DE2907686A1

DE2907686A1 - Geschwindigkeitsregler fuer ein gyroskop

Info

Publication number: DE2907686A1
Application number: DE19792907686
Authority: DE
Inventors: Melville D Mcintyre
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1978-07-24
Filing date: 1979-02-27
Publication date: 1980-02-07
Also published as: GB2028538A; FR2432186A1; JPS5518991A; IT7948136A0; US4269073A

Description

The Boeing Company, Seattle, Washington, V.St.A.

Geschwindigkeitsregler für ein Gyroskop

Die vorliegende Erfindung "betrifft Gyroskope und insbesondere Regelungen für die Drehgeschwindigkeit der drehenden Masse eines Kreiselmotors derart, daß die Eigendrehgeschwindigkeit im Inertialraum konstant bleibt.

Kreisel werden in der Navigations- und Regelsystemen häufig verwendet, um Informationen über die Bewegungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs, auf dem sie angeordnet sind, um drei zueinander rechtwinklige Achsen zu liefern, die normalerweise als Gier-, Soll- und Uickachse bezeichnet werden. Abhängig von der erforderlichen Genauigkeit reichen die Kreisel von verhältnismäßig

909886/0577

■billigen Ausführungen geringer Genauigkeit "bis zu verhältnismäßig teuren Präzisionskonstruktionen. Unabhängig von ihren Kosten und ihrer Genauigkeit weisen die meisten derzeit verfügbaren Wendefühler eine sich um die Eigenachse drehende Masse auf. Die drehende Masse eines Wendekreisels läßt sich mit einem Servomotor fortwährend mit einem Drehmoment derart beaufschlagen, daß ihre Drehachse relativ zu einem festen Bezugsort fest gehalten wird - bspw. einer Plattform in einem Plattform-Inertiallenk- und Navigations system bzw. dem Fahrzeug in einem fahrzeugfesten Inertial-Lenk- und -navigationssystem. In beiden Systemen muß, wenn Kreisel in einem Weitstrecken-Navigationssystem - wie bspw. in Langstreckenflugzeugen - eingesetzt werden, der Maßstabsfaktor des Drehmomenterzeugers im Servomotor extrem stabil und genau bekannt sein; die erforderliche Genauigkeit liegt bei wenigen Teilen pro Million. Der Maßstabsfaktor ist invers proportional der Eigendrehgeschwindigkeit (Drehimpuls) der drehenden Kreiselmasse. In diesem Zusammenhang bezeichnet die Eigendrehgeschwindigkeit die Winkelgeschwindigkeit des Kreisels im Inertiairaum, nicht bezüglich des Fahrzeugs. Damit also der Maßstabsfaktor des Drehmomenterzeugers extrem stabil und genau bekannt ist, muß entweder die Drehgeschwindigkeit der drehenden Masse im Inertialraum in allen Zeitpunkten genau bekannt sein oder vorzugsweise sehr konstant gehalten werden.

In einer typischen Kr ei sei anordnung, wie sie bspw. in Inertial-Navigationssystemen für Plugzeuge verwendet werden, wird

909886/0577

das Kreiselrad bzw. die drehende Masse direkt mit einem Mehrphasen-Sjnchronmotor angetrieben. Dabei ist der Ständer dieses Motors, der die Ankerwicklung aufweist, im Kreiselgehäuse angeordnet. Auf herkömmliche Weise werden die Ankerwicklung aus einem sehr stabilen Frequenzgenerator erregt und erzeugen ein Drehfeld, dem das Läuferfeld folgt. Das Kreiselrad dreht also mit der gleichen Geschwindigkeit wie das von den Ankerwicklungen erzeugte Drehfeld (es besteht natürlich ein Lastwinkel 0 zwischen dem Läuferfeld und dem drehenden Feld der Ankerwicklungen).Da die Geschwindigkeit des drehenden Feldes relativ zu den Ankerwicklungen gilt, die im Kreiselgehäuse sitzen, und da die Geschwindigkeit des drehenden Magnetfeldes proportional der Frequenz der Mehrphasen-Frequenzquelle ist, \iri.rd, wenn man die Frequenz dieser Quelle sehr genau auf einem bekannten Wert hält, die Geschwindigkeit des Kreiselrads auf einem sehr stabilen bekannten Wert im Inertialraum gehalten. Dies gilt natürlich nur, wenn das Kreiselgehäuse und damit die Ankerwicklungen nicht um die Drehachse des Kreisels drehen. Verursacht die Bewegung des Fahrzeugs eine Drehung des Kreiselgehäuses um die Kreiseldrehachse, zeigt die Kreiselgeschwindigkeit die Tendenz, bezüglich des sich bewegenden Fahrzeugs, nicht bezüglich des Inertialraums konstant zu bleiben.

In Plattform-Inertiallenk- und -navigationssystemen ist eine Drehung des Kreiselgehäuses um die Kreiseldrehachse vermieden, da die Plattform, auf der die Kreisel angebracht sind,

909886/0577

im Inertialraum festliegt. Dieser Vorteil von Plattformsystemen gilt aber nicht für fahrzeugfeste ("strapdown") Systeme, da diese keine im Inertialraum festbleibende Plattform aufweisen. Vielmehr sind in solchen Systemen die Kreiselgehäuse fest mit dem Fahrzeugkörper verbunden und die Kreiseldrehachsen müssen der Fahrzeugbewegung folgen. Wenn also das Fahrzeug sich um die Drehachse eines der Kreisel dreht, ist die Geschwindigkeit des Ankerdrehfeldes des Kreisels im Inertialraum nicht mehr konstant. Vielmehr erhöht oder verringert die Drehbewegung des Fahrzeugs um die Kreiseldrehachse die Geschwindigkeit des Ankerfelds und damit die Geschwindigkeit des Kreiselrades relativ zum Inertialraum.

Da Fahrzeuge sich unter der Wirkung zahlreicher äußerer Einflüsse regellos bewegen, drehen fahrzeugfeste Kreiselgehäuse auch regellos um ihre Drehachsen. Da diese Bewegung regellos ist, ist auch die augenblickliche Winkelgeschwindigkeit des drehenden Ankerfeldes regellos verteilt.

Diese unerwünschte Eigenschaft von fahrzeugfest gelagerten Wendekreiseln mit Synchronmotoren (d.h. die Zufallsänderungen der Kreiselradgeschwindigkeit infolge der Fahrzeugbewegung) wird von der unerwünschten dynamischen Eigenschaft des Kreiselmotors selbst verschärft. Wenn nämlich das Kreiselgehäuse eine Drehbewegung um die Eigendrehachse des Kreisels vollführt, regt diese Bewegung Schwingungen mit der Eigenfrequenz des Synchronmotors an. Hat die Bewegung eine Frequenz nahe

909886/0577

-13- 29076 8 S

der Eigenfrequenz des Synchronmotors (abhängig von der Kreiselart gewöhnlich 1 bis 5 Hz), treten kräftige Schwankungen des Lastwinkels auf, da der Motor nur schwach gedämpft ist. Diese Schwankungen des Lastwinkels tragen weiterhin zu Abweichungen der Kreiselradgeschwindigkeit von einer konstanten Inertial-Winkelgeschwindigkeit bei.

Die unangenehmste Auswirkung von Schwankungen der Kreiselradgeschwindigkeit auf die Genauigkeit der Inertialnavigation tritt auf, wenn das den Kreisel tragende Fahrzeug eine schwingende Winkelbewegung vollführt, die eine Vektorkomponente sowohl entlang der Kreiseldrehachse als auch entlang der Eingangsachse des Kreisels enthält. Tritt eine solche - Winkelschwingung auf, ist der Maßstabsfaktor des Kreisels für die beiden Halbperioden der Schwingung leicht unterschiedlich, so daß man eine kleine Drift - bzw. einen kleinen Voreffekt ("bias") in einer bestimmten Sichtung enthält. Dieser Effekt wird zuweilen als"Motordynamikfehler" bezeichnet, und dieser Fehler ist zu groß, als daß er in Inertial-Navigationssystemen toleriert werden kann, deren Gesamtgrunddrift("gyro bias") kleiner als 0,01°/h gehalten werden muß.

Man hat verschiedene Vorschläge gemacht, um die durch die Bewegung des Kreiselgehäuses um die Kreiseldrehachse erzeugten Fehler zu eliminieren. Wach einem Vorschlag hält man die Frequenz der Energieversorgung für den Kreiselmotor konstant und mißt lnderungen der Inertialgeschwindigkeit von einer

909886/0577

konstanten Inertialgeschwindigkelt. Nach, einem zweiten Verfahren moduliert man die Frequenz der Energieversorgung des Kreiselmotors so, daß von der Fahrzeugbewegung um die Kreiseldrehachse verursachte Schwankungen der Drehgeschwindigkeit des Ankerfeldes kompensiert werden. Erfolgt diese Korrektur korrekt, erfährt die Kreiselradgeschwindigkeit keinerlei positive oder negative Winkelbeschleunigung. Beim ersten Verfahren mißt man also G-eschwindigkeitsfehler und modifiziert in Abhängigkeit von ihnen die Kreiselausgangsdaten in einem zugehörigen Rechner. Im zweiten Verfahren modifiziert man die Ankererregungsfrequenz so, daß die Bewegung des Kreiselgehäuses kompensiert wird; die resultierenden Ausgangsdaten sind dann fehlerfrei und müssen nicht mehr modifiziert werden.

Nach einem Vorschlag zur Durchführung des oben beschriebenen ersten Verfahrens verteilt man kleine Permanentmagneten auf dem Läuferumfang, die in einer am Ständer (Kreiselgehäuse) angeordneten Spule Impulse induzieren. Die Zeit zwischen den Impulsen wird sehr genau gemessen und mit diesen Meßwerten erzeugt man eine Anzeige der Winkelgeschwindigkeit des Läufers bezüglich des Kreiselgehäuses. In einem Rechner summiert man die Winkelgeschwindigkeit des Läufers relativ zu seinem Gehäuse mit der Winkelgeschwindigkeit des Kreiselgehäuses im Inertialraum, so daß man die Istgeschwindigkeit des Kreiselrades im Inertialraum erhält.

Das Problem dieses Vorschlags ist, daß er sich nur schwer in

909886/0577

die Praxis umsetzen läßt. Zunächst sind komplizierte und zeitraubende Berechnungen erforderlich. Zweitens ist es praktisch kaum möglich, mit einem solchen Impuls erz eugungs system eine ausreichende Auflösung und Genauigkeit zu erreichen, ohne eine praktisch viel zu hohe Anzahl von Stiften und einen extrem schnellen Zeittakt (mehr als 20 MEz) zu verwenden.

Nach einem Vorschlag zur Durchführung des oben beschriebenen zweiten Verfahrens moduliert man die Frequenz der Mehrphasen- -Energieversorgung für den Kreisel so, daß die drehende HLußwelle bezüglich des Inertialraums unabhängig von der Drehung des Kreiselgehäuses präzise konstant gehalten wird. Dabei moduliert man die zugeführte mehrphasige Energie direkt proportional der Vinkelgeschwindigkeit des Gehäuses, wie sie mit einem zweiten Kreisel gemessen wird. Die Frequenzmodulation erfolgt in einem solchen Sinn und einer solchen Stärke, daß der Effekt der Drehung des Kreiselgehäuses aufgehoben wird. Da die resultierende ITußwelle sich mit konstanter Inertialgeschwindigkeit bewegt, wird die Eigenschwingung des Kreiselsystems nicht angeregt und treten also keine Schwankungen des Lastwinkels auf. Da man bei diesem Vorschlag Schwankungen der Gehäusebewegung kompensiert, braucht die resultierende Information hinsichtlich der Kreiselgeschwindigkeit nicht modifiziert zu werden, wie oben erläutert.

wahrend die oben beschriebene praktische Durchführung sich als zufriedenstellend erwiesen hat, wenn man den Effekt der

909886/0577

Gehäusebewegung auf die Drehgeschwindigkeit einer Kreiselmasse eliminieren will, weist sie bestimmte Nachteile auf. Bspw. hängt jeder Kreisel für die Messung der Winkelgeschwindigkeit des Fahrzeugs um die Eigenachse des ersten Kreisels von einem zweiten Kreisel ab. Diese gegenseitige Abhängigkeit der Kreisel ist in Navigationssystemen nachteilig, da, wenn der Fühlkreisel ausfällt, die Information des abhängigen Kreisels fehlerhaft wird. Zweitens muß man den Verstärkungsfaktor, mit dem man das vom Fühl kreisel erzeugte Signal verarbeitet, genau (auf etwa ± 2 %) stabil gehalten werden, damit man den Effekt der Gehäusedrehung um die Eigendrehachse des abhängigen Kreisels präzise aufheben kann. Ist die Serienstreuung des Maßstabsfaktors entweder der Frequenzquelle oder des Fühlkreisels höher als _+ 2 %, muß man kalibrieren, um den Verstärkungsfaktor zu bestimmen, mit dem das von Fühlkreisel erzeugte Signal beaufschlagt werden muß.

Drittens enthalten zwar die Systeme des Standes der Technik Phasenregelschleifen; sie bewirken dort aber im wesentlichen eine Kompensation der Fahrzeugbewegung im Sinne einer (rückführfreien) Steuerung. Mit der Phasenregelschaltung wird lediglich die Langzeitstabilität des spannungsgesteuerten Quarzoszillators erhalten. Da dieses System im wesentlichen rückführfrei arbeitet, wird das Eigenfrequenzverhalten des Kreisels nicht eigentlich beeinflußt. Wie sich für den Fachmann auf dem Gebiet der Kreiselsysteme einsehen läßt, ist die Dämpfung bei dieser Betriebsart gewöhnlich sehr schwach.

909886/0577

(Q = 20 bis 100). Folglich machen es selbst geringfügige Phasenverschiebungen des eintreffenden Winkelgeschwindigkeitssignals schwierig, wenn nicht unmöglich, nur durch Indern des Verstärkungsfaktors, dem das von Fühl kreisel erzeugte Signal unterliegt, präzise zu kompensieren. Darüberhinaus können Zufallsstörungen in der Lagerung (einschl. des g-empfindlichen Lagerungswiderstands) Eigenschwingungen anregen, so daß der Läufer fortwährend mit einem kleinen Winkel vor- und rückschwingt. Schließlich erfordert die Eückführungsfreiheit des Systems nach dem Stand der Technik, daß der spannungsgesteuerte Quarzoszillator eine extrem lineare Spannung/Frequenz-Kennlinie hat. Jede Nichtlinearität führt zu einer weniger als vollständigen Aufhebung der Gehäusedrehung bei den entsprechenden Amplitudenwerten. Da die handelsüblichen spannungsgesteuerten Quarzoszillatoren, wenn auf eine Nichtlinearität von weniger als 1 % spezifiziert, im allgemeinen stark temperaturabhängig in der Frequenz sind, muß das System nach dem Stand der Technik eine Phasenregelschleife enthalten. M.a.W.: Um die Mittenfrequenz temperaturzustabilisieren und die erforderliche Linearität bei derzeit handelsüblichen spannungsgesteuerten Quarzoszillatoren zu erreichen, muß eine Phasenregelschleife vorgesehen werden. Offensichtlich ist es wünschenswert, ein System zur Einstellung der Läufergeschwindigkeit in einem Gyroskop zu erstellen, bei dem eine extrem linearer spannungsgesteuerter Quarzoszillator nicht erforderlich ist. Weiterhin wäre es wünschenswert, eine Regelung zum Einstellen der Läufergeschwindigkeit eines Gyroskops zu er-

909886/0577

stellen, bei der eine Phasenregelschleife ebenfalls nicht erforderlich, ist.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Regler zum Modulieren der Frequenz der dem Synchronmotor eines Gyroskops zugeführten Betriebsenergie, um die Lage des synchron drehenden Ankerfelds zu regeln und damit die Geschwindigkeit des Läufers (Rads) des Kreisels bezüglich des Inertialraums trotz einer Bewegung des Kreiselgehäuses um die Kreiseldrehachse konstant zu halten. Die Regelung weist einen Fühler zum Erfassen von Schwankungen des vom Kreisel gezogenen Stromes auf; diese Schwankungen stehen in unmittelbarem Zusammenhang mit den Schwankungen des Lastwinkels, die die Bewegung des Kreiselgehäuses um die Kreiselachse erzeugt. Die Stromschwankungen erzeugen eine analoge Spannung, die um mehrere Größenordnungen verstärkt wird und dann dazu dient, die Frequenz der angelegten Betriebsenergie so zu modulieren, daß die von der Gehäusebewegung um die Drehachse erzeugten Lastwinkelschwankungen kompensiert werden. Im Effekt werden dabei der Regler und der Kreisel Teil eines geschlossenen Systems, in dem die Eigenfrequenz des Kreisels auf einen Wert gesenkt wird, unterhalb dem eine Bewegung des Kreiselgehäuses um die Drehachse keine unerwünschte Auswirkung mehr hat. Zusätzlich verschiebt vorzugsweise der Regler die Phase der Rückführ-Modulati ons signale so, daß Eigenschwingungen nahe der abgesenkten Eigenfrequenz gedämpft werden. Schließlich werden Störanteile - insbesondere bei der Motorerregungsfrequenz - herausgefiltert, damit sie die Rückführ-

909886/0577

elektronik nicht sättigen können.

In einer bestimmten Ausführungsform wird die Ausgangsfrequenz eines spannungsgesteuerten Oszillators (bspw. eines spannungsgesteuerten Quarzoszillators) mit dem verstärkten Rückführsignal über einen schmalen Bereich ausgelenkt. Die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Quarzoszillators wird auf eine geeignete Frequenz herabgeteilt;das Ergebnis dient dann zur Steuerung der Frtjuenz der Energie, mit der der Kreisel gespeist wird.

In einer weiteren Ausführungsform steuert das Rückführsignal die Frequenz von schmalen Impulsen, die ein unipolarer Spannung/Frequenz-Wandler abgibt. Diese von diesem Wandler abgegebenen schmalen und verhältnismäßig niederfrequenten Impulse werden mit verhältnismäßig hochfrequenten Impulsen aus einer stabilen Festfrequenzquelle summiert. M. a.W.: Die niederfrequenten Impulse werden zu den hochfrequenten Impulsen aus der stabilen Frequenzquelle addiert. Der Summenimpulszug wird auf einen geeigneten Frequenzbereich herabgeteilt; mit dem Ergebnis steuert man die Frequenz der an den Kreisel geführten Betriebsenergie.

Es ist aus dieser Erläuterung einzusehen, daß die Erfindung einen Regler zur Regelung der Radgeschwindigkeit eines Gyroskops auf eine Weise darstellt, daß die Bewegung des Kreiselgehäuses um die Eigendrehachse des Kreisels kompensiert wird.

909886/0577

Da die Erfindung einen geschlossenen Regelkreis darstellt, ist ein separater Fühler zum Erfassen der Bewegung des Kreiselgehäuses um die Drehachse - im Gegensatz zu den oben erwähnten bekannten System - nicht mehr erforderlich. Weiterhin kann man die vorliegende Erfindung so realisieren, daß keine Phasenregelschleife mehr erforderlich ist, die das wesentliche Element des oben erläuterten bekannten Systems ist. Da weiterhin der spannungsgesteuerte Quarzoszillator (bzw. die andere gesteuerte Frequenzquelle) nunmehr Teil eines geschlossenen Regelkreises ist, ist eine präzise Spannung/Frequenz -Linearität nicht mehr erforderlich. Als Resultat lassen sich handelsübliche spannungsgesteuerte Quarzoszillatoren mit sehr stabiler Mittenfrequenz einsetzen, ohne daß man sie in eine eigene Phasenregelschleife einbeziehen muß.

Diese Ziele und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen nun unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert werden.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines Kreiselsystems mit einem Geschwindigkeitsregelkreis (gestrichelt gezeichneter Systemteil) nach der vorliegenden Erfindung;

Mg. 2 ist eine Diagrammdarstellung des Zusammenhangs zwischen Lastwinkel und dem von einem 3-Ph.as en-Synchronmotor aufgenommenen Strom;

Pig. 3 ist ein Diagramm des Motordynamikfehlers als Funktion der Frequenz für einen Schwingungseingang von 1°/s

909886/0577

(null "bis Maximum) auf sowohl der Eigendreh- als auch, auf der Eingangsachse eines Gyroskops und zeigt die Änderung des Gyroskopsystems mit einem Regelkreis nach der vorliegenden Erfindung;

4- zeigt teils als Blockdiagramm und teils als Stromlauf eine bevorzugte Ausführungsform eines Geschwindigkeitsregelkreises nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines Teils einer alternativen Ausführungsform eines Geschwindigkeitsregelkreises nach der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 6 ist ein Graph der Ausgangsfrequenz als Funktion der angelegten Spannung für einen typischen hilligen unipolaren Spannung/Frequenz-Wandler.

Vor einer Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung soll kurz die Arbeitsweise eines Kreisel-Synchronmotors erläutert werden. Wie bei jedem Synchronmotor ist die Eigenfrequenz eines Kreiselmotors eine Funktion des Trägheitsmoments (J) des Läufers und der elektrischen Federkonstante (K), die sich aus der Anziehung des Läufer-Gleichfeldes zum Ankerdrehfeld ergibt.

Bei der Störung durch ein Moment entwickelt sich eine Winkelverschiebung (0) zwischen dem Läufergleichfeld und dem Ankerfeld nach der Gleichung

₊ K0 = T(t) (1)

dt^{2 dt}

909886/0577

in der T(t) das auf den Läufer aufgebrachte Moment und D der Dämpfungsfaktor infolge von Wirbelstrom- und Luftströmungsverlusten ist (in Kreiseln ist der Dämpfungsfaktor D gewöhnlich sehr klein).

Die beiden Wurzeln der Gl.(1) beschreiben das Eigenschwin-

gungsverhalten, dessen Eigenfrequenz durch "y K/J gegeben ist. Den Winkel 0 bezeichnet man im allgemeinen als Lastwinkel.

Eine charakteristische Eigenschaft eines Synchronmotors ist die direkte Proportionalität zwischen dem Sinus des Lastwinkels 0 und dem Anker (Ständetstrom (I); vergl. i"ig. 2. Diese Eigenschaft ergibt sich aus Energieerhaltungsbetrachtungen. Als Resultat stehen für geringe Schwankungen des Lastwinkels Schwankungen des Ankerstroms in direktem Zusammenhang mit den Lastwinkelschwankungen (wie oben ausgeführt, treten Schwankungen des Lastwinkels auf, wenn das Kreiselgehäuse sich um die Kreiseldrehachse bewegt). Der Ankerstrom liefert also ein direktes Maß für die Lastwinkelschwankungen, wenn diese klein genug sind.

Nach der vorliegenden Erfindung werden die Ankerstromschwankungen dazu verwendet, die Frequenz der an den Kreisel gelegten Energie in Form einer Eückführung zu modulieren. Diese Sückführmodulation wird so angelegt, daß die Steife des geschlossenen Kreiselregelkreises sehr klein wird. Da die Steife sehr klein gemacht wird, ist das Kreiselrad inertial im

909886/0577

wesentlichen frei, so daß seine Winkelgeschwindigkeit nicht von Bewegungen des Kreiselgehäuses gestört wird. Während es wünschenswert wäre, die Kreiselsteife vollständig zu beseitigen, läßt dieses Resultat sich nicht erreichen, da der Verstärkungsfaktor des Rückführzweiges praktischen Beschränkungen unterliegt. Andererseits kann man die Kreiselsteife bis zu einem Punkt reduzieren, an dem die Eigenfrequenz -i K/J so liegt, daß normale Schwingungen (des Plugzeugs) keine erwünschten Effekte hervorrufen. Dies ist möglich, weil die Amplituden der Winkelauslenkung des Flugzeugs um die Gierachse bei niedrigen Frequenzen (unter -1,0 Hz) sehr klein sind. Wie im Verlauf der folgenden Diskussion klar werden wird, hat zusätzlich zum Verringern der Eigenfrequenz auf einen Wert, an dem Vibrationen keine unerwünschte Effekte erzeugen, ein Kreisel-Geschwindigkeitsregelkreis nach der vorliegenden Erfindung auch den Vorteil, daß man in ihm die Auslenkungen auf der Eigenfrequenz durch Filtern des Rückführ-Modulationssignals stark dämpfen kann.

Es soll nun die Theorie der Funktionsweise der Erfindung diskutiert werden. Eine Bewegung eines Kreiselgehäuses um die Kreiseldrehachse bewirkt kein auf den Läufer wirkendes Störmoment, das auf der rechten Seite der Gl.(1) auftritt. Betrachtet man daher nur die Auswirkung der Gehäusebewegung auf den Kreisel, läßt die Gl. (1) sich umschreiben zu

= 0 (2)

909886/057?

Diese Gleichung ist unmittelbar aus dem in Fig. Λ gezeigten Kreiselmodell abgeleitet, in dem K = KE^Km ist und Sθ_β τ = O (bisher wird auch der Rückführzweig der gestrichelten Verbindungen in Fig. 1 nicht betrachtet, so daß auch ,j Q = 0 ). N ist gleich der Anzahl der Polpaare, K^ die Proportionalität zwischen Lastwihkel und Strom und Km die Strom/Homent-Konstante des Motors.

Die Gl. (2) läßt sich in der Schreibweise der Lap-lace-Transformation schreiben als

Js²0 + Ds0 + K0 = O ; (3)

diese Beziehung läßt sich umschreiben zu

(s² + 2 ": ,S ₊ ^ ²)0 = O (4)

mit . = I K/J , der Frequenz der Eigenschwingungen und - = D/2_vO J> dem Dämpfungskoeffizienten.

Läßt man den Sückführzweig weiterhin außer Betracht, hat die Konstante K_x, für den offenen Regelkreis einen Wert von ζ τ/0 bzw. Sl/ S Θ_ε·

Für den geschlossenen Regelkreis ändert sich Ky, dynamisch zu der Übertragungsfunktion

909886/0577

Berücksichtigt man den Rückführzweig, hat die Konstante K,-für den offenen Kreis einen Wert von

was sich auflösen läßt zu

Da _r K_vH(s) _

C9_f = — a I (7A)

kann die Gl. (7) umgeschrieben werden zu

D (8)

I -U O

bzw. nach Umstellung

^{1 +} s -¹ - ^K1O⁹E (9)

_o"ld ₊ ) = K₁^Qg (10)

Gl. (10) kann man umformen zu

9098 86/0577

_ 26 - 2907688

die Gl. (11) wiederum zu

s +

Ist H(s) ein perfektes Differenzierglied (H.s), reduziert sich die G-I. (12) zu

1 +

Die Gl. (15) zeigt, daß die Rückführung den Wert verringert, folglich wird die Kreisel-"Steife" reduziert.

Ist K₁K^H £>1, wird Gl. (13) zu

Der Effekt dieser Rückführung ist, die Resonanzfrequenz der Eigenschwingung ohne Indern des Dämpfungskoeffizienten ( ^ zu senken.

Da die Eigendämpfung (D) des Kreiselmotors bereits vernachlässigbar ist, kann man sie fallenlassen. Dies bedeutet im wesentlichen, daß die Kurve des Motordynamikkoeffizienten (Pig. 3j Kurve A) sich von der Lage um den Punkt X zu einer Lage um den Punkt Ϊ verschiebt. M.a.W. : Das System, das nun

909886/0577

einen Kreiselmotor und einen geschlossenen Hegelkreis enthält, hat nun eine niedrigere Eigenfrequenz (etwa 0,2 Hz gegenüber etwa 2,0 Hz in dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel).

Versucht man nicht, H(s) zu einem perfekten Differenzierglied (H. s) zu machen, sondern gibt H(s) die Form

Hs

H(s) = (15)

Hs + 1

kann man die Dämpfung verstärken. Insbesondere erhält man durch Einsetzen der Gl. (15) in die Gl. (12)

s +

Hs + 1

was sich umformen läßt zu

K^s(Hs + 1)
ο Ks) = ^Λ (17)

Gl. (17) kann man reduzieren zu £ Ks) ^K

£ ©_E(s) Hs + 1 + K,

(18)

Gilt nun K₁K^H > > Hs + 1, wird die Gl. (18) zu

909886/057?

Die Gl. (19) entspricht der Gl. (14), hat aber einen zusätzlichen Bifferentialterm, der die Dämpfung der Eigenschwingungen verstärkt. Abhängig von den gewählten Werten kann der Koeffizient des Motordynamikfehlers (Fig. J) um den Punkt X herum erheblich reduziert werden, wie die Kurve B zeigt.

Die Tatsache, daß das Hinzufügen des Geschwindigfceitsterms die Dämpfung erhöht, läßt sich mathematisch leicht zeigen, indem man die charakteristische Gleichung mit der Gl. (19)j nicht der Gl. (14) nachrechnet. Auf jeden Pail sind die Resonanzfrequenz ( ζ^) des geschlossenen Regelkreises und der Bämpfungskoeffizient (^) von den Werten der Bauteile bestimmt, die zum Aufbau der System-Unterblöcke mit H(s) und K dienen.

Die !ig. 4 zeigt einen Stromlauf eines Kreisel-Regelkreises nach der vorliegenden Erfindung, mit dem die Frequenz der an den Kreiselmotor gelegten Energie moduliert wird. Der in Fig. 4 gezeigte Regelkreis weist zwei mit A1 und A2 bezeichnete Operationsverstärker, einen mit R_ bezeichneten Stromfühlwiderstand, sechs mit R_x,, RJj, Ro, R₂, S* raad. R4 bezeichnete Widerstände, fünf mit G^, CJj, G₂, C₂ und G^ bezeichnete Kondensatoren, einen spannungsgesteuerten Quarzoszillator (VCXO) 41 sowie einen Frequenzteiler 43 auf. Weiterhin zeigt die

909886/0577

Fig. 4 einen Phasenteiler und Leistungsverstärker 4ij>.

R liegt zwischen einer mit +71 bezeichneten Gleichspannungs-Versorgung und dem Betriebsspannungseingang der Stufe 45· Der Anschluß zwischen +V1 und E ist über eine Reihenschaltung aus CL, R^ an den invertierenden Eingang von A1 geführt, der Anschluß zwischen R und der Stufe 45 über eine Reihenschaltung aus GJj, RJj an den nichtinvertierenden Eingang von A1. G₂ und R₂ liegen parallel zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang von A1; Ci und Ri liegen parallel zwischen dem nichtinvertierenden Eingang von A1 und Masse.

Der Ausgang von A1 führt über R, an den invertierenden Eingang von A2. Der nichtinvertierende Eingang von Δ2 ist an Hasse gelegt. R^, und C₇, liegen parallel zwischen dem Ausgang von A2 und dem invertierenden Eingang von A2. Die analoge Ausgangsspannung von A2 ist die Spannung Y₁ die an den oben zur Fig. 1 diskutierten spannungsgesteuerten Quarzoszillator (VGXO) gelegt ist. Der Ausgang von A2 ist also an den Steuereingang des VGXO gelegt. Der VGXO erhält seinen Betriebsstrom aus einer geeigneten Betriebsstromversorgung +V2. Der Ausgang des VGXO ist an den Eingang des Frequenzteiler, dessen Ausgang an den Frequenzsteuereingang der Stufe 45 mit dem Phasenteiler und Leistungsverstärker gelegt. Der Phasenteiler und Leistungsverstärker erzeugt auf herkömmliche Weise ein dreiphasigen Ausgang, der an den Kreiselmotor geht. In dieser Stufe kann ein Steuersignal mit einer Nennfrequenz

909886/057?

von 2400 Hz bspw. zu drei phasenverschobenen 4-00 Hz-Spannungen aufgeteilt werden.

A1, A2 sowie die Beschaltungswxderstande- und -kondensatoren mit R bilden H(s). Der Spannungsabfall über R ist direkt

S ο

proportional dem mittleren Ankerstrom im Kreiselmotor, sofern man annimmt, daß der einen Teil der Stufe 45 bildende Leistungsverstärker einen konstanten Wirkungsgrad hat. Weiterhin sind auch die Werte von R₁ und RJl, von R₂ und RA, von CL und GJj sowie von C₂ und GA die gleichen. Da gleiche Schaltungen am invertierenden und nichtinvertierenden Eingang von A1 liegen, lassen sich Gleichtakteffekte sehr gering halten. Da die beiden Eingänge von A1 über C₁ und GJi kapazitiv angekoppelt sind, werden nur .änderungen des durch R fließenden

Stroms erfaßt.

Die Rückkoppelimpedanz Z₂ um A1 herum ist aus C₂ und R₂ gebildet und läßt sich ausdrucken zu

R₂

1 +

(20)

Die Übertragungsfunktion von A1, d.h. A₁(S), ist gegeben durch

^ß
Z

2 1 + SR₂C₂

(21)

¹ SG

909886/0577

mit Z_n = R₁ + η \ ι S^₁

Gl. (21) läßt sich vereinfachen zu

₂^

A₁Cs) = —— —— (22)

^η (1 + SR₂G₂)(I + SR₁G₁)

R₁ wird klein gewählt, so daß die wurzel (1 + SR₁G₁) nur "bei hohen Frequenzen wirkt (er wurde vorgesehen, um die Auswirkungen von hochfrequenten Störanteilen zu reduzieren). Da die Eigenfrequenz ziemlich niedrig liegt, kann diese hochfrequente Wurzel ignoriert werden. D.h., die Wurzel kann ignoriert werden, wenn man das Ansprechverhalten des Kreisels bei niedrigen Frequenzen berechnet.

A2 und dessen Beschaltung (R^, R₁, und G,) bilden einen einfachen Spannungsverstärker mit einem Verstärkungsabfall bei hohen Frequenzen, der die Störimmunität der Rückkoppelschaltung weiter verbessert. Dieses Absinken des Verstärkungsfaktors wird vom G₇, bestimmt. Nan kann also C^ ebenfalls ignorieren, wenn man die niederfrequente Verstärkung von A2 berechnet. Der Verstärkungsfaktor für niedrige Frequenzen ist also R

Wie bereits erwähnt, bilden R_ sowie die Verstärker Ai, A2 (einschl. ihrer Beschal tung) den (Perm H(s). Insbesondere ergibt sich aus Fig. 1:

909886/0577

H(s) = —; (23)

Aus I¹Xg. 4:

H(s) = E₈A^(S)A₂(S) (24)

Wie bereits erwähnt, wird "bei niedrigen Frequenzen A^(s) von der Gl. (22) "beschrieben und gilt A₂(s) = E^/fU. Man kann also die Gl. (24-) umschreiben zu

_{21 4}

= E . ,ρ (25)

³ (1 + SE₂C₂) ^K3

Die Ausgangsspannung A2, d.h. "V₀, geht auf den Eingang des YGXO 44. Die Steilheit des VGXO ist bekannt und kann in (Hz/V) ausgedrückt werden. Der Verstärkungsfaktor K 0?ig. 1) ist die Steilheit des VCXO 4-1 (um den Teilungsfaktor des Frequenzteilers 4-3 verringert) und wird mit der Einheit (°/s.V) ausgedrückt.

Um das Hegelverhalten des Kreiselsystems auszudrücken, braucht man zusätzlich zu den R- und C-Werten und die um das Teilungsverhältnis umgerechnete VCXO_Steilheit das Verhältnis c 1/0 des Kreiselmotors. Wie aus dem Stand der Technik der Synchronmotoren bekannt, läßt ^ 1/0 sich messen. Für die hier vorzunehmenden Berechnungen braucht die Messung nicht sehr

909886/0577

genau zu sein; ein Fehler von 10 - 20 % ist annehmbar, Falls erwünscht kann der Wert theoretisch wie auch experimentell ermittelt werden.

Schließlich muß das Verhältnis Km/J ermittelt werden. Dieses Verhältnis kann man unmittelbar aus der nicht erweiterten ("unaugmented") Eigenfrequenz OJ des Motors berechnen. Insbesondere gilt pj = K/J (aus der Definition nach der Gl. 4), Da K = K₁K^N:

(26)

Da oJ 5 K₁ und N meß- oder berechenbar sind, läßt K^/J sich leicht ermitteln.

Wie also ersichtlich, hat sich gezeigt, daß alle zur Bestimmung der Resonanzfrequenz und des Dämpfungsverhältnisses als Funktion der S- und C-Werte für einen bestimmten Kreiselmotor erforderlichen Informationen sich als entweder bekannt oder leicht ermittelbar erwiesen haben.

Es soll nun ein spezielles Beispiel eines Kreisels mit einer Geschwindigkeitsregelung der in Fig. 4 gezeigten Art erläutert werden. Hierzu wurden folgende R- und G-Werte gewählt:

909886/0577

R = 20 Ohm R₂ = 2,0 MOhm R₇, = 10 kOhm S^ = 1,0 MOhm C₁ = 4,7/uF C₂ = 0,47/uF

Mit der Gl. (25) ergibt sich H(s) in (V/A) zu

s(2.10⁶)(4,7.10"⁶)

H(s) = 20. r zr- * —π (27)

1 + s(2.1O^ö)(0,47.10 ^ö) 10^

In (V/ma) ausgedrückt, ergibt sich

18,8s

H(s) = (28)

1 + 0,94s

In diesem Beispiel betrug der K_v~Wert der VCXO/Frequenzteiler- -Anordnung 9i3°/sV bei 400 Hz, der K_x,-Wert des Kreiselmotors 0,61 mA/° und die unerweiterte Eigen- bzw. Resonanzfrequenz (f) des Kreiselmotors 1,95 Hz. Mit (,O= 2 ff f gilt für diesen Kreiselmotor also LO = 12,2rad/s Mit diesen Werten ist nach der Gl. (26) Κφ/J = 12,2²/0,64)(4) = 61°/s².mA.

VJT/

TJm das Regelverhalten der Übertragungsfunktion d.h. der Antwort des Kreisels auf eine Winkelstörung des Gehäuses um die Kreiseldrehachse zu bestimmen, muß zunächst der

909886/0577

Verlauf von ^ I(s)/ ^ö^s) mit der Gl. (1-2) berechnet werden. Insbesondere gilt;

9(s) s + E^KH(s)

(29)

Werden die obengenannten Werte von E,, _r K und H(s) eingesetzt, wird die F Gl. (29) zu:

X I(s) 0,61s

τ = (30)

s + (0,61 . 9,3 .

1 + 0,94s

) 0,0056(0,94s + 1)

(0,0087s +1)

(3D

und schließlich

% I(s)
~ = 0,0056(0,9^s +1) /~mA/(°)~7 (32)

Es sei nun die Berechnung von <Γ~ 9-j.(s)/^0_G_-j.(s) betrachtet. Aus KLg. 1 ergibt sich durch. Betrachten unmittelbar

X ^KI / i(_s) ^₉ ._Q .

JS O θ-cvCs)

909886/0577

Die Gl. (33) läßt sich umformen zu

N .

^o (s) —

1 + N.

Benutzt man die oben angegebenen Zahlenwerte und einen Wert von vier Polpaaren für N, wird die Gl. (3^·) zu

61 + 1).

61

(4 . o,oo56(o,94-s + 1).—)

ο Nach Multiplikation des Zählers und des Nenners mit s und

Ausmultiplizieren erhält man aus der Gl. (35) clen Ausdruck

S ^ÖI^^S/ 1,28s + 1,36

(36)

O ^eo_!(^s) _s ²

Diese Gleichung hat die Form

,36

909886/0577

f=

wodurch die Resonanzfrequenz des Regelkreises, ijj_c = γ 1,36

rad/s bzw £_q = U> _c/2 "JJ = 0,19 Hz. Der Dämpfungskoeffizient = 0,55.

Diese Berechnungen zeigen, daß eine Verringerung der Eigenfrequenz im Vernältnis von 10:1 erwartet werden kann; insbesondere 1st die Eigenfrequenz des Kreisels mit dem Regelkreis von 1,95 Hz auf o,19 Hz verringert worden. Der Dämpfungskoeffizient ist zum kritischen Dämpfungswert von 1,o hin angehoben worden. Beim Prüfen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ergaben sich keinerlei Stabilitätsprobleme. Außerdem zeigte der Kreisel keinerlei Tendenz, Pole zu überspringen ("slip poles")» als das Kreisellager heftig um die Eigendrehachse des Kreisels gedreht wurde. In der erwähnten Ausführungsform ergab sich eine Eigenfrequenz von etwa o,25 Hz, d.h. eine höhere als den Rechenwert von o,19 Hz, aber im Verhältnis von etwa 8:1 noch weiter niedriger als die Eigenfrequenz des Kreiselmotors allein. Der Dämpfungskoeffizient lag bei etwa 0,5·

Die Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Geschwindigkeitsregelkreises nach der vorliegenden Erfindung. Anstatt die Stromschwankungen zu erfassen, um die Frequenz eines von einem spannungsgesteuerten Oszillators erzeugten Signals zu steuern und dieses Signal zur Steuerung der dem Kreisel zugeführten Wechselenergie zu benutzen, verwendet die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform die erfaßten Stromänderungen

909886/0577

(nach einer Umformung zu einer Änalogspannung) dazu, die Frequenz eines einfachen unipolaren Spannung/Frequenz-Wandlerbausteins (V/F-Wandlers) zu steuern. Das Ausgangssignal des V/F-Wandlers wird asynchron mit einem stabilen hochfrequenten Taktsignal verknüpft und das resultierende Signal frequenzgeteilt; das Ergebnis der Division dient zur Steuerung der Wechselenergie, die mit dem Phasenteiler und dem Leistungsverstärker dem Kreisel zugeführt wird.

Insbesondere zeigt die Fig. 5 eine Geschwindigkeitsregelschaltung für einen Kreisel mit einer stabilen hochfrequenten Taktgenerator (bspw. 1 MHz), einem niederfrequenten (bspw. 10 kHz_Bereich) unipolaren V/F-Wandler 51 > einem Frequenzteiler 55 und einer monostabilen Kippstufe 57· Das Ausgangssignal des Taktgenerators ist ein Impulszug (Tastverhältnis 10-20 °/o) der Frequenz F , der auf einen Eingang des UND- -Glieds 53 geht. Die Rückkoppel spannung V , d.h. ein Analogsignal, dessen Größe im Zusammenhang steht mit der Stärke der Schwankungen in dem Kreiselmotor zugeführten Ankerstrom, wie zuvor unter Bezug auf die Fig. 5 erläutert, geht an den Spannungssteuereingang des V/F—Wandlers 51» der sie zu einem Ausgangssignal in Form einer Rechteckwelle mit einer Frequenz wandelt, die von V abhängt. Die Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Frequenz/Spannungskennlinie eines unipolaren V/F- -Wandlers. Das Ausgangssignal des V/F-Wandlers geht an die monostabile Kippstufe 57» die einen Impulszug mit niedrigem Tastverhältnis erzeugt. D.h., die monostabile Kippstufe 57

909886/0577

gibt auf einer der Flanken (Zeigende oder fallende) jeder Rechteckwelle aus dem V/F-Wandler einen Impuls ab. Die Dauer bzw. das Tastverhältnis dieser Impulse ist vergleichbar mit der der Impulse aus dem stabilen hochfrequenten Taktgenerator 49.Das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 57 wird an den zweiten Eingang des UND-Glieds 53 gelegt.

Wie bereits erwähnt, liegt das Tastverhältnis des Taktsignals mit F vorzugsweise in den Bereich von LQ - 20 %; die Dauer der Ausgangsimpulse der monostabilen Kippstufe 57 fällt in einen entsprechenden Bereich. Beträgt also die Impulsbreite des Signals F zehn NanoSekunden, erzeugt die manostabile Kippstufe etwa zehn Nanosekunden breite Impulse mit der Ausgangsfrequenz des V/F-Vandlers 51· Wie ebenfalls bereits erwähnt, sind die Ausgangsimpulse der monostabilen Kippstufe bezüglich F asynchron. Während also die Impulse in gewissem Maß sich überlappen, ist dies wegen des Tastverhältnisses von 10 - 20 % für die meisten Impulse nicht der Fall (Überlappungen bewirken natürlich jeweils nur einen Ausgangsimpuls des UND-Glieds, nicht zwei). Der Impulsverlust infolge der Überlappung ist regellos, da die beiden Impulszüge asynchron sind. Der prozentuale Verlust steht statistisch im Zusammenhang mit dem Tastverhältnis des Signals F und ist daher bestimmbar. Der mittlere bzw. durchschnittliche prozentuale Verlust ist also bekannt und läßt sich mittels einer entsprechenden Erhöhung des Spannungsverstärkungsfaktors des V/F- -Wandlers leicht kompensieren.

9098 86/0577

Das Ausgangssignal des UND-Glieds 53 geht auf den Frequenzteiler 55 j cLe:r die Frequenz des verknüpften Impulszugs auf einen Wert herabteilt, der für die Steuerung der Frequenz der von der Phasenteiler- und Leistungsstufe an den Kreisel gelegten Wechselenergie geeignet ist. Die Nennausgangsfrequenz des Teilers kann bspw. 2400 Hz "betragen; der Phasenteiler und Leistungsverstärker erzeugt daraus leicht ein Kreiselleistungssignal mit einer Nennfrequenz von hspw. 400 Hz.

Wie einzusehen ist, zeigt die Fig. 5 nur einen Teil eines Geschwindigkeitsregelkreises nach der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich zu dem Teil in Fig. 5 gezeigten weist der vollständige Regelkreis auch Verstärker ähnlich A1, A2 und deren R/O-Beschaltung "bzw. gleichwertige Schaltungsteile auf. Der vollständige Geschwindigkeitsregelkreis verstärkt also die geschwindigkeitsabhängige Analogspannung um mehrere Größenordnungen und phasenverschiebt das Steuersignal Y , wie zuvor unter Bezug auf die Fig. 1-5 erläutert.

Es ist einzusehen, daß ein Geschwindigkeitsregelkreis der in Fig. 5 gezeigten Art sich auf verhältnismäßig einfache Weise aufbauen läßt. Während die Stabilität der F -Quelle kritisch ist, ist die Ist-Frequenz ihrerseits unkritisch.. D.h., daß nur die F_g-Quelle bei irgendeiner Frequenz stabil sein muß; der tatsächliche Frequenzwert ist unkritisch. Weiterhin kann auch der V/F-Wandler ein verhältnismäßig billige Ausführung sein, da seine Ausgangsfrequenz niedrig und asynchron ist.

909886/057 7

Weiterhin ist auch eine monostabile Kippstufe, die Impulse mit einer Breite im Bereich von 10 ns erzeugt, verhältnismäßig billig. Als Resultat ist der in Fig. 5 gezeigte Seil eines Geschwindigkeitsregelkreises verhältnismäßig billig zu erstellen.

Aus der vorgehenden Beschreibung ist einzusehen, daß die Erfindung eine unkomplizierte Regelung für die Frequenz der einem Kreiselmotor zugeführte Energie schafft. Die Erfindung überwindet die Nachteile der Geschwindigkeitssteuerungen nach dem Stand der Technik. Insbesondere erfordert die Regelung nach der vorliegenden Erfindung keine Information über die Bewegung des Kreiselgehäuses um die Eigenachse, die von einer externen Quelle abgeleitet werden müßte, d.h. einem zweiten Kreisel. Die Erfindung vermeidet also die gegenseitige Abhängigkeit von zwei Kreiseln. Schließlich ist auch keine Phasenregelschleife erforderlich, obgleich man mit den Ausführungsformen nach Fig. 4 und 5 eine solche einsetzen kann, um die Frequenz des vom VCXO oder dem V/F-Wandler erzeugten Signals zu regeln. Da es sich schließlich bei der Erfindung um einen geschlossenen Regelkreis handelt, braucht weder der VOXO noch alternativ der V/F-Wandler eine extrem lineare Spannung/Frequenz-Kennlinie zu haben.

9098 86/0577

Leer seife

Claims

Pat ent ansprüclie

1. Gyroskop, gekennzeichnet durch, einen Gyroskop-Synchronmotor mit Ankerwicklung, die Energie aus einer geeigneten Leistungsquelle erhalten, wobei der Motor den Gyroskopkreisel mit einer Geschwindigkeit dreht, die in Zusammenhang steht mit der Frequenz der aus der Leistungsquelle entnommenen Leistung, durch eine an den Kreiselmotor angeschlossene Leistungsversorgung, der Leistung entnommen werden kann und die ein Frequenzsteuersignal aus einer geeigneten Steuerquelle entnimmt und Wechselleistung mit einer Frequenz erzeugt, die der mit des FrequenzSteuersignals in Zusammenhang steht, und mit einem Geschwindigkeitsregler, der die •von der Kreisel-Leistungsquelle aus der Leistungsversorgung entnommene Leistung einschließlich aller Schwankungen erfaßt, ein Frequenzsteuersignal erzeugt, das entsprechend den. Schwankungen der entnommenen Leistung schwankt und das Frequenz steuersignal an die Leistungsquelle für das Gyroskop legt, um die Frequenz der von der Leistungsquelle erzeugten

909886/0577

Wechselleistung zu steuern.

2. Gyroskop nach. Anspruch. 1, dadurch, gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsregler die Schwankungen der gezogenen Leistung um mehrere Größenordnungen verstärkt.

5. Gyroskop nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwankungen des FrequenzSteuersignals den Schwankungen der gezogenen Leistung nachlaufen.

4-. Gyroskop nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsregler Kühlmittel, die Schwankungen in der der Gyroskop-Leistungsquelle entnommenen Leistung zu erfassen und ein mit diesen im Zusammenhang stehendes Signal zu erzeugen, ein Linearfilter, das an die Fühleinrichtung angeschlossen ist, das den Schwankungen der der Gyroskop-Leistungsquelle entnommenen Leistung in Zusammenhang stehende Signal aufnimmt und diesem entsprechend ein verstärktes phasenverschobenes Spannungssteuersignal erzeugt, und eine Steuersignaleinrichtung aufweist, die an das Linearfilter angeschlossen ist, das verstärkte phasenverschobene Spannungssteuersignal aufnimmt und diesem entsprechend ein Geschwindigkeitsregelsignal erzeugt, dessen Frequenz im Zusammenhang steht mit der Augenblicksamplitude des verstärkten phasenverschobenen Spannungssteuersignals, wobei das Geschwindigkeitsregelsignal an die Gyroskop- -Leistungsquelle gelegt wird, um die Frequenz der von der

909886/0577

. - 3 - 290768Θ

Gyroskop-Leistungsquelle erzeugten Wechselleistung zu steuern.

5· Gyroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkte phasenverschobene Spannungssteuersignal aus dem Linearfilter dem von der kühlvorrichtung abgegebenen, den Schwankungen der der Gyroskop-Leistungsquelle entnommenen Leistung entsprechenden Signal nachläuft.

6. Gyroskop nach Anspruch 4 oder 5? dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem verstärkten phasenverschobenen Spannungssteuersignal aus dem Linearfilter um ein Analogsignal handelt, dessen Spannungs amplitude im Zusammenhang steht mit den Schwankungen der der Gyroskop-Leistungsquelle entnommenen Leistung und dessen Phase den Schwankungen in der der der Gyroskop-Leistungsquelle entnommenen Leistung nacheilt.

7· Gyroskop nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch· gekennzeichnet, daß die Steuersignaleinrichtung ein spannungsgesteuerter Quarzoszillator ist.

8. Gyroskop nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignaleinrichtung eine stabile Signalquelle, die einen verhältnismäßig hochfrequenten Impulszug mit stabiler Frequenz abgibt, einen an das Linearfilter angeschlossenen Spannung/Frequenz-Wandler, der Impulse mit einer

90 9 8 86/057?

Frequenz erzeugt, die der Augenblicksamplitude des verstärkten phasenverschobenen Spannungssteuersignals entspricht, aber wesentlich niedriger als die der Ausgangsimpulse der stabilen Signalquelle ist, und eine Verknüpfung seinrichtung aufweist, die die vom Spannung/Frequenz- -Generator erzeugten Signale mit dem von der stabilen Signalquelle erzeugten Impulsen verknüpft.

9· Gyroskop nach einem der der vorgehenden Ansprüche 4- "bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Linearfilter ein lineares PiIter mit nacheilender Phase mit einem Verstärker und der Übertragungsfunktion sR₂CL/(1 + SR₂Cp) für niedrige Frequenzen ist, wobei s der Laplace-Operator, C^ der Wert des Kondensators, der die Fühleinrichtung mit dem Eingang des Verstärkers verbindet, und Ep und Cp der Widerstands- bzw. Kapazitätswert einer RC-Parallelschaltung sind, die den Verstärkerausgang mit dem Verstärkereingang verbindet.

10. Gyroskop nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Linearfilter weiterhin eine lineare Verstärkerschaltung zwischen dem Ausgang des linearen Filters mit nacheilender Phase und dem Eingang der Steuersignaleinrichtung aufweist, wobei die lineare Verstärkerschaltung einen Verstärker mit der Übertragungsfunktion E₂VE, für niedrige Frequenzen aufweist, in der E^ der Widerstand zwischen dem Ausgang des Linearfilters und dem Verstärkereingang der linearen Verstärkerschaltung und E₂, der Widerstand zwischen dem Aus-

909886/0577

_5- 2307686

gang des Verstärkers der linearen Verstärkerschaltung und dem Eingang des Verstärkers der linearen Verstärkerschaltung ist.

11. Gyroskop nach einem der Ansprüche 4- bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühleinrichtung ein Widerstand ist.

12. Geschwindigkeitsregler zur Erzeugung eines Geschwindigkeitssteuersignals, das geeignet ist zur Steuerung der Frequenz der an einen Synchronmotor der für die Verwendung in Gyroskopen geeigneten Art gelegten Leistung derart, daß die Geschwindigkeit des Läufers des Synchronmotors bezüglich des Inertialraums konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Segler eine Fühleinrichtung, die Schwankungen der an den Synchronmotor gelegten Leistung erfaßt und ein mit diesen im Zusammenhang stehendes Signal erzeugt, ein an die Fühl einrichtung angeschlossenes Linearfilter, das das den Schwankungen der an den Synchronmotor gelegten Leistung entsprechende Signal aufnimmt und diesem entsprechend ein verstärktes phasenverschobenes Spannungssteuersignal abgibt, und eine Steuersignaleinrichtung aufweist, die an die Linearfiltereinrichtung angeschlossen ist, das verstärkte phasenverschobene Spannungssteuersignal empfängt und diesem entsprechend ein Geschwindigkeitssteuersignal erzeugt, dessen Frequenz im Zusammenhang steht mit der Augenblicksamplitude des verstärkten phasenverschobenen Steuersignals.

909886/057?

-6- . 2907688

13· Geschwindigkeitsregler nach. Anspruch. 12, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkte phasenverschobene Spannungssteuersignal aus dem Linearfilter dem von der Jühleinrichtung erzeugten und mit den Schwankungen der an den Synchronmotor gelegten Leistung im Zusammenhang stehenden Signal nacheilt.

14. Geschwindigkeitsregler nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das verstärkte phasenverschobene Spannungssteuersignal aus dem Linearfilter ein Analogsignal ist, dessen Amplitude in Zusammenhang steht mit den Schwankungen der an den Synchronmotor gelegten Leistung und dessen Phase den Schwankungen der an den Synchronmotor gelegten Leistung nacheilt.

15· Geschwindigkeitsregler nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignaleinrichtung ein spannungsgesteuerter Quarzoszillator ist.

16. Geschwindigkeitsregler nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuersignaleinrichtung eine stabile Signalquelle, die einen verhältnismäßig hochfrequenten Impulszug stabiler Frequenz abgibt, und einen an das Linearfi.lter angeschlossenen Spannung/ffrequenz-Wandler aufweist, der Impuls mit einer Frequenz abgibt, die im Zusammenhang steht mit der Augenblicksamplitude des verstärkten phasenverschobenen Steuersignals, aber wesentlich

909886/0577

niedriger als die Frequenz der von der stabilen Signalquelle erzeugten Impulse ist, und daß eine Verknüpfungseinriclitung die vom Spannung/Frequenz-Wandler erzeugten Signale mit den von der stabilen Signalquelle erzeugten Impulsen verknüpft.

17. Geschwindigkeitsregler nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Linearfilter ein lineares Filter mit nacheilender Phase mit einem Verstärker und der Übertragungsfunktion sRpG^/O + sR-C-) für niedrige Frequenzen aufweist, wobei s der Laplace-Operator, CL der Wert des Koppelkondensators zwischen der Fühleinrichtung und dem Verstärkereingang und Rp und Op die Widerstandbzw. Kapazitätswert einer EG-Parallelschaltung sind, die den Verstärkerausgang mit dem Verstärkereingang verbindet.

18. Geschwindigkeitsregler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet , daß das Linearfilter weiterhin eine zwischen den Ausgang des linearen Filters mit nacheilender Phase und den Eingang der Steuersignaleinrichtung gelegten lineare Verstärkerschaltung aufweist, die einen Verstärker und für niedrige Frequenzen die Übertragungsfunktion R hat, in der R, der Widerstandswert zwischen dem Ausgang des linearen Filters und dem Eingang des Verstärkers in der linearen Verstärkerschaltung und R₂, der Widerstand zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Verstärkers der

90 9 886/05 77

linearen Verstärkungsschaltung ist.

19· Geschwindigkeitsregler nach Anspruch $, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der kühleinrichtung um einen Widerstand handelt.

9 09886/0577