DE3000859C2

DE3000859C2 -

Info

Publication number: DE3000859C2
Application number: DE3000859A
Authority: DE
Inventors: Charles William San Diego Calif. Us Lang; Thomas Westwood N.J. Us Beneventano
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1979-01-16
Filing date: 1980-01-11
Publication date: 1989-05-03
Also published as: IL58819A; NO154859C; US4227144A; FR2447038A1; SE8000242L; CA1168301A; DE3000859A1; FR2447038B1; SE446484B; NO154859B; NO794207L; GB2040469A; GB2040469B; JPH0121885B2; JPS5596412A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der im Oberbegriff des Anspruchs 1 berücksichtigten Firmenschrift "Siemens-Drehmelder" Best.-Nr. D-316/6972, S. 16-21, ist ein Verfahren zur Messung von Fehlern bei Drehgebern bekannt, die drei in Sternschaltung geschaltete Ständerwicklungen und eine rotierende Läuferwicklung aufweisen, in die eine Wechselspannung eingeprägt ist. Dabei wird der auf der zweiten Harmonischen beruhende Drehgeber- Fehler in gleichmäßigen Winkelschritten mit einer an die Ausgangsklemmen der Ständerwicklung angeschlossenen Meßschaltung gemessen. Auf diese Weise erhält man eine unsymmetrisch zur Null-Linie verlaufende Fehlerkurve, aus der man für jede Drehlage des Drehgeber-Läufers den entsprechenden Wert des Drehgeber-Fehlers ablesen kann.

Aus der US-PS 26 09 435 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Drehfehler herkömmlicher Drehgeber bekannt.

Ferner beschreibt die DE-OS 27 12 795 ein Synchronübertragungsgerät der Vernier-Resolver-Bauart, das im Ständer eine Primärwicklung und zusätzlich noch eine oder zwei Sekundärwicklungen enthält, wobei ein Läufer ohne Wicklung vorgesehen ist. Daraus ist es u. a. bekannt, induktive und kapazitive Kopplungen zwischen der Primärwicklung und den beiden im rechten Winkel zueinander liegenden Sekundärwicklungen zu kompensieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausgleichen von auf der zweiten Harmonischen beruhenden Fehlern bei Drehgebern während ihres Betriebes zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale der Patentansprüche 1 und 5.

Gemäß Erfindung wird also der Drehgeber-Fehler unter gleichen Winkelschritten gemessen; aus dieser Messung werden der maximale Drehgeberfehler und der Phasenwinkel des Drehgeber-Fehlers festgestellt und Ausgleichswiderstände derart eingesetzt, daß ein unabgeglichener Fehler entsteht, der die gleiche Größe und die entgegengesetzte Phasenlage wie der gemessene Fehler hat. Vorzugsweise werden die Messungen in 30°-Schritten vorgenommen, und der maximale Fehler sowie der zugehörige Phasenwinkel werden durch eine Fourier-Analyse ermittelt. Zur Bestimmung der Widerstandswerte für die erforderliche Fehlabgleichung zum Ausgleich dieses Fehlers wurde ein analytischer Ausdruck für Drehgeber-Fehler durch Fehlabgleichung der Last über die Ausgänge der drei Drehgeber- Phasen abgeleitet. Die dabei erhaltene Gleichung dient zur Erstellung von Berechnungsformeln für die Ausgleichswiderstände, die beim Einsatz an einem Drehgeber den durch die zweite Harmonische bedingten Fehler ausgleichen.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die sogenannte Drehgeber-Konstante gemessen und mit berechneten Werten zur Bestimmung der Ausgleichswiderstände herangezogen. Die so bestimmten Widerstände werden zum erforderlichen Ausgleich an die Drehgeber-Wicklungen angeschlossen.

Zur Erzielung einer Lastversammlung werden zwei Widerstände parallel zur Last geschaltet und damit über zwei der Drehgeber-Ausgangsklemmen gelegt. Der erfindungsgemäß abgeglichene Drehgeber hat demnach wie ein üblicher Drehgeber drei um 120° auf dem Ständer versetzte Wicklungen, wobei über zwei seiner Ausgangsklemmen Ausgleichswiderstände liegen. Die Ausgangsklemmen sind mit S 1, S 2 und S 3 bezeichnet, und die Ausgleichswiderstände sind gemäß Anspruch 2 angeschlossen.

Es wurden zahlreiche Drehgeber mit Hilfe der Erfindung kompensiert; die maximalen Restfehler lagen dabei für Fehler in der Größenordnung von 10 Bogenminuten unter 2 Bogenminuten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein Schemaschaltbild eines Drehgebers mit üblicher Brückenschaltung an den Ausgängen zur Belastung des Drehgebers, wobei Abgleichswiderstände parallel geschaltet sind; und

Fig. 2 bis 5 Kurven der erzielbaren Drehgeber-Fehlerkompensation.

Fig. 1 zeigt einen Drehgeber 10 mit drei Ständerwicklungen in Sternschaltung und 120°-Versetzung. Die Ständerwicklungen 12, 13und 15 sind alle an einer Stelle 11 zusammengefaßt, und ihre gegenüberliegenden anderen freien Enden bilden die Ausgangsklemmen des Drehgebers. Sie sind in üblicher Weise mit S 1, S 2 und S 3 bezeichnet. Der Drehgeber weist ferner eine Läuferwicklung 17 auf, in der üblicherweise die Läuferspannung induziert wird. Über die Klemmen S 1 und S 3 ist eine Last RL₁, über die Klemmen S 3 und S 2 eine Last RL₂ und über die Klemmen S 1 und S 2 eine Last RL₃ geschaltet. Im Betrieb ist dies die übliche Drehgeber-Belastung. Für Prüfzwecke wird diese Belastung durch Anschließen der Ausgangsklemmen an eine Brücke simuliert, wobei die Lastwiderstände RL₁, RL₂ und RL₃ die Brückenwiderstände darstellen. Parallel zu jedem dieser Lastwiderstände liegt ein weiterer Widerstand. Diese mit R₁, R₂ und R₃ bezeichneten Widerstände sind die Abgleichswiderstände. Beim kompensierten Drehgeber werden davon nur zwei Widerstände verwendet. Es sind jedoch alle drei Widerstände dargestellt, da für die Ableitung der erforderlichen Gleichung alle drei Widerstände berücksichtigt werden müssen. Auf diese Weise ergibt sich folgende Formel:

Die nachstehende Tabelle erklärt die Bedeutung der verwendeten Symbole.

Z₁₁, Z₂₂; Z₃₃
Drehgeber-Eigenimpedanz
Z₁₂, Z₂₃, Z₃₁	Drehgeberständer-Gegenimpedanz
RL₁, RL₂, RL₃	kombinierter Drehgeber-Lastwiderstand
R₁, R₂, R₃	Abgleichwiderstände
Z _SM = Z₁₂ = Z₂₃ = Z₃₁ @	Z _SS = Z₁₁ = Z₂₂ = Z₃₃ @	Z = Z _SS + Z _SM @	E₄	eingeprägte Läuferspannung
R	Rotorwinkel
Δ	Determinante zur Lösung von Gleichungen
δ	Drehgeberfehler bei Winkelstellungsablesung
E _c	berechneter maximaler Drehgeberfehler aufgrund der Lastverstimmung
β _c	berechneter Phasenwinkel des Drehgeberfehlers aufgrund der Lastverstimmung
E _m	gemessener maximaler Drehgeberfehler
β _m	gemessener Phasenwinkel des Drehgeberfehlers
E₀, E₃₀, E₃₃₀	gemessener Drehgeberfehler bei den im Index angegebenen Winkeln
E₂_nd	mathematische Darstellung des gemessenen Drehgeberfehlers

Eine Umformung der Gleichung (1) ergibt:

Aus den vorstehenden Gleichungen folgt, daß ein Fehler in der zweiten Harmonischen induziert wird, wenn bezüglich der Synchrolast eine Verstimmung erfolgt. Eine Formel zur Berechnung der Fehlerkomponente in der zweiten Harmonischen ist mit Hilfe einer Fourier-Analyse aufstellbar, wobei man die Fehlerdaten aus beispielsweise zwölf gleichmäßig verteilten bei 0° beginnenden Prüfstellungen braucht.

Es können jedoch auch mehr oder weniger Prüfstellen gewählt werden. Allgemein gesagt, läßt sich jede Messung verwenden, bei der der maximale Drehgeberfehler und seine zugehörige Phase feststellbar sind.

Die derart ermittelte Gleichung lautet folgendermaßen:

wobei die Werte E′₀, E′₃₀, . . . nachfolgend in den Gleichungen (B-1) bis (B-13) erläutert werden.

Diese Gleichung läßt sich auch umschreiben in:

E₂_nd = E _m sin (2R - β _m) (6)

Aufgrund der 180°-Symmetrie der zweiten Harmonischen lassen sich die Größen E′₀ bis E′₁₅₀ folgendermaßen angeben:

E′₀ = E _0,180 - E _avg (B-8)

E′₃₀ = E _30,210 - E _avg (B-9)

E′₆₀ = E _60,240 - E _avg (B-10)

E′₉₀ = E _90,270 - E _avg (B-11)

E′₁₂₀ = E _120,300 - E _avg (B-12)

E′₁₅₀ = E _150,330 - E _avg (B-13)

Mit

Zur besseren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Fig. 2 bis 5 Bezug genommen. Fig. 2 zeigt einen Drehgeber, vorzugsweise für eine Rollsteuerung, wobei die Kurve 21 einen unkompensierten Fehler darstellt. Die Fig. 3 bis 5 zeigen Querachsen-Drehgeber für unterschiedliche Kreiselplattformen, wobei die Kurven 23, 25 und 27 unkompensierte Fehlerkurven sind. Man erkennt daraus, daß der maximale Fehler und seine Phasenlage zwar zweckmäßigerweise aus den Gleichungen 5 bis 8 bestimmbar ist, jedoch auch aus den Kurven entnommen werden kann. In Fig. 2 tritt der maximale Fehler bei 60° und bei 240° auf. In Fig. 3 erscheint der maximale Fehler bei -75°, in Fig. 4 liegt er bei etwa +60°. In Fig. 5 liegt der maximale Drehgeberfehler bei ±90°. Die Figuren zeigen ferner Fehlervariationen für die einzelnen Drehgeber. In den Fig. 3, 4 und 5 ist der Fehler lediglich zwischen ±90° aufgezeichnet, da ein Querachsen-Drehregler lediglich in diesem Bereich arbeitsfähig ist.

Eine Untersuchung der Gleichung (1) zeigt, daß der Drehgeberfehler in der zweiten Harmonischen auch mit nur zwei Widerständen kompensierbar ist. Eine Umformung der Gleichung (1) im Hinblick auf zwei parallel zur Drehgeberlast geschaltete Widerstände ergibt folgendes:

Aus Gleichung (3) lassen sich für positive Widerstandswerte folgende Aussagen machen:

A. Gleichung (9) ist gültig für β _c = 300° bis 60°.
B. Gleichung (10) ist gültig für b _c = 180° bis 300°.
C. Gleichung (11) ist gültig für β _c = 60° bis 180°.

Wenn Gleichung (5) mit dem Negativwert der Gleichungen (9), (10) und (11) verglichen wird, dann lassen sich die Widerstandswerte für die zur Kompensation der zweiten Harmonischen des Drehgeberfehlers ermitteln. Die hierzu erforderlichen Formeln lauten folgendermaßen:

Die zur Berechnung der Ausgleichswiderstandswerte angegebenen Gleichungen (12) bis (17) enthalten die sogenannte Drehgeberkonstante K. Ihr Wert ist von der Eigenimpedanz und der gegenseitigen Impedanz des auszugleichenden Gerätes abhängig. Die Drehgeberkonstante wird für jeden einzelnen Drehgeber in Prüfversuchen bestimmt, wobei die ermittelten Daten für die nachstehende Formel aufbereitet werden.

Gleichung (11) läßt sich für R₁ = R₃ = ∞ folgendermaßen umschreiben:

Mit R = 0° ist

Mit K = 3 √ Z folgt:

K = 6R₂δ (20)

Der Drehgeberfehler läßt sich auch als Funktion der Spannung bei Winkelstellung Null angeben, nämlich:

worin K _SF der Drehgeber-Bewertungsfaktor ist.

Die Gleichungen (20) und (21) lassen erkennen, daß sich die Drehgeberkonstante K durch Hinzufügung von R₂ über die Drehgeberlast und durch Messung der zugehörigen Nullveränderung bestimmen läßt, wobei der Läufer auf R = 0° steht.

Für die Direktmessung von K gilt:

worin E′ _null die bei der Hinzufügung des Widerstandes R₂ erfolgende Änderung der Drehgeber-Nullstellung ist. Da die Drehgeberfehler-Prüfdaten üblicherweise in Bogenminuten gemessen werden, wird K zur leichteren Handhabung in Ohm-Bogenminuten ausgedrückt.

Sind die richtigen Widerstandswerte in Einklang mit dem Vorstehenden ermittelt, dann werden die entsprechenden Widerstände über die Ausgangsklemmen des Drehgebers gelegt. Die Widerstände werden entweder in den Drehgeber eingebaut oder in einer externen Schaltung vorgesehen, die an die Ausgangsklemmen des Drehgebers angeschlossen wird.

Prüfergebnisse

Die erfindungsgemäße Drehgeber-Fehlerkompensation wurde auf Kreiselplattformen angewandt. Unbearbeitete Drehgeber- Prüfdaten wurden zur Berechnung der Ausgleichswiderstände sowie zur Art ihrer Anbringung an den Drehgeber- Ausgangsklemmen herangezogen. Für den Querachsen-Drehgeber, dessen Freiheitsgrad begrenzt ist, wurde angenommen, daß der Fehler außerhalb der Grenzwinkel eine Wiederholung der gemessenen Daten innerhalb des Bereichs des Winkelfreiheitsgrades ist. Dies führt zu einer richtigen Fehlerkompensation für einen verwendbaren Querachsen-Winkelbereich.

Vor der Vornahme der Kompensation wurde die Drehgeber-Konstante K in obiger Weise berechnet. Mit drei Plattformen aufgenommene Daten zeigten an, daß diese Konstante für alle Einheiten übereinstimmte und den Wert K=1,959×10^-6 Ohm-Min. annahm. Die Fig. 2 bis 5 geben die erhaltene Drehgeber- Fehlerkompensation mit Roll- und Querachsen- Drehgebern der Anmelderin an. Die Kurven zeigen sowohl den unkompensierten Fehler, und zwar durch die Kurven 21, 23, 25 und 27 sowie den kompensierten Restfehler, der durch die Kurven 29, 31, 33 und 35 dargestellt ist. Man erkennt daraus, daß die erfindungsgemäße Fehlerkompensation zu einer ganz wesentlichen Fehlerreduktion führt.

Claims

1. Verfahren zum Ausgleichen von auf der zweiten Harmonischen beruhenden Fehlern bei Drehgebern mit drei in Sternschaltung geschalteten Ständerwicklungen und mit einer rotierenden Läuferwicklung, in die eine Wechselspannung eingeprägt ist, wobei der Fehler in gleichmäßigen Winkelschritten gemessen und die Größe und Phase des maximalen Fehlers der zweiten Harmonischen bestimmt wird, gekennzeichnet durch Anschließen von Widerständen über jeweils zwei Ausgangsklemmen (S 1, S 2, S 3) der Ständerwicklungen zur Erzielung einer Verstimmung der zweiten Harmonischen, welche etwa gleich groß und in der Phasenlage entgegengesetzt wie der gemessene Fehler ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zwischen 300° und 60° liegenden Maximalfehler Widerstände zwischen die Ausgangsklemmen S 2 und S 3 sowie S 1 und S 2, bei einem zwischen 180° und 300° liegenden Maximalfehler die Widerstände zwischen die Ausgangsklemmen S 1 und S 3 sowie S 1 und S 2 und bei einem zwischen 60° und 180° liegenden Maximalfehler die Widerstände zwischen die Ausgangsklemmen S 1 und S 3 sowie S 3 und S 2 gelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der über die Ausgangsklemmen gelegten Widerstände als Funktion der Drehgeber-Konstanten ermittelt und daß diese Drehgeber-Konstante für jeden zu kompensierenden Drehgeber bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Drehgeber-Konstanten durch Anlegen eines Widerstandes über die Ausgangsklemmen S 2 und S 3 und durch Messen der Veränderung der Nullspannung bei angelegtem Widerstand ermittelt wird, wobei außerdem die Nullspannung mit dem Widerstandswert und dem Faktor 6, dividiert durch den Drehgeber-Bewertungsfaktor, multipliziert wird.

5. Kompensierter Drehgeber mit einer Läuferwicklung und drei in Sternschaltung geschalteten Ständerwicklungen mit Ausgangsklemmen S 1, S 2 und S 3, gekennzeichnet durch über jeweils zwei der Ausgangsklemmen gelegte erste und zweite Widerstände, deren Widerstandswerte derart bemessen sind, daß sie eine Verstimmung der zweiten Lastharmonischen in einer Phasenverschiebung und einer Größe erzeugen, die entgegengesetzt dem zweiten harmonischen Fehler des Drehgebers ist, wodurch dieser eine Korrektur des zweiten harmonischen Fehlers des Drehgebers bewirkt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zwischen 180° und 300° Phasenwinkel liegenden maximalen Drehgeberfehler die Widerstände zwischen die Ausgangsklemmen S 1 und S 3 sowie S 1 und S 2 geschaltet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zwischen 300° und 60° Phasenwinkel liegenden maximalen Drehgeberfehler die Widerstände zwischen die Ausgangsklemmen S 3 und S 2 sowie S 1 und S 2 geschaltet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem zwischen 60° und 180° Phasenwinkel liegenden maximalen Drehgeberfehler die Widerstände zwischen die Ausgangsklemmen S 1 und S 3 sowie S 3 und S 2 geschaltet sind.