DE2241750A1 - Regelungs- und steuerungssystem fuer traegheitsarme gleichstrommotoren - Google Patents

Description

Regeluttgs- und Steuerungssystem für trägheitsarme Gleichstrommotoren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Regelungs- und Steuerungssystem für trägheitsarme Gleichstrommotoren und insbesondere für Motoren, die in Magnetbandeinheiten für Datenverarbeitungsanlagen verwendet werden. Die Erfindung bezieht sich dementsprechend auf ein Regelungssystem zum Starten und Anhalten eines trägheitsarmen Gleichstrommotors unter konstanter Beschleunigung und zum Antreiben dieses Motors mit einer konstanten vorausbestimmten Ge~ schwindigkeit, wobei zumindest ein Verstärker, der mit einer negativen Rückkopplung ausgerüstet ist und einen Eingangsknotenpunkt sowie eine Ausgangsklemme für einen Speisestrom zum Motor besitzt,- eine Impulse mit einer Polgefrerjuenz proportional der Motorgeschwindigkeit liefernde taohometrische Vorrichtung und eine Komparatorsohaltung zur Lieferung von zumindest einem Fehlersignal proportional der Differenz zwischen der Periode dieser Impulse und einer Bezugsperiode vorgesehen sind.

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Es ist bekannt, daß Magnetbandeinheiten eine Anzahl von mechanischen Operationen für die Handhabung des Magnetbandes vorsehen müssen, d. h.

a) das Band mit einer konstanten, sehr genau geregelten Geschwindigkeit während der Lese- und Aufnahmearbeitsweise anzutreiben, wobei der Antrieb entweder in der Vorwärtsoder in der Rückwärtsrichtung erfolgen kann}

b) das Band zu starten und es auf die geforderte Geschwindigkeit in einer sehr kurzen Zeit zu bringen}

c) die Bewegung des Bandes zu stoppen und

d) das Band mit einer Höchstgeschwindigkeit zurtiokzuspulen.

Da das Band bei unsachgemäßer Handhabung beschädigt werden kann, darf es nioht unnötigen Beanspruchungen unterworfen werden, Deshalb müssen die mit dem Starten, Anhalten und mit der Hochgeschwindigkeitsrückspulung verbundenen Beschleunigungen genau gesteuert und innerhalb vorausbestimmter Grenzen gehalten werden.

Bei den modernen Bandeinheiten wird das Band durch eine einzelne Antriebsrolle angetrieben, um dessen Umfang das Band teilweise gewunden ist. Zwei Luftunterdruckkammern auf beiden Seiten der Antriebsrolle sorgen für eine ausreichende Spannung des Bandes, um ein Kutschen zu vermeiden, und stellen zur gleichen Zeit Puffereinrichtungen dar, die zwischen der abwiokelnden und der aufwickelnden Spule und der Antriebsrolle eingebaut sind.

Die Antriebsrolle wird durch einen trägheitsarmen Motor angetrieben, der duroh geeignete Regelschaltungen gesteuert wird.

Die Geschwindigkeitssteuerung wird gewöhnlich duroh Einrichtungen eines geschlossenen Regelkreises erhalten, der im allgemeinen ein Dynamotachometor und einen Verstärker enthält.

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Diese Anordnung hat Nachteile, die in Unstabilität und Hochfrequenzschwingungen resultieren, die auf dem Rauschen, die das durch das Dynamotachometer erzeugte Signal beeinflussen, und auf der ilesonaxf requenz des Systems beruhen, das den Dynamo, den Motor und die Antriebsrolle umfaßt.

Solche Nachteile können im wesentlichen durch ein Absenken der, größten Frequenzganges des in den Regelkreis eingeschlossenen Verstärkers umgangen werden, aber diese Maßnahme verursacht ein Atiwachsen der Einschwingzeit des Steuerungssystems.

Die Regelung der Start- und Stoppoperationen, die für die Speisung des Motors im wesentlichen einen Gleichstrom von konstantem "wert erfordern, wird gewöhnlich erhalten entweder durch Verwendung von Sattigungsverstarkem, d. h. von Verstärkern, die keinen größeren Strom als einen festgesetzten Wert liefern können, in der Stouorungsschaltung, oder durch Verwendung eines zweiten Regelkreises, um den Speisestrom des Motors zu regeln.

Auf jeden Fall müssen Auswahleinriehtungen vorgesehen sein, um die Steuorun/r des Systems entweder durch eine Spannungssteuerungsvorrichtun.;: oder durch eine Stromsteuerungsvorrichtung gemäß den Erfordernissen zu erreichen. Genauer gesagt müssen Schal— tungseinrichtungen vorgesehen sein, um das Stromsteuerungssystem während der Beschleunigungsphase, d.h. bis eine Geschwindigkeit genügend nahe der konstanten Lese— und Aufnahmegeschwindigkeit erreicht ist, und während der Bremsphase zu betätigen, d.h. bis der Motor gestoppt ist. Während der Lese- und Aufnahmephase müssen diese Schaltungseinrichtungen die Steuerungsschaltung für konstante Geschwindigkeit betätigen.

Diese Schaltungaeinrichtmigen -tragen yohr zu der Koploxität und den Kosten dos ganzen Systems bei.

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Diese Unannehmlichkeiten werden durch das Steuerungssystem nach der Erfindung umgangen, bei dem die Stromsteuerungsschaltung automatisch zur Begrenzung des Stromes in der Startphase eingeschaltet wird, um auf diese Weise ihre Funktion anstelle der Geschwindigkeitssteuerungsschaltung einzusetzen. Während der Bremsphase arbeitet das Stromsteuerungssystem in einem festgesetzten Zeitintervall und wird danach abgeschaltet.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) Eine zwei Fehlersignale von entgegengesetzter Polarität und von gleichem Spannungswert liefernde Komparatorschaltungj

b) eine Geschwindigkeitssteuerungseinrichtung zum wahlweisen Anlegen eines ersten Fehlersignals von diesen beiden Fehlersignalen an den Eingangäcnotenpunkt eines einzelnen doppelrichtenden Differentialverstärkers über einen ersten Widerstand von geeignetem Wert, wobei der sich ergebende Geschwindigkeitsregelkreis eine Gesamtspannungsverstarkung von im wesentlichen ungefähr eins besitzt;

c) eine Einrichtung zum wahlweisen Anlegen eines Strombegrenzungssignals proportional dem Motorspeisestroin über einen zweiten Widerstand von geeignetem Wert an den Eingangsknotenpunkt, wobei der sich ergebende Stromregelkreis eine Gcsamtspannun; ^verstärkung besitzt, die wesentlich großer als eins ist;

d) eine SchweJlwerteinrichtung zum Anlegen dieses Stronibegrenzungsüigna] s an den Uingangskuutenpunkt, immer v.ciin das Stroinbegrunzungssignal einen absoluten Wert größer n.1 s ein vorausbes I :i iiüiter Sohwellwert besitzt, um die StroiiilH-grenzungscinj Lfliiiing unwirksam zu machen, immer wenn die dn-

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BAO ORIOINÄt

schwindigkeit des Motors genügend nahe dem durch den Geschwindigkeitsregelkreis geregelten konstanten Geschwind igkeit swert erreicht hatj

e) eine Einrichtung' zum Anlegen eines zweiten Fehler signals von diesen beiden Fehlersignalen anstelle des ersten an den Eingangsknotenpunkt als Antwort auf ein Stoppsignal $ um ein Strombegrenzungssignal während der Verzögerung des Motors hervorzurufen, und

f) eine Einrichtung zum Abschalten dieses zweiten Fehler-» signals nach einer vorausbestimmten Zeit Bach' dem Stoppsignal.

Das System nach der Erfindung "besitzt den Vorteil_s äsiß es die Vewendung von geschwindigkeit sanzeigencSen Vorrichtungen, und zwar von anderen als das Dynamotachometer erXaUDt₉ so z„ B₀ den Frequenz-Spannungs-Wandler«, der in der ie«tsehen Patent« anmeldung P 22 10 026.1 beschrieben ist₀

Diese geschwindigkeitsanzeigende Vorrichtung besitzt dien Vor= teil, daß die in die Gescfawindigkeitssteiaerungsschaltisng einge= führten Rauschstörungen in wesentlichen abgeschwächt weröen und deshalb ein einzelner Verstärker sowohl für die ßesohwindigkeitsals auch für die Stromsteuerimgsscoaltimgen verwendet werden kann. Dieser Verstärker besitzt einen großen Frequenzgang, um so eine sofortige Regelungswirkung ohne jede Gefahr von selbsterregten Schwingungen su e rl au TbOM₀

Gemäß einem anderen Merliiaal der Erfiaduüg emttiäit clas Steueruai system einen einzelnen Regelverstärker„

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfiraöraag sc-lilisßt öie Strorasteuerungsschaltung eine passive Diodei2«Iiiäeri3taHi©=Solialtung ein, die einen genau einstellbaren Bereioti besitzt^ dl©r keinen Frequenzgang aufweist.

O= © CCJ

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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind nachstellend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Blockschsltplan des Steuerungssystems nach der Erfindung}

Fig. 2 einen vereinfachten Verdrahtungsplan des nach der Erfindung verwendeten Verstärkers;

Fig. 3 einen vereinfachten Blockschaltplan des Geschwindigkeitsregelkreises nach der Erfindung;

Fig. h einen Verdrahtungsplan der strombegrenzenden Schaltung, d.h. des Beschleunigursgsregelkreises nach der Erfindung;

Fig. 5 einen Dlockschaltp'au der logischen Steuerungsschaltung nach der Erfindung·

Die Zeichnung auf der linken Seite von Fig. 1 zeigt in schematischer Form eine typische Magnetbandeinheit, in der das Steuerungssystem nach der Erfindung geeignet angewendet werd en kann.

Es sind nur die mit dem Bandantrieb zusammenhängenden Vorrichtungen dargestellt, da diese für ein besseres Verständnis der Erfindung sachdienlich sind.

Die mechanischen Teile dor Antriebsvorrichtung sind auf einer Frontschalttafel 1 angebracht und umfassen zwei Spulen 2 und 3, die alternativ als Aufwickel- und Umwickelspule gemäß der Richtung der Bewegung des Magnetbandes arbeiten. Das Nagnetband lauft unter einem Lese— und Aufnahmekopf k entlang, und seine Bewegung wird durch eine Antriebsrolle 5 bewirkt, um das das Band

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teilweise gewunden ist. Zwei Luftunterdruckkammern 6 und 7 sorgen für eine geeignete Spannung des Bandes, um ein Rutschen zu vermeiden und um den wirkungsvollen Antrieb des Bandes auch unter passender Beschleunigung sicherzustellen. Zusätzlich sorgen die Luftunterdruckkammern für die Unterbringung von Bandschleifen genügender Länge, um so die Spulen von der Notwendigkeit zu befreien, den Änderungen in der Bandbewegung sofort zu folgen.

Die Luftunterdruckkammern 6 und 7 sind mit geeigneten Abtasteinrichtungen 8 und 9 versehen, die die Länge der Bandschleife abtasten und den spulenantreibenden Motoren 10 und 11 ein geeignetes Signal liefern, um die Länge der Bandschleife bei einem Mittelwert unabhängig von der Geschwindigkeit des Bandes zu halten.

Das Band wird von den Rollen 12, 13, Ik₁ 15 gehalten und geführt, die im wesentlichen Reibung und Abrieb vermeiden.

Das Band wird wie bereits erwähnt von der Antriebsrolle 5 angetrieben, die fest auf der ¥elle eines trägheitsarmen Gleichstrommotors l6 angeordnet ist, der eine getrennte konstante Erregung besitzt.

Es ist bekannt, daß das Drehmoment eines konstant erregten Gleichstrommotors proportional des Speisestromes ist und daß bei gleichbleibendem Zustand die Umlaufgeschwindigkeit von der Speisespannung abhängt.

Wenn das Lastdrehmoinent vernachlässigbar klein und das Trägheitsmoment des Umlaufsystems konstant ist, dann ist die Beschleunigung oder Verzögerung des Motors proportional dem Speisestrom.

Die Geschwindigkeit des Bandes kann deshalb durch Regelung der

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Speisespannung gesteuert und bei einem vorgeschriebenen Wert gehalten werden, und die Beschleunigung oder Verzögerung, der das Band während der Start- und Bremsphase unterworfen ist, kann durch Regelung des Speisestromes gesteuert werden.

Darüber hinaus setzt ein Starten und Bremsen des Motors bei einem konstanten Beschleunigungszustand die Start- und Bremszeiten bei einer gegebenen Band spannung auf ein Minimum herab, um so die Arbeitsleistung der Magnetbandeinheit zu verbessern.

Die Spannungs- und Stromregelung wird erfindungsgemäß durch die auf der rechten Seite der Fig, I schematisch dargestellte Schaltung erhalten.

Der Motor 16 wird durch einen Verstärker 17 gespeist, der z.B. eine erste Vorverstärkerstufe und eine zweite Leistungsstufe enthält.

Der Vorverstärker kann geeigneterweise aus einem Operationsverstärker bestehen und die ganze Verstärkervorrichtung ist mit einer geeigneten Rückkopplung über einen Widerstand 18 ausgerüstet. Der Verstärker 17 versorgt den Motor 16 mit einer positiven oder negativen Speisespannung, was ganz von dem an dem Eingangsknotenpunkt 19 angelegten Steuersignal abhängt.

Ein Impulsgenerator 20, der Impulse mit einer Folgefrequenz proportional der Umlaufgeschwindigkeit des Motors liefert, ist dem Motor Ib zugeordnet. Die Impulsfolgeperiode wird mit einer Bezugsperiode durch die ein Fehlersignal erzeugende Schaltung 21 verglichen, wobei die Bezugsperiode der geforderten Motornenngeschwindigkeit entspricht.

Die ein Fehlersignal erzeugende Schaltung 21 kann irgendein Signal von zwei symmetrischen, positiven oder negativen

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Spannungssignalen liefern, die die Differenzen zwischen der gemessenen Periode und der Bezugsperiode repräsentieren. Dieses Fehlersignal wird über eine Zuleitung 22 oder 23 und den Widerständen 24 oder 25 an den Eingangsknotenpunkt 19 und damit an den Regelverstärker 17 angelegt, um so die Regelung der von dem Verstärker gelieferten Spannung zu besorgen_o Entweder wird das positive oder das negative Signal an den Eingang gemäß der geforderten Umlaufrichtung des Motors angelegt«

Die Auswahl des an den Motor.16 anzulegenden Signals wird durch eine logische Steuerungsschaltung 26 gesteuert, die z„B_e mit zwei Eingängen 2? und 28 ausgerüstet ist, um jeweils ein erstes binäres Signal zur Steuerung des Bewegungs- oder des Ruhezustandes und ein zweites binäres Signal zur Kennzeichnung der geforderten Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung der Bewegung anzulegen.

Der Verstärker 17, der Motor 16, der Impulsgenerator 2O₅ der Fehlersignalgenerator 21 und die Widerstände 24 oder 25 bilden einen geschlossenen Regelkreis für die Geschwindigkeit des Motors.

Der Motorspeisestrom geht durch den Widerstand 29 hinduroli_? der in Reihe mit der Rotorwicklung geschaltet ist, so daß die Spannung an Widerstand 29» die hiernach durch e^ gekeiinzeiohnet wird, folglich proportional dem Strom und deshalb dem Drehmoment und der Beschleunigung des Motors ist. Diese Spannung wird über ^rine passive Schwellwertschaltung an den Eingangsknotenpunkt 19 angelegt und bildet für das System einen zweiten geschlossenen Regelkreis zur Steuerung des Stromes und folglich der Beschleunigung.

Dieser Stromregelkreis wird, wie erst später erläutert wird, automatisch zu- und abgeschaltet, wie es gerade während der Start- und Bremsphase gefordert wird und stört nicht

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den Spannungsregelkreis während der Arbeitsweise bei konstant geregelter Geschwindigkeit.

Auf der anderen Seite stört während der Start- und Bremsphase die Regelungsschaltung für die Geschwindigkeit nicht merklich die Stromregelungsschaltung.

Das Steuerungs- und Reglungssysi?em wird durch eine Schaltung 31 für Ilochgeschwindigkeitsumspulung vervollständigt. Indem diese Schaltung auf ein an Anschluß I3I angelegtes Rückspul— steuersignal anspricht, legt die Schaltung an einen mit dem Eingang des Verstärkers 17 verbundenen Widerstand 132, d.h. an den Eingangsknotenpunkt 19j eine Spannung an, die anfänglich mit im wesentlichen linearer Steigung anwächst und danach konstant bleibt, um so den Motor i6 anfänglich mit konstanter Beschleunigung und danach mit einer vorher festgesetzten Riickspulgeschwindigkeit anzutreiben.

Eine detaillierte Beschreibung dieser Schaltung ist für das Verständnis nicht erforderlich und unterbleibt deshalb.

Als weitere Verbesserung ist der Verstärker 17 mit einer Schwellwertschaltung 32 ausgerüstet, die für einen Spannungsbereich um die Null spannung sorgt, der keinen Frequenzgang aufweist, um die Antriebsrolle 5 von langsamen Umdrehungen in Erwiderung auf Verstärkerdrift oder Rauschen während des Ruhezustandes zu hindern, ti. h., wenn der Eingangsknotenpunkt 19 nicht gespeist wird. Diese Schaltung ist jedem in dieser Technik bewanderten Fachmann vertraut und wird hier nicht beschrieben.

Hiernach werden die das System zusammenstellenden Einheiten detaillierter betrachtet.

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Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verstärkers 17. Es enthält einen Differential-Vorverstärker 50 mit holier Verstärkung, dessen nichtin vertierender Eingang mit Erde verbunden ist und dessen invertierender Eingang 51 als Eingangsanschluß verwendet wird. Deshalb arbeitet der Verstärker als Umkehrverstärker, d. h. bei positiver Eingangsspannung am Eingang wird eine negativ verstärkte Ausgangsspannung und umgekehrt geliefert.

Solche Verstärker sind als integrierende Schaltkreise käuflich erhältlich und werden von einer Anzahl von Herstellern.angeboten, und deshalb sind w&tergehende Angaben darüber für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig.

Die von dem Verstärker an der Ausgangsklemme 52 gelieferte Spannung wird über einen Widerstand 55 an einen Leistungsverstärker angelegt, der Transistoren und Widerstände enthält, wie der in Fig. 2 dargestellte Verstärker. Seine Aufgabe besteht nicht darin, die Eingangsspannung zu ändern, sondern nur einen Strom von einer Stärke zu liefern, der für den Antrieb des Motors geeignet ist. Deshalb sind die verwendeten Transistoren für diese Aufgabe geeigneterweise als Emitterfolger zusammengeschaltet, und die den Motor an der Ausgangsklemme ^h des Verstärkers gelieferte Spannung ist im wesentlichen gleich der Eingangsspannung an Klemme 52. Die Spannungsverstärkung wird deshalb nur von dem Differentialverstärker 50 vorgenommen, und der Leistungsverstärker 53 kann so lange unberücksichtigt bleiben, wie die Spannungsverstärkung diskutiert wird.

Ein Rückkopplungswiderstand 18 von geeignetem Wert verbindet die Ausgangsklemme 5^t mit der Eingangsklemme 51·

Es ist bekannt, daß die resultierende Verstärkung, wenn ein Differentialverstärker eine Spannungsverstärkung und eine genügend hohe Eingangsimpedanζ besitzt und wenn ein Ein-

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gangssignal an den invertierenden Eingang über einen Eingangswiderstand angelegt wird, mit genügender Annäherung durch A^lat -^Rf/^R _a gegeben ist, wobei R- der Rückkopplungswiderstand und U_n der Eingangswiderstand ist.

el

Dieses Ergebnis wird durch Anwendung des 1. Kirchhoffsehen Gesetzes auf den Eingangsknotenpunkt 19 leicht erhalten, wenn die Eingangsimpeuanz des Verstärkers mit unendlich und die Spannungsabweichung der Eingangsklemme 51 von Erde vernachlässigbar klein angenommen wird. Die Summe der zusammelaufenden Ströme an dem Eingangsknotenpunkt muß dann Null sein, d,h| wenn e die Ausgangsspannung und e. die an den Eingang über U_n angelegte

ι a

Spannung ist, nuß gelten

e = eji-RfJAa .

Diese Gleichung, die z.B. besser in dem Buch von Milan & Taub, "Pulse Digital and Switching Waveform", herausgegeben von MoCraw-IIi 11, 1965, Kapitel 1 bis 8 erklärt wird, ist wichtig, weil man mit ihrer Hilfe die Antwort des Verstärkers in dem Fall kennt, daß eine Vielzahl von Eingangssignalen über verschiedene Eingangswiderstände angelegt werden.

In diesem Fall ergibt sioh

^eil/^Rai ^{+ e}i2/^Ra2 ^{+ e}i3^/Ua3 ⁺ ·" ^{+ e}i oder

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Das ist der Fall des beschriebenen Systems, bei dem verschiedene Signale (Fig. 1), die durch die Strombegrenzerschaltung 30» die Rückspulsteuerschaltung 31 und die Geschwindigkeitssteuerungsschaltung 21 geliefert werden, an den Eingangsknotenpunkt 19 des Verstärkers 17 angelegt werden.

Wie bereits erwähnt wird die Geschwindigkeitsregelung durch einen Frequenz-Spannungs-Wandler erhalten.

Dieser Wandler bildet den Gegenstand der oben erwähnten Patentanmeldung, in der ein bevorzugtes AusfUhrungsbeispiel detailliert beschrieben wird. Die wesentlichen Merkmale davon, die für das Verständnis der Erfindung nützlich sind, werden hier mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben.

Eine lichtundurchlässige Scheibe 60, die auf ihrem äußeren Umfang mit durchsichtigen Schlitzen versehen ist, ist fest auf der Welle des Motors l6 angebracht und läuft mit dieser um.

Die Scheibe 60 ist zwischen einer Lichtquelle 6l und einem lichtempfindlichen Element 62 auf eine solche Weise angeordnet, daß das lichtempfindliche Element während des Umlaufs der Scheibe periodisch beleuchtet wird, um so ein pulsierendes elektrisches Signal.mit einer Folgefrequenz proportional der Motorgeschwindigkeit zu liefern.

Dieses Signal wird an einen Begrenzerverstärker 63 angelegt, üor deshalb ein Hecheckwelleasigrial mit derselben Periode wie das von dem lichtempfindlichen Element gelieferte Signal erzeugt. Dieses Signal steuert eine Impulsgeneratorschaltung 6't, die al κ AuLv/ort sehr kurze Impulse mit derselben Folgefre— lloi'ert-.

Diese Impulse werden an eine äußei'sb genau arbeitende monostabilo Schal tun·¹ i>^r> mit kurzer Erhol-zeit angelegt, die Impulse von

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vorausbestimmter Dauer To liefert. Das Ausgangssignal wird daher nach Umkehrung durch den Inverter 66 von einer Impulsreihe mit einer Periode gleich der Folgefrequenz der von dem lichtempfindlichen Element gelieferten Impulse gebildet und besitzt eine Dauer gleich der Differenz zwischen der Periode dieser Impulse und der Bezugsperiode To. So ist die Dauer dieser Impulse proportional dem Fehler der tatsächlichen Impulsperiode im Hinblick auf die Bezugsperiode, die im wesentlichen entsprechend der Nenngeschwindigkeit des Motors eingestellt werden kann.

Das von dem Inverter 66 gelieferte Fehlersignal steuert zwei integrierende Schaltungen.

Eine dieser beiden Schaltungen enthält z. B. einen Konstantstromgenerator 67, einen Kondensator 68, eine erste (vorzugsweise Festkörper-) Schaltvorrichtung 69» die durch den Inverter 66 zur Verbindung dos Stromgenerators 67 mit dem Kondensator 68 für die Dauer der Fohlerimpulse gesteuert wird, ein zweites Schaltelement JO zum Kurzschließen des Kondensators 68 bei vorausbestimmten Aui'cnhLicken'für sehr kurze Intervalle, die jedoch ausreichen, um den Kondensator zu entladen.

Das Schaltelement TO wird durch den Inverter 66 über eine differenzierende Schaltung 71 gesteuert, die in Übereinstimmung mit den Anstiegsl'lnnkou der von dem Inverter t>6 gelieferten Impulse sehr kurze Impulse liefert, die das Schließen des Schult— ■elonnntess 7O steuern.

Ein ODEU-iiatter 7Li am Einbau." von Schaltelement "]O ist vorgesehen, um die Arbeitsweise (les Schalters unter der Steuerung (3ines an Klemme 73 aii.";el e^ten binaren externen Signals zu erlauben.

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BAD ORIGINAL

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Die zweite integrierende Schaltung ist im wesentlichen identisch mit der ersten, sie sorgt jedoch für eine Ladung des zweiten Kondensators 7^ durch eine Spannung von entgegengesetzter Polarität. Diese Integrierschaltung ist. mit einem ODER—Gatter 78 ausgerüstet, das üher die externe Klemme 75 gesteuert wird, um die Arbeitsweise des den Kondensator lh kurzschließenden Sehalters 76 zu erlauben.

Wie in der oben erwähnten Patentanmeldung detailliert erläutert wird, besteht die Aufgabe dieser integrierenden Schaltung darin, die Fehlerimpulse in eine Spannung proportional ihrer Dauer umzuwandeln. Um das zu erreichen, werden die Kondensatoren 68, 7h am Anfang des Fehlerimpulses entladen und dann für die ganze Dauer des Impulses durch einen konstanten Strom geladen» Die gespeicherte Ladung wird bis zum Anfang des folgenden Impulses aufrechterhalten, dann entladen und der Vorgang wird wiederholt.

Die Spannung an den Kondensatorklemmen, die proportional der Dauer des Impulses und deshalb der Differenz zwischen tatsächlichem und nominellem Wert der Motorgescliwindigkeit ist, wird über einen der beiden Widerstände 2h und 25 an den Eingang von Verstärker 17 angelegt, der den Motor speist.

Die Arbeitsweise des beschriebenen Regelkreises sei im folgenden kurz erläutert.

Im Ruhezustand sind beide Integratoren gesperrt, d.h. binäre EINS-Sigualpegel liegen an den Steuereingangsklemmen 73 und 75 an, so daß die Schalter 70 und 76 geschlossen und die Kondensatoren 68 und 7h entladen sind. In diesem Zustand liegt eine Nullspaunung an dem Eingang von Verstärker 17 über die Widerstände 2h und 25 an, und der Motor 16 befindet sich in Ruhe. Um den Hotor in eine geforderte Richtung zu starten,

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wird das an einem der beiden Steuerklemmen, z.B. Klemme 73, angelegte Signal auf die binäre NlILL gebracht. Auf diese Weise wird das Schaltelement 70 geöffnet und der Kondensator 68 geladen. Da sich der Motor 16 in Ruhe befindet, der Impulsgenerator 64 liefert keinen Impuls, liegt der Ausgang von Inverter 66 bei der binären EINS, um so das Schaltelement 69 zu schließen. Der Kondensator 68 wird daher bis auf die von dem Konstantstromgenerator 67 gelieferte Höchstspannung aufgeladen. Wenn Vj , diese Sättigungsspannung und R. der Widerstand von Widerstand 2h ist, wird der Motor von einer Spannung e = -(R~/R.) *V_t . gespeist, die den Motor unter einer sehr hohen Beschleunigung startet und ihn bis an die gleichbleibende Geschwindigkeit bringt.

Mit dem Anwachsen der Motorgeschwindigkeit verringert sich jedoch die Dauer der Fehlerimpulse, und bei einer Geschwindigkeit genügend nahe der geforderten geregelten Geschwindigkeit verringert sich auch die Fehlerspannung Vy und damit auch die Motorspeisespannung, und die Geschwindigkeit wird bei einem Wert niedriger als die Nenngeschwindigkeit des Motors i6 stabilisiert, jedoch liegt der Wert ganz dicht bei der Nenngeschwindigkeit.

Da das Frequenz-Spannungs-Wandlersystem so gebaut werden kann, um einen beträchtlichen Spannungsausschlag für kleine Geschwindigkeitsabweichungen zu erzeugen, braucht der Operationsverstärker 50 keine hohe Verstärkung zu besitzen:

R- und R., d.h., Widerstand 18 und z.B. Widerstand 2k können kaum voneinander abweichende Werte, z.B. jeweils 1 MOhm und 800 KOhm besitzen, so daß die Verstärkung in der Nähe von Eins liegt. Deshalb werden die Rauschstörungen nicht verstärkt.

Wenn man das Entstehen von selbsterregten Schwingungen betrachtet, die auf der Torsionselastizität des Systems Motor-Fotoscheibe beruhen, besitzen diese Schwingungen eine ganz bestimmte Frequenz.

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Daher läßt sich mit Hilfe geeigneter Dämpfungsnetzwerke erhalten, daß für eine solche Frequenz der Phasenspielraura der regelnden Schaltung genügend hoch liegt, um solche selbsterregten Schwingungen zu verhindern.

Das Regelungssystem kann daher mit einem sehr großen Frequenzgang aufgebaut werden, um so eine sehr schnelle Regelungswirkung hervorzurufen, während es gleichzeitig die Gefahr von selbsterregten Schwingungen beseitigt, die auf die Eigenschaften des Systems oder auf Störungen beruhen.

Fig. 4 zeigt den Verdrahtungspjan eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Strombegrenzerschaltung 30. Sie enthält einen mit der Ankerwindung des Motors 16 in Reihe geschalteten Widerstand 80, einen Spannungsteiler 81, der auch weggelassen werden kann, einen Satz von vier in Reihe geschalteten Widerständen 82, 83, 84, 85 und einen Satz von Dioden 86, 87, 88,

Die Endklemmen der in Reihe geschalteten Widerstände 82 bis 85 werden von zwei gleichen, aber entgegengesetzten Spannungsquellen + E. und - E. gespeist, z.B. + 15 und - 15 V.

Der Mittelpunkt der Widerstandsreihe, d.h. der Knotenpunkt 90, der den Widerständen 83 und 84 gemeinsam ist, ist mit der Abgriff sklemme des Spannungsteilers 81 verbunden, der dem Widerstand 80 parallel gesohaltet ist.

Die Werte von Widerstand 80 und Spannungsteiler 81 können im Hinblick auf die Werte der Widerstände 82 bis 85 geeigneterweise niedrig gewählt werden, so daß die Spannung e. an Knotenpunkt 90 im wesentlich proportional dem durch den Motorspeisestrom an Widerstand 80 verursachten Spannungsabfall ist.

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Es wurde z.B. ermittelt, daß geeignete Werte für den Widerstand 80 ca. 0,25 Ohm und für den Spannungsteiler 81 ca. 500 Ohm sind, wohingegen für die Widerstände 82 und 85 die Widerstandswerte R₁ und R₂ größer als 150 KOhm und für die Wider stände 83 und 84 die Widerstandswerte R, und R_; größer als 10 KOhm sein können.

Der Knotenpunkt 91, der den Mittelpunkt zwischen den Widerständen 82 und 83 darstellt, ist mit der Anode von Diode 86, die eine geerdete Kathode besitzt, und mit der Kathode von Diode 87 verbunden, deren Anode mit dem Eingangsknotenpunkt 19 von Verstärker 17 verbunden ist.

Auf die gleiche Weise ist der den Widerständen 84 und 85 gemeinsame Knotenpunkt 92 mit der Kathode von Diode 88, die eine geerdete Anode besitzt, und mit der Anode von Diode 89 verbunden, deren Kathode mit dem Eingangsknotenpunkt 19 von Verstärker 17 verbunden ist. Die die Widerstände 82 bis 85 und die Dioden 86 bis 89 enthaltende Schaltung legt eine Regelspannung an den Eingangsknotenpunkten 19 nur dann an, wenn die Spannung e. am Knotenpunkt 90 größer als ein vorausbestimmter positiver Wert oder niedriger als ein entsprechender negativer Wert ist. Für innerhalb dieser Grenzen enthaltene Spannungswerte ist die Verbindung mit dem Knotenpunkt 19 geöffnet, und die Strombegrenzerschaltung 30 arbeitet nioht.

Die Grenzen dieses Bereichs, der keinen Frequenzgang aufweist, können durch die Betrachtung bestimmt werden, daß der Eingangsknotenpunkt 19 virtuell an Erdspannung liegt.

Wenn man die duroh die Widerstände 82 und 83 und die Dioden 86 und 87 gebildete Schaltung betraohtet, dann ist der Eingangsknotenpunkt 19 mit dem Knotenpunkt 91 nur dann verbundon, wenn Diode 87 leitend ist. In diesem Zustand ist der Strom über Widerstand 82 kleiner als der Strom über Widerstand 83. Darüber

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hinaus liegt auch der Knotenpunkt 91, wenn Diode 8? leitend und ihr Spannungsabfall vernachlässigter ist, virtuell an Erde. Deshalb muß die Beziehung gelten:

₁ < -e^R- und deshalb gilt e_± <

Dies ist die untere Schwellwertgrenze für den Eingangsknotenpunkt 19, um mit der Begrenzerschaltung verbunden zu werden. Für Werte von e., die kleiner als dieser Schwellwert sind, sind die Dioden 86 und 89 in Sperrichtung vorgespannt und leiten daher nicht.

Die obere Schwellwertgrenze ist auf die gleiche Weise durch Werte der Widerstände 84 und 85 definiert: Der Knotenpunkt 92 ist mit dem Eingangknotenpunkt 19 nur dann wirkungsvoll verbunden, wenn der Strom durch den Widerstand 84 größer als der Strom durch den Widerstand 85 ist; daher muß gelten

e₁/R^> E₁ZR₂, d. h., β_±> E₁ -R₄ZR₂ .

Die Verbindung mit dem Eingangsknotenpunkt 19 ist daher für Werte von e. geöffnet, die innerhalb der Grenzen von -E₁ · R₃ZR₁^ e_± 4 E₁ · R₄ZIi₂ liegen.

Berücksichtigt man den Spannungsabfall L· an den Dioden, dann ergeben sich die genauen Grenzen zu:

-(E₁ +Λ) · R₃ZR₁ -A^e₁ 4 (E₁ +Δ) - R

Diese Schwellwerte, die im wesentlichen von Widerstandsparametern abhängen und von der Spannung E₁, die geeigneterweise stabilisiert werden kann, werden einer sehr genauen Eichung unterworfen und besitzen eine hohe Eigenstabilität..

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Nun soll die Arbeitsweise des liegelkrci ses betrachtet worden,· der die Strorabegrenzersclial tung 30 enthält. Es wird angenommen, daß der Motor 16 gestartet werden soll: Das geschwindigkeitsregelnde System 21 wird dann eine relativ hohe Fehlerspannung (z.B. -Vj) liefern, die über Widerstand 2k an den Verstärker 17 angelegt und einen an den Motor 16 gelieferten großen Strom hervorrufen wird. Folgerichtig wird der Spannungsabfall an Widerstand 80 eine Spannung e. hervorrufen, die die Grenzen des Bereichs überschreitet, der keinen Frequenzgang aufweist, und die daher eine Verbindung der Strombegrenzerschaltung mit dem Verstärker 17 verursacht.

Wendet man das 1. Kirchhoffsehe Gesetz auf den Eingangsknotenpunkt 19 an, der virtuell bei Nullspannung liegt, dann ergibt sich:

e/R_f = V₁
oder, wenn man den Spannungsabfall an den Dioden berücksichtigt,

e/R_f = V₁ZR₁Ke₁ -A)A₄ + (E₁ + Δ)Α₂ , d. h.

V₁ · R₁A₁ + ((E₁ +Λ)A₂

Die Verstärkerausgangsspannung ist daher sowohl eine Funktion von e. als auch von Vj.

Da E. einen im wesentlichen kleineren Wert als R-, z. B. in einem Verhältnis l/lOO besitzen kann, und da wie erwähnt R., d. h. der Widerstand von Widerstand 2k oder 25, nur geringfügig niedriger als R_f ist, herrscht die auf e^ beruhende Regelungswirkung allgemein über die Wirkung von möglichen Spannungsschwankungen von Vj solange vor, wie e. größer als der Schwell-

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wert ist. Auf diese Weise wird eine wirkungsvolle Stromregelung erreicht. Solange auf der anderen Seite die Geschwindigkeit des Motors im wesentlichen von dem gewünschten gleichbleibenden Wert abweicht, liefert die Spannungsregelungsschaltung eine praktisch konstante Sättigungsspannung V_T ., die ein ausreichendes Antriebsdrehmoment zur Beschleunigung des Motors bis dicht an die geregelte Geschwindigkeit hervorruft.

In dem Fallι daß der Motor in die entgegengesetzte Richtung gestartet wird, lautet die Regelungsgleichung:

-e/R_f = -V₁A₁ + e_±/R₃ - E_±/B_±
oder genauer:

-e =

₁ - ((E₁ +A)ZR₁ +Δ/Η₃) R_f + e_± · R_f/H₃

Solange wie e. die Schwellwerte überschreitet, wirkt die regelnde Stromschaltung in beiden Fällen als Strombegrenzer.

Wenn die Geschwindigkeit des Motors einen Wert genügend dicht an den geforderten gleichbleibenden Wert erreicht hat, nimmt die Speisespannung V₁ und der Antriebsstrom ab, und die dem Antriebsstrom proportionale Spannung e. fällt unter den Schvrellwert, und damit wird der Strombegrenzerkreis automatisch abgeschaltet. Die einzige nun arbeitende Regelung ist die Geschwindigkeitsregelung.

Die Bremsphase für ein Anhalten des Motors wird auch von dem Strombegrenzericreis gesteuert und vollzieht sich unter konstanter Verzögerung.

Da jedoch die verwendete tachometrische Vorrichtung nioht in der Lage ist, eine brauchbare Anzeige für eine Null - oder beinahe Nullgeschwindigkeit zu liefern, wird das Zu- und Abschalten der Schaltung unterschiedlich gesteuert. Der Beginn der Brems-

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phase wird durch Unterbindung des Teil des Frequenz-Spannungs-Wandlers (Fig. 3) erhalten, der gerade ein geschwindigkeitsregelndes Signal liefert, und durch Betätigen des gerade nicht arbeitenden Teil.

Auf diese Weise wird die an den Verstärker 17 angelegte Hegelungsspannung umgekehrt. Daher wird auf den Motor l6 ein Bremsdrehmoment ausgeübt, das das von dem Frequenz-Spannungs-Wandler gelieferte Fehlersignal anwachsen läßt, um so weiterhin das
Bremsdrehmoment zu steigern.

Das Anwachsen des Bremsstromes läßt die Spannung e. den Schwellwert überschreiten, um so automatisch die Stromregelungsschaltung einzuschalten. Das Bremsen vollzieht sich bei konstantem Strom und daher bei konstanter Verzögerung.

Nach einem vorausbestimmten Zeitintervall, das durch die Einrichtung einer monostabilen Schaltung erhalten wird, und entsprechend der geforderten Zeit zur Erreichung des Stoppzustandes wird auch der arbeitende Teil des Frequenz-Spannungs-Wandlers
unterbunden, um so die geschwindigkeitsregelnde Spannung auf
einen Nullwert zu bringen. Daher nimmt der Speisestrom für den Motor i6 ab, die Spannung e. wird kleiner als der Sohwellwert, und die Strombegrenzerschaltung wird abgeschaltet.

Das einzige noch an dem Verstärkereingang anliegende Signal ist die RUckkopplungsspannung; daher liefert der Verstärker keinen Strom und hört auf zu arbeiten, womit auch der Motor zum Stillstand kommt.

Um die Beschreibung des Systems nach der Erfindung zu vervollständigen, wird noch eine kurze Boschreibung der Steuerungslogik gegeben, die die Arbeitsweise der Vorrichtung steuert.

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In Fig. 1 ist die logische Schaltung schematisch durch den
Block 26 dargestellt, der zwei Eingang ski emin en 27 und 28 besitzt, wobei Klemme 27 zur Start-Stopp-Steuerung und Klemme 28 zur
Steuerung des Vor- und Rücklaufs dient.

Fig. 5 zeigt den logischen Schaltplan von Block 26. Er enthält zwei NOR-Gatter 101 und 102, die mit zwei Eingängen versehen sind, vier UND-Gatter 103, 104, 105, 106, einen Inverter 107 und eine inonostabile Schaltung 108.

Die Eingangsklemme 27 für das Start-Stopp-Signal ist mit einem ersten Eingang des UND-Gatters 103 und 106 und mit dem Eingang der monostabilen Schaltung 108 verbunden.

Die Eingangsklemme 28 für das Vorlauf-Rücklauf-Signal ist
direkt mit einem zweiten Eingang des UND-Gatters 103, mit einem ersten Eingang des UND-Gatters 105 und über den Inverter 107 mit einem ersten Eingang des UND-Gatters 104 und mit einem
zweiten Eingang des UND-Gatters 106 verbunden.

Die zweiten Eingänge des UND-Gatters 104 und 105 sind mit dem Ausgang der monostabilen Schaltung 108 verbunden.

Die Ausgänge der UND-Gatter 103 und 104 sind mit Hilfe des
NOR-Gatters 101 mit der Ausgangsklemme 73 zur Steuerung eines ersten Teils des Fehlergenerators, und die Ausgänge der UND-Gatter 105 und 106 sind über das NOR-Gatter 102 mit der Ausgangsklemme 75 zur Steuerung des zweiten Teils des Fehlergenerators verbunden.

Die Arbeitsweise der Steuerlogik ist die folgende:

Ein an den Eingang 28 angelegtes binäres Signal bestimmt die Umlaufrichtung des Motors; z.B. setzt ein binärer EINS-Pegel die UND-Gatter 103 und 105 und sperrt die UND-Gatter 106 und

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Ein an den Eingang 107 angelegtes Startsignal vom binären EINS-Pegel wird invertiert und über UND-Gatter 103 und NOR-Gatter 101 an die Klemme 73 übertragen, um so einen ersten Teil des Fehlersignalgenerators 21, wie zuvor erläutert, in Betrieb zu setzen. Wenn dieses Startsignal entfernt wird, d.h. sein binärer Pegel geht nach NULL, läßt die an dem Eingang der monostabilen Schaltung 108 angelegte abfallende Flanke an ihrem Ausgang einen Impuls des binären EINS-Pegels von vorausbestimmter Dauer liefern. Dieser Impuls wird invertiert und über das UND-Gatter 105 und das NOR-Gatter 102 an die Klemme 75 übertragen. Dieses an den zweiten Teil des Fehlergenerators angelegte Signal ruft das Bremsen und Anhalten des Motors hervor, wie zuvor erläutert wurde.

Wenn das an den Eingang 28 angelegte binäre Signal bei einem Pegel NULL liegt, dann wird auf die gleiche Weise das Startsignal über das UND-Gatter 106 und das NOR-Gatter 102 an Klemme 75 angelegt, und das Stoppsignal wird über UND-Gatter und NOR-Gatter 101 an Klemme 73 angelegt.

Es versteht sich von selbst, daß die beschriebenen schematischen Schaltpläne und Schaltupgen sich nur auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beziehen und daß eine Vielzahl von Änderungen durch jeden mit dieser Technik vertrauten Fachmann eingeführt werden kann, ohne von der Wesensart und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.

Patentansprüche:

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Claims (2)

1. Patentansprüche:

   /l/jRegelungssystem zum Starten und Anhalten eines trägheitsarmen Gleichstrommotors unter konstanter Beschleunigung und Tzum Antrieb dieses Motors mit einer konstanten vorausbestimmten Geschwindigkeit, wobei zumindest ein Verstärker, der mit einer negativen Rückkopplung ausgerüstet ist und einen Eingangsknotenpunkt sowie eine Ausgangsklemme für einen Speisestrom zum Motor besitzt, eine Impulse mit einer Polgefrequenz proportional der Motorgeschwindigkeit liefernde tachometrische Vorrichtung und eine Komparatorschaltung zur Lieferung von zumindest einem Fehlersignal proportional der Differenz zwischen der Periode dieser Impulse und einer Bezugsperiode vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmales

   a) Eine zwei Fehlersignale (+Vy, -V₁) von entgegengesetzter Polarität und von gleichem Spannungswert liefernde Komparatorschaltung (21)j

   b) eine Gesehwindigkeitssteuerungseinrichtung (6? - 72) zum wahlweisen Anlegen eines ersten Fehlersignals von diesen beiden Fehlersignalen (+Vj, -Vj) an den Eingangknotenpunkt (19) eines einzelnen doppelrichtenden Differentialverstärkers (17) über einen ersten Widerstand (24) von geeignetem Wert, wobei der sich ergebende Geschwindigkeitsregelkreis eine Gesamtspannungsverstärkung von im wesentlichen ungefähr eins besitzt;

   c) eine Einrichtung (7^- 79) zum wahlweisen Anlagen eines Strombegrenzungssignals proportional dem Motorspeisestrom über einen zweiten Widerstand (25) von geeignetem Wert an den Eingangsknotenpunkt (19), wobei der sich ergebende Stromregelkreis eine Ge samt spannung svetstärkung besitzt,

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   die wesentlich grüi3er als eins ist;

   d) eine Schwellwerteinrichtung (30) zum Anlegen dieses Strombegrenzungssignals an den Eingangsknotenpunkt (19), immer wenn das Strombegrenzungssignal einen absoluten Wert größer als ein vorausbestimmter Schwellwert besitzt, um die Strombegrenzungsvorrichtung unwirksam zu machen, immer wenn die Geschwindigkeit des Motors (16) genügend nahe den durch den Geschwindigkeitsregelkreis (67 - 72) geregelten konstanten Geschwindigkeit swert erreicht hat;

   e) eine Einrichtung (26) zum Anlegen eines zweiten Fehlersignals von diesen beiden Fehlersignalen (+V₁, -V₁) anstelle des ersten an den Eingangsknotenpunkt (19) als Antwort auf ein Stoppsignal, um ein Strombegrenzungssignal während der Verzögerung des Motors hervorzurufen, und

   f) eine Einrichtung (IO8) zum Abschalten dieses zweiten Fehlersignals nach einer vorausbestimmten Zeit nach dem Stoppsignal.
2. 2. Regelungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungseinrichtung (30) einen ersten (82, 83) und einen zweiten (84, 85) in Retie zwischen zwei stabilisierten Spannungsquellen (+E₁, -E.) von entgegengesetzter Polarität geschalteten Spannungsteiler und eine Diodenbrücke mit vier in Reihe geschalteten Dioden (86, 87, 88, 89) aufweist, die einen geschlossenen Stromkreis bilden, wobei der Verbindungspunkt zwischen einer ersten (86) und einer zweiten Diode (88) geerdet ist, der

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   Verbindungspunkt zwischen einer dritten (89) und einer vierten Diode (87) mit dem Eingangsknotenpunkt (19) verbunden ist, die Verbindungspunkte zwischen der vierten und ersten Diode und zwischen der zweiten und dritten Diode jeweils mit den zwischenliegenden Punkten (91» 92) des ersten und zweiten Spannungsteilers verbunden sind, wobei der den Spannungsteilern gemeinsame Punkt (90) mit einer Spannungsquelle proportional dem den Motor (l6) speisenden Strom verbunden ist.

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