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Schrittschaltmotor-Steuerkreis Die Erfindung betrifft einen Schrittschaltmotor-Steuerkreis,
der dazu dient, daß der Schrittschaltmotor auf Jeden Eingangsimpuls einer Impulskette
eine Schrittbewegung ausführt.-In der US-Patentschrift 3 117 268 des Anmelders ist
ein Schrittschatmotor-Steuerkreis beschrieben, der Steuereingangsimpulse erhält
und auf Jeden Eingangsimpuls hin einen Speisungswechsel der Ständerwicklung des
Motors vornimmt. Auf Jeden Speisungswechsel hin führt der Motor einen kleinen Drehschritt
aus. Der Steuerkreis erhält Eingangsimpulse bei Jeder beliebigen Frequenz und erzeugt
unmittelbar einen Speisungswechsel für den Motor,
so daß der Motor
durch diese Speisungswechsel gezwungen ist, Schritte auszuführen mit einer Geschwindigkeit,
die der Frequenz der Eingangsimpulse entspricht.
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In einer Vielzahl von Anwendungsfällen ist diese Direktbeziehung
zwischen der Frequenz der Eingangsimpulse und der Schrittgeschwindigkeit als nicht
zufriedenstellend empfunden Worden. Dies kann z.B. dann der Fall sein, wenn die
Impulsfrequenz so hoch ist, daß der Motor nicht mehr in der Lage ist, seine Belastung
mit Jedem Impuls um einen Schritt weiter zu drehen. Steht der Motor z.B. still und
kommt dann eine Impulskette mit einer Frequenz von 400 Impulsen pro Sekunde an,
dann ist der Motor im allgemeinen nicht in der Lage, augenblicklich auf die 400
Schritte Je Sekunde zu beschleunigen, was auf seine Trägheit und die Trägheit der
angeschlossenen Belastung zurückzuführen ist. So kann also der Motor nicht auf Jeden
der ersten Eingangsimpulse mit einem Schritt reagieren, wodurch dann die gewünschte
Beziehung zwischen der Impulszahl und der GesamtschrS$zahl, die der Impulszahl gleich
sein soll, gestört ist. Auch kann eine Störung zwischen Impulszahl undpohrittzah1
auftreten, wenn die Frequenz der Eingangsimpulse sehr stark geändert wird und der
Motor nicht augenblicklich mit einer Geschwindigkeitsänderung auf die neue Frequenz
der Eingangsimpulse ansprechen kann.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen digitalen Motorsteuerkreis
zu schaffen, bei dem die Frequenz der Eingarigssteuerimpulse und die Schrittgeschwindigkeit
des Motors nicht zwingend identisch sind, bei dem Jedoch der Motor genau die durch
die Impulszahl vorgegebene Anzahl von Schritten ausführt.
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Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, das oben genannte Ziel mit einem
Schaltkreis zu erreichen, der, obgleich der Motor auf Jeden Bingangsimpuls hin einen
Schritt durchführt, die Beschleunigung und Verzögerung der Schrittgeschwlndigkeit
des Motors so variiert, daß die Veränderung vom Motor stets verfolgt werden kann
und dieser auf Jeden Impuls einen Schritt durchführt.
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Weiterhin wird mit der Erfindung angestrebt, einen digitalen Motorsteuerkreis
zu schaffen, bei dem die Motorschrittgeschwindigkeit digital entsprechend der Zahl
der Eingangsimpulse gesteuert wird, die noch nicht in einen Schritt umgesetzt sind,
und nicht entsprechend der Frequenz der Eingangsimpulse.
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Ziel ist es außerdem, einen derartigen Motorsteuerkreis zu schaffen,
der trotz der Möglichkeit, obige Aufgaben zu lösen, relativ einfach im Aufbau, dauerhaft
im Gebrauch und einfach bestehenden Motorsteuerkreisen hinzuzufügen ist.
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Zur Ausführung der Erfindung sind ein Schrittschaltmotor und eine
Motorsteuervorrichtung vorhanden, wie sie aus der oben genannten US -Patentschrift
bekannt sind, wobei die Motorsteuereinrichtung die ankommenden Impulse augenblick
lich in einen Speisungswechsel für die Ständerwicklung des Motors umwandelt und
Jeder Speisungswechsel einen Motorschritt erzeugt. Die Eingangssteuerimpulse werden
nicht direkt der Motorsteuereinrichtung zugeführt sondern in einem Digitalzähler
aufgenommen wie etwa in einem Auf- Ab- Register.
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Der Zählerstand in dem Register wird dazu benutzt, die Frequenz eines
Oszillators zu verändern, der die Ausgangsimpulse erzeugt, die der Motorsteuereinrichtung
für die Umwandlung in Motorschritte zugeführt werden. Die Ausgangsimpulse werden
außerdem dem Auf- Ab-Register in subtrahierender Weise zugeführt, wenn die Eingangsimpulse
in addierender Weise zugeführt werden, so daß Jeder Eingangsimpuls den Zählstand
des Registers um eins vergrößert, während jeder Ausgangsimpuls den Zählstand um
eins vermindert. Das Auf-Ad Register hat damit einen Zählstand, der die Augenblicksdifferenz
zwischen
der Zahl der aufgenommenen Eingangsimpulse und der Zahl der Ausgangsimpulse anzeigt,
die der Motorsteuereinrichtung zugeführt wurden.
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Der Zählstand im Register, der die Frequenz des Oszillators steuert,
ist in dieser Steuerung durch Verwendung eines die Wechsel begrenzenden Netzwerkes
begrenzt, das die Geschwindigkeit der Frequenzwechsel des Oszillators, die vom Zählstand
gesteuert werden, reguliert. Das Begrenzungsnetzwerk wird besonders durch die Motormasse
und die Motorlast mit einem bestimmten Sicherheitsfaktor beeinflußt, so daß unter
keinen Umständen die Oszillatortrequenz Impulse zur Motorsteuereinrichtung mit einer
Geschwindigkeit zuführt, die größer ist, als der Motor zur Beschleunigung und Verzögerung
seiner selbst und der Last ertragen kann.
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Der Zählstand des Auf-Ab-Registers ist maßgebend für die Differenz
zwischen der Schrittzahl, die durch die Zahl der Eingangsimpulse vorgegeben ist,
und die Zahl der bereits durchgeführterl Schritte, welche durch die Ausgangsimpulse
festgelegt ist. Der Zählerstand ergibt sich aus der Differenz zwischen der Frequenz
der Eingangsimpulse
und der Schrittgeschwindigkeit. Der Motor fährt
so lange fort, Schritte auszuführen, bis der Zählerstand Null ist, so daß der Motor
dann dieselbe Zahl von Schritten durchgeführt hat, wie Sngangsimpulse vorhanden
waren.
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Aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbei spiels der
Erfindung anhand der Zeichnung wird diese noch deutlicher offenbar. Es zeigen: Fig.
1 ein Blockschaltbild des Motorsteuerkreises nach der -Erfindung; Fig. 2 eine grafische
Darstellung der Motordrehzahl gegenüber dem Registerzählstand; Fig. 3 ein Schaltbild,
teils in Blockdarstellung, des nichtlinearen Spannungsgenerators aus der b'ig.
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1; Fig. 4 ein Schemaschaltbild des Begrenzungsnetzwerks und des Oszillators
für variable Frequenz; und Fig. 5 ein Schaltbild ähnlich Fig. 3 für ein weiteres
Ausführungsbeispiel des nichtlinearen- Spannungs generators, der für höhere Ochrittgeschwindigkeiten
verwendet wird.
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Der digitale Motorschaltkreis nach der Erfiiidung ist; in der Zeichnung
insgesamt mit 10 bezeichnet. Er enthält einn Motor 11 und einen Motorsteuerkreis
12. Die Steuerung und der
Motor sind in der oben genannten US-Patentschrift
vollständig beschrieben; der Motorsteuerkreis speist die Motorwicklung durch Speisungswechsel,
wodurch der Motor 11 auf jeden Ausgangsimpuls hin, den er über die Leitung 13 zugeführt
erhält, einen Schritt durchführt. Die Umsetzung zwischen Ausgangsimpuls und Speisungswechsel,
um im Motor einen Bewegungschritt hervorzurufen, geschieht im wesentlichen augenblicklich.
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Gemäß der Erfindung wird der Motor 11 veranlaßt, die Zahl der Schritte,
die durch die Anzahl der auf der Leitung 14 ankommenden Eingangsimpulse festgelegt
ist, auch auszuführen, jedoch mit einer Geschwindigkeitsfolge der Speisungswechsel
zum Motor und damit einer Schrittgeschwindigkeit, die durch die Frequenz der Ausgangsimpulse
und nicht durch die Frequenz der Eingangs impulse festgelegt wird. Deshalb ist die
Motorgeschwindigkeit nicht zu Jeder Zeit unmittelbar von der Frequenz der Eingangsimpulse
abhängig, sondern es besteht hier nur zu gewissen Zeiten Ubereinstimmung.
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Die Eingangssteuerimpulse werden über eine Leitung 14 in einen Antikoinzidenzkreis
15 gegeben, welcher außerdem
noch die Ausgangsimpulse über eine
Leitung 1 3a erhält. Beide Impulse werden dann einem Auf- Ab-Register 16 zugeführt,
in der Weise, daß Jeder Eingangssteuerimpuls den Zählstand des Registers um eins
vergrößert und Jeder Ausgangsimpuls den Zählstand des Registers um eins vermindert.
Der Antikoinzidenzkreis wird dazu verwendet sicherzustellen, daß Jeder Impuls vom
Register gezählt wird, wodurch verhindert wird, daß ein Impuls nicht gezählt wird,
wenn beide, also ein Ausgangsimpuls und ein Eingangsimpuls gleichzeitig an kommen.
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Der Zählstand des Registers,der die augenblickliche Differenz zwischen
der Zahl der Eingangsimpulse und der Ausgangsimpulse angibt, wird einem hlchtlinearen
Spannungsgenerator 17 zugeführt, der eine Spannung auf einer Leitung 18 erzeugt,
die in ihrer Größe vom Zählstand des Registers abhängt. Die Spannung auf der Leitung
18 wird einem Begrenzungsnetzwerk 19 zugeführt, das eine Spannung auf einer Leitung
20 erzeugt, welche von dort einem Frequenzoszillator 21 variabler Frequenz zugeführt
wird. Der Ausgang des Oszillators 21 gibt die Ausgangsimpulse ab, die auf den Leitungen
13 und 13a erscheinen. Folglich wird der Zählstand des Registers 16 in einen analogen
Spannungswert umgewandelt, der
über das Begrenzungsnetzwerk 19
einem variablen Frequenzoszillator 21 zur Seuerung der Frequenz dieses Oszillators
zugeführt wird, womit auch die Frequenz der Ausgangsimpulse gesteuert wird.
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Eine Beziehung zwischen dem Registerzählstand und der Motorgeschwindigkeit
(die mit der Frequenz der Ausgangsimpulse identisch ist), ist in der Fig. 2 gezeigt,
bei der die größtmögliche Zahl der Motorschritte bei etwa 400 Schritten pro Sekunde
liegt, und sie beginnt bei einem Zählerstand des Registers von etwa 20. Die maximale
Frequenz der Eingangsimpulse ist so ebenfalls 400 Impulse je Sekunde, so daß die
mittlere Frequenz nicht die maximale Motordrehzahl überschreiten kann, wenn der
Zähler voll ist. Der Motor 11 ist mit einer Belastung 11a verbunden und aufgrund
seiner eigenen Trägheit und derjenigen der Belastung kann der Motor eine bestimmte
Drehzahlveränderung durchführen, ohne daß dabei ein Bewegungsschritt verloren geht.
Die Schnelligkeit der Geschwindigkeitsänderung und der Zählstand des Zählers, der
durch die Eingangsimpulsfrequenz und die AusgangsimpulsCrequenz bestimmt wird, sind
alle in Zeitabhängigkeit dargestellt, denn die Zeit spielt für alle drei Größen
gemeinsam eine wolle. Bewirken also die Eingangsimpulse, daß der Zählstand des Zählers
zunimmt,(mehr Eingangsimpulse als Ausgangsimpulse
) so versucht
der variable Frequerizoszil lator; die Motordrehzahl entsprechend der mit der Bezugsziffer
22 gekennzeichneten Linie zu steigern.
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Angenommen der Motor steht still, und es werden Ein gangssteuerimpulse
mit einer Frequenz von 400 Impulsen je Sekunde zugeführt, so steuert das Begrenzungsnetzwerk
19 den variablen Frequenzoszillator 21 so, daß die Frequenz der Ausgangsimpulse,
die der Motorsteuereinrichtung 12 zuge-
fünrt werden, sich nach der linie 22 ändert.Es erscheint also auf den ersten Eingangsimpuls
hin ein erster Ausgaijgsimpuls auf der Leitung 13, der mit einer Folgegeschwindigkeit
von etwa 33 Schritten je Sekunde erzeugt wird. Während des Durchführens dieses Schritts
werden weitere Eingangssteuerimpulse dem Register zugeführt, so daß dadurch der
Zählstand im Register ansteigt, wodurch infolge des Vorhandenseins des Begrenzungsnetzwerks
19 die Frequenz des variablen Frequenzsozillators so ansteigt, daß bei einem Zählerstand
von 4 im Register die achrittgeschwindigkeit des Motors bereits etwa 200 Schritte
Je Sekunde ist0 Die Schrittgeschwindigkeit des Motors wird weiter gesteigert» bis
der Maximalzählstand von etwa 20 erreicht ist, wobei der Motor dann mit einer
Geschwindigkeit
von 400 Schritten Je Sekunde läuft, was sowohl die maximale Schrittgeschwindigkeit
des Motors als auch die maximale Durchschnittseingangsimpulsfrequenz ist.
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Hört die Zufuhr von Eingangsimpulsen auf, so erzeugt der variable
Frequenzoszillator Impulse mit abnehmender Geschwindigkeit gemäß Linie 22, da der
Zählstand des Registers bis nach Null hin abnimmt. Es wird also Jeder Eingangsimpuls
entweder augenblicklich in einen Ausgangsimpuls umgesetzt oder im Register 16 gespeichert,
so daß Jeder Eingangsimpuls einen Speisungswechsel des Scittschaltmotors hervorruft.
Bei Ansteigen oder Absinken des Zählstandsim Register steuert dieses mit Hilfe des
Begrenzungsnetzwerks die Geschwindigkeit, mit der die Motorschritte durchgeführt
werden.
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Die genaue Form der Kurve 22 hängt vom Motor 11 und der Belastung
11a ab und kann mit verschiedenen Motoren, Belastungen, Geschwindigkeiten und so
weiter verändert werden. Sie wird durch Vorausbereohnung oder Versuch bestimmt.
Es wird vorzugsweise auch noch ein Sicherheitsfaktor eingeplant, so daß die Kurve
22 mit Sicherheit
innerhalb der Möglichkeiten des Motors liegt,
was sicherstell; daß Jeder Eingangsimpuls in einen Motor schritt umgewandelt wird.
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In Fig. 3 nun ist ein nichtlinearer Spannungsgenerator 17 gezeigt,
der mit dem Auf- Ab-Hegister 16 verbunden ist welches für den Zählerstand von 1
bis 20 eine Ausleseleitung hat. Jede Ausleseleitung ist, wie dies z.B. für den Zählstand
1 gezeigt ist, über eine Diode 23 und einen veränderbaren Widerstand 24 mit einer
gemeinsamen Leitung 25-verbunden, die mit der Bezugsziffer Vg gekennzeichnet ist,
was Spannung vom Spannungsgenerator bedeutet. Die veränderbaren Widerstände 24 sind
so eingestellt, daß die Kurve 22 erreicht wird, weshalb jeder Zähstanddes Registers
16 einen anderen Spannungswert der Spannung V liefert, wobei der höhere Zählg stand
eine höhere Spannung erzeugt.
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In Fig. 4 ist gezeigt, wie die V -Spannung dem Eing gang des Begrenzungsnetzwerks
19 zugeführt wird. Dieses Netzwerk enthält Transistoren 26, 27 und 28, zwei veränderbare
Widerstände 29 und 30, einen Kondensator 31 und verschiedene andere Dioden und Widerstände,
wie dies gezeigt ist. Der Ausgang des Begrenzungsnetzwerks ist eine Spannung
V0
auf einer Leitung ski2, Im Betrieb des Netzwerks t9 verändert sich der Wert von
Vg zwischen 0 und +10 Volt bei Zählerständen zwischen 0 und dem Maximalwert. Mit
größer werdendem Wert wird die Leitfähigkeit des Transistors 27 größer, was wiederum
eine Vergrößerung der Leitfähigkeit des Transistors 26 zur Folge hat, die mit hohem
Verstärkungsfaktor in Emitterfolgerschaltung geschaltet sind. Vergrößerte Leitfähigkeit
des TranSistors 26 hebt das positive Potential im Punkt B an> wodurch über den
veränderbaren Widerstand 30 dafür gesorgt wird, daß die positive Ladung im Kondensator
31 am Punkt A mit einer Geschwindigkeit steigt, die durch das aus den Teilen 30
und 31 bestehende RC-Netzwerk festgelegt ist. Mit ansteigender Ladung im Punkte
A vermindert sich die Leitfähigkeit des Transistors 27, bis dieser Transistor vollständig
nicht-leitend wird, wenn die Ladung im Punkte A im wesentlichen gleich dem Wert
von Vg ist, wodurch auch der Transistor 26 sperrt. Transistor 28 ist in Emitterfolgerschaltung
an den Punkt A angeschlossen, so daß V0 in der Leitung )2 im wesentlichen durch
den Wert der Ladung im Punkt A bestimmt wird, der wiederum im wesentlichen vom Wert
von Vg abhängt mit Ausnahme der Zeitverzögerung, die durch das Begrenzungsnetzwerk
eingeführt worden ist.
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Wenn der Wert von Vg abnimmt, nimmt auch die Ladung in Punkt A ab
jedoch mit einer Geschwindigkeit, die durch den Widerstand 29 bestimmt ist, bis
das System einen Gleichgewichtszustand erreicht, wenn nämlich die Ladung im Punkte
A gleich dem Wert von Vg ist In beiden Fällen aber tritt eine Verzögerung auf, wenn
der Wert von Yg irgendwie verändert wirt.
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Die Leitung 32, auf der die Spannung Vo auftritt, ist mit dem variablen
Frequenzoszillator 21 verbunden, der von der gestrichelten Linie 21a umschlossen
ist und der im wesentlichen ein "unijonction"-Transistoroszillator ist.
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Der Wert der Spannung Vo steuert den Grad der Leitfähigkeit des Transistors
33, der mit einem Kondensator 34 zusammen die Leitfähigkeit eines "unijunction"
-Transistors steuert. in Jedem Zeitpunkt, in dem der Transistor D;i leitfähig wird,
tritt ein auf der Leitung 13 ein verstärlter Ausgangsimpuls auf.
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Wie Fig. l zeigt, verbindet eine Leitung 36 das Register 16 mit dem
Oszillator 21, und diese Leitung liefert eine Spannung von 15 Volt an die Klemme
36a, wenn der Zählstand Null ist und eine Spannung von Volt, wenn der Zählstand
nicht Null ist. Beim Zählwert 0 reicht das Potential
am Kondensator
nicht aus, den Transistor 35 leitfähig zu machen, da die Basis-Basisspannung des
Transistors zu hoch ist; ist Jedoch der erste Eingangsimpuls im Register 16 gezählt,
dann steigt die Basis-Basisspannung auf einen Wert, der es dem Kondensator 34 ermöglichtS
die Leitfähigkeit herbeizuführen. Der erste Impuls auf der Ausgangsleitung 13 erscheint
aiee somit im wesentlichen augenblicklich mit dem Eingangsimpuls, der dem Register
zugeführt wird1 wenn auf der Ausgangsleitung der Zählstand Null angezeigt ist.
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Dies ist durch den Abschnitt 22a der Kurve 22 in Fig. 2 gezeigt, wodurch
die minimale Schrittgeschwindigkeit des Motors festgelegt ist.
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Aus obigem Aufbau versteht sich, daß die Eingangssteuerimpulse in
ihrer Frequenz von den Ausgangsimpulsen getrennt sind, die die Motorschrittgeschwindigkeit
steuern, und daß die Schrittgeschwindigkeit der Ausgangsimpulse nicht höher ist,
als der Motor zu verarbeiten vermag, so daß mit sicherheit auf Jeden Ausgangsimpuls
ein Motorschritt folgt.
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Die Zahl der Ausgangsimpulse oder Motorschritte i jedoch immer genaü
gleich der Zahl der Eingangsimpulse, so daß unabhängig von der Frequenz der Eingangssteuerimpulse
(innerhalb des Bereichs der maximalen Schrittgeschwindigkeit des Systems) stets
ein Speisungswechsel und ein Motorschritt erzeugt wird.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel des Auf-Ab-Registers
16, das in Fig. 3 gezeigt ist, war die höchste Zählstandauslesemöglichkeit mit 20
angedeutet. Dies ist nur für verhältnismäßig langsame Schrittschaltmotoren brauchbar,
und wenn die Schaltung mit einem Motor verwendet-werden soll, der eine Schrittgeschwindigkeit
von 4000 oder mehr Schritten je Sekunde hat, wird besser ein Schaltkreis gemäß Fig.
5 verwendet. Der einzige Unterschied, der zwischen dem in Fig. 5 gezeigten AusführungsbeispSiel
und dem früher beschriebenen besteht, ist der, daß das Register eine größere Zählkapazität,
z. B. bis 4000 hat und daß die Auslesemöglichkeiten vom Register nur an bestimmten
Zählstandstellen von unterschiedlicher Größe angebracht sind.
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Das Register 37 nach Fig. + hat für Zählerstände größer als O bei
0 und bei den Werten 40,100 4008 1000 und 4000 eine Auslesemöglichkeit. Jede+-Auslesemöglichkeit
ist dabei mit einer Diode und einem veränderbaren Widerstand an eine Leitung 38
angeschlossen, die mit Vg bezeichnet ist-und der Leitung 25-entspricht, über welche
das
Register dann mit dem Oszillator 21 in Verbindung steht.
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Der Wert der Vg -Spannung wird so durch die höchste Zählstand,auslesemögliohkeit
festgelegt, die das Register hat.
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Dadurch werden vom Oszillator Ausgangsimpulse mit einer entsprechenden
Frequenz abgegeben , wobei in Rechnung gestellt wird, daß der Motor und das Zählregister
eine gewSt Stufenschrittmöglichkeit haben. Es sind zwar nur wenige Auslesemöglichkeiten
aus dem Register gezeigt, jedoch können diese vermehrt werden, wenn es als erforderlich
angesehen wird.
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Es ist also ein Schrittschaltmotor-Steuerkreis geschaffen, der auf
jeden erhaltenen Eingangsimpuls einen Motorschritt erzeugt. Die Geschwindigkeit
der Schrittfolge ist im wesentlichen unabhängig von der Frequenz der Eingangs impulse
und ist so eingestellt, daß der Motor mit Sicherheit den Speisungswechseln durch
einen Schritt folgen kann.Dies wird durch die Geschwindigkeit der Speisungswechsel
erzielt, die dem Motor zugeführt werden, welche von einem Oszillator mit veränderbarer
Frequenz stammen, der Ausgangsimpulse erzeugt, deren Frequenz von dem augenblicklichen
Unterschied
zwischen der Zahl der Eingangsimpulse und der Zahl der Ausgangsimpulse ist, wobei
das Ganze Jedoch von einem Netzwerk überwacht wird, das das Maß der änderung der
Frequenz der Ausgangsimpulse begrenzt.