DE102005015783A1

DE102005015783A1 - Operating device for electrical drive machines e.g. servo actuators in electromechanical steering systems has control unit for controlling coils that generate rotary field

Info

Publication number: DE102005015783A1
Application number: DE102005015783A
Authority: DE
Inventors: Carsten Busse
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2006-10-05

Abstract

A control unit controls an electrical drive machine (20) having coils (25,27) that generate a rotary field when applied with a voltage. The control unit separately controls the coils to produce separate voltage phases to generate the rotary field.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine.The The invention relates to an apparatus and a method of operation an electric drive machine.

Elektrische Antriebsmaschinen, beispielsweise Servomotoren in elektromechanischen Lenksystemen, werden herkömmlich mit einer mehrphasigen Spannung betrieben, um im Stator der elektrischen Maschine ein Drehfeld zur Bereitstellung eines Drehmoments zu erzeugen. Es ist dabei insbesondere üblich, eine dreiphasige Spannung vorzusehen, deren Phasen in den Wicklungen konventioneller Drehstrommotoren, beispielsweise permanenterregter Synchronmaschinen, ein Drehfeld erzeugen, welches dann durch Mitnahme des Läufers der elektrischen Antriebsmaschine ein Drehmoment erzeugt. Treten in einer der Wicklungen der elektrischen Antriebsmaschine Fehler auf, beispielsweise ein Wicklungskurzschluss oder eine Wicklungsunterberechung, so müssen Vorkehrungen getroffen werden, die die Sicherheit des Betriebs der elektrischen Maschine gewährleisten. Insbesondere muss verhindert werden, dass es durch Phasenverschiebungen, die aufgrund des Fehlers in der Wicklung auftreten können, zu unkontrollierten Rotorbewegungen oder zu ungewollten Änderungen der Drehrichtung kommt. Üblicherweise werden zur Absicherung des Antriebssystems Relais eingesetzt, die von einer Steuereinheit angesteuert werden können und die in einem Fehlerfall die fehlerbehaftete Wicklung auftrennen und spannungsfrei schalten. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Phasenrelais handeln, welches den Phasenverlauf überwacht und im Falle von Asymmetrien im Stromnetz die betreffende Wicklung auftrennt. Da jedoch insbesondere Synchronmaschinen regelmäßig mittels einer Sternpunktschaltung betrieben werden, welche drei Spannungsphasen sternförmig gegenüber einem Nullpotential abgreifbar macht, wird hierfür zur Absicherung auch häufig ein so genanntes Sternpunktrelais eingesetzt, welches die betreffenden Wicklungen im Fehlerfall direkt am Sternpunkt auftrennt. Alternativ hierzu können auch an jeder Wicklung einzelne Relais eingesetzt werden, die getrennt voneinander über eine zugehörige Steuereinheit ansteuerbar sind, um gegebenenfalls die Wicklung aufzutrennen und spannungsfrei zu schalten. Eine solche Zwischenschaltung von leistungsfähigen Relais hat jedoch den Nachteil, dass für die Absicherung des Antriebssystems zusätzliche Bauteile, nämlich die Relais, erforderlich sind, was die Kosten für das elektrische Antriebssystem erhöht. Zudem bringen die Relaislösungen regelmäßig insbesondere im Fehlerfall zusätzliche Wirkungsgradverluste durch erhöhte ohmsche Verluste mit sich.electrical Driving machines, for example servomotors in electromechanical Steering systems, become conventional operated with a polyphase voltage to be in the stator of the electric Machine to produce a rotating field to provide a torque. It is especially common provide a three-phase voltage whose phases in the windings Conventional three-phase motors, for example, permanent-magnet Synchronous machines, generate a rotating field, which then by taking of the runner the electric drive motor generates a torque. To step in one of the windings of the electric drive machine error on, for example a winding short-circuit or a winding interruption, so must Precautions are taken to ensure the safety of the operation of the ensure electrical machine. In particular, it must be prevented that it is caused by phase shifts, which may occur due to the fault in the winding, too uncontrolled rotor movements or unwanted changes the direction of rotation comes. Usually are used to secure the drive system relay, the can be controlled by a control unit and in an error case disconnect the faulty winding and disconnect it from the power supply. This may be, for example, a phase relay, which is the Phase monitored and in the case of asymmetries in the power grid, disconnect the winding in question. However, since in particular synchronous machines are regularly operated by means of a star point circuit be, which three voltage phases can be tapped star-shaped against a zero potential makes, is this to hedge frequently so-called star point relay used which the respective Windings in the event of a fault separated directly at the neutral point. alternative can also do this On each winding individual relays are used, which are separated over each other an associated one Control unit are controlled to optionally separate the winding and de-energized. Such an interposition of powerful However, relay has the disadvantage that for the protection of the drive system additional components, namely the relays required are what the cost of the electric drive system elevated. moreover bring the relay solutions regularly in particular in case of error additional Efficiency losses due to increased resistive losses.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine zu schaffen.Of the The invention is therefore based on the technical problem, an improved Device and an improved method for operating an electrical To create drive machine.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution the technical problem results according to the invention by things the claims 1 and 11. Further advantageous embodiments of the invention result from the dependent claims.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass auf Relais oder andere Bauteile zur Absicherung eines elektrischen Antriebssystems, die fehlerhafte Wicklungen gegebenenfalls auftrennen und spannungsfrei schalten können, verzichtet werden kann, wenn die betreffende fehlerhafte Wicklung bereits von der Steuereinheit selbst spannungsfrei geschaltet werden kann, indem die betreffende Wicklung nach Detektion des Fehlerfalls nicht mehr mit einer ihr zugeordneten Spannungsphase angesteuert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zum Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine vorgeschlagen wird, umfassend eine elektrische Antriebsmaschine, die mindestens zwei Wicklungen aufweist, welche zur Bereitstellung eines Drehmoments mit einer Spannung beaufschlagbar sind, wobei die Spannung mindestens zwei unterschiedliche Spannungsphasen aufweist, die den Wicklungen zur Erzeugung eines Drehfeldes jeweils zuordenbar sind, und eine Steuereinheit zur Ansteuerung der elektrischen Antriebsmaschine, wobei die Wicklungen der elektrischen Antriebsmaschine galvanisch entkoppelt und durch die Steuereinheit getrennt voneinander ansteuerbar sind und die Steuereinheit so konfiguriert ist, dass die zum Erzeugen eines Drehfeldes erforderlichen Spannungsphasen generierbar und getrennt voneinander an die ihnen jeweils zugeordnete Wicklung zu deren Ansteuerung weiterleitbar sind. Dadurch dass die Wicklungen der elektrischen Antriebsmaschine nicht elektrisch miteinander verbunden sind, ist es dann möglich diese mittels der Steuereinheit über entsprechend getrennte Kanäle anzusteuern und mit den ihnen zugeordneten Spannungsphasen gänzlich getrennt zu versorgen. Somit kann dann auf ein oder mehrere Relais, die im Bedarfsfall die Spannungsversorgung einzelner Wicklungen unterbinden, verzichtet werden, da die Unterbrechung der Spannungsversorgung für einzelne Wicklungen dann direkt von der Steuereinheit über die betreffenden einzelnen Kanäle erfolgen kann, sofern dies nötig erscheint. Bevorzugt können die Wicklungen auch weder elektrisch noch mechanisch miteinander verbunden sein. Neben dem positiven Effekt durch die Einsparung teurer Bauteile führt der Verzicht auf Relais auch zu einer Wirkungsgraderhöhung der Antriebsmaschine, da in den Wicklungspfaden dann keine zusätzlichen ohmschen Verluste auftreten.Of the The invention is based on the finding that relays or other components for securing an electric drive system, If necessary, separate the faulty windings and de-energize them can switch can be waived if the faulty winding in question already can be de-energized by the control unit itself, by the winding in question after detection of the fault not is controlled more with a voltage phase associated with it. This is inventively characterized solved that a device for operating an electric drive machine is proposed, comprising an electric drive machine, which has at least two windings which provide for providing a Torque can be acted upon by a voltage, wherein the voltage has at least two different voltage phases, the Windings for generating a rotating field are each assigned, and a control unit for controlling the electric drive machine, wherein the windings of the electric drive machine galvanic decoupled and controlled separately by the control unit and the control unit is configured to generate a Drehfeldes required voltage phases generated and separated can be forwarded from one another to their respective associated winding to their control are. As a result, the windings of the electric drive machine are not electrically connected, it is possible this means the control unit over correspondingly separate channels to control and completely separated with their associated voltage phases to supply. Thus, one or more relays can be used in the If necessary, prevent the power supply of individual windings, be omitted because the interruption of the power supply for individual Windings then directly from the control unit over the individual concerned channels if necessary appears. Preferably, the Windings also connected neither electrically nor mechanically be. In addition to the positive effect of saving expensive components leads the Dispensing with relays also increases the efficiency of the Drive machine, as in the winding paths then no additional ohmic losses occur.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die elektrische Antriebsmaschine mit genau zwei Spannungsphasen zur Erzeugung eines Drehfeldes betreibbar. Dies ermöglicht eine besonders einfache und günstige Antriebslösung, da nicht nur gegenüber den herkömmlichen dreiphasigen elektrischen Antriebssystemen auf eine Wicklung der elektrischen Antriebsmaschine verzichtet werden kann, sondern auch auf Seiten der Steuereinheit lediglich zwei Steuerkanäle getrennt voneinander betrieben werden müssen, was die hardwareseitigen Anforderungen beträchtlich reduziert.In an advantageous embodiment, the electric drive machine with exactly two voltage phases for generating a rotating field operable. This allows a particularly simple and inexpensive drive solution, since not only compared to the conventional three-phase electric drive systems can be dispensed with a winding of the electric drive machine, but also on the part of the control unit only two control channels must be operated separately, which considerably reduces the hardware requirements.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die elektrische Antriebsmaschine als eine Synchronmaschine ausgebildet. Synchronmaschinen bieten insbesondere bei einfachen Anwendungen mit relativ geringen Drehmomenten Vorteile aufgrund ihres einfach strukturierten Aufbaus.In In a further advantageous embodiment, the electrical Drive machine designed as a synchronous machine. synchronous machines offer especially in simple applications with relatively low Torque advantages due to its simple structure.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die elektrische Antriebsmaschine permanenterregt. Dies vereinfacht den Aufbau der elektrischen Antriebsmaschine und reduziert deren steuerungstechnische Anforderungen, da für die rotorseitige Erregung der Antriebsmaschine Permanentmagneten verwendet werden.In In a further advantageous embodiment, the electrical Drive machine permanently energized. This simplifies the construction of the electric drive machine and reduces their control technology Requirements as for the rotor-side excitation of the prime mover uses permanent magnets become.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die elektrische Antriebsmaschine als Stellmotor ausgebildet. Insbesondere bei Stellmotoren bzw. Servomotoren, die häufig in technischen Anwendungen im Zusammenhang mit Großserien, wie beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik, zum Einsatz kommen, ist das Vorhandensein eines einfachen und kostengünstigen Sicherheitskonzepts wünschenswert. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung in Verbindung mit Stellmotoren ist daher besonders vorteilhaft.In In a further advantageous embodiment, the electrical Drive machine designed as a servomotor. Especially with servo motors or servomotors, often in technical applications related to mass production, as used in automotive engineering, for example, is the presence of a simple and inexpensive Security concept desirable. The use of the solution according to the invention in conjunction with servomotors is therefore particularly advantageous.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stellmotor Bestandteil eines elektromechanischen Lenksystems. Elektromechanische Lenksysteme benutzen Stell- bzw. Servomotoren zur Unterstützung des durch den Fahrer aufzubringenden Handlenkmoments. Dabei ist ein möglichst einfaches und kostengünstiges, aber dennoch zuverlässiges Sicherheitskonzept, wie es die erfindungsgemäße Lösung repräsentiert, besonders von Vorteil.In a preferred embodiment the servomotor is part of an electromechanical steering system. Electromechanical steering systems use servomotors for support of the applied by the driver manual steering torque. It is one possible simple and inexpensive, but still reliable Security concept, as it represents the solution according to the invention, particularly advantageous.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Steuereinheit mindestens ein Mittel auf, um einen Fehlerfall in einer Wicklung der Antriebsmaschine erkennen zu können. Dabei ist es besonders von Vorteil, dass die Mittel zur Fehlererkennung in einer der Wicklungen Bestandteil der Steuereinheit selbst sind, da dies einen klar und einfach strukturierten zentralen Aufbau der Steuereinheit erlaubt und die Sensorik vereinfacht. Zudem können dann im Fehlerfall auch beispielsweise geeignete Notfallmaßnahem schnell und direkt von der Steuereinheit initiiert und umgesetzt werden, um negative Konsequenzen eines Fehlerfalls in der Wicklung zu minimieren.In a further advantageous embodiment, the control unit at least one means of detecting a fault in a winding to recognize the drive machine. It is special advantageous that the means for fault detection in one of the windings Part of the control unit itself, as this is a clear and simply structured central structure of the control unit allowed and the sensors are simplified. In addition, then in case of error, too For example, appropriate emergency measures quickly and directly from the control unit are initiated and implemented to negative consequences to minimize a fault in the winding.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Mittel zur Erkennung eines Fehlerfalls ein Stromsensor, der in eine Wicklung der elektrischen Antriebsmaschine eingebracht ist. An sich bereits bekannte Stromsensoren sind Bauteile, die auch im Zusammenhang mit herkömmlichen Relaislösungen zum Einsatz kommen können, um Fehlersituationen in einzelnen Wicklungen zu detektieren. Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung, bei der die Wicklungen der elektrischen Maschine galvanisch entkoppelt sind, bieten Stromsensoren den besonderen Vorteil, dass durch ihren Einsatz die Steuereinheit unmittelbar über das Vorliegen eines Fehlerfalls informiert werden kann und gegebenenfalls direkte Hilfsmaßnahmen zur Kompensation des Fehlers bzw. zur Vermeidung zusätzlicher negativer Folgen einleiten kann. Bevorzugt werden dabei zur Fehlererkennung die von den Stromsensoren ermittelten tatsächlich in den Wicklungen fließenden Ströme jeweils mit einem für den Idealfall ermittelten Sollwert verglichen, um dann bei zu großen Abweichungen, die außerhalb eines Toleranzbandes liegen, davon auszugehen, dass in der Wicklung ein Fehler, beispielsweise ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung vorliegen muss.In a further advantageous embodiment, the means for Detecting a fault, a current sensor that turns into a winding the electric drive machine is introduced. In itself already Known current sensors are components that are also associated with usual Relay solutions for Can use, to detect fault situations in individual windings. in the In connection with the solution according to the invention, in which the windings The electrical machine are galvanically decoupled, provide current sensors the particular advantage that through their use the control unit immediately above the existence of an error can be informed and if necessary direct relief efforts to compensate for the error or to avoid additional can lead to negative consequences. Preference is given to error detection the currents actually detected in the windings detected by the current sensors with a for The ideal value determined setpoint compared, then to large deviations, the outside of a tolerance band, assume that in the winding an error, such as a short circuit or an open circuit must be present.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist für den Fall, dass ein Fehler erkannt wird, die Vorrichtung mittels des Steuergeräts in einen Notbetriebsmodus umschaltbar. Dies hat den Vorteil, dass auch im Fehlerfall stets zumindest eine grundsätzliche Verfügbarkeit des Systems vorliegt. Der Notbetriebsmodus kann dabei zwar gewisse Einschränkungen gegenüber dem Normalbetrieb aufweisen, beispielsweise bezüglich der Laufruhe der Antriebsmaschine oder der zur Verfügung stehenden Leistung. Entscheidend ist jedoch, dass auch nach dem Erkennen eines Fehlers in einer Wicklung eine grundsätzliche kontrollierte Systemverfügbarkeit und eine Aufrechterhaltung eines von der Antriebsmaschine bereitzustellenden Drehmoments – wenn auch gegebenenfalls unter Einschränkungen – gewährleistet ist.In a further advantageous embodiment is in the case that an error is detected, the device by means of the controller in a Emergency mode switchable. This has the advantage that also in the Error always at least a basic availability of the system. The emergency operation mode can indeed certain restrictions across from have the normal operation, for example, with respect to the smoothness of the prime mover or the available standing power. However, it is crucial that even after the Detecting a fault in a winding a fundamental controlled system availability and maintaining a to be provided by the prime mover Torque - if also under restrictions if necessary.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Notbetriebsmodus die Wicklung, in der der Fehlerfall erkannt wurde, von der Stromversorgung abtrennbar und/oder die dieser Wicklung zugeordnete Spannungsphase unterdrückbar, und die verbleibende Spannungsphase bzw. die verbleibenden Spannungsphasen sind derart mittels des Steuergeräts modulierbar, dass durch die nicht fehlerbehaftete Wicklung (bzw. die nicht fehlerbehafteten Wicklungen) in der elektrischen Antriebsmaschine ein zur Erzeugung eines Drehmoments geeignetes Drehfeld aufrechterhalten wird. Dies bietet den Vorteil, dass auch im Fehlerfall ein Mindestmaß an Betriebsbereitschaft der elektrischen Antriebsmaschine, wenn auch gegebenenfalls mit Einschränkungen hinsichtlich Laufruhe, Komfort, Leistung, etc., aufrecht erhalten werden kann. Auf diese Weise ist zumindest ein Systemnotlauf bzw. „Limp-Home-Betrieb" gewährleistet, in welchem z.B. bei einem elektromechanischen Lenksystem mit einer zweiphasigen Synchronmaschine als Servomotor für den Fall, dass ein Fehler in einer der beiden Wicklungen auftritt, zumindest solange die Lenkunterstützungskraft durch Umschalten auf den Notbetriebsmodus auch im einphasigen Betrieb aufrechterhalten werden kann, bis die nächste Serviceeinrichtung oder Werkstatt erreicht ist, um dort dann den Fehler in der Wicklung beheben zu können.In a preferred embodiment, in the emergency operation mode, the winding in which the fault was detected can be disconnected from the power supply and / or the voltage phase associated with this winding can be suppressed, and the remaining voltage phase or the remaining voltage phases can be modulated by the control unit in such a way not faulty winding (or the non-faulty windings) is maintained in the electric drive machine suitable for generating a torque field. This offers the advantage that even in the event of a fault, a minimum level of operational readiness shaft of the electric drive machine, although possibly with restrictions on smoothness, comfort, performance, etc., can be maintained. In this way, at least one system emergency or "limp home mode" is ensured, in which, for example, in an electromechanical steering system with a two-phase synchronous machine as a servomotor in the event that an error occurs in one of the two windings, at least as long as the steering assist force Switching to the emergency operating mode can be maintained even in single-phase operation until the next service facility or workshop is reached, in order then to be able to eliminate the fault in the winding.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe Invention will be described below with reference to a preferred embodiment explained in more detail. In the associated Drawings show

1 eine Prinzipdarstellung eines elektromechanischen Lenksystems mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine sowie zugehöriger Steuereinheit, 1 a schematic diagram of an electromechanical steering system with an electric drive machine according to the invention and associated control unit,

2 eine schematische Übersicht der elektrischen bzw. elektronischen Systemkomponenten des elektromechanischen Lenksystems, 2 a schematic overview of the electrical or electronic system components of the electromechanical steering system,

3 ein elektrisches Prinzipschaltbild des Motors und 3 an electrical schematic diagram of the engine and

4 eine Prinzipdarstellung der Leistungsstufe der Steuereinheit. 4 a schematic diagram of the power level of the control unit.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Lenksystems 1 mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsmaschine 20 und einer zugehörigen Steuereinheit (ECU) 10. Dabei ist die elektrische Antriebsmaschine 10 als permanenterregte Synchronmaschine in Form eines Stellmotors mit Positionssensorik ausgebildet, der zusätzlich zu einem Handlenkmoment, das ein Fahrzeuglenker über ein Lenkmittel 2, z.B. ein Lenkrad, im elektromechanischen Lenksystem 1 erzeugt, ein Unterstützungsmoment bereitstellt. Das Lenkmittel 2 ist über eine als Drehstab ausgebildete Lenkwelle 3 und ein Lenkgetriebe 4 mit einer Zahnstange 5 wirkverbunden. Die Zahnstange 5 ist über eine nicht dargestellte bekannte Lenkverbindung mit ebenfalls nicht dargestellten lenkbaren Fahrzeugrädern verbunden. Die Antriebsmaschine 20 ist über ein Servogetriebe 8 mit Riemen- und Kugelgewindetrieb mit der Zahnstange 5 wirkverbunden, wobei über das Servogetriebe 8 die rotatorische Bewegung des Rotors der Antriebsmaschine 20 in eine translatorische Bewegung der Zahnstange 5 umgesetzt wird. Außerdem sind das Lenkmittel 1 und die Antriebsmaschine 20 über die Lenkwelle 3, das Lenkgetriebe 4, die Zahnstange 5 und das Servogetriebe 8 miteinander gegenseitig wirkverbunden. Steuereinheit 10, Antriebsmaschine 20 und Servogetriebe 8 sind in einem Getriebegehäuse 6 integriert. Im Lenkbetrieb beaufschlagt der Fahrzeuglenker das elektromechanische Lenksystem 1 über das Lenkmittel 2 mit einem Handlenkmoment. Durch die (nicht dargestellte) Positionssensorik der Antriebsmaschine 20 wird mit Hilfe eines (ebenfalls nicht dargestellten) Motorlagesensors die Position des Rotors des Stellmotors ermittelt, die mit einem vom Fahrer vorgegebenen Lenkwinkel korrespondiert. Das vom Fahrer beaufschlagte Handlenkmoment wird dabei durch eine Drehmomentsensorik 9 erfasst. Für eine Lenkunterstützung wird dann zusätzlich durch die Antriebsmaschine 20 ein in der Steuereinheit 10 ermitteltes Unterstützungsmoment aufgebracht. Die Antriebsmaschine 20 ist dabei als zweiphasige Synchronmaschine ausgebildet, d.h. sie weist zwei Wicklungen 25, 27 (siehe 3) auf, welche zur Bereitstellung eines Drehmoments mit einer Spannung beaufschlagbar sind, wobei die Spannung zwei unterschiedliche Spannungsphasen aufweist, die den Wicklungen 25, 27 (s. 3) zur Erzeugung eines Drehfeldes jeweils zuordenbar sind. 1 shows a schematic representation of an electromechanical steering system 1 with an electric drive machine according to the invention 20 and an associated control unit (ECU) 10 , Here is the electric drive machine 10 designed as a permanent-magnet synchronous machine in the form of a servomotor with position sensor, which in addition to a manual steering torque, a vehicle driver via a steering means 2 , eg a steering wheel, in the electromechanical steering system 1 generates, provides a support moment. The steering means 2 is about a trained as a torsion bar steering shaft 3 and a steering gear 4 with a rack 5 operatively connected. The rack 5 is connected via a steering connection, not shown, with also not shown steerable vehicle wheels. The prime mover 20 is about a servo gearbox 8th with belt and ball screw drive with the rack 5 operatively connected, using the servo gearbox 8th the rotational movement of the rotor of the prime mover 20 in a translatory movement of the rack 5 is implemented. In addition, the steering means 1 and the prime mover 20 over the steering shaft 3 , the steering gear 4 , the rack 5 and the servo gearbox 8th interacting with each other. control unit 10 , Prime mover 20 and servo gearbox 8th are in a gearbox 6 integrated. In the steering mode, the vehicle driver acts on the electromechanical steering system 1 over the steering means 2 with a manual steering torque. By the position sensor (not shown) of the drive machine 20 the position of the rotor of the servomotor is determined by means of a (also not shown) motor position sensor, which corresponds to a predetermined steering angle by the driver. The acted upon by the driver manual steering torque is thereby by a torque sensor 9 detected. For a steering assistance is then additionally by the prime mover 20 one in the control unit 10 determined support torque applied. The prime mover 20 is designed as a two-phase synchronous machine, ie it has two windings 25 . 27 (please refer 3 ), which are acted upon to provide a torque with a voltage, wherein the voltage has two different voltage phases, the windings 25 . 27 (S. 3 ) are each assigned to generate a rotating field.

2 zeigt in einer schematischen Übersicht die elektrischen bzw. elektronischen Komponenten des elektromechanischen Lenksystems 1, dabei im Wesentlichen die Steuereinheit 10 und die Antriebsmaschine 20. Die Steuereinheit 10 dient neben der Verarbeitung der Sensorsignale und der Berechnung der notwendigen Lenkunterstützung des Weiteren zur Ansteuerung der Antriebsmaschine 20. Die Steuereinheit 10 weist einen Logikteil 11 und einen elektronischen Leistungsteil 12 auf sowie eine signalverarbeitende Eingangs- und Ausgangsperipherie 28. Der Logikteil 11 der Steuereinheit 10 dient zur Bildung der Signale zur Steuerung der Antriebsmaschine 20 sowie zur Berechnung von Steuergrößen des elektromechanischen Lenksystems 1 mittels verschiedener Lenkungsalgorithmen. Der Leistungsteil 12 der Steuereinheit 10 dient zur Schaltung der Wicklungsströme für die Antriebsmaschine 20. Die Eingangs- und Ausgangsperipherie 28 dient zur Anbindung der Systemsensorik und sonstigen systemrelevanten Größen. Neben der Drehmomentsensorik 9, die zur Ermittlung des Handlenkmoments sowie zur Referenzierung des Geradeauslaufs dient, ist noch in Anbindung an die Antriebsmaschine 20 eine Rotorlagesensorik 14, die die Lage des Rotors der Antriebsmaschine 20 erfasst, eine Stromsensorik 16, die die Ströme in den Wicklungen der Antriebsmaschine 20 erfasst, sowie eine Temperatursensorik 18 vorgesehen. Die Steuereinheit 10 ist zudem an ein Bussystem 36, das bevorzugt eine Übertragungsrate von 500kBaud aufweist, angebunden, über welches systemübergreifend Daten von anderen und für andere Fahrzeugteilsysteme(n) bereitgestellt werden können. Das Bussystem 36 ist beispielsweise als CAN- oder FlexRay-Bussystem ausgebildet. Zur Bereitstellung einer Betriebsspannung ist die Steuereinheit 10 über die zwei Anschlüsse Kl. 30 und Kl. 31 an das Bordnetz des Fahrzeugs angeschlossen, nämlich über einen Spannungsanschluss Kl. 30, an welchem 12 Volt „Dauerplus" der Bordnetzgleichspannung anliegen, und einen Masseanschluss Kl. 31. Die Antriebsmaschine 20 ist als Synchronmaschine mit rotorseitiger Permanenterregung ausgebildet, die mit genau zwei Spannungsphasen zur Erzeugung eines Drehfeldes betreibbar ist. Die Wicklungen 25, 27 (siehe 3) der elektrischen Antriebsmaschine 20 sind galvanisch entkoppelt und durch die Steuereinheit 10 über zwei Kanäle 22, 24 getrennt voneinander ansteuerbar. Die Steuereinheit 10 ist so konfiguriert, dass die zum Erzeugen eines Drehfeldes erforderlichen Spannungsphasen von der Steuereinheit 10 generierbar und getrennt voneinander über die beiden Kanäle 22, 24 an die ihnen jeweils zugeordnete Wicklung 25, 27 (s. 3) der Antriebsmaschine 20 zu deren Ansteuerung weiterleitbar sind. 2 shows a schematic overview of the electrical or electronic components of the electromechanical steering system 1 , essentially the control unit 10 and the prime mover 20 , The control unit 10 serves in addition to the processing of the sensor signals and the calculation of the necessary steering assistance to further drive the prime mover 20 , The control unit 10 has a logic part 11 and an electronic power section 12 on and a signal processing input and output peripherals 28 , The logic part 11 the control unit 10 serves to form the signals for controlling the drive machine 20 and for calculating control variables of the electromechanical steering system 1 using different steering algorithms. The power section 12 the control unit 10 serves to switch the winding currents for the prime mover 20 , The input and output peripherals 28 serves to connect the system sensors and other system-relevant variables. In addition to the torque sensors 9 , which is used to determine the manual steering torque as well as for referencing the straight-line travel, is still in connection with the drive machine 20 a rotor position sensor 14 indicating the position of the rotor of the prime mover 20 detected, a current sensor 16 that the currents in the windings of the prime mover 20 recorded, as well as a temperature sensor 18 intended. The control unit 10 is also connected to a bus system 36 , which preferably has a transmission rate of 500kBaud, connected via which system-wide data from others and for other vehicle subsystem (s) can be provided. The bus system 36 is for example as CAN or FlexRay bus system. To provide an operating voltage is the control unit 10 over the two connections Kl. 30 and Kl. 31 connected to the electrical system of the vehicle, namely via a voltage terminal Kl. 30 to which 12 volts "continuous plus" of the vehicle electrical system DC voltage applied, and a ground terminal Kl. 31 , The prime mover 20 is designed as a synchronous machine with rotor-side permanent excitation, which is operable with exactly two voltage phases for generating a rotating field. The windings 25 . 27 (please refer 3 ) of the electric drive machine 20 are galvanically decoupled and by the control unit 10 over two channels 22 . 24 separately controllable. The control unit 10 is configured so that the voltage phases required for generating a rotating field from the control unit 10 Generable and separated from each other via the two channels 22 . 24 to their respective associated winding 25 . 27 (S. 3 ) of the prime mover 20 can be forwarded to their control.

3 zeigt ein elektrisches Prinzipschaltbild der Antriebsmaschine 20. Dabei ist zum einen die prinzipielle geometrische Wicklungsanordnung zu erkennen und zum anderen die beiden Kanäle 22, 24 der Steuereinheit der zweiphasigen Antriebsmaschine 20. Da die Wicklungen 25, 27 der elektrischen Antriebsmaschine 20 nicht elektrisch miteinander verbunden sind, ist es möglich diese mittels der Steuereinheit 10 über die entsprechend getrennten Kanäle 22, 24 anzusteuern und mit den ihnen zugeordneten Spannungsphasen gänzlich getrennt zu versorgen. 3 shows an electrical schematic diagram of the prime mover 20 , In this case, on the one hand to recognize the basic geometric winding arrangement and on the other hand, the two channels 22 . 24 the control unit of the two-phase prime mover 20 , Because the windings 25 . 27 the electric drive machine 20 are not electrically connected to each other, it is possible this means of the control unit 10 via the corresponding separate channels 22 . 24 to drive and to supply completely separated with their associated voltage phases.

4 zeigt schematisch den Leistungsteil 12 der Steuereinheit 10. Dabei sind die beiden Kanäle 22, 24 dargestellt, die getrennt voneinander mit einer Spannungsphase beaufschlagbar und den galvanisch getrennten Wicklungen 25, 27 der Antriebsmaschine 20 zuordenbar sind. Die unterschiedlichen Spannungsphasen werden von der Steuereinheit 10 erzeugt, indem aus der Gleichspannung des Bordnetzes (12 Volt) bevorzugt eine Art gepulster Gleichspannung generiert wird, welche rechteckige Schaltmuster mit einer dominanten Grundwelle und geringen Oberwellenanteilen aufweist. Es sind jedoch hierbei auch durchaus andere Spannungsformen denkbar, die mittels des Steuergeräts 10 aus der Bordnetzspannung erzeugbar sind, sofern deren Wellenmuster als Phase für den Betrieb der Antriebsmaschine 20 geeignet sind und damit ein möglichst „rundes", d.h. ruckfreies Drehmoment erzeugt werden kann. Der Leistungsteil 10 weist dabei einen EMI-Filter 33 zur Reduktion elektromagnetischer Interferenzen auf. Außerdem ist ein Relais 34 vorgesehen, das – unabhängig von der Fehlererkennung in einzelnen Wicklungen der Antriebsmaschine 20 – im Bedarfsfall zur Auftrennung des gesamten Leistungspfades dient. Jeder der beiden Kanäle 22, 24 weist jeweils einen Stromsensor 16a, 16b auf, um einen Fehlerfall in einer Wicklung 25, 27 der Antriebsmaschine 20 erkennen zu können. Die Fehlererkennung funktioniert im Rahmen eines Istwert-Sollwert-Vergleichs, indem die von den Stromsensoren 16a, 16b ermittelten tatsächlich in den Wicklungen 25, 27 fließenden Ströme jeweils in der Steuereinheit 10 mit einem für den Idealfall ermittelten Sollwert verglichen werden, um dann bei zu großen Abweichungen, die außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes liegen, davon auszugehen, dass in der Wicklung 25, 27 ein Fehler, beispielsweise ein Kurzschluss oder eine Unterbrechung, vorliegen muss. Wird ein Fehler in einer der Wicklungen 25, 27 detektiert, so wird dann der betroffene Kanal 22, 24 spannungsfrei geschalten. Die Unterbrechung der Spannungsversorgung für einzelne Wicklungen 25, 27 erfolgt dann direkt mittels der Steuereinheit 10 über die betreffenden einzelnen Kanäle 22, 24. Zudem ist für den Fall, dass ein Fehler erkannt wird, das elektromechanische Lenksystem 1 mittels des Steuergeräts 10 in einen Notbetriebsmodus umschaltbar. Dieser Notbetriebsmodus gewährleistet, dass auch nach dem Erkennen eines Fehlers, beispielsweise in der Wicklung 25, eine grundsätzliche kontrollierte Systemverfügbarkeit und eine Aufrechterhaltung eines von der Antriebsmaschine 20 bereitzustellenden Drehmoments gewährleistet ist. In diesem Notbetriebsmodus wird zunächst diejenige Wicklung 25, in der der Fehlerfall erkannt wurde, von der Stromversorgung abgetrennt und der dieser Wicklung 25 zugeordnete Kanal 22 nicht mehr mit einer Spannungsphase beaufschlagt. Die verbleibende Spannungsphase, die der intakten Wicklung 27 über den nach wie vor spannungsführenden anderen Kanal 24 zugeleitet wird, ist dann derart mittels des Steuergeräts 10 modulierbar, dass durch die nicht fehlerbehaftete, intakte Wicklung 27 in der elektrischen Antriebsmaschine 20 dennoch ein zur Erzeugung eines Drehmoments geeignetes Drehfeld aufrechterhalten wird. Dies erfolgt dadurch, dass die verbleibende Phase, die im normalen Zweiphasenbetrieb zusammen mit der anderen Phase ein vergleichsweise „rundes", d.h. ruckfreies Drehmoment erzeugt, nun entsprechend einer vorgegebenen Modulationsstrategie zur Erzeugung eines zumindest nahezu runden Drehfeldes „zerhackt", d.h. in verschiedene Frequenzanteile aufgebrochen wird und der noch intakten Wicklung 27 zugeführt wird. Ein vergleichsweise unrunder Lauf wird dabei in diesem einphasigen Betrieb in Kauf genommen, damit überhaupt ein Moment in der Antriebsmaschine 20 erzeugbar ist. Dadurch wird ein Systemnotlauf, ein so genannter „Limp-Home-Betrieb", gewährleistet, in welchem eine grundsätzliche Lenkunterstützungskraft durch Umschalten auf den Notbetriebsmodus auch im einphasigen Betrieb aufrechterhalten werden kann. 4 schematically shows the power section 12 the control unit 10 , Here are the two channels 22 . 24 represented, which can be acted upon separately from one another with a voltage phase and the galvanically isolated windings 25 . 27 the prime mover 20 are assignable. The different voltage phases are from the control unit 10 generated by the DC voltage of the electrical system (12 volts) preferably a kind of pulsed DC voltage is generated, which has rectangular switching pattern with a dominant fundamental and low harmonic components. However, it is also quite possible other voltage forms conceivable by means of the control unit 10 can be generated from the vehicle electrical system voltage, if their wave pattern as a phase for the operation of the prime mover 20 are suitable and thus a possible "round", ie jerk-free torque can be generated 10 has an EMI filter 33 to reduce electromagnetic interference. There is also a relay 34 provided that - regardless of the fault detection in individual windings of the prime mover 20 - If necessary, to separate the entire power path is used. Each of the two channels 22 . 24 each has a current sensor 16a . 16b on to a fault in a winding 25 . 27 the prime mover 20 to be able to recognize. The fault detection works as part of an actual value setpoint comparison, by the current sensors 16a . 16b actually detected in the windings 25 . 27 flowing streams each in the control unit 10 be compared with a setpoint determined for the ideal case, then to assume that too large deviations that are outside a predetermined tolerance band, that in the winding 25 . 27 there must be an error, such as a short circuit or an open circuit. Is an error in one of the windings 25 . 27 detected, then then the affected channel 22 . 24 switched off. The interruption of the power supply for individual windings 25 . 27 then takes place directly by means of the control unit 10 about the individual channels concerned 22 . 24 , In addition, in the event that a fault is detected, the electromechanical steering system 1 by means of the control unit 10 switchable to an emergency mode. This emergency operation mode ensures that even after the detection of a fault, for example in the winding 25 , a basic controlled system availability and maintenance of one of the prime mover 20 guaranteed to be provided torque. In this emergency operation mode, first that winding 25 , in which the fault was detected, disconnected from the power supply and that of this winding 25 assigned channel 22 no longer subjected to a voltage phase. The remaining voltage phase, the intact winding 27 over the still-live other channel 24 is then supplied, by means of the control unit 10 modulatable, that by the not faulty, intact winding 27 in the electric drive machine 20 Nevertheless, a suitable for generating a torque field is maintained. This is done by the fact that the remaining phase, which generates in normal two-phase operation together with the other phase a comparatively "round", ie jolt-free torque, now "chopped" according to a predetermined modulation strategy for generating an at least nearly round rotating field, ie broken into different frequency components will and the still intact winding 27 is supplied. A comparatively non-circular barrel is accepted in this single-phase operation, so that there is a moment in the prime mover 20 can be generated. As a result, a system emergency run, a so-called "limp home operation" is ensured, in which a basic steering assist force can be maintained by switching to the emergency mode even in single-phase operation.

11: Elektromechanisches Lenksystemelectromechanical steering system
22: Lenkmittelsteering means
33: Lenkwellesteering shaft
44: Lenkgetriebesteering gear
55: Zahnstangerack
66: Getriebegehäusegearbox
88th: ServogetriebeServogetriebe
99: Drehmomentsensoriktorque sensor
1010: Steuereinheit (ECU)control unit (ECU)
1111: Logikteillogic part
1212: Leistungsteilpower unit
1414: RotorlagesensorikRotor position sensor
1616: Stromsensorikcurrent sensor system
16a16a: Stromsensorcurrent sensor
16b16b: Stromsensorcurrent sensor
1818: Temperatursensoriktemperature sensor
2020: Antriebsmaschineprime mover
2222: Erster Kanalfirst channel
2424: Zweiter Kanalsecond channel
2525: Erste WicklungFirst winding
2727: Zweite WicklungSecond winding
2828: Eingangs-/AusgangsperipherieInput / output peripheral
Kl.30Kl.30: Spannungsanschluss Bordnetz (12 V „Dauerplus")voltage connection On-board electrical system (12 V "permanent plus")
Kl.31terminal 31: Masseanschlussground connection
3333: EMI-FilterEMI filter
3434: Relaisrelay
3636: Bussystembus system

Claims

Device for operating an electric drive machine, comprising an electric drive machine ( 20 ), which has at least two windings ( 25 . 27 ), which are acted upon for providing a torque with a voltage, wherein the voltage has at least two different voltage phases, the windings ( 25 . 27 ) are each assignable for generating a rotating field, and a control unit ( 10 ) for controlling the electric drive machine ( 20 ), characterized in that the windings ( 25 . 27 ) of the electric drive machine ( 20 ) and decoupled by the control unit ( 10 ) are controllable separately from each other and the control unit ( 10 ) is configured such that the voltage phases required for generating a rotating field can be generated and separated from each other to the respective winding ( 25 . 27 ) can be forwarded to their control.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the electric drive machine ( 20 ) is operable with exactly two voltage phases for generating a rotating field.

Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the electric drive machine ( 20 ) is designed as a synchronous machine.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electric drive machine ( 20 ) is permanently energized.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the electric drive machine ( 20 ) is designed as a servomotor.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the servomotor part of an electromechanical steering system ( 1 ).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit ( 10 ) at least one means ( 16 ) to detect a fault in a winding ( 25 . 27 ) of the prime mover ( 20 ) to recognize.

Device according to claim 7, characterized in that the means ( 16 ) for detecting an error, a current sensor ( 16a . 16b ), which is in a winding ( 25 . 27 ) of the electric drive machine ( 20 ) is introduced.

Device according to one of claims 7 or 8, characterized in that in the event that an error is detected, the device by means of the control device ( 10 ) can be switched to an emergency operating mode.

Apparatus according to claim 9, characterized in that in the emergency operating mode, the winding ( 25 . 27 ), in which the fault was detected, can be disconnected from the power supply and / or that of this winding ( 25 . 27 ) is suppressed, and that the remaining voltage phase (s) in such a way by means of the control unit ( 10 ) is modulatable by the non-faulty winding (s) ( 25 . 27 ) in the electric drive machine ( 20 ) a rotating field suitable for generating a torque is maintained.

Method for operating an electric drive machine, comprising an electric drive machine ( 20 ), which has at least two windings ( 25 . 27 ), which are subjected to a voltage for providing a torque, wherein the voltage has at least two different voltage phases, the windings ( 25 . 27 ) are assigned to generate a rotating field, respectively, and a control unit ( 10 ) for controlling the electric drive machine ( 20 ), characterized in that the windings ( 25 . 27 ) of the electric drive machine ( 20 ) are galvanically decoupled and by the control unit ( 10 ) are controlled separately from each other and the control unit ( 10 ) is configured such that the voltage phases required for generating a rotating field are generated and separated from each other to the respective winding ( 25 . 27 ) are forwarded to their control.

Method according to claim 11, characterized in that the electric drive machine ( 20 ) is operated with exactly two voltage phases for generating a rotating field.

Method according to one of claims 11 or 12, characterized in that the electric drive machine ( 20 ) is designed as a synchronous machine.

Method according to one of claims 11 to 13, characterized in that the electric drive machine ( 20 ) is permanently energized.

Method according to one of claims 11 to 14, characterized in that the electric drive machine ( 20 ) is designed as a servomotor.

A method according to claim 15, characterized in that the servomotor part of an electromechanical steering system ( 1 ).

Method according to one of claims 11 to 16, characterized in that the control unit ( 10 ) at least one means ( 16 ) to detect a fault in a winding ( 25 . 27 ) of the prime mover ( 20 ) to recognize.

Method according to claim 17, characterized in that the means ( 16 ) for detecting an error, a current sensor ( 16a . 16b ), which is in a winding ( 25 . 27 ) of the electric drive machine ( 20 ) is introduced.

Method according to one of claims 17 or 18, characterized in that in the event that an error is detected, by means of the control device ( 10 ) is switched to an emergency operating mode.

Method according to claim 19, characterized in that in emergency operating mode the winding ( 25 . 27 ), in which the fault was detected, disconnected from the power supply and / or that of this winding ( 25 . 27 ) is suppressed voltage phase, and that the remaining voltage phase (s) so by means of the control unit ( 10 ) is modulated by the non-faulty winding (s) ( 25 . 27 ) in the electric drive machine ( 20 ) a rotating field suitable for generating a torque is maintained.