DE3832517C2 - System zur elektrischen Übertragung einer Winkelstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur elektrischen Übertragung einer Winkelstellung, insbesondere von einer Meßeinrichtung zu einer Anzeigeeinrichtung, wobei ein Sender und ein Empfänger jeweils einen Rotor und einen mehrpolpaarigen Stator aufweisen, eine Wechselspannung einer Wicklung des Rotors des Senders zuführbar ist und in den Wicklungen des Stators des Senders induzierte Spannungen zu den Wicklungen des Stators des Empfängers übertragbar sind.

Insbesondere zur Übertragung der Winkelstellung von einer Meßeinrichtung zu einer Anzeigeeinrichtung sind Systeme bekannt, bei denen der Sender und der Empfänger (auch Synchros genannt) mechanisch gleich aufgebaut sind und jeweils einen einpolpaarigen Rotor, der mit Wechselspannung von beispielsweise 400 Hz gespeist wird, und einen dreipolpaarigen Stator aufweisen. Der Stator des Senders erzeugt durch Induktion drei Wechselspannungen, deren Amplituden sich mit der Winkelstellung des Rotors ändern. Die drei Wechselspannungen erzeugen in den gleichartigen Spulen des Empfängers ein Magnetfeld, dem der Empfängerrotor folgt.

Diese bekannten Systeme haben sich zwar insbesondere durch ihre Robustheit bewährt, in der neutralen Lage des Empfängerrotors wird jedoch kein Drehmoment erzeugt, so daß infolge von Reibung eine Hysterese zwischen dem Empfängerrotor und dem Senderrotor entsteht.

Derartige Systeme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind bereits weitergebildet worden. So ist es beispielsweise aus DE-Z Elektronik, 1965, Heft 3, Seite 76 bekannt, empfängerseitig den Rotor mit einem Stellmotor nachzustellen, der zwei Statorwicklungen aufweist, nämlich eine für die zugeführte Wechselspannung und eine für die verstärkte im empfängerseitigen Rotor induzierte Spannung. Dadurch wird zwar eine geringe Unsicherheit der Winkelübertragung erreicht, die jedoch mit einem erheblichen Aufwand erkauft wird. Ein solcher Drehmelder ist auch durch S & F Mitteilungen 1/63, Seiten 34 bis 38, insbesondere Bild 4, bekannt, der mit einem Nachlaufregler versehen ist. Dabei wird ebenfalls die verstärkte Fehlerspannung einem Wechselstrommotor zugeführt, der außerdem die gleiche Wechselspannung wie der Sender benötigt.

Aufgabe der vorlegenden Erfindung ist es, ein System zur elektrischen Übertragung einer Winkelstellung mit geringem technischen Aufwand anzugeben, bei dem möglichst keine Hysterese auftritt.

Das erfindungsgemäße System ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung des Rotors des Empfängers mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter verbunden ist, dem ferner die ebenfalls übertragene Wechselspannung zugeführt wird, und daß der Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters mit einem Regler für einen Motor verbunden ist, der zum Antrieb des Rotors des Empfängers und der Anzeigeeinrichtung vorgesehen ist.

Der Empfänger-Synchro wird somit nicht mehr als aktiv stellendes Element benutzt, sondern dient als Vektor-Transformator und wird durch den Regler und den Stellmotor solange verstellt, bis die in dem Rotor induzierte Spannung zu Null wird. Dadurch wird einerseits die systembedingte Hystere vermieden, andererseits gehen Spannungsschwankungen nicht in die Genauigkeit der Positionierung ein.

Durch das erfindungsgemäße System läßt sich eine gute statische und dynamische Genauigkeit erreichen, die im wesentlichen durch den elektronischen Regler bedingt ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß der dem Motor zugeführten Spannung eine weitere Wechselspannung überlagert ist. Dadurch läßt sich ein gegebenenfalls bestehender Restfehler noch weiter verringern, da bei dieser Weiterbildung durch eine geringe Vibration des Stellmotors, des Getrie­ bes und der Anzeigeeinrichtung die Auswirkung der Reibung vermindert wird.

Das erfindungsgemäße System ist zwar in der Lage, den Empfängerrotor bzw. die Anzeigevorrichtung dem Senderrotor jeweils in beiden Richtungen nachzufüh­ ren. Sollte jedoch infolge einer Störung eine Winkel­ differenz zwischen dem Empfänger und dem Sender von über 180° entstehen, so wird der Empfängerrotor nach dem Ende der Störung in der nicht vorgesehenen Dreh­ richtung die Stellung des Senderrotors anstreben. Bei Anzeigeeinrichtungen mit einem Winkel von weni­ ger als 360° würde in einem solchen Fall der Zeiger gegen den "falschen" Anschlag laufen.

Um derartige Folgen von Defekten zu verhindern, sieht eine andere Weiterbildung der Erfindung vor, daß dem Regler eine Überwachungsschaltung zugeordnet ist, die von Endabschaltern und einem Zeitglied der­ art steuerbar ist, daß dem Motor in Abhängigkeit von der Stellung der Endschalter, dem Vorzeichen der Reglerausgangsspannung und dem Ablauf des Zeitglie­ des entweder die durch Soll-Istvergleich gewonnene normale Stellgröße, ein Signal für einen Rücklauf oder ein Signal zum Anhalten des Motors zuführbar ist.

Durch die in den weiteren Unteransprüchen aufgeführ­ ten Maßnahmen sind weitere vorteilhafte Weiterbildun­ gen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebe­ nen Erfindung möglich.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend be­ schrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Ausfüh­ rungsbeispiels,

Fig. 2 ein Schaltbild eines Teils des Ausführungs­ beispiels nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine Tabelle zur Erläuterung einer in der Schaltung nach Fig. 2 enthaltenen Über­ wachungsschaltung.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird ein Sender von einem Rotor 1 gebildet, dessen Wicklung 2 mit einer Wechselspannungsquelle 3 verbunden ist. Die Wechselspannungsquelle 3 kann beispielsweise die in der Luft- und Raumfahrttechnik häufig verwendete Stromversorgung mit einer Frequenz von 400 Hz sein. Der Stator wird im wesentlichen von drei Wicklungen 4, 5, 6 gebildet, die über Leitungen 31, 32, 33 und Tiefpaßfilter 34, 35, 36 mit korrespondierenden Wick­ lungen 7, 8, 9 des Empfängerstators verbunden sind. Der Rotor 10 des Empfängers weist eine Wicklung 11 auf, welche an Eingänge eines phasenempfindlichen Gleichrichters 12 angeschlossen ist. Ferner ist der Rotor mechanisch über eine Welle 13 mit einem Zeiger 14 verbunden, der mit einer Skala 15 eine Anzeige­ einrichtung darstellt, wobei A und E einen Anfangs­ anschlag und einen Endanschlag bezeichnen.

Der Rotor 10 wird über die Welle 13 und ein Getriebe 16 von einem Motor 17 angetrieben, der Betriebsspan­ nung aus einem Verstärker 18 erhält.

Ein Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters 12 ist über einen Tiefpaßfilter 19 und einen Regler 21 mit dem Eingang des Verstärkers verbunden. Wei­ tere Eingänge des Verstärkers sind an eine Über­ wachungsschaltung 22 und an eine weitere Wechselspan­ nungsquelle 23 angeschlossen, wobei letzterer, wie bereits erwähnt, zur Verringerung der Reibung dient. Die Überwachungsschaltung 22 erhält das Ausgangssig­ nal des Tiefpaßfilters 19 und außerdem Eingangssig­ nale von zwei Endschaltern 24, 25.

Die in der Wicklung 11 induzierte Spannung weist eine Amplitude auf, die von der Winkelstellung des Rotors 1 des Senders abhängig ist. Mit Hilfe des an sich bekannten phasenempfindlichen Gleichrichters 12 wird eine zunächst noch pulsierende Gleichspannung erzeugt, die mit Hilfe des Tiefpaßfilters 19 geglät­ tet wird. Die Ausgangsspannung des Tiefpaßfilters 19 gibt die Winkelstellung des Rotors 1 wieder und wird einem Regler 21 als Differenz zwischen Sollwert und Istwert zugeführt. Der Regler 21 ist bei dem darge­ stellten Ausführungsbeispiel als PD-Regler ausge­ führt, kann jedoch auch je nach Voraussetzungen im Einzelfall ein anderes Zeitverhalten aufweisen. Durch entsprechende Drehung mit Hilfe des Motors 17 wird der Rotor 10 durch das beschriebene Regelsystem in diejenige Stellung gebracht, die auch der Rotor 1 einnimmt.

Fig. 2 stellt den Regler 21, die Überwachungsschal­ tung 22 und den Verstärker 18 jeweils als Block­ schaltbild dar. Die Ausgangsspannung des Reglers 21 wird einem ersten Eingang 46 des Verstärkers 18 als Stellgröße für den Motor 17 zugeleitet. Der Verstär­ ker 18 besteht im wesentlichen aus zwei Differenzver­ stärkern 47, 48, die zusammen mit Widerständen 50 bis 53 derart geschaltet sind, daß der Motor 17 mit Spannungen verschiedener Vorzeichen beaufschlagt werden und somit in beiden Richtungen drehen kann. Derartige Verstärkerschaltungen sind an sich bekannt und brauchen im einzelnen nicht näher erläutert zu werden.

Der erste Eingang 46 des Verstärkers 18 ist über einen Entkopplungswiderstand 56 mit dem nichtinver­ tierenden Eingang des Differenzverstärkers 47 verbun­ den über einen zweiten Eingang 57 und einen weite­ ren Entkopplungswiderstand 58 wird die weitere Wech­ selspannung zur Verringerung der Reibung von der Wechselspannungsquelle 23 (Fig. 1) zugeführt.

Mit Hilfe eines in der Überwachungsschaltung 22 ange­ ordneten Feldeffekttransistors 60 kann ein dritter Eingang 59 des Verstärkers 18 kurzgeschlossen wer­ den, so daß unabhängig von der Höhe und dem Vorzei­ chen der den Eingängen 46 und 57 zugeführten Span­ nungen der Motor 17 stehenbleibt. Die Ausgänge der Differenzverstärker 47, 48 sind entsprechend nieder­ ohmig, so daß der Motor schnell zum Stehen kommt. Außerdem kann dem Verstärker von der Überwachungs­ schaltung 22 eine positive Eingangsspannung zuge­ führt werden, so daß der Motor zwangsläufig den Zeiger 14 (Fig. 1) zum Anfangsanschlag A führt. Dazu ist in der Überwachungsschaltung 22 ein Transistor 61 vorgesehen, der im leitenden Zustand den Eingang 59 über einen Entkopplungswiderstand 62 mit positi­ ver Spannung verbindet.

Die Überwachungsschaltung 22 enthält eine Logikschal­ tung 70, die aus Gattern 63 bis 69 besteht. Als Ein­ gangsgrößen sind der Logikschaltung Signale A und E zuführbar, welche das Erreichen der Endstellungen SA und SE kennzeichnen. Die Signale SA und SE werden von den Endschaltern 24, 25 abgegeben, welche je­ weils einerseits über Widerstände 74, 71 mit negati­ ver Betriebsspannung und andererseits mit Massepoten­ tial verbunden sind. Die Endschalter 24, 25 sind derart angeordnet, daß sie kurz vor Erreichen des mechanischen Endanschlags betätigt werden und somit ein rechtzeitiges Abbremsen des Motors 17 ermögli­ chen. Dadurch werden Beschädigungen des Getriebes und der Anzeigevorrichtung verhindert.

Eine weitere Eingangsgröße für die Logikschaltung ist die Ausgangsspannung eines Zeitgliedes, das von einem Widerstand 72 und einem Kondensator 73 gebil­ det ist. Die Größe des Widerstandes 72 und des Kon­ densators 73 sind derart gewählt, daß etwa zwei Sekunden nach dem Einschalten das betreffende Ein­ gangssignal des Gatters 63 seinen logischen Pegel wechselt. In dieser Zeit kann (in Verbindung mit dem Signal SE) ein Zwangsrücklauf ausgelöst werden.

Schließlich bildet das Vorzeichen der Stellgröße, also der Ausgangsspannung des Reglers 21 eine wei­ tere Eingangsgröße für die Logikschaltung 70. Dazu wird die Ausgangsspannung des Reglers 21 dem inver­ tierenden Eingang eines Differenzverstärkers 75 zugeführt, dessen Ausgang über einen Entkopplungs­ widerstand 76 mit einem Eingang der Logikschaltung verbunden ist. Der nichtinvertierende Eingang des Differenzverstärkers 75 erhält über einen Spannungs­ teiler 77, 78 etwa Massepotential. Ein weiterer Widerstand 79 dient einem Eingang der Logikschaltung 70 als Pull-up-Widerstand.

Ein Ausgang der Logikschaltung 70 ist über einen Widerstand 79 und eine Z-Diode 80 mit der Basis des Transistors 61 und über einen Widerstand 81 mit dem posistven Pol der Betriebsspannungsquelle verbunden. Ein Ausgang des Gatters 69 steuert über einen Wider­ stand 82 den Feldeffekttransistor 60.

Zur weiteren Erläuterung der Überwachungsschaltung 22 wird auf die Tabelle nach Fig. 3 Bezug genommen. Dabei bedeutet SA die Stellung des Schalters A, SE die Stellung des Schalters E, R das Ausgangssignal des Reglers und Z das vom Zeitglied 72, 73 abgegebe­ ne Signal. Bei den Schalterstellungen bedeutet je­ weils ein Pluszeichen, daß der jeweilige Endanschlag erreicht ist, während ein Pluszeichen bei der Ein­ gangsgröße Z den Ablauf der Zeitspanne bedeutet, in der ein eventueller Zwangsrücklauf eingeleitet wird. Als Ausgänge sind in der Tabelle die Zustände der Transistoren 60 und 61 angegeben, wobei ein Pluszei­ chen bedeutet, daß der jeweilige Transistor leitend ist, während ein Minuszeichen auf einen gesperrten Transistor hinweist. Ein N bedeutet, daß bei dem jeweiligen Betriebszustand die mit N bezeichnete Eingangsgröße entweder nicht möglich oder irrelevant ist.

Im Normalbetrieb sind die Endanschläge nicht er­ reicht. Ferner berücksichtigt die Logikschaltung 70 nicht den Wert der Eingangsgröße R und Z. Beide Transistoren 60 und 61 sind nichtleitend, so daß der Motor 17 ohne Eingriff durch die Überwachungsschal­ tung 22 vom Regler 21 gesteuert wird.

Wird jedoch der Anfangsanschlag A betätigt (SA = +), so wird bei positiver Reglerausgangsspannung R, die einem Rücklauf des Zeigers entspricht, der Transi­ stor 60 leitend, so daß ein elektrisches Abbremsen erfolgt, bevor der Zeiger gegen den mechanischen Anfangsanschlag läuft. Ist jedoch bei SA = + die Reglerausgangsspannung R negativ, so bleiben beide Transistoren 60 und 61 nichtleitend, so daß der Zei­ ger aus der Anfangsstellung entsprechend der Vorgabe des Reglers hochlaufen kann.

Entsprechendes gilt für das Erreichen des Endan­ schlags E (SE = +). Ist dabei die Reglerausgangsspan­ nung R negativ, so wird durch Leitendwerden des Tran­ sistors 60 der Zeiger abgebremst. Ist jedoch im Be­ reich des Endanschlags E die Reglerausgangsspannung R positiv, bleiben beide Transistoren nichtleitend, so daß durch den Regler der Zeiger bis zu seiner Sollstellung zurückgeführt werden kann.

Die letzte Zeile der Tabelle gemäß Fig. 3 stellt einen Betriebszustand dar, der entsteht, wenn durch einen vorübergehenden Defekt zwischen der Sollstel­ lung und der Iststellung des Rotors 10 eine Diffe­ renz von mehr als 180° entstanden ist. Steht bei­ spielsweise nach einem solchen Defekt der Rotor 10 auf 190°, während die Sollstellung 0° beträgt, so läuft der Zeiger 14 an den oberen Anschlag, da der Rotor entsprechend den Eigenschaften des Regelsy­ stems mit einer Rechtsdrehung den Winkel 0° an­ strebt. Von der Überwachungsschaltung 22 wird dieser Zustand dann erkannt, wenn innerhalb der Zeitvorgabe (Z = +) bei betätigtem Endanschlag (SE = +) der Regler einen weiteren Hochlauf versucht (R = nega­ tiv). In diesem Fall wird von der Logikschaltung 70 der Transistor 61 in den leitenden Zustand gesteuert und der Transistor 60 gesperrt, wodurch ein Rücklauf erzwungen wird. Damit wird der Rotor 10 entgegen der Steuerung durch den Regler zu einem Rücklauf gezwungen, wonach der Normalbetrieb wieder einsetzen kann.

Claims (4)

1. System zur elektrischen Übertragung einer Winkel­ stellung, insbesondere von einer Meßeinrichtung zu einer Anzeigeeinrichtung, wobei ein Sender und ein Empfänger jeweils einen Rotor und einen mehrpolpaari­ gen Stator aufweisen, eine Wechselspannung einer Wicklung des Rotors des Senders zuführbar ist und in den Wicklungen des Stators des Senders induzierte Spannungen zu den Wicklungen des Stators des Empfän­ gers übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (11) des Rotors (10) des Empfängers mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter (12) verbun­ den ist, dem ferner die ebenfalls übertragene Wech­ selspannung zugeführt wird, und daß der Ausgang des phasenempfindlichen Gleichrichters (12) mit einem Regler (21) für einen Motor (17) verbunden ist, der zum Antrieb des Rotors (10) des Empfängers und der Anzeigeeinrichtung (14) vorgesehen ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Motor (17) zugeführten Spannung eine weitere Wechselspannung überlagert ist.

3. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Regler (21) eine Überwa­ chungsschaltung (22) zugeordnet ist, die von Endab­ schaltern (24, 25) und einem Zeitglied (72, 73) der­ art steuerbar ist, daß dem Motor (17) in Abhängig­ keit von der Stellung der Endschalter, dem Vorzei­ chen der Reglerausgangsspannung und dem Ablauf des Zeitgliedes entweder die durch Soll-Istvergleich gewonnene normale Stellgröße, ein Signal für einen Rücklauf oder ein Signal zum Anhalten des Motors zuführbar ist.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsschaltung eine Logikschaltung nach folgender Funktionstabelle umfaßt: