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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung für einen bürstenlosen Elektromotor, vorzugsweise einer elektromechanischen Lenkvorrichtung, dessen Wicklungen von einem Wechselrichter mit Hilfe von sechs Schaltern angesteuert werden, wobei eine Erkennungseinheit zum Erkennen von defekten Schaltern, eine Einheit zur Spannungsmessung an den Ausgängen des Wechselrichters und ein Mikrocontroller zum Steuern der Schalter vorgesehen ist.
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Wechselrichter zur Ansteuerung bürstenloser Motoren bestehen in der Regel aus sechs Schaltern. Jeder Schalter kann nach einem Defekt prinzipiell zwei verschiedene Eigenschaften aufweisen: Nicht leitend, das heißt in der geöffneten Schalterstellung blockiert, oder leitend, das heißt in der geschlossenen Schalterstellung blockiert. Ein leitend defekter Schalter ist umgangssprachlich auch als Kurzschluss bekannt. Besonders in sicherheitsrelevanten Anwendungen ist es wichtig, dass im Fall eines Kurzschlusses die Spannungsversorgung zum Elektromotor unterbrochen wird, um die Brandgefahr auszuschließen. Bei elektromechanischen Lenkvorrichtungen ist im Fehlerfall zudem ein erhöhtes Lenkmoment durch den Fahrzeugführer notwendig.
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Aus der
DE 10 2007 011 548 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Überlastschutz eines Antriebssystems eines Kraftfahrzeugs bekannt. Bei der vorbekannten Vorrichtung handelt es sich um einen Fensterheberantrieb mit einem elektronischen Einklemmschutz. Bei Erreichung eines ersten Temperaturgrenzwertes wird das Antriebssystem deaktiviert und bei Erreichung eines zweiten Temperaturgrenzwertes wird die Energiezufuhr zum Antriebssystem unterbrochen. Nachteilig an der vorbekannten Vorrichtung und dem vorbekannten Verfahren ist es, dass Temperaturänderungen vergleichsweise langsam verlaufen, sodass ein Überschreiten bestimmter Temperaturgrenzwerte auch vergleichsweise spät erkannt wird.
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Die
DE 10 2005 014 601 A1 offenbart eine elektronische Baugruppe, bei der die Verbindungen zwischen Leiterbahnen, Bauelementen und/oder Bauteilen über jeweils einen federbelasteten Kontaktbügel hergestellt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, dass die Spannungsversorgung des Elektromotors schnell, kostengünstig und zuverlässig unterbrochen werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei sind drei Sicherheitsschalter vorgesehen, die derart ausgebildet sind, dass sie im Fehlerfall einerseits die zugeordnete Wicklung von der Spannungsversorgung trennen und andererseits die elektrische Verbindung vom oder zum defekten Schalter unterbrechen. Die drei Sicherheitsschalter trennen im Fehlerfall einerseits einen der positiven Spannungsversorgung zugeordneten Schalter und einen der negativen Spannungsversorgung zugeordneten Schalter von der zugeordneten Wicklung und anderseits den der positiven Spannungsversorgung zugeordneten Schalter von dem der negativen Spannungsversorgung zugeordneten Schalter. Durch diese Maßnahme wird im Fehlerfall ein Sicherheitsschalter geöffnet und die Spannungsversorgung zum Elektromotor wird unterbrochen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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So sind die Sicherheitsschalter dreipolig ausgebildet und alle drei Pole sind voneinander trennbar. Den drei Polen sind die positive und die negative Spannungsversorgung sowie die Wicklungen zugeordnet.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind die Sicherheitsschalter als Schmelzsicherung ausgebildet, die bei Zuführung von thermischer Energie öffnen. Dabei ist vorgesehen, dass die Sicherheitsschalter durch eine U-förmige Metallspange gebildet werden, deren Bügel eine Vorspannung auf den Basisbereich erzeugen, wobei der Basisbereich mit Hilfe eines thermisch verformbaren Bereichs in der geschlossenen Stellung des Sicherheitsschalters gehalten wird.
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Diese Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sich der Basisbereich bei Zuführung von thermischer Energie vom thermisch verformbaren Bereich löst und durch die Vorspannungswirkung der Bügel vom thermisch verformbaren Bereich abhebt.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Basisbereich eine Verjüngung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sie bei Zuführung Von thermischer Energie durchschmilzt und die beiden Segel voneinander trennt.
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Um ein Abheben der beiden Bügel zu gewährleisten ist ein elektrisch nichtleitendes Bauteil zwischen den Bügeln angeordnet. Falls der Basisbereich bereits durchschmilzt, bevor die U-förmige Metallspange vom thermisch verformbaren Bereich abgehoben ist, so könnte es ohne die mechanische Verbindung zwischen den beiden Bügeln passieren, dass nur ein Bügel vom thermisch verformbaren Bereich abhebt und der andere Bügel nicht. Dann Ware die elektrische Verbindung durch diesen Segel nicht getrennt. Deshalb sind die beiden Bügel mechanisch aneinander mit Hilfe eines elektrisch nichtleitenden Bauteils gekoppelt.
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Es ist vorgesehen, dass der ohmsche Widerstand der U-förmigen Metallspange so ausgelegt ist, dass ausreichend thermische Energie zum Schmelzen des thermisch Verformbaren Bereichs bzw. zum Durchschmelzen der Verjüngung erzeugt wird, wenn beide Schalter eines Schalterpaares geschlossen sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, eine derartige Schaltung mit den folgenden Schritten zu betreiben:
- – Erkennen eines defekten Schalters durch die Erkennungseinheit;
- – Ansteuern des dem defekten Schalter zugeordneten Schalter eines Schalterpaares;
- – Trennen der Verbindung zur zugeordneten Wicklung des Elektromotors und
- – Trennen der Verbindung zwischen den Schaltern eines Schalterpaares.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Lenksystems;
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2 ein Schaltbild einer Schaltung für einen bürstenlosen Elektromotor einer elektromechanischen Lenkvorrichtung;
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3 eine vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßßen Sicherheitsschalters in geschlossener Schalterstellung;
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4 eine 2 entsprechendes Schaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung und
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5 eine weitere Darstellung des erfindungsgemäßen Sicherheitsschhalters.
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In 1 ist eine elektromechanische Lenkvorrichtung dargestellt, die ein Lenkrad 22 und ein Lenkgehäuse 24 umfasst. Die elektromechanische Lenkvorrichtung ist über ein Lenkgestänge 29 mit Rädern 31 verbunden. Vorzugsweise ist die elektromechanische Lenkvorrichtung in einem Kraftfahrzeug an geordnet.
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In dem Lenkgehäuse 24 ist eine Lenksäule angeordnet, die das Lenkrad 22 mit dem Lenkgestänge 29 koppelt. Die elektromechanische Lenkvorrichtung umfasst ferner ein Lenkgetriebe 26, eine elektronische Steuereinheit 28 und einen Lenkmomentsensor 35. Ferner ist die elektromechanische Lenkvorrichtung, insbesondere das Lenkgetriebe 26, mit einem in 1 nicht dargestellten Elektromotor 1 gekoppelt, der die Lenkbewegung abhängig von einem Lenkwinkel des Lenkrads 22 unterstützt oder durchführt und/oder das Lenkrad 22 mit einem Handdrehmoment beaufschlagt, durch das ein Fahrer des Kraftfahrzeugs eine Rückmeldung der elektromechanischen Lenkvorrichtung erhält. Dabei ermittelt die elektronische Steuereinheit 28 beispielsweise abhängig von einem Messwert des Lenkmomentsensors 35 zumindest ein Stellsignal für den Elektromotor 1. Angesteuert durch das ermittelte Stellsignal erzeugt der Elektromotor 1 dann ein Drehmoment zum Unter stützen einer Lenkbewegung des Fahrers, so dass die Räder 31 einfacher so gestellt werden können, dass das Kraftfahrzeug in die durch das Lenkrad 22 vorgegebene Richtung fährt. Alternativ oder zusätzlich kann der Elektromotor 1 abhängig von dem Stellsignal das Handdrehmoment erzeugen. Ferner kann zum Unterstützen der Lenkung und zum Erzeugen des Handdrehmoments jeweils ein eigenes Stellsignal erzeugt werden und/oder ein eigener Elektromotor vorgesehen sein. Die Richtung, in der die Räder 31 gestellt werden, wird beispielsweise über eine mechanische Kopplung des Lenkrads 22 mit den Rädern 31 durch die Stellung des Lenkrads 22 vorgegeben.
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In 2 ist schematisch ein bürstenloser Elektromotor 1 einer elektromechanischen Lenkvorrichtung dargestellt, dessen Wicklungen U, V, W von einem Wechselrichter 2 angesteuert werden. Zu diesem Zweck weist der Wechselrichter 2 sechs Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 auf, wobei die in 2 oberen Schalter 11, 12, 13 der positiven Versorgungsspannung und die in 2 unteren Schalter 14, 15, 16 der negativen Versorgungsspannung zugeordnet sind. So Versorgen beispielsweise die Schalter 11 und 14 die Wicklung V mit einer geeigneten Versorgungsspannung. Wie 2 weiter entnehmbar ist, befinden sich zwischen den Schaltern 11, 12, 13, die der positiven Versorgungsspannung zugeordnet sind, und den Schaltern 14, 15, 16, die der negativen Versorgungsspannung zugeordnet sind, drei Sicherheitsschalter 17, 18, 19 deren Funktion nachfolgend noch näher erläutert wird. In der Umgebung der Sicherheitsschalter 17, 18, 19 sind Abgreifpunkte vorgesehen, an denen die an den Wicklungen U, V, W anliegende Spannung abgegriffen wird und einer Einheit B zur Spannungsmessung zugeführt wird. Die Messergebnisse der Einheit B zur Spannungsmessung werden einem Mikrocontroller C zugeführt, der einerseits die Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 steuert und andererseits die von der Spannungsmessungseinheit B erzeugten Informationen auswertet. Außerdem ist eine Erkennungseinheit A zum Erkennen von defekten Schaltern 11, 12, 13, 14, 15, 16 vorgesehen. Die von der Erkennungseinheit A erzeugten Informationen werden ebenfalls dem Mikrocontroller C zur Auswertung zugeführt.
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In einer Ausführungsform in der Praxis werden de Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 durch Halbleiterschalter bzw. Transistoren oder MOSFETs gebildet. Die Erkennungseinheit A ist in der Praxis als Brückentreiber ausgebildet und legt an die als Transistoren ausgebildeten Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 eine Spannung an und kontrolliert, ob die Schalterstellung des Transistors wechselt. Die Einheit B zur Spannungsmessung an den Abgreifpunkten ist in der Praxis als Spannungsteiler ausgebildet und ermittelt das Tastverhältnis einer pulsweitenmodulierten Spannung. Das Tastverhältnis entspricht dabei dem Quotienten aus Impulsdauer und Periodendauer.
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Jeder Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 kann prinzipiell zwei verschiedene Arten eines Defekts aufweisen bzw. befindet sich nach einem Defekt grundsätzlich in einer der beiden nachfolgend beschrieben Zustände: Nicht leitend defekt, das heißt in der geöffneten Schalterstellung blockiert, oder leitend defekt, das heißt in der geschlossenen Schalterstellung blockiert. Ein nicht leitend defekter Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 wird auch als hochohmig bezeichnet, da der ohmsche Widerstand eines in der geöffneten Schalterstellung blockierten Schalters 11, 12, 13, 14, 15, 16 sehr hoch ist. Ein leitend defekter Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 wird in analoger Weise als niederohmig bezeichnet und ist umgangssprachlich auch als Kurzschluss bekannt. Da ein leitend defekter Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 für den Betrieb der elektromechanischen Lenkvorrichtung wesentlich kritischer ist, wird im Folgenden von diesem Fehlerfall ausgegangen.
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Besonders in sicherheitsrelevanten Anwendungen ist es wichtig, sehr schnell zu reagieren, um den Elektromotor 1 sofort abzuschalten. Für den Fall, dass sich der Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 im Zustand „leitend defekt” befindet, wird ein Sicherheitsschalter 17, 18, 19 geöffnet um den Kurzschluss durch einen im leitenden Zustand blockierten Schalter aufzuheben. Damit wird eine Überlastung des Elektromotors verhindert und die Gefahr eines Brands verringert. Außerdem bedeutet dieser Fehlerfall zudem ein erhöhtes Lenkmoment, da der Fahrzeugführer im Fehlerfall den Elektromotor 1 im Generatorbetrieb bewegt und dabei einen Strom induziert, der der Lenkbewegung am Lenkrad 22 gerade entgegen wirkt. Durch das öffnen eines Sicherheitsschalters 17, 18, 19 wird der erhöhte Lenkaufwand für den Fahrzeugführer verringert.
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Wie es in 2 dargestellt ist, sind drei Sicherheitsschalter 17, 18, 19 vorgesehen, die einerseits die zugeordnete Wicklung U, V, W von der Spannungsversorgung trennen und andererseits die Verbindung zwischen den Schaltern 11, 12, 13, 14, 15, 16 eines jeden Schalterpaares 11, 14; 12, 15; 13, 16 unterbricht. Mit anderen Worten wird die betroffene Wicklung U, V, W von der Spannungsversorgung getrennt und außerdem werden die der positiven Spannungsversorgung zugeordneten Schalter 11, 12, 12 von den der negativen Spannungsversorgung zugeordneten Schaltern 14, 15, 16 getrennt. Die Sicherheitsschalter 17, 18, 19 müssen im normalen Betrieb des Elektromotors 1 geschlossen sein und werden nur im beschriebenen Fehlerfall geöffnet. Dabei muss sicher gestellt werden, dass die Sicherheitsschalter 17, 18, 19 sicher öffnen. Daher werden die Sicherheitsschalter 17, 18, 19 durch eine vorgespannte, U-förmig ausgebildete Metallspange 6, 7, 8 realisiert, die elektrisch initiiert geöffnet werden kann.
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In 3 ist eine Ausführungsform des Sicherheitsschalters 17, 18, 19 dargestellt. Der Sicherheitsschalter 17, 18, 19 weist drei Pole 3, 4, 5 auf, wobei dem in der Zeichnung linken Pol 3 eine der Wicklungen U, V, W zugeordnet ist. Der Pol 4 ist der negativen Spannungsversorgung zugeordnet und der Pol 5 der positiven Spannungsversorgung. Der Sicherheitsschalter 17, 18, 19 besteht im Wesentlichen aus einer U-förmigen Metallspange 6, 7, 8, die derart vorgespannt ist, dass sie aufspringen würde und die Verbindung zur Wicklung U, V, W an einem Pol 3 unterbrechen würde. Allerdings wirkt der dritte Pol 3 mit einem thermisch verformbaren Bereich 9 zusammen, der die Metallspange 6, 7, 8 in der geschlossenen Schalterstellung hält.
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Um die Funktion des Sicherheitsschalter 17, 18, 19 näher zu erläutern, wird im Folgenden davon ausgegangen, dass der der positiven Spannungsversorgung zugeordnete Schalter 11 leitend defekt ist, also in der geschlossenen Schalterstellung blockiert ist. Die Erkennungseinheit A erkennt, dass es sich bei dem Fehlerfall um den defekten Schalter 11 handelt und schließt den anderen Schalter 14 des Schalterpaares 11, 14. Da beide Schalter 11, 14 geschlossen sind, fließt ein sehr hoher Querstrom, der den Betriebsstrom des Elektromotors 1 um ein Vielfaches übersteigt. Dieser hohe Querstrom fließt durch beide Bügel 6, 8 und durch einen Basisbereich 7, der eine Verjüngung aufweist, die in 3 mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der ohmsche Widerstand im Bereich der Verjüngung 10 wird so ausgelegt, dass bei normalem Betrieb des Elektromotors 1 die erzeugte Wärme nicht ausreicht, um den thermisch verformbaren Bereich 9 zum Schmelzen zu bringen. Bei gleichzeitig geschlossenen Schaltern 11, 14 erzeugt der hohe Querstrom im ohmschen Widerstand der Verjüngung 10 des Basisbereichs 7 eine Erhitzung, sodass der thermisch verformbare Bereich 9 aufweicht und schmilzt. Der thermisch verformbare Bereich 9 ist in der Regel durch einen Lötbereich ausgebildet. Durch die Vorspannung der Bügel 6, 8 wird der Basisbereich 7 aus dem flüssigen Lötbereich 9 gezogen und der Sicherheitsschalter 17 ist geöffnet. Ein elektrisch isolierten Bereich 20, den die Bügel 6, 8 in der geschlossenen Schalterstellung überbrücken, sorgt dafür, dass der geöffnete Sicherheitsschalter 17 keinen Stromfluss zur Wicklung V zulässt.
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Der vergleichsweise sehr hohe Querstrom fließt aber immer noch durch die Metallspange 6, 7, 8. Da die Wärmeentwicklung an der Verjüngung 10 in der geöffneten Schalterstellung nicht mehr von dem thermisch verformbaren Bereich 9 aufgenommen werden kann, schmilzt die Verjüngung 10 komplett durch und trennt die elektrische Verbindung zwischen den Bügeln 6, 8. Dadurch sind auch die Schalter 11, 14 des Schalterpaares 11, 14 voneinander elektrisch getrennt: Der der positiven Spannungsversorgung zugeordnete Schalter 11 ist von dem der negativen Spannungsversorgung zugeordneten Schalter 14 getrennt.
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Falls keine Erkennungseinheit A vorgesehen ist, ist alternativ denkbar, einfach alle Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 nacheinander und zeitversetzt durchzuschalten. Dann muss der Zustand eintreten, dass beide Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 eines Schalterpaares 11, 14; 12, 15; 13, 16 gleichzeitig geschlossen sind, wenn wenigstens ein Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 leitend defekt ist. Das heißt, es tritt der eben beschriebene Zustand ein, dass ein ausreichend hoher Querstrom zum Öffnen des Sicherheitsschalters 17, 18, 19 fließt.
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In 4 ist noch einmal der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung dargestellt: Die Sicherheitsschalter 17, 18, 19 werden derart in die Schaltung integriert, dass sie einerseits die Wicklung U, V, W von der Versorgungsspannung trennen und andererseits die elektrische Verbindung zum oder vom defekten Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 unterbrechen. Letztlich arbeitet der dreipolige Sicherheitsschalter 17, 18, 19 so, dass jeder Pol 3, 4, 5 für sich genommen von den anderen beiden Polen 3, 4, 5 getrennt wird. Dadurch werden die Schalterpaare 11, 14; 12, 15; 13, 16, die in 4 als MOSFETs ausgebildet sind, voneinander getrennt. Andererseits wird beim öffnen eines Sicherheitsschalters 17, 18, 19 die jeweilige Wicklung U, V, W von der Spannungsversorgung getrennt.
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Beim Durchfließen der Metallspange 6, 7, 8 mit dem vergleichsweise höhen Querstrom kann es allerdings vorkommen, dass die Verjüngung 10 durchschmilzt, bevor der Basisbereich 7 vom thermisch verformbaren Bereich 9 abgehoben hat. Weiter kann es dann passieren, dass nur ein Bügel 6 oder 8 vom Lötbereich 9 abhebt, wodurch der Stromfluss durch den geöffneten Bügel 6 oder 8 schlagartig unterbrochen wird. Dann ist aber die zugeordnete Wicklung U, V, W nicht von der Spannungsversorgung getrennt. Um diesen beschriebenen Effekt zu vermeiden, ist ein elektrisch nichtleitendes Bauteil 21 vorgesehen, wie es in 4 schematisch dargestellt ist. Dieses elektrisch nichtleitende Bauteil 21 verbindet die beiden Bügel 6, 8 mechanisch miteinander. Falls nur ein Bügel 6, 8 aus dem flüssigen Lötbereich abheben sollte, wird der andere Bügel 6, 8 durch die mechanische Verbindung zwischen den Bügeln 6, 8 mitgezogen und die zugeordnete Wicklung sicher von der Spannungsversorgung getrennt.
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Es bleibt festzuhalten, dass mit der vorliegenden Erfindung die Spannungsversorgung für den Elektromotor 1 einer elektromechanischen Lenkvorrichtung besonders einfach und effizient getrennt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007011548 A1 [0003]
- DE 102005014601 A1 [0004]
