und 32 sind in den Positionen dargestellt, die sie in Fig.2 einnehmen. In dem Fall, wo die beiden vorbestimmten Eingabeachsen um die Winkelgeschwindigkeiten gemessen werden sollen, so gewählt sind, daß sie um 90° zu der Spinachse ζ versetzt sind, wird, wie in Fig.5 gezeigt, ein zweites Paar von Abgriffssputen 59 und 61 angeordnet. Die Abgriffsspulen 59 und 61 werden in dem Rahmen 11 in einem gewissen Abstand von der Abgriffsfläche 43 auf dem Kreiselrotor 23 in derselben Weise wie die Abgriffsspulen 31 und 32 angebracht. Eine Abgriffsspule 62 für die Rotorstellung befindet sich in einer Winkellage von 45°, von den durch die Abgriffsspulen 31, 32 und 59, 61 gehenden Achsen aus gesehen. Die vier Abgriffsspulen 31, 32, 59, 61 werden zu Beginn des Zusammenbaus in den richtigen Abstand zur Abgriffsfläche 43 durch axiale Lageänderung des Kreiselrotors 23 auf der Motorwelle 24 gebracht. Anschließend daran v/ird der Kreiselrotor 23 an der Welle 24 mittels einer nicht dargestellten Madenschraube oder eines anderen Mittels, wie beispielsweise einer geeigneten Klebverbindung fixiert. Gleichzeitig wird die Abgriffsspule 62 für die Rotorstellung in den richtigen Abstand von der Oberfläche der Nabe 46 gebracht. Der Abstands-Feinabgleich der Abgriffsspulen 31, 32 und 59, 61 gegenüber der Abgriffsfläche 43 wird durch axiale Lageänderung der Spulenhalterblöcke 33, 34 und entsprechender Spulenhalterblöcke für die übrigen Abgriffsspuleh erhalten, auf denen die Abgriffsspulen 59,61 montiert sind. Madenschra"ben 37 werden zur Anlage an den einzelnen Spulenhalterblöcken gebracht, um die einmal abgeglichene Stellung der jeweiligen Abgriffsspule zu fixieren. In ähnlicher Weise wird die Abgriffsspule 62 für die Rotorstellung einem Feinabgleich ihres Abstandes gegenüber der benachbarten Fläche der Nabe 46 der Ringscheibe 44 unterzogen. Die Abgriffsspule 62 für die Rotorstellung befindet sich in der Entfernung eines solchen bestimmten Halbmessers von der Spinachse z, daß die einander schneidenden Kanten 51, 52 durch deren Ebene treten. Nach dieser Ausführungsform nähert sich das Ausgangssignal von der Abgriffsspule 62 für die Rotorstellung einer Rechteckwelle mit der doppelten Rotorfrequenz, wenn die Nabe 46 und die darin befindlichen Ausnehmungen die Stirnseite der Abgriffsspuie 62 nacheinanderfolgend beim Umlauf des Rotors passie-

ren.

Beim Auftreten einer Winkelgeschwindigkeit um die x-Achse, die als «2 in F i g. 5 zu sehen ist, und bei der Rotation der Ringscheibe 44 um die Spinachse ζ wird theoretisch die Ringscheibe 44 versuchen, sich um eine Achse zu drehen, die sich entlang eines Rotordurchmessers durch die flachen Biegeabschnitte 49 der Feder 48 erstreckt. Es ist auch möglich, andere Mittel zur Lagerung der Ringscheibe 4^ auf der Nabe 46 zur Rotation um einen Durchmesser vorzusehen, so beispielsweise radial verlaufende Torsionsfedern, Drehzapfen geringer Reibung od. dgl. Bei einer Eingabe um die x-Achse verliert die Ringscheibe 44 ihre feste Stellung, so daß sie sich um die durch die Biegeabschnitte 49 gehende Achse dreht, während die Achse mit der y-Achse ausgerichtet gewesen ist. Wie oben für lineare Systeme zweiter Ordnung und sinusförmige Eingaben erläutert, erfolgt die Bewegung der Ringscheibe 44 um die Achse oder einen Durchmesser der Ringscheibe 44 um 90° später bei der mit der x-Achse ausgerichteten Achse. Daher befinden sich die Abgriffsspulen 31 und 32 in der Stellung zur Abfühlung der größten Abstandsänderung gegenüber einer ungestörten Lage zwischen der Abgriffsfläche 43 und den Abgriffsspulen für Winkelgeschwindigkeitseingaben um die x-Achse. In der Praxis erkennt man jedoch, daß der Nacheilungswinkel gegenüber der x-Achse, wo sich die Abgriffsfläche 43 am Ort maximaler Abstandsänderung gegenüber der ungestörten Abstandslage gegenüber den Abgriffsspu-

len 31 und 32 befindet, nicht genau um 90° zur x-Achse nacheilt. Infolgedessen kann die Gesamtanordnung der Abgriffsspulen gegenüber einer vorgegebenen Eingabeachse durch die rotor- Und motorseitige Abdeckung 12 und 13 derart gedreht werden, daß die Abgriffsspulen unter einem Winkel gegenüber der zur Eingabe vorgesehenen x-Achse angeordnet sind, wo eine maximale Abstandsänderung zwischen den Abgriffsspulen 31 und 32 und der Abgriffsfläche 43 festgestellt werden kann. Die vorstehende Erläuterung gilt ebenso für eine Eingabe um die y-Achse nach F i g. 5, wobei das anzeigende Signal durch die Abgriffsspulen 59 und 61 erzeugt wird. Eine andere Ausführungsform zur Erzielung des vorgenannten, auf seinen Höchstwert

gebrachten Signals für Winkelgeschwindigkeitseingaben besteht darin, die erfindungsgemäßen Einrichtungen auf maximale Ausgangssignale für gegebene Winkelgeschwindigkeitseingaben zu testen und anschließend die Achsen der höchsten Empfindlichkeit auf der Außenseite der rotor- Und motorseitigen Abdeckungen 12,13 oder auf einer anderen verfügbaren äußeren Struktur zu markieren. In dieser Weise wird die Achse der höchsten Empfindlichkeit zum Einsatz beim späteren Einbau gekennzeichnet. Aus der Gestalt der !Nabe 46 und der Position der Abgriffsspule 62 für die Rotorstellung folgt ebenfalls, daß ein die Rotorstellung anzeigendes Ausgangssignal erzeugt wird, das in seiner Form eine Rechteckwelle ist, die um 90° (elektrisch) den Ausgangssignalen von den Abgriffsspulen 31, 32 nacheilt und den Ausgangssignalen von den Abgriffsspulen 59, 61 um 90° (elektrisch) voreilt. Diese Phasenbeziehungen für die Signalaufbereitungsschaltung können verändert werden.

Das elektrische Schaltbild nach F i g. 6 zeigt zwei Abgriffsspulen 31,32, die den Abgriffsspulen 31 und 32 aus F i g. 2 und F i g. 5 entsprechen. Die Abgriffsspulen 31 und 32 liefern Ausgangssignale, die den Abstand zwischen den Spulen und der Abgriffsfläche 43 anzeigen; diese Ausgangssignaie werden zu den Detektoren 63 bzw. 64 geleitet. Die Detektoren 63 und 64 sind derart ausgebildet, daß die Ausgangssignale von entgegengesetztem Vorzeichen (gegenphasig) sind. Jedes Ausgangssignal wird durch einen Kondensator CX bzw. C2 geglättet, um die Erregungsfrequenz des Abgriffs zu beseitigen. Anschließend werden die Signale im Summier-Widerstandsnetzwerk mit R 1 und R 2 addiert. Ein aus einem Widerstand /?3 und einem Kondensator Ci bestehendes Hochpaßfilter wird zur Unterdrückung von Gleichspannungs-Fehlersignalen und zur Einkopplung des AuFgangssignals von den Summierwiderständen R 1 und R 2 in eine Multiplikations- oder Mischstufe 66 eingesetzt. Ein Bezugsfrequenz-Eingangssignal, das eine Funktion der Rotationsfrequenz ist, wird an die Mischstufe 66 geliefert. Das Ausgangssignal der Multipiikations- oder Mischstufe 66 wird zu einem Tiefpaßfilter 67 geleitet, das seinerseits ein Äusgangssignai erzeugt, das einer Signalaufbereitungsschaltung 68 zur Erzeugung eines Ausgangssignals zugeführt wird, das die Winkelgeschwindigkeitseingabe um die x-Achse nach Fig.5 anzeigt. Die Art der Erzeugung des Signals zur Anzeige der Winkelgeschwindigkeit um die y-Achse nach F i g. 5 entspricht der oben für die x-Achse erläuterten Art.

Fig.7 ist ein Blockschaltbild, das die vier, im bestimmten Abstand zu der Abgriffsfläche 43 auf der Ringscheibe 44 angeordneten Abgriffsspulen 31,32, 59, 61 zusammen mit einer Abgriffsspule 62 für die Rotorstellung zeigt, wobei alle diese Spulen Ausgangs-, signale liefern. Die Signalabgabe erfolgt wie oben beschrieben, wobei ein Summiernetzwerk 69 das Netzwerk mit den Summierwiderständen R 1 und R 2 nach Fig.6 darstellt. Schaltungsmittel zur Unterdrükkung von Gleichspannungs-Fehlersignalen, wie beispielsweise das Hochpaßfilter 71, sind zur Aufnahme des Ausgangssignales mit dem Summiernetzwerk 69 verbunden und lassen ein höheres Frequenzband als erstes Eingangssignal zu der Mischstufe 66 durch. Das Ausgangssignal von der Abgriffsspule 62 für die Rotorstellung wird einem Bezugssignalgenerator 72 zugeleitet, der zwei Ausgangssignaie /ι(ωι) und ί₂(ωή erzeugt. Wie oben beschrieben wird das Ausgangssignal /i(coi) auf die Mischstufe 66 geleitet.

Die Signalkanäle für das y-Achsen-Ausgangssignal entsprechen den Signalkanälen für die x-Achsen, dabei sind die Abgriffsspulen 59 und 61 mit Detektoren 73 bzw. 74 verbunden, die ein nicht invertiertes und ein invertiertes, gleichgerichtetes Signal erzeugen, die beide in einem weiteren Summiernetzwerk 76 summiert werden. Es ist ein weiteres Hochpaßfilter 77 zur Unterdrückung von Gleichspannungs-Fehlersignalen vorgesehen, das den höheren Frequenzbereich als Ausgangssignal zu einer weiteren Mischstufe 78 durchläßt. Dieser weiteren Mischstufe 78 wird das Ausgangssignal /2(0)1) vom Bezugssignalgenerator 72 zugeleitet. Die Mischstufe 78 erzeugt ein Ausgangssignal, das einem weiteren Tiefpaßfilter 79 zugeführt wird, das höherfrequente Fehlersignale unterdrückt und den unteren Frequenzbereich für die Signalaufbereitungsschaltung 81 durchläßt. Ein Ausgangssignal als Anzeige für die Winkelgeschwindigkeitseingaben um die /-Achse nach Fig. 5 wird durch die Signalaufbereitungsschaltung 81 geliefert. In dieser Weise werden die Ausgangssignale für die x-, wie auch für die y-Achse gewonnen.

Wie oben erwähnt, sind die gleichgerichteten Ausgangssignale aus den Detektoren 73 und 74 zueinander gegenphasig. In gleicher Weise werden die Ausgangssignale aus den Detektoren 63 und 64 derart erzeugt, daß das eine Signal gegenüber dem anderen invertiert ist. F i g. 10 zeigt die Ausgangssignale von den Detektoren 63 und 64 als Funktion des Winkels der Achse in bezug auf die .v-Achse. Die gleichgerichteten Ausgangssignale aus den Detektoren 73 und 74 werden in F i g. 11 gezeigt, wobei die Achse 360° (mechanisch) durchläuft. Nach der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung werden diese beiden Paare von Ausgangssi-

Vi gnalen nach Fig. 10 und Fig. 11 in den Summiernetzwerken 69 bzw. 76 summiert zur Verbesserung des Amplitudenverlaufs des daraus gewonnenen Ausgangssignals. Bestimmte, durch Gleichspannungsverschiebungen oder Unsymmetrie in den einzelnen Abgriffskanälen bedingte, in das summierte Signal gelangte Fehlergleichspannungen werden in den Hochpaßfiltern 71 und 77 beseitigt, und das resultierende, bereinigte Signa! wird auf die Mischstufen 66 bzw. 78 geschaltet.

Aufgrund des Aufbaus des Zweiachsen-Winkelgeschwindigkeitsfühlers können mehrere Fehlersignalqueilen, ebenso wie die oben erwähnte Gleichspannungs-Fehlerquelle, vorhanden sein. So kann es beispielsweise sein, daß sich der Rotor nicht in einer Ebene dreht, die genau senkrecht zur Rotationsachse ζ lieg», oder genau parallel zu der Ebene, in der die Abgriffsspulen 31,32 und 59,61 liegen. In einer solchen Situation erscheint eine Flatter- oder Wobbeifrequenz in dem Signal mit der Rotationsfrequenz ω\. Dies wird aus Fig.8 ersichtlich, wo man einen gleichgerichteten Wobbelfehler in den Ausgangssignalen der Detektoren erkennen kann, mit einer Amplitude, die eine Funktion der Winkellage zu den Achsen ist. Eine Schwingung tritt für jede Umdrehung um die Achse auf. Dies ist ein vorherrschender Fehleranteil, der teilweise durch die 'Hochpaßfilter 71 und 77 beseitigt wird, die die Signalfrequenz 2 ωι besser durchlassen, sowie teilweise durch die Tiefpaßfilter 67 und 79, die, wie im weiteren beschrieben, die Ausgangssignale der Mischstufen 66,78 aufnehmen,

Ein anderer Fehler in den Ausgangssignalen wird durch die gewölbte Form der Ringscheibe 44 verursacht. Daraus ergibt sich ein Fehlersignal mit einer Frequenz, die doppelt so hoch wie die Rotationsfre-

ίο

quenz oder gleich 2 a>\ ist, wie aus F i g. 9 ersichtlich. Die durch die Wölbung der Ringscheibe 44 verursachten Fehlersignale sind an den einander gegenüberliegenden Seiten der Spinachse ζ liegenden Abgriffsspulen gleichphasig, weil der Effekt dieser Wölbung der ^Ringscheibe 44 den Abstand bei demselben Kanal, auf gegenüberliegenden Seiten der Spinachse zugeordneten Abgriffspulen synchron erhöht und vermindert.

Aufgrund der Wölbung der Ringscheibe 44 sind die Fehlersignalanteile von der doppelten Spin- oder Rotationsfrequenz aufgrund einer Wobbelung oder Flatterns des Rotors, sowie Gleichspannungsfehlersignale aufgrund von Spannungsverschiebungs- und Unsymmetriefehlern, und bei einigen höheren Harmonischen der Frequenzen des gewölbten oder flatternden Rotors. Der Fehlereinfluß der Wölbung der Ringscheibe wird durch Inversion des Signals bei einem der Detektoren in den zueinander parallelen Signalkanälen für jede Achse beseitigt, diese Signale bauen sich für jede Achse an den Summiernetzwerken 69 und 76 auf. Wie oben erwähnt, werden die Gleichsspannungs-Fehlersignale durch die Hochpaßfilterung und -kopplung ■ der summierten Signale von den Summiernetzwerken 69 und 76 zu den Mischstufen 66 bzw. 78 beseitigt. Die an den Ausgängen der mit den Mischstufen 66, 78 verbundenen Hochpaßfilter 71 und 77 vorhandenen Frequenzen sind in erster Linie die verbleibende Wobbel- oder Flatterfrequenz mit der Rotationsfrequenz Wi und das Meßsignal mit der doppelten Rotationsfrequenz 2 Wi, das aus den Winkelgeschwindigkeitseingaben um die x- und um die /-Achse resultiert.

Ein Ausgangssignal einer Multiplikations- oder Mischstufe enthält die Summe der beiden Eingangsfrequenzen und die Differenz dieser beiden Eingangsfrequenzen. Bei der vorliegenden Ausführungsform liefert der Bezugssignalgenerator 72 die Ausgangsfrequenzen von der doppelten Rotationsfrequenz 2 coi, mit vorbestimmten Phasenbeziehungen, diese Signale dienen als schaltende oder durchsteuernde Signale in den Mischstufen 66 und 78 und ergeben die Summen- und Differenzfrequenzen im Ausgangsspektrum, das man bekanntlich bei Schaltungen dieser Art erhält. Da die Eingangssignale zu den Mischstufen 66 und 78, die von den Hochpaßfiltern 71 und 77 stammen, in erster Linie die Frequenzen 0)\ und 2 coi enthalten, und weil nach dieser Ausführungsform die Ausgangssignale /Ί(ωι) und Z₂(Wi) bei 2 ω\ liegen, enthält das Ausgangsspektrum der Mischstufe 66, 78 ein Meßsignal in der Form einer Gleichspannung, primäre Störsignale bei o>i und 3 ωι und zusätzliche Störsignale beim Doppelten, Dreifachen, Vierfachen und Fünffachen der Rotationsfrequenz, mit geringem Gehalt an Harmonischen höherer Ordnung.

Daher erscheinen die Summen- und die Differenzfrequenz in einem Spektrum, das das Gleichspannungs-Meßsignal einschließt. Die Tiefpaßfilter 67 und 79 empfangen die Signalspektren aus den Mischstufen 66 und 78 und sind mit einer Videobandbreite von etwa 30 Hz ausgelegt, die im wesentlichen alle Frequenzen h*i der Rotationsfrequenz und darüber beseitigt, die im allgemeinen beträchtlich höher als 30 Hz sind. Somit 'wird die vorherrschende Fehlerfrequenz a>\ zum zweiten Mal behandelt und im wesentlichen durch die Tiefpaßfilter unterdrückt, die die Meßsignale unbeeinträchtigt durchlassen. Eine bestimmte Durchlaß-Bandbreite ist wegen des zusätzlichen Mischeffektes in der erfindungsgemäßen Einrichtung selbst erforderlich, wo die eingegebene Winkelgeschwindigkeit eine Frequenz haben kann. Die daraus resultierenden Summen- und Differenzfrequenzen von Bedeutung liegen unter 30 Hz. So erhält man Ausgangssignaie aus den Tiefpaßfiltern 67 und 79, die im wesentlichen frei von Fehlersignalen infolge elektrisch und mechanisch erzeugter Störspannungen sind und die nachfolgend, wie gewünscht, für die Darstellung als Winkelgeschwindigkeits-Ausgangsmeßwerte für Winkelgeschwindigkeitseingaben um die x- und die/-Achse aufbereitet werden.

Die oben erwähnten vorbestimmten Phasenbeziehungen in den Ausgangssignalen /ι(ωι) und /ϊ(ωι) sind aus Fig. 10 und 11 ersichtlich. Der Bezugssignalgenerator 72 verschiebt die Ausgangsspannung Λ(ωι) um 90°, elektrisch voreilend, und die Ausgangsspannung /2(0)1) um 90°, elektrisch nacheilend. Somit ist /Ί(ωι) in Phase mit der Summe aus den beiden Signalen aus den Detektoren 63 und 64 nach Fig. 10, und das Ausgangssignal /2(0)1) ist in Phase mit der Summe zweier Signale von den Detektoren 73 und 74 nach F i g. 11. So wird eine einwandfreie Mischung in den Mischstufen 66 und 78 erhalten, wenn die Bezugssignale /i(coi), fiu>\) darin die Durchsteuerung bewirken.

Aus dem bisher Gesagten wird klar, daß irgendeine Art der Regelung für die Winkelgeschwindigkeit bei der Welle 24 notwendig ist, weil die Schaltungen für die Signale einige frequenzempfindliche Bestandteile enthalten. Ist die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors um die .z-Achse niedrig, so gestaltet sich die Trennung der Rotationsfrequenz von der Meßfrequenz in den Tiefpaßfiltern 67 und 79 schwierig. Ist die Rotationsgeschwindigkeit der Rotorwelle 24 hoch, so besteht die Möglichkeit von Ausfällen im Motor 26. In Fig. 12 ist eine Ausführungsform einer Sc'ialtung zur Regelung der Geschwindigkeit des Motors 26 gezeigt. Dies kann auch anders in der Weise ausgedrückt werden, daß das vom Motor 26 an der Welle 24 aufgebrachte Drehmoment derart sein soll, daß die Rotationsgeschwindigkeit der Welle 24 für wechselnde, auf diese gebrachte Belastungen im wesentlichen konstant gehalten wird.

In dem Fall, wo der Motor 26 ein Gleichstrommotor ist, ist es wünschenswert, eine konstante Gegen-EMK an den Motoranschlüssen aufrechtzuerhalten. Eine konstante Gegen-EMK bedeutet eine konstante Motordrehzahl. Zum Erreichen dieses Ziels ist es angebracht, eine negative Impedanz in Reihe mit dem Innenwiderstand des Motors einzuführen, zum Zwecke der Kompensation des Innenwiderstandes des Motors 26. In dieser Weise verhindert man bei Änderung der Spannung an den Anschlüssen des Motors 26 infolge von Laständerungen die Änderung der Gegen-EMK und hält damit die Drehgeschwindigkeit der Welle 24 konstant. Rückkopplung ist eine Methode zur Erzielung eines negativen Widerstandes. Es ist eine Rückkopplung wünschenswert, die gerade hinreicht, und der Übergang der Anordnung in den Schwingungszustand verhindert wird. Den Maßnahmen zum Erreichen dieses Zieles geht die Messung der Motorkennwerte, wie Drehzahl/Spannungskennlinie, Innenwiderstand der Motorwicklung und Klemmenspannung des leerlaufenden Motors voraus, diese Klemmenspannung stellt für praktische Zwecke die Gegen-EMK des Motors dar. Damit ist der Innenwiderstand RSnes Motors 26 bekannt, und es wird ein Nachbildungswiderstand RM gewählt, um zu berücksichtigen, wieviel Leistung in dem Motor verbraucht werden kann. Im allgemeinen sind niedrige Leistungsverluste wünschenswert, daher wird der Nachbildungswiderstand RM klein angesetzt. Der

ilnnenwiderstand RS des Motors 26 wird zwischen den ^Ausgang eines Verstärkers 82 und dessen nichtumkehrenden Eingang geschaltet und bildet damit eine Impedanz in einem Rückkopplungsweg. Das Widerstandsverhältnis RS: RM ergibt einen Bezugswert für das Impedanzverhältnis RV : R 2'. Der Widerstand R V liegt im Gegenkopplungspfad, vom Ausgang des Verstärkers 82 zu seinem invertierenden Eingang, und der Widerstand R 2' ist ebenfalls mit dem invertieren-R den Eingang verbunden. Somit wird über den Widerstand R V eine Gegenkopplung für den Verstärker 82 g' derart geschaffen, daß die Schleifenverstärkung gleich g|dem Verhältnis des Motorinnenwiderstandes RS zum S Nachbildungswiderstand RM plus 1 ist oder: RS/ f(RM+\). Der Summand 1 ist erforderlich, weil ein U

gewisser Spannungsabfall über den Nachbildungswiderstand RM infolge eines vom Motor durch diesen zu einem Bezugsspannungspegel hin fließenden Stromes vorhanden ist, wie in F i g. 12 dargestellt. Eine Spannung Ei zur Steuerung des Motors 26 wird an den umkehrenden Eingangsanschluß des Verstärkers 82 gelegt. Mit den richtigen Widerstandswerten in der brückenartigen Schaltung nach Fig. 12 ist die Gegen-EMK nunmehr gleich der Steuerspannung Ei,

ίο multipliziert mit der Schleifenverstärkung, was als der Fall der Impedanz »Null« am Motor26 definiert wird.

Für zwei Ausführungsbeispiele w'erden nachfolgend zwei Gruppen von Widerstandswerten für den Betriebsfall angegeben, die mit einem verfügbaren Gleichstrom- motor verwendet worden sind:

RTJ

RV RS

RM

Verstärkung

$ Ausfuhrungsbeispiel 1: 10 kü

κ, Ausfuhrungsbeispiel 2: 10 kO

110 kü

loo kn 100 Ω
100 Ω

10 Ω
11,11 Ω

11 fach

Die vorgenannten Werte ergeben gerade eine ! hinreichende Rückkopplung, um unter Berücksichtigung i des Spannungsabfalls am Nachbildungswiderstand RM Schwingungen im System zu vermeiden. Die Schaltung nach F i g. 12 greift den durch den Motor 26 fließenden Strom am nicht umkehrenden Eingang des Verstärkers 82 ab und veranschaulicht,· wie eine Rückkopplung und eine Gegenkopplung zur Regelung der Rotationsgeschwindigkeit des Motors 26 durch Regelung des Drehmoments an der Motorwelle 24 eingesetzt werden kann.

Hierzu 3 Blaii Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kreiselgerät mit Gasfüllung zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit um zwei Achsen, mit einem Rahmen, in dem der Kreiselrotor in Form einer Ringscheibe und ein durch eine Nabe und ein Gelenk mit diener verbundener Motor angeordnet sind, wobei das Gelenk eine relative Schwenkbewegung der Ringscheibe um eine ihrer Durchmesserlinien als Schwenkachse zuläßt, der Motor mit einer Regelschaltung zur Konstanthaltung der Drehzahl des Kreiselrotors versehen ist und in dem Rahmen zwei V/inkelabgriffe mit 90° Winkelabstand um die Spinachse und mit Abstand von einer als Abgriffsfläche dienenden Flachseite der Ringscheibe angeordnet sind, welche zwei Ausgangssignale in Abhängigkeit von ihrem Abstand von der Abgriffsfläche /liefern, die den Winkelgeschwindigkeiten des Rah-'mens um jeweils eine von zwei senkrecht zueinander und senkrecht zu der Spinachse angeordnete Achsen entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dämpfungseinrichtung (53,56) vorgesehen ist, die eine an der Nabe (46) in naher Nachbarschaft zu der der Abgriffsfläche (43) gegenüberliegenden, als Dämpfungsfläche (53) dienenden Fläche der Ringscheibe (44) mit axialem Abstand angebrachte Dämpfungsplatte (56) aufweist, so daß das Gas in dem Spalt (57) zwischen der Dämpfungsfläche (53) und der Dämpfungsplatte (56) die Dämpfung der relativen Schwenkbewegung zwischen der Ringscheibe (44) und der Nabe (46) bewirkt.

2. Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (46) eine Ausnehmung aufweist, durch welche das sie umgebende Gas mittels der Zentrifugalkraft aufgrund der Drehung des Kreiselrotors (23) durch den Spalt (57) gepumpt und dadurch die Dämpfung der relativen Schwenkbewegung der Ringscheibe (44) unterstützt wird.

3. Kreiselgerät nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe, Ringscheibe und Dämpfungseinrichtung eine Baugruppe in Form eines Ringscheibenpakets bilden, in welchem die Verbindung zwischen Nabe (46) und Ringscheibe (44) in Form einer ringscheibenförmigen Feder (48) enthalten ist. die an sich gegenüberliegenden Randbereichen flache Biegeabschnitte (49) aufweist, deren eines Ende mit der Nabe und deren anderes Ende mit der Ringscheibe verbunden ist.