SE455884B - Sett och apparat for att synkronisera tva gyroskop - Google Patents

Description

455 \.h 10 15 20 25 30 35 884 - 2 önskad vinkel mellan motorspänningen och en referenssignal som härrör från svänghjulet uppnås. Dessa tekniker är komplicerade att utföra och är ofta Ofïllföfliflïza, eftefSf-*ffi de befflf av motordynamik, dvs. acceleration eller retardation av svänghjulet, för att uppnå resultaten, och är utsatta för variation från instrument till instrument.

Vid konstruktion av plattformar för användning i tröghetsnavigations- paket är det vanligt att använda ett antal gyroskop på en enda plattform. Vid sådan användning kan gyroskopen antingen vara fastspända, dvs. användas utan kardanupphängning, eller också kan de vara monterade i kardanramar uppburna på plattformen. Montering av ett antal gyroskop på samma plattform kopplar ihop gyroskopen mekaniskt, och mekanisk överhörning äger rum mellan dem på grund av växelverkan mellan de synkrona vektorer som uppstår i varje gyroskop.

Ytterligare oönskat avdriftsuppträdande induceras på så sätt.

Föreliggande uppfinning avser nya sätt och kretsar för att faslåsa ett gyroskop vid start, som även kan användas för synkronisering av två eller flera gyroskop. Vid faslåsning av ett gyroskop förs instrumentet först upp i hastighet, och instrumentets prestanda optimeras sedan genom att man momentant roterar motorns statorfält för att standardisera fasvinkeln mellan svänghjulet och motorspänningen. På detta sätt görs acceleration eller retardation av svänghjulet för att åstadkomma elektrisk synkronism onödig. ' Mekanisk synkronisering av t.ex. två gyroskop uppnås under igångsätt- ningsperioden genom att man bringar ett gyroskop till en något högre hastighet än det andra. Eftersom gyroskopen snurrar med något skilda hastigheter, släpar positionerna för svänghjulsindikatorsignalerna, som genereras av konventionella gyroskopgivare, relativt varandra och sammanfaller ibland. Vid koincidens görs drivspänningens frekvens för båda gyroskopen identisk med hastigheten för det långsammare gyroskopet, och 'mekanisk synkronism åstadkommes genom att man låter det snabbare hjulet driva nedåt i hastighet för att matcha det långsammare.

Genom att därefter momentant ändra läget för de roterande drivfälten, under det att gyroskopsvänghjulens egenimpuls håller gyroskopets hastigheter väsent- ligen konstanta, så synkroniseras den elektriska drivningen med gyroskophjulposi- tionerna. Inriktningen av vibrationsvektorerna är således fullständig. _ l en utföringsform av uppfinningen, som kan tillämpas på två eller flera gyroskop, härrör de växelströmsspänningar som bildar de roterande elektriska fälten hos synkronmotorerna från en högfrekvent klockpulsoscillator, vars utsignal neddelas till hjulfrekvenserna med hjälp av digitala delare. Positionerna för de elektriska fälten upprättas således i standardkretschips som en serie digitala nivåer. Mekanisk synkronisering åstadkommes genom omkoppling av båda l0 15 20 25 30 35 . 455 884 3 drivningarna till en drivfrekvens. Eftersom svänghjulsläget i sig är bestämt av orienteringen av själva hjulet, kräver en förändring av det relativa läget av de elektriska fälten endast en tröghetsfri förändring av signalerna i den digitala logiken. Orienteringsändringar på t.ex. upp till l80° kan lätt åstadkom- mas inom perioden för en klockpuls. Ett repeterbart, definierat fassamband upprättas sedan genom att man återställer (nollställer) nedräkningskretsen, när svänghjulsreferenssignalen återkommer, och omedelbart återstartar drivsignalge- neratorn.

Uppfinningen belyses nedan närmare med hänvisning till de bifogade ritningarna, där Fig. l är ett blockschema för en krets för synkronisering av två synkrona gyroskopmotorer i enlighet med uppfinningen, Fig. 2 är ett blockschema som visar tvâ hjulhastighetsdetektorer och de utsignalsvâgformer som är förbundna med dessa, Fig. 3 är ett blockschema för den kontrollogik som används i kretsen i Fig. i, Fig. 4 är ett blockschema för den återställningsgenerator som används i kretsen i Fig. l, och Fig. 5 är ett blockschema för en krets för faslåsning av ett enkelt gyroskop.

En krets som illustrerar principerna för uppfinningen och som kan användas för synkronisering av hastigheten och de mekaniska positionerna för rotorerna hos ett flertal gyroskop illustreras i Fig. l till 4. l dessa figurer är uppfinningen tillämpad på synkronisering av två gyroskop. Blockschemat i Fig. l visar två motordrivna gyroskop MP1 och MP2, som drivs av roterande spänningar från gyroskophjulmatningar 4 resp. 6. Gyroskopen MP1 och MP2 roteras exempelvis vid hastigheter på 203,45 varv per sekund resp. 204,25 varv per sekund av spänningar erhållna genom delning från utsignalen från klockpulsgene- ratorn 8. I denna belysande utföringsform av uppfinningen arbetar generatorn 8 vid en frekvens på 5MHz. Den pulsade utsignalen från generatorn 8 förs till räknare 10 och l2, där den separat neddelas med något skilda kvoter.

Utsignalerna från räknarna tillförs till fasdelare 14 resp. 16. li-Fasutsignalerna från fasdelarna I4 och 16 tillförs till gyroskophjulmatningarna 4 resp. 6 vid frekvaenser som representerar delning av oscillatorgrundfrekvensen SMF-Iz med 24 576 resp. 24 480. ingàngsfrekvenserna till fasdelarna 14 och 16 är resultatet av delning med 6144 resp. 6120 i räknarna l0 och 12. Vid räknaren 10 kan delningen åstadkommas genom en kombination av dela-med-4-, dela-med-lóq dela-med-ló- och dela-med-6-räknare, vilket kan inses av fackmannen på området. Vad gäller insignalen till fasdelaren 16 kan delningen med 6120 455 884 - 10 15 20 25 30 35 4 åstadkommas genom att man i följd delar med 4, med 255 och med 6. (Samma dela-med-ll-räknare kan tjänstgöra för det första stegeti båda delningskedjorna.) Konstruktionerna för klockpulsgeneratorn 8, de olika räknare som används i räknarna 10 och 12, fasdelarna, gyroskophjulmatningarna och motorerna som driver gyroskopen är samtliga av välkänt slag på området. Det bör noteras att, av skäl som kommer att förklaras senare, de räknare som bildar räknaren 10 liksom de dubbla JK-master-slave-vipporna 14 och 16, som bildar 4-fasutsignalen för drivning av gyroskophjulmatningen 4, har återställníngsförmåga.

Vart och ett av gyroskopinstrumenten är försett med en givare, vars konstruktion är välkänd på området. Varje givare bildar en amplitudmodulerad utspänning, som till sin fas är proportionell mot svänghjulets position med avseende på höljet, och som har samma frekvens som svänghjulets hastighet relativt höljet. Dessa signaler överförs från gyrona MPl och MP2 på kopplings- ledningar 18 resp. 20 till hjulhastighetsdetektorer 22 och 24.

Som visas i Fig. 2 förstärks och formas de signaler som tillförs på ledningarna 18 och 20 till hjulhastighetsdetektorerna 22 och 24 i förstärkare 26 och 28 på välkänt sätt inom tekniken för att förbättra signalbrusegenskaperna.

De tillförs sedan, via komparatorer 30 och 32, till monostabila vippor 34 och 36, där pulståg Wi resp. W2 genereras med intervall på 0,0049l52 resp. 0,0048960 sekunder, motsvarande hastigheterna 203,45 och 204,25 varv per sekund. Man inser att hastigheten för' gyroskopet MP2 är något snabbare än den för gyroskopet MP1. Utsignalpulstågen Wl och WZ från hjulhastíghetsdetektorerna tillförs till en kontrollogik 38 (Fig. l) på kopplingsledningar 40 resp. 42.

Detaljer i kontrollogiken 38 visas i Fig. 3. Där tillförs hjulhastighets- signalerna Wi och WZ på ledningar 40 och 42 till två ingångar hos en tre-ingångs NAND-grind 44. Utsignalen från NAND-grinden 44 är via en ledning 46 kopplad till “klock“-ingången hos en vippa 48 av D-typ. "Q"-utgången hos vippan 48 av D- typ är kopplad till en ingång hos en NAND-grind 50, och "Ößutgången är kopplad till en ingång hos en NAND-grind 52. Utgångarna hos NANO-grindarna 50 och 52 är vardera kopplade till en ingång hos en NAND-grind 54. Den andra ingången hos NAND-grinden 50 är via en ledning 56 kopplad till utgången hos räknaren l0. Den andra ingången hos NAND-grinden 52 är via en ledning 58 kopplad till utgången hos räknaren 12. Utsignalen från grinden 54 matas på kopplingsledningen 60 till fasdenlaren l6 (Fig. l). Signalen på Ö-utgången hos D-typvippan 48 förs även tillbaka till den tredje ingången hos tre-ingångs NANO-grinden 44. "Nollställ"- anslutningen hos vippan 48 tillförs en signal Dl på en ingångsledning 62.

Funktionen av signalen Dl kommer att klargöras i funktionsbeskrivningen nedan.

En andra utsignal D2 från kontrollogikblocket 38 erhålls från Q-utgången hos 10 15 20 25 30 35 4 5 5 8 8 4 . 5 v vippan 48 och överförs till âterställningsgeneratorn 65 (Fig. l) pâ en ledning 64.

Funktionen hos kontrollogiken 38 är att bestämma när hjulhastighets- insignalerna Wi och WZ har pulser som sammanfaller i tiden. Vilken av utsigna- lerna från de två nedräkningskedjorna som används för att driva gyroskopmotorn MP2 bestäms när vippan 48 (Fig. 3) aktiveras med en signal Dl på ledningen 62.

Uppträdandet av koincidens i insignalerna Wl och W2 till grinden 44 resulterar då i omkoppling av den drivfrekvens som tillförs till fasdelaren 16 från. utgången hos räknaren 12 till utgången hos räknaren 10. Återställningsgeneratorn 65, som visas i detalj i Fig. 4, svarar på den D2-signal som genereras av kontrollogiken 38, när överkoppling beordrats, för att generera en âterställningssignal för applicering på räknaren 10 och fasdelarna I4 och l6 (Fig. l). lnsignalen D2 på ledningen 64 tillförs till en ingång hos en tre- ingångs NAND-grind 66 liksom till "nollstälW-ansiutningen hos en D-typvippa 68.

Utsignalen Wl från hjulhastighetsdetektorn 22 tillförs på en ledning 40 till en annan ingång hos NANO-grinden 66. Utsignalen från NAND-grinden 66 kopplas till "klockflingången hos D-typvippan 68 och överförs även, på enutsignalledning 70, som "äterställnings"-signal som skall tillföras till äterställningsanslutningarna hos räknaren 10 och fasdelarna 14 och 16. Q-utgängen hos vippan 68 är kopplad till den tredje ingången hos NAND-grinden 66. Funktionen hos àterställningsgene- ratorn 65 är att, när gyroskopsvänghjulen väl bringats till mekanisk synkronise- ring, upprätta ett upprepbart, men inte godtyckligt, fassamband mellan driv- ningen och de båda svänghjulen.

Funktionen hos kretsen enligt Fig. l till 4 är som följer. Vid start magnetiseras var och en av gyroskopmotorerna MPl och MP2 separat av en spänning erhållen genom delning av utsignalen från klockpulsgeneratorn 8 i de separata räknarna 10 och 12. 5Ml-lz-pulsutsignalen från klockgeneratorn 8 delas i räknaren 10 med 6144 och i räknaren 12 med 6l20. Signalen från räknaren 10 tillförs direkt till fasdelaren 14, där den, sedan den i själva verket åter delats med a :ni en frekvens pa ca 203,45 Hz, via gyroskophiulmatningen 4. förs till gyroskopmotorn MP1. På liknande sätt driver fasdelaren 16 hjulet MP2 vid 204,25 Hz. Vid start, med kontrollsignalen Dl vid ett tillstånd logisk nolla och med insignalerna Wl och W2 till grinden 44 ej sammanfallande, är utsignalen från grinden 44 en logisk l, Q-utsignalen från vippan 48 är en nolla och Qïutsignalen är en= l. Eftersom Ö-utsignalen är en l, aktiveras NANO-grinden 52 och svarar på pulser från räknaren 12 under utsändning av pulser till NAND-grinden 54.

Eftersom samtidigt Q-utsignalen från vippan 48 är noll, så aktiveras inte NAND- grinden 50 och dess utsignal är en l. Därför utsänder NAND-grinden 54 en logisk nolla varje gång en puls mottas från räknaren 12. Pâ samma sätt tillförs, när Q- utsignalen frân vippan 48 är en l, insignalerna från räknaren 10 på ledningen 56 455 884 10 15 20 25 30 35 6 . via NAND-kretsen till ledningen 60. NANO-grindarna 50, 52 och 54 kopplar därför om tillförseln av pulser som matas från räknarna 10 och 12 till fasdelaren 16. Vippan #8 ändrar tillstånd, när insignalen på ledningen #6 återgår till logisk 1 och signalen på Q går till logisk l, medan Q-signalen går till logisk nolla. Återkopplingen av Q-nollsignalen på ledningen 38 till NANO-grinden 41+ håller då utsignalen från NAND-grinden lll: vid logisk 1, oberoende av alla eventuella ytterligare koincidenser mellan Wl- och WZ-i-nsignalerna på de andra ingångarna hos grinden 44, och pulserna från räknaren 10 kopplas igenom till drivningen av gyroskopet MP2.

Syftet med signalen Dl är att möjliggöra överföring av pulsdrivningen för gyroskopet MP2 från räknaren l2 till räknaren 10, sedan tillräcklig tid förflutit för att tillåta varje gyroskop att uppnå ett stationärt tillstànd innan faslåsningssekvensen initieras. Signalen kan genereras för hand, t.ex. genom att man helt enkelt anbringar en positiv spänning på kopplingsledningen 62, när motorerna har kommit upp i hastighet, eller också kan Dl-signalen genereras av en monostabil vippa (ej visad), som aktiveras efter t.ex. 30 sekunder av en fördröjningstidkrets, som sätts i funktion genom att man lägger på spänning på kretsarna i Fig. 1. I varje fall kopplas drivningen till gyroskopmotorn MP2 om, när Dl-signalen uppträder på ledningen 62 (Fig. 3) och koincidens i motor- hastigheterna detekteras, så att båda motorerna drivs vid den frekvens som tillförs genom räknaren 10. Gyroskopmotorn MP2, som arbetat vid en något snabbare hastighet än gyroskopets MP1, driver då nedåt till exakt hastigheten hos gyroskopmotorn MP1, varigenom svänghjulsfaslåsning upprättas. Vid en experi- mentell utföringsform skedde detta på mindre. än 6 cykler (varv), eller ca en fjärdedel av den tid som krävs med den tidigare kända metoden med påtvingad hjulhastighetsförändring.

Sedan mekanisk synkronisering av gyroskopsvänghjulen upprättats syn- kroniseras motormagnetiseringen elektriskt med hjälp av återställningsgenera- torn 65 i Fig. ll. Detta åstadkommes genom närvaro av en logisk signal på Q- utgången hos vippan #8, som utsänds på ledningen 64, vilket aktiverar vippan 68 och placerar en logisk l på en ingångsanslutning hos grinden 66. Eftersom Q- anslutningen hos vippan 68 är vid logisk l, får nästa Wl-puls till grinden 66 på ledningen 44 utgången hos grinden 66 att gå från logisk 1 till logisk 0. När ledniiïgen 70 går till denna nivå, återställs hela gyroskophjulsnedräkningskedjan, och motorspänningen som tillförs gyroskophjulmatningarna 4 och 6 synkroniseras med utsignalerna Wi och W2 från hjulhastighetsdetektorerna 22 och 21k Samtidigt går Q-utgången hos vippan 68 till logisk 0, och utgången hos NAND- (Bo lO 15 20 25 30 35 455 884 7 grinden 66 återgår till logisk 1. Utgången hos grinden 66 förblir sedan vid logisk l oberoende av alla eventuella ytterligare Wl-pulser. Motormagnetiseringen av de båda gyroskopmotorerna synkroniseras på så sätt mekaniskt och elektriskt.

Ett sätt enligt uppfinningen innefattar därför stegen att starta tvâ synkrona gyroskopmotorer genom att först tillföra dem drivspänningar vid tvâ något skilda frekvenser. När motorerna arbetar synkront med de pålagda spänningarna, skiftas drivningen till motorn som arbetar vid högre hastighet till källan med den lägre frekvensen, och hastigheten för den motorn retarderas till mekanisk synkronism med den långsammare motorn. Motorerna synkroniseras momentant elektriskt genom återställning av fasen för drivfrekvensen, som nu är gemensam för bägge motorerna, så att den har ett förutbestämt samband med läget för motorernas rotorer, som fastställts av någon av givarna.

Kretsen i blockschemat i Fig. 5 illustrerar tillämpning av uppfinnings- tankarna på faslâsning av ett enkelt gyroskophjul vid start. En oscillator 80 driver gyroskopmotorn MP1 via en räknare 82, fasdelare 84 och gyrohjulmatning 86 på samma sätt som skedde i Fig. 1-14. Gyroskopets hastighet utläses av en hjulhastighetsdetektor 88 och tillförs till en återställningsgenerator 90. Åter- ställningsgeneratorn 90 upprättar, när den aktiveras, ett upprepbart fassamband mellan gyroskopets drivning och svänghjul. Uppbyggnaden av samtliga komponen- ter i denna utföringsform enligt uppfinningen kan vara densamma som för motsvarande element i drivkedjan för motorn MP1 i utföringsformen enligt Fig. 1-4. Skillnaden är att drivkedjan och hjulhastighetsdetektorn för det andra gyroskopet är utelämnade tillsammans med kontrollogiken, och att den diskreta körsignalen Dl läggs direkt på áterställningsgeneratorn istället för D2-signalen från kontrollogiken.

Kretsen fungerar på följande sätt. Först förs gyroskopdrivmotorn upp till synkron hastighet vid den frekvens som upprättats genom delning av utsignalen från oscillatorn 80 i räknaren 82 och fasdelaren 84. När gyroskopet befinner sig vid den önskade hastigheten, läggs en diskret körsignal på àterställningsgeneratorn 90, och när nästa puls av insignal Wi mottas, utsänder âterställningsgeneratorn en återställníngssignal till räknaren 82 och fasdelaren 84. Som beskrivits ovan i samband med Fig. 1-4 förblir utsignalen från återställningssignalgeneratorn vid den just etablerade nivån, oberoende av alla eventauella ytterligare Wl-pulser. '- Det är uppenbart för fackmannen på. området att den ovan angivna metoden att upprätta ett identiskt fassamband mellan drivspänningen och den roterande gyroskopmotorns momentanläge varje gång gyroskopet startas lätt kan avpassas att ge en speciell fasvinkel. Således kan en förutbestämd skillnad i 455 884 lO 8 fasvinkel upprättas genom att man återställer räknaren i drivkedjan till något annat räknevärde än noll.

Uppfinningen har i sina olika aspekter illustrerats genom att man visat dess tillämpning på start av ett eller tvâ synkrona gyroskop. Det är uppenbart för fackmannen på området, att principerna för uppfinningen även kan tillämpas på _ start och synkronisering av fler än tvâ instrument, t.ex. genom synkronisering av en tredje enhet med tvâ som redan synkroniserats. Det är även uppenbart, att andra varianter än den som visats i den belysande utföringsformen kan användas för att realisera uppfinningen. De efterföljande patentkraven skall därför uppfattas som att de håller sig till uppfinningens grundtanke, snarare än att vara begränsade till specifika detaljer som beskrivits häri. v)

Claims (9)

10 15 20 25 30 35 . 455 884 9 PATENTKRAV

1. Sätt att synkronisera tvâ gyroskop (MP1, MP2), av vilka det ena drivs av en första synkronmotor från en växelspänningskälla (8, 4) vid en första frekvens och av vilka det andra drivs av en andra synkronmotor från en växelspännings- källa (8, -6) vid en andra frekvens, som är högre än den första, varvid varje gyroskop har en givare (22, 21)) som genererar en signal som relaterar gyroskop- hjulets läge till gyroskophållaren, kännetecknat avstegenatt: föra upp den första motorn i hastighet genom att driva den vid den första frekvensen och föra upp den andra motorn i hastighet genom att driva den vid den andra frekvensen, jämföra de relativa lägena för gyroskophjulen genom att jämföra de signaler som genereras av varje givare (22, 24), och när givarsignalerna sammanfaller koppla om drivningen för det gyroskop som arbetar vid den andra frekvensen fràn källan med den högre frekvensen till källan som ger den första frekvensen.

2. Sätt enligt patentkravet l, k ä n n e t o c k n a t av att de synkrona hastigheterna hos gyroskopmotorerna som upprättats av de första och andra frekvenserna skiljer sig nâgra bråkdelar av ett varv per sekund.

3. Sätt enligt patentkravet 1 eller 2, varvid organ (65) är anordnade för äterställning av fasen för spänningen som genereras vid den första frekvensen, k ä n n e t e c k n a t av att det vidare innefattar steget att man, när båda motorerna drivs av växelspänningskällan med den lägre frekvensen, återställer fasen för växelspänningen för att upprätta ett förutbestämt spänningssamband med avseende på signaler från gyroskopgivarna. ll.

4. Apparat för att synkronisera två gyroskop (MP1, MP2), SOm var! OCh ett har ett svänghjul drivet av en synkron hysteresdrivmotor och som vart och ett uppbärs i en gyroskophållare, k ä n._n e t e c k n a d av att den innefattar: en kraftkälla (ll, 6) för drivning av motorn hos varje gyroskop som synkroniseras, organ för att tillföra en spänning vid en skild frekvens till varje kraftkälla, en givare (22, 24) associerad med varje gyroskop för att generera en referens- signal relaterad till rörelsen av en förutbestämd punkt på gyroskophjulet förbi en referenspunkt på gyroskophâllaren, organ (lm, #8) för att bestämma när referenssignalerna från båda gyroskopgivarna - 455 884 I 10 15 20 10 sammanfaller och för att generera en överföríngssignal, och organ (50, 52) som reagerar pâ överföringssignalen för att koppla om insignalen till båda kraftkällorna till en frekvens.

5. - Apparat enligt patentkrayet 4, k ä n n e t e c k n a d av att den vidare innefattar organ (65) för âterställning av fasen hos den spänning som tillförs till båda motorerna relativt en gyroskop- referenssignal.

6. Apparat enligt patentkravet lf eller 5, k ä n n e t e c k n a d av att varje organ för att tillföra en spänning till ett gyroskop vid en skild frekvens innefattar en räknare (10, l2) driven av en enfrekvensgenerator (8).

7. Apparat enligt något av patentkraven 4, 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a d av att referenssignalen som genereras av varje givare (22, 24) är ett pulståg.

8. Apparat enligt något av patentkraven 4-7, k ä n n e t e c k n a d av att organen för att bestämma när referenssignalerna sammanfaller innefattar en koincidensdëtektor (#4, 48).

9. Apparat enligt något av patentkraven 6-8, k ä n n e t e c k n a d av att organen som reagerar pâ överföringssignalen innefattar en grindkrets (50, 52) med en utgång kopplad till den motor som synkroniseras och ingångar kopplade till utgången hos varje räknare (10, 12), varvid grindkretsen är anordnad att först släppa igenom utsignalen från den ena räknaren och vid mottagning av överföringssignalen släppa igenom utsignalen från den andra räknaren. -i