DE2143891A1

DE2143891A1 - Einrichtung zum Steuern der Stellung zweier relativ zueinander bewegbarer Teile

Info

Publication number: DE2143891A1
Application number: DE19712143891
Authority: DE
Inventors: Roland de St Cloud Haute Seine Mareuil (Frankreich)
Original assignee: Diablo Systems Inc
Current assignee: Diablo Systems Inc
Priority date: 1970-09-14
Filing date: 1971-09-02
Publication date: 1972-03-16
Also published as: GB1323964A; US3663880A; JPS5142931B1

Description

Einrichtung zum Steuern der Stellung zweier relativ zueinander bewegbarer Teile

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden Anmeldung in den Vereinigten Staaten Serial No. 711894 vom 14. September 197O beansprucht.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Steuern der Relativlage und insbesondere zum Anhalten der Bewegung zweier relativ zueinander bewegbarer Teile.

Bei manchen elektromechanischen Systemen ist es erforderlich, ein bewegliches Teil in einer genau bestimmten Lage zum Anhalten zu bringen. Beispielsweise kann ein solches System eine Magnetplattenspeichereinheit^ insbesondere mit einer Kassette, enthalten, welche drehbar angeordnete Magnetplatten mit einer Anzahl von Spuren,auf denen Informationen enthalten sein können, aufweist. Beim Aufzeichnen auf oder Ablesen von einer Spur muß der Schreib- bzw. Lesekopf in eine Lage oberhalb der betreffenden Spur der Scheibe eingestellt werden. In der Patentanmeldung P 20 44 736.3 vom 10. September 1970 ist eine Einrichtung zum Steuern

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der Geschwindigkeit für die Lese- bzw. Schreibköpfe behandelt. Auch die Notwendigkeit, die Köpfe zum Anhalten mit großer Genauigkeit oberhalb einer Spur zu bringen, ist dort genannt.

Um die Köpfe zu einem genauen Anhalten oberhalb der gewünschten Informationsspur der Magnetspeicherplatte zu bringen, wurden bisher umständliche mechanische Einrichtungen benutzt. Abgesehen davon, daß diese Einrichtungen umständlich waren, konnten sie einen Kopf auch nicht rasch und genau zum Anhalten oberhalb einer vorbestimmten Spur während einer äußerst kleinen Zeitspanne und zugleich bei einer äußerst geringen Beanspruchung des dazugehörigen mechanischen Systems bringen. Außerdem war bei früheren Systemen die Logikeinrichtung, die dazu diente, festzustellen, daß die Bewegung sich dem gewünschten Haltpunkt annähert, richtungsempfindlich, und sie erforderte Geschwindigkeitssignale, um den Stellungs- oder Zielbereich in Abhängigkeit von der Richtung der Annäherung zu unterscheiden.

Der Erfindung liegt hauptsächlich die Aufgabe zugrunde, die Relativstellung zweier relativ zueinander bewegbarer Teile einer Einrichtung der genannten Gattung zu steuern und sie an einem genau vorbestimmten Punkt zum Anhalten zu bringen. Die Einrichtung soll sich besonders zur Verwendung in Verbindung mit einer Magnetplattenspeichereinheit

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und deren Lese-/Schreibköpfen eignen, derart, daß letztere genau oberhalb einer gewünschten Spur der Speicherplatte zum Anhalten gebracht werden. Die Einrichtung soll ferner möglichst einfach aufgebaut sein und keine unerwünschten dynamischen Beanspruchungen oder Abnutzungserscheinungen an dem dazugehörigen mechanischen System verursachen, während das eine Teil zum Anhalten gegenüber dem anderen Teil gebracht wird, und die Auffindung des Zielbereiches soll ausschließlich durch logische Verarbeitung der Stellungssignale erfolgen,

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Wandler mit den beweglichen Teilen derart gekoppelt ist, daß er zwei räumlich gegenüber phasenverschobene zyklische Stellungssignale hervorbringt, von denen Jeder Zyklus einer vorbestimmten Einheit der Relativbewegung der beiden Teile entspricht, daß ein Motor vorgesehen ist, der dazu dient, eine Änderung der Relativstellung der beiden Teile herbeizuführen und daß eine Steuereinrichtung mit dem Wandler gekoppelt ist, welche in Abhängigkeit von den StellungsSignalen und einem Bezugssignal den Motor veranlaßt, die Relativbewegung am Ende einer vorbestimmten Bewegungseinheit stillzusetzen.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 ein Blockschema eines Ausführungsbeispiels einer Einrichtung gemäß der Erfindung;

Fig.2a, 2b und 2c schematische Darstellungen und Wellenformen, die das Verständnis der Erfindung fördern sollen;

Fig. 3 ein Schaltungsschema, das einen Teil von Fig.l im einzelnen zeigt;

Fig.4a - 4f sind Wellenformen zur Erläuterung der Erfindung und

Fig. 5 nochmals ein zum besseren Verständnis der Erfindung dienendes Schema.

Das in Fig. 1 veranschaulichte Gesamtsystem eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das eine bevorzugte Ausfuhrungsform darstellt, ist ein Servosystem mit geschlossener Schleife für die Einstellung der Köpfe 11 bei einer standardmässigen Magnetplattenspeichereinheit 12 eines Rechners. Normalerweise besteht bekanntlich eine solche Einheit 12 aus einer oder mehreren Platten, auf denen eine binäre Information auf mehreren Umlaufspuren mit abnehmenden Radien magnetisch aufgezeichnet sein kann. Um die Aufzeichnungen auf der Platte 12 abzulesen und aufzuzeichnen, muß die Kopfladevorrichtung 13 durch den Motor Ik genau über jede der Spuren geführt werden, und der Kopf muß über diesen Spuren zum vollständigen Anhalten gebracht werden. Nach der hier gegebenen Darstellung hat der Motor Ik ledig-

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lieh eine Antriebswelle 16 für die Kopfladevorrichtung 13, aber es kann auch bei einer Ausführungsform eine Antriebsvorrichtung mit Zahnstange und Ritzel benutzt werden» Die Köpfe 11 werden mittels des Servomotors 14 vor- und zurückbewegt. Die Drehung der Welle 16 ist also lediglich als symbolhafte Andeutung der linearen Bewegung der Köpfe 11 zu verstehen.

Die Einrichtung zum Abfühlen der Drehstellung der Welle 16 enthält einen Wandler 17, der durch einen angekuppelten Oszillator 18 mit hochfrequenten Signalen beschickt wird. Der Wandler 17 hat zwei Ausgangsklemmen A¹, B¹, welche über die Demodulatoren 19 und 20 die Signale A und B liefern, die gleichfalls in den Figuren 4A und 4B angegeben sind. Es handelt sich dabei um zyklische Stellungssignale, die bei der bevorzugten Ausführung3form Im wesentlichen sinusartig gestaltet und um 90° räumlich gegeneinander phasenverschoben sind. Außerdem entspricht^ wie in den Figuren 4a und 4b angegeben, ein Zyklus des Signals einer Einheit der Relativbewegung von Welle 16 und Kopf 11, also dem Abstand zwischen den Spuren einer Platte 12,

Die Einzelheiten des Wandlers 17 und des Verfahrens zur Erzeugung der um 90° phasenverschobenen Signale A und B sind in der eingangs bereits erwähnten Anmeldung näher beschrieben. Allgemein aber enthält der Wandler 17 eine

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Platte mit parallel aufgedampften metallischen Leitern, von denen jeder Strom in entgegengesetzter Richtung zu dem Strom in dem benachbarten Leiter führt. Die andere Platte des Wandlers besteht aus ähnlichen Leitern und ist mit dem Oszillator 18 gekoppelt. Eine Relativbewegung der einen Platte gegenüber der anderen bewirkt in bekannter Weise die Erzeugung eines Stellungssignals,und es werden mehrere Wicklungen dazu benutzt, um die beiden Stellungssignale A, B zu bilden, welche räumlich phasenverschoben sind.

Die allgemeine Arbeitsweise der Einrichtung ist in Pig. 2A veranschaulicht. Der Motor 14 wird von einer Ausgangsstellung bis auf eine maximale Geschwindigkeit vom Betrag 21 beschleunigt und in Stufen 22 und 23 wieder verzögert, bis die Köpfe sich in unmittelbarer Nähe der Spur befinden. An dem als Zielbereich bezeichneten Punkt ^ wird der Motor 14 allmählich verzögert, bis sich der Kopf genau über der richtigen Stelle auf der Spur befindet. Die Erfindung befaßt sich mit einer Einrichtung zur Erzeugung dieses Zielbereichs.

Figur 2B verschaulicht das Stellungssignal A während der in Pig.2A dargestellten Vorgänge. Innerhalb der Spanne 21, wo die Geschwindigkeit am höchsten ist, verlaufen die Perioden des Signals in relativ dichtem Abstand, beginnen

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sich im Bereich 22 auszubreiten, werden noch größer im Bereich 23,und allmählich nimmt das Stellungssignal am Ende des Zielbereichs, wie dargestellt, bis auf den Wert Null ab.

Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich, daß vorzugsweise ein kritisch gedämpftes System benutzt wird, um ein Überschießen der Spurstellung zu vermindern und auf diese Weise die Zeit des Absetzens möglichst klein zu halten.

Gemäß Fig. 1 werden, wie auch schon beim Ausführungsbeispiel der eingangs erwähnten, bereits schwebenden Anmeldung die Stellungssignale A und B einer Geschwindigkeitslogikeinheit 26 zugeführt, die mit einem Summiernetzwerk 27 verbunden ist und ein Geschwindigkeitssignal E erzeugt, das, wie in der erwähnten Anmeldung erläutert, von den StellungsSignalen A und B abgeleitet wird, welche durch die Logikeinheit 26 umgekehrt, differentiiert und kommutiert werden. Das Geschwindigkeitssignal E wird direkt dem Summiernetzwerk 27 zugeleitet.

Ferner wird aus den Stellungssignalen A und B auch ein Geschwindigkeitsbezugssignal F mittels eines Kommutators 29 gebildet, der über eine Standregelungseinheit 31 mit dem Summiernetzwerk 27 verbunden ist. Die Standregelungseinheit 31 wird durch eine (nicht dargestellte) Hauptsteuerungslogikeinheit auf den in Fig.2A dargestellten

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gewünschten Geschwindigkeitswert gerichtet. Es ist einleuchtend, daß ein Unterschied zwischen dem Geschwindigkeitsbezugssignalwert P und dem Geschwindigkeitssignalwert E ein Pehlersignal auf der Leitung 32 auftreten läßt. Dieses hat zur Folge, daß eine Motortreibereinheit 33 den Motor 14 entsprechend steuert. Somit werden durch die Einstellung der Standregelungseinheit 31 die verschiedenen Geschwindigkeitswerte 21, 22 und ^23, wie in Fig. 2A dargestellt, gebildet. Ein gesteuerter Inverter oder Wechselrichter 34, der auf ein richtungbestimmendes Eingangssignal anspricht, ist mit dem Motortreiber 33 verbunden, um je nach Art des Richtungssignals die Drehung des Antriebsmotors 14 im Uhrzeigerdrehsinn oder entgegen dem Uhrzeigerdrehsinn zu bestimmen.

Mit dem Wandler 17 ist eine Steuereinrichtung verbunden, die.in Abhängigkeit von den Stellungssignalen A und B und einem Bezugssignal den Motor 14 zum Anhalten der Relativbewegung des Kopfes 11 und der Scheibe 12 am Ende einer vorbestimmten Bewegungseinheit bringt, die bei der bevorzugten Ausführungsform dem Betrag einer Spur entspricht, Zu dieser Einrichtung gehört eine steuernde Logikeinheit 36, welche die Stellungssignale A und B sowie das umgekehrte Stellungssignal B als Eingangssignale empfängt. Das Bezugssignal am Eingang der steuernden Logikeinheit 36 ist als Differenzzählung angegeben. Die Ausgangsklemme

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37 der Logikeinheit 36 ist mit dem Summiernetzwerk 27 verbunden, so daß das Stellungssignal A als Stellungsfehlersignal in dem Zielbereich dienen kann, wenn die Differenzzählung den Wert Null hat.

Die Einzelheiten der zum Steuern dienenden Logikeinheit 36 sind in P¹Ig. 3 dargestellt, wo das Summiernetzwerk 27 lediglich aus einer gemeinsamen Leitung besteht. Das Stellungssignal A wird einem Verstärker 41 zugeführt, der durch eine zweite Eingangsklemme das Stellungssignal B über eine Dämpfungseinrichtung 42 empfängt. Der Verstärker 41 ist ein Summier- und Quadrierverstärker. Sein Ausgangs-Signal C ist in Fig. 4E dargestellt. Mit anderen Worten: Der Verstärker 41 summiert die Wellenformen der Stellungssignale A und B, wie in Fig. 4C gezeigt, und verursacht eine Phasenverschiebung §2 zwischen dieser Wellenform und der Wellenform von Fig. 4C und der von Fig. 4B/ und diese wird durch den Verstärker 41 quadriert (siehe Fig»4E), wobei dieser Verstärker beispielsweise eine Schmitt-Triggerschaltung enthalten kann.

In ähnlicher Weise wird dem Verstärker 43 das Stellungssignal A und auch das umgekehrte Stellungssignal B über eine Dämpfungseinrichtung 44 zugeführt, um ein Ausgangssignal D zu bilden, das gleichfalls in Fig. 4E in einer nicht umgekehrten Form wiedergegeben ist. Die

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nicht quadrierte Summierung von A und B gemäß Fig. 4D ergibt eine Phasenverschiebung Θ., die umgekehrt gerichtet ist wie θ₂, bezogen auf den Nulldurchgang des Stellungssignals A in Fig. 4B. Die Summierung der Signale C und D durch das AND-Tor 46 ergibt ein symmetrisches Logiksignal, wie es in Fig. 4F dargestellt ist, das einen über dem Nulldurchgang des Stellungssignals A zentrierten Teil 48 aufweist, wobei die eine Hälfte des zentrierten Teils 48 um den Betrag θ^ vorläuft und die andere Teil um den Teil θ₂ zurückbleibt.

Aus Fig. 5 ist zu ersehen, daß durch Einstellung der Dämpfungsvorrichtungen 42 und 44 von Fig. 3 die Winkel Θ. und θ je nach Wunsch verändert werden können. Ein unzweideutiger Bereich von Oo bis 18O° ist möglich. Bei der in den Figuren 4A und 4B dargestellten bevorzugten Ausführung haben die Signale A und B die gleiche Amplitude, und die Dämpfungsvorrichtungen 42 und 44 sind für das Verhältnis 1:1 eingestellt, so daß gleiche Phasenverschiebungen θ und θ im Betrag von 45° erzeugt werden. Somit bildet das symmetrische Logiksignal gemäß Fig." 4P einen Logikteil oder ein Fenster 48, das zu den Nulldurchgängen des Stellungssignals A zentriert ist.

Physikalisch bedeutet die Gleichheit der Winkel θ^^ und θ₂ im Betrag von 45° ein Achtel des Abstandes zwischen

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zwei Spuren der Magnetspeicherplatte, da eine,räumliche Periode gleich 36O⁰ ist und dies gemäß der obigen Definition der Abstand zwischen zwei Spuren ist.

Um die Spur vorauszubestimmen, auf welcher der Kopf landen soll, speichern äußere Steuereinrichtungen die Spur, auf welcher der Kopf sich gerade befindet, und liefern dann eine Instruktion mittels der Differenzzählung, um wieviel Spuren der Kopf von dieser Stelle wegbewegt werden muß, um die neue Spur zu erreichen. Diese einleitende Differenzzählung wird, wie in Fig.3 dargestellt, in einem Differenzzähler 47 gespeichert. Der Zähler ist auch mit der Ausgangsklemme des AND-Tors 46 verbunden, aus der das C · D -Signal hervortritt und ist abhängig von den zentrierten Logikteilen 48 (siehe Pig. 4F) des Logiksignals, um die Anzahl von Spuren zu zählen, über die der Kopf hinwegläuft. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß jegliches Auftreten einer Vorderkante des zentrierten Logikteils von Fig. 4F eine andere Spur anzeigt und den Zähler um einen Zählwert zurückstellt. Wenn die Anzahl der überschrittenen Spuren gleich ist dem gespeicherten Differenzzählwert, hat der dekodierte Zählerausgangswert den logischen Wert Null, wie er durch das Dekodiertor 50 bestimmt ist. Ein umgekehrtes Ausgangssignal wird von dem Tor 50 zu einem AND-Tor 51 geleitet. Der andere Koinzidenzeingangswert des AND-Tors 51 ist das Ausgangssignal aus dem AND-Tor 46,

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das den mittleren Logikteil 48 des symmetrischen Logiksignals angibt. Beim Zusammentreffen dieser beiden Signale liefert das Tor 51 ein Ausgangssignal auf der Leitung 53, welches das Peldeffekttransistortor 54 schließt, um das Stellungssignal A an den Motortreiber 33 zu legen. Gleichzeitig wird der Ausgangswert aus dem Tor 50 durch den Inverter 49 umgekehrt und öffnet ein Feldeffekttransistortor 52, um das Geschwindigkeitsbezugssignal P in dem Motortreiber zu eliminieren. Jedoch wird das Geschwindigkeitssignal E noch aufrechterhalten, um dem Servosystem Stabilität zu verleihen.

Die Benutzung von Feldeffekttransistoren 54 und 52 ist besonders vorteilhaft für das Schalten der Analogsignale F und A mit Hilfe von digitalen Logiksignalen. Das ist auf die Freiheit der Feldeffekttransistoren von Spannungsverschiebungen und ihre Unempfindlichkeit gegenüber der Polarität von Analogsignalen zurückzuführen.

Durch die hier beschriebenen Vorschläge wird also der Motor am Ende seiner jeweiligen Bewegungseinheit an einer Stelle stillgesetzt, die sich praktisch oberhalb der Spur befindet (vgl. Fig. 2C). Außerdem erlaubt die Symmetrie des Logiksignals gem. Fig. 4F die Anwendung dieser Vorschläge für jede Drehung im Uhrzeigerdrehsinn oder entgegen dem Uhrzeigerdrehsinn. Die Einrichtung paßt sich

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automatisch selbst an die jeweilige Drehrichtung an. Außerdem kann je nach dem besonderen Anwendungsfail die Größe des Zielbereichs dadurch eingestellt werden, daß die relative Größe und Polarität der Stellungssignale A und B verändert wird.

Außerdem wird das Logiksignal von Fig. 4P vollständig durch einfache logische Verarbeitung der quadrierten Summe und Differenz der Stellungssignale gebildet. Dies bedeutet eine erhebliche Vereinfachung gegenüber früheren Steuermethoden.

Außerdem ist es einleuchtend, daß, wenn eine feinere Steuerung der Vorrichtung beispielsweise in einem System erforderlich ist, das noch mehr und dichter beieinanderliegende Spuren aufweist, jeder Strom-Nulldurchgang des Stellungssignals benutzt werden kann. Mit anderen Worten: Die Einheit des Abstandes beträgt einen halben Zyklus oder eine Halbperiode.

Durch die Erfindung wird also eine verbesserte Einrichtung zum Steuern der Relativstellung zweier Teile geschaffen, die automatisch auf eine Bewegung solcher Teile in zwei Richtungen anspricht und sowohl hinsithtlich ihres Aufbaues als auch ihrer Arbeitsweise sehr verläßlich und einfach ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zum Steuern der Stellung zweier relativ zueinander bewegbarer Teile, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler mit den beweglichen Teilen derart gekoppelt ist, daß er zwei räumlich gegeneinander phasenverschobene zyklische Stellungssignale hervorbringt, von denen jeder Zyklus einer vorbestimmten Einheit der Relativbewegung der beiden Teile entspricht, daß ein Motor vorgesehen ist, der dazu dient, eine Änderung der Relativstellung der beiden Teile herbeizuführen, und daß eine Steuereinrichtung mit dem Wandler gekoppelt ist, welche in Abhängigkeit von den Stellungssignalen und einem Bezugssignal den Motor veranlaßt, die Relativbewegung am Ende einer vorbestimmten Bewegungseinheit stillzusetzen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungssignale räumlich senkrecht aufeinanderstehen.

3.1 Einrichtung zum Steuern der Relativstellung zweier in zwei Richtungen relativ bewegbarer Teile, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler mit den beweglichen Teilen derart gekoppelt ist, daß er mindestens ein zyklisches Stellungssignal hervorbringt, von dem jeder Zyklus einer vorbestimmten Einheit der Relativbewegung der Teile

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entspricht, daß eine Zählvorrichtung zum Zählen der Zyklen des zyklischen Stellungssignals vorgesehen ist, die dazu dient, ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Zahl gezählter Zyklen zu bilden, und daß eine Logikeinrichtung mit dem Wandler derart gekoppelt ist, daß sie in Abhängigkeit von mindestens dem einen zyklischen Stellungssignal ein symmetrisches, auf einen bestimmten Punkt des zyklischen Stellungssignals zentriertes Logiksignal bildet, der dem Ende der Bewegungseinheit entspricht, dass ein Motor zur Herbeiführung der Änderung der Relativstellung der beiden relativ bewegbaren Teile vorgesehen ist, und daß eine Toreinrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem Zusammentreffen des zentrierten Teiles des Logiksignals mit dem Ausgangssignal der Zählvorrichtung dazu dient, das Stellungssignal mit dem Motor zu koppeln, um diesen zu veranlassen, die Relativstellung am Ende der gegenwärtigen Bewegungseinheit zu beenden, so daß die Bewegung automatisch am Ende einer Bewegungseinheit beendet werden kann, während sich die beiden Teile in jeder der beiden Richtungen bewegen.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler ein Differenzzähler ist, der auf eine vorbestimmte Zahl voreingestellt ist und ein Ausgangssignal in Abhängigkeit zu einer entsprechenden Anzahl gezählter

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Zyklen bildet.

5. Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Stellungssignal ein elektrisches Signal ist und eine im wesentlichen sinusartige Gestalt aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikeinrichtung mit der Zählvorrichtung gekoppelt ist und das erwähnte symmetrische Logiksignal die Zählvorrichtung derart steuert steuert, daß sie das Ausgangssignal hervorbringt.

7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Toreinrichtung einen Feldeffekttransistor als Schaltvorrichtung enthält, der in Abhängigkeit von dem erwähnten Zusammentreffen das Steuersignal an den Antriebsmotor weitergibt, so daß das analoge Stellüngssignal durch das digitale Logiksignal steuerbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikeinrichtung von zwei gegeneinander räumlich verschobenen StellungsSignalen abhängig ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikeinrichtung eine Vorrichtung zum Umkehren des einen Stellungssignals, eine Vorrichtung zum Summieren des anderen Stellungssignals mit dem umgekehrten und dem nicht umgekehrten ersten Stellungssignal und eine

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Vorrichtung zum Quadrieren und logischen Zusammenfügen der beiden resultierenden summierten Signale enthält, um so das auf einem Strom-Nulldurchgang des zweiten Stellungssignals zentrierte symmetrische Logiksignal zu bilden»

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikeinrichtung eine Vorrichtung zum Quadrieren der summierten Stellungssignale enthält.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 zum Dämpfen des einen Stellungssignals gegenüber dem anderen, derart, daß die Breite des zentrierten Teils des symmetrischen Logiksignals vorausbestimmbar ist.

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