具有测试电路的变压器的制作方法

1.本发明涉及一种变压器以及一种具有这种变压器的传感器。


背景技术：

2.从专利文献de 44 259 03c3和ep 238 922bl中已知一种变压器，该变压器作为位置传感器根据以永磁的线性无接触移动为基础的线性行程测量的原理(所谓的plcd)工作。这种类型的位置传感器也作为线性感应的位置传感器，所谓的lips已知。
3.典型地，这种变压器具有连续的初级绕组，确切的说在软磁的核芯上的初级电感。在核芯的侧边端部上布置次级线圈或次级电感。该次级电感尤其是在用于具有最高安全要求的应用的传感器中也是冗余的，也就是说，分别上下布置。原则上，根据转换器的结构，初级电感和次级电感也仅仅部分地重叠，从而在故障情况中可出现电连接，该电连接使测量结果失真。通过次级绕组的断路可产生其它有误差的测量结果。
4.尤其是，在具有最高的安全要求的行程或角度传感器(例如其用于在电子液压的制动器中获取制动意愿)中，尤其是在不同的次级线圈组之间的、以及在初级绕组和次级绕组之间的电连接或短路更为重要，因为其常常表现为所谓的同源故障。由于这种故障，不再给出原本冗余的工作方式，因为同源故障使变压器的两个冗余的路径相似地或甚至相同地失真。因此，在这种故障情况中，将两个路径信号比较不再合理。


技术实现要素：

5.因此本发明的目的是，给出一种变压器/变量器(transformator)以及传感器，其允许可靠且精确的且全面的故障识别。
6.该目的通过独立权利要求所述的特征实现。从属权利要求的对象是优选的改进方案。
7.根据本发明的一个方面，变压器包括：具有初级电感的初级电路、具有与初级电感电分离的并且与初级电感耦合的第一次级电感的第一次级电路、具有与初级电感电分离的并且与初级电感耦合的第二次级电感的第二次级电路，其中，第二次级电感设计成相对于第一次级电感冗余，尤其是使得第一次级电感包围第二次级电感或者第二次级电感包围第一次级电感，其中，第一和第二次级电感耦合到一个或者分别耦合到一个直流电压源上并且分别联接到一个具有用于量取测试电压的量取点的测试电路。借助于测试电压，不仅可识别不同的故障状态，而且也可区分故障状态。
8.本发明首先基于这样的认识，即，通过将确定的直流电压电势与实际传输的交变电压叠加，同时直流电压不会干扰地作用到感应耦合上，使得可识别故障状态。然而，作为对以直流电压电势比较为基础的诊断方法的基本限制是，唯独能识别仅仅在正常的、因此无故障的运行或状态中不电连接的线圈组之间的短路故障。
9.在本发明的构思中，彼此设计成冗余的次级电感优选地理解成，冗余的次级电感满足与其它次级电感相同的功能，确切的说冗余的次级电感对满足与另一(相同的)次级电
感对相同的功能。相应地，彼此冗余的次级电感几乎作用相同地定位在变压器中，例如通过上下或彼此缠绕。
10.优选地，冗余的电感不分享共同的脚点，从而分散地作用到变压器的次级电感的所有可用的端子上实现了识别并区分所有可能的电连接的可能出现的故障情况。
11.如果第一和第二次级电感耦合到共同的直流电压上，优选地借助于分压器从共同的电压源中导出为了每个次级电感独立所需的直流电压电势。
12.优选的是，相应的测试电路具有两个电阻，在电阻之间布置量取点/分接点，使得电阻形成分压器，其中，尤其是相应的次级电感串联在两个电阻之间。通过分压器，在相应的量取点上得到测试电压，该测试电压给出的推论是，是否并且如何通过电连接或断路改变相应的分配器，即，是否存在故障状态，并且涉及哪种形式的故障状态。优选地，测试电路集成到变压器的转换器的外部线路布置中。
13.优选的是，如此设计电阻大小，使得相应的分压器的分配比例不同。
14.根据一种优选的实施方式，变压器具有：具有与初级电感电分离的并且与初级电感耦合的第三次级电感的第三次级电路和具有与初级电感电分离的并且与初级电感耦合的第四次级电感的第四次级电路，其中，第四次级电感设计成相对于第三次级电感冗余，尤其是使得第三次级电感包围第四次级电感或者第四次级电感包围第三次级电感，其中，第三和第四次级电感分别耦合到一个直流电压源上或者第一和第二次级电感的直流电压源上并且分别联接到一个具有用于量取测试电压的量取点的测试电路上。例如，这种实施方案对于变压器在行程传感器中的应用尤其有利。与该实施方式相结合，利用根据本发明的变压器的诊断方案的范围此外得到尤其好的效果。
15.优选地，次级电感分别具有自己的与共同的参考电势的耦合端子或自己的接地端子，并且分别具有尤其是以电容的形式的与地的电分离部。优选地，电分离部设置在相应的绕组端部上，并且为感应的交变参数建立相应的交变电流接地参考点。通过与地的电分离，从交变电压的方面为测试电路接地，从而从交变电压方面，仅仅存在相应的次级电路，然而不存在测试电路。如果电分离部是电容，则有助益的是，利用变压器可转换具有高的频率的、例如在khz范围中或之上的交变电压。以这种方式，不能为电容选择小的电容，从而可忽略电容的无功阻抗。此外有利的是，也在对交变参数有影响的负载或输入电阻方面也优化电容。
16.优选的是，初级电路具有直流电压源，从而在初级电感上可施加确定的直流电压电势。初级电感位于具有限定的内电阻的固定的且已知的直流电压电势上，尤其是在识别在任意次级电感和初级电感之间的电连接的可能性方面是有利的。
17.优选地，如此设计测试电路的电组件的大小，使得在不同的故障状态中，尤其是在不同组合的组件之间短路时，分别对于测试电压中的至少一个，在考虑相应的最大组件容差的情况下，在无故障的状态中的测试电压和在不同的故障状态中的特定状态中的测试电压之间的差值尽可能大。
18.根据一种有利的实施方式，变压器具有联接到相应的量取点上的用于继续处理测试电压的分析装置，例如以微控制器的形式，其中，分析装置设置成，将相应的测试电压与至少一个阈值电压比较，并且据此得出变压器是否具有故障状态的信息，该信息尤其是也涉及哪种形式的故障状态。
19.优选地，量取点通过分别一个模拟数字转换器联接到分析装置上。通过由分析装置数字地进行继续处理，在区分故障状态和无故障的状态方面得到简单地且长时间稳定地调整决策阈值。
20.优选地，相应的模拟数字转换器与作为参考电压源的次级电感的公共的直流电压源相连接。由此，电压源的绝对参数或出现的运行电压不精确性并不重要，因为整个系统具有比率的特性，并且不仅正常运行中而且在故障情况中，实际上仅仅由出现的分压器的分配比例确定出现的测试电压。
21.根据本发明的另一方面，传感器具有所给出的变压器，其中，传感器构造成，根据在初级电感和次级电感之间的耦合获取感应器经过的行程，其中，感应器根据行程、尤其是通过软磁性的核芯的局部饱和影响该耦合。优选地，在此感应器反映车辆制动器的串联主缸的初级活塞的位置。
附图说明
22.结合对以下实施例的描述使以上描述的本发明的特点、特征和优点以及其实现方式更清楚和明确地理解，结合附图详细解释该实施例。其中，示意性地：
23.图1示出了变压器的电路，
24.图2示出了表明根据本发明的方案的一部分的电路，
25.图3示出了根据第一实施例的根据本发明的电路，
26.图4示出了根据第二实施例的根据本发明的电路，
27.图5示出了在不同的故障状态中的根据第二实施例的简化的直流电压替代电路，
28.图6示出了在其它不同的故障状态中的根据第二实施例的简化的直流电压替代电路，
29.图7示出了在图6中的故障状态中的一种中的根据第二实施例的简化的直流电压替代电路，
30.图8示出了在其它不同的故障状态中的根据第二实施例的简化的直流电压替代电路，
31.图9示出了根据本发明的传感器的示意性的实施例。
具体实施方式
32.参考图1，变压器的电路具有初级电路和与初级电路电分离的次级侧，次级侧具有两个冗余地实施的、即总共四个次级电感ls1.1、ls1.2、ls2.1、ls2.2。在此，次级电感ls1.1和ls1.2以及次级电感ls2.1和ls2.2分别形成第一路径s1和第二路径s2。以下，电感也以相同的含义称为绕组或线圈组。通过感应耦合，初级电感lprim和次级电感ls1.1至ls2.2形成转换器t1。
33.初级电感lprim由对称的确切的说在每侧上出现的低阻抗的正弦电压源供给。在两个绕组端部上具有相同电势的相同的直流电压源vdcprim确保，直流电流不能流过初级绕组lprim，但是尽管如此初级绕组位于限定的、固定的且低阻抗的直流电势上。
34.为了能可靠地通过评估直流电压电势获得线圈组断路和与相邻的线圈组的电连接，次级路径s1和s2的两个分离的地接地脚点并不电流地与地相关，而是通过合适大小的
电容c断开。当高阻抗地加载次级侧和/或信号频率足够大从而可忽略电容c的无功阻抗时，可选择小的电容值c。于是，对于在次级绕组中的信号频率，不出现在共同的接地参考点的方面的变化。
35.通过断开直流电压，可通过合适地设计分压器的大小，将相应的次级路径s1、s2设计成恒定的电势，当不出现故障状态时，恒定的电势是额定电势。与该电势的显著偏差表明由于线圈组断路和与相邻的线圈组的电连接引起的故障情况。分压器通过并联的电阻ril和电阻rvl或并联的电阻ri2和电阻rv2形成。
36.由此，通过评估测试电压vmon1和vmon2，可借助于与线圈组相关联的不同的源电势和直流电压源的不同的内电阻，使得可明确地识别在初级绕组与任意次级绕组之间的、在次级绕组与冗余的位于次级绕组之上的次级绕组之间有故障的电连接，以及此外在任意次级绕组中的断路。
37.作为对以直流电压电势比较为基础的诊断方法的基本限制是，唯独能识别仅仅在正常的、因此无故障的运行中不电连接的线圈组之间的短路故障。相应地，不能识别布置在冗余的转换器路径s1、s2之内的线圈组的短路，因为在一个路径之内其线圈组在共同的脚点中电连接。在图1中，该电连接的特征在于，作为路径s1的脚点的连接节点3以及连接节点4作为路径2的共同的脚点。
38.例如，如果通过根据图1的接线方案产生在以附图标记1表示的点和以附图标记2表示的点之间的短路(由此，路径s1的线圈组(有故障地)并联)，则负责故障显示的测试电势vmon1不能表明故障状态，因为直流电压电势并不单纯地改变。
39.在更准确地考察重要的同源故障时，显露出首先看起来无关紧要的在次级路径之内的线圈组的短路故障，因为尽管仅仅在实际上冗余的次级路径中产生故障，由于短路和由此出现的流过配合电感的短路电流，该故障反作用到剩下的、无故障的信号路径上。在这种情况中，两个次级路径不再彼此无关，并且根据变压器的感应耦合，在一个路径中的故障状态对实际无故障的路径产生串扰，并且在一定程度上迫使无故障的路径具有有故障的路径的信号状态。当变压器使用在行程传感器中时，直接的结果是在两个信号路径中的传感器的行程偏差(由此使冗余的性能无效)，通过在图1中示出的变压器不能表明这种结果。然而，在具有高的安全要求的传感器中应避免这种情况。
40.为了克服在故障状态的诊断深度中结合图1解释的不足，在图2中示出了用于消除该不足的原理性方案，其中，保持获得在诊断深度方面的基本性能。为此，首先如此相对于图1中的实施方案改变转换器t1的接线方案，即，提供分别作为单独的、独立的端子的次级线圈组的绕组端部。即，现在，属于信号路径的用于路径s1的次级线圈组ls1.1和ls1.2以及用于路径s2的ls2.1和ls2.2不再分享共同的脚点。图2示出了适合用于使用扩展的诊断方法的转换器实施方案。分散地作用到转换器t1的次级绕组ls1.1、ls1.2、ls2.1、ls2.2的所有可用端子上实现，如此扩展图1中的原来的诊断方法，即，使得可识别所有在故障情况中出现的在单个次级绕组之间的电连接。
41.在图3中示出了根据本发明的变压器的第一实施例。在此，在冗余的转换器t1的每个次级绕组ls1.1、ls1.2、ls2.1、ls2.2中，通过电压源v1、v2、v3、v4以叠加的方式将独立的直流电压电势施加到感应的交变参数上。此外，为了明确的故障指示，附加地，独立的直流电压源应分别具有独立的内电阻或源电阻riv1、riv2、riv3、riv4。通过脚点电容c1、c2、c3、
c4闭合用于始终同样待转换的交变参数的交变电流电路。通过待评估的检测信号trchk1.1、trchk1.2、trchk2.1、trchk2.2区分正常的、无故障的运行和故障状态，因为检测信号携带相应于转换器t1的运行状态的直流电压电势。在该实施例中用于操控初级绕组lprim的信号源vsin是对称的电压源，这对于诊断方法的功能的重要性是次要的。然而重要的是，初级绕组位于具有限定的内电阻的固定的且已知的直流电压电势上。在此并且在其它实施例中，通过直流电压源v_dcprim满足该条件。
42.相对于图3，根据经济性角度稍微改变图4的实施例。因此，不是利用单独的特殊的电压源产生独立所需的直流电压电势，而是借助于分压器从一个共同的电压源v中导出。
43.对于四个次级电感ls1.1、ls1.2、ls2.1、ls2.2，再次在相应的绕组端部上设置四个独立的脚点电容c1、c2、c3、c4，脚点电容为感应的交变参数建立相应的交变电流接地参考点。当仅仅高阻抗地通过电阻ris1.1、ris1.2、ris2.1、ris2.2和交变电压放大器5、6、7、8的分别并联的交变电流输入电阻相对而言与电容c1至c4的无功阻抗相比，加载次级绕组的分别另一端部时，可选择小的电容值。于是，如此设计电容c1至c4的大小，使得在传感器的所选择的工作频率范围中可忽略其无功阻抗。
44.实际上可在完全在没有可能的交变电压残余的情况下，通过相应的分压器半部(这减小对于测试方法重要的比较电势，通过充分地设计脚点电容c1至c4的大小实现比较电势)，继续处理信号trchk1.1、trchk1.2、trchk2.1、trchk2.2。例如，可在通过模拟数字转换器转换成数字之后，进行该继续处理，由此，得到简单地且长时间稳定地调整在区分故障状态或没有故障状态(正常运行)方面的决策阈值。
45.除了所述经济性的优点，使用独立设计大小的分压器同时还具有其它正面的性能：
46.‑
所选择的分压器的阻抗水平同样确定源的独立的内电阻。
47.‑
所选择的分配比例确定相应的次级绕组的叠加的直流电压电势。
48.‑
如果共同的电压源v不仅用作分压器rv1.1对ris1.1、rv1.2对ris1.2、rv2.1对ris2.1、rv2.2对ris2.2的供给源而且用作用于评估的模拟数字转换器的参考电压源，则电压源v的绝对大小不重要，因为整个系统具有比率的特性，并且不仅正常运行中而且在故障情况中，实际上仅仅由出现的分压器的分配比例确定出现的电势trchk1.1至trchk2.2。
49.通过根据图3和图4的实施例，用于识别次级线圈组断路和与相邻的线圈组的电连接的诊断方法实现，与在转换器t1中预确定的交变参数无关地，并且主要连续地或无中断地在运行期间，提供变压器的可靠的检测方案。此外，方法是自检查的，因为在扩展的诊断机构之内任意形式的故障直接导致故障显示，从而通过方法的基本结构已经可靠地避免由此引起的潜在的故障。
50.通过在图4的变速器电路中有机地集成的分压器，通过测试电压trchk1.1至trchk2.2提供次级绕组独立的测试信号，该测试信号具有根据转换器t1的运行状态确定的直流电压电势，并且由此通过对直流电压电势的评估为可靠地决策变压器在正常的、也就是说无故障的还是但是在有故障的运行状态中给出基础。
51.在无故障的调节运行中，出现四个从分压器的大小中得到的额定电势。在可利用方法识别的转换器t1的故障状态方面，可大致区分三种不同的故障类别：
52.类型a
‑
在任意次级线圈组之间的电连接。
53.类型b
‑
在任意次级线圈组和初级绕组之间的电连接。
54.类型c
‑
一个或多个次级线圈组的电断路。
55.粗略的故障类别包括多种可能的单个故障，以下应详细考察这些单个故障。
56.如果根据图4的转换器t1在正常的运行方式中，也就是说未出现故障，则从简单的电压分配规则中相应于分压器的大小得到检测信号trchk1.1至trchk2.2的检测信号的电势。因此适用的是：
[0057][0058][0059][0060][0061]
在具有在任意次级线圈组之间的电连接的a型故障组中，在具有总共四个独立的次级线圈的转换器中，可出现六种不同的故障状态a1至a6。在图5的直流替代电路中以汇总图示出了这些故障状态。
[0062]
替代电路仅仅考虑对于在trchk1.1至trchk2.2上的直流电势重要的组件。在该图示中，省去了剩下的变压器的电路组件。从替代电路图中得到，相应的故障状态导致分别两个分压器半部并联。相应地，可在考虑分别并联的分压器半部的情况下确定在故障情况中得到的用于trchk检测信号的电势，即测试电压。通过简单的电压分配规则适用的是
[0063]
对于故障状态a1：
[0064][0065]
对于故障状态a2：
[0066][0067]
对于故障状态a3：
[0068][0069]
对于故障状态a4：
[0070]
[0071]
对于故障状态a5：
[0072][0073]
对于故障状态a6：
[0074][0075]
在类型b的故障组(其概括了在任意次级绕组与初级绕组之间的电连接)中，得到四个单个的故障状态b1至b4。在此，也可得出在图6中示出的简化的直流替代电路。
[0076]
以故障状态b1(在其中次级绕组ls1.1与初级绕组lprim电连接)为例，在图7中以另一形式再次示出了对于相应的故障状态产生的电网络。可以简单的方式通过相应的节点和网格方程(如在图7中)，获得在故障情况中出现的在trchk1.1上的电压(该检测信号仅仅在故障状态中变化)。
[0077]
从用于b1的节点和网格方程中得到：
[0078]
0＝i1+i2
‑
i3
[0079][0080]
0＝
‑
i2*rv1.1
‑
i3*ris1.1+v
[0081]
通过trchk1.1＝i3*risl.l，在解开方程组之后，获得用于故障状态b1的检测信号trchk1.1的明确表达：
[0082][0083]
可与上述过程相似地获得剩余三个用于在故障状态b2中的trchk1.2的、用于在故障状态b3中的trchk2.1的、以及用于在故障状态b4中的trchk2.2的确定方程。
[0084]
类型c的故障组的特征在于任意次级绕组的断路，其中，由于分压器的独立性，也可同时出现该故障组中的多种故障状态，而不妨碍诊断能力。从具有故障状态c1至c4的图8中的直流替代电路中可看出，在由于绕组断路的故障情况中，也可断开相应的分压器，并且相应地，相应的检测信号trchk具有电压源v的总电势。因此适用的是
[0085]
对于故障状态c1：
[0086]
trchk1.1＝v
[0087]
对于故障状态c2：
[0088]
trchk1.2＝v
[0089]
对于故障状态c3：
[0090]
trchk2.1＝v
[0091]
对于故障状态c4：
[0092]
trchk2.2＝v
[0093]
根据另一在图中未示出的实施例，电阻ris1.1和ris2.2耦合到共同的电压源上，而电阻rv1.1和rv2.2耦合到地电势上。在该示例中固定地预设电阻值ri时，通过该实施方案获得，在正常的无故障的运行和故障状态之间的电势差方面的尤其是在次级绕组之间的电连接、即类型a的故障中的最优。这归因于，尤其是在故障组a的故障状态中，不仅确定适宜地选择的分压器静态电势(trchk1.1至trchk2.2)，而且确定分压器彼此的阻抗水平比例，以及在正常的无故障的运行和故障状态之间得到的电势差。
[0094]
在设计电组件的大小时应考虑其容差。变速器或测试电路的尽可能有利的大小设计的基本目标是，在整个故障状态上获得用于测试电压trchk1.1至trchk2.2中的至少一个的尽可能大的、确切的距离。
[0095]
在图9中非常示意性地示出了具有以上描述的变压器的根据本发明的传感器。初级电感lprim连续地缠绕到软磁的核芯上，在核芯的端部上缠绕次级电感ls1.1、ls1.2，并且出于安全性原因与其冗余地缠绕次级电感ls2.1、ls2.2。感应器(利用传感器测量其经过的行程)构造成永磁体，并且使软磁的核芯局部地进入磁饱和。这影响在初级电感lprim和次级电感ls1.1、ls1.2、ls2.1、ls2.2之间的耦合，从而由此可推出感应器经过的行程。
[0096]
如果在设计大小时在考虑参与的容差的情况下得到在正常的无故障的运行和任意的故障状态之间充分大的最小电势距离，得到变压器的极其稳定的运行方式，在其中，实际上完全排除了误诊断的风险。
[0097]
尤其是变压器使用在用于具有最高安全要求的应用的传感器中时，不仅可靠地、而且也快速地识别故障状态。由于使用在变速器的所描述的电路中的rc电网，从正常的无故障的状态到故障状态中的过渡导致电的平衡过程，根据独立的电网的有效时间常数，平衡过程导致故障状态的显示延迟时间。然而试验表明，最长出现的时间段也非常小，使得可利用变压器进行的诊断也适合用于故障显示的响应极其快速的应用。