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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Servolenksystems für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. 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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Aus der
DE 692 06 375 T2 ist ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Servolenksystems für ein Kraftfahrzeug bekannt, wobei das elektrische Servolenksystem 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, und wobei von dem Steuergerät im Bordnetz des Kraftfahrzeugs auftretende Spannungsschwankungen erkannt werden,
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Ein weiteres 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 Halbleiterschalter 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, ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie durch ein Steuergerät zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10.
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Demnach wird vorgeschlagen, dass im Fall einer auftretenden Überspannung der Elektromotor mittels des erzeugten Steuersignals so gesteuert wird, dass sich sein Wirkungsgrad temporär reduziert, um das Bordnetz zur Kompensation der Überspannung stärker zu belasten.
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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 keine 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 Uo). 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 12 V-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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Bezugszeichenliste
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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
