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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Erregervorrichtung für einen Winkellagegeber.
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Stand der Technik
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Winkellagegeber zur Bestimmung einer absoluten Winkelposition einer Drehachse sind bekannt. Hierzu existieren beispielsweise elektronische Schaltungen, die die Winkellage einer Drehachse erfassen und zur Weiterverarbeitung ein geeignetes Signal an einer Steuervorrichtung oder ähnlichem bereitstellen. Durch Auswertung dieses Signals und der Bestimmung der absoluten Winkelposition kann daraufhin zum Beispiel die genaue Stellung eines Servomotors bestimmt werden. Darüber hinaus kann durch die kontinuierliche Überwachung der Winkellage eines Elektromotors auch eine gezielte Ansteuerung der einzelnen Wicklungen des Elektromotors für einen optimalen Betrieb des Elektromotors erfolgen.
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Eine solche Sensoreinrichtung zur Bestimmung der Winkellage eines Drehteils ist zum Beispiel aus
DE 10 2006 043 009 A1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart eine Schaltung zur Ermittlung der Winkellage eines Drehteils, wobei Stromversorgungseinrichtung, Endstufe und Ausgabeeinrichtung gemeinsam auf einem Substrat angeordnet sind.
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Ein Winkellagegeber kann zum Beispiel ein sogenannter Resolver sein. Ein solcher Resolver umfasst zwei um 90° versetzte Statorwicklungen, sowie einen Rotor mit einer Rotorwicklung.
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Alternativ sind auch sogenannten Variable-Reluctance-Resolver bekannt, bei denen sowohl die Erregerspule, als auch die um 90 Grad gegeneinander versetzten Auswertespulen (Sinus- und Kosinuswicklung) auf dem Stator angeordnet sind. Der Rotor besteht in diesem Fall ausschließlich aus Blech mit einem in etwa sinusförmigen Verlauf längs des Umfangs. Die magnetische Kopplung zwischen der Erregerwicklung und der Sinus- und Kosinuswicklungen varriert dann entsprechend der Rotorlage.
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Zur Bestimmung der Winkellage kann nun die Erregerwicklung mit einer sinusförmigen Wechselspannung erregt werden. Daraufhin werden die in den Statorwicklungen induzierten Spannungen gemessen und aus den Messwerten dieser Signale die Winkellage des Rotors ermittelt. Alternativ können auch die Statorwicklungen jeweils mit einer sinusförmigen Wechselspannung erregt werden, wobei die zweite Statorwicklung mit einer gegenüber der ersten Statorwicklung um 90° verschobenen Wechselspannung erregt wird. Aus der Phasenlage einer in der Rotorwicklung induzierten Spannung kann daraufhin ebenfalls die Position des Rotors bestimmt werden.
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In beiden Fällen ist zur Erregung des Resolvers eine Wechselspannung als Erregersignal erforderlich. In Systemen mit einer unipolaren Spannungsversorgung werden die zu erregenden Wicklungen von Resolvern häufig mit Hilfe von zwei Gegentaktstufen betrieben. Dabei ist an jedem der beiden Anschlüsse einer Erregerwicklung jeweils eine Gegentaktstufe angeordnet, wobei die beiden Gegentaktstufen gegenphasig zueinander betrieben werden.
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Es besteht ein Bedarf nach einer Erregervorrichtung für Winkellagegeber mit einem vereinfachten Schaltungsaufbau. Ferner besteht auch ein Bedarf nach einer Erregervorrichtung für Winkellagegeber mit reduziertem Strombedarf und reduzierter Verlustleistung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt eine Erregervorrichtung für einen Winkellagegeber mit einer Erregerspule mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss; und einer Endstufe, die dazu ausgelegt ist, eine elektrische Wechselspannung an einem Ausgang der Endstufe bereitzustellen; wobei der erste Anschluss der Erregerspule mit dem Ausgang der Endstufe verbunden ist; und der zweite Anschluss der Erregerspule mit einem Anschluss eines kapazitiven Bauelements verbunden ist.
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Es ist eine Idee der vorliegenden Erfindung, eine Erregerspule eines Winkellagegebers nur auf einer Seite mit einer aktiven Ansteuerung zu betreiben. Der andere Anschluss der Erregerspule ist dabei lediglich mit einem passiven Bauelement verbunden.
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Da die erfindungsgemäße Erregervorrichtung nur eine einzige Endstufe zur Ansteuerung der Erregerspule erfordert, kann im Vergleich zu konventionellen Anregungen von Erregerspulen mit aktiven Endstufen auf beiden Seiten eine Erregerspule der Schaltungsaufwand nahezu halbiert werden. Somit sinken durch die erfindungsgemäße Erregervorrichtung sowohl die Kosten als auch das erforderliche Volumen der Schaltung zur Bereitstellung der Erregerspannung.
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Da die Wechselspannung für die Erregerspule komplett von der Endstufe auf einer Seite der Erregerspule erzeugt wird, muss die Aussteuerung dieser Endstufe doppelt so groß sein, wie bei einer Ansteuerung mit zwei Endstufen auf beiden Seiten einer Erregerspule. Durch die größere Aussteuerung sinken die Spannungsabfälle an den Bauelementen der Endstufe und somit reduziert sich auch die Verlustleistung. An dem kapazitiven Bauelement am anderen Anschluss der Erregerspule wird dabei keinerlei Wirkleistung umgesetzt. Es entstehen somit an dem kapazitiven Bauelement auf dieser Seite der Erregerspule nahezu keine elektrischen Verluste.
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In einer Ausführungsform weist die von der Endstufe ausgegebene Wechselspannung ein Gleichspannungs-Offset auf. Durch dieses Gleichspannungs-Offset kann die Endstufe durch Über- bzw. Unterschreiten der Offset-Spannung die erforderliche sinusförmige Ausgangsspannung an der Erregerspule anlegen.
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In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Erregervorrichtung umfasst das kapazitive Bauelement einen weiteren Anschluss, der mit einem Bezugspotential verbunden ist. Somit ist zwischen dem zweiten Anschluss der Erregerspule und dem Bezugspotential ausschließlich ein kapazitives Bauelement, wie beispielsweise ein Kondensator angeordnet.
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In einer speziellen Ausführungsform umfasst die Endstufe mindestens eine Stromquelle. Durch die Verwendung von Stromquellen in der Endstufe zur Ansteuerung der Erregerspule kann die Last zum Ansteuern der Endstufe reduziert werden. Somit ist eine verbesserte Aussteuerung der Endstufe möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem ersten Anschluss der Erregerspule und dem zweiten Anschluss der Erregerspule ein Kondensator angeordnet. Durch die Anordnung eines solchen Kondensators kann die in der Erregerspule erzeugte Blindleistung kompensiert werden.
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Die vorliegende Erfindung umfasst ferner einen Winkellagegeber mit einer erfindungsgemäßen Erregervorrichtung.
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Weiterhin umfasst die vorliegende Erfindung einen Elektromotor mit einem Winkellagegeber, der eine erfindungsgemäße Erregervorrichtung aufweist.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung für eine Erregervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2: eine schematische Darstellung eines Winkellagegebers mit einer Erregervorrichtung gemäß einer weiteren ausführungsform der Erfindung.
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Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind zum Teil perspektivische Darstellungen von Elementen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleichwirkende Komponenten.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Erregervorrichtung 1 für einen Winkellagegeber gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Erregervorrichtung 1 umfasst dabei eine Erregerspule 10 mit einer Induktivität LRes und einen parasitären ohmschen Widerstand RRes. Die Erregerspule 10 ist an einem ersten Anschluss A mit einer Endstufe 20 verbunden und an einem zweiten Anschluss B ist ein kapazitives Bauelement C1, beispielsweise ein Kondensator angeschlossen. Der andere Anschluss des Kondensators C1 ist dabei mit einem Bezugspotential verbunden.
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Die Endstufe 20 umfasst beispielsweise einen Widerstand R1, der auf einer Seite mit einer Versorgungsspannung verbunden ist und auf der anderen Seite mit einem ersten Anschluss einer ersten Diode D1 verbunden ist. Der andere Anschluss der Diode D1 ist mit einem ersten Anschluss einer Diode D2 verbunden und deren anderer Anschluss ist weiterhin mit einem ersten Anschluss eines zweiten Widerstands R2 verbunden. Der zweite Anschluss des Widerstandes R2 ist mit dem Bezugspotential verbunden.
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Am Knotenpunkt E zwischen den beiden Dioden D1 und D2 kann ein Steuersignal in die Endstufe eingespeist werden. Weiterhin ist in der Endstufe 20 der Kollektor eines ersten Transistors T1 mit der Versorgungsspannung verbunden und der Emitter des ersten Transistors T1 ist mit dem Emitter des zweiten Transistors T2 verbunden. Der Kollektor des zweiten Transistors T2 ist ferner mit dem Bezugspotential verbunden. Die Basis des ersten Transistors T1 ist mit dem Knotenpunkt zwischen dem ersten Widerstand R1 und der ersten Diode D1 verbunden. Die Basis des zweiten Transistors T2 ist mit dem Knotenpunkt zwischen der zweiten Diode D2 und dem zweiten Widerstand R2 verbunden.
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Somit kann entsprechend eines am Eingang E anliegenden Steuersignals ein Ausgangssignal zwischen den beiden Transistoren T1 und T2 bereitgestellt werden, das am ersten Anschluss A der Erregerspule 10 bereitgestellt wird.
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Optional können anstelle der beiden Widerstände R1 und R2 auch geeignete Stromquellen angeordnet sein. Durch die Verwendung solcher Stromquellen in der Endstufe 20 kann die Treiberlast für einen am Eingang E angeschlossen Treiber reduziert werden.
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Durch Anlegen eines sinusförmigen Steuersignals am Eingang E der Endstufe 20 kann die Endstufe 20 am Ausgang zwischen den beiden Transistoren T1 und T2 ein sinusförmiges Spannungssignal bereitstellen, das dazu geeignet ist, in der Erregerspule 10 ein ausreichend großes magnetisches Feld zu erzeugen. Dabei fließt der Strom entsprechend seiner Polarität entweder von der Endstufe 20 über den ersten Anschluss A durch die Erregerspule 10 hindurch zu dem zweiten Anschluss B und weiter in den Kondensator C1, oder alternativ bei umgekehrtem Vorzeichen der Erregerspannung aus dem Kondensator C1 heraus vom zweiten Anschluss B durch die Erregerspule 10 hindurch zum ersten Anschluss A und weiter in die Endstufe 20. Dabei wird an dem Kondensator C1 keinerlei Wirkleistung umgesetzt. Es entsteht hierbei allenfalls ein vernachlässigbarer Verlust durch die parasitären Eigenschaften des Kondensators C1.
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Über dem Kondensator C1 stellt sich eine Gleichspannung in der Höhe des Gleichspannungs-Offsets der Endstufe 20 mit einem geringen Rippel ein. Der Wechselspannungsanteil der Erregerspannung wird dabei komplett von der Endstufe 20 erzeugt. An dem Kondensator C1 stellt sich somit in etwa der von der Endstufe 20 ausgegebene Gleichspannungsoffset ein. Diesem Gleichspannungsoffset ist ein Wechselspanungsanteil überlagert, der von der Dimensionierung des Kondensators C1 abhängt. Dabei muss die Aussteuerung der Endstufe 20 in etwa doppelt so groß sein wie bei einer konventionellen Anregung einer Erregerspule mit zwei gegenläufigen Gegentaktendstufen auf beiden Seiten der Erregerspule. Die Kapazität C1 ermöglicht somit eine möglichst rippelfreie Spannung an dem Punkt B.
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Ferner ist es auch möglich, durch eine Serienresonanz der Kapazität C1 mit der Induktivität der Erregerspule eine Spannungsüberhöhung über der Erregerwicklung zu erreichen. Auf diese Weise kann auch bei einer begrenzten Versorgungsspannung der Endstufe 20 eine Wechselspannung erzeugt werden, deren Amplitude größer ist als die halbe Versorgungsspannung.
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Durch diese größere Aussteuerung in der Endstufe 20 sinken die Spannungsabfälle an den Transistoren T1 und T2 in der Endstufe 20. Somit verringert sich die Verlustleistung innerhalb der Endstufe 20 im Vergleich zu Gegentaktendstufen mit geringerer Aussteuerung, wie sie bei einer konventionellen Ansteuerung eingesetzt werden.
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Zur Kompensation der Blindleistung in der Erregerwicklung kann darüber hinaus zusätzlich zwischen den beiden Anschlüssen A und B der Erregerspule eine geeignete Kapazität C2 angeordnet werden. Somit ergibt sich eine Parallelschaltung in der Kapazität C2 mit der Serienschaltung aus Induktivität LRes und parasitärem Widerstand RRes.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Winkellagegebers mit einer Erregervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Winkellagegeber, beispielsweise ein Resolver, umfasst dabei zum Beispiel eine erfindungsgemäße Erregervorrichtung mit einer Erregerspule 10, die an einem Ende mit einem kapazitiven Bauelement C1 verbunden ist und auf der anderen Seite von einer Endstufe 20 angesteuert wird. Die Erregerspule 10 kann dabei beispielsweise auf einem Rotor (nicht dargestellt) angeordnet sein. Ferner umfasst der Winkellagegeber zwei Statorspulen 2 und 3, die gegeneinander um 90° versetzt angeordnet sind. Durch Auswertung der in den beiden Statorspulen 2 und 3 induzierten Spannungen kann somit präzise auf die absolute Winkellage der Erregerspule 10 geschlossen werden.
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Alternativ ist es ebenso denkbar, dass die beiden Statorspulen 2 und 3 jeweils erfindungsgemäß angeregt werden. Hierzu werden die beiden Statorspulen 2 und 3 jeweils auf einer Seite mit einem kapazitiven Bauelement verbunden sind und jeweils auf der anderen Seite von einer geeigneten Endstufe, wie beispielsweise einer zuvor beschriebenen Endstufe 20, gespeist werden. In diesem Fall kann durch Auswertung der in der Rotorspule induzierten Spannung auf die absolute Winkelposition der Rotorspule geschlossen werden.
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Besonders vorteilhaft eignet sich ein solcher Winkellagesensor zur Bestimmung der Winkellage einer Drehachse eines Elektromotors. Durch permanentes Überwachen und Auswerten der Winkellage ist somit ein gezieltes Ansteuern der einzelnen Wicklungen eines Elektromotors möglich. Somit kann ein Elektromotor stets optimal angesteuert werden, um ein bestmögliches Drehmoment zu erzielen.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung die Ansteuerung von Erregerspulen in Winkellagesensoren, wie beispielsweise Resolvern. Hierzu wird eine Erregerspule nur auf einer Seite von einer treibenden Endstufe angesteuert, während die Erregerspule auf der anderen Seite mit einem passiven, kapazitiven Bauelement abgeschlossen wird. Durch diese einseitige Ansteuerung von Erregerspulen kann der erforderliche Schaltungsaufwand reduziert werden. Darüber hinaus ergibt sich durch die aufgrund der einseitigen Ansteuerung veränderte Aussteuerung der Endstufe ein Betrieb mit reduziertem Strombedarf und verringerter Verlustleistung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006043009 A1 [0003]
