DE10249568A1

DE10249568A1 - Fehleranalyse einer Wechselrichter-Schaltung

Info

Publication number: DE10249568A1
Application number: DE10249568A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Krüger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: DE10249568B4

Abstract

Es wird ein Verfahren zur verbesserten Fehleranalyse in einer elektronischen Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst in Schaltschritten ein gleichzeitiges Ansteuern von je einem Schalterelement in zwei verschiedenen Halbbrücken der Ansteuervorrichtung, das Ermitteln des dabei aufgenommenen Gesamtstromes der Ansteuervorrichtung und der Höhen der Spannungsabfällle an den angesteuerten Schalterelementen. Mit Hilfe von Plausibilitätstests, die an angesteuerten Schalterelementen ein Abweichen von zulässigen Schwellwerten von Drain-Source-Spannungen erkennen, können Fehlerfälle in Halbbrücken indiziert werden. Aufgrund von ermittelten Durchlasswiderstandswerten der Schalterelemente von fehlerhaft indizierten Halbbrücken können Fehler an Schalterelementen lokalisiert, diagnostiziert und quantifiziert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Fehleranalyse einer elektronischen Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor, insbesondere eine Fehleranalyse für eine Wechselrichterschaltung.

Moderne Ansteuervorrichtungen für Elektromotoren (insbesondere elektronisch kommutierte E-Motoren) sind heutzutage vorzugsweise als Wechselrichterschaltungen mit Halbleiterschalterelementen ausgebildet. Die Wechselrichterschaltungen wandeln eine gepufferte Zwischenkreisgleichspannung in eine dreiphasige variable Ausgangsspannung für die Ansteuerung des Elektromotors um. Die Wechselrichterschaltungen umfassen als Schalterelemente vorzugsweise Transistoren, die jeweils mit einer Freilaufdiode ausgestattet sein können. Jeweils zwei Transistoren sind in Reihe geschaltet, wobei eine Reihenschaltung als Halbbrücke bezeichnet wird. Ein Aus- bzw. Fehlerfall in einem der Schalterelemente während des Betriebes der Wechselrichterschaltung kann eine empfindliche Störung bzw. Verschlechterung des Betriebes des angesteuerten Motors bewirken. Deshalb ist es wünschenswert, alle Schalterelemente während des Betriebes permanent zu überwachen.

Zur Überwachung der Funktionsfähigkeit der Halbbrücken und zur Verhinderung einer Überlastung des Elektromotors kann die Drain-Source-Spannungen der Transistoren im angesteuerten Zustand erfasst und mit einem Schwellwert verglichen werden. Beim Überschreiten des Schwellwertes wird der entsprechende Transistor abgeschaltet. Auf diese Art und Weise kann ein Überstrom erkannt werden und der entsprechende Transistor deaktiviert werden. Damit wird verhindert, dass die Verlustleistung im Transistor oder in nachgeschalteten Elementen zu einer thermischen Zerstörung führt. Wenn der hohe Strom je doch die Folge eines kurzgeschlossenen, nicht ansteuerbaren Transistors darstellt, kann dieser nicht abgeschaltet werden.

JP-07007962 schlägt ein Verfahren für eine Fehlererkennung in einer Wechselrichterschaltung zur Ansteuerung eines Elektromotors vor, bei dem mit einer einfachen Spannungsüberwachung ein Kurzschlussfehler erkannt werden kann. Zusätzlich kann eine unbelastete Halbbrücke kurzzeitig angesteuert werden, so dass auch eine Unterbrechung in einer fehlerbehafteten Halbbrücke erkannt werden kann.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Analyse- verfahren zur Fehlerdiagnose einer elektronischen Ansteuervorrichtung eines Elektromotors bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen gemäss Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren für eine Fehleranalyse einer elektronischen Ansteuervorrichtung eines Elektromotors ein Ansteuern von Schalterelementen, wobei jeweils wenigstens zwei Halbbrücken aktiv geschaltet sind. Das bedeutet, dass zumindest ein High-Side-Schalter einer Halbbrücke sowie ein Low-Side-Schalter einer anderen Halbbrücke in aufeinander folgenden Schaltschritten angesteuert wird. Während eines einzelnen Schaltschrittes wird der von der Ansteuervorrichtung aufgenommene Gesamtstrom ermittelt. Ferner werden die an den angesteuerten Schalterelementen abfallenden Spannungsabfälle ermittelt und mit den einzelnen Schalterelementen zugeordneten zulässigen Spannungswerten verglichen.

Weichen die gemessenen Spannungsabfälle von einem dem jeweiligen Schalterelement zugeordneten Spannungswert ab, schlägt ein Plausibilitätstest an. Der Plausibilitätstest erzeugt ein Plausibilitätssignal für das betreffende Schalterelement, das auf einen Fehler in der dem Schalterelement zugeordneten Halbbrücke hinweist. Im Anschluss daran wird aufgrund des ermittelten Gesamtstromes und der ermittelten Spannungsabfälle ein Durchlasswiderstandswert des betreffenden Schalterelements ermittelt. Durch eine logische Verknüpfung der erhaltenen Plausibilitätssignale mit den ermittelten Durchlasswiderstandswerten ist es sodann möglich, einzelne, verschiedenartige Fehler in jedem fehlerhaften Schalterelement zu identifizieren, zu lokalisieren und zu quantifizieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass einzelne Schalterelemente während des Betriebes der Ansteuervorrichtung hinsichtlich ihrer Ansteuerbarkeit analysiert werden können. Außerdem ist es möglich, dass aufgrund der ermittelten Höhen der Durchlasswiderstandswerte die fehlerhaften Schalterelemente als hochohmig bis zu einer Unterbrechung, mittelohmig oder niederohmig bis zu einem Kurzschluss erkannt werden können.

Zur sichereren Erkennung einer Stromunterbrechung im Schalterelement ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass, wenn in einem Schaltschritt der ermittelte Gesamtstrom I_Ges im Wesentlichen den Wert Null aufweist und wenigstens ein High-Sideund ein Low-Side-Schalter aus unterschiedlichen Halbbrücken angesteuert wird, der Fehlerfall "wenigstens eines der angesteuerten Schalterelemente nicht ansteuerbar und hochohmig" erkannt wird. Gleichzeitig wird ein logisches Erkennungssignal OC ("Unterbrechung") generiert. Dadurch wird, zusätzlich zur Erkennung des Fehlers über die ermittelten Durchlasswiderstandswerte, eine sicherere Erkennung des Fehlerfalles Hochohmigkeit bzw. Unterbrechung eines Schalterelementes unterstützt.

Es ist ferner bei einer Ansteuerschaltung mit einer Stromregelung vorgesehen, für den Fall, dass ein Gesamtstrom I_Ges im Zwischenkreis ermittelt wird, der im Wesentlichen von Null verschieden ist, obwohl entweder alle High-Side-Schalter oder alle Low-Side-Schalter nicht leitend geschaltet sind, ein Signal erzeugt wird, das einen Kurzschlussfall bzw. einen mittelohmigen Fehlerfall in wenigstens einem der nicht leitend geschalteten Low-Side- oder High-Side-Schalter erkennt. Dies hat den Vorteil, dass Kurzschlussfehler auch dann in Schalterelementen erkannt werden können, wenn diese nicht angesteuert sind.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht eine Fehleranalyse in der jeweils nicht aktiven, d.h. nicht angesteuerten Halbbrücke vor. Zu diesem Zweck werden die einzelnen Schalterelemente der nicht aktiven Halbbrücke kurzzeitig angesteuert und die an den Schalterelementen abfallenden Spannungsabfälle auf Plausibilität überprüft. Vorteilhaft ist dadurch eine Fehleranalyse in jedem Schaltzustand jedes einzelnen Schalterelementes möglich.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Ansteuervorrichtung für einen Elektromotor, mit der das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise verwendbar ist;
2 die Ansteuervorrichtung in sechs verschiedenen Ansteuerungszuständen;
3 ein Zeitdiagramm für die in 2 gezeigten Ansteuerungszustände;
4 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 ein prinzipielles Flussdiagramm mit den wesentlichen Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens;
6 ein prinzipielles Zeitdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
7 eine Erläuterung einer sichereren Fehleranalyse eines Kurzschlussfalles bei Vorhandensein einer Stromregelung in der Ansteuervorrichtung; und
8 eine Tabelle mit Fehlern von Schalterelementen, die vom erfindungsgemäßen Verfahren erkannt werden können.
1 zeigt eine im Stand der Technik als B6-Wechselrichterschaltung bekannte Ansteuervorrichtung 1 zur Ansteuerung eines Elektromotors 2, mit der das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise verwendbar ist. Die Schaltung weist ein erstes Schalterelement T1, ein zweites Schalterelement T2, ein drittes Schalterelement T3, ein viertes Schalterelement T4, ein fünftes Schalterelement T5 und ein sechstes Schalterelement T6 auf, die vorzugsweise als Leistungs-MOSFETs ausgebildet sind. Alle Schalterelemente weisen vorzugsweise eine integrierte Freilaufdiode auf, mit deren Hilfe ein Stromfluss durch ein Schalterelement möglich ist, auch wenn das Schalterelement nicht leitend geschaltet ist. Es ist möglich, eine externe Freilaufdiode vorzusehen.
Je zwei Schalterelemente sind in Reihe geschaltet, wobei eine derartige Reihenschaltung eine Halbbrücke darstellt. Eine Reihenschaltung aus dem ersten und dem zweiten Schalterelement T1, T2 stellt eine erste Halbbrücke HB1 und eine Reihenschaltung aus dem dritten und vierten Schalterelement T3, T4 eine zweite Halbbrücke HB2 dar. Eine Reihenschaltung aus dem fünften und dem sechsten Schalterelement T5, T6 bildet eine dritte Halbbrücke HB3. Das erste, dritte und fünfte Schalter element T1, T3, T5 stellen High-Side-Schalter, das zweite, vierte und sechste Schalterelement T2, T4, T6 Low-Side-Schalter dar.
Der Elektromotor 2 weist eine erste Strangwicklung U, eine zweite Strangwicklung V und eine dritte Strangwicklung W auf. Je ein erster Anschluss jeder Strangwicklung U, V, W ist zu einem gemeinsamen Verbindungspunkt S zusammengeschaltet, wobei eine derartige Wicklungsanordnung eine Sternschaltung darstellt.
Je ein zweiter Anschluss der Strangwicklungen U, V, W ist mit je einer der Halbbrücken HB1, HB2, HB3 elektrisch leitend verbunden. Eine erste Verbindungsleitung, die das erste Schalterelement mit dem zweiten Schalterelement leitend verbindet, ist mit einem zweiten Anschluss der ersten Strangwicklung U verbunden. Eine zweite Verbindungsleitung, die das dritte Schalterelement mit dem vierten Schalterelement leitend verbindet, ist mit einem zweiten Anschluss der zweiten Strangwicklung V verbunden. Eine dritte Verbindungsleitung, die das fünfte mit dem sechsten Schalterelement verbindet, ist leitend mit einem zweiten Anschluss der dritten Strangwicklung W verbunden.
Über eine Ansteuerlogik 3 werden die Schalterelemente T1, T2, T3, T4, T5, T6 in aufeinander folgenden Schaltschritten angesteuert. Während jedes einzelnen Schaltschrittes wird der von der Ansteuervorrichtung 1 aufgenommene Gesamtstrom I_ges und die an den Schalterelementen T2, T4 und T6 abfallenden Spannungsabfälle gemessen. Vorteilhafterweise können auch die an den High-Side-Schaltern T1, T3 und T5 abfallenden Spannungen gemessen werden. Wahlweise können durch Berechnungen (2. Kirchhoff'scher Satz) die Spannungsabfälle an den High-Side-Schaltern T1, T3 und T5 aus den an den Low-Side-Schaltern gemessenen Spannungsabfällen ermittelt werden.
In 2 sind sechs verschiedene Schaltschritte A bis F der Ansteuervorrichtung 1 dargestellt, wodurch ein mechanischer Umlauf des Elektromotors um 360° erreicht werden kann.
In einem ersten Schritt A sind das erste und das sechste Schalterelement T1, T6 leitend geschaltet, das zweite, dritte, vierte und fünfte Schalterelement T2, T3, T4, T5 sind nicht leitend geschaltet. Dies bedeutet, dass die zweite Halbbrücke HB2 während der gesamten Zeitdauer des Schrittes A inaktiv ist. Das erste Schalterelement T1 ist über die gesamte Zeitdauer des Schrittes A leitend geschaltet, das sechste Schalterelement T6 ist durch ein getaktetes Ansteuersignal angesteuert, das bedeutet, dass das sechste Schalterelement T6 durch das vom Ansteuersignal definierte Schaltmuster abwechselnd leitend und nicht leitend geschaltet ist. Dies ist durch die gestrichelte Darstellung des sechsten Schalterelementes T6 angedeutet.
In den Zeiten, in denen das sechste Schalterelement T6 nicht leitend geschaltet ist, erfolgt ein Stromfluss über die Freilaufdiode des fünften Schalterelementes T5, wodurch das fünfte Schalterelement T5 in Schaltschritt A zu bestimmten Zeiten eine Freilauffunktion übernimmt. Durch die beschriebene Funktionsweise des ersten, dritten und sechsten Schalterelementes T1, T6, T3 wird mit der ersten und dritten Strangwicklung U, W ein Strompfad gebildet, der mit einem positiven und negativen Potential verbunden ist. Die Potentiale werden beispielsweise von einer Batterie bereitgestellt. Folglich kommt ein Stromfluss durch die erste und dritte Strangwicklung U, W und das erste, sechste und dritte Schalterelement T1, T6, T3 zustande.
In einem Schritt B der 2 ist in analoger Weise zu Schritt A eine gemeinsame Bestromung der zweiten und dritten Strangwicklung V, W dargestellt, wobei das erste und fünfte Schalterelement T1, T5 leitend geschaltet sind. Das fünfte Schalterelement T5 übernimmt die Freilauffunktion. Die inak tive Halbbrücke in Schritt B ist die erste Halbbrücke HB1. Durch die gegenüber Schritt A erfolgte Umpolung eines Magnetfeldes, das von bestromten Strangwicklungen erzeugt wird, wird ein Rotor R, der Permanentmagnete aufweist, veranlasst, dem geänderten Magnetfeld zu folgen. Dadurch wird eine Drehbewegung des Rotors in einer Drehrichtung D erzeugt.
In den Schritten C bis F sind weitere Ansteuerungsfälle des Elektromotors dargestellt, durch die, zusätzlich zu den Schritten A und B, eine Vervollständigung einer Umdrehung des Elektromotors erreicht wird. Die Ansteuerung der Schalter erfolgt dabei analog zu den in den Schritten A und B dargestellten Art und Weise, wobei folgende Betriebsmodi der Schalterelemente vorgesehen sind:
Schritt C: drittes Schalterelement T3 und zweites Schalterelement T2 leitend geschaltet: erstes Schalterelement T1 im Freilauf: dritte Halbbrücke HB3 inaktiv.
Schritt D: fünftes Schalterelement T5 und zweites Schalterelement T2 leitend geschaltet: erstes Schalterelement T1 im Freilauf: zweite Halbbrücke HB2 inaktiv.
Schritt E: fünftes Schalterelement T5 und viertes Schalterelement T4 leitend geschaltet: drittes Schalterelement T3 im Freilauf: erste Halbbrücke HB1 inaktiv.
Schritt F: erstes Schalterelement T1 und viertes Schalterelement T4 leitend geschaltet: drittes Schalterelement T3 im Freilauf: dritte Halbbrücke HB3 inaktiv.
3 zeigt in einem Diagramm die sechs einzelnen Schaltschritte A bis F aus 2. Auf der x-Achse ist ein mechanischer Rotationswinkel des Elektromotors 2 aufgetragen. Die y-Achse zeigt einen Verlauf der Schaltzustände aller sechs Schalterelemente T1 bis T6. Es ist zu erkennen, dass durch ei nen Zyklus der Schritte A bis F, der grau dargestellt ist, eine mechanische Rotation des Elektromotors um 360° erfolgt.
Das erste, dritte und fünfte Schalterelement T1, T3 und T5 werden über eine Dauer von jeweils zwei Schaltschritten mit konstanten, nichtgetakteten Ansteuerungssignalen angesteuert (schwarze Signalverläufe). Das zweite, vierte und sechste Schalterelement T2, T4, T6 werden durch ein getaktetes Ansteuersignal (schraffierte Signalverläufe) angesteuert. Diese Art der Ansteuerung kann vorzugsweise bei elektronisch kommutierten ("EC-Motor") Motoren verwendet werden, die dadurch charakterisiert sind, dass sich der einen Permanentmagnet aufweisende Rotor kontinuierlich und synchron mit einem umlaufenden Magnetfeld dreht, das durch eine geeignete Bestromung der Strangwicklungen U, V und W erzeugt wird.
Die kontinuierliche Drehbewegung wird dadurch erreicht, dass mittels eines fest mit dem Rotor verbundenen Winkelgebers die Rotorlage gemessen, und über die Schalterelemente T1 bis T6 die Bestromung der Strangwicklungen so weitergeschaltet wird, dass ein Magnetfeld entsteht, dem der Rotor folgt. Das Magnetfeld kann in diesem Motortyp sehr flexibel verändert werden. Die Drehzahl ist von einem Stillstand bis zu einer mechanischen Belastbarkeitsgrenze des Motors nahezu beliebig variabel.
In 4 ist eine prinzipielle Anordnung einer Vorrichtung 6 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Ansteuerlogik 3 ist mit der Ansteuervorrichtung 1 verbunden und steuert diese an, wobei die Ansteuervorrichtung 1 elektrisch leitend mit dem Elektromotor 2 verbunden ist. Optional kann die gesamte Anordnung auch eine Stromregelung 4 vorsehen, die mit der Ansteuerlogik 3 verbunden ist.
Der von der Ansteuervorrichtung 1 aufgenommene Gesamtstrom I_ges wird mit einer Strommesseinrichtung und Spannungen U1, U2 und U3, die Klemmenspannungen des Elektromotors 2 an den Ein gängen der Strangwicklungen U, V, W entsprechen, werden mit einer ersten Spannungsmesseinrichtung sowie eine Spannung des Zwischenkreises U_B mit einer zweiten Spannungsmesseinrichtung erfasst und einem A/D-Wandler 5 zugeführt. Der A/D-Wandler 5 ist mit einer ersten Einrichtung 7 verbunden, die aus den Klemmenspannungen des Elektromotors 2 die Spannungsabfälle (Drain-Source-Spannungen) der Schalterelemente T1 bis T6 der Ansteuervorrichtung 1 nach dem 2. Kirchhoff'schen Satz berechnet.
Die erste Einrichtung 7 ist mit einer zweiten Einrichtung 8 verbunden, die aus den berechneten Spannungsabfällen der einzelnen Schalterelemente sowie den der zweiten Einrichtung 8 zugeführten Ansteuersignalen G der Schalterelemente T1 bis T6 Zustandsindikatoren für die Schalterelemente ermittelt. Die Zustandsindikatoren sind logische Signale, die angeben, in welchem Schaltungszustand sich jedes der Schalterelemente bei Fehlerfreiheit befinden sollte.
Die zweite Einrichtung 8 ist mit einer dritten Einrichtung 9 verbunden, an die die zweite Einrichtung 8 die Zustandsindikatoren liefert. Die dritte Einrichtung 9 ermittelt Durchlasswiderstandswerte R_DS(on) der Schalterelemente T1 bis T6 aus den Zustandsindikatoren und aus den an die dritte Einrichtung 9 von der ersten Einrichtung 7 zugeführten Spannungsabfällen der Schalterelemente, sowie dem gemessenen Strom I_ges durch.
An eine vierte Einrichtung 10 sind die Spannungen der Schalterelemente T1 bis T6, die Ansteuersignale G der Schalterelemente und die Zustandsindikatoren zugeführt. Die vierte Einrichtung 10 führt Plausibilitätstests mit den zugeführten Signalen durch und ermittelt daraus resultierende Plausibilitätssignale P_hi und P_lo, welche den High- bzw. Low-Side Schaltern zugeordnet sind. Ferner ermittelt die vierte Einrichtung logische Erkennungssignale OC und SC ("Kurzschluss"), die eine Erkennung der Fehler Kurzschluss und Unterbrechung in einem Schalterelement unterstützen.
Die vierte Einrichtung 10 ist mit einer fünften Einrichtung 11 verbunden. Die von der vierten Einrichtung 10 ermittelten Plausibilitätssignale P_hi und P_lo und die von der dritten Einrichtung 9 ermittelten Durchlasswiderstandswerte R_DS(on) werden der fünften Einrichtung 11 zugeführt, die letztendlich mit den zugeführten Signalen eine Fehleranalyse bzw. -diagnose der Schalterelemente T1 bis T6 durchführt.
5 stellt in Form eines Flussdiagramms mit den Schritten S1 bis S5 das erfindungsgemäße Verfahren im Zeitablauf prinzipiell dar.
In einem Schritt S1 werden zwei der Schalterelemente T1 bis T6 der Ansteuervorrichtung 1 in der in einem der Schritte A bis F der 2 beschriebenen Art und Weise angesteuert.
In einem Schritt S2 wird danach der von der Ansteuervorrichtung 1 aufgenommene Gesamtstrom I_Ges sowie die an den Schalterelementen der aktiven Halbbrücken abfallenden Spannungen ermittelt.
In einem Schritt S3 erfolgt eine Überprüfung der ermittelten Spannungsabfälle auf Plausibilität. Dabei wird festgestellt, ob die Drain-Source Spannungen der Schalterelemente mit den Ansteuersignalen G in einer festgelegten Relation steht und von zulässigen Werten abweichen. Die Überprüfung erfolgt durch eine logische Verknüpfung der Ansteuersignale G der Schalterelemente mit den ermittelten Drain-Source-Spannungen und den vorgenannten Zustandsindikatoren. Wird an einem Schalterelement ein Abweichen des Spannungsabfalls von einem zugeordneten zulässigen Wert festgestellt, wird, unter Berücksichtigung des jeweiligen Ansteuersignals und des jeweiligen Zustandsindikators für das entsprechende Schalterelement ein Plausibilitätssignal P_hi (im Falle, dass es sich um einen High-Side-Schalter handelt) bzw. P_lo (im Falle, dass es sich um einen Low-Side-Schalter handelt) erzeugt.
In einem Schritt S4 werden Durchlasswiderstandswerte R_DS(on) derjenigen Schalterelemente ermittelt, die gemäss dem Plausibilitätstest "nicht plausible" Spannungsabfälle aufweisen. Das Ermitteln des Durchlasswiderstandswertes R_DS(on) desjenigen Schalterelementes, in dem ein durch das gemessene Stromsignal definierter Strom fließt, kann beispielsweise nach der Beziehung RDS(on) = Uj/Imess erfolgen, wobei mit U_j der Spannungsabfall über das Schalterelement und mit I_mess der zum Zeitpunkt der Messung des Spannungsabfalls von der Ansteuervorrichtung aufgenommene Gesamtstrom bezeichnet ist. Für einen geschätzten Widerstandswert Ȓ können auch geschätzte Ströme herangezogen werden, die beispielsweise mit Hilfe eines aus der Regelungstechnik bekannten Beobachters ermittelt werden.
In einem Schritt S5 wird einem fehlerhafteten Schalterelement ein eindeutiges Fehlerbild zugeordnet.
Danach wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Abarbeitung aller Schritte S1 bis S5 mit einer gemäß 2 geänderten Konfiguration der Schalterelemente T1 bis T6 fortgesetzt. Auf diese Weise werden alle Schalterelemente getestet.
6 zeigt in drei Diagrammen a), b) und c) beispielhaft einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei zeigt das Diagramm a) Plausibilitätssignale P_hi des fünften Schalterelementes der dritten Halbbrücke HB3. Diagramm b) zeigt Plausibilitätssignale P_lo für das sechste Schalterelement T6 der dritten Halbbrücke HB3. Aus dem Auftreten der Plausibilitätssignale P_lo und P_hi für die Schalterelemente T5 und T6 kann erkannt werden, dass die dritte Halbbrücke HB3 fehlerbehaftet ist. Allerdings lässt sich erst durch die Ermittlung der Durchlasswiderstandswerte beider Schalterelemente T5 und T6 eine Aussage machen, welches der Schalterelemente fehler behaftet ist. Erfindungsgemäß kann ein exaktes Fehlerbild des/der fehlerbehaftete/n Schalterelement/e angegeben werden.
Wie man dem Diagramm c) entnehmen kann, ergibt die Ermittlung des Durchlasswiderstandes zu den für das sechste Schalterelement T6 vorgesehenen Zeiten einen erhöhten Durchlasswiderstandswert von > 1,0 Ω (Mittelohmigkeit). Weiterhin zeigt das Diagramm, dass die Ermittlung des Durchlasswiderstandswertes R_DS(on) für das fünfte Schalterelement T5 einen Wert im Normalbereich ergibt, der typischerweise im Bereich von einigen Milliohm liegt. Somit ist das fehlerbehaftete Schalterelement der dritten Halbbrücke HB3 unzweideutig als sechstes Schalterelement T6 identifiziert. Eine Fehlerbehebungsstrategie wird sich sinnvollerweise auf dieses Schalterelement beziehen.
Das erfindungsgemäße Analyseverfahren kann vorzugsweise in Echtzeit während eines Normalbetriebes des Elektromotors 2 durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine kurzfristige Fehlerbehebungsstrategie. Jegliche Änderungen von Fehlerarten und Fehlerzuständen der Schalterelemente T1 bis T6 lassen sich schnell erkennen und analysieren.
7 erläutert ein Verfahren zur Erkennung eines Kurzschlusses in einem Schalterelement im Falle einer stromgeregelten Ansteuervorrichtung. Die Taktung der Ansteuervorrichtung erfolgt im vorliegenden Fall beispielhaft über die Low-Side-Schalter T2, T4 und T6, kann aber in analoger Weise auch über die High-Side-Schalter T1, T3 und T5 erfolgen.
Diagramm a) der 7 zeigt die beiden aktiven Halbbrücken HB1 und HB2, wobei das erste und vierte Schalterelement T1, T4 leitend geschaltet sind und dadurch eine Bestromung der ersten und zweiten Strangwicklungen U, V des Elektromotors erreichen. Die dritte Halbbrücke HB3 ist inaktiv. Der gemessene Gesamtstrom I_Ges ist in diesem Falle betragsmäßig im We sentlichen identisch mit den durch die erste und zweite Strangwicklung U, V fließenden Strömen I_u bzw. I_v.
Diagramm b) zeigt das nicht leitend geschaltete vierte Schalterelement T4, wodurch sich der durch die erste und zweite Strangwicklung U, V fließende Strom über die Freilaufdiode des dritten Schalterelementes T3 schließen und wieder abbauen kann. Das erste Schalterelement T1 bleibt leitend geschaltet. Der Gesamtstrom I_Ges sollte in diesem Moment im Wesentlichen gleich Null betragen, d.h. es darf im Wesentlichen kein Gesamtstrom messbar sein.
Diagramm c) zeigt in zeitlichen Verläufen des Stromes durch die Strangwicklungen bzw. des Gesamtstromes die prinzipielle Wirkungsweise der Stromregelung 4. Wenn die gewünschte Stromstärke I_strmax in der ersten und zweiten Strangwicklung U, V erreicht ist, schaltet das vierte Schalterelement T4 durch das Aktivwerden der Stromregelung ab. Das Takten des vierten Schalterelementes T4 wird letztendlich von der Stromregelung gesteuert. Das Diagramm c) stellt Zeitverläufe für die oben beschriebenen Schaltzustände der Diagramme a) und b) dar. In ersten Zeitabschnitten 1 erfolgt ein Aufbau des Stromes durch die Strangwicklungen I_Str bzw. des Gesamtstromes I_Ges. Nach Erreichen einer erwünschten Stromstärke durch die Strangwicklungen I_Strmax bzw. einer erwünschten Stromstärke des Gesamtstromes I_Gesmax schaltet die Stromregelung am Ende der ersten Zeitabschnitte 1 das vierte Schalterelement T4 sperrend. Das bedeutet, dass sich in den folgenden zweiten Zeitabschnitten 2 der Strom durch die Strangwicklungen I_Str und der Gesamtstrom I_Ges wieder abbauen kann. Am Ende der zweiten Zeitabschnitte 2, die fest definierte Längen aufweisen, wird der Schalter T4 wieder leitend geschaltet.
In Falle eines Kurzschlusses z.B. im vierten Schalterelement T4 ist in den ersten Zeitabschnitten 1 kein Unterschied zum fehlerfreien Fall festzustellen, da das vierte Schalterelement in den ersten Zeitabschnitten ohnehin leitend geschaltet ist. Wenn nun der erwünschte Höchstwert des Stromes I_Strmax durch die Strangwicklungen erreicht ist, sollte das vierte Schalterelement T4 im fehlerfreien Fall aufgrund der Stromregelung sperrend geschaltet werden, was jedoch aufgrund des Kurzschlusses im vierten Schalterelement T4 nicht möglich ist. Weil das vierte Schalterelement T4 sperrend geschaltet ist, wird für das vierte Schalterelement T4 kein Plausibilitätstest durchgeführt. Dies bedeutet, dass keine Spannungsermittlung und keine Ermittlung des Durchlasswiderstandswertes R_DS(on) des vierten Schalterelementes T4 möglich ist. Eine Erkennung des Kurzschlusses im Schalterelementes ist folglich erschwert.
Um die Erkennung des Kurzschlusses zu unterstützen, wird von der vierten Einrichtung 10 das logische Erkennungssignal SC generiert. Dieses Signal ist logisch 1, wenn alle High-Side-Schalter T1, T3 und T5 (bzw. alle Low-Side-Schalter T2, T4 und T6) sperrend geschaltet sind und der ermittelte Gesamtstrom I_Ges einen Wert von ungleich Null aufweist. Somit wird ein Fehlerfall angezeigt.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass ein Kurzschluss oder ein mittelohmiger Fehlerfall, welcher aufgrund der fehlenden Ansteuersignale nicht über den Plausibilitätstest erkannt werden kann, bewirkt, dass ein Gesamtstrom I_ges fließt, obwohl alle Low-Side- bzw. alle High-Side-Schalter nicht leitend geschaltet sind.
8 zeigt in einer Tabelle eine Auflistung der vom erfindungsgemäßen Verfahren erkennbaren Fehlerfälle, sowie aus den einzelnen Fehlerfällen generierte Symptome.
In der Figur wird beispielhaft eine fehlerbehaftete zweite Halbbrücke HB2 angenommen.
In der Tabelle bedeutet:
0 ...... logisch Null
1 ...... logisch Eins
SC ..... logisches Erkennungssignal "Kurzschluss"
OC ..... logisches Erkennungssignal "Unterbrechung"
Die Spalte "Fehlerort" gibt an, ob in der fehlerbehafteten Halbbrücke der Low- oder High-Side-Schalter fehlerbehaftet ist.
In der Figur sind die Plausibilitätssignale P_hi und P_lo sowie die ermittelten Durchlasswiderstandswerte R_DS(on)hi und R_DS(on)lo entsprechend den drei Halbbrücken in einer dreispaltigen Vektorform dargestellt. Darin indiziert die erste Spalte Sp1 die erste Halbbrücke HB1, die zweite Spalte Sp2 die zweite Halbbrücke HB2 und die dritte Spalte Sp3 die dritte Halbbrücke HB3.
In den Spalten für die Durchlasswiderstandswerte R_DS(on)hi und R_DS(on)lo besitzen die verwendeten Symbole die nachfolgenden Bedeutungen:
o ...... keine signifikante Abweichung vom nominellen Wert
n ...... signifikante negative Abweichung vom nominellen Wert
p ...... signifikante positive Abweichung vom nominellen Wert
! ...... gemäß tatsächlichem Wert größer oder kleiner als nominell
In der Spalte für die logischen Erkennungssignale OC und SC gibt die Klammer für das Signal SC in der dritten und vierten Zeile (Fehlerfälle Mittelohmigkeit) an, dass die Annahme des Signals mit dem logischen Wert Eins abhängig vom Arbeitspunkt des elektrischen Gesamtsystems (bestehend aus der Ansteuervorrichtung und dem Elektromotor) sowie vom ermittelten Durchlasswiderstandswert des fehlerbehafteten Schalterelementes erfolgt.

1: Ansteuervorrichtung
2: Elektromotor
3: Ansteuerlogik
4: Stromregelung
5: A/D-Wandler
6: Vorrichtung zur Fehlerdiagnose
7: 1. Einrichtung
8: 2. Einrichtung
9: 3. Einrichtung
10: 4. Einrichtung
11: 5. Einrichtung
T1: 1. Schalterelement
T2: 2. Schalterelement
T3: 3. Schalterelement
T4: 4. Schalterelement
T5: 5. Schalterelement
T6: 6. Schalterelement
HB1: 1. Halbbrücke
HB2: 2. Halbbrücke
HB3: 3. Halbbrücke
D: Drehrichtung
R: Rotor
S: Sternpunkt
U: 1. Strangwicklung
V: 2. Strangwicklung
W: 3. Strangwicklung

Claims

Verfahren für eine Fehleranalyse einer elektronischen Ansteuervorrichtung (1) eines Elektromotors (2), wobei die Vorrichtung (1) erste Schalterelemente (T1, T3, T5) und zweite Schalterelemente (T2, T4, T6) umfasst, wobei jeweils ein erstes Schalterelement (T1, T3, T5) und ein zweites Schalterelement (T2, T4, T6) in einer Reihenanordnung geschaltet sind, wobei mindestens zwei Reihenanordnungen parallel angeordnet und zwischen zwei Spannungspotentiale geschaltet sind, wobei jeweils ein Verbindungspunkt zwischen einem ersten Schalterelement (T1, T3, T5) und einem zweiten Schalterelement (T2, T4, T6) mit einer Strangwicklung des Elektromotors (2) elektrisch leitend verbunden ist, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Ansteuern der ersten und zweiten Schalterelemente (T1–T6) in einzelnen, aufeinander folgenden Schaltschritten, wobei ein einzelner Schaltschritt das Ansteuern von jeweils einem ersten und einem zweiten Schalterelement umfasst, wobei der Schaltschritt im Wesentlichen ein gleichzeitiges Zuführen eines Ansteuersignals an ein erstes Schalterelement (T1, T3, T5) einer ersten Reihenanordnung und an ein zweites Schalterelement (T2, T4, T6) einer zweiten Reihenanordnung umfasst, wobei das Ansteuern wenigstens derart viele Schaltschritte umfasst, dass alle Schalterelemente (T1–T6) der zwei Reihenanordnungen zumindest einmal angesteuert werden; b) Ermitteln von der Ansteuervorrichtung (1) aufgenommenen Gesamtströmen (I_Ges) und elektrischen Spannungsabfällen, die an den ersten und zweiten Schalterelementen (T1–T6) während jedes einzelnen Schaltschrittes abfallen; c) Ermitteln von Durchlasswiderstandswerten (R_DS) der Schalterelemente (T1–T6) aus den ermittelten Gesamtströmen (I_Ges) und den ermittelten Spannungsabfällen an den ersten und zweiten Schalterelementen (T1–T6), wenn die während der einzelnen Schaltschritte an den Schalterelementen (T1– T6) ermittelten Höhen der Spannungsabfälle von den einzelnen Schalterelementen (T1–T6) zugeordneten Spannungsschwellwerten abweichen; d) Vergleichen der ermittelten Durchlasswiderstandswerte (R_DS) der Schalterelemente (T1–T6) mit den einzelnen Schalterelementen (T1–T6) zugeordneten zulässigen Durchlasswiderstandswerten (R_DS); e) Erkennen von verschiedenartigen Fehlerzuständen in den Schalterelementen (T1–T6) aufgrund der in Schritt b) ermittelten Spannungsabfälle und des in Schritt d) durchgeführten Vergleichens.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Überschreiten eines zulässigen Spannungsschwellwertes des an einem ersten und/oder zweiten Schalterelement (T1-T6) ermittelten Spannungsabfalls und aus den ermittelten Werten der Durchlasswiderstände (R_DS) der Schalterelemente (T1– T6) wenigstens einer der folgenden verschiedenartigen Fehler bezüglich der Schalterelemente (T1–T6) erkannt werden kann: a) Schalterelement (T1–T6) nicht ansteuerbar und hochohmig, b) Schalterelement (T1–T6) nicht ansteuerbar und mittelohmig, c) Schalterelement (T1–T6) nicht ansteuerbar und niederohmig, und d) Schalterelement (T1–T6) ansteuerbar mit erhöhtem Durchlasswiderstand (R_DS).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenn in einem bestimmten Schaltschritt der ermittelte Gesamtstrom (I_Ges) im Wesentlichen gleich Null ist und wenigstens eines der ersten Schalterelemente (T1, T3, T5) und eines der zweiten Schalterelemente (T2, T4, T6) angesteuert wird, die Durchlasswiderstandswerte (R_DS) der angesteuerten Schalterelemente nicht ermittelt werden und der Fehler „Wenigstens eines der angesteuerten Schalterelemente (T1–T6) nicht ansteuerbar und hochohmig" erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuervorrichtung (1) eine Stromregelung aufweist, dass für den Fall, dass ein Gesamtstrom (I_Ges) ermittelt wird, der im Wesentlichen von Null verschieden ist, obwohl entweder alle ersten Schalterelemente (T1, T3, T5) oder alle zweiten Schalterelemente (T2, T4, T6) nicht angesteuert sind, ein Signal erzeugt wird, das einen Kurzschlussfall bzw. einen mittelohmigen Fehlerfall in wenigstens einem der nicht angesteuerten ersten oder nicht angesteuerten zweiten Schalterelemente (T1–T6) anzeigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während jedes Schaltschrittes diejenigen ersten und/oder zweiten Schalterelemente (T1–T6) derjenigen Reihenanordnung der Ansteuervorrichtung (1) angesteuert werden, die während des jeweiligen Schaltschrittes nicht angesteuert werden, dass dabei die Spannungsabfälle an den Schalterelementen (T1-T6) ermittelt werden, dass die dabei ermittelten Spannungsabfälle mit jeweils zulässigen Spannungsschwellwerten verglichen werden, und dass bei Überschreiten wenigstens eines zulässigen Spannungsschwellwertes ein Fehler in der betreffenden Reihenanordnung angezeigt wird.