-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektronisch
kommutierbaren Elektromotors mit einer Sternpunktschaltung mehrerer
Phasen und einen derartigen Elektromotor.
-
Diese
Motoren weisen in der Regel für
die elektronische Kommutierung Leistungshalbleiter als elektronische
Schalter auf. Eine Steuereinheit erzeugt zu diesem Zweck pulsbreitenmodulierte
Signale, welche die elektronischen Schalter öffnen beziehungsweise schließen.
-
Es
kann dabei ein Fehlerfall eintreten, in welchem einer der Leistungshalbleiter
nicht mehr von der Steuereinheit abschaltbar ist. Der elektronische Schalter
ist in diesem Fall also permanent geschlossen. Ein solcher Fehlerzustand
kann beispielsweise aufgrund eines internen Defekts im Leistungshalbleiter
oder aufgrund eines Fehlers in der Verbindung zwischen der Steuereinheit
und dem Leistungshalbleiter entstehen. Im Stand der Technik sind
Verfahren zum Identifizieren eines permanent geschlossenen Schalters
bekannt.
-
Bei
externem Drehen des Motors entstehen bei Permanentmagnet-Erregung durch Induktion elektrische
Spannungen zwischen den Phasen des Motors. Bei dem beschriebenen
Fehlerfall des permanenten Schlusses eines elektronischen Schalters erzeugen
diese induzierten Spannungen in Abhängigkeit von Spannungsphase
und Art der verwendeten Leistungshalbleiter Ströme, die im Motor Bremsmomente
bewirken.
-
Für bestimmte
Anwendungen, insbesondere für
sicherheitskritische Anwendungen wie Antriebe für elektrische Servolenkungen
in Kraftfahrzeugen, soll bei Drehen eines Motors aufgrund eines
an dessen Welle anliegenden externen Drehmomentes kein Bremsmoment
durch einen induktiv verursachten Stromfluss erzeugt werden.
-
Die
DE 101 00 159 A1 schlägt vor,
zur Vermeidung eines solchen Stromflusses und des damit verbundenen
Bremsmomentes zusätzliche
Trennmittel vorzusehen, die im Fehlerfall ansprechen und die Verbindungen
zwischen den Phasenwicklungen auftrennen. Die Auftrennung erfolgt
vorzugsweise im Sternpunkt.
-
In
DE 102 23 139 A1 wird
vorgeschlagen, zusätzliche
Trennmittel in den einzelnen Phasen vorzusehen oder stattdessen
die Motorphasen nicht in einem Sternpunkt zusammenzuführen, sondern
jede Phase einzeln mittels einer Vollbrücke zu betreiben. Im ersten
Fall wird im Vergleich zum ungesicherten Motor zusätzlich eine
mit der Anzahl der Phasen übereinstimmende
Zahl von elektronischen Schaltern benötigt. Im zweiten Fall wird
die Zahl der benötigten
Schalter im Vergleich zum ungesicherten Motor sogar verdoppelt.
-
Auch
die
DE 100 63 605
A1 beschreibt eine Schaltvorrichtung, die zum Verbinden
und Abtrennen zwischen dem Motor und einer Treibervorrichtung angeordnet
ist.
-
Von
Nachteil ist bei den beschriebenen Anordnungen, dass in jedem Fall
zusätzliche
elektronische Schalter benötigt
werden, um im Fehlerfall eines permanent geschlossenen Schalters
das dann bei externem Drehen des Motors entstehende Bremsmoment
zu verhindern.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Elektromotor
der eingangs genannten Art anzugeben, durch die ein Bremsmoment
im beschriebenen Fehlerfall ohne zusätzliche Schalteinheiten verhindert
werden kann.
-
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen
Merkmale aufweist, und durch einen Elektromotor, welcher die in
Anspruch 12 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die
Erfindung schlägt
vor, einen permanent geschlossenen elektronischen Schalter zu identifizieren
und über
mehrere fehlerfreie, insbesondere zueinander parallel geschaltete,
elektronische Schalter einen Kurzschlussstrom durch den identifizierten
permanent geschlossenen Schalter zu leiten, wodurch der identifizierte
permanent geschlossene Schalter thermisch so weit überlastet
wird, dass er zerstört wird.
Mit der Erfindung wird gezielt der identifizierte Schalter überlastet.
Dies wird dadurch erreicht, dass der identifizierte Schalter mit
einer Stromlast beaufschlagt wird, die sich an der anderen Polaritätsseite auf
mehrere Schalter verteilt. Es sind dabei außer den für die elektronische Kommutierung
benötigten Schaltern
keine zusätzlichen
Schalter erforderlich.
-
Durch
Zerstören
des identifizierten Schalters wird dessen permanenter Kurzschluss
aufgehoben. Daraufhin können
auch bei externem Drehen des Motors keine induzierten Ströme und keine
daraus resultierenden Bremsmomente mehr entstehen.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird vor dem Durchleiten des Kurzschlussstroms ein Antriebsstrom über den
identifizierten permanent geschlossenen Schalter und über eine
dem identifizierten permanent geschlossenen Schalter zugeordnete
Phasenwicklung durch eine Sternpunktschaltung geleitet. Der Antriebsstrom fließt dabei
von der Sternpunktschaltung aus durch weitere, von der Phasenwicklung
des permanent geschlossenen Schalters verschiedene Phasenwicklungen
zu anderen elektronischen Schaltern. Durch das darauf folgende Schließen des
Schalters, der sich in derselben Halbbrücke wie der als kurzgeschlossen
identifizierte Schalter, aber auf der anderen Polaritätsseite
befindet, fließt
kurzzeitig ein so hoher Strom durch den als kurzgeschlossen identifizierten
Schalter, dass dieser thermisch überlastet
wird und der Kurzschluss aufgehoben wird.
-
Vorzugsweise
wird dabei der Antriebsstrom ab dem Sternpunkt parallel über mehrere
von der Phasenwicklung des permanent geschlossenen Schalters verschiedene
Phasenwicklungen und deren elektronische Schalter geleitet. Durch
die größere Anzahl
von Phasenwicklungen kann ein größerer Strom
erzielt werden, der auf eine größere Anzahl von
parallel geschalteten Schaltern verteilt wird. Dadurch werden die
betreffenden Schalter thermisch entlastet.
-
Vorteilhafterweise
werden für
den Antriebsstrom geschaltete Schalter für das Durchleiten des Kurzschlussstroms
in ihrer Stellung belassen. Es muss so zum Kurzschließen nur
der betreffende den Brückenkurzschluss
bewirkende Schalter, der im Zweig des permanent geschlossenen Schalters
angeordnet ist, geschlossen werden. Ein problematisches gleichzeitiges
Schließen
mehrerer Schalter ist damit nicht erforderlich. Auf diese Weise
kann unter minimaler thermischer Belastung der noch funktionsfähigen Schalter
ein maximaler Strom und damit eine maximale thermische Belastung
des identifizierten permanent geschlossenen Schalters erzielt werden.
-
Zweckmäßigerweise
wird der Antriebsstrom für
eine bestimmte Dauer geschaltet, so dass beim Kurzschließen ein
maximaler Strom erzeugt wird.
-
In
einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung wird die Antriebsstromdauer
anhand einer beispielsweise vorgebbaren Stromanstiegsgeschwindigkeit bestimmt.
Dabei kann die Stromanstiegsgeschwindigkeit anhand von messbaren
Parametern ermittelt werden. Als Parameter werden beispielsweise
die Gleichspannung am Eingang, die Temperatur, Strommessungen, erfasst.
Durch eine derartige Ermittlung der Antriebsstromdauer in Abhängigkeit
von der Stromanstiegsgeschwindigkeit können einerseits ausreichende
Magnetfeldstärken
erreicht werden. Andererseits kann die Zerstörung des identifizierten Schalters
möglichst
schnell erfolgen. Auch mit einer vorgebbaren Stromanstiegsgeschwindigkeit
wird die Zerstörung
gesteuert durchgeführt.
-
In
einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung wird die Antriebsstromdauer
bestimmt, indem mittels Strommessungen ein Stromanstieg, insbesondere des
Antriebsstroms, ermittelt wird. Dadurch kann die Antriebsstromdauer
in einer Regelung optimiert werden.
-
Zweckmäßigerweise
können
funktionsfähige elektronische
Schalter in Abhängigkeit
von Strommessungen geschaltet werden. Dadurch kann die Belastung
der noch funktionsfähigen
Schalter in einer Regelung optimiert werden.
-
Die
Erfindung sieht einen elektronisch kommutierbaren Elektromotor mit
einer Sternpunktschaltung mehrerer Phasen vor, bei welchem mindestens zwei
Phasenwicklungen, die über
die Sternpunktschaltung miteinander verbunden sind, über jeweilige zwei
elektronische Schalter mit einem ersten elektrischen Potential und/oder
mit einem zweiten elektrischen Potential verbindbar sind, wobei
eine Steuereinheit einen der elektronischen Schalter als permanent
geschlossen identifiziert und mindestens zwei fehlerfreie, elektronische
Schalter schließt,
so dass der identifizierte Schalter durch einen Kurzschlussstrom
zerstört
wird. Dieser Elektromotor wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
betrieben. Dadurch, dass zusätzliche
elektronische Schalter nicht erforderlich sind, kann der Motor kostengünstig hergestellt
werden. Zudem wird die Wahrscheinlichkeit für Fehlfunktionen trotz zusätzlicher
Funktionen nicht erhöht.
-
Vorzugsweise
schließt
die Steuereinheit zum Erzeugen eines Antriebsstroms vor dem Kurzschlussstrom
zunächst
mindestens die Schalter, die dem Potential zugeordnet sind, das
dem Potential des permanent geschlossenen Schalters gegenüberliegt,
und schließt
nach einer Antriebsstromdauer für einen
Brückenschluss
den im Zweig des identifizierten Schalters angeordneten Schalter
zum Erzeugen des Kurzschlussstroms.
-
Vorteilhafterweise
verbindet die Steuereinheit zum Erzeugen des Antriebsstroms alle
von der ersten Phasenwicklung verschiedenen Phasenwicklungen und
mit dem zweiten Potential.
-
Bevorzugt
wird ein Elektromotor mit drei Phasenwicklungen und sechs elektronischen
Schaltern.
-
Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass keine zusätzlichen elektronischen
Schalter erforderlich sind, um Bremsmomente aus induzierten Strömen zu verhindern.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 ein
vereinfachtes Schaltbild eines Elektromotors und
-
2 ein
vereinfachtes Schaltbild eines weiteren Elektromotors mit Strommessungen
-
Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
-
In 1 ist
ein vereinfachtes Schaltbild eines dreiphasigen, elektronisch kommutierbaren Elektromotors 1 dargestellt.
Der Elektromotor 1 weist einen permanentmagnetischen Rotor
auf, der aus Gründen
der Übersicht
nicht abgebildet ist.
-
Eine
Steuereinheit 2 steuert mittels Pulsbreitenmodulation (engt. „Pulse
Width Modulation", PWM)
sechs elektronische Schalter 3, 4, 5, 6, 7 und 8 einer
Kommutierungsanordnung K. Die Schalter 3 bis 8 sind
als Leistungshalbleiter beispielsweise in Form von Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren ausgebildet
sind. Die elektronischen Schalter 3, 4 bzw. 5, 6 bzw. 7, 8 sind
als Halbbrücken
paarweise den drei Phasenwicklungen 9, 10 und 11 zugeordnet. Die
Phasenwicklungen 9, 10, 11 sind in Form
einer Sternpunktschaltung 12 miteinander verbunden. Jede
Phasenwicklung 9, 10, 11 ist zur elektronischen Kommutierung über die
elektronischen Schalter 3, 4 beziehungsweise 5, 6 beziehungsweise 7, 8 mit
einem ersten elektrischen Potential 13 und/oder mit einem
zweiten elektrischen Potential 14 verbindbar.
-
Nachfolgend
wird ein Fehler in der Kommutierungsanordnung K näher beschrieben.
-
Der
elektronische Schalter 3, der elektrisch zwischen der ersten
Phasenwicklung 9 und dem ersten Potential 13 angeordnet
ist, erleidet beispielsweise während
des Betriebs einen internen Defekt, durch den er permanent geschlossen
bleibt. Die Steuereinheit 2 identifiziert daraufhin den
fehlerhaft permanent geschlossenen Schalter 3. Um von induzierten
Strömen
bewirkte Bremsmomente zu verhindern, führt die Steuereinheit 2 ein
zweistufiges Verfahren durch.
-
In
einer ersten Stufe schließt
die Steuereinheit 2 zunächst
die Schalter 6 und 8, die elektrisch zwischen
den Phasenwicklungen 10 bzw. 11 einerseits und
dem zweiten Potential 14 andererseits angeordnet sind.
Dadurch fließt
ein Antriebsstrom IA über den identifizierten permanent
geschlossenen Schalter 3 und über die erste, dem identifizierten Schalter 3 zugeordnete
Phasenwicklung 9 durch die Sternpunktschaltung 12 und
anschließend
parallel durch die beiden restlichen Phasenwicklungen 10 und 11.
In allen drei Phasenwicklungen 9, 10, 11 bauen
sich dabei magnetische Felder auf.
-
Der
identifizierte permanent geschlossene Schalter 3 wird im
Vergleich zu den beiden anderen Schaltern 6, 8 als
Summe der Teilströme
von einer etwa zweifachen Stromstärke durchflossen. Dieser Antriebsstrom
IA wird für eine vorgegebene Antriebsstromdauer
T aufrechterhalten. Die notwendige Antriebsstromdauer T kann beispielsweise
für einen
bestimmten Typ von Elektromotoren einmalig ermittelt und in der
Steuereinheit 2 gespeichert werden.
-
In
einer alternativen, nicht näher
dargestellten Ausgestaltung kann die Antriebsstromdauer T aufgrund
von Messwerten, die eine Berechnung der Stromanstiegsgeschwindigkeit
in den Phasenwicklungen 9, 10, 11 erlauben,
optimiert werden. Als Messwerte können beispielsweise eine Eingangsspannung
zwischen dem ersten Potential 13 und dem zweiten Potential 14 oder
eine Betriebstemperatur bestimmt werden.
-
In
der zweiten Stufe des Verfahrens schließt die Steuereinheit 2 nach
Ablauf der Antriebsstromdauer T den elektrisch zwischen dem identifizierten Schalter 3 und
dem zweiten Potential 14 angeordneten Schalter 4,
welcher elektrisch in derselben Halbbrücke oder demselben Zweig wie
der identifizierte Schalter 3 angeordnet ist. Dies stellt
einen so genannten Brückenkurzschluss
dar. Die für
den Antriebsstrom IA geschalteten Schalter 6 und 8 werden dabei
in ihrer geschlossenen Stellung belassen. Es wird dadurch über drei
zueinander parallel geschaltete elektronische Schalter 4, 6 und 8 ein
Kurzschlussstrom IK durch den identifizierten
Schalter 3 geleitet.
-
Bei
dem identifizierten Schalter 3 führt der Kurzschlussstrom IK dazu, dass durch thermische Überlastung
interne Verbindungen des Leistungshalbleiters zerstört werden.
Beispielsweise brennen bei thermisch hoher Belastung Bonddrähte von
Leistungs-MOS-Feldeffekttransistoren durch. Außerhalb des identifizierten
Schalters 3 wird der Kurzschlussstrom IK auf
die drei mit dem zweiten Potential 14 verbundenen Schalter 4, 6, 8 verteilt,
so dass diese lediglich begrenzt thermisch belastet werden. Ausschließlich beim
identifizierten Schalter 3 wird hinsichtlich der Stromstärke eine
Zerstörungsschwelle überschritten.
-
Durch
die Zerstörung
des Leistungshalbleiters werden dessen permanenter Schluss aufgehoben
und daraus resultierende Bremsmomente vermieden.
-
2 zeigt
einen vereinfachten Schaltplan eines Elektromotors 1, der
mit mehreren Strommess-Einheiten 15 ausgestattet ist. Die
Steuereinheit 2 überwacht
mittels dieser Strommess-Einheiten 15 den Anstieg des Antriebsstroms
IA in der ersten Verfahrensstufe, um die
Antriebsstromdauer T und die Belastung der noch funktionierenden
elektronischen Schalter 4, 5, 6, 7, 8 in
einem Regelkreis zu optimieren.
-
Beispielsweise
wird der Antriebsstrom IA auf Überschreiten
eines vorgebbaren Schwellwertes überwacht.
Wird der Schwellwert überschritten,
so wird die Antriebsstromdauer T beendet.
-
- 1
- Elektromotor
- 2
- Steuereinheit
- 3
- Erster/identifizierter
elektronischer Schalter
- 4
- Zweiter
elektronischer Schalter
- 5
- Dritter
elektronischer Schalter
- 6
- Vierter
elektronischer Schalter
- 7
- Fünfter elektronischer
Schalter
- 8
- Sechster
elektronischer Schalter
- 9
- Erste
Phasenwicklung
- 10
- Zweite
Phasenwicklung
- 11
- Dritte
Phasenwicklung
- 12
- Sternpunkt
- 13
- Erstes
Potential
- 14
- Zweites
Potential
- IK
- Kurzschlussstrom
- IA
- Antriebsstrom