DE2554519C3

DE2554519C3 - Antriebsvorrichtung für einen Rotor

Info

Publication number: DE2554519C3
Application number: DE2554519A
Authority: DE
Inventors: Arthur K. Palos Verdes Calif.(V.St.A.) Rue
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-12-04
Publication date: 1979-05-10
Also published as: IT1052877B; DE2554519B2; US4021716A; JPS5189077A; GB1511040A; FR2296164B1; SE7514377L; DE2554519A1; CA1048129A; FR2296164A1; IL48326A0; JPS5619563B2; IL48326A; SE413943B

Description

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 Richtung der gemeinsamen Achse entgegengesetzt wirkende Drehmomente ausübt. Solche Vorrichtungen werden beispielsweise zum Antrieb kardanisch aufgehängter Kreisel benötigt.

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. Hierin 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 Steuermomentkreiseln für die Kardanantriebe solcher Systeme.

Es gibt zwei besonders bedeutende Unvollkommenheiten bei solchen Kreiselantrieben. Als erstes führen die auf Reibungskräfte und elastische Deformationen beruhenden Momente 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 würden. Darüber hinaus sollen auch restliche Drehmomente kompensiert werden, die dem

r> System inhärent sind, indem einer Momentsättigung durch eine gegensinnig rotierende Masse vorgebeugt wird, die sonst infolge von dynamischen Störkräften des Systems auftreten könnte.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch

4(i 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

Γ) den Gebern und dem Drehmomentkompensator eine elektronische Steuereinrichtung gekoppelt ist, die anhand der von den Gebern gelieferten Signale ein Korrektursignal für den Drehmomentkompensator erzeugt, das bewirkt, daß die vom Diehmomentkom-

^r>(i pensator auf den Träger und den Rotor bzw. Gegenrotor in Richtung der gemeinsamen Achse ausgeübten Drehmomente eine solche Größe haben, daß die Summe aller während des Betriebs auftretenden Drehmomente in Richtung der gemeinsamen Achse im

γ-, wesentlichen Null ist.

Bei der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung handelt es sich demnach um eine Modifikation eines üblichen Kreiselantriebes, bei welcher ein Hilfs-Drehmomenterzeuger, Winkelgeschwindigkeitssensoren und

Mi eine elektronische Steuereinrichtung dazu benutzt werden, eine Kompensations-Steuerschleife zu bilden, die dem Drehmomentkompensator Fehlersignale zuführt, um eine Sättigung am Träger zu erzeugen, welche die Momente kompensieren, welche infolge von

h^r> Reibungs- und Federkräften auftreten.

Je nach der Anwendung und der Geometrie der kardanischen Aufhängung werden auch kinematische Inertialmomente berücksichtigt, die ebenfalls auf die

rotierenden Elemente des reaktionsfreien Antriebes wirken können. In diesen Fällen sind die interessierenden Momente deterministisch, und es werden Eingangssignale für die Kompensations-Regelschleife benutzt, die von den Masseneigenschaften 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 Eingangssignale nicht erzeugt werden, in 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. r>

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 ener ersten Richtung an. Ein zweiter, im Gegensinn umlaufender Rotor 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 2^r> rotierenden Trägheitselemente gekoppelt, um das Gesamtdrehmoment des Systems während dessen Betrieb auf einem im wesentlichen Null betragenden Wert zu halten. Mit den beiden Rotoren sind Sensoren gekoppelt, die fortlaufend die Winkelgeschwindigkeit in und die Beschleunigungen dieser Glieder messen. Die elektrischen Ausgangssignale der Sensoren werden von der elektronischen Steuereinrichtung verarbeitet, deren Ausgangssignal in einer Rückkopplungsschleife als Eingang dem Drehmomentkompensator zugeführt r, wird, so daß das System dem Drehmomentkompensator Fehlersignale zuführt und dadurch störende Drehmomente kompensiert.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigt

F i g. 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,

F i g. 2 teilweise in Ansicht und teilweise im Schnitt den mechanischen Teil einer Antriebsvorrichtung, r>

F i g. 3 eine Draufsicht auf Stator und Rotor des in der Vorrichtung nach F i g. 1 vorhandenen Drehmomenterzeugers,

F i g. 4 eine perspektivische Darstellung von Stator und Rotor des Drehmomentkompensators der Vorrich- «> tung nach F i g. 2,

F i g. 5 eine schematische Darstellung der mechanischen Anordnung nach F i g. 2,

Fig.6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 der Anordnung nach Fig. 5 zur Veranschaulichung zweier _h ^r> zur Drehachse der Rotoren der Anordnung nach F i g. 2 senkrechter Achsen,

F i g. 7 ein Drehmomentschema der Vorrichtung nach den F i g. 1 und 5,

F i g. 8 eine schematiscbe Darstellung ähnlich F i g. 5 einer anderen Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung und

F i g. 9 ein Drehmomentschema der Vorrichtung nach Fig. 8.

Die F i g. 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 Ein 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 Rede ist, wird tatsächlich das Teil 20' in bezug auf den Rotor 20" gedreht, da sich das Bauteil 20' körperlich an einer im Gegensinn umlaufenden trägen 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 30 einteilig ausgebildet oder an ihr befestigt sein.

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 Rotors 30 liegt. Die Glieder 30,31 und 40 werden während des Betriebs des Systems angetrieben.

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

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.

Zwei Varianten der Antriebsvorrichtung sind in den F i g. 5 und 8 dargestellt. Bei dem System nach F i g. 5 ist der Rotor des Drehmomentkompensators mit dem Fortsatz 31 und dessen Stator mit dem Träger 10 verbunden. Bei der Ausführungsform nach F i g. 8 ist dagegen der Rotor des Drehmomentkompensators 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 bei 52 mit + Tz bezeichnet und als auf den Rotor wirkend dargestellt, weil es schwierig ist, die Wirkung -> solcher Drehmomenten auf den Fortsatz 31 schematisch darzustellen. Wegen der Verbindung des Fortsatzes 3i mit dem Rotor 30 gibt jedoch eine solche schematische Darstellung den tatsächlichen Zustand der Drehmoment-Kompensation richtig wieder. Bei der Ausfüh- κι rungsform nach F i g. 8 ist die Drehmoment-Kompensation bei 52 nicht vorhanden, sondern es wirkt statt dessen ein Kompensation- Drehmoment + T₂ bei 53 auf den Gegenrotor 40.

Bezüglich der anderen Drehmomente der Antriebs- \-, vorrichtung zeigt die allgemeine Fig. 1, daß von dem Drehmoment-Kompensator bei 51 auf den Träger 10 ein Drehmoment — Tz und von dem Träger 10 auf das äußere Bauteil 18 ein Drehmoment -I- TJ ausgeübt wird. Bei 15 wirkt ein Drehmoment + Tj auf die rotierende :n Trägheitsmasse oder den Rotor 30 und ein Drehmoment — T3 auf den Träger 10. Bei 16 wirkt ein Drehmoment + T₄ auf den Gegenrotor 40 und ein Drehmoment - T₄ auf den Träger 10. Bei 17 wirkt ein Drehmoment + Ti auf den Rotor 30 und ein Drehmo- 3-, ment — Ts 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 jo bei 12 als Drehmoment 4- Tt angedeutet das auf den Rotor 30 wirkt. Ebenso wirkt ein Drehmoment + T₁ auf den Gegenrotor 40 bei 13.

Weiterhin wirkt der Drehmomenterzeuger 20 mit einem Drehmoment + Γι bei 21 auf den Rotor 30 und j-, mit einem Drehmoment — Ti bei 22 auf den Gegenrotor 40.

Ein elektrisches Signal + V_T, 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 4-, 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 40 gekoppelt ist und dessen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen feststellt

Die Geber 61 und 71 sind am Umfang der Rotoren 30 und 40 angeordnet und erfassen deren Drehzahl oder Winkelgeschwindigkeit um die Achse 61'. Sie liefern entsprechende elektrische Ausgangssignale an einen Verstärker 81 bzw. 83 der elektronischen Steuereinrichtung 80. Alle Komponenten der elektronischen Steuereinrichtung 80 sind in der Technik bekannt und t,o brauchen nicht im einzelnen erläutert zu werden.

Die Geber 62 bis 67, die in den F i g. 5 und 8 allgemein bei 92 dargestellt sind, und die Geber 72 bis 77, die in den F i g. 5 und 8 allgemein bei 94 dargestellt sind, sind in der Drehachse der Rotoren 30 und 40 angeordnet und (,5 sprechen auf Winkelgeschwindigkeiten und Beschleunigungen 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 72 Winkelgeschwindigkeiten um eine ersle Achse 62', die zur Rotationsachse 61' senkrecht steh:. 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 Eingangssignale.

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 Winkelbeschleunigungen 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 83 ein elektrisches Ausgangssignal auf einer Leitung 84 der Summier- und Kompensationsschaltung 87. Auch das Ausgangssignal 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 50 zugeführt wird, so daß der Drehmomentkompensator die 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 F i g. 5 bis 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, Winkelgeschwindigkeiten 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 10 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:

Tabelle der Symbole und Definitionen

Symbol Definition

V₇₁-

Trägheitsmoment des Rotors Trägheitsmoment des Gegenrotors vom Drehmomenterzeuger 20 auf den Rotor 30 ausgeübtes Drehmoment vom Drehmomenterzeuger 20 auf den Gegenrotor 40 ausgeübtes Drehmoment 10 /424 vom Drehmomentkompensator 50 auf den Rotor 30 ausgeübtes Drehmoment vom Drehmomentkompensator 50 auf den K\G\ Träger 10 ausgeübtes Drehmoment durch Wechselwirkung mit dem Träger 10 auf r> K₂C₂ den Rotor 30 ausgeübtes Drehmoment Reaktionsmoment auf + T₃ am Träger 10 S durch Wechselwirkung mit dem Träger 10 auf den Gegenrotor 40 ausgeübtes Drehmoment Reaktionsmoment auf + T4 am Träger durch Wechselwirkung mit dem Gegenrotor 40 auf den Rotor 30 ausgeübtes Drehmoment Reaktionsmoment auf + T5 am Gegenrotor auf den Rotor 30 ausgeübtes äußeres Inertialmoment auf den Gegenrotor 40 ausgeübtes äußeres Inertialmoment resultierendes Moment am Träger Winkelgeschwindigkeit des Rotors Winkelgeschwindigkeit des Gegenrotors äußeres elektrisches Momentsignal

2»

2"> elektrisches Korrektursignal zur Kompensation von + Tb

elektrisches Korrektursignal zur Kompensation von + T₇

Verstärkung des für die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 30 charakteristischen Signals
Verstärkung des für die Winkelgeschwindigkeit des Gegenrotors 40 charakteristischen Signals

Verstärkung der Kompensations-Steuerschleife

Korrekturfaktor für die für die Inertialmomente charakteristischen Signale
Laplace-Operator

Zur Momentkompensation werden Messungen der Lasten benutzt, welche auf den Rotor 30 und den Gegenrotor 40 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. Ein Servo-Blockschaltbild für die reaktionsfreie Antriebsvorrichtung ist in Fig. 7 dargestellt, die sich auf die Anordnung nach F i g. 5 bezieht.

Dem Blockschaltbild nach F i g. 7 ist zu entnehmen, daß

T₂=UV₁-T₁-T₄

K_t G₁A₂₄ J₄₁₁S KjG₁A₂₂

-(V₁ +T₁,+ T₃ + T₅) I 4. ^1^1^22

Js'"

und daß K₁G, =

A₁₂

T„ = - T₂ -T₄-T₃

(2)

'"17

⁼ j,s^iV

, + T₂ + T₁, + 7₃ +

■'s)

(3

-

Ml

G₁

T₂ =

-(T₃ +

T₄)

Γ ^κ

IG₁A₂₂ Ί

'"19

= .^] ,.(-V-, + T₁+ T₄-T,)
J₄O-J

S +

JsV"

Durch

Einführen der Parameter

(4)

S

„

7« =

-(T₃ +

T₄)

S
J₃V.

A₂₂J₄,,
A₂₄ = —-
J₃(I

Kl

Ί

S +

(5)

τ[ '

1 Γ

S Ί

T₄T

+

LJ3OJ

J

Jmi

⁴L

' Ί

J3O

S +

3(1 J

I

Gi^₂₂
Jm,

J_-V)S

und durch Erzeugen der Signale V_hr und V₁₁. in solcher Weise, daß sie die Momente T,, und T₇ kompensieren, reduzieren sich die obigen Gleichungen zu

(8)

"19 = · - 7 - "»π + (T₁ + T₄)

(H)I

Ohne Drehmomentkompensator 50 oder geschlossene Schleife 80 wäre T₂ — 0 und

T_H = -(Ty+ T₄)
,' _c(Vr+ T_h+ Ti+ T₅)

— τ-- <"i

r₇)

(M) (12)

(13)

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 Sättigungseffekte der Momente T₁ und T₄ ebenfalls wie angegeben gedämpft werden. Die Sättigungseffekte der Inertial-Störmomente Tb und Tj 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 88 im wesentlichen unverändert bleibt, wie es die Gl. (9) und (12) zeigen. Diese beiden Gleichungen unterscheiden sich nur in der Einführung des Störgliedes für T₄ und einer entsprechenden Dämpfung des Störgliedes für Tj, wenn die Kompensations-Regelschleife geschlossen ist.

Die F i g. 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 40 wirkt Bei dieser abgewandelten Ausführungsform bleiben die Gl. (7), (8) und (10) unverändert, während die Beziehung für ω_|7, die zuvor durch die Gl. (9) beschrieben wurde, nunmehr zur G!. (12) identisch wird. Alle anderen Parameter sind die gleichen, wie es für die F i g. 5, 6 und 7 angegeben wurde.

Es sei erwähnt, daß die Kreise in den F i g. 7 und 9 die gleichen Komponenten symbolisieren, die in F i g. 1 dargestellt und dort mit den in den F i g. 7 und 9 in den Kreisen enthaltenen Ziffern als Bezugsziffern versehen sind. Die ein £ enthaltenden Kreise bezeichnen in den Fig.7 und 9 Stellen, an denen eine algebraische Addition der zugeführten Signale stattfindet In den F i g. 7 und 9 bezeichnet Vecdie von den Sensoren 62 bis 67 gemäß F i g. 1 und V₇cdie von den Sensoren 72 bis 77 in F i g. 1 gelieferten Signale.

Der Hauptunterschied zwischen den Anordnungen nach den F i g. 5 und 8 besteht in der unterschiedlichen Wirkung des Drehmomentkompensators 50 auf die Rotoren. Die Anordnung nach F i g. 2 ist schematisch in den Fig.5 und 7 wiedergegeben. Hierbei wird das Kompensationsmoment + Ti dem Rotor 30 aufgeprägt, wogegen bei der Ausführungsform nach den F i g. 8 und 9 das Kompensationsmoment + Ti dem Gegenrotor 40 aufgeprägt wird.

Die Beziehungen zwischen den Momenten und den

elektrischen Signalen der Anordnung nach den F i g. 2 und 5 sind am besten in F i g. 7 veranschaulicht, zusammen mit der Tabelle der Symbole und den Gleichungen. Der Träger 10 übt das Drehmoment + Te auf äußere Bauelemente aus, mit denen die 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 + T₂ = 0 und es definiert die Gi. (11) die Moment-Beziehungen.

Wenn der Drehmomentkompensator 50 vorhanden ist, dann wirkt auf den Träger 10 ein negatives Drehmoment — T₂. In diesem Fall wird von dem Drehmomentkompensator 50 ein positives Drehmoment + T₂, das durch die Gl. (1) oder (7) repräsentiert wird, auf den Rotor 30 ausgeübt.

Äußere elektrische Signale + Vr werden dem Drehmomenterzeuger 20 zugeführt. Der Drehmomenterzeuger 20 liefert ein positives Drehmoment + Ti, das auf den Rotor 30 wirkt, und ein negatives Drehmoment — Ti, das auf den Gegenrotor 40 wirkt.

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

Die Momente -73 und +Tz sind zwischen dem Träger 10 und dem Rotor 30 vorhanden. Momente + Ts und — Ts wirken zwischen den beiden Rotoren 30 und 40. Die Momente — Tt und + T₄ sind zwischen dem Träger 10 und dem Gegenrotor 40 vorhanden.

Die Winkelgeschwindigkeit des Rotors 30 ist seinem Trägheitsmoment umgekehrt proportional und kann am besten als Funktion des Laplace-Operators 5, nämlich als 1 /JysS ausgedrückt werden. Die Winkelgeschwindigkeit coi 7 an der Drehachse des Rotors 30 ist daher als Funktion \/JwS dargestellt Parameter, die diese Winkelgeschwindigkeit enthalten, finden sich in den Gl. (3) und (9) sowie auch in Gl. (12) für den Fall, daß eine Kompensation durch den Drehmomentkompensator 50 fehlt, in welchem Fall + T₂ = 0 ist.

Die Winkelgeschwindigkeit des Gegenrotors 40 kann auf gleiche Weise als Funktion von l//soS ausgedrückt werden. Die Winkelgeschwindigkeit wig 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 ωπ wird vom Verstärker 81 verstärkt, der einen Verstärkungsfaktor A22 aufweist. In gleicher Weise wird die Geschwindigkeit wig vom Verstärker 83 mit dem Verstärkungsfaktor A₂* verstärkt Die den Verstärkungsfaktor Au bestimmenden Glieder sind aus Gl. (5) ersichtlich.

Das elektrische Korrektursignal Vtc wird zu dem elektrischen Korrektursignal Vjc algebraisch summiert Diese Korrektursignale kompensieren äußere Inertial-Momente, die auf die Rotoren 30 und/oder 40 ausgeübt werden. Die Summe der Signale Vfccund V^cwerden 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 86 erscheint

Die algebraische Summe der Signale auf den Leitungen 82, 84 und 86 bildet das Eingangssignal der Summier- und Kompensationsschaltung 87, die hier als

/CiCJi 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.

F i g. 9 ist eine schematische Darstellung der Momente und elektrischen Signale bei der Anordnung nach F i g. 8. Der Unterschied zwischen den F i g. 9 und 7

besteht darin, daß bei der Anordnung nach Fig.9 das von dem Drehmomentkompensator gelieferte Drehmoment + Γ2 auf den Gegenrotor 40 und nicht auf den Rotor 30 wirkt wie bei der Ausführungsform nach ") F > g. 7. Im Hinblick auf alle anderen Einzelheiten wäre die Beschreibung der Wirkungsweise mit iier anhand Fig. 7 gegebenen Beschreibung identisch und braucht daher nicht wiederholt zu werden.

Hierzu S BkUl Zeichnungen

Claims

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 Gegenrotor in Richtung der gemeinsamen Achse entgegengesetzt wirkende Drehmomente ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Träger (10) und dem Rotor (30) oder dem Gegenrotor (40) ein Drehmomentkompensator (50) angeordnet ist, daß mit den beiden Rotoren (30, 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) in Richtung der gemeinsamen Achse ausgeübten Drehmomente (+ 7*2, — T₂) eine solche Größe haben, daß die Summe aller während des Betriebs

auftretenden Drehmomente in Richtung der gemeinsamen Achse 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 in bezug auf ihre Drehachse (61') ansprechen, und zweite Geber (62 bis 67, 72 bis 77), die mit den Rotoren (30, 40) an deren Drehachsen (6Γ) gekoppelt sind und auf die Winkelgeschwindigkeit der Rotoren (30, 40) in bezug auf zwei zueinander und zu der Drehachse (6Γ) senkrechte Achsen (62', 62") zur Messung der Winkelbeschleunigung um die Drehachse (61') und der Linearbeschleunigung in Richtung der Drehachse ansprechen, umfassen.

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