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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, insbesondere zum Einsatz in sicherheitskritischen Bereichen, wie beispielsweise als Lenkungsantrieb bzw. Lenkunterstützungsantriebe. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Maßnahmen zur Erhöhung der Ausfallsicherheit von elektrischen Maschinen und deren Leistungselektronik.
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Technischer Hintergrund
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Lenkungsantriebe, insbesondere für das automatisierte Fahren, bzw. Lenkunterstützungsantriebe für die Lenkunterstützung unterliegen sehr hohen Sicherheitsanforderungen. Diese weisen Spulen, ein oder mehrere Leistungsmodule und ein oder mehrere Steuermodule auf. Dabei wird die Ausfallsicherheit des Gesamtsystems durch die Fehlerausfallraten der Steuermodule sowie der Leistungsmodule maßgeblich bestimmt. Um die Sicherheit des Gesamtsystems zu gewährleisten, werden daher Komponenten und/oder Teilsysteme redundant ausgeführt.
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Die redundante Auslegung ist oft aufwendig und teuer und benötigt einen großen Bauraum. Obwohl bezogen auf die Sicherheitsziele die Ausfallsicherheit des Gesamtsystems durch Redundanz erhöht wird, steigt jedoch die Fehlerrate im Gesamtsystem an, weil sich die Anzahl der verwendeten Komponenten erhöht. Zudem tritt bei Gesamtsystemen mit mehreren unabhängigen Teilsystemen bei Ausfall eines Teilsystems eine deutliche Reduzierung der Leistung auf, die häufig mehr als die Hälfte der Gesamtleistung betragen kann.
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Wie beispielsweise aus der Druckschrift
DE 10 2005 026 779 A1 bekannt, kann eine Antriebseinrichtung mehrere unabhängige Windungssysteme mit jeweils einem eigenen Sternpunkt aufweisen. Diese werden jeweils von einer eigenen B6-Brücke angesteuert, die über einen separaten Prozessor betrieben wird.
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Weiterhin sind Motorsysteme bekannt, die mehrere unabhängige Phasen mit jeweils eigener Leistungselektronik und Regelung aufweisen. Diese kommunizieren mit einem zentralen Prozessor zur Steuerung der gesamten elektrischen Maschine.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2008 059 093 A1 ist ein Umrichter zur Speisung einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine bekannt. Dabei wird jeder Phase ein eigenes Phasenmodul zugeordnet, das separat über ein Steuerelektronikmodul angesteuert wird.
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Aus der Druckschrift
DE 103 27 142 A1 ist eine elektrische Maschine mit einem aus Statorsegmenten aufgebauten Stator bekannt, wobei jedes Statorsegment einen Zahn bzw. Zahnbereich aufweist, der mit einer Wicklung versehen ist. Diesen Wicklungen werden jeweils eigene Leistungselektronikeinheiten zugeordnet. Die jedem einzelnen Statorsegment zugeordneten Statorspulen sind in Sternschaltung verschaltet, wobei die Leistungselektronikeinheiten durch ein Motorsteuergerät angesteuert werden.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2013 214 899 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, bei der ein Leistungselektronikmodul jedem Statorsegment zugeordnet ist. Der Stator der elektrischen Maschine weist Leistungselektronikelemente und eine Mehrzahl von Statorsegmenten auf, die jeweils eine Spule umfassen. Die Spulenanschlüsse eines Leistungselektronikmoduls sind jeweils mit einer Spule des Statorsegments elektrisch leitend verbunden, so dass jedem Leistungselektronikmodul wenigstens ein Statorsegment zugeordnet ist.
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Die Ansätze des Standes der Technik sind sehr aufwendig und begrenzen die Möglichkeiten für die Auslegung von Motorsystemen mit einer elektrischen Maschine erheblich. Dadurch gehen Freiheitsgrade im Design verloren. Weiterhin können durch die fehlenden Freiheitsgrade Symmetrien in der elektrischen Maschine nicht verhindert werden, wodurch eine ausgeprägte Drehmomentenwelligkeit entstehen kann.
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Bei Ausfall eines Leistungsschalters kann bei hoher Kopplung der Spulen eines Wicklungssystems das gesamte Wicklungssystem betroffen sein, und es resultiert eine erhebliche Minderung des bereitgestellten Drehmoments. Dies ist die Regel, wenn die Wicklungsstränge über einen Sternpunkt verbunden sind. Somit haben diese Systeme ein schlechtes Degradationsverhalten, da bei Ausfall eines Teilsystems die Systemleistung deutlich reduziert wird, weil das ausgefallene System oft ein Brems- oder Schleppmoment bewirkt.
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Zudem benötigen redundante Teilsysteme eine erhebliche Rechenkapazität für deren Regelung, wodurch die Fehleranfälligkeit des Gesamtsystems weiterhin steigt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Motorsystem mit einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen, das eine erhöhte Ausfallsicherheit bei gleichzeitig reduziertem Mehraufwand an Komponenten hat.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch das Motorsystem mit einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt ist ein Motorsystem vorgesehen, umfassend:
- - eine elektrische Maschine mit einem Stator, der mit mehreren Statorspulen versehen ist,
- - mehrere Leistungsmodule, die ausgebildet sind, um jeweils eine der Statorspulen anzusteuern;
- - mehrere Steuermodule, die jeweils zumindest mit einem Teil der Leistungsmodule über eine Kommunikationsverbindung verbunden sind, um eine Angabe über von dem jeweiligen Leistungsmodul bereitzustellenden Sollphasenstrom an die Leistungsmodule bereitzustellen, mit dem die dem betreffenden Leistungsmodul zugeordnete Statorspule zu bestromen ist.
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Eine Idee des obigen Motorsystems besteht darin, eine elektrische Maschine mit mit Einzelspulen bewickelten Statorzähnen in einem Stator der elektrischen Maschine vorzusehen, die jeweils durch ein separates Leistungsmodul angesteuert werden. Gleichzeitig kann jedes der Leistungsmodule mit mehreren Steuermodulen einer Steuereinheit gekoppelt sein, so dass jedes der Leistungsmodule redundant angesteuert wird. Dadurch kann in einfacher Weise eine Redundanz vorgesehen und die Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. Durch das Vorsehen eines separaten Leistungsmoduls für jede der Statorspulen reduziert sich die Gesamtleistung bei einem Fehler in einem der Leistungsmodule nur wenig. Durch das redundante Vorsehen von Steuermodulen zum Bereitstellen einer Angabe zu einem Soll-Phasenstrom an die Leistungsmodule kann zudem die Ausfallsicherheit gegenüber einem Fehler in einem der Steuermodule verringert werden.
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Weiterhin können die Leistungsmodule jeweils eine Stromregelung aufweisen, um den Phasenstrom durch die zugeordnete Statorspule entsprechend dem vorgegebenen Sollphasenstrom und abhängig von einem aktuellen Istphasenstrom zu regeln, wobei der aktuelle Istphasenstrom durch ein sensorloses Ermittlungsprinzip bestimmt werden kann.
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Die Leistungsmodule übernehmen die Regelungsaufgabe der Stromregelung, so dass die Steuermodule einfacher ausgebildet werden können und eine geringere Rechenkapazität bereitstellen müssen. Durch die Kombination der Ansteuerung jedes der Statorspulen in einem separaten Leistungsmodul, das zudem die Stromregelung übernimmt, können die Steuermodule mit redundanten Mikroprozessoren die elektrische Maschine lediglich durch Vorgabe von Sollphasenströmen vornehmen. Dies bewirkt eine hohe Verfügbarkeit des Gesamtsystems und Flexibilität dessen Designs. Durch die Verschiebung der Stromregelung in die einzelnen Leistungsmodule können die Steuermodule der Steuereinheit einfacher ausgebildet werden, so dass deren Ausfallsicherheit erhöht wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Leistungsmodule jeweils eine Leistungsschaltung aufweisen, die mit einer elektrischen Versorgung verbunden ist und die abhängig von einem Stellwert der Stromregelung angesteuert wird.
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Insbesondere kann jedes der Leistungsmodule mit einem von mehreren Versorgungsnetzen elektrisch versorgt sein. Auch kann jedes der Leistungsmodule schaltbar mit einem der mehreren Versorgungsnetze verbindbar sein.
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Weiterhin können die Leistungsmodule jeweils eine Kommunikationseinheit aufweisen, die mit mindestens zwei der Steuermodule über die Kommunikationsverbindung verbunden ist, um die Angabe über den Sollphasenstrom zu empfangen.
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Insbesondere kann die Kommunikationseinheit jedes der Leistungsmodule derart ausgebildet sein, dass aus den empfangenen Angaben über die Sollphasenströme die mehrheitlich übereinstimmende Angabe für die Durchführung der Stromregelung ausgewählt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Leistungsmodule jeweils an den Statorspulen in der elektrischen Maschine angeordnet sein.
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Weiterhin können die Steuermodule jeweils mit einer Versorgungsnetzumschaltung, die ausgebildet ist, um bei Ausfall der Versorgungsspannung für das betreffende Steuermodul auf ein alternatives Versorgungsnetz umzuschalten, und/oder mit einer Überwachungseinheit zur Überprüfung der Funktion des betreffenden Steuermoduls verbunden sein.
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Gemäß Ausführungsformen können die Steuermodule über mehrere Kommunikationsverbindungsbusse mit den Leistungsmodulen verbunden sein, wobei
- - jedes Steuermodul mit einem der Kommunikationsverbindungsbusse verbunden ist und die Leistungsmodule jeweils mit allen Kommunikationsverbindungsbussen verbunden sind; oder
- - jedes Steuermodul mit allen Kommunikationsverbindungsbussen verbunden ist und die Leistungsmodule jeweils mit allen Kommunikationsverbindungsbusse verbunden sind; oder
- - jedes Steuermodul mit mehreren der Kommunikationsverbindungsbusse verbunden ist und die Leistungsmodule jeweils mit einem Teil der Kommunikationsverbindungsbusse verbunden sind.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Motorsystems für eine elektronisch kommutierte elektrische Maschine;
- 2 eine Blockdarstellung eines Leistungsmoduls zur Ansteuerung einer Statorspule der elektrischen Maschine der 1;
- 3a bis 3c mögliche Kommunikationsstrukturen zwischen den Steuermodulen und den Leistungsmodulen; und
- 4 mögliche Nachrichtenreihenfolgen für drei Bussysteme und drei Steuermodule.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist schematisch ein Motorsystem 1 mit einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine 2 und einer Steuereinheit 3 dargestellt. Die Steuereinheit 3 erhält über einen externen Anschluss, beispielsweise über einen Ansteuerbus 4, ein Ansteuersignal S, das eine Betriebsvorgabe für den Betrieb der elektrischen Maschine 2 beinhaltet. Das Ansteuersignal S kann eine Drehzahl der elektrischen Maschine 2, insbesondere für eine Drehzahlregelung, oder eine Sollposition für eine Lageregelung vorgeben.
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Die elektrische Maschine 2 weist einen Stator 21 mit einer Reihe von Statorzähnen 22 auf, die jeweils von Einzelzahnspulen als Statorspulen 23 umwickelt sind. Alternative Ausführungsformen können auch eisenlose Statoren 21 ohne Statorzähne betreffen. Jede der Statorspulen 23 weist zwei elektrische Spulenanschlüsse auf, die über ein separates Leistungsmodul 24 bestrombar sind. Die Leistungsmodule 24 sind vorzugsweise nahe den zugeordneten Statorspulen 23, insbesondere im Stator 21, in einem Poltopf oder einem Gehäuse der elektrischen Maschine 2, angeordnet.
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Durch das Vorsehen von Einzelzahnspulen als Statorspulen 23 können Überlappungen der Statorspulen 23 vermieden werden, so dass Kurzschlüsse zwischen Statorspulen 23 unwahrscheinlicher werden.
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Jedes der Leistungsmodule 24 wird über ein Versorgungsnetz 5a, 5b mit elektrischer Energie versorgt. Dabei können verschiedene Versorgungsnetze 5a, 5b vorgesehen sein, die jeweils einen Teil der Leistungsmodule 24 mit elektrischer Energie versorgen. Durch die Trennung in mehrere Versorgungsnetze 5a, 5b kann zusätzlich die Redundanz gegenüber Leitungsunterbrechungen in einem der Versorgungsnetze 5a, 5b und zwischen dem jeweiligen Versorgungsnetz 5a, 5b und der elektrischen Maschine 2 geschaffen werden. Die Versorgung eines oder mehrerer der Leistungsmodule 24 durch ein Versorgungsnetz 5a, 5b kann umgeschaltet werden, so dass die Versorgung über ein anderes der Versorgungsnetze 5a, 5b erfolgen kann.
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Jedes der Leistungsmodule 24 wird über eine Kommunikationsverbindung 6 separat von der Steuereinheit 3 angesteuert. Dazu weist die Steuereinheit 3 mehrere Steuermodule 31 auf, die jeweils einen Mikrocontroller CPU umfassen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Steuereinheit 3 drei Steuermodule 31 auf. Jedoch kann die Anzahl der Steuermodule 31 auch von drei abweichen.
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Die Steuermodule 31 kommunizieren mit den Leistungsmodulen 24 vorzugsweise in digitaler Weise und geben in geeigneter Weise für jedes der Leistungsmodule 24 eine Angabe zu einem Sollphasenstrom DIsoll bzw. einem Sollphasenstromverlauf vor. Der Sollphasenstrom ergibt sich entweder direkt aus dem von extern erhaltenen Ansteuersignal S oder wird entsprechend einer Lageregelung, die in den Steuermodulen 31 ausgeführt wird, in an sich bekannter Weise bestimmt. Die Steuermodule 31 können den Leistungsmodulen 24 in geeigneter digitaler Weise eine Amplitude und Phase des Sollstromes für jedes der Leistungsmodule 24 vorgeben.
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Grundsätzlich bestehen mehrere Möglichkeiten den jeweiligen Sollphasenstrom zu kommunizieren. Aufgrund des gleichmäßigen Versatzes der Statorspulen
23 an dem Stator
21 kann an die zugeordneten Leistungsmodule
24 ein Sollphasenstrom für eines der Leistungsmodule
24 kommuniziert werden, so dass die übrigen Leistungsmodule
24 entsprechend die Sollphasenströme mit einem der mechanischen Lage entsprechenden Phasenversatz ermittelt können, wobei
wobei n der Anzahl der Statorspulen
23, A der Amplitude des Sollphasenstroms, φ der Phasenlage des Sollphasenstroms und φ
1... φ
n den Phasenversatzen für die Ansteuerung der einzelnen Statorspulen
23 entsprechend ihrer Anordnung an dem Stator
21 entsprechen.
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Alternativ kann über die Kommunikationsverbindung
6 zusätzlich zur Amplitude A, der Phase φ auch die Winkelgeschwindigkeit ω der Sollphasenströme kommuniziert werden. Es ergeben sich als Zeitfolge für die Sollphasenströme für die einzelnen Leistungsmodule
24 wie folgt:
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Alternativ können die Sollphasenströme für jedes der Leistungsmodule 24 separat über die Kommunikationsverbindung 6 kommuniziert werden, was zu einer hohen Buslast führen kann.
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Die Steuermodule 31 können jeweils mit einer Überwachungseinheit 32, einem Sicherheitsrechner 33 und mit einer Versorgungsnetzumschaltung 34, die bei Ausfall der Versorgungsspannung für das betreffende Steuermodul 31 auf eine intakte Versorgung umschaltet, gekoppelt sein, um zusätzliche Ausfallsicherheit bereitzustellen und Fehler in dem jeweiligen Steuermodul 31 zu erkennen.
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Die Leistungsmodule 24 können einen Aufbau aufweisen, wie er schematisch in 2 dargestellt ist. Die Leistungsmodule 24 können eine Leistungsbrückenschaltung 25 in Form einer H-Brücke aufweisen, der die Versorgungsspannung über das zugeordnete Versorgungsnetz 5a, 5b zugeführt wird, und das basierend auf einem Steuersignal, das beispielsweise ein PWM-Steuersignal (PWM: Pulsweitenmodulation) sein kann, ansteuerbar ist. Das Steuersignal gibt eine Spannung vor, die sich aus einem durch das Tastverhältnis des PWM-Signals bestimmten Anteil der bereitgestellten Versorgungsspannung ergeben kann.
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Das Steuersignal kann in einem Modulationsblock 26 erzeugt werden, basierend auf einer Reglervorgabe eines Stromreglers 27, der als PI-Regler ausgebildet sein kann. Der Stromregler 27 erhält eine Rotorlageinformation von einem Rotorlageblock 28, der abhängig von einer Auswertung des Phasenstroms, der mithilfe eines Phasenstrommessers 29 ermittelt wird, die aktuelle Rotorlage sensorlos ermitteln kann. Alternativ kann die Rotorlageinformation von den Steuermodulen 31 kommuniziert werden.
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Insbesondere kann die Rotorlage ermittelt werden, indem der Zeitpunkt eines Nulldurchgangs des Phasenstroms bestimmt wird (Back-EMF-Verfahren oder dergleichen). Weiterhin ist eine Kommunikationseinheit 30 vorgesehen, die die Angabe über den Sollphasenstrom Disoll über die Kommunikationsverbindung 6 von den Steuermodulen 31 erhält und diesen an den Stromregler 27 kommuniziert, so dass der Stromregler basierend auf dem gemessenen Istphasenstrom einen entsprechenden Stellwert an den Modulationsblock 26 liefern kann.
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In einer Ausführungsform kann jedes der Steuermodule 31 nur mit einem Teil der Leistungsmodule 24 verbunden sein, wie es beispielhaft in 3a gezeigt ist. In 3a ist beispielhaft die Verbindung jedes der Steuermodule 31 mit jeweils zwei von (beispielhaften) drei Kommunikationsverbindungsbussen 6a, 6b, 6c gezeigt, die beispielhaft als die Kommunikationsverbindung ausgebildet sind. Jedes der Leistungsmodule 31 ist ebenfalls nur mit zwei der Kommunikationsverbindungsbusse 6a, 6b, 6c verbunden. Jedes Leistungsmodul 31 erhält dabei die Angabe über den zu stellenden Sollphasenstrom von mindestens drei der Steuermodule 31 und entscheidet in der Kommunikationseinheit 30 anhand z.B. einer Mehrheitsentscheidung über die Validität der Angaben über die zu stellenden Sollphasenströme. Dabei sind mindestens drei unabhängige Kommunikationsverbindungsbusse 6a, 6b, 6c vorzusehen.
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Um den Verdrahtungsaufwand zu reduzieren, kann vorgesehen sein, nicht jedes der Steuermodule 31 mit allen Kommunikationsverbindungsbussen 6a, 6b, 6c zu verbinden. Es kann eine Spiegelung der Kommunikation auf einem Kommunikationsverbindungsbus 6a, 6b, 6c auf einen entsprechend anderen der Kommunikationsverbindungsbusse 6a, 6b, 6c durch eines der anderen Steuermodule 31 erfolgen. 4 zeigt dazu beispielhaft eine entsprechende Nachrichtenreihenfolge für eine Kommunikationsverbindungsstruktur, wie sie in 3a gezeigt ist. A,B,C stellen zu übertragende Angaben zu Sollphasenströmen dar.
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Bei dem Kommunizieren der Angabe über den Sollphasenstrom auf die drei Kommunikationsverbindungsbusse 6a, 6b, 6c wird entsprechend 4 eine Nachricht zur Spiegelung auf einen der Kommunikationsverbindungsbusse 6a, 6b, 6c, der mit dem betreffenden Steuermodul 31 nicht verbunden ist, ausgegeben und von einem weiteren Steuermodul 31 entsprechend auf den betreffenden Kommunikationsverbindungsbus 6a, 6b, 6c gespiegelt. Die Kommunikationsverbindungsbusse 6a, 6b, 6c sind vorzugsweise als Datenbusse mit einer hohen Bandbreite ausgelegt und insbesondere zur Übertragung von digitalen Daten ausgelegt.
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Die Lösung der 3b sieht vor, dass jedes der Steuermodule 31 mit allen Kommunikationsverbindungsbussen 6a, 6b, 6c verbunden ist und jedes der Leistungsmodule 24 ebenfalls mit allen der Kommunikationsverbindungsbusse 6a, 6b, 6c verbunden ist. So können in jedem der Leistungsmoduls 24 die empfangenen Angaben zu den Sollphasenströmen der verschiedenen Steuermodule 31 verglichen werden und eine Mehrheitsauswahl treffen, so dass bei Ausfall eines der Steuermodule 31 oder gar einer Fehlfunktion eines der Steuermodule 31 die von diesem bereitgestellten Daten ignoriert werden können.
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3c zeigt eine Topologie, bei der jedes der Steuermodule 31 nur über einen der Kommunikationsverbindungsbusse 6a, 6b, 6c mit allen Steuermodulen 24 verbunden ist. Die Steuermodule 31 geben somit Vorgabewerte für alle der Leistungsmodule 24, und es können ebenso wie in der Ausführungsform der 3b durch eine Mehrheitsauswahl die entsprechenden Vorgabewerte ausgewählt werden.
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Alternativ zu den busartigen Kommunikationsverbindungen sind andere Topologien, wie Stern-, Ketten- oder Ringtopologie oder Kombinationen, zur Kommunikation der Steuermodule mit den Leistungsmodulen möglich. Die Sterntopologie hat kaum Kommunikations-Overhead, und es kann eine Schnittstelle mit relativ geringer Bandbreite verwendet werden, wobei eine hohe Anzahl von Kommunikationsverbindungsleitungen und Peripherieelementen benötigt wird. Die Ringtopologie benötigt eine Schnittstelle mit hoher Bandbreite und dafür eine geringe Anzahl von Kommunikationsverbindungsleitungen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motorsystem
- 2
- Elektrische Maschine
- 21
- Stator
- 22
- Statorzahn
- 23
- Statorspule
- 24
- Leistungsmodul
- 25
- Leistungsbrückenschaltung
- 26
- Modulationsblock
- 27
- Stromregler
- 28
- Rotorlageblock
- 29
- Phasenstrommesser
- 30
- Kommunikationseinheit
- 3
- Steuereinheit
- 31
- Steuermodule
- 32
- Überwachungseinheit
- 33
- Sicherheitsrechner
- 34
- Versorgungsnetzumschaltung
- 4
- Ansteuerbus
- 5a, 5b
- Versorgungsnetze
- 6
- Kommunikationsverbindung
- 6a, 6b, 6c
- Kommunikationsverbindungsbusse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005026779 A1 [0004]
- DE 102008059093 A1 [0006]
- DE 10327142 A1 [0007]
- DE 102013214899 A1 [0008]
