NO149230B - Fremgangsmaate og innretning for drift av en mekanisk last - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en innretning og en fremgangsmåte for drift av en mekanisk last ved benyttelse av en elektrisk motor og en last-motor-koplingsanordning som oppviser mekanisk resonans, ved drivhastigheter som ligger over koplingsanordningenS" mekaniske resonansfrekvens, og under utnyttelse av en servomekanismekrets.

I forbindelse med servostyrt drift av elektriske motorer er det generelt kjent å måle motor-hastigheten og frembringe et første signal som er proporsjonalt med motorhastigheten, å frembringe et motorhastighet-ordresignal og å generere et feilsignal ved å redusere ordresignalet med det første signal i en dekrementerende, negativ tilbakekopling. En hastighets-tilbakekoplingssløyfe for dette formål kan omfatte en kaskadekoplet hastighets-ordresignalkilde, et feilsignalfrem-bringende summasjonsknutepunkt, et sløyfefrekvensresponsfor-mende filter og en drivforsterker for matning av motoren, og et hastighetstachometer som kopler et mål for motorens ut-gangshastighet til en subtraksjonsinngang til summasjonsknutepunktet.

Ved anvendelse av en servomekanisme som benytter

en motoraktuator til å drive en last via en koplingsanordning som ved en viss frekvens oppviser mekanisk resonans, oppstår det imidlertid problemer da motoren på grunn av resonansvirk-ningene ikke effektivt kan følge det tilførte ordresignal.

En servomekanismeinnretning med bare en tilbakekoplingssløyfe

av den angitte type vil være begrenset til motorrotasjonshas-tigheter under koplingens resonans?rekvens, hvilket er en alvorlig begrensning i mange tilfeller. Som eksempel kan nevnes moderne kanoner, såsom antiluftskyts, hvor det må skje målfølging og avfyring mot meget hurtig bevegelige mål.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en innretning hvor forstyrrende mekanisk lastkoplingsresonans motvirkes effektivt i forbindelse med en lastpåvirkende servomekanisme, slik at servosystemets respons-bånd utvides.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveie-brakt en servomekanisme-innretning for drift av en last via en mekanisk koplingsanordning som oppviser resonans, ved hastigheter som ligger over den nevnte resonans, hvilken innret ning omfatter en elektrisk motor som er.koplet til lasten via den nevnte koplingsanordning, en motorhastighet-ordresignalkilde som er koplet til en første additiv inngangsport i en summasjonsanordning som også har en andre additiv inngangsport, en subtraksjonsinngangsport og en utgang som over en nettverkanordning styrer energitilførselen til motoren, og en negativ tilbakekoplingskrets med en utgang som er koplet til summasjonsanordningens subtraksjonsinngangsport, og en inn-

gang som reagerer på motorens hastighet, hvilken innretning er kjennetegnet ved at den omfatter en avfølingsanordning for x avføling av den av motoren forbrukte strøm, og en positiv tilbakekoplingskrets som har en inngang koplet til avfølingsan-ordningen og en utgang koplet til summasjonsanordningens and-

re additive inngangsport for å øke den til motoren tilførte energi når avfølingsanordningen avføler en økende strøm som forbrukes av motoren, for derved å overvinne koplingsanordningens mekaniske resonans.

Den ifølge oppfinnelsen tilveiebrakte fremgangsmåte omfatter de innledningsvis angitte trekk og er kjennetegnet ved at motorstrømmen måles og det frembringes et andre signal som er proporsjonalt med motorstrømmen, at feilsignalet påvirkes med det nevnte andre signal i en additiv, positiv tilbakekopling, og at motoren styres med det resulterende feilsignal, hvorved lastens drivbåndbredde overskrider den nevnte mekaniske resonansfrekvens.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende

i forbindelse med en spesiell, illustrerende utførelse av oppfinnelsen under henvisning til tegningen, der fig. 1 er et skjematisk blokkdiagram som illustrerer en lastpåvirkende servomekanismeinnretning i overensstemmelse med prinsippene for oppfinnelsen, og fig. 2 viser forskjellige bølgeformer som karakteriserer den foreliggende oppfinnelse.

På fig. 1 er vist en flersløyfers hastighetsservo-mekanismeinnretning for styring av hastigheten av en drevet last 36 i overensstemmelse med en inngangshastighetsordre som tilføres av en ordresignalkilde 10.Påvirkning eller drift av lasten 36 (f.eks. rotasjon) bevirkes av en motor 20 som har sin utgangsdrivaksel forbundet med lasten 36 via en aksel og/eller et drivhjulsett 32 av vilkårlig form og konstruksjon. Innretningen omfatter en motorhastighetsstyrende hovedtilbake-koplingssløyfe I som er av i og for seg konvensjonell utfø-relse og som benytter en påvirkningsbane for motoren 20 fra inngangskilden 10 via en lineær summasjonsanordning (knute-punkt) 12 (f.eks. en operasjonsforsterker) og en foroverfor-sterkningsenhet bestående av et frekvensresponsformende filter og en driver med sammensatt frekvensrespons G(co). I det enkleste tilfelle og uten begrensning kan den foroverforsterk-ningsformende funksjon ganske enkelt omfatte et aktivt eller passivt lavpassfil ter 13 ("etterslepnings"-nettverk) med konvensjonell transformering —-r- etterfulgt av en drivforsterker

s+b

16 med forsterkning B. For det foreliggende formål sløyfes diskusjon av en motorstrømfølende overvåkningsmotstand 19. I tilbakekoplingsbanen for hovedsløyfen I er anordnet et hastighet stachome te r 30 med en inngang som avføler den momentane rotasjonshastighet av motorens utgangsaksel (0), og som til-fører et elektrisk signal som er proporsjonalt med motorens 20 akselhastighet, til summasjonsknutepunktets 12 subtraksjonsinngang.

Den ovenfor omtalte motorhastighetsstyrende hoved-servosløyfe I er av kjent utførelse og skal således bare kort beskrives her. I det generelle tilfelle tilfører hastighets-ordresignalkilden 10 et tidsvarierende utgangssignal (t) som angir en ønsket 'rotasjonshastighet for belastningen.

Dette signal E^n(t) sammenliknes med det momentane akselhas-tighetssignal (0) ved hjelp av hastighetstachometeret 30, og en eventuell differanse ("feilsignal" itilbakekoplingster-minologi) tilføres til foroverforsterkningselementene 13, 16. Utgangssignalet fra foroverforsterkningselementene, som er

til stede på drivforsterkerens 16 utgangsport, tilføres der-etter som drivsignal til motoren 20. I stabil tilstand, og idet det antas tilstrekkelig frekvensresponsevne for motoren 20, virker hovedsløyfen I slik at den automatisk unngår eller minimerer feilen på summasjonsknutepunktets 12 utgang, og således tvinger motorens 20 utgangsakselhastighet til å følge den foreskrevne verdi E^n(t). For frekvenser som ligger godt innenfor systemresponsbåndet ved åpen sløyfe virker systemet

med sikkerhet på den ovenfor beskrevne måte og bevirker sådan lastdriftkontroll.

Motorens 20 utgangsaksel er imidlertid forbundet med lasten 36 ved hjelp av en aksel/drivhjul-kopling 32 som kan representeres ved en fjærfaktor 34 i parallell med et mole-kylarfriksjonselement 33. Fjæren 34 representerer akselens og drivhjulsettets elastisitet, dødgang og liknende, mens den skjematiske støtdemper 33 symboliserer indre molekylarfrik-sjon. Representasjonen 33 - 34 og analysene av denne er også velkjent i forbindelse med behandling av mekanisk bevegelse. Vanskeligheten med tidligere kjente hastighetsservoer av den primære type (med en eneste sløyfe I), er den selvresonans som oppvises av koplingen 32. Særlig ved en resonansfrekvens for elementene 33, 34 og 36 blir det meget vanskelig for motoren 20 å drive belastningen 36, da avgitt bevegelse oa energi fra motoren 2 0 ganske enkelt absorberes i de effektive, medsvingende elementer i stedet for å overføres til lasten 36.

For å illustrere det foregående grafisk, omfatter en kurve 60 på fig. 2 en åpen-sløyfe-respons for systemet med servosløyfen I, og har en sone 62 som oppviser en sådan resonans hvor motorens utgangsdrift ikke effektivt kan følge det tilførte ordresignal. Det samme er tilfelle for den normali-serte lukket-sløyfe-respons 63 som er vist for systemet. På fig. 2 er også vist en strektegnet kurve 67 som gjenspeiler motorstrømmen som stiger kraftig i det nevnte område med resonans på grunn av den tilsynelatende mye større belastning som er koplet til motoren 20 under sådanne•forhold.

Konsekvensen av det foregående er å begrense sådanne tidligere kjente, primære hastighetstilbakekoplingssløyfer til drivsignalfrekvenser som ligger under resonansfrekvensområdet, og særlig til frekvenser (w) som ligger vesentlig under det punkt 70 ved hvilket åpen-sløyfe-responsen krysser nivået , for enhetsforsterkning. En sådan begrenset respons er imidlertid ikke alltid tilfredsstillende, f.eks. ved anvendelser hvor utgangsbelastningen består av et våpentårn eller liknende som må skyte mot hurtig bevegelige mål. Med hensyn til det foregående er det også blitt, observert at resonansområdet 62 ikke er fast med hensyn til frekvensverdi da parametrene for den effektive drivakselkopling 32 endres, -f.eks. med inngangs-signalet. Således er f.eks. den effektive koplingsfjærfaktor (elementet 34) avhengig av dødgang som på sin side er avhen-

gig av nivået av det tilførte inngangshastighetssignals variasjoner som gjenspeiles 1 signalet E^n(t).

I de tidligeré kjente arrangementer er følgelig faktoren "b", som utgjør nedgangshastigheten for servosløy-

fens I formende lavpassfilter 13, blitt valgt vesentlig under et middelpunkt 70, dvs. under begynnelsesdelen av resonans-

sonen 62 for å sikre at riktig tilbakekoplingsvirkning opp-

trer. Også denne sløyferesponsbegrensning er uønseet ved noen anvendelser, og uakseptabel ved andre.

For å unngå det foregående, blir det ifølge oppfinnelsen benyttet en andre, positiv eller regenerativ tilbake-koplingsbane II. Spesielt blir den momentane drivstrøm som forbrukes av motoren 20, avfølt, f.eks. ved hjelp av en strøm-overvåkende motstand 19 som er innkoplet mellom den motordri-vende forsterker 16 og motorens 20 energimottagende port. Strømsignalet over motstanden 19 bufferkoples og omformes til enkeltendet form i forhold til jord for anvendelighet i en differanseforsterker 21, og passerer gjennom et filter 25 i tilbakekoplingsbanen II til en additiv inngangsport i summasjonsknutepunktet 12. Transfer- eller overføringsfunksjonen for den sammensatte krets i tilbakekoplingsbanen II er hensiktsmessig y ' ^vs* en fsktor y (et positivt tall mellom null log én) hensiktsmessig multiplisert med det inverse av f oroverforsterkningsf ilterf unks jonen G(co). Dette tilveiebringer hurtig respons med stabilitet. For et lavpass- eller etterslepningsnettverk 13 ville filteret 25 således ganske enkelt ,bestå av et høypass- eller forsprangsnettverk.

I det følgende betraktes virkemåten for den supplerende, regenerative tilbakekoplingssløyfe II. Når en reso-nanssone 62 (fig. 2) påtreffes ved en hurtig varierende inn-gangsordre E^n(t), passerer denøkende motorstrøm 67 som av-føles over motstanden 19, gjennom differanseforsterkeren 21 og filteret 25, og tilveiebringer dermed et øket potensial på den øvre, additive inngang til summasjonsknutepunktet 12. Dette forøker eller supplerer hastighetsordresignalet E. (t), og ,

in

tilfører dermed automatisk et øket drivsignal ved resonans til motoren 20 og supplerer motorens utgangsdreiemoment som utøves på koplingen 32 og lasten 36. Når vektfunksjonen y nærmer seg én, opptrer tilnærmet fullstendig utjevning eller utlikning

for koplingsresonansen, slik at den sammensatte åpen-sløyfe-respons (for sløyfen I) for systemet strekker seg gjennom og forbi resonansområdet 62.. Lukke t-sløy fe-responsen for den sammensatte servomekanismeinnretning omfattende begge tilbake-koplingskretser I og II er vist med en strektegnet kurve 65

på fig. 2 og strekker seg til et frekvensknekkpunkt 72 avhengig av lavpassfilteret (verdien "b" som bestemmer filterets passbånd) og åpen-sløyfe-forsterkningen.

Det sammensatte lastpåvirkende, multi-tilbakekop-lingssløyfesystem ifølge oppfinnelsen resulterer således i en bredbånd-belastningsaktuator og tilveiebringer således et system med forbedret frekvensrespons og belastningskontroll. Som en illustrasjon er en kanonlavett for tunge våpen som har en mekanisk koplingsresonans ved ca. 8 Hz, i et tidligere kjent system med bare én servosløyfe I begrenset til et ope-rativt servobånd på 5 Hz eller derunder. Med systemet ifølge den foreliggende oppfinnelse, med både sløyfe I og sløyfe II, kan det tilsvarende realiseres et system med et lavpassfilter på 10 Hz.

Den foran beskrevne innretning er kun illustrerende for prinsippene for den foreliggende oppfinnelse. Oppfinnelsen kan således også for eksempel benyttes i forbindelse med hydrauliske, pneumatiske og andre aktuatorer, og for både lineær og roterende bevegelse, og liknende. For alle sådanne arrangementer benyttes en supplerende, positiv tilbakekop-lingssløyfe som utnytter et mål for tilført aktuatordrivsignal som inngangssignal.

Claims (5)

1. Servomekanisme-innretning for drift av en last (36) via en mekanisk koplingsanordning (32) som oppviser resonans, ved hastigheter som ligger over den nevnte resonans, hvilken innretning omfatter en elektrisk motor (20) som er koplet til lasten (36) via den nevnte koplingsanordning (32), en motorhastighet-ordresignalkilde (10) som er koplet til en første additiv inngangsport i en summasjonsanordning (12) som også har en andre additiv inngangsport, en subtraksjonsinngangsport og en utgang som over en nettverkanordning (13, 16) styrer energitilførselen til motoren (20), og en negativ tilbakekoplingskrets (30) med en utgang som er koplet til summasjonsanordningens (12) subtraksjonsinngangsport, og en inngang som reagerer på motorens hastighet,karakterisertved at den omfatter en avfølingsanordning (19, 21) for av-føling av den av motoren (20) forbrukte strøm, og en positiv tilbakekoplingskrets (21, 25) som har en inngang koplet til avfølingsanordningen (19) og en utgang koplet til summasjonsanordningens (12) andre additive inngangsport for å øke den til motoren (20) tilførte energi når avfølingsanordningen (19) avføler en økende strøm som forbrukes av motoren (20), for derved å overvinne koplingsanordningens (32) mekaniske resonans.

2. Innretning ifølge krav 1,karakterisertved at den positive tilbakekoplingskrets (21, 25) og nettverk-anordningen (13, 16) har et overføringsfunksjonsforhold y hvor Y er et positivt tall som ikke overskrider én.

3. Innretning ifølge krav 1 eller 2,karakterisert' ved at den negative tilbakekoplingskrets omfatr ter et tachometer (30).

4. Innretning ifølge ett av kravene 1-3,karakterisert vedat avfølingsanordningen består av en motstand (19) som er seriekoplet med motoren (20), og en for-sterkeranordning (21) som er koplet til motstanden (19).

5. Fremgangsmåte for drift av en mekanisk last ved benyttelse av en elektrisk motor og en last-motor-koplingsanordning som oppviser mekanisk resonans, ved drivhastigheter som ligger over koplingsanordningens mekaniske resonansfrekvens, og under utnyttelse av en servomekanismekrets, omfattende de trinn å måle motor-hastigheten og frembringe et før-ste signal som er proporsjonalt med motorhastigheten, å frembringe et motorhastighet-ordresignal og å generere et feilsignal ved å redusere ordresignalet med det første signal i en dekrementerende, negativ tilbakekopling,karakterisert vedat motorstrømmen måles og det frembringes et andre signal som er proporsjonalt med motorstrømmen, at feilsignalet påvirkes med det nevnte andre signal i en additiv, positiv tilbakekopling, og at motoren styres med det resulterende feilsignal, hvorved lastens drivbåndbredde overskrider den nevnte mekaniske resonansfrekvens.