CN100510642C - 位置检测器和用于诊断位置检测器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于诊断位置检测器的方法，该位置检测器被用于确定控制装置(4)的位置，该位置检测器至少包括以下各项：电阻轨道(12)；与该电阻轨道(12)的第一端点相连的第一端子(T₁)；与该电阻轨道(12)的第二端点相连的第二端子(T₂)；与该电阻轨道电连接的滑片装置(11)，该滑片装置被设置成通过位置改变的效果而相对于该控制装置(4)移动。此外，该位置检测器包括：与该滑片装置(11)相连的滑片端子(T_S)；电源(V_S)；电压测量装置(2)；以及信号处理单元(3)，用于诊断测量数据。在该方法中，电源电压(V_S)被设置在该滑片端子(T_S)中，测量第一端子(T₁)的输出电压(U₁)，测量第二端子(T₂)的输出电压(U₂)，并且至少第一和第二输出电压(U₁，U₂)被设置到该信号处理单元(3)。

Description

位置检测器和用于诊断位置检测器的方法

技术领域

本发明涉及一种根据所附权利要求1的前序部分的用于诊断位置检测器的方法。此外，本发明涉及一种根据所附权利要求5的前序部分的位置检测器。

背景技术

基于电位计的位置传感器通常被用于形成各种交通工具和工作机的结构和部件的位置数据。一般来说，转动设备的结构就会转动所述电位计，从而导致一个可调节电阻器的电阻的改变。所述电阻的改变被解译为所述结构的位置的改变，这在某些应用中导致特定的功能。例如在交通工具中，气动踏板的位置的改变会影响汽油馈送系统。

在几种用途中，非常重要的是不发生故障。为此，在几种应用中利用了组件保障(component securing)。举例来说，可以通过两个或多个传感器来测量气动踏板的移动，在这种情况下，一个传感器损坏不一定会导致故障。

针对各个单独的电位计的状况监视已经开发了不同的解决方案。在专利公开US 6,184,695中批露了一种这样的解决方案，该专利公开批露了一种用于电位传感器的诊断电路。根据上述公布的该解决方案的主要原理是：将一个交流电压提供到一个可调节电阻器的滑动接触，借此确定该滑动接触的电阻。基于该电阻值，有可能监视所述可调节电阻器的状况。然而，所讨论的该解决方案相对复杂，并且该解决方案仅仅揭示了所述可调节电阻器的电阻的改变。

发明内容

现在，本发明提供了一种解决方案，其允许以简单的方式对电位传感器进行多方面的状况监视。

为了实现该目的，根据本发明的用于诊断位置检测器的方法的主要特征在于将在独立权利要求1的特征部分中给出的内容。根据本发明的位置检测器的主要特征在于将在独立权利要求5的特征部分中给出的内容。其他的从属权利要求将给出本发明的一些优选实施例。

本发明的基本概念在于，所述可调节电阻器的电压源被连接到一个滑片，并且从所述电阻轨道的两个端点测量电压。所述端点的电压根据所述滑片的位置而改变，在这种情况下，可以基于一个或全部两个端点的电压来确定所述位置数据。在所述端点与接地平面(接地参考电位)之间存在有利的适当电阻。

根据本发明的解决方案允许监视电位计的电线(cord)，其中检测到断路。

本发明的另一个实施例允许监视电位计的电线，其中检测到短路连接。

本发明的一个实施例又允许在不显著影响所述位置数据的情况下为电位计提供交流电压。

本发明的一个实施例允许在正常操作期间测量所述接触电阻，并且提供关于所述电位计的磨损的预报信息。该信息例如可以被使用在预期状况监视中。

通过在某些应用中使用根据本发明的一个实施例的结构，不必用几个电位计来保障所述电位计，这是因为即使是损坏的电位计也可以提供足以用于几种应用的位置数据。

附图说明

下面将参照附图更加详细地描述本发明，其中：

图1示出了根据本发明的连接；

图2示出了根据图1的连接，其中补充了对应于电压和电流的符号；

图3示出了根据图1的连接，其中补充了控制装置的原理结构；以及

图4结合电位计1示出了可能发生的一些故障。

为了简明起见，附图仅仅示出了理解本发明所必需的细节。为了强调本发明的特征，在附图中省略了对于理解本发明不是必需的但是对于本领域技术人员却是显而易见的结构和细节。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的基本概念的连接。此外图2示出了对应于电流和电压的符号，所述符号在下文中将结合各公式来使用。图3示出了一个实施例，其中控制装置4被设置成控制可调节电阻器1，特别是其滑动装置11。

可调节电阻器1的电源电压V_s被引到滑片端子T_s(即电源端子)，其接触电阻在图中由附图标记R_s所标记。该滑片端子T_s经由所述滑动装置(即滑片11)连接到电阻轨道12，其电阻在图中由附图标记R所标记。从所述电阻轨道12的两个端点处的输出端子(即从第一端子T₁和第二端子T₂)测量输出电压U₁和U₂。所述端点的电压U₁、U₂根据滑片11的位置而改变，在这种情况下，可以基于一个或全部两个端点的输出电压U₁、U₂来确定所述位置数据。在所述端点与接地平面GND之间存在有利的适当电阻R_L。对输出电压U₁和U₂的测量可以以多种方式实施，并且在附图中用附图标记2来标记所述测量装置。所述测量结果被前送到信号处理单元3，其对于所述测量结果执行必要的修改并且以所期望的方式处理所述测量结果。该信号处理单元3例如可以执行在下文中给出的计算。此外，该信号处理单元3还可以特定于应用地执行其他功能。在所述例子中，只显示出输出电压U₁、U₂的信息到达信号处理单元3，但是该信号处理单元很自然地可以与更多装置相接触，以便接收不同类型的信息并且进一步前送所述信息。

图1、2和3用虚线示出了与电压源V_s连接的可能的串联电阻。从本发明基本概念的观点来看，所讨论的串联电阻并不十分重要，但是通过使用所述串联电阻，特别有可能保护所述设备免受由短路导致的故障风险。一般来说，在多种安装中使用串联电阻。

在所述连接端点的输出电压U₁、U₂的基础上，例如有可能以下面描述的方式确定所述滑片11的方向数据α。根据基尔霍夫定律(Kirchhoffs laws)，可以根据下面的公式确定滑片11的位置数据：

$U_1=\frac{R_L}{R_L+\mathrm{\αR}}{U}_0---1)$

$U_0=I_2(1-\mathrm{\α})R+U_2=\frac{U_2}{R_L}(1-\mathrm{\α})R+U_2---2)$

通过把根据公式2的U₀放到公式1中，所述角度值如下：

$\mathrm{\α}=\frac{\frac{R_L}{R}(U_2-U_1)+U_2}{U_1+U_2}---3)$

在一种情况下，当R＝5kΩ并且R_L＝10kΩ时，所述输出电压U₁和U₂的值是2/3-1 x V_s。因此，近似地只有所述A/D转换器的1/3的区域被高效地使用。然而，有可能把所述转换器的参考电压设置成使得该转换器的区域可以被更好地利用。此外，R和R_L的大小可以影响使用范围。例如，当R_L＝1kΩ时，使用范围是1/7-1 x V_s。然而，行经所述滑片11的电流的大小会因此而增大。

接下来求解所述接触电阻R_s。还可以按照下面的形式给出公式1：

$\mathrm{\α}=\frac{U_0{R}_L-U_1{R}_L}{U_{1}R}---4)$

此外，已经知道：

I₀＝I₁+I₂      5)

该公式可以被进一步推导成以下形式：

$U_0=V_s-\frac{R_s}{R_L}{U}_1-\frac{R_s}{R_L}{U}_2---6)$

通过把根据公式6的U₀放到公式4中，可以形成下面的公式：

$\mathrm{\α}=\frac{(V_S-U_1)R_L-(U_1+U_2)R_s}{U_{1}R}---7)$

如果U₁和U₂都是可接受的，则公式3和7提供相同的结果，即：

$\frac{\frac{R_L}{R}(U_2-U_1)+U_2}{U_1+U_2}=\frac{(V_S-U_1)R_L-(U_1+U_2)R_s}{U_{1}R}$

从中可以把R_s求解为以下形式：

$R_s=\frac{V_s{R}_L(U_1+U_2)-U_1{U}_2(2R_L+R)}{{(U_1+U_2)}^2}---8)$

或者

$R_s=\frac{V_S}{U_1+U_2}{R}_L-\frac{U_1{U}_2}{{(U_1+U_2)}^2}(2R_L+R)---9)$

这例如取决于从数据处理的观点来看上面的哪一种形式是更好的例子。

根据本发明的解决方案还允许监视电位计1的端子T_s、T₁、T₂以及电线，其中检测到断路。通过根据本发明的连接，有可能检测到与该电位计的任何连接端子T_s、T₁、T₂相连的所述损坏，所述损坏将导致该连接端子无法充分导电。

图4示出了在连接电位计1时可能发生的一些可能的故障模式C1到C11。所述故障模式C1到C11特别包括电阻改变、断路和短路，这些故障模式例如可能发生在该电位计1的连接点和/或与之相连的其他连接中，以及可能发生在各线缆部分中。表1示出了对所述故障、检测故障的可能性和识别故障的可能性以及所述电位计1在所讨论故障期间测量精度状态的简短描述的概要。

表1、检测及识别某些故障模式以及所述故障对功能的影响

 

情况	故障描述	检测到	识别出	测量精度
					C1	接触电阻的改变	是	是	正常
C2	端子T<sub>1</sub>断路	是	是	降低
					C3	端子T<sub>s</sub>断路	是	否	不工作
C4	端子T<sub>2</sub>断路	是	是	降低
					C5	各端子的相互短路	是	是	不工作
C6	端子T<sub>1</sub>和T<sub>2</sub>的短路	是	是	不工作
					C7	端子T<sub>1</sub>和T<sub>s</sub>的短路	是	是	降低
C8	端子T<sub>2</sub>和T<sub>s</sub>的短路	是	是	降低
					C9	端子T<sub>2</sub>到地的短路	是	是	降低
C10	端子T<sub>s</sub>到地的短路	是	否	不工作
					C11	端子T<sub>1</sub>到地的短路	是	是	降低

在故障模式C1中，所述接触电阻R_s已改变。因此，第一输出电压U₁和第二输出电压U₂的大小范围已改变。由于电压区域的改变是类似的，即所述区域被降低或升高，因此可以检测到并且识别出所述故障。由于所述方向数据α是基于输出电压U₁和U₂确定的，因此所述电位计1对于所述方向数据的部分正常工作。可以在预期状况监视中利用所述故障的检测数据，在这种情况下，在适当的时刻修复所述故障。通常当所述电位计1的滑片11和/或所述电阻轨道12磨损时，所述接触电阻R_s的值升高，并且与此同时其值会有显著的变化，在所述变化的基础上可以预期电位计1的故障。

在故障模式C2中，第一端子T₁被损坏，在这种情况下，第一输出电压U₁基本上接近接地平面的0伏特(或者接近所使用的接地平面GND的某一其他基本值)。因此，在必要时可以通过仅仅一个输出电压U₂来确定方向数据α。

在故障模式C3中，所述滑片的连接端子T_s被损坏，在这种情况下，U₁和U₂都基本上接近0伏特(或者接近所使用的某一其他基本值)。因此只能够检测到所述故障，但是在故障模式C3中不可能更为具体地确定所述故障的类型，也不可能确定方向数据α。

在故障模式C4中，当第二端子T₂被损坏时，第二输出电压U₂基本上接近0伏特(或者接近所使用的接地平面GND的某一其他基本值)。因此，在必要时可以通过仅仅第一输出电压U₁来确定方向数据α。

本发明的一个实施例还允许监视电位计1的电线和连接端子T_s、T₁、T₂，其中检测到短路连接。通过根据本发明的连接，有可能检测到该电位计1的连接点T_s、T₁、T₂的任何短路类型的损坏C5到C11。例如，如果全部三个连接端子T_s、T₁、T₂都与电源电压V_s短路，即故障模式C5，则输出电压U₁和U₂基本上接近电源电压V_s。因此，当改变所述滑片11的位置时，输出电压U₁和U₂的值不改变，并且无法形成方向数据α。故障模式C5可以被检测到并且被识别出，但是形成方向数据α不成功。

相应地，在故障模式C6中，端子T₁和T₂短路，在这种情况下，当改变所述滑片11的位置时，输出电压U₁和U₂的值不改变，并且无法形成方向数据α。同样地，故障模式C6可以被检测到并且被识别出，但是形成方向数据α不成功。

在故障模式C7中，第一端子T₁与电源电压V_s短路，在这种情况下，第一输出电压U₁基本上接近电源电压V_s。因此，当所述滑片11的位置改变时，第一输出电压U₁的值不改变，但是第二输出电压U₂的值改变。因此，在必要时可以通过仅仅一个输出电压U₂来确定方向数据α。也就是说，故障模式C7可以被检测到及被识别出，并且可以形成方向数据α。

相应地，当第二端子T₂与电源电压V_s短路时，即故障模式C8，第二输出电压U₂的值基本上接近电源电压V_s。因此，当所述滑片11的位置改变时，第一输出电压U₁的值改变，但是第二输出电压U₂的值不改变。因此，在必要时可以通过仅仅第一输出电压U₁来确定方向数据α。

在故障模式C9中，端子T₂与接地平面短路，在这种情况下，第二输出电压U₂基本上接近0伏特(或者接近所使用的接地平面GND的某一其他基本值)。因此，当所述滑片11的位置改变时，第二输出电压U₂的值不改变，但是第一输出电压U₁的值改变。因此，在必要时可以通过仅仅第一输出电压U₁来确定方向数据α。也就是说，故障模式C9可以被检测到及识别出，并且所述电位计1以降低的分辨率工作。

相应地，在故障模式C11中，第一端子T₁与接地平面短路，第一输出电压U₁基本上接近0伏特(或者接近所使用的接地平面GND的某一其他基本值)。因此，当所述滑片11的位置改变时，第一输出电压U₁的值不改变，但是第二输出电压U₂的值改变。因此，在必要时可以通过仅仅一个输出电压U₂来确定方向数据α。

当所述滑片11的端子T_s与接地平面短路时，即故障模式C10，第一输出电压U₁和第二输出电压U₂都基本上接近0伏特(或者接近所使用的接地平面GND的某一其他基本值)。因此无法确定方向数据α。在故障模式C10中只能检测到所述故障，但是无法检测到该故障的更为具体的类型。

从上述例子可以看出，通过根据本发明的结构，有可能检测到短路和电源断路。在第一或第二端子T₁、T₂的故障模式中，在必要时仍然有可能形成方向数据α。

可以在预期状况监视中利用故障的检测数据和识别数据。因此，可以在适当的时刻修复这种故障和有可能导致故障的磨损，其中所述故障和所述磨损不会影响所述电位计的操作。例如，从所述接触电阻R_s的改变(故障模式C1)检测到电位计1的磨损，从而可以在该电位计1实际发生故障之前在适当时间改变该电位计1。另一方面，有些故障会影响电位计1的正常操作，但是允许对所述功能的受控的终结。这些故障模式例如包括C2、C4、C7、C8、C9和C11。

通过以各种方式对结合上面给出的本发明的不同实施例所公开的模式和结构进行组合，有可能产生根据本发明的精神的多种实施例。因此，上面给出的例子不应被理解成对本发明进行限制，相反，在所附权利要求书中给出的本发明创造性的特征范围内可以自由地改变本发明的实施例。

Claims (7)

1、一种用于诊断位置检测器的方法，该位置检测器被用于确定控制装置(4)的位置，该位置检测器至少包括以下各项：

-电阻轨道(12)；

-与该电阻轨道(12)的第一端点相连的第一端子(T₁)；

-与该电阻轨道(12)的第二端点相连的第二端子(T₂)；

-与该电阻轨道(12)电连接的滑片装置(11)，该滑片装置被设置成通过该控制装置(4)的位置改变的效果而相对于该电阻轨道移动；

-与该滑片装置(11)相连的滑片端子(T_S)；

-电源(V_S)；

-电压测量装置(2)；以及

-信号处理单元(3)，用于诊断所述测量数据，

其特征在于，

-电源电压(V_S)被设置在该滑片端子(T_S)中；

-测量第一端子(T₁)的第一输出电压(U₁)；

-测量第二端子(T₂)的第二输出电压(U₂)；

-至少第一和第二输出电压(U₁，U₂)被设置用于该信号处理单元(3)。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于，基于第一输出电压(U₁)和第二输出电压(U₂)来确定所述控制装置(4)的位置。

3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于，基于第一输出电压(U₁)和第二输出电压(U₂)来识别所述位置检测器的至少一部分故障。

4、根据权利要求1至2任一项所述的方法，其特征在于，第一输出电压(U₁)和第二输出电压(U₂)的范围大小受到处在第一端子(T₁)与接地平面(GND)之间以及处在第二端子(T₂)与接地平面(GND)之间的电阻(R_L)的影响。

5、一种用于确定控制装置(4)的位置的位置检测器，该检测器至少包括以下各项：

-电阻轨道(12)；

-与该电阻轨道(12)的第一端点相连的第一端子(T₁)；

-与该电阻轨道(12)的第二端点相连的第二端子(T₂)；

-与该电阻轨道(12)电连接的滑片装置(11)，该滑片装置被设置成通过该控制装置(4)的位置改变的效果而相对于该电阻轨道移动；

-与该滑片装置(11)相连的滑片端子(T_S)；

-电源(V_S)；

-电压测量装置(2)；以及

-信号处理单元(3)，用于诊断所述测量数据，

其特征在于，

-电源电压(V_S)被提供在该滑片端子(T_S)中；

-第一端子(T₁)被连接到该电压测量装置(2)，以便测量第一输出电压(U₁)；

-第二端子(T₂)被连接到该电压测量装置(2)，以便测量第二输出电压(U₂)；以及

-至少第一和第二输出电压(U₁，U₂)被设置用于该信号处理单元(3)。

6、根据权利要求5的位置检测器，其特征在于，所述信号处理单元(3)被设置成基于第一输出电压(U₁)和第二输出电压(U₂)来确定所述控制装置(4)的位置。

7、根据权利要求5或6的位置检测器，其特征在于，所述信号处理单元(3)被设置成基于第一输出电压(U₁)和第二输出电压(U₂)来识别该位置检测器的至少一部分故障。

8、根据权利要求5至6任一项所述的位置检测器，其特征在于，该检测器还包括电位计(1)，该电位计至少包括电阻轨道(12)和滑片装置(11)。

9、根据权利要求5至6任一项所述的位置检测器，其特征在于，所述位置检测器还包括接地平面(GND)以及处在第一端子(T₁)与接地平面(GND)之间和处在第二端子(T₂)与接地平面(GND)之间的至少两个电阻(R_L)，以便影响第一输出电压(U₁)和第二输出电压(U₂)的范围。

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