DE102021206388A1 - Control device for controlling an electric motor of a motor vehicle steering system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors (5) einer Kraftfahrzeuglenkung (1) umfassend einen Stromversorgungspfad (12) zur Versorgung der Steuervorrichtung (10) mit elektrischen Strom aus einer Spannungsquelle (11), einen an den Stromversorgungspfad (12) angeschlossenen Wechselrichter (13) zur elektronisch kommutierten Ansteuerung des Elektromotors (5) an einem Ausgang (14) der Steuervorrichtung (10), einen Motorcontroller (15) und eine Gate-Treiber-Einheit (16, 16') zur Ansteuerung des Wechselrichters (13) in Abhängigkeit von einem Fahrerlenkwunsch (17), einen zu dem Wechselrichter (13) parallel geschalteten Kondensator (18) zur Stabilisierung der in dem Stromversorgungspfad (12) im Betrieb der Steuervorrichtung (10) anliegenden Versorgungsspannung, eine zu dem Kondensator (18) in Reihe geschaltete Strommesseinrichtung (19) und eine zu dem Kondensator (19) in Reihe geschaltete Schalteinrichtung (20), wobei die Steuervorrichtung (10) einen separaten Mikrocontroller (22) zur Ansteuerung der Schalteinrichtung (20) mit zumindest einem Eingang (221) und einem Ausgang (222) umfasst, wobei dem Eingang (221) ein durch die Strommesseinrichtung (19) aufgenommenes Strommesssignal (21, 21') zuführbar ist und der Mikrocontroller (22) dazu ausgebildet ist, an dem Ausgang (222) in Abhängigkeit von dem Strommesssignal (21, 21') ein Schaltsignal (23) auszugeben, welches der Schalteinrichtung (20) zuführbar ist..The invention relates to a control device for controlling an electric motor (5) of a motor vehicle steering system (1), comprising a power supply path (12) for supplying the control device (10) with electric current from a voltage source (11), an inverter ( 13) for electronically commutated control of the electric motor (5) at an output (14) of the control device (10), a motor controller (15) and a gate driver unit (16, 16') for controlling the inverter (13) as a function a driver steering request (17), a capacitor (18) connected in parallel with the inverter (13) to stabilize the supply voltage present in the power supply path (12) when the control device (10) is in operation, a current measuring device connected in series with the capacitor (18). (19) and to the capacitor (19) connected in series switching device (20), wherein the control device (10) has a separa th microcontroller (22) for controlling the switching device (20) with at least one input (221) and one output (222), wherein the input (221) can be supplied with a current measurement signal (21, 21') picked up by the current measurement device (19). and the microcontroller (22) is designed to output a switching signal (23) at the output (222), depending on the current measurement signal (21, 21'), which can be fed to the switching device (20).
Description
Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors einer Kraftfahrzeuglenkung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a control device for controlling an electric motor of a motor vehicle steering system according to the preamble of
Eine gattungsgemäße Steuervorrichtung ist aus
Die bekannte Steuervorrichtung weist einen Schutzmechanismus auf, um die Steuervorrichtung im Falle eines Kurzschlusses innerhalb der Steuervorrichtung von der angeschlossenen Spannungsquelle zu trennen. Ein solcher Schutzmechanismus ist insbesondere von Vorteil, wenn die Steuervorrichtung unabhängig vom Stromnetz durch eine mobile Spannungsquelle, wie beispielsweise eine Batterie, gespeist wird. So kann ein Kurzschluss in einem Steuergerät einer Kraftfahrzeuglenkung, zu einem Abfall der Spannung der Fahrzeugbatterie führen und diese innerhalb kurzer Zeit so weit entladen, dass auch die übrigen elektrischen Komponenten des Bordnetzes nicht mehr ordnungsgemäß betrieben werden können.The known control device has a protective mechanism in order to separate the control device from the connected voltage source in the event of a short circuit within the control device. Such a protective mechanism is particularly advantageous if the control device is powered by a mobile voltage source, such as a battery, independently of the mains power supply. A short circuit in a control unit of a motor vehicle steering system can lead to a drop in the voltage of the vehicle battery, which can be discharged to such an extent within a short time that the other electrical components of the vehicle electrical system can no longer be operated properly.
Steuervorrichtungen zur Ansteuerung des Elektromotors eines Lenkstellers einer Kraftfahrzeuglenkung weisen üblicherweise einen Wechselrichter zur phasenrichtigen, elektronischen Kommutierung der von der Spannungsquelle bereitgestellten Gleichspannung auf. Die Steuervorrichtungen umfassen ferner üblicherweise mindestens einen dazu parallel geschalteten Kondensator, um den schnell schwankenden Strombedarf des Wechselrichters zu decken.Control devices for controlling the electric motor of a steering actuator of a motor vehicle steering system usually have an inverter for in-phase, electronic commutation of the DC voltage provided by the voltage source. The control devices also usually include at least one capacitor connected in parallel therewith in order to cover the rapidly fluctuating current demand of the inverter.
Fehlerzustände dieser Kondensatoren können zu gravierenden Einschränkungen bei der Bedienbarkeit der Kraftfahrzeuglenkung führen und stellen daher ein nicht unerhebliches Risiko für die Insassen des Fahrzeugs dar. Grundsätzlich sind 3 Fehlerzustände der Kondensatoren denkbar: Kurzschluss, Unterbrechung des Stromkreises und veränderte Kapazität. Error states of these capacitors can lead to serious limitations in the usability of the motor vehicle steering and therefore represent a not inconsiderable risk for the occupants of the vehicle. In principle, 3 error states of the capacitors are conceivable: short circuit, interruption of the circuit and changed capacity.
Während die letzteren beiden Fehlerzustände eine verbleibende Restfunktionalität des Elektromotors zulassen und auch durch die Software des Motorcontrollers leicht detektiert werden können, führt ein Kurzschluss des Kondensators zu einem Blockieren bzw. einem Bremsmoment des Elektromotors, da der Kondensator eine direkte Verbindung zwischen den Polen der Spannungsquelle herstellt und den Elektromotor kurzschließt. Um die Blockierung des Elektromotors aufzuheben und eine Entladung der Fahrzeugbatterie zu verhindern, wird ein Schutzmechanismus in der Steuervorrichtung benötigt, der diese Fehler zu detektieren darauf reagieren kann, indem der betroffene Kondensator durch Öffnen eines Schaltelementes von der Spannungsquelle getrennt wird.While the latter two error states allow the electric motor to remain functional and can also be easily detected by the motor controller software, a short circuit in the capacitor leads to a blocking or braking torque of the electric motor, since the capacitor establishes a direct connection between the poles of the voltage source and short-circuits the electric motor. In order to unblock the electric motor and prevent the vehicle battery from discharging, a protective mechanism is required in the control device, which can react to detecting these errors by isolating the affected capacitor from the voltage source by opening a switching element.
Bei der Auswahl des Schaltelements und dessen Ansteuerung ist zu berücksichtigen, dass die entstehenden Kurzschlussströme innerhalb von einem Zeitraum von etwa 100 µs eine Größenordnung von 1000 A erreichen können. Es können daher entweder Schaltelemente Verwendung finden, die für derart große Ströme ausgelegt sind, oder es muss durch die Ansteuerung der Schaltelemente sichergestellt werden, dass das Schaltelement öffnet, bevor der Kurzschlussstrom den maximalen Schaltstrom des Schaltelements übersteigt. Beispielsweise können MOSFETs nicht mehr geöffnet werden sobald der Kurzschlussstrom den Lawinenstrompegel des MOSFETs übersteigt.When selecting the switching element and its control, it must be taken into account that the resulting short-circuit currents can reach a magnitude of 1000 A within a period of around 100 µs. Therefore, either switching elements designed for such high currents can be used, or the activation of the switching elements must ensure that the switching element opens before the short-circuit current exceeds the maximum switching current of the switching element. For example, MOSFETs can no longer be opened once the short-circuit current exceeds the avalanche current level of the MOSFET.
In
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors einer Kraftfahrzeuglenkung anzugeben, die reaktionsschnell und flexibel den Stromfluss in einem zu dem Wechselrichter der Steuervorrichtung parallel geschalteten Kondensator überwachen kann und zugleich einfach und kompakt aufgebaut ist.The object of the present invention is to specify a control device for controlling an electric motor of a motor vehicle steering system that can react quickly and flexibly to monitor the current flow in a capacitor connected in parallel with the inverter of the control device and is also simple and compact in design.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors einer Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved by a control device for controlling an electric motor of a motor vehicle steering system with the features of
Hierdurch wird eine Steuervorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors einer Kraftfahrzeuglenkung geschaffen, die einen Stromversorgungspfad zur Versorgung der Steuervorrichtung mit elektrischen Strom aus einer Spannungsquelle, einen an den Stromversorgungspfad angeschlossenen Wechselrichter zur elektronisch kommutierten Ansteuerung des Elektromotors an einem Ausgangsanschluss der Steuervorrichtung und einen Motorcontroller sowie eine Gate-Treiber-Einheit zur Ansteuerung des Wechselrichters in Abhängigkeit von einem Fahrerlenkwunsch umfasst. Die Steuervorrichtung weist ferner einen zu dem Wechselrichter parallel geschalteten Kondensator zur Stabilisierung der in dem Stromversorgungspfad im Betrieb der Steuervorrichtung anliegenden Versorgungsspannung, eine zu dem Kondensator in Reihe geschaltete Strommesseinrichtung und eine zu dem Kondensator in Reihe geschaltete Schalteinrichtung auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung ferner einen separaten Mikrocontroller zur Ansteuerung der Schalteinrichtung mit zumindest einem Eingang und einem Ausgang umfasst, wobei dem Eingang ein durch die Strommesseinrichtung aufgenommenes Strommesssignal zuführbar ist. Der Mikrocontroller ist dazu ausgebildet, an dem Ausgang in Abhängigkeit von dem Strommesssignal ein Schaltsignal auszugeben, welches der Schalteinrichtung zuführbar ist.This creates a control device for controlling an electric motor of a motor vehicle steering system, which has a power supply path for supplying the control device with electric power from a voltage source, an inverter connected to the power supply path for electronically commutated control of the electric motor at an output terminal of the control device, and a motor controller and a gate Includes driver unit for controlling the inverter depending on a driver's steering request. The control device also has a capacitor connected in parallel with the inverter for stabilizing the supply voltage present in the power supply path during operation of the control device, a current measuring device connected in series with the capacitor, and a current measuring device connected in series with the capacitor gate switching device connected in series. According to the invention, it is provided that the control device also includes a separate microcontroller for controlling the switching device with at least one input and one output, wherein a current measurement signal picked up by the current measurement device can be supplied to the input. The microcontroller is designed to output a switching signal at the output as a function of the current measurement signal, which can be fed to the switching device.
Durch das Vorsehen eines dezidierten Mikrocontrollers für die Ansteuerung der Schalteinrichtung ist es möglich, eine ausreichend geringe Reaktionszeit der Steuervorrichtung sicherzustellen, um einen Kurzschlussstrom durch den Kondensator im Fehlerfalle frühzeitig zu unterbrechen. Gleichzeitig wird die Anzahl zusätzlich erforderlicher Einzelbauelemente für die Ansteuerung der Schalteinrichtung deutlich reduziert. Die Verwendung des gesonderten Mikrocontrollers für die Ansteuerung der Schalteinrichtung weist gegenüber einer Implementierung derselben Funktionalität innerhalb des Motorcontrollers ferner den Vorteil auf, dass eine Anpassung der Leistungsfähigkeit des Motorcontrollers zur Sicherstellung der für die zuverlässige Unterbrechung der Kurzschlussströme erforderlichen Reaktionszeit, entfällt. Durch die Möglichkeit einer softwareseitigen Modifikation der Signalverarbeitung im Mikrocontroller sind zudem flexible Betriebsszenarien für die Stromüberwachung im Kondensator, beispielsweise eine Strombegrenzung während eines Einschaltvorgangs realisierbar.By providing a dedicated microcontroller for driving the switching device, it is possible to ensure a sufficiently short response time of the control device in order to interrupt a short-circuit current through the capacitor at an early stage in the event of a fault. At the same time, the number of individual components additionally required for controlling the switching device is significantly reduced. The use of the separate microcontroller for controlling the switching device also has the advantage over an implementation of the same functionality within the motor controller that there is no need to adapt the performance of the motor controller to ensure the response time required for reliable interruption of the short-circuit currents. The possibility of modifying the signal processing in the microcontroller by software also makes it possible to implement flexible operating scenarios for current monitoring in the capacitor, for example current limitation during a switch-on process.
Vorzugsweise wird die Schalteinrichtung in der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung durch ein Halbleiter-Schaltelement, wie beispielsweise ein MOSFET oder IGBT, gebildet.The switching device in the control device according to the invention is preferably formed by a semiconductor switching element, such as a MOSFET or IGBT.
In bevorzugten Ausführungsformen weist der Mikrocontroller eine geringere Verarbeitungsbreite und/oder eine geringere Taktzeit auf als der Motorcontroller. Zur Erfüllung der Aufgabe, den Stromfluss im Kondensator zu überwachen, kann bereits ein Mikrocontroller mit einer im Vergleich zum Motorcontroller geringeren Verarbeitungsbreite, von beispielsweise 8 Bit, eingesetzt werden. Die geringere Verarbeitungsbreite ermöglicht geringere Taktzeiten bei vergleichsweise einfachem Chip-Design. Durch den Einsatz eines solchen Mikrocontrollers wird daher eine schnellere, einfachere und robustere Überwachung der Kondensatorströme in der Steuervorrichtung erreicht.In preferred embodiments, the microcontroller has a smaller processing width and/or a smaller cycle time than the motor controller. To fulfill the task of monitoring the current flow in the capacitor, a microcontroller with a smaller processing width than the motor controller, for example 8 bits, can already be used. The narrower processing width enables shorter cycle times with a comparatively simple chip design. The use of such a microcontroller therefore results in faster, simpler and more robust monitoring of the capacitor currents in the control device.
In bevorzugten Ausführungsformen ist der Mikrocontroller dazu ausgebildet, als Schaltsignal einen Öffnungsbefehl an die Schalteinrichtung auszugeben, wenn das Strommesssignal einen vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. In diesen Ausführungsformen ist eine Überwachung auf Kurzschlussfehler des Kondensators in der Steuervorrichtung implementiert. Vorteilhaft ist, dass der Schwellenwert durch die Verwendung eines Mikrocontrollers, beispielsweise softwareseitig, anpassbar sein kann. So kann der Schwellenwert beispielsweise durch den Motorcontroller vorgebbar sein. Durch Vorgabe eines sehr hohen bzw. unendlichen Schwellenwertes kann die Kurzschlussüberwachung beispielsweise auch temporär ausgeschaltet werden.In preferred embodiments, the microcontroller is designed to output an opening command to the switching device as a switching signal when the current measurement signal exceeds a definable threshold value. In these embodiments, monitoring for short-circuit faults in the capacitor is implemented in the control device. It is advantageous that the threshold value can be adjusted by using a microcontroller, for example in terms of software. For example, the threshold value can be specified by the motor controller. Short-circuit monitoring can also be switched off temporarily, for example, by specifying a very high or infinite threshold value.
Insbesondere ist es bevorzugt, wenn der Mikrocontroller dazu ausgebildet ist, vor der Ausgabe des Öffnungsbefehls die Überschreitung des Schwellenwertes anhand von mindestens zwei aufeinander folgenden Auswertungen des Strommesssignals festzustellen. Beispielsweis kann eine Filterung von Störimpulsen vorgesehen sein, die bevorzugt auf Basis von zwei bis fünf Auswertungen des Strommesssignals erfolgt. Auf diese Weise können zufällige temporäre Überschreitungen des Schwellenwertes von echten Fehlerereignissen unterschieden werden, wodurch die Robustheit der Steuerung erhöht ist.In particular, it is preferred if the microcontroller is designed to determine whether the threshold value has been exceeded on the basis of at least two consecutive evaluations of the current measurement signal before the opening command is output. For example, interference pulses can be filtered, which preferably takes place on the basis of two to five evaluations of the current measurement signal. In this way, accidental temporary violations of the threshold value can be distinguished from real error events, which increases the robustness of the control.
Vorzugsweise ist der Mikrocontroller mit einer Reaktionszeit für die Ausgabe des Öffnungsbefehls ausgebildet, die kleiner als 20 µs, bevorzugt kleiner als 15 µs, ist. Durch das Vorsehen einer Reaktionszeit in diesem Bereich wird sichergestellt, dass noch keine nennenswerte Entladung der Spannungsquelle und/oder Blockierung des Elektromotors erfolgt. Ferner ist eine solche Reaktionszeit in Verbindung mit MOSFETs als Schaltelementen vorteilhaft, da der Kurzschlussstrom in dieser Reaktionszeit regelmäßig noch nicht zum Eintritt eines Lawineneffekts im MOSFET ausreicht.The microcontroller is preferably designed with a response time for the output of the opening command that is less than 20 μs, preferably less than 15 μs. By providing a response time in this range, it is ensured that there is still no significant discharge of the voltage source and/or blocking of the electric motor. Such a response time is also advantageous in connection with MOSFETs as switching elements, since the short-circuit current in this response time is regularly not yet sufficient for an avalanche effect to occur in the MOSFET.
In bevorzugten Ausführungsformen ist der Strommesseinrichtung und dem Mikrocontroller ein Signalverstärker zur Verstärkung des Strommesssignals zwischengeschaltet. Durch eine angepasste Verstärkung des Strommesssignals kann ein verstärktes Strommesssignal erzeugt werden, dass einem zulässigen Spannungsbereich am Eingang des Mikrocontrollers angepasst ist.In preferred embodiments, a signal amplifier for amplifying the current measurement signal is connected between the current measurement device and the microcontroller. An amplified current measurement signal that is adapted to a permissible voltage range at the input of the microcontroller can be generated by an adapted amplification of the current measurement signal.
Besonders bevorzugt ist der Signalverstärker in der Gate-Treiber-Einheit angeordnet. Dadurch werden vorhandene Bauteil-Funktionalitäten der Gate-Treiber-Einheit vorteilhaft ausgenutzt und die Anzahl zusätzlicher Einzelbauteile verringert. Die Robustheit der Steuervorrichtung wird weiter erhöht.The signal amplifier is particularly preferably arranged in the gate driver unit. As a result, existing component functionalities of the gate driver unit are advantageously utilized and the number of additional individual components is reduced. The robustness of the control device is further increased.
Vorzugsweise ist ferner mindestens ein Verstärkungsparameter des Signalverstärkers durch den Motorcontroller einstellbar. Beispielsweise kann die Verstärkung des Signalverstärkers im Rahmen eines Funktionstests der Kurzschlussüberwachung erhöht werden, um zu erreichen, dass der Mikrocontroller schon bei gewöhnlichen Ladeströmen des Kondensators ein Schaltsignal an die Schalteinrichtung ausgibt. Ein solcher Funktionstest kann beispielsweise beim Einschalten der Steuervorrichtung durchgeführt werden.Furthermore, at least one amplification parameter of the signal amplifier can preferably be set by the motor controller. For example, the amplification of the signal amplifier as part of a function test of the short-circuit monitoring be increased in order to ensure that the microcontroller emits a switching signal to the switching device even with normal charging currents of the capacitor. Such a function test can be carried out, for example, when the control device is switched on.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich, wenn der Mikrocontroller dazu ausgebildet ist, als Schaltsignal ein pulsweitenmoduliertes Signal an die Schalteinrichtung auszugeben, um einen Stromfluss im Kondensator zu begrenzen. Auch bei normaler Funktion des Kondensators entstehen, insbesondere beim Einschalten der Kraftfahrzeuglenkung, hohe Ladeströme am Kondensator. Diese hohen Ströme können im Laufe der Zeit Schäden oder Alterungserscheinungen am Kondensator verursachen, die die Lebensdauer des Kondensators reduzieren. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, den Stromfluss im Kondensator mittels eines pulsweitenmodulierten Schaltsignals zu begrenzen. Beispielsweise kann der Mikrocontroller die Schalteinrichtung nach dem Einschalten der Kraftfahrzeuglenkung für einen vorbestimmten Zeitraum mit einem pulsweitenmodulierten Schaltsignal mit vorgegebenem Tastgrad beaufschlagen, um den Einschaltstrom zu begrenzen. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine Regelung des Kondensatorstroms durch Anpassung des Tastgrads des pulsweitenmodulierten Signals abhängig von einer Abweichung des Strommesssignals von einem Sollwert denkbar.Further advantages of the invention arise when the microcontroller is designed to output a pulse width modulated signal to the switching device as the switching signal in order to limit a current flow in the capacitor. Even when the capacitor is functioning normally, particularly when the motor vehicle steering system is switched on, high charging currents occur at the capacitor. These high currents can cause damage or deterioration of the capacitor over time, reducing the life of the capacitor. For this reason it is advantageous to limit the current flow in the capacitor using a pulse width modulated switching signal. For example, after the motor vehicle steering system has been switched on, the microcontroller can apply a pulse-width-modulated switching signal with a predetermined duty cycle to the switching device for a predetermined period of time in order to limit the inrush current. Alternatively or additionally, it is also conceivable to regulate the capacitor current by adjusting the duty cycle of the pulse-width-modulated signal as a function of a deviation of the current measurement signal from a target value.
In einigen Ausführungsformen liegen die Einschaltdauern des pulsweitenmodulierten Signals im Bereich von 5 µs bis 75 µs, bevorzugt im Bereich von 10µs bis 60 µs, besonders bevorzugt im Bereich von 20 µs bis 50 µs.In some embodiments, the duty cycle of the pulse width modulated signal is in the range from 5 μs to 75 μs, preferably in the range from 10 μs to 60 μs, particularly preferably in the range from 20 μs to 50 μs.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.Further configurations of the invention can be found in the following description and the dependent claims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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1 zeigt schematisch eine Kraftfahrzeuglenkung mit einer erfindungsgemäßen elektronischen Steuervorrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors des Lenkstellers der Kraftfahrzeuglenkung, -
2 zeigt schematisch den Aufbau der Steuervorrichtung gemäß1 in einer Detaildarstellung, -
3 zeigt schematisch Zeitverläufe von in der Steuervorrichtung während eines Kurzschlussfehlers des Kondensators auftretenden Strömen und Spannungen.
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1 shows schematically a motor vehicle steering system with an electronic control device according to the invention for controlling an electric motor of the steering actuator of the motor vehicle steering system, -
2 shows schematically the structure of the control device according to FIG1 in a detail view, -
3 shows diagrammatically time curves of currents and voltages occurring in the control device during a short-circuit fault in the capacitor.
In
Die Steuervorrichtung 10 ist mit einer Spannungsquelle 11 zur Stromversorgung verbunden. Die Spannungsquelle 11 ist in der Regel als eine Fahrzeugbatterie ausgebildet. Zur Kommunikation mit einer übergeordneten Fahrzeugsteuerung und/oder anderen Fahrzeugkomponenten kann eine weitere Eingangsleitung an der Steuervorrichtung 10 vorgesehen sein, die beispielsweise als ein Fahrzeugbus 26 ausgebildet sein kann. Auch die Übertragung des Fahrerlenkwunsches 17 an die Steuervorrichtung kann alternativ oder zusätzlich über einen Fahrzeugbus erfolgen.The
In
Der Stromversorgungspfad 12 weist einen mit der Spannungsquelle 11 verbundenen Hauptzweig 12.1 auf, der sich in einen Wechselrichter-Zweig 12.2 zur Versorgung eines an den Stromversorgungspfad 12 angeschlossenen Wechselrichter 13 und einen Kondensator-Zweig 12.3 verzweigt, welcher einen zu dem Wechselrichter 13 parallel geschalteten Kondensator 18 versorgt.The
Der Wechselrichter 13 ist vorgesehen zur elektronisch kommutierten Ansteuerung des Elektromotors 5, der an einem Ausgangsanschluss 14 der Steuervorrichtung 10 anschließbar ist. Zur Ansteuerung des Wechselrichters 13 in Abhängigkeit von dem Fahrerlenkwunsch 26 umfasst die Steuervorrichtung einen, üblicherweise als Mikrocontroller ausgebildeten, Motorcontroller 15 und eine Gate-Treiber-Einheit 16.The
Die Gate-Treiber-Einheit 16 dient der Ansteuerung von Schaltelementen im Wechselrichter in Abhängigkeit von Vorgaben des Motorcontrollers 15. Die Schaltelemente im Wechselrichter sind typischerweise als MOSFETs ausgebildet, zu deren Schaltung die jeweilige Gate-Elektrode umgeladen werden muss. Die Gate-Treiber-Einheit 16 beaufschlagt die Schaltelemente hierfür zum vorgesehenen Schaltzeitpunkt mit den erforderlichen Spannungen/Strömen. Ferner umfasst die Gate-Treiber-Einheit 16 vorzugsweise zumindest eine Signalverarbeitungseinrichtung, um Strommesssignale einer Strommesseinrichtung 25 aufzunehmen, welche die durch die Phasen des Elektromotors fließenden Ströme erfasst. Die verarbeiteten Strommesssignale werden dem Motorcontroller 15 für die Motorsteuerung zur Verfügung gestellt.The
Der Kondensator 18 dient zur Stabilisierung der in dem Stromversorgungspfad 12 im Betrieb der Steuervorrichtung 10 anliegenden Versorgungsspannung. Zu dem Kondensator 18 in Reihe geschaltet sind eine Strommesseinrichtung 19 und eine Schalteinrichtung 20. Die Schalteinrichtung 20 ist vorzugsweise durch ein MOSFET oder IGBT gebildet. Die Strommesseinrichtung ist beispielsweise als ein Shunt-Widerstand ausgebildet.The
In
Zur Ansteuerung der Schalteinrichtung 20 weist die Steuervorrichtung 10 einen separaten, von dem Motorcontroller 15 unabhängigen Mikrocontroller 22 auf. Der Mikrocontroller 22 hat zumindest einen Eingang 221 und einen Ausgang 222. Dem Eingang 221 ist ein durch die Strommesseinrichtung 19 aufgenommenes Strommesssignal 21' zuführbar. Der Mikrocontroller 22 ist ferner dazu ausgebildet, an seinem Ausgang 222 in Abhängigkeit von dem Strommesssignal 21' ein Schaltsignal 23 auszugeben, welches der Schalteinrichtung 20 zuführbar ist.To control the
In dem dargestellten Ausführungsführungsbeispiel ist der Strommesseinrichtung 19 und dem Mikrocontroller 22 ein Signalverstärker 24 zur Verstärkung des Strommesssignals 21 zwischengeschaltet. Das von dem Signalverstärker 24 verstärkte Strommesssignal 21' wird somit dem Mikrocontroller 22 zugeführt. In alternativen Ausführungsformen ist es aber auch denkbar, dass Strommesssignal 21 unmittelbar dem Mikrocontroller 22 zuzuführen. Auf einen Signalverstärker kann dann entweder verzichtet werden, oder dessen Funktionalität kann in die Strommesseinrichtung 19 bzw. in den Mikrocontroller 22 integriert sein.In the exemplary embodiment shown, a signal amplifier 24 for amplifying the
Besonders bevorzugt ist die Anordnung gemäß
Mindestens ein Verstärkungsparameter des Signalverstärkers 24 kann durch den Motorcontroller 15 einstellbar sein. Beispielsweise kann der Verstärkungsfaktor und/oder der Offset des Signalverstärkers 24 einstellbar sein. Für die Bereitstellung der Verstärkungsparameter ist in
Vorzugsweise weist der Mikrocontroller 22 eine geringere Verarbeitungsbreite, von beispielsweise 8- oder 16-Bit, und/oder eine geringere Taktzeit auf als der Motorcontroller 15. Für die Steuerung des Elektromotors 5 ist üblicherweise eine Taktzeit von 250 µs für den Motorcontroller 15 ausreichend, während eine solche Taktzeit keine ausreichend geringe Reaktionszeit bei der Überwachung des Kondensatorstroms gewährleisten kann. Durch die Verwendung eines separaten Mikrocontrollers 22 für die Überwachung des Kondensatorstroms kann demnach mit Hilfe von einfachen elektronischen Bauteilen auf eine aufwändige Leistungssteigerung des Motorcontrollers 15 verzichtet werden. Der separate Mikrocontroller 22 reduziert die Belastung des Motorcontrollers 15, so dass dieser bei der Motorsteuerung engeren zeitlichen Toleranzbereichen genügt.
In
Wie in
Die Reaktionszeit T ist vorzugsweise kleiner als 20 µs, bevorzugt kleiner als 15 µs. In einem solchen Zeitraum erreicht ein Kurzschlussstrom im Kondensator-Zweig 12.3 üblicherweise eine Größenordnung von etwa 100 A. Derartige Ströme können noch mit Halbleiter-Schaltelementen 20 wie beispielsweise MOSFETs unterbrochen werden, ohne dass ein Lawinen-Effekt eintritt.The reaction time T is preferably less than 20 μs, preferably less than 15 μs. In such a period of time, a short-circuit current in the capacitor branch 12.3 usually reaches a magnitude of approximately 100 A. Such currents can still be interrupted with
Der Mikrocontroller 22 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, vor der Ausgabe des Öffnungsbefehls 23` die Überschreitung des Schwellenwertes S anhand von mindestens zwei aufeinander folgenden Auswertungen des Strommesssignals 21, 21' festzustellen. Der Mikrocontroller 22 nimmt daher in der Reaktionszeit T vorzugsweise zwei bis fünf Messwert-Abtastungen des Strommesssignals 21' vor und stellt beispielsweise durch ein Glitch-Filter fest, ob die Überschreitung des Schwellenwertes S aufgrund eines wahren Fehlerereignisses eingetreten ist. Die Auswertung des Strommesssignals 21, 21' und/oder die Reaktionszeit T können über die Software des Mikrocontrollers 22 anpassbar sein. Sofern eine wahre Fehlerursache angenommen werden muss, wird der Öffnungsbefehl 23' ausgegeben.The
Der Mikrocontroller 22 kann ferner dazu ausgebildet seine, als Schaltsignal 23 ein pulsweitenmoduliertes Signal 23" an die Schalteinrichtung 20 auszugeben, um einen Stromfluss im Kondensator 18 zu begrenzen. Die Einschaltdauern des pulsweitenmodulierten Signals 23" können im Bereich von 5 µs bis 75 µs, bevorzugt im Bereich von 10µs bis 60 µs, besonders bevorzugt im Bereich von 20 µs bis 50 µs liegen. Die Ausschaltdauern können im Bereich von 100 µs liegen. Das Einschaltmuster des pulsweitenmodulierten Signals 23" kann über die Software des Mikrocontrollers 22 anpassbar sein.The
Die Verwendung eines pulsweitenmodulierten Signals 23" zur Begrenzung des Kondensatorstroms kann Fehlerzustände im Kondensator 18 verhindern und die von der Spannungsquelle 11 bereitgestellte Spannung insbesondere während eines Einschaltvorgangs der Steuervorrichtung 10 stabilisieren. Derartige Spannungsschwankungen können andernfalls zu Störungen, wie beispielsweise einem Neustart des Motorcontrollers führen.The use of a pulse width modulated signal 23" to limit the capacitor current can prevent error states in the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Kraftfahrzeuglenkungmotor vehicle steering
- 22
- Lenkwellesteering shaft
- 33
- Lenkeingabemittelsteering input means
- 44
- Lenkeingabesensorsteering input sensor
- 55
- Elektromotorelectric motor
- 66
- Zahnstangerack
- 77
- Lenkgetriebesteering gear
- 88th
- RäderWheels
- 99
- Spurstangentie rods
- 1010
- Steuervorrichtungcontrol device
- 1111
- Spannungsquellevoltage source
- 1212
- Stromversorgungspfadpower path
- 12.112.1
- Hauptzweigmain branch
- 12.212.2
- Wechselrichter-Zweiginverter branch
- 12.312.3
- Kondensator-Zweigcapacitor branch
- 1313
- Wechselrichterinverter
- 1414
- Ausgangsanschlussoutput port
- 1515
- Motorcontrollerengine controller
- 16, 16`16, 16`
- Gate-Treiber-Einheitgate driver unit
- 1717
- Fahrerlenkwunschdriver steering request
- 1818
- Kondensatorcapacitor
- 1919
- Strommesseinrichtungcurrent measuring device
- 2020
- Schalteinrichtungswitching device
- 2121
- Strommesssignalcurrent measurement signal
- 21'21'
- verstärktes Strommesssignalamplified current measurement signal
- 2222
- Mikrocontrollermicrocontroller
- 2323
- Schaltsignalswitching signal
- 23'23'
- Öffnungsbefehlopening command
- 23"23"
- pulsweitenmoduliertes Signalpulse width modulated signal
- 2424
- Signalverstärkersignal booster
- 2525
- Strommesseinrichtungcurrent measuring device
- 2626
- Fahrzeugbusvehicle bus
- 221221
- Eingang des MikrocontrollersMicrocontroller input
- 222222
- Ausgang des Mikrocontrollersoutput of the microcontroller
- SCSC
- Kurzschlusssignalshort circuit signal
- I1I1
- Gesamtstrom im Hauptzweigtotal current in the main branch
- I2I2
- Strom im Kondensator-Zweigcurrent in the capacitor branch
- Uu
- Spannung an der SchalteinrichtungVoltage at the switching device
- TT
- Reaktionszeitreaction time
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102019200091 A1 [0002, 0008]DE 102019200091 A1 [0002, 0008]
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-
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-
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- 2022-06-15 WO PCT/EP2022/066253 patent/WO2022268591A1/en unknown
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