CN113167600A

CN113167600A - 用于激励旋转变压器的设备和旋转变压器组件

Info

Publication number: CN113167600A
Application number: CN201980081589.3A
Authority: CN
Inventors: T·布鲁克豪斯
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2021-07-23
Also published as: WO2020120035A1; DE102018221295A1; US20220042827A1; EP3894794A1

Abstract

本发明涉及用于激励旋转变压器（2）的励磁线圈的电压的提供。用于激励旋转变压器（2）的励磁线圈的电压在此能够借助于至少一个半桥（H1）的经脉冲宽度调制的操控来生成。在此，所述半桥（H1）的开关元件完全接通，从而使得能够避免例如在半导体开关的线性运行中出现的损失。必要时，借助于适合的振荡回路（L1、C1、C3、…）能够附加地升高由所述半桥（H1）提供的电压（U_e）。

Description

用于激励旋转变压器的设备和旋转变压器组件

技术领域

本发明涉及一种用于激励旋转变压器的设备以及一种具有这种设备的旋转变压器组件。

背景技术

旋转变压器在许多应用范围中用于检测被操纵的（aktuiert）或者未被操纵的旋转关节、马达或者类似物的角位置。通常需要励磁信号来操控旋转变压器。励磁信号例如能够是具有适合的幅度和频率的正弦形电压信号。为了提供具有足够的驱动功率的励磁信号，通常结合用于电流放大的推挽放大器（Gegentaktendstufe）使用用于电压放大的放大器电路。

例如由文献DE 10 2009 005 494 A1已知一种用于借助于旋转变压器确定角位置的设备和方法。在这种情况下，借助基准信号激发旋转变压器的励磁绕组，对旋转变压器的两个另外的绕组的由此产生的信号经行采样并且借助于傅立叶系数进行分析评估。

发明内容

本发明公开具有独立权利要求的特征的用于激励旋转变压器的设备以及旋转变压器组件。其他有利的实施方式是从属权利要求的主题。

据此提出：

用于激励旋转变压器的设备，该设备具有第一输出端口、第二输出端口、第一半桥和控制装置。第一输出端口设计用于与旋转变压器的第一励磁端口耦合，并且第二输出端口设计用于与旋转变压器的第二励磁端口耦合。第一半桥包括第一开关元件和第二开关元件。第一开关元件布置在电源电压与第一节点之间。第二开关元件布置在第一节点与参考电位之间。第一节点与用于激励旋转变压器的设备的第一输出端口电耦合。所述控制装置设计用于操控第一开关元件和第二开关元件。

另外提出：

具有旋转变压器和根据本发明的用于激励旋转变压器的设备的旋转变压器组件。旋转变压器包括具有第一励磁端口和第二励磁端口的励磁绕组。

本发明的优点

本发明所基于的认识在于，用于旋转变压器的励磁线圈的常规的激励通常需要对励磁信号进行功率放大。在常规的操控的情况下，优选使用具有推挽放大器的电流放大用于这个功率放大。在此，这种推挽放大器的晶体管至少有时地在所谓的线性运行中工作，并且因此导致高的损失功率。

这个高的损耗功率必须作为热能导出。除此之外，与输出电压相比，对于这种推挽放大器而言需要比较高的输入电压。通常，输入电压必须是在输出端处的期望的信号幅度的至少两倍。

因此，本发明所基于的想法是，考虑到这个认识并且设置对旋转变压器的励磁线圈的改善的操控。尤其是，在为旋转变压器提供励磁电压时，应该将电损失保持得尽可能低。除此之外，优选应该能够尽可能有效地利用可供使用的电源电压。

为此，根据本发明提出，在使用至少一个半桥的情况下产生用于旋转变压器的励磁线圈的电压。半桥中的各个开关元件在这种情况下优选完全接通。因此，与推挽放大器不同，开关元件不处在损失巨大的线性运行中。相反，半桥的期望输出电压借助于脉冲宽度调制（英语：pulse width modulation，PWM）产生。

根据一种实施方式，该设备包括第二半桥。第二半桥包括布置在电源电压与第二节点之间的第三开关元件和布置在第二节点与参考电位之间的第四开关元件。第二节点与第二输出端口耦合。控制装置设计用于操控第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件。对应地，为第一输出端口和第二输出端口均分别设置单独的半桥。

一个半桥的两个开关元件在此分别彼此互补地被操控。因此，要么只有通向正电源电压的开关元件、要么通向负电源电压或者说参考电位的开关元件是闭合的。必要时，能够为了避免短路还设置死区时间，在该死区时间中，一个半桥的两个开关元件在所述两个开关元件中的一个开关元件闭合之前是打开的。另外，第二半桥的开关元件能够与第一半桥的开关元件互补地被操控。因此，例如当在第二半桥中开关元件在负电压或者说参考电位之间闭合时，第一半桥的开关元件在正电源电压与输出端之间闭合。类似地，当在第二半桥中开关元件在正电源电压与输出端之间闭合时，在第一半桥中开关元件在参考电位与输出电压之间闭合。然而，必要时根据应用情况还能够使用与此不同的切换策略。

第一半桥的和第二半桥的开关元件例如能够是半导体开关元件，例如MOSFET或者类似物。除此之外，任意的其他开关元件、尤其是任意的其他半导体开关元件当然也是可能的。通过使用半桥，在所述半桥的情况下开关元件分别完全接通，能够利用正电源电压与负电源电压或者说参考电位之间的完整的电压范围。通过这种方式能够特别有效地并且低损失地生成用于旋转变压器的励磁电压。尤其是，能够避免例如根据现有技术在用于激励旋转变压器的推挽放大器的情况下出现的高的电损失。

用于产生用于第一和第二半桥的开关元件的控制信号的控制装置能够是任意的适合的控制装置。例如，控制装置能够借助于微控制器或者微处理器实现。必要时，在微控制器的输出端与半导体开关的控制端口之间设置有用于半导体开关元件的适合的驱动级。

根据一种实施方式，第一输出端口设计用于与旋转变压器的第一励磁端口耦合。第二输出端口设计用于与旋转变压器的第二励磁端口耦合。通过这种方式，用于激励旋转变压器的设备能够与旋转变压器的励磁线圈电耦合，以便借助预确定的电压、尤其是具有预给定的幅度和/或预给定的频率的电压来激励旋转变压器的励磁线圈。

根据一种实施方式，控制装置设计用于在第一、第二、第三和第四开关元件的控制输入端处分别提供经脉冲宽度调制的控制信号。通过开关元件的经脉冲宽度调制的操控，能够完全操控、也就是说接通各个开关元件。通过这种方式，开关元件不在损失巨大的线性运行中运行。经脉冲宽度调制的控制的频率在此显著地高于应该在旋转变压器的励磁线圈处提供的电压信号的基本频率。例如，经脉冲宽度调制的操控的频率能够是应该在励磁绕组处提供的电压信号的基本频率的十倍或者必要时也能够是更多倍。

根据一种实施方式，控制装置设计用于检测第一输出端口与第二输出端口之间的输出电压。在这种情况下，能够在使用所检测的输出电压的情况下操控第一和第二半桥的第一、第二、第三和第四开关元件。通过这种方式能够实现闭合的调节回路。因此，在第一与第二输出端口之间、进而在旋转变压器的励磁线圈处能够精确地设定用于旋转变压器的励磁电压。尤其是，通过这种方式能够在构件的表征性参量方面补偿构件容差和例如由于热偏移引起的变化。

根据一种实施方式，用于激励旋转变压器的设备包括第一低通滤波器和第二低通滤波器。第一低通滤波器布置在第一半桥的第一节点与第一输出端口之间。第二低通滤波器布置在第二半桥的第二节点与第二输出端口之间。借助于低通滤波器能够过滤掉或者至少显著地减弱经脉冲宽度调制的电压的较高频的分量。除此之外，低通滤波器能够形成振荡回路，当在谐振频率的范围中激励时，该振荡回路能够引起输出信号的电压升高、进而能够引起用于旋转变压器的励磁电压的电压升高。尤其是，旋转变压器的电感也能够包括在这个振荡回路内。

根据一种实施方式，第一低通滤波器包括第一电感和第一电容器。第二低通滤波器包括第二电感和第二电容器。第一低通滤波器的第一电感在第一端口处与第一半桥的第一节点连接。另外，第一电感在第二端口处与第一输出端口电耦合。第一低通滤波器的第一电容器在第一端口处与第一电感的第二端口连接。另外，第一电容器在第二端口处与参考电位连接。第二低通滤波器的第二电感在第一端口处与第二半桥的第二节点连接。另外，第二电感在第二端口处与第二输出端口电耦合。第二低通滤波器的第二电容器在第一端口处与第二电感的第二端口连接。另外，第二电容器在第二端口处与参考电位连接。借助于这种配置能够比较简单且成本有利地实现低通滤波器。尤其是，通过这种方式能够消除半桥的经脉冲宽度调制的操控的较高频的分量和/或实现所提供的信号的电压升高。

根据一种实施方式，用于操控旋转变压器的设备包括第一串联电容器和第二串联电容器。第一串联电容器布置在第一节点与第一输出端口之间的电流路径中。第二串联电容器布置在第二节点与第二输出端口之间的电流路径中。借助于串联电容器的这种布置，半桥能够与旋转变压器流电地分离。通过这种方式，能够保护所述布置、尤其能够保护所述半桥。尤其是，借助于串联电容器能够在过载的情况下或者在短路的情况下保护半桥的结构元件、例如半桥的半导体开关，并且能够预防可能不可逆的损伤。除此之外，串联电容器能够结合旋转变压器的励磁线圈的电感形成振荡回路。此外，滤波器元件（例如上文提到的低通滤波器）的可能存在的电感也能够包括在该振荡回路内。这个振荡回路也能够用于励磁电压的电压升高。

根据一种实施方式，第一串联电容器和第二串联电容器设计用于与旋转变压器的励磁线圈一起形成串联振荡回路，该励磁线圈能够附接在第一输出端口与第二输出端口之间。如果两个串联电容器的电容匹配于旋转变压器的励磁线圈的电感并且共同形成串联振荡回路，则由此能够实现电压升高。通过这种方式能够以高于在半桥的第一与第二节点之间提供的电压的电压激励励磁线圈。尤其是，用于激励励磁线圈的电压能够大于用于激励旋转变压器的设备的电源电压。

根据一种实施方式，用于激励旋转变压器的设备包括第一电阻和第二电阻。第一电阻布置在第一输出端口与第三节点之间。第二电阻布置在第二输出端口与第三节点之间。此外，第三节点能够与参考电位电耦合。通过两个电阻的、尤其是两个高欧姆电阻的这种配置，能够实现两个输出端口之间的电压关于参考电位的对称性。

替代地也可能的是，第一电阻布置在第一输出端口与第一电压电位之间，并且第二电阻布置在第二输出端口与第二电压电位之间。尤其是，两个电压电位中的一个电压电位、例如第二电压电位能够是参考电位。

只要合理，上述构型方案和扩展方案能够任意地相互组合。本发明的其他构型方案、扩展方案和实现方式还包括本发明的先前或者在下文中在实施例方面描述的特征的未明确提到的组合。尤其是，本领域技术人员在此还将个别方面作为改进或者补充添加到本发明的相应的基本形式中。

附图说明

在下文中，根据在绘图的示意性附图中给出的实施例更详细地阐述本发明。在此示出：

图1：具有根据一种实施方式的用于激励旋转变压器的设备的旋转变压器组件的示意图；

图2：具有根据另一种实施方式的用于激励旋转变压器的设备的旋转变压器组件的方框电路图的示意图；和

图3：具有根据再另一种实施方式的用于激励旋转变压器的设备的旋转变压器组件的方框电路图的示意图。

具体实施方式

图1示出根据一种实施方式的用于操控旋转变压器2的设备1所基于的原理电路图的示意图。用于操控旋转变压器2的设备1在这个实施方式中包括控制装置10、第一半桥H1和第二半桥H2。第一半桥H1包括第一开关元件T1和第二开关元件T2。第一开关元件T1借助端口附接在电源电压处。第一开关元件T1的另外的端口与第一节点K1连接。第一开关元件T1的控制端口与控制装置10连接。第二开关元件T2借助第一端口与第一节点K1连接。控制元件T2的第二端口与参考电位连接。第二开关元件T2的控制端口与控制装置10连接。与第一半桥H1类似地，第二半桥H2也包括两个开关元件T3和T4。第二半桥H2的第三开关元件T3借助第一端口与电源电压连接。第三开关元件T3的第二端口与第二节点K2连接。第四开关元件T4的第一端口与第二节点K2连接。第四开关元件T4的另外的端口与参考电位连接。第三和第四开关元件T3、T4的控制端口同样与控制装置10连接。

第一和第二半桥H1和H2的开关元件T1至T4能够是任意的开关元件。尤其可能的是半导体元件，例如MOSFET或者类似物。

控制装置10生成经脉冲宽度调制的操控信号，所述操控信号用于以节拍控制的方式打开和闭合开关元件T1至T4。

在一种特别简单的实施方式中，第一节点K1能够直接与第一输出端口A1连接。类似地，第二节点K2能够直接与第二输出端口A2连接。通过这种方式能够在第一输出端口A1与第二输出端口A2之间提供电压U_e。这个电压U_e能够用于给旋转变压器2的励磁线圈E馈电。

另外，在两个半桥H1、H2与输出端口A1、A2之间能够设置有滤波器装置。该滤波器装置包括第一低通滤波器，该第一低通滤波器能够设置在第一节点K1与第一输出端口A1之间。另外，该滤波器装置21包括第二低通滤波器，该第二低通滤波器能够设置在第二节点K2与第二输出端口A2之间。第一低通滤波器能够包括第一电感L1和第一电容C1。第一电感L1能够设置在第一节点K1与第一输出端口A1之间。第一电容器C1能够设置在参考电位与面向第一输出端口A1的第一电感L1的端口之间。类似地，在第二节点K2与第二输出端口A2之间能够设置有第二电感L2，并且第二电容器C2能够设置在参考电位与面向第二输出端口A2的第二电感L2的端口之间。通过这种方式能够借助于两个低通滤波器过滤掉或者至少减少在节点K1和K2处提供的电压信号的较高频的分量。除此之外，通过上述低通滤波器组件能够分别形成振荡回路。如果在谐振频率的范围中激励这些振荡回路，则在节点K1和K2处提供的电压的电压升高由此是可能的。通过这种方式原则上能够在输出端口A1和A2处提供电压，该电压必要时甚至高于给半桥H1和H2馈电的电源电压。

为了产生用于旋转变压器2的励磁线圈E的励磁电压U_e，由控制装置10以适合的方式来操控第一、第二、第三和第四开关元件T1至T4。在这种情况下，尤其实现对四个开关元件T1至T4的经脉冲宽度调制的操控。在这种操控的情况下，被操控的开关元件分别完全接通、即闭合。在未被操控的状态下，对应的开关元件完全打开。因此，不进行开关元件的线性运行，在该线性运行中开关元件分别仅是部分导电的。

控制装置10分别互补地操控半桥H1和H2的两个开关元件T1至T4。也就是说，要么与电源电压连接的上部的开关元件T1或者说T3是导电的，要么替代地与参考电位连接的下部的开关元件T2、T4是导电的。必要时，在更换操控时能够分别设置有预给定的死区时间，在该死区时间中，上部的开关元件（T1、T3）和下部的开关元件（T2、T4）同时是打开的。通过这种方式能够保证，在切换过程期间避免电源电压与参考电位之间的短路。在此，开关元件T1至T4的经脉冲宽度调制的操控的载波频率显著地大于应该在旋转变压器2的励磁线圈E处提供的励磁信号U_e的基本频率。例如，经脉冲宽度调制的操控能够以一时钟速率进行，该时钟速率是基本频率的十倍或者更多倍。

图2示出具有根据另一种实施方式的用于激励旋转变压器2的设备1的旋转变压器组件的原理电路图。已经结合图1做出的所有阐述都适用于这个实施方案。图2与图1的区别尤其在于，组件1可选地包括串联电容器22和/或用于设定直流电压电位的模块23。除此之外，在控制装置10处能够设置有输出电压U_e的反向耦合。

如在图2中能够看出的那样，在第一节点、尤其是在第一低通滤波器与第一输出端口A1之间能够设置有第一串联电容器C3。类似地，在第二节点K2、尤其是在第二低通滤波器与第二输出端口A2之间能够设置有第二串联电容器C4。通过这种方式能够借助于两个串联电容器C3和C4将输出端口A1和A2与两个半桥H1和H2的附接在所述输出端口处的励磁线圈E流电地（galvanisch）解耦。除此之外，两个串联电容器C3和C4能够与旋转变压器2的励磁线圈E的电感一起形成振荡回路。这个振荡回路除了能够包括串联电容器C1、C2的电容和旋转变压器电感之外，还能够包括其他部件，例如低通滤波器的电感L1、L2。这个振荡回路的谐振频率尤其能够匹配于励磁电压U_e的基本频率。通过这种方式能够借助于在谐振中运行的振荡回路或者靠近谐振点运行的振荡回路实现输出电压U_e的升高。

根据应用情况，必要时替代电感L1、L2地也能够使用电阻或者其他适合的电结构元件。

除此之外，例如借助于模块23能够设定输出电压U_e的直流电压电位。为此，在第一输出端口A1与第三节点K3之间能够设置有第一电阻R1。另外，在第二输出端口A2与第三节点K3之间能够设置有第二电阻R2。必要时，第三节点K3能够与参考电位或者预给定的电压电位连接。

替代地也可能的是，第一电阻R1和第二电阻R2不在共同的第三节点K3处相互连接。例如，第一电阻R1能够布置在第一输出端口A1与第一电压电位之间，第二电阻R2能够布置在第二输出端口A1与第二电压电位之间。在这种情况下，两个电压电位中的一个电压电位例如能够是参考电位。

第一电阻R1和第二电阻R2尤其能够是在千欧或者必要时兆欧的范围中的比较高欧姆的电阻。

对于闭合的调节回路，能够直接地或者通过任意的适合的检测电路在控制装置10处提供在第一输出端口A1与第二输出端口A2之间提供的输出电压U_e。通过这种方式，控制装置10能够在使用所检测的输出电压U_e的情况下适配第一和第二半桥的开关元件T1至T4的经脉冲宽度调制的操控。这能够实现输出电压U_e的非常精确的设定。尤其是，通过这种方式也能够补偿设备1的部件的构件容差以及在旋转变压器2的励磁线圈E的表征性参量方面的变化。此外也能够考虑并且补偿在构件的表征性参量方面的例如由于加热或者冷却造成的波动、老化效应或者类似物。

控制装置10能够是任意的控制装置，该任意的控制装置适合用于提供用于第一和第二半桥H1、H2的开关元件T1至T4的经脉冲宽度调制的操控的控制信号。必要时，由控制装置10提供的控制信号能够借助于适合的驱动级（未示出）来增强，以便提供对应的用于操控开关元件T1至T4的功率。控制装置10能够例如借助于对应配置的或者说编程的微控制器或者类似物来实现。

在另一种实施方式中，例如能够省去两个半桥中的一个半桥H1或者H2。图3示出具有根据一种具有仅一个半桥H1的实施方式的用于激励旋转变压器2的设备1的旋转变压器组件的原理电路图。然而，除此之外，先前结合图1或者图2做出的所有论述也都适用于根据图3的设备1。尤其是，在第一节点K1与第一输出端口A1之间能够设置有低通滤波器、例如由电感L1以及电容器C2组成的低通滤波器。同样地，例如在第一节点K1、尤其是在第一滤波器元件与第一输出端口A1之间能够设置有串联电容器C3。

在具有仅一个半桥K1的设备1的情况下，例如第二输出端口A2能够通过电容器（在这里示为电容器C5）与电压电位、例如参考电位连接。在这种情况下，电容器C5的电容能够安排得比较大。

总而言之，本发明涉及用于激励旋转变压器的励磁线圈的电压的提供。用于激励旋转变压器的励磁线圈的电压在此借助于至少一个半桥的经脉冲宽度调制的操控来生成。在此，半桥的开关元件完全接通，从而使得能够避免例如在半导体开关的线性运行中出现的损失。必要时，借助于适合的振荡回路能够附加地升高由一个或者多个半桥提供的电压。

Claims

1.用于激励旋转变压器（2）的设备（1），所述设备具有：

第一输出端口（A1），所述第一输出端口设计用于与所述旋转变压器（2）的第一励磁端口耦合，

第二输出端口（A2）设计用于与所述旋转变压器（2）的第二励磁端口耦合，

第一半桥（H1），所述第一半桥具有布置在电源电压与第一节点（K1）之间的第一开关元件（T1）和布置在所述第一节点（K1）与参考电位之间的第二开关元件（T2），其中，所述第一节点（K1）与所述第一输出端口（A1）耦合，和

控制装置（10），所述控制装置设计用于操控所述第一开关元件（T1）和所述第二开关元件（T2）。

2.根据权利要求1所述的设备（1），所述设备具有第一低通滤波器，所述第一低通滤波器布置在所述第一节点（K1）与所述第一输出端口（A1）之间。

3.根据权利要求2所述的设备（1），其中，所述第一低通滤波器包括第一电感（L1）和第一电容器（C1），其中，所述第一电感（L1）在第一端口处与所述第一半桥（H1）的第一节点（K1）连接，并且在第二端口处与所述第一输出端口（A1）电耦合，所述第一电容器（C1）在第一端口处与所述第一电感（L1）的第二端口连接，并且在第二端口处与所述参考电位连接。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备（1），所述设备具有第二半桥（H2），所述第二半桥具有布置在所述电源电压与第二节点（K2）之间的第三开关元件（T3）和布置在所述第二节点（K2）与所述参考电位之间的第四开关元件（T4），其中，所述第二节点（K2）与所述第二输出端口（A2）耦合；

其中，所述控制装置（10）设计用于操控所述第一开关元件（T1）、所述第二开关元件（T2）、所述第三开关元件（T3）和所述第四开关元件（T4）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备（1），其中，所述控制装置（10）设计用于在所述开关元件（T1至T4）的控制输入端处分别提供经脉冲宽度调制的控制信号。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备（1），其中，所述控制装置（10）设计用于检测所述第一输出端口（A1）与所述第二输出端口（A2）之间的输出电压（U_e）并且在使用所检测的输出电压（U_e）的情况下操控所述开关元件（T1至T4）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备（1），所述设备具有第二低通滤波器，所述第二低通滤波器布置在所述第二节点（K2）与所述第二输出端口（A2）之间。

8.根据权利要求7所述的设备（1），其中，所述第二低通滤波器包括第二电感（L2）和第二电容器（C2），其中，所述第二电感（L2）在第一端口处与所述第二半桥（H2）的第二节点（K2）连接，并且在第二端口处与所述第二输出端口（A2）电耦合，所述第二电容器（C2）在第一端口处与所述第二电感（L2）的第二端口连接，并且在第二端口处与所述参考电位连接。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的设备（1），所述设备具有布置在所述第一节点（K1）与所述第一输出端口（A1）之间的第一串联电容器（C3）；并且具有布置在所述第二节点（K2）与所述第二输出端口（A2）之间的第二串联电容器（C4）。

10. 根据权利要求9所述的设备（1），其中，所述第一串联电容器（C3）和所述第二串联电容器（C4）设计用于与旋转变压器（2）的励磁线圈（E）一起形成串联振荡回路，所述励磁线圈能够附接在所述第一输出端口（A1）与所述第二输出端口（A2）之间。

11.根据权利要求4至10中任一项所述的设备（1），所述设备具有第一电阻（R1），所述第一电阻布置在所述第一输出端口（A1）与第一电压电位之间，并且

具有第二电阻（R2），所述第二电阻布置在所述第二输出端口（A2）与第四电压电位之间。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述第三电压电位和所述第四电压电位相同。

13. 旋转变压器组件，所述旋转变压器组件具有：

旋转变压器（2），所述旋转变压器包括具有第一励磁端口和第二励磁端口的励磁线圈（E）；和

根据权利要求1至12中任一项所述的用于激励所述旋转变压器（2）的设备（1）。