DE102010003241A1

DE102010003241A1 - Schaltung für einen bürstenlosen Motor und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102010003241A1
Application number: DE102010003241A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Giers; Mario Engelmann
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2010-10-07
Also published as: WO2010112389A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung für einen bürstenlosen Elektromotor 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. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Schaltung.
Besonders in sicherheitsrelevanten Anwendungen ist es wichtig, dass im Fehlerfall die Spannungsversorgung zum Elektromotor unterbrochen wird, um die Gefahr eines Brands auszuschließen. Bei elektromechanischen Lenkvorrichtungen ist im Fehlerfall zudem ein erhöhtes Lenkmoment durch den Fahrzeugführer notwendig. Erfindungsgemäß ist daher mindestens ein Sicherheitsschalter (3, 4) vorgesehen, der geöffnet wird und, um eine Überlastung zu verhindern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung für einen bürstenlosen Elektromotor 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. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Schaltung.
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 Fehlerfall die Spannungsversorgung zum Elektromotor unterbrochen wird, um die Brandgefahr auszuschließen. Bei elektromechanischen Lenkvorrichtungen ist im Fehlerfall zudem ein erhöhtes Lenkmoment durch den Fahrzeugführer notwendig.
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.
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.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine schnelle, kostengünstige und zuverlässige Methode darzustellen, die Spannungsversorgung des Elektromotors einer elektromechanischen Lenkvorrichtung zu unterbrechen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist mindestens ein Sicherheitsschalter vorgesehen, der im Fehlerfall geöffnet wird und die Spannungsversorgung zum Elektromotor unterbricht, um eine Überlastung zu verhindern. Durch diese Maßnahme wird die Spannungsversorgung für den Elektromotor besonders einfach und effizient getrennt.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
So wird in einer bevorzugten Weiterbildung der Sicherheitsschalter als Schmelzsicherung ausgebildet, die bei Zuführung von thermischer Energie geöffnet wird. Der Sicherheitsschalter wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Metallspange gebildet, deren erster Abschnitt eine Vorspannung auf einen zweiten Abschnitt erzeugt, wobei der zweite Abschnitt mit Hilfe eines thermisch verformbaren Bereichs in der geschlossenen Stellung des Sicherheitsschalters gehalten wird.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes weist der zweite Abschnitt einen Fußbereich, der mit dem thermisch verformbaren Bereich zusammenwirkt, und einen Hebel auf, der den Fußbereich in Richtung öffnen des Sicherheitsschalters vorspannt.
Der erste Abschnitt ist in eine Leiterplatte gesteckt, während der thermisch verformbare Bereich auf der Leiterplatte aufgebracht ist.
Es ist eine Wärmequelle zur Erzeugung von thermischer Energie zum öffnen des Sicherheitsschalters vorgesehen. Als Wärmequelle kommt ein Transistor, ein ohmscher Widerstand oder ein PTC-Element in Frage. Dabei ist der ohmsche Widerstand so ausgelegt, dass ausreichend thermische Energie zum öffnen des Sicherheitsschalters erzeugt wird, wenn beide Schalter eines Schalterpaares geschlossen sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, eine derartige Schaltung mit den folgenden Schritten zu betreiben:

– Erkennen eines defekten Schalters durch die Erkennungseinheit;
– Ansteuern der Wärmequelle und
– Öffnen eines oder beider Sicherheitsschalter.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Lenksystems;
2 ein Schaltbild einer Schaltung für einen bürstenlosen Elektromotor einer elektromechanischen Lenkvorrichtung;
3 eine vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen Sicherheitsschalters in geschlossener Schalterstellung;
4 eine 2 entsprechende Darstellung in geöffneter Schalterstellung und
5a, b eine weitere Darstellung des erfindungsgemäßen Sicherheitsschalters in geöffneter und geschlossener Stellung.
In 1 ist eine elektromechanische Lenkvorrichtung dargestellt, die ein Lenkrad 22 und ein Lenkgehäuse 24 umfasst. Die elektromechanische Lenkvorrichtung ist über ein Lenkge stänge 29 mit Rädern 31 verbunden. Vorzugsweise ist die elektromechanische Lenkvorrichtung in einem Kraftfahrzeug angeordnet.
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 Unterstützen 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.
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, Abgreifpunkte 17, 18, 19, 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.
In einer Ausführungsform in der Praxis werden die 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 Spannungs messung an den Abgreifpunkten 17, 18, 19 ist in der Praxis als Spannungsteiler ausgebildet und ermittelt das Tastverhältnis einer pulsweitenmodulierten Spannung. Das Tastverhältnis entspricht dabei dem Quotienten aus Impulsdauer und Periodendauer.
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 leitend defekter Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 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.
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 3, 4 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 Sicherheitsschalter 3, 4 wird der erhöhte Lenk aufwand für den Fahrzeugführer verringert. Im in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Sicherheitsschalter 3, 4 vorgesehen, die den Punkt negative Spannungsversorgung und den Punkt positive Spannungsversorgung trennen. Die Sicherheitsschalter 3, 4 müssen im normalen Betrieb des Elektromotors 1 geschlossen sein und werden nur im beschriebenen Fehlerfall geöffnet. Dabei muss sicher gestellt werden, dass die Sicherheitsschalter 3, 4 sicher öffnen. Daher werden die Sicherheitsschalter 3, 4 durch eine vorgespannte Metallspange 5, 6, 7 realisiert, die elektrisch initiiert geöffnet werden kann.
In 3 und 4 ist eine Ausführungsform des Sicherheitsschalters 2, 3 dargestellt. Die vorgespannte Metallspange 5, 6, 7 ist auf einer Leiterplatte 10 angeordnet und wird funktional in zwei Abschnitte geteilt, wie es durch die gestrichelte Linie in 3 dargestellt ist. Der erste Abschnitt ist mit dem Bezugszeichen 5 versehen und dient dazu, eine Vorspannung auf den zweiten Abschnitt 6, 7 in Richtung Öffnen zu erzeugen. Der zweite Abschnitt 6, 7 besteht seinerseits aus einem Hebel 7 und einem Fußbereich 6. Der Fußbereich 6 wird von einem thermisch verformbaren Bereich 9 in der geschlossenen Schalterstellung, die in 3 dargestellt ist, gehalten. Der thermisch verformbare Bereich 9 ist auf die Leiterplatte 10 aufgebracht und gleichzeitig elektrisch leitend, sodass ein elektrisch nichtleitender Bereich 20 mit Hilfe des Fußbereichs 6 überbrückt wird. In der Praxis wird der thermisch verformbare Bereich 9 als Lötstelle und der nichtleitende Bereich 20 als Lücke ausgebildet sein.
Wird die Lötstelle 9 erwärmt, passiert Folgendes: Der erste Abschnitt 5 ist in die Leiterplatte 10 gesteckt und stützt sich dort ab. Die Vorspannung des ersten Abschnitts 5 wirkt auf den Hebel 7. Der Hebel 7 wiederum liegt auf der Leiterplatte 10 auf und entfaltet dadurch eine Hebelwirkung auf den Fußbereich 6, der aus dem geschmolzenen Lot 9 gezogen wird. Der Fußbereich 6 ist von dem thermisch verformbaren Bereich 9 räumlich entfernt und die elektrische Verbindung ist aufgrund der Lücke 20 getrennt. Der Sicherheitsschalter 2, 3 ist geöffnet. Dieser Zustand ist in 4 dargestellt.
Dem thermisch verformbaren Bereich 9 wird thermische Energie in Form von Wärme zugeführt, die den thermisch verformbaren Bereich 9 zum schmelzen bringt. Dazu ist eine Wärmequelle 8 notwendig, wie sie in 5a dargestellt ist. Der Sicherheitsschalter 3, 4 ist zunächst geschlossen, wie es in 5a dargestellt ist. Ein Zuführen vom Wärme (Heat) öffnet den Sicherheitsschalter 3, 4 wie es in 5b dargestellt ist.
Als Wärmequelle 8 kommt ein Transistor, ein ohmscher Widerstand oder ein PTC-Element in Frage. Ein ohmscher Widerstand wird so ausgelegt, dass bei normalem Betrieb des Elektromotors 1 die vom Widerstand erzeugte Wärme nicht ausreicht, um den thermisch verformbaren Bereich zum Schmelzen zu bringen. Sind dagegen beide Schalter eines Schalterpaares 11, 14; 12, 15; 13, 16 einer Wicklung U, V, W gleichzeitig geschlossen, fließt ein maximaler Strom, der im ohmschen Widerstand die notwendige thermische Energie zum Schmelzen der Lötstelle 9 und damit zum öffnen des Sicherheitsschalters 3, 4 erzeugt. Der Fall, dass beide Schalter eines Schalterpaares 11, 14; 12, 15; 13, 16 einer Wicklung U, V, W gleichzeitig geschlossen tritt auf, wenn einer der Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 defekt in der geschlossenen Schalterstellung – also leitend defekt – ist und der andere Schalter eines Schalterpaares 11, 14; 12, 15; 13, 16 ebenfalls geschlossen wird.
Es bleibt festzuhalten, dass mit der vorliegenden Erfindung die Spannungsversorgung für den Elektromotor 1 einer elektromechanischen Lenkvorrichtung besonders einfach und effizient getrennt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007011548 A1 [0003]
- DE 102005014601 A1 [0004]

Claims

Schaltung für einen bürstenlosen Elektromotor (1) einer elektromechanischen Lenkvorrichtung, dessen Wicklungen (U, V, W) von einem Wechselrichter (2) mit Hilfe von sechs Schaltern (11, 12, 13, 14, 15, 16) angesteuert werden, wobei eine Erkennungseinheit (A) zum Erkennen von defekten Schaltern (11, 12, 13, 14, 15, 16), eine Einheit (B) zur Spannungsmessung an den Ausgängen (17, 18, 19) des Wechselrichters (2) und ein Mikrocontroller (C) zum Steuern der Schalter (11, 12, 13, 14, 15, 16) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sicherheitsschalter (3, 4) vorgesehen ist, der im Fehlerfall geöffnet wird und die Spannungsversorgung zum Elektromotor (1) unterbricht, um eine Überlastung zu verhindern.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsschalter (3, 4) als Schmelzsicherung ausgebildet ist, die bei Zuführung von thermischer Energie geöffnet wird.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sicherheitsschalter (3, 4) durch eine Metallspange (5, 6, 7) gebildet wird, deren erster Abschnitt (5) eine Vorspannung auf einen zweiten Abschnitt (6, 7) erzeugt, wobei der zweite Abschnitt (6, 7) mit Hilfe eines thermisch verformbaren Bereichs (9) in der geschlossenen Stellung des Sicherheitsschalters (3, 4) gehalten wird.
Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (6, 7) einen Fußbereich (6), der mit dem thermisch verformbaren Bereich (9) zusammenwirkt, und einen Hebel (7) aufweist, der den Fußbereich (6) in Richtung Öffnen des Sicherheitsschalters (3, 4) vorspannt.
Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (5) in eine Leiterplatte (10) gesteckt ist, während der thermisch verformbare Bereich (9) auf der Leiterplatte (10) aufgebracht ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmequelle (8) zur Erzeugung von thermischer Energie zum Öffnen des Sicherheitsschalters (3, 4) vorgesehen ist.
Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (8) als Transistor, ohmscher Widerstand oder PTC-Element ausgebildet ist.
Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand so ausgelegt ist, dass ausreichend thermische Energie zum Öffnen des Sicherheitsschalters (3, 4) erzeugt wird, wenn beide Schalter eines Schalterpaares (11, 14; 12, 15; 13, 16) geschlossen sind.
Verfahren zum Betreiben einer Schaltung nach einem der Anspruche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Erkennen eines defekten Schalters (11, 12, 13, 14, 15, 16) durch die Erkennungseinheit (A); – Ansteuern der Wärmequelle (8) und – Öffnen eines oder beider Sicherheitsschalter (3, 4).