CN105375836A - 用于对传感器进行电压供给的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于对传感器进行电压供给的装置和方法，本发明通过以下方式提供用于所述传感器的工作电压：在布置在执行器与控制器之间的第一与第二连接线路之间以串联连接的方式布置了电压调节器或者直流变压器以及多个二极管。由此可以由多相的操控驱动元件的、加载在所述第二连接线路上的电压借助于所述电压调节器或者所述直流变压器来产生用于所述传感器的工作电压U_B。

Description

用于对传感器进行电压供给的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于对传感器进行电压供给的装置，所述传感器检测驱动元件的位置或者由驱动元件驱动的执行机构（Stellglied）的位置，其中所述传感器通过第一连接线路至少间接地与控制器相连接，并且其中用于操控驱动元件的控制器的功率级通过第二连接线路与所述驱动元件相连接。

本发明还涉及一种用于对传感器进行电压供给的方法，在该方法中有待供给的传感器检测驱动元件的位置或者由所述驱动元件驱动的执行机构的位置，其中将所述传感器的、为进行传输而被转换的传感器信号传输给控制器，其中所述控制器的调节器（Controller）如此控制功率级，使得该功率级提供用于控制驱动元件的、多相的功率输出信号，所述功率输出信号通过第二连接线路被传输给所述驱动元件。

背景技术

将由控制器产生的电的控制信号或者控制指令转换为机械运动或者其他物理参量的变换器（Wandler）或者驱动元件也被称为执行器。

这样的执行器通常是调整电路中的执行机构。为了检测所述执行器的当前的境况或者位置，所述执行器与相应的传感器相耦合。将借助于这些传感器来产生的传感器信号转换为模拟的或者数字的信号，其中所转换的信号与执行器的被检测的境况或者位置相一致并且被输出给控制器。为了进行这种输出，所述执行器多数具有用于使所转换的信号与用来传输给所述控制器的传输协议相匹配的、模拟的或者数字的接口。

对于这样的、具有带有位置反馈的驱动元件并且由远离的控制器（ECU）来运行的执行器来说，根据现有技术，作为用于所述驱动元件（电机）的两个或者三个线路的补充，用于对用来位置反馈的传感器进行电压供给的和用于信号传输的其他线路是必要的。在此可以使用模拟的以及数字的、具有不同的测量原理（比如电阻式的/霍耳传感器）的位置传感器。

不取决于此地，在任何情况下，额外的、作为在控制器与所述传感器本身之间的电压供给线路的线路都是必要的，通过所述线路向所述传感器比如供给5伏特的工作电压。

发明内容

相对于此，根据本发明的、具有独立权利要求1所述特征的装置具有以下优点：通过电机线路在所述执行器上供使用的电压被用于为传感器提供工作电压。由此可以取消处于控制器与传感器本身之间的、用于对所述传感器进行电压供给的线路。借助于电压调节器，由两个或者三个加载（anliegend）在电机线路上的电压提供为了对所述传感器进行供电所需要的运行电压，比如5伏特的TTL电压。作为替代方案，也可以在所述电压调节器的位置处使用直流变压器，其中这个直流变压器比如作为所谓的降压斩波器来工作。在要求电压应该高于比加载在电机线路上的电压时，还考虑作为所谓的升压斩波器的工作原理。

因为所述电机线路的电位以用于进行位置测定的传感器的地电位（接地）为参照，所以所述电机线路的电位在这该设计方案中可以通过二极管来截取，并且由此提供用于所述电压调节器的输入电压。

所述电压调节器或者直流变压器产生必要时通过附加布线来进行平滑处理的TTL电压U_B，该TTL电压U_B作为供电电压被提供给所述传感器。

通过在从属权利要求中所列举的措施可以实现在独立权利要求中所说明的装置的有利的拓展方案和改进方案。

特别有利的是，所述电压调节器或者直流变压器的第一电压接头通过多个二极管分别与第二连接线路的一条电机线路相连接，其中所述二极管的阴极接头分别与所述第一电压接头相连接。所述电压调节器或者直流变压器的第二电压接头与接地线相连接，从而在所述第一与第二电压接头之间加载着在输入侧加载在所述电压调节器或者直流变压器上的、脉动的直流电压。接下来的说明还仅仅涉及具有电压调节器的一种实施方式，其中也总是可以取代所述电压调节器而使用直流变压器。

电压调节器也可以以有利的方式向多个布置在执行器中的传感器供给产生的工作电压U_B。

此外，有利的是，所述传感器拥有用于对由所述传感器提供的传感器信号进行处理的机构。因此，比如可以将由所述传感器产生的电流转换为电压。此外，通常将由所述传感器产生的、模拟的测量变量转换为数字的数值。通过所述机构还实现所述数字的数值与用于传输给所述控制器的传输协议相匹配。

同样有利的是，给所述电压调节器配备用于对所产生的工作电压U_B进行平滑处理的机构。因为所述传感器多数产生小的电压或者电流作为传感器信号，所以应该符合所给定的、关于所述工作电压的稳定性及波动性的要求，以便不会由于工作电压波动而歪曲所述传感器信号。通过所述工作电压U_B的小的波动性来满足这些要求。

根据本发明的、具有独立权利要求6所述特征的方法具有以下优点：借助于电压调节器从处于两条或者三条电机线路上的、为了操控所述驱动元件而提供的电压中推导出对于所述传感器来说所需要的工作电压，并且由此取消了在现有技术中必要的、用于对所述传感器进行电压供给的、在所述传感器与所述控制器之间的线路。

优选借助于脉冲宽度调制（PWM）来调节所述电机线路上的电压，其中通过所述控制器的输出级来交替地将供电电压（12V）或者地电位（0V）接入到所述电机线路上。通过对所述两种电位的时间上的划分，可以通过调制在平均值中调节任意的电压值。

所述电压调节器可以以有利的方式用加载在该电压调节器上的输入侧的脉动的直流电压来运行。为此，在所述电压调节器的第一电压接头与各一条电机线路中间引入了多个二极管。加载在所述电机线路上的电压在超过二极管的二极管-导通电压（Durchlassspannung）之后通过相应的二极管被接入到所述电压调节器的第一电压接头上，其中在所述第一电压接头上产生具有变化的幅度的直流电压。

此外，有利的是，在降低所述工作电压U_B的波动性的情况下将其提供给所述传感器，以避免歪曲所述传感器信号。

同样有利的是，在利用平顶调制（FlatTop-Modulation）的情况下在所述电机线路上产生多相的功率输出信号。在进行这种调制时，在每个时刻在所述三条电机线路之一上接入比如12伏特的电压。这样通过所述二极管和所述电压调节器就可以保证不中断地为所述传感器提供工作电压，其中所述电机的可操控性或其力矩演变没有受到损害。

特别有利的是，还针对所述功率级不起作用或者有故障的情况向用于电压调节的机构或者用于直流变压的机构提供用于产生用于所述传感器的、稳定的工作电压U_B的输入电压。比如在故障情况下规定，通过断开所述功率级的半导体开关来停用所述功率级，其中不再提供用于控制驱动元件的、多相的功率输出信号。为了保证在这种情况下也可以通过所述传感器检测驱动元件的位置或者由所述驱动元件来驱动的执行机构的位置，将高阻抗的电源接入到所述第二连接线路上。

可以以有利的方式借助于专门为此设立的、包含能够在数据处理装置上执行的程序代码的计算机程序来实施用于对传感器进行电压供给的方法的步骤。

此外，有利的是，将所述计算机程序保存在机器可读的存储介质上。

用于对传感器进行电压供给的装置为此可以包括用于执行程序代码的处理器比如作为数据处理装置。为了保存所述程序代码，所述装置配备了非易失性的存储介质（Speichermittel），比如ROM（ReadOnlyMemory）、EPROM（ElectricalProgrammableReadOnlyMemory）、EEPROM（ElectricallyErasablePROMs）或者闪存EEPROM。所述存储介质为了传输数据、比如程序代码而与所述处理器相连接。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在下面的描述中进行详细解释。在附图中：

图1示出了根据现有技术的、具有驱动元件和设有BLDC电机的位置传感器的执行器，还示出了6个引脚（pins）；

图2示出了根据现有技术的、具有驱动元件和设有DC电机的位置传感器的执行器；

图3示出了具有伺服驱动装置和设有BLDC电机的位置传感器的执行器，所述BLDC电机具有根据本发明的电压供给机构；

图4示出了具有伺服驱动装置和设有DC电机的位置传感器的执行器，所述DC电机具有根据本发明的电压供给机构；

图5是B6电桥（BLDC）中的半导体开关的示意图；

图6是H电桥（DC）中的半导体开关的示意图；并且

图7是随着平顶调制BLDC电机的相位A、B和C的电压-时间-图表。

具体实施方式

在图1中示出了一种从现有技术中已知的装置，该装置由执行器1所构成，该执行器通过第一和第二连接线路9和10与控制器6相连接。所述执行器1包括驱动元件2以及与数字的第一接口4相连接的传感器3。所述驱动元件2驱动执行机构，该执行机构比如可以是车辆中的内燃机的节气阀（DV-E）。该执行机构的位置借助于所述传感器3来检测并且在模数转换之后在所述数字的第一接口4的输出端上作为输出值可供使用。

所述传感器3通过所述第一连接线路9与所述控制器6相连接。通过这些线路，借助于也被称为接地线的基准电位“接地”以及引导5V的电压“供应”的线路来保证供给以工作电压，并且将与由驱动元件2促动的节气阀的、检测到的位置相对应的输出值作为数字信号通过信号线来传输给所述控制器6。

为此目的，所述控制器6拥有数字的第二接口5，该数字的第二接口则具有用于这条信号线的输入端。所述控制器6具有作为调节器7来示出的、中心的控制单元。该调节器与所述第二接口5相连接。为了操控所述驱动元件2，所述控制器6还拥有同样与所述调节器7相耦合的功率级8，该功率级借助于第二连接线路10与所述驱动元件2相耦合。

所述接地线“接地”一方面用作用于所述传感器的供电电压U_B的地电位并且另一方面用作用于所述传感器信号的基准电位。这不仅适用于模拟的信号传输，而且适用于数字的信号传输。不仅可以以模拟的方式而且可以以数字的方式来将传感器的、描绘了驱动元件或执行机构的位置的输出值信号传输给所述控制器。

在图1的图示中，所述驱动元件2构造为所谓的无刷的直流电机（BLDC），该无刷的直流电机通过三条第二连接线路10与所述控制器6的功率级8相连接。在图1中，三条第二连接线路10用字母a、b和c来表示，并且代表具有三个相位的、无刷的直流电机的相位A、B和C。为了将所述执行器1与所述控制器6连接起来，需要三条第一连接线路9和三条第二连接线路10，也就是总共需要六条线路。

工作电压在示例中用5伏特来示出。但是，本发明未被限制到该电压值。

所述传感器3也可以包括多个单个传感器或者传感器元件。除此以外，所述传感器3可以包括其他为了对所检测到的传感器信号进行处理而必要的子组件，比如用于对多个传感器输入信号进行处理、可信性检测以及提供用于根据所规定的传输协议通过信号线进行传输的模拟的或者数字的信号。比如根据时分复用方法（Zeitmultiplex-Verfahren）在所述第一连接线路9的这条信号线上传输两个或者更多个传感器信号。作为替代方案，也可以通过多条信号线来传输多个信号。对于在图1到4中示出的示例来说，示范性地利用非冗余的信号传输。

在图2中同样示出了一种从现有技术中已知的装置，该装置由执行器1构成，所述执行器1借助于第一及第二连接线路9和10与所述控制器6相连接。在这种结构中，所述驱动元件2是直流电机（DC电机），该直流电机通过两条在图2中用a和b表示的连接线路10与所述控制器6的功率级8相连接。通过所述驱动元件2的这种结构，在所述执行器1与所述控制器6之间总共需要五条连接线路。

无论在按照图1的电路中还是在按照图2的电路中都分别在不取决于所述驱动元件2的结构的情况下总是设置一条单独的电压供给线路“供应5V”作为所述第一连接线路9的组成部分，用于向所述传感器2供给由所述控制器6提供的工作电压U_B。所述第一连接线路9和/或所述第二连接线路10比如以布置在线束或者电缆束中的方式被敷设在机动车中，其中每条线路可以长达数米。

在图3中示出了已经从关于图1的描述中已知的组件或组件元件1到10。图3额外地示出了一种根据本发明的、用于为所述传感器3供给电压的装置。该装置由电压调节器11构成，所述电压调节器则拥有两个输入侧的电压接头13和14。所述电压调节器或者直流变压器11以其第二电压接头14与第一连接线路9的、引导基准电位“接地”的线路相连接。所述电压调节器11以其第一电压接头13分别通过一个二极管12与三根第二连接线路10a、b和c相连接。所述电压调节器11的电压输出端15与用于所述传感器3的、在所述示例中被示出为5伏特的工作电压的输入端相连接。以所述基准电位“接地”为参照例如5伏特的工作电压在所述第二电压接头14上。在所述电压调节器11的电压输出端15与所述传感器3的工作电压输入端之间的、短得多的连接线路取代根据现有技术所必要的电压供给线路“供应5V”，该电压供线路“供应5V”属于第一连接线路9。

在操控所述驱动元件2时，在每个时刻优选在所述第二连接线路10的电机线路a、b或者c中的至少一条上保证供电电压的存在。这样就可以借助于所述电压调节器11来提供所述位置传感器3的工作电压U_B，并且可以放弃所述控制器6与所述传感器3之间的连接线路。在将这样的装置比如用在机动车中时，控制电机2的电压一般处于12伏特或者24伏特的范围内。这种处于传感器3的所要求的工作电压U_B之上的、12伏特或者24伏特的电压代表所述电压调节器11的输入侧的电压，并且被利用该电压调节器调节到传感器3的要求的工作电压U_B上，如作为示例在图3中用5伏特的说明所示出的那样。

图4示出了用于为传感器3供给电压的装置的、替代的根据本发明的设计方案，在该设计方案中如已经在图3中示出的那样，所述驱动元件2是直流电机。在这种情况下，所述电压调节器11的第二电压接头14与第一连接线路9相连接，该第一连接线路9提供基准电位“接地”。所述电压调节器11的第一电压接头13分别与一个二极管12的阴极相连接，其中所述二极管12的阳极与所述第二连接线路10a和b相连接。在所述电压调节器11的电压输出端15上提供稳定的、经过调节的、比如5伏特的工作电压U_B，所述电压输出端15与所述传感器3的电压输入端相连接。对所述电压调节器11的电压供给以及由此对所述传感器3的电压供给通过以下方式得到保证：如此对所述驱动元件2进行操控，使得总是两条电机线路10a或b之一具有供电电压。

在本发明的、在图3和4中示出的两种设计方案中，均较少地需要所述传感器3与所述控制器6之间的线路。例如驱动作为执行机构的节气阀的驱动元件2在直接与所述传感器3相耦合的情况下被安置在所述组件执行器1中。在该组件执行器1中，同样布置了根据本发明而布置的电压调节器11连同为其分配的二极管12。

取消了在所述控制器6与所述执行器1之间的、用于对所述传感器3供给电压的单独的线路的必要性，由此节约了具有不同长度的线路的材料，所节约的材料还随着执行器1的、由控制器控制的数目而增多。在所述驱动元件2、电压调节器11与传感器3之间有必要的线路被保持很短，因为所有元件都彼此靠近地布置在所述组件执行器1中。比如所述电压调节器11和所述传感器3可以布置在同一电路板上或者被集成到传感器组合件中。将所述二极管12集成到所述电压调节器的组件中也是有利的。

图5为图3和图1中的功率级8的示意图。所述功率级8如此构造，使得所述BLDC电机2的第二供电线路10的相位A、B和C中的每个相位都能够分别用一个所谓的高边开关（Highside-Schalter）与较高的、输入侧的电位相连接，并且能够分别用一个低边开关（Lowside-Schalter）与较低的输入侧的电位相连接。为此目的，通过未示出的控制线路来如此操控所述开关，使得比如用所谓的平顶调制法来运行所述电机2。

这种方法保证：在所述功率级8起作用的时候，在每个时刻（PWM占空比为100%）在电机线路a、b或者c中的至少一条上存在具有相位A、B和C的供电电压U_bat。因而总是至少一个高边开关T1H、T2H或者T3H在起作用。所述平顶调制的目的是降低所述输出级（Endstufe）中的开关损耗。对所述电机的操控保持不受所述平顶调制的使用的影响，因为对所述电机来说仅仅各个电机相电压之间的差有意义，而不是所述电机相电压的、相对于所述传感器3的地电位或者所述控制器6的地电位的电位差有意义。

由此保持所述电机操控的所有自由。也可以设想-只要所述电机的工作点从所需要的电压矢量值方面允许-，就此而言对所述平顶调制进行调整，使得占空比的最大值在三个电机相位中不是如上面所描述的那样为100%，而是为任意较小的数值，该数值刚好覆盖所述电压调节器11的最小的输入电压。由此可以实现降低在所述电压调节器中产生的损耗功率。对于由所述控制器6的调节器7要求较大的电压矢量这种情况来说，又可以动态地提高所述相位A、B或C的电压的最大值。

所描述的方法同样适合于具有DC电机2的执行器1。图6以示意图示出了所述功率级8中的、对此来说合适的半导体电路。同样可以如此操控所述功率级8的、所使用的H电桥的高边开关T1H和T2H，使得所述第二供电线路10的两条电机线路a或者b之一总是拥有供电电压。由此在这种情况下也可以保证通过所述二极管12对所述电压调节器11供电并且保证对所述传感器3供电。输入侧的电压U_bat比如被从机动车的车用电路（Bordspannungsnetz）中取出或者由在图6中未示出的控制器6来提供。

按照所描述的情况，供电电压在图3中存在于所述第二供电线路10的电机线路a、b和c上或者在图4中存在于所述第二供电线路10的电机线路a和b上，这并不意味着，在每个时刻都必须达到最大的电压幅度。对于所述传感器3的、根据本发明的电压供给来说足够的是，在输入侧加载在所述电压调节器11上的电压比在所述电压输出端上输出的、用于传感器3的工作电压U_B高出为了进行可靠的调节所必要的电压值DeltaU。足够的是，所述电压调节器11的、在时间上取平均值的输入侧的电压满足这种条件。

通过所述二极管12和所述电压调节器11来对所述传感器3进行电压供给，这一点必须在所述执行器1的运行准备期间通过所述第二连接线路无中断地得到保证。为此，在使用BLDC电机的情况下，使用如在图7中所示出的那样的、所谓的平顶调制。该图示出了用12伏特的电机相电压对所述相位A、B和C进行的一种示范性的操控情况，在进行这种操控时不再转换所述相位C并且所述相位C保持12伏特的电压。

如果将BLDC电机2用在执行器1中，该执行器的绕组以星形线路的方式来构成，那么，作为在图3中示出的布线的替代方案，为了截取电机相电压也可以使用所述电机2的星形汇接点。在此取消所述三个二极管12中的两个二极管，仅仅必须将一个二极管12连接在所述电机2的星形汇接点与所述电压调节器11的第一电压接头13之间。

对于与安全有关的执行器1、比如用于在用来驱动车辆的内燃机中对所吸入的空气进行控制的节气阀来说，存在着在故障情况中停用所述执行器1的要求。在此，通过断开所述半导体开关来停用所述功率级8，并且所述执行器1在通过弹簧来驱动的情况下自动地占据以机械的方式定义的可靠的位置。此外要求，在这种状态下随着所述功率级8的停用也可以通过所述传感器3来提供所述执行器1的位置信息，用于保证，到达所述执行器1的可靠的位置。因而此外必须保证对所述传感器3的电压供给。为此，在所述功率级8停用时，可以将高阻抗的电源加载到所述三个（对于所述DC电机来说两个）电机相位上，所述高阻抗的电源覆盖所述位置传感器的较小的电流消耗（-15mA）。

例如弹簧驱动地使所述执行器1返回到可靠的位置中，这一点保持不受影响，因为一方面这种电源作用于所有三个（两个）电机相位上并且由此没有电流通过所述电机绕组来驱送，并且另一方面可以借助于所述电机绕组的内电阻来如此提供所述电源，使得通过所述电机相位不会输出大于15mA的电流。由此甚至在故障情况下（比如在电机线路接地时）保证，在所述功率级8停用时不会有电流以一定的数量级通过所述电机绕组来流动，所述电机绕组阻止所述弹簧驱动的返回运动或者可能引起闭锁。

所述高阻抗的电源在使用所述平顶调制时对于所述输出级的起作用的状态来说不再有意义，并且由此可以在所述功率级8起作用时被切断。必要的、用于在停用的状态下保证供电的布线要么可以通过在所述控制器6的内部在所述功率级8上的外部的布线来实现，要么可以直接在所述功率级8的设计中得到考虑。

Claims (13)

1.用于对传感器（3）进行电压供给的装置，所述传感器检测驱动元件（2）的位置或者由所述驱动元件（2）驱动的执行机构的位置，其中所述传感器（3）通过第一连接线路（9）至少间接地与控制器（6）相连接，并且其中用于对所述驱动元件（2）进行操控的控制器（6）的功率级（8）通过第二连接线路（10）与所述驱动元件（2）相连接，其特征在于，在所述第一连接线路（9）与所述第二连接线路（10）之间以串联连接的方式布置了电压调节器或者直流变压器（11）以及至少一个二极管（12），并且所述电压调节器或者所述直流变压器（11）具有用于输出工作电压U_B的电压输出端（15），该电压输出端与所述传感器（3）相连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电压调节器（11）的第一电压接头（13）与多个二极管（12）的阴极接头相连接，所述二极管（12）的阳极接头分别与所述第二连接线路（10）的不同的线路相连接，所述电压调节器或者所述直流变压器（11）的第二电压接头（14）与所述第一连接线路（9）的引导地电位的线路相连接，并且所述电压调节器（11）的电压输出端（15）与所述传感器（3）的工作电压输入端相连接。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述传感器（3）包括多个子传感器。

4.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中所述传感器（3）包括用于对传感器信号进行处理的机构以及用于使有待输出的传感器输出信号与预先给定的、用于数字信号的传输协议相匹配的第一接口（4）。

5.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其中所述电压调节器或者所述直流变压器（11）具有用于对在所述电压调节器（11）的电压输出端（15）上输出的工作电压U_B进行平滑处理的机构。

6.用于对传感器（3）进行电压供给的方法，其中有待供电的传感器（3）检测驱动元件（2）的位置或者由所述驱动元件（2）驱动的执行机构的位置，其中将所述传感器（3）的、为进行传输而被转换的传感器信号传输给控制器（6），其中所述控制器（6）的调节器（7）如此控制功率级（8），使得该功率级提供用于控制驱动元件（2）的多相的功率输出信号，所述功率输出信号通过第二连接线路（10）被传输给所述驱动元件（2），其特征在于，由所提供的多相的功率输出信号在通过用于电压调节的机构或者用于直流变压的机构（11）进行控制的情况下产生用于所述传感器（3）的、稳定的工作电压U_B并且将该工作电压输出给所述传感器。

7.根据权利要求6所述的方法，其中由所提供的多相的功率输出信号借助于多个用于进行整流的机构来产生脉动的直流电压，将所述直流电压作为输入侧的电压提供给用于电压调节的机构或者用于进行直流变压的机构（11）。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中额外地对由用于电压调节的机构或者由用于直流变压的机构（11）产生的、用于所述传感器（3）的、稳定的工作电压U_B进行平滑处理，因此降低了其波动性。

9.根据权利要求6到8中至少一项所述的方法，其中在利用平顶调制的情况下产生由所述功率级（8）产生的多相的功率输出信号。

10.根据权利要求6到9中至少一项所述的方法，其中对于停用所述功率级（8）的情况而言，在该情况下不提供用于控制驱动元件（2）的、多相的功率输出信号，将用于进行电压供给的、高阻抗的机构接入到所述第二连接线路（10）上，由此向用于电压调节的机构或者用于直流变压的机构（11）提供用于产生用于所述传感器（3）的稳定的工作电压U_B的输入电压。

11.计算机程序，该计算机程序被设立用于实施根据权利要求6到10中任一项所述的方法的每个步骤。

12.机器可读的存储介质，在该存储介质上保存了根据权利要求11所述的计算机程序。

13.电子的控制器，该电子的控制器被设立用于实施根据权利要求6到10中任一项所述的方法的每个步骤。