-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung eines Lenksystems eines Fahrzeugs und ein Verfahren zum Überwachen einer Spannung zwischen Lastanschlüssen eines Leistungsschalters.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
EPS(Servolenkung)- bzw. AFS(Aktivlenkung)-Systeme weisen elektrische Motoren zur Lenkunterstützung bzw. Lenkung auf, die durch Endstufen angesteuert werden können. Die Endstufen können als H-Brücken bzw. dreifache Halbbrücken (dreiphasige Brücken) ausgebildet sein und weisen vier bzw. sechs Leistungsschalter auf, die beispielsweise Leistungs-Mosfets sein können.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die einzelnen Leistungsschalter, beispielsweise Leistungs-Mosfets (Power-Mosfets), bipolare Leistungstransistoren oder IGBTs, können im Betrieb PWM-moduliert ein- und ausgeschaltet werden. Bei einem Ausschaltvorgang kann aufgrund von parasitären Induktivitäten im Strompfad am geöffneten Drain-Source-Übergang des Leistungs-Mosfets eine zu große Spannung UDS, z. B. als Transientenspannung, anliegen. In einem derartigen Fall kann es zu einem unerwünschten Avalanche-Effekt innerhalb des Leistungs-Mosfets kommen, der eine Beschädigung bzw. Zerstörung des Leistungs-Mosfets zur Folge haben kann.
-
Diese Überspannungen (beispielsweise Drain-Source-Spannungstransienten) während des Ausschaltvorgangs am Leistungsschalter können näherungsweise mit nachfolgender Formel bestimmt werden:
UDS = UB + Lpar_eff·dl_off/dt_off, wobei die einzelnen Elemente der Gleichung sind:
- UDS
- :Spannung über der Drain-Source-Strecke des Leistungs-Mosfets,
- Lpar_eff:
- wirksame parasitäre Induktivität im Strompfad
- dl_off:
- Stromänderung während der Ausschaltzeit
- dt_off:
- Ausschaltzeit, das ist die Zeit, die der Mosfet benötigt, um vom niederohmigen in den hochohmigen Zustand zu gelangen
-
Die Leistungsschalter müssen entsprechend dimensioniert werden, damit die Leistungsschalter den Überspannungen standhalten können, wobei nicht genau vorhergesehen werden kann, wie hoch diese Überspannungen ausfallen können. Entsprechend werden oft unnötig hoch widerstandsfähige Leistungsschalter eingesetzt, die entsprechend teuer sein können. Alternativ können zur Lösung dieser Problematik Leistungsschalter verwendet werden, die eine genügend große Avalanche-Festigkeit aufweisen. Allerdings können derartige Leistungs-Mosfets mit hoher Avalanche-Robustheit ebenfalls kostspielig sein.
-
Eine Aufgabe ist daher, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine Beschädigungsgefahr für Leistungsschalter einer Endstufe verhindern kann. Eine weitere Aufgabe ist darin zu sehen, eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Antriebsmotors eines Lenksystems zur Verfügung zu stellen, wobei günstige Leistungsschalter eingesetzt werden können.
-
Als erste Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung eines Lenksystems eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt, umfassend: eine Endstufe zur Ansteuerung eines Antriebsmotors, wobei die Endstufe einen Leistungsschalter mit zwei Lastanschlüssen und ein erstes Element zum Messen einer Spannung zwischen den Lastanschlüssen umfasst.
-
Ein Fahrzeug kann insbesondere ein PKW, ein LKW, ein landwirtschaftliches Fahrzeug oder ein sonstiges Landfahrzeug sein.
-
Das Messen der Spannungen, die über einzelnen Leistungsschaltern einer Endstufe abfallen, ermöglicht das Detektieren kritisch hoher Spannungen. Eine mögliche Überlastung der einzelnen Leistungsschalter kann daher erfindungsgemäß rechtzeitig festgestellt werden und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, um eine Beschädigung des betreffenden Leistungsschalters verhindern zu können.
-
Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Überwachen einer Spannung zwischen Lastanschlüssen eines Leistungsschalters zur Verfügung gestellt, wobei der Leistungsschalter in einer Endstufe zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebsmotors eines Lenksystems eines Fahrzeugs angeordnet ist, umfassend die Schritte: Messen der Spannung und Vergleichen der Spannung mit einer Vergleichsspannung.
-
Die Vergleichsspannung weist typischerweise einen definierten festen Spannungswert auf und wird vorteilhafterweise von einer Referenzspannung abgeleitet, die möglichst wenig Messunsicherheit beim Vergleich und der nachfolgenden Verarbeitung erzeugt.
-
Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Endstufe eine dreifache Halbbrücke und der Antriebsmotor ein Dreiphasenmotor ist oder wobei die Endstufe eine H-Brücke und der Antriebsmotor ein Gleichstrommotor ist.
-
Bei Verwendung einer H-Brücke und eines Gleichstrommotors kann ein Lenksystem mit kostengünstigen Bauteilen erhalten werden. Die Verwendung einer dreifachen Halbbrücke (dreiphasige Brücke) und eines Dreiphasenmotors erlaubt die Bereitstellung eines gleichbleibend hohen Antriebsmoments durch den Antriebsmotor.
-
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung ein zweites Element umfasst, wobei das zweite Element zum Vergleichen der Spannung mit einer Vergleichsspannung vorgesehen ist.
-
Die Vergleichsspannung weist typischerweise einen definierten, festen Spannungswert auf.
-
Erfindungsgemäß wird eine Spannung über den Lastanschlüssen eines Leistungsschalters ausgewertet, insbesondere mit einer oder mehreren Grenzspannungen verglichen, um entsprechende Aussagemöglichkeiten, wie beispielsweise das Anliegen kritisch hoher Spannungen zu ermöglichen.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die Vorrichtung ein drittes Element umfasst, wobei das dritte Element zum Setzen eines Flags und/oder zum kompletten oder teilweisen Abschalten der Endstufe nach Feststellung durch das zweite Element, dass die Spannung größer oder größer/gleich zu der Vergleichsspannung ist, vorgesehen ist.
-
Vorteilhafterweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Bauteil mit dem bei Vorliegen kritisch hoher Spannungen an einzelnen Leistungsschaltern Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können, wie beispielsweise das Abschalten der Endstufe. Hierdurch kann eine Beschädigung der Endstufe verhindert werden.
-
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei das dritte Element zum Erhöhen der Ausschaltzeit des Leistungsschalters nach Feststellung durch das zweite Element, dass die Spannung größer oder größer/gleich zu der Vergleichsspannung ist, vorgesehen ist.
-
Eine Erhöhung der Ausschaltzeit führt gemäß der Formel UDS = UB + Lpar_eff·dl_off/dt_off zu einer Verringerung der an dem betreffenden Leistungsschalter anliegenden Spannung UDS.
-
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei das erste Element in einem Endstufentreiber oder in einem Mikrokontroller integriert ist und/oder wobei das zweite Element in dem Endstufentreiber oder in dem Mikrokontroller integriert ist.
-
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei das dritte Element in einem Endstufentreiber oder in einem Mikrokontroller integriert ist.
-
Eine Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt eine kostengünstige Realisierung der Vorrichtung dar.
-
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei der Leistungsschalter ein bipolarer Leistungstransistor und die Lastanschlüsse der Emitter- und der Kollektoranschluss sind oder wobei der Leistungsschalter ein Leistungs-Mosfet und die Lastanschlüsse der Drain- und der Sourceanschluss sind oder wobei der Leistungsschalter ein IGBT und die Lastanschlüsse der Emitter- und der Kollektoranschluss sind.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend ferner den Schritt: Setzen eines Flags und/oder zumindest teilweises Abschalten der Endstufe, falls die Spannung größer oder größer/gleich zu der Vergleichsspannung ist.
-
Die Vergleichsspannung stellt eine kritische Grenzspannung dar.
-
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend ferner den Schritt: Erhöhen der Ausschaltzeit des Leistungsschalters, falls die Spannung größer oder größer/gleich zu der Vergleichsspannung ist.
-
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend ferner den Schritt: Reduzieren eines Motor-Phasenstroms durch den Leistungsschalter, falls die Spannung größer oder größer/gleich zu der kritischen Grenzspannung ist.
-
Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, Spannungen über Leistungsschaltern einer Endstufe, insbesondere im Vorgang des Ausschaltens, zu messen, um kritisch hohe Spannungen über den Leistungsschaltern feststellen zu können. Bei Feststellen von kritisch hohen Spannungen können entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, wie beispielsweise eine Abschaltung der Endstufe, um eine Beschädigung bzw. Zerstörung der entsprechenden Leistungsschalter verhindern zu können.
-
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 des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels deutlich. Es zeigt:
-
1 zeigt eine dreiphasige Brückenschaltung mit einer UDS-Überwachung.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1 zeigt eine Ansteuerschaltung mit einer dreiphasigen Brücke als Endstufe zum Antreiben eines Dreiphasenmotors. Die dreiphasige Brücke weist beispielsweise sechs Leistungs-Mosfets 106 als Leistungsschalter auf. An den jeweiligen Mittelpunkten der Halbbrücken können die Anschlussleitungen des anzutreibenden Dreiphasenmotors angeschlossen werden. Ein Endstufentreiber 103 steuert die sechs Leistungs-Mosfets 106 an, wobei jeweils eine Ansteuerspannung zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen eines jeden Leistungs-Mosfets 106 angelegt wird, um PWM-moduliertes Ein- und Ausschalten der Leistungsschalter 106 erzeugen zu können. Der Endstufentreiber 103 kann von einem Mikrokontroller 101, 102 mittels Steuersignalen 108, 109, 110, 112 gesteuert werden. Der Mikrokontroller 101, 102 kann einen Analog/Digital-Konverter 102 umfassen, an dessen Eingang eine oder mehrere Spannungen UDS der Leistungsschalter 106 angelegt werden können.
-
Die digitalisierten Spannungen UDS können beispielsweise softwaremäßig mit einem Grenzwert verglichen werden. Hierdurch kann festgestellt werden, ob eine für den jeweiligen Leistungs-Mosfet 106 zu hohe Spannung vorliegt. In einem derartigen Fall kann beispielsweise die Endstufe komplett ausgeschaltet werden, um eine Beschädigung bzw. Zerstörung der Leistungs-Mosfets 106 verhindern zu können.
-
Kann festgestellt werden, dass eine gemessene Spannung, die beispielsweise von parasitären Leitungsinduktivitäten 111 induktiv erzeugt sein kann, über einem Leistungsschalter 106 einen kritischen Grenzwert überschreitet, so kann durch Verkleinerung des Motor-Phasenstroms und damit einer Verkleinerung von dl_off eine Reduzierung der Spannung über dem Leistungsschalter 106 erzielt werden. Alternativ kann bei Überschreiten einer kritischen Spannung UDS auch die Ausschaltzeit dt_off vergrößert werden, um eine Reduzierung der Spannung über dem entsprechenden Leistungsschalter 106 zu erzielen. Vorteilhafterweise können daher durch die erfindungsgemäße Vorrichtung Leistungs-Mosfets 106 mit geringerer Avalanche-Festigkeit bzw. mit einer kleineren maximalen Spannung UDS_max eingesetzt werden, wodurch die Verwendung kostengünstiger Bauteile ermöglicht werden kann.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Überwachungseinheit innerhalb eines ICs, beispielsweise dem Endstufen-ASIC oder dem Mikrokontroller, integriert werden, wodurch eine besonders kostengünstige Realisierung ermöglicht werden kann.
-
In einer alternativen Ausführungsform kann ein elektrischer Motor einer Servolenkung (EPS) bzw. einer Aktivlenkung (AFS) ein Gleichspannungsmotor sein, dessen Anschlussleitungen an den Mittelpunkten einer H-Brücke angeordnet werden kann.
-
Eine erfindungsgemäße Überwachung kann in einer ersten Variante derart erfolgen, dass der Mikrocontroller 101, 102 über eine serielle Schnittstelle, zum Beispiel SPI 108, einen Komparator im Endstufentreiber 103 programmiert und dadurch innerhalb des Endstufentreibers 103 durch beispielsweise intern erzeugte, fein abgestufte Vergleichsspannungen, einen Vergleich der Spannungen UDS, die über den Leistungsschaltern 106, respektive Leistungs-Mosfets, abfallen, vorgenommen werden kann. Überschreitet eine Spannung UDS die programmierte Vergleichsspannung kann ein Signal UDS_Flag 109 gesetzt werden, wodurch vom Mikrokontroller entsprechende Maßnahmen eingeleitet werden können. Beispielsweise kann in einem derartigen Fall die Endstufe sofort abgeschaltet werden. In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann eine Vergleichsspannung extern dem Endstufentreiber 103 zur Verfügung gestellt werden.
-
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die zu überwachende Spannung über einem Leistungsschalter an den Eingang eines Analog/Digital-Konverters 102 des Mikrokontroller 101, 102 angelegt werden, wodurch dann im weiteren Verlauf ein digitaler Wert der Spannung UDS über einem zu beobachtenden Leistungsschalter 106 durch den Mikrokontroller 101, 102 bearbeitet bzw. mit einem Grenzwert verglichen werden kann, um das Anliegen von kritisch hohen Spannungen feststellen zu können. In einer besonderen Ausführungsform können die Spannungen, die vom Endstufentreiber 103 an den Analog/Digital-Konverter 102 angelegt werden können, zwischengespeichert werden. Hierdurch kann der Mikrokontroller 101, 102, beispielsweise je nach internem Verarbeitungszustand der bisher eingelesenen Spannungswerte, weitere Spannungswerte je nach Bedarf abholen.
-
Es kann erfindungsgemäß die Spannung UDS nur eines beliebigen Leistungs-Mosfets einer Endstufe oder die Spannungen UDS aller Leistungs-Mosfets der Endstufe oder die Spannungen UDS der Lowside-Leistungs-Mosfets der Endstufe oder vorzugsweise die Spannungen UDS der Highside-Leistungs-Mosfets der Endstufe gemessen werden.
-
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
- Mikrokontroller
- 102
- ADC (Analog/Digital-Konverter) des Mikrokontrollers
- 103
- Endstufen-Treiber
- 104
- Versorgungsspannung
- 105
- Glättungskondensator
- 106
- Leistungsschalter
- 107
- Referenzspannungsquelle
- 108
- Signal SPI des Mikrokontrollers
- 109
- UDS_Flag des Mikrokontrollers
- 110
- UDS_Analog; Eingang des ADC des Mikrokontrollers
- 111
- parasitäre Leitungsinduktivitäten
- 112
- PWM-Ansteuerleitungen zwischen Mikrokontroller und Endstufentreiber
