DE1955423A1 - Servoeinrichtung - Google Patents

Description

PATENTANWALT!

DIPL-ING. KLAUS BERNHARDT D-8 MÖNCHEN 60 BÄCKERSTRASSE S

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PUJITSU 1IMI(DED No. 1015 Kamikodanaka Kawasaki, Japan Servoeinrichtung Priorität« 21. November 1968 Japan 43-85479

Die Erfindung betrifft eine Servoeinrichtung und insbesondere eine verbesserte Servoeinrichtung, die einen eIektr©hydraulischen Impulemotor verwendet und deren Zweck es ist, Schwankungen der Schleifenverstärkung zu verhindern.

Wie allgemein bekannt ist, enthält ein elektrohydraulisch^ Impulsmotor eine Kombination eines elektrischen Impulsmotors, eines Drehsohaltventils und eines hydraulischen Motors, und wenn Impulszüge einer bestimmten Frequenz dem elektrischen Impulsmotor zugeführt werden, besteht ein fehler oder ein Geschwindlgkeitsfehler in dem Drehschaltventil und der hydraulische Motor dreht sich mit einer Geschwindigkeit,

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die dem fehler proportional ist. Vqxoi die Last konstant ist, ist der fehler in dem Drehschaltventil proportional zur frequenz der Impulszüge, die dem elektrischen Impulsmotor zugeführt verden, und wenn die Last schwankt, bewirkt dies, daß der fehler in dem Drehschaltventil entsprechend schwankt, womit es unmöglich ist, die Schleifenverstärkung der Servoeinrichtung, d.h. das Verhältnis zwischen der frequenz der Befehlsimpulszüge, konstant zu halten« Im falle von Schwankungen der Umrißsteuerung in der Schleifenverstärkung bringt dies z.B. ein unerwünschtes Ergebnis, wie einen Bearbeitungsfehler. Der tatsächlich mit dem Gegenstand der Steuerung gezogene Umriß unterscheidet sich nämlich notwendigerweise von dem gewünschten gesteuerten Umriß,

Dtr oben erwähnte Zweck der Erfindung wird erreicht, indem die Befehleimpulse, die über den Impulazugumsetser zu dem elektrohydraulisohen Impulsmotor geführt werden sollen, vorgesehen werden und in -dem die Verstärkung des Impulszugumwandlers eingestellt wird, so daß die Differenz zwischen der Drehung des elektrohydraulischen Impulsmotors und der Anzahl der Befehlsimpulse proportional der frequenz der Befehlsimpulse ist.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der sind

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Flg. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Servoeinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Kurvenblatt, das die ideale Beziehung zwischen dem Geschwindigkeitsfehler der Servoeinrichtung und der Frequenz der Befehlsimpulse zeigt,

Fig. 3 ein Schaltbild des Impulszugwandlers in Pig. 1,

Fig. 4 ein Schaltbild der Verstärkungseinstellungsschaltung in Fig. 1,

Fig. 5 ein Schaltbild der Verbindung zwischen dem Impulszugwandler in Fig. 3 und der Verstärkungseinstellungsschaltung in Fig. 4 und

Fig. 6 die Frequenzkennlinien der Ausgangsimpulszüge des Impulszugwandlers in Fig. 3 und Fig. 5.

In Fig. 1 bezeichnet 100 eine numerische Steuervorrichtung mit einem Impulsgenerator,der in bekannter Weise Befehlsimpulse für die Servoeinrichtung erzeugt. Die Befehlsimpulse von der numerischen Steuervorrichtung 100 werden über die Leitung 101 dem Impulszugwandler 102 zugeführt.

Der Impulszugwandler 102 besteht aus folgenden drei Elementen: Ein Register 103, das aus einem reversiblen Zähler besteht, ein digitaler Widerstands^ oder Kapazitäts-)-Wandler 104 und ein Oszillator 105 mit variabler Frequenz, wobei die drei Elemente im einzelnen unten beschrieben werden.

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Der Wandler 102 let ein sogenannter Glättungskreis, der im eingeschwungenen Zustand einen Impulszug zur Ausgangsleitung 106 mit einer Frequenz aussendet, die der Frequenz der Befehlsimpulse gleich ist, die zur Leitung 101 gegeben werden, und in dem Falle, daß die Frequenz der Befehlsimpulse plötzlich schwankt, zur Leitung 106 solche Impulszüge aussendet, deren Frequenz Schwach schwankt, und dies bedeutet, daß ein Ansprechfehler in dem elektrohydraulischen Impulsmotor, der mit der letzten Stufe der Schaltung verbunden ist, - erhindert wird.

Mit 107 ist der elektrohydraulische Impulsmotor bezeichnet, der aus einem elektrischen Impulsmotor 108, einem Drehschaltventil 109 und einem hydraulischen Motor 110 besteht. Eine Ausgangswelle 111 des elektrohydraulischen Impulsmotors 107 ist bei diesem Beispiel mit einer Werkzeugmaschine 112 zu deren Steuerung verbunden.

In dem Impulszugwandler werden die Befehlsimpulse in dem reversiblen Zähler 103 gezählt. In dem Wandler 104 und dem Oszillator 105 werden die Impulszüge mit einer Frequenz proportional zu dem gespeicherten Wert des Zählers 103 zur Ausgangsleitung 106 ausgesandt. Die zu der Leitung 106 ausgesandten Impulse werden über die Leitung 125 zu dem Zähler 103 als dessen Subtraktionseingang geführt und subtrahieren jedesmal eine von dem Wert des Zählers.

Folglich zeigt der gespeicherte Wert el des Zählers 103 den Fehler (gespeicherte Menge) des Wandlers 102 und im

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eingeschwungenen Zustand, d.h. in dem Zustand, in dem die Frequenz F der Befehlsimpulse gleich der Frequenz f der zu der Leitung 106 ausgesandten Impulse ist, ist der Fehler el proportional zu F.

Andererseits wird in dem elektrohydraulischen Impulsmotor 107 der Fehler e2, der in eine Impulszahl umgewandelt ist, in dem Drehschaltventil erzeugt, wobei dieser Fehler e2 proportional der Eingangsimpulsfrequenz f des elektrischen Impulsmotors ist, wenn die Last konstant ist.

Deshalb ist der Fehler der Tollständigen Servoeinrichtung im eingeechwungenen Zustand:

e « e 1 + e 2

Der Zweck der Erfindung, nämlich den Schleifengewinn g konstant zu halten, bedeutet, die Beziehung «wischen der Frequenz 7 der Steuerimpulse und dem Fehler im eingeechwungenen Zustand e der gesamten Servoeinrichtung bei einer solohen vollständig proportionalen Beziehung zu halten, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, d.h.

worin k ein« Proportionalitätekonetante 1st. Wenn die Last an dem elektrohydraulischen Impulemotor schwankt, schwankt der Fehler e2 des Drehschaltventils. Deshalb ist es bei der vorliegenden Erfindung «in Zweck, den Fehler el des Wandlers 102 entsprechend dem Betrag der Schwankung zu ändern, um den gesamten fehler e proportional zur Steuerimpulsfrequenz 7 konstant zu halten.

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Der ideale Fehlerwert es, der proportional zur Befehlsimpulsfrequenz P ist, wird in dem Zähler

114 bestimmt. Hit anderen Worten werden die zur Leitung 101 ausgesandten Steuerimpulse zu dem Zähler .114 über die leitung 113 und das Tor 115 gesandt.

115 ist ein Tor, das bewirkt, daß der Zähler 114 die Befehlsimpulse während der Periode zählt, wenn die Impulse mit bestimmter Sauer zur Leitung 116 geführt werden. 117 ist ein Rückstellanschluß des Zählers 114. Somit wird in dem Zähler 114 der Wert es, welcher der frequenz der Befehlsimpulszüge proportional ist, gezählt.

Sin Zähler 118 ist ein reversibler Zähler zum Auffinden der Differenz zwischen der Zahl der Befehls« impulse und den tatsächlichen Umdrehungen des elektrohydraulischen Iapulemotore, d.h. des Fehlers der gesamten Servoeinrichtung.

Die Befehlsimpulse werden dem (+)-Kanal des reversiblen Zählers 118 zugeführt und die Impulse von dem Impulsgenerator 119 werden dem (-)-Kanal augeführt, wobei die Differenz der tatsächliche Wert des Zählers ist.

Der Impulsgenerator 119 ist mechanisch mit der Ausgangswelle des elektrohydraulischen Impulsmotors gekuppelt und erzeugt eine Anzahl von Impulsen proportional zu den Umdrehungen des Motors.

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120 ist ein Vergleichskreis, der die Punktion hat, den Fehler e der gesamten Servoeinrichtung mit dem idealen Fehler es zu vergleichen, um zu bestimmen, welcher größer ist, und wenn der Yergleichsbefehlsimpuls zur Leitung 121 gegeben wird, sendet er Impulse entweder zur Leitung 122 oder zur Leitung entsprechend den Ergebnissen des Vergleichs aus.

124 ist ein Verstärkungssteuerkreis, der die Punktion hat, die Verstärkung um eine Stuf a in dem Falle von e y es zu erhöhen und die Verstärkung um eine Stufe in dem Falle e ( es zu verringern.

Fig. 3 zeigt eine der Ausführungsformen des in Fig. dargestellten Impulszugwandlers 102.

301 ist ein Eingangsanschluß, um die Steuerimpulse dem Addiereingang des Registers 302 zuzuführen.

Das Register 302 dient zur Speicherung der digitalen Information als reine binäre Zahlen und hat Ausgangsleitungen mit individuellen Stellen 12°, 12¹.... I2ⁿ"¹, 12ⁿ; wobei die Gesamtheit der Ausgangsleitungen als 303 dargestellt ist und jede der Ausgangsleitungen jeweils 2°, 2¹ ... 2ⁿ~^ , 2ⁿ des binären Wertee entspricht.

304 ist ein digitaler Widerstandswandler mit NPN-Transistoren QO, 0.1 ... Qn-1, Qn, die den Anschlüssen b2°, b2 ... b2ⁿ t b2ⁿ des Registers 302 entsprechen. Sie Basen der Transistoren QO, Q1 ... Qn-1, Qn sind mit den leitungen b2°, b2¹ ... b2ⁿ"¹, b2ⁿ über Widerstände R10, R11 ... Rt (n-1), R1n verbunden, die gleiche Widerstandswerte haben.

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Die Basen der Transistoren QO, Q1 ... Qn-1, Qn sind mit dem Ansohluß 310 einer -12 V-Quelle über die Vorspannwiderstände R20, R21 .. R2(n-1), R2n und über die Leitung 313 verbunden.

Die Kollektoren der Transistoren QO, Q1 ... Qn-1, Qn sind jeweils mit dem Anschluß 308 der +16 T-Quelle Jiber Widerstände R30, R31, ... R3(n-i), R3n und über die leitung 311 verbunden. Die Emitter der Transistoren QO, Q1, ... Qn-1, Qn sind gemeinsam über die Leitung mit dem 0 V-Ansehluß 309 verbunden. Ein Serienkreis aus einer Diode DO und einem Widerstand R40 ist zwischen dem Ausgangsanschluß 314 des digitalen Widerstands- _ wandlers und dem Kollektor des Transistors Q2 vorgesehen. Die Reihenkreise D1, R41, ... Dn-1, Dn R4n, sind in gleicher Weise zwischen die Kollektoren der Transistoren Q1, ... Qn-1, Qn und die Leitung 314 eingeschaltet.

305 ist ein Unijunction-Transistoroszillator. Der Emitter des Unijunction-Transistors ist mit der Ausgangsleitung 314 des digitalen Widerstandswandlers verbunden. Die eine Basis B2 ist mit der Leitung 311 über den Widerstand R5 verbunden und die andere Basis B1 ist mit der Leitung 312 über den Widerstand R6 verbunden. Ein Kondensator 01 ist zwischen den Emitter E und die Leitung 312 geschaltet.

Die Basis B1 ist mit der Basis des Transistors Q6 eines Wellenform-Verstärkers 301 über eine Oszillatorauegangs leitung 315 verbunden.

Der Emitter des Transistors Q6 ist mit der Leitung verbunden und der Kollektor ist mit der Leitung 311 Über

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den Widerstand R7 verbunden. Der Kollektor ist auch mit der Basis des Transistors Q7 über den Widerstand R8 verbunden. Der Emitter des Transistors Q7 ist mit der leitung 315 verbunden und der Kollektor ist mit dem Ausgangsanschluß 307 und auch mit der Leitung 311 über den Widerstand R9 verbunden.

In der in Pig. 3 dargestellten Schaltung entspricht 0 Volt dem logischen Wert "1" und +16 V entspricht dem logischen Wert ¹¹O". Die Widerstandswerte der Widerstände R40, R4-1, ... R4n-1, R4n und der Widerstände R30, R31ι ... R3n-1, R3n sind, wie sich aus dem folgenden Beispiel ,ergibt» so gewählt, daß diese Summe der Widerstandswerte eines Widerstandspaars entsprechend jedem der Transistoren die Hälfte des Wertes der unmittelbar vorangehenden Stelle ist:

R30 + R40 β 2ⁿ χ 10 kOhm R31 + R41 β 2ⁿ~¹ χ 10 kOhm

R3(n-1) + R4(n-1) * 2¹ χ 10 kOhm R3n + R4n « 2° χ 10 kOhm

Mit anderen Worten ist die Summe des Widerstandswertes eines Widerstandspaars R30 und R40, das dem Transistor QO entspricht, der mit der niedrigsten, d.h. geringstwertigen Stelle 12° des Registers 302 verbunden ist, das Maximum und die Suraxae des Widerstandswertes eines Widerstandepaars R31' und R41, das dem Transistor Q1

ÖAÖ GWStNAL

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- ίο -

entspricht, ist die Hälfte der oben erwähnten Summe. Die anderen Widerstandspaare sind in gleicher Weise ausgewählt.

Die folgende Beschreibung betrifft die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Schaltung.

Das Register 302 dient zur Speicherung von digitaler Information als reine binäre Zahlen und sendet entweder 0 Volt oder ein Signal von +16 Volt zu dem Ausgangsanschluß jeder Stelle entsprechend dem numerischen Wert aus.

Unter der Annahme, daß die Zahl in dem Register "5" in Dezimalen ist, erscheint die Spannung 0 Volt nur an den Anschlüssen 12° und 12 .

Wenn der logische Wert ⁿ0ⁿ, nämlich +16 Volt, an allen Ausgangsleitungen 12°, Ii ¹, ... 12¹¹""¹, 12ⁿ auftritt, bedeutet dies, daß alle Transistoren QO, Q1, ... Qn-1, Qn sich in leitfähigem Zustand befinden.

Wenn der logische Wert ⁿ1^H, nämlich 0 Volt,auf einigen ,der leitungen 12°, 12¹, ... I2ⁿ"¹, 12ⁿ auftritt, bedeutet dies, daß nur solche Transistoren sich in nichtleitfähigem Zustand befinden, die mit den Ausgangsleitungen verbunden sind, auf denen 0 Volt auftritt.

Wenn der Wert des Registers 302 Null ist und folglich alle Transistoren sich in leitfähigem Zustand befinden, wird das Kollektorpotential jedes Transistors 0 Volt, und da die Dioden DO, D1, ... Dn in Rückwärtsrichtung vorgespannt werden, sind die Widerstände R40, R41, R4(n-1), R4n kurzgeschlossen.

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- ίι -

Wenn das Register 302 sich, in vollem Zählzustand "befindet und folglich alle Transistoren nichtleitend werden, wird das Kollektorpotential jedes !Transistors erhöht und die Dioden DO, D1, ... Dn, Dn-1 werden in Vorwärtsrichtung vorgespannt.

Deshalb ist jeder Widerstand R30, R31, ... R3n in Reihe mit R40, R41, ... R4n geschaltet, die jeweils den ersteren entsprechen.

In diesem Palle ist der kombinierte Widerstand R durch die folgende Pormel gegeben:

" ~ R30 + R40 ^Ί RTT +R4T (R3n-T; + (R4n-1)

R3n + R4n

Wenn deshalb die Widerstandswerte der Widerstände R30, R3n und R40, ... R4n wie vorangehend beschrieben ausgeführt worden sind, erreicht der kombinierte Widerstandswert der Leitung 311 und der Ausgangsleitung 314 einen Wert, der genau umgekehrt proportional zu den binären Zahlen des Registers 302 ist.

Der Unijunction-Trannistor 305, auch mit UJT bezeichnet, arbeitet in folgender Weise. Der Kondensator 01 wird über die Leitung 314, den Widerstandskreis und die Leitung 314 geladen; das Emitterpotential des Unijunction-Transistors beginnt zu wirken. Bis das Potential B2 erreicht, nämlich 16 V, wird der Unijunction-Transistor leitfähig. Die elektrische Ladung, die in dem Kondensator C1 gespeichert worden ist, wird über die Basis B1 und den Widerstand R6 entladen.

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Wenn das Potential des Emitters E schnell auf etwa 2 V fällt, wird der Unijunction-Transistor nicht leitfähig und der Kondensator lädt sich wieder. Die Periode T des Unijunction-Transistor-Oszillators ist durch die

folgende Formel gegeben:
^*

T * 23 R . C log₁₀ (-^) , (2)

worin R der Widerstandswert,

C der Kapazitätswert und

tn ein durch den Typ des Unijunction-Transistors ^u bestimmter Parameter sind.

Somit hat eine Schwingungsperiode eine geringe Beziehung zur Spannung und zur Temperatur und eine im wesentlichen lineare DAD-Umwandlung kann ausgeführt werden, indem der Widerstandswert oder der Kapazitätswert digital geändert werden.

Jedesmal, wenn der Unijunction-Transistor leitfähig wird, tritt eine positive Spannung auf der Leitung 315 auf , wobei diese Spannung zu einem Yerstärkertransistor Q6 des Verstärkers 306 in dem Wellenformverstärker 306 gegeben wird.

Ein Ausgangsimpuls wird an dem Ausgangsanschluß 307 erhalten, der mit dem Kollektor des Wellenformtransistors Q7 verbunden ist.

Der an dem Anschluß 307 erhaltene Impuls wird auch zu einem Subtrahiereingangsanschluß 316 des Registers 302 .gegeben.

Pig. 4 zeigt das Schaltbild der in Pig. 1 dargestellten Verstärkungseinstellungsschaltung 124·

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Das Register 602 in Pig. 4 hat leitungen (+) 601 und (-) 601, die mit den Leitungen 122 und 123 in Fig. 1 verbunden sind.

Dies ist dem oben beschriebenen Pail darin gleichartig, daß die Ausgangsleitungen 12°, 12 , ... 12^r'" , 12ⁿ jeder Stelle des Registers 602 mit den Basen der !Transistoren Q10, Q11, ... Q1n-1, Q1n verbunden sind, mit der Ausnahme, daß ein Reihenkreis aus der Diode D02 und dem Kondensator 020 zwischen dem Kollektor des Transistors Q10 und der leitung 614 angeordnet ist und daß eine Diode DO1 zwischen dem Emitter des Transistors Q10 und dem Kondensator 020 eingeschaltet ist.

Diese Anordnung wird auch bei den anderen Transistoren Q11 bis Q1n angewandt. Der Emitter dee Unijunction-Transistors Q8 ist an einer Seite mit der Leitung 611 über den Widerstand R10 verbunden und an der anderen Seite mit der Leitung 612 über den Kondensator 03. Die Leitung 614, die gemeinsam mit jedem der Kondensatoren 020 bis C2n verbunden ist, ist an dem Emitter des Unijunction-Transistors Q8 angeschlossen.

Als nächstes wird die Arbeitsweise der in Pig. 4 gezeigten Schaltung beschrieben.

Die digitale Eingangsinformatlon, die In dem Register gespeichert worden ißt, gibt ein Potential von entweder 0 Volt oder 16 Volt entsprechend den logischen Werten "1^W oder ^M0^w jeder Stelle zu den Transistoren Q10 bis Q1n über die Widerstände R50 bis R5n. Bin Transistor mit einem logischen Wert "1", an dem 0 Volt angelegt

C- 0 9 8 / 5 / G 9 0 3

worden ist, wird nichtleitend und ein Transistor mit einem logischen Wert "0", dem 16 Volt zugeführt worden ist, wird leitfähig.

Palls die Transistoren Q10 bis Q1n nicht leitfähig sind, werden die Dioden D02, D12, ... Dn- 12, En2 in Rückwärtsrichtung vorgespannt, um nichtleitend zu werden, und die entsprechenden Kondensatoren 020, 021, ... C2n-1, C2n werden von der leitung 612 abgeschaltet.

Wenn die Transistoren Q10 bis Q1n sich in leitfäbigem Zustand befinden, werden die Dioden D02, D12, ... Dn-12, Dn2 leitfähig und jeder der Kondensatoren 020, C21, .. C2n-1, C2n wird über die leitung 611, den Widerstand H10 und die Leitung 614 geladen.

Wenn somit das Emitterpotential des Unijunction-Transistors die Quellenspannung 16 Y erreicht, wird die in den Kondensatoren 020, 021, ... C2n-1, 02n gespeicherte Ladung über die Basis B1, den Widerstand R21 und die Dioden D01, D11, ... D1n-1, D1n entladen.

Die kombinierte Kapazität C, welche die Schwingungsperiode des Unijunction-Transistor-Oszillators bestimmt, ist durch die folgende Formel gegeben:

0 = 020 +021 + ... +C2n-1 + 02n +03 .... (3)

Die folgenden Werte werden als Kapazität jedes Kondensators auf der Basis des Kapazitätswertes ic20~] des Kondensators 020 ausgewählt:

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- .15 -

[ö2Ö] = (2°) χ [C2qj = (2¹) χ QC2O3 ¹

£C2n) = (2^η) χ

Die Schwingungsperiode T dieser Schaltung ist durch die folgende Formel bestimmtϊ

I = 23 x R10 X £C2O + 021 + ... *+ C2n-1 + C2n + 03]

(5)

Fig. 5 zeigt das Verfahren der Verbindung zwischen dem Wandler 807 in Pig. 3 und der Verstärkungseinstellungsschaltung in Pig. 4» d.h. den digitalen Kapazitätswandler 808.

Wie in der Zeichnung zu sehen ist, sind die Ausgangsleitung 314 des Wandlers in Mg. 3, und die Auagangsleitung 614 des Wandlers in Fig. 4 mit dem Emitter E des Unijunction-Transistors Q8 verbunden

Pig. 6 zeigt die Prequenzkennlinien der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform. Der Maßstab auf der Abszisse zeigt die digitale Information (gespeicherter Wert) S an, während der Maßstab auf der Ordinate die Ausgangsfrequenz f in Hz angibt.

In Pig. 6 zeigt (1) die Kennlinie, wenn die in dem Register 602 gespeicherte Information 1 ist.

In Pig, 6 zeigen (2), (3), ... Cn) auch die entsprechenden Frequenzkennlinien, wenn die digitale Information des Registers 804 2, 3, ... η in dezimal übertragenen Zahlen ist.

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Wie vorstehend festgestellt worden ist, kann die vorliegende Erfindung automatisch Fehler in dem Impulszugwandler einstellen, auch wenn die Last schwankt, wodurch es möglich wird, eine ideale Servoeinrichtung auszuführen.

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Claims (1)

1. 6/98

   Pat entanspruch

   Servoeinrichtung, gekennzeichnet durch eine Anordnung, die es ermöglicht, daß Befehlsimpulse einem elektrohydraulisehen Impulsmotor über einen Impulszugwandler augeführt werden und Fehler in dem Impulszugwandler steuern, so daß der Fehler (Differenz) zwischen der Zahl der Impulse in dem Befehlsimpulszug und den Umdrehungen des elektrohydraulischen Impulsmotors proportional zur Frequenz des Befehlsimpulszuges ist.

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