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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff von Anspruch 1, eine Ansteuerschaltung gemäß Oberbegriff von Anspruch 6, sowie die Verwendung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung in einem elektronischen Steuergerät.
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Für sicherheitsrelevante Vorrichtungen in Kraftfahrzeugen, beispielsweise eine elektromechanische Reibbremse oder eine elektronische Servolenkung, gelten strenge Vorgaben zur Fehlersicherheit, wie diese z.B. in der ISO-Norm 26262 spezifiziert sind. Wird eine auch als bürstenloser Motor bekannte elektronisch kommutierte Synchronmaschine in einer entsprechenden Vorrichtung eingesetzt, so muss auch die Ansteuerung des Motors diesen Vorgaben genügen, insbesondere eine sichere Fehlererkennung gewährleisten.
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Aus der
DE 102 54 752 A1 ist ein Verfahren zur Fehlererkennung eines bürstenlosen Elektromotors bekannt, bei dem mindestens eine erste Motorkenngröße gemessen oder ermittelt wird und auf deren Grundlage eine zweite Schätz-Motorkenngröße geschätzt wird. Die zweite Schätz-Motorkenngröße wird mit einer zweiten, gemessenen oder ermittelten Motorkenngröße verglichen und nach Maßgabe des Vergleichs ein Fehler des Elektromotors festgestellt. Zweckmäßigerweise wird auf Grundlage der Motorphasenströme und eines ermittelten mechanischen Rotorlagewinkels der drehmomentbildende Strom geschätzt und mit dem Sollwert des drehmomentbildenden Stroms, also der Vorgabe des Drehmomentreglers, verglichen; wenn eine signifikante Abweichung vorliegt, wird eine Alarmmeldung ausgegeben. Vorzugsweise erfolgt die Schätzung des drehmomentbildenden Stroms mittels einer modellbasierten Nachbildung des die Phasenwicklungen ansteuernden Transistorwechselrichters.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine sichere Überwachung der Ansteuerung eines elektronisch kommutierten Motors bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Ansteuerschaltung gemäß Anspruch 6 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung eines elektronisch kommutierten Synchronmotors, welcher mindestens zwei Phasenwicklungen aufweist, die über eine Brückenschaltung mit Strom versorgt werden, wobei die Brückenschaltung von einem Drehzahlregler angesteuert wird, welcher insbesondere in einem ersten Mikroprozessor umgesetzt ist, der mit mindestens einem Rotorpositionssensor verbunden ist, umfasst die insbesondere von einem separaten Mikroprozessor durchgeführten Schritte
- – Messen zumindest einer Spannung an und/oder zumindest eines Stroms durch eine Phasenwicklung sowie mindestens eines Rotorpositionssignals
- – Berechnen einer Ist-Drehzahl des elektronisch kommutierten Synchronmotors aus zumindest einer Spannung an und/oder zumindest eines Stroms durch eine Phasenwicklung sowie mindestens eines Rotorpositionssignals
- – Ermitteln einer Solldrehzahl für den elektronisch kommutierten Synchronmotor
- – Erkennen eines Fehlers, wenn die Differenz zwischen der geschätzten Ist-Drehzahl und der ermittelten Solldrehzahl einen vorgegebenen Differenzschwellenwert überschreitet, insbesondere indem ein Fehler erst dann als erkannt gilt, wenn der vorgegebene Differenzschwellenwert für mindestens eine vorgegebene Zeitdauer überschritten wird.
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Durch einen Vergleich von Solldrehzahl und Ist-Drehzahl kann mit einer einzigen Überwachungseinrichtung die komplette Ansteuerkette des Motors überwacht werden, insbesondere auch ein Fehler der Brückenschaltung bzw. des Wechselrichters erkannt werden. Indem zur Fehlererkennung sowohl mindestens eine Phasenspannung bzw. ein Strom durch eine Phasenwicklung als auch mindestens ein Rotorpositionssensor herangezogen werden, kann auch bei Auftreten eines Sensorfehlers die Ansteuerung überprüft werden. Somit genügt die Überwachung hohen Ansprüchen wie dem in der ISO 26262 spezifizierten ASIL D Niveau. In elektronischen Steuergeräten sind vielfach mehrere Mikroprozessoren vorhanden, so dass der Aufwand an zusätzlichen Bauteilen für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens gering ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Messen einer Spannung an und/oder eines Stroms durch eine Phasenwicklung weiterhin eine Tiefpaßfilterung umfasst, wobei die Grenzfrequenz der Tiefpaßfilterung vorzugsweise nach Maßgabe der Modulationsfrequenz einer mit der Brückenschaltung verbundenen Pulsweitenmodulationsschaltung gewählt wird. Indem die Modulationsfrequenz ausgefiltert wird, kann eine fehlerhaft zu hoch erkannte Drehzahl vermieden werden.
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Bevorzugt umfasst das Berechnen der Ist-Drehzahl des elektronisch kommutierten Synchronmotors eine Ermittlung der Grundfrequenz/en von Spannung an und/oder Strom durch eine oder mehrere Phasenwicklung/en. Diese Ermittlung ist für moderne Mikroprozessoren mit geringem Rechenaufwand durchführbar.
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Besonders bevorzugt wird eine Drehzahl des elektronisch kommutierten Synchronmotors aus dem oder den Rotorpositionssignalen ermittelt, und das Berechnen der Ist-Drehzahl des elektronisch kommutierten Synchronmotors umfasst weiterhin einen Vergleich zwischen einer anhand der Grundfrequenz/en ermittelten Drehzahl und der anhand des oder der Rotorpositionssignale ermittelten Drehzahl. Somit können Sensorfehler erkannt bzw. ausgeschlossen werden.
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Zweckmäßigerweise erfolgt das Ermitteln einer Solldrehzahl anhand mindestens eines über eine Schnittstelle empfangenen Werts, wobei eine Plausibilisierung und/oder eine Überprüfung auf Übertragungsfehler durchgeführt wird/werden, insbesondere mit Hilfe einer zusätzlich übermittelten Prüfsumme. Besonders wenn dieser Wert mit redundanten Sensoren bestimmt wurde, kann somit eine zuverlässige Solldrehzahl ermittelt werden. Dies gilt beispielsweise für die Erkennung eines Fahrerwunsches in Bremssystemen bzw. der Ermittlung einer Verzögerungsanforderung. Zur Erkennung einer gestörten Übertragung kann alternativ oder ergänzend zur Berechnung und Übermittlung von Prüfsummen ein Botschaftswiederholzähler bzw. eine Nummerierung eingehender Botschaften bzw. Informationen und/oder eine Überprüfung, ob innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls eine Botschaft eingeht, eingesetzt werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn ein Fehler auch dann als erkannt gilt, sobald ein Vergleich zwischen Soll-Drehrichtung und Ist-Drehrichtung des elektronisch kommutierten Synchronmotors eine Abweichung ergibt, wobei zur Erkennung der Ist-Drehrichtung die zeitliche Beziehung von mindestens zwei Rotorpositionssignalen und/oder Strömen durch und/oder Spannungen an mindestens zwei Phasenwicklungen betrachtet wird. D.h. zweckmäßigerweise erfolgt eine redundante Bestimmung der Drehrichtung, und wenn diese von der Vorgabe abweicht, wird ein Fehler erkannt und insbesondere die Ansteuerung des Motors umgehend beendet.
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Eine erfindungsgemäße Ansteuerschaltung für einen elektronisch kommutierten Synchronmotor mit zwei oder mehr Phasenwicklungen, insbesondere drei Phasenwicklungen, umfasst eine mit den Phasenwicklungen verbundene Brückenschaltung, eine mit der Brückenschaltung verbundene Pulsweitenmodulationsschaltung, mindestens einen Rotorpositionssensor, und einen ersten Mikroprozessor, der mit Brückenschaltung und Rotorpositionssensor verbunden ist und vorzugsweise eine Drehzahlregelung durchführt. Erfindungsgemäß weist mindestens eine Phasenwicklung eine Spannungs- und/oder Strommesseinrichtung auf, die mit einem separaten Mikroprozessor verbunden ist, der Rotorpositionssensor ist mit dem separaten Mikroprozessor verbunden, und der separate Mikroprozessor ist mit dem ersten Mikroprozessor verbunden. Beide Mikroprozessoren weisen insbesondere Mittel zum Berechnen und/oder Vergleichen einer Prüfsumme und/oder einen Botschaftswiederholzähler und/oder einen Zähler zur Messung der Zykluszeit auf. Unter einem separaten Mikroprozessor wird hierbei ein unabhängig von dem ersten Mikroprozessor funktionierender, insbesondere räumlich getrennter Mikroprozessor verstanden. Darunter, dass eine Phasenwicklung eine Messeinrichtung aufweist, ist zu verstehen, dass die Messeinrichtung induktiv, kapazitiv oder konduktiv in Verbindung mit der Phasenwicklung steht.
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Vorzugsweise führt der separate Mikroprozessor ein erfindungsgemäßes Verfahren aus. Dadurch, dass der separate Mikroprozessor sowohl mit Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung/en als auch mit mindestens einem Rotorpositionssensor verbunden ist, kann ein zuverlässiger Wert für die Ist-Drehzahl des bürstenlosen Motors ermittelt werden. Indem eine gegen Fehler abgesicherte Datenverbindung zwischen den Mikroprozessoren besteht, kann auch die Zuverlässigkeit der Solldrehzahl gewährleistet werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn jede der Phasenwicklungen eine mit dem separaten Mikroprozessor verbundene Spannungs- und/oder Strommesseinrichtung aufweist. Durch eine Betrachtung der Signale zweier Phasen kann auch eine falsche Drehrichtung erkannt werden. Ferner wird die Zuverlässigkeit der Messwerte erhöht, da eine Plausibilisierung der Signale erfolgen kann und/oder eine Mittelwertbildung bei mehr als einer aus Spannung an und/oder Strom durch eine Phasenwicklung ermittelten Drehzahl.
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Zweckmäßigerweise ist jeder Spannungs- und/oder Strommesseinrichtung jeweils ein Tiefpaßfilter zugeordnet, dessen Grenzfrequenz insbesondere kleiner als die Modulationsfrequenz der Pulsweitenmodulationsschaltung ist. Dadurch werden unerwünschte periodische Störungen unterdrückt und die Zuverlässigkeit erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gibt mindestens ein Rotorpositionssensor mindestens ein von der Rotorposition abhängiges digitales Signal ab und/oder umfasst mindestens ein Rotorpositionssensor eine Auswerteschaltung, die über eine digitale Schnittstelle mit dem separaten Mikroprozessor verbunden ist. Wenn z.B. ein optoelektronischer Rotorpositionssensor vorhanden ist, erfordert eine digitale Übertragung der Drehzahlinformationen einen minimalen Aufwand.
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Insbesondere sind drei Hallschalter als Rotorpositionssensoren vorhanden und jeweils mit einem dem separaten Mikroprozessor zugeordneten Komparator oder Analog-Digital-Wandler verbunden. Somit wird eine zuverlässige Überwachung blockkommutierter bürstenloser Motoren bereitgestellt.
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Zweckmäßigerweise gibt mindestens ein Rotorpositionssensor mindestens ein von der Rotorlage abhängiges kontinuierliches Rotorpositionssignal ab, insbesondere zwei sinusförmige Rotorpositionssignale, wie beispielsweise je ein zum Sinus und ein zum Cosinus des Rotorwinkels proportionales Signal. Diese Signale sind für eine Ansteuerung des bürstenlosen Motors mit besonders geringen Drehmomentschwankungen geeignet. Hierbei kann das kontinuierliche Rotorpositionssignal auch quasikontinuierlich sein, d.h. eine in einer vorgegebenen Anzahl von Stufen quantisiert sein, solange die Anzahl der Stufen z.B. 100 übersteigt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung in einem elektronischen Steuergerät für ein Bremssystem und/oder eine Radbremse eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eine elektromechanische Reibbremse.
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Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung in einem elektronischen Steuergerät für eine Servolenkung eines Kraftfahrzeugs.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
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Es zeigen
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1 ein erstes Schema einer Ansteuerschaltung, und
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2 ein zweites Schema einer Ansteuerschaltung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines elektronisch kommutierten Motors umfasst vorzugsweise folgende Schritte:
- 1. Messen von Spannung an und/oder Strom durch eine oder mehrere Phasenwicklungen des Motors
- 2. Filtern des resultierenden Signals, um insbesondere durch die Pulsweitenmodulation der Versorgungsspannungen hervorgerufene Störungen zu unterdrücken
- 3. Ermitteln der Grundfrequenz des gefilterten Signals
- 4. Berechnen einer ersten Ist-Drehzahl anhand Grundfrequenz und Polpaarzahl
- 5. Messen mindestens eines Rotorpositionssignals
- 6. Berechnen einer zweiten Ist-Drehzahl anhand des oder der Rotorpositionssignale
- 7. Vergleich von erster und zweiter Ist-Drehzahl, um Sensorfehler auszuschließen
- 8. Vergleich von Ist-Drehzahl und Soll-Drehzahl und
- 9. Erkennen eines Fehlers, wenn Ist-Drehzahl und Soll-Drehzahl um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert voneinander abweichen.
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Zur Erkennung der Drehrichtung können beispielsweise die Signale eines Rotorpositionssensors betrachtet werden, welcher zwei phasenverschobene sinusförmige Signale abgibt, aus deren Phasenbeziehung die Drehrichtung ermittelbar ist. Wenn mindestens zwei Phasenwicklungen des Motors mit einer Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung ausgestattet sind, kann aus der zeitlichen Abfolge der Signale die Drehrichtung erkannt werden. Ist keine redundante Drehrichtungserkennung erforderlich, so ist die Betrachtung einer Phase ausreichend.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung. Ein erster Mikroprozessor (beispielsweise ein für Signalverarbeitung optimierter Digital Signal Processor DSP) 101 steuert eine Brückenschaltung B (also einen Wechselrichter) 102 an, die daraufhin die drei Phasenwicklungen U, V, W des Stators einer elektrischen Maschine M bzw. eines Motors 103 mit Strom aus einer nicht gezeigten Pulsweitenmodulationsschaltung versorgt. Daraufhin bildet sich ein magnetisches Feld aus, in dem sich der aus einem oder mehreren Permanentmagneten bestehende Rotor ausrichtet. Die Position des Rotors wird mittels Rotorpositionssensoren 104 erfasst. Gemäß einer besonders verbreiteten Ausführungsform wird die Rotorposition durch drei Hallschalter erfasst. Die Signale der Hallschalter werden dem ersten Mikroprozessor zugeführt, der z.B. einen entsprechenden Spannungsvektor anlegt, um eine Drehung des Rotors in die gewünschte Richtung zu bewirken, wobei die Ansteuerung mittels an sich bekannter Verfahren wie beispielsweise Blockkommutation erfolgen kann.
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Die Phasenwicklungen des Stators sind mit Spannungsmesseinrichtungen verbunden, wie z.B. Analog-Digital-Wandlern, denen mittels jeweils eines Tiefpasses T 105 gefilterte Spannungen zugeführt werden. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses wird dabei zweckmäßigerweise unterhalb der Modulationsfrequenz der Pulsweitenmodulationsschaltung gewählt, um diese Störung auszufiltern. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bzw. Bandbreite der Analog-Digital-Wandler ist es hierbei vorteilhaft, Abtast-Halte-Glieder an den Eingängen der Analog-Digital-Wandler vorzusehen.
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Das resultierende Signal wird einem separaten Mikroprozessor µC 106 zugeführt, welcher die weiteren Berechnungen und die Überprüfung auf das Vorliegen eines Fehlers durchführt. Aus der Grundfrequenz des resultierenden Signals kann durch Multiplikation mit der Polpaarzahl des Motors die Winkelgeschwindigkeit der Rotorwelle und somit die Drehzahl des Motors ermittelt werden. Indem dem separaten Mikroprozessor zusätzlich die Signale des oder der Rotorpositionssensoren zugeführt wird, kann daher eine Plausibilisierung der ermittelten Drehzahl vorgenommen werden, und Fehler von Rotorpositionssensor/en und/oder Spannungsmesseinrichtung/en sind feststellbar.
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Der erste Mikroprozessor 101 führt eine Drehzahlregelung der elektrischen Maschine 103 durch und übermittelt die Soll-Drehzahl nSoll über eine Datenleitung an den separaten Mikroprozessor 106. Indem die übermittelte Soll-Drehzahl mit der aus Rotorpositionssensor und Phasenspannung berechneten Ist-Drehzahl verglichen wird, kann die komplette Ansteuerkette bzw. das Gesamtsystem überwacht werden. Eine fehlerhaft übermittelte Solldrehzahl kann z.B. durch die Berechnung Prüfsummen ausgeschlossen werden. Weichen Ist-Drehzahl und Soll-Drehzahl um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert ab, so wird ein Fehler erkannt. Es kann auch vorgesehen sein, dass zusätzlich überprüft wird, ob die Abweichung für mehr als eine vorgegebene Zeitdauer anhält. Wird ein Fehler erkannt, so kann der separate Mikroprozessor ein Fehlersignal ausgeben und/oder ein Bestromen des Motors beenden bzw. verhindern, um eine Beschädigung der angetriebenen Vorrichtung zu verhindern.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung, bei dem zusätzlich ein Beispiel für eine angetriebene Vorrichtung angedeutet ist. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel steuert der erste Mikroprozessor 101, insbesondere ein für Signalbearbeitung optimierter DSP, die Brückenschaltung B bzw. den Wechselrichter 102 an. Dieser ist mit einer nicht gezeigten Pulsweitenmodulationsschaltung verbunden, die durch Wahl des Tastverhältnisses eine Vorgabe der am Zwischenkreis anliegenden Spannung (bzw. des oberen Zwischenkreispotenzials) ermöglicht. Mittels der Brückenschaltung werden eine oder mehrere Phasenwicklungen bestromt, um eine Drehung des Rotors der elektrischen Maschine 103 zu bewirken.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Motor 103 an dem Sattel 208 einer elektromechanischen Reibbremse angeordnet. Ein Kugelgewindetrieb 209 setzt die Drehung der Rotorwelle in eine Translation um, wodurch ein Reibbelag 210 auf eine Bremsscheibe 207 gepresst wird. Die gezeigte Reibbremse wird in Kraftfahrzeugen eingesetzt, weshalb das Gesamtsystem aus Motor und Ansteuerschaltung hohen Sicherheitsanforderungen genügen muss.
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Um die Funktion des Gesamtsystems zu überprüfen werden, die Spannungen mindestens zweier Phasenwicklungen jeweils einem Analog-Digital-Wandler (A/D) 205 zugeführt. Bei schnellen Wandlern ist kein vorgeschalteter Tiefpassfilter erforderlich, insbesondere wenn die Analog-Digital-Umsetzung synchron mit der Modulation der Pulsweitenmodulationsschaltung erfolgt. Die Werte der gewandelten Signale werden einem separaten Mikroprozessor 206 zugeführt, der auch eine digitale Filterung zur Unterdrückung von Störungen vornehmen kann. Aus der Grundfrequenz der resultierenden Signale und der Polpaarzahl der elektrischen Maschine kann die Drehzahl ermittelt werden.
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Die Position des Rotors wird von einem Sensor 204 erfasst, der beispielsweise als ein optoelektronischer Winkelgeber oder als ein Resolver realisiert sein kann. Rotorpositionssensor 204 liefert zwei Signale A, B an den ersten Mikroprozessor, die vorzugsweise dem Sinus bzw. Kosinus des (elektrischen) Rotorwinkels entsprechen. Weiterhin wird das digitalisierte Rotorpositionssignal über eine Datenleitung an den separaten Mikroprozessor 206 übermittelt. Anhand eines Vergleichs zwischen der aus der Rotorposition ermittelten Drehzahl mit der aus Rotorpositionssignal bestimmten Drehzahl sind Sensorfehler erkennbar bzw. kann bei korrekter Funktion der Sensoren eine Ist-Drehzahl des Motors ermittelt werden.
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Der separate Mikroprozessor 206 empfängt über eine Schnittstelle 211 Anforderungen zur Betätigung der Reibbremse. Diese Verzögerungsanforderungen sind zweckmäßigerweise über Prüfsummen abgesichert. Um eine sichere Funktion zu gewährleisten weist der separate Mikroprozessor 206 daher zwei unabhängige Recheneinheiten bzw. Kerne K1 und K2 auf, deren Ergebnisse durch Vergleicher V auf Plausibilität über prüft werden. Nach Maßgabe der Betätigungsanforderung gibt der separate Mikroprozessor 206 daher eine Solldrehzahl nSoll vor, welche als Regelvorgabe für den ersten Mikroprozessor 101 dient, der die eigentliche Ansteuerung des Motors 103 durchführt. Indem die vorgegebene Solldrehzahl mit der Ist-Drehzahl verglichen wird, kann der eigensichere kernredundante Mikroprozessor 206 daher erkennen, ob die Betätigungsanforderung korrekt umgesetzt wird. Dadurch, dass mindestens zwei Phasenwicklungen betrachtet werden, kann neben der Drehzahl auch die korrekte Drehrichtung überprüft werden. Zweckmäßigerweise weist der separate Mikroprozessor 206 eine redundante Stromversorgung und/oder einen Pufferkondensator auf.
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Alternativ zu den Phasenspannungen ist es prinzipiell möglich auch möglich, mit einem induktiven Stromsensor bzw. Hall-Effekt-Sensor oder einem Shunt mit nachgeschaltetem Differenzenverstärker den Strom durch eine Phasenwicklung zu messen. Falls keine Drehrichtung überprüft werden muss, ist es hierbei ausreichend, nur eine Phase zu betrachten.
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Die Merkmale der Ausführungsbeispiele können auch beliebig kombiniert werden, z.B. indem Hall-Schalter und ein magnetisches Encoderrad zur Erkennung der Rotorposition in einer elektromechanischen Reibbremse eingesetzt werden.
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Insbesondere wenn der Drehzahlvergleich durch einen ohnehin vorhandenen separaten Mikroprozessor durchgeführt wird, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung eine sichere Fehlererkennung mit besonders geringem Aufwand bereitgestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO-Norm 26262 [0002]
- ISO 26262 [0007]
