-
Die Erfindung betrifft eine Schaltereinrichtung für einen Elektromotor, insbesondere eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer zwei Halbleiterschalter aufweisenden Halbbrücke zum bedarfsweisen Bestromen zumindest einer Phase des Elektromotors, wobei den Halbleiterschaltern eine Treibereinrichtung zugeordnet ist, die in Abhängigkeit eines Ansteuersignals die Halbleiterschalter betätigt.
-
Ferner betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung für einen mehrere elektrische Phasen aufweisenden Elektromotor, insbesondere eines Lenksystems eines Kraftfahrzeugs, die für jede der Phasen des Elektromotors eine Schaltereinrichtung, wie sie oben stehend beschrieben wurde, aufweist, sowie eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Ansteuersignal zu erzeugen, um die Schaltereinrichtungen zu betätigen.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Lenksystem für ein Kraftfahrzeug, mit einer Lenkhandhabe, mit wenigstens einem Lenkbaren Rad, dessen Lenkwinkel insbesondere in Abhängigkeit von einer Betätigung der Lenkhandhabe oder einer automatisierten Lenkwinkelvorgabe einstellbar ist, wobei das Lenksystem wenigstens einen mehrere Phasen aufweisenden Elektromotor zum Beaufschlagen des lenkbaren Rads mit einem Lenkmoment oder Unterstützungslenkmoment aufweist, und mit der oben beschriebenen Steuereinrichtung zum Ansteuern der Phasen des Elektromotors.
-
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Steuereinrichtung für einen mehrere elektrische Phasen aufweisenden Elektromotor, insbesondere wie sie oben stehend beschrieben wurde, wobei für jede der Phasen des Elektromotors eine Schaltereinrichtung vorhanden ist.
-
Stand der Technik
-
Schaltereinrichtungen, Steuereinrichtungen und Lenksysteme der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zum Betreiben eines Elektromotors ist es üblich, die einzelnen Phasen des Elektromotors mittels Halbleiterhalbbrücken anzusteuern. Diese Halbbrücken weisen jeweils zwei Halbleiterschalter, einen High Side Schalter und einen Low Side Schalter, auf, die durch eine Pulsweitenmodulation angesteuert werden, um die Phase gemäß der vorgegebenen Pulsweitenmodulation zu bestromen. Mittels einer Treibereinrichtung, häufig als Gatetreiber bezeichnet, werden die Halbleiterschalter betätigt, um Strom zu leiten, oder um eine Stromleitung zu unterbrechen.
-
Um einen sicheren Betrieb bei Elektromotoren in sicherheitsrelevanten Anwendungen dauerhaft gewährleisten zu können, ist es außerdem bekannt, derartige Elektromotoren redundant vorzusehen und anzusteuern, sodass beispielsweise einer Phase des Elektromotors mehrfach vorgesehen ist. Im Bereich der Lenksysteme, die eine elektromotorische Unterstützung des Fahrers oder eine elektromotorische Lenkwinkeleinstellung unabhängig von dem Fahrer in einem autonomen Fahrbetrieb bewirken sollen, ist es bekannt, mehrere Phasen redundant vorzusehen und jede dieser Phasen durch eine eigene Halbleiter-Halbbrücke anzusteuern. Damit im Normalbetrieb keine Fehlmomente oder dergleichen auftreten, müssen die Halbleiterschalter beziehungsweise die Halbleiter-Halbbrücken gleichzeitig geschaltet werden. Dazu ist es bekannt, jede der Halbbrücken beziehungsweise jeden der Halbleiterschalter mit einer Steuereinheit separat zu verbinden, um diesem ein Ansteuersignal zuzuführen, sodass ein sicherer Betrieb auch bei Ausfall einer der Phasen beziehungsweise eines der Halbleiterschalters zu gewährleisten. Dies bedeutet jedoch einen hohen Verkabelungsaufwand, der zum einen Anforderungen an den vorhandenen Bauraum stellt und andererseits zu unerwünschten Material- und Montagekosten führt. Eine entsprechende Steuereinrichtung ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
US 2004/0264075 A1 bekannt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Schaltereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auf einen aufwendigen Verkabelungsaufwand zum Ansteuern mehrerer Schaltereinrichtungen verzichtet werden kann. Die einzelne Schaltereinrichtung ist dazu derart ausgebildet, dass sie selbst sicherstellt, dass sie in einen gewünschten Arbeitstakt beziehungsweise mit einer gewünschten Arbeitstaktfrequenz arbeitet, sodass eine weniger aufwendige Verkabelung notwendig ist. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die Treibereinrichtung einen Oszillator zum Erzeugen einer Arbeitstaktfrequenz, Mittel zum Empfangen eines Synchronisationssignals und eine Einrichtung zum Anpassen der Arbeitstaktfrequenz in Abhängigkeit des Synchronisierungssignals aufweist. Die Schalteinrichtung ist also dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von einem extern zugeführten Synchronisationssignal ihre Arbeitstaktfrequenz anzupassen, sodass dann, wenn eine Steuereinrichtung mit mehreren derartiger Schaltereinrichtungen vorgesehen ist, gewährleistet ist, dass die Schaltereinrichtungen zu gewünschten Zeitpunkten tatsächlich schalten, sodass die redundanten Phasen des Elektromotors beispielsweise gleichzeitig geschaltet werden und damit ein fehlerfreier Betrieb des Elektromotors ermöglicht wird. Durch das Anpassen der Arbeitstaktfrequenz in Abhängigkeit des Synchronisationssignals wird gewährleistet, dass die einzelnen Schaltereinrichtungen parallel zueinander getaktet sind und somit gleichzeitig in Abhängigkeit des Ansteuersignals schalten.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung einen Zähler zum Erfassen einer Ist-Arbeitstaktfrequenz des Oszillators in Abhängigkeit des Synchronisationssignals aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Zähler bei Empfangen des Synchronisationssignals für die Dauer einer vorgebbaren Zeit oder für die Dauer des Synchronisationssignals Schwingungen des Oszillators zählt und dadurch die Ist-Arbeitstaktfrequenz des Oszillators bestimmt und insbesondere mit einer vorgegebenen Soll-Arbeitstaktfrequenz vergleicht. Zweckmäßigerweise weist dazu die Schaltereinrichtung einen nicht-flüchtigen Speicher auf, in welchem die Soll-Arbeitstaktfrequenz gespeichert ist oder speicherbar ist. In Abhängigkeit des Vergleichs der Ist-Arbeitstaktfrequenz mit der Soll-Arbeitstaktfrequenz wird die Arbeitstaktfrequenz des Oszillators verändert, bis die Ist-Arbeitstaktfrequenz der Soll-Arbeitstaktfrequenz entspricht. Dadurch wird gewährleistet, dass die Schaltereinrichtung in der gewünschten Arbeitstaktfrequenz arbeitet und somit mit weiteren Schaltereinrichtungen, wie zuvor beschrieben, parallel geschaltet werden kann. Der Zähler wird bevorzugt nicht nur zur Synchronisation sondern auch für den Normalbetrieb des Elektromotors genutzt. Durch Zählen der Synchronisationspulse erfolgt insbesondere eine Orientierung der Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit der gezählten Synchronisationspulse bestimmt, in welchem Zustand sich das System befindet. Demnach können Befehle oder Zusatzbefehle in Abhängigkeit der Orientierung ausgeführt werden, sodass beispielsweise bei jedem x-ten Synchronisationsimpuls oder Mikrotick ein bestimmter Befehl ausgeführt wird. Hierdurch ist beispielsweise auch eine zum Synchronisationssignal verzögerte Ansteuerung der Halbleiterschalter möglich.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Oszillator als gesteuerter, insbesondere spannungsgesteuerter oder stromgesteuerter Oszillator ausgebildet ist, und dass die Einrichtung dazu ausgebildet ist, eine Eingangssignal, insbesondere Eingangsspannung oder Eingangsstrom, des Oszillators zum Anpassen seiner Arbeitstaktfrequenz zu verändern. Die Ist-Arbeitstaktfrequenz des Oszillators wird somit durch das Verändern des Eingangssignals des gesteuerten Oszillators wie oben beschrieben angepasst, um die gewünschte Arbeitstaktfrequenz zu erreichen.
-
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Treibereinrichtung einen Datenbusanschluss aufweist. Über diesen Datenbusanschluss erhält die Treibereinrichtung insbesondere das Ansteuersignal zum Schalten der Halbleiterschalter. Durch die Anbindung an den Datenbus ist eine schnelle und sichere Übertragung des Ansteuersignals möglich. Durch den Datenbus wird es außerdem auf einfache und kostengünstige Art und Weise ermöglicht, die Schaltereinrichtungen in Reihe zueinander zu schalten, wo durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Schaltereinrichtung gewährleistet ist, wonach die Schaltereinrichtungen mit derselben Arbeitstaktfrequenz arbeiten und dadurch das In-Reihe-Schalten beziehungsweise einen sicheren Parallelbetrieb der Schaltereinrichtungen gewährleistet.
-
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Treibereinrichtung dazu ausgebildet ist, in einer Daisy-Chain-Serienschaltung das Ansteuersignal zu empfangen und weiterzuleiten. Es ist dabei also vorgesehen, dass die Schaltereinrichtung das Ansteuersignal empfängt und anschließend an eine weitere Schaltereinrichtung weiterleitet beziehungsweise weiterleiten kann, sodass eine Daisy-Chain beziehungsweise Reihenschaltung mehrerer derartiger Schaltereinrichtungen zur Verfügung gestellt wird, die eine gleichzeitige Schaltung der Halbleiterschalter insbesondere redundanter Phasen eines Elektromotors erlaubt.
-
Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 zeichnet sich durch jeweils eine erfindungsgemäße Schaltereinrichtung für jede der Phasen des Elektromotors aus, sowie durch eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, einerseits das Ansteuersignal zu erzeugen und zumindest einer der Schaltereinrichtungen zuzuführen, und andererseits zumindest ein Synchronisationsignal zu erzeugen und jeder der Schaltereinrichtungen zuzuführen. Es ist hierbei also vorgesehen, dass die Steuereinheit, die insbesondere einen Mikroprozessor aufweist, das Ansteuersignal beispielsweise in Abhängigkeit von der Betätigung einer Lenkhandhabe erzeugt und zumindest einer der Schalteinrichtung zuführt, um diese entsprechend zu betätigen. Die Steuereinheit führt somit jeder der Schaltereinrichtungen das Synchronisationssignal, insbesondere Synchronisationsimpuls, und einer oder mehreren der Schaltereinrichtungen das Ansteuersignal zu, um eine gleich getaktete Ansteuerung der Halbleiterbrücken zu erreichen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Schaltereinrichtung sind diese in ihrer Arbeitstaktfrequenz aneinander angepasst, sodass eine vorteilhafte Bestromung beziehungsweise Beschaltung der Phasen des Elektromotors erfolgt.
-
Insbesondere ist vorgesehen, dass zumindest einige der Schaltereinrichtungen in einer Gruppe als Daisy-Chain in Reihe geschaltet sind, um das Ansteuersignal von einer Schaltereinrichtung an eine andere Schaltereinrichtung zu leiten. Dabei sind die Schaltereinrichtungen bevorzugt in mindestens zwei Gruppen jeweils als Daisy-Chain in Reihe geschaltet, wobei einer der Schaltereinrichtungen dabei jeweils das Ansteuersignal zugeführt wird, oder es sind alle Schaltereinrichtungen als Daisy-Chain in Reihe geschaltet, und nur einer der Schaltereinrichtungen wird das Ansteuersignal zugeführt, welche es an die folgende Schaltereinrichtung weiterleitet. Durch die Ausbildung als Daisy-Chain ergibt sich ein besonders geringer Verkabelungsaufwand für die Schaltereinrichtungen, weil insbesondere das Ansteuersignal nur einer der Schaltereinrichtungen zugeführt werden muss. Dadurch werden Bauraumvorteile erreicht und Herstellungskosten reduziert, wie zuvor bereits erörtert.
-
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Steuereinrichtung zwölf der Schaltereinrichtungen zum Ansteuern von zwölf Phasen des Elektromotors aufweist, der als 3-phasiger-Elektromotor mit einer 4-fach Redundanz ausgebildet ist. Fällt beispielsweise eine der Schalteinrichtungen aus, so können die verbleibenden Phasen mit den verbleibenden elf Schalteinrichtungen weiter betrieben werden. Alternativ zur Ausbildung des Elektromotors mit 12 Phasen ist es auch denkbar, den Elektromotor durch mehrere Teilmotoren zu bilden, die beispielsweise jeweils drei Phasen aufweisen, sodass der Elektromotor insgesamt vier Teilmotoren aufweist, die auch unabhängig voneinander betreibbar wären, sofern sie nicht mechanisch miteinander gekoppelt sind. Weiterhin kann der Elektromotor auch mehr als 3-Phasen und/oder mehr oder weniger als vier Redundanzen aufweisen.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist nur eine Steuereinheit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, alle Schaltereinrichtungen anzusteuern, insbesondere mit dem Synchronisationssignal zu beaufschlagen und zumindest einer der Schaltereinrichtungen, wie zuvor beschrieben, das Ansteuersignal zuzuführen. Alternativ weist die Steuereinrichtung bevorzugt zumindest zwei Steuereinheiten auf, die jeweils dazu ausgebildet sind, eine Gruppe von Schaltereinrichtungen beziehungsweise Treibereinrichtungen zur redundanten Ansteuerung der Phasen beziehungsweise Phasensysteme/Phasengruppen anzusteuern, insbesondere das Synchronisationssignal zuzuführen und zumindest einer der jeweiligen Gruppe von Schaltereinrichtungen das Ansteuersignal. Dadurch ist ein Weiterbetrieb des Elektromotors auch dann möglich, wenn eine der Steuereinheiten ausfallen sollte.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die jeweilige Steuereinheit für zumindest zwei Gruppen von Schaltereinrichtungen zumindest ein Synchronisationssignal erzeugt, das zeitlich zueinander versetzte Arbeitstaktfrequenzen oder Betätigungen der Halbleiterschalter bewirkt. Damit wird ein versetztes Takten des Elektromotors beziehungsweise der unterschiedlichen Phasen oder Teilmotoren des Elektromotors erreicht, wodurch ein Zwischenkreiskondensator kleiner ausgeführt werden, was eine Reduzierung der Baugröße und der Herstellungskosten zur Folge hat. Durch das wenigstens eine Synchronisationssignal wird die Information über eine versetzte Ansteuerung der Halbleiterschalter beziehungsweise der Halbbrücken der jeweiligen Schalteinrichtung zur Verfügung gestellt.
-
Insbesondere ist dazu vorgesehen, dass die jeweilige Steuereinheit zwei Synchronisationssignale mit zeitlich zueinander versetzten Synchronisationsimpulsen erzeugt. Damit wird der zeitliche Versatz bereits durch die Synchronisationsimpulse der Synchronisationssignale auf einfache Art und Weise erreicht. Hierdurch wird die zeitlich versetzt Ausgabe der Pulsmuster in den Halbbrücken der zumindest zwei Gruppen von Schaltereinrichtungen gestartet. Der zeitliche Versatz der Synchronisationsimpulse führt zu den gewünschten zeitlichen Versatz der Pulsmuster zwischen den Gruppen von Schaltereinrichtungen beziehungsweise Teilmotoren.
-
Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass die jeweilige Steuereinheit ein Synchronisationssignal mit zumindest einem von den Schaltereinrichtungen erfassbaren Datenwort erzeugt, wobei die Schaltereinrichtungen in Abhängigkeit von dem Datenwort die Betätigung der Halbleiterschalter durchführen. Es gibt somit nur ein Synchronisationssignal mit Synchronisationsimpulsen, das beiden Gruppen von Schaltereinrichtungen zugeführt wird. Das Datenwort, das mit dem Synchronisationssignal mitübertragen wird, wird von den intelligenten Schaltereinrichtungen erfasst. Die Schaltereinrichtungen der jeweiligen Gruppen sind dazu ausgebildet, das Datenwort zu erfassen und auszuwerten, um in Abhängigkeit des Datenworts die Betätigung der Halbleiterschalter synchronisiert oder verzögert zu dem Synchronisationsimpuls durchzuführen. Das Datenwort enthält dabei insbesondere eine Information darüber, welche der Schaltereinrichtungen verzögert die Halbleiterschalter betätigen soll. Damit kann gezielt vorgegeben werden, dass beispielsweise eine erste Gruppe von Schaltereinrichtungen verzögert zu einer zweiten Gruppe von Schaltereinrichtungen getaktet ist beziehungsweise die Phasen verzögert ansteuert.
-
Das erfindungsgemäße Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 13 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Steuereinrichtung aus. Es ergeben sich dabei die bereits genannten Vorteile.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 zeichnet sich dadurch aus, dass einerseits ein Ansteuersignal erzeugt und zumindest einer der Schaltereinrichtungen zugeführt wird, und dass andererseits zumindest ein Synchronisationssignal erzeugt und jeder der Schaltereinrichtungen zugeführt wird. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
-
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen.
-
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dazu zeigen
-
1 eine vorteilhafte Schaltereinrichtung in einer vereinfachten Darstellung,
-
2 einen Betrieb der Schaltereinrichtung in einer vereinfachten Darstellung,
-
3 eine Steuereinrichtung für einen Elektromotor eines Lenksystems und
-
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Steuereinrichtung.
-
1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Schaltereinrichtung 1, die dazu ausgebildet ist, eine Phase X eines Elektromotors anzusteuern beziehungsweise bedarfsweise zu bestromen. Die Schaltereinrichtung 1 ist dabei dazu ausgebildet, zur Bestromung der Phase X ein Pulsweitenmodulationsverfahren durchzuführen. Die Schaltereinrichtung 1 weist dazu eine Treibereinrichtung 2 auf, die in Abhängigkeit von einem Ansteuersignal S pulsweitenmoduliert zwei Halbleiterschalter 3, 4, die zu einer Halbbrücke 5 zusammengeschaltet sind, zu betätigen, also stromleitend oder unterbrechend zu schalten. Der Halbleiterschalter 3 ist dabei als High-Side-Schalter ausgebildet und mit einer Versorgungsspannung (+) verbunden, und der Halbleiterschalter 4 als Low-Side-Schalter, der mit Masse (–) verbunden ist.
-
Zum Empfangen des Ansteuersignals S weist die Schaltereinrichtung 1 eine BUS-Schnittstelle 6 auf, mittels welcher die Schaltereinrichtung 1 an einen Datenbus, insbesondere des Kraftfahrzeugs, anschließbar ist. Die Schnittstelle 6 ist dabei dazu ausgebildet, das Ansteuersignal S zu empfangen und weiter zu leiten, wie durch Pfeile angedeutet. Weiterhin weist die Treibereinrichtung 2 einen Oszillator 7 auf, der gesteuert, insbesondere spannungsgesteuert oder stromgesteuert ausgebildet ist und eine Arbeitstaktfrequenz der Schaltereinrichtung 1 vorgibt. In Abhängigkeit von seinem Eingangssignal, insbesondere Eingangsspannung oder Eingangsstrom, verändert somit der Oszillator 7 die Arbeitstaktfrequenz. Weiterhin weist die Schaltereinrichtung 1 Mittel zum Empfangen eines Synchronisationssignals SS auf, wobei das Synchronisationssignal SS von einer externen Einrichtung, die beispielsweise auch das Ansteuersignal AS erzeugt, zugeführt wird. Die Mittel weisen insbesondere eine weitere BUS-Schnittstelle auf oder werden von der BUS-Schnittstelle 6 mitgebildet.
-
Weiterhin weist die Schaltereinrichtung 1 eine Einrichtung 8 auf, die dazu dient, in Abhängigkeit des empfangenen Synchronisationssignals SS die Ist-Arbeitstaktfrequenz des Oszillators 7 zu bestimmen und bei Abweichung von einer Soll-Arbeitstaktfrequenz die Eingangsspannung des Oszillators 7 derart zu verändern, dass die Ist-Arbeitstaktfrequenz der Soll-Arbeitstaktfrequenz entspricht.
-
Dadurch wird erreicht, dass die Schaltereinrichtung 1 auf einen Arbeitstakt synchronisierbar ist, was insbesondere dann einen Vorteil bietet, wenn mehrere derartiger Schaltereinrichtungen 1 zum Ansteuern mehrerer Phasen eines Elektromotors verwendet werden, wie später näher erörtert. Insbesondere ist die Anzahl von Anschlüssen der Schaltereinrichtung 1, insbesondere Mikrokontrolleranschlüsse, auf vier begrenzt. Damit werden einfach gestaltete Schaltereinrichtungen 1, die insofern intelligente Halbbrücken 2 bilden, zur Verfügung gestellt. Insbesondere ist ein erster Anschluss zum Empfangen des Synchronisationssignals SS vorgesehen, ein zweiter Anschluss zum Empfangen des Ansteuersignals AS, ein dritter Anschluss zum Weiterleiten des Ansteuersignals AS und ein vierter Anschluss zum Empfangen der Arbeitstaktfrequenz. Insbesondere weist die Treibereinrichtung 2 dabei einen Mikrokontroller auf, welcher die Signale empfängt, auswertet und die Halbleiterschalter 3, 4 ansteuert beziehungsweise betätigt.
-
2 zeigt in einer vereinfachten Darstellung die Synchronisation der Schaltereinrichtung 1. Die Einrichtung 8 empfängt das Synchronisationssignal SS uns zählt mittels eines Zählers Z mit Erhalt des Synchronisationssignals SS die Schwingungen des Oszillators 7. Beispielsweise mittels eines Subtrahierers 9 wird die erfasste Anzahl von Schwingungen mit einer Soll-Anzahl verglichen beziehungsweise von dieser subtrahiert, wobei die Einrichtung 8 in Abhängigkeit der ermittelten Differenz das Eingangssignal des Oszillators 7 verändert, um die Oszillatorfrequenz OS auf die Soll-Arbeitstaktfrequenz anzupassen.
-
Mittels des Zählers Z erfolgt außerdem eine Orientierung, indem die Anzahl der Synchronisationsimpulse des Synchronisationssignals gezählt und überwacht werden. Damit können bei vorbestimmten Synchronisationspulsen gewünschte Ansteuerbefehle durchgeführt werden. Insbesondere kann hierbei beispielsweise eine verzögerte Ansteuerung der Halbleiterschalter 3, 4 durchgeführt werden.
-
3 zeigt eine Steuereinrichtung 10, bei welcher die vorteilhafte Schaltereinrichtung 1 verwendet wird. Die Steuereinrichtung 10 ist dazu ausgebildet, einen Elektromotor 11 beziehungsweise drei Phasen U, V, W des Elektromotors 11 anzusteuern. Der Elektromotor 11 weist dabei die Phasen U, V, W vier Mal, also vier Phasensysteme auf, sodass er letztendlich zwölf Phasen umfasst, die unabhängig voneinander durch jeweils eine Schaltereinrichtung 1, wie sie zuvor beschrieben wurde, angesteuert werden. Das Phasensystem aus den Phasen U, V, W ist also mehrfach redundant in dem Elektromotor 11 verwirklicht, wobei auch die Ansteuerung durch die Steuereinrichtung 10 entsprechend redundant ausgelegt ist.
-
Wie zuvor bereits beschrieben, ist dazu jede der Phasen U, V, W, die in die vier Gruppen/Systeme U1, V1, W1; U2, V2, W2; U3, V3, W3 und U4, V4, W4 aufgeteilt sind, jeweils einer der Schaltereinrichtungen 1 zugeordnet. Die in 1 gezeigte Phase X wird also durch eine der Phasen U1 bis W4 ersetzt.
-
Die Schaltereinrichtungen 1 sind dabei ebenfalls gruppiert, wobei die Schaltereinrichtung 1, die den Phasen U1, V1, W1, U2, V2 und W2 zugeordnet sind, eine erste Gruppe 12, und die Schaltereinrichtung 1, die den verbleibenden Phasen zugeordnet sind, eine Gruppe 13 bilden. Die Schaltereinrichtungen der jeweiligen Gruppe 12 und 13 sind dabei in Reihe zueinander als Daisy-Chain geschaltet, wobei die BUS-Schnittstellen dazu ausgebildet sind, das empfangene Ansteuersignal AS an eine folgende Schaltereinrichtung 1 der Gruppe weiter zu leiten. Die Schaltereinrichtungen 1 können untereinander und mit der Steuereinrichtung 10 durch SPI- oder SWR-Schnittstellen verbunden sein.
-
Das Ansteuersignal AS wird von einer Steuereinheit 14 für beide Gruppen als Ansteuerung AS_1 beziehungsweise AS_2 erzeugt. Vorliegend sind die Steuereinrichtung 10 und der Elektromotor 11 Bestandteil eines hier nicht näher dargestellten Lenksystems eines Kraftfahrzeugs, sodass die Steuereinheit 14 das Ansteuersignal AS insbesondere in Abhängigkeit von der Betätigung einer Lenkhandhabe, insbesondere Lenkrad, des Kraftfahrzeugs erzeugt, um durch den Elektromotor 11 ein unterstützendes Lenkmoment oder ein das manuelle Lenkmoment ersetzendes motorisches Lenkmoment zu erzeugen. Zweckmäßigerweise ist der Steuereinheit 14 mit einem Rotorwinkel-Sensor 15 verbunden, der den Rotorwinkel des Elektromotors 11 überwacht, um eine korrekte Ansteuerung des Elektromotors 11 zu gewährleisten.
-
Die Steuereinheit 14 erzeugt sowohl das Ansteuersignal AS als auch das Synchronisationssignal SS. Während das Ansteuersignal AS_1/AS_2 nur einer Schaltereinrichtung 1 der jeweiligen Gruppe 12, 13 zugeführt wird, die das Ansteuersignal AS_1/AS_2 dann an die folgende Schaltereinrichtung 1 in der jeweiligen Gruppe weiterleitet, wird das Synchronisationssignal SS jeder Schaltereinrichtung 1 direkt zugeführt, um eine Synchronisation der Schaltereinrichtungen 1 zueinander durchzuführen. Vorliegend wird jeder Gruppe 12, 13 ein eigenes Synchronisationssignal SS zugeführt. Die Schaltereinrichtungen 1 sind dabei außerdem mit einer Spannungsquelle 16, wie beispielsweise einer Kraftfahrzeugbatterie, verbunden, aus welcher die Energie zum Bestromen der Phasen U1 bis W4 bezogen wird.
-
Durch die vorteilhafte Ausbildung der Steuereinrichtung 10 wird erreicht, dass ein Verkabelungsaufwand zum Ansteuern und Synchronisieren der Schaltereinrichtung 1 gering gehalten und damit Herstellungskosten und Montageaufwand reduziert werden. Gleichzeitig wird eine hohe Redundanz der Ansteuerung des Elektromotors 10 gewährleistet, die auch bei Ausfall einer Phase oder eines Phasensystems den Weiterbetrieb des Elektromotors 11 gewährleistet. Dadurch, dass die Schaltereinrichtungen 1 außerdem in zwei Gruppen zur Bildung von zwei Reihenschaltungen beziehungsweise Daisy-Chains ausgebildet sind, ist auch bei Ausfall einer Weiterleitung des Ansteuersignals AS in einer der Gruppen der Weiterbetrieb der anderen Gruppe möglich und damit die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems reduziert.
-
Alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist es auch denkbar, dass alle Schaltereinrichtungen 1 in einer einzigen Gruppe zusammengefasst sind, sodass ein einziges Ansteuersignal AS von der Steuereinheit 10 zum Ansteuern der Schaltereinrichtungen 1 ausreicht und durch alle Schaltereinrichtungen 1 hindurchgeleitet wird, sodass alle Schaltereinrichtungen 1 in einer Reihe geschaltet sind.
-
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Lenksystems beziehungsweise der Steuereinrichtung 10, wobei aus dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel bekannte Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es soll im Wesentlichen nur auf die Unterschiede eingegangen werden.
-
Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist hierbei vorgesehen, dass die Daisy-Chains beziehungsweise Reihenschaltungen der Schaltereinrichtungen 1 noch weiter unterteilt werden, sodass vier Gruppen 12_1, 12_2, 13_1 und 13_2 von Schaltereinrichtungen 1 gebildet werden. Jeweils zwei der Gruppen 12_1, 12_2 beziehungsweise 13_1, 13_2 sind dabei mit jeweils einer Steuereinheit 14‘ beziehungsweise 14‘‘ verbunden. Die beiden Steuereinheiten 14‘ und 14‘‘ sind ebenfalls durch eine Konnektionsschnittstelle miteinander verbunden. Die Steuereinheiten 14‘, 14‘‘ sind dabei gemäß der Steuereinheit 14 ausgebildet und steuern jeweils zwei der Gruppen 12_1, 12_2 beziehungsweise 13_1, 13_2 an, indem sie jeder Gruppe jeweils ein Ansteuersignal AS_1‘, AS_1‘‘, AS_2‘, AS_2‘‘ und jeder Schaltereinrichtung der beiden zugeordneten Gruppen das Synchronisationssignal SS zuführt, wobei auch Signale der hierbei ebenfalls redundant vorhandenen Rotorwinkelsensoren 15_1, 15_2 berücksichtigt werden. Auch hier wird vorliegend jeder Gruppe 12_1, 12_2, 13_1, 13_2 ein eigenes Synchronisationssignal SS zur Erhöhung der Redundanz zugeführt. Die Redundanz dieser Steuereinrichtung 10 ist somit noch erhöht gegenüber der aus dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, weil hier für jede Phasengruppe ein eigenes Ansteuersignal erzeugt wird.
-
Weiterhin ist in 4 gezeigt, dass auch eine redundante Stromversorgung der Schaltereinrichtungen 1 beziehungsweise des Elektromotors 11 erfolgt. Dazu weist die Spannungsquelle 16 zwei Anschlüsse 16_1 und 16_2 auf. Alternativ kann vorgesehen sein, dass zwei separate Spannungsquellen vorgesehen werden, die jeweils mit einer der Gruppen 12, 13 verbunden sind. Damit erfolgt auch eine redundante Stromversorgung der Steuereinheiten 14_1 und 14_2. Die Steuereinheiten 14_1 und 14_2 sind dabei insbesondere durch zwei voneinander getrennte BUS-Systeme mit den Schaltereinrichtungen 1 der ihnen jeweils zugeordneten Gruppen 12_1, 12_2, 13_1 und 13_2 verbunden, sodass eine erhöhte Ausfallsicherheit gewährleistet ist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Lenksystems werden die Phasengruppen des Elektromotors 11 zeitlich versetzt zueinander angesteuert, wodurch eine Verkleinerung von Zwischenkreiskondensatoren vorgenommen werden kann, die zu einer Reduzierung der Baugröße und der Herstellungskosten führt.
-
Dies wird dadurch erreicht, dass die Teilmotoren beziehungsweise die Phasengruppen durch wenigstens ein Synchronisationssignal SS versetzt zueinander betrieben werden, wobei die Anzahl der Synchronisationssignale SS sich aus der Topologie der gewählten Steuereinrichtung 10 gemäß der vorhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ergibt.
-
Weist die Steuereinrichtung 10 beispielsweise nur eine Steuereinheit 14 auf, wie in 3 gezeigt, wobei alle Schaltereinrichtungen 1 in Reihe geschaltet sind, so erzeugt die Steuereinheit 14 insbesondere nur ein Synchronisationssignal SS mit einem Datenwort, das von den intelligenten Schaltereinrichtungen 1 empfangen und ausgewertet wird, wobei diese in Abhängigkeit des empfangenen Datenworts die jeweiligen Halbleiterschalter 3, 4 gegebenenfalls zeitlich verzögert ansteuern, sodass beispielsweise zwei der Phasensysteme verzögert zu den verbleibenden zwei Phasensystemen angesteuert beziehungsweise bestromt werden. Das Datenwort wird dabei derart zeugt, dass es insbesondere ein Hinweis darauf enthält, welches der Phasensysteme verzögert angesteuert werden soll. Die Mikrokontroller der Schaltereinrichtungen 1 steuern dann selbstständig die jeweiligen Halbleiterschalter verzögert oder nicht verzögert an.
-
Alternativ erzeugt die Steuereinheit 14 bei einer Topologie, wie sie in 3 gezeigt ist, zwei Synchronisierungssignale SS, die jedoch zeitlich versetzt zueinander erzeugt und den Gruppen 12 und 13 zugeführt werden, sodass diese aufgrund des versetzten Synchronisationssignals zeitlich versetzt zueinander die Phasen der Gruppen 12 und 13 bestromen beziehungsweise ansteuern. Durch den zeitlichen Versatz der Synchronisationsimpulse wird somit auf einfache Art und Weise auch ein gewünschter zeitlicher Versatz der Pulsmuster zwischen den Phasensystemen beziehungsweise den Teilmotoren erreicht. Bei einer Topologie der Steuereinrichtung 10 wie sie in 4 gezeigt ist, werden die Steuereinheiten 14_1 und 14_2 entsprechend betrieben/ausgebildet, um jeweils nur ein Synchronisationssignal SS mit Datenwort oder jeweils zwei Synchronisationssignalen mit zeitlich versetzten Synchronisationsimpulsen zu erzeugen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2004/0264075 A1 [0006]
