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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Fehlererkennung eines bürstenlosen Elektromotors.
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Bürstenlose Elektromotoren bzw. elektronisch
kommutierte Elektromotoren gewinnen zunehmend an Bedeutung.
Sie ersetzen insbesondere bürstenbehaftete Elektromotoren
in vielen technische Anwendungen. Die Vorteile gegenüber
bürstenbehafteten Motoren liegen vor allem im geringen
Wartungsaufwand durch Wegfall der Verschleiß unterworfenen
Kommutatorbürsten und des prinzipiell höheren
Wirkungsgrades durch Wegfall der durch die
Bürstenübergangswiderstände hervorgerufenen
Kommutatorverluste. Darüber hinaus lassen sich in Verbindung
mit "intelligenten" elektronischen
Kommutierungseinrichtungen Funktionen realisieren, die mit
bürstenbehafteten Motoren nicht möglich oder nur mit einem
erheblichen mechanischen Mehraufwand zu erreichen sind.
Hierzu zählen der Betrieb im Bereich schwacher Felder oder
Feldschwächemodus die Realisierung einer sehr niedrigen
Welligkeit des Antriebsmoments.
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Da bei bürstenlosen Elektromotoren die Funktionen
mechanischer, inherent weitgehend sicherer und
zuverlässiger Komponenten, in diesem Fall die
Kommutatorbürsten eines Kommutatormotors, durch
mechatronische Baugruppen ersetzt werden, ist durch
geeignete Maßnahmen die Ausfallsicherheit sicherzustellen.
Bedingt durch die relativ hohe Komplexität der
Kommutierungselektronik bürstenloser Motoren ergeben sich
auch relativ viele Fehlermöglichkeiten.
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Insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen
elektronisch kommutierter Elektromotoren ist eine sichere
Fehlererkennung notwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben,
das eine Fehlererkennung bürstenloser Elektromotoren
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst.
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Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.
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Das Verfahren zur Fehlererkennung eines bürstenlosen
Elektromotors beinhaltet nach der Erfindung eine Messung
oder Ermittlung mindestens einer ersten Motorkenngröße. Auf
Grundlage der mindestens einen ersten Motorkenngröße wird
eine zweite Schätz-Motorkenngröße geschätzt. Die zweite
Schätz-Motorkenngröße wird mit einer zweiten, gemessenen
oder ermittelten Motorkenngröße verglichen. Nach Maßgabe
des Vergleichs wird ein Fehler des Elektromotors
festgestellt.
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Die Erfindung sieht demnach vor, den Elektromotor
inklusive der Kommutierungselektronik im Sinne eines
Über-Alles-Tests zu überwachen. Es findet keine
Teilkomponentenüberwachung, wie z. B. eine Reglerüberwachung
und/oder Endstufenüberwachung statt, sondern das System des
Elektromotors wird als Ganzes überwacht.
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Daher werden vorteilhaft eine erste Klasse von
Fehlern, die zu einer erwünschten Motorbewegung führen
können, eine zweite Klasse von Fehlern, die ein
elektronisches Festklemmen des Rotors bewirken, so dass
eine Drehbewegung nicht mehr möglich oder stark
beeinträchtigt ist, und eine dritte Klasse von Fehlern, in
deren Folge kein Drehmoment durch den Motor mehr aufgebaut
werden kann, erkannt.
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Das Verfahren wird vorzugsweise zur Fehlererkennung
von elektronisch kommutierten, dreiphasigen,
permanenterregten Synchronmotoren SM eingesetzt. Diese
bestehen aus den Hauptbaugruppen Ständer (Stator) mit einer
Ständerwicklung und Läufer (Rotor) und weisen eine
Regeleinheit, insbesondere einen Transistorwechselrichter
TWR, auf, der eine geeignete Bestromung der Ständerwicklung
ermittelt und über Leistungstreiber einregelt.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die zweite
Schätz-Motorkenngröße auf Grundlage eines Modells geschätzt
wird.
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Es ist nach der Erfindung vorgesehen, dass ein
Motordrehmoment bildender Schätz-Strom oder eine davon
abgeleitete Größe als zweite Schätz-Motorkenngröße
geschätzt wird und mit einem Motordrehmoment bildenden
Soll-Strom oder eine davon abgeleitete Größe als zweite
Motorkenngröße verglichen wird.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der
Motordrehmoment bildende Schätz-Strom oder die davon
abgeleitete Größe auf Grundlage von mindestens einem
Phasen-Motorstrom, vorzugsweise 3 Phasen-Motorströmen, und
der Rotorlage oder Phasenlage des Elektromotors abgeschätzt
wird.
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Es wird somit indirekt das Soll-Drehmoment über einen
drehmomentbildenden Strom q_soll vorgegeben. Der
drehmomentbildenden Strom q_soll ist - Sättigungseffekte
vernachlässigt - im stationären Zustand direkt proportional
zum Drehmoment T. Eine Ermittlung des erforderlichen
Bestromungsmusters auf Basis eines vorgegebenen iq-soll-
Werts kann dabei durch statororientierte oder
polradorientierte Stromregelung erfolgen.
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Nach der Erfindung ist es vorgesehen, dass die
Rotorlage oder Phasenlage relativ zu dem Stator des
Elektromotors bestimmt wird, in dem die jeweilige
tatsächliche Phasenlagenänderung des Rotors relativ zum
Stator gemessen wird. Daraus kann die absolute Phasenlage
ermittelt werden.
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Die genaue Winkelposition bzw. Phasenlage des Rotors
ist durch eine absolute Positionsmessung zu ermitteln. Das
Absolutmeßsystem ist z. B. auf einer Welle, auf welche der
Rotor sitzt, angebracht. Es gibt zu jedem Zeitpunkt die
genaue Winkellage des Rotors zum Stator an. Als
Absolutmeßsystem können beispielsweise sogenannte Resolver,
wie Induktionsmesser oder drehbare Transformatoren, oder
Hall-Sensoren, eingesetzt werden.
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Aus der genauen Winkelposition bzw. Phasenlage des
Rotors relativ zum Stator ist insbesondere mit Kenntnis der
Phasenströme das Drehmoment auf den Rotor ermittelbar.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die
Phasenströme auf Basis von Strangspannungen unter
Berücksichtigung von induzierten, drehzahlproportionalen
Gegenspannungen geschätzt werden.
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Nach der Erfindung ist es vorgesehen, dass die
Temperatur des Elektromotors und/oder der Wicklungen des
Elektromotors gemessen und bei der Schätzung der Schätz-
Ströme mitberücksichtigt wird.
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Es ist nach der Erfindung vorgesehen, dass das
Verfahren und die Vorrichtung insbesondere für bürstenlose
Elektromotoren im Kraftfahrzeugbereich für Lenkungen, wie
bei Steer-by-Wire-Systemen, oder elektrischen
Lenkungsunterstützungssystemen, oder für Bremssysteme, wie
Brake-by-Wire-Systeme, eingesetzt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Fehler,
die zu einer nicht erwünschten Bewegung des Aktors des
Steer-by-Wire-Systems oder Brake-by-Wire-Systems (erste
Fehlerklasse), zu einem elektronischen Festklemmen des
Rotors des Motors (zweite Fehlerklasse) oder Fehler, in
deren Folge kein Drehmoment mehr aufgebaut werden kann
(dritte Fehlerklasse).
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Für sicherheitskritische Steer-by-Wire-Systems oder
Brake-by-Wire-Systems ist der den Aktuator antreibende
Elektromotor vorzugsweise redundant ausgeführt. Nach einem
erkannten Fehler werden Funktion des fehlerbehafteten
Elektromotors dann durch die redundanten Systeme
gewährleistet.
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Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung
unter Bezugnahme auf die Abbildungen (Fig. 1 bis Fig. 3)
beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen:
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Fig. 1 schematisch ein Diagramm des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
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Fig. 2 eine Ausschnitt des erfindungsgemäßen Verfahrens
bezüglich der Fehlerentscheidung, und
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Fig. 3 schematisch eine Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit einer Überwachung auf der Basis von
Phasenspannungen des Elektromotors.
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Das in Fig. 1 dargestellte Diagramm zeigt das
erfindungsgemäße Verfahren der Fehlererkennung am Beispiel
elektronisch kommutierten, dreiphasigen, permanenterregten
Synchronmotors SM 1. Der Synchronmotors 1 weist einen
Transistorwechselrichter TWR 2, auf, der eine geeignete
Bestromung der Ständerwicklung ermittelt und über
Leistungstreiber die Motorphasenströme iu 7, iv 8, iw 9
einregelt.
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Die Vorgabe eines Soll-Drehmoments erfolgt indirekt
über die Vorgabe eines drehmomentbildenden Stromes iq_soll
3 und eines feldschwächenden Stroms id_soll 4.
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Nach der Erfindung wird der Motor 1 inklusive des
Transistorwechselrichters 2 insgesamt überwacht.
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Einer Überwachungseinheit 5 werden hierzu der
angeforderte Sollwert des drehmomentbildenden Stromes
iq_soll 6, Informationen über die Motorphasenströme iu 10,
iv 11, iw 12 übermittelt.
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Mittels der Überwachungseinheit 5,17 wird auf
Grundlage der Motorphasenströme iu 10, iv 11, iw, 12 und
eines ermittelten, mechanischen Rotorlagewinkels εR 13 ein
Schätzwert für den drehmomentbildenden Strom iq_th 14
ermittelt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels einer
modellbasierten Nachbildung des Transistorwechselrichters
2.
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Der geschätzte Wert gibt indirekt auch das theoretisch
an einer Motorwelle bzw. Antriebswelle 15 anliegende
Drehmoment 16 an.
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Der geschätzte Wert iq_th wird unter Berücksichtigung
der Dynamik des Stromregelkreises mittels einer
Fehlererkennungseinheit 17 mit dem Sollwert des
drehmomentbildenden Stromes iq_soll verglichen. Bei
Vorliegen einer signifikanten Abweichung zwischen iq_th und
iq_soll wird eine Alarmmeldung ausgegeben 18. Zur Abdeckung
von Fehlern in den Statorwicklungen und der Strommess-
Sensorik wird zusätzlich noch überprüft, ob die Stromsumme
des in Sternschaltung betriebenen Motors null ergibt:
iu + iv + iw = 0
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Die Berücksichtigung der Dynamik der
Motorstromregelung kann in klassischer Weise durch
Beobachterstrukturen oder Paritätsmodelle geschehen.
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Für bestimmte Anwendungsfälle wird diese nur durch
Hinzufügen einer Latenzzeit vor einer Alarmmeldung
berücksichtigt. Dies ist in der Fig. 2 dargestellt.
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Fig. 2 zeigt eine Ausführung einer
Entscheidungsstruktur zum Erkennen eines Fehlers 17. Aus
den beiden Eingangsgrößen iq_soll 6 und iq_th 14 wird die
Differenz gebildet 19. Der Betrag der Differenz wird mit
einem Schwellwert s verglichen 20. Der Schwellwert kann
auch nach weiteren Größen veränderbar sein (adaptiver
Schwellwert). Bei blockkommutierten Motoren werden
gegenüber sinuskommutierten Motoren höhere Schwellwerte
festgelegt. Wird im Schritt 20 eine signifikante Abweichung
zwischen dem Betrag der Differenz und dem Schwellwert
erkannt, dann wird ein Timer 21 gestartet. Bei Verschwinden
der signifikanten Abweichungen wird der Timer 21 wieder bis
auf den Wert Null dekrementiert. Bei Überschreiten eines
vorgegebenen Zählerstandes wird ausgegeben 22.
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Durch dieses Verfahren kann eine möglichst schnelle
Fehlererkennung von "schwerwiegenden" Fehlern realisiert
werden. Der genaue Fehlerort und die Ursache ist für diese
Anwendungen weniger entscheidend. Damit ist das Verfahren
der Erfindung zunächst besonders für eine schnelle
Fehlererkennung der zuvor umschriebenen drei Fehlerklassen
geeignet, wobei nur deren Auftreten angezeigt wird.
Erweiterungen, die darüber hinaus auch Aussagen über den
Fehlerort und die Fehlerursache erlauben, sind aber denkbar
und können in das Verfahren integriert werden.
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Der betroffene Aktuator, z. B. der die Antriebswelle
15 antreibende Motor 1, wird bei erkanntem Fehler in Form
einer "kollektiven" Fehlerbehandlung abgeschaltet (fail-
silent Verhalten) und redundante Systeme aktiviert.
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Eine detaillierte Fehlerdiagnose erfolgt dann im
Rahmen einer eingeleiteten Reparatur oder nach der
Abschaltung selbsttätig in hierzu geeigneten
Betriebszuständen durch entsprechende Algorithmen und
Ablaufszenarien.
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Der besondere Vorteil der Erfindung ist es, dass durch
das Prinzip des Über-Alles-Tests in Verbindung mit der
Stromsummenprüfung alle zuvor erwähnten, durch Ausfälle der
Regeleinheit 2 bedingten Fehlerklassen (selbsttätige
Bewegung, elektrisches Festklemmen, Ausfall des Motors)
erkannt werden können, unabhängig davon, wo der ursächliche
Fehler lokalisiert ist, z. B. eine fehlerhafte
Sollwertübergabe, eine defekte Rotorpositionssensorik oder
eine defekte Endstufe zur Ansteuerung des Motors 1.
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Ein bürstenloser Motor 1 kann auch von Fehlern
beeinträchtigt werden, die zwar eine Abweichung von einer
normalen Funktion darstellen, aber die Drehmomenterzeugung
des Motors 1 nicht oder nur minimal beeinträchtigen, wie z. B.
Fehler die eine Reduzierung eines Verstärkungsfaktors in
der Regeleinheit 2 bewirken. Solange durch das Verfahren
keine Fehlermeldung erzeugt wird, ist eine Abschaltung des
Aktuators 1 nicht erforderlich. Das abgegebene Drehmoment
stimmt im wesentlichen mit der Sollwertvorgabe überein. Die
Fehler werden in diesen Fällen durch die Regeleinheit 2
ausgeregelt. Diese Fehler werden so durch die "Robustheit"
des Regelkreises abgefangen und erfordern keine
Gegenmaßnahmen.
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Die Dynamik der Fehlererkennung liegt in der
Größenordnung der Zeitkonstante der Motorstromregelung und
damit in der Regel « 10 ms. Es ist somit schneller als
Verfahren, die auf die Auswertung der Motorstrominformation
verzichten und statt dessen rein mechanische
Aktuatorgrößen, wie Rotorbeschleunigung,
Rotorgeschwindigkeit oder Rotorlage, verwenden.
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Das Fehlererkennungsverfahren ist weiterhin universell
bei elektronisch kommutierten Motoren mit Lagesensorik
einsetzbar, unabhängig vom umgesetzten Prinzip der
Motorregelung und demnach insbesondere sowohl für
polradorientierte, als auch statororientierte Regelung
einsetzbar.
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Im Gegensatz zu Verfahren, bei denen nur der
Richtungssinn des Drehmomentes ausgewertet wird, werden
hier als Vorteil auch Fehler erkannt, die eine Verstärkung
oder Verringerung des Drehmoments zur Folge haben. So
können auch Fehler, die Momentenwelligkeiten am
Antriebsmoment hervorrufen, erkannt werden. Dies ist vor
allem bei Systemen mit einer taktilen Schnittstelle zum
Bediener, z. B. elektrische Servolenksysteme oder Steer-by-Wire-Systeme
mit Handmomentensteller" von großer Bedeutung.
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Im Gegensatz zu anderen denkbaren Verfahren zur
Motorfehlererkennung liefert diese Erfindung durch
Schätzung des Motordrehmoments schließlich die wichtige
Aussage, ob und wie der Motor seine eigentliche Funktion
(Drehmomenterzeugung) noch erfüllt, und ob von einer von
evtl. parallel arbeitenden Fehlererkennungsverfahren
empfohlenen Abschaltung abgesehen werden kann. Dies erhöht
die Verfügbarkeit des Gesamtsystems.
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Fig. 3 zeigt ein modifiziertes Verfahren. Anstelle der
aufwendig zu bestimmenden, durch die Endstufe 26 der Motor-
Regeleinheit 2 einsteuerbaren Phasenströme iu 7, iv 8, iw 9
können diese auf Basis der entsprechenden einfach zu
bestimmenden Strangspannungen oder Phasenspannungen uu 23,
uv 24, uw 25 unter Berücksichtigung der
drehzahlproportionalen induzierten Gegenspannung geschätzt
und so dem Algorithmus zur Verfügung gestellt werden.
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Wegen der Zunahme der Unsicherheiten, z. B. durch eine
nichtlineare, temperaturabhängige Motorkonstante, eine
temperaturabhängige Wicklungswiderstände und einen hohen
Wechselanteil der Strangspannungen, werden höhere
Schwellwerte mit dem Ergebnis längerer
Fehlererkennungszeiten eingestellt. Darüber hinaus werden
die Wicklungs- und/oder Motortemperatur θ 28 und die
Rotorgeschwindigkeit ωR 29 erfasst und ausgewertet. Aus den
Eingangsgrößen werden auf Grundlage eines Motormodells 30
Motorphasenströme iu, th 31, iv, th 32, iw, th 33 geschätzt und
als Eingangsgrößen einer Überwachungseinheit 34 zugeführt.
Auf Grundlage einer modellbasierten Nachbildung der
Regeleinheit 27 wird darin der Schätzwert für den
drehmomentbildenden Strom iq_th ermittelt, wobei als
weitere Eingangsgröße der ermittelte, mechanische
Rotorlagewinkels εR 34 dient. Der Schätzwert für den
drehmomentbildenden Strom iq_th wird dann der
Fehlererkennung 36 zugeführt.
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Ein Vorteil bei diesem modifizierten Verfahren ist
neben dem Verzicht auf eine Strommessung, dass zusätzlich
zu Fehlern in der Regeleinheit auch Windungsschlüsse im
Stator erkannt werden können.
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Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen wird
das Modell nicht mit dem Sollwert des drehmomentbildenden
Stroms iq_soll versorgt, sondern dieser wird auf Basis der
Phasenströme (Fig. 1) bzw. Phasenspannungen (Fig. 3)
geschätzt, was durch dessen hohe Aussagekraft und
Interpretierbarkeit vorteilhaft ist.
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Es sind ebenfalls Verfahren denkbar, die den
Zusammenhang zwischen angefordertem Drehmoment eines
bürstenlosen Motors und der Stromaufnahme der Endstufe für
eine Fehlererkennung ausnutzen. Eine hohe Stromaufnahme der
Endstufe ohne Vorliegen eines entsprechend hohen Wertes für
iq_soll ist dann ein Hinweis für einen Fehler. Ein großer
Wert für iq_soll ohne entsprechende Stromaufnahme der
Endstufe ist ebenfalls als nicht plausibel einzustufen und
damit auch ein Hinweis für einen Fehler. Aufgrund von
größeren Unsicherheiten werden die Entscheidungsschwellen
zur Fehlererkennung nochmals angehoben mit dem Ergebnis,
dass leichtere Fehler unerkannt bleiben. Nachteilig ist,
dass keine Aussage über den Richtungssinn des Drehmoments
möglich ist. Schwere Fehler, die eine Invertierung des
Vorzeichens des Sollwertes hervorrufen, bleiben unerkannt.
Aufgrund des relativ einfachen Verfahrens wird es für
bestimmte Anwendungsfälle als zusätzliches
Fehlererkennungsverfahren bei besonders
sicherheitsrelevanten Systemen vorgesehen.