Einrichtung zur servomechanischen Umwandlung eines elektrischen Signals in einen Weg oder eine Winkelstellung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur servo- mechanischen Umwandlung eines elektrischen Signals in einen Weg oder eine Winkelstellung, bestehend aus in einem Regelkreis von hintereinander angeordneten Verstärkern, Motoren und Rückführgebern.
Solche servomechanischen Einrichtungen finden An wendung zur Fernübertragung von Befehlen und Mess- ergebnissen, zur selbsttätigen Durchführung mathemati scher Operationen, zum Speichern elektrisch analoger Signale und sind Bestandteil vieler nach dem Kompen sationsprinzip arbeitender Messeinrichtungen.
In den bisher bekannten servomechanischen Ein richtungen wird das umzuwandelnde Signal nach ent sprechender Verstärkung mit Hilfe eines Motors in eine Weg- oder Winkelstellung überführt, die von einem Po tentiometer oder einem andern Rückführgeber erfasst und in ein das Eingangssignal kompensierendes Rück führsignal umgewandelt wird. Als Motoren werden da für vorwiegend Gleichstrom- oder Induktionsmotoren verwendet. Durch geeignete Auswahl der Motoren und durch vorteilhafte passive und aktive Rückführungs netzwerke wird erreicht, dass die Einstellzeit für das System bei der geforderten Abgleichgenauigkeit mög lichst klein wird.
Bekannt ist auch die Verwendung eines Kleinstsyn- chronmotors für relativ langsame servomechanische Recheneinrichtungen. Bekannt ist schliesslich die Ver wendung von Differentialgetrieben in Regelgetrieben und zur Weg- oder Winkelverstellung mit zwei unter schiedlichen Stellgeschwindigkeiten.
Der Nachteil aller bisher bekannten Einrichtungen ist der relativ hohe technische Aufwand und der Preis für Servomechanismen mit Einstellzeiten unter eine Se kunde für Abgleichunsicherheiten unter etwa 0,5 % und sehr kleine Widerstands- und Trägheitsmomente als Last, wie sie häufig in der Mess-, Regelungs- und Re chentechnik vorkommen. Der hohe Preis ist bedingt durch die benötigten Spezialmotoren mit dem entspre chenden dynamischen Verhalten.
Diese Motoren sind hauptsächlich Gleichstrommotoren mit teuren Edel- metallkollektoren und -bürsten bzw. Wechselstrom-In- duktionsmotoren nach dem Ferraisprinzip, bei denen der hohe Preis durch die notwendige Präzision bei der Fertigung des Glockenläufers bedingt ist. Ausserdem sind diese Motoren auf Grund ihres Prinzips relativ störanfällige Bauelemente gegenüber den rauhen Be triebsbedingungen im industriellen Einsatz.
Zweck der Erfindung ist die Herabsetzung des tech nischen Aufwandes und des Preises bei der Erzielung kurzer Einstellzeiten und kleiner Abgleichunsicherheiten zur Erweiterung des Einsatzbereiches und zur Erhöhung der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit ein fachen, verschleissarmen und zuverlässigen Hilfsmitteln ein elektrisches Signal (Strom, Spannung, Widerstand) bei kleinen Widerstands- und Trägheitsmomenten der zu bewegenden Last schnell und genau in einen Weg oder einen Winkel z. B. in Form einer Potentiometer- stellung zu überführen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass als Stellantriebe für den Rückführgeber mindestens zwei Synchron- oder Schrittmotore mit permanent magnetischem Rotor vorgesehen sind, von denen der erste Synchron- oder Schrittmotor mit vorgeschaltetem Dreipunktverstärker direkt oder über erste untersetzende Mittel und der zweite Synchron- oder Schrittmotor und alle weiteren mit je einem vorgeschalteten Dreipunkt verstärker, deren Ansprechwerte im Verhältnis der Un tersetzungen herabgesetzt sind, mittelbar über zweite abgestuft untersetzende Mittel auf den Eingang des Rückführgebers geschaltet sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist bei der Verwendung von zwei Synchronmotoren der erste Syn chronmotor mit der Achse des Rückführgebers und der zweite Synchronmotor mit dem Gehäuse des Rückführ- gebers gekuppelt.
Bei Servomechanismen nach der Erfindung lässt sich bei Verwendung von n Synchron- oder Schrittmacher motoren, die in der Zeit z m Schritte vornehmen oder einen Weg- oder eine Winkelverschiebung von m - Q x bewirken, in einer Zeit von n - -c ein vollständiger Ab gleich bis auf eine Unsicherheit von 1:mn verwirklichen. Dabei ist z die Zeit, in der der schnellste Motor in m Schritten einen maximalen Stellweg bzw. einen Winkel x zurücklegt. Bei einer Arbeitsfrequenz des Motors der Grösse v ist
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Werden, z.
B. bei einer Arbeits frequenz von 50 Hz, zwei Motoren verwendet, so stellt der erste Motor den maximalen Winkel in m = 20 Schritten und der zweite Motor bei einer Untersetzung von 1:20 in m2 = 400 Schritten, somit beträgt die Stell zeit für den Abgleich bis auf 0,25 11/o nur 0,4s gegen über 4s bei Verwendung nur eines Motors.
Es ist also möglich, mit zwei handelsüblichen Kleinstsynchron- motoren, die bei fast unbegrenzter Lebensdauer kon taktlos, wartungsfrei und weitgehend verschleissfrei arbeiten, ein technisches Ergebnis zu erzielen, das bestenfalls mit Gleichstromspezialmotoren, Ferraris- oder Mittelfrequenzmotoren erzielbar ist. Dabei beträgt der Preis für umsteuerbare Kleinstsynchronmotoren nur einen geringen Bruchteil des Preises von hochwertigen Regelmotoren.
Wie aus dem Rechenbeispiel zu ersehen, ist es möglich, elektromechanische Einrichtungen zur Speicherung elektrisch analoger Signale mit einer Ge schwindigkeit von 1000 bit/s vorzunehmen oder mit gleicher Geschwindigkeit die elementaren Rechenope rationen durchzuführen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 einen Signalflussplan und Fig. 2 das Schema des Zusammenwirkens von zwei Synchronmotoren ohne eigentliches Differentialgetriebe und Rutschkupplungen.
In Fig. 1 ist das umzuwandelnde elektrische Signal Xe eine Gleichspannung und das Ausgangssignal X., als Potentiometerwinkelstellung bezeichnet. Die I-Glieder charakterisieren zwei Kleinstsynchronmotoren 4; 5. Die sen sind je ein Dreipunktverstärker 2; 3 vorgeschaltet.
Ein Bauglied 1 mit Po-Verhalten dient zur definier ten Herabsetzung der Empfindlichkeit des Dreipunkt schaltverstärkers 3 und damit zur Festlegung des ver- grösserten Ansprechwertes für den Kleinstsynchron- motor 5.
Dieser Kleinstsynchronmotor 5 wirkt über ein Untersetzungsgetriebe 7 auf die Achse eines Potentio- meters 8 ein, während der Kleinstsynchronmotor 4 durch ein Untersetzungsgetriebe 6 mit verminderter Stellgeschwindigkeit die Weg- oder Winkelverstellung gewährleistet.
Die Additionsstelle der Drehbewegungen kennzeichnet ein Differentialgetriebe, das dem Potentio- meter-Rückführgeber 8 zur Umwandlung des Ausgangs signals X., in ein das Signal Xe kompensierendes Rück führsignal vorgeschaltet ist.
Fig. 2 zeigt das Zusammenwirken von zwei Kleinst- synchronmotoren 10; 20 ohne eigentliches Differential- getriebe und ohne Rutschkupplungen, wobei der Motor 10 mit dem übersetzungsverhältnis von 1:1 über Stirn räder 40, 50 und 60 auf die Schleiferachse des Potentio- meters 30 wirkt. Der zweite Kleinstsynchronmotor greift mit verminderter Drehgeschwindigkeit über die Stirn räder 90; 80 an einem Zahnkranz 70 des Gehäuses des Potentiometers 30 an.
Der erste Kleinstsynchronmotor 10 kann mit seinem relativ kleinen Drehmoment an der Achse des Stirnrades 60 gegen das im Verhältnis der Untersetzung vergrösserte Drehmoment des Kleinstsyn- chronmotors 20 die Drehung des Gehäuses des Poten- tiometers 30 nicht beeinflussen.
Anderseits kann auch der Kleinstsynchronmotor 20 selbst bei abgeschaltetem Kleinstsynchronmotor 10 den Schleifer des Potentio- meters 30 nicht mitbewegen, weil das Widerstands moment des Potentiometers wesentlich kleiner als das Haltemoment des ausgeschalteten Kleinstsynchron- motors 1 ist. Das Potentiometer 30 wirkt demnach gleichzeitig als Rutschkupplung. Beide Drehbewegun gen arbeiten also ohne gegenseitige Rückwirkungen.
Device for servomechanical conversion of an electrical signal into a path or an angular position The invention relates to a device for servomechanical conversion of an electrical signal into a path or an angular position, consisting of amplifiers, motors and feedback sensors arranged one behind the other in a control loop.
Such servomechanical devices are used for the remote transmission of commands and measurement results, for the automatic execution of mathematical operations, for storing electrical analog signals and are part of many measurement devices that work according to the compensation principle.
In the previously known servomechanical devices, the signal to be converted is converted into a position or angular position after appropriate amplification using a motor, which is detected by a potentiometer or another feedback sensor and converted into a feedback signal that compensates for the input signal. The motors used are mainly direct current or induction motors. A suitable selection of the motors and advantageous passive and active feedback networks ensure that the setting time for the system is as short as possible with the required calibration accuracy.
The use of a miniature synchronous motor for relatively slow servomechanical computing devices is also known. Finally, the use of differential gears in variable speed gears and for displacement or angle adjustment with two different setting speeds is known.
The disadvantage of all previously known devices is the relatively high technical effort and the price for servomechanisms with setting times under a second for adjustment uncertainties under about 0.5% and very small moments of resistance and moments of inertia as a load, as they are often found in measurement and control - and computing technology occur. The high price is due to the special motors required with the corresponding dynamic behavior.
These motors are mainly DC motors with expensive precious metal collectors and brushes or AC induction motors based on the Ferrais principle, where the high price is due to the precision required in the manufacture of the bell-shaped rotor. In addition, due to their principle, these motors are relatively fault-prone components compared to the rough operating conditions in industrial use.
The purpose of the invention is to reduce the technical effort and the price while achieving short adjustment times and small adjustment uncertainties to expand the area of application and to increase the service life and reliability.
The invention has for its object, with a fold, low-wear and reliable tools, an electrical signal (current, voltage, resistance) with small resistance and moments of inertia of the load to be moved quickly and accurately in a way or an angle z. B. in the form of a potentiometer setting.
The object is achieved according to the invention in that at least two synchronous or stepper motors with a permanent magnetic rotor are provided as actuators for the feedback sensor, of which the first synchronous or stepper motor with an upstream three-point amplifier directly or via first reducing means and the second synchronous or stepper motor and all others, each with an upstream three-point amplifier, whose response values are reduced in the ratio of the reductions, are indirectly connected to the input of the feedback sensor via second stepped reduction means.
In an advantageous embodiment, when two synchronous motors are used, the first synchronous motor is coupled to the axis of the feedback sensor and the second synchronous motor is coupled to the housing of the feedback sensor.
In servomechanisms according to the invention, when using n synchronous or pacemaker motors, which take zm steps in time or cause a path or angular displacement of m - Q x, a complete Ab equal in a time of n - -c Realize up to an uncertainty of 1: mn. Here z is the time in which the fastest motor covers a maximum travel distance or an angle x in m steps. At a working frequency of the motor of the size v is
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Will, e.g.
B. at a working frequency of 50 Hz, two motors are used, the first motor sets the maximum angle in m = 20 steps and the second motor with a reduction of 1:20 in m2 = 400 steps, so the control time for the adjustment up to 0.25 11 / o only 0.4s compared to 4s when using only one motor.
It is therefore possible to use two commercially available miniature synchronous motors, which work without contact, maintenance-free and largely wear-free for an almost unlimited service life, to achieve a technical result that can at best be achieved with special DC motors, Ferraris or medium-frequency motors. The price for reversible miniature synchronous motors is only a small fraction of the price of high-quality variable-speed motors.
As can be seen from the calculation example, it is possible to make electromechanical devices for storing electrical analog signals with a speed of 1000 bit / s or to carry out the elementary arithmetic operations at the same speed.
The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawings. The figures show: FIG. 1 a signal flow diagram and FIG. 2 the scheme of the interaction of two synchronous motors without actual differential gear and slip clutches.
In Fig. 1, the electrical signal to be converted Xe is a DC voltage and the output signal X. is referred to as the potentiometer angle position. The I elements characterize two very small synchronous motors 4; 5. These are each a three-point amplifier 2; 3 upstream.
A component 1 with Po behavior is used to reduce the sensitivity of the three-point switching amplifier 3 in a defined manner and thus to establish the increased response value for the miniature synchronous motor 5.
This miniature synchronous motor 5 acts via a reduction gear 7 on the axis of a potentiometer 8, while the miniature synchronous motor 4 ensures the displacement or angular adjustment by means of a reduction gear 6 with reduced adjusting speed.
The addition point of the rotary movements identifies a differential gear which is connected upstream of the potentiometer feedback sensor 8 for converting the output signal X. into a feedback signal that compensates for the signal Xe.
2 shows the interaction of two very small synchronous motors 10; 20 without actual differential gear and without slip clutches, the motor 10 acting on the wiper axis of the potentiometer 30 with the transmission ratio of 1: 1 via spur gears 40, 50 and 60. The second miniature synchronous motor engages with reduced rotational speed on the spur gears 90; 80 on a ring gear 70 of the housing of the potentiometer 30.
The first miniature synchronous motor 10, with its relatively small torque on the axis of the spur gear 60, cannot influence the rotation of the housing of the potentiometer 30 against the torque of the miniature synchronous motor 20, which is increased in relation to the reduction ratio.
On the other hand, even when the miniature synchronous motor 10 is switched off, the miniature synchronous motor 20 cannot move the wiper of the potentiometer 30 with it, because the resistance torque of the potentiometer is significantly smaller than the holding torque of the miniature synchronous motor 1 switched off. The potentiometer 30 therefore simultaneously acts as a slip clutch. Both rotary movements work so without mutual feedback.