DE102017211219A1

DE102017211219A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Lenkunterstützungsantriebs

Info

Publication number: DE102017211219A1
Application number: DE102017211219.0A
Authority: DE
Inventors: Jean-Paul Kremer; Udo Hallmann; Lars Gottwaldt; Sebastian Hörnlein
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einer elektrischen Maschine (3), insbesondere eines Lenkunterstützungsantriebs, einer Leistungstreiberschaltung (2) zum Bereitstellen von Phasenspannungen (U, V, W) und einer Sicherheitseinrichtung (5) zum Auftrennen von Phasenstrangzuleitungen (4), die die Leistungstreiberschaltung (2) mit Phasensträngen (31) der elektrischen Maschine (3) verbinden, wobei in einem Fehlerfall folgende Schritte ausgeführt werden:- Bestimmen einer Drehzahl eines Rotors der elektrischen Maschine (3);- Bestimmen einer Drehrichtung der elektrischen Maschine (3) und der Fehlerart des Fehlerfalls;- Ermitteln eines Rotorlagebereichs (RB), in dem eine gleichzeitige Auftrennung der Phasenstrangzuleitungen (4) zugelassen wird, abhängig von der Drehzahl, der bestimmten Fehlerart und der bestimmten Drehrichtung;- Unterbrechen der Phasenstrangzuleitungen (4) abhängig von dem ermittelten Rotorlagebereich (RB) und von einer aktuellen Rotorlage (φ).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Lenkunterstützungsantriebe, und insbesondere Maßnahmen zur Durchführung einer Phasentrennung eines solchen Lenkunterstützungsantriebs im Fehlerfall.
Technischer Hintergrund
Lenkunterstützungsantriebe, die eine Lenkunterstützungskraft für Lenksysteme bereitstellen, können als elektronisch kommutierte, mehrphasige elektrische Maschinen ausgebildet sein. Diese werden in der Regel durch eine Leistungstreiberschaltung angesteuert, die entsprechend einem bereitzustellenden Lenkunterstützungsmoment Phasenspannungen über Phasenstränge an die elektrische Maschine anlegen. Tritt in der Leistungstreiberschaltung ein Kurzschlussfehler auf, so kann dies zu einem hohen Stromfluss durch einen oder mehrere Phasenstränge führen, der eine Blockierung oder eine erhebliche Schwergängigkeit der elektrischen Maschine bewirkt.
Es werden üblicherweise Überwachungsschaltungen vorgesehen, die die ordnungsgemäße Funktionsfähigkeit der Leistungstreiberschaltungen überprüfen und entsprechend ein Fehlersignal im Fehlerfall bereitstellen. Zudem sind in der Phasenstrangzuleitung zwischen der Leistungstreiberschaltung und dem jeweiligen Phasenstrang der elektrischen Maschine Trennschalter in Form von MOSFETs vorgesehen, die durch eine entsprechende Ansteuerung die Phasenstrangzuleitungen trennen können bzw. hochohmig schalten können.
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Konzepte bekannt, die Abschaltung von einzelnen oder allen Phasenstrangzuleitungen vorzunehmen. So ist beispielsweise aus den Druckschriften DE 10 2012 208 632 A1 und US 2013 0320 895 A1 eine sequentielle Phasentrennung bekannt. Eine sequentielle Trennung der Phasenstrangzuleitungen erhöht jedoch den Analyseaufwand, da mehrere Schaltungszustände analysiert und ausgewertet werden müssen.
Es sind darüber hinaus Ansätze bekannt, die Trennschalter gleichzeitig zu öffnen und so eine gleichzeitige Auftrennung der Phasenstrangzuleitungen zu erreichen.
Aus der Druckschrift DE 10 2010 033 440 B4 ist ein Verfahren zur Sicherheitsabschaltung einer elektromechanischen Kraftfahrzeug-Servolenkung bekannt, bei der bei Auftreten eines Fehlers ein Abschaltsignal an die Trennschalter ausgegeben wird.
Aus der Druckschrift DE 10 2013 104 937 A1 ist ein Verfahren zur Phasentrennung eines Antriebsmotors eines Lenksystems bekannt. Dabei wird eine Spannung eines Phasenstrangs gemessen und überprüft, ob diese Spannung nicht konstant über eine erste Zeitdauer ist. Ein erster Zeitpunkt wird festgestellt, zu dem diese Spannung vom leitenden Zustand einer Body-Diode eines Leistungsschalters in den nichtleitenden Zustand der Body-Diode wechselt, wobei ein Trennschalter zur Phasentrennung des Phasenstrangs nach Feststellen des ersten Zeitpunkts angesteuert wird.
Aus der Druckschrift US 8,884,559 B2 ist ein Motorsystem bekannt, das eine Treiberschaltung zum Ansteuern von mehreren Phasen an der elektrischen Maschine und eine Sicherheitsschaltung aufweist, die Trennschalter für jeden der Phasenstränge umfasst. Mithilfe einer Sicherheitssteuereinheit wird jeder der Trennschalter so angesteuert, dass bei Auftreten eines Fehlers zunächst die Halbleiterschaltelemente der Treiberschaltung und nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer die Trennschalter der Sicherheitsschaltung geöffnet werden. Dadurch kann vermieden werden, dass die Trennschalter der Sicherheitsschaltung durch eine Spitzenspannung zerstört werden.
Um eine Blockierung des Lenkunterstützungsantriebs zu vermeiden, können also mithilfe der Trennschalter die Phasenströme unterbrochen werden. Die Trennschalter sind in der Regel als Halbleiterschalter ausgebildet, die jedoch so dimensioniert werden, dass sie im Vergleich zum nominalen Stromfluss (Nennstrom) in die elektrische Maschine nur relativ geringe Phasenströme unterbrechen können. Besonders bei einer hohen Temperatur des Trennschalters kann dieser nur einen sehr geringen Phasenstrom unterbrechen. Nach dem im Fehlerfall üblichen Deaktivieren der Leistungstreiberschaltung können durch die induktive Last der sich noch drehenden elektrischen Maschine hohe Stromflüsse auftreten, die die Strombelastbarkeit der Trennschalter überschreiten. Bei der nach Auftreten eines Fehlers noch drehenden elektrischen Maschine variieren diese Stromflüsse über die Rotorlage, so dass nur während bestimmter Zeitfenster eine gleichzeitige Unterbrechung der Stromflüsse in den Phasensträngen möglich ist.
Darüber hinaus kann eine Schwierigkeit darin bestehen, dass die Phasenströme beim Auftreten eines Fehlers in der Leistungstreiberschaltung nicht gemessen werden können. Daher ist zum Zeitpunkt des Auftretens eines Fehlers nicht bekannt, ob ein sofortiges Öffnen der Trennschalter möglich ist, ohne den Trennschalter zu gefährden oder zu zerstören.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einer Sicherheitsschaltung zum Trennen von Phasenstrangzuleitungen vorzusehen, dass es zulässt, Trennschalter nur bei geringen Schaltströmen zu schalten, und darüber hinaus keine Phasenstrangmessung benötigt.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einer elektrisch kommutierten elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die Abschaltvorrichtung und das Motorsystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems mit einer elektrischen Maschine, einer Leistungstreiberschaltung zum Bereitstellen von Phasenspannungen und einer Sicherheitseinrichtung mit Trennschaltern zum Auftrennen von Phasenstrangzuleitungen, die die Leistungstreiberschaltung mit Phasensträngen der elektrischen Maschine verbinden, vorgesehen, wobei in einem Fehlerfall folgende Schritte ausgeführt werden:

- Bestimmen einer Drehzahl eines Rotors der elektrischen Maschine;
- Bestimmen einer Drehrichtung der elektrischen Maschine und der Fehlerart des Fehlerfalls;
- Ermitteln eines Rotorlagebereichs, in dem eine gleichzeitige Auftrennung der Phasenstrangzuleitungen zugelassen wird, abhängig von der Drehzahl, der bestimmten Fehlerart und der bestimmten Drehrichtung;
- Unterbrechen der Phasenstrangzuleitungen abhängig von dem ermittelten Rotorlagebereich und von einer aktuellen Rotorlage.

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, die Trennschalter in der Sicherheitseinrichtung im Fehlerfall innerhalb eines Zeitfensters gleichzeitig zu öffnen, d.h. auszuschalten, während die Beträge aller Phasenströme geringer sind als ein vorgegebener maximaler Betrag für die Phasenströme. Der maximale Betrag der Phasenströme entspricht einem Phasenstrom, der durch die verwendeten Trennschalter sicher unterbrochen werden kann, ohne dass es durch den Schaltvorgang zu einer Beschädigung oder Fehlfunktion des Trennschalters kommt.
Die Trennschalter werden in der Regel durch Halbleiterbauelemente ausgebildet, insbesondere als Leistungs-MOSFETs, die bauartbedingt eine Invers-Diode zwischen dem Drain- und Source-Anschluss aufweist. Wird ein solches Halbleiterbauelement bei einem hohen Stromfluss in eine induktive Last hochohmig geschaltet, kommt es zu einem starken Spannungsanstieg zwischen dem Drain- und Source-Anschluss, der je nach Höhe des geschalteten Stroms eine Durchbruchsspannung übersteigen kann. Bei einem Spannungsdurchbruch wird in der Regel das Halbleiterbauelement zerstört.
Wenn ein Fehlerfall in einer Leistungstreiberschaltung während eines Betriebs der elektrischen Maschine auftritt, wird die Leistungstreiberschaltung abgeschaltet. Durch die aufgrund der Massenträgheit oder das Einwirken äußerer Kräfte weitergeführte Drehung des Rotors der elektrischen Maschine entstehen in den Phasensträngen aufgrund induzierter Spannungen Phasenströme. Sind die induzierten Spannungen betragsmäßig größer als die Schwellenspannungen der Inversdioden der Schalttransistoren in der Leistungstreiberschaltung und so gerichtet, dass die Inversdioden in den leitenden Zustand gebracht werden, fließen Phasenströme durch die Phasenstränge der elektrischen Maschine.
Im Falle eines Kurzschlusses in einem mit einem hohen Versorgungspotenzial verbundenen Schalttransistor der Leistungstreiberschaltung werden die Inversdioden von anderen Schalttransistoren der Leistungstreiberschaltung zeitweise in den leitenden Zustand gebracht. Die Höhe der Phasenströme variiert abhängig mit der elektrischen Rotorlage des Rotors. In einem Rotorlagebereich sind die Phasenströme in den Phasensträngen gleichzeitig gering, d. h. niedriger als der maximale Schaltstrom, so dass bei einer Rotorlage innerhalb des Rotorlagebereichs die Trennschalter gleichzeitig ausgeschaltet werden können, ohne dass eine Durchbruchsspannung in einem der Trennschalter auftritt. Der Rotorlagebereich variiert jedoch mit der Motordrehzahl, wobei der Rotorlagebereich, in dem ein gleichzeitiges Ausschalten der Trennschalter zulässig ist, mit zunehmender Motordrehzahl kleiner wird.
Die Rotorlagebereiche, in denen die gleichzeitige Phasentrennung durch die Trennschalter durchgeführt werden kann, können als Kennlinie bzw. Kennfeld in Abhängigkeit von einer Motordrehzahl ermittelt werden. Die Ermittlung der Kennlinien kann durch Simulation oder Prüfstandstests erfolgen, wobei Temperatureinflüsse, Störungen, z. B. Streuung der Komponenteneigenschaften, sowie Rauschen bei der Messung der elektrischen Rotorlage durch geeignete Toleranzen berücksichtigt werden können.
Insbesondere sieht das obige Verfahren vor, basierend auf einem klassifizierten Fehlerfall (Referenzfehler) und auf einer bestimmten Drehrichtung der elektrischen Maschine den Rotorlagebereich, in dem die gleichzeitige Phasentrennung durchgeführt werden kann bzw. nicht zulässig ist, abhängig von einem vorgegebenen Referenz-Rotorlagebereich zu ermitteln. Der Referenzrotorlagebereich entspricht einem bestimmten Fehlerfall (Referenzfehler), wie z. B. einem Kurzschluss eines bestimmten Schalttransistors bei einer positiven Drehrichtung der elektrischen Maschine. D. h., tritt der Referenzfehler bei einer positiven Drehrichtung der elektrischen Maschine auf, entspricht der Rotorlagebereich, in dem die gleichzeitige Phasentrennung durchgeführt werden kann, dem Referenz-Rotorlagebereich.
Bei einem Kurzschlussfehler unter Bedingungen, die dem Referenzfehler nicht entsprechen, wird der Rotorlagebereich, innerhalb dem die gleichzeitige Phasentrennung durchgeführt werden kann, durch eine Verschiebung des Referenz-Rotorlagebereichs ermittelt. Die Verschiebung wird realisiert durch die Addition eines Rotorlage-Offsets auf die Grenzen des Rotorlagebereichs. Die Ermittlung des jeweils anzuwendenden Abschaltungsrotorlagebereichs erfolgt durch Zuordnen des Rotorlage-Offsets zu dem jeweiligen Fehlerfall und der Drehrichtung und einer nachträglichen Anpassung des Referenz-Rotorlagebereichs. Auf diese Weise ist es möglich, in einfacher Weise den Rotorlagebereich zu bestimmen, in dem gefahrlos für die Sicherheitsschaltung eine Auftrennung der Phasenstränge zugelassen werden kann.
Weiterhin kann ein Referenz-Rotorlagebereich zu der bestimmten Drehzahl zugeordnet werden, wobei der Referenz-Rotorlagebereich einen Rotorlagebereich für Rotorlagen angibt, in dem für einen festgelegten Fehlerfall und eine festgelegte Drehrichtung eine gleichzeitige Auftrennung der Phasenstrangzuleitungen zugelassen wird, wobei der Rotorlagebereich, in dem eine gleichzeitige Auftrennung der Phasenstrangzuleitungen zugelassen wird, abhängig von dem Referenz-Rotorlagebereich, der bestimmten Fehlerart und der bestimmten Drehrichtung bestimmt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Rotorlagebereich durch Beaufschlagen von Grenzen des Referenz-Rotorlagebereichs mit einem Rotorlage-Offset ermittelt werden, der abhängig von dem bestimmten Fehlerfall und der bestimmten Drehrichtung vorgegeben wird.
Weiterhin kann als Fehlerfall ein Kurzschlussfehler in einem Schalttransistor der Leistungstreiberschaltung erkannt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit einer elektrischen Maschine, einer Leistungstreiberschaltung zum Bereitstellen von Phasenspannungen und einer Sicherheitseinrichtung zum Auftrennen von Phasenstrangzuleitungen, die die Leistungstreiberschaltung mit Phasensträngen der elektrischen Maschine verbinden, vorgesehen, wobei eine Steuereinheit ausgebildet ist, um in einem Fehlerfall folgende Schritte auszuführen:

- Bestimmen einer Drehzahl eines Rotors der elektrischen Maschine;
- Bestimmen einer Drehrichtung der elektrischen Maschine und der Fehlerart des Fehlerfalls;
- Ermitteln eines Rotorlagebereichs, in dem eine gleichzeitige Auftrennung der Phasenstrangzuleitungen zugelassen wird, abhängig von der Drehzahl, der bestimmten Fehlerart und der bestimmten Drehrichtung;
- Ansteuern der Sicherheitseinrichtung, um die Phasenstrangzuleitungen abhängig von dem ermittelten Rotorlagebereich und von einer aktuellen Rotorlage zu unterbrechen.

Weiterhin kann die Sicherheitseinrichtung jeweils einen Trennschalter für jede der Phasenstrangzuleitungen aufweisen, wobei die Trennschalter mit Halbleiterschaltern, insbesondere mit MOSFET-Transistoren ausgebildet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Rotorlagesensor ausgebildet sein, um die aktuelle Rotorlage zu erfassen.
Figurenliste
Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems mit einer Leistungstreiberschaltung, einer Sicherheitsschaltung und einer elektrischen Maschine;
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des Motorsystems der 1 bei Auftreten eines Kurzschlussfehlers in der Leistungstreiberschaltung; und
3a und 3b beispielhafte Verläufe von Phasenströmen über dem elektrischen Rotorwinkel im Falle eines Kurzschlussfehlers bei verschiedenen Motordrehzahlen.

Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einer Leistungstreiberschaltung 2 zum Bereitstellen von Phasenströmen für eine elektrische Maschine 3. Die elektrische Maschine 3 ist als elektronisch kommutierte elektrische Maschine ausgebildet, wie beispielsweise einem Synchronmotor oder dergleichen. Die elektrische Maschine 3 weist mehrere Phasenstränge 31 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Sternschaltung verschaltet sind. In alternativen Ausführungsformen können die Phasenstränge auch in Polygonschaltung verschaltet sein.
Die Leistungstreiberschaltung 2 steht über einer Anzahl von Phasenstrangzuleitungen 4 mit den Phasensträngen 31 der elektrischen Maschine 3 in elektrischer Verbindung. Die Anzahl der Phasenstrangzuleitungen 4 entspricht somit der Phasenzahl der elektrischen Maschine 3. In den Phasenstrangzuleitungen 4 ist eine Sicherheitseinrichtung 5 vorgesehen, die eine gesteuerte elektrische Unterbrechung der Phasenstrangzuleitungen 4 vornehmen kann, wenn ein Fehlerfall in der Leistungstreiberschaltung 2 aufgetreten ist.
Die Leistungstreiberschaltung 2 ist über eine Filterschaltung 6 mit einer Versorgungsspannung U_DC zwischen einem hohen Versorgungspotenzial V_H und einem niedrigen Versorgungspotenzial V_L verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Leistungstreiberschaltung 2 für den Betrieb einer dreiphasigen elektrischen Maschine 3 ausgebildet. Die Leistungstreiberschaltung 2 kann beispielsweise, wie dargestellt, in Form einer B6-Brückenschaltung mit einer jeweils den Phasensträngen zugeordneten Serienschaltung aus zwei Schalttransistoren 21, die z.B. in Form vom MOSFET-Transistoren 22 ausgebildet sind, vorgesehen sein. Die MOSFET-Transistoren weisen bauartbedingt intrinsische Invers-Dioden 23 auf, die in einer bezüglich der Spannungsrichtung, die sich aus der Anordnung der Schalttransistoren 21 ergibt, entgegengesetzten Spannung durchlässig werden können, D.h. bei einer negativen Spannung zwischen dem Drain-Anschluss und dem Source-Anschluss der Schalttransistoren 21, die eine Schwellenspannung übersteigt, fließt ein Diodenstrom von dem Source-Anschluss zu dem Drain-Anschluss des betreffenden Schalttransistors 21.
Ein jeweils zwischen den zwei seriell verschalteten Schalttransistoren 21 befindlicher Knoten K1, K2, K3 ist über eine entsprechende der Phasenstrangzuleitungen 4 mit dem jeweiligen Phasenstrang 31 der elektrischen Maschine 3 verbunden, um die jeweils durch die Leistungstreiberschaltung 2 bereitgestellte Phasenspannung U, V, W an die elektrische Maschine anzulegen.
Die Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 erfolgt mithilfe einer Steuereinheit 24, die abhängig von einer externen Sollvorgabe B entsprechend einem Kommutierungsschema die Schalttransistoren 21 steuert und dadurch öffnet oder schließt, um Phasenspannungen U, V, W für die einzelnen Phasenstränge 31 zu erzeugen und so bestimmte Phasenströme in die elektrische Maschine 3 einzuprägen. Die Kommutierung kann basierend auf einer aktuellen (elektrischen) Rotorlage φ_{Motor,elektrisch} der elektrischen Maschine 3 erfolgen, die mithilfe eines Sensors oder sensorlos durch Messung von Phasenströmen bestimmt wird.
Die Sicherheitseinrichtung 5 umfasst eine Sicherheitseinheit 51 und Trennschalter 52, die jeweils als Halbleiterschalter in Form eines MOSFET-Transistors ausgebildet sein können. Die MOSFET-Transistoren haben jeweils eine Body-Diode, über die ein Stromfluss größer als ein vorgegebener Schwellenstrom möglich ist. Die Sicherheitseinheit 51 dient dazu, einen Kurzschlussfehler in mindestens einer der Schalttransistoren 21 der Leistungstreiberschaltung 2 in an sich bekannter Weise zu detektieren. Die Sicherheitseinheit 51 ist entsprechend in der Lage, durch an sich bekannte Verfahren einen Kurzschlussfehler in einem der Schalttransistoren der Leistungstreiberschaltung 2 zu erkennen, diesen zu identifizieren, die Fehlerart zu bestimmen und bei Feststellen eines Fehlers, insbesondere eines Kurzschlussfehlers (d.h. der betreffende MOSFET-Transistor ist dauerhaft leitend) die Abtrennung der elektrischen Maschine 3 durch gleichzeitiges Abschalten der Trennschalter 52 der Sicherheitseinrichtung 5 vorzunehmen.
Aufgrund der begrenzten Durchbruchsspannung der Trennschalter 52 darf jedoch ein Abschalten nicht bei hohen Phasenströmen vorgenommen werden. Denn beim Schalten eines zu hohen Phasenstroms kann wegen der induktiven Eigenschaften der elektrischen Maschine eine hohe Feldstärke zwischen Drain-Anschluss und Source-Anschluss des als Halbleiterbauelement ausgebildeten Trennschalters 52 bewirkt werden, was zu einer Beschädigung oder Zerstörung führen kann.
Zum Betreiben des Motorsystems 1 führt die Sicherheitseinheit 51 ein Verfahren aus, wie es anhand des Flussdiagramms der 2 näher erläutert wird.
In Schritt S1 wird festgestellt, ob ein Fehlerfall in Form eines Kurzschlussfehlers vorliegt. Liegt ein Fehlerfall vor (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, anderenfalls wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
In Schritt S2 wird nun die Art des Fehlerfalls festgestellt, und insbesondere wird festgestellt, welcher der Schalttransistoren 21 einen Kurzschlussfehler aufweist. Ein Kurzschlussfehler liegt vor, wenn sich der betreffende Schalttransistor nicht öffnen lässt, d. h. nicht hochohmig schalten lässt.
In Schritt S3 wird nun die Drehrichtung der elektrischen Maschine festgestellt. Dies kann durch geeignete Auswertung eines Rotorlagesignals für die aktuelle Rotorlage φ_{Motor,elektrisch}, das der Steuereinheit 24 bereitgestellt wird oder durch die Steuereinheit 24 ermittelt wird, erkannt werden. Dazu kann die Steuereinheit 24 mit der Sicherheitseinheit 51 über eine geeignete Kommunikationsverbindung in Verbindung stehen, um das Rotorlagesignal oder eine daraus ermittelte Drehrichtung zu kommunizieren.
Als Nächstes wird in Schritt S4 eine Motordrehzahl ermittelt. Dies kann beispielsweise ebenfalls durch eine geeignete Kommunikation mit der Steuereinheit 24 erfolgen, die anhand des Rotorlagesignals durch zeitliche Differenzierung in an sich bekannter Weise eine Drehzahl ermitteln kann.
Abhängig von der Drehzahl wird nun in Schritt S5 in der Sicherheitseinheit 51 ein Referenz-Rotorlagebereich RRB bestimmt, der für die betreffende Drehzahl und einen bestimmten der möglichen Kurzschlussfehler (Referenzfehler) und eine bestimmte Drehrichtung (Referenz-Drehrichtung) einen Referenz-Rotorlagebereich RRB mit einer unteren und oberen Rotorlagegrenze φ_Referenz1, φ_Referenz2 angibt, in dem im Falle des Referenzfehlers und der bestimmten Drehrichtung eine sichere Abtrennung der elektrischen Maschine 3 möglich ist.
Die Größe des Rotorlagebereiches RB mit einer unteren und oberen Rotorlagegrenze φ₁, φ₂ ist abhängig von der Drehzahl, wie man beispielsweise aus den beispielhaften Verläufen der Phasenströme für verschiedene Motordrehzahlen in den 3a und 3b entnehmen kann. Durch Bereitstellen eines geeigneten Kennfelds für die Bestimmung des Referenz-Rotorlagebereichs RRB kann abhängig von der Motordrehzahl also eine obere und untere Grenze des Referenz-Rotorlagebereichs φ_Referenz1, φ_Referenz2 bestimmt werden.

Es kann nun in Schritt S6 abhängig von der Fehlerart des aufgetretenen Fehlers und von der Drehrichtung der elektrischen Maschine durch eine einfache Zuordnungstabelle für die Bestimmung des Rotorlagebereichs RB mit φ₁, φ₂ aus dem Referenz-Rotorlagebereich RRB berechnet werden. Die Berechnung erfolgt entsprechend folgender Zuordnung:

Fehlernummer	Defekter Transistor in Brückenschaltung (KurzschlussFehler)	Drehrichtung des Motors	Rotorlage für die Abfrage der Grenzen des Rotorlagebereic hs	Umrechnungsformel für die obere und untere Grenze des Rotorlagebereichs berechnet aus dem ReferenzRotorlagebereich
				[rad]
1	Zweig U oberer Transistor	>= 0	φ_{Motor,elektrisch}	φ₁ = φ_Referenz1, φ₂ = φ_Referenz2
2	Zweig U unterer Transistor	>= 0	φ_{Motor,elektrisch}	φ₁ = φ_Referenz1 - π, φ₂ = φ_Referenz2 - π
3	Zweig V oberer Transistor	>= 0	φ_{Motor,elektrisch}	$φ_{1} = φ_{R e f e r e n z 1} + \frac{2 π}{3},$
				$φ_{2} = φ_{R e f e r e n z 2} + \frac{2 π}{3}$
4	Zweig V unterer Transistor	>= 0	φ_{Motor,elektrisch}	$φ_{1} = φ_{R e f e r e n z 1} - \frac{π}{3},$
				$φ_{2} = φ_{R e f e r e n z 2} - \frac{π}{3}$
5	Zweig W oberer Transistor	>= 0	φ_{Motor,elektrisch}	$φ_{1} = φ_{R e f e r e n z 1} - \frac{2 π}{3},$
				$φ_{2} = φ_{R e f e r e n z 2} - \frac{2 π}{3}$
6	Zweig W unterer Transistor	>= 0	φ_{Motor,elektrisch}	φ_Grenzwert = φ_Referenz
1n	Zweig U oberer Transistor	< 0	- φ_{Motor,elektrisch}	$φ_{1} = φ_{R e f e r e n z 1} + \frac{π}{3},$
				$φ_{2} = φ_{R e f e r e n z 2} + \frac{π}{3}$
2n	Zweig U unterer Transistor	< 0	- φ_{Motor,elektrisch}	φ₁ = φ_Referenz1 - π, φ₂ = φ_Referenz2 - π
3n	Zweig V oberer Transistor	< 0	- φ_{Motor,elektrisch}	$φ_{1} = φ_{R e f e r e n z 1} - \frac{2 π}{3},$
				$φ_{2} = φ_{R e f e r e n z 2} - \frac{2 π}{3}$
4n	Zweig V unterer Transistor	< 0	- φ_{Motor,elektrisch}	$φ_{1} = φ_{R e f e r e n z 1} + \frac{π}{3},$
				$φ_{2} = φ_{R e f e r e n z 2} + \frac{π}{3}$
5n	Zweig W oberer Transistor	< 0	- φ_{Motor,elektrisch}	$φ_{1} = φ_{R e f e r e n z 1} + \frac{2 π}{3},$ $φ_{2} = φ_{R e f e r e n z 2} + \frac{2 π}{3}$

6n	Zweig W unterer Transistor	< 0	- φ_{Motor,elektrisch}	$φ_{1} = φ_{R e f e r e n z 1} - \frac{π}{3},$
				$φ_{2} = φ_{R e f e r e n z 2} - \frac{π}{3}$

Somit kann der Rotorlagebereich, der den Bereich von Rotorlagen zwischen φ₁ und φ₂ angibt, innerhalb dem eine Auftrennung der Phasenstränge vorgenommen werden kann, in einfacher Weise bestimmt werden.
In Schritt S7 wird die Auftrennung der Phasenstrangzuleitungen 4 vorgenommen, sobald die aktuelle Rotorlage innerhalb des Rotorlagebereichs liegt. Dazu wird die aktuelle Rotorlage φ_{Motor,elektrisch} erfasst und abgefragt, ob diese in dem zuvor bestimmten Rotorlagebereich RB liegt. Gelangt die Rotorlage φ_{Motor,elektrisch} in diesen Bereich werden die Phasenstrangzuleitungen 4 durch die Sicherheitseinrichtung 5 gleichzeitig aufgetrennt.
Bezugszeichenliste

1: Motorsystem
2: Leistungstreiberschaltung
21: Schalttransistoren
22: MOSFET-Transistor
23: Invers-Diode
24: Steuereinheit
3: elektrische Maschine
31: Phasenstränge
4: Phasenstrangzuleitungen
5: Sicherheitseinrichtung
51: Sicherheitseinheit
52: Trennschalter
6: Filter
V_H: hohes Versorgungspotenzial
V_L: niedriges Versorgungspotenzial

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012208632 A1 [0004]
US 20130320895 A1 [0004]
DE 102010033440 B4 [0006]
DE 102013104937 A1 [0007]
US 8884559 B2 [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems (1) mit einer elektrischen Maschine (3), insbesondere eines Lenkunterstützungsantriebs, einer Leistungstreiberschaltung (2) zum Bereitstellen von Phasenspannungen (U, V, W) und einer Sicherheitseinrichtung (5) zum Auftrennen von Phasenstrangzuleitungen (4), die die Leistungstreiberschaltung (2) mit Phasensträngen (31) der elektrischen Maschine (3) verbinden, wobei in einem Fehlerfall folgende Schritte ausgeführt werden: - Bestimmen einer Drehzahl eines Rotors der elektrischen Maschine (3); - Bestimmen einer Drehrichtung der elektrischen Maschine (3) und der Fehlerart des Fehlerfalls; - Ermitteln eines Rotorlagebereichs (RB), in dem eine gleichzeitige Auftrennung der Phasenstrangzuleitungen (4) zugelassen wird, abhängig von der Drehzahl, der bestimmten Fehlerart und der bestimmten Drehrichtung; - Unterbrechen der Phasenstrangzuleitungen (4) abhängig von dem ermittelten Rotorlagebereich (RB) und von einer aktuellen Rotorlage (φ_{Motor,elektrisch}).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Referenz-Rotorlagebereich (RRB) zu der bestimmten Drehzahl zugeordnet wird, wobei der Referenz-Rotorlagebereich (RRB) einen Rotorlagebereich für Rotorlagen angibt, in dem für einen festgelegten Fehlerfall und eine festgelegte Drehrichtung eine gleichzeitige Auftrennung der Phasenstrangzuleitungen (4) zugelassen wird, wobei der Rotorlagebereich (RB), in dem eine gleichzeitige Auftrennung der Phasenstrangzuleitungen zugelassen wird, abhängig von dem Referenz-Rotorlagebereich (RRB), der bestimmten Fehlerart und der bestimmten Drehrichtung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rotorlagebereich (RB) durch Beaufschlagen von Grenzen des Referenz-Rotorlagebereichs (RRB) mit einem Rotorlage-Offset ermittelt wird, der abhängig von dem bestimmten Fehlerfall und der bestimmten Drehrichtung vorgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Rotorlage-Offset einem Vielfachen von $\frac{π}{P}$
entspricht, wobei P der Anzahl der Phasenstränge der elektrischen Maschine (3) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als Fehlerfall ein Kurzschlussfehler in einem Schalttransistor (21) der Leistungstreiberschaltung (2) erkannt wird.
Motorsystem (1) mit einer elektrischen Maschine (3), einer Leistungstreiberschaltung (2) zum Bereitstellen von Phasenspannungen (U, V, W) und einer Sicherheitseinrichtung (5) zum Auftrennen von Phasenstrangzuleitungen (4), die die Leistungstreiberschaltung (2) mit Phasensträngen (U, V, W) der elektrischen Maschine (3) verbinden, wobei eine Steuereinheit (24) ausgebildet ist, um in einem Fehlerfall folgende Schritte auszuführen: - Bestimmen einer Drehzahl eines Rotors der elektrischen Maschine (3); - Bestimmen einer Drehrichtung der elektrischen Maschine (3) und der Fehlerart des Fehlerfalls; - Ermitteln eines Rotorlagebereichs (RB), in dem eine gleichzeitige Auftrennung der Phasenstrangzuleitungen (4) zugelassen wird, abhängig von der Drehzahl, der bestimmten Fehlerart und der bestimmten Drehrichtung; - Ansteuern der Sicherheitseinrichtung (5), um die Phasenstrangzuleitungen abhängig von dem ermittelten Rotorlagebereich (RB) und von einer aktuellen Rotorlage (φ_{Motor,elektrisch}) zu unterbrechen.
Motorsystem (1) nach Anspruch 6, wobei die Sicherheitseinrichtung (5) jeweils einen Trennschalter für jede der Phasenstrangzuleitungen (4) aufweist, wobei die Trennschalter (52) mit Halbleiterschaltern, insbesondere mit MOSFET-Transistoren ausgebildet sind.
Motorsystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Rotorlagesensor ausgebildet ist, um die aktuelle Rotorlage (φ_{Motor,elektrisch}) zu erfassen.
Verwendung des Motorsystems (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 in einem Lenkunterstützungsantrieb in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs.