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Die Erfindung bezieht sich auf einen Röntgendiagnostikapparat mit einer Schaltungsanordnung zum automatischen Verstellen des Abgriffs eines Regeltransformators für die Hochspannungsversorgung der Röntgenröhre mittels eines Servomotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Röntgendiagnostikapparat ist aus der DE-OS 20 25 557 bekannt.
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Die vorgenannte Druckschrift beschreibt einen Röntgendiagnostikapparat mit einer Schaltungsanordnung zur Regelung der Speisespannung für die Röntgenröhre, enthaltend eine erste Regelschleife, die auf einen Abgriff auf der Sekundärseite des Regeltransformators wirkt. Diese Regelschleife dient ausschließlich dazu, den Abgriff des Transformators einer Einstellung einer an einem Potentiometer vorgebbaren Spannung folgen zu lassen. Diese Anordnung ist somit nichts anderes als ein Hilfsmittel für eine Fernbedienung. Sie ist nicht in der Lage, Netzspannungsschwankungen auszugleichen. Darüber hinaus enthält der bekannte Röntgendiagnostikapparat eine zweite, der Primärseite des Transformators zugeordnete Regelschleife, die dazu bestimmt ist, Netzspannungsschwankungen durch Verstellen eines primärseitigen Abgriffs des Transformators auszuregeln. Die Anordnung enthält somit zwei Servomotoren und einen Regeltransformator, der sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite Abgriffe bzw. Bürsten aufweisen muß. Ein solcher Transformator ist im Aufbau relativ kompliziert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röntgendiagnostikapparat der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Hochspannung einer - ggf. ferneingestellten - vorgegebenen Spannung sehr schnell und sicher in weitem Bereich folgt und bei dem auch Netzspannungsschwankungen ausgeregelt werden.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.
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Die Erfindung verwendet demnach innerhalb der von der bekannten Anordnung übernommenen Regelschleife eine zweite Regelschleife, die die Steilheit der Regelung erhöht. Es wird dadurch allfälligen Änderungen, seien sie durch Netzspannungsschwankungen oder durch eine Änderung der Voreinstellung bedingt, sehr schnell gefolgt. Es lassen sich Spannungsgenauigkeiten erzielen, die im Bereich von 1% liegen, und die Grenzen des zu regelnden Spannungsbereichs können im Verhältnis 7 : 1 zueinander stehen, woraus sich ein sehr weiter Regelbereich entnehmen läßt.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Servosystems zur Regelung der Spannung in einem Röntgenstrahlengenerator, wobei die Grundstufen dieses Systems dargestellt sind,
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Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild der Fehlerfeststellung und des Rückkopplungssystems der ersten geschlossenen Spannungsregelschleife,
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Fig. 3 ein vereinfachtes Diagramm der Leistungstufe, die den Gleichstrommotor speist, und der zweiten geschlossenen Regelschleife für die Stromstärke,
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Fig. 4 einen Gleichstrommotor, der unter dem Gesichtspunkt seiner Übertragungsfunktion erörtert wird,
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Fig. 5 eine Wellenform der Spannung und des Stroms, die dem Gleichstromstellmotor zugeführt werden, und
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Fig. 6 bis 6c Wellenformen des Stroms des Motors für die verschiedenen Bewegungen der Bürsten des Regeltransformators.
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Wie man dem Blockschaltbild nach Fig. 1 entnehmen kann, weist das Servosystem zur Regelung und Einstellung der Spannung die folgenden Hauptelemente auf:
- 1. Spannungsrückkopplungswandler
2. Spannungsfehlerdetektor
3. Verstärker, Phasenleitung und dynamische Kompensation des Fehlers
4. Strom-Rückkopplungswandler
5. Strom-Fehlerverstärker
6. Leistungsverstärker
7. Regeltransformator.
1. Spannungs-Rückkopplungswandler
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Diese Schaltung nimmt die Wechselspannung am Ausgang der Bürsten des Regeltransformators ab, wandelt sie eine Gleichspannung mit einem maximalen Pegel von 10 V um und verwendet sie als Rückkopplung in der ersten, geschlossenen Spannungsregelschleife des Systems. Diese Schaltung ist im Detail in Fig. 2 dargestellt und besteht aus drei Einphasen-Transformatoren (T 36, T 38, T 39), deren Primärseiten in Form eines Sterns geschaltet sind und deren Anschlüsse Φ 1, Φ 2 und Φ 3 mit den Bürsten eines Regeltransformators verbunden sind. Die einen von jeweils zwei Sekundärwicklungen jedes Transformators sind in Form eines Sterns geschaltet, während die anderen in Form eines Dreiecks geschaltet sind.
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Diese so gebildeten sechs Ausgänge sind mit einem 12-Phasen-Gleichrichter verbunden, der durch die Dioden CR 26 bis CR 47 gebildet wird.
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Ein Widerstand R 75 ermöglicht eine Einstellung der Verschiebungen der Spannungspegel der beiden Sekundärseiten, die aufgrund von Fehlern bei der Herstellung der Sekundärwicklungen auftreten können.
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Eine Diode CR 82 dient zur Dämpfung der Spannungsverschiebungen, die durch Temperaturänderungen der Dioden des 12-Phasen-Gleichrichters entstehen können.
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Die durch den Widerstand R 75 (500 Ω) und einen Kondensator C81 (0,33 µf) definierte Zeitkonstante beträgt näherungsweise 0,2 msec; das Hauptziel dieses Filters liegt darin, das Hochfrequenz-Rauschen möglichst gering zu halten.
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Ein Filter aus R 87 (204 KΩ) und C 79 (2 µf) hat andererseits eine Zeitkonstante von 5 msec, um die Welligkeit zu dämpfen. Die durch dieses Filter verursachte Verzögerung ist minimal.
2. Spannungsfehler-Detektor
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Diese Schaltungsanordnung vergleicht das Soll-Signal (Punkt A) mit dem Rückkopplungssignal der Spannungsregelschleife, so daß an dem Ausgang ein Signal erhalten wird, welches den Fehler, also die Differenz zwischen den beiden Signalen, darstellt. Diese Schaltungsanordnung ist in Fig. 2 gezeigt.
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Der Spannungs-Sollwert in Volt an dem Anschluß des Widerstandes R 57 (Punkt A) und das Rückkopplungssignal der Spannungsschleife werden einem Widerstand R 59 zugeführt. Gleichzeitig wird dieses Signal an einen Operationsverstärker IC 56 angelegt, um ein Signal (Punkt B) zu erhalten, das mit dem Sollsignal (Punkt A) verglichen werden kann, um festzustellen, ob der Regeltransformator korrekt innerhalb des zulässigen Toleranzspielraums positioniert worden ist.
3. Verstärker, Phasenleitung und dynamische Kompensation des Fehlers
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Diese Schaltung hat die Funktion, das Fehlersignal des vorhergehenden Schrittes zu verstärken und eine Phasenvoreilung bzw. voreilende Phasenverschiebung des Signals zu erzeugen, wodurch die Verzögerung kompensiert wird, die auf die Bewegung eines Stellmotors und die anderen mechanischen Vorgänge sowie die elektrischen Filter zurückzuführen ist. Diese Schaltung ist ebenfalls in Fig. 2 dargestellt.
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Die Phasenvoreilung und die dynamische Kompensation des Fehlers erfolgen in Verbindung mit einer zweiten und dritten Verstärkerstufe A 2 und A 3; sie wird erzeugt durch einen Widerstand R 54 (150 KΩ), der parallel zu einem Kondensator C 47 (0,47 µf) und in Reihe mit einem Widerstand R 51 (51 kΩ) liegt. Diese Kompensation ist das Ergebnis einer praktischen Optimierung in Verbindung mit einer Stabilitätsanalyse des Systems.
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Die dynamische Kompensation des Fehlers in Signalen mit großer Amplitude wird durch Verwendung von Dioden CR 64-CR 65 verbessert, die den Verstärkungsfaktor des Systems für Spannungsfehler-Signale mit hohem Wert reduzieren und den Verstärkungsfaktor in Fehlersignalen mit geringer Größe erhöhen sollen, wobei insbesondere das Ansprechverhalten beim Bremsen verbessert wird.
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Am Punkt C dieser Schaltungsanordnung liegt das Sollsignal der zweiten geschlossenen Regelschleife für den Strom vor.
4. Wandler für den Stromstärke-Fehler
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Fig. 3 stellt eine Schaltungsanordnung dar, die Nebenschlußwiderstände R 33, R 35, und einen Rückkopplungswiderstand R 7 aufweist, der auf den Stromstärke-Fehlerverstärker einwirkt; bei den beiden Widerständen R 33 und R 35 handelt es sich um zwei zueinander parallele Widerstände, die jeweils 0,2 Ω haben; diese Widerstände sind induktionsfrei und in Reihe zu dem Stellmotor M angeordnet.
5. Stromstärke-Fehlerverstärker A 4 (siehe Fig. 3)
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Dieser Verstärker vergleicht das verstärkte und korrigierte Spannungsfehlersignal mit den Stromstärke-Rückkopplungssignal des Motors, so daß das Stromstärke-Fehlersignal auf den Leistungsverstärker einwirkt.
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Der Fehlerverstärker A 4 wird ebenfalls gegen zu hohe Ströme und Kurzschlüsse durch zwei Widerstände R 23-R 25 (0,8 Ω) geschützt, die bei allen Betriebsbedingungen, insbesondere bei einer Sättigung oder Beschädigung von Transistoren Q 80-Q 32 die Stromstärke auf einem zulässigen Wert halten.
6. Leistungsverstärker
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Dieser Leistungsverstärker wird durch die Transistoren Q 80-Q 32 gebildet, die den Gleichstromstellmotor in beiden Drehrichtungen speisen, und zwar in Abhängigkeit von der Polarität des Fehlersignals der Spannungsregelschleife (siehe Fig. 3).
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Dieses System wird gegen die dynamischen, zu hohen Ströme sowie gegen Kurzschlüsse durch die folgenden Maßnahmen geschützt:
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Eine Gegenkopplungsschleife dient dazu, den Strom zu begrenzen. Das Fehlen von Phasenverzögerungen ermöglicht ein sehr rasches Ansprechen auf die Drehzahl, wodurch verhindert wird, daß die Transistoren des Leistungsverstärkers Q 80-Q 32 ihren sicheren Betriebsbereich überschreiten.
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Das System zur Steuerung und Einstellung der Spannung wirkt auf den Gleichstromstellmotor (M), dem wahlweise positive oder negative Spannung zugeführt wird, und zwar in Abhängigkeit von der gewählten Drehrichtung und einem eventuellen Abbremsvorgang.
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Mit dem Bezugszeichen S 1 und S 2 sind zwei Schalter bezeichnet, welche die Bewegung nach rechts und nach links begrenzen. Sie sind in Reihe zu dem Motor angeordnet und dienen dazu, den Strom zu unterbrechen, wenn die Bürsten die angegebenen Grenzen erreicht haben.
7. Regeltransformator
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Der Regeltransformator dient dazu, die gewünschte variable Spannung aus einer festen Netzspannung zu erzeugen.
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Dieser Transformator wird bei einem 3-Phasen-System durch drei Ringkern-Regeltransformatoren gebildet, deren Ausgangsspannung über Bürsten, die sich auf der Wicklung bewegen und mechanisch mit einer Welle verbunden sind, die direkt mit der Welle des Gleichstromstellmotors verbunden ist, abgenommen.
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Wenn der Stellmotor sich in irgendeiner Richtung dreht, drehen sich die Bürsten mit, wodurch am Ausgang die gewünschte Spannung eingestellt wird.
8. Hochspannungs-Transformator
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Das Ausgangssignal des Regeltransformators 7 wird der Primärseite des Hochspannungstransformators 8 mit dem Ziel zugeführt, diese niedrige Wechselspannung auf eine Hochspannung zu transformieren; diese Hochspannung wird dann zwischen die Kathode und die Anorde der Röntgenröhre angelegt.
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Das Transformationsverhältnis zwischen den Windungen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung legt den gewünschten Hochspannungspegel fest.
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Die Fig. 5, 6a, 6b und 6c zeigen Ergebnisse, die mit einem Servosystem für die Regelung der Spannung in einem Röntgenstrahlengenerator erhalten wurden.
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Während der Beschleunigung des Stellmotors (siehe Fig. 5) erreicht das Fehlersignal der Servospannung zu Beginn den Sättigungspegel, bis die Gegen-EMK des Motors zunimmt und die Stromstärke verringert wird. Diese allmähliche Verringerung der Stromstärke und deshalb des Drehmoments des Stellmotors wird erzeugt, während das Fehlersignal der Spannungsschleife gedämpft wird, da der Servomotor sich seiner Soll-Gleichgewichtslage nähert. In Fig. 5 hat die Eingangsspannung für den Motor (a) eine 10-Volt/Teilung und eine 0,1 sec/ Teilung. Der Strom (b) hat eine 2 Amp./Teilung.
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Zu dem Zeitpunkt, zu dem das Spannungsfehlersignal seine Polarität wechselt und einen sehr kleinen Wert annimmt, und zwar aufgrund der Bewegungsträgheit, kehrt sich das Erregerstrom- Sollsignal und der Leistungsverstärker triggert den komplementären Transistor, so daß der Erregerstrom seine Richtung ändert; dadurch hat das elektromagnetische Drehmoment einen höheren Gradienten, da die angelegte Spannung und die Gegen-EMK die gleiche Polarität haben. Der Erregerstrom wird Null, und der Motor wird in einer gedämpften Schwingung über die Gleichgewichtslage angehalten, wie man in den Fig. 6a bis 6c für verschiedene Soll-Signale erkennen kann.
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Diese drei Figuren entsprechen einer Änderung des Sollsignals von 50 kVp (Spitzen-Spannung) auf 75, 100 bzw. 150 kVp. Die Amplitude des Stroms ist mit einer 2 Amp./Teilung und die Zeit mit einer 0,2 sec./Teilung dargestellt.
Anhang 1
Berechnung der Übertragungsfunktion eines Gleichstrommotors, der durch Spannungsregelung oder Stroms-Injektion gespeist wird.
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Unter dem Gesichtspunkt seiner Übertragungsfunktion weist ein Gleichstrommotor eine Gegen-EMK, die proportional zu seiner Drehzahl ist, sowie eine Induktivität L, insbesondere einer Spule, sowie einen Innenwiderstand R auf, die in Reihe geschaltet sind, wie man in Fig. 4 erkennen kann.
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Andere, wesentliche Parameter eines solchen Gleichstrommotors sind das Trägheitsmoment J und der Reibungskoeffizient f. Andererseits ist das elektromagnetische Drehmoment proportional zu der Ankerstromstärke und das elektromotorische Kraftproportional zu der Drehzahl des Motors.
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Für diese Berechnung werden die folgenden Bezeichnungen verwendet:
- i = Ankerstromstärke (Ampere)
v = Ankerspannung (Volt)
W = Winkelgeschwindigkeit (Rad/sec.)
E = gegenelektromotorisches Drehmoment (Volt)
V = an den Motor angelegte Spannung (Volt)
f = Reibungskoeffizient (kg · m²/sec.)
J = Trägheitsmoment für den Motor und den Betrieb (kg · m²)
R = Innenwiderstand (Ω)
L = Selbstinduktion (Henry)
T = elektromagnetische Drehmoment (kg · m)
K T = elektromagnetisches Drehmoment/Stromstärke (kg · m/Amp.)
K r = gegenelektromotorische Kraft/Winkelgeschwindigkeit (Volt/Rad/sec.)
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Durch Anwendung der dynamischen Rotationsgleichung in der komplexen Ebene S=jw ergibt sich: °=c:20&udf54;&udf53;sb18&udf54;@&udf53;vu10&udf54;°KT°k¤þ¤°Kfw°k¤=¤°KJsw°k@,(1)&udf53;zl10&udf54;
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Das Verhältnis zwischen dem elektromagnetischen Motor- Drehmoment und der Ankerstromstärke wird durch die folgende Gleichung gegeben: °=c:20&udf54;&udf53;sb18&udf54;H@&udf53;vu10&udf54;°KT°k¤=¤°KK°k°T°KT°t°k°Ki°k°k@,(2)&udf53;zl10&udf54;
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Das Verhältnis zwischen der Gegen-EMK und der Winkelgeschwindigkeit ist durch den folgenden Ausdruck gegeben: °=c:20&udf54;&udf53;sb18&udf54;H&udf53;vu10&udf54;°KE°k¤=¤°KKv¤W°k@,(3)&udf53;zl10&udf54;
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Ersetzt man die Gleichung (2) durch die Gleichung (3), so ergibt sich °=c:20&udf54;&udf53;sb18&udf54;H&udf53;vu10&udf54;°KK°k°T°KT°t°k°Ki°k¤þ¤°Kfw°k¤=¤°KJsw°k@,(4)&udf53;zl10&udf54;
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Das Verhältnis zwischen der Spannung, die an dem Anker angelegt wird, und der Gegen-EMK läßt sich wie folgt angeben: °=c:30&udf54;&udf53;sb18&udf54;H&udf53;vu10&udf54;°Ki°k¤=¤@W:°KV°k¤+¤°KE°k:°KR°k¤+¤°KsL°k&udf54;@,(5)&udf53;zl10&udf54;
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Ersetzt man die Gleichung (3) durch die Gleichung (5), so ergibt sich: °=c:20&udf54;&udf53;sb18&udf54;H&udf53;vu10&udf54;°KV°k¤=¤°Ki¤(R°k¤+¤°KsL)°k¤þ¤°KKv¤W°k@,(6)&udf53;zl10&udf54;
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Bei niedrigen Drehzahlen während der Beschleunigungsperiode kann man folgendes annehmen: °=c:20&udf54;&udf53;sb18&udf54;H&udf53;vu10&udf54;°KV°k¤&udf53;sa30&udf54;E&udf56;¤°KKvW°k@,(7)&udf53;zl10&udf54;
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Deshalb läßt sich näherungsweise die Gleichung (6) wie folgt schreiben: °=c:30&udf54;&udf53;sb18&udf54;H&udf53;vu10&udf54;°Ki°k¤=¤@W:°KV°k:°KR°k¤+¤°KsL°k&udf54;@,(8)&udf53;zl10&udf54;
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Ersetzt man die Gleichung (8) durch die Gleichung (4) und vereinfacht man dann die Formulierung, so ergibt sich: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
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Wenn die Regelung durch Strom-Injektion erfolgt, läßt sich die Gleichung (4) wie folgt schreiben: °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;
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Aus den Gleichungen (9) und (10) läßt sich ableiten, daß ein System mit Strom-Injektion eine höhere Ansprechgeschwindigkeit ermöglicht als ein System mit Regelung der Ankerspannung, da im ersten Fall die Zeitkonstante des Systems nur auf die elektrische Konstante des Motors reduziert wird.
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In der Praxis ist die Übertragungsfunktion noch komplexer und zwar aufgrund der Nichtlinearitäten des Widerstandsdrehmomentes und der Trägheit der Last (die in diesem Fall vernachlässigbar ist).