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Die
Erfindung betrifft einen Umrichter und ein Verfahren zum Betreiben
eines Umrichters.
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Es
ist bekannt, dass Umrichter, deren Signalelektronik einen Mikrocontroller
umfasst, ein Regelverfahren digital ausführen. Dabei werden Berechnungsschritte
abhängig
von einem vorgegebenen Takt ausgeführt. Somit wird es ermöglicht,
dass Werte physikalischer Größen in diesem
Takt bestimmt werden und somit an zueinander gleichzeitigen Zeitpunkten
bestimmt sind. Hierbei ist festzustellen, dass der Rechenaufwand
in verschiedenen Taktperioden verschieden groß sein kann. Somit sind – je nach
Betriebszustand und Störgrößeneinfluss – Zeitabschnitte
vorhanden, in welchen die Berechnung den vollständigen vom Takt vorgegebenen
Zeitabschnitt benötigt,
und es können
andere Zeitabschnitte auftreten, in welchen die Berechnung nicht
den vollständigen
vom Takt vorgegebenen Zeitabschnitt benötigt. Somit wird die Rechenleistung
des Mikrocontrollers nicht in jeder Taktperiode maximal ausgelastet.
Je schneller die Werte der Größen bestimmt
werden, desto genauer folgen die bestimmten Werte der Größen dem
gewünschten
Verlauf oder entsprechen dem physikalischen wirklichen Wert genauer.
Die beschriebene Taktung vereinfacht jedoch die gesamte Software-Programmierung
für das
in der Rechnereinheit installierte Regelverfahren.
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Nockenwellen
sind allgemein bekannt. Insbesondere sind auch Nockenspuren bekannt.
Hierbei wird durch die Winkelabhängigkeit
des Radius eines Oberflächenbereichs
an einer axialen Stelle einer Welle ein Signalspannungsverlauf erzeugbar,
der absolut synchron zur Drehung der Welle verläuft, da der Radiusverlauf geometrisch
realisiert ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mechanische Anlagen
durch elektrische Anlagen nachzubilden, wobei ein möglichst
geringer Aufwand betrieben werden soll.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei dem Umrichter nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren
zum Betreiben eines Umrichters nach den in Anspruch 4 angegebenen
Merkmalen gelöst.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei dem Umrichter sind, dass er zur Speisung
eines Elektromotors vorgesehen ist,
wobei der Umrichter Signalelektronik
und Leistungselektronik umfasst,
wobei die Signalelektronik
eine derart ausgeführt Rechnereinheit
umfasst, dass in regelmäßigen Zeitabständen, insbesondere
für ein
jeweiliges Zeitintervall, neue Werte für physikalische Größen des
Motors und/oder neue Werte für
Ausgangssignalspannung für
Ausgänge,
insbesondere zweite Ausgänge, bestimmbar
sind,
wobei der Ausgang digital ausgeführt ist, insbesondere also
stets einen von zwei Signalzuständen
einnimmt,
wobei ein erster Ausgang mit dem Ausgang einer Timer-Compare-Einheit
elektrisch verbunden oder elektrisch wirkverbunden ist,
wobei
zwischen einem Eingang der Timer-Compare-Einheit und einer Rechnereinheit
der Signalelektronik eine Datenleitung vorgesehen ist, insbesondere zur Übermittelung
von Informationen bezüglich
des Zeitpunktes eines Signalspannungswechsels des Ausgangs, insbesondere
eines nächsten
Signalspannungswechsels,
wobei die Timer-Compare-Einheit eine
höhere
Taktfrequenz aufweist als die zu den regelmäßigen Zeitabständen, insbesondere
zum Zeitintervall, zugehörige
Frequenz, insbesondere also als der Kehrwert des Zeitabstandes.
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Von
Vorteil ist dabei, dass der am Ausgang erzeugte Spannungsverlauf
mit einem um Größenordnungen
geringeren Quantisierungsfehler auftritt, da trotz einer recht langsamen
Taktung bei der Berechnung der Werte der Größen des Regelverfahrens mit
der höher
frequent betriebenen Timer-Compare-Einheit eine extrem hohe Genauigkeit
beim Bewirken der Spannungsänderung
zum gewünschten Zeitpunkt
erreichbar ist. Die Spannungszeitänderungen sind sozusagen nicht
im Takt der Rechnereinheit bewirkbar sondern in dem um Größenordnungen schnelleren
Takt der Timer-Compare-Einheit, also mit einem viel kleineren durch
die zeitliche Quantisierung bewirkten Fehler.
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Der
Begriff „elektrisch
wirkverbunden” umfasst
hierbei auch eine Vorrichtung, in welcher die Timer-Compare-Einheit
mit ihrem eigenen Ausgangssignal eine Verstärkerstufe ansteuert, die dann
an ihrem zugehörigen
Ausgang die Signalspannung zur Verfügung stellt für den ersten
Ausgang.
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Alternativ
hätte der
Fachmann auch ausgehend vom geschilderten Stand der Technik die
ungenutzte Rechnerzeit nutzbar machen können, wobei der dann jedoch
keine um Größenordnungen
besseren Ergebnisse erhalten hätte.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Frequenz der Timer-Compare-Einheit
eine mindestens zwei, insbesondere mindestens drei oder vier, Größenordnungen
höhere
Frequenz auf als die zum Zeitintervall zugehörige Frequenz, mit der die Werte
der Zustandsgrößen von
der Rechnereinheit aktualisiert werden. Von Vorteil ist dabei, dass
die Timer-Compare-Einheit eine sehr einfache, wenig komplexe Struktur
im Vergleich zu einem Microcontroller aufweist und gerade deshalb
eine hochpräzise Erzeugung
des gewünschten
Spannungsverlaufes ausführbar
ist. Denn die Timer-Compare-Einheit muss nur einen Zähler aufweisen,
der von der hohen Frequenz getaktet wird und somit einen Zählerwert zu
jeder zugehörigen
Periode erhöht.
Dieser Zählerwert
muss dann nur von der Compare-Einheit, also einem Vergleicher, mit
dem von der Rechnereinheit übermittelten
Wert, also mit der Information über
den Zeitpunkt, verglichen werden und somit bei Erreichen des übermittelten
Wertes die Ausgangsspannungsänderung
bewirkt werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung steuert der Ausgang einer Timer-Compare-Einheit
eine Verstärkerstufe
an, die die Spannung für
den ersten Ausgang erzeugt. Von Vorteil ist dabei, dass die Timer-Compare-Einheit
als integrierte Schaltung realisierbar ist und keine hohen Ausgangsspannungen oder – ströme erzeugen
muss.
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Wichtige
Merkmale bei dem Verfahren sind, dass es zum Betreiben eines Umrichters
zur Speisung eines Elektromotors vorgesehen ist,
wobei der
Umrichter Signalelektronik und Leistungselektronik umfasst,
wobei
die Signalelektronik eine derart betriebene Rechnereinheit umfasst,
dass in regelmäßigen Zeitabständen, insbesondere
für ein
jeweiliges Zeitintervall, neue Werte für physikalische Größen des
Motors und/oder neue Werte für
Ausgangssignalspannung für
Ausgänge,
insbesondere zweite Ausgänge, bestimmt
werden,
wobei Ausgänge
digital ausgeführt
ist, insbesondere also stets einen von zwei Signalzuständen einnehmen,
wobei
eine Timer-Compare-Einheit einen ersten Ausgang ansteuert,
wobei
die Rechnereinheit der Timer-Compare-Einheit Informationen bezüglich des
Zeitpunktes eines Signalspannungswechsels des Ausgangs für einen nachfolgenden
Zeitabschnitt übermittelt,
insbesondere eines nächsten
Signalspannungswechsels,
wobei die Timer-Compare-Einheit eine
höhere
Taktfrequenz aufweist als die zu den regelmäßigen Zeitabständen, insbesondere
zum Zeitintervall, zugehörige
Frequenz, insbesondere also als der Kehrwert des Zeitabstandes.
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Von
Vorteil ist dabei, dass ein komplexes Regelverfahren abarbeitbar
ist, wobei nur zu jedem Zeitabstand des Taktes der Rechnereinheit
aktualisierte Werte von Zustandsgrößen bestimmt werden. Trotzdem
ist die Erzeugung von Ausgangsspannungen mit einer sehr hohen zeitlichen
Genauigkeit ermöglicht,
indem eine Timer-Compare-Einheit verwendet wird. Auf diese Weise
wird also ermöglicht,
dass ein zukünftiger
Zeitpunkt bestimmbar ist, zu welchem ein Ausgangsspannungswechsel
bewirkbar ist.
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Wichtige
Merkmale bei dem alternativen Verfahren sind, dass zumindest ein
erster Ausgang analog und nicht digital ausgeführt ist, insbesondere also ein
analoges Spannungssignal zur Verfügung stellt,
wobei die
Rechnereinheit einer Verzögerungseinheit Informationen
bezüglich
der Verzögerung
und bezüglich
des Signalspannungsverlaufes zur Verfügung stellt, wobei die Verzögerungseinheit
das Spannungssignal am ersten Ausgang ansteuert,
insbesondere
wobei die Verzögerungseinheit
einen Speicher zur Zwischenspeicherung des Spannungsverlaufs umfasst,
insbesondere wobei die Verzögerungseinheit
eine höhere Taktfrequenz
aufweist als die zu den regelmäßigen Zeitabständen, insbesondere
zum Zeitintervall, zugehörige
Frequenz, insbesondere also als der Kehrwert des Zeitabstandes.
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Von
Vorteil ist dabei, dass im jeweiligen Takt, der nicht unbedingt
regelmäßig sein
muss, Werte physikalischer Größen des
Elektromotors bestimmt werden gemäß einem Maschinenmodell, welches
im auf der Rechnereinheit ausgeführten
Regelverfahren enthalten ist. Somit ist in genügend kurzer Zeit jeweils ein
neuer Wert dieser Zustandsgrößen zumindest
ungefähr
synchron bestimmbar. Aus den ermittelten Zustandsgrößen, deren
Istwerte und Sollwerte werden Werte für Stellgrößen, wie beispielsweise der Motorspannungsraumzeiger
bestimmt und dann entsprechend die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale
für die
Endstufe erzeugt. Ebenso werden auch im jeweiligen Takt die Spannungswerte
der zweiten Ausgänge
bestimmt. Zur Bestimmung der Spannungswerte der ersten Ausgänge wird
nur eine jeweilige Information bezüglich des Spannungswertes und jeweiligen
Zeitpunktes erzeugt und an die Timer-Compare-Einheit übermittelt.
Auf diese Weise wird dann die Erzeugung der gewünschten Ausgangssignalspannung
zum Gewünschten
Zeitpunkt bewirkt, wobei dieser Zeitpunkt auch innerhalb eines Zeitintervalls
liegen darf, so dass die Rechnereinheit in dem ihr durch die Software
und ihren eigenen Schwingquartz vorgegebenen Takt nicht in der Lage wäre, den
Spannungswert zu dem gewünschten
Zeitpunkt anzusteuern, insbesondere zu verändern.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Timer-Compare-Einheit
einen Hochlaufzähler,
dessen Wert mit einem der Information über den Zeitpunkt entsprechenden
zweiten Wert vergleichen wird, wobei ein Vergleicher bei Überschreiten
des zweiten Wertes durch Änderung
seines Ausgangssignals eine Änderung
des Spannungswertes am ersten Ausgang bewirkt, wobei der zweite
Wert von der Rechnereinheit an die Timer-Compare-Einheit übermittelt wird, insbesondere
in einem vorangehenden Zeitabschnitt. Von Vorteil ist dabei, dass
die hochgenaue zeitliche Präzision
mit sehr wenig Aufwand erreichbar ist. Dabei ist die Timer-Compare-Einheit
als Hardware oder als Software realisierbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Motor vom Umrichter auf
eine konstante Drehzahl hin geregelt. Von Vorteil ist dabei, dass
der bestimmte und übermittelte
Zeitpunkt für
den Ausgangsspannungswechsel einem proportionalen Winkelabstand
entspricht und somit ein mechanisch erzeugtes Nockenspursignal simulierbar
ist mit sehr geringen Abweichungen.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Hierbei
wird ein Elektromotor M von einem Umrichter gespeist, der eine Signalelektronik 3 umfasst
und eine Leistungselektronik 4, die eine Endstufe, bestehend
aus drei Halbbrücken,
umfasst. Jede Halbbrücke
umfasst dabei in ihrem oberen Zweig zumindest einen elektronischen
Leistungshalbleiterschalter und in ihrem unteren Zweig ebenso. Die
Halbbrücken
sind aus einer Gleichspannungsquelle versorgt. Die Leistungsschalter
werden pulsweitenmoduliert angesteuert, wobei die Ansteuersignale
von der Signalelektronik erzeugt werden.
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Die
Signalelektronik 3 umfasst hierzu eine Rechnereinheit 1 mit
Mikrocontroller, die mit einer Timer-Compare-Einheit 2 verbunden
ist zur Signalerzeugung für
einen ersten Ausgang 6 oder mehrere erste Ausgänge. Die
Rechnereinheit 1 erzeugt auch die Signale für zweite
Ausgänge 5.
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Mit
der Rechnereinheit wird auch ein Regelverfahren durchgeführt für den Motor
M, wobei die Werte von einer Stellgröße, wie Motorspannungsraumzeiger,
bestimmt werden unter Berücksichtigung
von Sollvorgaben und zugehörigen
Istwerten von Größen, wie
beispielsweise Motorstromraumzeiger und/oder Wickelwerten. Dieses
Verfahren wird digitalisiert ausgeführt. Dies bedeutet, dass in
regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise
für ein
jeweils eine Millisekunde andauerndes Zeitintervall, neue Werte
für eine
solche oder andere physikalische Größen des Motors und/oder neue
Werte für
Ausgangssignale für
die Ausgänge
bestimmt werden. Die so bestimmten Werte werden dann durch die entsprechenden
Mittel realisiert. Beispielsweise wird die bestimmte Motorspannung
der Endstufe in Form von Pulsweitenmodulationsverhältnissen
für jeden
Leistungsschalter zugestellt. Dabei ist auch der Wert der zuvor
gemessenen versorgenden Gleichspannung, also der Zwischenkreisspannung,
berücksichtigt.
Die pulsweitenmodulierten Signale erzeugen somit mit Hilfe der spannungserzeugenden
Mittel, also Endstufe, deren Eingang die pulsweitenmodulierten Signale zur
Ansteuerung der Endstufe zugeführt
werden, die Motorspannung, also den Motorspannungsraumzeiger.
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In
entsprechender Weise werden an den Ausgängen Signale erzeugt, indem
ein jedem Ausgang jeweils zugeordneter elektronischer Schalter derart
angesteuert wird, dass entweder ein HIGH- oder ein LOW-Zustand vorliegt.
Dabei beträgt
der HIGH-Zustand vorzugsweise 24 Volt und der LOW-Zustand Null Volt.
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Die
Signalspannungswerte der zweiten Ausgänge 6 werden also
jeweils zu Beginn jedes Zeitintervalls aktualisiert.
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Wichtig
ist also, dass die Recheneinheit und die auf ihr ausgeführte Software
derart vorgesehen sind, dass die Werte von Zustandsgrößen des
Motors, wie beispielsweise Motorspannungsraumzeiger, nur einmal
pro Zeitintervall, also Taktperiode, bestimmt werden. Gleiches gilt
für die
Signalzustände, also
Signalspannungswerte, der zweiten Ausgänge. Der Takt liegt beispielsweise
bei 1 Millisekunde. Es sind aber auch Taktperiodendauern zwischen
0.1 und 10 ms vorsehbar.
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Vorteiligerweise
wird erfindungsgemäß zur Erzeugung
der Signalspannungswerte der ersten Ausgänge 5 zu Beginn eines
Zeitintervalls der Timer-Compare-Einheit 2 eine Information
zugeleitet, die einem Zeitpunkt entspricht, zu welchem der neue Signalspannungswert
am Ausgang zur Verfügung stehen
soll.
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Die
Timer-Compare-Einheit 2 umfasst zum Bestimmen des Zeitpunktes
einen Hochlaufzähler und
ein Vergleichsmittel, das den Wert des Zählers mit dem vorgegebenen
Wert, also der zugeleiteten Information, vergleicht. Der Hochlaufzähler wird
mit einer hohen Frequenz getaktet, beispielsweise 40 MHz. Somit
wird also der Zählerstand
alle 25 ns um 1 erhöht.
Auf diese Weise ist Quantisierungsfehler um Größenordnungen reduzierbar und
der Signalspannungswert am ersten Ausgang ist zum gewünschten
Zeitpunkt mit einem Fehler von weniger als 25 ns exakt zugehörig.
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Wichtig
ist dabei, dass die Taktfrequenz des Hochlaufzählers, also der Timer-Compare-Einheit 2, um
mindestens eine oder mehrere Größenordnungen
höher liegt
als die zum Aktualisierungszeitintervall zugehörige Frequenz. Im obigen Beispiel
ist ein Faktor von mehr als 1000 vorgesehen.
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Der
gewünschte
Sollspannungsverlauf am ersten Ausgang ist mittels der Timer-Compare-Einheit 2 mit
einem viel kleineren Quantisierungsfehler realisierbar als wenn
der Spannungsverlauf direkt von der Rechnereinheit über die
zweiten Ausgänge ausgegeben
würde.
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Somit
sind beispielsweise Nockenspursignale sehr genau erzeugbar. Dabei
wird der Motor M vom Umrichter derart angesteuert oder geregelt, dass
die Drehzahl des Rotors des Motors M einen vorgegebenen Wert erreicht,
insbesondere in einem möglichst
kleinen Toleranzband um diesen Wert herum.
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Als
Nockenspursignal wird nun an zumindest einem jeweiligen zweiten
Ausgang ein periodisches Signal vorgesehen, wobei, ähnlich wie
bei einer mechanischen Nockenwelle, pro Umdrehung der Rotorwelle
des Motors für
einen oder mehrere Winkelabschnitte der zustand HIGH und ansonsten
LOW am ersten Ausgang ausgegeben wird.
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Wie
oben beschrieben wird von der Rechnereinheit 1 an die Timer-Compare-Einheit 2 die
Information über
den Zeitpunkt des Wechselns der zustände ausgegeben. Dazu wird dieser
Zeitpunkt unter der Annahme einer konstanten Drehgeschwindigkeit
errechnet.
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Wenn
vom Elektromotor ein Objekt mit etwa 10 m/s angetrieben wird bei
der gewünschten
Solldrehzahl, beträgt
beim obigen Beispiel, also bei einer Aktualisierungsfrequenz von
1 kHz, der Quantisierungsfehler 10 mm. Mit der bei 40 MHz betriebenen Timer-Compare-Einheit
ist somit ein Quantisierungsfehler von 0,25 μm erreichbar.
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Die
an den Ausgängen
anliegenden Signalspannungen werden zum Ansteuern von Aktoren verwendet.
Dabei sind auch Aktoren verwendbar, die eine Totzeit aufweisen,
also nach Änderung
der am ersten Ausgang anliegenden Signalspannung erst mit einer
Verzögerungszeit
aktivierbar sind. Diese Totzeit ist beim Bestimmen des obengenannten
Zeitpunktes berücksichtigbar.
Somit wird bei der Erfindung nicht nur der Zeitpunkt des Signalspannungswechsels
hochgenau bestimmbar sondern auch Totzeit kompensierbar, indem die
Verzögerungszeit
mit in die Prognose einbezogen wird. Dabei wird bei einem ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel stets
von einer konstanten Bewegungsgeschwindigkeit ausgegangen.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
wird ein beliebiger Soll-Geschwindigkeitsverlauf
vorgegeben. Dabei wird der Motor derart vom Umrichter angesteuert
und mittels des im Umrichter realisierten Reglers beeinflusst, dass
der Soll-Verlauf
möglichst
gut eingehalten wird. Die Bestimmung des Zeitpunktes und die Berücksichtigung der
Totzeit eines Aktors erfolgt dabei dann unter Berücksichtigung
des Soll-Verlaufes.
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Bei
weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
werden statt solcher Digitalausgänge
Analog-Ausgänge
als erste und/oder zweite Ausgänge
vorgesehen. In diesem Fall wird der gewünschte prognostizierte Signalverlauf
statt einer Timer-Compare-Einheit
einem Kurzzeitspeicher übermittelt,
der dann den prognostizierten Signalverlauf herausgibt, insbesondere
zu den übermittelten
diskreten Zeitpunkten einen jeweiligen Signalspannungswechsel ausführt.
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- 1
- Rechnereinheit
mit Microcontroller
- 2
- Timer-Compare-Einheit
- 3
- Signalelektronik
- 4
- Leistungselektronik
- 5
- zweite
Ausgänge
- 6
- erster
Ausgang
- M
- Elektromotor