-
Einrichtung zur Steuerung eines zum Verstellen eines Drehkörpers in
eine wählbare Winkellage dienenden elektrischen Stellmotors Mit fortschreitender
Automatisierung haben Stehantriebe wachsende Bedeutung erlangt. Sie sind besonders
dann wünschenswert, wenn ein mechanisches Element auf einen Impuls oder ein unverstärktes
Signal hin verstellt werden soll, wozu ihm ein Stellmotor zugeordnet ist. Derartige
Stehantriebe finden in den verschiedensten Gebieten der Technik Anwendung.
-
Die Verbreitung von Stehantrieben ist jedoch bisher infolge der häufig
hohen Kosten bekannter Konstruktionen begrenzt geblieben. Die Ursache für diese
hohen Kosten ist insbesondere in dem komplizierten Aufbau zu suchen, der sowohl
die Herstellung als auch die Wartung sehr verteuert. So werden in herkömmlichen
Stellantrieben häufig aufwendige elektronische Schaltungsanordnungen verwendet,
wie z. B. Fehlereingangsverstärker, Geschwindigkeitseingangsverstärker, Addierverstärker,
Phasendetektoren, Differenzverstärker. Einfachere bekannte Stellantriebe hingegen
weisen erhebliche Nachteile auf, durch die ihrem verbreiteten Einsatz von vornherein
enge Grenzen gesetzt waren. Insbesondere waren deren Arbeitsgeschwindigkeiten unbefriedigend,
wenn der verwendete Stellantrieb nur für eine Drehrichtung ausgebildet war, so daß
zur Einstellung von Drehkörpern Winkelverstellungen bis zu 360° ausgeführt werden
mußten.
-
Ein verbesserter Stellantrieb arbeitet so, daß er in der einen Richtung
voll wirksam ist, bis ein definierter Umschaltpunkt zwischen der Ausgangslage und
der neuen Lage erreicht ist und sodann mit entgegengesetzt gerichtetem Antrieb bis
zur ausgewählten neuen Lage läuft. Dabei wird eine in zwei Richtungen umschaltbare
Anordnung mit Ausgangssignalen konstanter Amplitude verwendet. Diese Art eignet
sich insbesondere für solche Stehantriebe, bei denen vorzugsweise nur drei Stellungen
vorkommen, z. B. bei Leitwerken für Flugkörper mit den Positionen »Ausschlag links«,
»Ausschlag rechts« und »Mittellage«. Sowohl die starke Begrenzung durch die Anzahl
der Stellungen als auch der im allgemeinen notwendigerweise gleichmäßige Abstand
zwischen den verschiedenen Stellungen und die begrenzte Arbeitsgeschwindigkeit lassen
aber auch diese Stellantriebe unbefriedigend erscheinen. Denn es ist in vielen Fällen
sehr schwierig, den Umschaltpunkt genau zu bestimmen; andererseits ist, wenn die
Umsteuerung des Antriebs nicht zum richtigen Umschaltpunkt erfolgt, ein Schwingungsvorgang
um die Soll-Lage die Folge, der stark zeitverzögernd wirkt.
-
Durch die Erfindung werden diese Nachteile beseitigt und eine Einrichtung
geschaffen, die einfach im Aufbau, billig in der Herstellung und schnell arbeitend
ist, wobei jeweils selbsttätig der kürzeste Verstellweg gewählt wird.
-
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung eines zum Verstellen
eines Drehkörpers in eine wählbare Winkellage dienenden elektrischen Stellmotors
und ist dadurch gekennzeichnet, daß an dem Drehkörper ein Spiegel und ein Reflektor
angebracht sind, daß um den Rand des Reflektors eine den wählbaren Winkellagen des
Drehkörpers entsprechende Anzahl wahlweise einschaltbarer Lichtquellen ruhend angeordnet
ist, daß die jeweils eingeschaltete Lichtquelle einerseits mit einer an der Außenseite
des Reflektors angebrachten, die Nullstellung des Drehkörpers darstellenden Nullstellungsfotozelle
und andererseits über den Spiegel und den Reflektor mit einer Drehrichtungsfotozelle
zusammenwirkt, wobei die Nullstellungsfotozelle für den Stellmotor ein- und ausschaltend
wirksam ist und die Drehrichtungsfotozelle die Drehrichtung des Stellmotors bestimmt,
und daß der Reflektor durch eine Maske teilweise derart
abgedeckt
ist, daß mittels der Drehrichtungssteuerung durch die Drehrichtungsfotozelle der
Verstellwinkel höchstens 180° beträgt.
-
Bei der Einrichtung gemäß der Erfindung sind sowohl die Anzahl als
auch die Abstände der einzelnen Winkellagen beliebig wählbar. Weiterhin muß der
Umschaltpunkt nicht für jede Winkellage vorbestimmt werden. An Stelle von elektronischen
Schaltungsanordnungen sind nur wenige optische Bauelemente erforderlich. Durch die
Auswahl des jeweils kürzesten Weges durch Drehrichtungsumsteuerung des Stellmotors
wird eine besonders kurze Verstellzeit erreicht.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind die Lichtquellen
in einer ringförmigen Lichtleiteinrichtung angeordnet, in der die erzeugten Lichtstrahlen
zu je einem zur Nullstellungsfotozelle und zum Spiegel gerichteten Strahl gebürdet
werden.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform gemäß der Erfindung wird
darin gesehen, daß der Spiegel mit einem exzentrisch zur Drehkörperachse angeordneten
Gewicht verbunden und quer zur Drehkörper= achse schwenkbar gelagert ist, und daß
die Maske des Reflektors derart gestaltet ist, daß eine Drehrichtungsumsteuerung
des Stellmotors in Abhängigkeit von der Winkelgeschwindigkeit des Drehkörpers vor
dem Erreichen der Sollstellung des Drehkörpers auslösbar ist.
-
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auf Grund
der Gestaltung der Maske für sämtliche Winkellagen im Winkelbereich des Drehkörpers
zwischen 0 und 360° nicht nur der jeweils kürzeste Verstellweg, sondern auch der
jeweilige Umschaltpunkt festgelegt ist. Theoretisch bedeutet dies, daß eine praktisch
stufenlose Anordnung von einzelnen Winkellagen möglich ist, ohne daß die optimale
Arbeitsweise der Einrichtung davon beeinträchtigt wird. Durch die optische Arbeitsweise
ist die Einrichtung außerdem praktisch verschleißfrei; außerdem ist sie nahezu universell
einsetzbar.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung im
folgenden beschrieben.
-
F i g. 1 ist eine schaubildlich-schematische Darstellung einer Steuereinrichtung
gemäß der Erfindung; F i g. 2 ist ein Schnitt durch die Einrichtung nach F i g.
1, und F i g. 3 ist eine Draufsicht auf den Reflektor mit Maske nach F i g. 1 und
2.
-
Gemäß F i g. 1 ist aus einem als Welle 2 ausgestalteten einzustellenden
Drehkörper ein als Parabolspiegel ausgebildeter Reflektor 1 befestigt. Oberhalb
des Reflektors 1 sind um dessen Rand herum mehrere Lampen 3 als Lichtquellen ruhend
angeordnet, und zwar je eine Lampe für jede wählbare Stellung der Welle. Jeder Lampe
3 ist eine Lichtleiteinrichtung 4 zugeordnet, die das von der Lampe erzeugte
Licht in zwei Richtungen lenkt. An der Außenseite des mit einer Maske versehenen
Reflektors 1 ist eine Fotozelle 5 zur Abtastung der Nullstellung, im folgenden Nullstellungsfotozelle
genannt, angeordnet, die über eine Leitung 6, zwei Schleifringe 7 und eine Leitung
8 mit einer Schaltvorrichtung 9 für einen elektrischen Stellmotor 9a verbunden ist.
-
Mit dem in den Reflektor 1 hineinragenden Ende der Welle 2 ist eine
Spiegeleinrichtung fest verbunden, deren Einzelheiten in F i g. 2 dargestellt sind.
Ein Spiegel 10 ist in Lagern 11 eines U-förmigen Halters 12 quer zur Achse der Welle
2 schwenkbar gelagert. Am unteren Ende des Spiegels 10 sind zwei Schraubenfedern
13 und 14 befestigt, die außerdem an den Außenseiten der Welle 2 angebracht sind.
Diese Federn 13 und 14 zentrieren den Spiegel 10 bezüglich der Welle
2. Am oberen Ende des Spiegels 10 ist ein Gewicht 15 angebracht, das, sobald die
Welle 2 durch den Stellmotor 9 a gedreht wird, den Rückstellkräften der Federn 13
und 14 entgegenwirkt.
-
Oberhalb des Reflektors 1 ist außerdem zentrisch zur Welle 2 eine
optische Linse 16 sowie eine über eine Leitung 18 mit der Schaltvorrichtung 9 verbundene
Drehrichtungsfotozelle 17 angeordnet.
-
Aus F i g. 3 ist die Einstellung der Nullstellungsfotozelle 5, der
Lampen 3 und des Musters der Maske auf dem Reflektor 1 ersichtlich. Wie später noch
näher erläutert wird, ist die Maske so gestaltet, daß die Welle stets auf dem kürzesten
Wege in die neue Stellung gedreht wird und daß der Umschaltpunkt in Abhängigkeit
von der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit der Welle veränderbar ist.
-
Beim Betrieb der Einrichtung liefert die am Reflektor 1 angebrachte
Nullstellungsfotozelle 5 ein Steuersignal zur Schaltvorrichtung 9 des Stellmotors
9 a und schaltet diesen ab, sobald ein Lichtstrahl auf sie trifft, schaltet ihn
jedoch ein, solange kein Licht abgetastet wird. Die Drehrichtungsfotozelle 17 ist
als Richtungssteuereinrichtung wirksam und sendet ebenfalls Steuersignale zur Schaltvorrichtung
9. Ist die Drehrichtungfotozelle 17 belichtet, so bewirkt sie den Umlauf des Stellmotors
9 a in der einen Richtung, und wenn sie kein Lichtsignal empfängt, läuft der Stellmotor
in der anderen Drehrichtung um. Zur Aufnahme und Auswertung der von den Fotozellen
5 und 17 gelieferten Steuersignale kann eine beliebige bekannte Steuervorrichtung
benutzt werden, z. B. mit Siliziumgleichrichtern. Die Richtung, in der sich der
Stellmotor auf ein Lichtsignal bzw. kein Lichtsignal an Fotozelle 17 hin dreht,
hängt von der Gestaltung der Maske des Reflektors 1 ab, wie noch erläutert werden
wird.
-
Soll die Welle 2 in eine neue Stellung verstellt werden, so wird die
dieser Stellung entsprechende Lampe 3 eingeschaltet und deren Licht mittels der
Lichtleiteinrichtung 4 mit zwei Kanälen in zwei Strahlen 19 und
20 aufgeteilt. Der Strahl 19 wird in den Weg zur Nullstellungsfotozelle
5 und der Strahl 20 zum Spiegel 10 geleitet, durch den er auf den mit der Maske
teilweise abgedeckten Reflektor 1 reflektiert wird. Je nach dem Winkel zwischen
der augenblicklichen und der neuen Stellung der Welle fällt der Strahl 20 entweder
auf einen spiegelnden oder einen abgedeckten Teil des Reflektors 1. Das Abdeckmuster
der Maske ist so entworfen, daß, wenn die der neuen Stellung zugeordnete Lampe 3
zu der der bisherigen Stellung entsprechenden Lampe 3 um weniger als 180° im Uhrzeigersinne
versetzt liegt, der Strahl 20 auf einen spiegelnden Teil des Reflektors 1 auftrifft,
auf die Drehrichtungsfotozelle 17 reflektiert wird, und den Stellmotor 9 a zur Drehung
der Welle 2 im Uhrzeigersinn veranlaßt. Ist der Abstand zwischen der der neuen Stellung
entsprechenden Lampe 3 und der der augenblicklichen Stellung entsprechenden Lampe
größer als 180° im Uhrzeigersinn, so wird der Strahl 20 nicht reflektiert und die
Drehrichiungsfotozelle 17 nicht belichtet, so daß der Motor 9 a entgegen dem Uhrzeigersinn
anläuft.
-
In beiden Fällen wird zugleich mit dem Abschalten der der bisherigen
Stellung entsprechenden Lampe 3 die Nullstellungsfotozelle 5 kein Licht mehr empfangen
und
daher den Stellmotor 9 a einschalten. Seine Drehrichtung in die neu angezeigte Stellung
hängt von dem Steuerimpuls der Drehrichtungsfotozelle 17 ab, und stets wählt die
Einrichtung so den kleineren Winkel, also den kürzesten Weg, für die Wellendrehung
aus.
-
Das in F i g. 3 gezeigte Maskenmuster läßt erkennen, daß, nachdem
die Welle 2 ihre Drehung in die neue Stellung teilweise ausgeführt hat, ein dunkler
Teil der Maske in die Bahn des Strahls 20 gedreht wird, also den Lichtstrahl zur
Drehrichtungsfotozelle 17 unterbricht. Dadurch kehrt zu diesem Zeitpunkt
der Stellmotor 9 a seine Drehrichtung um und bremst somit die Wellendrehbewegung
ab. Das Muster der Maske ist so gestaltet, daß diese Bremswirkung genau zum richtigen
Zeitpunkt erfolgt, um die Winkelgeschwindigkeit der Welle 2 bei Erreichen der neuen
Stellung auf Null zu bringen. Eine Rückwärtsdrehung der Welle 2 ist dabei ausgeschlossen,
denn bei Erreichen der neuen Stellung erhält die Nullstellungsfotozelle 5 den von
der der neuen Stellung entsprechenden Lampe 3 kommenden Lichtstrahl 19 und bewirkt
das Abschalten des Stellmotors 9a. Mit Hilfe dieser Nullinformation kann außerdem
eine nicht gezeigte, an sich bekannte Sperrvorrichtung betätigt werden, um die Welle
zu verriegeln und gegebenenfalls auszurichten.
-
Schwankungen in der Winkelgeschwindigkeit der Welle 2 werden durch
die Beschwerung des Spiegels 10 durch das Gewicht 15 ausgeglichen. Dadurch
wird die Motorumsteuerung entsprechend der Winkelgeschwindigkeit der Welle 2 zeitlich
etwas vorverlegt. In F i g. 2 ist die Stellung des Spiegels 10 beim Einschalten
der der neuen Stellung entsprechenden Lampe 3 mit ausgezogenen Linien dargestellt;
die gestrichelten Linien zeigen die Spiegelstellung nach Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit
der Welle 2. Mit steigender Winkelgeschwindigkeit wirkt die Zentrifugalkraft stärker
auf das Gewicht 15 ein und neigt den Spiegel 10 entsprechend, wodurch der von der
der neuen Stellung zugeordneten Lampe 3 kommende Strahl 20 auf einen niedriger gelegenen
Teil des Reflektors 1 abgelenkt wird. Entsprechend dem Muster der Maske (F i g.
3) wird in Abhängigkeit von der drehzahlbedingten Zentrifugalkraft des Gewichtes
15 der Stellmotor 9a um so früher umgesteuert, je höher die Winkelgeschwindigkeit
ist, so daß ein längerer Bremsweg erreicht wird.