DE3123455A1

DE3123455A1 - "schaltung zur ansteuerung von synchro-einrichtungen"

Info

Publication number: DE3123455A1
Application number: DE19813123455
Authority: DE
Inventors: Terrence Lee 85029 Phoenix Ariz. Grimes; Harold Lee 85301 Glendale Ariz. Swartz
Original assignee: Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1980-06-16
Filing date: 1981-06-12
Publication date: 1982-04-01
Also published as: IT8148639A0; DE3123455C2; FR2486229B1; FR2486229A1; CA1186058A; IT1171286B; US4334179A; JPS5729200A; JPH0255836B2; GB2078033A; GB2078033B

Description

Curt Wallach J..;*.. * ^Jb^pV-Hrigißünther Koch 3 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: 15. Juni 1981

Unser Zeichen: 17 229 - Fk/Vi

SPERRY CORPORATION

1290 Avenue of the Americas,

New York, New York 10104,

U.S.A.

Schaltung zur Ansteuerung von Synchro-Eiririchtungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Ansteuerung von Synchro-Einrichtungen und insbesondere auf eine Schaltung zur Zuführung einer impulsförraigen Ansteuerung an Synchro-Resolvereinrichtungen in einem Fluginstrument, bei dem die Ausgangssignale eines Synchroresolvers normalerweise eine Demodulation erfordern.

Synchroeinrichtungen, wie z.B. Synchroresolver, werden in verschiedenen Fluginstrumentenanwenduhgen sowie in Anwendungen in vielen anderen Bereichen verwendet·, um ein Maß einer Winkelposition zu liefern. Beispielsweise werden Synchroresolver dazu· verwendet, das Win^kelpositions-Rückführungssignal in in geschlossener Schleife betriebenen Stellservos .zu liefern. Bei einer derartigen Anwendung kann der Resolver-Rotor mit dem durch den Servo einzustellenden Bauelement gekoppelt sein, und eine sinusförmige Spannung, tüpiseherweise mit einer Frequenz von 400 Hz, wird beispielsweise den Rotorwicklungen des Resolvers zugeführt. Die sinusförmige Erregungs- oder Ansteuerspannung wird von den Rotorwicklungen auf die Stator-Ausgangswicklungen gekoppelt, um sinusförmige Ausgangssignale mit jeweiligen Amplituden zu erzeugen, die proportional zum Sinus und Kosinus des Winkels sind, auf den der Rotor eingestellt ist'. Die Ausgangsspannungen sind in Abhängigkeit von der Winkelposition des Resolverrotors entweder gleichphasig oder außer Phase mit■der Erregungsspannung. Es ist gut bekannt, daß diese Ausgangsspannungen in Gleichspannungssignale mit einer zu den jeweiligen Sinus- und Kosinuswerten proportionalen Amplitude und mit einer Polarität umgewandelt werden können, die davon abhäng'en, ob die Spannung gleichphasig oder nicht gleichphasig zum Erregungssignal ist.

üblicherweise wurden einen hohen Raumbedarf aufweisende, komplizierte und aufwendige synchrone Demodulatoren zur Umwandlung der sinusförmigen Synchro-Ausgangsspannungen in entsprechende Gleichspannungspegel verwendet. In der europäischen Patentanmeldung 81 .300 969-3 wurde jedoch ein demodulatorloser Synchroresolver-Winkelpositionsmeßfühler beschrieben, der den Sinus und den Kosinus der Winkelposition durch Anlegen einer dauernden Rechteckschwingungserregung an die Resolver-Rotorwicklung liefert. Die entsprechenden Rechteckschwingungsausgänge der Sinus- und Kosinuswicklungen des Stators des Resolvers werden zeitlich synchron zur Ansteuerung oder Erregung zu einer vorgegebenen zeitlichen Phase des Rechteckschwingungs-Ansteuerzyklus abgetastet. Die abgetasteten Sinus- und •Kosinusamplituden werden in einem Analog-ZDigitalkonverter in Digitalformat umgewandelt und einem digitalen Prozessor oder einer Verarbeitungseinrichtung zugeführt. Die oberen Ecken der positiv verlaufenden Anstiegsflanken und die unteren Ecken d.er negativ verlaufenden Abfall-, flanken der dauernden Rechteckschwingungs-Ansteuerschwingungsform werden abgerundet, um ungedämpfte Schwingungen der Sinus- und.Kosinus-Rechteckschwingungsausgänge von dem Resolver soweit wie möglich zu verringern.

Die vorstehend beschriebene Einrichtung, die eine kontinuierliche Rechtecktschwingungs-Ansteuerung oder -Erregung und eine Zeit-Phasenabtastung hiervon verwendet, kann in vielen Fällen in einem Fluginstrument angeordnet sein, bei dem verringerte Größe, Kosten und Verlustleistung äußerst wesentliche Merkmale darstellen. Der Umfang der erforderlichen Schaltungen zur Durchführung der kontinuierlichen Rechteckschwingungserregungstechnik der vorstehend beschriebenen Einrichtung erfüllt jedoch nicht in allen Fällen diese Forderungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine einfach aufgebaute und wenig aufwendige Schaltung zur Umwandlung' von Resolver-Sinus- und Kosinus-Ausgangsspannungen in ein Digitalformat zu schaffen, die diese Forderungen erfüllt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des · Patentanspruchs 1 angegebene Erfindung-gelöst.

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

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Verwendung mit einer Synchro-Einrichtung mit Ansteuer-Eingangswicklungselementen weist eine Schaltung zur Lieferung demodulierter Synchro-Ausgangssignale auf, wobei diese Schaltung Einrichtungen zur Zuführung eines Potentials an die Ansteuer-Eingangswicklungselemente, Schalteinrichtungen zur Ankopplung an · die Ansteuer-Eingangswicklungselemente und zum selektiven Anlegen des Potentials längs der Ansteuer-Eingangswicklungselemente derart, daß ein impulsförmiges Signal in den Aus- · gangswicklungselementen"induziert wird, Abtasteinrichtungen, die selektiv freigegeben und selektiv mit den Ausgangswicklungselementen gekoppelt werden,· um das impulsförmige Signal der Ausgangswicklungselemente abzutasten, und Einrichtungen zur Freigabe der Schalteinrichtungen und zur gleichförmigen Freigabe der Abtasteinrichtungen, bezüglich der Schalteinrichtungen derart umfaßt, daß das Ausgangssignal der Abtasteinrichtungen das demodulierte Synchro-Ausgangssignal bildet. ' .·

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine einfachere und weniger aufwendige Einrichtung geschaffen, deren Schaltung eine Impulsansteuertechnik zur Umwandlung der Resolver-Ausgangswicklungsspannungen in ein Digitalformat verwendet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, wird eine Gleichspannungsquelle mit der Eingangswicklung oder dem Rotor des Synchroresolvers gekoppelt, und selektiv freigegebene Schalteinrichtungen,- die vorzugsweise einen Transistortreiber einschließen,bewirken eine abwechselnde Ankopplung und Abkopplung der Spannungsquelle, so daß eine impulsförmige Schwingungsform an die Eingangswicklung angelegt wird. Die impulsförmige Schwingungsform induziert Ausg.angsspannungen in den Stator- oder Sinus- und Kosinus-Ausgangswicklungen des Synchroresolvers. Die Sinus- und Kosinuswicklungen werden selektiv mit einer selektiv freigegebenen Abtast- und Halteschaltung gekoppelt;. Das Ausgangssignal der Abtast- und Halteschaltung wird über, einen Analog-/Digitalkonverter in ein Digitalformat deart umgewandelt, daß es den Sinus- und Kosi.nus-Ausgangswicklungsspannungen entspricht, wie dies in der oben erwähnten europäischen Patentanmeldung beschrieben ist. Weiterhin kann .ein Mikroprozessor die gesamte Folge der selektiven Freigabe der Schalteinrichtungen und der Abtast- und Halteschaltung sowie die Ankopplung der Sinus- und Kosinuswicklungen an die Abtast- und Halteschaltungen steuern.

Ein Beispiel für eine Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung bzw. Schaltung ist ein Horizontalsituations-Fluganzeigeinstrument, das im folgenden abgekürzt als HSI-Fluginstrument bezeichnet wird.

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

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform der Schaltung; " -

Fig. 2 ein Schwingungsform-Zeitdiagramm, das Schwingungsformen an verschiedenen Punkten der Schaltung zeigt.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform der Schaltung, wobei jedoch zu erkennen ist, daß diese Schaltung in viele unterschiedliche Einrichtungen eingefügt werden kann, die einen Synchroresolver verwenden. Typischerweise ist ein digitales HSI-Fluginstrument eine Einrichtung, die eine Vielzahl von Synchroresolvern und einen Mikroprozessor verwenden kann, so daß dieses Instrument eine ideale Anwendung für die vorliegende Erfindung darstellt. Entsprechend soll die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im folgenden anhand eines HSI-Instrumentes durchgeführt werden, doch ist es verständlich, daß die bevorzugte Ausführungsform in keiner Weise auf HSI-Instrumente oder auf Instrumente allgemein beschränkt ist, sondern Anwendungen in vielen Servosystemen und dergleichen denkbar sind. Das in der genannten europäischen Patentanmeldung 81 300 969-3 beschriebene HSI-Instrumentschließt üblicherweise eine Vielzahl von Stellservoeinrichtungen ein. Eine dieser Servoeinrichtungen, beispielsweise die Servoeinrichtung, die die .Kompaßrose des Instrumentes einstellt, kann einen Servoverstärker zur Ansteuerung eines Servomotors einschließen, der seinerseits die Kompaßrose über eine geeignete mechanische Kopplung einstellt. Ein Synchroresolver ist mit der Ausgangswelle des Servomotors gekoppelt, um Winkelpösitions-

Rückführungsdaten für die Servoeinrichtung zu-liefern, wobei die Rückführungsdaten die Winkelposition der Kompaßrose darstellen.

Gemäß Fig. 1 weist ein. erster Synchroresolver 18, der zur Lieferung von die Winkelposition der Kompaßrose darstellenden Rückführungsdaten verwendet werden kann, eine Rotorwicklung 19 und Statorwicklungen 20 auf, von ■ denen die Rotorwicklung 19 mechanisch-mit der Ausgangswelle des (nicht gezeigten) Servomotors über geeignete ■Getriebe gekoppelt ist. Die beiden Ausgangswicklungen . 20 des Stators liefern Signale, die proportional zum Sinus-bzw. Kosinus des Rotorwinkels in einer Weise sind, wie sie im folgenden noch näher erläutert wird. Eine impulsförmige Erregungsspannung V wird der Rotorwicklung 19 zugeführt, um es der Einrichtung zu ermöglichen, die · Sinus- und Kosinusdaten von den Ausgangswicklungen 20 des Stators ohne die Verwendung von Demodulatoren abzuleiten, wie dies noch näher erläutert wird.

Das -HSI-Instrument, in das die hier beschriebene Ausführungsform der Schaltung eingefügt ist, schließt einen (nicht gezeigten) digitalen Mikroprozessor ein, der digitale Datenworte an das Instrument liefert, in dem sie in ein Analog-Format für die weitere· Verwendung umgewandelt werden. Analogsignale innerhalb des Instruments werden in Digitalformat umgewandelt und. dem Mikroprozessor zugeführt, in dem an diesen Signalen■Datenverarbeitungsfunktionen durchgeführt werden. Digitale Daten werden von und zu der Verarbeitungseinrichtung sowie zur Schaltung über eine Datensammelschiene 22 übertragen. Die Schaltung schließt einen Datenzwischenspeicher 23 zur vorübergehenden Datenspeicherung von digitalen Datenworten von der

Datensammelschiene 22 ein. Der Datenzwischenspeicher 23, der vorzugsweise durch D-Flip-Fldp-Schaltungen gebildet ist, schließt eine Freigabe-Eingangsleitung und eine Anzahl von Ausgangsleitungen ein. Eine erste Ausgangsleitung des Datenzwischenspeichers 23 .ist mit einer Schalteinrichtung 26 über einen Widerstand 24 und einen mit .einem Anschluß mit Erde verbundenen Widerstand 25 verbunden. Die Schalteinrichtung 26 weist einen Transistor auf, dessen Basis mit einer Ausgangsleitung des Datenzwischenspeichers 23 gekoppelt ist, während der Emitter mit Erde und der Kollektor mit der Eingangswicklung 19 des Synchroresolvers 18 verbunden ist. Die Eingangswicklung 19 ist mit einer Spannungsquelle +V gekoppelt. Die serielle Kopplung des Schälttransistors 26, der Eingangswicklung 19 und der Spannungsquelle, wie sie hier beschrieben und gezeigt ist, soll lediglich zur Erläuterung dienen, und es ist verständlich, daß irgendeine Schaltungsanordnung, die... das Schalten eines impulsförmigen Potentials längs der Eingangswicklung 19 ermöglicht, zur Verwendung mit dieser Schaltung geeignet ist. Eine zweite Ausgangsleitung des Datenzwischenspeichers 23 ist mit dem Freigabeeingang einer-Abtasteinrichtung 27 gekoppelt, die vorzugsweise durch eine im Handel erhältliche integrierte Abtast- und Halteschaltung gebildet ist. Die übrigen Ausgangsleitungen des Datenzwischenspeichers 23 werden als Adressen- und Freigabeeingangsleitungen für einen Analog-Multiplexer 28 verwendet, der ebenfalls die Form einer im Handel erhältlichen integrierten Schaltung aufweisen kann.

Die an den Adressen- und Freigabe-Eingangsleitungen an den Analog-Multiplexer 28 übertragenen Daten verbinden die Ausgangswicklungen- 20 des ersten Synchroresolvers 18 selektiv

mit dem Ausgang des Analog-Multiplexers 28. Es ist zu erkennen, daß weitere Synchro-Resolver mit der Schaltung gekoppelt werden können, daß diese jedoch aus Vereinfachungsgründen im folgenden anhand eines einzigen Synchroresolvers beschrieben wird. Weil die Sinus- und Kosinuswicklungen 20 des Synchroresolvers 18 getrennt mit dem Analog-Multiplexer 28 gekoppelt'sind, kann die Ablesung der Werte jeder Wicklung getrennt erfolgen. Das Ausgangssignal des Analog-Multiplexers 28 wird der Abtasteinrichtung 27 zugeführt, die ihrerseits ihr Ausgangssignal einem (nicht gezeigten) Analog-/Digitalkonverter zuführt, der vorzugsweise von einem im Händel erhältlichen Typ sein kann.

Im Betrieb und in der in den Schwingungsformen gemäß Fig. 2 dargestellten Weise steuern die Programme des (nicht gezeigten) Mikroprozessors die Erregung und Ansteuerung des Synchroresolvers 18 und die selektive Abtastung der Ausgangsspannungen, die in den Sinus- und Kosinus-Ausgangswicklungen 20 induziert werden, derart, daß das Ausgangssignal von der Abtasteinrichtung 27 über den Analog-/Digital-Koverter in ein Digitalformat umgewandelt werden kann. Der Mikroprozessor- führt eine Zwischenspeicherung von Befehlen in Form von Digitalworten in dem Datenzwischenspeicher 23 durch. Diese Digitaiworte enthalten Datenbits, die dem Schalttransistor 26, der Abtasteinrichtung 27 und dem Analog-Multiplexer· 28 zugeführt werden. Um den Ausgang entweder der Sinus- oder der Kosinuswicklung 20 abzulesen, wird die rieh-? tige Multiplexer-Adresse für eine dieser Wicklungen 20 zwischengespeichert und dem Multiplexer 28 zugeführt, was dazu führt,' daß die ausgewählte Wicklung 20 des Synchroresolvers 18 mit der Abtast- und Halteeinrichtung 27 gekoppelt ist.

Der Mikroprozessor gibt dann an die Schalteinrichtung oder den Ansteuertransistor 26 den Einschaltbefehl dadurch, daß

eine "Eins" auf der Datenzwischenspeicher-Ausgangsleitung zwischengespeichert wird, die mit der Schalteinrichtung oder dem Transistor 26 gekoppelt ist. Weil die Eingangswicklung 19 mit einer positiven Spannungsquelle verbunden ist und weil der Emitter des Transistors 26 mit Erde verbunden ist, ruft das Ein- und Ausschalten des Transistors 26 die impulsförmige Erregungs- oder Ansteuerschwing'ungsform V (Fig.2) längs des Schalttransistors 26 hervor. Eine invertierte Form der Schwingungsform V erscheint damit längs der Eingangswicklung 19, d.h. wenn V niedrig ist, so erscheint- eine Gleichspannung von +15 Volt längs' der Eingangswicklung 19. Vorzugsweise wird- ein Erregungsimpuls der Eingangswicklung 19 über eine Zeitperiode von ungefähr 100 Mikrosekunden zugeführt, wie dies aus der obersten Schwingungsform nach Fig. 2 zu erkennen ist. Während dieser" Zeitperiode gibt der Mikroprozessor die Abtast- und Halteeinrichtung 27 für ungefähr 50 Mikrosekunden frei, wie dies durch die unterste Schwingungsform ^. in Fig. 2 dargestellt ist, und die Abtast- und Badeeinrichtung' tastet die ausgewählte Sinus- oder Kosinus- . wicklung 20 ab, die über den Multiplexer 28 angekoppelt ist. Nach^dem das Magnetfeld des Resolvers 18 auf Null abgesunken ist, wozu ungefähr 5 Millisekunden erforderlich sind, kann die Schaltung erneut erregt oder angesteuert werden, und der Ausgang der anderen Ausgangswicklung 20 ■ kann in gleicher Weise abgelesen werden. Es ist daher zu erkennen, daß das Ausgangssignal der Abtast- und Halteeinrichtung 27 für eine Umwandlung in Digitalformat über · einen Analog-/Digital-Konverter geeignet ist, wie dies in der genannten europäischen Patentanmeldung beschrieben ist. ■ · ■

Es ist zu erkennen, daß zu Anfang in geringem Ausmaß eine· ungedämpfte Schwingung in den Schwingungsformen auftritt,

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die in den Sinus- und Kosinuswicklungen 20'induziert werden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Die Belastung der Sinus- und Kosinuswi.cklungen 20 durch Widerstände 29 und 30 dämpft jedoch diese Schwingung, so daß die Auswirkung minimal ist. Weiterhin sind die S±nus- und Kosinus-Schwingungsformen nicht eben,sondern als■Ergebnis der Induktanz und des Widerstandes des Resolvers 18 geringfügig gegen Null geneigt. Entsprechend sollte die Abtast-Ehdzeit, die von dem Beginn eines Erregungsimpulses aus' gemessen wird, für jede aufeinanderfolgende Messung genau gleich sein. Weil weiterhin die Programme des Mikroprozessors den Beginn eines Erregüngsimpulses steuern, besteht keine Notwendigkeit, daß der Mikroprozessor auf das Auftreten der richtigen Erregungsphase wartet, wie dies in der genannten europäischen Patentanmeldung der Fall ist. Die Schaltung kann daher für einen größeren prozentualen Teil der-Zeit im Ruhezustand verbleiben, so daß der Leistungsbedarf wesentlich verringert wird.

Claims

Patentanwälte. * 'ΟΛρ I. -. [ π g..: C u r.t W a 11 a c h

: .'" * : KiρΊ'-irigiGünther Koch

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:

Unser Zeichen: 17 229 - Fk/Vi

PATENTANSPRÜCHE : " .

Schaltung zur Ansteuerung von Synchro-Einriehtungen mit Ansteuer- oder Erregungs-Eingangswicklungselementen und Ausgangswicklungselementen sowie zur Erzeugung demodu-

. . · lierter Synchro-Ausgangssignale, -. ·

dadurch gekennzeichnet,

daß Einrichtungen zum Zuführen eines Potentials an die Ansteuer-Eingangswicklungselemente (19), Schalteinrichtungen (26) zur Ankopplung an die Ansteuer-Eingangswicklungselemente (19) und zum selektiven Anlegen des Potentials, längs der Ansteuer-Eingangswieklungselemente ■ (19) derart, daß ein impulsförmiges Signal in den Aus-.gangswicklungselementen (20) erzeugt wird, Abtasteinrich- .,. turtgen (27), die selektiv freigegeben und· selektiv mit den Ausgangswicklungselementen (20) koppelbar sind, um das impulsförmige Signal der Ausgangswicklungselemente -:. (20) abzutasten, und Einrichtungen zur Freigabe der

Schalteinrichtungen (26) und zur gleichförmigen Freigabe der Abtasteinrichtung (27) bezüglich der Schalteinrichtungen (26) derart vorgesehen sind, daß das Ausgangssignal der Abtaste.inrichtungen (27) das demodulierte Synchro-Ausgangssignal bildet.
2. Schaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Abtasteinrichtungen durch eine Abtast- und Halteschaltung (27) gebildet sind.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Schalteinrichtungen Transistörtreibereinrichtungen (26) einschließen.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß Analog-/Digitalkonvertereinrichtungen vorgesehen sind, die das abgetastete AnsteuerrAusgangssignal empfangen und das abgetastete Ansteuer-Ausgangssignal in ein equivalentes Digitalwort umwandeln.
5. Schaltung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Freigabeeinrichtungen auf die Ausgangsdaten eines Mikroprozessors- ansprechen.
6. Schaltung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, ' j.

daß sie in Verwendung mit einer Synchroeinricbtung in Form

eines Synchroresolvers (18) verwendet wird, der zur Messung • der Winkelbewegung eines Bauteils verwendet wird, und daß . die Eingangswicklungselemente (19) mit dem Bauteil gekoppelt sind.