DE102008054744A1

DE102008054744A1 - Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Aktuators in einer elektrischen Hilfs- oder Fremdkraftlenkung

Info

Publication number: DE102008054744A1
Application number: DE200810054744
Authority: DE
Inventors: Thomas Poetzl; Wilfried Leutner; Carsten Rau
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Hilfs- oder Fremdkraftlenkung mit einem n-Phasen aufweisenden Elektromotor (106, EMOT) zur Einleitung eines die Lenkkraft unterstützenden Hilfskraftmoments (M) oder zur additiven Überlagerung eines vom Fahrer eingeprägten Lenkwinkels (δ) mit einem Zusatzwinkel (δ), und einer Steuer- und Regeleinheit (130), die zum Zwecke der elektronischen Kommutierung des Elektromotors (106), EMOT) entsprechende Steuersignale (PWM_UVW) generiert und die zur Beeinflussung von Schaltzeitpunkten von in Brückenzweigen angeordndeten, jeweil einen High- und Low-Side-Halbleiterschalter beinhaltenden Halbleiterschalterpaaren (S_U, S_U) (S_V, S_V), S_W, S_W) vorgesehen sind, wobei die Phasenabgänge der Brückenzweige den n-Phasen (U, V, W) des Elektromotors (106, EMOT) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet dass, ein Last-Brückenzweig (Ln) identifiziert wird, der gegenüber den verbleibenden n-1 Brückenzweigen eine reale oder theoretisch hohe Leistungsbelastung aufweist.

Description

Die Offenlegungsschrift DE 10 2006 032 893 A1 offenbart ein Kraftfahrzeugsystem mit einem einphasigen elektrischer Aktuator. Es ist vorgesehen, die Ansteuerung des als Elektromotor ausgebildeten Aktuators in zwei Betriebsarten erfolgen zu lassen, wobei die Umschaltung der Betriebsarten in Abhängigkeit von Fahrzeugbetriebsparameter erfolgt, die mit der Verlustleistung oder der Ausgangsleistung des Aktuators korrelieren.
Es werden dem Fachmann jedoch keine Hinweise zur Lösung gegeben, die den Eigenheiten im speziellen Umfeld einer elektrischen Hilfs- oder Fremdkraftlenkung Rechnung trägt.
Die DE 102 23 139 beschreibt einen elektronisch kommutierten Motor mit dreiphasiger Erregerwicklung, der dafür vorgesehen ist, als Antriebsmotor einer elektrischen Lenkhilfe eingesetzt zu werden. Im Falle eines Kurzschlusses im Motor oder in seinen elektronischen Treiberstufen sind zusätzliche Schaltmittel vorgesehen, die ein vom Motor erzeugtes Bremsmoment unterbinden oder zumindest mindern.
Im Buch „Steuerverfahren für selbstgeführte Stromrichter" von Felix Jenni und Dieter Wüest, publiziert im Jahr 1995 vom Hochschulverlag AG ETH Zürich/Teubner Verlag Stuttgart (ISBN 3-519-06176-7), ist auf den Seiten 161 ff unter dem Absatz „Nur ein Nullzustand pro Abtastperiode” ein Verfahren zur Kommutierung eines Elektromotors offenbart, welches die Anzahl der Schaltvorgänge in einer Brückenschaltung reduziert, indem bestimmte Schaltmuster (Nullzustände) unterdrückt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein spezielles Verfahren zur Kommutierung eines Elektromotors in einer elektrischen Hilfs- oder Fremdkraftlenkung anzugeben, welches zum Einen eine verbesserte Betriebsführung hinsichtlich Lebensdauer und Schutz einer dem Motor zugeordneten elektronischen Leistungsstufe gewährleistet und zum Anderen eine gleichzeitige Erhöhung des Abgabemoments des Elektromotors ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Elektrische Aktuatoren in einem Lenksystem, insbesondere Elektromotoren, die ein Unterstützungsmoment in das Lenksystem einleiten, werden häufig bei geringen Drehzahlen, bis hin zum Stillstand der Maschine bei gleichzeitig maximalem Moment betrieben. In diesen Betriebszuständen sind die Temperaturen und Temperaturhübe in den Leistungshalbleitern, passiven Bauelementen und der Aufbau- und Verbindungstechnik im Leistungspfad sehr hoch, dies begrenzt die Lebensdauer und definiert zugleich die Leistungsfähigkeit des Lenksystems.
In den beschriebenen Betriebsbereichen wird in der Regel die Spannungsreserve (Modulationsgrad) im Wechselrichter einer elektronischen Leistungseinheit nicht vollständig ausgenützt, so dass eine gleichsinnige Potentialverschiebung der Zweigspannungen möglich ist.
Im Halbleiterschalter addieren sich die Anteile der Durchlassverluste P_V,On im leitenden Zustand und Schaltverluste P_V,Schalt bei Schaltübergängen zu einer Gesamtverlustleistung.
Durch die Potentialverschiebung wird die Aufteilung der Verlustleistung in den Zweigen verschoben. Wird in einem Zweig die Aussteuerung auf 100% angehoben oder auf 0% erniedrigt entfallen in diesem Zweig die Schaltverluste, so dass die Gesamtverluste des Wechselrichters abgesenkt werden. Auf diese Weise können Temperaturhübe und Maximaltemperaturen beeinflusst werden.
Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Hilfs- oder Fremdkraftlenkung vorgesehen, die einen n-Phasen aufweisenden Elektromotor zur Einleitung eines die Lenkkraft unterstützenden Hilfskraftmoments oder zur additiven Überlagerung eines vom Fahrer eingeprägten Lenkwinkels mit einem Zusatzlenkwinkel aufweist.
Eine Steuer- und Regeleinheit generiert dabei zum Zwecke einer elektronischen Kommutierung des Elektromotors entsprechende Steuersignale zur Beeinflussung von Schaltzeitpunkten von in Brückenzweigen angeordneten, jeweils einen High- und Low-Side-Halbleiterschalter beinhaltenden Halbleiterschalterpaaren. Die Phasenabgänge der Brückenzweige sind den n Phasen des Elektromotors zugeordnet.
Es ist vorgesehen, dass ein Last-Brückenzweig identifiziert wird, der gegenüber den verbleibenden n – 1 Brückenzweigen eine reale oder theoretisch hohe Leistungsbelastung aufweist und des weiteren ist vorgesehen, dass nach Maßgabe von lenkungsinternen und den Elektromotor beeinflussenden Betriebsgrößen oder deren Sollvorgaben eine Modifikation der Modulation des PWM-Musters dahingehend erfolgt, dass die Steuersignale keine Schaltvorgänge im Halbleiterschalterpaar des identifizierten Last-Brückenzweigs initiieren
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Identifikation des Last-Brückenzweigs anhand einer Auswertung des PWM-Musters der Steuersignale, eines Pulsweiten-Modulations-Grades oder eines gemessenen Ist-Stromes oder eines berechneten theoretischen Stromes in den Zweigen erfolgt
Des Weiteren ist es vorgesehen, die Modifikation der Modulation ausschließlich innerhalb eines Drehzahlbereichs des Elektromotors (106, E_MOT) von 0 bis in etwa 1000 Umdrehungen pro Minute vorzunehmen
Ebenso ist es vorgesehen, dass die Modifikation der Modulation bei Überschreiten eines festgelegten Stromdichtewerts der Halbleiterschalter erfolgt.
Zur Ermittlung eines Stromwerts in den n Phasen des Elektromotors ist es vorgesehen, dass Schaltvorgänge zur Messung des momentanen Stromes in einer der n Phasen des Elektromotors in das modifizierte PWM-Muster PWM_UVW' einzubauen.
In einem weiterem Lösungsansatz ist es vorgesehen, dass ein Last-Brückenzweig identifiziert wird, der gegenüber den verbleibenden n – 1 Brückenzweigen eine reale oder theoretisch hohe Leistungsbelastung aufweist und des weiteren nach Maßgabe von lenkungsinternen und den Elektromotor beeinflussenden Betriebsgrößen oder deren Sollvorgaben eine Modifikation der Modulation des PWM-Musters dahingehend erfolgt, dass eine zunehmende Symmetrisierung des PWM-Musters im identifizierten Last-Brückenzweigs erfolgt, welche in Folge die Leistungsbelastung des im identifizierten Last-Brückenzweig befindlichem Halbleiterschalterpaars zunehmend gleich verteilt.
Dies hat eine verbesserte Verteilung der elektrischen (Verlust-)Leistung eines Halbleiterschalterpaars zur Folge. Die Leistungsbelastung des High-Side und Low-Side Schalters wird zunehmend gleich verteilt.
Als vorteilhafte Fortbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Symmetrisierung des PWM-Musters im identifizierten Last-Brückenzweig zunehmend fortschreitend vorgenommen wird, so dass in Folge die Schaltvorgänge eines Halbleiterschalterpaars in einem der verbleibenden der n – 1 Brückenzweigen vollständig entfallen.
Hierbei ist es von Vorteil, dass die Identifikation des zugehörigen Last-Brückenzweigs anhand einer Auswertung des PWM-Musters der Steuersignale der n-Phasen oder anhand einer Bewertung des Stromes oder einer mit der elektrischen Leistung des Elektromotors korrelierenden Sollvorgabe erfolgt.
Als Last-Brückenzweig wird derjenige Brückenzweig ausgewählt, der gegenüber den verbleibenden n – 1 Phasen eine hohe Leistungsbelastung aufweist.
Auch hier ist es vorgesehen, dass die Modifikation der Modulation ausschließlich innerhalb eines Drehzahlbereichs des Elektromotors von in etwa 0 bis 1000 Umdrehungen pro Minute erfolgt. Bei größeren Drehzahlbereichen führt die Anwendung des Verfahrens zu einer merklichen Verschlechterung des Motorverhaltens, was sich negativ auf das gesamte Lenksystem auswirkt und sich in Form von Rattern bemerkbar macht.
Auch hier ist es von Vorteil, dass die Modifikation der Modulation bei Überschreiten eines festgelegten Stromdichtewerts der Halbleiterschalter erfolgt.
Der Stromdichtewert ist dabei eine Größe, die den Strom- oder Leistungsgrenzwert des jeweiligen Halbleiterschalters repräsentiert.
Hierfür ist es vorgesehen, dass die Identifikation des zugehörigen Last-Brückenzweigs anhand einer Leistungsbetrachtung der Halbleiterschalter erfolgt, wobei derjenige Brückenzweig als Last-Brückenzweig festgelegt wird, der den Halbleiterschalter mit der höchsten oder einer vergleichsweise hohen Leistungsbelastung aufweist.
Es ist von Vorteil, dass die Modifikation der Modulation ausschließlich innerhalb eines Drehzahlbereichs des Elektromotors von in etwa 0 bis 1000 Umdrehungen pro Minute erfolgt.
Des Weiteren ist es vorgesehen, dass die Modifikation der Modulation bei Überschreiten eines festgelegten Stromdichtewerts der Halbleiterschalter erfolgt.
Zur messtechnischen Erfassung eines Brücken- oder Phasenstromes des Elektromotors ist es vorgesehen, dass Schaltvorgänge in einem der Halbleiterschalterpaare initiiert werden.
Im Besonderen ist es vorgesehen, dass die Modifikation der Modulation in Abhängigkeit des gemessenen Handmoments oder einer Sollvorgabe für das vom Elektromotor aufzubringende Unterstützungsmoment erfolgt oder in Abhängigkeit derer vorgenommen wird.
Prinzipiell kommen alle internen lenkungsspezifischen Größen in Betracht, die eine Auswirkung auf die elektrische Leistung des Elektromotors haben.
Der beanspruchte Schutzbereich erstreckt sich dabei auf das Verfahren, ein Steuergerät zum Betrieben einer Hilfs- und Fremdkraftlenkung sowie eine Hilfs- oder Fremdkraftlenkung die mit einem Steuergerät ausgestattet ist, das dafür vorbereitet und geeignet ist, eines der beanspruchten Verfahren durchzuführen.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren weisen nachfolgend aufgeführte Vorteile auf:
Die Temperaturhübe der elektronischen Halbleiterschalter über die Laufzeit des Systems werden kleiner, was sich vorteilhaft auf die gesamte Lebensdauer der Leistungseinheit auswirkt. Die maximal vorkommenden Temperaturen der Leistungshalbleiter, der passiven Bauelemente sowie die Temperatur des gesamten Aufbaus und der Verbindungstechnik des Leistungsteils werden verringert, insbesondere dann, wenn die Schalthandlungen in einem Brückenzweig vollständig entfallen. Insgesamt wird die Summenverlustleistung des Lenksystems verringert.
Des Weiteren werden die Messvoraussetzungen optimiert, die zu einer Verbesserung der Messergebnisse bezüglich einer Strom- und Spannungsmessung führen.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer elektrischen Servolenkung und deren Einbettung in einem Kraftfahrzeug nach dem Stand der Technik
2 zeigt den internen Aufbau einer Leistungseinheit zur Ansteuerung eines Elektromotors einer elektrischen Servolenkung nach dem Stand der Technik.
3 zeigt einen Funktions- und Signallaufplan in einer vorteilhaften Ausführungsform gemäß der Erfindung
4 zeigt ein Modulationsverfahren zur Kommutierung des Elektromotors in „normaler”, unmodifizierter Weise und gegenüberstellend in modifizierter Weise gemäß der Erfindung.
1 zeigt schematisch Aufbau und Anordnung einer elektrischen Hilfskraftlenkung und deren Systemkomponenten in einem Kraftfahrzeug nach dem Stand der Technik. Ein vom Fahrer an der Lenkhandhabe 101 in Form eines Lenkwinkels δ_S eingeleiteter Fahrrichtungswunsch wird mittels einer Lenksäule, die aus den beiden Lenkwellenabschnitten 102 und 103 besteht, in ein Lenkgetriebe 107 der elektrischen Hilfskraftlenkung 106 eingeprägt. Die Drehbewegung der Lenksäule wird in eine translatorische Bewegung Z_S einer Zahnstange 109 umgesetzt und mittels Spurstangen 110 an die gelenkten Räder 111 einer Achse zur Einstellung eines Radlenkwinkels δ_R übertragen.
Zwischen dem niedermomentseitigen Lenkwellenabschnitt 102 und dem hochmomentseitigen Lenkwellenabschnitt 103 ist ein Torsionselement 105 angeordnet, mittels welchem eine Drehmoment detektierbar wird.
Das Torsionselement 105 ist als Drehstab mit einer bekannten Drehstab-Steifigkeit ausgebildet, an dem eine Winkeldifferenz Δδ_HM zwischen dem eingangs- und ausgangsseitigen Lenkwellenabschnitt 102, 103 mittels eines Drehmoment- und/oder kombinierten Winkeldifferenzsensors 104 detektierbar ist. Das Torsionselement 110 weist eine inhärente Steifigkeit (Drehstabsteifigkeit) auf. Diese Größe ist auch ein Maß für das in der Lenkwelle 103 anliegende Handmoment M_H, welches vom Fahrer an der Lenkhandhabe 101 wahrgenommen wird. Zur Einleitung eines die Lenkkraft des Fahrers unterstützenden Unterstützungsmoments M_S ist ein Elektromotor 108 vorgesehen, der über eine Getriebestufe mit der Zahnstange 109 wirkverbunden ist. Eine elektronische Leistungsstufe (PCU) 110 bestromt die Phasen U, V, W des Elektromotors (EMot) 108 entsprechend eines durch eine Steuer- und Regelungseinheit 130 vorgegebenen Soll-Unterstützungsmoments M_SS.
Zur Bestimmung der Sollvorgabe M_SS des Unterstützungsmoments M_S wird der Steuer- und Regelungseinheit 130 eine Information über das gemessene Lenkradmoment MH oder eine Winkeldifferenz-Größe Δδ_HM als wesentliche Eingangsgröße zugeführt. Ein Lenkfunktionsregler (LFR) 131 ermittelt aus diesen und weiteren fahrzeugspezifischen Größen die Sollvorgabe Mss des Unterstützungsmoments. Als weitere wesentliche Eingangsgröße des LFR ist die momentane Fahrzeuggeschwindigkeit v vorgesehen. Es können auch weitere Größen dem LFR zugeführt sein, wie beispielsweise vektor-basierte Fahrdynamikgrößen v, a des Fahrzeugs, die die momentane Bewegung des Fahrzeugs beschreiben. Hierzu zählen unter anderen die Fahrzeug-Längsgeschwindigkeit v_x sowie die Längs- und Querbeschleunigung a_x und a_y.
Eine nachfolgende Regelungsstufe 132 führt eine feldorientierte Regelung (FOR) aus, um pulsweiten-modulierte Steuersignale PWM_UVW zu generieren, die der PCU zugeführt sind, um einen entsprechenden Phasenstrom I_UVW in den Phasen UVW des Elektromotors 108 zu treiben.
Eine weitere Eingangsgröße der FOR stellt der motorseitige Rotorlagewinkel φ dar, sowie die gemessenen Phasenströme I_UVW des Elektromotors 108.
Durch entsprechendes Setzen der Sollvorgabe kann das Unterstützungsmoment M_S die Lenkbewegung unterstützen oder dieser entgegen wirken. Dies stellt die primäre Funktion eines Lenksystems dieser Gattung dar. Grundsätzlich können zusätzliche Funktionalitäten mit einem derartigen System dargestellt werden, insbesondere Komfort-(Einparkhilfe, Lenkungsrückführung) und Sicherheitsfunktionen (Fahrdynamikeingriffe, Seitenwindkompensation).
Zur Ermittlung des fahrerseitigen Lenkwinkels δ_S ist in einem oberen Wellenabschnitt 102 der Lenksäule ein Index-Sensor 120 angeordnet. Eine aus dem Ausgangssignal des Sensors abgeleitete Index-Information Si wird der Steuer- und Regeleinheit 130 zugeführt.
Ein Teil des Index-Sensors 120 ist drehfest mit dem Wellenabschnitt 102 verbunden und besteht aus wenigsten einer Positionsmarke 122, die als magnetischer Pol ausgebildet ist. Bei der Drehbewegung der Lenkwelle können so Drehbewegungsänderungen bezüglich eines ortsfesten, magnetfeldempfindlichen Sensors 121 detektiert werden.
Mittels eines Fahrzeugbussystems 141, welches als Schnittstelle 140 zu anderen dem Fahrzeugverbund zugehörenden Systemen dient, beispielsweise einem übergeordneten Fahrsteuerrechner (FSR), kann die Steuer- und Regelungseinheit 130 externe Daten empfangen und interne, lenkungsspezifische Daten versenden.
Als Empfangsdaten sind dabei Fahrdynamikinformationen vorgesehen, die geeignet sind die momentane Bewegung des Fahrzeugs zu beschreiben.
Insbesondere gehören hierzu die momentane Fahrzeuglängsgeschwindigkeit v_x, die Raddrehzahlinformationen ω_R der Räder, sowie Größen, die das Gieren, Nicken und Wanken des Fahrzeugs beschreiben.
Als weitere Empfangsdaten sind Informationen vorgesehen, die geeignet sind, den momentanen Betriebszustand des Fahrzeugs zu beschreiben: Hierzu zählen Informationen über die Drehzahl des Verbrennungsmotors, Informationen über den Zündungszustand sowie den Ladezustand des Bordspannungsnetzes.
Dementsprechend ist ein Betriebmodus vorstellbar, bei dem die Steuer- und Regeleinheit 130 das Soll-Unterstützungsmoment M_SS als Vorgabe des FSR erhält.
Als Sendedaten sind interne lenkungsspezifische Informationen vorgesehen, die von der Steuer- und Regeleinheit 130 aufgrund der Verbindung zu lenkungsspezifischer Sensorik aufbereitet, plausibilisiert, berechnet und weitergegeben werden können. Hierzu zählt im Wesentlichen der aktuelle Lenkwinkel δ_S, der durch die Steuer- und Regeleinheit auf Grundlage des Rotorlagewinkels φ und der aus dem Index-Sensor 120 stammenden Index-Information Si abgeleitet und plausibilisiert werden kann. Die Information über den aktuellen Lenkwinkel kann somit durch den FSR oder anderen Fahrzeugverbundsystemen ausgewertet werden.
2 zeigt den internen Aufbau einer Leistungseinheit zur Ansteuerung eines Elektromotors EMot einer elektrischen Servolenkung.
Funktional besteht die Leistungseinheit (Bezugsziffer 101 in 1) aus einem elektronischem Wechselrichter WR. Im Zwischenkreis ZK des Wechselrichters sind elektrische Speicherelemente für Strom und Spannung angeordnet, die in Block 201 zusammengefasst sind.
Der Elektromotor ist im Lastkreis LK angeordnet wobei seine drei Phasen U, V, W in einer B6-Brücke derart verschaltet sind, so dass sie mittels zweier zugehöriger elektronischer Schalter S_U_HS, S_U_LS, im Falle der High-Side-Schalter mit der positiven Seite der Versorgungsspannung U_bat und im Falle der Low-Side-Schalter mit der negativen Seite der Versorgungsspannung niederohmig verbunden werden können. Die Phasen des Elektromotors sind mit den Phasenabgängen der Brückenzweige im Mittelpunkt, zwischen dem High- und Low-Side-Halbleiterschalter verbunden. Ein zusammengehöriger High- und Low-Side-Halbleiterschalter bilden jeweils ein Halbleiterschalterpaar.
Zu Steuerungszwecken der elektronischen Schalter sind puls-weiten-modulierte Steuersignale PMW_UVW vorgesehen, die von einer feldorientierten Regelungseinheit (FOR) generiert und zur Ansteuerung des Halbleiterschalter mittels spezieller Treiberstufen konditioniert werden.
Die Wicklungen des Elektromotors EMot sind zu einem Sternpunkt mit gemeinsamen Bezugspotential U_N (Sternpunktspannung) im Motor verbunden. Die Aussteuerung des Motors wird bezüglich einer Sternpunktspannung vorgenommen, die im Normalfall bei etwa U_bat/2 liegt, dies ermöglicht eine symmetrische Leistungsreserve oder einen symmetrischen Modulationshub. Der Aufbau und die prinzipielle Betriebsweise ist aus dem Stand der Technik bekannt und dient lediglich zur Verdeutlichung der Einbettung vorliegender Erfindung.
In der 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung dargestellt:
Funktionseinheit 302 implementiert eine feldorientierte Regelungsstufe (FOR), der als Eingangsgröße eine Sollvorgabe M_SS für das vom Elektromotor aufzubringende Unterstützungsmoment M_S zugeführt ist. Alternativ kann auch ein Soll-Zusatzlenkwinkel δ_Z zugeführt sein. In diesem Falle wird der Elektromotor zur Erzeugung eines Zusatzlenkwinkels verwendet, der über ein Überlagerungsgetriebe in die Lenksäule additiv eingeleitet wird.
Ausgangsseitig der FOR stehen ermittelte Spannungswerte U_UVW entsprechend den Soll-Phasenströmen der Phasen U, V, W des Elektromotors bereit, die einer Modulationseinheit 303 zugeführt sind. Die Modulationseinheit überführt diese Spannungswerte in pulsweiten-modulierte Steuersignale PWM_UVW, deren Flanken Schaltzeitpunkte definieren, die auf Basis der Grundfrequenz des Wechselrichters WR und der jeweiligen Aussteuerung ermittelt werden.
In der Steuereinheit 301 wird in Abhängigkeit von internen lenkungsspezifischen Betriebsgrößen, die in Zusammenhang mit dem Elektromotor EMot stehen, mittels der Modifikationspfade 301_a1 , 301_a2 Einfluss auf die Generierung der Steuersignale genommen.
Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Last-Brückenzweig Ln identifiziert wird, der gegenüber den verbleibenden Phasen U, V, W eine hohe statische oder dynamische Strom- oder Leistungsbelastung aufweist. Nachfolgend wird die Modulationsweise durch mittelbare oder unmittelbare Modifikation der Steuersignale PWM_UVW modifiziert.
Identifikation des Last-Brückenzweigs:
Die Identifikation des Last-Brückenzweigs Ln kann durch eine Vermessung oder Auswertung des PWM-Musters der Steuersignale PWM_UVW erfolgen. Alternativ kann ein Vergleichen des Pulsweiten-Modulationsgrades %DC_UVW vorgenommen werden, um den Last-Brückenzweig Ln zu identifizieren.
Des Weiteren ist es vorgesehen, einen gemessenen oder plausibilisierten Ist-Strom I_UVW oder einen berechneten theoretischen Strom der Zweige U, V, W zu verwenden. Hierfür werden dem Steuerblock 301 die Information des aktuellen Tastverhältnisses aller Phasen %DC_UVW oder die Muster der Steuersignale PWM_UVW oder die Stromwerte I_UVW zugeführt. Diese können direkt aus der FOR-Funktionseinheit 302 stammen. Durch eine Bewertung dieser Informationen wird ein Last-Brückenzweig Ln identifiziert, der gegenüber den verbleibenden n – 1 Phasen eine hohe Strombelastung aufweist.
Gemäß einer Variante bewirkt der Modifikationspfad 301_a1 eine mittelbare oder unmittelbare Beeinflussung der FOR-Funktionseinheit 302, indem interne Regelungsparameter modifiziert werden, beispielsweise durch eine gezielte Einflussnahme auf interne Regelparameter.
In einer anderen Variante ist ein Modulationspfad 301_a2 vorgesehen, der mittels eines dedizierten Korrekturmoduls 304 eine Modifikation der Steuersignale PWM_UVW vornimmt, wobei diese in modifizierte Steuersignale PWM_UVW' überführt werden. Die beiden grundlegenden Verfahren der Modifikation gemäß der Erfindung sind in der Beschreibung zu den 4a und 4b beschrieben.
Dem Steuerblock 301 wird zusätzlich die aktuelle Winkellage φ des Rotors des Elektromotors zugeführt. Die momentane Drehzahl des Elektromotors wird aus der zeitlichen Ableitung des Rotorwinkels φ ermittelt. Die Information kann auch aus dem Reglerblock 302 zugeführt sein. In Abhängigkeit der Drehzahl des Elektromotors erfolgt eine Modifikation der Modulationsweise. Im Besonderen ist es vorgesehen, dass die Modifikation der Modulationsweise ausschließlich in einem Drehzahlbereich des Elektromotors von 0 bis in etwa 1000 Umdrehungen pro Minute vorgenommen wird. In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, weitere interne lenkungsspezifische Größen zu berücksichtigen, insbesondere das Handmoment M_H oder den Lenkwinkel δ_S oder die Lenkwinkel-Änderungsgeschwindigkeit.
Es ist auch vorgesehen, das Soll-Unterstützungsmoment M_SS oder der Soll-Zusatzlenkwinkel oder die Zusatz-Lenkwinkelgeschwindigkeit heranzuziehen, um eine Modifikation der Modulation zu Aktivieren oder zu beeinflussen.
Im Steuerblock 301 können in einer weiteren Ausführungsvariante Informationen über spezifische dynamische oder statische Leistungsgrenzwerte der in der Leistungsstufe 101 eingebauten Halbleiterschalter hinterlegt sein.
Diese können mit errechneten oder aufgrund von Führungsgrößen oder Sollgrößen angenommenen theoretischen Stromwerten verglichen werden. Sollte ein festlegbarer Leistungsgrenzwert überschritten werden, so wird eines der beiden Verfahren aktiviert. Weiterführende Untersuchungen ergaben, dass Leistungsgrenzwerte von in etwa 4 A/mm² bis in etwa 7 A/mm² dabei in Betracht kommen.
Für den Fachmann ist es naheliegend, die zuvor beschriebenen Schritte untereinander auszutauschen, zu kombinieren oder abzuwandeln.
4a zeigt die Modifikation der Modulationsweise gemäß der Erfindung in einer ersten Variante.
4b zeigt die Modifikation der Modulationsweise gemäß der Erfindung in einer zweiten Variante.
In den beiden 4a und 4b sind die den drei Phasen U, V, W des Elektromotors zugeordneten Steuersignale PWM_U, PWM_V, PWM_W bezüglich einer Symmetrie A_S und einer Puls-Periodendauer T_PWM, entsprechend der Grundfrequenz 1/T_PWM des Wechselrichters, dargestellt.
Ein logischer Zustand „High” bedeutet hierbei, dass ein Halbleiterschalter S_U_HS, S_V_HS, S_U_HS eines zusammengehörigen Halbleiterschalterpaars in einem leitenden, niederohmigen Zustand und sein komplementärer Schalter S_U_LS, S_V_LS, S_W_LS, in einem nichtleitenden, hochohmigen, nichtleitenden Zustand betrieben wird.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren sind hier am Beispiel des Steuersignals PWM_U entsprechend der Phase U gezeigt, welche nach einem der zuvor beschriebenen Verfahren als aktuell maßgeblicher Last-Brückenzweig In identifizierter worden ist.
Der Verlauf der gegenüber dem „konventionellen” Modulationsverfahren modifizierten Steuersignale PWM_U, PWM_V, PWM_W, ist hierbei gestrichelt dargestellt.
4a visualisiert die erste grundlegende Methode:
Die durch physikalische Vorgänge im Halbleiter-Material entstehende Schaltverluste P_V,el,Schalt in den entsprechenden Schaltern S_U_HS bzw S_U_LS eines Brückenzweiges werden bis auf den Wert Null verringert, indem die die Schaltflanken respektive die Vorgaben der Schaltzeiten entsprechend so gesetzt sind, dass keine Schaltvorgänge innerhalb einer Periode T_PWM der Grundfrequenz des Wechselrichters ausgelöst werden. Dies kann beispielsweise auch eine direkte Beeinflussung von Regelparametern in der FOR-Einheit erfolgen. Bezüglich der als aktuellen Last-Brückenzweig Ln identifizierten Phase (hier Phase U) entfallen die Schaltflanken durch entsprechende Modifikation des zugehörigen Signals vollständig. Da die High-Side und Low-Side-Schalter einer Phase gegensinnig gesteuert bedeutet dies, dass in keinem der Schalter eine schaltbedingte Leistungsbelastung respektive schaltbedingte Verlustleistung erzeugt wird. Aus regelungstechnischen Gründen müssen die Schaltzeiten der verbleibenden Phasen infolge gleichsinnig angepasst werden.
4b visualisiert die zweite grundlegende Methode gemäß der Erfindung:
Hierbei wird eine Modifikation der Modulation dahingehend vorgenommen, dass eine zunehmende Symmetrisierung des PWM-Musters eines zu einem Brückenzweig gehörenden Halbleiterschalterpaars des identifizierten Last-Brückenzweigs Ln (hier Phase U) erfolgt, welche in Folge die Leistungsbelastung respektive die Verlustleistung des High-Side und Low-Side Schalters S_U_HS, S_U_LS gegenüber der konventionellen Modulationsweise innerhalb Brückenzweigs zunehmend gleich verteilt.
Dabei kann die Symmetrisierung des PWM-Musters im identifizierten Last-Brückenzweig Ln zunehmend fortschreitend vorgenommen werden, so dass die Schaltvorgänge des zu einer Phase gehörenden Halbleiterschalterpaars innerhalb einer PWM-Periodendauer (T_PWM) in einem den verbleibenden n – 1 Phasen (hier eine der Phasen V oder W) zugeordneten Brückenzweigen vollständig entfallen. Beträgt das Tastverhältnis 50%, so ist eine „ideale” Symmetrisierung der Leistungsaufteilung der High- und Low-Side Halbleiterschalter eines Zweiges erreicht. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass im Zuge der Symmetrisierung die Situation der Leistungsaufteilung sich stetig verbessert, die Symmetrisierung jedoch nur bis zu einem bestimmten Verhältnis der Leistungsaufteilung vorgenommen wird, bei dem die zunehmende Symmetrisierung zur Folge hat, dass keine Schalthandlungen in einem der verbleibenden Brückenzweige vorkommen. Dieses Verhältnis ist in der Regel abweichend vom „idealen” Wert des Testverhältnisses. Dennoch ist damit eine bessere Situation hinsichtlich der Leistungsaufteilung im identifizierten Last-Brückenzweig erreichbar.
Die in den 4a und 4b dargestellten Varianten zeigen die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren bezüglich einer symmetrischen PWM-Generierung mit einer Symmetrieachse A_S. Prinzipiell können beide gezeigten Varianten auch bei einer nicht-symmetrischen PWM-Generierung angewendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006032893 A1 [0001]
- DE 10223139 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Buch „Steuerverfahren für selbstgeführte Stromrichter” von Felix Jenni und Dieter Wüest, publiziert im Jahr 1995 vom Hochschulverlag AG ETH Zürich/Teubner Verlag Stuttgart (ISBN 3-519-06176-7) [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Hilfs- oder Fremdkraftlenkung mit einem n-Phasen aufweisenden Elektromotor (106, EMOT) zur Einleitung eines die Lenkkraft unterstützenden Hilfskraftmoments (M_S) oder zur additiven Überlagerung eines vom Fahrer eingeprägten Lenkwinkels (δ_S) mit einem Zusatzlenkwinkel (δ_Z), und einer Steuer- und Regeleinheit (130), die zum Zwecke der elektronischen Kommutierung des Elektromotors (106, EMOT) entsprechende Steuersignale (PWM_UVW) generiert und die zur Beeinflussung von Schaltzeitpunkten von in Brückenzweigen angeordneten, jeweils einen High- und Low-Side-Halbleiterschalter beinhaltenden Halbleiterschalterpaaren (S_U_HS, S_U_LS), (S_V_HS, S_V_LS), (S_W_HS, S_W_LS) vorgesehen sind, wobei die Phasenabgänge der Brückenzweige den n Phasen (U, V, W) des Elektromotors (106, EMOT) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet dass, a) ein Last-Brückenzweig (Ln) identifiziert wird, der gegenüber den verbleibenden n – 1 Brückenzweigen eine reale oder theoretisch hohe Leistungsbelastung aufweist und b) nach Maßgabe von lenkungsinternen und den Elektromotor beeinflussenden Betriebsgrößen oder deren Sollvorgaben eine Modifikation der Modulation des PWM-Musters dahingehend erfolgt, dass die Steuersignale (PWM_UVW) keine Schaltvorgänge im Halbleiterschalterpaar (S_U_HS, S_U_LS), (S_V_HS, S_V_LS), (S_W_HS, S_W_LS) des identifizierten Last-Brückenzweigs (Ln) initiieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifikation des Last-Brückenzweigs (Ln) anhand einer Auswertung des PWM-Musters der Steuersignale (PWM_UVW), eines Pulsweiten-Modulations-Grades (%DC_UVW) oder eines gemessenen Ist-Stromes (I_UVW) oder eines berechneten theoretischen Stromes der Zweige (U, V, W) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation der Modulation ausschließlich innerhalb eines Drehzahlbereichs des Elektromotors (106, E_MOT) von 0 bis in etwa 1000 Umdrehungen pro Minute erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation der Modulation bei Überschreiten eines festgelegten Stromdichtewerts der Halbleiterschalter erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es vorgesehen ist, Schaltvorgänge in einem der Halbleiterschalterpaare (S_U_HS, S_U_LS,), (S_V_HS, S_V_LS), (S_W_HS, S_W_LS) zur Messung eines Brücken- oder Phasenstromes (I_UVW) des Elektromotors zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation der Modulation in Abhängigkeit des Handmoments (M_H) oder einer Sollvorgabe des Unterstützungsmoments (M_SS) aktiviert oder vorgenommen wird.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Hilfs- oder Fremdkraftlenkung mit einem n-Phasen aufweisenden Elektromotor (106, EMOT) zur Einleitung eines die Lenkkraft unterstützenden Hilfskraftmoments (M_S) oder zur additiven Überlagerung eines vom Fahrer eingeprägten Lenkwinkels (δ_S) mit einem Zusatzlenkwinkel (δ_Z), und einer Steuer- und Regeleinheit (130), die zum Zwecke der elektronischen Kommutierung des Elektromotors (106, EMOT) entsprechende Steuersignale (PWM_UVW) generiert und die zur Beeinflussung von Schaltzeitpunkten von in Brückenzweigen angeordneten, jeweils einen High- und Low-Side-Halbleiterschalter beinhaltenden Halbleiterschalterpaaren (S_U_HS, S_U_LS), (S_V_HS, S_V_LS), (S_W_HS, S_W_LS) vorgesehen sind, wobei die Phasenabgänge der Brückenzweige den n Phasen (U, V, W) des Elektromotors (106, EMOT) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet dass, a) ein Last-Brückenzweig (Ln) identifiziert wird, der gegenüber den verbleibenden n – 1 Brückenzweigen eine reale oder theoretisch hohe Leistungsbelastung aufweist, und b) nach Maßgabe von lenkungsinternen und den Elektromotor beeinflussenden Betriebsgrößen oder deren Sollvorgaben eine Modifikation des PWM-Musters dahingehend erfolgt, dass eine zunehmende Symmetrisierung des PWM-Musters im identifizierten Last-Brückenzweigs (Ln) erfolgt, welche in Folge die Leistungsbelastung des im identifizierten Last-Brückenzweig (Ln) befindlichem Halbleiterschalterpaars zunehmend gleich verteilt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrisierung des PWM-Musters im identifizierten Last-Brückenzweig (Ln) zunehmend fortschreitend vorgenommen wird, so dass in Folge die Schaltvorgänge eines Halbleiterschalterpaars (S_U_HS, S_U_LS,), (S_V_HS, S_V_LS), (S_W_HS, S_W_LS) in einem der verbleibenden der n – 1 Brückenzweigen vollständig entfallen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifikation des zugehörigen Last-Brückenzweigs (Ln) anhand einer Auswertung des PWM-Musters der Steuersignale (PWM_UVW) der Brückenzweige oder anhand einer Bewertung des Phasen- oder Brückenstromes (I_UVW) oder einer mit der elektrischen Leistung des Elektromotors korrelierenden Sollvorgabe erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüchen 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Identifikation des zugehörigen Last-Brückenzweigs (Ln) anhand einer Leistungsbetrachtung der Halbleiterschalter (S_U_HS, S_U_LS, S_V_HS, S_V_LS, S_W_HS, S_W_LS) erfolgt, wobei derjenige Brückenzweig als Last-Brückenzweig (Ln) festgelegt wird, der den Halbleiterschalter mit der höchsten oder einer vergleichsweise hohen Leistungsbelastung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation der Modulation ausschließlich innerhalb eines Drehzahlbereichs des Elektromotors (E_MOT) von in etwa 0 bis 1000 Umdrehungen pro Minute erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation der Modulation bei Überschreiten eines festgelegten Stromdichtewerts der Halbleiterschalter erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüchen 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es vorgesehen ist, Schaltvorgänge in einem der Halbleiterschalterpaare (S_U_HS, S_U_LS,), (S_V_HS, S_V_LS), (S_W_HS, S_W_LS) zur Messung eines Brücken- oder Phasenstromes (I_UVW) des Elektromotors zu erzeugen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation der Modulation in Abhängigkeit des Handmoments (M_H) oder einer Sollvorgabe des Unterstützungsmoments (M_SS) aktiviert oder vorgenommen wird.
Steuergerät für eine elektrische Hilfs- oder Fremdkraftlenkung, das geeignet und vorbereitet ist, eines der in den vorstehenden Ansprüchen 1 bis 6 oder in den Ansprüchen 7 bis 14 beanspruchten Verfahren durchzuführen.