-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Erkennungsvorrichtung zur Erkennung einer Unterbrechung in einer Versorgungsleitung zwischen der Erkennungsvorrichtung und einem elektrischen Verbraucher, auf ein entsprechendes Verfahren, auf ein entsprechendes Steuergerät sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
-
Beim Betrieb eines elektrischen Verbrauchers wie beispielsweise eines Elektromotors kann eine Unterbrechung der Versorgungsleitung dieses Elektromotors meist nur durch den Ausfall des Motors oder, wenn der Motor mehrere Wicklungen oder Phasen aufweist und die Versorgungsleitung zu einer dieser Wicklungen oder Phase unterbrochen ist, durch Vibrationen oder Geräusche beim Betrieb des Motors erkannt werden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Erkennungsvorrichtung zur Erkennung einer Unterbrechung in einer Versorgungsleitung zwischen der Erkennungsvorrichtung und einem elektrischen Verbraucher, weiterhin ein Verfahren zur Erkennung einer Unterbrechung in einer Versorgungsleitung zwischen der Erkennungsvorrichtung und einem elektrischen Verbraucher, ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
-
Es wird vorliegend eine Erkennungsvorrichtung zur Erkennung einer Unterbrechung in einer Versorgungsleitung zwischen der Erkennungsvorrichtung und einem elektrischen Verbraucher vorgestellt, wobei die Erkennungsvorrichtung die folgenden Merkmale aufweist:
- – einer Schalteinheit, die zwischen einen Versorgungsspannungsanschluss und die Versorgungsleitung geschaltet ist, wobei die Schalteinheit ein steuerbares Schaltelement und eine zum Schaltelement parallel geschaltete Diode aufweist, deren Katode mit dem Versorgungsspannungsanschluss und deren Anode mit der Versorgungsleitung elektrisch leitfähig verbunden sind;
- – eine mit der Versorgungsleitung koppelbaren Spannungsversorgungseinheit zur Bereitstellung einer Testspannung, wobei die Testspannung höher als eine im Betrieb der Erkennungsvorrichtung am Versorgungsanschluss anliegende Spannung ist;
- – einer Erkennungseinheit, die ausgebildet ist, um die Unterbrechung dann zu erkennen, wenn das Schaltelement sich in einem geöffneten Zustand befindet und eine auf der Versorgungsleitung erfasste Spannung größer ist, als eine am Versorgungsspannungsanschluss anliegende Spannung und/oder wenn das Potenzial auf der Versorgungsleitung höher ist, als das Potenzial am Versorgungsspannungsanschluss.
-
Unter einer Versorgungsleitung an eine Leitung verstanden werden, mittels welcher einen elektrischen Verbraucher elektrische Energie zu dessen Betrieb zur Verfügung gestellt wird. Unter einem Versorgungsspannungsanschluss kann ein Anschlusskontakt verstanden werden, zwischen dem und einem Masseanschluss eine Spannung eingeprägt wird, um die elektrische Energie zum Betrieb des elektrischen Verbrauchers zur Verfügung zu stellen. Unter einer Spannungsversorgungseinheit kann eine Einheit verstanden werden, die die Testspannung bereitstellt, die gegenüber einem Massepotenzial eine höhere Spannung aufweist, als die beim Betrieb des elektrischen Verbrauchers an Versorgungsspannungsanschluss angelegte Spannung. Beispielsweise kann die Spannungsversorgungseinheit ausgebildet sein, um mit einer am Versorgungsspannungsanschluss anliegenden Spannung versorgt zu werden, diese zu erhöhen und als Testspannung bereitzustellen. Unter einem geöffneten Zustand des Schaltelements kann ein Zustand verstanden werden, in dem zwei Kontakte des Schaltelements elektrisch nicht leitend, also elektrisch voneinander isoliert sind.
-
Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass bei einer Unterbrechung der Versorgungsleitung zwischen der Erkennungsvorrichtung und elektrischen Verbraucher Versorgungsleitung ein höheres Potenzial herrscht, als Versorgungsspannungsanschluss. Dies führt dazu, dass ein Strom über die Diode von der Versorgungsleitung zum Versorgungsspannungsanschluss fließt, der aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsleitung und dem Versorgungsspannungsanschluss erfasst werden kann. Hieraus lässt sich das Vorliegen der Unterbrechung in der Versorgungsleitung erkennen. Ist die Versorgungsleitung dagegen nicht unterbrochen, wird ein Strom, ausgehend vom Versorgungsspannungsanschluss über das Schaltelement die Versorgungsleitung zum elektrischen Verbraucher fließen, wobei das elektrische Potenzial auf der Versorgungsleitung niedriger sein wird, als am Versorgungsspannungsanschluss. Durch den Vergleich der Spannung auf der Versorgungsleitung (in Bezug beispielsweise in Bezug auf das Massepotenzial) und der Spannung am Versorgungsspannungsanschluss (beispielsweise ebenfalls in Bezug auf das Massepotenzial) lässt sich somit sehr einfach das Vorliegen der Unterbrechung der Versorgungsleitung zwischen der Erkennungsvorrichtung und elektrischen Verbraucher ermitteln. Es ist daher nicht erforderlich, einen Sensor zur Erkennung von Vibrationen oder dem Ausfall des Motors vorzuziehen, um die Unterbrechung einer (beispielsweise auch von mehreren) Versorgungsleitung(en) vorzusehen. Der hier vorgestellte Ansatz bietet somit den Vorteil, die Unterbrechung der Versorgungsleitung mit technisch sehr einfachen Mitteln zuverlässig und schnell erkennen zu können.
-
Gemäß einer Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann die Schalteinheit als Halbleiterbaulelement, insbesondere als MOSFET-Transistor ausgebildet sein, insbesondere wobei die Diode eine parasitäre Diode des Halbleiterbauelementes darstellt. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil der Verwendung einer preisgünstigen technisch breit verfügbaren Schalteinheit.
-
Günstig ist ferner auch eine Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes, bei dem die Erkennungseinheit ausgebildet ist, um die Unterbrechung dann zu erkennen, wenn eine Spannungsdifferenz zwischen einer Spannung am Versorgungsspannungsanschluss und einer Spannung auf der Versorgungsleitung in einer vorbestimmen Beziehung zur Durchbruchspannung der Diode steht. Insbesondere kann die die Unterbrechung dann erkannt werden, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung am Versorgungsspannungsanschluss und der Spannung auf der Versorgungsleitung einer negativen Durchbruchspannung der Diode entspricht. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, die Erkennung der Unterbrechung anhand eines sehr präzisen Kriteriums vornehmen zu können. Auf diese Weise kann die falsche Erkennung von Unterbrechungen weit gehend vermieden werden.
-
Entsprechend einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann die Schalteinheit zumindest ein weiteres Schaltelement aufweisen, das zwischen die Versorgungsleitung und einen Masseanschluss der Erkennungsvorrichtung geschaltet ist. Dabei kann die Erkennungseinheit ausgebildet sein, um die Unterbrechung dann zu erkennen, wenn auch sich das weitere Schaltelement in einem geschlossenen Zustand befindet. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil einer ebenfalls sehr zuverlässigen Erkennung die Unterbrechung. Zugleich kann sichergestellt werden, dass das Potenzial auf Versorgungsleitung (beispielsweise durch das Schließen eines weiteren Schalters bzw. Schaltelements der weiteren Schalteinheit) auf einen definierten Wert gebracht werden kann.
-
Auch kann gemäß einer weiteren Ausführungsform die Schalteinheit Teil einer Gleichrichterbrückenschaltung ist, insbesondere wobei die Schalteinheit Teil einer Mehrphasen-Gleichrichterbrückenschaltung ist. Eine solche Ausführungsform des vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass in vielen Fällen bereits eine Gleichrichterbrückenschaltung verwendet wird, um elektrische Energie im elektrischen Verbraucher zuzuführen. Wird nun als Schalteinheit gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ein Preisvergleich Richter Brückenschaltung verwendet, lassen sich hierdurch die Herstellungskosten für den Einsatz einer hier vorgestellten Erkennungsvorrichtung senken und zugleich ein aufwändiges Verändern einer elektronischen Schaltung zur Ansteuerung des elektrischen Verbrauchers beispielsweise inklusive Erkennungsvorrichtung vermeiden.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes kann die Erkennungseinheit ausgebildet sein, um die Unterbrechung erst dann zu erkennen, wenn nach einer definierten Wartezeitdauer die auf der Versorgungsleitung erfasste Spannung größer ist, als eine am Versorgungsspannungsanschluss anliegende Spannung. Beispielsweise kann eine solche Wartezeitdauer einem Viertel bis einem Drittel einer Periodendauer einer am Versorgungsspannungsanschluss anliegenden Wechselspannung entsprechen. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, dass vor einer Erkennung der Unterbrechung ein Abklingen oder Einschwingen eines Spannungspegels nach einem Umschaltvorgang von Spannung auf der Versorgungsleitung abgewartet wird. Beispielsweise kann hierzu zunächst das Schaltelement vom geschlossenen in den geöffneten Zustand gebracht werden, dann die Wartezeitdauer abgewartet werden und ihren anschließend die Unterbrechung auf der Basis des Vergleichs der Spannung auf der Versorgungsleitung bzw. am Versorgungsspannungsanschluss erkannt werden. Eine solche Vorgehensweise bietet den Vorteil einer sicheren und fehlerarmen Erkennung der Unterbrechung.
-
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei dem die Erkennungseinheit ausgebildet ist, um die Unterbrechung nach einer Wartezeitdauer zu erkennen, die von einem auf der Versorgungsleitung zu einem vorangegangenen Zeitpunkt geflossenen Strom und/oder oder zumindest einem Betriebsparameter des Verbrauchers abhängig ist. Ein Betriebsparameter des Verbrauchers kann beispielsweise eine Drehzahl eines Elektromotors oder eine Kennlinie eines Magneten oder magnetisierbaren Elementes im Verbraucher sein. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil, die Wartezeitdauer entsprechend vorbestimmten Parameter einstellen zu können, die den Einfluss auf das Spannungsverhalten der Versorgungsleitung haben. Auf diese Weise lässt sich die Zuverlässigkeit der Erkennung der Unterbrechung verbessern.
-
Technisch besonders einfach zu implementieren ist eine Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes, bei dem die Spannungsversorgungseinheit eine Ladungspumpe aufweist, die ausgebildet ist, um unter Verwendung einer am Versorgungsanschluss anliegenden Spannung die Testspannung zu erzeugen.
-
Gemäß einer anderen Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes wird ein Verfahren zur Erkennung einer Unterbrechung in einer Versorgungsleitung zwischen einer Erkennungsvorrichtung und einem elektrischen Verbraucher vorgestellt, wobei die Erkennungsvorrichtung eine Schalteinheit, eine Spannungsversorgungseinheit zur Bereitstellung einer Testspannung und eine Erkennungseinheit aufweist. Die Schalteinheit ist zwischen einen Versorgungsspannungsanschluss und die Versorgungsleitung geschaltet, wobei die Schalteinheit ein steuerbares Schaltelement und eine zum Schaltelement parallel geschaltete Diode aufweist, deren Katode mit dem Versorgungsspannungsanschluss und deren Anode mit der Versorgungsleitung elektrisch leitfähig verbunden ist. Die die Spannungsversorgungseinheit ist mit der Versorgungsleitung gekoppelt, wobei die Testspannung höher als eine am Versorgungsanschluss anliegende Spannung ist und wobei die Erkennungseinheit ausgebildet ist, um die Unterbrechung dann zu erkennen, wenn das Schaltelement sich in einem geöffneten Zustand befindet und eine auf der Versorgungsleitung erfasste Spannung größer ist, als eine am Versorgungsspannungsanschluss anliegende Spannung. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- – Öffnen des Schaltelementes;
- – Erfassen einer Spannung auf der Versorgungsleitung und einer am Versorgungsspannungsanschluss anliegenden Spannung nach dem Öffnen und/oder eines Potenzials auf der Versorgungsleitung und eines Potenzials auf dem Versorgungsspannungsanschluss; und
- – Erkennen der Unterbrechung, wenn die auf der Versorgungsleitung erfasste Spannung größer ist, als die am Versorgungsspannungsanschluss anliegende Spannung und/oder wenn das Potenzial auf der Versorgungsleitung höher ist, als das Potenzial am Versorgungsspannungsanschluss.
-
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
-
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
-
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. Somit schafft der hier vorgestellte Ansatz auch ein maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm, wie es vorstehend vorgestellt wurde.
-
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild einer Erkennungsvorrichtung mit daran angeschlossenem elektrischen Verbraucher;
-
2 ein Schaltdiagramm zur Erkennung einer Unterbrechung in einer der Versorgungsleitungen einer Motorphase;
-
3 ein Blockschaltbild einer Erkennungsvorrichtung gemäß einem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit daran angeschlossenem elektrischen Verbraucher;
-
4 eine Detailansicht eines Teils der Erkennungsvorrichtung gemäß der Darstellung aus 3
-
5 ein Schaltdiagramm zur Erkennung einer Unterbrechung der Versorgungsleitung bei Verwendung der Erkennungsvorrichtung entsprechend der 3 und 4; und
-
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
-
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Erkennungsvorrichtung 100 mit daran angeschlossenem elektrischen Verbraucher 110. Der elektrische Verbraucher 110 ist hier als mehrphasiger Verbraucher ausgestaltet, beispielsweise als bürstenloser elektrischer Motor, der durch drei voneinander getrennte Versorgungsleitungen 115a, 115b und 115c mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Jede dieser Versorgungsleitungen 115a, 115b und 115c versorgt eine der Wicklungen (Phasen) des Motors 110. Die Ansteuerung von bürstenlosen elektrischen Motoren wie dem Motor 110 erfolgt üblicherweise über eine B6-Brücke 120 (Endstufe), die ihrerseits von einem Brückentreiber 125 angesteuert wird. Die B6-Brücke 120 besteht vorliegend aus drei Halbrücken 130a, 130b und 130c mit beispielsweise je einem Leistungstransistor 135a, 135b und 135c für das Schalten der Versorgungsspannung (Ubat) von einem Versorgungsspannungsanschluss 140 auf je eine der Phasen bzw. Versorgungsleitungen 115a, 115b oder 115c und einem Leistungstransistor 145a, 145b und 145c für das Schalten der Phase bzw. betreffenden Versorgungsleitung 115a, 115b und 115c auf einen Massepotenzial-Anschluss 150. Die Leistungstransistoren 135 bzw. 145 sind dabei beispielsweise durch Halbleiterbauelemente wie MOSFET-Transistoren, IGBTs oder Thyristoren realisiert. Die Leistungstransistoren 135 und 145 sind dabei als Parallelschaltung zwischen je einem Schaltelement S1a, S1b, S1c, S2a, S2b, S2c zur Realisierung der eigentlichen (steuerbaren) Schaltfunktion und einer Diode D1a, D1b, D1c, D2a, D2b, D2c zwischen den zu verschaltenden Anschlusses (beispielsweise einem Drain-Anschluss und einem Source-Anschluss bei der Verwendung von MOS-Transistoren als Leistungstransistoren 135 bzw. 145) realisiert. Die Dioden D1a, D1b, D1c der zwischen den Versorgungsspannungsanschluss 140 und je eine der Versorgungsleitungen 115 geschalteten Leistungstransistoren 135 sind derart gepolt, dass die Kathode der betreffenden Dioden D1a, D1b, D1c mit dem Versorgungsspannungsanschluss 140 verbunden ist. Die Dioden D2a, D2b, D2c der zwischen den Masepotenzial-Anschluss 150 und je eine der Versorgungsleitungen 115 geschalteten Leistungstransistoren 145 sind derart gepolt, dass die Kathode mit der betreffenden Versorgungsleitung 115 verbunden ist.
-
Der Brückentreiber 125 wird seinerseits von einem Hauptrechner 155 (beispielsweise einem Mikrocontroller µC) angesteuert. Dieser schaltet die entsprechenden Phasen bzw. die Versorgungsspannung Ubat vom Versorgungsspannungsanschluss 140 in Abhängigkeit der aktuellen Rotorposition des Motors 110 auf die entsprechende Versorgungsleitung 115a, 115b bzw. 115c zu, sodass ein sich drehendes magnetisches Feld im Motor als elektrischem Verbraucher 110 entsteht. Bei der Blockkommutierung, dem einfachsten Verfahren zur Erzeugung eines Drehfeldes, besitzen die drei Halbbrücken 130a, 130b bzw. 130c in Abhängigkeit von der aktuellen Rotorposition abwechselnd je folgende drei Zustände:
- – Highside-Transistor 135(a, b, c) und Lowside-Transistor 145(a, b, c) takten abwechselnd mit einer PWM zur Erzeugung einer Spannung zwischen 0Vund Ubat (PWM-Phase) auf der betreffenden Versorgungsleitung, mit welcher sie verbunden sind;
- – Highsidetransistor 135(a, b, c) ist ausgeschaltet, Lowsidetransistor 145(a, b, c) ist eingeschaltet (Ground-Phase); und
- – Highsidetransistor 135(a, b, c) und Lowsidetransistor 145(a, b, c) ausgeschaltet (Tristate-Phase).
-
Während einem Anfahren des Hauptrechners 155 bzw. des Brückentreibers 125 (Steuergerätehochlauf) wird eine Endstufendiagnose bzw. Diagnose der B6-Brücke oder der korrekten Spannungspegel auf den Versorgungsleitungen 115 durchgeführt. Diese soll unter anderem einen Abfall einer Motorphasenleitung 115 zwischen Steuergerät bzw. Erkennungsvorrichtung 100 und Motor als elektrischem Verbraucher 110 detektieren. Unter einem Abfall einer Phase wird vorliegende das Auftreten einer Unterbrechung in einer der Versorgungsleitungen 115 verstanden. Tritt nun also ein Leitungsbruch oder allgemein eine Unterbrechung 160 in einer der Versorgungsleitungen 115 auf, wie dies in der 1 durch die Unterbrechung der ersten Versorgungsleitung 115a dargestellt ist, wird eine Phase oder Wicklung des Motors als elektrischer Verbraucher 110 nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt. Bei diesem Fehlerbild würde der Motor 110 weiterhin in der Lage sein sich zu drehen, die Leistung wäre jedoch reduziert, der Rundlauf wäre ungleichmäßiger und durch Vibrationen steigt die Lautstärke an. Beim bisherigen Konzept wird eine deaktivierte B6-Brücke 120 vorausgesetzt, d. h. alle Highside-Transistoren 135 und Lowside-Transistoren 145 sind ausgeschaltet. Ein steuergeräteinternes Diagnosenetzwerk 165 (welches einen Widerstand von beispielsweise 2R je zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 140 und der ersten Versorgungsleitung 115a und zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss 140 und der zweiten Versorgungsleitung 115b sowie einen zwischen die dritte Versorgungsleitung 115c und den Massepotenzial-Anschluss 150 geschalteten Widerstand R aufweist) sorgt nun für einen definierten Spannungspegel an den Motorphasen 115, die im normalen Betriebszustand durch den externen Motor als elektrischem Verbraucher 110 als kurzgeschlossen betrachtet werden können. Eine Phasenspannung wird dabei über einen Analogkanal 170 (ADC) des Rechners 155 erfasst und ausgewertet. Diese sollte in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung Ubat innerhalb eines gewissen Bereiches liegen. Fällt nun die erste Motorphase 115a, die Motorphase 115b oder die dritte Motorphase 115c ab (d. h. es tritt in den entsprechenden Versorgungsleitungen 115a, 115b bzw. 115c eine Unterbrechung auf), sinkt die Spannung an der zurückgelesenen dritten Phase 115c aufgrund des nun geänderten effektiv wirksamen Diagnosenetzwerkes 165 und somit kann ein Leitungsabfall sicher erkannt werden.
-
2 zeigt ein Schaltdiagramm 200 zur Erkennung einer Unterbrechung in einer der Versorgungsleitungen 115 einer Motorphase. Dabei ist auf der Ordinate des Diagramms aus 2 die Phasenspannung U115c aufgetragen, die am ADC-Kanal 175 auf der dritten Versorgungsleitung 115c erfasst wurde. In einem ersten Bereich 210, in dem die Phasenspannung maximal (d. h. einem vorgegebenen Soll-Wert Usoll entspricht) ist von einem „in Ordnung (IO)“-Zustand auszugehen, in dem allen Versorgungsleitungen 115 korrekt bei dem Verbraucher 110 verbunden sind, also keine Unterbrechung wie die Unterbrechung 160 in der 1 vorliegt. Liegt nun eine Phasenspannung U115c am ADC-Kanal 175 an, die einen niedrigeren Wert als im Bereich 210 aufweist, wie dies in der 2 im Bereich 220 der Fall ist, kann davon ausgegangen werden, dass eine Unterbrechung 120 in der ersten Verbindungsleitung 115a oder der zweiten Verbindungsleitung 115b vorliegt. Wird am ADC-Kanal 175 gar eine noch niedrigere Spannung als im Bereich 220 oder gar keine Spannung mehr gemessen (wie dies im Bereich 230 der 2 dargestellt ist), kann davon ausgegangen werden, dass eine Unterbrechung in der dritten Versorgungsleitung 115c vorliegt. Insofern kann ein „nicht in Ordnung (NIO)“-Zustand der Verbindungsleitungen 115 angenommen werden, wenn eine Phasenspannung U115c am ADC-Kanal 175 erfasst wird, die niedriger als die Spannung im ersten Bereich 210 ist, die also niedriger als die Soll-Spannung ist.
-
Ein wichtiger Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes ist es, das vorgestellte System bzw. die Erkennungsvorrichtung 100 zur Erkennung einer Unterbrechung einer Versorgungsleitung 115 zu einem elektrischen Verbraucher dahin gehend zu erweitern, dass die Diagnose einer abgefallenen Motorphase bzw. einer Unterbrechung einer Versorgungsleitung 115 auch bei einem aktiv betriebenen Motor 110 erkannt werden kann.
-
Ein Abfall einer Motorphase 115 geschieht überwiegend bei aktiviertem Steuergerät bzw. Erkennungsvorrichtung 100 z. B. durch Vibrationen des Gesamtsystems 100, 110 (beispielsweise an einem in der 1 nicht dargestellten am Motor 110 angebauten Getriebe). Es ist also ein Ziel des hier vorgestellten Ansatzes eine Änderung der Diagnosestrategie dahin gehend zu schaffen, dass eine abgefallene Leitung 115 während eines aktiv betriebenen Motors 110 erkannt wird. Somit wird die korrekte Ansteuerung des Motors 110 jederzeit sichergestellt und ein fehlerhaftes Drehen inklusive Leistungseinbruch am Motor 110 bis hin zur Fehlansteuerung incl. sicherheitskritischen Zuständen wird vermieden.
-
Der hier vorgestellten Ansatz wird anhand der B6-Brückenschaltung 120 erläutert, wobei jedoch für den Fachmann eindeutig zu erkennen ist, dass sich das Prinzip der Erkennung einer Unterbrechung einer Versorgungsleitung 115 eines elektrischen Verbrauchers 110 auch auf die Erkennung einer einzelnen Versorgungsleitung 115 eines (beispielsweise nicht-mehrphasigen) elektrischen Verbrauchers 110 anwendbar ist. Es ist somit in der vorliegenden Beschreibung auch ein Ansatz offenbart, bei dem die Unterbrechung einer Versorgungsleitung 115 offenbart ist, sodass die Ansprüche auch in ihrer Breite durch die vorliegende Beschreibung gestützt sind.
-
Um nun eine Verbesserung bzw. Erweiterung der Erkennungsvorrichtung 100 gemäß der 1 zu erhalten, wird nun das System aus 1 etwas verändert. Hierbei können, wie es in dem Blockschaltbild aus 3 erkennbar ist, die Komponenten des Diagnosenetzwertes 165 sowie der ADC-Kanal 175 entfallen. Die Diagnose auf ein Auftreten der Unterbrechung kann im Betrieb erfolgen, d. h. beispielsweise bei Vorliegen eines Stromflusses über die zweite Versorgungsleitung 115b zum Motor 110 und einem Stromrückfluss vom Motor 110 über die dritte Versorgungsleitung 115c. Dabei ist die erste Halbbrücke 130a im Tristate-Zustand, die zweite Halbbrücke 130b im PWM-Zustand und die dritte Halbbrücke 130c im „Lowside aktiv“-Zustand. Bei Rotation des Motors 110 wird zu einem bestimmten Zeitpunkt die erste Versorgungsleitung 115a über den ersten Highside-Transistor 135a mit dem Potenzial des Versorgungsspannungsanschlusses 140 beaufschlagt, wobei dann durch die Unterbrechung dem Motor 110 keine elektrische Leistung zugeführt werden kann.
-
4 zeigt eine Detailansicht eines Teils des Blockschaltbildes der Erkennungsvorrichtung 100 gemäß der Darstellung aus 3, um die Funktionsweise des hier vorgestellten Ansatzes besser zu erläutern.
-
Um die Highside-Transistoren 135 einer B6-Brücke einzuschalten, benötig man eine höhere Spannung als die Batteriespannung (die vorliegenden als die Versorgungsspannung Ubat angenommen wird). Aus diesem Grund ist in dem Brückentreiber 125 eine interne Ladungspumpe CP vorgesehen, wie dies in der (CP in der ). Diese versorgt die internen Floating Gate Treiber FG der Brückentreiber 125 für die Ansteuerung der Highside-Transistoren 135 jeder Halbbrücke 130a, 130b und 130c. Aufgrund des hier vorgestellten Konzeptes fließt aus dem Highside-Sourceanschluss 400 (der mit der (hier ersten Versorgungsleitung 115a elektrisch leitfähig verbunden ist) des Brückentreibers 125 ein Leckstrom IL im Bereich von typisch einigen 100uA heraus.
-
Für die Erkennung von Überströmen durch die Halbbrücke 130a besitzen diese Brückentreiber als Erkennungsvorrichtung 100 intern ebenfalls eine Erkennungseinheit DS beispielsweise zur analogen Erfassung der Drain-Sourcespannung an den Anschlüssen 400 und 410 der externen Leistungstransistoren 135 (die hier als MOSFETs ausgestaltet sind). Die Erfassungseinheit DS hat beispielsweise einen Messbereich von ca. –1,5V bis 1,5V und erlaubt dadurch eine sehr genaue Erfassung der externen Spannung zwischen den Anschlüssen 400 und 410 des (Highside-)Transistors 135a.
-
Der durch die Erfassungseinheit DS erfasste Spannungswert zwischen den Anschlüssen des (Highside-)Transistors 135a wird über SPI-Kommunikation auf Anfrage dem Rechner 155 mitgeteilt.
-
Der hier vorgestellte Ansatze zur erweiterten Motorphasendiagnose nutzt diese Eigenschaften aus. Diagnostiziert werden kann dabei bei einer Blockkommutierung oder vergleichbaren Kommutierung die Motorphase bzw. eine Unterbrechung 160 auf einer der Versorgungsleitungen 115, bei welcher sich die betreffende Halbbrücke 130 (hier die Halbbrücke 130a) gerade in der Tristate-Phase befindet. Dabei befindet sich bei Blockkommutierung die zweite Halbbrücke 130b in der PWM-Phase und die dritte Halbbrücke 130c in der Ground-Phase, wie dies in der 3 erkennbar ist. Im Falle einer korrekt angeschlossenen Motorleitung 115 fließt der Sourceleckstrom IL in den Motor 110 hinein, der Spannungspegel am Sourcepin 400 liegt dabei zwischen 0V und Ubat.
-
Im Falle einer abgefallenen Motorphase 115 kann der Leckstrom IL nicht in den Motor 110 fließen, stattdessen leitet die interne Highsidediode (hier die Diode D1a) des (hier ersten) Highside-Transistors (135a) diesen Strom in Richtung des Versorgungsspannungsanschlusses 140 mit der Versorgungsspannung Ubat ab. Dadurch entsteht ein Spannungsfall bedingt durch den Diodenstromfluss in der Diode D1a, der Spannungspegel am Sourcepin 400 steigt damit im Fall einer abgefallenen Leitung auf Ubat + Udiode an.
-
Die hier vorgestellte Diagnose ermöglicht eine Analyse nach jedem Kommutierungswechsel auf derjenigen Phase 115, welche sich im Tristate-Modus befindet. Dabei sollte eine Mindestzeit oder Wartezeitdauer gewartet werden, damit keine Fehldiagnose aufgrund eines abklingenden Phasenfreilaufstromes über die Highside-Diode (hier D1a) durchgeführt wird. Beispielsweise ist hier auch eine dynamische Wartezeitberechnung in Abhängigkeit von tatsächlich fließendem Phasenstrom, Drehzahl und Motorparameter möglich. Auf Anfrage des Rechners 155 über SPI wird nach der Wartezeit die Drain-Sourcespannung UDrain-Source des Highside-Transitors (hier 135a) ausgelesen. Für die Entscheidung, ob die analysierte Phase abgefallen ist, gilt als Beispiel folgende Klassifizierung:
- – maximaler Messbereich ≥ UDrain-Source ≥ –0,2V → Motorphase ist „In Ordnung“
- – –0.2V > UDrain-Source ≥ min. Messbereich → Motorphase ist „nicht in Ordnung“
-
5 zeigt ein entsprechendes Schaltdiagramm zur Erkennung einer Unterbrechung der Versorgungsleitung bei Verwendung der Erkennungsvorrichtung 100 entsprechend der 3 und 4. Dabei ist auf der Ordinate des Diagramms aus 5 die Drain-Sourcespannung UDrain-Source aufgetragen. In einem ersten Bereich 500 liegt die Drain-Sourcespannung UDrain-Source in einem Bereich zwischen dem maximalen Messbereich und einem Wert von –0,2V (der vorliegend dem Wert der Durchbruchspannung der Diode D1a entspricht). Ein Wert der Drain-Sourcespannung UDrain-Source in diesem repräsentiert einen Zustand, in dem die betrachtete Motorphase in Ordnung (IO) ist. Liegt dagegen der Wert der Drain-Sourcespannung UDrain-Source in einem Bereich zwischen dem minimalen Messwert und –0,2V ist davon auszugehen, dass die untersuchte Motorphase 115 abgefallen ist, sodass der Zustand dieser Motorphase als nicht in Ordnung (NIO) zu bezeichnen ist. Auf diese Weise kann mit dem hier vorgestellten Ansatz nicht nur festgestellt werden, ob eine Unterbrechung in einer der Versorgungsleitungen 115 aufgetreten ist, sondern mit technisch sehr einfachen Mitteln auch festgestellt werden, welche der untersuchten Versorgungsleitungen 115 unterbrochen ist.
-
Neben dem Vorteil der ständigen Phasenabfalldiagnose werden durch den hier vorgestellten Ansatz auch Hardwarekomponenten durch den Entfall des Diagnosenetzwerkes und die analoge Rückführung eingespart.
-
Die Einsatzmöglichkeit des hier vorgestellten Ansatzes einer erweiterten Motorphasendiagnose eines brüstenlosen Gleichstrommotors ist nicht auf alle mehrphasigen Motoransteuersystemen beschränkt, welche eine Kommutierungsform verwenden, bei der zeitweise eine Halbbrücke sich im Tristate-Modus befindet. Vielmehr kann auch durch den hier vorgestellten Ansatz eine beliebige Versorgungsleitung zu einem elektrischen Verbraucher 110 auf das Vorhandensein einer Unterbrechung 160 überprüft werden.
-
Abschließend ist in der 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zur Erkennung einer Unterbrechung in einer Versorgungsleitung zwischen der Erkennungsvorrichtung und einem elektrischen Verbraucher gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes gezeigt. Das Verfahren 600 verwendet eine Erkennungsvorrichtung, die eine Schalteinheit, eine Spannungsversorgungseinheit zur Bereitstellung einer Testspannung und eine Erkennungseinheit aufweist, wobei die Schalteinheit zwischen einen Versorgungsspannungsanschluss und die Versorgungsleitung geschaltet ist. Die die Schalteinheit weist ferner ein steuerbares Schaltelement und eine zum Schaltelement parallel geschaltete Diode auf, deren Katode mit dem Versorgungsspannungsanschluss und deren Anode mit der Versorgungsleitung elektrisch leitfähig verbunden sind. Die Spannungsversorgungseinheit ist mit der Versorgungsleitung gekoppelt, wobei die Testspannung höher als eine am Versorgungsanschluss anliegende Spannung ist. Die Erkennungseinheit ist ausgebildet, um die Unterbrechung dann zu erkennen, wenn das Schaltelement sich in einem geöffneten Zustand befindet und eine auf der Versorgungsleitung erfasste Spannung größer ist, als eine am Versorgungsspannungsanschluss anliegende Spannung und/oder wenn das Potenzial auf der Versorgungsleitung höher ist, als das Potenzial am Versorgungsspannungsanschluss. Das Verfahren 600 weist einen Schritt 610 des Öffnens des Schaltelementes auf. Ferner weist das Verfahren 600 einen Schritt 620 des Erfassens einer Spannung auf der Versorgungsleitung und einer am Versorgungsspannungsanschluss anliegenden Spannung nach dem Öffnen und/oder eines Potenzials auf der Versorgungsleitung und eines Potenzials auf dem Versorgungsspannungsanschluss. Schließlich umfasst das Verfahren 600 einen Schritt 630 des Erkennens der Unterbrechung, wenn die auf der Versorgungsleitung erfasste Spannung größer ist, als die am Versorgungsspannungsanschluss anliegende Spannung und/oder wenn das Potenzial auf der Versorgungsleitung höher ist, als das Potenzial am Versorgungsspannungsanschluss.
-
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
-
Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
-
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
