DE3010048A1

DE3010048A1 - Steuerschaltung zum betrieb eines synchronmotors

Info

Publication number: DE3010048A1
Application number: DE19803010048
Authority: DE
Inventors: Henry Kenneth Voight
Original assignee: Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1979-03-15
Filing date: 1980-03-15
Publication date: 1980-09-25
Also published as: GB2046956B; US4314188A; FR2451655A1; GB2046956A

Description

Pater.taiwälte Dipl.-lng. Curt Wallach

Dipl.-lng. Günther Koch

L· Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 14. MärZ I98O

Unser Zeichen: 16 856 - Fk/Vi

SPERRY CORPORATION

1290 Avenue of the Americas,

New York, New York 10019*

U.S.A.

Steuerschaltung zum Betrieb eines Synchronmotors

030039/0826

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Steuerschaltung zum Betrieb eines Synchronmotors mit einer konstruktionsbedingten synchronen Nenn-Drehgeschwindigkeit und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf eine Steuerschaltung für derartige Synchronmotoren, die zum Antrieb von Kreiselgerätemotoren verwendet werden.

Kreiselgeräte, insbesondere solche Kreiselgeräte, die als Wende- oder Drehgeschwindigkeitsmeßinstrumente verwendet werden, weisen typischerweise synchrone Hysteresemotoren auf, so daß der Rotor mit einer bekannten konstanten Drehzahl angetrieben werden kann. Ein derartiger Betrieb ist erwünscht, wenn das Ausgangssignal des Kreiselgerätes nur für eine vorgegebene konstante Drehgeschwindigkeit des Kreiselrotors ein präzises geeichtes Ausgangssignal darstellt. Der übliche synchrone Hysteresemotor weist jedoch die konstruktionsbedingte Eigenschaft einer zufälligen Synchronisation auf. Der Grund für diese Eigenschaft liegt in der Tatsache, daß jedesmal dann, wenn der Motor gestartet wird und sich danach synchronisiert, die permanentmagnetischen Pole auf dem Hysteresering des Motors neu gebildet werden. Weiterhin ändert sich bei jeder Neuausbildung dieser Magnetpole die Lage und Stärke dieser Magnetpole in zufälliger Weise, und zwar scheinbar unter dem Einfluß der umlaufenden magnetomotorischen Kraft in dem Hysteresering. Daher ist die magnetische Achse, wie sie in dem Rotor bei der letzten vorhergehenden Betriebsperiode ausgebildet wurde, normalerweise nicht mit dem umlaufenden Feld ausgerichtet, wenn der Motor danach gestartet wird und sich entsprechend ein neuer Synchroni-

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sierpunkt ausbildet.

Die im vorstehenden genannte zufällige Neuausrichtung kann unerwünschte Unterschiede in der Größe und Phase der vom Motor hervorgerufenen Schwingungen induzieren und die magnetische Kopplung zwischen dem Stator des Antriebsmotors und dem Kreiselrotor ändern. Die Auswirkungen der letzteren Probleme sind insbesondere für Kreiselgeräte mit an Biegeelementen gehalterten lagerfreien Rotoren von Bedeutung, bei denen der Kreiselrotor gelenkig gegenüber dem Stator des Antriebsraotors gehaltert ist.

Es wurde mit geringem Erfolg versucht, diese Schwierigkeit dadurch zu beseitigen, daß eine periodische hochfrequente Unterbrechung der Antriebsmotor-Speisung vorgenommen wurde, um einen Mittelwertbildungseffekt einer Vielzahl von schnellen zufälligen Neusynchronisationen auszunutzen. Die Geräusche und Störungen aufgrund dieses Verfahrens machen es unmöglich, eine geringe zufällige Drift zu erzielen, und weiterhin ruft ein Rotorschlupf, der sich aufgrund der periodischen nichtsynchronen Betriebsweise des Kreiselrotors ergibt, eine Unsicherheit hinsichtlich der Rotordrehzahl hervor und diese Unsicherheit kann bei geeichten Trägheitssystemen nicht hingenommen werden. Weiterhin wurde ein Verfahren vorgeschlagen, das darin bestand, eine periodische Vor- oder Nacheilung des Magnetfeldes des Antriebsmotors zu verwenden, wodurch eine Neumagnetisierung des Hystereseringes ohne die periodische Rotordrehzahländerung hervorgerufen wird, die sich bei der Technik mit einer Unterbrechung der elektrischen Betriebsleistung ergab.Obwohl sich auch hierbei eine vorteilhafte Mittelwertbildung zu ergeben scheint,

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vermeidet diese letztere Technik ebenfalls nicht eine Unsicherheit hinsichtlich der Rotordrehzahl, so daß sie nicht für die Verwendung in Präzisionsanwendungen geeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine genaue und wirkungsvolle Ansteuerung eines Synchronmotors zur Erzielung einer konstanten genau bekannten Drehzahl unter Vermeidung der eingangs erwähnten Schwierigkeiten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Steuerschaltung ist für alle Motoren vom Synchron-Typ, wie z. B. für Induktionsmotoren, geeignet, die eine konstruktionsbedingte synchrone Nenn-Drehgeschwindigkeit aufweisen, obwohl die tatsächliche Drehgeschwindigkeit aufgrund des Schlupfes kleiner ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Steuerschaltung für einen präzisen Antrieb der Rotoren von Präzisionskreiselgeräten, wie z. B. kleinen, einen an Biegeelementen befestigten Rotor aufweisenden Dreh- oder Wendegeschwindigkeits- oder Trägheit skreiselgeräten von der Art, wie sie weiter unten noch näher erläutert wird. Der Rotor wird synchron im Servobetrieb betrieben, so daß eine Bezugsfrequenz, die

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-f:

von einem auf die Spinfrequenz "bezogenen Generator mit einer präzisen stabilisierten Frequenznorm synchronisiert wird,und die Aufrechterhaltung einer konstanten Rotordrehzahl sichergestellt wird, was die Ausübung von präzise geeichten Drehmomenten auf das Kreiselgerät ermöglicht. Der Rotor des Motors des Kreiselgerätes wird daher mit einer Frequenz unterhalb der synchronen Frequenz in Drehung versetzt, so daß die Pole in dem Hysteresering konstant um den Ring umlaufen und ihre Auswirkung auf die mittlere magnetische Vorspannung im wesentlichen auf einen Mittelwert von Null gebracht wird. Weiterhin wird der Antriebsmotor mit einem Spitzenwirkungsgrad betrieben, weil seine Erregung automatisch und genau so eingestellt wird, daß sie gerade ausreicht, um lediglich das erforderliche Motordrehmoment für einen Betrieb unterhalb der synchronen Drehzahl zu erzeugen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Steuerschaltung in Verbindung mit einem Präzisions-Kreiselgerät,

Fig. 2 ein ausführlicheres Schaltbild einer Synchronisierschaltung 30 gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein ausführlicheres Schaltbild einer Signalformerschaltung, die in Fig. 1 mit der Bezugs-

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ziffer 22 "bezeichnet ist.

Die in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform der Steuerschaltung zur elektrischen Ansteuerung eines Antriebsmotors kann bei vielen Anwendungen von Synchron- und Induktionsmotoren verwendet werden, obwohl sie von speziellem Interesse bei der Verwendung zur Ansteuerung von Synchronmotoren ist, die zum Antrieb der Rotoren von Zwei-Achsen-Kreiselgeräten mit Drehmomentrückführung und mit an Biegeelementen aufgehängtem Rotor verwendet werden. Derartige Dreh- oder Wendegeschwindigkeits-Kreiselgeräte werden beispielsweise in flugzeugstarr befestigten Fluglagen- und Steuerkurs-Bezugsinstrumenten verwendet und können vom allgemeinen Typ sein, wie er in der britischen Patentschrift 722 4-92 und den deutschen Offenlegungsschriften 2 024 593, 2 024 606 und 2 210 391 beschrieben ist. Diese und andere Patentschriften beschreiben den Aufbau und die Betriebsweise typischer Drehgeschwindigkeit s- oder Wendekreisel mit an Biegeelementen aufgehängten Rotoren. Derartige Kreiselgeräte weisen einen Kreiselrotor auf, der im Ergebnis frei über Biege-Tragelemente für eine Drehung um eine Laufachse mit Hilfe einer von einem Elektromotor angetriebenen Welle aufgehängt ist, die in dem Instrumentengehäuse gelagert ist. Die Biege-Tragelemente ermöglichen eine universelle Kippbewegung des Kreiselgeräterotors um zwei Achsen, die beide senkrecht zur normalen Laufachse stehen.

Derartige Kreiselgeräte weisen normalerweise um 90° gegeneinander versetzte Paare von induktiven Abgriffen zur Feststellung von Winkelbewegungen des Rotors 50

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gegenüber seiner Laufachse SA (Fig. 1) um zueinander senkrechte TrägheitSachsen auf, so daß sich entsprechende elektrische Ausgangssignale an Leitungen 40, 44 ergeben. Damit zusammenwirkende, in Quadraturabstand angeordnete Paare von in gleicher Weise angeordneten Drehmomenterzeugerwicklungen sind ebenfalls normalerweise vorhanden und werden durch Drehmomenterzeugerströme gespeist, die an Anschlüssen 41, 45 zugeführt werden. In Fig. 1 ist ausschließlich aus Vereinfachungsgründen jedes derartige Paar von Drehmomenterzeugerwicklungen schematisch durch eine geweilige einzige Drehmomenterzeugerwicklung 62, 63 dargestellt und jedes derartige Paar von induktiven Abgriffen ist schematisch durch jeweilige einzelne Abgriffwicklungen 60, 61 dargestellt. Normalerweise wird beispielsweise das Signal von der Abgriffwicklung 61 dadurch auf Null gehalten, daß es über Leitungen 40 einem (nicht gezeigten) eine hohe Verstärkung aufweisenden Verstärker und dann der Drehmomenterzeugerwicklung 63 zugeführt wird, um den Kreiselrotor 50 entgegengesetzt zu der Präcession zu präcedieren, die durch die Eingangsdrehgeschwindigkeit hervorgerufen wird, so daß der -Rotor 50 im wesentlichen mit dem an dem Luftfahrzeug befestigten Instrumentengehäuse 43 ausgerichtet gehalten wird.

Vie dies bereits erläutert wurde, ist der Rotor 50 flexibel an der Welle 51 befestigt und durch den Motor 38 im Inneren des Instrumentengehäuses in Drehung versetzt. In ähnlicher Weise wird das Signal von der Quadratur-Abgriffwicklung 60 über eine ähnliche (nicht gezeigte) Kreisel-Rückstellschleife über Leitungen 44 und die Drehmomenterzeugerwicklung 62 zu Null gemacht. Es ist daher zu erkennen, daß der in eine der Drehmomenterzeuger-

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wicklungen 62 oder 63 eingespeiste Strom proportional zur Drehgeschwindigkeit ist, mit der das Kreiselgerätegehäuse gedreht wird, während sich das Luftfahrzeug selbst in entsprechender Weise um eine jeweilige Trägheitsachse dreht. Wenn das Luftfahrzeug, an dem das Kreiselgerät befestigt ist, beispielsweise eine Querneigungsbewegung ausführt, wird der Kreiselrotor 50 im wesentlichen gegenüber seinem Gehäuse dadurch festgehalten, daß eine Präcessionskraft auf den Rotor 50 in Querneigungsrichtung und mit der gleichen Rate ausgeübt wird, mit der das Luftfahrzeug die Querneigungsbewegung ausführt. Entsprechend kann die Querneigungsgeschwindigkeit des Luftfahrzeuges genau gemessen werden, wenn der durch die entsprechende Drehmomenterzeugerwicklung 62 oder 63 fließende Strom genau gemessen wird. Diese Messung erfolgt in üblicher Weise mit Hilfe von Einrichtungen, die hier nicht ausführlich beschrieben werden.

Gemäß Fig. 1 erfolgt die Synchronisation der Betriebsweise des Kreiselgeräte-Motors mit Hilfe von Kiementen, die einen Oszillator 1 und eine Frequenzteilerkette mit einzelnen Frequenzteilerelementen 2 bis 10 einschließen, die im oberen Teil der Zeichnung daxgestellt sind. Der Oszillator 1 kann ein üblicher quarzgesteuerter Oszillator sein, der eine symmetrische Rechteckschwingungsfolge mit einer Frequenz f,, liefert. Eine übliche Frequenzteilerschaltung 2 teilt die Frequenz am Ausgang des Oszillators 1 und erzeugt eine positiv verlaufende Impulsfolge mit der Frequenz f_? am Verbindungspunkt 3· Als nächstes arbeiten eine übliche phasenstarre Schleife (PLL) 4· und ein Frequenzteiler 5 in. üblicher Weise zusammen, um eine phasenstarre Folge von schmalen positiv verlaufenden

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Impulsen mit der Frequenz f^ an Verbindungspunkten 6, 7 zu erzielen. Die aufeinanderfolgenden Frequenzteiler 8, 9 und 10 verarbeiten das Signal mit der Frequenz f^ am ■Verbindungspunkt 7 und erzeugen eine positiv verlaufende Rechteckschwingung mit der Frequenz f^. Diese üblichen Frequenzteiler können jeweilige Teilermodulen von beispielsweise 3, 9 bzw. 7 aufweisen und in diesem Beispiel und bei einer Oszillatorfrequenz des Oszillators 1 von 19,2 kHz ist die Frequenz f~ gleich 4-,8 kHz, die Frequenz f, beträgt 76,8 kHz und die Frequenz f^ beträgt 406,3 Hz. Die Steuerschaltung ist jedoch nicht auf die Verwendung der speziellen Frequenzteilermoduln oder auf die Verwendung eines Oszillators 1 mit einer Betriebsfrequenz von f^ = 19,2 kHz beschränkt. Rationale Bruchteile können als Moduln für alle Frequenzteiler verwendet werden.

Zur Ansteuerung des Motors 38 wird der eine konstante Amplitude aufweisende Rechteckschwingungsausgang des Frequenzteilers 10 über ein Schmalbandfilter 18 geleitet, um eine symmetrische Sinusschwingung mit konstanter Amplitude und der Frequenz f^ an einer Leitung 24 zu erzeugen. Die Sinusschwingung mit der Frequenz f^ an der Leitung 24-wird einem üblichen Analogmultiplizierer 25 zugeführt, der beispielsweise die Form eines Verstärkers mit veränderlicher Verstärkung aufweisen kann, dessen Funktion noch näher beschrieben wird, und der das Signal an der Leitung 24- in der Amplitude dadurch multipliziert, daß ein unipolares Steuersignal an seine zweite Eingangsleitung 23 angelegt wird. Das Ausgangssignal des Multiplizierers 25 mit der Frequenz I₁. wird einem ersten Leistungsverstärker 3^ direkt und einem zweiten Leistungsverstärker 35» der gleich dem Verstärker 34- ist, über

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einen 9O°-Phasenschieber 33 zugeführt. Die verstärkten Ausgangssignale der Verstärker 34, 35 liefern die Antriebsleistung zur Ansteuerung des Zweiphasenmotors 38, der seinerseits den Rotor 50 des Kreiselgerätes antreibt. Wenn eine größere elektrische Leistung dem Antriebsmotor 38 zugeführt wird, wird seine Drehgeschwindigkeit vergrößert und umgekehrt, selbst wenn die Frequenz f^ konstant bleibt.

Der übrige Teil der Steuerschaltung dient zur präzisen Festlegung der Drehgeschwindigkeit des Motors 38 in der gewünschten Weise durch Ändern der Amplitude seiner Sinus Schwingungserregung von den Verstärkern 34-» 35· Zu diesem Zweck muß ein zusätzliches Steuersignal, das die tatsächliche Drehzahl des Rotors 50 darstellt, erzeugt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß eine übliche Permanentmagnet-Wechselspannungstachometereinrichtung oder ein Drehgeschwindigkeits-Bezugsgenerator 37 ^me~ chanisch mit der Motorwelle 51 gekoppelt wird. Beispielsweise zeigt die oben erwähnte britische Patentschrift 722 492 einen derartigen Zweiphasen-Drehfrequenzgenerator zur Erzeugung der gewünschten um 90° phasenverschobenen Bezugsspannungen. Alternativ können die gewünschten Rotordrehzahl-Bezugssignale von dem Ausgang des Kreisel-Neigungs-Abgriff systems abgeleitet werden, beispielsweise in der allgemeinen Weise wie sie in der deutschen Offenlegungsschrift 2 024 606 beschrieben ist. Ein derartiges die Drehgeschwindigkeit in Form einer Frequenz darstellendes Sinusschwingungssignal an den Anschlüssen 42 des Generators 37 mit einer Frequenz f,-, die gleich 2,4 kHz ist, wird einem üblichen Frequenzverdoppler 32 zugeführt und dann als positiv verlaufende Rechteckschwingung mit

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der Frequenz fg einer Leitung 31a zugeführt, die mit einem Impulsformer 31 verbunden ist. Das Rechteckschwingungs-Ausgangssignal des Frequenzverdopplers 32 mit der Frequenz 2f,- wird damit in eine Folge von positiv verlaufenden schmalen Impulsen umgewandelt und einer Synchronisierschaltung 30 zugeführt, die weiter unten anhand der Fig. 2 erläutert wird. In Abhängigkeit von den Anwendungsfällen können auch andere Frequenzen f^ verwendet werden, doch ist, wenn ein üblicher die Drehzahl darstellender Bezugsgenerator 37 niit einer 400-Hz-Erregung des Motors 38 verwendet wird, die Ausgangsfrequenz fj- an den Leitungen 42 gleich 2,4 kHz im eingeschwungenen Betriebszustand. Wie dies noch zu erkennen ist, wandelt die Synchronisierschaltung 30 das Ausgangssignal des Impulsformers 31 in eine positiv verlaufende Impulsfolge mit der Frequenz fg um, wobei das f^-Eingangssignal von dem Verbindungspunkt 7 dazu verwendet wird, ein zeitliches Zusammenfallen von Impulsen von dem Impulsformer 31 mit einem der Impulse von der Bezugs-Impulsfolge mit der Frequenz fp vom Verbindungspunkt 3 zu verhindern, wie dies anhand der Fig. 2 noch näher erläutert wird.- Die Bezugs-Rechteckschwingungsfolge an der Leitung 3a vom Verbindungspunkt 3 wird zunächst der Wirkung eines Impulsformers 15 unterworfen, der dem Impulsformer 31 ähnlich ist. Daher haben die Signale an den Leitungen 19, 20 im wesentlichen die gleiche Amplitude, Form und Dauer. Es ist verständlich, daß die Anzahl der Impulse pro Sekunde an der Ausgangsleitung 20 der Synchronisierschaltung 30 ein Maß der Drehzahl des Kreiselrotors 50 ist.

Die Rechteckschwingungsfolge mit der Frequenz f₂ von dem Bezugsfrequenz-Teiler 2 und die Rechteckschwingungsfolge

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mit der Frequenz f_& der Synchronisierschaltung 30 werden zusammenwirkenden Eingängen eines üblichen Vorwärts-/-Rückwärts-Schieberegisters 21 zugeführt. Die Ausgangsimpulse der Synchronisierschaltung 30 aktivieren die Rückwärts-Steuerleitung oder Leitung 20 des Schieberegisters 21, während die quarzgesteuerte Impulsfolge von dem Frequenzteiler 2 die Vorwärts-Steuerleitung oder Leitung 19 des Schieberegisters 21 aktiviert. Ein Ausgangssignal wird in üblicher Weise von dem Q-Ausgang bei 21a von einer der mittleren Stufen des Schieberegisters 21 abgeleitet. Jeder Impuls an der Vorwärts-Steuerleitung 19 verschiebt eine EINS in das Register 21 und bewegt die Q-Ausgangsamplitude der Impulsfolge in Richtung auf beispielsweise einen Pegel von +5 V. Jeder Impuls an der Rückwärts-Steuerleitung 20 verschiebt eine NULL in das Register 21 und wirkt im Sinne einer Änderung des Q-Ausgangs auf den Pegel von 0 V. Der Vorwärts-Leitung 19 wird eine konstante Anzahl von Impulsen pro Sekunde (mit der Frequenz von 4,8 kHz) zugeführt. Wenn der Kreiselrotor 50 beim Einschalten zu Anfang hoch läuft, liegt die Frequenz ft- des Signals an den Ausgangsleitungen 42 des Kreiseldrehzahl-Bezugsgenerators 37 unterhalb von 2,4 kHz und es erscheint eine Impulswiederholfrequenz von weniger als 4,8 kHz an der Rückwärts-Steuerleitung 20. Diese Situation führt dazu, daß das Schieberegister 21 mit EINS-Pegeln gefüllt wird, und der Q-Ausgang bleibt im wesentlichen auf dem maximalen (+5 V) Pegel. Wenn die Drehgeschwindigkeit des Rotors 50 den Wert von 400 Hz überschreitet, so daß das Ausgangssignal f,- des Bezugsgenerators 37 den Wert von 2,4 kHz erreicht, müssen natürlich mehr Impulse an der Rückwärts-Steuerleitung 20 als an der Vorwärts-Steuerleitung 19 erscheinen, so daß der

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Q-Ausgang des Registers 21 am Anschluß 21a dann in Richtung auf O V absinkt.

Venn die Frequenz des Kreiseldrehzahl-Bezugssignals genau 2,4 kHz wird und wenn fg gleich f₂ wird, so ist das Signal am Q-Ausgang 21a des Registers 21 eine impulsbreitengesteuerte positiv verlaufende im wesentlichen rechteckförmige Schwingung, deren Impulsbreite proportional zur Phasendifferenz zwischen den 4,8-kHz-Impulsen an den Leitungen 42 und den Impulsen ist, die von dem !Frequenzteiler 2 als Teile einer stabilen Bezugs-Impulsfolge abgeleitet werden. Die nominellen Gleichspannungskomponenten des Q-Ausgangssignals betragen dann +2,5 V. Wenn die Drehgeschwindigkeit des Rotors 50 absinkt, so vergrößert sich die Impulsbreite der positiv verlaufenden Impulse und es ergibt sich eine zunehmend größere Gleichstromkomponente, so daß sich eine Erregung mit höherer Amplitude an dem Motor 38 ergibt. Wenn umgekehrt die Drehzahl des Rotors 50 zunimmt, wird eine geringere Gleichstromkomponente erzeugt und der Pegel der Erregung des Motors 38 wird entsprechend verringert, so daß dieser seine Drehzahl verringern kann.

Fig. 2 zeigt ausführlicher eine mögliche Ausführungsform der Synchronisierschaltung 30. Wie dies erwähnt wurde, besteht die allgemeine Aufgabe der Synchronisierschaltung 30 darin, die asynchronen Impulse, die von dem Frequenzverdoppler 32 (fg) des Kreiselmotors erzeugt werden, zu empfangen und sie genau mit der System-Taktfrequenz f^ (76,8 kHz) zu synchronisieren, die an <ler Leitung 7a von dem Verbindungspunkt 7 auftritt. Die Impulse von dem Frequenzverdoppler 32 werden der Rückwärts-Steuerleitung 20

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des Vorwärts-ZRückwärts-Schieberegisters 21 zugeführt. Die Impulsfolge mit der Frequenz fp wird nach einer Impulsformung in dem Impulsformer 15 der Vorwärts-Steuerleitung 19 des Schieberegisters 21 zugeführt.

Hierbei entsteht ein Problem, das die Verwendung einer weiteren Steuerschaltung in der Synchronisierschaltung 30 erfordert, um sicherzustellen, daß Impulse nicht gleichzeitig an die jeweiligen Vorwärts- und Rückwärts-Steuerleitungen 19, 20 des Schieberegisters 21 angelegt werden, weil in diesem Fall die Arbeitsweise des Schieberegisters ungenau würde. Von dem Kreiselrotor-Bezugsgenerator $7» dem Frequenzverdoppler 32 und dem Impulsformer 31 erzeugte Impulse werden über eine Leitung 31a dem Setzeingang einer Flip-Flop-Schaltung 82 zugeführt. Wenn die Flip-Flop-Schaltung 82 durch das Ausgangssignal eines Verknüpfungsgliedes 81 rückgesetzt wird, erregt die entsprechende Änderung des Zustandes der Flip-Flop-Schaltung 82 einen üblichen Impulsformer 83 und hierdurch wird ein Impuls an die Rückwärts-Steuerleitung 20 des Schieberegisters 21 angelegt.

Die Impulsfolge mit der Frequenz fo (4-»8 kHz), die als System-Taktsignal wirkt, liefert dauernd Vorwärts-Impulse an die Eingangsleitung 19 des Schieberegisters 21 über den Impulsformer 15· Wenn ein Impuls an der Vorwärts-Steuerleitung 19 vorhanden ist, schließt er das Verknüpfungsglied 81 über die Sperrleitung 26, so daß ein Rücksetzen der Flip-Flop-Schaltung 82 verhindert wird. Dies stellt sicher, daß ein Rückwärts-Impuls an der Eingangsleitung 20 lediglich zu Zeiten vorhanden sein kann, wenn kein Vorwärts-Impuls an der Leitung 19 vorhanden

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ist. Die Flip-Flop-Schaltung 82 ist so angeordnet, daß, wenn ein 76,8-kHz-Impuls zur gleichen Zeit wie der Impuls von dem Bezugsgenerator 37 vorhanden ist, die Flip-Flop-Schaltung 82 gesetzt wird und Informationen dem Impulsformer 83 zugeführt werden, wenn der nächste Taktimpuls an der Leitung 19 erscheint.

Die Q-Ausgänge des Vorwärts-/Riickwärts-Schieberegisters 21 nach Fig. 1 werden der Signalvorspann- und Signalformerschaltung 22 zugeführt, wie ausführlicher in Fig. 3 gezeigt ist. Wie dies aus Fig. 3 zu erkennen ist, empfängt das Netzwerk 22 das Ausgangssignal des Schieberegisters 21 am Anschluß 21a, während eine Gleichspannungs-Eichvorspannung über einen Anschluß 17a aus einer üblichen stabilisierten (nicht gezeigten) Quelle am Anschluß

16 (Fig. 1) über einen manuell einstellbaren Widerstand

17 hinzugefügt werden kann. Gemäß Fig. 3 kann das Vorspannetzwerk 75 irgendeine von bekannten Ausführungsformen aufweisen und enthält üblicherweise einen Gleichstromverstärker, der auf die jeweiligen Signal- und Vorspannströme an den Anschlüssen 21a, 17a anspricht,- und das Ausgangssignal des Netzwerks 75 wird der Signalformerwirkung eines Tiefpaßfilters 76 unterworfen, um Wechselspannungskomponenten zu beseitigen. Das Ausgangssignal des Filters 76 wird dann über die Leitung 23 weitergeleitet, um die Verstärkung des Multiplizierers oder Verstärkers 25 zu steuern. Das Ausgangssignal des Filters 76 ist über einen üblichen Begrenzer 77 niit der üblichen "Begrenzercharakteristik 78 gemäß Fig. 3 an den Eingangsanschluß 21a des Vorspannetzwerkes 75 zurückgeführt, um die maximale, an die Wicklungen des Motors 38 angelegte Spannung auf einen Effektivwert von ungefähr 8,5 V zu begrenzen»

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Auf diese Weise wird ein zuverlässiges Einfangen der Motorgeschwindigkeit des Kreiselgerätes ermöglicht, ohne daß es erforderlich ist, aufwendige zeitgesteuerte Signalformer mit Netzwerk zu verwenden. Ein typischer Kreiselrotor arbeitet normalerweise bei einer Effektivspannung von 6,25 V von der Schaltung 22.

Entsprechend ist zu erkennen, daß die Steuerschaltung eine Möglichkeit für eine präzise und wirkungsvolle Ansteuerung eines Drehgeschwindigkeits-Kreiselgeräterotors ergibt, wobei diese Steuerschaltung die Nachteile bekannter Schaltungen dadurch beseitigt, daß ein stabiles Ansteuersignal mit einer synchronen Frequenz erzeugt wird, das automatisch in seiner Amplitude so geändert wird, daß der Kreiselrotor dauernd mit einer Drehgeschwindigkeit unterhalb der synchronen Drehgeschwindigkeit angetrieben wird. Hierdurch erhalten die Magnetpole auf dem Hysteresering des Rotors einen Schlupf mit einer konstanten Differentialrate, wodurch in vorteilhafter Weise die effektiven Driften auf Null gemittelt werden, die sich mit der Magnetpol-Position und -Stärke ändern können'. Das Synchron-Kreiselgerät wird gegenüber bisherigen Konstruktionen nicht modifiziert und das gleiche Instrument kann unabhängig davon verwendet werden, ob die erfindungsgemäße Steuerschaltung verwendet wird oder nicht.

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Claims

Patentanwälte Di ρ I.-1 ng. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D -8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum:

Unser Zeichen: 16

Patent ansprüche

/Steuerschaltung zum Betrieb eines Synchronmotors mit einer konstruktionsbedingten synchronen Nenn-Drehgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerschaltung frequenzstabile Generatoreinrichtungen (1 bis 10) zur Erzeugung erster, zweiter und dritter Impulsschwingungsfolgen, eine änderbare Verstärkung aufweisende Verstärkereinrichtungen (25), die auf die erste Impuls schwingung folge ansprechen und den Motor (38) ansteuern, auf den Betrieb des Motors (38) ansprechende Geschwindigkeitssignalgeneratoreinrichtungen, die eine der Drehgeschwindigkeit entsprechende Geschwindigkeitssignal-Impulsschwingungsfolge erzeugen, und Steuerschaltungseinrichtungen (30, 21, 22) einschließt, die auf die zweite und dritte Impulsschwingungsfolge und auf die Geschwindigkeitssignal-Impulsschwingungsfolge ansprechen und ein Verstarkungssteuersignal zur Steuerung der Verstärkung der eine änderbare Verstärkung aufweisenden Verstärkereinrichtungen (25) derart erzeugt, daß der Motor (38) im eingeschwungenen Zustand mit einer

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konstanten Drehgeschwindigkeit unterhalt) der konstruktionsbedingten synchronen Fenn-Drehgeschwindigkeit betrieben wird.
2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die frequenzstabilen Generatoreinrichtungen Frequenzteilerschaltungen (2, 5, 8, 9j 10) einschließen und daß die erste Impulswiederholfrequenz einen rationalen Bruchteil der zweiten Frequenz darstellt, während die zweite Frequenz einen rationalen Bruchteil der dritten Frequenz darstellt.
3· Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den frequenzstabilen Generatoreinrichtungen und den eine veränderbare Verstärkung aufweisenden Verstärkereinrichtungen (25) Schaltungseinrichtungen (18) zur Umwandlung der ersten Impulsschwingungsfolge in eine kontinuierliche Sinusschwingung eingeschaltet sind.
4-. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Motor (38) Zweiphasen-Antriebseinrichtungen mit ersten und zweiten Ansteuereingängen aufweist.
5. Steuerschaltung nach Anspruch 4-, gekennzeichnet durch erste und zweite Kanäle, die zwischen den eine änderbare Verstärkung aufweisenden Verstärkereinrichtungen (25) und den jeweiligen

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ersten und zweiten Ansteuereingängen eingeschaltet sind, wobei einer dieser Kanäle einrichtungen (33) einschließt.

sind, wobei einer dieser Kanäle 9O°-Phasenschieber-
6. Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuerschaltungseinrichtungen Synchronismerschal tungseinrichtungen (30), die auf die Geschwindigkeitssignal-ImpulsGchwingungsfolge und auf die zweiten und dritten Impulsschwingungsfolgen ansprechen und eine vierte Impulsschwingungsfolge erzeugen, Vorwärt s-ZRückwärts-Schieberegistereinrichtungen (21), die auf die dritten und vierten Impulsschwingungsfolgen ansprechen, und Vorspann- und Signalformerschalteinrichtungen (22) einschließen, die auf die Vorwarts-ZRückwärts-Schieberegistereinrichtungen (21) ansprechen und das Verstärkungssteuersignal erzeugen.
7· Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Synchronism erschal tungseinrichtungen (30) auf die zweite Impulsschwingungsfolge ansprechende 'Torschaltunnseinrichtungen (81) und bistabile Schaltungseinrichtungen (82) mit Setz- und Rücksetz-Eingängen einschließen, die jeweils auf die Geschwindigkeitssignal-Impulsschwingungsfolge bzw das Ausgangssignal der Torschaltungseinrichtungen ansprechen und die vierte Impulsschwingungsfolge derart erzeugen, daß Impulse der dritten und vierten Impulsschwingungsfolgen nicht gleichzeitig die Vorwärts-ZRückwärts-Schieberegister-

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einrichtungen (21) beeinflussen können.
8. Steuerschaltung nach Anspruch 6 oder 7₅ dadurch gekennzeichnet , daß die Vorspann- und Signalformerschaltungseinrichtungen (22) einstellbare Vorspanneinrichtungen (75)» die auf die Vorwärts-/-Rückwärts-Schieberegistereinrichtungen ansprechen, und Tiefpaßfiltereinrichtungen (76) einschließen, die mit den einstellbaren Vorspanneinrichtungen (75) in Serie geschaltet sind.
9. Steuerschaltung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Begrenzereinrichtungen (77)j die in einem Gegenkopplungspfad längs der einstellbaren Vorspanneinrichtungen (75) und der Tiefpaßfiltereinrichtungen (76) angeschaltet sind.
10. Steuerschaltung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Begrenzereinrichtungen (77) ein im wesentlichen lineares Ausgangssignal für Eingangssignale unterhalb eines vorgegebenen Wertes sowie ein im wesentlichen konstantes Ausgangssignal für Eingangssignale oberhalb des vorgegebenen Wertes liefern.
11. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch Impulsformereinrichtungen (15> 31) für die Impulse der dritten und vierten Impulsschwingungsfolgen, die die Form dieser Impulsschwingungsfolgen am Eingang der Vorwärts-/-

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Itiickwärts-Schieberegistereinrichtungen aneinander anpassen.
12. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 6 bis 11,

gekennzeichnet durch Frequenzmultipliziereinrichtungen (32), die in Serie zwischen den Geschwindigkeitssignal-Generatoreinrichtungen (37) und den Synchronisierschaltungseinrichtungen (30) eingeschaltet sind.

13- Steuerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß
der Synchronmotor den Antriebsmotor der Laufachse
eines Kreiselgerätes bildet.

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