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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betreiben eines Resolvers, der wenigstens eine erste Empfängerwicklung, und mindestens eine Erregerwicklung, die einem Rotor zugeordnet/zuordenbar sind, und eine Auswerteeinrichtung, die in Abhängigkeit von einer durch die Erregerwicklung durch den Rotor in die Empfängerwicklung induzierten Spannung eine Winkellage des Rotors bestimmt, aufweist.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Resolvereinrichtung mit einem Resolver und der oben beschriebenen Vorrichtung, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Resolvereinrichtung.
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Stand der Technik
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Zum Erfassen der Winkellage eines Rotors einer elektrischen Maschine wird häufig auch im Kraftfahrzeugbereich ein sogenannter Resolver eingesetzt. Der Resolver stellt einen elektromagnetischen Messumformer dar, der in Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors eine elektrische Größe, insbesondere Spannung, ausgibt. Hierzu weist der Resolver in der Regel ein Gehäuse auf, in welchem zwei um 90° zueinander versetzte Empfängerwicklungen angeordnet sind, die einen in dem Gehäuse drehbar gelagerten Rotor umschließen. Dem Rotor ist außerdem wenigstens eine Erregerwicklung zugeordnet, die beispielsweise über ein Schleifringsystem elektrisch kontaktierbar ist. Es sind aber auch Resolver bekannt, die bürstenlos arbeiten, und dazu Informationen der Erregerwicklung induktiv übertragen. Der Rotor ist dabei zweckmäßigerweise mit einer Abtriebswelle der elektrischen Maschine verbunden oder wird direkt von dieser gebildet. In Abhängigkeit von der Winkellage des Rotors zu den Empfängerwicklungen werden durch Induktion unterschiedliche elektrische Signale erzeugt. Dazu werden die Empfängerwicklungen mit einer sinusförmigen Wechselspannung erregt, wobei die erste Empfängerwicklung mit einer um 90° verschobenen Wechselspannung zu der zweiten Empfängerwicklung erregt wird. Die Phasenlage der in den Empfängerwicklungen induzierten Spannungen hängt also von der Stellung beziehungsweise Winkellage des Rotors ab. Grundsätzlich sind unterschiedliche Resolver-Bauformen bekannt. So sind auch Resolver bekannt, bei denen die Erregerwicklung an dem Rotor mitrotierbar angeordnet ist, und beispielsweise durch das zuvor genannte Schleifringsystem kontaktiert wird. Steht der Rotor genau in der Winkellage 0° oder 180° ergibt sich an der ersten Empfängerwicklung (Sinuswicklung genannt) eine Spannung von 0V. Steht der Rotor genau in der Winkellage 90° oder 270° ergibt sich an der zweiten Empfängerwicklung (Cosinuswicklung genannt) eine Spannung von 0V. Im Stillstand der elektrischen Maschine bei einer Winkellage von 0° oder 180° kann somit ein die erste Statorwicklung überbrückender Kurzschluss nicht erkannt werden. Bei der Sinusspur kann bei einer Winkellage von 0° ein Windungsschluss nicht von einem intakten Resolver unterschieden werden. Entsprechend kann bei einer Winkellage von 90° und 270° ein Kurzschluss an der Cosinusspur nicht erkannt werden. Bei anderen Resolver-Bauformen sind sowohl die Erregerwicklung als auch die Empfängerwicklungen gehäusefest beziehungsweise statorseitig angeordnet, wobei die Erregerwicklung durch Induktion ein Magnetfeld in dem Rotor erzeugt, das wiederum eine Spannung in die Empfängerwicklungen induziert. Die Einkopplung in die Empfangswicklungen ist dabei entsprechend abhängig von der Lage des Rotors, wobei bei einer Winkellage von 0° entsprechend eine maximale Einkupplung in die Cosinusspur erfolgt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines Resolvers hat den Vorteil, dass ein Kurschluss und auch andere Defekte des Resolvers sicher und eindeutig auf einfache und kostengünstige Art und Weise auch dann erfasst werden können, wenn sich der Rotor in seiner Nulllage bei 0° befindet, und dass die Diagnose bei allen Winkellagen des Rotors, also auch bei den Lagen, bei denen das Empfangssignal 0V ist, zuverlässig durchführbar ist. Dazu ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass die erste Empfängerwicklung an einem ersten Ende durch eine erste RC-Schaltung mit einem betätigbaren Schalter verbunden ist, der die RC-Schaltung bei Bedarf mit einer – gegenüber einem Ruhewert – positiven Spannungsquelle verbindet, und dass die erste Empfängerwicklung an einem zweiten Ende durch eine zweite RC-Schaltung mit einem zweiten betätigbaren Schalter verbunden ist, der die zweite RC-Schaltung bei Bedarf mit einer – gegenüber dem Ruhewert – negativen Spannungsquelle verbindet, wobei außerdem eine Steuereinheit vorgesehen ist, die die Schalter bei Bedarf gleichzeitig betätigt und dabei das Schwingungsverhalten der ersten Empfängerwicklung überwacht, um einen Defekt des Resolvers zu erkennen. Durch das Betätigen der beiden Schalter kann somit die Empfängerwicklung mit einer positiven und einer negativen Spannungsquelle, jeweils durch eine RC-Schaltung verbunden werden. Unter der RC-Schaltung wird üblich eine RC-Reihenschaltung, also eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator verstanden. Durch das Betätigen der Schalter, insbesondere durch das gleichzeitige Betätigen der Schalter, wird somit ein Schwingkreis angeregt, bei welchem die in der Empfängerwicklung gespeicherte Energie zum Schwingen gebracht wird, sofern kein Defekt vorliegt. Naturgemäß stellt sich dabei ein abklingendes Schwingverhalten zwischen den beiden RC-Schaltungen ein. Liegt ein die Empfängerwicklung überbrückender Kurzschluss vor, so ändert sich das Verhalten der erfassten Spulenspannung derart, dass die Schwingneigung/das Schwingverhalten massiv vom regulären Verhalten abweicht, insbesondere derart, dass keine Schwingung mehr auftritt. Liegt hingegen eine elektrische Unterbrechung vor, so ergibt sich eine konstante Gleichspannungsdifferenz, die erst bei Sperren der Schalter wieder verschwindet. Somit ist es auf einfache Art und Weise möglich, auf einen Defekt der Resolvereinrichtung zu schließen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schalter als Transistoren ausgebildet sind. Die Transistoren lassen sich präzise und schnell schalten, um das Schwingungsverhalten des beschriebenen Schwingkreises zur Fehlerdetektion auszunutzen.
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Zweckmäßigerweise ist dabei jedem der Schalter eine Spannungserfassungseinrichtung zugeordnet, die die durch den jeweiligen Schalter geleitete Spannung der Empfängerwicklung erfasst, so dass ein erster Spannungsverlauf und ein zweiter Spannungsverlauf der Empfängerwicklung beim Betätigen der Schalter erfassbar sind und miteinander verglichen werden können. In Abhängigkeit von den erfassten Spannungen wird dann das Schwingungsverhalten der Empfängerwicklung erfasst und ausgewertet.
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Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die negative Spannungsquelle ein Masseanschluss des Resolvers oder beispielsweise eines den Resolver aufweisenden Kraftfahrzeugs ist. Hierdurch lässt sich das Schwingungsverhalten des Schwingkreises vorteilhaft auswerten.
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Üblicherweise weisen Resolver mindestens zwei Empfängerwicklungen auf. Entsprechend ist es bevorzugt, wenn jede der Empfängerwicklungen jeweils zwei RC-Schaltungen mit betätigbaren Schaltern zugeordnet sind, die entsprechend dem oben Beschriebenen einer negativen Spannungsquelle beziehungsweise einer positiven Spannungsquelle zugeordnet sind. Dadurch lässt sich der Resolver insgesamt einfach überprüfen.
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Die erfindungsgemäße Resolvereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens einer der Statorwicklungen die erfindungsgemäße Vorrichtung zugeordnet ist. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Zweckmäßigerweise weisen die Vorrichtung oder die Resolvereinrichtung außerdem eine Steuereinheit, insbesondere mit einem Microcontroller auf, die das Ansteuern der Schalter und das Überwachen der in der jeweiligen Empfängerwicklung erzeugten Spannung auswertet.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass jeder der Statorwicklungen des Resolvers eine erfindungsgemäße Vorrichtung zugeordnet ist, um Defekte an beiden Empfängerwicklungen zu erfassen. Dabei können die Vorrichtungen eine gemeinsame Steuereinheit aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 zeichnet sich dadurch aus, dass insbesondere zur zeitlich versetzten Prüfung von Sinusspur und Cosinusspur die der jeweiligen Wicklung zugeordneten Schalter gleichzeitig mehrmals betätigt werden, und dass das dadurch resultierende Schwingungsverhalten der wenigstens einen Empfängerwicklung überwacht wird, und wobei in Abhängigkeit von dem Schwingungsverhalten auf einen Defekt des Resolvers geschlossen wird. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Vorzugsweise wird das Schwingungsverhalten jeder Empfängerwicklung des Resolvers überwacht.
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Zum Erfassen des Schwingungsverhaltens werden bevorzugt die an den jeweils einer Empfängerwicklung zugeordneten Schaltern auftretenden Spannungen erfasst und ausgewertet. Werden Schwingungen während einer Betätigung der Schalter erfasst, die deutlich von einem regulären Verhalten abweichen und insbesondere gegenläufig zueinander verlaufen, so wird auf einen fehlerfreien Resolver geschlossen.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass auf einen Kurzschluss erkannt wird, wenn bei dem Betätigen der Schalter die an den beiden Schaltern erfassten Spannungen einander entsprechen.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass auf eine Unterbrechung erkannt wird, wenn an den Schaltern unterschiedliche und im Wesentlichen schwingungsfreie Spannungen erfasst werden.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen:
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1 einen Resolver in einer vereinfachten Darstellung,
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2 eine vorteilhafte Resolvereinrichtung und
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3 ein Schwingungsverhalten einer Empfängerwicklung der Resolvereinrichtung.
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1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Resolver 1, der eine Erregerwicklung 2 sowie eine erste Empfängerwicklung 3 und eine zweite Empfängerwicklung 4 aufweist. Die Empfängerwicklungen 3 und 4 sind in einem Gehäuse einen Rotor um 90° zueinander versetzt umgebend angeordnet. Der Rotor ist drehbar gelagert und kann die Erregerwicklung 2 tragen. Die Erregerwicklung 2 kann dann beispielsweise über Schleifringe und Bürsten elektrisch kontaktiert werden. Alternativ ist auch eine bürstenlose Ausbildung des Resolvers 1 denkbar. Insbesondere ist vorliegend vorgesehen, dass auch die Erregerwicklung 2 statorfest beziehungsweise gehäusefest dem Rotor zugeordnet angeordnet ist, um ein magnetisches Feld in den Rotor induktiv einzukoppeln.
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Der Rotor ist beispielsweise mit der Abtriebswelle einer elektrischen Maschine drehfest verbunden, so dass die Winkellage des Rotors der Winkellage der Abtriebswelle der elektrischen Maschine entspricht. Auch ist es denkbar, dass die Erregerwicklung 2 direkt auf der Abtriebswelle der elektrischen Maschine angeordnet wird, so dass die Abtriebswelle den Rotor bildet.
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Im Betrieb wird die Erregerwicklung mit einer Wechselspannung erregt, die ein magnetisches Feld in dem Rotor erzeugt, das von den Empfängerwicklungen 3, 4 erfasst wird. Die von den Empfängerwicklungen 3, 4 erfasste Phasenlage der durch die Erregerwicklung induzierten Spannung hängt dann von der Stellung des Rotors ab. Bei einer Winkellage von 0° erfolgt die maximale Einkopplung des Magnetfelds in die Cosinusspur, beziehungsweise in die Statorwicklung 3. Bei einer Winkellage von 90° erfolgt die maximale Einkopplung des Magnetfeldes in die Sinusspur beziehungsweise in die Statorwicklung 4. Bei einer Winkellage von 45° wird das Magnetfeld anteilig in Empfängerwicklung 3 und Empfängerwicklung 4 eingekoppelt. Während einer Umdrehung des Rotors mit der Rotorwicklung 2, wie durch Pfeile in 1 angedeutet, liefert der Resolver somit eine Wechselspannung, deren Phasenlage sich von 0 bis 360° dreht beziehungsweise verändert. Die Phasenlage der Ausgangsspannung der Erregerwicklung 2 in Bezug auf die Reglerspannung ist somit ein Maß für die Winkellage des Rotors beziehungsweise der Erregerwicklung 2.
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Alternativ wird die Erregerwicklung 2 mit einer sinusförmigen Wechselspannung erregt. In dem Fall sind dann die Amplituden der in den Empfängerwicklungen 3 und 4 induzierten Spannungen abhängig von der Winkellage des Rotors beziehungsweise der Erregerwicklung 2 und entsprechen dem Sinus und dem Cosinus der Winkellage des Rotors. Vorliegend soll der zuletzt beschrieben Fall näher betrachtet werden. Zum Erfassen der Winkellage werden also die in den Empfängerwicklungen 3 und 4 erzeugten Spannungen überwacht. Ist die Winkellage des Rotors jedoch bei 0°, so wird an der Empfängerwicklung 3 eine Spannung von 0 Volt erfasst. Damit kann bei Stillstand der elektrischen Maschine in dieser Position ein Kurzschluss ein Kurzschluss in der Empfängerwicklung 3 nicht von einem intakten Resolver 1 unterschieden werden. Auch kann bei einer Rotorlage von 0° oder 180° durch die Sinusspur beziehungsweise die Empfängerwicklung 4 ein Windungsschluss nicht von einem intakten Resolver 1 unterschieden werden.
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2 zeigt eine vorteilhafte Resolvereinrichtung 5, die den Resolver 1 aufweist, von dem hier nur die Empfängerwicklung 3 gezeigt ist, sowie eine Vorrichtung 6 zum Betreiben des Resolvers 1, mittels welcher ein Defekt des Resolvers 1 auf einfache Art und Weise erfasst werden kann, auch dann, wenn sich der Rotor in der 0°-Winkellage befindet.
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Die Resolvereinrichtung 5 weist dazu zwei RC-Schaltungen 7, 8 auf, die jeweils mit einem Ende der Empfängerwicklung 3 verbunden sind. Die RC-Schaltungen weisen jeweils in Reihe geschaltet einen Kondensator 7‘ beziehungsweise 8‘ und einen Widerstand 7‘‘ beziehungsweise 8‘‘ auf, wobei die Kondensatoren 7‘, 8‘ jeweils zwischen den Widerständen 7‘‘, 8‘‘ und der Empfängerwicklung 3 geschaltet sind.
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Die erste RC-Schaltung 7 ist durch einen betätigbaren Schalter 9, der vorliegend als Transistor ausgebildet ist, mit einer positiven Spannungsquelle 10 verbindbar. Dabei ist dem Schalter 9 eine Spannungserfassungseinrichtung 11 zugeordnet, mittels welcher die durch den Schalter 9 geleitete Spannung erfassbar ist.
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Entsprechend ist die zweite RC-Schaltung 8 durch einen zweiten Schalter 12, der ebenfalls als Transistor ausgebildet ist, mit einer negativen Spannungsquelle 10‘, vorliegend mit Masse, verbunden beziehungsweise verbindbar. Auch dem zweiten Schalter 12 ist eine Spannungserfassungseinrichtung 13 zugeordnet, mittels welcher die durch den Schalter 12 geleitete Spannung erfassbar ist. Die erfassten Spannungen werden dabei durch eine Steuereinheit 14 ausgewertet, welche auch die Schalter 9 und 12 betätigt.
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Anhand des in 3 dargestellten Diagramms soll die Funktionsweise der Resolvereinrichtung 5 beziehungsweise der Vorrichtung 6 näher erläutert werden. Zum Durchführen eines Funktionstests betätigt die Steuereinheit 14 die beiden Schalter 9 und 12 mehrmals gleichzeitig, so dass die Transistoren gleichzeitig sperren oder leitend werden.
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In 3 sind die durch die Spannungserfassungseinrichtungen 11, 12 erfassten Spannungen V7 und V8 über die Zeit t für drei unterschiedliche Fälle aufgetragen. Dazu ist das Diagramm in drei Abschnitte I, II und III aufgeteilt. Die Transistoren beziehungsweise Schalter 9, 12 werden dabei jeweils gleichzeitig zu den Zeitpunkten t1, t3 und t5 aktiviert und zu den Zeitpunkten t2, t4 und t6 deaktiviert.
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In dem mittelten Abschnitt II ist das durch die RC-Schaltung 6 und 8 erzeugte Schwingungsverhalten der Empfängerwicklung 3 für den Normalfall dargestellt. Funktioniert der Resolver 1 korrekt, so ist ab dem Zeitpunkt t3, zu welchem die Schalter 9, 12 leitend wirken, ein abklingendes Schwingungsverhalten der Spannungen V7 und V8 erkennbar, bis zu einem Zeitpunkt t4, zu welchem die Schalter 9, 12 wieder sperren. In diesem Fall schwingt die Eigeninduktivität der Empfängerwicklung 3 mit dem kapazitiven Anteil der zugeschalteten Phase mit. Vorteilhafterweise wird aus den beiden Spannungen V7 und V8 ein Differenzsignal gebildet, welches dann eine charakteristisch abklingende Sinusform aufweist, die eine Unterscheidung des Normalverhaltens von einem Kurzschluss, wie in dem Abschnitt III gezeigt ist, und eine Unterbrechung, wie sie in Abschnitt I gezeigt ist, ermöglicht.
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Liegt eine Unterbrechung im elektrischen Pfad vor, so werden durch die Spannungserfassungseinrichtungen 11, 12 beim Betätigen der Schalter 9, 12 zu einem Zeitpunkt t9 Spannungsausschläge, die bis zum Deaktivieren beziehungsweise Sperren der Transistoren zu dem Zeitpunkt t2 anhalten, erfasst.
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Liegt ein Kurzschluss vor, durch welchen die Empfängerwicklung 3 überbrückt wird, so ergibt sich das im Abschnitt III dargestellte Verhalten. Werden die Transistoren zu dem Zeitpunkt t5 leitend geschaltet, so entsprechen die erfassten Spannungssignale V7 und V8 einander. Nur zum Zeitpunkt des Schaltens gibt es dynamische Abweichungen, die sich jedoch durch das Schalten selbst ergeben und nur kurzzeitig auftreten, wie in 3 gezeigt.
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Entsprechend der dargestellten Spannungsverläufe ergibt sich jeweils ein entsprechendes Differenzsignal, das bevorzugt zur leichten beziehungsweise einfachen Auswertung der erfassten Spannung genutzt wird. Erfasst die Steuereinheit 14 somit, dass von dem Zeitpunkt des Einschaltens bis zum Zeitpunkt des Ausschaltens der Schalter 9, 12 sich der Signalverlauf des Referenzsignals oder der Spannungserfassungseinrichtung 11, 12 nicht oder kaum verändert, so wird auf einen Kurzschluss erkannt (Fall III). Wird erfasst, dass während der Zeit, in welcher die Transistoren leitend sind, die Spannungen V7 und V8 konstante Werte einnehmen und sich voneinander unterscheiden, so wird auf eine Unterbrechung im elektrischen Pfad der Empfängerwicklung 3 erkannt (Fall I). Nur dann, wenn ein abklingendes Schwingungsverhalten der erfassten Spannungen oder des Differenzsignals erfasst wird, erkennt die Steuereinheit 14 auf eine korrekte Funktion des Resolvers 1 (Fall II).
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Ein Windungsschluss würde in einer massiven Reduktion der Eigeninduktivität und der Schwingungsdauer resultieren und könnte somit ebenfalls durch die vorgestellte Vorrichtung 6 sowie das beschriebene Verfahren diagnostiziert und erkannt werden. Vorteilhafterweise ist eine entsprechende Vorrichtung 6 auch der zweiten Empfängerwicklung 4 zugeordnet, wobei die Prüfung der zweiten Empfängerwicklung 4 vorzugsweise zeitlich versetzt zu der Prüfung der Empfängerwicklung 3 durchgeführt wird, um Wechselwirkungen zu vermeiden. Während der Prüfung ist es empfehlenswert, die Erregerwicklung 2 auf „tristate“ zu schalten oder kurzzuschließen, weil bei Winkellagen, in denen eine magnetische Kopplung zwischen Erregerwicklung und Empfängerwicklung besteht (d.h. bei der Sinusspur bei allen Winkeln außer 0° und 180°), würde der Kurzschluss der Erregerwicklung mehr oder weniger auf die Empfangswicklung transformiert werden und das Messergebnis entspräche fälschlicherweise dem Zeitpunkt t5, wäre also eine Fehldiagnose.
