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Anordnung zur Frequenzanalyse eines Servo-Systems Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Frequenzanalyse eines Servo-Systems.
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Eine Frequenzanalyse findet in folgender Weise statt: Man geht von
einem Wechselstromsignal aus, das eine bestimmte Frequenz, eine bekannte Amplitude
und einen bekannten Phasenwinkel aufweist. Dieses Signal wird der Einrichtung, die
sie übertragen soll, aufgedrückt. Von dem übertragenen Signal ermittelt man die
Amplitude und die Phasenwinkel der Grundfrequenz und der Harmonischen im Verhältnis
zu dem -aufgedrückten Signal. Man kann auch das übertragene Signal mit dem aufgedrückten
Signal kombinieren und erhält ein Signal, welches die Differenz zwischen den beiden
Signalen darstellt. Dieses wird im allgemeinen, als »Fehlersignal« bezeichnet. Auch
von diesem Fehlersignal ermittelt man die Amplitude der Grundfrequenz und der Harmonischen
und die Phasenwinkel der Grundschwingung und der Harmonischen im Verhältnis zum
aufgedrückten Signal. Diese Ermittlung von Phasenwinkeln und Amplituden des übertragenen
Signals und des Fehlersignals wird für verschiedene Frequenzwerte des aufgedrückten
Signals wiederholt. Für die Werte der Amplituden und der Phasenwinkel bei einer
Anzahl von Frequenzen werden Kurven aufgetragen. Aus ihnen kann man ersehen, ob
die
Übertragungsanlage für sich.. oder als Teil einer größeren Übertragungsanlage
für ihren Zweck geeignet ist. Ein Beispiel solcher Kurven ist die sogenannte Nyquist-Kurve
(vgl. Journ. Inst. El. En.-gineers, Vol. 94. Part II A No. 1 [r947], S. 16/r7).
Diese zeigt das Verhältnis zwischen dem übertragenen Signal und dem Fehlersignal
mit der Frequenz als Parameter. Bei dieser Kurve und bei Kurven gleicher Art benutzt
man nur die Grundfrequenz des übertragenen und des Fehlersignals. Wenn beispielsweise
aus einer Nyquist-Kurve hervorgehen; sollte, daß die Einrichtung nicht zweckentsprechend
ist, muß man sie erneut dimensionieren, erneut Phasenwinkel und Amplitude ermitteln
und die Kurve auftragen. Dieser Vorgang muß wiederholt werden, bis man eine Kurve
erhält, die zeigt, daß die Einrichtung ihrem Zwecke entspricht. Beim Vorstehenden-
ist ohne besondere Erwähnung angenommen, daß das 'als Übertragungseinrichtung dienende
Servo-System ein ausgesprochen elektrisches ist. Sollte ein derartiges System indessen
völlig.oder zum Teil mechanischer Art sein, so kann man ihm nicht einfach ein elektrisches
Signal aufdrücken oder entnehmen. Man muß dann. Einrichtungen benutzen, welche das
elektrische Signal in ein mechanisches umwandeln, oder umgekehrt.
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Nach der Erfindung soll eine Anordnung geschaffen werden, mit der
man die gewünschten Werte der Amplituden und der Phasenwinkel zum' Auftragen von
Kurven der bezeichneten Art ermitteln kann.
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Es sind Anordnungen zur Frequenzanalyse eines Übertragungssystems
bekannt, bei welchen ein Signalerzeuger (Oszillator), ferner eine Vorrichtung zum
Erzeugen eines Bezugssignals und Mittel zum Vergleichen des übertragenen Signals
mit dem Bezugssignal verwendet werden. Die vom Signalübertrager abgeleitete Spannung
wird hierbei zwar mit einer durch das = Übertragungssystem übertragenen Spannung
verglichen. Abgesehen davon, daß noch ein zweiter Oszillator und insgesamt zwei
Modulatoren verwendet werden sollen, geschieht der Vergleich vermittels eines mit
zwei Wattmetern zusammenarbeitenden Kathodenstrahl-Oszillographen..
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Außerdem ist eine Anordnung zur visuellen Anzeige der Phasenverschiebung
von elektrischen Apparaten bekanntgeworden, bei. welcher ein vom Schwingungserzeuger
. kommendes. Signal über einem,. Prüf- bzw. Meßstromkreis ebenfalls einer Kathodenstrahl-Röhre
zugeführt und in dieser mit einem Bezugssignal verglichen wird, welches von einem
am Schwingungserzeuger angeschlossenen Bezugsimpulsgenerator abgeleitet wird. Im
übrigen sieht diese Anordnung unter anderem ein go°-Phasenverschiebungsnetzwerk;
zwei Sägezahngeneratoren und eine zur Steuerung des Blindwiderstandes eines der
Sägezahngeneratoren dienende, mit dem Schwingungserzeuger verbundene, regelbare-
Drossel vor, welche die Frequenz der durch den Schwingungserzeuger hervorgerufenen
Wechselspannungen zu verändern vermag. Gegenüber den bekannten Anordnungen sind
bei der die Erfindung betreffenden. Anordnung zur Frequenzanalyse eines Servo-Systexns
außer einem Signalerzeuger zum Erzeugen einer Wechselspannung von so hoher Frequenz,
daß das Servo: System auf diese Wechselspannung nicht anspricht, zwei von demselben
Motor mit gleicher einstellbarer @ Geschwindigkeit angetriebene Synchronelemente
vorgesehen, von denen das erste zum Modulieren der vom Oszillator erzeugten. Wechselspannung
auf die Umlauffrequenz des Motors dient, dessen modulierte Ausgangsspannung das
Eingangssignal des Servo-Systems darstellt, während,das zweite eine zum Verändern
seiner Sfiatorstellung gegenüber derjenigen des ersten Synchronelementes dienende
Verstellvorrichtung zur Änderung der Phase der Ausgangsspannung des zweiten Synchronelementes
um einen einstellbaren, ablesbaren Betrag aufweist und mit einer Anzeigevorrichtung
zusammenarbeitet, welche die Phase und Amplitude des Ausgangssignals des Servo-Systems
oder deren Abweichung anzeigt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das
Eingangs- oder Ausgangssignal abwechselnd zu dem Rotor des zweiten Synchronelementes
gelangt und sich dort mit einer Umlauffrequenz des Motors.-multipliziert und daß
die Ausgangsklemmen des Synchronelementes über .einen Demodulator mit der Anzeigevorrichtung
verbunden sind.
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Auf diese Weise erhält man nur Grundschwingungen, während der Einfluß
von Harmonischen des zugeführten Signals auf den Meßwert durch das zweite, zugleich
zur Bestimmung von Phasenwinkeln -benutzbare Synchronelement nach der Erfindung
in sehr einfacher Weise eliminiert wird. Infolgedessen können keine fehlerhaften
Meßwerte erhalten, werden, was zur Folge hätte, daß die zu untersuchende Anordnung
fehlerhaft dimensioniert werden könnte. Gegenüber der an sich bekannten Verwendung
von Kathodenatrahloszillographen trägt die Kombination des zweiten Synchronelementes
mit einem Demodulator. und einer insbesondere als Voltmeter ausgebildeten Anzeigevorrichtung
ebenfalls wesentlich dazu bei, genauere Meßwerte als bisher zu erhalten.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der zur Prüfung eines
Servo-System,s dienenden Anordnung nach der Erfindung veranschaulicht.
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Mit 13 ist ein Oszillator bezeichnet, der durch ein beliebiges Mittel
auf eine bestimmte Frequenz einstellbar ist. Das jeweilige vom Oszillator 13 kommende
Signal wird hierbei mit E. cos at bezeichnet. Dieses Signal wird als -Trägerwellensignal
auf die Statorwicklung eines zugleich als Modulator dienenden ersten Synchronelementes
24 übertragen, - welches das Trägemwellensignal des Oszillators 13 moduliert. Die
Rotgrwicklung des Synchronelementes 24 führt dieses mit AE [cos (o t] cos at bezeichnete
Signal dem Differentialeingang 2 des frequenzmäßig zu analysierenden Servo-Systems
2 bis 5 und 1o zu. Das bedeutet, daß die Signale; welche in dem System arbeiten,
modulierte Trägerwellensignale sein werden. Die Frequenz
der Trägerwelle
selbst ist so hoch gewählt, daß das System nicht mit dieser Frequenz als solcher
arbeiten kann, sondern nur mit der Modulationsfrequenz. Das genannte Servo-System
enthält außer dem Differentialeingangsglied 2 einen mit ihm über den Leiter io verbundenen
Hilfsverstärker 3, der seinerseits mit einem gesteuerten Organ q. verbunden ist,
welches eingestellt werden soll und welches selbst über einen Leiter 5 an das Differentialeingangsglied
2 angeschlossen ist. An das Servo-System sind angeschlossen: ein Kontaktarm 7 und
die ihm zugeordneten Kontakte 9 und 8, von denen der Kontakt 9 am das Differential
2 mit dem Verstärker 3 verbindenden Leiter io mit dem auf ihm vorhandenen Fehlersignal
DE [cos (co t + 992) -I- ... ] cos a t und der Kontakt 8 am
Leiter 5 mit dem auf ihm vorhandenen verzerrten Signal CE [cos (cot + 99l) -I-
...] cos at liegt. Das Fehlersignal und das verzerrte Signal werden als moduliertes
Trägerwellensignal über die Kontakte 8 und 9 und den Kontaktarm 7 auf die Rotorwicklung
eines zweiten Synchronelements 26 übertragen, dessen Statorwicklung mit einem zur
Aussiebung der Trägerwelle dienenden und an den Oszillator 13 angeschlossenen Demodulator
i i verbunden ist. Vom Demodulator werden die demodulierten Signale einer insbesondere
aus einem Voltmeter bestehenden Anzeigevorrichtung 6 zugeführt, auf der sie ablesbar
sind.
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Die Synchronelemente 2q. und 26 sind so ausgebildet, daß ihre Rotoren
auf einer gemeinsamen Welle 25 sitzen. Der Stator des Synchronelementes 24 ist fest,
während der Stator des Synchronelementes 26 mit Hilfe eines an ihm befestigten Ringes
27 einstellbar ist. Das zuletzt genannte Synchronelement ist außerdem unter Wahrung
eines Zwischenraumes von einem zweiten Ring 28 umgeben, der ortsfest ist. Auf diesem
Ring befindet sich eine Phaseneinstel.lskala, der ein am Stator befestigter Zeiger
29 zugeordnet ist. Die gemeinsame Welle 25 der Elemente 2q. und 26 ist mit einem
Motor 3o verbunden, dessen Umlaufgeschwindigkeit mittels eines Knopfes 31, der einen
Zeiger trägt, geändert werden kann. Der Zeiger gibt auf der Skala 32 die jeweilige
Umlaufgeschwindigkeit des Motors an.
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Die beschriebene Schaltung arbeitet wie folgt: Das Signal des Oszillators
13, das am Stator des Synchronelementes 24 liegt, wird als Trägerwellen-Signal benutzt.
Bei stillstehendem Stator des Elementes 26 wird die Trägerwelle unverändert dem
Servo-System 2 bis 5 und io zugeführt. Wenn der StatoT indessen umläuft, wird das
Trägerwellensignal mit einer Schwingung moduliert, welche die gleiche Umlauffrequenz
hat, die der Motor 30 der Welle 25 erteilt.
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Das Signal vom Kontaktarm 7 wird auf die Rotorwicklung des Synchrone@lelnentes
26 übertragen. In diesem wird sie mit einem Signal multipliziert, das vorzugsweise
dem Signal gleich ist, welches die Trägerwelle im Synchronelement 24 moduliert.
Der Phasenwinkel des Mutiplikationssign:als des Elementes 26 kann mit Hilfe des
Ringes 27 gegenüber dem M:odulationssignal des Elementes 24 geändert werden. Das
Signal vom Element 26 wird dem Demodulator i i zur Aussiebung der Trägerwelle zugeführt.
Vom Demodulator i i wird das Signal dem Voltmeter 6 zugeleitet und dort abger lesen.
Der Phasenwinkel des Signals vom Kontakt 8 wird in folgender Weise bestimmt: Der
Stator des zweiten Synchronelementes 26 wird mittels des Ringes 27 .gedreht, bis
das Voltmeter 33 ein Minimum oder Null anzeigt. Bei der erreichten minimalem Einstellung
gibt der Zeiger 29 auf der Skala 28 den Phasenwinkel cpl des aufgedrückten Signals
CE [cos (a) t -f- 991) + .. .] cos a t an. Wird dieser Stator aber so gedreht,
daß die Anzeige ein Maximum erreicht, so zeigt das Voltmeter dann das Produkt der
Amplitude des Multiplikationssignals im Element 26 und der Amplitude des Signals
an, das dem Element 26 zugeführt wird. Nach diesem Meßvorgang wird der Kontaktarm
7 auf den Kontakt 9 umgelegt. Bei dieser Einstellung des Kontaktarmes 7 wird in
erwähnter Weise der Phasenwinkel 992 des Fehlersignals DE [cos
(to t -f- 992) -f- . . .] cos a t und das Produkt
der Amplitude des Fehlersignals und des Multiplikationssignals im Element 26 bestimmt.
Durch Division der beiden Produkte erhält man das gewünschte Verhältnis zwischen
der Amplitude des verzerrten Signals und der Amplitude des Fehlersignals. Werden
jetzt dieses Verhältnis und die Phasenwinkel bei einer Anzahl verschiedener Frequenzen
des Modulation.ssignals in dem dem Servo-System zugeführten Signal AE [cos co t]
cos a t gemessen, so können die obenerwähnten Kurven aufgetragen werden.
Aus diesen kann man entnehmen, ob das ganze System seinen Zweck entspricht oder
nicht. An Stelle des Fehlersignals kann auch das übertragene Signal an einem beliebigen,
Punkt der Anlage entnommen und gemessen werden.