NO153783B - Solenoid-momentfrembringersystem. - Google Patents

Description

OPPFINNELSENS BAKGRUNN

Den foreliggende oppfinnelse tilhører området for momentfrembringere og vedrører mer spesielt solenoid-momentfrembringere som finner spesiell anvendelse i forbindelse med inerti-instrumentering.

Nærmere bestemt vedrører oppfinnelsen et solenoid-momentfrembringersystem som omfatter en momentfrembringerspole og tilhørende kjerne, idet kjernen har en B-H-hysteresekarakteristikk som innbefatter en første ekstremverdi +<t)fJji' en annen ekstremverdi ~4>M2» en rørste restverdi -A-^ og en annen restverdi +A2 / hvor 4>M^' ^1 °^ ^2 er større enn °' ^2

er mindre enn tJ>M^ og A, er mindre enn ' organer som innbefatter en strømavfølerkrets til å fremskaffe et spolestrøm-signal som representerer strømmen i spolen, organer som innbefatter en første differensialforsterker til å fremskaffe et spoledriftsignal som er proporsjonalt med forskjellen mellom et tilført spolestrømkommandosignal og spolestrømsignalet, samt organer til å tilføre spoledriftsignalet til spolen.

Utviklingen og den praktiske anvendelse av taktiske inertiinstrumentér med to frihetsgrader (TDF) har til nå vært vesentlig begrenset pga. mangler ved kjente former for rotor-momentfrembringersystemer. Følgelig har TDF-instrumenter f.eks. det dynamisk avstemte gyroskop (DTG) vært kjenne-

tegnet ved en forholdsvis høy pris og dårlig vinkelhastig-hetegenskap.

Et tidligere kjent system benytter seg av permanent-magnetmomentfrembringere (PM). Imidlertid har slike systemer termiske følsomheter som typisk er så store at der kreves skalafaktorkorreksjon av første orden. En annen begrensning som PM-momentfrembringere er beheftet med, er momentfrem-bringernes ineffektivitet, spesielt med hensyn til dreiemoment pr. enhetsvolum som kan fremskaffes ved kjente anordninger. Det krav at permanentmagneten skal være plassert på hjulet eller rotoren, resulterer i større hjul-masse og følgelig større kraftbehov til dreining av hjulet for ønskede korrigeringer.

Ved en alternativ tidligere løsning blir der benyttet

en vanlig strømtilbakekoblingsspoledrift i en solenoid-momentfrembringer-konfigurasjon. Denne løsning skaffer umiddelbart en forbedring på mer enn ti ganger med hensyn til moment-frembringereffektivitet sammenlignet med permanentmagnet-momentfrembringeren. Dessuten er prisen på solenoid-momentfrembringer-konfigurasjonen betydelig mindre enn den for permanentmagnet-momentfrembringeren. Forbedringen med hensyn til effektivitetsfaktoren kommer umiddelbart til syne fra forholdet mellom gyroskopavdrift og dreiemomentforstyrrelse.

En slik avdrift er proporsjonal med et forstyrrende dreiemoment dividert med systemets vinkelbevegelsesmengde. For et gitt forstyrrende dreiemoment vil således en større vinkelbevegelsesmengde resultere i en lavere avdriftsverdi. Solenoidmomentfrembringeren tillater drift med større vinkelbevegelsesmengde for en gitt momentfrembringer-størrelse enn en permanentmagnet-momentfrembringer, og et gitt forstyrrende dreiemoment vil således resultere i mindre avdrift som krever korreksjon. I et luftfartmiljø

vil videre den større dreiemomentkapasitet hos solenoid-momentf rembringere skaffe muligheten for utbalansering av større inertireaksjonskrefter. Til tross for disse fordeler overfor PM-momentfrembringere er vanlige solenoid-momentfrembringere sterkt begrenset med hensyn til yteevne pga. problemer med f.eks. ikke-linearitet, asymmetri, hystrese og skalafaktorustabilitet.

Følgelig er det en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe en forbedret solenoid-momentfrembringer med nøyaktig og effektiv momentfrembringelse på høykraftnivå.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Solenoid-momentfrembringersystemet ifølge oppfinnelsen er karakterisert ved en generatorinnretning som innbefatter en avfølingsspole til å fremskaffe et fluksverdisignal som representerer fluksendringsgraden i spolen og en annen differensialforsterker til å fremskaffe et spolestrømkommandosig-nal, idet spolestrømkommandosignalet er proporsjonalt med forskjellen mellom fluksverdisignalet og et fluksverdikommandosignal tilført fra en fluksverdikommandogenerator.

Systemet innbefatter således en fluksverdiservosløyfe til fremskaffelse av spplestrømkommandosignalet. Denne sløyfe innbefatter en fluksverdiføler forbundet med kjernen og innrettet til å skaffe et fluksverdisignal som representerer endringsgraden av spolefluksen. Ved en utførelse er føleren en hjelpespole forbundet med kjernen. Fluksverdiservosløyfen innbefatter ytterligere et organ som er innrettet til å sammenligne fluksverdisignalet med et tilført fluksverdi-kommandosignal og fremskaffer spolestrømkommandosignalet fra den detekterte forskjell. Fluksverdi-kommandosignalet er et ternært breddemodulert signal innbefattende sekvenser av fire pulser. I hver sekvens har både de første og fjerde pulser en første polaritet som er motsatt den for de andre og tredje pulser. Med denne konfigurasjon har systemet sykliske strømreverseringer eller bifluksdrift. Tidsintegralene for de respektive pulser i fluksverdikommandosignalet blir nøyaktig styrt for bestemmelse av systemets driftspunkt langs kjernens B-H-karakteristikk.

Under drift blir der gitt instruksjon om nøyaktige

fluks- eller kraftnivåer ved hjelp av fluksverdi-servosløyfen, prinsipielt ved å gi instruksjon om et fluksverdisignal med fast størrelse for et innstilt antall av klokkesykler. Nøy-aktigheten av fluksverdi-servoen opprettholdes ved bruk av presisjons-spenningskilder for et fluksverdi-kommandosignal,

en høyfrekvens-tidsinnstillingskilde (som skaffer lav-kvantiseringsfeil), høypass-servoelektronikk med lav avdrift og en geometrisk fiksert stabil hjelpespole for fluksverdi-avføling. Med denne konfigurasjon skaffer fluksverdi-tilbakekoblingskretsen og tilhørende digitale styrekretser et presisjonssolenoid-momentfrembringersystem som er spesielt ufølsomt overfor spaltevariasjoner, endringer i magnetisk materiale, hysterese, mykmetning, temperatur og andre effekter som forringer vanlige solenoid-momentfrembringere.

Selv om den foreliggende oppfinnelse har funnet spesiell anvendelse i forbindelse med inerti-instrumentering, kan den også være til nytte i forbindelse med andre anvendelser som krever forholdsvis lite volum og stort dreiemoment.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGEN

De ovenfor omtalte og andre hensikter med den foreliggende oppfinnelse samt forskjellige trekk ved denne, såvel som selve oppfinnelsen vil bli bedre forstått fra den følgende bekrivelse lest i sammenheng med den vedføyde tegning hvor

fig. 1 viser i blokkskjemaform en utførelsesform for

den foreliggende oppfinnelse,

fig. 2 viser et eksempel på kjernens B-H-karakteristikk

ved utførelsesformen på fig. 1,

fig. 3a og 3b viser eksempler på henholdsvis fluksverdi-kommando- og fluksbølgeformer for utførelsesformen ifølge fig. 1, og

fig. 4 anskueliggjør utførelsesformen på fig. 1 ved hjelp av et detaljert blokkdiagram.

BESKRIVELSE AV FORETRUKKEN UTFØRELSESFORM

Det system 10 som er vist på fig. 1, innbefatter en kjerne 12 som er magnetisk forbundet med henblikk på å overføre et dreiemoment til en rotor 14. Som et eksempel kan rotoren 14

være av den type som benyttes i et DTG-system. En første spole 16 er viklet på kjernen 12 for dannelse av en solenoid.

En avfølingsspole 18 er også forbundet med kjernen 12 for

på linjen 18a å skaffe et signal som representerer fluksendringsgraden i kjernen 12.

Et solenoidkjernedriftnettverk 2 0 innbefatter en differensialforsterker 22 innrettet til å overføre et spole-drif tsignal til spolen 16. Strømmen som går gjennom spolen 16, er shuntkoblet til jord ved hjelp av en strømavfølingsmotstand 24. Signallinjen 24a er innrettet til å skaffe et spolestrøm-signal som representerer den strøm som går gjennom motstanden 24, og til å tilføre nevnte signal til den ene inngang til forsterkeren 22. Til den annen inngang til forsterkeren 22 blir der via linjen 26 tilført et spolestrømkommandosignal.

Et fluksverdi-tilbakekoblingsnettverk 30 er forbundet

med avfølingsspolen 18. Signalet på linjen 18a fremskaffer et spenningssignal som representerer endringsgraden av fluksen gjennom spolen 18. Dette signal tilføres som et første inn-signal til en differensialforsterker 34. Et fluksverdikommandosignal fremskaffet ved hjelp av et nettverk 4 0 tilføres som et annet

inngangssignal til forsterkeren 34. Differensialsignalet som fremskaffes ved hjelp av forsterkeren 34, tilføres som spole-strømkommandosignalet til forsterkeren 22. Ved den foreliggende utførelsesform innbefatter fluksverdikommandosignalgeneratoren 40 en høyfrekvensklokkegenerator og en presisjonsspennings-kilde og tilhørende switsjekretser til å skaffe et ternært breddemodulert fluksverdikommandosignal som innbefatter pulser med nøyaktig styrte tidsintegraler.

Den foreliggende utførelsesform innbefatter således bredbåndsservosløyfer med høy forsterkning fremskaffet ved hjelp av tilbakekoblingsnettverkene 20 og 30, samt presisjons-driftnettverket fremskaffet ved hjelp av generatoren 40. Fluksverdikommandoservosløyfen fremskaffer et nøyaktig styrt fluksnivå, eller kraft, ved rotoren 14. Med henblikk på å til-fredsstille dette krav blir bølgeformen for fluksverdi-kommandosignalet nøyaktig styrt med hensyn til både amplitude og tidsberegning for å sikre fremskaffelse av nøyaktig fluks-verditilbakekobling.

Med henblikk på å anskueliggjøre driften av systemet

10 antas det at kjernen 12 har den eksempelvis viste hysteresekarakteristikk vist på fig. 2 og omfattende restfluksverdier -A^ og +A2 når H=0 og toppf luksverdier +4>M]_ 0<3 -tt>M2 • Figurene 3A og 3B angir henholdsvis fluksverdikommandosignalet og resulterende fluks i kjernen 12 ved et eksempel på syklisk drift av momentfrembringersystemet ifølge fig. 1, idet driften starter ved punkt A på B-H-kurven og fortsetter gjennom punktene B, C, D og A.

I forbindelse med denne konfigurasjon er fluksverdi-kommandosignalet på fig. 3A et ternært breddemodulert signal (spenningsnivåer: <J>^, 0, med en sekvens på fire pulser. Hver av de fire pulser i sekvensen såvel som mellompulsperiodene har varigheter som er et heltall av klokkeperiodene T. Den første puls innbefatter n^ klokkeperioder, slik at tidsinteg-ralet for fluksverdikommandosignalet under den klokkeperiode blir nøyaktig justert i forbindelse med +<j>^-verdien, slik at driftspunktet på B-H-karakteristikken fortsetter fra punkt A til punkt B. Driftspunktet oppholder seg deretter ved punkt B for W -klokketellinger som vist. Etter den første mellompulsperiode fremskaffes den annen puls med en amplitude -1})^ og en varighet (n2 klokketellinger) som er nøyaktig utvalgt for å bevege driftspunktet fra punkt B til punkt C. Etter den annen mellompulsperiode fremskaffes den tredje puls med en amplitude -<(>k og en varighet (n^ klokketellinger) som er nøyaktig utvalgt for å bevege driftspunktet fra punkt C til punkt D. Etter en tredje mellompulsperiode (med en varighet på W„ a klokketellinger) fremskaffes den fjerde puls med en amplitude +<j), k og en varighet (n^ klokketellinger) som er nøyaktig utvalgt for å bevege driftspunktet fra punkt D til punkt A. Etter en fjerde mellompulsperiode kan en lignende pulssekvens fremskaffes.

Den fluks som fremskaffes i kjernen idet driftspunktet passerer gjennom punktene A-D og tilbake til A, er vist på

fig. 3B. Under forløpet av den første puls endrer fluksen seg fra -A^ til <t>M^ og holder seg deretter på denne verdi inntil den annen puls. Under forløpet av den annen puls endrer fluksen seg fra <J>Ml til verdien +A2 og holder seg deretter ved den verdi inntil den tredje puls. Under forløpet av den tredje puls endrer fluksen seg fra +A2 til -<)>m2 . Under forløpet av den fjerde puls endrer fluksen seg fra - §y[^ - til -A^. Med denne konfigurasjon er kraftvarigheten eller bredden av de trapes-lignende flukspulser funksjonelt relatert til de bredde-modulerte verdier W og W . I forbindelse med den foreliggende konfigurasjon er mellomrommene mellom mellompulsene fiksert fra syklus til syklus. Imidlertid, ved alternative utførelsesformer kan breddemodulasjonen styres ved alle eller andre selekterte kombinasjoner av mellompulsperioder. Med funksjonssyklus-konfigurasjonen basert på fire pulser forefinnes der en peri-odisk fluksreversering hos de flukspulser som tilføres kjernen 12. Det er frembragt for å minimere hysteresevirkningene.

Ved den foreliggende utførelsesform er den indre strøm-sløyfe hovedsakelig en vanlig strømtilbakekoblingsdrift for en dreiemomentfrembringerkjerne. Sløyfen har tilstrekkelig stor båndbredde til ikke å avgrense karakteristikken for den ytre sløyfe. Således styrer det foreliggende system fluksverdien til å være konstant, slik at den kan integreres til en fiksert fluksamplitude. Fig. 4 anskueliggjør en ytterligere detaljert konfigurasjon av den foreliggende utførelsesform. Ved dette system er fluksverdikommandogeneratoren 4 0 vist å innbefatte et dobbelt klokkenettverk 44, en presisjonsspenningsreferanse 48, en pulsstabilisert inverteringsforsterker 50 og et par brytere 52 og 54 som styres ved hjelp av to klokkesignaler som fremskaffes av generatoren 44, og som styres for å skaffe fluksverdikommandosignalet på linjen 40a. Fluksverdispolen 18

er forbundet med en presisjonsbredbåndforsterker 62 og en forsterkningsfunksjon G/S, en bredbåndskraftforsterker 64, et nettverk 66 for detektering av nullnivå og brytere 68 og 70 innrettet på i og for seg kjent måte til å utføre strøm-driftsfunksjonen for solenoidspolen 16.

Ved det foreliggende system har de fire pulser i hver sekvens hovedsakelig samme amplitude og forholdsvis korte stige- og synketider. Ved alternative systemer kan forskjellige kombinasjoner av de samme elementer benyttes, forutsatt at tidsintegralene blir styrt for å skaffe den tilsvarende vandring av driftspunktet langs B-H-karakteristikken.

Som vist på fig. 2 er det viste eksempel på B-H-karakteristikken hovedsakelig symmetrisk om B- og H-aksene med det resultat at de første og tredje pulser i fluksverdi-kommandosignalet har samme varigheter, hvilket også er til-fellet med den andre og fjerde puls, idet alle pulser har samme størrelse. Denne konfigurasjon skaffer en driftspunktbane langs B-H-karakteristikken som går gjennom punktene A, B, C

og D. Ved alternative utførelsesformer kan pulsene styres både med henblikk på amplitude og varighet for å skaffe andre ønskede driftspunktbaner.

Oppfinnelsen kan bringes til utførelse på andre spesielle former uten å avvike fra oppfinnelsens idé eller spesielle trekk. De foreliggende utførelsesformer skal derfor i alle henseender være å betrakte som illustrative og ikke restriktive, idet om-fanget av oppfinnelsen er angitt ved de vedføyde krav heller enn ved den foregående beskrivelse, og alle endringer som kan utføres innen kravenes omfang, er derfor ment å være omfattet av disse.

Claims (3)

1. Solenoid-momentfrembringersystem som omfatter en momentfrembringerspole (16) og tilhørende kjerne (12), idet kjernen (12) har en B-H-hysteresekarakteristikk som innbefatter en første ekstremverdi +4>M-] ' en annen ekstrem-verdi ~4>M2' en fØrste restverdi og en annen restverdi +A2 1 hvor §^ , ' ^ 1 °^ A2 er større enn 0, A2 er mindre enn 4>M^ og A ^ er mindre enn (J>M2, organer som innbefatter en strømavfølerkrets (24, 24a) til å fremskaffe et spolestrømsignal som representerer strømmen i spolen (16), organer som innbefatter en første differensialforsterker (22) til å fremskaffe et spoledriftsignal som er proporsjonalt med forskjellen mellom et tilført spolestrømkommando-signal og spolestrømsignalet, samt organer til å tilføre spoledriftsignalet til spolen, karakterisert ved: en generatorinnretning (30) som innbefatter en avfølings-spole (18) til å fremskaffe et fluksverdisignal som representerer fluksendringsgraden i spolen og en annen differensialforsterker (34) til å fremskaffe et spolestrømkommandosignal, idet spolestrømkommandosignalet er proporsjonalt med forskjellen mellom fluksverdisignalet og et fluksverdikommandosignal tilført fra en fluksverdikommandogenerator (40).

2. System som angitt i krav 1, karakterisert ved at fluksverdikommandogeneratoren (40) til å fremskaffe fluksverdikommandosignalet omfatter en pulsgenerator (44), en spenningsreferanse (48), en inverteringsforsterker (50) og et par brytere (52,54) til å fremskaffe en flerhet av sekvenser av fire pulser med hovedsakelig konstant amplitude.og korte stige- og synketider, idet hver sekvens innbefatter: en første puls (n^' T) med et tidsintergral som er proporsjonalt med summen §^ + A^, en annen puls (n2<*> T) med et tidsintegral som er proporsjonalt med forskjellen <j>M^ - A2, idet polariteten av den annen puls er motsatt polariteten for den første puls, en tredje puls (n^' T) med et tidsintegral proporsjonalt med summen <f>M2 +A2, idet polariteten av den tredje puls er motsatt polariteten av den første puls, og en fjerde puls (n^" T) med et tidsintegral proporsjonalt med forskjellen $M2 ""A^ idet polariteten av den fjerde puls (n^" T) er den samme som polariteten for den første puls (fig. 3a).

3. System som angitt i krav 2, karakterisert ved at fluksverdikommandogeneratoren (40) omfatter et pulsorgan bestående av brytere (52,54) som reagerer på et klokkesignal med en periode T, idet pulsorganet innbefatter organer til å fremskaffe de første, andre, tredje og fjerde pulser, idet varigheten av pulsene er henholdsvis n^T, n^T, n^T og n^T, idet n^, n2, n^ og n^ er hele tall, samt at pulsorganet fremskaffer mellompulsperioder (WA,WB) som er hele multiplum av perioden T, og som styres av et tilført dreiemomentsignal.