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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Signalgenerator zum Betreiben einer Erregerwicklung eines Resolvers, eine Schaltungsanordnung mit einem Resolver und mit einer Resolver-Steuerung, ein Kraftfahrzeug mit einer Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben eines Resolvers.
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Als „Resolver” bezeichnet man elektromagnetische Messumformer zur Wandlung einer Winkellage eines Rotors gegenüber einem Stator in eine elektrische Größe.
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Typischerweise umfassen Resolver je eine Statorwicklung für insgesamt zwei Statorphasen und genau eine Rotorwicklung. Grundsätzlich sind aber auch andere Anordnungen bekannt, beispielsweise mit mehr als zwei Statorphasen, oder Resolver, in denen zwei Rotorwicklungen für je eine Rotorphase, aber nur genau eine Statorwicklung vorgesehen sind. Außerdem werden Schaltungsanordnungen unterschieden, in denen der Resolver rotorseitig erregt wird und Schaltungsanordnungen, in denen der Resolver statorseitig erregt wird.
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In der üblichen Konfiguration, in der genau eine Rotorwicklung und zwei Statorwicklungen vorgesehen sind, erfolgt die Erregung des Resolvers entweder einphasig mittels der Rotorwicklung oder zweiphasig mittels der zwei Statorwicklungen. In dem ersten Fall dient der Rotor als Geber für ein richtungsveränderliches magnetisches Wechselfeld und die beiden Statorwicklungen als Sensoren für das richtungsveränderliche magnetische Wechselfeld (dessen Richtung mittels der Sensoren zu ermitteln ist). In dem zweiten Fall dienen die beiden Statorwicklungen als Geber für ein richtungsveränderliches magnetisches Wechselfeld und die eine Rotorwicklung als Sensor für das richtungsveränderliche magnetische Wechselfeld. Für Resolver sind Messverfahren bekannt, die auf einer Nutzung des Dopplereffekts beruhen, Messverfahren, die auf Amplitudenmodulation beruhen und Messverfahren, die auf Phasenmodulation beruhen.
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Eine aus der
DE 1 298 298 A bekannte Winkelmessvorrichtung weist einen Rotor mit einer Rotorwicklung und einen Stator mit zwei zueinander senkrecht angeordneten Statorwicklungen auf. Ein magnetisches Wechselfeld, dessen Richtung mit der Winkelstellung synchron ist, wird erzeugt, indem der Rotorwicklung eine Sinusspannung zugeführt wird. Das magnetische Wechselfeld induziert in jeder der beiden Statorwicklungen jeweils ein Spannungssignal, dessen jeweilige Amplitude von der Winkelstellung der drehbaren Welle abhängig ist. Die in den beiden Sensorwicklungen induzierten Spannungen sind amplitudenmoduliert. Das dort beschriebene Messverfahren beruht insgesamt auf Phasenmodulation. Die Phasendemodulation wird hier wie folgt durchgeführt: Mittels Null-Indikatoren, einem Taktgeber und einem Taktimpulszähler werden Zeiten zwischen Null-Durchgängen einer ursprünglichen Sinusspannung und Nulldurchgängen der Spannungssignale gemessen. Aus den gemessenen Zeiten wird die Winkelstellung der drehbaren Welle ermittelt und digital codiert.
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Nachteilig an den bekannten Resolvern ist, dass sie keine zuverlässige Winkelmessung bei fehlerhaften Sensorspannungen erlauben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, mit denen die oben genannten Nachteile wenigstens teilweisen vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen elektrischen Signalgenerator nach Anspruch 1, die Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, das Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 und das Verfahren nach Anspruch 10 gelöst.
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Nach einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen elektrischen Signalgenerator zum Betreiben einer Erregerwicklung eines Resolvers, wobei der Resolver wenigstens eine Sensorwicklung aufweist, die in Reaktion auf das Betreiben der Erregerwicklung eine Sensorspannung ausgibt. Der elektrische Signalgenerator umfasst:
- – eine Überwachungsvorrichtung, die zum Empfangen eines die Sensorspannung repräsentierenden Sensorsignals, zum Ermitteln einer Stärke eines Bestandteils des Sensorsignals und zum Erzeugen eines Überwachungssignals ausgebildet ist, das eine Information über die ermittelte Stärke des Bestandteils des Sensorsignals enthält; und
- – eine Ausgangseinheit, die dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal zum Betreiben der Erregerwicklung bereitzustellen und in Abhängigkeit des Überwachungssignals eine Amplitude des elektrischen Signals zu verringern, wenn die ermittelte Stärke des Bestandteils des Sensorsignals einen vorgegebenen ersten Schwellenwert überschreitet und/oder in Abhängigkeit des Überwachungssignals eine Amplitude des elektrischen Signals zu vergrößern, wenn die ermittelte Stärke des Bestandteils des Sensorsignals einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert unterschreitet.
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Nach einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Schaltungsanordnung mit einem Resolver, der eine Erregerwicklung und wenigstens eine Sensorwicklung aufweist, und mit einer Resolver-Steuerung, wobei die Resolver-Steuerung einen elektrischen Signalgenerator nach dem ersten Aspekt aufweist und wenigstens einen Analog-Digital-Wandler der mit der wenigstens einen Sensorwicklung zum Empfang der Sensorspannung gekoppelt ist und wobei der erste und/oder der zweite Schwellenwert einen Betriebsbereich des wenigstens einen Analog-Digital-Wandlers repräsentieren.
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Nach einem dritten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Schaltungsanordnung nach dem zweiten Aspekt.
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Nach einem vierten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Resolvers, wobei der Resolver eine Erregerwicklung und wenigstens eine Sensorwicklung aufweist, die in Reaktion auf das Betreiben der Erregerwicklung eine Sensorspannung ausgibt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- – Betreiben der Erregerwicklung mit einem elektrischen Signal;
- – Erfassen der Sensorspannung;
- – Erzeugen eines Sensorsignals auf Grundlage der erfassten Sensorspannung;
- – Ermitteln einer Stärke eines Bestandteils des Sensorsignals;
- – Erzeugen eines Überwachungssignals, das eine Information über die ermittelte Stärke des Bestandteils des demodulierten Sensorsignals enthält;
- – Verringern einer Amplitude des elektrischen Signals in Abhängigkeit des Überwachungssignals, wenn die ermittelte Stärke des Bestandteils des Sensorsignals einen vorgegebenen ersten Schwellenwert überschreitet, und/oder
- – Vergrößern einer Amplitude des elektrischen Signals in Abhängigkeit des Überwachungssignals, wenn die ermittelte Stärke des Bestandteils des Sensorsignals einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert unterschreitet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
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Unabhängig davon, nach welchem Grundaufbau der Resolver aufgebaut ist und auf welchem der eingangs beispielhaft erwähnten Messprinzipien der Resolver beruht, wurde festgestellt, dass das in einer Sensorwicklung induzierte Messsignal nicht ausgewertet werden kann, wenn an der Sensorwicklung oder an einem Anschluss der Sensorwicklung (beispielsweise infolge eines Isolationsfehlers) ein Nebenschluss entstanden ist.
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Bei Antriebsaggregaten von Maschinen (beispielsweise Werkzeugmaschinen) oder Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen, kann die Drehwinkel- oder Drehzahlinformation des Resolvers für den Betrieb des Antriebsaggregats erforderlich sein. In Kraftfahrzeugen werden Resolver beispielsweise zur Lageerfassung von elektrischen Traktionsantrieben und zur Lageerfassung von elektromechanischen Lenksystemen verwendet. Deshalb kann eine Nichtauswertbarkeit des Messsignals eines Sensorwicklung infolge eines Nebenschlusses zu einer Störung des Antriebsaggregats oder des Lenksystems und damit zu einer Verfügbarkeitseinschränkung der Maschine oder des Kraftfahrzeugs führen.
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Ähnliche Probleme können entstehen, wenn Fehler auftreten, die die Amplitude der in der Sensorwicklung induzierten Spannung auf einen Wert verkleinern, der unterhalb eines ohnehin vorgesehenen Toleranzbereichs liegt. Beispiele hierfür sind: ein zu kleines Übertragungsverhältnis zwischen Erregerwicklung und Sensorwicklung (beispielsweise aufgrund eines Windungsschlusses in der Sensorwicklung), mechanische Toleranzen, ein zu hoher Übergangswiderstand (beispielsweise an einer Lötstelle oder einem Steckkontakt) oder Korrosionsschäden. Auch ist es möglich, dass Fehler auftreten, die die Amplitude der in der Sensorwicklung induzierten Spannung auf einen Wert vergrößern, der oberhalb eines ohnehin vorgesehenen Toleranzbereiches liegt. Beispiele hierfür sind: ein zu hohes Übersetzungsverhältnis (beispielsweise aufgrund eines Windungsschlusses in der Erregerwicklung).
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Ein Konzept der Erfindung kann darin gesehen werden, dass die Amplitude des Erregerstroms beziehungsweise der Erregerspannung in Abhängigkeit eines Fehlerbildes des demodulierten Sensorsignals verändert, verkleinert oder vergrößert wird. Damit ist es im Gegensatz zu bekannten gattungsgemäßen Vorrichtungen zumindest bei bestimmten Fehlerszenarien (die in der Praxis auftreten) möglich, den Resolver trotz eines Fehlers für eine Bereitstellung von Drehwinkelinformationen und/oder für eine Bereitstellung von Drehzahlinformationen weiterzunutzen. Hierdurch kann beispielsweise eine Maschine oder ein (Kraft-)Fahrzeug, die bzw. das zum Betrieb Drehwinkel- oder Drehzahlinformationen des Resolvers benötigt, weitergenutzt werden. Die Weiternutzung kann auch in einem Notbetrieb geschehen. Einem Maschinen- oder Fahrzeugnutzer können so Unannehmlichkeiten erspart werden, die mit einem Liegenbleiben der Maschine oder des Fahrzeugs verbunden wären. Der erkannte Fehler kann dann beispielsweise im Hintergrund (d. h. ohne den Maschinen- oder Fahrzeugnutzer darüber zu informieren) als Diagnosedatum vermerkt werden und im Rahmen einer Routinewartung behoben werden. In manchen Anwendungsszenarien kann es (beispielsweise aus Sicherheitsgründen) zweckmäßig sein, den Maschinen- oder Fahrzeugnutzer über die Einleitung des Notbetriebs (beispielsweise mittels eines Warnhinweises) in Kenntnis zu setzen.
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Manche Ausführungsformen betreffen entsprechend einen elektrischen Signalgenerator zum Betreiben einer Erregerwicklung eines Resolvers. Der Resolver weist neben der wenigstens einen Erregerwicklung auch wenigstens eine Sensorwicklung auf, die in Reaktion auf das Betreiben der Erregerwicklung eine Sensorspannung ausgibt, die entsprechend, wie oben ausgeführt, induziert wird. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Ausführung des Resolvers bestimmt. Wie oben ausgeführt, kann der Resolver zur Winkelmessung verwendet werden, z. B. in einer Maschine oder in einem Kraftfahrzeug. Er kann er zur Lage- bzw. Drehzahlmessung bei einer elektrischen Maschine dienen, die das Kraftfahrzeugs oder Teile davon, wie eine Lenkung, antreibt.
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Der Signalgenerator umfasst eine Überwachungsvorrichtung, die zum Empfangen eines die Sensorspannung repräsentierenden Sensorsignals, zum Ermitteln einer Stärke eines Bestandteils des Sensorsignals und zum Erzeugen eines Überwachungssignals ausgebildet ist, das eine Information über die ermittelte Stärke des Bestandteils des Sensorsignals enthält. Die Überwachungsvorrichtung kann z. B. u. a. einen Mikroprozessor oder dergleichen aufweisen, der dazu eingereicht ist, die genannten Funktionen auszuführen.
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Das Sensorsignal kann zum Beispiel von einem Analog-Digital-Wandler einer Resolver-Steuerung stammen, der die Sensorspannung der wenigstens einen Sensorspule empfängt und in ein digitales Sensorsignal umwandelt. Das digitale Sensorsignal kann außerdem in einen Demodulator eingespeist werden, das das digitale Sensorsignal demoduliert. Dementsprechend kann das Sensorsignal auch ein digitales, demoduliertes Sensorsignal sein.
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Der elektrische Signalgenerator umfasst außerdem eine Ausgangseinheit, die dazu ausgebildet ist, ein elektrisches Signal zum Betreiben der Erregerwicklung bereitzustellen. Das elektrische Signal kann ein Spannungssignal oder ein Stromsignal sein, das entsprechend die Erregerwicklung mit elektrischer Energie, insbesondere einem Erregerostrom bzw. einer Erregerspannung versorgt. Das elektrische Signal kann z. B. sinus- oder kosinusförmig oder einen anderen Verlauf haben, der für die Erregung der Erregerwicklung des Resolvers verwendbar ist. Die Ausgangseinheit ist weiter dazu ausgebildet, in Abhängigkeit des Überwachungssignals eine Amplitude des elektrischen Signals zu verringern, wenn die ermittelte Stärke des Bestandteils des Sensorsignals einen vorgegebenen ersten Schwellenwert überschreitet und/oder in Abhängigkeit des Überwachungssignals eine Amplitude des elektrischen Signals zu vergrößern, wenn die ermittelte Stärke des Bestandteils des Sensorsignals einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert unterschreitet. Auch wenn hier der elektrisch Signalgenerator eine Ausgangseinheit und eine Überwachungseinheit aufweist, so können die Ausgangseinheit und die Überwachungseinheit auch zusammen in einer Einheit realisiert sein, z. B. durch einen Mikroprozessor mit entsprechender Elektronik. Folglich sind die Ausgangseinheit und die Überwachungseinheit funktional zu verstehen, deren Funktionen von einer einzigen Einheit ausgeführt werden können.
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Wie oben ausgeführt, kann eine Amplitude des Sensorsignals derart ausgestaltet sein, dass sie nicht ausgewertet werden kann. Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass die Amplitude der Sensorspannung teilweise oder sogar ganz außerhalb eines Arbeitsbereiches eines Analog-Digital-Wandlers liegt, der die Sensorspannung in ein digitales Sensorsignal umwandelt, wie es oben bereits erwähnt wurde. Der Arbeitsbereich des Analog-Digital-Wandlers hat typischerweise eine obere und eine untere Grenze, sodass Amplituden eines eingehenden Spannungssignals, die die oberen bzw. untere Grenze überschreiten, nicht digitalisiert werden können, sondern z. B. abgeschnitten werden. Dementsprechend geht Information verloren. Daher analysiert die Überwachungsvorrichtung das empfangene Sensorsignal und erkennt z. B., dass eine Amplitude oben und/oder unten abgeschnitten wurde. Dies kann z. B. anhand der unstetigen Veränderung des Signalverlaufes des Sensorsignals an der Abschneidestelle erkannt werden. Die obere bzw. untere Grenze des Arbeitsbereiches des Analog-Digital-Wandlers kann durch den ersten Schwellenwert repräsentiert werden. Der zweite Schwellenwert kann dabei eine untere Toleranzschwelle des Analog-Digital-Wandlers repräsentiert, die eine minimale Größe von Signalamplituden repräsentiert. Eine zu große Signalamplitude übersteigt die obere und/oder untere Grenze des Arbeitsbereiches und damit den ersten Schwellenwert und die Ausgabeeinheit verringert entsprechend die Amplitude des elektrischen Signal, mit dem die Erregerwicklung betrieben wird. Eine zu kleine Amplitude unterschreitet den zweiten Schwellenwert und die Ausgabeeinheit vergrößert die Amplitude des elektrischen Signals, mit dem die Erregerwicklung betrieben wird. Die Ausgabeeinheit kann die Amplitude des elektrischen Signals solange vergrößern/verkleinern, bis der Bestandteil des Sensorsignals nicht mehr den ersten/zweiten Schwellenwert überschreitet/unterschreitet.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Bestandteil, dessen Stärke mittels der Überwachungsvorrichtung ermittelt wird, einen Gleichanteil des Sensorsignals, einen Maximalwert des Sensorsignals oder einen Minimalwert des Sensorsignals umfasst. Hierdurch können beispielsweise Auswirkungen eines unsymmetrischen Nebenschlusses an einer Sensorwicklung abgemildert werden. Außerdem kann die Ausgabeeinheit auch einen Offset des elektrischen Signals entsprechend verschieben, sodass z. B. ein Sensorsignal, welches den Arbeitsbereich unsymmetrisch übersteigt, z. B. nur die obere oder nur die untere Grenze, wieder in den Arbeitsbereich „geschoben” wird und dadurch nicht mehr den ersten Schwellenwert überschreitet.
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Es gibt Anwendungsszenarien, in denen es von Vorteil ist, wenn der Bestandteil, dessen Stärke mittels der Überwachungsvorrichtung erfasst wird, eine Amplitude des Sensorsignals umfasst. Eingangs wurden Fehlerszenarien (wie beispielsweise Windungsschlüsse) erwähnt, in denen das Sensorsignal zwar nicht mit einem störenden Gleichanteil beaufschlagt ist, aber dennoch eine zu kleine oder zu große Amplitude aufweist. Die hier vorgeschlagene Maßnahme ermöglicht, die Vorteile der Erfindung auch in solchen Fehlerszenarien zu nutzen.
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Von Vorteil ist, wenn eine Abhängigkeit zwischen der Stärke des Bestandteils des Sensorsignals und der Amplitude des elektrischen Signals, insbesondere des Erregerstroms oder der Erregerspannung, zumindest dann streng monoton ist, wenn die Stärke des Bestandteils des Sensorsignals höher ist als der vorgegebene erste Schwellenwert. Mittels einer solchen klaren Abhängigkeit zwischen der Stärke des Bestandteils des Sensorsignals und der Amplitude des elektrischen Signals ist ein verlässliches und reproduzierbares Betriebsverhalten des Resolvers möglich, wenn die Stärke den ersten Schwellenwert überschritten hat.
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Auch ist es von Vorteil, wenn eine Abhängigkeit zwischen der Stärke des Bestandteils des Sensorsignals und der Amplitude des elektrischen Signals zumindest dann streng monoton ist, wenn die Stärke des Bestandteils des Sensorsignals niedriger ist als der vorgegebene zweite Schwellenwert. Mittels einer solchen klaren Abhängigkeit zwischen der Stärke des Bestandteils des Sensorsignals und der Amplitude des elektrischen Signals ist ein verlässliches und reproduzierbares Betriebsverhalten des Resolvers möglich, wenn die Stärke den zweiten Schwellenwert unterschritten hat.
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Unabhängig davon hat es Vorteile, wenn der erste Schwellenwert um einen Hysteresewert größer ist als der zweite Schwellenwert. Durch einen solchen Hysteresewert kann ein störendes unnötiges Hin- und Herwechseln zwischen zwei Betriebszuständen vermieden werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
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1 schematisch ein Fahrzeug mit einer Schaltungsanordnung, die einen Resolver mit einer erfindungsgemäßen Resolver-Steuerung aufweist;
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2 schematisch Spannungszeitdiagramme in einem störungsfreien Betriebszustand eines bekannten Resolvers;
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3 schematisch Spannungszeitdiagramme in einem gestörten Betriebszustand eines bekannten Resolvers, wobei die Störung durch einen Nebenschluss einer Sensorwicklung verursacht wird;
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4 schematisch Spannungszeitdiagramme in einem erfindungsgemäßen Betriebszustand eines erfindungsgemäßen Resolvers, der näherungsweise störungsfrei ist, obwohl hier ein gleicher Nebenschluss vorliegt wie in 3;
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5 schematisch Spannungszeitdiagramme in einem erfindungsgemäßen Betriebszustand eines erfindungsgemäßen Resolvers, der näherungsweise störungsfrei ist, obwohl hier ein Windungsschluss der Erregerwicklung vorliegt;
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6 schematisch Spannungszeitdiagramme in einem Betriebszustand eines erfindungsgemäßen Resolvers, der näherungsweise störungsfrei ist, obwohl hier ein Windungsschluss der Sensorwicklung vorliegt;
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7 schematisch eine Abhängigkeit einer Amplitude eines Erregerstroms von einer Stärke eines Bestandteils eines demodulierten Sensorsignals eines Resolvers;
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8 schematisch einen Ablauf eines Verfahren zum Erregen eines Resolvers.
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Die in 1 gezeigte Schaltungsanordnung 10 eines Fahrzeugs FZ, das insbesondere ein Kraftfahrzeug ist, umfasst einen Resolver R und eine Resolver-Steuerung RS. Der Resolver R weist einen Stator ST und einen gegenüber dem Stator ST drehbar gelagerten Rotor RO auf. Rotor RO und Stator ST haben eine gemeinsame Hauptlängsachse. Teil des Rotors RO ist eine Erregerwicklung WE, die sich bei einer Drehbewegung des Rotors RO zusammen mit dem Rotor RO in dem Stator ST dreht. Teil des Stators ST sind eine erste Sensorwicklung WS mit einer ersten (festen) Drehwinkelposition DP und eine zweite Sensorwicklung WS' mit einer zweiten (festen) Drehwinkelposition DP'. Die erste DP und die zweite DP' Drehwinkelposition unterscheiden sich um 90°. Aus Sicht der gemeinsamen Hauptlängsachse sind die Erregerwicklung WE und die beiden Sensorwicklungen WS, WS' jeweils in einer Transversalebene angeordnet. Zwei dieser Transversalebenen oder alle drei Transversalebenen können im Wesentlichen identisch sein.
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Die Erregerwicklung WE bildet zusammen mit der ersten Sensorwicklung WS eine erste Übertrageranordnung. Entsprechend bildet die Erregerwicklung WE zusammen mit der zweiten Sensorwicklung WS' eine zweite Übertrageranordnung. Ein erster magnetischer Kopplungsgrad der ersten Übertrageranordnung ist von einer Drehwinkelposition α der Erregerwicklung WE im Verhältnis zu einer (festen) Drehwinkelposition DP der ersten Sensorwicklung WS abhängig. Entsprechend ist ein zweiter magnetischer Kopplungsgrad der zweiten Übertrageranordnung von der Drehwinkelposition α der Erregerwicklung WE im Verhältnis zu einer (festen) Drehwinkelposition DP' der zweiten Sensorwicklung abhängig. Es gibt eine erste DP und eine dazu um 180° verdrehte zweite Drehwinkelstellung DP + 180° des Rotors, in welcher der Betrag des ersten magnetischen Kopplungsgrads ein Maximum einnimmt und der Betrag des zweiten magnetischen Kopplungsgrads ein Minimum einnimmt. Außerdem gibt es eine dritte Drehwinkelstellung DP' und eine dazu um 180° verdrehte vierte Drehwinkelstellung DP' + 180° des Rotors, in welcher der Betrag des ersten magnetischen Kopplungsgrads ein Minimum einnimmt und der Betrag des zweiten magnetischen Kopplungsgrad ein Maximum einnimmt. Zwischen den genannten Winkelpositionen gibt es Zwischenpositionen, in denen die Kopplungsgrade Zwischenwerte annehmen, die zwischen Minimum und Maximum des jeweiligen Kopplungsgrades liegen.
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Die Schaltungsanordnung 10 hat eine Resolver-Steuerung RS zur Steuerung des Resolvers R, wobei die Resolver-Steuerung RS einen elektrischen Signalgenerator Q hat.
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Eine Ausgangseinheit QA des elektrischen Signalgenerators Q stellt als elektrisches Signal einen Erregerstrom I bereit, der in die Erregerwicklung WE eingeprägt wird oder eine Erregerspannung U bereit, die an die Erregerwicklung WE angelegt wird. Ein zeitlicher Verlauf der Erregerspannung U beziehungsweise des Erregerstroms I ist sinusförmig und weist eine Frequenz auf, mit der sich elektrische Energie, die in die Erregerwicklung eingespeist wird, mittels eines dadurch erzeugten magnetischen Wechselfeldes ϕ effizient zu den Sensorwicklungen WS, WS' übertragen lässt.
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Außerdem ist in der 1 als Beispiel für eine mögliche Betriebsstörung ein Nebenschluss der ersten Sensorwicklung WS gegen eine Versorgungsspannung (beispielsweise Klemme 30) dargestellt (siehe Nebenschlusswiderstand RN).
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Um eine Störunempfindlichkeit zu verbessern und eine Demodulation der in den Sensorwicklungen WS, WS' induzierten (Sensor-)Spannungen Us, Us' digital durchführen zu können, weist die Resolver-Steuerung RS einen ersten und einen zweiten Analog-Digital-Wandler AD, AD' auf. Der erste Analog-Digital-Wandler AD ist mit der ersten Sensorwicklung WS gekoppelt und empfängt die erste induzierte Sensorspannung Us und wandelt diese in eine digitalisierte Sensorspannung Usd um. Der zweite Analog-Digital-Wandler AD' ist mit der zweiten Sensorwicklung WS' gekoppelt und empfängt die zweite induzierte Sensorspannung Us' und wandelt diese in eine zweite digitalisierte Sensorspannung Usd' um.
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Die Resolver-Steuerung RS weist weiter einen ersten mit dem ersten Analog-Digital-Wandler AD gekoppelten Demodulator D zur Amplitudendemodulation der ersten digitalisierten Sensorspannung Usd auf, wobei der Demodulator D ein erstes demoduliertes Sensorsignal Sa ausgibt. Entsprechend weist die Resolver-Steuerung RS auch einen zweiten mit dem zweiten Analog-Digital-Wandler AD' gekoppelten Demodulator D' zur Amplitudendemodulation der zweiten digitalisierten Sensorspannung Usd' auf, wobei der Demodulator D ein zweites demoduliertes Sensorsignal Sa' ausgibt.
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Der elektrischen Signalgenerator Q hat eine Überwachungseinheit Vü, die einen Mikroprozessor und einen Speicher aufweist, um die folgenden Funktionen auszuführen und Daten, wie ersten und zweite Schwellenwerte SW1 und SW2 und andere Parameter zu speichern. Die Überwachungseinheit Vü empfängt eine Kopie des ersten und zweiten demodulierten Sensorsignals Sa, Sa' und analysiert diese, wie es auch weiter unten erläutert wird. Durch die Analyse stellt die Überwachungseinheit Vü fest, ob das erste bzw. zweite demodulierte Sensorsignal Sa, Sa' bzw. eine ermittelte Stärke eines Bestandteils des ersten bzw. zweiten demodulierte Sensorsignals Sa, Sa' den ersten Schwellenwert SW1 überschreiten oder den zweiten Schwellenwert SW2 unterschreiten, wie es oben erläutert wurde und weiter unten noch erklärt wird. Entsprechend gibt die Überwachungseinheit Vü ein Überwachungssignal Sü aus, das von der mit ihr gekoppelten Ausgangseinheit QA empfangen wird. Das Überwachungssignal Sü enthält eine Information über die ermittelte Stärke eines Bestandteils des ersten demodulierten Sensorsignals Sa bzw. zweiten demodulierten Sensorsignals Sa'. Diese Information kann die Stärke selbst repräsentieren und/oder eine Angabe darüber sein, ob die Stärke des Bestandteils den ersten Schwellenwert SW1 überschreitet bzw. den zweiten Schwellenwert SW2 unterschreitet. Je nachdem kann folglich die Überprüfung, ob die ermittelte Stärke den ersten Schwellenwert SW1 überschreitet bzw. den zweiten Schwellenwert SW2 unterschreitet in der Überwachungseinheit Vü stattfinden oder in der Ausgabeeinheit QA. Die Ausgabeeinheit QA verringert oder erhöht in Abhängigkeit des empfangenen Überwachungssignals Sü die Amplitude des elektrischen Signals, d. h. des Erregerstroms I bzw. der Erregerspannung U.
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Außerdem weist die Resolver-Steuerung RS eine Auswerteschaltung AE auf, die dazu vorbereitet ist, aus im Folgenden erläuterten Hüllkurven Us_, Us'_ von in den beiden Sensorwicklungen WS, WS' induzierten Spannungen Us, Us' den zeitlichen Verlauf der aktuellen Winkelstellung α des Rotors RO zu ermitteln. Im Folgenden sind zur Vereinfachung in nur die Hüllkurve Us_ und die Spannung Us dargestellt und die Spannung Us' und die Hüllkurve Us'_ sind analog zur Hüllkurve Us_ und Spannung Us. Die Auswerteschaltung AE stellt an einem Ausgang AEo ein digitales oder analoges Signal s(α) bereit, das die aktuelle Winkelstellung α des Rotors RO anzeigt.
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Das in 2 oben dargestellte Diagramm zeigt einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf eines Erregerstroms I durch die Erregerwicklung WE eines Resolvers R in einem ungestörten Betriebszustand. In Abhängigkeit der jeweiligen Kopplungsgrade wird durch das magnetische Wechselfeld ϕ in den Sensorwicklungen WS, WS' jeweils eine elektrische Spannung Us, Us' induziert, die näherungsweise ebenfalls sinusförmig ist und (sofern der Dopplereffekt vernachlässigbar ist) eine selbe Frequenz aufweist wie die Erregerspannung U. Bei Drehung des Rotors RO mit konstanter Drehgeschwindigkeit dα/dt um seine Hauptlängsachse ist ein zeitlicher Verlauf des Kopplungsgrads der ersten Sensorwicklung WS mit der Erregerwicklung WE sinusförmig. Die Frequenz des Kopplungsgrads entspricht der Drehzahl dα/(360°dt) des Rotors RO. Im Ergebnis ist die in der ersten Sensorwicklung WS induzierte Spannung Us mit der Frequenz dα/(360°dt), die der Drehung da/dt des Rotors RO entspricht, sinusförmig amplitudenmoduliert. Entsprechendes gilt für die zweite Sensorwicklung WS' mit einer Phasenverschiebung von entweder 90° oder 270°.
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Das in der Mitte der 2 dargestellte Diagramm zeigt die amplitudenmodulierte Spannung Us, die durch das Wechselmagnetfeld ϕ mit wechselndem Kopplungsgrad in der ersten Sensorwicklung WS des Resolvers R induziert wird.
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Das in 2 unten dargestellte Diagramm zeigt einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals des ersten Demodulators D. Das Ausgangssignal des ersten Demodulators D ist eine Hüllkurve Us_ der in der ersten Sensorwicklung WS induzierten Spannung Us. Diese Hüllkurve Us_ gibt einen zeitlichen Verlauf des ersten Kopplungsgrads wieder. Sie ist somit ein Maß für einen zeitlichen Verlauf einer ersten Vektorkomponente cosα der aktuellen Winkelstellung α des Rotors RO. Im Rahmen dieser Beschreibung sind Hüllkurven nicht vorzeichenlos, sondern sie unterscheiden sich in ihrem Vorzeichen.
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Entsprechend ist das Ausgangssignal des zweiten Demodulators D' eine Hüllkurve Us'_ (nicht dargestellt) der in der zweiten Sensorwicklung WS' induzierten Spannung Us' (nicht dargestellt), wobei die Hüllkurve Us'_ ein zur Hüllkurve Us_ umgekehrtes Vorzeichen hat und einem an der horizontalen Symmetrieachse gespiegelten Spiegelbild der Hüllkurve Us_ entspricht. Die Hüllkurve Us'_ der in der zweiten Sensorwicklung WS' induzierten Spannung Us' gibt einen zeitlichen Verlauf des zweiten Kopplungsgrads wieder. Diese Hüllkurve Us'_ ist ein Maß eines zeitlichen Verlaufs einer zweiten Vektorkomponente sinα der aktuellen Winkelstellung α des Rotors RO.
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Das in 3 oben dargestellte Diagramm zeigt einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf eines Erregerstroms I durch die Erregerwicklung WE eines Resolvers R in einem gestörten Betriebszustand des Resolvers R, wenn die Störung durch einen Nebenschluss einer Sensorwicklung WS verursacht ist und die Erregerwicklung WE des Resolvers R von einer bekannten elektrischen Energiequelle mit elektrischer Energie versorgt wird. Der eingeprägte Erregerstrom I unterscheidet sich hier nicht von dem in 2 dargestellten Erregerstrom.
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Wie das in 3 in der Mitte dargestellte Diagram zeigt, ist bei einem niederohmigen Nebenschluss (mit einem Nebenschlusswiderstand RN von beispielsweise weniger als 20 kΩ) das Sensorsignal Us offset-verschoben. Sofern der Aussteuerungsbereich (Arbeitsbereich) des Digital-Analog-Wandlers AD im störungsfreien Betrieb weitgehend ausgenutzt wird, führt die Offsetverschiebung zu einer Überschreitung der oberen Bo oder der unteren Bereichsgrenze Bu des Aussteuerungsbereichs B.
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Vom Demodulator D wird der nachfolgenden Auswerteeinheit AE dann nicht mehr das originalgetreue aufmodulierte Signal (die Hüllkurve) bereitgestellt, sondern das in der 3 unten dargestellte Signal Sa. Die von der Auswerteeinheit AE an ihrem Ausgang AEo bereitgestellten Informationen s(α) über die aktuelle Winkelstellung α des Rotors RO sind dann je nach Grad der Übersteuerung des Analog-Digital-Wandlers AD mehr oder weniger stark fehlerbehaftet. Dies wiederum kann zur Folge haben, dass ein fehlerfreier Betrieb der Maschine oder des Fahrzeugs, in der der Resolver R genutzt wird, nicht mehr möglich ist.
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Grundsätzlich wäre es zwar (als Vorkehrung für solche Fehlerfälle) möglich, die Spannung Us am Eingang des Analog-Digital-Wandlers AD von Haus aus (d. h. entwicklungsseitig) so zu verändern (anzupassen), dass eine Übersteuerung des Analog-Digital-Wandlers AD auch im Falle einer solchen Offsetverschiebung nicht auftritt. Dies hätte dann aber zum Nachteil, dass im ungestörten Betrieb zur Erzeugung des auszuwertenden digitalisierten Signals Usd nur noch ein kleinerer Teil der Quantisierungsstufen (also nicht mehr das bisher genutzte Auflösungsvermögen) des Analog-Digital-Wandlers AD nutzbar wäre. Damit wäre eine nachteilige Verschlechterung eines Signal-Rausch-Verhältnisses verbunden, die für den ungestörten Betrieb unerwünscht ist und eher noch im Notbetrieb tolerierbar sein kann.
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Das in 4 oben dargestellte Diagramm zeigt einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf eines Erregerstroms I durch die Erregerwicklung WE eines Resolvers R in einem erfindungsgemäßen Betriebszustand des Resolvers R, der näherungsweise störungsfrei ist, obwohl hier der gleiche Nebenschluss der Sensorwicklung WS vorliegt wie in 3. Hierbei wurde mittels Veränderung der Amplitude ^U der Erregerspannung U das Sensorsignal bzw. die Sensorspannung Us in den Aussteuerungsbereich B des Analog-Digital-Wandlers AD zurückverlagert. Damit kann eine offsetfreie Rückgewinnung der aufmodulierten Winkelinformation α(t) und eine fehlerfreie Berechnung der Winkellage α(t) des Rotors RO auch im gestörten Betrieb des Resolvers R (beispielsweise bei einem Nebenschluss einer Sensorwicklung WS) erfolgen.
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Sofern der elektrische Signalgenerator Q dazu eingerichtet ist, zu erkennen, wenn keine Störung mehr vorliegt (beispielsweise der Nebenschluss nicht mehr vorhanden ist), kann er auch dazu eingerichtet sein, die Amplitude ^U der Erregerspannung U wieder zu erhöhen und damit in den ungestörten Betriebsmodus zurückzukehren, wenn sie erkennt, dass keine Störung mehr vorliegt.
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Die 5 zeigt Spannungszeitdiagramme in einem erfindungsgemäßen Betriebszustand des Resolvers R, der näherungsweise störungsfrei ist, obwohl hier ein Windungsschluss der Erregerwicklung WE vorliegt. Da sich das Spannungsübersetzungsverhältnis WS/WE, WS'/WE eines Übertragers (hier des Resolvers R) nach dem Windungszahlverhältnis zwischen Primärwicklung (hier WE) und Sekundärwicklung (hier WS bzw. WS') richtet und ein Windungsschluss der Erregerwicklung WE im Ergebnis einer Verringerung der Windungszahl der Primärwicklung eines Übertragers gleichkommt, führt der Windungsschluss der Erregerwicklung WE grundsätzlich zu einer Erhöhung der Amplitude ^Us der Sensorspannung Us. Um dies auszugleichen, verkleinert der elektrischen Signalgenerator Q der Resolver-Steuerung RS die Amplitude ^I des Erregerstroms I, so dass die Amplitude ^Us der Sensorspannung Us wieder im Aussteuerungsbereich B liegt.
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Die 6 zeigt Spannungszeitdiagramme in einem erfindungsgemäßen Betriebszustand des Resolvers R, der näherungsweise störungsfrei ist, obwohl hier ein Windungsschluss der Sensorwicklung WS vorliegt. Ein Windungsschluss der Sensorwicklung WS kommt im Ergebnis einer Verringerung der Windungszahl der Sekundärwicklung eines Übertragers gleich. Der Windungsschluss der Sekundärwicklung WS führt daher grundsätzlich zu einer Verringerung der Amplitude ^Us der Sensorspannung Us, wodurch sich eine Signal-Rausch-Abstand der Sensorspannung Us verschlechtert. Um dies auszugleichen, erhöht der elektrische Signalgenerator Q die Resolver-Steuerung RS die Amplitude ^I des Erregerstroms I, so dass die Amplitude ^Us der Sensorspannung Us den Aussteuerungsbereich B weitgehend ausnutzt und der Signal-Rausch-Abstand verbessert wird.
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7 zeigt eine Abhängigkeit einer Amplitude ^I eines Erregerstroms I von einer Stärke |S| eines Bestandteils (hier eines Gleichanteils) eines demodulierten Sensorsignals Sa eines Resolvers R. Wenn der Gleichanteil |S| des demodulierten Sensorsignals Sa einen vorgegebenen ersten Schwellenwert SW1 überschreitet, verringert der elektrische Signalgenerator Q der Resolver-Steuerung RS die Amplitude ^I des Erregerstroms I. Wenn der Gleichanteil |S| des demodulierten Sensorsignals Sa einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert SW2 unterschreitet, vergrößert der elektrische Signalgenerator Q der Resolver-Steuerung RS die Amplitude ^I des Erregerstroms I. Um ein Schwingen zu vermeiden, ist es zweckmäßig, wenn der erste Schwellenwert SW1 um einen Hysteresewert HW größer ist als der zweite Schwellenwert SW2.
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Das in 8 gezeigte Verfahren 100 zum Erregen eines Resolvers R kann von dem elektrischen Signalgenerator Q, z. B. von einem Mikroprozessor der Überwachungseinheit Vü und/oder der Ausgangseinheit QA ausgeführt werden. In einem ersten Schritt 111, 112 wird die Erregerwicklung WE des Resolvers R betrieben, indem ein elektrisches Signal in der Form eines Erregerstrom I in die Erregerwicklung WE eingeprägt oder in der Form einer Erregerspannung U an der Erregerwicklung WE angelegt wird.
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In einem zweiten Schritt 120 wird eine Sensorspannung Us der Sensorwicklung WS erfasst. In einem dritten Schritt 130 wird, bspw. nach einer Umwandlung in ein digitalisiertes Sensorsignal Usd mittels Demodulation der erfassten Sensorspannung Us ein demoduliertes Sensorsignal Sa erzeugt. In einem vierten Schritt 140 wird eine Stärke |S| eines Bestandteils des demodulierten Sensorsignals Sa ermittelt. In einem fünften Schritt 150 wird ein Überwachungssignal Sü erzeugt, das eine Information über die ermittelte Stärke |S| des Bestandteils des Sensorsignals Sa beinhaltet. In einem sechsten Schritt 161 wird eine Amplitude ^U des Erregerstroms I oder der Erregerspannung U in Abhängigkeit des Überwachungssignals Sü verringert, wenn die ermittelte Stärke |S| des Bestandteils des demodulierten Sensorsignals Sa einen vorgegebenen ersten Schwellenwert SW1 überschreitet. Alternativ wird in dem sechsten Schritt 162 eine Amplitude ^U des Erregerstroms I oder der Erregerspannung U in Abhängigkeit des Überwachungssignals Sü vergrößert, wenn die ermittelte Stärke 151 des Bestandteils des demodulierten Sensorsignals Sa einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert SW2 unterschreitet.
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Das obige Verfahren wurde beispielhaft für die Sensorspannung Us der ersten Sensorwicklung WS erklärt, wobei es für die Sensorspannung Us' der zweiten Sensorwicklung WS' analog ausgeführt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schaltungsanordnung
- AD
- Analog-Digital-Wandler
- AD'
- Analog-Digital-Wandler
- AE
- Auswerteeinheit
- AEo
- Ausgang der Auswerteeinheit
- Bo
- obere Grenze des Arbeitsbereichs
- Bu
- untere Grenze des Arbeitsbereichs
- D
- erster Demodulator
- D'
- zweiter Demodulator
- DP
- Drehwinkelposition der ersten Sensorwicklung
- DP'
- Drehwinkelposition der zweiten Sensorwicklung
- FZ
- Fahrzeug
- HW
- Hysteresewert
- 1
- Erregerstrom
- ^I
- Amplitude eines Erregerstroms
- Q
- elektrische Energiequelle
- QA
- Ausgangseinheit der Energiequelle
- R
- Resolver
- RN
- Nebenschlusswiderstand
- RO
- Rotor
- RS
- Resolver-Steuerung
- Sa
- erstes demoduliertes Sensorsignal
- Sa'
- zweites demoduliertes Sensorsignal
- |S|
- Stärke des Bestandteils des Sensorsignals
- ST
- Stator
- Sü
- Überwachungssignal
- SW1
- erster Schwellenwert
- SW2
- zweiter Schwellenwert
- s(α)
- Ausgangssignal der Auswerteinheit
- t
- Zeit
- ^U
- Amplitude einer Erregerspannung
- ^Us
- Amplitude der ersten Sensorspannung
- Us
- erste Sensorspannung
- Usd
- erste digitalisierte Sensorspannung
- Us_
- Hüllkurve der ersten Sensorspannung
- Us'
- zweite Sensorspannung
- Usd'
- zweite digitalisierte Sensorspannung
- Vü
- Überwachungsvorrichtung
- WE
- Erregerwicklung
- WS
- erste Sensorwicklung
- WS'
- zweite Sensorwicklung
- α
- Drehwinkel
- 100
- Verfahren
- 111
- Einprägen eines Erregerstroms
- 112
- Anlegen einer Erregerspannung
- 120
- Erfassen einer Sensorspannung
- 130
- Erzeugen eines demodulierten Sensorsignals
- 140
- Ermitteln einer Stärke eines Bestandteils eines Sensorsignals
- 150
- Erzeugen eines Überwachungssignals
- 161
- Verringern einer Amplitude eines Erregerstroms oder einer Erregerspannung in Abhängigkeit des Überwachungssignals
- 162
- Verringern einer Amplitude eines Erregerstroms oder einer Erregerspannung in Abhängigkeit des Überwachungssignals
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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