DE102007024659A1

DE102007024659A1 - Hilfskraftlenkung

Info

Publication number: DE102007024659A1
Application number: DE102007024659A
Authority: DE
Inventors: Carsten Rau; Stefan Walz
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2007-05-26
Filing date: 2007-05-26
Publication date: 2008-11-27

Abstract

Es werden eine Hilfskraftlenkung (30), ein Steuergerät (34) für eine solche Hilfskraftlenkung (30) und ein Verfahren zum Betreiben dieser Hilfskraftlenkung (30) vorgestellt. Das elektronische Steuergerät (34) dient zur Ansteuerung eines Elektromotors, wobei Phasenwindungen (36) des Elektromotors anzusteuern sind und mindestens einer der Phasenwindungen (36) ein Schaltmittel zugeordnet ist, das als elektronischer Schalter ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hilfskraftlenkung, ein Steuergerät für eine Hilfskraftlenkung und ein Verfahren zum Betreiben dieser Hilfskraftlenkung.
In elektrischen Lenksystemen bzw. Hilfskraftlenkungen werden häufig permanent erregte Synchronmotoren eingesetzt. Bei diesen ist zu beachten, dass im Falle elektrischer Fehler, wie bspw. bei Kurzschlüssen im Motor oder der Ansteuerung, diese Motoren ein Bremsmoment erzeugen, so dass es nicht nur zum Ausfall der Lenkunterstützung kommen kann, sondern dem Lenkvorgang ein zusätzlicher Widerstand entgegengesetzt wird. Dies kann für ein Lenksystem aus Sicherheitsgründen einen nicht mehr tolerierbaren Zustand darstellen.
Zur Vermeidung dieses Zustands ist es bekannt, eine Auftrennung der Phasenzuleitungen zum Motor oder im Sternpunkt des Motors vorzunehmen. Hierzu werden bei bekannten Systemen mechanische Relais verwendet.
Aus der Druckschrift EP 0 857 135 B1 ist ein elektrisches Hilfskraftlenksystem für ein Fahrzeug bekannt, das einen über ein Getriebe mit einer Lenkeinrichtung des Fahrzeugs wirkverbundenen Elektromotor aufweist, wobei der Elektromotor ein bürstenloser Motor mit mehreren, an einem Sternpunkt verbundenen Phasenwindungen ist. Dabei ist vorgesehen, dass in mindestens einer Phase des Motors ein Schaltmittel vorgesehen ist, das zwischen einer geschlossenen Stellung, bei der in der Phasenwindung Strom fließen kann, und einer offenen Stellung bewegbar ist, die verhindert, dass in der jeweiligen Phasenwindung des Motors Strom fließt, und wobei das Schaltmittel am Sternpunkt des Motors vorgesehen ist, und ein Öffnen des Schaltmittels die Phasenwindung zum Sternpunkt trennt. Das Schaltmittel umfasst einen Schalter oder ein Relais, der bzw. das zwischen einem Ende der Phasenwindung und der Treiberschaltung des Motors in Reihe geschaltet ist.
Mechanische Relais sind jedoch gegenüber äußeren Einflüssen sehr empfindlich und daher nicht ausreichend zuverlässig, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Zudem sind mechanische Relais bei den Stromanforderungen von Lenksystemen mit höherer Lenkleistung kaum noch realisierbar.
Es stellt sich somit die Aufgabe, eine Hilfskraftlenkung bereitzustellen, die einen zuverlässigen Betrieb und ein geeignetes Reagieren im Fehlerfall sicherstellt.
Die erfindungsgemäße Hilfskraftlenkung weist einen Servoantrieb mit einem Elektromotor auf, der über eine Anzahl von Phasenwindungen verfügt. Weiterhin ist ein elektronisches Steuergerät zur Ansteuerung des Elektromotors vorgesehen, wobei die Phasenwindungen des Elektromotors mit dem Steuergerät anzusteuern sind und mindestens einer der Phasenwindungen ein Schaltmittel zugeordnet ist. Erfindungsgemäß ist als Schaltmittel ein elektronischer Schalter, üblicherweise ein elektronischer Schalter aus einem Halbleitermaterial, vorgesehen. Die Wahl eines geeigneten Halbleiter-Bauelements ergibt sich durch das erwünschte Schaltverhalten.
Mit diesem elektronischen Schalter können die in Zusammenhang mit mechanischen Relais beschriebenen Nachteile ver mieden werden, so dass ein sicherer Betrieb gewährleistet ist und es im Fehlerfall nicht zu unakzeptablen Bremsmomenten kommt. Die beschriebene Hilfskraftlenkung verfügt somit über eine Sicherheitsabschaltung, die mit Halbleiterelementen realisierbar ist. Als Halbleiterbauelemente werden vorzugsweise MOSFET verwendet, bei höheren Spannungen von > 50 V können aber auch andere Bauelemente, wie bspw. IBGT, verwendet werden. Bei der Verwendung von MOSFET ist es von Vorteil, dass diese einfach skalierbar sind.
Als Elektromotor kommt üblicherweise ein Synchronmotor zum Einsatz.
Das durch die Erfindung beschriebene elektronische Steuergerät dient zur Ansteuerung eines Elektromotors für die Anwendung in Lenksystemen von Kraftfahrzeugen. Zur Ansteuerung einer oder mehrerer Motorphasen dienen als Schalter Halbleiterbauelemente, üblicherweise MOS-Feldeffekttransistoren, oder andere Halbleiterbauelemente.
Das elektronische Steuergerät kann für eine Sternpunktauftrennung oder eine Phasenauftrennung ausgeführt sein.
Das vorgestellte Verfahren dient zum Betreiben einer Hilfskraftlenkung, bei dem Phasenwindungen eines Elektromotors der Hilfskraftlenkung über ein elektronisches Steuergerät angesteuert werden, wobei mindestens einer der Phasenwindungen ein Schaltmittel zugeordnet ist, mit dem im Bedarfsfall ein Abschalten des Stromflusses in der betreffenden Phasenwindung bewirkt werden kann. Das Abschalten erfolgt dabei über einen elektronischen Schalter.
In Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Abschalten gesteuert mit einer Zeitverzögerung erfolgt. Bei dieser Abschaltstrategie wird zunächst die Endstufe abgeschaltet.
Die Abschaltung muss so kurzfristig erfolgen, dass keine unbeherrschbare Situation für den Fahrer des Fahrzeugs eintritt.
Das erfindungsgemäße Computerprogramm umfasst Programmcodemittel, um ein Verfahren zum Betreiben einer Hilfskraftlenkung der vorstehend beschriebenen Art durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Mikroprozessor eines Computers, insbesondere in einem Steuergerät der Hilfskraftlenkung, ausgeführt wird.
Dieses Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Datenträger, wie bspw. einer Diskette, CD, DVD, Festplatte, einem USB Memory Stick oder ähnlichem, oder einem Internetserver als Computerprogrammprodukt gespeichert sein. Von dort kann das Computerprogramm in ein Speicherelement des Steuergeräts übertragen werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
1 zeigt in vereinfachter Darstellung eine Hilfskraftlenkung.
2 zeigt stark vereinfacht eine mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Hilfskraftlenkung mit einem Elektromotor.
3 zeigt stark vereinfacht eine weitere mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen Hilfskraftlenkung mit einem Elektromotor.
In 1 ist in einem vereinfachten Blockschaltbild eine Hilfskraftlenkung, insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen, zur Verdeutlichung möglicher Fehlerfälle dargestellt. Zu erkennen ist ein permanent erregter Synchronmotor 12, dem eine Ansteuerung 14 mit einer Anzahl von MOSFET zugeordnet ist.
Mögliche Fehlerfälle sind bspw. ein Kurzschluss zwischen Motorwicklungen (Umrandung 16), ein Kurzschluss eines MOSFET (Umrandungen 18), wie dies durch ein defektes Bauelement oder auch Fremdkörper verursacht werden kann, und ein Bordnetzkurzschluss (Umrandung 20), der bspw. durch ein defektes Bauteil (Elko) erfolgen kann. Diese Fehlerfälle dürfen nicht zu unakzeptablen Bremsmomenten führen.
In 2 ist in vereinfachter Darstellung ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hilfskraftlenkung, insgesamt mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet, dargestellt.
Die Darstellung zeigt einen Synchronmotor 32, dem ein Steuergerät 34 zugeordnet ist. Der Synchronmotor umfasst drei Phasenwindungen 36, die getrennt über MOSFET 38 als Schaltmittel anzusteuern sind. Die besondere Anordnung der MOSFET 38 ermöglicht, dass diese in zwei Richtungen geschaltet werden können. Ein Widerstand 40 zwischen Gate und Source stellt sicher, dass die MOSFET 38 im Falle einer Unterbre chung in der Gateansteuerung abgeschaltet werden. Die Darstellung zeigt stark vereinfacht das Steuergerät 34, das für eine Sternpunktauftrennung ausgeführt ist.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform des Steuergeräts 50 dargestellt. Wiederum ist ein Synchronmotor 52 und ein Steuergerät 54 dargestellt. Der Synchronmotor 52 umfasst drei Phasenwindungen 56, die gesondert über MOSFET 58 anzusteuern sind. Das Steuergerät 54 ist für eine Phasenauftrennung ausgeführt.
Da Halbleiterbauelemente, insbesondere MOSFET, den Stromfluss nur in einer Richtung unterbinden können, ist eine spezielle Anordnung der Bauelemente erforderlich. Diese ist in 2 für eine Sternpunktauftrennung sowie in 3 für eine Phasenauftrennung ausgeführt.
Die in den 2 und 3 dargestellte elektronische Sternpunkt-/Phasenauftrennung kann mechanisch im Steuergerät der Hilfskraftlenkung oder im Motor der Hilfskraftlenkung integriert werden. Die technische Umsetzung der Sternpunkt-/Phasenauftrennung kann dabei direkt in die Steuergeräteelektronik integriert werden oder als separates Modul ausgeführt sein. Die technische Umsetzung kann bspw. als eine Leiterplattenlösung oder mit einem DBC (DBC: direct bonded cooper) oder einem IMS-Substrat (IMS: insulated metal substrate) erfolgen. Beide Schaltungen sind auch in Ausführungen mit getauschten Anschlüssen für Drain und Source funktionsfähig. Eine solche Anordnung erscheint jedoch bei der technische Umsetzung weniger vorteilhaft.
Die in den 2 und 3 gewählten Anordnungen bieten den Vorteil einer möglichst einfachen Ausführung der Ansteuerschaltung für das Ein- und Ausschalten der MOSFET.
Es ist zu beachten, dass elektronische Bauelemente für eine Phasen- oder Sternpunktauftrennung nicht einfach verwendet werden können, da folgende Probleme vorliegen:

1. Kostennachteil gegenüber mechanischer Relaislösung
2. Ein Abschalten der elektronischen Bauelemente MOSFET in dem Fall eines bestromten Motor führt zur Zerstörung der Bauelemente

Zur Lösung des ersten Problems werden MOSFET mit kleiner Spannungsfestigkeit, bspw. nur 30 V, verwendet, wodurch die Bauelementekosten erheblich reduziert werden können. Die Verwendung von MOSFET mit geringer Spannungsfestigkeit ist in Automobilanwendungen mit Bordnetzspannungen von 12 V und höher zwar normalerweise ausgeschlossen. Eine Abschaltstrategie im Fehlerfall eines defekten MOSFET in der Motoransteuerung, die bei einem defekten MOSFET immer alle Endstufen-MOSFET ausschaltet, ermöglicht jedoch die Verwendung von MOSFET geringer Spannungsfestigkeit.
Zur Lösung des zweiten Problems, nämlich der Zerstörungsgefahr der MOSFET in der elektronischen Sternpunkt- bzw. Phasenauftrennung, erfolgt im Fehlerfall eines defekten Endstufen-MOSFET das Ausschalten der MOSFET in der elektronischen Sternpunkt- bzw. Phasenauftrennung, über eine Hardware oder Software gesteuert, mit einer Zeitverzögerung im ms-Bereich. Damit hat sich der fließende Strom im Motor abgebaut, bevor die MOSFET in der elektronischen Sternpunkt-/Phasenauftrennung abgeschaltet werden. Eine Schädigung der MOSFET durch Auftreten eines Avalanche-Betriebs der MOSFET im Ausschaltzeitpunkt kann damit vermieden werden.
Die kurzzeitige Erschwerung der Lenkbewegung, bis die Auftrennung des Sternpunkts bzw. der Phasenleitung erfolgt, kann angesichts der Abschaltverzögerung mechanischer Relais toleriert werden. Im Fehlerfall eines Bordnetzkurzschlusses erfolgt das verzögerte Abschalten der MOSFET über eine Hardware mittels eines Kondensators und eines Widerstandes, der die Gate-Spannung der MOSFET in der elektronischen Sternpunkt-/Phasenauftrennung im ms-Bereich aufrechterhält. Somit ist auch der Fehlerfall eines Bordnetzkurzschlusses im Zeitpunkt eines bestromten Motors abgedeckt. Dieser kann nicht zur Zerstörung der MOSFET in der elektronischen Sternpunkt-/Phasenauftrennung führen.
Die Lösung der beiden Probleme ermöglicht somit die Umsetzung einer elektronischen Sternpunkt-/Phasenauftrennung.
Weiterhin ist zu beachten, dass die Lösung der beiden Probleme die Verwendung von MOSFET mit niedriger Spannungsfestigkeit sogar für Bordnetzspannungen oberhalb 12 V ermöglicht. Eine Sternpunkt-/Phasenauftrennung für Bordnetzspannungen oberhalb 12 V, wie bspw. 24 V oder 42 V, sind mit den heute verfügbaren mechanischen Spezailrelais nicht abzudecken und erfordern die Neuentwicklung dieser Bauelemente.
Die elektronische Sternpunkt-/Phasenauftrennung kann einfach an die Ströme und Spannungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden, da die elektronischen Bauelemente in großer Ausführungsbandbreite verfügbar sind. Ein mechanisches Relais benötigt hingegen bei einer Änderung einen neuen Werkzeugsatz in der Fertigungsstraße.
Weiterhin ist die Vibrationsbeständigkeit der elektronischen Lösung um Größenordnungen höher als die einer mechanischen Lösung. Diese hohe Vibrationsbelastung kann bspw. zum Verschleißen von Relaiskontakten und damit zum Ausfall der Sicherheitseinrichtung führen.
Das elektronische Sternpunktrelais kann über eine gesonderte Ansteuerschaltung, die über den Synchronmotor gespeist wird und bei ausgeschaltetem Steuergerät und auch ohne externe Versorgungsspannung funktioniert, zur Reduzierung der maximalen Drehzahl des Motors verwendet werden.
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

- EP 0857135 B1 [0004]

Claims

Hilfskraftlenkung eines Kraftfahrzeugs, die aufweist: einen Servoantrieb mit einem Elektromotor, der über eine Anzahl von Phasenwindungen (36, 56) verfügt, ein elektronisches Steuergerät (34, 54) zur Ansteuerung des Elektromotors, wobei die Phasenwindungen (36, 56) des Elektromotors mit dem Steuergerät (34, 54) anzusteuern sind und mindestens einer der Phasenwindungen (36, 56) ein Schaltmittel zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltmittel ein elektronischer Schalter vorgesehen ist.
Hilfskraftlenkung nach Anspruch 1, bei der als Elektromotor ein Synchronmotor (32, 52) vorgesehen ist.
Elektronisches Steuergerät für eine Hilfskraftlenkung (30, 50) eines Kraftfahrzeugs zur Ansteuerung von Phasenwindungen (36, 56) eines Elektromotors, mit mindestens einem Schaltmittel, das einer Phasenwindung (36, 56) des Elektromotors zuzuordnen ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltmittel ein elektronischer Schalter dient.
Elektronisches Steuergerät nach Anspruch 3, bei dem der elektronische Schalter ein Feldeffekttransistor (38, 58) ist.
Elektronisches Steuergerät nach Anspruch 3 oder 4, das für eine Sternpunktauftrennung ausgeführt ist.
Elektronisches Steuergerät nach Anspruch 3 oder 4, das für eine Phasenauftrennung ausgeführt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Hilfskraftlenkung (30, 50), bei dem Phasenwindungen (36, 56) eines Elektromotors der Hilfskraftlenkung (30, 50) über ein elektronisches Steuergerät (34, 54) angesteuert werden, wobei mindestens einer der Phasenwindungen (36, 56) ein Schaltmittel zugeordnet ist, mit dem im Bedarfsfall ein Abschalten des Stromflusses in der betreffenden Phasenwindung (36, 56) bewirkt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschalten über einen elektronischen Schalter erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Abschalten gesteuert mit einer Zeitverzögerung erfolgt.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um ein Verfahren zum Betreiben einer Hilfskraftlenkung (30, 50) bei einem Kraftfahrzeug gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Mikroprozessor eines Computers, insbesondere in einem Steuergerät (34, 54) der Hilfskraftlenkung (30, 50), ausgeführt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein Verfahren zum Betreiben einer Hilfskraftlenkung (30, 50) bei einem Kraftfahrzeug gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Mikroprozessor eines Computers, insbesondere in einem Steuergerät (34, 54) der Hilfskraftlenkung (30, 50), ausgeführt wird.