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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft das Überwachen der Drehposition von elektrischen Maschinen.
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HINTERGRUND
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Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen nur Hintergrundinformationen mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und bilden möglicherweise nicht den Stand der Technik.
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Mehrphasige elektrische Maschinen umfassen Motor/Generator-Vorrichtungen, die in mobilen Systemen eingesetzt werden und die durch elektrische Leistung angetrieben werden, die mit Hilfe eines Gleichrichter/Wechselrichter-Systems von gespeicherter Gleichstromleistung in Wechselstromleistung transformiert wird. Ein beispielhafter Elektromotor umfasst einen Stator und einen Rotor, wobei ein Drehpositionssensor eingesetzt wird, um eine Positionsrückmeldung zur Drehzahl- und Drehmomentsteuerung bereitzustellen. Ein bekannter Positionssensor ist ein Resolver, der eine Induktionsmaschine mit variabler Reduktanz ist und einen Stator und einen Rotor enthält, die auf den Rotor und Stator des Elektromotors montiert sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein Verfahren zum Überwachen eines Elektromotors, der einen Drehpositionssensor vom Impulstyp verwendet, umfasst, dass ein Signal, das von dem Drehpositionssensor vom Impulstyp ausgegeben wird, und ein Referenzsignal, das einem Steuerungssignal für den Elektromotor zugeordnet ist, überwacht werden. Eine Position eines Rotors des Elektromotors in Übereinstimmung mit dem Referenzsignal wird beruhend auf einer Rotornennposition, einer Nenndrehzahl des Rotors und einer Zeitspanne zwischen dem Referenzsignal und einer fallenden Flanke des Signals, das von dem Drehpositionssensor vom Impulstyp ausgegeben wird, bestimmt. Der Elektromotor wird auf der Grundlage der Position des Rotors gesteuert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine Hardwarekonfiguration und ein zugehöriges Signalverarbeitungsschema zum Bestimmen einer Drehposition eines Rotors einer elektrischen Maschine, die einen Drehpositionssensor vom Impulstyp enthält, in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht;
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2 eine Positionsberechnungsroutine in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht, die verwendet werden kann, um eine Drehposition eines Rotors einer elektrischen Maschine zu bestimmen, die den Impulssensor verwendet;
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3 eine Vielzahl von Signalen, die der Positionsberechnungsroutine von 2 zugeordnet sind, in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht;
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4 eine Zeitschiene veranschaulicht, die eine Vielzahl von Sensorimpulsen enthält und Messwerte darstellt, die mit der Ausführung eines M/T-Verfahrens verbunden sind, um eine Drehzahl während eines fortlaufenden Betriebs in Übereinstimmung mit der Offenbarung zu bestimmen; und
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5 eine Vielzahl von Signalen, die der mit Bezug auf 2 beschriebenen Positionsberechnungsroutine zugeordnet sind, in Übereinstimmung mit der Offenbarung veranschaulicht.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Mit Bezug nun auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zum Zweck der Darstellung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck, diese einzuschränken, gedacht ist, zeigt 1 auf schematische Weise eine Hardwarekonfiguration und ein zugehöriges Signalverarbeitungsschema 200 zum Bestimmen einer Drehposition eines Rotors einer elektrischen Maschine 235, die einen Drehpositionssensor vom Impulstyp (Impulssensor) 237 verwendet, der mit einem Rotor derselben mechanisch verbunden ist, um eine Drehposition des Rotors für eine Positionsrückmeldung zu überwachen. Die elektrische Maschine 235 ist ein mehrphasiger Motor/Generator, der verwendet wird, um Drehmoment zu erzeugen oder um bei einer Ausführungsform Drehmoment in elektrische Energie zu transformieren. Ein Steuerungssystem 230 umfasst einen Gleichrichter/Wechselrichter, der pulsbreitenmodulierte Signale (PWM-Signale) 231 zum Steuern eines Leistungsflusses an die elektrische Maschine 235 beruhend auf der Positionsrückmeldung erzeugt, welche vorzugsweise in der Form einer Winkeldrehposition ΘFinal[n] 255 vorliegt. Das Steuerungssystem 230 erzeugt außerdem ein PWM-Referenzsignal 238, das vorzugsweise den Abschluss eines Zyklus aller PWM-Signale 231 anzeigt.
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Der Impulssensor 237 kann eine beliebige geeignete Flankenerfassungsvorrichtung, etwa einen magnetoresistiven Sensor (MR-Sensor) oder einen digitalen Halleffekt-Sensor, umfassen. Der Impulssensor 237 enthält vorzugsweise ein stationäres Erfassungselement, das an den Stator der elektrischen Maschine 235 montiert ist und das auf einen Codierer ausgerichtet ist, der an einer Welle des Rotors der elektrischen Maschine 235 montiert ist, und das eine oder alternativ zwei Flankendetektionsvorrichtungen umfasst. Der Codierer umfasst eine Vielzahl von Zähnen mit Flanken, die von dem Erfassungselement detektiert werden können, wenn sich der Rotor und der daran angebrachte Codierer drehen. Bei einer nicht einschränkenden Ausführungsform umfasst der Codierer 60 (minus 2 fehlende) regelmäßig verteilte Zähne mit ansteigenden und fallenden Flanken, wobei jeder Zahn einer Drehung des Rotors und Codierers um 6° entspricht und die zwei fehlenden Zähne zum Zweck des Synchronisierens des Sensors mit der Position des Rotors und zum Detektieren einer Drehrichtung, z. B. einer Drehung im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn, verwendet werden. Ein derartiger Codierer kann als 58X Zielrad bezeichnet sein, wenn es bei einer Kraftfahrzeuganwendung eingesetzt wird.
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Der Impulssensor 237 erzeugt Ausgangssignale 239, die vorzugsweise in der Form einer Rechteckwelle vorliegen und die in einen Zähler 240 in Ansprechen auf eine Drehung des Rotors und des Codierers eingegeben werden. Der Zähler 240 überwacht die Ausgangssignale 239, was das Zählen einer Anzahl von Zyklen der Ausgangssignale 239 umfasst, die zwischen sequentiell auftretenden PWM-Referenzsignalen PWM[n – 1] und PWM[n] 238 auftreten. Der Zählerausgang (ΔNp[n]) 241 wird überwacht und in einer Positionsberechnungsroutine 250 verwendet, um die Winkeldrehposition ΘFinal[n] 255 der mehrphasigen elektrischen Maschine 235 zum Zeitpunkt des PWM-Referenzsignals PWM[n] 238 zu bestimmen.
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Die Positionsberechnungsroutine 250 wird vorzugsweise in einem Controller ausgeführt. Steuerungsmodul, Modul, Controller, Steuerungseinheit, Prozessor und ähnliche Begriffe bezeichnen eine beliebige oder verschiedene Kombinationen aus einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), elektronischen Schaltungen, zentralen Verarbeitungseinheiten (vorzugsweise Mikroprozessoren) und zugehörigem Arbeitsspeicher und Massenspeicher (Festwertspeicher, programmierbarer Festwertspeicher, Speicher mit wahlfreiem Zugriff, Festplattenlaufwerke usw.), die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme oder -routinen ausführen, kombinatorischen Logikschaltungen, Ein/Ausgabe-Schaltungen und -Vorrichtungen, geeigneten Signalaufbereitungs- und Pufferschaltungen und anderen Komponenten, um die beschriebene Funktionalität bereitzustellen. Software, Firmware, Programme, Anweisungen, Routinen, Code, Algorithmen und ähnliche Begriffe bezeichnen beliebige Anweisungssätze mit Kalibrierungen und Nachschlagetabellen. Das Steuerungsmodul weist einen Satz von Steuerungsroutinen auf, die ausgeführt werden, um die gewünschten Funktionen bereitzustellen. Routinen werden beispielsweise von einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgeführt und können betrieben werden, um Eingänge von Erfassungsvorrichtungen und anderen Netzwerksteuerungsmodulen zu überwachen und um Steuerungs- und Diagnoseroutinen zum Steuern der Arbeitsweise von Aktoren auszuführen. Routinen können in regelmäßigen Intervallen ausgeführt werden, beispielsweise alle 3,125, 6,25, 12,5, 25 und 100 Millisekunden während eines fortlaufenden Betriebs der Kraftmaschine und des Fahrzeugs. Alternativ können Routinen in Ansprechen auf das Auftreten eines Ereignisses ausgeführt werden.
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2 zeigt auf schematische Weise eine Ausführungsform der Positionsberechnungsroutine
250, die eingesetzt werden kann, um eine Drehposition eines Rotors einer elektrischen Maschine zu bestimmen, die einen Impulssensor verwendet, der mechanisch mit dem Rotor verbunden ist, um dessen Drehposition zu überwachen. Die bevorzugte elektrische Maschine ist einem Steuerungssystem unterworfen, das ein Pulsbreitenmodulationssignal (PWM-Signal) zum Steuern der elektrischen Maschine umfasst, das PWM-Referenzsignale umfasst. Eine Ausführungsform des Impulssensors und der elektrischen Maschine ist mit Bezug auf
1 beschrieben.
3 zeigt auf graphische Weise eine Vielzahl von Signalen, die der Positionsberechnungsroutine
250 zugeordnet sind, wobei die Signale auf der vertikalen y-Achse mit Bezug auf die Zeit
310 auf der horizontalen x-Achse dargestellt sind. Überwachte Signale umfassen PWM-Referenzsignale
301 und
302, welche dem PWM-Referenzsignal
238 entsprechen, das mit Bezug auf
1 beschrieben ist. Überwachte Signale umfassen den Positionssensorausgang
303, der eine Rechteckwelle mit einer Vielzahl von ansteigenden und fallenden Flanken ist, welche Flanken der Codiererzähne entsprechen, die von dem Erfassungselement detektiert werden können, wenn sich der Rotor dreht, und die den Ausgangssignalen
239 entsprechen, die von dem Impulssensor
237, der mit Bezug auf
1 beschrieben ist, erzeugt werden. Andere interessierende Signale im Verlauf der Ausführung der Positionsberechnungsroutine
250 umfassen eine Linie
314 der tatsächlichen Rotorposition, die durch eine Steigung
315 und eine Vielzahl von berechneten Rotorpositionen
320 gekennzeichnet ist. Tabelle 1 wird als Schlüssel für die Positionsberechnungsroutine
250 von
2 bereitgestellt, wobei die numerisch beschrifteten Blöcke und die entsprechenden Funktionen wie folgt offengelegt sind. Tabelle 1
| BLOCK | BLOCKINHALTE |
| 262 | von Sensor ausgegebenes Signal überwachen |
| 264 | PWM-Referenzsignal überwachen |
| 266 | ΔT[k] bestimmen |
| 268 | θMT[k], ωMT[k – 1] bestimmen |
| 270 | Rotorposition in Übereinstimmung mit dem PWM-Referenzsignal bestimmen θFinal[k] = θMT[k] + ωMT[k – 1] × ΔT[k] |
| 272 | Motorbetrieb unter Verwendung von θFinal[k] steuern |
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Die Positionsberechnungsroutine 250 überwacht fortlaufend das bei 303 in 3 gezeigte Sensorsignal und periodisch auftretende PWM-Referenzsignale, die in 3 bei 301 und 302 gezeigt sind (262, 264). Ein HWIO-Zeitpunkt, der in 3 als Referenz 307 gezeigt ist, stellt einen Zeitpunkt bereit, an dem der HWIO-Ausgang des Impulssensors verwendet wird, um eine Drehzahl und Position des Rotors zu berechnen. Eine verstrichene Zeitspanne ΔT[k] wird bestimmt (266) und in 3 bei 306 gezeigt. Die verstrichene Zeitspanne ΔT[k] 306 ist ein Maß für die Zeit von dem ersten PWM-Referenzsignal 301 zu einer Flanke 304 des Sensorsignals 303, die unmittelbar vor dem HWIO-Zeitpunkt 307 auftritt. Die Flanke 304 des Sensorsignals, die unmittelbar im Anschluss an das PWM-Referenzsignal 301 auftritt, ist in 3 als fallende Flanke gezeigt. Die Referenzlinie 307 ist der Zeitpunkt, an dem das Sensorsignal beim Berechnen der Drehzahl des Rotors verwendet wird.
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Eine Rotornennposition θMT[k] und eine Nenndrehzahl ωMT[k – 1] können unter Verwendung eines bekannten prozessorimplementierten Berechnungsverfahrens, das als das M/T-Verfahren bezeichnet wird, regelmäßig bestimmt werden (268). Das M/T-Verfahren ist eine Kombination aus einem bekannten M-Verfahren und einem bekannten T-Verfahren zum Berechnen einer Drehzahl unter Verwendung diskreter Prozessorvorrichtungen und diskreter Sensoren. Das M-Verfahren berechnet eine Drehzahl Nm, indem es die Anzahl der Sensorimpulse zählt, die während eines feststehenden Zeitintervalls auftreten, und beruhend darauf die Drehzahl berechnet. Eine beispielhafte Berechnung ist wie folgt: Nm = m·α/T wobei α ein Drehwinkel des Rotors in mechanischen Grad zwischen zwei benachbarten Impulsen ist,
m die Anzahl der Taktimpulse ist, und
T die Abtastperiode ist.
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Das T-Verfahren berechnet eine Drehzahl Nt durch Messen des Zeitintervalls zwischen benachbarten Impulsen wie folgt: Nt = α·f/m wobei α der Drehwinkel des Rotors in mechanischen Grad zwischen zwei benachbarten Impulsen ist,
f die Frequenz einer Taktimpulsfolge ist, und
m die Anzahl der Taktimpulse ist.
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4 zeigt auf graphische Weise eine Zeitschiene, die eine Vielzahl von Sensorimpulsen 401 umfasst, und stellt Messwerte dar, die dem M/T-Verfahren zugeordnet sind, um die Drehzahl während eines fortlaufenden Betriebs zu bestimmen. Interessierende gemessene Parameter umfassen eine diskrete Anzahl m1 402 von Sensorimpulsen 401, die über ein Zeitintervall Td 404 zum Abtasten der Drehzahl auftreten, wobei der Start des Zeitintervalls Td 404 mit einem ersten der Sensorimpulse 401 synchronisiert ist, eine Anzahl von Taktimpulsen m2 406 während des feststehenden Zeitintervalls Td 404, eine Abtastnennperiode Tsp 408, einen Drehwinkel α 410 des Rotors in mechanischen Grad zwischen zwei der benachbarten Sensorimpulse 401 und eine verstrichene Zeitspanne ΔT 412, welche eine Differenz zwischen dem feststehenden Zeitintervall Td 404 und der Abtastnennperiode Tsp 408 ist.
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Das M/T-Verfahren berechnet die Drehzahl ωMT für die Abtastperiode in Übereinstimung mit der folgenden Beziehung: ωMT = m1·α / Ppr(Tsp + ΔT) [1] wobei m1 die diskrete Anzahl der Sensorimpulse ist, die über das Zeitintervall Td zum Abtasten der Drehzahl auftreten, und
Ppr eine Auflösung des Codierers ist, die durch die Anzahl der Impulse pro Umdrehung des Codierers angegeben wird.
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Bei einer Ausführungsform ist die Auflösung des Codierers 6° an Winkeldrehung, wobei die Anzahl der Impulse pro Umdrehung (Ppr) gleich 60 ist.
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Eine Ausführungsform des M/T-Verfahrens kann verwendet werden, um eine Drehnennposition θMT[k] 322 eine vorherige Drehposition θMT[k – 1] 324 und eine Drehzahl ωMT[k – 1] 314 unter Verwendung geeigneter Überwachungs- und Positionsberechnungsschemata zu berechnen. Vorherige endgültige Drehpositionen θActual[k – 2] 325 und θActual[k – 1] 323 sind gezeigt, wobei die endgültige Drehposition θActual[k – 1] 323 bei dem PWM-Referenzsignal 301 bestimmt wird (268).
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Eine Rotorposition, die mit dem PWM-Referenzsignal 302 übereinstimmt, wird in Übereinstimmung mit der folgenden Beziehung bestimmt: θFinal[k] = θMT[k] + ωMT[k – 1] × ΔT[k] [2] wobei θFinal[k] 321 die endgültige Rotorposition an der gegenwärtigen PWM-Referenzlinie 302 ist,
θMT[k] 322 die Rotornennposition an der PWM-Referenzlinie 302 ist, die unter Verwendung des M/T-Verfahrens bestimmt wird,
ωMT[k – 1] 315 die Nenndrehzahl des Rotors ist, die unter Verwendung des M/T-Verfahrens bestimmt wird, und
ΔT[k] 306 die verstrichene Zeitspanne von dem anfänglichen PWM-Referenzsignal 301 bis zu der fallenden Flanke des Sensorsignals 304 ist, die unmittelbar vor dem HWIO-Zeitpunkt 307 auftritt, bei dem der HWIO-Ausgang des Impulssensors verwendet wird, um die Drehzahl und die Drehposition des Rotors zu berechnen (270).
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Die Arbeitsweise des Motors kann gesteuert werden, indem das Signal θFinal[k] verwendet wird, welche die Rotorposition anzeigt (270). Diese Arbeitsweise umfasst mit Bezug auf die Hardwarekonfiguration und das zugehörige Signalverarbeitungsschema 200 von 1 das Erzeugen der Pulsbreitenmodulationssignale (PWM-Signale) 231 zum Steuern des Leistungsflusses an die elektrische Maschine 235, um gespeicherte elektrische Gleichstromleistung, die aus einer Hochspannungsbatterie stammt, in elektrische Wechselstromleistung umzuwandeln, um die Drehmomentmaschine 235 bei einer Ausführungsform anzutreiben, um Drehmoment zu erzeugen.
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5 zeigt auf graphische Weise einen zweiten Satz von Signalen, der der Positionsberechnungsroutine 250 zugeordnet ist, wobei die Signale auf der vertikalen y-Achse mit Bezug auf die Zeit 510 auf horizontalen x-Achse dargestellt sind. Überwachte Signale umfassen PWM-Referenzsignale 501 und 502, welche dem PWM-Referenzsignal 238 entsprechen, das mit Bezug auf 1 beschrieben ist. Überwachte Signale umfassen den Positionssensorausgang 503, der eine Rechteckwelle mit einer Vielzahl von ansteigenden und fallenden Flanken ist, die Flanken der Codiererzähne entsprechen, welche von dem Erfassungselement detektiert werden können, wenn sich der Rotor dreht, und sie entsprechen den Ausgangssignalen 239, die von dem Impulssensor 237 erzeugt werden, der mit Bezug auf 1 beschrieben ist. Andere interessierende Signale während des Verlaufs der Ausführung der Positionsberechnungsroutine 250 umfassen eine Linie 514 der tatsächlichen Rotorposition, die durch eine Steigung 515 und eine Vielzahl von berechneten Rotorpositionen 520 gekennzeichnet ist. Wie gezeigt tritt die Flanke 504 des Sensorsignals 503 unmittelbar vor dem ersten PWM-Referenzsignal 501 und vor dem HWIO-Zeitpunkt 507 auf.
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Die Rotorposition in Übereinstimmung mit dem PWM-Referenzsignal 502 wird in Übereinstimmung mit der folgenden Beziehung bestimmt: θFinal[k] = θMT[k] + ωMT[k – 1] × ΔT[k] [3] wobei θFinal[k] 521 die endgültige Rotorposition an der gegenwärtigen PWM-Referenzlinie 502 ist,
θMT[k] 522 die Rotornennposition an der PWM-Referenzlinie 502 ist, welche unter Verwendung des M/T-Verfahrens bestimmt wird,
ωMT[k – 1] 515 die Rotornenndrehzahl des Rotors ist, welche unter Verwendung des M/T-Verfahrens bestimmt wird, und
ΔT[k] 506 die verstrichene Zeitspanne von der fallenden Flanke des Sensorsignals 504 und der Position des Rotors bis zu dem anfänglichen PWM-Referenzsignal 501 ist, das unmittelbar vor dem HWIO-Zeitpunkt 507 auftritt, an dem der HWIO-Ausgang des Impulssensors verwendet wird, um die Drehzahl zu berechnen.
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Daher kann die Rotorposition bestimmt werden, die mit dem PWM-Referenzsignal 502 übereinstimmt, wenn die fallende Flanke des Sensorsignals 504 vor dem anfänglichen PWM-Referenzsignal 501 unmittelbar vor dem HWIO-Zeitpunkt 507 auftritt, an dem der HWIO-Ausgang des Impulssensors verwendet wird, um die Drehzahl zu berechnen.
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Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen dazu beschrieben. Weitere Modifikationen und Veränderungen können anderen beim Lesen und Verstehen der Beschreibung begegnen. Es ist daher beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen begrenzt ist, die als die beste Art betrachtet werden, um diese Offenbarung auszuführen, sondern das die Offenbarung alle Ausführungsformen umfassen wird, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
