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Die Erfindung betrifft eine Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Servolenkvorrichtungen sind sicherheitskritische Anwendungen, welche besonderen Anforderungen unterliegen. Es muss beispielsweise sichergestellt sein, dass es zu keinem Zeitpunkt zum Blockieren der Lenkung kommt. Eine Möglichkeit des Blockierens der Lenkung kann durch den elektrischen Unterstützungsmotor bzw. Elektromotor des Servoantriebs verursacht werden. Dies ist der Fall, wenn als Elektromotor eine, insbesondere permanent erregte Synchronmaschine verwendet wird und diese generatorisch arbeitet. Im generatorischen Betrieb der Synchronmaschine entstehen aufgrund des Gegeninduktionsprinzips Motormomente, die zum Blockieren der Lenkung führen können. Auch im Falle elektrischer Fehler, wie etwa bei Kurzschlüssen im Motor oder der Ansteuerung, können diese Motoren ein Bremsmoment erzeugen, so dass es nicht nur zum Ausfall der Lenkunterstützung kommen kann, sondern dem Lenkvorgang ein zusätzlicher Widerstand entgegengesetzt wird. Dies kann für ein Lenksystem aus Sicherheitsgründen einen nicht mehr tolerierbaren Zustand darstellen. Um diese Blockiermomente zu vermeiden, ist es bekannt zwischen dem Wechselrichter und dem Elektromotor eine sogenannte Phasentrennung anzuordnen. Es wird eine Auftrennung der Phasenzuleitungen zum Elektromotor oder im Sternpunkt des Elektromotors vorgenommen. Hierzu werden bei bekannten Systemen mechanische Relais verwendet. Jedoch kommen auch elektronische Schalter, insbesondere Transistoren zu Einsatz. Durch die Phasentrennung wird erreicht, dass es während des generatorischen Betriebs zu keinem Stromfluss im Elektromotor kommt. Somit wird das Blockieren der Lenkung verhindert.
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Eine gattungsgemäße Servolenkvorrichtung ist aus der
DE 10 2007 024 659 A1 bekannt. Dort werden eine Hilfskraftlenkung, ein Steuergerät für eine solche Hilfskraftlenkung und ein Verfahren zum Betreiben dieser Hilfskraftlenkung vorgestellt. Das elektronische Steuergerät dient zur Ansteuerung eines Elektromotors, wobei Phasenwindungen des Elektromotors anzusteuern sind und mindestens einer der Phasenwindungen ein Schaltmittel zugeordnet ist, das als elektronischer Schalter ausgebildet ist. Die beschriebene Hilfskraftlenkung verfügt somit über eine Sicherheitsabschaltung, die mit Halbleiterelementen realisierbar ist. Als Halbleiterbauelemente werden vorzugsweise MOSFET verwendet, bei höheren Spannungen von größer 50 V können aber auch andere Bauelemente, wie beispielsweise IGBTs, verwendet werden. Ein Widerstand zwischen Gate und Source stellt sicher, dass die MOSFETs im Falle einer Unterbrechung in der Gate-Ansteuerung abgeschaltet werden.
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Bei elektronischen Servolenkvorrichtungen werden für die Trennung der Motorphasen z. B. drei Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) verwendet. Diese können sich wie vorstehend erwähnt entweder im Motorsternpunkt oder im Phasenabgang befinden. Diese Transistoren unterliegen wiederum besonderen Anforderungen, um ein Blockieren des Motors zu vermeiden. Es muss z. B. sichergestellt werden, dass die MOSFETs definiert ausgeschaltet sind, wenn es zu einer Unterbrechung der Ansteuerungsleitung der MOSFETs kommt. Befindet sich die Phasentrennung auf einem Substrat, z. B. Direct Bonded Copper(DBC)-Substrat, so ist die Ansteuerungsleitung über Bonddrähte und Kupferflächen realisiert. Sonach werden für die Ansteuerungsleitung jeweils zwei Bondverbindungen nämlich zwischen der Ansteuerungsleiterkarte und dem Substrat sowie zwischen dem Substrat und dem jeweiligen MOSFET benötigt. Die Ansteuerungsleitung des MOSFETs sollte vor den Folgen eines Abrisses geschützt werden. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt hierfür zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des MOSFETs einen hochohmigen Widerstand zu schalten. Damit soll sichergestellt werden, dass sich der Steuereingang des MOSFETs bei einer Leitungsunterbrechung immer auf einem definierten "Aus"-Pegel befindet. Dieser Gate-/Source-Widerstand kann die Phasentrennung bei einem Bondabriss allerdings nur dann schützen, wenn der Bond zwischen Ansteuerungsleiterkarte und Substrat zerstört wurde. Wird der Bond zwischen MOSFET und Substrat zerstört, besitzt der Widerstand keinerlei Schutzwirkung.
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Ausgehend davon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Servolenkvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welcher undefinierte Zustände der elektronischen Schalter zur Phasentrennung umfassend, insbesondere auch im Fall einer Leitungsunterbrechung zwischen einem Substrat und dem elektronischen Schalter, vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
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Dadurch, dass der Widerstand erfindungsgemäß in dem Feldeffekttransistor oder in dem bipolaren Transistor integriert ist, wird stets sichergestellt, dass bei einer Leitungsunterbrechung bzw. einem Bondabriss, insbesondere zwischen der Ansteuerungsplatine und dem Substrat sowie zwischen dem Substrat und dem elektronischen Schalter ein definierter "Aus"-Pegel an dem Gate-Anschluss bzw. der Gate-Elektrode des elektronischen Schalters anliegt. Die entsprechenden Sicherheitsanforderungen werden sonach vollumfänglich erfüllt. Die separaten Gate-/Source-Widerstände auf dem Substrat können entfallen. Dadurch können Bauteilkosten gesenkt werden. Zudem kann teure Substratfläche eingespart werden. Darüber hinaus wird die Zuverlässigkeit des Systems weiter erhöht, da die entfallenen externen Gate-/Source-Widerstände nicht mehr separat ausfallen können.
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Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass der Widerstand derart hochohmig ausgebildet ist, dass im Wesentlichen kein Strom bzw. nur ein geringer Strom zwischen der Gate-Elektrode und dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors oder zwischen der isolierten Gate-Elektrode und dem Emitter-Anschluss des bipolaren Transistors fließt. Geringe Ströme sind tolerierbar, solange sie nicht den Zustand des elektronischen Schalters beeinflussen. Es sollte keine Entladung der zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss vorhandenen Kapazitäten erfolgen. Beispielsweise könnte der Widerstand hierzu 100 kΩ aufweisen.
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Der Widerstand kann derart hochohmig ausgebildet sein, dass zwischen der Gate-Elektrode und dem Source-Anschluss des Feldeffekttransistors oder zwischen der isolierten Gate-Elektrode und dem Emitter-Anschluss des bipolaren Transistors im Wesentlichen, d. h. innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs, dasselbe Potenzial vorhanden ist, wenn die Leitung zur Gate-Elektrode unterbrochen ist oder kein definiertes Schaltsignal an der Gate-Elektrode anliegt. Sonach liegt im Falle einer Leitungsunterbrechung stets ein definierter "Aus"-Pegel an dem Gate-Anschluss bzw. der Gate-Elektrode des elektronischen Schalters an.
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Der Widerstand kann in einem Gehäuse des Feldeffekttransistors oder des bipolaren Transistors integriert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Widerstand, insbesondere einstückig in einem Siliziumsubstrat des Feldeffekttransistors oder des bipolaren Transistors eingebracht sein. Dadurch wird die Anordnung noch kompakter, wodurch wiederum die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems erhöht werden.
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Der Widerstand kann Polysilizium aufweisen.
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Der Feldeffekttransistor kann als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgebildet sein. Es kann sich dabei sowohl um einen N-Kanal-MOSFET als auch um einen P-Kanal-MOSFET handeln.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend sind anhand der Zeichnung prinzipmäßig Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben.
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Es zeigen:
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1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Servolenkvorrichtung;
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2a ein vereinfachtes Schaltbild einer bekannten Ansteuerung eines Elektromotors in einem Servoantrieb einer elektronischen Servolenkvorrichtung in einer ersten Ausführungsform;
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2b ein vereinfachtes Schaltbild einer bekannten Ansteuerung eines Elektromotors in einem Servoantrieb einer elektronischen Servolenkvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine schematische Darstellung einer Ansteuerung eines Feldeffekttransistors mit einem externen Gate/Source-Widerstand gemäß dem Stand der Technik;
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4a ein vereinfachtes Schaltbild eines Feldeffekttransistors mit einem integrierten Gate/Source-Widerstand für die erfindungsgemäße Servolenkvorrichtung; und
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4b ein vereinfachtes Schaltbild eines bipolaren Transistors mit einer isolierten Gate-Elektrode mit einem integrierten Gate/Source-Widerstand für eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Servolenkvorrichtung.
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In
1 ist eine erfindungsgemäße elektronische Servolenkvorrichtung
1 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs stark vereinfacht dargestellt. Die elektronische Servolenkvorrichtung
1 weist eine als Lenkrad ausgebildete Lenkhandhabe
2 auf. Das Lenkrad
2 ist über eine Lenksäule bzw. Gelenkwelle
3 mit einem Lenkgetriebe
4 verbunden. Das Lenkgetriebe
4 dient dazu, einen Drehwinkel der Gelenkwelle
3 in einen Lenkwinkel δ
Fm von lenkbaren Rädern
5a,
5b des Kraftfahrzeugs umzusetzen. Das Lenkgetriebe
4 weist dazu eine Zahnstange
6 und ein Ritzel
7 auf, an welches die Gelenkwelle
3 angreift. Darüber hinaus weist die elektronische Servolenkvorrichtung
1 einen elektrischen Servoantrieb
8 auf, welcher insbesondere der variablen Momentenunterstützung dient. Der elektrische Servoantrieb
8 weist einen Elektromotor
9 zur Realisierung der Momentenunterstützung über ein Riemengetriebe
10 auf. Das Riemengetriebe
10 weist ein Antriebsritzel und eine Riemenscheibe zur Übertragung der Momentenunterstützung über ein Kugelumlaufgetriebe (in
1 nicht dargestellt) auf die Zahnstange
6 der elektronischen Servolenkvorrichtung
1 auf. Des Weiteren ist ein elektronisches Steuergerät
11 zur Ansteuerung und Regelung des Elektromotors
9 vorgesehen. Die Erfindung ist im folgenden anhand einer elektronischen Servolenkvorrichtung
1 mit einem Riemengetriebe
10 und einem separaten Kugelumlaufgetriebe zur Übertragung der Unterstützungskraft auf die Zahnstange
6, wie beispielsweise aus der
DE 100 52 275 A1 bekannt, beschrieben. Für weitere elektrische Lenksystemtechnologien mit Momenten- bzw. Lenkunterstützung lassen sich jedoch mit geringfügigen Änderungen gleiche erfindungsgemäße Umsetzungen erzielen. Auch kann der Elektromotor ein Überlagerungswinkelsteller sein, wenn es sich bei der erfindungsgemäßen Servolenkvorrichtung um ein Überlagerungslenksystem handelt.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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2a zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer bekannten Ansteuerung des Elektromotors
9 in der elektronischen Servolenkvorrichtung
1. Der Elektromotor
9 weist drei Phasenwindungen
9a auf. Zur Ansteuerung des Elektromotors
9 ist ein Wechselrichter
12 mit Transistoren T11, T21, T31, T12, T22 und T32 vorgesehen. Auf den Wechselrichter
12 wird vorliegend nicht näher eingegangen, da er aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist. Zwischen dem Wechselrichter
12 und dem Elektromotor
9 ist sozusagen in dem Phasenabgang eine Phasentrennung
13 angeordnet bzw. geschaltet. Mittels der Phasentrennung
13 wird verhindert, dass es zu einem Stromfluss im Elektromotor
9 während seines generatorischen Betriebs, z. B. wenn das Lenkrad
2 nach einer Auslenkung in die Mittenposition zurückläuft, kommt. Dadurch wird ein Blockieren der Lenkung wirksam vermieden. Die Phasentrennung
13 weist als elektronische Schalter drei Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) T13, T23 und T33 auf. Diese könnten auch als bipolare Transistoren (IGBT) mit einer isolierten Gate-Elektrode ausgebildet sein (siehe
4b). In
2b ist eine alternative Ausführungsform einer möglichen Ansteuerung des Elektromotors
9 dargestellt, bei welcher die Phasentrennung
13 in einem Motorsternpunkt des Elektromotors
9 angeordnet ist. Die Ansteuerung der MOSFETs T13, T23 und T33 ist in den
2a und
2b nicht dargestellt, sondern in
3 näher gezeigt. Die in den
2a und
2b dargestellte Sternpunkt-/Phasenauftrennung kann mechanisch im elektronischen Steuergerät
11 der Servolenkvorrichtung
1 oder im Elektromotor
9 der Servolenkvorrichtung
1 integriert werden. Diesbezüglich wird auf die eingangs erwähnte
DE 10 2007 024 659 A1 verwiesen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der Ansteuerung des vorliegend auf einem Substrat 14 aufgebrachten MOSFET T13. Der MOSFET T13 weist einen Drain-Anschluss D, einen Source-Anschluss S sowie eine Gate-Elektrode G auf. Eine Ansteuerungseinheit 15 für die Phasentrennung 13 ist auf einer Ansteuerungsleiterplatine 16 angeordnet. Ein erster Bonddraht 17a ist zwischen der Ansteuerungsleiterplatine 16 und dem Substrat 14 angeordnet, wobei ein zweiter Bonddraht 17b zwischen dem Substrat 14 und dem MOSFET T13 bzw. dessen Gate-Elektrode G vorhanden ist. Mittels eines externen hochohmigen Widerstands 18, welcher zwischen der Gate-Elektrode G und einem Source-Anschluss S des MOSFETs T13 geschaltet ist, wird sichergestellt, dass der MOSFET T13 im Falle einer Leitungsunterbrechung (Bondabriss) in der Gate-Ansteuerung abgeschaltet wird. Der Widerstand 18 kann die Phasentrennung bei einem Bondabriss jedoch nur dann schützen, wenn der Bonddraht 17a zwischen der Ansteuerungsleiterplatine 16 und dem Substrat 14 zerstört wurde. Wird der Bonddraht 17b zwischen dem Substrat 14 und dem MOSFET T13 zerstört, besitzt der Widerstand 18 keine Schutzwirkung.
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Die erfindungsgemäße Servolenkvorrichtung 1 umfasst:
- – den Servoantrieb 8 mit dem Elektromotor 9, der über eine Anzahl von Phasenwindungen 9a verfügt,
- – das elektronische Steuergerät 11 zur Ansteuerung des Elektromotors 9, wobei die Phasenwindungen 9a des Elektromotors 9 mit dem elektronischen Steuergerät 11 ansteuerbar sind, wobei wenigstens einer der Phasenwindungen 9a ein als MOSFET T13' ausgeführter Feldeffekttransistor (siehe 4a) oder ein bipolarer Transistor (IGBT) T13'' mit einer isolierten Gate-Elektrode G als elektronischer Schalter zur Phasentrennung zugeordnet ist, und wobei ein Widerstand 18', 18'' zwischen der Gate-Elektrode G und dem Source-Anschluss S des MOSFETs T13' oder der zwischen der isolierten Gate-Elektrode G und einem Emitter-Anschluss E des IGBTs T13'' vorhanden ist.
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Wie aus 4a und 4b ersichtlich, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Widerstand 18', 18'' in den MOSFET T13' oder in den IGBT T13'' zu integrieren. Entsprechende Widerstände 18', 18'' könnten in die übrigen MOSFETs T23 und T33 oder in weitere nicht dargestellte IGBTs der Phasentrennung 13 integriert werden. Wird der Bonddraht 17b zwischen dem Substrat 14 und dem MOSFET T13' bzw. dem IGBT T13'' (nicht dargestellt) zerstört, bleibt die Schutzwirkung des Widerstands 18', 18'' bestehen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der IGBT T13'' als normal sperrender N-Kanal-IGBT ausgebildet. Mit den notwendigen Änderungen können jedoch auch andere Typen von IGBTs verwendet werden.
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Der Widerstand 18', 18'' ist derart hochohmig ausgebildet, dass im Wesentlichen kein Strom zwischen der Gate-Elektrode G und dem Source-Anschluss S des MOSFETs T13' oder zwischen der isolierten Gate-Elektrode G und dem Emitter-Anschluss E des IGBTs T13'' fließt.
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Des Weiteren ist der Widerstand 18', 18'' derart hochohmig ausgebildet, dass zwischen der Gate-Elektrode G und dem Source-Anschluss S des MOSFETs T13' oder zwischen der isolierten Gate-Elektrode G und dem Emitter-Anschluss E des IGBTs T13'' im Falle einer Leitungsunterbrechung im Wesentlichen dasselbe Potenzial vorhanden ist.
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Der Widerstand 18', 18'' ist in einem Gehäuse 19 des MOSFETs T13' oder des IGBTs T13'' integriert. Alternativ oder zusätzlich kann der Widerstand 18', 18'' in einem Siliziumsubstrat 20 des MOSFETs T3' oder des IGBTs T13'' eingebracht sein. Der Widerstand 18', 18'' kann Polysilizium aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Servolenkvorrichtung
- 2
- Lenkrad
- 3
- Gelenkwelle / Lenksäule
- 4
- Lenkgetriebe
- 5a, 5b
- lenkbare Räder
- 6
- Zahnstange
- 7
- Ritzel
- 8
- elektrischer Servoantrieb
- 9
- Elektromotor
- 9a
- Phasenwindungen
- 10
- Riemengetriebe
- 11
- elektronisches Steuergerät
- 12
- Wechselrichter
- 13
- Phasentrennung
- 14
- Substrat
- 15
- Ansteuerungseinheit
- 16
- Ansteuerungsleiterplatine
- 17a, 17b
- Bonddrähte
- 18
- Widerstand
- 18', 18''
- integrierter Widerstand
- 19
- Gehäuse des MOSFETs / IGBTs
- 20
- Substrat des MOSFETs / IGBTs
- G
- Gate-Elektrode
- S
- Source-Anschluss
- D
- Drain-Anschluss
- E
- Emitter-Anschluss
- T13, T13', T23, T33
- MOSFETs zur Ansteuerung der Phasentrennung
- T11, T21, T31
- Transistoren des Wechselrichters
- T12, T22, T32
- Transistoren des Wechselrichters
- T13''
- IGBT zur Ansteuerung der Phasentrennung
- δFm
- Radlenkwinkel bzw. Lenkwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007024659 A1 [0003, 0023]
- DE 10052275 A1 [0021]
