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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Motor zur Lenkunterstützung eines Fahrzeugs, ein Lenksystem und ein Verfahren zum Bestimmen eines Stroms eines Motors zur Lenkunterstützung eines Fahrzeugs.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im Stand der Technik sind Motorstromregelungen mit Shunt-Widerständen zur Strommessung bekannt. Ebenfalls sind Verfahren bekannt, die anstelle der Strommessung die Ströme in Elektromotoren aufgrund der angelegten Spannung und Parameter des Elektromotors und der Leistungselektronik rechnerisch bestimmen und diesen Strom zur Motorstromregelung verwenden („High Performance Current Sensorless Speed Servo System of PM Motor Based on Current Estimation" (2001) von Kiyoshi Ohishi und Yusuke Nakamura). Ferner existieren Möglichkeiten der Stromsteuerung beispielsweise nach einem Verfahren von Hafedh Sammoud und Walter Schumacher („Single Controller Current-Sensorless Speed Control of PMSM Using Inverse Drive Model" (2002)). In diesen Fällen ist ein stromsensorloser Motorbetrieb möglich, d.h. eine Strommessung wird nicht durchgeführt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Stromregelung erfordert die Bestimmung des zu regelnden Stroms. Die Bestimmung des Stroms kann durch Messung des Stroms oder durch Berechnung anhand eines Modells erfolgen. Zur Messung können unterschiedliche Bauteile eingesetzt werden, wie beispielsweise Messwiderstände oder magnetfeldabhängige Sensoren. Diese zusätzlichen Bauteile können jedoch einen zusätzlichen Aufwand erfordern. Beispielsweise können diese Bauteile spezielle Layoutvorschriften erforderlich machen. Zusätzliche Bauteile können auch eine Erhöhung der Ausfallwahrscheinlichkeit des gesamten Lenksystems bedeuten.
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Eine Aufgabe ist daher, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine Bestimmung bzw. Messung eines Stroms ermöglicht, wobei möglichst wenige zusätzliche Bauteile bzw. zusätzliche Erweiterungen vorhandener Bauteile notwendig werden sollen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll außerdem möglichst jederzeit eine Bestimmung des Stroms erlauben.
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Als erste Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung für einen Motor zur Lenkunterstützung eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt, umfassend: einen ersten Leistungsschalter zur Auftrennung einer Motorleitung z.B. zur Phasenauftrennung oder zur Sternpunktauftrennung, wobei der erste Leistungsschalter zur Bestimmung eines ersten Stroms durch den ersten Leistungsschalter vorgesehen ist.
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Elektromotoren zur Lenkunterstützung können Leistungsschalter aufweisen, die eine Phasenauftrennung oder eine Sternpunktauftrennung in einem Fehlerfall vornehmen können. Hierdurch soll verhindert werden, dass durch einen defekten Elektromotor oder eine fehlerhafte Ansteuerung des Elektromotors die Lenkbarkeit des betreffenden Fahrzeugs nicht mehr gegeben ist. Erfindungsgemäß werden die Leistungsschalter auch zur Motorstrommessung bzw. zur Motorstrombestimmung genutzt, wodurch Shunt-Widerstände zur Motorstrommessung entfallen können.
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Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug (z.B. ein PKW, ein LKW, ein landwirtschaftliches Fahrzeug), ein Schiff, ein Flugzeug oder ein sonstiges Fahrzeug sein.
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Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem zur Verfügung gestellt, umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
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Ein erfindungsgemäßes Lenksystem zeichnet sich durch eine relativ geringe Anzahl von Bauteilen aus, da beispielsweise die Funktion von Strommesswiderständen durch bereits vorhandene Leistungsschalter zum Freischalten des Motors zur Lenkunterstützung übernommen werden kann. Hierdurch kann ein erfindungsgemäßes Lenksystem, aufgrund der mehrfachen Nutzung vorhandener Bauteile, kostengünstig hergestellt werden.
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Als dritte Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Stroms eines Motors zur Lenkunterstützung eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte: Messen einer Spannung an einem Leistungsschalter zur Phasenauftrennung oder zur Sternpunktauftrennung und Berechnen des Stroms anhand eines Durchlasswiderstands des Leistungsschalters und der Spannung.
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Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung umfasst: einen zweiten Leistungsschalter zur Auftrennung einer Motorleitung z.B. zur Phasenauftrennung oder zur Sternpunktauftrennung und einen dritten Leistungsschalter zur Auftrennung einer Motorleitung z.B. zur Phasenauftrennung oder zur Sternpunktauftrennung, wobei der zweite Leistungsschalter zur Bestimmung eines zweiten Stroms durch den zweiten Leistungsschalter vorgesehen ist und/oder wobei der dritte Leistungsschalter zur Bestimmung eines dritten Stroms durch den dritten Leistungsschalter vorgesehen ist.
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Die Bestimmung der Motorströme kann durch die Messung der Spannungen über zwei oder alternativ drei Leistungsschalter erfolgen, wobei bei der ersten Variante der nicht gemessene dritte Motorstrom berechnet werden kann. In der zweiten Variante kann vorteilhafterweise auf eine Berechnung verzichtet werden.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung ein Element zum Bestimmen der Temperatur des ersten Leistungsschalters umfasst, wobei das Element zur Berechnung der Temperatur, beispielsweise anhand eines Temperaturmodells, oder als Temperatursensor ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Bauteil zur Temperaturmessung bzw. Temperaturbestimmung auf, wodurch eine exakte Bestimmung eines temperaturabhängigen Durchlasswiderstands des Leistungsschalters ermöglicht werden kann. Hierdurch kann eine genaue Bestimmung des Stroms durch den entsprechenden Leistungsschalter sichergestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung zur Überwachung und/oder zur Diagnose einer Steuerung oder Regelung des Motors oder zur Bestimmung eines Stroms für eine Regelung des Motors vorgesehen ist.
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Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass auf zusätzliche Shunt-Widerstände zur Motorstrommessung verzichtet werden kann.
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Die Verwendung eines oder mehrerer Leistungsschalter zum Freischalten als Überwachungs- und/oder Diagnosesensoren bzw. zur Feststellung eines zu regelnden Iststroms, erlaubt die Realisierung einer komplexen Funktionalität durch vorhandene Bauteile, nämlich die Leistungsschalter zur Phasenauftrennung bzw. zur Sternpunktauftrennung.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei der erste Leistungsschalter zusätzliche Leitungen zur Spannungserfassung aufweist und/oder wobei die zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters vorhandenen Anschlüsse zur Spannungserfassung vorgesehen sind.
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Durch den Einsatz von zusätzlichen Leitungen, beispielsweise zur Vierpolmessung bzw. zur Vierleitermessung, können exakte Messergebnisse am betreffenden Leistungsschalter erzielt werden. Hierdurch kann sich eine sehr genaue Strommessung ergeben. Eine Verwendung der Anschlussleitungen des Leistungsschalters zur Spannungsmessung stellt eine schaltungstechnisch einfache Möglichkeit zur Strombestimmung dar.
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In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung einen Ansteuer-IC zur Ansteuerung des ersten Leistungsschalters aufweist, wobei eine Verstärkerschaltung zur Spannungserfassung des ersten Leistungsschalters in dem Ansteuer-IC integriert ist.
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Eine Integration einer Verstärkerschaltung zur Spannungserfassung der Spannung eines Leistungsschalters zur Strombestimmung ermöglicht eine schnelle Montage einer entsprechenden Ansteuerung eines Motors, wodurch sich eine kostengünstige Herstellweise des betreffenden Lenksystems realisieren lassen kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei der Motor ein Gleichstrommotor oder ein Drehstrommotor ist. Der Motor kann ein Gleichstrommotor, ein Drehstrom-Asynchronmotor oder ein Drehstrom-Synchronmotor sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei der erste Leistungsschalter ein Power-Mosfet ist.
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Vorteilhafterweise kann ein Power-Mosfet, verwendet werden, wodurch sich ein kleiner Durchlasswiderstand des Leistungsschalters ergibt, was die Verlustleistung des betreffenden Leistungsschalters gering halten kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend die weiteren Schritte: Messen der Temperatur des Leistungsschalters und/oder Berechnen der Temperatur des Leistungsschalters anhand eines Temperaturmodells und Berechnen des Durchlasswiderstands anhand der Temperatur.
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Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, einen oder mehrere Leistungsschalter, die zum Abkoppeln eines Motors eines Lenksystems bei Eintreten von beispielsweise Fehlfunktionen vorgesehen sind, auch als Messwiderstände zur Bestimmung eines Stroms zu verwenden. In einer ersten Ausführungsform kann der Sternpunkt eines in Sternschaltung geschalteten Motors herausgeführt werden und zur Sternpunktauftrennung vorgesehene Leistungsschalter (zumindest zwei der drei Leistungsschalter) können erfindungsgemäß zur Messung des Motorstroms verwendet werden. Hierbei kann mittels des Durchlasswiderstands des Leistungsschalters und der gemessenen Spannungen an den Leistungsschaltern auf die entsprechenden Motorströme geschlossen werden. In einer zweiten Ausführungsform kann durch die Leistungsschalter, die erfindungsgemäß zur Motorstrommessung verwendet werden, eine Phasenauftrennung des betroffenen Motors vorgenommen werden. Falls der Durchlasswiderstand temperaturabhängig ist, kann eine Temperaturbestimmung, beispielsweise durch die Anordnung eines Temperatursensors am Leistungsschalter oder eine Berechnung auf Basis eines Temperaturmodells vorgenommen werden. Ein besonderer Vorteil der Strommessung durch Leistungsschalter, die zum Abkoppeln des Motors vorgesehen sind, ergibt sich dadurch, dass diese Leistungsschalter typischerweise während der kompletten Betriebsdauer eingeschaltet sind. Für eine Strommessung müssen daher üblicherweise keine Einschwingvorgänge durch ein Takten bzw. ein Ein- und/oder Ausschalten abgewartet werden.
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Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen
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1 eine Darstellung eines Regelkreises,
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2 eine Darstellung einer Steuerung,
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3 eine Darstellung eines Motors, der an einer Leistungsendstufe angeschlossen ist, wobei Messwiderstände zur Strommessung angeordnet sind,
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4 eine Darstellung eines Motors, der an einer Leistungsendstufe angeschlossen ist, wobei Leistungsschalter zur Phasenauftrennung angeordnet sind,
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5 eine Darstellung eines Motors, der an einer Leistungsendstufe angeschlossen ist, wobei Leistungsschalter zur Sternpunktauftrennung angeordnet sind,
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6 eine weitere Darstellung eines Motors, der an einer Leistungsendstufe angeschlossen ist, wobei Leistungsschalter zur Phasenauftrennung angeordnet sind,
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7 eine weitere Darstellung eines Motors, der an einer Leistungsendstufe angeschlossen ist, wobei Leistungsschalter zur Sternpunktauftrennung angeordnet sind,
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8 eine Darstellung eines Leistungsschalters mit einem Operationsverstärker zur Spannungsmessung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine Darstellung eines Regelkreises zur Stromregelung, wobei ein oder mehrere Motorströme als Istströme gemessen oder errechnet werden. Eine Berechnung kann beispielsweise anhand eines Rechenmodells erfolgen. Zur Messung des oder der Ströme können beispielsweise Messwiderstände (Shunt-Widerstände) in einem Zwischenkreis bzw. der Leistungsendstufe angeordnet werden. Die Messwiderstände können innerhalb von Halbbrücken einer 3-phasigen Brücke, beispielsweise im Lowside-Zweig, integriert werden.
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2 zeigt eine Steuerung, wobei keine Rückkopplung vorgenommen wird, und daher auch keine Strommessung bzw. Strombestimmung der Motorströme des Motors notwendig ist.
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Durch die Regelung nach 1 bzw. die Steuerung nach 2 kann in den betreffenden Motor ein Strom eingeprägt werden, wodurch sich ein gewünschtes Motormoment zur Lenkunterstützung ergeben kann.
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3 zeigt einen Motor 303 und eine 3-phasige Brücke 301, wobei die einzelnen Phasenleitungen des Motors 303 mit den jeweiligen Mittelpunkten der entsprechenden Halbbrücken der 3-phasigen Brücke 301 verbunden sind. Die Darstellung zeigt drei Varianten von Anordnungen von Messwiderständen 304, 302, 305, 306 zur Strommessung. Bei einer ersten Variante werden zwischen dem Zwischenkreis 308 und der 3-phasigen Brücke 301 Messwiderstände 304, 306 angeordnet. Die Spannungsabfälle über den Messwiderständen 304, 306 können gemessen werden. Bei bekannten Widerstandswerten der Messwiderstände 304, 306 können die Motorströme anhand der gemessenen Spannungen berechnet werden. Bei dieser ersten Methode kann grundsätzlich auf einen der beiden Messwiderstände 304, 306 verzichtet werden, ohne deswegen auf eine exakte Strombestimmung verzichten zu müssen. Alternativ können in den Halbrücken der 3-phasigen Brücke 301, beispielsweise in den jeweiligen Lowside-Zweigen, Messwiderstände 305 angeordnet werden, um die Ströme der Halbbrücken bestimmen zu können. Bei dieser Variante kann auf einen der drei Messwiderstände 305 verzichtet werden und dennoch eine exakte Strombestimmung vorgenommen werden. In einer dritten Variante können Messwiderstände 302 in den Phasenleitungen/Anschlussleitungen des Motors 303 angeordnet werden, wobei von diesen drei Messwiderständen 302 auf einen Messwiderstand verzichtet werden kann. Die verschiedenen Varianten können alternativ oder gleichzeitig angewandt werden, um eine genaue Strombestimmung vorzunehmen. Statt Messwiderstände 304, 302, 305, 306 können auch sonstige Bauteile zur Strombestimmung verwendet werden, wie beispielsweise magnetfeldabhängige Sensoren.
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4 zeigt einen Motor 403 mit Anschlüssen an die jeweiligen Mittelpunkte der Halbbrücken einer 3-phasigen Brücke 401, wobei die Anschlüsse mittels Leistungsschalter 402 in einem Fehlerfall von der Leistungselektronik abgekoppelt werden können (Phasenauftrennung). Die Leistungsschalter 402 können beispielsweise als Power-Mosfets ausgebildet sein und weisen in diesem Fall niedrige Durchlasswiderstände auf. Die Leistungsschalter 402 dienen insbesondere dazu, den Motor 403 in einem Fehlerfall frei zu schalten. In einem Fehlerfall können hohe Ströme in den Motor 403 fließen, wodurch sich hohe Drehmomente einstellen können. Insgesamt könnte sich eine Situation im Fehlerfall ergeben, bei der eine ausreichende Lenkbarkeit des betreffenden Fahrzeugs nicht mehr gegeben ist. Zur Vermeidung derartiger Folgen von Fehlerfällen dienen Leistungsschalter 402. Erfindungsgemäß werden diese Leistungsschalter 402 auch zur Motorstrombestimmung eingesetzt.
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5 zeigt einen Motor 502, der in Sternschaltung geschaltet ist, wobei durch Leistungsschalter 504 eine Sternpunktauftrennung vorgenommen werden kann. Die Ansteuerung des Motors 502 erfolgt über eine 3-phasige Brücke 501.
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Die Leistungsschalter 402, 504 sind im Normalbetrieb durchgeschaltet und weisen einen kleinen Durchlasswiderstand auf. Durch eine Bestimmung der über die Leistungsschalter 402, 504 abfallenden Spannungen kann erfindungsgemäß, bei bekannten Durchlasswiderständen, auf die Motorströme durch die Leistungsschalter 402, 504 geschlossen werden.
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6 zeigt eine Darstellung entsprechend der 4, wobei über den Leistungsschaltern 602 Spannungspfeile 605 angedeutet sind, die darstellen sollen, dass die Spannungen über die Leistungsschalter 602 gemessen werden, um erfindungsgemäß eine Bestimmung der entsprechenden Motorströme vornehmen zu können.
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7 zeigt eine Darstellung entsprechend der 5, wobei an den Leistungsschaltern 703 zur Sternpunktauftrennung Pfeile angeordnet sind, die verdeutlichen, dass die Spannungen über die Leistungsschalter 703 gemessen werden, um eine Motorstromberechnung durchführen zu können.
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Vorteilhafterweise kann in den erfindungsgemäßen Ausführungsformen nach den 4, 5, 6 und 7 auf Messwiderstände 304, 302, 305, 306 gemäß 3 verzichtet werden und dennoch eine Motorstrommessung vorgenommen werden. In einer besonderen Ausführungsform kann eine zusätzliche Schaltung an die jeweiligen Leistungsschalter 402, 504, 602, 703 angelegt werden, um eine Vierpolmessung bzw. eine Vierleitermessung vornehmen zu können, wodurch Messfehler, beispielsweise aufgrund von Übergangswiderständen, weitgehend vermieden werden können.
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Eine Strommessung mittels der Leistungsschalter 402, 504, 602, 703 kann auch dazu genutzt werden, eine Diagnose und/oder Überwachung der betreffenden Leistungselektronik bzw. der Leistungsendstufe bzw. des Motors 403, 502, 603, 702 zu realisieren. In einem Störfall können beispielsweise unzulässig hohe Ströme festgestellt werden und darauf entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, wie die Abkopplung des Motors 403, 502, 603, 702 von der Leistungselektronik. Unzulässig hohe Ströme können zu unzulässig hohen Motormomenten des Motors 403, 502, 603, 702 der Servolenkung führen, wodurch die Lenkbarkeit eines betreffenden Fahrzeugs nicht mehr gegeben sein kann bzw. sogar die Lenkung des Fahrzeugs komplett blockiert sein kann.
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8 zeigt einen Leistungsschalter 803, der zum Freischalten entsprechend der Leistungsschalter 402, 504, 602, 703 verwendet werden kann. Die über dem Leistungsschalter 803 abfallende Spannung 806 kann an die Eingänge eines Operationsverstärkers 801 angelegt werden und von diesem verstärkt bzw. messtechnisch aufbereitet werden. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 801 kann an einen A/D-Wandler 802 eines Mikrocontrollers 804 angelegt werden, um von diesem weiter verarbeitet zu werden.
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Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
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Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Regler
- 102
- Leistungselektronik
- 103
- Elektromotor
- 201
- Steuerung
- 202
- Leistungselektronik
- 203
- Motor
- 301
- 3-phasige Brücke
- 302
- Messwiderstände
- 303
- Motor
- 304
- Messwiderstand
- 305
- Messwiderstände
- 306
- Messwiderstand
- 307
- Kondensator des Zwischenkreises
- 308
- Zwischenkreis
- 401
- 3-phasige Brücke
- 402
- Leistungsschalter
- 403
- Motor
- 404
- Sternpunkt
- 405
- Zwischenkreis
- 501
- 3-phasige Brücke
- 502
- Motor
- 503
- Sternpunkt
- 504
- Leistungsschalter
- 505
- Zwischenkreis
- 601
- 3-phasige Brücke
- 602
- Leistungsschalter
- 603
- Motor
- 604
- Sternpunkt
- 605
- Spannung
- 606
- Zwischenkreis
- 701
- 3-phasige Brücke
- 702
- Motor
- 703
- Leistungsschalter
- 704
- Sternpunkt
- 705
- Spannung
- 706
- Zwischenkreis
- 801
- Operationsverstärker
- 802
- Analog/Digital-Wandler
- 803
- Leistungsschalter
- 804
- Mikrocontroller
- 805
- Strom
- 806
- Spannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „High Performance Current Sensorless Speed Servo System of PM Motor Based on Current Estimation“ (2001) von Kiyoshi Ohishi und Yusuke Nakamura [0002]
- „Single Controller Current-Sensorless Speed Control of PMSM Using Inverse Drive Model“ (2002) [0002]