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Hintergrund
der Erfindung
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1) Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lage-Regel/Steuer-Einrichtung zur Positionierung
eines beweglichen Elementes, wie zum Beispiel ein Übersetzungsverhältnis-Bestimmungselement, das
ein Übersetzungsverhältnis eines
Automatikgetriebes bestimmt, welches in ein Kraftfahrzeug oder ähnlichem
eingebaut ist.
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2) Beschreibung des zugehörigen Fachgebiets
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In
einer Vorrichtung zur Positionierung eines beweglichen Elements,
wie zum Beispiel ein Positionierungstisch einer Werkzeugmaschine
für ein
Arbeitsstück,
wird das bewegliche Element, wie zum Beispiel eine in einen verlängerten
Gewindebolzen eingreifende Mutter, üblicherweise angetrieben, indem
die von einem Motor erzeugte drehende Kraft auf den Gewindebolzen über ein
daran befestigtes Getriebe übertragen
wird. Dadurch wird die Mutter in axialer Richtung des Gewindebolzens
bewegt.
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Eine
Lage-Regelung/Steuerung oder eine Koordinaten-Regelung/Steuerung
der Mutter bezüglich
der Zielposition kann zum Beispiel mittels einer Rückkopplungsregelung/Steuerung
durchgeführt werden,
welche die benötigte
Anzahl an Rotationen des Motors regelt/steuert, indem eine momentane Position
der Mutter aus einem Ausgangssignal eines an der Antriebsquelle,
d.h. der Motor, vorgesehenen Wertgebers ermittelt wird.
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Alternativ
kann die Regelung/Steuerung mittels einer Rückkopplungsregelung durchgeführt werden,
welche die benötigte
Anzahl an Rotationen des Motors regelt/steuert, indem eine momentane
Position der Mutter aus dem Winkel eines Elements, wie zum Beispiel
eine mit der beweglichen Mutter mechanisch verbundenen angeschrägten Platte,
bestimmt wird, und dieser Winkel wird von einem Winkelsensor ermittelt.
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Diese
konventionellen Regelungsmethoden benötigen zusätzlich zu einem Regel-Element
wie zum Beispiel einem Computer einen Mess-Sensor um den Unterschied
zwischen der momentanen Position und der Zielposition oder dem Soll-Wert der Mutter zu
bestimmen, was zu einer Erhöhung
der Gesamt-Systemkosten führt.
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Eine
dem Oberbegriff des Anspruch 1 entsprechende Lage-Regel/Steuer-Einrichtung ist bekannt,
z.B. in WO 9908374 A, Seite 1.
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Überblick über die
Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lage-Regel/Steuer-Einrichtung in einer
ein Motor-Antriebseinheit umfassenden Vorrichtung zu Verfügung zu
stellen, welche das bewegliche Element positionieren kann, ohne
ein Bauelement zur Lagebestimmung des beweglichen Elements zu verwenden.
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Eine
der vorliegenden Erfindung entsprechende Lage-Regel/Steuer-Einrichtung
umfasst ein Zahnradgetriebe mit einem rotierenden Zahnrad zur Positionierung
eines beweglichen Elements, einen bürstenlosen Motor zum Antrieb
des rotierenden Zahnrads, und ein Motor-Regel/Steuer-Kreis um einen
Läufer
des bürstenlosen
Motors zu rotieren, indem sequentiell ein Antriebsimpuls an eine
Mehrzahl von ortsfesten Spulen des bürstenlosen Motors angelegt
werden. Der Motor-Regel/Steuer-Kreis umfasst ein Momentan-Stufennummer-Erfassungsmittel um
eine momentane Stufennummer des beweglichen Elements entsprechend
einem Ausgangssignal von einer magneto-sensitiven Vorrichtung des
bürstenlosen
Motors zu messen, und ein Antriebsimpuls-Erzeugungsmittel zur Erzeugung
eines Antriebsimpulses, um den Läufer
solange zu rotieren, bis eine aus einer vorgegebenen Lage des beweglichen Elements
abgeleitete Ziel-Stufennummer gleich der momentanen Stufennummer
ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Zeichnung einer Lage-Regel/Steuer-Einrichtung
entsprechend einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Detail-Ansicht eines in 1 dargestellten
Motor-Regel/Steuer-Kreises;
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3 ist
ein Steuer-Schema für
Motor-Spulen des in 1 dargestellten Motor-Regel/Steuer-Kreises;
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, welches eine Bestimmungsroutine für eine Maximum-Stufennummer
des in 1 dargestellten Motor-Regel/Steuer-Kreises zeigt;
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5 ist
ein Ablaufdiagramm, welches eine Bestimmungsroutine für eine Anfangsposition
des in 1 dargestellten Motor-Regel/Steuer-Kreises zeigt;
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6 ist
ein Ablaufdiagramm, welches eine Normalbetriebsroutine des in 1 dargestellten Motor-Regel/Steuer-Kreises
zeigt.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt
eine Lage-Regel/Steuer-Einrichtung 10 entsprechend einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Lage-Regel/Steuer-Einrichtung 10 umfasst
ein Gewindebolzen-Element 11. Ein Mutter-Element 12,
welches so ausgelegt ist, dass es mit dem Gewindebolzen-Element 11 im
Eingriff steht, ist mit einem beweglichen Element (nicht dargestellt)
verbunden, wie zum Beispiel ein Übersetzungsverhältnis-Bestimmungselement,
welches in einem Automatik-Getriebe bereitgestellt wird, das in
einem Kraftfahrzeug montiert ist. Ein flaches Zahnrad 13 ist
mit einem Ende des Gewindebolzen-Elementes 11 fest verbunden,
so dass es mit einem Zahnrad 15 in Eingriff steht, welches
mit einer rotierenden Welle eines Motors 14 verbunden ist.
Entsprechend wird eine drehende Kraft des Motors 14 auf
das Gewindebolzen-Element 11 übertragen. Ein Motor-Regel/Steuer-Kreis 16 wird
zu Verfügung
gestellt, um ein Antriebsimpuls-Signal in den Motor 14 einzuspeisen.
Positionierungsbegrenzer 17 und 18, welche so
abgestimmt sind, dass sie in Eingriff mit dem Gewindebolzen-Element 11 stehen,
bestimmen einen Bewegungsbereich des Mutter-Elements 12.
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2 zeigt
eine Detail-Ansicht des in 1 dargestellten
Motor-Regel/Steuer-Kreises 16 und den
Motor 14 mit der zwischen diesen beiden bestehenden Beziehung.
Der Motor 14 ist ein dreiphasiger, bürstenloser Motor mit einem
darin enthaltenen zweipoligen Läufer
(nicht dargestellt), und der Motor hat drei magneto-sensitive Vorrichtungen 20,
welche jeweils eine Information über
eine Winkel-Lage des Läufers
ausgeben. Eine U-Phasen-Spule 21, eine V-Phasen-Spule 22 und
eine W-Phasen-Spule 23, welche
eine elektromagnetische Kraft zur Rotation des Läufers erzeugen, sind auf einem
Ständer
(nicht dargestellt) des Motors 14 bereitgestellt. In der
Ausführungsform
sind drei magneto-sensitive Vorrichtung 20, wie zum Beispiel
Hall-Sonden, um
den Läufer
herum in Abständen
von jeweils 120 Grad zueinander vorgesehen. Der Motor-Regel/Steuer-Kreis 16 umfasst
einen Mikro-Prozessor 24 und einen Antriebsimpuls-Generator 25.
Der Mikro-Prozessor 24 erhält Lage-Signale von den magneto-sensitiven
Vorrichtungen 20, und gibt ein Rotationsbefehl zur Rotation des
Läufers
in Vorwärts-
oder Rückwärts-Richtung, oder
ein Stop-Befehl zum Anhalten des Läufers an den Antriebsimpuls-Generator 25 über eine
Datenleitung aus. Der Antriebsimpuls-Generator 25 speist Antriebsimpulse
in jede der Phasen-Spulen 21–23 ein, entsprechend
der Zeitvorgabe eines Steuer/Regel-Schemas, so dass der Läufer in
Abhängigkeit
von der Art des von dem Mikro-Prozessor 24 gegebenen Befehls
in Vorwärts-
oder Rückwärts-Richtung
rotiert.
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3 zeigt
das Steuer/Regel-Schema für jede
Phasen-Spule. Es sollte angemerkt werden, dass Ha, Hb und Hc die
Eingangssignale der drei magneto-sensitiven
Vorrichtungen und UH, UL, VH, VL, WH und WL die an die drei Phasen-Spulen angelegten
Antriebsimpulse sind. Zwei verschiedene Arten von Ausgangssignalen
werden an jede Phasen-Spule des Motors wie oben beschrieben angelegt,
nämlich
Antriebsimpulse, die angelegt werden um eine drehende Kraft in eine
Richtung des Läufers
(zum Beispiel Nord-Pol) zu erzeugen, werden als High-Side-Impulse definiert
(UH, VH und WH), und Antriebsimpulse, die angelegt werden um eine
drehende Kraft in eine andere Richtung des Läufers (zum Beispiel Süd-Pol) zu
erzeugen, werden als Low-Side-Impulse definiert (UL, VL und WL).
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Wie
aus 3 ersichtlich, erzeugen die Eingangssignale Ha,
Hb und Hc von den magneto-sensitiven Vorrichtungen mit einer Puls-Breite
von jeweils 180 Grad zusammen eine Phasenverschiebung von 120 Grad.
Dies liegt daran, dass drei magneto-sensitive Vorrichtungen um die
Läuferwelle
herum in Abständen
von jeweils 120 Grad zueinander ausgebildet sind. Als Folge aus
der Kombination der drei Impuls-Signale,
sind sechs Regel/Steuer-Stufen, wie in 3 dargestellt,
definiert. Als Antwort auf die sechs Regel/Steuer-Stufen werden
sechs Motor-Antriebsimpulse UH–WL
an die Phasen-Spulen 21, 22 und 23 angelegt.
Das High-Side-Signal und das Low-Side-Signal
haben jeweils eine Impulsbreite von 120 Grad und werden abwechselnd,
mit einem dazwischen liegendem Ruhe-Intervall von 60 Grad, an jede
der Phasen-Spulen
angelegt. Im speziellen wiederholt sich eine Serie von High-Side-Zustand,
Ruhe-Zustand, Low-Side-Zustand und Ruhe-Zustand in jeder der Phasen-Spulen.
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Wenn
die Regel/Steuer-Stufe, wie in 3 dargestellt,
von Stufen-Nummer 1 bis zur Stufen-Nummer 3 durchgeführt wird,
durchläuft
der Läufer
des Motors 14 360 Grad. Wenn die Stufen-Nummer 6 durchlaufen
wurde, kehrt die Regel/Steuer-Stufe zur Stufen-Nummer 1 zurück. Wenn
eine Stufen-Abfolge, beginnend mit 1 bis zur Stufe 6, vier mal wiederholt
wird, rotiert der Läufer
des Motors um 24 Stufen, was einer Bewegung des Mutter-Elements 12 entlang
einer axialen Richtung des Gewindebolzen-Elements 11 von 10 mm entspricht.
Entsprechend kann eine Bewegungsrichtung und eine Bewegungsentfernung
(Hub) des Mutter-Elements 12 gesteuert/geregelt werden,
indem die Antriebsimpulse an die Spulen 21–23 des
Motors 14 entsprechend dem Steuer/Regel-Schema angelegt
werden, welches den Läufer
durch einen Winkelbereich entsprechend der vorgegebenen Anzahl an
Stufen in Vorwärts-
oder Rückwärtsrichtung
drehen lässt.
Die Bewegungsrichtung der Mutter 12 kann umgedreht werden,
indem die Antriebsimpulse entsprechend dem Schema für das umgekehrte
Durchlaufen der Stufen-Nummern angelegt werden, was den Läufer rückwärts drehen
lässt.
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Die 4–6 zeigen
Routinen, die von dem Mikro-Prozessor 24 durchgeführt werden.
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4 zeigt
eine Bestimmungsroutine zur Bestimmung einer Maximum-Stufennummer der
Lage-Regel/Steuer-Einrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung,
welche direkt vor der Fabrik-Auslieferung durchgeführt werden
kann. Gemäß dieser
Routine wird als erstes ein Antriebsimpuls-Einspeisungsbefehl entsprechend
einem Rückwärts-Bewegungsschema
(Schritt 101) gegeben. Es sollte angemerkt werden, dass
die Bewegungsrichtung des Mutter-Elements 12 als vorwärts gerichtet
definiert ist, wenn die Stufen-Nummer während der Bewegung ansteigt,
wohingegen die Bewegungsrichtung als rückwärts gerichtet definiert ist,
wenn diese abnimmt. Dann geht die Routine zu einem Bestimmungsschritt über, welcher
bestimmt, ob das Mutter-Element 12 ein
Ende des Gewindebolzen-Elements 11 erreicht, indem die Änderung
des Ausgang-Signals von den magneto-sensitiven Vorrichtungen 20 detektiert
wird (Schritt 102). Bis das Mutter-Element 12 das
Ende des Gewindebolzens erreicht hat, ändert sich ein Signal von den
magneto-sensitiven Vorrichtungen 20 wie in 3 dargestellt,
was die wiederholte Erteilung des Befehls in Schritt 101 zur
Folge hat. Wenn das Mutter-Element 12 das Ende des Gewindebolzens
erreicht, wird das Anlegen des Antriebsimpulses unterbrochen und
die Routine geht zu einem nächsten
Schritt über.
In diesem Schritt wird eine STG-Variable, welche einer temporären Stufen-Nummer entspricht,
auf Null gesetzt (Schritt 103). Dann wird das Antriebsimpuls-Schema auf ein Vorwärts-Bewegungsschema umgeschaltet,
so dass die Bewegungsrichtung des Mutter-Elements 12 umgedreht
wird (Schritt 104). Dann wiederholt sich eine Schleife
um das Mutter-Element 12 zu bewegen solange, bis das Mutter-Element 12 das
andere Ende erreicht hat (Schritte 105–107). Während dieser
Schleife wird die Stufen-Nummer des in 3 dargestellten
Antrieb-Impulses inkrementiert (Schritt 106). Wenn das
Mutter-Element 12 das andere Ende erreicht, wird die Stufen-Nummer
als eine STGu-Variable gespeichert, welche eine Maximalstellung-Stufennummer des Mutter-Elements 12 anzeigt
(Schritt 108). Eine Abfolge der oben beschriebenen Schritte
ermöglicht
die Abspeicherung einer Information über eine Länge des ganzen Hubs der Lage-Regel/Steuer-Einrichtung in
einen Speicher des Mikro-Prozessors 24 als
eine Differenz zwischen der in Schritt 103 festgesetzten temporären Stufennummer
und der Maximalstellung-Stufennummer oder einem inkrementierten Wert.
Eine Abfolge der Schritte zur Bestimmung der Maximum-Stufennummer
STGu kann übersprungen werden,
wenn diese Nummer in einem Speicher, wie zum Beispiel einem nicht-flüchtigen
Speicher (nicht dargestellt), abgespeichert ist.
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5 zeigt
eine Bestimmungsroutine für eine
Anfangsposition, welche von dem Mikro-Prozessor 24 durchgeführt wird,
wenn die der vorliegenden Ausführungsform
entsprechende Lage-Regel/Steuer-Einrichtung in der Praxis verwendet
wird. Die Bestimmungsroutine für
eine Anfangsposition bestimmt eine Vorwärtshub-Grenze oder eine Rückwärtshub-Grenze
innerhalb des Bewegungsbereiches des Mutter-Elements 12,
welche als ein Start-Wert (Null-Position) definiert ist. Entsprechend
der Routine wird als erstes ein Antriebsimpuls-Einspeisungsbefehl
gegeben, um das Mutter-Element 12 in eine rückwärts gerichtet
Richtung zu bewegen (Schritt 111). Dann geht die Routine
zu einem Bestimmungsschritt über,
um zu bestimmen, ob das Mutter-Element 12 ein Ende erreicht
hat, indem die Änderung des
Ausgang-Signals von den magneto-sensitiven Vorrichtungen 20 detektiert
wird. Danach wird Schritt 111 wiederholt, um das Mutter-Element 12 zu
bewegen, solange, bis das Mutter-Element 12 das Ende erreicht
hat (Schritte 112). Wenn das Mutter-Element 12 das
Ende erreicht hat, wird die STGr-Variable
als eine Bezugsposition abgespeichert, welche eine Referenz-Stufennummer
des Mutter-Elements 12 anzeigt.
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6 stellt
eine Normalbetrieb-Routine dar, welche von dem Mikro-Prozessor 24 durchgeführt wird,
wenn die der vorliegenden Ausführungsform entsprechende
Lage-Regel/Steuer-Einrichtung in der Praxis verwendet wird. Entsprechend
der Routine kann die Lageregelung/Steuerung des Mutter-Elements 12 realisiert
werden, indem einfach Daten der geforderten Position des Mutter-Elements 12 eingegeben
werden, da die Bezugsposition schon durch die in 5 dargestellte
Bestimmungsroutine bestimmt wurde. Als erstes wird die abgespeicherte
Referenz-Stufennummer als eine STGc-Variable ausgelesen, welche
eine momentane Stufennummer anzeigt (Schritt 121). Dann
werden Daten einer geforderten Position (Koordinate) oder eine tatsächliche Entfernung,
die von dem Mutter-Element zurück
gelegt werden soll, an den Mikro-Prozessor 24 übergeben
(Schritt 122). Auf Grundlage dieser Eingangsdaten wird
aus einer Zielposition oder einer Entfernung bis zu der Zielposition
eine Ziel-Stufennummer berechnet. Die Ziel-Stufennummer wird als
STGt-Variable abgespeichert (Schritt 123).
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Anschließend bestimmt
die Routine, ob die momentane Stufennummer gleich der Ziel-Stufennummer
ist (Schritt 124). Wenn die momentane Stufennummer gleich
der Ziel-Stufennummer ist (STGt = STGc), wird ein Befehl zum Anhalten
des Motors gegeben, ohne das Mutter-Element 12 weiter zu
bewegen (Schritt 125). Die Steuer/Regel-Routine wird beendet.
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Wenn
die momentane Stufennummer nicht gleich der Ziel-Stufennummer ist,
vergleicht der Mikro-Prozessor 24 die beiden Stufennummern
miteinander um zu bestimmen, welche Nummer größer ist, so dass die Steuer/Regel-Einheit
je nach Ergebnis des Vergleiches verschiedene Operationen durchführen kann.
Wenn die momentane Stufennummer kleiner ist als die Ziel-Stufennummer
(STGc < STGt) (Schritt 126),
wird ein Antriebsimpuls-Einspeisungsbefehl entsprechend einem Vorwärts-Bewegungsschema (Schritt 127)
gegeben. Anschließend
detektiert der Mikro-Prozessor die Änderung des Ausgang-Signals
von den magneto-sensitiven Vorrichtungen 20. Der gleiche
Antriebsimpuls wird solange ausgegeben, bis die Stufe beendet ist
(Schritt 128). Dann wird die Stufennummer inkrementiert
(Schritt 129). Danach wird STGc mit STGu verglichen (Schritt 130).
Schritt 130 wird bereitgestellt, um mit der Situation umzugehen,
in der die Zielposition außerhalb der
Hub-Grenze eingegeben wird. Entsprechend diesem Schritt bricht die
Regel/Steuer-Routine ab (Schritt 131), wenn die momentane
Stufennummer größer ist
als die während
der Initialisierung (STGu < STGc)
abgespeicherte Maximum-Stufennummer. Wenn andererseits die momentane
Stufennummer kleiner ist als die Maximum-Stufennummer geht die Routine
zu einem mit A benannten Schritt über, und dann kehrt die Routine
zu Schritt 124 zurück.
Wenn die momentane Stufennummer die Ziel-Stufennummer erreicht,
nachdem die oben genannten Schritte wiederholt wurden, geht die
Routine zu Schritt 125 über
um die Regel/Steuer-Routine zu beenden.
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Wenn
die momentane Stufennummer größer ist
als die Ziel-Stufennummer (STGc > STGt),
wird ein Antriebsimpuls-Einspeisungsbefehl entsprechend dem Rückwärts-Bewegungsschema
gegeben (Schritt 132), welches sich aus der Umkehr von Schritt 128 ergibt. Ähnlich Schritt 128 detektiert
der Mikro-Prozessor dann die Änderung
des Ausgang-Signals von den magneto-sensitiven Vorrichtungen 20,
und der gleiche Antriebsimpuls wird solange ausgegeben, bis die
Stufe beendet ist (Schritt 133). Dann wird die Stufennummer
inkrementiert. Es sollte bemerkt werden, dass im Unterschied zu Schritt 129 die
Stufennummer in Schritt 134 erniedrigt wird, indem eins
von der Stufennummer subtrahiert wird, als Reaktion auf die in einer
Stufe angewendeten Antriebsimpulse (Schritt 134). Dann
geht die Routine zu dem mit A benannten Schritt über und kehrt zu Schritt 124 zurück. Ein
Ablauf der Schleife wiederholt sich solange, bis die momentane Stufennummer
die Ziel-Stufennummer erreicht hat. Wenn die momentane Stufennummer
gleich der Ziel-Stufennummer ist, geht die Routine zu Schritt 125 über um die
Regel/Steuer-Routine zu beenden.
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Die
Lage-Regelung/Steuerung des beweglichen Elements kann mittels der
oben genannten Regel/Steuer-Schritte für eine Vorrichtung, umfassend eine
Motor-Antriebseinheit,
durchgeführt
werden, ohne ein besonderes Bauelement für die Messung der Position
des Mutter-Elements oder des damit verbundenen beweglichen Elements
zu benutzen. Im speziellen wird die Länge des ganzen Hubs als eine Stufennummer
oder ein inkrementierter Wert während
des Einstellungsinitialisierungsprozesses abgespeichert. Die Position
des beweglichen Elements kann nur durch das Registrieren der Anfangsposition bestimmt
werden. Des Weiteren kann die Bewegung des beweglichen Elements
zur festgelegten Position nur durch die Eingabe der Ziel-Position
oder der Bewegungsentfernung des beweglichen Elements geregelt/gesteuert
werden.