DE2554519A1 - Antriebsvorrichtung fuer einen rotor - Google Patents

Description

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Anmelderin: Stuttgart, den 1. Dezember 1975

Hughes Aircraft Company P 3100 »i/kg

Centinela itvenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.Ut.A.

Antriebsvorrichtung für einen Rotor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung für einen in einem Träger um eine Achse drehbar gelagerten Rotor, mit einem im Träger gleichachsig zum Rotor drehbar gelagerten Gegenrotor und einem auf äußere elektrische Signale ansprechenden Drehmomenterzeuger, der auf den Rotor und den Gegenrotor in entgegengesetzter Richtung wirkende Drehmomente ausübt. Solche "Vorrichtungen werden beispielsweise zum Antrieb kardanisch aufgehängter Kreisel benötigt.

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Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art, die von gegenläufigen Massen Gebrauch machen, war es bisher nicht möglich, das effektive Drehmoment des Systems im wesentlichen auf Null zu bringen, uierin liegt ein erheblicher Nachteil.

Bei Systemen, die von kardanisch aufgehängten Sensoren Gebrauch machen, ist gewöhnlich eine winkelförmige Abtastbewegung erforderlich, ohne daß dadurch störende Drehmomente in die kardanische Aufhängung eingeleitet werden dürfen. Typisch ist die Verwendung von Schwungrädern oder Steuermomentkreisein für die Kardanantriebe solcher Systeme.

Es gibt zwei besonders bedeutende Unvollkommenheiten bei solchen Kreiselantrieben. Als erstes führen die auf Heibungi5kräfte und elastische Deformationen beruhenden Momente (bias torques or coulomb friction and spring restraint torques) zu einer Sättigung des Antriebs-Drehmomentes und begrenzen dadurch das Betriebszeitintervall, das erreichbar ist, bevor ein neues Anfahren erforderlich ist. Als zweites werden die durch coulombsche Reibung und Federkräfte bedingten Momente zwischen den verschiedenen Elementen der Antriebsvorrichtung auf die Trageinrichtung übertragen, wo sie nichtkompensierte Störmomente erzeugen.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Kompensation von Reaktions-Drehmomenten zu schaffen, die sonst auf die Trageinrichtung übertragen

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würden. Darüber hinaus sollen auch restliche Drehmomente kompensiert werden, die dem System inhärent sind, indem einer Momentsättigung durch eine gegensinnig rotierende Masse vorgebeugt wird, die sonst infolge von dynamischen Störkräften de3 Systems auftreten könnte.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem Träger und dem Rotor oder dem Gegenrotor ein Drehmomentkompensator angeordnet ist, daß mit den beiden Rotoren Geber gekoppelt sind, die für Drehgrößen der Rotoren charakteristische elektrische Signale liefern, und daß mit den Gebern und dem Drehmomentkompensator eine elektronische Steuereinrichtung gekoppelt ist, die anhand der von den Gebern gelieferten Signale Fehlersignale für den Drehmomentkompensator erzeugt, die bewirken, daß die vom Drehmomentkompensator auf den Träger und den Rotor bzw. Gegenrotor ausgeübten Drehmomente eine solche Größe haben, daß die Summe aller während des Betriebs auftretenden Drehmomente im wesentlichen Null ist.

Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung handelt es sich demnach um eine Modifikation eines üblichen Kreiselantriebes, bei welcher ein Hilfs-Drehmomenterzeuger, Winkelgeschwindigkeitssensoren und eine elektronische Steuereinrichtung dazu benutzt werden, eine Kompensations-Steuerschleife zu bilden, die dem Drehmomentkompensator Fehlersignale zuführt, um eine Sättigung des Antriebsmomentes zu vermeiden und Reaktionsmomente am Träger zu erzeugen, welche die Momente

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kompensieren, welche infolge von Reibung«- und Federkräften auftreten,.

Je nach der Anwendung und der Geometrie der kardanischen Aufhängung werden auch kinematische Inertialmomente berücksichtigt, die ebenfalls auf die rotierenden Elemente deo reaktionnfreien Antriebes wirken können., In diesen Fällen sind die interessierenden Momente deterministisch und es weruen Eingangssignale für die Kompensations-Regelschleife benutzt, die von den kasseneigenschaften der kardanischen Anordnung und Messungen der geeigneten Winkelgeschwindigkeiten, Winkelbeschleunigungen und linearen Beschleunigungen des Systems abgeleitet sind, um das Grundprinzip des reaktionsfreien Antriebes zu erweitern,, Wenn diese Eingangs signale nicht erzeugt werden, werden auf die rotierenden Elemente der Antriebs- und Kardananordnung ausgeübte kinematische Inertialmomente durch die Wirkung der Kompensations-Regelschleife und des zugeordneten Drehmomenterzeugers auf den Träger übertragen.·

Demgemäß treibt bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein auf äußere Signale ansprechender Drehmomenterzeuger einen als Trägheitsglied dienenden ersten Rotor, der mit dem Drehmomenterzeuger gekoppelt ist, in einer ersten Richtung an< > Ein zweiter, im Gegensinn umlaufender Hotor wird von dem Drehmomenterzeuger in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung angetrieben. Ein Drehmomentkompensator, der stationäre und rotierende Elemente umfaßt, ist mit einem der beiden

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rotierenden Trägheitselemente gekoppelt, um das (iesaintdrehmoment des fcr/stems während dessen Betrieb auf einem im wesentlichen Null betragenden Wert zu halten« Iiit den beiden Rotorein sind sensoren gekoppelt, die fortlaufend die Winkelgeschwindigkeit und die Beschleunigungen dieser Glieder messen.. Die elektrischen Ausgangs signale der üensoren werden von der elektronischen öteuereinr ic titling verarbeitet, deren Aus gangs signal in einer llückkopplungsschleife als Eingang dem Drehmomentkompensator zugeführt wird, no daß das Üystem dem Drehmomentkompensator Fehlersignale zuführt und dadurch störende Drehmomente kompensiert.

V/eitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausfuhrungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. E3 zeigen

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung der in einer Antriebsvorrichtung nach der Erfindung auftretenden Drehmomente sowie der Messung und der elektronischen Verarbeitung der diesbezüglichen Größen, wobei dicke Linien eine mechanische Kopplung und dünne Linien elektrische Verbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten der Vorrichtung veranschaulichen,

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Figo 2 teilweise in Ansicht und teilweise im üchnitt den mechanischen Teil einer Antriebsvorrichtung nach der .Erfindung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf ütator und Rotor des in der Vorrichtung nach Fig. 1 vorhandenen Drehmomenterzeuger ,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung von Stator und Rotor des ürehiaomentkompensators der Vorrichtung nach Fig. 2,

Fig. 5 eine achomatiache Darstellung der mechanischen Anordnung nach Fig. 2,

Fig, 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 der Anordnung nach Fig. 5 zur Veranschaulichung zweier zur Drehachse der Rotoren der Anordnung nach Fig. 2 senkrechter Achsen,

Fig. 7 ein Drehmomentschema der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 5,

Fig. 8 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 5 einer anderen Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung nach der Erfindung und

Fig. 9 ein Drehmomentschema der Vorrichtung nach Fig.

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Die Fig. 1 bis 6 und 8 veranschaulichen im wesentlichen reaktionsfreie Antriebsvorrichtungen, wie sie in kardanisch !aufgehängten Steuersystemen angewendet werden. Die dargestellte Vorrichtung ist auf dem Bauteil 18 einer solchen Einrichtung befestigt.

Die dargestellte Antriebsvorrichtung umfaßt einen Träger 10, der die Teile der Antriebsvorrichtung aufnimmt. Din Drehmomenterzeuger 20 spricht auf ihm zugeführte, äußere elektrische Signale an. Der Drehmomenterzeuger kann nach Art eines Elektromotors aufgebaut sein und einen Stator 20' und einen Rotor 20" umfassen· Obwohl hier von einem Stator 20' die Hede ist, wird tatsächlich das Teil 20' in bezug auf den Rotor 20" gedreht, da sich das Bauteil 20* körperlich an einer im Gegensinn umlaufenden tragen Masse oder einem Gegenrotor 40 befestigt ist. Ebenso wird der Rotor 20" von einem Fortsatz 31 gedreht. Elektrische Verbindungen zu Bürsten, wenn der Rotor einen Kommutator aufweist, oder zu Schleifringen zwischen Rotor und Stator, wenn solche angewendet werden, sind üblich und brauchen nicht dargestellt zu werden.

Eine mit einem Freiheitsgrad rotierende träge Masse oder ein Rotor 30 ist mit einem langgestreckten Fortsatz 31 versehen, der senkrecht auf der Rotationsebene des Rotors 30 steht und auf der Rotationsachse der Masse 30 und ihres Fortsatzes 31 angeordnet ist. Der Fortsatz 31 kann mit der Masse J>0 einteilig ausgebildet oder an ihr befestigt sein.

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Eine andere mit einem Freiheitsgrad im Gegensinn rotierende träge Masse 40 oder ein Gegenrotor ist ebenfalls mit dem Drehmomenterzeuger gekoppelt und wird von dem Drehmomenterzeuger in einer zum Rotor 30 entgegengesetzten Richtung in einer Ebene angetrieben, die im wesentlichen parallel zur Ebene des Hotors 30 liegt. Die Glieder 30, 31 und 40 werden während des Betriebs des Systems angetriebene

Ein Drehmomentkompensator 50 ist mit dem Träger 10 verbunden. Der Drehmomentkompensator 50 besteht aus einem Stator 50' und einem Hotor 50", deren JUifbau im wesentlichen dem Stator und dem Rotor des Drehmomenterzeugers gleichtο

Meßwertgeber 60 bewirken eine Umsetzung der Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Rotoren 30 und 40 in elektrische Signale. Die Geber 60 koppeln den Drehmomentkompensator mit einer elektronischen Steuereinrichtung 80 und liefern der Steuereinrichtung elektrische Signale über die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen.

Der Ausgang der elektronischen Steuereinrichtung 80 ist mit dem Drehmomentkompensator verbunden und führt diesem elektrische Fehlersignale zu, die das Aufrechterhalten eines auf den Träger wirkenden Drehmomentes ermöglichen, durch das das gesamte Drehmoment der Antriebsvorrichtung während des Betriebs auf einem Wert gehalten wird, der im wesentlichen Null ist.

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Zwei Varianten der Antriebsvorrichtung sind in den Figo 5 und 8 dargestellt. Bei dem System nach Fig. ist der Rotor des Drehmomentkompensators mit dem Fortsatz 31 und dessen Stator mit dem Träger 10 verbunden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 ist dagegen der Hotor des Drehmomontkompensators mit dem Gegenrotor und dessen Stator mit dem Träger verbunden. Die erzeugte Drehmoment-Kompensation ist im Fall der Ausführungsform nach Fig. 5 in Fig· 1 ^Dei 52 mit +Tp bezeichnet und als auf den Rotor wirkend dargestellt, weil es schwierig ist, die Wirkung solcher Drehmomenten auf den Fortsatz 51 schematisch darzustellen. Wegen der Verbindung des Fortsatzes 31 mit dem Rotor 30 gibt jedoch eine solche schematische Darstellung den tatsächlichen Zustand der Drehmoment-Kompensation richtig wieder. Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 ist die Drehmoment-Kompensation bei 52 nicht vorhanden, sondern es wirkt statt dessen ein Kompensations-Drehmoment +T₀ bei 53 auf den Gegenrotor 40.

Bezüglich der anderen Drehmomente der Antriebsvorrichtung zeigt die allgemeine Fig. 1, daß von dem Drehmoment-Kompensator bei 51 stuf den Träger 10 ein Drehmoment -T^ und von dem Träger 10 auf das äußere Bauteil 18 ein Drehmoment +Tg ausgeübt wird. Bei 15 wirkt ein Drehmoment +T, auf die rotierende Trägheitsmasse oder den Rotor 30 und ein Drehmoment -T-, auf den Träger 10„ Bei 16 wirkt ein Drehmoment +T. auf den Gegenrotor 40 und ein Drehmoment -T^ auf den Träger 10« Bei 17 wirkt ein Drehmoment +T_n- auf den

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Hot or 30 und ein Drehmoment -Tr auf den Gegenrotor 40. Äußere Drehmomente werden auf die Antriebsvorrichtung ausgeübt und die durch solche äußeren Drehmomente bedingten Kräfte wirken auf die Einrichtungen, an denen die Antriebsvorrichtung befestigt ist. Solch externe Drehmomente sind bei 12 als Drehmoment +T,- angedeutet, das auf den Rotor 30 wirkt. Ebenso wirkt ein Drehmoment +T₇ auf den Gegenrotor 40 bei 13.

Weiterhin wirkt der Drehmomenterzeuger 20 mit einem Drehmoment +T. bei 21 auf den Rotor 30 und mit einen Drehmoment ~T. bei 22 auf den Gegenrotor 40.

Ein elektrisches Signal +V^, das in der folgenden Symboltabelle definiert ist, wird dem Drehmomenterzeuger 20 von dem Fahrzeug, das mittels der Antriebsvorrichtung stabilisiert wird, zugeführt, um den Drehmomenterzeuger während des Betriebszustandes anzutreiben.

Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Rotoren 30 und 40 werden bei 32 und 42 mittels Sensoren oder Gebern festgestellt, die in der Technik bekannt sind und deren Aufbau daher nicht erläutert zu werden braucht. Die Geber bestehen aus einer Gebergruppe 61 bis 67, die mit dem Rotor 30 gekoppelt ist und dessen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ermittelt, und aus einer gleichen Gebergruppe 71 bis 77» die mit dem Gegenrotor gekoppelt ist und dessen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen feststellt.

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Die Geber 61 und 7i sind am Umfang der Rotoren 30 und 4-0 angeordnet und erfassen deren Drehzahl oder Winkelgeschwindigkeit um die Achse 61'. Sie liefern entsprechende elektrische Ausgangssignale an einen Verstärker 81 bzw. der elektronischen Steuereinrichtung 80. Alle Komponenten der elektronischen Steuereinrichtung 80 sind in der Technik bekannt und brauchen nicht im einzelnen erläutert zu werden.

Die Geber 62 bis 67ι die in den Fig. 5 und 8 allgemein bei 92 dargestellt sind, und die Geber 72 bis 77 t äie in den Fig. 5 und 8 allgemein bei 94- dargestellt sind, sind in dear Drehachse der Rotoren 30 und 40 angeordnet und sprechen auf Winkelgeschwindigkeiten und Beschleuni= gungen der Rotoren 30 und 40 in bezug auf zwei Achsen 62' und 62" an, die zueinander und zu der Rotationsachse 61' senkrecht stehen. Demgemäß erfassen die Geber 62 und Winkelgeschwindigkeiten um eine erste Achse 62', die zur Rotationsachse 61' senkrecht steht, und liefern entsprechende elektrische Signale, die auf eine Drehung der Rotoren 30 und 40 zurückzuführen sind, als Eingangssignale dem Integrator und Operationsverstärker 35 der elektronischen Steuereinrichtung 80.

Geber 63 und 73 stellen die Winkelgeschwindigkeiten in bezug auf eine zweite Achse 62" fest, die zur ersten Achse 62' und zur Rotationsachse 61' senkrecht steht, und liefert elektrische Signale, die auf eine Drehung der Rotoren 30 und 40 zurückzuführen sind, dem Operationsverstärker 85 als Eing'angs signale.

c/.

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Geber 64- und 74- sprechen auf Winkelbeschleunigungen in bezug auf die erste Achse an und liefern dem Operationsverstärker 85 entsprechende Signale.

Geber 65 und 75 sprechen auf Winkerbeschleunigungen um die genannte zweite Achse an und liefern dem Operationsverstärker 85 entsprechende elektrische Eingangssignale.

Geber 66 und 76 sprechen auf Linearbeschleunigungen in bezug auf die erste Achse an und liefern dem Operationsverstärker 85 entsprechende elektrische Eingangssignale.

Geber 67 und 77 sprechen auf lineare Beschleunigungen in bezug auf die zweite Achse an und liefern dem Operationsverstärker 85 entsprechende Eingangssignale»

Ein Verstärker 81 liefert ein Ausgangssignal, das über eine Leitung 82 einer Summier- und Kompensationsschaltung 87 zugeführt wird. Ebenso liefert ein Verstärker ein elektrisches Ausgangs signal auf einer Leitung 84-der Summier- und Kompensationsschaltung 87. Auch das Ausgangs signal des Integrators und Operationsverstärkers 85 wird über eine Leitung 86 der Summier- und Kompensationsschaltung 87 zugeführt. Die Summier- und Kompensationsschaltung 87 bildet aus den erwähnten EingangsSignalen ein Ausgangssignal, das über eine Leitung 88 als Rückkopplung dem Drehmomentkompensator zugeführt wird, so daß der Drehmomentkompensator die

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erforderlichen elektrischen Fehlerkorrektursignale erhält, die bewirken, daß den Rotoren der Vorrichtung zusätzliche Drehmomente zugeführt werden, um das Gesamtdrehmoment wenigstens annähernd auf Null zu halten, wie es oben beschrieben wurde und es anhand der Fig. 5 his 9 noch mehr im einzelnen beschrieben werden wird.

Die Fig. 5 bis 9 veranschaulichen in schematischer Weise den Aufbau und die Funktion zweier Ausführungsformen der reaktionsfreien Antriebsvorrichtung, die sich hinsichtlich des Zusammenwirkens des Drehmomentkompensators mit den Rotoren der Anordnung unterscheiden. Für die folgende Ableitung der geeigneten Regelbeziehungen werden die verschiedenen Drehmomente, Trägheitsmomente, V/inkelgeschwindigkeiten und Kompensationsparameter, soweit sie von Bedeutung sind, nachstehend definiert. Obwohl dies von dem mechanischen Aufbau der jeweils verwendeten Antriebsvorrichtung abhängt, bestehen allgemein zwischen dem Rotor 30 und dem Träger 10, dem Gegenrotor 40 und dem Träger sowie auch zwischen den beiden Rotoren 30 und 40 auf Reibung und elastische Deformationen zurückzuführende Störmomente. Außerdem können sowohl auf den Rotor 30 als auch auf den Gegenrotor 40 Trägheits-Störmomente wirken. Diese Momente und andere interessierende Parameter sind wie folgt definiert:

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Tabelle der üyiabole und Definitionen

Symbol Definition

J,Q Trägheitsmoment des Rotors 30 Trägheitsmoment des Gegenrotors 40

+T. vom Drehmomenterzeuger 20 auf den Rotor 30 ausgeübtes Drehmoment

-T₁ vom Drehmomenterzeuger 20 auf den Gegenrotor 40 ausgeübtes Drehmoment

+Tp vom Drehmomentkompensator 50 auf den Rotor 30 ausgeübtes Drehmoment

-T~ vom Drehmomentkompensator 50 auf den Träger 10 ausgeübtes Drehmoment

+T, durch Wechselwirkung mit dem Träger 10 auf den ^ Rotor 30 ausgeübtes Drehmoment

-T^ Reaktionsmoment auf +T;, am Träger 10

+T^ durch Wechselwirkung mit dem Träger 10 auf den Gegenrotor 40 ausgeübtes Drehmoment

-T₁, Reaktionsmoment auf +T₂, am Träger 10

+T,- durch Wechselwirkung mit dem Gegenrotor 40 auf

' den Rotor 30 ausgeübtes Drehmoment

-Tr R eakt ions moment auf +T₁- am Gegenrotor 40

+T₆ auf den Rotor 30 ausgeübtes äußeres Inertialmoment

+T₇ auf den Gegenrotor 40 ausgeübtes äußeres

' Inertialmoment

+Tg resultierendes Moment am Träger 10

',· ^r₇ Winkelgeschwindigkeit des Rotors 30

>'■< *q Winkelgeschwindigkeit des Gegenrotors 40

+V_T äußeres elektrisches Momentsignal

p elektrisches Korrektursignal zur Kompensation

^O von +T₆

_n elektrisches Korrekturs ignal zur Kompensation

^u von +T₇

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Symbol Definition

App Verstärkung des für die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 30 charakteristischen Signals

■^24- Verstärkung des für die Winkel geschwindigkeit des Gegenrotors 40 charakteristischen Bignals

K.G^- Verstärkung der Kompensations-Steuerschleife

KpGv, Korrektur faktor für die für die Inertialmomente charakteristischen Signale

S Laplace-Operator

Zur Momentkompensation werden Messungen der Lasten benutzt, welche auf den Rotor 30 und den Gegenrotor 4-0 zurückzuführen sind und sich aus den Winkelgeschwindigkeiten ergeben, die von den Gebern 61 und 71 nach Fig. 1 erfaßt werden. Hiervon wird ein Moment-Steuersignal für den Drehmomentkompensator 50 abgeleitet. Außerdem wird ein Servo-Steuersignal eingeführt, um äußere Inertial-Momente zu korrigieren. 3£in Servo-Blockschaltbild für die reaktionsfreie Antriebsvorrichtung ist in Fig. 7 dargestellt, die sich auf die Anordnung nach Fig. 5 bezieht.

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Diesem Blockschaltbild int zu entnehmen, daß

-τ -τ + τ

(v_T + T₆ + T₃ +

(V

6C

^V7C>

K₁

24

^J40^S

^K1^G1^A22 ^J30^S

22

^J30^S

+

^K1^G1^A22 ^J30^S

K₂G₂I

^K1^G1^A22 ^J30^S

(D

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und daß

^T8 ^β - ^T2 - ^T4 - ^T3

17

<^VT ^{+ Τ}2 ^{+ Τ}6 ^{+ Τ}3 ^{+ Τ}5⁾

⁽" ^VT ^{+ Τ}7

^Τ4 -

Durch Einführen der Parameter

*24

30

"22
^J30^S

(5)

(6)

und durch Erzeugen der Signale Vg und V„ in solcher Weise, daß sie die Momente T^ un
die obigen Gleichungen zu

daß sie die Momente T^ und T₁-, kompensieren, reduzieren sich

^;1^A22

30

S +

^K1^G1^A22
^J30

(7)

^K1^G1^A22
^J30 J

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(V

T_c) - T,

^J30^S

K	1G	1	A	22	1A22
		J	30	30
S +	K	1	G
	J

^J30^S

^K1^G1^A22 ^J30 (9)

19

~ ω + (T + T) ^J40 ^X/

(T₆ + T₇)

^J40^S 40

^K1^G1^A22

S +

'30

(10)

Ohne Drehmomentkompensator 50 oder geschlossene Schleife 80 wäre Tp = ο und

- (T₃ + (U)

^ω17 " J^S ^(Vr ^{+ T}6 - ^T3 ⁺ (12)

21 ^Γ40

_1? + (T₃ + T₄ + T₆ +

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(13)

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Ein Vergleich der Gl. (8) und (11) zeigt, daß die Störungsmomente am Träger durch die Kompensations-Regelschleife 88 gedämpft werden, wie es beabsichtigt ist. Weiterhin zeigt ein Vergleich der Gl. (10) und (13)» daß die Sattigungseffekte der Momente T, und T. ebenfalls wie angegeben gedämpft werden. Die Sättigungseffekte der Inertial-Störmomente T,- und Tr₇ bleiben Jedoch unverändert. Es sei Jedoch erwähnt, daß diese Glieder durch einen sorgfältigen mechanischen Aufbau vernachlässigbar klein gemacht werden können. Wenn beispielsweise die beiden Rotoren um eine Hauptachse drehbar gelagert sind und die Trägheitsmomente in bezug auf die beiden anderen, orthogonalen Hauptachsen gleich sind, sind die Inertial-Störmomente Null. Ein weiterer interessanter Gesichtspunkt bezüglich dieser reaktionsfreien Antriebsvorrichtung besteht darin, daß das Verhältnis des aufgewendeten Drehmomentes zur erreichten Winkelgeschwindigkeit durch die Addition der Kompensations-Regelschleife im wesentlichen unverändert bleibt, wie es die Gl. (9) und (12) zeigen. Diese beiden Gleichungen unterscheiden sich nur in der Einführung des Störgliedes für T^, und einer entsprechenden Dämpfung des Störgliedes für T^, wenn die Kompensations-Regelschleife geschlossen ist.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine andere Ausführungsform der reaktionsfreien Antriebsvorrichtung, die gleichermaßen wirksam ist. In diesem Fall ist der Drehmomentkompensator 50 so angeordnet, daß er anstatt zwischen dem Träger 10 und dem Rotor 30 zwischen dem Träger 10 und dem Gegenrotor 4-0 wirkt« Bei dieser abgewandelten

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Ausführungsform bleiben die Gl. (7), (8) und (10) unverändert, während die Beziehung für · ,.,-,, die zuvor durch die Gl. (9) beschrieben wurde, nunmehr zur Gl. (12) identisch wird. Alle anderen Parameter sind die gleichen, wie es für die Fig. 5» 6 und 7 angegeben wurde.

Ea sei erwähnt, daß die Kreise in den Fig. 7 und 9 die gleichen Komponenten symbolisieren, die in Fig. 1 dargestellt und dort mit den in den Fig. 7 "und 9 in den Kreisen enthaltenen Ziffern als Bezugsziffern versehen aind. Die ein _"-', enthaltenen Kreise bezeichnen in den Fig. 7 und 9 Stellen, an denen eine algebraische Addition der zugeführten Signale stattfindet. In den Fig. 7 und 9 bezeichnet V^q die von den Sensoren 62 bis 67 gemäß Fig_o 1 und V™ die von den Sensoren 72 bis 77 in Fig. 1 gelieferten Signale»

Der Hauptunterschied zwischen den Anordnungen nach den Fig. 5 und 8 besteht in der unterschiedlichen Wirkung des Drehmomentkompensators 50 auf die Rotoren. Die Anordnung nach Fig. 2 ist schematisch in den Fig, 5 und wiedergegeben. Hierbei wird das Kompensationsmoment +0^ dem Rotor 30 aufgeprägt, wogegen bei der Ausführungsform nach den Fig. 8 und 9 das Kompensationsmoment +T~ dem Gegenrotot 40 aufgeprägt wird.

Die Beziehungen zwischen den Momenten und den elektrischen Signalen der Anordnung nach den Fig. 2 und 5 sind am besten in Fig. 7 veranschaulicht, zusammen mit der Tabelle der Symbole und den Gleichungen. Der Träger 10 übt das Drehmoment +Tq auf äußere Bauelemente aus, mit denen die

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Antriebsvorrichtung verbunden ist. Dieses Drehmoment ist durch die Gl. (2) oder (8) definiert, wenn eine Drehmomentkompensation stattfindet. Wenn dagegen keine Drehmomentkompensation vorgesehen ist, dann ist +Tp » O und es definiert die Gl. (11) die Moment-Beziehungen_e

Wenn der Drehmomentkompensator 50 vorhanden ist, dann wirkt auf den Träger 10 ein negatives Drehmoment -Tp„ In diesem Fall wird von dem Drehmomentkompensator 50 ein positives Drehmoment +T£, das durch die Gl. (1) oder (7) repräsentiert wird, auf den Hotor 30 ausgeübte

Äußere elektrische Signale +V^ werden dem Drehmomenterzeuger 20 zugeführt. Der Drehmomenterzeuger 20 liefert ein positives Drehmoment +T^., das auf den Rotor 30 wirkt, und ein negatives Drehmoment -Τ., das auf den Gegenrotor 40 wirkt.

Ein Moment +Tg, das von außen auf die Antriebsvorrichtung ausgeübt wird, wird durch außerhalb der Antriebsvorrichtung liegende Quellen erzeugt und wirkt auf den Eotor 30. Ein gleichartiges, durch äußere Störungen erzeugtes Moment +Tr₇ wirkt auf den Gegenrotor 40.

Die Momente -T, und +T-, sind zwischen dem Träger 10 und dem Rotor 30 vorhanden. Momente +T,- und -Tj- wirken zwischen den beiden Rotoren 30 und 40. Die Momente -T^ und +T^ sind zwischen dem Träger 10 und dem Gegenrotor vorhanden.

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Die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 30 ist seinem Trägheitsmoment umgekehrt proportional und kann am besten als Funktion des Laplace-Operators S, nämlich als 1/J^qS ausgedrückt werden. Die Winkelgeschwindigkeit '\n an der Drehachse des Rotors JO ist daher als Punktion 1/J^₀S dargestellt. Parameter, die diese Winkelgeschwindigkeit enthalten, finden sich in den G-I. (3) und (9) sowie auch in Gl. (12) für den Pail, daß eine Kompensation durch den Drehmomentkompensator 50 fehlt, in welchem Fall +T₂ = 0 ist.

Die Winkelgeschwindigkeit des Gegenrotors 4-0 kann auf gleiche Weise als Funktion von 1/J^qS ausgedrückt werden. Die Winkelgeschwindigkeit ^q des Gegenrotors 40 um seine Achse ist in Gliedern der Gl. (4) und (10) sowie auch in Gl. (13) für den Fall vorhanden, daß eine Kompensation durch den Drehmomentkompensator 50 fehlt, in welchem Fall +T₂ = 0 ist.

Die Winkelgeschwindigkeit '<■ wird vom Verstärker 81 verstärkt, der einen Verstärkungsfaktor A₂₂ aufweist. In gleicher Weise wird die Geschwindigkeit ~~ vom Verstärker 83 mit dem Verstärkungsfaktor A₂₂, verstärkt. Die den Verstärkungsfaktor A₂^, bestimmenden Glieder sind aus Gl. (5) ersichtlich.

Das elektrische Korrektursignal VgQ wird zu dem elektrischen Korrektursignal V„q algebraisch summiert. Diese Korrektursignale kompensieren äußere Inertial-Momente, die auf die Rotoren 30 und/oder 40 ausgeübt werden. Die

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Summe der Signale Vg^ und Y„q werden für eine Korrektur der äußeren Inertial-Momente benutzt und hierfür durch Parameter K2G2 modifiziert, die durch Gl. (6) bestimmt sind. Gl. (6) beschreibt das Ausgangssignal des Integrators und Operationsverstärkers 85, das auf der Leitung erscheint.

Die algebraische Summe der Signale auf den Leitungen 82, 84 und 86 bildet das Eingangssignal der Summier- und Kompensationsschaltung 87, die hier als K.G^ bezeichnet ist und zur Kompensation der Regelschleifenverstärkung und der Servokompensation dient und dem Drehmomentkompensator 50 auf der Leitung 88 ein Eingangssignal zuführt, das die gewünschte Korrektur bewirkt.

Fig. 9 ist eine schematische Darstellung der Momente und elektrischen Signale bei der Anordnung nach Fig. 8. Der Unterschied zwischen den Fig. 9 und 7 besteht darin, daß bei der Anordnung nach Fig. 9 das von dem Drehmomentkompensator gelieferte Drehmoment +T~ ^au^ ^en Gegenrotor 40 und nicht auf den Rotor 30 wirkt wie bei der Ausführungsform nach Fig. 7· ^m Hinblick auf alle anderen Einzelheiten wäre die Beschreibung der Wirkungsweise mit der anhand Fig. 7 gegebenen Beschreibung identisch und braucht daher nicht wiederholt zu werden.

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Antriebsvorrichtung für einen in einem Träger um eine Achse drehbar gelagerten Rotor, mit einem im Träger gleichachsig zum Rotor drehbar gelagerten Gegenrotor und einem auf äußere elektrische Signale ansprechenden Drehmomenterzeuger, der auf den Rotor und den Gegenrotot in entgegengesetzter Richtung wirkende Drehmomente ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Träger (10) und dem Rotor (50) oder dem Gegenrotor (40) ein Drehmomentkompensator (50) angeordnet ist, daß mit den beiden Rotoren (50, 40) Geber (60) gekoppelt sind, die für Drehgrößen der Rotoren (30, 40) charakteristische elektrische Signale liefern, und daß mit den Gebern (60) und dem Drehmomentkompensator (50) eine elektronische Steuereinrichtung (80) gekoppelt ist, die anhand der von den Gebern (60) gelieferten Signale ein Korrektursignal für den Drehmomentkompensator (50) erzeugt, das bewirkt, daß die vom Drehmomentkompensator (50) auf den Träger (10) und den Rotor (30) bzw. Gegenrotor (40) ausgeübten Drehmomente (+Tp, -^p) ^ei^ne solche Größe haben, daß die Summe aller während des Betriebs auftretenden Drehmomente im wesentlichen Null ist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber (60) erste Geber (61, 71)_? welche mit dem Umfang der Rotoren (30, 40) gekoppelt sind und auf die Winkelgeschwindigkeit der Rotoren

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in bezug auf ihre Drehachse (61^f) ansprechen, und zweite Geber (62 bis 67, 72 bis 77), die mit den Rotoren (30, 40) an deren Drehachsen (61') gekoppelt sind und auf die Winkelgeschwindigkeit der Rotoren (30, 40) in bezug auf zwei zueinander und zu der Drehachse (61') senkrechte Achsen (62¹, 62") zur Messung der Winkelbeschleunigung um die Drehachse (61') und der Linearbeschleunigung in Richtung der Drehachse ansprechen, umfassen,

Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (80) eine mit den Gebern (60) gekoppelte Verstärkungsund Integrationseinrichtung (81, 83, 85) und eine auf die Ausgangssignale der Verstärker- und Integrationseinrichtung ansprechende Summier- und Kompensationsschaltung (87) zur Lieferung des Korrektursignals umfaßt·

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