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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Ansteuern von
Elektromotoren, insbesondere um Temperatureinflüsse auf den Betrieb des Elektromotors
zu kompensieren.
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Stand der Technik
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Elektromotoren
werden zum Betreiben einer Vielzahl mechanischer Systeme, wie z.
B. Wischersysteme an Scheiben, Sitzverstellersysteme oder Fensterhebersysteme
in Fahrzeugen eingesetzt. Bei derartigen Anwendungsgebieten sind
die Elektromotoren starken Temperaturänderungen unterworfen, die
in Außenumgebungen
auftreten können.
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Somit
müssen
Elektromotoren innerhalb eines großen Temperaturbereichs betrieben
werden, auch bei Temperaturen kleiner 0°C. Dies gilt insbesondere für Elektromotoren
für Wischersysteme
für Scheiben.
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Bei
der herkömmlichen
Auslegung und Dimensionierung von mechanischen Systemen mit Elektromotoren,
insbesondere Wischersystemen, werden beispielsweise Toleranzen des
Elektromotors und mögliche
Betriebstemperatu ren in einem großen Temperaturbereich berücksichtigt.
Eine Vergrößerung des
maximalen Drehmoments durch Motortoleranzen wird beispielsweise
bei der Konstruktion des Elektromotors mit ca. 20 bis 30% berücksichtigt.
Eine Vergrößerung des
maximalen Drehmoments des Elektromotors, die durch niedrige Temperaturen
auftritt, wird bei der Konstruktion des Elektromotors beispielsweise
mit circa 20% berücksichtigt.
D. h. der Elektromotor und das daran angeschlossene mechanische
System werden so ausgelegt, dass sie mit Drehmomenten belastet werden
können,
die das maximale Drehmoment um bis zu 50% überschreiten können. Durch
den vergrößerten Konstruktionsaufwand
vergrößern sich
nachteiliger Weise Gesamtgewicht und Baugröße des mechanischen Systems
und des Elektromotors.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung den Konstruktionsaufwand,
insbesondere der Materialaufwand, das Gewicht und der Bauraum, bei
einem Elektromotor zum Antrieb eines mechanischen Systems zu verringern.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs
und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Nebenanspruchs gelöst.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt ist ein Motorsystem zum Antrieb eines mechanischen
Systems vorgesehen. Das Motorsystem umfasst:
- – einen
Elektromotor,
- – eine
an dem Elektromotor angeordnete Einstelleinrichtung, um die dem
Elektromotor zugeführte elektrische
Leistung zum Bereitstellen eines Motordrehmoments einzustellen,
wobei
die Einstelleinrichtung ausgebildet ist, um die zugeführte elektrische
Leistung abhängig
von einer Temperatur einzustellen.
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Eine
Idee des obigen Motorsystems besteht darin, das von dem Elektromotor
bei einer bestimmten Drehmomentenvorgabe abgegebene Drehmoment möglichst
konstant zu halten, obwohl dieses von der Temperatur des Elektromotors
und des durch ihn angetriebenen mechanischen Systems abhängig ist.
Das liegt u. a. daran, dass durch niedrige Temperaturen des Elektromotors
der ohmsche Widerstand der Wicklungen des Elektromotors niedriger
ist als bei höheren
Temperaturen. Dadurch fließt
bei gleicher Spannung bei niedrigen Temperaturen ein höherer Strom
durch die Wicklungen, wodurch sich das Motordrehmoment vergrößert. Weiterhin
erhöht
sich mit abnehmender Temperatur der magnetische Fluss, wodurch sich
das Drehmoment entsprechend ebenfalls erhöht. Dieser Effekt wird in dem
obigen Motorsystem durch die Einstellung der elektrischen Leistung,
die dem Elektromotor zugeführt
wird, kompensiert, indem die dem Elektromotor zugeführte elektrische
Leistung abhängig
von der Temperatur des Elektromotors eingestellt wird.
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Weiterhin
kann das Motorsystem eine an dem Elektromotor angeordnete Temperaturerfassungseinrichtung
umfassen, um als die Temperatur eine Temperatur des Elektromotors
zu erfassen. Insbesondere kann die Temperaturerfassungseinrichtung
in der Einstelleinrichtung umfasst sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann die Temperaturerfassungseinrichtung
als Infrarotsensor oder als temperaturabhängiger elektrischer Widerstand
bereitgestellt sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann die zugeführte elektrische Leistung proportional
zu der Temperatur des Elektromotors eingestellt werden, wobei die
zugeführte
elektrische Leistung mit sich verringernden Temperaturen des Elektromotors verringert
wird.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
die Einstelleinrichtung integriert ausgeführt sein und die Temperaturerfassungseinrichtung
in der Einstelleinrichtung ausgebildet sein, die Temperatur der am
Elektromotor angeordneten Einstelleinrichtung zu erfassen.
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Insbesondere
kann die Einstelleinrichtung einen Mikrocontroller umfassen, wobei
die Temperaturerfassungseinrichtung Teil des Mikrocontroller ist, wobei
die Temperaturerfassungseinrichtung ein elektronisches Bauelement
in dem Mikrocontroller umfasst, das zur Temperaturkompensation einer
elektrischen Funktion, insbesondere einer Taktsignalgenerierung
oder einer Signalverstärkung,
verwendet wird.
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Weiterhin
kann eine außerhalb
des Elektromotors angeordnete Steuereinheit mit einer Temperaturerfassungseinrichtung
vorgesehen sein, die die Temperatur als eine Umgebungstemperatur
und eine Stellgröße, die
die zuzuführende
elektrische Leistung angibt, der Einstelleinrichtung bereitstellt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann die Einstelleinrichtung eine Regelungseinheit umfassen, um die
zugeführte
elektrische Leistung abhängig
von der Temperatur zu regeln, so dass bei konstanter Stellgröße keine Änderung
des Motordrehmoments bei einer Temperaturänderung auftritt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors
für den Antrieb
eines mechanischen Systems vorgesehen, wobei die dem Elektromotor
zugeführte
elektrische Leistung zum Bereitstellen eines Motordrehmoments einstellbar
ist, wobei die zugeführte
elektrische Leistung abhängig
von einer Temperatur des Elektromotors eingestellt wird.
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Weiterhin
kann die zugeführte
elektrische Leistung mittels einer pulsmodulierten elektrischen Größe, insbesondere über deren
Tastverhältnis,
eingestellt werden. Insbesondere kann die zugeführte elektrische Leistung abhängig von
einer bereitgestellten Stellgröße eingestellt
werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann die zugeführte
elektrische Leistung nur in einem Temperaturbereich kleiner einer
Grenztemperatur abhängig von
einer Temperatur des Elektromotors eingestellt werden. Die Grenztemperatur
entspricht einer Schwelle, unterhalb der das von der Temperatur
abhängige
Einstellen, d. h. eine Kompensation, stattfindet und darüber nicht.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die Verwendung des obigen Motorsystems in einem
Wischersystem, einem Sitzverstellersystem oder einem Fensterhebersystem
in einem Kraftfahrzeug vorgesehen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Figuren näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Motorsystem zum Ansteuern eines mechanischen Systems;
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2 eine
Darstellung eines pulsweitenmodulierten Signals;
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3 eine
schematische Darstellung eines als Elektromotor
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4 eine
Darstellung der Abhängigkeiten physikalischer
Größen eines
Elektromotors von dessen Temperatur;
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5 eine
Darstellung der Abhängigkeiten physikalischer
Größen eines
Gleichstrommotors von dessen Temperatur gemäß eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels;
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt
ein Motorsystem mit einem Elektromotor 1. Der Elektromotor 1,
z. B. ein Gleichstrommotor, treibt ein mechanisches System 3 an,
das beispielsweise ein Wischersystem für eine Scheibe, ein Sitzverstellersystem
oder ein Fensterhebersystem in einem Kraftfahrzeug sein kann. Es
sind andere mechanische Systeme 3 ebenso möglich.
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Der
Elektromotor 1 zum Antrieb des mechanischen Systems 3,
wird von einer Einstelleinrichtung 5 über eine Endstufe zur Leistungsansteuerung
angesteuert. Die Einstelleinrichtung 5 stellt eine dem Elektromotor 1 zugeführte elektrische
Leistung mittels Pulsmodulation, beispielsweise Pulsweitenmodulation,
ein bzw. regelt den Elektromotor 1 gemäß einer Drehzahlregelung, eines
Drehmomenten oder dergleichen.
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Die
Ansteuerung des Elektromotors 1 erfolgt über das
Einstellen des Tastverhältnisses
einer Pulsweitenmodulation. Zum Ansteuern des Elektromotors 1 kann
eine Stellgröße SG vorgegeben
werden, z. B. von einem Benutzer oder einer weiteren Steuereinheit.
Die Stellgröße SG gibt
von extern die gewünschte
elektrische Leistung zur Ansteuerung des Elektromotors 1 vor.
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Die
Einstelleinrichtung 5 stellt weiterhin die zugeführte Leistung
mittels einer Modifizierung des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation
abhängig
von einer Temperatur ein. Die Temperatur wird durch eine Temperaturerfassungseinrichtung 7 erfasst
und als Temperaturinformation der Einstelleinrichtung 5 zugeführt.
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2 zeigt
eine Darstellung eines pulsweitenmodulierten Signals. Die Pulsweitenmodulation (PWM)
ist eine Modulationsart, bei der eine technische Größe, wie
es beispielsweise die Versorgungsspannung U eines Elektromotors
ist, zwischen zwei Werten, und zwar einem oberen Wert Wo und
einem unteren Wert Wu, wechselt. Die pulsweitenmodulierten
Signale haben ein Tastverhältnis.
Dabei ist das Tastverhältnis
t1/T das Verhältnis der Zeitdauer t1 zur gesamten Periodendauer T. Die Zeitdauer
t1 ist die Zeitdauer zu der die technische
Größe den oberen Wert
Wo hat. Ein Pulsweitenmodulations-Signal wird allgemein über einen
Tiefpass demoduliert. Die resultierende demodulierte technische
Größe, die
beispielsweise die Effektivspannung Ueff ist,
entspricht dem Integral und damit der Fläche unter der modulierten technischen
Größe. Gemäß der vorliegenden Erfindung
stellt eine Einstelleinrichtung das Tastverhältnis t1/T
der Versorgungsspannung U des Elektromotors abhängig von einer Temperatur des
Elektromotors ein. Alternativ oder kumulativ kann eine Einstelleinrichtung
den oberen Wert Wo und/oder den unteren
Wert Wu der Versorgungsspannung U des Elektromotors
abhängig
von einer Temperatur des Elektromotors einstellen.
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Die
Temperaturerfassungseinrichtung 7 kann einen im Elektromotor 1 vorhandener
Temperatursensor aufweisen, der die Temperaturinformation eines
Bauteils des Elektromotors 1 oder eine Umgebungstemperatur
des Elektromotors 1 erfasst.
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Der
Temperatursensor kann beispielsweise in der Einstelleinrichtung 5 integriert
sein und so die Temperatur der Einstelleinrichtung 5 erfassen,
wobei die Einstelleinrichtung 5 im Elektromotor 1 angeordnet
sein kann. Dabei nimmt die Einstelleinrichtung 5 in der
Regel die Temperatur des Elektromotors 1 an.
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Die
Einstelleinrichtung 5 kann einen Mikrocontroller aufweisen,
der ein elektronisches Bauelement zur Erfassung einer Temperatur
bzw. zum Bereitstellen einer temperaturabhängigen elektrischen Größe aufweist.
Das Bereitstellen der temperaturabhängigen elektrischen Größe dient
in dem Mikrocontroller in erster Linie dazu, eine Taktfrequenz eines
internen Taktes oder einen Verstärkungsfaktor
eines Verstärkers
konstant zu halten. Auf diese Weise kann das Vorsehen eines externen
Temperatursensors vermieden werden.
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Alternativ
kann die Temperaturinformation einer Umgebungstemperatur des Elektromotors 1 ebenso
direkt von einer externen Steuereinheit, z. B. einer Fahrzeugelektronik,
unabhängig
vom Elektromotor 1 bereitgestellt werden. Z. B. wird in
einem Kraftfahrzeug in der Regel die Lufttemperatur der angesaugten
Luft gemessen. Diese Temperaturinformation kann der Einstelleinrichtung 5 bereitgestellt werden.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Gleichstrommotors als Elektromotor 1.
Der Gleichstrommotor besteht aus einem unbeweglichen Teil, dem Stator,
und einem drehbar gelagerten Teil, dem Rotor (Anker). Bei konventionellen
Gleichstrommotoren besteht der Stator aus einem Elektromagneten
oder bei kleineren Maschinen einem Permanentmagneten. Der Rotor
umfasst einen oder mehrere Anker, die mit Rotorspulen versehen sind.
Die Rotorspulen werden über
einen Kommutator mit elektrischer Energie versorgt. Der Kommutator
weist Bürsten
auf, über
die elektrische Energie an den Rotor angelegt wird.
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Das
folgende Gleichungssystem beschreibt die physikalischen Größen eines
Gleichstrommotors: Ui =
kϕn U = Ui +
IARA M = kϕIA/2π ϕ = Um/Rm wobei Ui einer
Bürstenspannung,
k einer Maschinenkonstante, Φ einem
magnetischen Fluss, n einer Motordrehzahl, U einer Versorgungsspannung,
IA einem Ankerstrom, RA einem
ohmschen Ankerwiderstand, M einem Drehmoment, Um einer magnetischen Spannung
und Rm einem magnetischen Widerstand entsprechen.
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Man
erkennt aus obigen Gleichungen, dass bei sinkender Temperatur des
Elektromotors 1 sich der Magnetfluss Φ und der Ankerstrom IA erhöhen, da
der ohmsche Widerstand RA kleiner wird,
d. h. das Motordrehmoment M ist bei gleicher zugeführter elektrischer
Leistung umso größer je kleiner
die Temperatur des Elektromotors 1 ist. Weiterhin erhöht sich der
Magnetfluss bei sinkender Temperatur unabhängig vom Ankerwiderstand: ϕ(T)(VS) = (1 – 2·10–31/kΔT)·ϕ(Rt) wobei Rt der
Raumtemperatur entspricht.
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4 zeigt
eine qualitative Darstellung der Abhängigkeiten physikalischer Größen eines
Gleichstrommotors von dessen Temperatur. Diese Darstellung zeigt
die Abhängigkeiten
mit Bezug auf das in Verbindung mit 3 genannte
Gleichungssystem. Die Temperatur ist in Kelvin entlang der x-Achse
ab 263 K aufgetragen. Bei herkömmlichen
Motorsystemen ist die Ansteuerspannung U [V] des Elektromotors 1 von
der Temperatur unabhängig,
das heißt
bei jeder Temperatur konstant. Der Ankerwiderstand RA [Ω] wird proportional
zur Temperatur angenommen und verringert sich mit sinkender Temperatur
T. Der Ankerstrom IA [A] und das Drehmoment
M [Nm] nehmen mit zunehmender Temperatur ab. Das heißt mit sinkender
Temperatur nehmen diese beiden Größen zu. 4 zeigt
die Verläufe
bei einer konstanten Bürstenspannung
Ui.
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5 zeigt
eine Darstellung der Abhängigkeiten
physikalischer Größen des
Elektromotors 1 von dessen Temperatur. Die Temperatur ist
in Kelvin entlang der x-Achse ab 263 K aufgetragen. 5 zeigt
Verläufe
bei einer konstanten Bürstenspannung Ui. Die von der Einstelleinrichtung 5 mit
Hilfe der Endstufe bereitgestellte Ansteuerspannung U [V] des Elektromotors 1 wird
nun von der Temperatur T abhängig
eingestellt, d. h. sie verringert sich mit sinkender Temperatur
T. Der Ankerwiderstand RA [Ω] wird weiterhin
proportional zur Temperatur angenommen und sinkt mit abnehmender
Temperatur. Der Ankerstrom IA [A) und das
Drehmoment M [Nm] bleiben als Ergebnis unabhängig von der Temperatur und
damit konstant. 5 verdeutlicht, wie mittels
der Abhängigkeit
der Ansteuerspannung von der Temperatur, die Abhängigkeit des Ankerstroms und
des Drehmoments von der Temperatur vollständig kompensiert werden kann.
Dabei lässt
sich eine vorteilhafte Ableitung dU/dT der Versorgungsspannung U
nach der Temperatur T eines Gleichstrommotors folgendermaßen aus
dem obigen Gleichungssystem mittels folgender Gleichungen herleiten: U = Ui + IARA mit (U – Ui)/RA = IA = konstant (Bedingung für die Kompensation) (dU/dT)T = Ui + IA(dRA/dT)T dU/dT = Ui/T + IA(dRA/dT) mit Ui = kϕn = konstant.
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Die
letzte Zeile zeigt die Ableitung dU/dT als Steigung der Ansteuerspannung
U über
der Temperatur T des Elektromotors 5. Mit Hilfe der Steigung kann
die Ansteuerspannung U aus der vorgegebenen Stellgröße und der
bereitgestellten Temperatur generiert werden, um Temperatureffekte
auf das Drehmoment wirksam zu kompensieren. (dRA/dT)
ist die Ableitung des Ankerwiderstands RA nach
der Temperatur T des Elektromotors. Wird (dRA/dT)
als positive Konstante angenommen und IA soll
auch konstant sein so ist IA (dRA/dT) = c > 0.
Bei Integration erhält
man folgende Gleichung: U = UiInT
+ cT.
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Die
obige Gleichung stellt beispielhaft eine vereinfachte Abhängigkeit
der Ansteuerspannung U von einer Temperatur T des Elektromotors 1 dar.
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5 zeigt
den Verlauf der Versorgungsspannung U in Abhängigkeit von der Temperatur
T bei Temperaturen größer 263
K, wobei hier der proportionale Anteil „cT” den logarithmischen Anteil
dominiert. Entsprechend ist in 5 die Ansteuerspannung
U auch als steigende Gerade analog zum Ankerwiderstand RA dargestellt. Die Versorgungsspannung U
kann hier entsprechend Gleichung (3) als pulsmodulierte elektrische
Größe zur Einstellung
der dem Elektromotor zugeführten
elektrischen Leistung abhängig
von der Temperatur T bereitgestellt werden.
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Das
zum Ansteuern des Elektromotors 1 verwendete Tastverhältnis wird
in der Einstelleinrichtung 5 also abhängig von der Stellgröße SG und
der Temperatur ermittelt. Neben der oben beschriebenen Ansteuerung
gemäß einer
linearen Kennlinie kann auch in der Einstelleinrichtung 5 ein
Kennfeld vorgesehen sein, dass die Abhängigkeit der Ansteuerspannung
U für den
Elektromotor von der empfangenen Stellgröße und der empfangenen Temperatur
T angibt.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die Abhängigkeit der Ansteuerspannung
von der Temperatur nur in in einem Temperaturbereich kleiner einer Grenztemperatur
vorgesehen wird, während
oberhalb der Grenztemperatur die Ansteuerspannung unabhängig von
der Temperatur aus der Stellgröße generiert
wird.
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Obgleich
die Erfindung ausführlich
gezeigt und beschrieben wurde, ist die vorstehende Beschreibung
in allen Aspekten veranschaulichend und nicht einschränkend. Somit
können
selbstverständlich
zahlreiche Änderungen
und Abwandlungen konstruiert werden, ohne vom Umfang der Erfindung
abzuweichen.