DE10323908A1

DE10323908A1 - Verfahren und Anordnung zur Überwachung einer Leistungsendstufe

Info

Publication number: DE10323908A1
Application number: DE10323908A
Authority: DE
Inventors: Frank Sader
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2004-12-23
Also published as: US7514891B2; WO2004105206A1; CN100583585C; EP1627456A1; WO2004105206A8; US20070035976A1; JP2006526381A; CN1795599A

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Anordnung zur Überwachung einer Leistungsendstufe, wobei die Leistungsendstufe mindestens eine aus einer Reihenschaltung zweier Halbleiterschalter bestehende und mit Betriebsspannung beaufschlagte Halbbrücke aufweist, wobei die Halbleiterschalter durch pulsbreitenmodulierte Impulse abwechselnd in einen leitenden Zustand und einen nichtleitenden Zustand steuerbar sind und wobei der Verbindungspunkt der Halbleiterschalter der mindestens einen Halbbrücke einen Ausgang bildet, ist vorgesehen, dass die jeweilige Pulsbreite von am Ausgang anstehenden Signalen mit einer jeweiligen Soll-Pulsbreite verglichen wird und dass die Leistungsendstufe als fehlerfrei erkannt wird, wenn Abweichungen nicht über ein vorgegebenes Maß hinausgehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung einer Leistungsendstufe, wobei die Leistungsendstufe mindestens eine aus einer Reihenschaltung zweier Halbleiterschalter bestehende und mit Betriebsspannung beaufschlagte Halbbrücke aufweist, wobei die Halbleiterschalter durch pulsbreitenmodulierte Impulse abwechselnd in einen leitenden Zustand und einen nichtleitenden Zustand steuerbar sind und wobei der Verbindungspunkt der Halbleiterschalter der mindestens einen Halbbrücke einen Ausgang bildet.
Insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen in Kraftfahrzeugen, beispielsweise für eine elektrisch unterstützte Lenkung, ist es erforderlich, jeden Fehler, der zu einem gefährlichen Zustand führen kann, zu erkennen. Im Falle elektrisch unterstützter Lenkanlagen werden zur Erzeugung der Unterstützung DC- oder EC-Motoren eingesetzt, die über eine H-Brücke bzw. eine B6-Brücke durch Anlegen von pulsbreitenmodulierten Impulsen an die Halbbrücken gesteuert werden. Die Halbleiterschaltelemente, meist MOSFETs, werden von einer Steuereinrichtung (Mikrocontroller oder digitaler Signalprozessor) angesteuert. Zur Fehlererkennung ist eine durchgängige Überwachung der am Ausgang anliegenden Effektivspannungen erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungsendstufe mit möglichst geringem Aufwand zuverlässig zu überwachen, so dass Fehler, die insbesondere zu einem gefährlichen Zustand führen können, erkannt werden.

Die Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass die jeweilige Pulsbreite von am Ausgang anstehenden Signalen mit einer jeweiligen Soll-Pulsbreite verglichen wird und dass die Leistungsendstufe als fehlerfrei erkannt wird, wenn Abweichungen nicht über ein vorgegebenes Maß hinausgehen.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Überwachung der gesamten Schaltung von den Ausgängen der Steuereinrichtung über Ansteuerschaltungen (Treiberbausteine) und Halbleiterschalter der Brücken in einfacher Weise möglich ist. Da die Überwachung ohne integrierende Elemente auskommt, die beispielsweise bei einer Mittelwertmessung der Ausgangsspannungen erforderlich wären, ist die Auswertung schnell und mit nur geringen Toleranzfeldern und somit mit hoher Genauigkeit möglich. Diese bedeutet wiederum eine erhöhte Sicherheit.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass der Vergleich in einem Prozessor erfolgt, der auch die den Halbleiterschaltern zuzuführenden Impulse erzeugt. Hierdurch wird eine besonders einfache und zuverlässige Hardware-Lösung möglich. Bei manchen Prozessoren ist bereits ein sogenannter gated counter vorhanden, mit dem die verschiedenen Pulsbreiten bestimmt werden können. Die übrigen Verfahrensschritte können leicht mit einer geringen Erweiterung des ohnehin in der Steuereinrichtung vorhandenen Programms durchgeführt werden.

Die in Steuereinrichtungen dieser Art verwendete Technik lässt in der Regel keine höheren Spannungen als 5V zu. Deshalb ist bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Signale an dem mindestens einen Ausgang bezüglich des Pegels an den Prozessor angepasst werden.

Um bei der Überwachung statistische Schwankungen auszuschließen, kann gemäß einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass bei dem Vergleich die Soll-Pulsbreite und die Pulsbreite der Ausgangssignale jeweils mehrerer Perioden ausgewertet werden.

Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass der Vergleich erfolgt, wenn die Pulsbreiten über eine zur Messung der Pulsbreite der Ausgangssignale erforderliche Zeit konstant sind. Dadurch kann der Rechenaufwand für den Vergleich und die Auswertung in eine Zeit gelegt werden, in welcher die übrigen Programme der Steuereinrichtung weniger aktiv sind. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass der Vergleich erfolgt, wenn sich die Pulsbreiten über eine zur Messung der Pulsbreite der Ausgangssignale erforderliche Zeit in bekannter Weise ändern.

Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Signal an dem mindestens einen Ausgang einem Eingang einer Vergleichseinrichtung zuführbar ist, die zum Vergleich der Pulsbreite des Signals mit der Pulsbreite der Impulse ausgebildet ist. Ein besonders einfacher Vergleich ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung dadurch möglich, dass die Vergleichseinrichtung Teil einer Steuereinrichtung ist, welche die Impulse erzeugt, welche über Ansteuerschaltungen Steuereingängen der Halbleiterschalter zuführbar sind. Ferner wird durch diese Maßnahme die Sicherheit der Fehlererkennung erhöht.

Auch bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann vorgesehen sein, dass zwischen dem mindestens einen Ausgang und dem Ein gang der Steuereinrichtung eine Pegelanpassungsschaltung angeordnet ist.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:
1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels,
2 Diagramme von Signalen bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 und
3 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen bilden je zwei MOSFETs Hu, Lu; Hv, Lv; Hw, Lw jeweils eine Halbbrücke 7, 8, 9 mit Ausgängen 10, 11, 12, an die jeweils eine der in Sternschaltung ausgeführten Wicklungen 13, 14, 15 eines bürstenlosen permanent erregten Synchronmotors angeschlossen ist. Einem Eingang 16 wird die Betriebsspannung Ub zugeführt.
Die Anordnung umfasst ferner eine Steuereinrichtung 20, die als solche im Zusammenhang mit Leistungsendstufen bekannt ist, von einem Mikrocomputer oder einem digitalen Signalprozessor gebildet wird und als solche zum Verständnis der Erfindung nicht näher erläutert zu werden braucht. Ausgänge der Steuereinrichtung 20 sind mit einer Ansteuerschaltung 21 verbunden, welche Steuersignale Au, Av, Aw für die MOSFETs Hu bis Lw erzeugt. Die Steuereinrichtung 20 weist ferner Eingänge auf, denen von jeweils einem Spannungsteiler 23, 24, 25 erzeugte Spannungen zuführbar sind. Die Spannungsteiler weisen wesentlich höhere Widerstandswerte als die Wicklungen 13, 14, 15 auf, um den Wirkungsgrad der Endstufe im Betrieb nicht zu verschlechtern.
Die der Ansteuerschaltung 21 von der Steuereinrichtung 20 zugeführten Impulse werden in der Regel aus Taktimpulsen abgeleitet, die eine wesentlich höhere Frequenz als die Wiederholfrequenz der Ansteuerimpulse aufweisen. Daher steht in der Steuereinrichtung auch fest, wie viele Taktimpulse der jeweilige Impuls breit ist. Wird bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 von der Vorderflanke bis Rückflanke des jeweils zu prüfenden Signals Su, Sv und Sw die Zahl der Taktimpulse gezählt, so kann diese ohne weiteres verglichen werden. Dabei wird man eventuelle Toleranzen, die durch Schaltzeiten der Ansteuerschaltung 21 und der Halbleiterschalter bedingt sind, berücksichtigen.
2 zeigt die Ansteuerung der Halbleiterschalter, welche die drei Phasen U, V, W bilden, derart, dass bei einem Pegel H der jeweils obere Halbleiterschalter leitend ist, während bei einem Pegel L der untere Halbleiterschalter in den leitenden Zustand gesteuert wird. Außerdem sind die drei Signale Su, Sv und Sw schematisch dargestellt. Es sind jeweils drei Perioden dargestellt, deren Dauer, beispielsweise 50 æs beträgt, was einer Frequenz von 20 kHz entspricht. Da diese Frequenz wesentlich größer als diejenige des Drehfeldes ist, ist aus 2 die das Drehfeld bildende Breitenmodulation nicht erkennbar. 2 stellt sozusagen eine Momentaufnahme dar, bei welcher das Intervall des Pegels H in der Phase U am größten und in der Phase W am kleinsten ist, während das Intervall des Pegels L in der Phase U am kleinsten und in der Phase w am größten ist. Bei ordnungsgemäßem Betrieb sind die Pulsbreiten Au, Su, Av, Sv, Aw, Sw im Wesentlichen gleich.
Abweichungen, worunter auch ein vollständiger Ausfall eines Impulses zu verstehen ist, werden als Defekt interpretiert.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 ist eine separate Vergleichseinrichtung 28 vorgesehen, der einerseits – wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel – über Spannungsteiler die Ausgangssignale Su, Sv und Sw und andererseits von der Steuereinrichtung erzeugte Ansteuersignale zugeführt werden. Für die Vergleichseinrichtung 28 stehen verschiedene Technologien zur Verfügung, beispielsweise eine festverdrahtete Schaltung oder eine programmierbare Einrichtung, wie beispielsweise ein Mikroprozessor.

Claims

Verfahren zur Überwachung einer Leistungsendstufe, wobei die Leistungsendstufe mindestens eine aus einer Reihenschaltung zweier Halbleiterschalter bestehende und mit Betriebsspannung beaufschlagte Halbbrücke aufweist, wobei die Halbleiterschalter durch pulsbreitenmodulierte Impulse abwechselnd in einen leitenden Zustand und einen nichtleitenden Zustand steuerbar sind und wobei der Verbindungspunkt der Halbleiterschalter der mindestens einen Halbbrücke einen Ausgang bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Pulsbreite von am Ausgang anstehenden Signalen mit einer jeweiligen Soll-Pulsbreite verglichen wird und dass die Leistungsendstufe als fehlerfrei erkannt wird, wenn Abweichungen nicht über ein vorgegebenes Maß hinausgehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich in einem Prozessor erfolgt, der auch die den Halbleiterschaltern zuzuführenden Impulse erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale an dem mindestens einen Ausgang bezüglich des Pegels an den Prozessor angepasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Vergleich die Soll-Pulsbreite und die Pulsbreite der Ausgangssignale jeweils mehrerer Perioden ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich erfolgt, wenn die Pulsbreiten über eine zur Messung der Pulsbreite der Ausgangssignale erforderliche Zeit konstant sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich erfolgt, wenn sich die Pulsbreiten über eine zur Messung der Pulsbreite der Ausgangssignale erforderliche Zeit in bekannter Weise ändern.
Anordnung zur Überwachung einer Leistungsendstufe, wobei die Leistungsendstufe mindestens eine aus einer Reihenschaltung zweier Halbleiterschalter (Hu, Lu; Hv, Lv; Hw, Lw) bestehende und mit Betriebsspannung beaufschlagte Halbbrücke (7, 8, 9) aufweist, wobei die Halbleiterschalter (Hu, Lu; Hv, Lv; Hw, Lw) durch pulsbreitenmodulierte Impulse abwechselnd in einen leitenden Zustand und einen nichtleitenden Zustand steuerbar sind und wobei der Verbindungspunkt der Halbleiterschalter (Hu, Lu; Hv, Lv; Hw, Lw) der mindestens einen Halbbrücke (7, 8, 9) einen Ausgang (10, 11, 12) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal an dem mindestens einen Ausgang (10, 11, 12) einem Eingang einer Vergleichseinrichtung (20) zuführbar ist, die zum Vergleich der Pulsbreite des Signals mit der Pulsbreite der Impulse ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinrichtung Teil einer Steuereinrichtung (20) ist, welche die Impulse erzeugt, welche über Ansteuerschaltungen (21) Steuereingän gen der Halbleiterschalter (Hu, Lu; Hv, Lv; Hw, Lw) zuführbar sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Ausgang (10, 11, 12) und dem Eingang der Steuereinrichtung (20) eine Pegelanpassungsschaltung (23, 24, 25) angeordnet ist.