DE102014111184A1

DE102014111184A1 - Elektrische Schaltungseinrichtung, insbesondere Wechselrichter, zur Erzeugung von Phasenspannungen für den Betrieb eines Elektromotors

Info

Publication number: DE102014111184A1
Application number: DE102014111184.2A
Authority: DE
Inventors: Florian Beer
Original assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungsvorrichtung (13), insbesondere Wechselrichter, zum Erzeugen von Phasenspannungen (u) für den Betrieb eines Elektromotors (9), der über eine Anzahl von Phasenwicklungen (9a) verfügt, wobei die elektrische Schaltungseinrichtung (13) für die jeweilige Phasenwicklung (9a) des Elektromotors (9) einen ersten Schaltungsteil (H_u) mit einem ersten Transistor (HS1_u) zur Schaltung der Phasenwicklung (9a) auf die Phasenspannung (u) und einen zweiten Schaltungsteil (L_u) mit einem zweiten Transistor (LS1_u) zur Schaltung der Phasenwicklung (9a) auf ein Massepotenzial aufweist, wobei in dem ersten Schaltungsteil (H_u) wenigstens ein zusätzlicher erster Transistor (HS2_u) vorhanden ist und/oder wobei in dem zweiten Schaltungsteil (L_u) wenigstens ein zusätzlicher zweiter Transistor (LS2_u) vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltungseinrichtung, insbesondere Wechselrichter, zur Erzeugung von Phasenspannungen für den Betrieb eines Elektromotors gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektronische Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs.
Aus der DE 100 13 711 A1 ist ein Lenksystem bekannt, das unter anderem einen Servoantrieb zur Momentenunterstützung (Servolenkung) aufweist. Der Grad der Momentenunterstützung ist bei dem beschriebenen Lenksystem abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit. Während bei langsamer Fahrzeuggeschwindigkeit die Momentenunterstützung größer ist (zum Beispiel um beim Rangieren des Fahrzeugs das Lenkrad ohne großen Kraftaufwand betätigen zu können), wird die Momentenunterstützung bei höheren Geschwindigkeiten (zum Beispiel um die Fahrstabilität bei einer Autobahnfahrt zu erhöhen) gesenkt. Der Servoantrieb kann elektrisch oder hydraulisch arbeiten. Das in der DE 100 13 711 A1 beschriebene Lenksystem weist neben dem Servoantrieb auch Überlagerungsmittel auf, welche einen Zusatzwinkel erzeugen und den von der Lenkhandhabe vorgegebenen Lenkradwinkel mit diesem Zusatzwinkel überlagern.
In elektrischen Lenksystemen bzw. Hilfskraftlenkungen werden häufig permanent erregte Synchronmotoren eingesetzt. Bei diesen ist zu beachten, dass im Falle elektrischer Fehler, wie beispielsweise bei Kurzschlüssen im Motor oder der Motoransteuerung, diese Motoren ein Bremsmoment erzeugen, so dass es nicht nur zum Ausfall der Lenkunterstützung kommen kann, sondern dem Lenkvorgang ein zusätzlicher Widerstand entgegengesetzt wird oder sogar eine Blockierung erfolgt. Dies kann für ein Lenksystem aus Sicherheitsgründen einen nicht mehr tolerierbaren Zustand darstellen.
Es ist bekannt, Elektromotoren als elektrische Servoantriebe in elektronischen Servolenksystemen mit Endstufentreiberschaltungen bzw. Wechselrichtern zu betreiben. Für eine elektrische Maschine mit drei Phasen werden drei Zweige mit je einem High-Side-(oberen) und einem Low-Side-(unteren)Feldeffekttransistor (FET) verwendet, um die Phasenspannung für den Motor zu erzeugen. Als Feldeffekttransistoren kommen in der Regel MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) zum Einsatz. Da eine derartige Architektur in der Regel nicht konstruktiv gegen Fehler abgesichert ist, müssen diese durch Diagnosen im System, das heißt im Steuergerät des Lenksystems, erkannt und behandelt werden. Durch Normvorschriften ist die Effektivität einer Erkennungsmaßnahme begrenzt. Somit bleibt eine Restmenge von nicht diagnostizierten Ausfällen bei der Ermittlung der Metriken bestehen. Ein Fehlerbild mit einem großen Beitrag zur Metrik im System ist der Kurzschluss eines Brückenfeldeffekttransistors (High-Side- oder Low-Side-FET). Bei der Bereitstellung von redundanten Motoransteuerungen wurde bisher zur Erhöhung der Verfügbarkeit die existierende Endstufenarchitektur einfach dupliziert. Derartige Anordnungen bieten jedoch keinen Spielraum zur Realisierung einer redundanten Ansteuerung ohne die Grenzwerte von Sicherheitsnormen zu überschreiten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Schaltungseinrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit welcher Bauteilfehler konstruktiv vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Schaltungseinrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Durch die erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung bzw. den erfindungsgemäßen Wechselrichter, werden die relevanten Bauteilfehler in der Endstufe des Elektromotors durch konstruktive Maßnahmen abgesichert. Durch die Schaltung von wenigstens zwei Transistoren, insbesondere gleicher Art, im High-Side- und/oder im Low-Side-Zweig wird eine gefährliche Fehlerauswirkung von Transistorkurzschlüssen konstruktiv wirksam vermieden. Der erste Schaltungsteil kann auch als oberer Zweig oder High-Side-Zweig bezeichnet werden. Der zweite Schaltungsteil kann auch als unterer Zweig oder Low-Side-Zweig bezeichnet werden. In gleicher Weise können die entsprechenden Transistoren bezeichnet werden. Durch diese konstruktive Vermeidung der Fehler verringern sich die Ausfallzahlen für ein elektrisches Blockieren der Lenkung stark, da die Fehler nur noch als latente Fehler ohne direkte sicherheitsrelevante Auswirkung zu beurteilen sind. In vorteilhafter Weise übernimmt der zusätzliche Transistor in dem jeweiligen Schaltungsteil bei einem Ausfall des vorhandenen Transistors dessen Funktion, so dass die Phasenwicklung des Elektromotors nicht direkt über den Kurzschluss an die Phasenspannung oder das Massepotenzial geklemmt wird. Durch diese redundante Schaltung ist ein Abschalten nicht mehr erforderlich.
Allgemein umfassen somit der erste und/oder der zweite Schaltungsteil wenigstens zwei elektronische Schaltelemente, die dazu eingerichtet sind, insbesondere bei einem Ausfall, Kurzschluss oder dergleichen, die Funktion des jeweils anderen elektronischen Schaltelements zu übernehmen.
Die ersten Transistoren eines ersten Schaltungsteils und/oder die zweiten Transistoren eines zweiten Schaltungsteils können zeitgleich oder unabhängig bzw. leicht versetzt angesteuert werden.
Die ersten Transistoren eines ersten Schaltungsteils und/oder die zweiten Transistoren eines zweiten Schaltungsteils können in Reihe zueinander bzw. hintereinander geschaltet sein.
In dem ersten Schaltungsteil und/oder in dem zweiten Schaltungsteil kann wenigstens ein Rücklesekanal vorhanden sein.
Üblicherweise wird lediglich die Phasenspannung des Elektromotors ausgelesen, um Bauteilfehler erkennen zu können. Bei der erfindungsgemäßen Architektur können Rücklesekanäle zwischen den einzelnen Transistoren eines jeweiligen Schaltungsteils vorhanden sein, um latente Fehler diagnostizieren zu können. Der wenigstens eine Rücklesekanal kann zwischen den ersten Transistoren eines ersten Schaltungsteils angeordnet sein. Der wenigstens eine Rücklesekanal kann ebenso zwischen den zweiten Transistoren eines zweiten Schaltungsteils angeordnet sein.
Die ersten und/oder die zweiten Transistoren können als Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFET, ausgeführt sein.
In Anspruch 10 ist eine elektronische Servolenkvorrichtung eines Kraftfahrzeugs angegeben.
Der Elektromotor kann insbesondere als permanent erregte Synchronmaschine ausgeführt sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Nachfolgend ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben.
Es zeigen:
1 eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektronischen Servolenkvorrichtung;
2 ein vereinfachtes Schaltbild einer bekannten Ansteuerung eines Elektromotors, welcher als Servoantrieb in einer elektronischen Servolenkvorrichtung eingesetzt wird; und
3 ein vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Ansteuerung eines Elektromotors, welcher als Servoantrieb in einer elektronischen Servolenkvorrichtung zum Einsatz kommt.
In 1 ist ein elektronisches bzw. elektromechanisches Servolenksystem 1 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs stark vereinfacht dargestellt. Das elektronische Servolenksystem 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 das elektronische Servolenksystem 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 des elektronischen Servolenksystems 1 auf. Des Weiteren ist ein elektronisches Regel- und/oder Steuergerät 11 zur Ansteuerung und Regelung des Elektromotors 9 vorgesehen. Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines elektronischen Servolenksystems 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 dem Servolenksystem um ein Überlagerungslenksystem handelt (nicht dargestellt).
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer bekannten elektrischen Schaltungseinrichtung 12, insbesondere eines Wechselrichters, zur Erzeugung von Phasenspannungen u, v, w für den Betrieb des Elektromotors 9, der über eine Anzahl von Phasenwicklungen 9a verfügt. Die elektrische Schaltungseinrichtung 12 weist für die jeweilige Phasenwicklung 9a des Elektromotors 9 einen ersten Schaltungsteil H_u, H_v, H_w mit einem ersten Transistor HS_u, HS_v, HS_w zur Schaltung der Phasenwicklung 9a auf eine Phasenspannung u, v, w und einen zweiten Schaltungsteil L_u, L_v, L_w mit einem zweiten Transistor LS_u, LS_v, LS_w zur Schaltung der Phasenwicklung 9a auf ein Massepotenzial auf.
Die Höhe der jeweiligen Phasenspannung u, v, w entspricht im vorliegenden Fall der Bordnetzspannung U_B. Als Elektromotor 9 kann eine permanent erregte Synchronmaschine zum Einsatz kommen. Wie aus 2 ersichtlich, weist der Elektromotor 9 drei Phasenwicklungen 9a auf. Die elektrische Schaltungseinrichtung 12 ist als dreiphasiger Wechselrichter mit oberen und unteren Transistoren HS_u HS_v, HS_w, LS_u, LS_v, LS_w, vorzugsweise Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), als elektronische Schalter ausgeführt, welcher von dem elektronischen Regel- und/oder Steuergerät 11 bzw. dessen Mikroprozessor angesteuert wird. Die oberen (High-Side) MOSFETs HS_u HS_v, HS_w des ersten Schaltungsteils H_u, H_v, H_w schalten die jeweilige Phasenwicklung 9a auf eine Bordnetzspannung U_B, während die unteren (Low-Side) MOSFETs LS_u, LS_v, LS_w des zweiten Schaltungsteils L_u, L_v, L_w die jeweilige Phasenwicklung 9a auf das Massepotenzial schalten. In 2 ist das Gate der Transistoren HS_u HS_v, HS_w, LS_u, LS_v, LS_w mit dem Bezugszeichen G versehen.
In 3 ist eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung 13 ausschnittsweise lediglich für eine Phasenwicklung 9a des Elektromotors 9 dargestellt. Selbstverständlich können die Zweige für die weiteren Phasenwicklungen 9a gleichartig ausgeführt sein (in 3 durch Punkte angedeutet). In dem ersten Schaltungsteil H_u ist zusätzlich zu dem ersten Transistor HS1_u ein weiterer erster Transistor HS2_u vorhanden. In dem zweiten Schaltungsteil L_u ist zusätzlich zu dem zweiten Transistor LS1_u ein weiterer zweiter Transistor LS2_u vorhanden. Die ersten und zweiten Transistoren sind als Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFETs HS1_u, HS2_u, LS1_u, LS2_u ausgeführt.
Die ersten Transistoren HS1_u, HS2_u des ersten bzw. oberen Schaltungsteils H_u werden zeitgleich angesteuert. Die zweiten Transistoren LS1_u, LS2_u des zweiten bzw. unteren Schaltungsteils L_u werden ebenfalls zeitgleich angesteuert. In weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen könnte auch eine unabhängige bzw. leicht versetzte Ansteuerung erfolgen.
Die ersten Transistoren HS1_u, HS2_u des ersten Schaltungsteils H_u sind in Reihe zueinander geschaltet. Die zweiten Transistoren LS1_u, LS2_u des zweiten Schaltungsteils L_u sind ebenfalls in Reihe zueinander geschaltet.
In dem ersten Schaltungsteil H_u und/oder in dem zweiten Schaltungsteil L_u ist wenigstens ein Rücklesekanal R vorhanden (gestrichelt angedeutet). Ein Rücklesekanal R ist zwischen den ersten Transistoren HS1_u, HS2_u des ersten Schaltungsteils H_u angeordnet. Darüber hinaus ist ein Rücklesekanal R zwischen den zweiten Transistoren LS1_u, LS2_u des zweiten Schaltungsteils L_u angeordnet.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung 13 kann zum Betrieb des Elektromotors 9 in der elektronischen Servolenkvorrichtung 1 verwendet werden. Das elektronische Regel- und/oder Steuergerät 11 kann den Elektromotor 9 mittels der elektrischen Schaltungseinrichtung 13 ansteuern. Je nach Implementierung kann das elektronische Regel- und/oder Steuergerät 11 auch den Wechselrichter bzw. die elektrische Schaltungseinrichtung 13 umfassen.
Bezugszeichenliste

1: Servolenksystem
2: Lenkrad
3: Gelenkwelle / Lenksäule
4: Lenkgetriebe
5a, 5b: lenkbare Räder
6: Zahnstange
7: Ritzel
8: elektrischer Servoantrieb
9: Elektromotor
9a: Phasenwicklungen
10: Riemengetriebe
11: elektronisches Regel- und/oder Steuergerät
12: elektrische Schaltungseinrichtung
13: erfindungsgemäße elektrische Schaltungseinrichtung
δ_Fm: Radlenkwinkel bzw. Lenkwinkel
U_B: Bordnetzspannung
u, v, w: Phasenspannungen
G: Gates
HS_u, HS_v, HS_w, HS1_u, HS2_u: erste Transistoren
LS_u, LS_v, LS_w, LS1_u, LS2_u: zweite Transistoren
H_u, H_v, H_w: 1. Schaltungsteile
L_u, L_v, L_w: 2. Schaltungsteile
R: Rücklesekanäle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10013711 A1 [0002, 0002]
DE 10052275 A1 [0020]

Claims

Elektrische Schaltungseinrichtung (13), insbesondere Wechselrichter, zur Erzeugung von Phasenspannungen (u, v, w) für den Betrieb eines Elektromotors (9), der über eine Anzahl von Phasenwicklungen (9a) verfügt, wobei die elektrische Schaltungseinrichtung (13) für die jeweilige Phasenwicklung (9a) des Elektromotors (9) einen ersten Schaltungsteil (H_u) mit einem ersten Transistor (HS1_u) zur Schaltung der Phasenwicklung (9a) auf die Phasenspannung (u, v, w) und einen zweiten Schaltungsteil (L_u) mit einem zweiten Transistor (LS1_u) zur Schaltung der Phasenwicklung (9a) auf ein Massepotenzial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schaltungsteil (H_u) wenigstens ein zusätzlicher erster Transistor (HS2_u) vorhanden ist und/oder dass in dem zweiten Schaltungsteil (L_u) wenigstens ein zusätzlicher zweiter Transistor (LS2_u) vorhanden ist.
Elektrische Schaltungseinrichtung (13) nach Anspruch 1, wobei die ersten Transistoren (HS1_u, HS2_u) eines ersten Schaltungsteils (H_u) zeitgleich oder unabhängig angesteuert werden.
Elektrische Schaltungseinrichtung (13) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweiten Transistoren (LS1_u, LS2_u) eines zweiten Schaltungsteils (L_u) zeitgleich oder unabhängig angesteuert werden.
Elektrische Schaltungseinrichtung (13) nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die ersten Transistoren (HS1_u, HS2_u) eines ersten Schaltungsteils (H_u) in Reihe zueinander geschaltet sind.
Elektrische Schaltungseinrichtung (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweiten Transistoren (LS1_u, LS2_u) eines zweiten Schaltungsteils (L_u) in Reihe zueinander geschaltet sind.
Elektrische Schaltungseinrichtung (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem ersten Schaltungsteil (H_u) und/oder in dem zweiten Schaltungsteil (L_u) wenigstens ein Rücklesekanal (R) vorhanden ist.
Elektrische Schaltungseinrichtung (13) nach Anspruch 6, wobei der wenigstens eine Rücklesekanal (R) zwischen den ersten Transistoren (HS1_u, HS2_u) eines ersten Schaltungsteils (H_u) angeordnet ist.
Elektrische Schaltungseinrichtung (13) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der wenigstens eine Rücklesekanal (R) zwischen den zweiten Transistoren (LS1_u, LS2_u) eines zweiten Schaltungsteils (L_u) angeordnet ist.
Elektrische Schaltungseinrichtung (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die ersten und/oder die zweiten Transistoren als Feldeffekttransistoren, insbesondere MOSFET (HS1_u, HS2_u, LS1_u, LS2_u), ausgeführt sind.
Elektronische Servolenkvorrichtung (1) eines Kraftfahrzeugs umfassend: – einen Servoantrieb (8) mit einem Elektromotor (9), der über eine Anzahl von Phasenwicklungen (9a) verfügt; – eine elektrische Schaltungseinrichtung (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Erzeugung von Phasenspannungen (u, v, w) für den Betrieb des Elektromotors (9); und – ein elektronisches Steuergerät (11) zur Ansteuerung des Elektromotors (9) mittels der elektrischen Schaltungseinrichtung (13).
Elektronische Servolenkvorrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei der Elektromotor (9) als Synchronmaschine ausgeführt ist.