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Stellungsmeßgeber Die Erfindung betrifft Stellungsmeßeinrichtungen,
insbesondere eine elektronische Steuerschaltung, welche einen gegebenen Bereich
von Maschinenstellungen in eine beliebige Anzahl von einzelnen Stellungsschritten
oder Folgestellungen unterteilt.
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Eine elektronische Steuerschaltung zur Erzeugung einer Digitalzahl
für eine physische Relativstellung wurde von Fertig u.a.: "A High-Speed General
Purpose Input-Output Mechanism with Real-Time Computing Capability" (Eine Allzweckeingabe-Ausgabevorrichtung
mit Echtzeitrechenmöglichkeit) in: Computer Design Magazine, April 1968, S. 72-78
bekannt gemacht. Die dort beschriebene Steuerschaltung verwendet einen herkömmlichen
elektromagnetischen Wandler oder Meßwertgeber zur Erzeugung eines Signals in Abhängig
keit von einer überwachten oder kontrollierten Stellung. Solch ein Wandler, meist
Funktionsdrehmelder genannt, umfaßt ein mit der Vorrichtung, deren Stellung überwacht
werden soll, in Wirkverbindung
stehendes beweglIches Teil wIe einen
Rundteiltisch sowie ein zweites gegenüber der Vorrichtung feststehendes Teil.
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Eeide Teile sind an eine oder mehrere elektrische Wicklungen angeschlossen
und zueinander so montiert, daß sich zwischen den Wicklungsgruppen eine elektromagnetische
Kopplung ergibt. Das in die Spulen oder Wicklungen des einen Teils durch ein an
den Wicklungen des anderen Teils anliegendes Wechselspannungsbezugssignal induzierte
elektrische Signal wird in Abhängigkeit von der; relativen Winkelstellung der beiden
Teile phasenmoduliert. Solch ein Funktionsdrehmelder oder Resolver ist beispielsweise
in den US-Patentschriften 2 650 352, 2 671 892 (.S. Childs) sowie in der Patentschrift
2 799 853 (Tripp et al) bekannt gemacht worden.
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Bei der Fertig-Schaltung wird das phasenmodulierte Resolversignal
in einem Phasendetektor mit dem Ausgangssignal eines digitalen Schnellzählers verglichen,
um ein die Frequenz eines als Zählerantrieb arbeitenden Oszillators steuerndes Phasenfehlersignal
zu erzeugen. Der so gebildete phasensynchronisierte oder Phasenregelkreis stellt
einen elektronischen Servo dar, dessen Eingangssignal das phasenmodulierte Resolversignal
und dessen Ausgangssignal das Ausgangssignal des Zählers ist, wobei der Phasendetektor
die "Differenzeinrichtung" ist, welche das Ausgangs signal des Zählers in genauer
Phasenbeziehung zum Resolversignal hält. Somit durchläuft der Zähler seinen vorgewählten
numerischen Bereich synchron zum phasenmodulierten Signal, so daß die Schaltzustände
des Zählers konphas entsprechend den Phasenverschiebungen des Resolversignals versetzt
werden. Ganzzahlige Digitaldaten werden durch Abtasten des Zählers mit einem Abtastimpuls
gewonnen, desse Phase gegenüber dem Eingangssignal des Resolvers feststeht, worau
diese
Digitaldaten in ein Register eingegeben werden. Die so gewonnenen Digitaldaten ändern
sich direkt in Abhängigkeit von einer durch die Bewegung des Resolverankers bewirkten
Phasenverschiebung und entsprechen außerdem der physischen Augenblickstellung des
Resolverankers, wobei sie jedoch nicht von früheren Bewegungen des Funktonsdrehmelders
abhängen.
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Die Steuerschaltung von Fertig u.a. wurde bisher in der gewerblichen
Regeltechnik zur Unterteilung eines vorgegebenen Bereichs von Maschinenstellung
in eine Anzahl von einzelnen Stellungsschritten oder Folgestellungen verwendet.
Bei dieser Anwendung einer Maschinensteuerung wird der digitale Schaltzustand des
Regelkreiszählers zum Abtast- oder Bezugs zeitpunkt mit einer vorgegebenen Digitalzahl
verglichen, wobei die Maschinen- und daher auch die Resolverstellung entsprechend
einem sich daraus ergebenden Fehlersignal korrigiert wird. Wenn somit der Schnellzähler
auf einer Basis von 10.000 arbeitet, d.h., wenn er währen einer jeden Periode des
Resolverausgangssignals von Eins bis 10.000 zählt, und wenn der Funktionsdrehmelder
oder Resolver ein 720-poliges Gerät ist, dessen Ausgangssignal eine Periode, oder
anders ausgedrückt, eine 3600-Phasenverschiebung für jeden Grad seiner Ankerdrehung
durchläuft, kann der Phasenregelkreis von Fertig u.a. zur Unterteilung eines Vollkreises
oder einer Ankerdrehung von 3600 in 3,6 Millionen (360 x 10.000) Einzelabstände
oder Einzelschritte verwendet werden.
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Gewerblich verwendete Regelkreise dieser Art weisen jedoch eine erhebliche
Beschränkung dadurch auf, daß die Bewegung des Resolverankers nur in eine Zahl von
Einzelschritten unterteilt werden kann, welche ein Faktor der Zählerbasis, in diesem
Falle 10.000 ist. Wenn beispielsweise ein Grad der Ankerdrehung in 201 Einzeljabstände
unterteilt werden soll, kann dies nicht mit einem Regelkreis nach Fertig durchgeführt
werden, sondern nur durch Schätzung der einem der gewünschten Einzelschritte entsprechenden
Winkeldrehung des Ankers und durch anschließende spezielle Programmie-;rung der
Regelschaltung in einer Weise, in welcherder sich ergebende Fehler weitgehend herabgesetzt
wird.
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Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine vielseitige elektronische
Regeleinrichtung zu schaffen, welche einen vorge-'gebenen Stellungsbereich in eine
Anzahl von Einzelabschnitten unterteilt und besonders in der gewerblichen Regeltechnik
angewandt werden kann. Erfindungsgemäß ist ein gewerblich zu verwendende Regelschaltung
vorgesehen, welche wirtschaftlich und wirksam eine einzige Periode eines phasenmodulierten
Resolverausgangssignals in eine beliebige Anzahl von Einzelabschnitten oder Einzelschritten
unterteilt.
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Erfindungsgemäß ist eine besonders für gewerbliche Steueranwendungen
geeignete elektronische Schaltung vorgesehen, bei welcher die Zählerbasis des Phasenregelkreises
auf eine beliebige vorgewählte Basis zahl B eingestellt werden kann, und ein vorgegebener
Teil P der programmierten Zählerbasis gewählt werden kann, so daß jede einer 3600-Phasenverschiebung
des Resolverausgangssignals
entsprechende Periode in eine Anzahl
von Abschnitten unter teilt werden können, welche gleich sind B/P.
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Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung
enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein.
Die einzige Zeichnung ist ein Blockschaltbild eines gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung.
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Die Zeichnung zeigt einen Bezugssignalgeber 10, der vorzugsweise einen
Oszillator sowie einen iiauptverstärker mit entsprechenden und bekannten wellenformenden
Kreisen, widerstandsanpassenden Bauteilen und Spannungskonstanthaltern umfaßt, und
dessen Ausgangsfrequenz vorzugsweise bei 1,2 kHzliegt, und der mit einem nach den
vorstehend erwähnten Patentschriften von Childs und Tripp ausgeführten Funktionsdrehmelder
oder Resolver 12 verbunden ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist der Resolver 12 mit einem 720-poligen Anker bestückt und besitzt zwei Ausgänge
14, 16, die sich entsprechend den Sinus-und Kosinusfunktionen der Winkelstellung
des Ankers verändern, und die jeweils eine 3600-Phasenverschiebung in Abhängigkeit
von einem Grad der Ankerdrehung durchlaufen. Der Anker des Funktionsdrehmelders
12 kann beispielsweise mit einem Rundteiltisch verbunden sein, so daß die in der
Zeichnung gezeigte Steuerungsanlage praktisch eine Kreisteilvorrichtung wird, welche
die Kreisbewegung des Tisches in eine vorgewählte Anzahl von Abschnitten unterteilt.
Ein Phasensignalgeber 18, dessen
Eingänge an die Ausganse ; . de
r rs angeschlossen sind, gibt ein Ausgangs signal von konstanter Amplitude an einen
Phasendetektor 20 ab, dessen Ausgangssignal in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen
14, 16 phasenmoduliert wird und daher eine direkte und vorzugsweise tinearfunktion
der Winkelstellung des Resolverankers darstellt.
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Der Bezugssignalgeber 10 ist auch an einen Abtastbezugssignalgeber
22 geführt, der ein Abtastsignal 24 abgibt, das zum Ausgangssignal des Bezugssignalgebers
10 in einem festen Phasenverhältnis steht. Der Abtastbezugssignalgeber 22 kann beispielsweise
einen dem Resolver 12 identischen Resolver umfassen, dessen Anker jedoch mit einer
geeigneten mechanischen Stellvorrichtung verbunden ist, ferner einen dem Phasensignalgeber
18 identischen Phasensignalgeber sowie einen an den Ausgang des Phasensignalgebers
geführten Nulldurchgangsdetektor. Der Abtastbezugs signalgeber 22 ist regelbar,
um ein Abtastsignal 24 abzugeben, dessen Phasenbeziehung zum Ausgangs signal des
Bezugssignalgebers 10 beliebig einstellbar ist.
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Ein spannungsgeregelter Oszillator 26, dessen Eingangsbezugsspannung
am Ausgang des Phasendetektors 23 anliegt, gibt ein periodisches Ausgangssignal
von einer Frequenz ab, welche sich als eine Umkehrfunktion des Phasendetektorausgangssignals
ändert d.h. als eine Umkehrfunktion des Phasenfehlersignals. Vorzugswese arbeitet
der phasengeregelte Oszillator 26 bei null Phasenfehler mit einer Nennfrequenz von
1,2 MHz (das 10.000-fache der Frequenz des Generators iö von 22 kHz)! und diese
Frequenz
ändert sich nach Plus oder Minus in A.nängigkeit vom Phasenfehler
signal. Der Ausgang des Oszillators 26 ist an die Eingangsstufe eines Regelkreis
zählers 28 geführt, der vorzugsweise ein serielles Schieberegister umfaßt. Der Zähler
28 arbeitet vorzugsweise mit BCD (binär kodierten Dezimalziffern), obwohl jeder
beliebige andere zweckmäßige Code verwendet werden kann, wobei die einzige Beschränkung
darin liegt, daß der Zählcode des Zählers 22 mit den verschiedenen anderen nachstehend
beschriebenen Zählern und Registern vereinbar sein muß.
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Ein erstes bitparalleles Ausgangssignal 30 des Regelkreiszählers 28
ist an die verschiedenen Stufen eines Speicherregisters 32 geführt, welches vorzugsweise
eine Anzahl von Flip-Flops zur Aufnahme, Eingabe und Speicherung des Ausgangssignals
230 zum Bezugszeitpunkt des Ausgangssignals 24 des Abtastsignalgebers enthält. Der
Ausgang des Registers 32 ist mit einer Anzeige 34 verbunden, die beispielsweise
eine digitale Leuchtdiode oder eine Siebensegmentanzeige sein kann. Die bisher anhand
der Zeichnung beschriebene Schaltungsauslegung enthält im allgemeinen den Phasenregelkreis
von gewerblichen Steueranlagen des früheren Standes der Technik gemäß dem vorstehend
erwähnten Artikel von Fertig u.a.. Bei diesen früheren Einrichtungen ist die Ausgangsstufe
des Zählers 28 zum Phasenvergleich mit dem Ausgangssignal des Gebers 18 bitseriell
mit dem Phasendetektor 20 verbunden.
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Erfindungsgemäß liegt an einer mehrstufigen Digitalvergleichsschaltung
36 ein erstes Eingangs signal vom bitparallelen Zählerausgang 30 sowie ein zweites
bitparalleles Eingangssignal von
einem digitalen Eingabekreis 38
an. Der Eingabekreis 38 kann eine beliebige herkömmliche Dateneingabequelle wie
eine Reihe von Rändelradschaltern sein, die, falls erforderlich, eine Codeumsetzerschaltung
zur Umwandlung des gewählten Eingabecodes in den Code des Zählers 28 sein kann.
Die Vergleichsschaltung 26 gibt ein Ausgangssignal an den Phasendetektor 20 sowie
an einen Lösch-oder Rückstelleingang des Zählers 28 ab, wenn dessen Schaltzustand
gleich der gewählten Zählerbasis B ist, die der Eingabeschaltung 38 eingespeist
worden ist. Vorzugsweise wird die Basis B so nahe wie möglich an 10.000 gehalten,
da die Nennbetriebsfrequenz des Oszillators 26 im Gegensatz zur Sollfrequenz 1,2
B kHz beträgt. Solange B nahe 10.000 bleibt, können Arbeitsbereich und damit auch
die Kosten des Oszillators 26 so niedrig wie möglich gehalten werden, während seine
Linearität und Betriebssicherheit erhöht werden. Daher umfaßt der erfindungsgemäße
elektronische Phasenregelkreis 40 einen Zähler 28, der synchron zum Ausgangssignal
des Phasensignalgebers 18 periodisch von Null bis zu einer vorgegebenen Basis B
zähb wobei die Zählfrequenz durch den Phasen detektor 20 und den spannungsgeregelten
Oszillator 26 korrigiert wird, um den gewünschten Phasen- und Frequenzgleichlauf
zu erzielen.
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Die voreingestellten Eingänge 44 eines seriellen Plus-Minuszählers
42 sind über voreingestellte Mehrfachtore 46 an den digitalen Eingangskreis 38 geführt.
Die Tore 46 sind auch mit einem Übertragsausgang 48 des Zählers 42 verbunden und
arbeiten in Abhängigkeit von einem Handschalter 50 des Plus-Minuszählers zur Voreinstellung
der Stufen des Zählers 42 auf den im Eingabekreis 38 38 gespeicherten Wert, d.h.
auf die Basis B, wenn der
Zähler 42 über Null hinaus zählt, d.h.,
wenn er in der Betriebsart Subtrahieren ein übertragsignal erzeugt. Wenn sich der
Schalter 50 in der Addierstellung befindet, sind die Tore 46 gelöscht.
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An einer digitalen Vergleichsschaltung 52 liegt ein erstes Eingangssignal
von einem bitparallelen Ausgang 54 des Zählers 42 sowie ein zweites Eingangs signal
vom digitalen Eingabekreis 38 an, und ein Ausgang der digitalen Vergleichsschaltung
52 ist an einen Lösch- oder Rückstelleingang 56 des Zählers 42 geführt, um dessen
Stufen auf Null rückzustellen, wenn der Zähler in der Betriebsart Addieren den Wert
der Basis B erreicht. Wenn der Schalter 50 auf Subtraktionsstellung steht, ist die
Vergleichsschaltung 52 gelöscht. Der Zählerausgang 54 ist auch mit einer Anzeige
58 verbunden, die vorzugsweise gleich der Anzeige 34 ausgelegt ist.
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Ein zweiter bitparalleler Ausgang 60 des Zählers 42 ist an einen Eingang
einer digitalen Vergleichsschaltung 62 geführt, deren zweiter Eingang mit einem
zweiten bitparallelen Ausgang 64 des Zählers 28 verbunden ist. Der Ausgang der Vergleichsschaltung
62 ist an einen Phasendetektor 66 angeschlossen, an dem ein zweites Eingangssignal
vom Ausgang 24 des Abtastbezugssignalgebers 22 anliegt. Der Ausgang des Phasendetektors
66 ist an einen entsprechenden elektromechanischen Servo oder Regler 68 geführt,
der seinerseits mit einem geeigneten nicht gezeigten Maschinenantrieb verbunden
ist, um eine Maschinenbewegung oder Stellungsänderung in Abhängigkeit vom Ausgangssignal
des Detektors 66 zu bewirken.
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Ein bitparalleler Ausgang eines z-F:e-te^ gitalen Eingabekreises 70,
der vorzugsweise mit dem Kreis 38 identisch ist, ist an einer.
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Eingang einer Digitalvergleichsschaltung 72 geführt, deren zweiter
Eingang mit einem bitparallelen Ausgang eines Schieberegisterzählers 74 verbunden
ist. An einem Steuertor 76 liegt ein verein gestelltes Eingangs signal 78 von einer
Startsteuerschaltung 80 an, die vorzugsweise ein Drucktastenschalter mit den entsprechenden
Wellenformungs- und Rauschunterdrückungskreisen ist, sowie ein Löscheingangssignal
82 vom Ausgang der Vergleichsschaltung 72.
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Wenn das Steuertor 76 durchsteuert, d.h. während des Zeitraums zwischen
dem Anliegen des Starteingangssignals 78 und des Vergleichseingangssignals 82, leitet
es das Ausgangssignal eines Oszillators 84 zur ersten Stufe oder zum Zähleingang
86 des Zählers 74 sowie zum gemeinsamen Kontaktpunkt des Plus-Minuszählers 50. Die
Frequenz des Oszillators 84 kann zwischen 10 und 100 kHz liegen und beträgt vorzugsweise
ca. 10 kHz, welche bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel etwa 10 mechanischer
Servobewegung pro Sekunde ergIbt.
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Der Ruhekontakt des Schalters 50 ist mit dem Additionseingang 88 des
Zählers 42 verbunden, während der Arbeitskontakt des Schalters 50 an den Subtraktionseingang
90 des Zählers geführt ist.
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Aus der nachstehenden Erläuterung folgt, daß der Servo 68 eine Maschinenantriebssteuerung
in einer Richtung, d.h. nach rechts bewirkt, wenn der Schalter 50 auf Additionsstellung
steht, und in der anderen Richtung, wenn der Schalter in der Subtraktionsstellung
steht. Die Startsteuerung 80 ist auch an einen
Lösch- oder Rückstelleingang
92 des Z<hlars 74 geführt. Wenn daher die Startsteuerung 80 zuerst betätigt wird,
steuert das Tor 76 durch, und der Zähler 74 wird auf Null rückgestellt. Dann liegen
an den Zählers 42 und 74 Impulse vom Oszillator 84 an, bis die Zählung im Zähler
74 den in der Schaltung 70 gespeicherten vorgegebenen Wert erreicht, zu welchem
Zeitpunkt das Tor 76 gelöscht und das Ausgangs signal des Oszillators 84 gesperrt
wird.
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Im Betrieb teilt die vorstehend anhand der Zeichnung beschriebene
0 Steuerschaltung eine Ausgangsperiode (360° Phasenverschiehung) des Resolvers 12
in eine Anzahl von beliebigen Teilen bis zur höchsten Zahl, welche durch die Zähler
42 und 28, die Vergleichsschaltung 62 und 36 sowie den Eingabekreis 38 verarbeitet
werden kann. In der Praxis ergab es sich, daß eine maximale Zählung von 10.000 für
die Feinstbearbeitung ausreicht, da eine solche Anlage in Verbindung mit einem 720-poligen
Resolver jeden Grad der Resolverdrehung in 10.000 Teile unterteilen wurde. Für die
meisten industriellen mittleren und Grobbearbeitungsgänge reicht eine maximale Zählung
von 1.000 aus. Zur Bestimmung der in die Eingabekreise 38 und 70 einzuspeisenden
Digitaldaten wird die maximale Basiszahl, in diesem Falle 10.000 zuerst durch die
Anzahl N 1 der gewünschten Teilungen eines Resolverumlaufs geteilt. Diese Teilung
ergibt einen ganzzahligen Quotienten P und meist auch einen Rest. Der Rest entfällt,
und die ganze Zahl P wird mit N multipliziert, um die neue Basiszahl B zu erhalten.
Die Basis zahl B wird dem Eingabekreis 38 und die ganze Zahl B dem Eingabekreis
70 eingespeist. Wenn die Startsteuerung 80 betätigt wird, bewirkt die Servosteuerung
68 P Schritte der Servobewegung, wobei
jeder Schritt 1/B Teilungen
eines einzigen Resolverumlaufs darstellt, so daß ein zusammengesetzter Weg oder
Schritt von P/B oder 1/N Teilungen eines einzigen Resolverumlaufs bewegt wird.
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Somit wird jeder Pesolverumlauf in N Wegteile oder Schritte unterst
teilt.
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Als Beispiel sei angenommen, daß eine einzige Periode des Resolverausgangssianals
(oder ein Grad der Winkeldrehung) in 201 Teile unterteilt werden soll. Zehntausend
geteilt durch 201 ist gleich 49 plus ein Bruch. Der digitale Eingabekreis 38 wird
auf 9.849 (49 mal 201), und der digitale Eingabekreis 70 auf 49 eingestellt.: Bei
einer Betätigung der Startsteuerung 80 verbindet das Tor 76 den Oszillator 84 mit
dem Zähler 74 sowie mit dem Plus-Minuszähler 42. Wenn der Zähler 74 von 1 bis 49
zählt, bewirkt die Servosteuerung 68 für jeden Ausgangsimpuls des Oszillators 84
einen einzigen Schritt der Servobewegung, die gleich ist 1/9,849 der Sollteilung.
Nach 49 Impulsen des Oszillators 84 ist die Summe der verschiedenen Servobewegungen
gleich 49/9,849 oder 1/201 eine einzigen Umlaufs oder einer einzigen Periode.
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Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel eignet sich auch für andere
als die vorstehend beschriebene Arten von dynamischen Teilungen. Beispielsweise
kann anstelle der Teilung eines einzige Grades leicht auch eine Kreisteilung durch
Multiplikation von P mit 360 sowie durch Eingabe dieses Produktes in den Kreis 70
durchgeführt werden. Außerdem kann das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel zur
Teilung eines Kreises in eine Zahl von Teilungsintervallen verwendet werden, die
größer ist als 10.000,
vorausgesetzt, daß die Zahl keine Primzahl
ist. Wenn beispielsweise ein Kreis in 15.000 Teilungsabschnitte unterteilt werden
soll, können P und B auf der Grundlage von 750 Nennschritten berechnet werden, worauf
P anstatt mit 360 mit 180 multipliziert wird. Wo Primzahlen verwendet werden sollen,
die voraussicht-Ich größer als 10.000 sind, kann die maximale Grundzahl der Zähler
usw. leicht erhöht werden, beispielsweise auf 20.000.
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Aus der vorstehenden Beschreibung erhellt, daß erfindungsgemäß ein
Stellungsmeßgeber geschaffen worden ist, der sich besonders gut für industrielle
Steuerungsanlagen eignet und der die vorstehend beschriebene Aufgabe der Erfindung,
ihre Ziele und Vorteile voll erfüllt. Außer dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Während die
Erfindung beispielsweise in Verbindung mit einem bestimmten, von Hand programmierten
und betätigten Ausführungsbeispiel erläutert worden ist, sei bemerkt, daß die digitalen
Eingabekreise 38, 70 sowie die Startsteuerung 80 durch einen entsprechend programmierten
Digitalrechner oder eine industrielle Steuerungsanlage beaufschlagt und betätigt
werden können. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel können das Register 32 und
der Zähler 42 anstatt mit den Anzeigen 34 und 58 mit einer programmierten Steuerung
dieser Art verbunden sein, um der Steuerung für den Betrieb der Schaltungen eine
Anzeige zu liefern. Obwohl die Erfindung anhand eines Kreisteilungsgerätes beschrieben
wurde, ist es offensichtlich, daß sie Fenso vorteilaft angewandt werden kann, wo
lineare, bogenförmige, willkürliche oder beliebige andere Bewegungsarten in eine
vorgegebene Anzahl von Teilungen oder Schritten unterteilt werden sollten,.