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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen
Servolenksystems für ein Kraftfahrzeug. Insbesondere betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Servolenksystems,
das wenigstens einen Elektromotor aufweist, durch dessen wenigstens
eine Wicklung ein Strom fließt, der von einem oder mehreren
Halbleiterschaltern in Abhängigkeit eines von einem Steuergerät
erzeugten Steuersignals gesteuert wird. Außerdem betrifft
die Erfindung ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes
Computerprogramm, das auf einem Speichermedium gespeichert ist,
sowie ein das Verfahren durchführendes Steuergerät.
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Elektrische
Servolenksysteme, in denen solche Steuergeräte zum Einsatz
kommen, um Elektromotoren durch Verfahren der eingangs genannten Art
anzusteuern, sind hinlänglich bekannt. Üblicherweise
hat ein solches elektrisches Servolenksystem mindestens einen Elektromotor,
der zur Unterstützung des Lenkmoments vorgesehenen ist.
Der Elektromotor verfügt über mindestens eine
elektrische Spule bzw. Wicklung, deren Stromdurchfluss von dem Steuergerät,
auch Steuer- bzw. Regeleinheit genannt, beeinflusst und von einer
Autobatterie zur Verfügung gestellt wird. Das von dem Elektromotor
aufgebrachte Drehmoment wird dann als lenkmoment- unterstützendes
Hilfsmoment in den Lenkstrang mittels eines Getriebes eingeleitet.
Häufig werden bürstenlose Gleichstrom-Motoren
eingesetzt, die mittels pulsweiten-modulierter Steuersignale angesteuert werden.
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Ein
besonders vorteilhaftes Verfahren der eingangs genannten Art ist
aus der
DE 10
2006 018 980 A1 bekannt. Dort wird der Elektromotor über
einen oder mehrere Halbleiterschalter mittels eines pulsweiten-modulierten
Steuersignales angesteuert, das mit Hilfe eines Mikro-Controllers
oder eines anwendungsspezifischen Schaltkreises (ASIC) in dem Steuergerät
erzeugt wird. Durch den entsprechend eingespeisten Wicklungsstrom
kann das von dem Elektromotor abgegebene Drehmoment erhöht
oder verringert werden, also optimal an das aktuell benötigte
Hilfsmoment angepasst werden. In der genannten Druckschrift wird
vorgeschlagen, dass die Anstiegs- und Abfallzeit des pulsweiten-modulierten
Signals verändert wird, um somit die EMV- und Wärmeabstrahlung
der elektronischen Bauteile, insbesondere der Halbleiterschaltschalter
bzw. der Leistungsendstufe, zu verringern.
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Die
derzeit bekannten Verfahren befassen sich jedoch vornehmlich mit
der Ansteuerung des Elektromotors für einen möglichst
optimalen Betrieb der Servolenkungssystems. Wünschenswert
wäre es, die Ansteuerung des Elektromotors dahingehend zu
erweitern, dass auch weitere Funktionen im Kraftfahrzeug realisiert
werden können, die nicht unmittelbar die Bereitstellung
eines Hilfslenkmomentes betreffen.
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Demnach
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein deutlich verbessertes
Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Servolenksystems und zur Ansteuerung
eines darin wirkenden Elektromotors zu schaffen.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie durch ein Steuergerät zur Durchführung
des Verfahrens mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs.
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Demnach
wird vorgeschlagen, dass von dem Steuergerät im Bordnetz
des Kraftfahrzeugs auftretende Spannungsschwankungen erkannt werden, und
dass zumindest im Fall einer auftretenden Überspannung
die Steuerung des Elektromotors verändert wird.
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Denn
der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ansteuerung
eines Elektromotors auch sehr effektiv dazu verwendet werden kann,
auftretenden Spannungsschwankungen im Bordnetz entgegen zu wirken.
Insbesondere kann durch eine gezielte Ansteuerung des Elektromotors
erreicht werden, dass eventuell auftretende Überspannungen wirksam
kompensiert werden, ohne jedoch die Funktion des Servolenksystems
spürbar zu beeinträchtigen. Die Erfindung benötigt
keine der üblichen Überspannungs-Schutzschaltungen,
sondern nutzt die ohnehin vorhandenen Bauteile bzw. Komponenten, wie
Elektromotor, Halbleiterschalter und Steuergerät, um das
Bordnetz gegen Überspannungen zu sichern und somit die
angeschlossenen elektrischen Verbraucher vor Beschädigung
zu schützen. Die Erfindung kann demnach sehr kostengünstig
realisiert werden. Auch wird das Problem überwunden, dass der
am Generator vorgesehene Spannungsregler keine wirksame Überspannungs-Kompensation
leisten kann, da dieser üblicherweise eine hohe Zeitkonstante
aufweisen muss, um Momentenschwankungen, die der Generator leistungsabhängig
auf die Verbrennungsmaschine ausübt, nicht für
den Fahrer spürbar werden zu lassen.
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Untersuchungen
und Experimente von Seiten der Anmelderin haben ergeben, dass die
Ansteuerung des Elektromotors eines Servolenksysstems sehr gut geeignet
ist, auftretende Überspannungen im Bordnetz sofort und
effektiv zu kompensieren, weil die elektrische Kommutierung es erlaubt,
den Wirkungsgrad des Elektromotors und somit die Belastung im Bordnetz
schnell und gezielt so zu verändern, dass auftretenden
Spannungsschwankungen, insbesondere Überspannungen, entgegen
gewirkt werden kann, ohne eine für den Fahrer spürbare
Momentenänderung hinnehmen zu müssen. Bei der
Kommutierung kann eine sog. Raumzeigermodulation eingesetzt werden.
Ist der Motor eine Asynchronmaschine, so ist der Blindanteil des
Ständerstromes für die Flussbildung maßgeblich
und der Realteil ist für die Drehmomentenbildung maßgeblich.
Werden dann diese Größen fortlaufend gemessen
und mit dem Sollwert (z. B. exakt sinusförmig verlaufendes Drehmoment)
verglichen, kann ein Rechner sofort die Schaltfolge für
den Wechselrichter berechnen, welche eine Minimierung der Abweichung
ermöglicht. Erfindungsgemäß erfolgt hier
aber keiner solche Minimierung, sondern ein Eingriff in die Steuerung
zur temporären Reduzierung des Wirkungsgrades des Motors, wobei
die Drehmomentenbildung nicht verändert werden soll, damit
der Eingriff fahrerseitig möglichst unbemerkbar bleibt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung näher
anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei auf
die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, die folgendes
schematisch darstellen:
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1 zeigt
ein stark vereinfachtes Schema eines elektrischen Servolenksystems
eines Kraftfahrzeugs, welches durch das erfindungsgemäße
Verfahren betrieben wird; und
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2 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild einer Steuerungsschaltung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die 1 zeigt
ein elektrisches Servolenksystem 1 eines Kraftfahrzeuges.
Das elektrische Servolenksystem 1 weist eine als Lenkrad
ausgebildete Lenkhandhabe 2 auf. Das Lenkrad 2 ist über
eine Gelenkwelle 3 mit einem Lenkgetriebe 4 verbunden. Das
Lenkgetriebe 4 dient dazu, einen Drehwinkel der Gelenkwelle 3 in
einen Lenkwinkel von lenkbaren Rädern 5a, 5b des
Kraftfahrzeuges umzusetzen. Das Lenkgetriebe 4 weist eine
Zahnstange 6 und ein Ritzel 7 auf, an welches
die Gelenkwelle 3 angreift. Die Verschiebung der Zahnstange 6 wird
dabei durch einen herkömmlichen Elektromotor M unterstützt,
der in üblicher Weise eine oder mehrere (nicht dargestellte)
Spulen bzw. Wicklungen aufweist, die entsprechend der gewünschten
Auslenkung der Räder 5a, 5b mit einem
elektrischen Strom beaufschlagt werden können. Der elektrische
Strom wird dabei über ein später noch näher
beschriebenes Bordnetz (s. auch 2) bereitgestellt,
das unter anderem einen Generator sowie eine Batterie aufweist.
Des Weiteren ist ein Steuergerät ST vorgesehen, welches
zur Steuerung des Elektromotors M wenigstens einen Halbleiterschalter,
hier in Form von Leistungstransistoren HS, aufweist. Es können
auch noch Freilaufdioden (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die
jeweils in dem als Halbleiterschalter ausführten Leistungsschalter
integriert sind. Der Elektromotor M erzeugt im Allgemeinen ein Hilfsmoment
bzw. eine Hilfskraft in die gewünschte Lenkrichtung. Der
prinzipielle Aufbau des Lenksystems 1 ist aus dem allgemeinen Stand
der Technik hinlänglich bekannt. Das Besondere der Erfindung
wird durch das nachfolgend anhand der 2 näher
beschriebene Steuergerät ST und seine Funktion geprägt.
Die 1 dient lediglich dem allgemeinen Verständnis
bzw. der Zuordnung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Betrieb eines elektrischen Servolenksystems.
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Die 2 zeigt
exemplarisch eine Schaltung zur Steuerung eines Elektromotors, der
als dreiphasiger bürstenloser Elektromotor M ausgebildet
ist und nachfolgend auch kurz Motor genannt wird. Das Drehmoment
des Motors M wird durch die in seine Wicklungen eingespeisten Ströme
Iu, Iv und Iw gesteuert. Der Stromfluss wird dabei von den Halbleiterschaltern
HS in Abhängigkeit einer pulsweiten-modulierten Spannung
bzw. eines oder mehrerer pulsweiten-modulierten Steuersignale S
gesteuert, die von dem Steuergerät ST z. B. mit Hilfe eines
(nicht dargestellten Mikrocontrollers) erzeugt werden. Alternativ dazu
kann das pulsweiten-modulierte Steuersignal auch z. B. von einem
anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC) erzeugt werden.
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Der
Elektromotor M und jede Wicklung sollen entsprechend dem Sollstrom
I0, der als Parameter dem Mikrocontroller zugeführt wird,
angesteuert werden. Zum Vergleich mit dem Sollstrom I0 wird der Ist-Strom,
der durch die jeweilige Wicklung bzw. Magnetspule fließt,
mittels einer Schaltung aus Messwiderstand RM und Verstärker
OP gemessen. Gemäß 2 werden
auch der Elektromotor M und das Steuergerät ST von dem
Bordnetz BN des Kraftfahrzeuges versorgt (Spannung U0). Das Bordnetz
BN enthält insbesondere eine elektrische Energiequelle in
Form eines Generators G, der eine Batterie B speist.
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Über
das Bordnetz BN werden im Wesentlichen alle elektrischen Verbraucher
des Kraftfahrzeugs mit Spannung versorgt, wobei in der 2 exemplarisch
zwei Verbraucher V1 und V2 dargestellt sind. Ausgehend von dem Generator
G, der eine Generatorspannung UG erzeugt, ergibt sich zunächst ein
Spannungsabfall über den Zuleitungen, hier dargestellt
durch den Widerstand RL, so dass an der Batterie B sich bereits
eine geringere Spannung UB einstellt. Das dargestellte Bordnetz
sei beispielsweise für eine Spannungsversorgung im 12V-Bereich ausgelegt.
Aufgrund der weiteren Zuleitungen zu den einzelnen Verbrauchern
ergibt sich an dem jeweiligen Verbraucher eine Versorgungsspannung
UV1 bzw. UV2, die wiederum etwas geringer als die Batteriespannung
UB ist. Durch Zu- und Abschalten von Verbrauchern können
nun erhebliche Spannungsschwankungen im Bordnetz BN auftreten. Insbesondere
können auch Überspannungen auftreten, die vor
allem bei spannungsempfindlichen Verbrauchern und sonstigen elektrischen
Bauteilen zu Beschädigungen führen können.
Das nun ebenfalls mit dem Bordnetz BN verbundene Steuergerät
ST ist erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass es
Spannungsschwankungen im Bordnetz BN erkennt und durch Veränderung
der Ansteuerung bzw. der Kommutierung des Elektromotors M diesen
auftretenden Spannungsschwankungen entgegenwirkt.
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Insbesondere
bei auftretenden Überspannungen wird erfindungsgemäß die
Ansteuerung des Motors M so verändert, dass sich ein temporär
reduzierter Wirkungsgrad des Motors einstellt. Das wiederum bewirkt,
dass der Motor M eine höhere Belastung für das
Bordnetz BN darstellt und somit die auftretenden Überspannungen
effektiv kompensiert werden. Aufgrund der elektrischen Kommutierung des
Elektromotors M kann sein Wirkungsgrad in einem gewissen Umfang
verändert werden, ohne dass das vom Motor M abgegebene
Drehmoment spürbar verändert wird. Für
das Lenkgefühl beim Fahrer ergeben sich somit keine Nachteile.
Im Vergleich zu einer Kompensation mittels eines Spannungsreglers
auf der Generatorseite, kann durch die erfindungsgemäße
Kompensation mittels Kommutierung des Elektromotors eine vergleichsweise
kurze Zeitkonstante eingehalten werden. Das bedeutet, dass die hier
vorgeschlagene Kompensation wesentlich schneller reagiert und somit
auch effektiver wirkt.
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Darüber
hinaus hat die Erfindung den Vorteil, dass die benötigen
Komponenten zur Umsetzung bereits vorhanden sind, wie z. B. insbesondere
der Elektromotor und das ihn steuernde Steuergerät. Somit
braucht zur Realisierung der Erfindung im Wesentlichen nur die Ausgestaltung
des Steuergerätes ST angepasst zu werden, welche sich im
Wesentlichen auf eine Änderung der Software beschränkt, falls
das Steuergerät ST durch einen Mikroprozessor oder eine
andere programmierbare Schaltung realisiert wird.
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Es
ist darüber hinaus von Vorteil, wenn das Steuergerät
auch seine Temperatur oder die Temperatur einzelner seiner Komponenten,
wie z. B. seiner Leistungstransistoren, überwacht und die
Ansteuerung des Elektromotors so verändert, dass diese Komponenten
gegen Übertemperatur geschützt sind. Dasselbe
gilt für eine Temperaturüberwachung des Motors
oder einzelner seiner Komponenten. Da mittels der Erfindung elektrische
Energie in Wärme umgesetzt wird, führt eine starke
und anhaltende Umsetzung der Überspannungen zu einer stärkeren
Erwärmung der Komponenten. Um diese thermisch zu schützen,
kann es zweckmäßig sein, dieses „Temperaturmanagement” einzuführen.
Demnach wird bei höheren Temperaturen stärker
auf die Umsetzung von elektrischer Energie in Wärme verzichtet.
Dabei wird in Kauf genommen, dass die jeweilige Komponente und auch
die anderen Verbraucher, wie z. B. V1 und V2, stärker belastet
werden. Dies kann z. B. sprungförmig, stufig oder linear
geregelt bzw. gesteuert werden.
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Die
hier vorgeschlagene Kompensation von Überspannungen kann
im Falle hoher Lenkleistungen zurückgenommen werden, weil
die in diesem Fall auftretende hohe Stromaufnahme keine allzu hohen
Spannungspegel zulässt. Somit kann die Kompensationsregelung
auf solche Situationen begrenzt werden, in denen nur eine geringe
Lenkleistung erforderlich ist.
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Die
vorgeschlagene Kompensation von Überspannungen kann auch
abhängig von der tatsächlich vorherrschenden Pufferwirkung
der Batterie B eingestellt werden. Dazu ist das Steuergerät
ST auch mit Messmitteln ausgestattet, die die Pufferwirkung der
Batterie B auswerten. Sofern eine nachlassende Pufferwirkung erkannt
wird, ist es vorteilhaft, wenn die Kompensation erhöht
wird. Alternativ dazu kann auch die Kompensationszeit verringert
werden. Die Pufferwirkung kann z. B. dadurch gemessen werden, dass
die Steigung der Spannung an den Impulsen (dU/dt) bewertet wird.
Wenn die Impulse dann steiler werden, wird die Filterzeit für die
Kompensation verringert. Dadurch wird die Wirkung der Impulse schneller
verringert.
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Zusätzlich
ist es von Vorteil, wenn mittels des Steuergeräts ST die
Bordnetzspannung fortlaufend überwacht und daraus ein Mittelwert
gebildet wird. Anhand des Mittelwerts der Bordnetzspannung kann die
Kompensationsregelung noch weiter optimiert werden. Beispielsweise
hat die Batterie eine Nennspannung von 12 Volt. Diese kann ladungsabhängig zwischen
etwa 9 und 16 Volt (Mittelwert) schwanken. Würden nun im
Bordnetz auftretende Spannungsschwankungen von z. B. 2 Volt (Delta
U) auf einen Mittelwert von 9 Volt aufgesattelt, was einem Spitzenwert
von 11 Volt bedeuten würde, so wäre dies wesentlich
weniger schädlich als bei einem Mittelwert von z. B. 14
Volt, was dann zu einer Spitzenwert von 16 Volt führen
würde. Deshalb ist die Kompensation von Bordnetzschwankungen
bei einem geringen Mittelwert weniger erforderlich als bei einem
hohen Mittelwert. Somit kann bei geringen Mittelwerten ggf. auf die
thermische Belastung der Komponenten (Steuergerät und/oder
Motor) verzichtet werden. Positiv tritt dann ein verbesserter Wirkungsgrad
des Systems in Erscheinung und führt zu einer geringeren
Abwärme und zu einer geringeren elektrischen Leistungsaufnahme,
was wiederum die Umweltbelastung reduziert.
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Die
Erfindung wurde beispielhaft an einer Kommentierung eines Elektromotors
beschrieben, kann aber auch auf jede Ansteuerung von elektromotorisch
betriebenen Aktuatoren angewendet werden.
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- 1
- Elektrisches
Servolenksystem mit:
- 2
- Lenkrad,
- 3
- Gelenkwelle,
- 4
- Lenkgetriebe,
- 5a,
5b
- Räder,
- 6
- Zahnstange,
- 7
- Ritzel,
- 8
- Lenkgetriebe,
- 9
- Zahnstangenführung,
- 12
- Getriebe,
sowie mit:
- M
- Elektromotor,
HS Halbleiterschalter, und
- ST
- Steuergerät
- RM
- Messwiderstand/Messwiderstände
- OP
- Verstärker
- S
- pulsweiten-moduliertes
Steuersignal
- I0
- Sollstrom
- Iu,
v, w
- Wicklungströme
- UM
- gemessene
Spannung (Messgröße für jeweiligen Wicklungsstrom)
- BN
- Bordnetz
- G
- Generator
- B
- Batterie
- RL
- Leitungswiderstand
- UG
- Generatorspannung,
IG Generatorstrom
- UB
- Batteriespannung
- UV1,
UV2
- Spannung
am Verbraucher V1 bzw. V2
- U0
- Versorgungsspannung
am Steuergerät
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006018980
A1 [0003]