DE2914495A1

DE2914495A1 - Kreisellaeuferantrieb

Info

Publication number: DE2914495A1
Application number: DE19792914495
Authority: DE
Inventors: Walter Joseph Krupick; George Francis Schroeder
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1978-04-24
Filing date: 1979-04-10
Publication date: 1979-10-25
Also published as: GB2019617A; SE7903551L; GB2019617B; FR2424659B1; JPS6316689B2; SE449663B; JPS54141963A; FR2424659A1; CA1098739A; DE2914495C2; US4266432A; NO791323L

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL. ING. WOLF D. OEDEKO¥EN 291449§ DIPL. CHEM. DR. O. BERNGRUBER

3 10, April 1979

2/Sa

TSE SINGER COKPANX, Little Falls, New Jersey, USA

Kreiselläuferantrieb

Die Erfindung "bezieht sich auf einen Antrieb für den Läufer eines Kreisels, insbesondere Präzisionskreisels, mit einem Wechselstrommotor.

Es ist "bekannt, den Läufer einen Präzisionskreisels mittels eines Wechselstromsynchronmotors in Umlauf zu versetzen. Obwohl dies grundsätzlich zufriedenstellend ist, führen verschiedene anomale Bedingungen, welche mit der Wechselwirkung der Position der magnetischen Pole des Synchronmotors und des Kreiselläufers zu tun haben, zu Kreiselauswanderungsphänomenen, welche schwierig zu beseitigen sind. Diese Kreiselauswanderung kann zu Ungenauigkeiten führen, wenn sie nicht korrigiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Schwierigkeiten zu beheben und einen Kreiselläuferantrieb der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung zu schaffen, welcher keine KreiSeiauswanderungen verursacht.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestal-

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tungen des erfindungsgemäßen Kreiselläuferantriebes sind in den restlichen Ansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß dient ein asynchroner Wechselstrommotor, vorzugsweise ein Induktionsmotor, zum Antrieb des damit mechanisch verbundenen Kreiselläufers, so daß keine Korrelation zwischen dem rotierenden Statorfluß und dem Läufer des Kreisels besteht. Eine Kreiselauswanderungsursache ist somit ausgeschaltet. Um die gewünschte, konstante Drehzahl des Kreiselläufers aufrechtzuerhalten, wird der asynchrone Wechselstrommotor bzw. Induktionsmotor mit einer geschlossenen Servoschleife gesteuert, welche zu Bezugszwecken mit einer geeigneten Steuergröße arbeitet.

Der als Bezugssignal zugeführte Sollwert der jeweiligen Steuergröße wird mit dem gemessenen Istwert derselben verglichen, und das so gewonnene !ehlersignal wird in der geschlossenen Servoschleife dazu verwendet, den Istwert in Übereinstimmung mit dem Sollwert zu bringen. An den asynchronen Wechselstrommotor ist ein Sensor angeschlossen, bei dem es sich um einen Tachogenerator, einen Impulsgenerator, einen Wellenkodierer undsoweiter handeln kann. Als Steuergröße kann beispielsweise Drehzahl, Έτβ-quenz, Hiase oder Zeit zwischen Impulsen verwendet werden, was jeweils die Steuerung der Motordrehzahl erlaubt.

Vorzugsweise ist ein Sensor vorgesehen, welcher die Drehzahl und Phase des Rotors des asynchronen Wechselstrommotors bzw. Induktionsmotors ermittelt und ein Signal in ΙΌπα einer Impulsserie liefert, womit ein Baasendetektor beaufschlagt wird, dem weiterhin eine die gewünschte Drehzahl repräsentierende Bezugsfrequenz zugeführt wird. Der Ehasendetektor bestimmt den Unterschied und gibt ein entsprechendes Ehasenfehlersignal ab, welches einem spannungsgesteuerten Oszillator zugeht. Dieser beaufschlagt eine logische Steuerschaltung, welche Brücken ansteuert,

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die aus Festkörperschaltern "bestehen und einen Gleichstrom mit einer Zweiphasenwellenform auf die Statorwicklungen des Motors schalten. Es ergibt sich so eine phasenstarre Servoschleife, welche der Phase und der Frequenz des Bezugssignals folgt. Es können auch andersartige Servo schleifen zum Einsatz kommen, ebenso wie andere Steuerungen für den asynchronen Wechselstrommotor bzw. Induktionsmotor.

Auf diese Veise kann eine genaue Drehzahl erzielt werden. Auch sind synchrone elektrische Wechselwirkungen zwischen dem Stator, Rotor und Kreiselläufer eliminiert. Die Steuerung für den asynchronen Wechselstrommotor bzw. Induktionsmotor ist einfach und wirkungsvoll, wobei die Energie einer Gleichstromquelle verwendet werden kann, ohne daß die normalerweise benutzten, konventionellen Wechselstromverstärker verwendet werden müßten. Darüber hinaus kann die phasenstarre Servoschleife mit ohne weiteres zur Verfügung stehenden integrierten Schaltungen verwirklicht werden und die Steuerung als Hilfsfunktion eines Minioder Mikrocomputers erfolgen, wenn ein solcher in Verbindung mit dem Kreisel zum Einsatz kommt.

Nachstehend ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreiselläuferantriebes anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild;

Pig. 2 das Schaltbild der Brücken des Antriebes gemäß Fig. 1;

Fig. 5 das logische Schaltbild der Steuerschaltung des Antriebes gemäß Fig. 1;

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Fig. 3a den zeitlichen Zusammenhang verschiedener Signale im Antrieb gemäß Fig. 1; und

Pig. 4 die Drehzahl/Drehmoment-Kurve eines Induktionsmotors, wie er im Antrieb gemäß Fig. 1 vorhanden ist.

Gemäß Hg. 1 ist zum Antrieb des Läufers 11 eines Präzisionskreisels ein Induktionsmotor 13 mit Rotor 15 und Statorwicklungen 17» 19 vorgesehen. Zur Feststellung der Drehstellung und der Drehzahl des Rotors 15 dient ein Sensor, welcher aus einem Hilfsmagneten 21 am Rotor 15 sowie einer Spule 23 am Stator besteht. Die Spule 23 spricht auf das Vorbeilaufen des Hilfsmagneten 21 an und liefert auf einer Leitung 25 ein Signal in Form einer Impulsserie, deren Pulsfrequenz die Drehzahl des Rotors 15 und deren Phase die Drehstellung des Rotors 15 darstellt. Statt eines solchen magnetischen Sensors kann auch ein anderer verwendet werden, beispielsweise ein fotoelektrischei Sensor oder ein auf dem Hall-Effekt basierender Sensor.

Die Leitung 25 führt zu einem Phasendetektor 27» welcher über eine Leitung 29 mit einer Bezugsfrequenz beaufschlagt wird, und welcher ausgangsseitxg über ein Filter 30 mit einem spannungsgesteuerten Oszillator 3I verbunden ist. Dieser ist ausgangsseitig an eine logische Steuerschaltung 33 angeschlossen, welche Brükken 35 mit Steuersignalen beaufschlagt. Die Brücken 35 dienen dazu, die Statorwicklungen I7 und 19 mit Gleichstrom zu speisen.

Der mit den auf der Leitung 25 zugeführten Impulsen und der auf der Leitung 29 zugeführten, für die gewünschte Motordrehzahl bedeutsamen Bezugsfrequenz beaufschlagte Phasendetektor 27 liefert ein Signal, welches dem Phasenfehler zwischen den Impulsen der Bezugsfrequenz auf der Leitung 29 und den Impulsen auf der Leitung 25 proportional ist. Dieses Phasenfehlersignal geht über

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das Filter 30 dem Oszillator 31 zu, welcher die logische Steuerschaltung 33 beaufschlagt. Von dort her werden die Brücken 35 und somit die Statorwicklungen 17 und 19 mit einer Frequenz beaufschlagt, welche derjenigen des Oszillators 31 oder einem bestimmten Bruchteil der Oszillatorfrequenz entspricht. Die Oszillatorfrequenz wird geringfügig hoch- und heruntergestellt, bis die Pulsfrequenz der Impulsserie auf der Leitung 25 der Bezugsfrequenz auf der Leitung 29 entspricht. Normalerweise existiert eine Phasendifferenz, um am Eingang des Oszillators 31 eine Spannung aufrechtzuerhalten, welche die gewünschte Frequenz ergibt. Stattdessen kann das Filter 30 als Integrator ausgebildet sein, so daß der Phasenfehler zu null gemacht werden kann. Im allgemeinen wird das Filter 30 so ausgewählt, daß diejenige Art von Servoverhalten erzielt wird, welche im jeweiligen Einzelfall erwünscht ist, wobei übliche Servoausbildungstechniken zur Anwendung kommen.

Die Brücken 35 sind in Fig. 2 veranschaulicht. Sie weisen jeweils vier Festkörperschalter 37 bis 40 mit einem Eingang A bzw. B' bzw. A¹ bzw. B auf. Die zugehörige Statorwicklung I7 bzw. 19 ist in einer Brückendiagonalen angeschlossen, während die andere Brückendiagonale zur Gleichstrombeaufschlagung an einer Gleichspannung liegt.

Bei der der Statorwicklung 17 zugeordneten Brücke 35 werden die Festkörper schalt er 37 und- 39 mit den Eingängen A und A¹ bei der Phase 0° der Ausgangsspannung des Oszillators 3I geschlossen, um bei der Phase 180° dieser Ausgangsspannung zu öffnen. Die Festkörperschalter 40 und 38 mit den Eingängen B und B¹ werden zwischen den Phasen 180° und 0° der Ausgangs spannung des Oszillators 31 geschlossen. Bei der der Statorwicklung I9 zugeordneten Brücke 35 sind die Festkörperschalter 37 und 39 mit den Eingängen A und A¹ zwischen den Phasen 90° und 270° der Ausgangsspannung des Oszillators 31 geschlossen, während die Festkörperschal-

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ter 40 und 38 mit den Eingängen B und B¹ zwischen den Blasen 270 und 90° der Ausgangsspannung des Oszillators 31 geschlossen sind. Dies geht aus der noch zu erörternden Fig. 3a hervor.

Fig. 3 veranschaulicht die logische Steuerschaltung 33· Sie weist zwei Flip-Flops 45 und 47 sowie einen Inverter 4-9 auf. Eingangsseitig sind die beiden Flip-Flops 45 und 47 jeweils mit dem Ausgang des Oszillators 31 verbunden, und zwar unmittelbar bzw. über den Inverter 49· Das Flip-Flop 45 ist der Brükke 35 für die Statorwicklung 17 zugeordnet, das Flip-Flop 47 der Brücke 35 für die Statorwicklung 19· Demgemäß führt ein Ausgang 51 des Flip-Flops 45 zu den beiden Eingängen A und A¹ der beiden Festkörper schalt er 37 und 39 und ein weiterer Ausgang 53 des Flip-Flops 45 zu den beiden Eingängen B und B¹ der beiden Festkörperschalter 40 und 38 der Brücke 35 für die Statorwicklung 17, während ein Ausgang 55 des Flip-Flops 47 zu den beiden Eingängen A und A' der beiden Festkörper schalt er 37 und 39 sowie ein weiterer Ausgang 57 des Flip-Flops 47 zu den beiden Eingängen B und B¹ der beiden Festkörperschalter 40 und 38 der Brücke 35 für die Statorwicklung 19 führt.

Das Flip-Flop 45 halbiert die Oszillatorfrequenz. Der Inverter 49 invertiert das Ausgangssignal des Oszillators 31> um das zweite Flip-Flop 47 zu beaufschlagen.

Fig. 3a veranschaulicht den zeitlichen Zusammenhang der Signale. Der spannungsgesteuerte Oszillator 3I gibt die Ausgangs spannung 34 ab. An den beiden Ausgängen 5I und 53 des Flip-Flops 45 erscheint jeweils das Signal 41 bzw, 43c An den beiden Ausgängen 55 und 57 des Flip-Flops ■-';-? zvsef.^.^.- jeweils das Signal 58 bzw. 60. Die Beaufschlagung ds*· 3tat-: . LcllutiG::: ^Λη und '"9 entspricht dem Wellenzug 61 baw. 63·

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Im Betrieb, wenn also der Induktionsmotor 13 läuft, ist die Pulsfrequenz der Impulsserie auf der Leitung 25 der Drehzahl des Botors 15 proportional. Die Phase der Impulse wird im Phasendetektor 27 mit der Phase der Bezugsfrequenz auf der Leitung 29 verglichen, um ein entsprechendes Phasenfehlersignal zu erzeugen, welches über das Eilt er 30 dem spannungsgesteuerten Oszillator 31 zugeht. Dieser entwickelt eine Ausgangsfrequenz, welche der doppelten Motordrehzahl entspricht. Die Oszillatorfrequenz wird Hann auf die durch die beiden Flip-Flops 45 und 47 gemäß Fig. 3 veranschaulichte Art und Weise halbiert, um die Zweiphasensignale 5*1» 53 und 55» 57 gemäß Figur 3a hervorzubringen.

üg. 4 veranschaulicht die typische Drehzahl/Drehmoment-Kurve eines Induktionsmotors. Es sei angenommen, daß das Belastungsmoment UM vorliege, und daß der Induktionsmotor mit der Drehzahl S1 umlaufe. Die theoretische maximale Motordrehzahl bzw. Drehzahl des Botors 15 steht in Bezug zur Erregungsfrequenz und wird als synchrone Drehzahl Ss bezeichnet. Bei Belastung hat der Botor I5 einen gewissen Schlupf Z\ S. Wie dargestellt, entspricht die synchrone Drehzahl Ss der Summe der Drehzahl S1 und des Schlupfes 2L_i S.

Es sei angenommen, daß der Oszillator 31 aufgrund eines größeren Phasenfehlersignals am Eingang die Oszillatorfrequenz erhöht. Dies hat zur folge, daß die Erregungsfrequenz des Induktionsmotors 13 erhöht wird, was eine Erhöhung der synchronen Drehzahl Ss bewirkt. Dies wiederum hat zur Folge, daß der Schlupf ^\ S sich vergrößert. Wie aus der Kurve gemäß Fig. 4 ersichtlich, verursacht dies, daß der Induktionsmotor 13 ein größeres Drehmoment entwickelt und zu beschleunigen beginnt.

Durch die Beschleunigung wird die richtige Drehzahl wieder erreicht und fällt der Fehler ab, so daß die Erregungsfrequenz

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vom spannungsgesteuerten Oszillator 31 her ebenfalls abfällt.

Ähnliches geschieht im umgekehrten Fall. Wird der Induktionsmotor 13 zu schnell, dann bewirkt die Änderung des Fhasenfehlersignals in umgekehrter Bichtung eine Verminderung der Erregungsfrequenz. Der damit verbundene Abfall der synchronen Drehzahl Ss und die entsprechende Verzögerung haben zur Folge, daß der Induktionsmotor 13 wieder zur gewünschten Drehzahl zurückkehrt.

Der Induktionsmotor 13 ist also an eine phasenstarre Servoschleife angeschlossen und behält die gewünschte Drehzahl stets bei. Bei der Systemauslegung ist nur eine solche Wahl des Bereiches des Schlupfes /\ S zu beachten, daß er nicht über das Knie der Drehzahl/Drehmoment-Kurve hinausgeht, weil mit einer Erhöhung der synchronen Drehzahl Ss eine Drehmoment steigerung und mit einer Verminderung der synchronen Drehzahl Ss ein Drehmoment abfall einhergehen muß. Würde man unter das Knie der Drehzahl/Drehmoment-Kurve gehen, dann ergäbe sich das entgegengesetzte Verhalten und ein unstabiles System.

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

Antrieb für den Läufer eines Kreisels, insbesondere Präxsionskreisels, mit einem Wechselstrommotor, g e k e η nzeichnet durch

a) einen asynchronen Wechselstrommotor (13);

b) einen Sensor (21, 23) zur Überwachung der Drehbewegung des Rotors (15) des Wechselstrommotors (13) und Abgabe eines entsprechenden Signals; und

c) einen Vergleicher (27) für das Signal des Sensors (21, 23) und ein die gewünschte Drehbewegung des Rotors (15) repräsentierendes Bezugssignal, welcher ein dem Signalunterschied proportionales Fehlersignal abgibt; wobei

d) der Wechselstrommotor (13) in einer geschlossenen Servoschleife liegt und mit Hilfe des Fehlersignals auf konstante Drehzahl regelbar ist.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Induktionsmotor (13) niit zwei Statorwicklungen (17, 19)? ein Sensor (21, 23) zur Feststellung der Drehzahl und der Phase des Eotors (I5) d-es Induktionsmotors (13)» ein mit dem die Rotorphase darstellenden Signal des Sensors (21, 23) und einer Bezugsfrequenz beaufschlagbarer Phasendetektor (27) zur Abgabe eines entsprechenden Phasenfehler signals, ein mit letzterem beaufschlagbarer, spannungsgesteuerter Oszillator (31) und eine diesem nachgeschaltete Steuerung (33» 35) für die Erregung der Statorwicklungen (17, 19) des Induktionsmotors (I3) vorgesehen sind.

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3· Antrieb nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einem Hilfsmagneten (21) am Rotor (15) und. einer Spule (2J) am Stator des Induktionsmotors (13) zur Abgabe einer Impulsserie besteht, deren Pulsfrequenz der Rotordrehzahl proportional ist, und deren Phase in Bezug zur Rotorphase steht.
4. Antrieb nach Anspruch 2 oder 3? dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Steuerung zwei jeweils der einen bzw. der anderen Statorwicklung (I7 bzw. I9) des Induktionsmotors (13) zugeordnete Brücken (35) aus vier Festkörperschaltern (37 bis 40) und eine logische Steuerschaltung (33) zur Ableitung zweier gegenseitig um 90° phasenverschobener Signale (4-1, 4-3 und 58, 60) für die Ansteuerung der Festkörperschalter (37 bis 40) der einen bzw. der anderen Brücke (35) vom Ausgangssignal (34·) des spannungsgesteuerten Oszillators (31) aufweist, wobei in einer Diagonalen jeder Brücke (35) die zugehörige Statorwicklung (I7 bzw. 19) angeschlossen ist, während die andere Diagonale an einer Gleichspannung liegt.

5· Antrieb nach Anspruch 2, 3 oder 4·, dadurch g e k e η η zeichnet, daß zwischen dem Phasendetektor (27) und dem spannungsgesteuerten Oszillator (31) ein Filter (30) vorgesehen ist.

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