-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Bestimmung eines Phasenstroms einer Hintereinanderschaltung eines ersten und eines zweiten Leistungsschalters zur Ansteuerung eines Antriebsmotors einer Servolenkung, ein Verfahren zur Bestimmung des Phasenstroms einer Hintereinanderschaltung eines ersten und eines zweiten Leistungsschalters zur Ansteuerung eines Antriebsmotors einer Servolenkung, ein Programmelement für ein Berechnungsbauteil zur Bestimmung des Phasenstroms einer Hintereinanderschaltung eines ersten und eines zweiten Leistungsschalters, eine feldorientierte Regelung zur Ansteuerung eines Synchronmotors einer Servolenkung und ein Lenksystem für ein Fahrzeug.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Im Stand der Technik sind feldorientierte Regelungen für Synchronmotoren bekannt, wobei die Synchronmotoren als Antriebsmotoren von Servolenkungen verwendet werden können.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Typischerweise werden als Eingangsgrößen von feldorientierten Regelungen für Synchronmotoren der Winkel des Polrades und zumindest zwei Statorströme (Phasenströme) des Synchronmotors verwendet. Es genügen zwei Statorströme falls der Sternpunkt des Stators nicht geerdet ist, da aus den zwei Statorströmen der dritte Statorstrom berechnet werden kann. Andernfalls muss der feldorientierten Regelung alle drei Statorströme als Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt werden. Eine Messung der Statorströme kann durch die Anordnung von Messwiderständen (Shuntwiderstände) ermöglicht werden. Aufgrund der hohen Statorströme fällt an den Shuntwiderständen eine hohe Verlustleistung ab, die zu einem Ausfall der Shuntwiderstände führen kann.
-
Eine Aufgabe ist daher eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die Phasenströme bestimmen kann, wobei eine Verlustleistung wegen der Messung selbst weitmöglichst vermieden werden kann.
-
Als erste Ausführungsform der Erfindung wird eine Schaltung zur Bestimmung eines Phasenstroms einer Hintereinanderschaltung eines ersten und eines zweiten Leistungsschalters zur Ansteuerung eines Antriebsmotors einer Servolenkung zur Verfügung gestellt, umfassend: ein erstes Element zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur TJ des ersten Leistungsschalters und ein zweites Element zur Bestimmung einer Spannung, wobei die Spannung über dem ersten Leistungsschalter abfällt, wobei die Schaltung ferner umfasst: ein drittes Element zur Bestimmung eines Widerstandswertes gemäß der Sperrschichttemperatur TJ und ein viertes Element zur Bestimmung des Phasenstroms gemäß der Spannung und des Widerstandswertes.
-
Aufgrund einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Diode, die als Temperatursensor genutzt wird, und der Messung der dazu gehörenden Spannung kann der Strom durch die Hintereinanderschaltung (Reihenschaltung) zweier Leistungsschalter berechnet werden. Hierdurch kann auf Shuntwiderstände (Messwiderstände), die zur Messung des Stroms verwendet werden, verzichtet werden, wodurch sich eine Reduzierung der notwendigen Bauteile und der Verlustleistung ergeben kann.
-
Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung des Phasenstroms einer Hintereinanderschaltung eines ersten und eines zweiten Leistungsschalters zur Ansteuerung eines Antriebsmotors einer Servolenkung zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte: messen der Sperrschichttemperatur TJ des ersten Leistungsschalters, messen einer Spannung, die über dem ersten Leistungsschalter abfällt, bestimmen eines Widerstandswertes RDSon gemäß der Formel RDSon = RDSon_25°C·(1 + (α/100))TJ–25°C und berechnen eines Phasenstroms durch Divisionsbildung der Spannung und des Widerstandswertes RDSon.
-
Ein Verfahren, das das Messen einer Sperrschichttemperatur TJ eines Leistungsschalters und einer entsprechenden Spannung umfasst, ermöglicht durch die Anwendung der Formel RDSon = RDSon_25°C·(1 + (α/100))TJ–25°C das Bereitstellen des Stroms, der durch den Leistungsschalter fließt. Hierdurch kann ohne zusätzliche Bauteile, die ausfallen können bzw. eine Verlustleistung aufweisen können, eine Kontrolle des Stromes erfolgen.
-
Als dritte Ausführungsform der Erfindung wird ein Programmelement für ein Berechnungsbauteil zur Bestimmung des Phasenstroms einer Hintereinanderschaltung eines ersten und eines zweiten Leistungsschalters zur Verfügung gestellt, wobei das Berechnungsbauteil geeignet ist, ein Verfahren nach Anspruch 7 auszuführen.
-
Als vierte Ausführungsform der Erfindung wird eine feldorientierte Regelung zur Ansteuerung eines Synchronmotors einer Servolenkung zur Verfügung gestellt, umfassend ein Programmelement nach Anspruch 8.
-
Als fünfte Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem für ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, umfassend eine Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und eine feldorientierte Regelung, wobei der Phasenstrom eine Eingangsgröße der feldorientierten Regelung ist, oder eine feldorientierte Regelung nach Anspruch 9.
-
Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Schaltung zur Verfügung gestellt, wobei das erste Element eine mit der Sperrschicht des ersten Leistungsschalters thermisch verbundene Diode ist.
-
Ist eine Diode im engen thermischen Kontakt mit der Sperrschicht eines Leistungsschalters, wie z. B. eines Mosfet, kann die Diode als genauer Temperatursensor genutzt werden, wodurch durch ein einfaches Bauteil eine Messung am Leistungsschalter erfolgen kann.
-
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Schaltung zur Verfügung gestellt, wobei das zweite Element ein Operationsverstärker ist oder ein Operationsverstärker mit einem nachgeschalteten Spannungsbegrenzer.
-
Durch die Verwendung eines Operationsverstärkers können auch kleinere Spannungen genau gemessen und einem nachfolgenden elektronischen Bauteil zur Verfügung gestellt werden, ohne dass der Eingangswiderstand des nachfolgenden elektronischen Bauteils zu einer Verfälschung der Spannung führen würde. Eine Anordnung eines Spannungsbegrenzers hinter dem Operationsverstärker verhindert eine Belastung nachgeschalteter Bauteile durch eine Überspannung, die durch den Operationsverstärker erzeugt werden kann.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltung zur Verfügung gestellt, wobei das dritte Element die Formel RDSon = RDSon_25°C·(1 + (α/100))TJ–25°C implementiert.
-
Die Berechnung eines Widerstandswertes anhand der Formel RDSon = RDSon_25°C·(1 + (α/100))TJ–25°C führt, ausgehend von der Sperrschichttemperatur TJ zu einer genauen Ermittlung des On-Widerstandswertes des Leistungsschalters.
-
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Schaltung zur Verfügung gestellt, wobei das vierte Element zur Divisionsbildung geeignet ist.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltung zur Verfügung gestellt, wobei der erste Leistungsschalter ein Mosfet ist und die Spannung eine Spannung UDS zwischen Drain und Source ist.
-
Die Verwendung von Mosfets als Leistungsschalter ermöglicht einen einfachen und preisgünstigen Aufbau einer entsprechenden Schaltung.
-
Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, eine Schaltung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das anhand einer Sperrschichttemperaturmessung an einem oder mehreren Leistungsschaltern eine Berechnung der jeweiligen Phasenströme vornehmen kann. Beispielsweise kann bei einer Beschaltung eines Synchronmotors einer Servolenkung mit drei Hintereinanderschaltungen mit jeweils zwei Leistungsschaltern an zwei Leistungsschaltern unterschiedlicher Hintereinanderschaltungen von Leistungsschaltern eine Sperrschichttemperaturmessung vorgenommen werden. Anhand der Formel RDSon = RDSon_25°C·(1 + (α/100))TJ–°C können die jeweiligen Widerstandswerte RDSon bestimmt werden. Wird außerdem die Spannung UDS gemessen, die über den betreffenden Leistungsschaltern abfüllt, können daraus die jeweiligen Phasenströme durch Divisionsbildung bestimmt werden. Die Phasenströme entsprechen den Statorströmen des Synchronmotors. Falls der Sternpunkt nicht geerdet ist, kann aus zwei Statorströmen der dritte Statorstrom bestimmt werden (1. Kirchhoffsche Gesetz). Andernfalls muss auch an einem dritten Leistungsschalter der dritten Hintereinanderschaltung von Leistungsschaltern eine Sperrschichttemperaturmessung vorgenommen werden, um durch Anwendung der Formel RDSon = RDSon_25°C·(1 + (α/100))TJ–25°C den Widerstandswert RDSon berechnen zu können. Insgesamt können auf diese Weise die Statorströme des beschalteten Synchronmotors einer Servolenkung bestimmt werden, ohne hierbei Messwiderstände verwenden zu müssen, die aufgrund der hohen Statorströme eine hohe Verlustleistung und eine hohe Ausfallquote aufweisen können. Eine Bestimmung der Statorströme eines Synchronmotors kann zur Kontrolle des Stromwertes oder als Eingabegrößen für eine feldorientierte Regelung des Synchronmotors verwendet werden.
-
Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen
-
1 ein Schaltbild eines Mosfets mit einer Diode als Temperatursensor,
-
2 ein Schaltbild eines weiteren Mosfets des N-Kanal-Typs,
-
3 ein Schaltbild eines beschalteten Bauteils mit einem Mosfet,
-
4 ein Schaubild einer Kennlinienschar UF(T) bei unterschiedlichen IF-Strömen,
-
5 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Mosfet des P-Kanal-Typs,
-
6 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Bestimmung von Phasenströmen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 zeigt ein Bauteil mit einem Mosfet 102, das einen Gateanschluss 105, einen Drainanschluss 103 und einen Sourceanschluss 104 aufweist. Das Bauteil umfasst eine Diode 101, die zur Temperaturmessung des Mosfets 102 dienen kann, wobei die Diode 101 auf demselben Silizium wie der Mosfet 102 angeordnet ist. Die Diode 101 ist nahe an der Sperrschicht des Mosfets 102 angeordnet und kann daher als Temperatursensor verwendet werden. Die Anschlüsse der Diode 101 werden nach außen geführt, wodurch das Bauteil zwei zusätzliche Anschlüsse aufweist, die beschaltet werden müssen, um die Funktion der Diode 101 als Temperatursensor wahrnehmen zu können.
-
2 zeigt ein Bauteil mit einem Mosfet 206, der einen Drainanschluss 201, einen Sourceanschluss 204 und einen Gateanschluss 205 umfasst, wobei zwischen dem Gatenanschluss 205 und dem Drainanschluss 204 eine, zwei, drei oder mehrere in Reihe geschaltete Zenerdioden 203 angeordnet sein können. Der Gateanschluss 205 und der Sourceanschluss 204 können hierbei in zweifacher Weise genutzt werden. In einer ersten Situation kann über der Gate-Source-Strecke eine positive Spannung angelegt werden, wodurch die Zenerdiode bzw. die Vielzahl von Zenerdioden 203 gesperrt werden. In diesem Fall wird der Mosfet 206 durchgesteuert. In einer zweiten Situation kann über der Strecke Gate-Source eine negative Spannung angelegt werden, wodurch der Mosfet 206 gesperrt wird und die Zenerdiode bzw. die Zenerdioden 203 in Durchlassrichtung betrieben werden. Die Zenerdioden 203 werden in thermischen Kontakt mit der Sperrschicht des Mosfets 206 gebracht, wodurch eine direkte Messung der Sperrschichttemperatur TJ des Mosfets 206 ermöglicht werden kann. Die Vorwärtsspannung, die über die Zenerdiode bzw. die Zenerdioden 203 abfällt, kann gemessen werden, wobei der Wert der Vorwärtsspannung temperaturabhängig ist. Erfindungsgemäß können Zenerdioden und/oder Si-Dioden zur Sperrschichttemperaturmessung eingesetzt werden.
-
3 zeigt eine Beschaltung eines Bauteils zur Sperrschichttemperaturmessung mit einem Mosfet 311, der einen herausgeführten Drainanschluss 302, einen Sourceanschluss 305 und einen Gateanschluss 309 aufweist. Dargestellt ist ferner eine Eingangskapazität 310, die zwischen Gate und Source angeordnet ist. Außerdem umfasst das Bauteil eine zusätzliche Diode 304, die on-board bzw. auf demselben Silizium wie der Mosfet 311 angeordnet ist, mit der eine direkte Messung der Sperrschichttemperatur TJ des Mosfets 311 ermöglicht werden kann. Zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur TJ des Mosfets 311 wird ein Strom Iconst verwendet mit dem die Messdiode 304 in Vorwärtsrichtung betrieben werden kann. Mit der Stromquelle 307 kann zunächst die Eingangskapazität 310 umgeladen werden. Nachdem die Eingangskapazität 310 geladen ist, fließt der gesamte Strom Iconst über die Diode 304. Durch den Stromfluss Iconst durch die Diode 304 fällt eine Vorwärtsspannung UF über der Diode 304 ab, die gemäß der Beziehung UF = f(Iconst, T) temperaturabhängig ist. Diese Spannung UF kann zwischen Gateanschluss 309 und Sourceanschluss 305 durch z. B. ein Voltmeter 306 gemessen werden.
-
4 zeigt eine Schar von Kennlinien 401, die die Durchlassspannungen (Vorwärtsspannung UF), die über eine Diode abfällt, bezüglich der Temperatur in Grad Celsius darstellt. Hierbei ergeben sich in Abhängigkeit von dem Parameter des Vorwärtsstroms Iconst nach 3 parallel verschobene Kennlinien 401.
-
5 zeigt ein Bauteil mit einem Mosfet 502, wobei der Mosfet 502 vom p-Kanal-Typ ist. Die Sperrschichttemperatur TJ des Mosfets 502 kann durch eine Anordnung von Zenerdioden 504 analog zu der Anordnung von 3 bestimmt werden.
-
Es kann eine Messung der Sperrschichttemperatur TJ mit einer Anordnung nach beispielsweise 1, 2, 3 oder 5 durchgeführt werden, wobei die Anordnungen nach 2, 3 und 5 sich durch weniger zu beschaltende Anschlüsse auszeichnen.
-
6 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung mit zwei Leistungsschaltern 607, 612, die als Mosfets ausgebildet sein können. Ein Mosfet 607 kann mit einer Diode 606 zur Temperaturmessung entsprechend den 1, 2, 3 und/oder 5 versehen sein. Die Schaltung umfasst einen Operationsverstärker 601, an dessen Eingängen die Spannung UDS 602, die über der Drain-Source-Strecke des Mosfets 607 abfällt, anliegen kann. Der Operationsverstärker 601 verstärkt die Eingangsspannung UDS 602 mit einem Verstärkungsfaktor G. Es kann fakultativ ein Spannungsbegrenzer 611 hinter dem Operationsverstärker 601 vorgesehen sein, um zu hohe Ausgangsspannungen des Operationsverstärkers 601 begrenzen zu können, wodurch sich ein Überspannungsschutz für das Bauteil zur Divisionsbildung 604 ergibt. Das Bauteil zur Divisionsbildung 604 kann aus der (mit dem Faktor G verstärkten) Spannung UDS 602 und dem Widerstandswert RDSon 610 Phasenströme Ipn1 608 bzw. Iph2 609 berechnen. Die Phasenströme Iph1 608, Iph2 609 können einer feldorientierten Regelung 603 zur Verfügung gestellt werden. Die Diode 606 kann entsprechend der 1 bis 5 zur Messung der Sperrschichttemperatur TJ (Index J = Junction = Sperrschicht) genutzt werden. Die Schaltung umfasst ein Bauteil 605, in dem die Beziehung zwischen Sperrschichttemperatur TJ und Widerstandswert RDSon gemäß der Formel RDSon = RDSon_25°C·(1 + (α/100))TJ–25°C umgesetzt ist. Das Bauteil 605 errechnet den Widerstandswert RDSon 610 und stellt ihn dem Bauteil zur Divisionsbildung 604 zur Verfügung. In einer alternativen Ausführungsform könnte auch die Sperrschichttemperatur TJ und die Spannung UDS des Leistungsschalters 612 gemessen werden, um den Phasenstrom der Hintereinanderschaltung der Leistungsschalter 607, 612 bestimmen zu können.
-
Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen” weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein” und „eine” mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
-
Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 101
- Diode
- 102
- Mosfet
- 103
- Drain
- 104
- Source
- 105
- Gate
- 201
- Drain
- 202
- Freilaufdiode
- 203
- Zenerdioden
- 204
- Source
- 205
- Gate
- 206
- Mosfet
- 301
- Bauteil
- 302
- Drain
- 303
- Freilaufdiode
- 304
- Diode
- 305
- Source
- 306
- Voltmeter
- 307
- Stromquelle
- 308
- Vorwärtsspannung UF
- 309
- Gate
- 310
- Eingangskapazität
- 311
- Mosfet
- 401
- Kennlinien
- 501
- Drain
- 502
- Mosfet
- 503
- Source
- 504
- Zenerdioden
- 505
- Gate
- 601
- Operationsverstärker
- 602
- Spannung UDS
- 603
- feldorientierte Regelung
- 604
- Bauelement zur Divisionsbildung
- 605
- Implementierung RDSon-Kennlinie
- 606
- Diode
- 607
- Leistungsschalter
- 608
- berechneter Phasenstrom Iph1
- 609
- berechneter Phasenstrom Iph2
- 610
- ermittelter Widerstand RDSon
- 611
- Spannungsbegrenzer
- 612
- Leistungsschalter
