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Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für einen Resolver zum Messen der Winkelstellung eines Objekts.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik gibt es verschiedene Resolvertypen. Grundsätzlich wird dabei mittels mindestens einer Spule ein sich änderndes magnetisches Feld erzeugt und mittels mindestens einer weiteren Spule wird dieses Feld in Abhängigkeit von der zu messenden Position oder Winkelstellung detektiert. Bei einer verbreiteten Form des sogenannten „Variable Reluctance Resolver“ (VR-Resolver) beispielsweise kommt nur eine Erregerspule zum Einsatz und es gibt zwei Messspulen, die positionsabhängige Signale erzeugen (vergleiche hierzu zum Beispiel http://www.tamagawa-seiki.com/english/lvdt/pdf-resolver.pdf, BRX-Typ). Andere Resolvertypen haben zwei Erregerspulen und nur eine Messspule. Die Erfindung betrifft alle diese Typen, sofern mindestens ein Erregersignal benötigt wird, und sie ist auf die Ansteuerschaltung für eine solche Erregerspule gerichtet.
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Oft ist das Erregersignal sinusförmig. Andere Signalformen, zum Beispiel Rechteck, Dreieck oder Trapez, sind jedoch möglich.
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Das Erregersignal für die Erregerspule kann beispielsweise durch zwei Gegentaktendstufen bereitgestellt werden, je eine für die beiden Anschlüsse der Erregerspule. Die Ausgangssignale der beiden Endstufen sind dann um 180° zueinander phasenverschoben und das für die Erregerspule wirksame Erregersignal ist die Differenzspannung zwischen den Ausgängen der beiden Endstufen.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Erregerspule durch nur eine Endstufe zu betreiben. Der zweite Anschluss der Erregerspule ist dann entweder direkt oder über einen Kondensator auf ein festes Potential gelegt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Ansteuerschaltung umfasst mindestens eine mit Transistoren ausgestaltete Gegentaktendstufe, die die erforderliche Ausgangsleistung für die Ansteuerung der jeweiligen Erregerspulen zur Verfügung stellt.
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Für eine Reihe von Anwendungsfällen ist es erforderlich, dass diese Ansteuerungsschaltung kurzschlussfest ist, so dass zum Beispiel bei Überlastung keine Überhitzung und Zerstörung der Schaltung auftreten kann. Dafür können entsprechend belastbare Bauteile verwendet werden. Diese hohe Belastbarkeit der Bauelemente wird aber im Normalbetrieb gar nicht ausgenutzt.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Auslegung der Bauteile sich nur am Normalbetrieb und nicht an einem nur ausnahmsweise auftretenden Überlastbetrieb ausrichten muss.
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Hierfür weist die Ansteuerungsschaltung eine Überstromabschaltung mit einer Komparatorschaltung und einem Verzögerungsglied auf, welche dazu ausgelegt ist, den Ausgangsstrom der Gegentakt-Endstufe zu ermitteln und beim Feststellen eines Überstroms mindestens eine der Gegentakt-Endstufen temporär zu deaktivieren.
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Ein besonderer Aspekt der Erfindung ist das Verfahren, nach dem die Ansteuerungsschaltung arbeitet. Dabei wird ein vom Ausgangsstrom abhängiges Spannungssignal gebildet, das mittels einer Komparatorschaltung mit einem Schwellwert verglichen wird. Wird der Schwellwert überschritten, so wird Überlast erkannt. Das Ausgangssignal der Komparatorschaltung triggert ein Verzögerungsglied, und für die vom Verzögerungsglied festgelegte Verzögerungsdauer nach dem Überschreiten des Schwellwerts werden die Gegentakt-Endstufen deaktiviert.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass sich die Ansteuerschaltung nach Ablauf der durch das Verzögerungsglied festgelegten Zeitspanne selbstständig reaktiviert und sich zurück in den Normalbetrieb versetzt. Eine gegebenenfalls weiterhin bestehende Überlast wird erneut erkannt und die Ansteuerschaltung deaktiviert sich erneut.
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Die Unteransprüche sind auf verschiedene Ausführungsvarianten der Erfindung gerichtet.
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Die Gegentakt-Endstufen mit den Transistoren können als Emitterfolger mit Emitterwiderständen ausgebildet sein und weisen dann an den Emitterwiderständen Spannungsabgriffe auf, mit denen jeweils ein zum Ausgangsstrom proportionales Stromsignal zum Feststellen eines Überstroms gegeben ist.
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Die Komparatorschaltung kann ein Widerstandsnetzwerk aufweisen, das den zulässigen Ausgangsstrom bestimmt, und auch eine positive Rückkopplung, die als Hochpass ausgebildet ist, um auch bei kurzzeitiger Überlast ein Überstromsignal als Triggersignal zu erzeugen.
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Das Verzögerungsglied kann als RC-Glied mit nachgeschalteter Zenerdiode ausgebildet ist. Zudem kann der Ausgang des Verzögerungsglieds mit steuerbaren Stromquellen verbunden sein, die ihrerseits in den Basiskreis der Transistoren geschaltet sind.
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Bei Varianten mit mehren Erregerspulen kann eine geeignete Signalverknüpfung, zum Beispiel ein Oder-Gatter, das gemeinsame Abschalten aller Endstufen bewirken, wenn nur eine von ihnen überlastet ist. Dies führt vorteilhaft zur Vermeidung von Fehlmessungen.
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Weitere Ausführungsvarianten der Erfindung betreffen ihren Verfahrensaspekt.
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Das Stromsignal, an Hand dessen das Erkennen eines Überstroms erfolgt, kann an einem Spannungsabgriff an Emitterwiderständen gewonnen werden.
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Der Schwellwert des Komparators kann mittels eines Widerstandsnetwerks durch eine Vorspannung von dessen Eingangsdifferenzspannung eingestellt werden, und die Komparatorschaltung gibt ein Überstromsignal aus, dessen positive oder negative Flanke die Überstromabschaltung auslöst.
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Das Verzögerungsglied kann als Univibrator (auch als Monovibrator bezeichnet) ausgebildet sein, der durch das Überstromsignal getriggert wird und ein Steuersignal abgibt, das während der Verzögerungszeit die Stromquellen im Basiskreis der Transistoren deaktivieren und sie außerhalb dieser Zeit aktivieren kann.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
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1 zeigt eine Ansteuerschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 zeigt dabei die Schaltung zur Überstromabschaltung.
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3 zeigt eine schematische Darstellung für Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Ansteuerung eines Resolvers.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
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Ein Resolver dient zum Messen der Winkelstellung eines Objekts, etwa der Welle eines Elektromotors, und beruht auf dem Wirkprinzip der magnetischen Kopplung in Abhängigkeit der räumlichen Orientierung von einer oder mehreren Erregerspulen zu einer oder mehreren Messspulen,. Im Falle einer verbreiteten Form des VR-Resolvers wird eine Errergerspule und zwei Messspulen, eine Sinus- und eine Cosinusspule, verwendet. Alle drei Spulen sind um einen Stator gewickelt, die Erregerspule wird mit einem meist sinusförmigen Signal beaufschlagt, und der Rotor, der an seinem Umfang eine Wellenform zur Variation der Reluktanz aufweist, bewirkt eine winkelabhängige Kopplung zwischen der Erreger- und den Messspulen, wodurch im Zuge der Rotation der Welle eine Amplitudenmodulation des Signals in den Messspulen entsteht. Die Winkelmessung beruht darauf, dass jedem Wertepaar der Messwerte von Sinus- und Kosinusspule ein Winkel zugeordnet werden.
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Daneben gibt es weiter Ausführungsarten von Resolvern, die an spezielle Anwendungsfälle angepasst sind. Beispielsweise gibt es auch Varianten mit zwei Erregerspulen und einer Messspule, die auf einer Modulation der Phase beruhen.
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Das Messen einer Winkelstellung mit einem Resolver ist besonders vorteilhaft, wenn es auf Robustheit und geringe Wirkung von Umwelteinflüssen ankommt. Außer dem Messobjekt selbst gibt es üblicher Weise keine mechanisch beweglichen Teile, die verschleißen könnten, und es gibt auch keine beispielsweise verschmutzungsanfälligen optischen Bauteile. Allerdings können im Betrieb Einwirkungen auf die Stromzuleitungen auftreten, die die Gefahr eines Kurzschlusses mit sich bringen können.
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Das Erregersignal wird mit einer Ansteuerschaltung erzeugt, wie sie in den 1 und 2 beispielhaft dargestellt ist.
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Diese Ansteuerschaltung weist eine Gegentakt-Endstufe mit den Transistoren 11 und 11’ und der Betriebsspannung U0 auf. Beispielsweise kann die Gegentakt-Endstufe als komplementärer Emitterfolger im AB-Betrieb ausgelegt werden; das heißt, die Transistoren 11 und 11’ werden mit einer Vorspannung betrieben, die so gewählt ist, dass im Nulldurchgang der Eingangsspannung nur ein kleiner Ruhestrom durch die Transistoren fließt. Dadurch kann die Übertragungskennlinie linearisiert werden, und Verzerrungen können reduziert werden. Das Ausgangssignal Iout, das die Erregerspule als Erregersignal speist, wird am Verbindungspunkt der Emitterwiderstände 13 und 13’ abgegriffen. Um hier das gewünschte, zum Beispiel sinusförmige Signal zu erhalten, werden die Transistoren 11, 11’ jeweils über Dioden 12, 12’ durch ein entsprechendes Eingangssignal Uin angesteuert. Dabei sichern steuerbare Stromquellen 6 und 6’ die Ansteuerung der Transistoren: Werden sie über ein Steuersignal U3 abgeschaltet, so wird die Gegentakt-Endstufe strom- und damit leistungslos und gibt kein Ausgangssignal Iout mehr ab.
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Je nach Anwendung kann es erforderlich sein, diese Ansteuerung kurzschlusssicher auszuführen. Dies ist insbesondere dort erforderlich, wo es auf hohe Robustheit und Betriebssicherheit ankommt, wie beispielsweise in der Automobiltechnik. Um die negativen Auswirkungen eines Defekts im Kabelbaum des Fahrzeugs oder im Resolver selbst zu begrenzen, ist es hier Standard, die Schaltungen an Sensorsignalen, die über den Kabelbaum des Fahrzeugs geführt sind, kurzschlussfest auszuführen.
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Bei einem Kurzschluss der Leitungen für das Signal Iout kommt es zu einem Überstrom der Transistoren 11, 11’. Die weitere Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Erfindung erläutert, wie diese Kurzschlusssicherheit gewährleistet werden kann, ohne dass die gesamte Schaltung von vorn herein für solch eine erhebliche Überlast ausgelegt werden muss.
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An den Emitterwiderständen 13 und 13’ wird eine Spannung abgegriffen, die ein Stromsignal U1 darstellt, dessen Höhe vom Ausgangsstrom Iout abhängig ist. Das Vorzeichen dieses Signals hat unabhängig von der Richtung des Ausgangsstroms Iout immer dasselbe Vorzeichen.
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Das Stromsignal U1 wird einer Komparatorschaltung 14 zugeführt, die diesen Spannungswert mit einem Schwellwert vergleicht. Der Schwellwert ist so festzulegen, dass eine Fehlfunktion mit Überstrom, insbesondere ein Kurzschluss, unter allen in Betracht zu ziehenden Betriebsbedingungen (beispielsweise Einschaltvorgang, Temperatur oder ähnliches) sicher vom Normalbetrieb unterschieden werden kann.
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Eine solche Komparatorschaltung 14 kann auf vielerlei Weise realisiert werden. Das Einstellen des Schwellwerts der Komparatorschaltung kann beispielsweise mittels eines Widerstandsnetzwerks derart erfolgen, das sich eine Vorspannung der Eingangsdifferenzspannung ergibt. Auch kann die Komparatorschaltung 14 eine positive Rückkopplung enthalten, damit sein Ausgang auch bei einem nur kurzzeitigen und einmaligen Erreichen des Schwellwerts vollständig schaltet.
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Wenn diese Rückkopplung zudem als Hochpass ausgeführt ist, zeigt der Ausgang der Komparatorschaltung 14 auch bei einem kurzzeitigen Überstrom lange genug einen erkannten Überstrom an, damit das nachfolgende Verzögerungsglied 15 reagieren kann.
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Das Überstromsignal U2 am Ausgang der Komparatorschaltung setzt mit seiner ansteigenden oder abfallenden Flanke das Verzögerungsglied 15 zurück, und dieses setzt bis zum Ende der Verzögerungszeit das Steuersignal U3, mit dem für die Dauer der Verzögerungszeit die steuerbaren Stromquellen 6, 6’ abgeschaltet werden.
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Auch das Verzögerungsglied 15 kann auf vielerlei Weise realisiert werden. So kann es als Univibrator (oder Monovibrator) mit Hilfe von Transistoren oder mit einem RC-Glied mit nachgeschalteter Zenerdiode implementiert sein. Der Ausgang der Komparatorschaltung kann dabei den Kondensator des Verzögerungsglieds schnell entladen und löst dadurch den Beginn des Steuersignal U3 und damit die Abschaltung der Stromquellen 6, 6’ aus. Das Laden des Kondensators erfolgt dann über einen hochohmigen Widerstand und bestimmt die Verzögerungszeit. Wenn die Kondensatorspannung dann über die Zenerspannung der Diode angestiegen ist, werden die Stromquellen 6, 6’ und damit auch die Transistoren 11, 11’ durch Umschalten des Steuersignals U3 wieder aktiviert.
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Das Ausgangssignal des Verzögerungsgliedes 15 stellt das Steuersignal U3 für die Stromquellen 6, 6’ dar. Sind diese deaktiviert, so werden die Transistoren 11, 11’ mangels Basisstrom hochohmig, und Iout wird Null, das heißt es wird kein Ausgangsstrom mehr an die Erregerspule des Resolvers übertragen. Dabei können die Stromquellen so ausgeführt sein, dass ihr Strom und somit der maximal mögliche Strom am Ausgangssignal Iout langsam mit dem Pegel des Steuersignals U3 ansteigt. Liegt der Kurzschluss noch an, so wird dadurch der Schwellwert bis zur erneuten Abschaltung langsam angefahren und nach dessen Überschreiten beginnt die beschriebene Abfolge von vorn.
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Das Steuersignal U3 kann unmittelbar auf die Steuereingänge der steuerbaren Stromquellen 16, 16’ geschaltet werden. Bei einer Ausführungsart mit mehreren Erregerspulen kann dies für jede Gegentakt-Endstufe gesondert geschehen. Für diese Ausführungsart ist es aber vorteilhaft, wenn bei Überlast von nur einem der Erregersignale alle Erregersignale gleichzeitig abgeschaltet werden. Dafür können die zugehörigen Stromsignale U3 zum Beispiel auf ein Oder-Gatter gegeben werden und der Ausgang des Oder-Gatters wird mit den Eingängen für das Steuersignal für die steuerbaren Stromquelle 16, 16’ von allen Gegentakt-Endstufen für die Erregersignale verbunden. Dadurch sind immer alle Erregersignale gleichzeitig abgeschaltet, was eine Falschmessung verhindern kann.
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Die beschriebene Schaltung zur Ansteuerung eines Resolvers kann bevorzugt immer dann eingesetzt werden, wenn Fehlfunktionen mit Überstrom oder Kurzschluss sicher gehandhabt werden müssen, zum Beispiel in Fahrzeugen. Die Überstromabschaltung verringert dabei die Anforderungen an die Bauelemente erheblich, weil diese nur noch für die geringere Belastung im Normalbetrieb ausgelegt werden brauchen.
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3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren M zur Ansteuerung eines Resolvers, der durch mindestens eine Erregerspule erregt wird und dessen Ansteuerschaltung mindestens eine ansteuerbare Gegentakt-Endstufe mit Transistoren aufweist. Das Verfahren M kann beispielsweise für die Ansteuerung eines Resolvers, wie im Zusammenhang mit den 1 und 2 gezeigt, eingesetzt werden.
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In einem Schritt M1 wird ein vom Ausgangsstrom Iout der Gegentakt-Endstufe abhängigen Stromsignals U1 des Resolvers gebildet, zum Beispiel durch Spannungsabgriff an Emitterwiderständen des Ansteuerschaltung des Resolvers. Dieses Stromsignal U1 wird in einem Schritt M2 mit einem Schwellwert mittels einer Komparatorschaltung 14 zum Erkennen eines Überstroms verglichen. Der Schwellwert des Komparators der Komparatorschaltung 14 kann dabei mittels eines Widerstandsnetzwerks durch eine Vorspannung von dessen Eingangsdifferenzspannung eingestellt werden.
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Falls ein Überstrom erkannt worden ist, wird in M3 ein Überstromsignal U2 erzeugt, welches als Trigger für ein weiteres Steuersignal U3 dient. Das Steuersignal U3 dient in einem Schritt M4 zum Deaktivieren der Gegentakt-Endstufen für eine Zeitspanne, die mit einer ansteigenden oder abfallenden Flanke des Überstromsignal U2 beginnt und die nach einer mittels eines Verzögerungsglieds 15 festgelegten Verzögerungsdauer endet. Das Verzögerungsglied 15 kann zum Beispiel als Univibrator bzw. Monovibrator durch das Überstromsignal U2 getriggert werden.
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Bei dem Verfahren können beispielsweise alle Gegentakt-Endstufen gemeinsam temporär deaktiviert werden, wenn auch nur eine von Ihnen überlastet sein sollte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.tamagawa-seiki.com/english/lvdt/pdf-resolver.pdf [0002]
