DE102015115338A1 - Verfahren zur ermittlung der totzeit einer motor-endstufe - Google Patents

Abstract

Die Beschreibung umfasst ein Verfahren zur Ermittlung der Totzeit einer Halbbrücke mit einem oberen Leistungsschalter 1, 13, 15 und einem unteren Leistungsschalter 2, 14, 16 einer Endstufe zur Ansteuerung eines Servoantriebs 3 eines Lenksystems eines Fahrzeugs, umfassend die Schritte: Bestimmen einer ersten Totzeit 4, bei der kein Kurzschluss vorliegt, und Bestimmen einer zweiten Totzeit 5, die die erste Totzeit abzüglich einer Zeiteinheit ist, falls ein Kurzschluss bei der zweiten Totzeit vorliegt: Berechnen der optimalen Totzeit 7 und falls kein Kurzschluss vorliegt: erste Totzeit nimmt den Wert der zweiten Totzeit an 17 und die zweite Totzeit wird um eine Zeiteinheit verkleinert 5.

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Totzeit einer Halbbrücke mit einem oberen Leistungsschalter und einem unteren Leistungsschalter einer Endstufe zur Ansteuerung eines Servoantriebs eines Lenksystems eines Fahrzeugs und ein Lenksystem eines Fahrzeugs.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Im Stand der Technik sind Endstufen von Servoantrieben für Lenksysteme für Fahrzeuge bekannt, die durch PWM-Signale (Pulsweitenmodulation) angesteuert werden.
• ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Endstufen von Servoantrieben weisen typischerweise obere und untere Leistungsschalter auf, die abwechselnd geschaltet werden. Die Leistungsschalter können insbesondere Mosfets sein. Hierbei muss vermieden werden, dass die Leistungsschalter gleichzeitig durchgeschaltet sind, da ansonsten ein Kurzschluss zwischen der Versorgungsspannung und dem Bezugspotenzial (Masse) vorliegt. Deswegen ist eine Totzeit, während der beide der hintereinandergeschalteten Leistungsschalter ausgeschaltet sind, als Sicherheitsabstand einzuhalten. Die Totzeit muss ausreichend lang sein, damit tatsächlich ein Kurzschluss vermieden werden kann. Andererseits begrenzt eine zu lange Totzeit die Leistung, die an den angesteuerten Servomotor des Lenksystems abgegeben werden kann. Die Totzeit hängt von verschiedenen Parametern ab. Insbesondere ist eine Streuung der Mosfet-Parameter, vor allem der Gate-Source Threshold-Spannung und der Gate-Drain-Kapazität zu berücksichtigen. Außerdem ist eine Streuung der Parameter der Gate-Source-Ansteuerschaltung in Betracht zu ziehen. Ferner wirkt sich die Endstufen-Temperatur auf den Wert dieser Parameter aus.
• Bei der Wahl der Totzeit ist darauf zu achten, die EMV-Abstrahlung möglichst gering zu halten, was eine längere Totzeit notwendig machen kann. Eine zu kurze Totzeit kann zu einem kurzzeitigen Kurzschluss der Versorgungsspannung mit dem Bezugspotenzial führen, was negative Auswirkungen auf die Funktion des Lenksystems haben kann. Es können sich unerwünschte Geräusche des Lenksystems ergeben bzw. das haptische Empfinden des Fahrers bezüglich des Lenkrads kann sich nachteilig entwickeln. Außerdem können die elektronischen Bauteile der Endstufe bei einer zu kurzen Totzeit beschädigt werden.
• Eine Aufgabe ist daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das eine optimale Totzeit ermitteln kann, um damit eine Beschädigung der Bauteile der Endstufe zu vermeiden, die EMV-Abstrahlung möglichst gering zu halten, eine optimale Haptik des Lenkrads zu erreichen und eine Geräuschentwicklung des Lenksystems zu minimieren bzw. auszuschließen.
• Als erste Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Ermittlung der Totzeit einer Halbbrücke mit einem oberen Leistungsschalter und einem unteren Leistungsschalter einer Endstufe zur Ansteuerung eines Servoantriebs eines Lenksystems eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte: Bestimmen einer ersten Totzeit, bei der kein Kurzschluss zwischen Versorgungsspannung und Bezugspotenzial vorliegt und Bestimmen einer zweiten Totzeit, die die erste Totzeit abzüglich einer Zeiteinheit ist, falls ein Kurzschluss bei der zweiten Totzeit vorliegt: Berechnen der optimalen Totzeit und falls kein Kurzschluss vorliegt: erste Totzeit nimmt den Wert der zweiten Totzeit an und die zweite Totzeit wird um eine Zeiteinheit verkleinert.
• Erfindungsgemäß wird approximativ eine minimale, und damit eine optimale, Totzeit ermittelt. Hierzu wird ausgegangen von einer sehr großen Totzeit, die sukzessive verkleinert wird, bis sich eine zu kleine Totzeit ergibt, bei der ein Kurzschluss der betreffenden Halbbrücke nicht mehr ausgeschlossen werden kann.
• Als zweite Ausführungsform der Erfindung wird ein Lenksystem eines Fahrzeugs zur Verfügung gestellt, wobei das Lenksystem zur Anwendung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geeignet ist.
• Beispielhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend den Schritt: Bestimmen der optimalen Totzeit als ein Wert zwischen der ersten Totzeit und der zweiten Totzeit.
• Wird ein Kurzschluss der Halbbrücke bei einer zweiten Totzeit festgestellt, wobei bei einer ersten Totzeit kein Kurzschluss vorliegt, liegt die optimale Totzeit im Intervall zwischen der ersten und der zweiten Totzeit.
• In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend den Schritt: Bestimmen des Kurzschlusses, als Zustand bei dem ein Querstrom durch die Halbbrücke fließt und/oder Bestimmen des Kurzschlusses, als ein Zustand an dem an der Halbbrücke keine Spannung abfällt.
• Ein Kurzschluss einer Halbbrücke liegt vor, falls durch die Halbbrücke ein Strom fließt (Querstrom), da dann zu gleicher Zeit der obere und der untere Leistungsschalter der Halbbrücke eingeschaltet sind, bzw. falls die Halbbrücke zwischen Versorgungsspannung und Bezugspotenzial liegt und an der Halbbrücke keine Spannung abfällt.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend den Schritt: Messen des Querstroms durch einen Shunt-Widerstand in der Halbbrücke.
• Durch die Anordnung eines Shunt-Widerstands in einer Halbbrücke kann auf eine einfache und kostengünstige Weise ein möglicher Querstrom durch die Halbbrücke gemessen werden.
• Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, umfassend die Schritte: Bestimmen einer dritten Totzeit bei der ein Kurzschluss vorliegt und Bestimmen der Zeiteinheit als: Zeiteinheit = Faktor·(erste Totzeit – dritte Totzeit).
• Die Zeiteinheit, um die die Totzeit sukzessive verkleinert wird, kann als ein Bruchteil des Intervalls angenommen werden, das sich zwischen einer Totzeit, bei der sicher kein Kurzschluss vorliegt, und einer Totzeit, bei der sicher ein Kurzschluss vorliegt, erstreckt.
• Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei der Faktor im Bereich zwischen 0,8 und 0,01 liegt, bevorzugt im Bereich zwischen 0,6 und 0,04 liegt, insbesondere bevorzugt im Bereich zwischen 0,4 und 0,08 liegt und/oder wobei der Faktor = 0,1 ist.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei zur Feststellung des Kurzschlusses eine Induktivität verwendet wird.
• Durch eine Induktivität kann sehr effektiv ein sich Ausbilden eines Kurzschlusses festgestellt werden, da ein Kurzschluss sich durch einen deutlichen Abfall des Stroms ankündigt. Eine Stromänderung ergibt an einer Induktivität einen Spannungsabfall.
• Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, wobei zur Feststellung des Kurzschlusses die Shuntwiderstände durch parasitäre Induktivitäten ersetzt werden können.
• Durch die Verwendung von parasitäten Induktivitäten kann auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden.
• Als eine Idee der Erfindung kann angesehen werden, eine Ermittlung der Totzeit einer Halbbrücke einer Endstufe dadurch durchzuführen, dass die entsprechenden Leistungsschalter vor der Leistungsabgabe an den Servomotor des Lenksystems ausschließlich zur Feststellung der Totzeit angesteuert werden. Hierbei wird vorzugsweise zunächst mit einer sehr hohen Totzeit begonnen und diese schrittweise erniedrigt. Nach mehreren Schritten kann sich eine Totzeit ergeben, die einen Querstrom zur Folge hat, der sich durch einen Kurzschluss der Versorgungsspannung mit dem Bezugspotenzial ergibt. Die optimale Totzeit kann sich als ein Wert zwischen diesen beiden Totzeiten ergeben.
• Die einzelnen Merkmale können selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich. Es zeigen
• 1 eine schematische Darstellung einer Endstufe,
• 2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
• 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltung.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
• 1 zeigt eine Endstufe mit drei Halbrücken, die jeweils einen oberen Mosfet 1, 13, 15 und einen unteren Mosfet 2, 14, 16 umfassen. Ein einzelner oberer Mosfet 1, 13, 15 und ein einzelner unterer Mosfet 2, 14, 16 bilden eine Halbbrücke, die bei einem Kurzschluss zwischen Versorgungsspannung U_BAT und Bezugspotenzial GND einen Querstrom I_q1, I_q2, I_q3 aufweisen können.
• 2 zeigt ein Flussdiagramm, wobei zunächst eine Totzeit bestimmt wird 4, bei der sich sicher kein Kurzschluss ergibt. Diese Totzeit wird schrittweise erniedrigt 5, bis sich ein Querstrom beginnt auszubilden 6. Zwischen der letzten Totzeit, ohne einen feststellbaren Querstrom, und der Totzeit mit dem beginnenden Querstrom liegt die optimale Totzeit.
• 3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltung mit Shuntwiderständen 8, 9, 10, 11, 12. Die Shuntwiderstände 8, 9, 10, 11, 12 können dazu dienen, das Vorhandensein eines Querstroms I_q1, I_q2, I_q3 zu bestimmen. Es kann die Spannung über den Shuntwiderstand 8 gemessen werden. Hierdurch kann mit dem Shuntwiderstand 8 festgestellt werden, ob in der ersten Halbbrücke mit den Mosfets 1, 2 ein Querstrom I_q1 vorliegt. Es kann die Spannung über den Shuntwiderstand 9 gemessen werden. Hierdurch kann mit dem Shuntwiderstand 9 festgestellt werden, ob in der zweiten Halbbrücke mit den Mosfets 13, 14 ein Querstrom I_q2 vorliegt. Es kann die Spannung über den Shuntwiderstand 10 gemessen werden. Hierdurch kann mit dem Shuntwiderstand 10 festgestellt werden, ob in der ersten Halbbrücke mit den Mosfets 15, 16 ein Querstrom I_q3 vorliegt. Der Shuntwiderstand 11 kann ebenfalls zur Bestimmung eines Querstroms verwendet werden. Durch den Shuntwiderstand 11 kann festgestellt werden, ob in irgendeinem der Halbbrücken ein Querstrom fließt. Mit dem Shuntwiderstand 11 kann die Summe der Querströme I_q1 + I_q2 + I_q3 festgestellt werden. Der Shuntwiderstand 12 kann ebenfalls zur Bestimmung einer Totzeit eingesetzt werden. Falls ein Querstrom über eine der Halbbrücken fließt, liegt ein Kurzschluss zwischen der Versorgungsspannung U_BAT und dem Bezugspotenzial GND vor. In diesem Fall liegt an dem Shuntwiderstand 12 keine Spannung an. In einer alternativen Ausführungsform können statt Shuntwiderstände Induktivitäten verwendet werden. Diese Mess-Induktivitäten können auch als parasitäre Induktivitäten vorliegen. Vorteilhafterweise kann in diesem Fall auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden. Ein Spannungsabfall entsteht bei Induktivitäten bei einer Stromänderung, die insbesondere bei einem Kurzschluss vorliegen würde. In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird ein Spannungsabfall über dem Shuntwiderstand 12 zur Kurzschlussbestimmung genutzt, der durch die Induktivität 18 bei einer Stromänderung verändert wird. Ferner kann über dem Shuntwiderstand 12 im Kurzschlussfall ein Spannungsabfall detektiert werden, wobei dieselbe Spannung über den Widerstand 20 und die Kapazität 19 des Zwischenkreises abfällt.
• Es sei angemerkt, dass der Begriff „umfassen“ weitere Elemente oder Verfahrensschritte nicht ausschließt, ebenso wie der Begriff „ein“ und „eine“ mehrere Elemente und Schritte nicht ausschließt.
• Die verwendeten Bezugszeichen dienen lediglich zur Erhöhung der Verständlichkeit und sollen keinesfalls als einschränkend betrachtet werden, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die Ansprüche wiedergegeben wird.
• Bezugszeichenliste

1

oberer Mosfet

2

unterer Mosfet

3

Servomotor eines Lenksystems eines Fahrzeugs

4

Bestimmen einer ersten Totzeit

5

zweite Totzeit = erste Totzeit – Zeiteinheit

6

Querstrom I_q vorhanden bei zweiter Totzeit?

7

Bestimmen der optimalen Totzeit

8

Shunt-Widerstand

9

Shunt-Widerstand

10

Shunt-Widerstand

11

Shunt-Widerstand

12

Shunt-Widerstand

13

oberer Mosfet

14

unterer Mosfet

15

oberer Mosfet

16

unterer Mosfet

17

erste Totzeit = zweite Totzeit

18

Induktivität wegen dem Batteriefilter in der ECU und/oder wegen der Zuleitung zur ECU im Fahrzeug

19

Zwischenkreiskapazität

20

parasitärer Widerstand

I_q

Querstrom einer Halbbrücke

I_q1

Querstrom erste Halbbrücke

I_q2

Querstrom zweite Halbbrücke

I_q3

Querstrom dritte Halbbrücke

U_BAT

Versorgungsspannung

GND

Bezugspotenzial

Claims (9)

1. Verfahren zur Ermittlung der Totzeit einer Halbbrücke mit einem oberen Leistungsschalter (1, 13, 15) und einem unteren Leistungsschalter (2, 14, 16) einer Endstufe zur Ansteuerung eines Servoantriebs (3) eines Lenksystems eines Fahrzeugs, umfassend die Schritte: Bestimmen einer ersten Totzeit (4), bei der kein Kurzschluss zwischen Versorgungsspannung und Bezugspotenzial vorliegt, und Bestimmen einer zweiten Totzeit (5), die die erste Totzeit abzüglich einer Zeiteinheit ist, falls ein Kurzschluss bei der zweiten Totzeit vorliegt: Berechnen der optimalen Totzeit (7) und falls kein Kurzschluss vorliegt: erste Totzeit nimmt den Wert der zweiten Totzeit an (17) und die zweite Totzeit wird um eine Zeiteinheit verkleinert (5).
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt: Bestimmen der optimalen Totzeit als ein Wert zwischen erster Totzeit und der zweiten Totzeit.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch den Schritt: Bestimmen des Kurzschlusses, als Zustand bei dem ein Querstrom (I_q1, I_q2, I_q3) durch die Halbbrücke fließt und/oder Bestimmen des Kurzschlusses, als ein Zustand an dem an der Halbbrücke keine Spannung abfällt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch den Schritt: Messen des Querstroms durch einen Shunt-Widerstand in der Halbbrücke.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schritte: Bestimmen einer dritten Totzeit bei der ein Kurzschluss vorliegt und Bestimmen der Zeiteinheit als: Zeiteinheit = Faktor·(erste Totzeit – dritte Totzeit).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Faktor im Bereich zwischen 0,8 und 0,01 liegt, bevorzugt im Bereich zwischen 0,6 und 0,04 liegt, insbesondere bevorzugt im Bereich zwischen 0,4 und 0,08 liegt und/oder wobei der Faktor = 0,1 ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Feststellung des Kurzschlusses eine Induktivität (18) verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Feststellung des Kurzschlusses die Shuntwiderstände (8, 9, 10, 11) durch parasitäre Induktivitäten ersetzt werden können.
9. Lenksystem eines Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass das Lenksystem zur Anwendung eines der Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist.

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