Einrichtung zur elektrischen Fernübertragung der Drehstellung einer Geberwelle auf eine Empfängerwelle . Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Ein richtung zur elektrischen Fernübertragung der Dreh stellung einer Geberwelle auf eine Empfängerwelle.
Es gibt zu diesem Zweck z. B. die bekannten Synchron- (Selsyn-) Übertragungssysteme mit einem durch die Geberwelle verdrehbaren Synchrongeber und einem am anderen Ende des Übertragungskabels oder Funkweges angeordneten Synchronempfänger, deren Empfängerwelle automatisch synchron mit der Geberwelle verdreht wird.
Der Nachteil derartiger, an sich einfacher und vielverwendeter Synchronübertragungssysteme liegt darin, dass Amplitudenveränderungen einer Träger wechselspannung zur Informationsspeicherung (Dreh winkel a1) der Geberwelle dienen und dass diese Grössen sowohl auf Kabeln und noch viel mehr auf Funkwegen in oft nicht voraussehbarer Weise ver ändert werden. Aus diesem Grunde eignen sich die genannten Synchronübertragungssysteme in keiner Weise zur Überbrückung grösserer Distanzen.
Weil praktisch nur die Frequenz einer Wechsel spannung auch durch mangelhafte übermittlungs- wege nicht verändert wird, hat man bereits Systeme zur elektrischen Fernübertragung der Drehstellung einer Geberwelle auf eine Empfängerwelle aufgebaut, bei denen der Geber ein Wechselspannungsgenerator ist, dessen Ausgangsfrequenz in vorbestimmter Cha rakteristik von der Drehstellung der Geberwelle ab hängt und bei denen empfängerseitig eine elektrische, frequenzveränderliche Schaltungsanordnung vorhan den ist, deren Eigenfrequenz f 2 in derselben Charak teristik von der Drehstellung (j., der Empfängerwelle abhängt,
wie die Geberfrequenz f l von der Drehstel lung a1 der Geberwelle, wobei zur Verdrehung der Empfängerwelle im Sinne einer Gleichstellung mit der Geberwelle ein von der genannten Schaltungs- anordnung aus drehrichtungsgesteuerter Stellmotor vorhanden ist.
Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen, be kannten Fernübertragungssystems ist in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt.
Mit W1 ist die Geberwelle bezeichnet, welche durch ihren momentanen Drehwinkel a1 den Momen- tanwert einer zu übertragenden physikalischen Grösse kennzeichnet und bei ihrer Verdrehung auf frequenz- bestimmende Organe eines frequenzveränderlichen Wechselspannungsgenerators <B>01</B> verändernd einwirkt.
Dementsprechend ist die Frequenz f 1 der vom Generator<B>01</B> an den Eingang des Übertragungs kabels K abgegebenen Wechselspannung eine eindeu tige Funktion der Drehstellung a1 der Geberwelle W1.
Die am Ende des Übertragungskabels K durch einen vorzugsweise mit Pegelregulierorganen ausge statteten Verstärker EV verstärkte Empfangswech selspannung der Frequenz f1 wird einem Synchron motor<B>SM,</B> zugeführt, der die Aufgabe hat, seine Abtriebswelle mit der ihm zugeführten Frequenz f 1 zu drehen. Ein gleicher Synchronmotor SM2 erhält seine Speisewechselspannung der Frequenz f2 aus einem gleich wie der Generator<B>01</B> ausgebildeten Wechselspannungsgenerator 02.
Die Abtriebswellen der beiden Synchronmotoren <B>SM,</B> und SM2 bilden die Eingangswellen eines Differentialgetriebes DG, so dass die Drehgeschwindigkeit und die Drehrichtung der Ausgangswelle dieses Differentialgetriebes vor zeichenrecht der Differenz (fl-f2) der beiden Wellen drehzahlen, d. h. der Wechselspannungsfrequenz f1 und f2 entspricht.
Da die Ausgangswelle des Diffe rentialgetriebes DG die Verstellwelle des Generators 02 darstellt und dieser Generator genau gleich aus gebildet ist wie der Gebergenerator<B>01,</B> wird auto matisch eine Einstellung der Empfängerwelle W2 auf denjenigen Drehwinkel a2 erzielt, welcher dem Dreh winkel a1 der Geberwelle W1 gleich ist.
Voraussetzung dafür ist aber, dass die bei den Synchronmotoren über einen grösseren Fre quenzbereich genau als identische Synchronmotoren arbeiten. Diese Voraussetzung lässt sich aber mit den bekannten Synchronmotortypen nicht mit genügender Genauigkeit realisieren, indem diese Motoren bei Frequenzveränderungen ausser Tritt fallen. Aus diesem Grunde haben sich diese bekannten Fernübertragungssysteme nicht in grö sserem Mass durchgesetzt.
Gegenüber derartigen bekannten Fernübertra- gungssystemen ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die in ihrer Eigenfrequenz f2 durch Verdrehung der Empfängerwelle veränderbare elektrische Schaltungs anordnung eine passive Wiensche Brücke ist, deren einer durch die fernübertragene Geberwechselspan nung der Frequenz f1 gespeister Längszweig die durch Verdrehung der Empfängerwelle veränderbaren, die Abstimmungsfrequenz f 2 bestimmenden Impedanz glieder enthält und an deren Querzweig eine Wechsel spannung der Empfangsfrequenz f1 entsteht,
welche in Betrag und Phasenlage der Grösse und dem Vor zeichen der Differenz fl-f2 zwischen der Empfangs frequenz f1 und der eingestellten Abstimmfrequenz f2 entspricht, wobei diese Brückenausgangsspannung zur Drehrichtungssteuerung des Stellmotors verwendet wird.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Fig. 2, 3 und 6 der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigen Fig. 2 ein reines Blockschema; Fig. 3 ein etwas detailliertes Prinzipschema ; Fig. 4 das Brückenspannungsdiagramm einer Wienschen Brücke ; Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Spannungen<I>a, b,</I> c und d im Blockschema nach Fig. 2 ; Fig. 6 eine Anordnung zur Übertragung eines Drehwinkels, der sich über 36011 verändern kann.
Im Blockschema nach Fig. 2 ist wieder mit W1 die Geberwelle bezeichnet, deren Drehwinkel a1 fern übertragen werden soll. Sie bildet die Verstellwelle eines frequenzveränderlichen Wechselspannungsgene- rators <B>01,</B> der also an den Eingang des Übertragungs kabels K, bzw. eines Funkkanals eine Wechselspan nung abgibt, deren Frequenz f 1 in vorbestimmter Charakteristik von der Drehstellung a1, der Geber welle W1 abhängt.
Die am Ende des Übertragungskabels K1 abgege bene Empfangswechselspannung der Frequenz f1 wird in einem Verstärker EV verstärkt und mit Vor teil durch an sich bekannte Pegelbeeinflussungsmittel auf eine wählbare Pegelhöhe eingestellt, so dass die Ausgangsspannung a des Verstärkers EV eine gleich bleibende, einstellbare Amplitude und eine veränder liche Frequenz f 1 aufweist.
Diese verstärkte Empfangswechselspannung der Frequenz f l wird nun einer in ihrer Eigenfrequenz f 2 durch Verdrehung der Empfängerwelle W2 beein- flussbaren passiven Wienschen Brücke FD zugeführt, die einen Frequenzdiskriminator darstellt, dessen Ausgangsspannung b durch ihre Grösse und Phasen lage die Differenz fl-f_2 zwischen der Empfangsfre quenz f l und der momentan eingestellten Eigenfre quenz f, der Wienschen Brücke FD kennzeichnet.
Die Empfangswechselspannung a wird auch einem Phasenschieber P zugeführt, der eine gegenüber der Spannung a um 900 phasengedrehte Wechselspan nung c der Empfangsfrequenz f1 abgibt.
Die Spannungen c und b sind die Eingangsspan nungen eines phasengesteuerten Gleichrichters D, durch welchen die Imaginärkomponente der Span nung b vorzeichengetreu gleichgerichtet wird, wäh rend die Realkomponente des Brückenausgangs b keinen resultierenden Gleichspannungsanteil ergibt.
Es wird also die Gleichspannung d am Ausgang des Gleichrichters durch ihren Absolutwert die Grösse und durch ihre Richtung das Vorzeichen der genann ten Frequenzdifferenz f 1-f _, kennzeichnen, wobei diese Gleichspannung d den Wert Null annimmt, wenn die Eigenfrequenz f 2 der Frequenzdiskrimina- tor-Brücke FD mit der Frequenz f l der Empfangs spannung a übereinstimmt.
Diese Gleichspannung d dient nun zur Drehrich- tungssteuerung einer bei konstanter Betriebsfrequenz f", arbeitenden Nachlaufmotoranordnung, deren Mo tor Mot den Stellmotor für die Empfängerwelle W., darstellt, während der zugehörige Generator Gen der Stabilisierung dient. Diese Nachlaufmotoranordnung Mot-Gen wird von einem Generator G", erregt, der eine Wechselspannung c der vorgesehenen Motor betriebsfrequenz im z. B. 50 Hz oder 400 Hz er zeugt.
In einem Modulator M wird die Steuergleich spannung d mit Hilfe der Spannung e in eine ent sprechend grosse Steuerwechselspannung der Motor betriebsfrequenz h umgewandelt, wobei die Phasen lage dieser Spannung h um 180o gedreht wird, wenn das Vorzeichen der Gleichspannung d wechselt. Im Nachlaufverstärker NV wird die Summe der Span nungen h und g (Ausgangsspannung des Stabilisie- rungsgenerators Gm) verstärkt und als Steuerspan nung i dem Motor Mot zugeführt.
Je nach der Grösse und Phasenlage der Spannung i verdreht der Stell motor Mot seine Antriebswelle W. in der einen oder anderen Richtung, bis die Eigenfrequenz f2 der Fre- quenzdiskriminatorbrücke FD mit der Empfangs frequenz f1 übereinstimmt.
Da vorausgesetzt ist, dass die Eigenfrequenz f2 der Brücke FD in genau gleicher Charakteristik vom Drehwinkel a2 der Empfängerwelle W2 abhängt wie die Geberfrequenz f l vom Drehwinkel a1, ergibt sich automatisch ein dauernder Gleichlauf der Wellen W1 und W2.
Das Blockschema nach Fig. 2 ist in Fig. 3 in de taillierter Form dargestellt. In dieser Fig. 3, wie übri gens auch in Fig. 6, sind elektronische Verstärker stufen mitVl---V6,Übertrager mit Ul---U6und deren Wicklungen mit kleinen Buchstaben, z. B. u11, u12 bezeichnet, während Festwiderstände und unverän- derliche Kondensatoren ohne Hinweiszeichen durch die üblichen Schaltsymbole gekennzeichnet sind.
Es ist aus dieser Fig. 3 deutlich zu ersehen, dass der Gebergenerator<B>01</B> ein RC-Generator ist, dessen Ausgangsfrequenz f 1 durch eine Wiensche Brücke bestimmt wird, die in ihrem einen Längszweig hinter einander eine Widerstandskapazitäts-Serieschaltung und eine Widerstandskapazitäts-Parallelschaltung ent hält, während ihr anderer Längszweig aus zwei fre- quenzunabhängigen Gliedern, nämlich einem Fest widerstand R1 und einem Kaltleiterwiderstand R. be steht.
Die beiden Kapazitäten der frequenzabhängigen Brückenzweige sind einander gleich und haben kon stante Werte, während die Widerstände dieser Zweige aus unter sich gleichen Drehwiderständen Rd be stehen, deren Schleifkontakte parallel zueinander von der Geberwelle W1 aus miteinander verdreht werden, so dass die wirksamen Widerstandswerte einander stets gleich sind.
Bekanntlich ist die Abstimmfrequenz einer derartigen Wienschen Brücke durch das Pro dukt RC bestimmt und der Verstärkerteil V1 des Oszillators <B>01</B> gibt eine Wechselspannung der ent sprechenden Frequenz f1 ab.
Die Ausgangsspannung des Geber-Oszillators <B>01</B> bzw. des Verstärkers V1 wird über einen Übertrager U1 an das Übertragungskabel K und von diesem über einen Übertrager U" an einen die beiden Verstärker stufen V. und V3 enthaltenden Eingangsverstärker EV übertragen.
Mit Hilfe einer Spannungsteileranordnung T zwi schen den Verstärkerstufen V2 und V3 des Empfangs verstärkers EV oder anderen bekannten Mitteln kann die Amplitude der Empfangsspannung a, d. h. die Ausgangsspannung des Verstärkers EV, auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Die Spannung a an der Wicklung u31 des Ausgangsübertragers U3 des Empfangsverstärkers EV wird in einen Kapazi- tätswiderstandsteiler P um 900 gedreht und in einer zugehörigen Verstärkerstufe V-1 auf den Wert c ver stärkt. Die Sekundärwicklung u32 des Übertragers U.S enthält einen geerdeten Zwischenabgriff und lässt an ihren Enden gegenphasige Spannungen im Ampli- tuden-Verhältnis 2 :1 entstehen.
Diese derart unterteilte Sekundärwicklung stellt zugleich den im Verhältnis 2: 1 unterteilten rein ohm'schen Längszweig einer passiven Wienschen Brücke FD dar, deren frequenzabhängiger zweiter Längszweig genau identisch wie der bereits beschrie bene Brückenzweig des Gebergenerators<B>01</B> ausgebil det ist.
Am Brückenausgang entsteht gegen Erde eine Wechselspannung<I>b</I> der Empfangsfrequenz<I>f</I> l <I>,</I> die in der Verstärkerstufe verstärkt und über den Übertrager U;, in dem Ringgleichrichterkreis D ein gespeist wird, dem über den Übertrager U.4 von der Verstärkerstufe V1 die Referenzwechselspannung c zugeführt wird, so dass zwischen den Klemmen Dl und D2 eine Gleichspannung d entsteht,
deren Rich tung von Vorzeichen und deren Wert von der abso luten Grösse der Frequenzdifferenz fl-f2 abhängt. Unter Bezugnahme auf die Diagramme der Fig. 4 und 5 wird im folgenden eingehend die Wirksamkeit des Frequenzdiskriminators FD des Phasenschiebers P und des Gleichrichters D erläutert.
Der zeitliche Verlauf der Wechselspannung a, die am Ausgang des Empfängerverstärkers EV ent steht, ist in Fig. 5a durch die ausgezogene Kurve a dargestellt. Die um 900 phasengedrehte Spannung c ist ebenfalls in Fig. 3a als gestrichelte Kurve c ein gezeichnet. Die Rechteckkurve d zeigt an, in wel cher Richtung der durch die Spannung c gesteuerte Gleichrichter D jeweils offen ist.
In Fig. 4 bedeutet Bj die Imaginärachse und Br die reelle Achse eines komplexen Koordinaten systems, in welchem die Ausgangsspannung b des Frequenzdiskriminators FD vektoriell eingezeichnet ist. Die Spitzen des Vektors b für verschiedene Fre- quenzdifferenzen f1 f2 liegen auf einem Kreis, der die reelle Achse Br bei den Werten O und a/3 schnei det.
Der Punkt Null entspricht dabei der Frequenz differenz O und der Punkt a/3 gilt für die Fälle, dass f l die Werte O oder oo annimmt, während im ober halb der Achse Br liegenden Teil des Kreises die Differenz fl-f2 positiv und im unteren Teil negativ ist.
In Fig. 5b sind die Spannung b, ihre reelle Kom ponente br und ihre Imaginärkomponente bj (siehe Fig. 4) in ihrem zeitlichen Verlauf aufgezeichnet. Die sich im Gleichrichter D ergebenden gleichgerichteten Komponenten br sind bj und in Fig. 5c dargestellt.
Es zeigt sich, dass nur die Imaginärkomponente b j der Brückenausgangsspannung b zur Gleichspannung d beiträgt, deren Richtung und Grösse also eindeutig dem Vorzeichen und der Grösse der Differenz fl-f2 entspricht und die den Wert Null hat, falls die Emp fangsfrequenz f1 und die Abstimmungsfrequenz f2 der Wienschen Brücke FD einander gleich sind.
Diese Gleichspannung d wird nun gemäss Fig. 3 im Modulator M, der durch eine Wechselspannung e der festen Motorbetriebsfrequenz fm aus dem Gene rator Gin über den Übertrager U6 gesteuert wird, in eine am Übertrager U7 entstehende Steuerspannung h der betreffenden unveränderlichen Motorbetriebs frequenz umgewandelt, wobei die Amplitude dieser Spannung der Momentangrösse der Gleichspannung d proportional ist, während ihre Phasenlage um 1800 gedreht wird, wenn die Gleichspannung d ihr Vor zeichen umkehrt.
In an sich bekannter Weise sind dem auf der Empfängerwelle W2 sitzenden Rotoren des Motors Mot und des Generators Gen je eine Erregerwicklung re bzw. ge zugeordnet, die an den Ausgang des fre- quenzfesten Generators Gm angeschlossen sind und also an der Spannung e liegen.
Die Steuerwicklung<I>ms</I> des Motors Mot bzw. die Ausgangswicklung gs des Generators Gen sind je um 900 gegen die zugeordnete Erregerwicklung gedreht. Bei Verdrehung der Welle W2 in der einen Dreh richtung entsteht an der Ausgangswicklung des Ge- nerators Gen eine Wechselspannung g der Motor betriebsfrequenz (Generator Gm), deren Amplitude der Drehgeschwindigkeit der Welle W2 proportional ist und deren Phasenlage von ihrer Drehrichtung ab hängt.
Die Summe der Spannungen h und g wird im Verstärker NV verstärkt und als Steuerspannung i der Steuerwicklung<I>ms</I> des Motors Mot zugeführt, wobei der Motor Mot die Welle W2 je nach Grösse und Phasenlage der Spannung i im Sinne einer Re duktion der Steuerspannung i auf den Wert O ver dreht, indem die Eigenfrequenz f2 des Frequenz- diskriminators FD auf den Wert der Empfangsfre quenz f l eingestellt wird.
Auf diese Weise wird also der Drehwinkel a, der Geberwelle W, elektrisch auf die Empfängerwelle W, übertragen.
Die neuartige Anwendung der beschriebenen passiven Wienschen Brücke, die identisch ist mit dem Abstimmkreis des Gebergenerators als frequenzdiskri- minierendeSchaltungsanordnung und die beschriebene phasenabhängige Gleichrichtung der Brückenaus gangsspannung b ergibt gegenüber bekannten Syste men den wesentlichen Vorteil, dass eine Steuergleich spannung d gewonnen wird, deren Wert Null ist,
wenn die Eigenfrequenz f2 des Diskriminators FD gleich der Generatorfrequenz f l ist und die bei Fehl abstimmung dem Vorzeichen und der Grösse der Fre- quenzdifferenz f l-f 2 entspricht. Eine derartige Steuer spannung eignet sich sehr gut zur Drehzahl- und Drehrichtungssteuerung eines bei konstanter Betriebs frequenz arbeitenden Stellmotors für die Empfänger welle W.,.
Ausser der beschriebenen, an sich bekannten und bewährten stabilisierten Nachlaufmotoranordnung könnte auch ein Gleichspannungsmotor oder ein durch elektrische Ventile gesteuerter, hydraulischer oder pneumatischer Stellmotor für die Empfänger welle W2 verwendet werden. Alle derartigen Stell motoren arbeiten wesentlich zuverlässiger und ge nauer als Synchronmotoren.
In Fig. 6 ist eine Anordnung zur Übertragung von Drehwinkelwerten dargestellt, welche sich über einen Bereich von 3600 ändern können. Weil keine brauchbaren Drehwiderstände bekannt sind, die über 3600 Drehbereich ausgenutzt werden können, ist hier vorgesehen, dass zwei Geberoszillatoren 01 und 01' vorhanden sind, deren Drehwiderstandspaare Rd und Rd' von derselben Geberwelle WI aus verstellt wer den. Dabei sind die Abgriffkontakte des zweiten Drehwiderstandspaares Rd' gegenüber denjenigen des ersten Paares Rd um 1800 verdreht.
Auf den beiden Kabeln K und K' werden also zwei verschiedene Fre quenzen fl und f1' übertragen, die je für sich über die Empfänger-Verstärker EV und EV', die Wien scheu Brücken FD und FD', die Phasenschieber P und P' und die Gleichrichter D und D' in Steuer spannungen c und c' umgewandelt werden. Die Wienschen Brücken FD und FD' entsprechen wieder vollständig denjenigen der Gebergeneratoren 01 bzw.
01', wobei auch wieder beide Paare von Drehwider ständen von derselben Empfängerwelle W., aus ver stellt werden und die drehbaren Abgriffskontakte des einen gegenüber denjenigen des anderen Paares um 180,1 versetzt sind.
Eine von der Welle W., aus angetriebene Nocken scheibe N betätigt einen Umschaltkontakt Su derart, dass in Abhängigkeit von der Drehstellung a. der Welle W2 jeweils die eine oder die andere der Gleich spannungen c bzw. c zum einzigen Modulator M übermittelt wird, wobei die dem Modulator M nach folgenden Organe des Motor-Generator-Nachlauf- systems auch nur einmal vorhanden sind und in Aus bildung und Wirkung vollständig den entsprechenden Organen von Fig. 3 entsprechen.
Auf diese Weise wird es möglich, auch Drehwin kel al, die sich über einen Bereich von 360 Winkel graden verändern, störungsfrei zu übertragen, weil abwechslungsweise entweder das obere oder das un tere Geber-Empfangs- und Diskriminiersystem wirk sam werden. Es können auch die genannten Teile des Übertragungssystems mehr als zweimal vorhanden sein.
Das beschriebene Fernübertragungssystem für Wellendrehstellungen ist im Gegensatz zu den bekann ten Synchron- (Selsyn-) Übertragungssystemen auch für unbeschränkt lange Übertragungswege brauchbar.