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Dokumentenidentifikation DE2901503C2 07.07.1988
Titel Schaltung zur Kreiselläufernachführung
Anmelder The Singer Co., Stamford, Conn., US
Erfinder DeCarlo, Frank Steven, Wykoff, N.J., US;
Rosen, Frank Leon, Parsippany, N.J., US;
Goetz, Walter Jaques, Wayne, N.J., US
Vertreter Oedekoven, W., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 16.01.1979
DE-Aktenzeichen 2901503
Offenlegungstag 19.07.1979
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.07.1988
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.07.1988
IPC-Hauptklasse G01C 19/48

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur Läufernachführung mittels dauermodulierten Stromimpulsen bei einem trockenen, abgeglichenen Kreisel mit drei Freiheitsgraden, dessen beiden Eingangsachsen je ein Abgriff zur Feststellung der Läuferposition und Abgabe eines proportionalen elektrischen Fehlersignals sowie je ein Drehmomenterzeuger zur Läuferverstellung zugeordnet sind.

Ein derartiger Kreisel ist bekannt (US-PS 33 54 726). Bei diesem Kreisel ist der Läufer mittels eines besonderen Biegegelenks abgestützt. Auch bei diesem trockenen, abgeglichenen Kreisel mit drei Freiheitsgraden war es bisher erforderlich, die beiden jeweils seiner einen bzw. seiner anderen Eingangsachse zugeordneten, deren Abgriff zum entsprechenden Drehmomenterzeuger rückkoppelnden und das der einen bzw. der anderen Eingangsachse zugeordnete Ausgangssignal liefernden Fangschleifen mit je einem Analog/ Digital-Umsetzer zu versehen, was die Kosten erhöht.

Bekannt ist ferner ein Kreisel mit drei Freiheitsgraden, dessen kugelig ausgebildeter Läufer mittels eines Strömungsmittels schwimmend gelagert ist, um sich bezüglich der beiden Eingangsachsen neigen zu können, was gemessen wird, um mit den entsprechenden Ausgangssignalen äußere Steuereinrichtungen zu betätigen (US-PS 39 18 310). Jeder Eingangsachse des Kreisels sind zwei einander diametral gegenüberliegende Paare von Kondensatoren mit je einer stationären Kondensatorplatte zugeordnet, während die andere Kondensatorplatte vom Läufer selbst gebildet wird, der über einen weiteren Kondensator von einem Oszillator mit einer Wechselspannung beaufschlagt wird. Die beiden Kondensatoren jedes Paares sind so angeordnet, daß sich ihre jeweilige Kapazität bei einem Neigen des Läufers um die zugehörige Eingangsachse entsprechend erhöht bzw. vermindert, und diejenigen beiden Kondensatoren des einen bzw. des anderen der beiden der einen bzw. der anderen Eingangsachse zugeordneten Kondensatorpaare, welche bei einer Läuferneigung eine gleichsinnige Kapazitätsänderung erfahren, sind an einen gemeinsamen Summierverstärker angeschlossen. Die beiden Summierverstärker für die eine bzw. die andere Eingangsachse sind ihrerseits an einen Differenzverstärker angeschlossen, welcher ein der jeweiligen Neigung des Läufers bzw. seiner Laufachse um die Eingangsachse entsprechendes Wechselspannungsausgangssignal liefert. Dieses wird in einem nachgeschalteten und ebenfalls an den Oszillator angeschlossenen Demodulator in ein entsprechendes Gleichspannungssignal umgewandelt, womit ein Vergleicher beaufschlagt wird, der ferner an einen Sägezahnspannungsgenerator angeschlossen ist, um ein pulsdauermoduliertes Ausgangssignal zu liefern, dessen Frequenz derjenigen der Sägezahnspannung entspricht und bei dem die jeweilige lmpulsdauer der jeweiligen Amplitude des Demodulator-Ausgangssignals entspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, um insbesondere die erwähnten Analog/Digital- Umsetzer überflüssig zu machen.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung sind in den restlichen Patentansprüchen angegeben.

Mittels der erfindungsgemäßen Schaltung wird der zugehörige trockene, abgeglichene Kreisel mit Drehmomenterzeugerströmen konstanter Stärke, jedoch wechselnder Polarität beaufschlagt, welche eine bestimmte Pulsfrequenz aufweisen und in bestimmter Weise pulsdauermoduliert sind, wobei die beiden jeweils der einen bzw. der anderen Eingangsachse des Kreisels mit drei Freiheitsgraden zugeordneten und vom betreffenden Kreiselabgriff gelieferten Fehlersignale zwischen den beiden Eingangsachsen ausgetauscht sowie elektronisch gedämpft werden und jedes Fehlersignal mit dem der jeweils anderen Eingangsachse zugeordneten Fehlersignal sowie einem Sägezahnsignal kombiniert wird. Jedem der beiden Kreiselabgriffe ist vorzugsweise ein Wechselspannungsverstärker zur Verstärkung des jeweiligen Wechselspannungsfehlersignals als Vorverstärker, ein Demodulator zur Umwandlung des verstärkten Wechselspannungsfehlersignals in ein entsprechendes Gleichspannungsfehlersignal und ein Filter für letzteres nachgeschaltet. Dessen Ausgangssignal geht einem Hauptkanal-Formernetzwerk sowie einem Querkanal-Dämpfungsnetzwerk zu, denen jeweils ein Summiernetzwerk nachgeschaltet ist, in welchem die erwähnte Fehlersignal- und Sägezahnsignalkombination erfolgt und dem eine logische Schaltung zur zeitlichen Signalsteuerung nachgeschaltet ist, welche das Umschalten des einen bzw. des anderen Drehmomenterzeugerstroms zwischen den beiden Polaritäten bewirkt, womit der der jeweils anderen Eingangsachse des Kreisels zugeordnete Kreiseldrehmomenterzeuger beaufschlagt wird. Vorzugsweise steuert die logische Schaltung eine nachgeschaltete, mit dem betreffenden Drehmomenterzeuger verbundene Stromquelle an.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung anhand von Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild;

Fig. 2 ein Schaubild zur Veranschaulichung des zeitlichen Zusammenhangs zwischen verschiedenen Signalen, welche in der Schaltung gemäß Fig. 1 auftreten;

Fig. 3A ein detaillierteres Blockschaltbild der oberen logischen Schaltung sowie der oberen Stromquelle der Schaltung gemäß Fig. 1; und

Fig. 3B eine graphische Darstellung verschiedener Signale zur weiteren Verdeutlichung der Funktionsweise des Schaltungsteils gemäß Fig. 3A.

Jede Geschwindigkeitskomponente entlang der X- bzw. der Y-Eingangsachse eines trockenen, abgeglichenen Kreisels 10 mit drei Freiheitsgraden bewirkt ein Kreiselmoment um diese Meßachsen, welches eine Präzession des Kreiselläufers hervorruft. Kreiselabgriffe 14, 13 stellen jeweils die Position des Kreiselläufers bezüglich der X- bzw. der Y-Eingangsachse fest und liefern jeweils ein proportionales elektrisches Fehlersignal an einen Wechselspannungsverstärker 16 bzw. 17, von dem das jeweilige verstärkte Fehlersignal über einen Demodulator 18 bzw. 19 und ein Kerbfilter 20 bzw. 21 in ein Querkanal-Dämpfungsnetzwerk 24 bzw. 25 und ein Hauptkanal-Formernetzwerk 22 bzw. 23 gelangt, dessen Ausgangssignal in einem Summiernetzwerk 28 bzw. 27 mit dem Ausgangssignal des Querkanal-Dämpfungsnetzwerks 25 bzw. 24 sowie einem Sägezahnsignal bzw. einer Sägezahnspannung 26 summiert wird, um ein pulsdauermoduliertes Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Grundfrequenz der Frequenz der Sägezahnspannung 26 entspricht.

Die Hauptkanal-Formernetzwerke 22, 23 dienen der Schleifenstabilisierung und der Bandbreiteneinstellung. Die Querkanal-Dämpfungsnetzwerke 24, 25 sollen eine elektronische Dämpfung vermitteln. Die Kerbfilter 20, 21 sind erforderlich, um jegliches durch Kreiselläuferbewegung induzierte Abgriffsignal auf ein Mindestmaß zu reduzieren.

Die Ausgangssignale der Summiernetzwerke 28, 27 werden logischen Schaltungen 30, 29 zugeführt, welche das Umschalten von positivem zu negativem Drehmomenterzeugerstrom steuern, und zwar jeweils synchron mit einem hochfrequenten Taktsignal, so daß jedem Abschnitt des betreffenden pulsdauermodulierten Ausgangssignals eine ganzzahlige Anzahl von Taktimpulsen und also bei einem 50%-Tastverhältnis jedem positiven Abschnitt des Ausgangssignals dieselbe Anzahl von Taktimpulsen zugeordnet ist, wie jedem seiner negativen Abschnitte.

Fig. 2 veranschaulicht das zeitliche Verhältnis zwischen jedem pulsdauermodulierten Summiernetzwerk-Ausgangssignal und dem dessen Quantisierung bewirkenden Taktsignal. Die Sägezahnspannung 26 weist einen Durchschnittswert gleich Null und eine vorgegebene Frequenz auf. Sie ist anfänglich negativ und wird auf halbem Wege der Impulsperiodendauer positiv. Wie erwähnt, wird die Sägezahnspannung 26 mit den kombinierten Ausgangssignalen des einen bzw. des anderen Hauptkanal-Formernetzwerks 22 bzw. 23 und des der jeweils anderen Y- bzw. X-Eingangsachse zugeordneten Querkanal-Dämpfungsnetzwerks 25 bzw. 24, nämlich einer entsprechenden zusammengesetzten Fehlerspannung, im Summiernetzwerk 28 bzw. 27 summiert. Dessen Ausgangssignal wird einem Vergleicherschaltkreis in der logischen Schaltung 30 bzw. 29 zugeführt, welcher von einem einer logischen "0" zu einem einer logischen "1" entsprechenden Niveau umschaltet, wenn das Summiernetzwerk-Ausgangssignal vom Negativen zum Positiven wechselt. Wenn die zusammengesetzte Fehlerspannung gleich Null ist, dann wechselt das Ausgangssignal des Vergleicherschaltkreises den logischen Zustand in der Mitte der Impulsperiode der Sägezahnspannung 26, wo letztere dann die Nullinie kreuzt, so daß das Ausgangssignal ein 50%-Tastverhältnis aufweist. Wenn die zusammengesetzte Fehlerspannung nicht gleich Null ist, dann gibt der Vergleicherschaltkreis ein logisches Signal mit einem "0"/"1"-Tastverhältnis proportional zur Fehlerspannung ab.

Gemäß Fig. 3A wird das Ausgangssignal des Summiernetzwerks 28 bzw. das entsprechende Vergleicherschaltkreis-Ausgangssignal einem Gatter 33 der logischen Schaltung 30 gemäß Fig. 1 zugeführt, welches ferner mit dem Taktsignal beaufschlagt wird, um ein binäres Ausgangssignal mit der Frequenz der Sägezahnspannung 26 hervorzubringen, wobei die Schaltpunkte sehr genau gesteuert sind. Dieses Ausgangssignal wird einer nicht dargestellten Eingangsgeschwindigkeitsdaten-Ausgabeeinrichtung und über ein Flipflop 34 einem Steuerflipflop 36 zugeführt. Dessen Ausgangssignal geht einer Steuerschaltung 39 für zwei Hochgeschwindigkeitstransistorschaler 37, 38 zu. Letztere legen entweder eine positive Gleichspannung +V oder eine negative Gleichspannung -V an eine der logischen Schaltung 30 nachgeschaltete Stromquelle 32, je nach dem Zustand des Steuerflipflops 36, wie in Fig. 3B gezeigt, woraus auch hervorgeht, daß die Sägezahnspannung 26 eine Inversion erfahren kann. Gemäß Fig. 1 ist auch der entsprechenden anderen logischen Schaltung 29 eine solche Stromquelle 31 nachgeschaltet.

Die Stromquellen 31, 32 sind sehr genaue Hochgeschwindigkeitsversorgungseinheiten, welche jeweils unmittelbar in den der X-Eingangsachse zugeordneten Kreiseldrehmomenterzeuger 11 bzw. in den der Y-Eingangsachse zugeordneten Kreiseldrehmomenterzeuger 12 gemäß Fig. 1 treiben, dessen eines Ende auf Erde bezogen ist. Die Stromquellen 31, 32 selbst sind nicht auf Erde bezogen, sondern schwimmen vielmehr jeweils zwischen der zugeschalteten positiven oder negativen Gleichspannungsquelle und dem zugehörigen Kreiseldrehmomenterzeuger 11 bzw. 12. In jeder Stromquelle 31 bzw. 32 fließt ständig Strom, und zwar stets in derselben Richtung, wobei die Richtung des Stromes im nachgeschalteten Drehmomenterzeuger 11 bzw. 12 des Kreisels 10 durch zwei Umschaltdioden CR1, CR2 und die beiden Hochgeschwindigkeitstransistorschalter 37, 38 gesteuert wird. Demzufolge ist die Stärke des Stroms und somit die Energie in jedem Drehmomenterzeuger 11 bzw. 12 des Kreisels 10 konstant, wobei allerdings der Strom ein pulsdauermoduliertes binäres Format mit einer Pulsfrequenz gleich der Frequenz der Sägezahnspannung 26 aufweist.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltung zur Läufernachführung mittels dauermodulierten Stromimpulsen bei einem trockenen, abgeglichenen Kreisel mit drei Freiheitsgraden, dessen beiden Eingangsachsen je ein Abgriff zur Feststellung der Läuferposition und Abgabe eines proportionalen elektrischen Fehlersignals sowie je ein Drehmomenterzeuger zur Läuferverstellung zugeordnet sind, gekennzeichnet durch

    1. a) zwei Hauptkanal-Formernetzwerke (22, 23) zum Formen des einen bzw. des anderen Fehlersignals,
    2. b) zwei Querkanal-Dämpfungsnetzwerke (24, 25) zum Austausch der beiden Fehlersignale zwischen den Eingangsachsen und zur elektronischen Dämpfung der Fehlersignale,
    3. c) zwei Summiernetzwerke (28, 27) zum Kombinieren des Ausgangssignals des einen bzw. des anderen Hauptkanal-Formernetzwerks (22 bzw. 23), des Ausgangssignals des mit dem jeweils anderen Fehlersignal beaufschlagten Querkanal-Dämpfungsnetzwerks (25 bzw. 24) und eines Sägezahnsignals (26) und
    4. d) zwei logische Schaltungen (30, 29) zur wechselweisen Beaufschlagung des der jeweils anderen Eingangsachse zugeordneten Drehmomenterzeugers (12 bzw. 11) mit einem positiven Stromimpuls bestimmter Dauer und einem negativen Stromimpuls bestimmter Dauer entsprechend dem pulsdauermodulierten Ausgangssignal des einen bzw. des anderen Summiernetzwerks (28 bzw. 27) synchron mit einem hochfrequenten Taktsignal, um das eine bzw. das andere Fehlersignal zu vermindern.


  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Hauptkanal-Formernetzwerk (22 bzw. 23) ein Wechselspannungsverstärker (16 bzw. 17) zur Verstärkung des vom einen bzw. anderen Abgriff (14 bzw. 13) gelieferten Wechselspannungsfehlersignals, ein Demodulator (18 bzw. 19) zur Umwandlung des einen bzw. des anderen verstärkten Wechselspannungsfehlersignals in ein entsprechendes Gleichspannungsfehlersignal und ein Filter (20 bzw. 21) für letzteres vorgeschaltet sind, an welches auch das mit dem dem jeweils anderen Hauptkanal-Formernetzwerk (23 bzw. 22) nachgeschalteten Summiernetzwerk (27 bzw. 28) verbundene Querkanal-Dämpfungsnetzwerk (24 bzw. 25) angeschlossen ist.
  3. 3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder logischen Schaltung (30 bzw. 29) eine einen Strom konstanter Stärke liefernde Stromquelle (32 bzw. 31) nachgeschaltet ist, welche zur Abgabe der Stromimpulse an den zugehörigen Drehmomenterzeuger (12 bzw. 11) mittels der logischen Schaltung (30 bzw. 29) ansteuerbar ist.






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