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Die Erfindung betrifft eine Steuerungsanordnung für die Steuerung des Betriebs einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, umfassend eine elektrische Maschine und eine zur Ausgabe wenigstens eines Signals an die elektrische Maschine ausgebildete Steuerungseinrichtung.
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Steuerungsanordnungen für die Steuerung des Betriebs von elektrischen Maschinen, die dazu ausgebildet sind, wenigstens ein Signal an die elektrische Maschine mittels einer Steuerungseinrichtung auszugeben, beispielsweise der elektrischen Maschine für den Betrieb der elektrischen Maschine erforderliche Ströme auszugeben, sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Ferner ist bekannt, dass in derartigen Steuerungsanordnungen elektrische Betriebsparameter überwacht werden, um zu verhindern, dass die elektrische Maschine außerhalb vordefinierter Betriebsgrenzen betrieben werden kann. Tritt beispielsweise ein Fehlerfall auf, zum Beispiel ein Isolationsfehler, wird sichergestellt, dass die Ausgabe des Signals an die elektrische Maschine nicht zu einer weitergehenden Beschädigung führen kann. Beispielsweise wird bei einem erfassten Fehlerfall ein Betrieb der elektrischen Maschine eingestellt, sodass ein weiterer Betrieb der elektrischen Maschine nicht zu potenziell gefährlichen Zuständen führen kann.
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Hierzu ist es beispielsweise bekannt, den von der elektrischen Maschine, zum Beispiel einem Stellmotor, aufgenommenen Strom zu überwachen. Tritt ein Fehlerfall auf, wird der Fehlerfall jedoch erst bei Überschreiten eines vordefinierten Maximalstroms erfasst, sodass in dem Fehlerfall bereits der vordefinierte Maximalstrom überschritten werden muss, um den Fehlerfall zu erfassen und die Stilllegung auslösen zu können. Ein weiterer Ansatz sieht vor, eine Spannungsüberwachung in der Steuerungsanordnung vorzusehen, sodass ein auftretender Fehlerzustand bereits vor dem Betrieb der elektrischen Maschine erfasst und die elektrische Maschine stillgelegt werden kann. Nachteilig hierbei ist, dass bereits vergleichsweise geringe Isolationsfehler, beispielsweise durch den Abrieb einer Lauffläche der elektrischen Maschine zu einem erfassten Fehlerfall führen können, der gegebenenfalls für den Betrieb der elektrischen Maschine nicht schädlich ist, sondern der Betrieb der elektrischen Maschine trotz des erfassten Fehlerfalls weitergeführt werden könnte, die elektrische Maschine aber aufgrund des erfassten Fehlerfalls dennoch stillgelegt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine demgegenüber verbesserte Steuerungsanordnung für die Steuerung des Betriebs einer elektrischen Maschine anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch eine Steuerungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Wie beschrieben, betrifft die Erfindung eine Steuerungsanordnung für die Steuerung des Betriebs einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors. Die Steuerungsanordnung umfasst die elektrische Maschine und eine Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, wenigstens ein Signal an die elektrische Maschine auszugeben. Die Steuerungseinrichtung kann beispielsweise entsprechende Steuersignale erzeugen oder der elektrischen Maschine direkt Ströme zuführt, um die elektrische Maschine zu betreiben. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, einen Fehlerzustand, insbesondere einen Isolationsfehler, der elektrischen Maschine spannungsbasiert zu erfassen, wobei die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, nach einem erfassten Fehlerzustand einen strombegrenzten Betriebszustand der elektrischen Maschine auszuführen und einen durch den Fehlerzustand erzeugten Fehlerstrom zu erfassen.
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Mit anderen Worten schlägt die Erfindung vor, die spannungsbasierte Überwachung bzw. Erfassung des Fehlerzustands zu verwenden, um vor einem Betrieb der elektrischen Maschine einen auftretenden Fehlerzustand erfassen und anschließend den strombegrenzten Betriebszustand ausführen zu können. Bei dem Fehlerzustand kann es sich beispielsweise um einen Isolationsfehler handeln, also beispielsweise um einen Fehler der Isolation zwischen Rotor und Stator und/oder zwischen einer Wicklung und einem Gehäuse der elektrischen Maschine. Ein solcher Isolationsfehler kann beispielsweise aufgrund von Partikeln entstehen, die bei einem Betrieb der elektrischen Maschine durch die Drehbewegung abgetragen werden. Beispielsweise kann aufgrund der Reibbewegung von Kommutatorelementen an einer Lauffläche des Rotors ein Abrieb des Materials entstehen, der sich zwischen dem Rotor und dem Stator ablagert. Durch eine Ansammlung derartiger Partikel kann insbesondere ein „Span“ ausgebildet werden, der eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Rotor und Stator ausbildet. Zwar kann über eine solche Partikelansammlung kein nennenswerter Strom geführt werden, die spannungsbasierte Fehlerüberwachung erfasst den Fehlerzustand jedoch trotzdem, sodass üblicherweise ein Stilllegen der elektrischen Maschine folgen würde. Statt einer Stilllegung der elektrischen Maschine schlägt die vorliegende Erfindung vor, einen strombegrenzten Betriebszustand der elektrischen Maschine auszuführen und dabei den Fehlerstrom zu erfassen, der durch das Auftreten des Fehlerzustands erzeugt wird.
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Somit kann bei einem erfassten Fehlerzustand ein strombegrenzter Betriebszustand ausgeführt werden, um zu überprüfen, ob der Fehlerzustand einen signifikanten Anstieg des Fehlerstroms bewirkt oder ob der weitere, wenn auch strombegrenzte, Betrieb der elektrischen Maschine möglich ist. Dadurch wird zum einen gewährleistet, dass ein weiterer Betrieb der elektrischen Maschine nicht zu einem potenziell unsicheren Zustand führen kann, da die Strombegrenzung in dem strombegrenzten Betriebszustand den maximal auftretenden Fehlerstrom gegenüber einem regulären Betriebszustand begrenzt. Weiterhin wird ausgeschlossen, dass ein geringfügiger Fehlerzustand, der einen weiteren Betrieb der elektrischen Maschine grundsätzlich zulassen würde, zu einem Stilllegen der elektrischen Maschine führt, ohne dass dies erforderlich wäre.
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Im Speziellen kann durch Ausführen des strombegrenzten Betriebszustands der elektrischen Maschine eine „Selbstheilung“ auftreten, in dem der Fehlerzustand durch den weiteren Betrieb der elektrischen Maschine beseitigt wird. In dem zuvor beschriebenen Beispiel der Ansammlung der leitfähigen Partikel, kann das Aufbringen des Fehlerstroms innerhalb der Strombegrenzung die Partikelansammlung auflösen, beispielsweise den Span aufschmelzen. Der Fehlerzustand kann somit durch den strombegrenzten Betriebszustand der elektrischen Maschine selbst beseitigt werden, sodass ein fehlerfreier Betrieb der elektrischen Maschine wieder möglich ist.
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Liegt tatsächlich ein anderweitiger Fehlerzustand vor, kann dies in dem strombegrenzten Betriebszustand der elektrischen Maschine anhand des erzeugten Fehlerstroms erfasst werden. In diesem Fall kann entschieden werden, ob tatsächlich ein Fehlerzustand vorliegt, der eine Stilllegung der elektrischen Maschine erfordert oder ob ein weiterer Betrieb der elektrischen Maschine, wenn auch strombegrenzt, möglich ist oder ob nach Ausführen des strombegrenzten Betriebszustands der Fehlerzustand aufgehoben wurde.
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Der „strombegrenzte Betriebszustand“ stellt einen Betriebszustand der elektrischen Maschine dar, in dem der Strom, der an die elektrische Maschine für den Betrieb ausgegeben wird, gegenüber einem normalen Betriebszustand bzw. einem Normalbetrieb, begrenzt ist. Mit anderen Worten ist der maximale Strom, der in dem strombegrenzten Betriebszustand an die elektrische Maschine ausgegeben wird, niedriger als ein maximaler Strom in einem normalen Betriebszustand. Die Begrenzung des Stroms in dem strombegrenzten Betriebszustand kann beispielsweise in Abhängigkeit wenigstens einer Sicherheitsanforderung bzw. einer Belastbarkeit wenigstens eines elektrischen oder elektronischen Bauteils ausgewählt bzw. festgelegt werden.
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Nach einer Ausgestaltung der Steuerungsanordnung kann vorgesehen sein, dass der Fehlerstrom basierend auf einem in eine Wicklung der elektrischen Maschine einfließenden und auf einem aus einer Wicklung der elektrischen Maschine ausfließenden Stroms bestimmt wird, insbesondere basierend auf einer Differenz des einfließenden und des ausfließenden Stroms. Durch Vergleich des an die elektrische Maschine ausgegebenen Stroms zu dem aus der elektrischen Maschine rückfließenden Stroms kann festgestellt werden, ob sich ein Isolationsfehler an der Entwicklung der elektrischen Maschine eingestellt hat, sodass der Fehlerstrom sich letztlich aus der Differenz zwischen dem einfließenden und dem ausfließenden Strom ergibt. Entspricht der einfließende Strom dem ausfließenden Strom, kann sich kein Fehlerstrom an der Wicklung der elektrischen Maschine ausbilden. Je nachdem, wie sich ein Fehlerstrom während des strombegrenzten Betriebszustands ausbildet, kann der Fehlerzustand klassifiziert werden, beispielsweise in einen sich selbst aufhebenden Fehler, einen geringfügigen tolerierbaren Fehler oder einen Fehler, der eine Stilllegung der elektrischen Maschine erfordert.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Steuerungsanordnung kann vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, in dem strombegrenzten Betriebszustand, insbesondere initial, eine Bestromung der elektrischen Maschine basierend auf einem, insbesondere rampenförmigen, Stromgradienten auszuführen. Wie beschrieben, wird in dem strombegrenzten Betriebszustand gegenüber einem Normalbetrieb der an die elektrische Maschine ausgegebene Strom begrenzt bzw. reduziert. Hierbei kann, beispielsweise zu Beginn einer Bestromung, der Strom rampenförmig oder anderweitig erhöht werden. Hierbei kann eine fortlaufende Überwachung des Fehlerstroms bzw. des Verhaltens des Fehlerstroms durchgeführt werden. Steigt der Fehlerstrom beispielsweise zusammen mit dem Stromgradienten an, kann das Verhalten des Fehlerstroms charakterisiert werden. Hierbei kann, wie zuvor beschrieben, eine Begrenzung des Fehlerstroms durchgeführt werden, sodass bei Erreichen eines definierten Schwellwerts bzw. Fehlerstromgrenzwerts des Fehlerstroms eine Stilllegung der elektrischen Maschine durchgeführt wird. Wird der Fehlerstromgrenzwert nicht überschritten, kann der der elektrischen Maschine bereitgestellte Strom bis auf den in dem Normalbetrieb bereitgestellten Strom erhöht werden.
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Ebenso ist es möglich, dass der Fehlerstrom einen Maximalwert unterhalb des definierten Schwellwerts annimmt, sodass der Fehlerstrom letztlich aufgrund eines vorliegenden Fehlerzustands erzeugt wird, der durch den Fehlerstrom verursachte Fehler jedoch im Betrieb der elektrischen Maschine toleriert werden kann. In einem solchen Fall ist ein weiterer Betrieb der elektrischen Maschine, beispielsweise unter Ausgabe einer Warnmeldung, möglich, zumindest in dem strombegrenzten Betriebszustand. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass der Fehlerstrom nach einem Ansteigen wieder abfällt, beispielsweise wenn eine Selbstheilung des Fehlerzustands aufgrund der Bestromung auftritt. Wie beschrieben, kann die Bestromung der elektrischen Maschine basierend auf einem Stromgradienten ausgeführt werden. Der Stromgradient kann dabei jedwede beliebige Form annehmen, beispielsweise rampenförmig oder stufenweise durchgeführt werden.
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Die Steuerungseinrichtung der Steuerungsanordnung kann ferner dazu ausgebildet sein, bei einem Fehlerstrom unterhalb eines definierten Fehlerstromgrenzwerts, insbesondere unterhalb 500 mA, eine Bestromung basierend auf dem Stromgradienten fortzusetzen und/oder bei einem Fehlerstrom oberhalb des definierten Fehlerstromgrenzwerts den Betrieb der elektrischen Maschine einzustellen. Wie beschrieben, kann ein letztlich beliebiger Schwellwert, d.h., der Fehlerstromgrenzwerts, definiert werden und der Fehlerstrom in Bezug auf den Fehlerstromgrenzwerts überwacht werden. Liegt der Fehlerstrom während des strombegrenzten Betriebszustands der elektrischen Maschine unterhalb des Fehlerstromgrenzwerts, kann der Betrieb der elektrischen Maschine fortgesetzt werden. Dabei können weitere Fälle des Betriebs der elektrischen Maschine unterschieden werden.
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Fällt der Fehlerstrom während des Betriebszustands, insbesondere des strombegrenzten Betriebszustands, wieder ab, insbesondere auf 0, kann von einer Selbstheilung des Fehlerzustands ausgegangen werden. Ergibt eine erneute Überprüfung des Fehlerzustands, dass der Fehlerzustand aufgehoben ist, ist wieder ein Normalbetrieb der elektrischen Maschine möglich. Verbleibt der Fehlerstrom ungleich null, jedoch unterhalb des Fehlerstromgrenzwerts, beispielsweise abhängig von dem der elektrischen Maschine bereitgestellten Strom, kann zumindest der strombegrenzte Betrieb der elektrischen Maschine fortgesetzt werden. Hierbei kann beispielsweise der der elektrischen Maschine bereitgestellte Strom solange erhöht werden, bis der Fehlerstrom in den Bereich des Fehlerstromgrenzwerts kommt oder diesen überschreitet. Letztlich ist dadurch ein Betrieb der elektrischen Maschine bis zu dem Fehlerstromgrenzwerts des Fehlerstroms möglich. In diesem Fall kann beispielsweise eine Fehlermeldung ausgegeben werden bzw. die Notwendigkeit eines Werkstattbesuchs vorgeschlagen werden. Steigt der Fehlerstrom in dem strombegrenzten Betriebszustand über den definierten Fehlerstromgrenzwert, kann die Steuerungseinrichtung den Betrieb der elektrischen Maschine stilllegen, da davon auszugehen ist, dass ein schwerwiegender Fehlerzustand vorliegt.
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Die beschriebene Steuerungsanordnung kann ferner dahingehend weitergebildet werden, dass nach einem abgeschlossenen strombegrenzten Betriebszustand eine erneute spannungsbasierte Erfassung eines Fehlerzustands durchgeführt wird. Dabei kann verifiziert werden, ob der zuvor erfasste Fehlerzustand noch immer vorliegt. Tritt beispielsweise eine Selbstheilung durch die Bestromung in dem strombegrenzten Betriebszustand auf, kann bei einer erneuten Erfassung des Fehlerzustands festgestellt werden, dass der Fehlerzustand durch die Bestromung behoben wurde. Ebenso kann, wie zuvor beschrieben, zwar ein Fehlerzustand vorliegen, der jedoch einen Betrieb der elektrischen Maschine zumindest in dem strombegrenzten Betriebszustand zulässt. Dadurch können Fehlerzustände erfasst werden, jedoch ein unnötiges Stilllegen der elektrischen Maschine verhindert werden. Es kann zumindest ein eingeschränkter Betrieb der elektrischen Maschine erhalten bleiben. Insbesondere kann erfasst und verifiziert werden, dass aufgrund einer Selbstheilung durch die Bestromung in dem strombegrenzten Betriebszustand der Fehlerzustand behoben wurde, sodass ein Normalbetrieb der elektrischen Maschine wieder fortgesetzt werden kann.
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Die Steuerungseinrichtung kann nach einer Ausgestaltung der Steuerungsanordnung ein Widerstandsnetzwerk umfassen oder mit einem Widerstandsnetzwerk gekoppelt sein, das wenigstens zwei mit einer Motorwicklung in Reihe geschaltete Testwiderstände aufweist, die in Bezug auf den Wicklungswiderstand hochohmig sind. Der Begriff „hochohmig“ wird im Rahmen dieser Anmeldung derart verstanden, dass der elektrische Widerstand der Testwiderstände um wenigstens eine Größenordnung, insbesondere mehrere Größenordnungen, von dem elektrischen Widerstand der Motorwicklung abweichen. Weist der Wicklungswiderstand der Wicklung der elektrischen Maschine einen elektrischen Widerstand im Bereich von wenigen Ohm auf, weist der Testwiderstand zum Beispiel einen elektrischen Widerstand im kOhm-Bereich auf. Dadurch wird erreicht, dass bereits eine spannungsbasierte Erfassung eines Fehlerzustands möglich ist, ohne einen Betrieb der elektrischen Maschine durchzuführen. Das bedeutet, dass auftretende Fehlerzustände bereits ohne Betrieb, d.h. ohne signifikanten Stromfluss in der Motorwicklung durchgeführt werden können. Hiervon unabhängig kann das Widerstandsnetzwerk weitere Testwiderstände aufweisen, die für die Erfassung des Fehlerstroms, wie zuvor beschrieben, vorgesehen sind.
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Die Steuerungsanordnung kann ferner dahingehend weitergebildet werden, dass die Steuerungseinrichtung dazu ausgebildet ist, dem strombegrenzten Betriebszustand während oder anstelle eines nächsten regulären Betriebszustands oder vor Auslösen eines nächsten regulären Betriebszustands, insbesondere ohne Veränderung des Zustands der von der elektrischen Maschine betriebenen Einrichtung, auszuführen. Wie beschrieben, kann die Steuerungseinrichtung für das Ausführen verschiedener Aufgaben der Steuerungsanordnung eine Bestromung der elektrischen Maschine auslösen. In der Steuerungseinrichtung sind somit verschiedene reguläre Betriebsmodi bzw. Betriebszustände hinterlegt und können von dieser geplant bzw. abgerufen und initialisiert werden.
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Hierbei kann vorgesehen sein, dass bei einem erfassten Fehlerzustand der strombegrenzte Betriebszustand anstelle des nächsten regulären Betriebszustands oder während des nächsten regulären Betriebszustands durchgeführt wird, d.h., dass ein Fehlerzustand erfasst werden kann, die Steuerungseinrichtung mit der Ausführung des strombegrenzten Betriebszustands jedoch abwartet, bis die elektrische Maschine zur Ausführung der ihr zugeordneten Aufgabe wieder in Betrieb genommen werden soll. Anstelle des regulären Betriebszustands wird dann der strombegrenzte Betriebszustand ausgeführt. Dadurch kann der Fehlerzustand überwacht werden, bis die elektrische Maschine tatsächlich eingesetzt werden soll. Hierbei kann die Aufgabe durch die elektrische Maschine ausgeführt werden, wenn auch in einem reduzierten Leistungsumfang, beispielsweise mit einer reduzierten Stellgeschwindigkeit.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Steuerungseinrichtung vor Auslösen des nächsten regulären Betriebszustands den strombegrenzten Betriebszustand durchführt. Beispielsweise kann unabhängig von einem angeforderten regulären Betriebszustand ein Testbetriebszustand durchgeführt werden, in dem ein strombegrenzter Betriebszustand verwendet wird, um die elektrische Maschine zu bestromen. Hierbei kann der strombegrenzte Betriebszustand insbesondere ohne Veränderung des Zustands der von der elektrischen Maschine betriebenen Einrichtung ausgeführt werden. Beispielsweise kann die elektrische Maschine so betrieben werden, dass ein Element der Einrichtung gegen einen Anschlag oder gegen einen Endpunkt bewegt wird und somit der Zustand der Einrichtung nicht verändert wird. Beispielsweise kann eine Parksperre im eingelegten Zustand gegen einen Endanschlag bewegt werden, sodass sich der Zustand der Parksperre nicht ändert, der strombegrenzte Betriebszustand der elektrischen Maschine aber ausgeführt werden kann, um den Fehlerstrom zu überwachen und somit den Fehlerzustand klassifizieren zu können.
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Wie beschrieben, kann die elektrische Maschine verschiedenen Einrichtungen, insbesondere Einrichtungen an einem Kraftfahrzeug, zugeordnet sein. Die elektrische Maschine kann zwar als Stellmotor, insbesondere als Parksperrenaktor oder Getriebeaktor, oder als Lüftermotor ausgebildet sein.
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Neben der Steuerungsanordnung betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, das eine zuvor beschriebene Steuerungsanordnung umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren für die Steuerung des Betriebs einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, umfassend eine elektrische Maschine und eine zur Ausgabe wenigstens eines Signals an die elektrische Maschine ausgebildete Steuerungseinrichtung, wobei ein Fehlerzustand, insbesondere ein Isolationsfehler, der elektrischen Maschine spannungsbasiert erfasst wird, wobei nach einem erfassten Fehlerzustand ein strombegrenzter Betriebszustand der elektrischen Maschine ausgeführt wird und ein durch den Fehlerzustand erzeugter Fehlerstrom erfasst wird.
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Sämtliche Vorteile, Einzelheiten und Merkmale, die in Bezug auf die Steuerungsanordnung beschrieben wurden, sind vollständig auf das Kraftfahrzeug und das Verfahren übertragbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Fig. erläutert. Die Fig. sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine Steuerungsanordnung nach einem Ausführungsbeispiel;
- 2 ein beispielhafter Ablauf eines Verfahrens für die Steuerung des Betriebs einer elektrischen Maschine; und
- 3 ein beispielhaftes Diagramm der Bestromung einer elektrischen Maschine einer Steuerungsanordnung nach 1 in einem beispielhaften strombegrenzten Betriebszustand.
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1 zeigt eine Steuerungsanordnung 1 für die Steuerung des Betriebs einer elektrischen Maschine 2, beispielsweise eines Elektromotors. Die Steuerungsanordnung 1 weist eine Steuerungseinrichtung 3 auf, die dazu ausgebildet ist, der elektrischen Maschine 2 wenigstens ein Signal auszugeben, beispielsweise die elektrische Maschine 2 zu bestromen. Lediglich beispielhaft ist eine Motorwicklung 4 der elektrischen Maschine 2 dargestellt, die über die ebenfalls beispielhaft dargestellten Klemmen 5, 6 an eine elektrische Energieversorgung, beispielsweise eine Batterie angeschlossen werden können.
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Die grundsätzliche Ausgestaltung bzw. Ausführung der Steuerungsanordnung 1, insbesondere bezogen auf Schalterelemente 7, die in diesem Ausführungsbeispiel als MOSFETs einer sogenannten H-Brücke ausgeführt sind, ist grundsätzlich beliebig und je nach Anwendung änderbar. Die dargestellte Steuerungsanordnung 1 wird lediglich in Bezug auf die Durchführung des Verfahrens bzw. die Erfassung des Fehlerzustands und die Ausführung des strombegrenzten Betriebszustands herangezogen. Grundsätzliche Änderungen der Topologie der Steuerungsanordnung 1 in Bezug auf elektrische oder elektronische Bauteile sind im Rahmen der Anmeldung ohne Weiteres möglich.
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Die Steuerungsanordnung 1, insbesondere die Steuerungseinrichtung 3, ist zur spannungsbasierten Erfassung von Fehlerzuständen ausgebildet. Dazu weist die Steuerungseinrichtung 3 zwei Testwiderstände 8, 9 auf. Die Testwiderstände 8, 9 sind insbesondere gegenüber der Motorwicklung 4 hochohmig ausgeführt, d.h., dass die elektrischen Widerstände der Testwiderstände 8, 9 um Größenordnungen höher sind als der elektrische Widerstand der Motorwicklung 4. Lediglich beispielhaft weist der erste und zweite Testwiderstand 8, 9 einen elektrischen Widerstand im Bereich von kOhm auf, während die Motorwicklung 4 einen elektrischen Widerstand im Bereich weniger Ohm aufweist. Die Steuerungseinrichtung 1 weist ferner zwei Strommesswiderstände 10, 11 auf, die zur Erfassung bzw. Bestimmung eines Fehlerstroms in der elektrischen Maschine 2 ausgebildet sind. Mit anderen Worten werden die Testwiderstände 8, 9 für die spannungsbasierte Erfassung von Fehlerzuständen verwendet, wohingegen die Strommesswiderstände 10, 11 zur Bestimmung des Fehlerstroms in der elektrischen Maschine 2 verwendet werden.
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Für die spannungsbasierte Überwachung des Fehlerzustands sind beispielhaft erfasste Spannungen „U1“ und „U2“ dargestellt, die an den Testwiderständen 8, 9 erfasst werden können. Lediglich beispielhaft ist in 1 ein Fehlerzustand dargestellt, der in einem regulären Betriebszustand nicht auftritt. Der Fehlerzustand ist durch Ausbilden eines Fehlwiderstands RISO schematisch dargestellt und steht beispielhaft für einen beliebigen Fehlerzustand, insbesondere einen Isolationsfehler, beispielsweise eine Verbindung der Motorwicklung 4 oder eines Motoranschlusses der elektrischen Maschine 2 gegen Masse. Ein solcher Fehlerzustand kann durch mehrere Ursachen begründet sein und gegebenenfalls eine Stilllegung der elektrischen Maschine 2 erforderlich machen. Es ist jedoch auch möglich, dass ein derartiger Fehlerzustand einen weiteren Betrieb der elektrischen Maschine 2 zulässt, insbesondere durch einen weiteren Betrieb der elektrischen Maschine 2 behoben bzw. „geheilt“ werden kann.
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Tritt ein derartiger Fehlerzustand auf, ist dies durch entsprechende Veränderung der an den Testwiderständen 8, 9 abgegriffenen Spannungen U1, U2 erkennbar bzw. erfassbar, insbesondere ohne, dass ein aktiver Betrieb der elektrischen Maschine 2 aufgenommen werden muss bzw. ohne, dass die Motorwicklung 4 signifikant bestromt werden muss. Der Fehlerzustand führt dazu, dass die Spannung U1 und/oder die Spannung U2 einen bestimmten Schwellwert unterschreitet, sodass der Fehlerzustand durch die Steuerungseinrichtung 3 erfasst werden kann. Grundsätzlich können somit Isolationsfehler zwischen Motorwicklung und Masse bzw. Motoranschluss und Masse oder Isolationsfehler gegen die Batteriespannung ermittelt werden. Die Testwiderstände 8, 9 bilden somit zusammen mit der Motorwicklung 4 der elektrischen Maschine 2 ein Widerstandsnetzwerk 12.
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Wird der Fehlerzustand, wie beschrieben, erfasst, kann die Steuerungseinrichtung 3 die elektrische Maschine 2 in einem strombegrenzten Betriebszustand betreiben bzw. einen strombegrenzten Betriebszustand initialisieren. In Bezug auf 2 startet das Verfahren schematisch in einem Block 13, in dem überprüft wird, ob ein zuvor beschriebener Fehlerzustand erfasst wurde. Wurde kein Fehlerzustand spannungsbasiert erfasst, kann von Block 13 auf Block 14 verzweigt werden, indem der Normalbetrieb der elektrischen Maschine 2 weiterhin ausgeführt werden kann, d.h., dass insbesondere keine Strombegrenzung der elektrischen Maschine 2 ausgeführt werden muss.
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Ergibt die Überprüfung in Block 13, dass ein Fehlerzustand erfasst wurde, wird von Block 13 auf Block 15 verzweigt, in dem eine Ausführung des strombegrenzten Betriebszustands geplant werden kann. Grundsätzlich bietet Block 15 mehrere Möglichkeiten der Ausführung des strombegrenzten Betriebszustands der elektrischen Maschine 2. Eine erste Möglichkeit besteht darin, den strombegrenzten Betriebszustand bei der nächsten regulären Inbetriebnahme der elektrischen Maschine 2 auszuführen. Die elektrische Maschine 2 kann grundsätzlich einer beliebigen Einrichtung, insbesondere einer Einrichtung eines Kraftfahrzeugs, zugeordnet werden. Die elektrische Maschine 2 kann zum Beispiel einer Parksperre oder einem Getriebesteller oder einem Lüfter zugeordnet sein, um ein entsprechendes Element der Einrichtung zu bewegen. Hierbei kann die Steuerungseinrichtung 3 die Ausführung des strombegrenzten Betriebszustands der elektrischen Maschine 2 derart planen, dass dieser anstelle des nächsten regulären Betriebszustands ausgeführt wird. Wird beispielsweise das Bewegen des Elements der Einrichtung, der die elektrische Maschine 2 zugeordnet ist, angefordert, wird anstelle des regulären Betriebszustands der strombegrenzte Betriebszustand ausgeführt.
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Eine weitere Möglichkeit in Block 15 kann vorsehen, dass der strombegrenzte Betriebszustand vor Ausführen des nächsten regulären Betriebszustands der elektrischen Maschine 2 ausgeführt wird. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Funktionsfähigkeit der elektrischen Maschine 2 vollständig überprüft und sichergestellt oder die elektrische Maschine 2 stillgelegt wird, bevor die elektrische Maschine 2 das nächste Mal regulär eingesetzt werden muss. Beispielsweise kann dies vorgenommen werden, indem die elektrische Maschine 2 das Element der Einrichtung gegen einen Anschlag oder einen Endpunkt bewegt, sodass sich der Zustand der Einrichtung nicht ändert. Ist die elektrische Maschine 2 einer Parksperre zugeordnet, kann ein entsprechendes Element der Parksperre gegen einen Anschlag oder einen Endpunkt bewegt werden, ohne den Zustand der Parksperre zu verändern, d.h., dass die Parksperre eingelegt oder ausgelegt bleibt. Je nach Überprüfungsergebnis kann die elektrische Maschine 2 anschließend für einen weiteren Betrieb zugelassen oder stillgelegt werden.
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Nach Planung des strombegrenzten Betriebszustands kann von Block 15 auf Block 16 verzweigt werden, in dem der strombegrenzte Betriebszustand ausgeführt werden kann. Hierbei wird der elektrischen Maschine 2 ein Strom bereitgestellt, der gegenüber dem Normalbetrieb reduziert ist. Insbesondere kann, wie in 3 dargestellt, zumindest initial, der der elektrischen Maschine 2 bereitgestellte Strom gemäß eines Stromgradienten bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann der Strom rampenförmig bereitgestellt werden, wobei der Fehlerstrom, der durch den Fehlerzustand erzeugt wird, überwacht werden kann. In dem in 3 dargestellten Diagramm wird der der elektrischen Maschine 2 bereitgestellte Strom mit einer Kurve 17 und der Fehlerstrom mit einer Kurve 18 dargestellt. Grundsätzlich kann das Diagramm Ströme über die Zeit darstellen, nämlich den bereitgestellten Strom und den Fehlerstrom gemäß Kurve 17, 18.
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Ferner ist in dem Diagramm ein Fehlerstromgrenzwert 19 dargestellt, anhand dessen der weitere Betrieb der elektrischen Maschine 2 bewertet werden kann. Mit anderen Worten wird der der elektrischen Maschine bereitgestellte Strom gemäß Kurve 17, insbesondere rampenförmig, erhöht und das Verhalten des Fehlerstroms gemäß Kurve 18 erfasst. Wie beschrieben, weist die Steuerungseinrichtung 3 dazu die Strommesswiderstände 10, 11 auf, die letztlich die in die Motorwicklung 4 einlaufenden Ströme und die aus der Motorwicklung 4 auslaufenden Ströme messbar machen. Mit anderen Worten tritt kein Fehlerstrom auf, wenn der in die Motorwicklung 4 einlaufende Strom dem aus der Motorwicklung 4 auslaufenden Strom entspricht. Bildet sich eine Differenz zwischen den beiden Strömen, kann diese als Fehlerstrom bestimmt werden.
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Bei der rampenförmigen Erhöhung des der elektrischen Maschine bereitgestellten Stroms gemäß Kurve 17 wird aufgrund der Linearität des Systems auch eine Erhöhung des Fehlerstroms gemäß Kurve 18 auftreten. Anschließend kann sich der Fehlerstrom gemäß Kurve 18, 18', 18" in verschiedenen Fällen entwickeln. Gemäß Kurve 18 ist durchgezogen dargestellt, dass der Fehlerstrom zunächst ansteigt und anschließend auf 0 abfällt. Ein solcher Fall tritt insbesondere dann auf, wenn der Fehlerzustand durch eine Ablagerung von Partikeln innerhalb der elektrischen Maschine 2 einen Isolationsfehler bewirkt, der bei ausreichender Bestromung aufgehoben wird, insbesondere durch Schmelzen eines sich ausbildenden Spans von Partikeln. In diesem Fall führt eine weitere Erhöhung des der elektrischen Maschine 2 bereitgestellten Stroms nicht mehr zu einer weiteren Erhöhung des Fehlerstroms, sondern der Fehlerstrom wird auf 0 reduziert.
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In einem Block 20 wird eine Überwachung des Fehlerstroms durchgeführt, wobei in Block 21 überprüft wird, ob der Fehlerstrom gemäß Kurve 18, 18', 18" den Fehlerstromgrenzwert 19 überschritten hat. Überschreitet der Fehlerstrom den Fehlerstromgrenzwert, wie dies gemäß Kurve 18' dargestellt ist, wird von Block 21 auf Block 22 verzweigt, in dem die elektrische Maschine 2 stillgelegt wird. Bleibt der Fehlerstrom gemäß Kurve 18, 18" unterhalb des Fehlerstromgrenzwerts 19, wird von Block 21 auf Block 23 verzweigt, in dem überprüft wird, ob die Betätigungsbewegung seitens der elektrischen Maschine 2 beendet wurde. Solange die Betätigungsbewegung der elektrischen Maschine 2 nicht beendet ist, wird von Block 23 auf Block 16 zurück verzweigt, in dem der Betrieb der elektrischen Maschine 2 in dem strombegrenzten Betriebszustand weiter fortgesetzt wird.
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Mit anderen Worten wird der Betrieb der elektrischen Maschine 2 in dem strombegrenzten Betriebszustand so lange durchgeführt, wie der Fehlerstrom unterhalb des Fehlerstromgrenzwerts 19 verbleibt und solange die Betätigungsbewegung nicht beendet ist. Hierbei ist gemäß Kurve 18" eine weitere Möglichkeit dargestellt, nach der der Fehlerstrom nicht auf 0 abfällt, jedoch über die gesamte Betätigungsbewegung unterhalb des Fehlerstromgrenzwerts 19 verbleibt. In diesem Fall kann optional eine Warnmeldung ausgegeben werden, dass ein Fehlerzustand erfasst und verifiziert wurde, und dass diese für den Betrieb der elektrischen Maschine 2, zumindest in dem strombegrenzten Betriebszustand, nicht unmittelbar schädlich ist. In diesem Fall kann zum Beispiel ein Notbetrieb weiter zugelassen werden.
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Wurde die Betätigungsbewegung beendet ohne dass der Fehlerstromgrenzwert 19 überschritten wurde, kann von dem Block 23 auf Block 13 zurück verzweigt werden, in dem die Erfassung des Fehlerzustands durchgeführt wird. In dem nach Kurve 18 dargestellten Abfallen des Fehlerstroms kann insbesondere eine erneute Überprüfung des Fehlerzustands ergeben, dass der Fehlerzustand aufgehoben wurde, sodass ausgehend von Block 13 auf Block 14 verzweigt werden kann und der Normalbetrieb bzw. der reguläre Betriebszustand der elektrischen Maschine 2 wieder aufgenommen werden kann.
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Wie beschrieben, wurde im Fall der Kurve 18' die elektrische Maschine in Block 22 stillgelegt, sodass eine erneute Überprüfung nicht mehr erforderlich ist. Im Fall der Kurve 18" wird die Überprüfung in Block 13 erneut ergeben, dass ein Fehlerzustand vorliegt, sodass die restlichen Blöcke 15, 16, 20, 21, 23, wie zuvor beschrieben, durchlaufen werden können, sodass der strombegrenzte Betriebszustand durchgeführt werden kann.
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Die in den einzelnen Fig. gezeigten Einzelheiten, Vorteile und Merkmale sind beliebig miteinander kombinierbar, untereinander austauschbar und aufeinander übertragbar. Die Steuerungsanordnung 1 kann insbesondere Bestandteil eines Kraftfahrzeug sein bzw. kann ein solches Kraftfahrzeug die gezeigte Steuerungsanordnung 1 aufweisen. Die Steuerungsanordnung 1 kann einer beliebigen Einrichtung, insbesondere einer Einrichtung eines Kraftfahrzeugs, zugeordnet sein, wobei die elektrische Maschine 2 dazu ausgebildet ist, ein Element der Einrichtung zu bewegen. Die elektrische Maschine 2 kann insbesondere als Stellmotor, beispielsweise für einen Parksperrenaktor oder einen Getriebeaktor oder als Lüftermotor ausgebildet sein.
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Bezugszeichen
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- 1
- Steuerungsanordnung
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- Steuerungseinrichtung
- 4
- Motorwicklung
- 5, 6
- Klemme
- 7
- Schalterelement
- 8, 9
- Testwiderstand
- 10, 11
- Strommesswiderstand
- 12
- Widerstandsnetzwerk
- 13-16
- Block
- 17,18
- Kurve
- 19
- Fehlerstromgrenzwert
- 20-23
- Block
