DE19758128B4

DE19758128B4 - Motor-Steuerungsbaugruppe und Verfahren zu deren Steuerung

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Publication number: DE19758128B4
Application number: DE19758128A
Authority: DE
Inventors: Charles F. South Lyon Weber; Gary M. Milford Klingler
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1997-12-30
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2017-12-31
Also published as: DE19758128A1; GB2321349B; GB9727540D0; US5757596A; GB2321349A

Abstract

Motor-Steuerungsbaugruppe für einen elektrischen Motor (18), mit
– wenigstens einer ersten Phase (A), die wenigstens eine erste Spule (20A1) und eine zweite unabhängige, zur ersten Spule (20A1) redundante Spule (20A2) aufweist;
– einer Motor-Steuerungseinrichtung (14), die wenigstens ein für einen vorgebbaren Stromwert repräsentatives Steuersignal erzeugt;
– wenigstens einem ersten und einem zweiten Ansteuerelement (16A1, 16A2), an welches die wenigstens erste und zweite Spule (20A1, 20A2) angeschlossen sind, wobei das jeweilige Ansteuerelement das wenigstens eine Steuersignal empfängt und in dessen Abhängigkeit die zugeordnete Spule (20A1, 20A2) mit einem bestimmten An/Aus Verhältnis bestromt;
– und einem An/Aus-Zustandsdetektor (36) zum Abfragen des An/Aus-Verhältnisses des Ansteuersignals für die Spule (20A1, 20A2);
– wobei die Motor-Steuerungseinrichtung (14) durch Vergleichen des An/Aus-Verhältnisses der einzelnen Ansteuerelemente (16A1, 16A2) einen Fehlerzustand einer Spule (20A1, 20A2) der Phase (A) ermittelt und ein Sperrsignal an das zugeordnete Ansteuerelement (16A1, 16A2) erzeugt, um die fehlerhafte Spule...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motor-Steuerungsbaugruppe mit der Fähigkeit zur Fehlerermittlung, insbesondere eine Motor-Steuerungsbaugruppe und ein Verfahren zum Steuern eines zum Positionieren der Drosselklappe dienenden Motors in einer Drosselklappen-Steuerungseinheit und zur Ermittlung von Motor-Schaltungsfehlern.
Bei einer elektronischen Drossel-Steuerungseinheit eines Fahrzeuges wird üblicherweise ein Motor eingesetzt, bei dem der Gesamtfluß der Motorspulen ein Drehmoment an der Motorwelle zum Stellen der Drosselklappe erzeugt. Der durch die Wicklungen des Motors fließende Strom wird durch eine Mikrocomputer-Steuereinrichtung eingestellt, um das notwendige Drehmoment zu erzeugen. Falls eine der Spulenschaltungen im Motor funktionsunfähig wird, kann das elektromagnetische Feld nicht länger gesteuert werden, die Steuereinrichtung wird abgeschaltet und eine Feder zieht den abgeschalteten Motor in eine Stellung, die der geschlossenen Stellung der Drosselklappe entspricht. In diesem geschlossenen Zustand kann die Drosselklappe nicht länger arbeiten, wodurch das Fahrzeug betriebsunfähig wird.

Aus der US 52 47 217 A (entsprechend der EP 502 875 B1 ) ist es bekannt, einen derartigen Störzustand zu überwinden, indem zwei Teilwicklungen für jede Phase verwendet werden, wodurch eine Teilwicklung während eines betriebsunfähigen Zustandes der anderen Teilwicklung betriebsfähig bleiben kann, so daß ein stetiger Betrieb des Motors ermöglicht wird. Aus der o.g. Patentschrift ist ein System für einen Schrittmotorantrieb bekannt, der einen Zweiphasen-Schrittmotor und zwei Teilwicklungen für jede Phase aufweist. Eine Steuereinrichtung ist an eine Ausgangs- bzw. Endstufe angeschlossen, um den durch die Wicklungen fließenden Strom einzustellen. Für jede Wicklung ist eine zugeordnete Endstufe vorhanden. Der Steuereinrichtung wird ein Rückkopplungssignal zugeleitet, um das Funktionieren der einzelnen Teilwicklungen zu überwachen und um im Falle eines betriebsunfähigen Zustandes einer der Teilwicklungen ein Alarmsignal an die Steuereinrichtung zu übertragen. In letzterem Falle steuert die Steuereinrichtung den durch die verbleibende Teilwicklung fließenden Strom derart, daß diese wenigstens teilweise die Funktion der betriebsunfähigen Teilwicklung übernimmt. Dadurch wird eine Redundanz im System erzielt. Ein mögliches Problem dieser Steuerungsvorrichtung besteht darin, daß im Falle fehlerhafter Elektronik ein unkontrolliertes Motordrehmoment auftreten kann.

In der DE 37 20 255 A1 wird das Problem beschrieben, dass der Leerlauf-Anschlag für ein Drosselklappenventil, welcher über einen Stellmotor in Abhängigkeit von der Motortemperatur und von weiteren Parametern verändert werden kann, in einem Störfalle wie zum Beispiel einem Kurzschluss einer Motoransteuerleitung des Stellmotors ausfallen kann. Die Drosselklappe könnte in diesem Falle bis zu relativ großen Winkeln geöffnet werden, was entsprechende Betriebsstörungen zur Folge hat. Diesbezüglich wird spekulativ und ohne nähere Erläuterung im Detail die Möglichkeit einer Überwachung der Spule und die Einleitung von Gegenmaßnahmen genannt, diese Möglichkeit wird jedoch zugleich als nachteilig kritisiert, und es wird ein anderer Lösungsweg beschritten.

Die DE 33 11 771 A1 beschäftigt sich mit einem Elektromotor, der zum Beispiel als Antrieb für einen Staubsauger eingesetzt wird. Der Motor wird mit einer Überwachungsschaltung versehen, welche bei einer Überlastung des Motors dafür sorgt, dass der Motor komplett abgeschaltet wird und dass dieser Zustand beibehalten wird.

Die DE 40 13 393 C2 beschäftigt sich mit einem Elektromagnetventil, bei dem für einen getakteten Verbraucher aus Widerstand und Induktivität das Verhältnis von Pulsdauer und Pausendauer überwacht wird, um einen auftretenden Funktionsfehler im Verbraucher festzustellen. Gegenmaßnahmen im Falle eines Fehlers werden nicht beschrieben.

Aus der DE 43 29 919 A1 ist eine Schrittmotoransteuerung bekannt, bei der eine Motor-Steuerungseinrichtung ein Motoransteuerelement mittels Pulsweiten-modulierter Signale ansteuert. Ferner werden Fehler bei der Bestromung der Motorwicklungen erfasst, so dass die Motor-Steuerungseinrichtung Sperrsignale an die Motortreiber senden und damit die Spulen unabhängig voneinander abschalten kann.

Aus der EP 462 050 A1 ist bekannt, dass der Momentanwert des Wicklungsstromes und damit das An/Aus-Verhältnis des Ansteuersignals analog der Motor-Steuerungseinrichtung zugeführt wird.

Weiterhin sind allgemeine Informationen über Stellmotoren und deren Ansteuerung dem Artikel "Schrittmotoren in Theorie und Praxis" (H. Bernstein, de 12/96, S. 1094–1101) entnehmbar.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Motorsteuerungsbaugruppe sowie ein Steuerungsverfahren zu schaffen, bei der bzw. bei dem ein redundanter, stetiger Motorbetrieb unter Erkennung und Isolierung möglicher Fehler in der Baugruppe und dem Motor ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Motor-Steuerungsbaugruppe mit einem Motor mit wenigstens einer Phase, die wenigstens eine erste und eine zweite unabhängige elektromagnetische Spule aufweist, vorgesehen. Die Motor-Steuerungsbaugruppe weist auch eine Motor-Steuerungseinrichtung auf, die wenigstens ein für ein gefordertes Niveau repräsentatives Steuersignal und Abschalt- bzw. Sperrsignale erzeugt. Die Motor-Steuerungsbaugruppe umfaßt ferner wenigstens ein erstes und ein zweites Ansteuerelement, an welches die jeweiligen Spulen angeschlossen sind, wobei das jeweilige Ansteuerelement das jeweilige Steuersignal zum Einschalten bzw. Erregen der Spulen empfängt und das Sperrsignal zum Sperren und Abschalten bzw. Aberregen einer der Spulen in der jeweiligen Phase unabhängig von der anderen Spule oder den anderen Spulen der jeweiligen Phase empfängt.

Weiterhin ist zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ein Verfahren zum Steuern eines Motors vorgesehen, der wenigstens eine Phase mit wenigstens zwei unabhängigen elektromagnetischen Spulen für jede Phase des Motors aufweist. Das Verfahren weist den Schritt des Ansteuerns jeder Spule unabhängig von jeder anderen Spule basierend auf einem Steuersignal, das Informationen bezüglich des Spulenerregungsgrades und/oder des Ansteuersignals rückführt, des Abfragens einer Störung bzw. eines Fehlers in jeder Spule und des Sperrens bzw. Abschaltens der Spule, wenn in ihr ein Fehler festgestellt wurde, wodurch eine fortgesetzte Motorsteuerung durch die jeweils andere Spule oder die jeweils anderen Spulen in einer bestimmten Phase ermöglicht wird, auf.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Fehler ermittelt und isoliert werden können und dadurch ein stetiger Betrieb des Motors ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß jede Spule jeder Phase separat gesteuert wird, wodurch ein stabilerer Betrieb möglich ist. Ein zusätzlicher Vorteil liegt darin, daß Spulen bzw. Ansteuerelemente, die einen nicht akzeptablen oder unbekannten Zustand aufweisen, abgeschaltet bzw. gesperrt werden können, um eine ständige Steuerung des zum Motor fließenden Stroms zu gewährleisten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm der Motor-Steuerungsbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung des Querschnitts eines Motors;
3 ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines Ansteuerelementes;
4 ein schematisches Schaltbild einer zweiten Ausführungsform des Ansteuerelementes;
5 ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern der Motor-Steuerungsbaugruppe aus 1.
In 1 ist ein Blockdiagramm einer Motor-Steuerungsbaugruppe 10 dargestellt. Die Motor-Steuerungsbaugruppe 10 wird als Teil einer elektronischen Drossel-Steuerungseinrichtung verwendet. Die vorliegende Erfindung kann selbstverständlich auch in Zusammenhang mit anderen Motor-Steuerungsanwendungen eingesetzt werden.
Wie in 1 dargestellt, weist die Motor-Steuerungsbaugruppe 10 ein Befehls-Betätigungselement 12 auf, das im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Drosselstellungs-Befehlseinheit ist, das bzw. die ein für eine Sollstellung repräsentatives Betätigungselement-Signal erzeugt. Das Befehls-Betätigungselement 12 ist mit einer Motor-Steuerungseinrichtung 14 verbunden, die das Betätigungselement-Signal auswertet, um Steuersignale zu erzeugen, nämlich geforderte Strompegel und Sperrsignale. Die Motor-Steuerungseinrichtung 14 ist mit einer Mehrzahl von Ansteuerelementen 16 verbunden, die die Steuer- und Sperrsignale empfangen, um ihrerseits einen Motor 18 anzusteuern. Die Ansteuerelemente erzeugen jeweils ein Rückkopplungssignal für die Motor-Steuerungseinrichtung 14.
Der Motor 18 weist Redundanzfähigkeiten dadurch auf, daß jede Phase zwei elektromagnetische Spulen 20-1, 20-2 aufweist. In der dargestellten Ausführungsform weist der Motor 18 drei Phasen A, B, C auf, wobei jede Phase A, B, C zwei elektromagnetische Spulen umfaßt, die als 20A1, 20A2, 20B1, 20B2, 20C1, 20C2 bezeichnet sind. Im Rahmen der Erfindung können auch andere Phasenanzahlen verwendet werden, z.B. eine oder zwei. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Motor 18 ein variabler Reluktanzmotor herkömmlicher Konfiguration.
Jede elektromagnetische Spule 20A1, 20A2, 20B1, 20B2, 20C1, 20C2 weist ein separates und unabhängiges Ansteuerelement 16A1, 16A2, 16B1, 16B2, 16C1, 16C2 auf, das mit der jeweiligen Spule verbunden ist. Daher kann die Motor-Steuerungseinrichtung 14 jedes Ansteuerelement 16A1, 16A2, 16B1, 16B2, 16C1, 16C2 und die elektromagnetischen Spulen 20A1, 20A2, 20B1, 20B2, 20C1, 20C2 getrennt steuern, basierend auf den Rückkopplungssignalen und den Drossel- oder Positionsanforderungen. Der Motor 18 weist einen Motor-Stellungssensor 22 auf, der an die Motor-Steuerungseinrichtung 14 angeschlossen ist. Ebenso ist eine Verbrennungsmotor- oder Maschinen-Drosseleinheit 24 vorgesehen, wie sie gemäß dem Stand der Technik allgemein bekannt ist.
In 2 ist der Querschnitt des variablen Dreiphasen-Reluktanzmotors 18 dargestellt. Die Motorphase A weist Polpaare P1, P4 um den Stator 19 herum auf, um ein elektromagnetisches Feld zwecks Rotation des Rotors 21 zu erzeugen. Zu den Phasen B und C gehören Polpaare P2, P5 bzw. P3, P6. Im Gegensatz zu üblichen bei Kraftfahrzeugen verwendeten Motortypen kommt der variable Reluktanzmotor 18 ohne Permanentmagnetfeld aus. Dies ist für einen Einsatz bei elektronischen Drosseln vorteilhaft, insbesondere im Hinblick auf die von der Drossel-Rückholfeder entwickelte Schließgeschwindigkeit. Bei Einsatz von Permanentmagneten ist ein magnetisch induzierter Rest-Motorwellenwiderstand vorhanden, selbst wenn die Motorschaltung abgeschaltet wird. Um die spezifizierten passiven Drossel-Rückholzeiten einzuhalten, ist deshalb eine stärkere Rückholfeder erforderlich. Außerdem kann der Restwiderstand sich im Fehlerfalle durch Kurzschluß in der Spule 20 oder im Ansteuerelement 16 erhöhen. Der Rest-Wellenwiderstand des variablen Reluktanzmotors 18 ist sehr niedrig und im wesentlichen durch die Reibung der die Welle aufnehmenden Kugellager bestimmt.
Nachfolgend wird das Ansteuerelement 16 näher beschrieben, wobei die Konstruktion auf jedes Ansteuerelement 16A1, 16A2, 16B1, 16B2, 16C1, 16C2 übertragbar ist. Das Ansteuerelement 16 weist einen Schalt-Konstantstromverstärker auf, wie in 3 dargestellt. Das Ansteuerelement 16 ist als Zweiquadrantenverstärker ausgebildet, wobei die jeweilige Spule 20 in einem kontinuierlichen Stromzuführungsmodus betrieben wird. Der gewünschte Strompegel wird durch die Motor-Steuerungseinrichtung 14 in einer Schalt-Steuereinrichtung 26 festgesetzt, die eine geeignete Stabilitäts-Kompensation aufweist und ihrerseits die Motorspule 20 mit einem geeigneten Strompegel-Signal ansteuert. Die Schalt-Steuereinrichtung 26 schließt gleichzeitig obere und untere Schalter SW1, SW2 durch ein Paar UND-Gatter 34, 35, die als Eingangsdaten auch das Sperrsignal empfangen. Wenn die Schalter SW1, SW2 geschlossen sind, fließt der Motorspulenstrom durch einen Stromsensor 28 und verstärkt sich entsprechend der Ansteuerelementspannung und der Spuleninduktion. Wenn der Spulenstrom einen vorgegebenen Wert erreicht, werden sowohl der obere als auch der untere Schalter SW1, SW2 geöffnet. Die Schalter bleiben dann bis zum Start des nächsten Zyklus aus. Die Dauer des Zyklus ist im Vergleich zur Änderungsrate des Motorspulenstroms sehr kurz. Dieses führt zu einem gleichförmigen Spulenstromfluß. Es kann gezeigt werden, daß sich der ungefähre mittlere Stromfluß in der Spule wie folgt bestimmt: I = Vm/R für I > 0 Gleichung 1wobei Vm = Vsys(2D – 1) Gleichung 2und D = ton/T Gleichung 3 wobei I der mittlere Motorspulenstrom, V_sys die Systemspannung, V_m die mittlere an die Motorspule angelegte Spannung, R der Motorspulenwiderstand, D das Schaltverhältnis (duty cycle), t_on die Anschaltzeit und T die Zyklusdauer ist.
Da das Ansteuerelement 16 mit einem kontinuierlichem Stromfluß arbeitet, fließt unter normalen Bedingungen ständig Strom durch die Spule 20. Somit ist ständig ein kleiner, sich verändernder Strom in der Motorspule 20 vorhanden, wenn die Motor-Steuerungseinrichtung 14 einen Betrieb mit Minimalstrom festsetzt. Die Überwachung des dynamischen Betriebsverhaltens des Ansteuerelementes 16 ist der Schlüssel zur Fehlerermittlung, wie nachfolgend beschrieben wird.
Bei dem Ansteuerelement 16 wird eine stromabfragende Rückkopplung verwendet, um den Motorstrom unter Ansprechen auf das Befehlssignal von der Motor-Steuerungseinrichtung 14 zu steuern. Wenn minimaler Strom befohlen wird, bestimmt die Schalt-Steuereinrichtung 26 den minimalen Strom, der die Bedingungen eines kontinuierlichen Stromflusses erfüllt unter Verwendung der vorstehend angegebenen Gleichungen 1 bis 3. Aus den oben angegebenen Gleichungen ist ersichtlich, daß die Schalt-Steuereinrichtung 26 einen Mittelwert von D sucht, der etwas größer als 0,5 ist. Dieser Betriebspunkt wird dann als Basis zur Bestimmung der Güte des Ansteuerelements 16 herangezogen. Signifikante Abweichungen von diesem Betriebspunkt zeigen eine Störung an, wie weiter unten erläutert wird.
Die Schalter SW1, SW2 können jede übliche Transistorschalterart oder jeder andere gemäß dem Stand der Technik bekannte Schalter sein. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Schalter SW1 und SW2 MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren). Der Stromsensor 28 kann jede Stromsensorart sein, wie z.B. Widerstandssensoren oder Stromfühler. Insbesondere kann der Schalter SW2 vom Typ eines Leistungs-FET(Feldeffekttransistors) mit einem inneren Wi derstand sein. Innerhalb dieser integrierten FET-Chipschaltung kann der Strom intern gemessen und nach außen weitergegeben werden. Diese Information wird an die Schalt-Steuereinrichtung 26 weitergeleitet, die so jede Änderung in der Erregung der Spulen 20 ermitteln kann. Wenn beide Schalter SW1, SW2 "an" sind, liegt die Spannung V+ an der Spule 20 an. Wenn die Schalter SW1, SW2 offen sind, bleibt in der Motorspule 20 aufgrund deren Induktivität zunächst ein Strom aufrechterhalten. Dieser Strom fließt über einen Pfad, der durch Dioden D1 und D2 gebildet wird. Wenn die Schalter SW1 und SW2 sehr schnell im Vergleich zu dem Anstiegs- und Abfallzeiten des Stroms geöffnet bzw. geschlossen werden, filtert die Motorspule 20 den Schaltstrom heraus, so daß der Strom relativ gleichmäßig bleibt.
Die Motor-Steuerungseinrichtung 14 kann den jeweiligen Zustand der Spule 20 und des jeweiligen Ansteuerelementes 16 ermitteln. Die Ansteuerelemente 16 sind Zweiquadrantenverstärker, die Plus- und Minusspannungen an die Last anlegen können. Der Strom bleibt jedoch positiv. Die Schalt-Steuereinrichtungen 26 arbeiten mit einem geschlossenen Regelkreis, bei dem der Strom in der Motorspule 20 abgefragt wird, während der obere und der untere Schalter SW1, SW2 dynamisch wiederholt an- und abgeschaltet werden. Die Motorspulen 20 führen ständig Strom, selbst bei ihrem vorgegebenen Minimalwert. Dieser vorgegebene Minimalwert wird als der Vorspannungs- bzw. stabilisierter Ruhestrom bezeichnet. Dieser ist einige hundertmal kleiner als der Vollaststrom. Bei der Schaltung mit geschlossenem Regelkreis wird angestrebt, mit dem Schaltverhältnis D die Gleichung 1 zu erfüllen. An dem vorgegebenen Punkt für den Ruhestrom stellt die Schalt-Steuereinrichtung 26 dynamisch einen mittleren Wert D für das Schaltverhältnis von nahezu 0,5 ein, da dieses Schaltverhältnis zu einer niedrigen an der Motorspule 20 anliegenden Spannung führt. Da das Ansteuerelement 16 vollständig dynamisch ist und alle Teile des Ansteuerelementes 16 aktiv sind, kann durch die Schaltverhältnis-Rückkopplung eine Schaltungsstö rung ermittelt werden. Diese Information wird zur Steuerungseinrichtung 14 geleitet, wo die Überwachung durchgeführt wird. Die Empfindlichkeit, ein fehlerhaftes Ansteuerelement bzw. eine fehlerhafte Spule zu ermitteln, wird durch die Verstärkung der Schalt-Steuereinrichtung 26 beeinflußt, wobei höhere Verstärkungen eingesetzt werden können, um die Fehlerermittlung zu verbessern. Ein Fehler oder eine Störung werden dann ermittelt, wenn das Schaltverhältnis nicht innerhalb der Grenzen liegt.
Durch einen An/Aus-Zustandsdetektor 36 wird der Zustand der Schalter SW1, SW2 zur Schaltverhältnis-Rückkopplung ermittelt. Diese Information wird vom Ansteuerelement 16 zur Motor-Steuerungseinrichtung 14 geleitet, in der das dynamische Betriebsverhalten des Ansteuerelementes 16 und der jeweiligen Motorspule 20 bewertet wird. In einer ersten Ausführungsform wechselt das Schaltverhältnis-Rückkopplungssignal entsprechend den Schalterzuständen von einem logischen 1-Pegel (5 Volt) zu einem logischen 0-Pegel (0 Volt). Diese Spannung wird durch einen RC-Filter (LPF) 30 (1) tiefpaßgefiltert, so daß der Mittelwert von D von der Motor-Steuerungseinrichtung 14 mittels eines internen (nicht dargestellten) Analog-Digital-Wandlers leicht ausgelesen werden kann. In einer zweiten Ausführungsform wird in ähnlicher Weise der Strompegel abgefragt.
Die Motor-Steuerungseinrichtung 14 kann jeden allgemein bekannten Mikrocomputer oder Prozessor aufweisen. Die Motor-Steuerungseinrichtung 14 liest die befohlene Drosselstellung von dem Befehls-Betätigungselement 12 und legt dementsprechend die Motorspulenströme fest. Die Werte werden ausgewählt, um die Drossel 24 zu bewegen und dadurch die Differenz des Stellungsbefehlssignals des Betätigungselementes gegenüber dem gemessenen Stellungsrückkopplungssignal zu minimieren. Außerdem überprüft die Motor-Steuerungseinrichtung 14 die Unversehrtheit des Ansteuerelementes 16 und der Motorspule 20, um zu ermitteln, ob normale oder fehlerhafte Bedin gungen vorhanden sind. Falls ein Fehler festgestellt wird, werden das Ansteuerelement 16 und die jeweilige Spule 20 gesperrt bzw. abgeschaltet und die verbleibenden Motorspulenpaare werden einzeln in einem Modus für ein reduziertes Motordrehmoment betrieben. Somit wird z.B. das Ansteuerelement 16A1 und die Ansteuerelemente 16B1, 16C1 und die Spulen 20B1, 20C1, etc. gesperrt, falls ein Fehler entweder im Ansteuerelement 16A1 oder in der Spule 20A1 ermittelt wird. In der in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind zwei von der Motor-Steuerungseinrichtung 14 aus verlaufende Sperrleitungen vorgesehen, die zwei Sätze von Ansteuerelementen/Spulen A1, B1, C1 und A2, B2, C2 getrennt steuern. Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß auch getrennte Sperrleitungen für jedes Ansteuerelement 16 vorgesehen sein können, um deren getrennte Sperrung durch die Motor-Steuerungseinrichtung 14 zu ermöglichen.
In den 3 und 4 sind zwei verschiedene Ausführungsformen zur Gewinnung des Rückkopplungssignals in dem Ansteuerelement 16 dargestellt. In 3 wird die Rückkopplung aus dem Spannungspegel zwischen dem Schalter SW1 und der Motorspule 20 erzeugt. In der zweiten Ausführungsform (4) wird die Rückkopplung aus dem logischen Status am Ausgang der Schalt-Steuereinrichtung 26 erzeugt. Mit beiden Verfahren zur Rückkopplungsabtastung werden Schaltverhältnis-Informationen gewonnen, anhand derer ermittelt werden kann, ob ein Fehler in dem jeweiligen Paar aus Ansteuerelement 16 und Spule 20 aufgetreten ist. Gemeinsame Bauteile werden in den 3 und 4 mit gemeinsamen Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei bei der zweiten Ausführungsform mit einem Strich versehene Bezugszeichen verwendet werden.
5 stellt ein Flußdiagramm des Ablaufs in der Steuerungseinrichtung 14 zum Ermitteln von Störungen dar. Die Motor-Steuerungseinrichtung 14 liest die befohlene Drosselstellung im Block 100. Weiterhin legt die Motor-Steuerungseinrichtung 14 die Motorspulenströme in Block 102 fest und leitet diese Information zu den jeweiligen Ansteuerelementen 16 weiter. Danach überwacht die Motor-Steuerungseinrichtung 14 in Block 103 den Motorsteuerungssensor 22, um das Befehlssignal ständig auf den neuesten Stand zu bringen. Die Motor-Steuerungseinrichtung 14 überwacht in Block 104 weiterhin das Rückkopplungssignal, entweder als Spannungs- oder als Stromsignal, abhängig von der Ausführungsform.
Wenn sich ein Ansteuerelement 16 im Ruhe- bzw. Leerlaufmodus befindet (mittleres Schaltverhältnis nahe 50%), vergleicht die Motor-Steuerungseinrichtung 14 in Block 106 die relative Einschaltdauer (duty cycle) jedes Ansteuerelementes 16 mit einer oberen vorgegebenen Grenze, um zu ermitteln, ob die obere vorgegebene Grenze überschritten wird. Falls ja, werden die relevanten Ansteuerelemente 16 und Spulen 20 in dem Satz mit dem fehlerhaften Ansteuerelement/der fehlerhaften Spule im Block 108 gesperrt bzw. abgeschaltet. Wenn sich ein Ansteuerelement 16 im Ruhemodus befindet, vergleicht die Motor-Steuerungseinrichtung 14 in Block 110 das Schaltverhältnis jedes Ansteuerelementes 16 weiterhin mit einer unteren vorgegebenen Grenze, um zu bestimmen, ob die untere vorgegebene Grenze überschritten und außerhalb des Bereiches ist. Wenn ja, werden die relevanten Ansteuerelemente 16 und Spulen 20 in dem Satz mit dem fehlerhaften Ansteuerelement/der fehlerhaften Spule in Block 112 gesperrt bzw. abgeschaltet. Schließlich vergleicht die Motor-Steuerungseinrichtung 14 in Block 114 das Schaltverhältnis der ersten und der zweiten Spulen in jeweils einer Phase A, B, C, wenn beide Spulen nicht im Ruhezustand sind. Wenn eine Abweichung zwischen den Spulen in jeweils einer Phase eine vorgegebene Grenze überschreitet, werden sodann die beiden der Phase zugeordneten Ansteuerelemente 16 in den Ruhemodus in Block 118 befohlen, und das fehlerhafte Ansteuerelement 16 wird durch Rückkehr zum Block 106 ermittelt. Andernfalls, wenn keine Fehler ermittelt wurden, kehrt das Programm in Block 116 zum Start zurück.
Durch den oben beschriebenen Algorithmus der Motorsteuerung 14 wird eine Vielzahl Fehler verursachender Zustände ermittelt. Im Falle des Abfragens der Spannung gemäß der in 3 dargestellten ersten Ausführungsform werden folgende Zustände ermittelt:

(1) wenn eine Motorspule 20 unterbrochen ist, verhindert dies ein Ansteigen des Stroms in dem Stromsensor 28 des jeweiligen Ansteuerelementes 16. Die Schalt-Steuereinrichtung 26 stellt das Schaltverhältnis in diesem Falle auf einen maximalen Pegel ein, um den Strom bei offener bzw. ausgeschalteter Last zu steuern (was natürlich nicht gelingt). Das führt dazu, daß sich das Schaltverhältnis nicht innerhalb der Grenzen befindet, was von der Steuerungseinrichtung 14 registriert wird, worauf das Ansteuerelement 16 über die oberen und unteren Schalter SW1, SW2 abgeschaltet wird.
(2) Im Falle einer kurzgeschlossenen Motorspule 20 steigt der Strom nahezu augenblicklich an. Im Normalbetrieb begrenzt die Induktivität der Motorspule die Rate des Stromanstiegs im Ansteuerelement 16. Diese Anstiegszeit ist viel länger als die Schaltdauer des Ansteuerelementes 16. Bei kurzgeschlossener Motorspule 20 steuert die Schalt-Steuereinrichtung 26 das Schaltverhältnis zum Minimum, um den Strom auf dem vorgegebenen Wert zu halten. In diesem Falle ist das ermittelte Schaltverhältnis viel niedriger als das normalerweise erwartete. Das ermittelte Schaltverhältnis liegt damit nicht innerhalb der Grenzen. Das ermittelte Schaltverhältnis wird zu der Steuerungseinrichtung 14 zurückgeleitet, wo der Fehler registriert und das Ansteuerelement 16 über die oberen und unteren Schalter SW1, SW2 abgeschaltet wird.
(3) In dem Falle, daß der obere Schalter SW1 kurzgeschlossen ist, wechselt das Ansteuerelement 16 von einem Zweiqua drantensteuergerät zu einem Einquadrantensteuergerät. In diesem Falle funktioniert die Schalt-Steuereinrichtung 26 grundsätzlich weiter, jedoch wird das Ansteuerelement-Schaltverhältnis D so gesteuert, daß Gleichung 1 gemäß V_m = V_sys(D) (Gleichung 4) erfüllt wird. In diesem Falle ist der zum Erfüllen der Gleichung 1 erforderliche Wert D viel kleiner als im Falle von Gleichung 2. Die resultierende Schaltverhältnis-Rückkopplung von der Spannungsabfrage ist maximal bzw. liegt nicht innerhalb der Grenzen. Das Schaltverhältnis-Rückkopplungssignal wird zu der Motor-Steuerungseinrichtung 14 zurückgeleitet, wo der Fehler registriert und das Ansteuerelement 16 über den unteren Schalter SW2 abgeschaltet wird.
(4) Im Falle, daß der obere Schalter SW1 unterbrochen ist, fließt kein Strom in die Motorspule 20 und die Schalt-Steuereinrichtung 26 steuert das Schaltverhältnis zu einem großen oder maximalen Wert. Da die Spannungsabfrage am Ausgang des Schalters SW1 verwendet wird, um das Schaltverhältnis an die Steuerungseinrichtung 14 weiterzuleiten, ist das weitergeleitete Schaltverhältnis Null und somit außerhalb der Grenzen.
(5) Im Falle, daß der untere Schalter SW2 kurzgeschlossen ist, wechselt das Ansteuerelement 16 von einem Zweiquadrantensteuergerät zu einem Einquadrantensteuergerät. In diesem Falle funktioniert die Schalt-Steuereinrichtung 26 grundsätzlich weiter. Jedoch versucht das Verstärker-Schaltverhältnis D die Gleichung 1 gemäß Gleichung 4 zu erfüllen. Hier ist der zum Erfüllen der Gleichung 1 notwendige Wert D viel kleiner als im Falle von Gleichung 2. Das ermittelte Schaltverhältnis liegt somit nicht innerhalb der Grenzen. Der Fehler wird von der Steuerungseinrichtung 14 registriert und das Ansteuerelement 16 über den oberen Schalter SW1 abgeschaltet.
(6) wenn der untere Schalter SW2 unterbrochen ist, fließt kein Strom in die Motorspule 20, was wie bei Fall (1) erkannt wird.
(7) Der Stromsensor 28 kann in einer derartigen Weise ausfallen, daß dieser einen geringeren Strom als die tatsächliche Stromstärke oder einen Strom von Null anzeigt, obwohl Ströme vorhanden sind. In dem einfachen Beispiel, bei dem das Sensorelement als Reihenwiderstand ausgebildet ist, würde dies geschehen, wenn der widerstand kurzgeschlossen würde. Die Fehlererkennung erfolgt analog zu Fall (1).
(8) Der Stromsensor 28 kann in einer derartigen Weise ausfallen, daß das Stromsensorelement anzeigt, daß der Strom viel größer als die tatsächliche Stromstärke ist. In dem einfachen Beispiel, indem der Sensor als Reihenwiderstand ausgebildet ist, würde dies geschehen, wenn der Widerstand unendlich wäre. Dies ist auf Fall (2) zurückzuführen.
(9) Wenn die obere Diode D1 kurzgeschlossen ist, ist dies ebenfalls dem Fall (2) analog.
(10) Wenn die obere Diode D1 unterbrochen ist, ändert sich Gleichung 2 entsprechend dem Durchschlags- oder Klemmspannungsvermögen des unteren Schalters SW2. In der Praxis wird dadurch der untere Schalter in der Regel überbeansprucht und entweder unterbrochen oder kurzgeschlossen betriebsunfähig werden, wofür die Fälle (1) oder (4) gelten. Ansonsten funktioniert die Rückkopplungs-Steuereinrichtung grundsätzlich weiter; jedoch wird das Verstärker-Schaltverhältnis D gemäß Gleichung 1 in Verbindung mit Gleichung 5 eingestellt: wobei Vm = DVsys – (1 – D)Vbrkdn Gleichung 5 Dabei wird die Durchschlagsspannung des Schalters mit V_brkdn bezeichnet. Durch Auslegung ist V_brkdn so gewählt, daß sie viel größer als V_sys ist; und somit ist der zum Erfüllen der Gleichung 1 erforderliche Wert von V viel größer als im Falle von Gleichung 2. Das resultierende Schaltverhältnis liegt somit nicht innerhalb der Grenze und wird von der Steuerungseinrichtung 14 als Fehler registriert, weshalb das Ansteuerelement 16 über die oberen und unteren Schalter SW1, SW2 abgeschaltet wird.
(11) Wenn die untere Diode D2 kurzgeschlossen ist, kann keine Spannung an die Spule 20 angelegt werden und die Schalt-Steuereinrichtung 26 stellt das Schaltverhältnis auf einen großen oder maximalen Wert ein, um einen Strom aufzubauen. Es ist wünschenswert, daß der Schalter SW1 ein Strombegrenzungsmerkmal aufweist. Da jedoch die Spannungsabfrage am Ausgang von SW1 verwendet wird, um das Schaltverhältnis an die Steuerungseinrichtung 14 weiterzuleiten, ist das weitergeleitete Schaltverhältnis Null und somit außerhalb der Grenzen.
(12) Im Fall, daß die untere Diode D2 unterbrochen ist, ändert sich Gleichung 2 gemäß dem Durchschlags- oder Klemmspannungsvermögen des oberen Schalters SW1. Der obere Schalter SW1 kann dadurch überbeansprucht und entweder unterbrochen oder kurzgeschlossen betriebsunfähig werden, wofür dann die Fälle (1) oder (3) gelten würden. Ansonsten würde die Schalt-Steuereinrichtung 26 grundsätzlich weiter funktionieren, jedoch bestimmt sich das Schaltverhältnis D gemäß Gleichung 1 in Verbindung mit Gleichung 5 , wie bei Fall 10 näher erläutert.
(13) Wenn die Schalt-Steuereinrichtung 26 fehlerhaft ist, versucht die Schalt-Steuereinrichtung 26 nicht länger, Gleichung 1 zu erfüllen. In diesem Fall ist das Schaltverhältnis Eins oder Null. Das ermittelte Schaltverhält nis liegt somit nicht innerhalb der Grenzen und wird zu der Steuerungseinrichtung 14 zurückgeleitet, wo der Fehler registriert und das Ansteuerelement 16 über die oberen und unteren Schalter SW1 und SW2 abgeschaltet wird.
(14) Unter üblichen Bedingungen (d.h. nicht unter Ruhebedingungen) fließen Ströme durch die Motorspulen 20, die ein Stellen der Drossel in die befohlene Stellung bewirken sollen. In diesem Fall ist es nicht praktikabel, Arbeitsbereichs- bzw. Betriebsgrenzen für die Größe des Schaltverhältnis-Rückkopplungswertes vorzugeben, da der Wert von einer Vielzahl von Faktoren abhängig ist, wie dem Strombefehlswert, der Systemspannung und der Motorgeschwindigkeit. Unter diesen Bedingungen kann das an die Motorspulen angelegte Schaltverhältnis durch die die Gleichung 1 zu erfüllen versuchende Schalter-Steuereinrichtung 26 dennoch überwacht werden. Hierzu wird der Wert D mit dem entsprechenden Wechsel- bzw. Ausweichspulenpartner derselben Motorphase verglichen. Die Steuerungseinrichtung 14 vergleicht die abgeglichenen Schaltverhältnisse der beiden Phasenhälften. Falls ein Ungleichgewicht die vorgegebene Grenze überschreitet, werden sodann beide Ansteuerelemente 16 in den Ruhe- bzw. Leerlaufmodus befohlen und das fehlerhafte Ansteuerelement 16 wird gemäß den Fällen 1 bis 13 ermittelt.

In der zweiten Ausführungsform nach 5, bei der der Strom überwacht wird, sind die Fälle (1'), (5'), (6'), (7'), (8'), (9'), (10'), (12')–(14') analog der ersten Ausführungsform. Die Unterschiede werden nachfolgend angegeben:

(3) Dieser Fall ist ähnlich der ersten Ausführungsform, wobei jedoch das resultierende Schaltverhältnis zurück zu der Motor-Steuerungseinrichtung 14 geleitet wird und dieses minimal bzw. außerhalb der Grenze ist.
(4) wenn der obere Schalter unterbrochen ist, fließt kein Strom in die Motorspule, was analog zu Fall (1') erkannt wird.
(11) In der bevorzugten Ausführungsform soll der obere Schalter SW1 ein Strombegrenzungsmerkmal enthalten. Dieser Fall verhält sich – aus der Motorspulen-Perspektive – analog zu Fall (1), da sich keine Spannung über der Motorspule aufbauen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Verfahren zum Steuern des Motors 18 mit wenigstens zwei unabhängigen elektromagnetischen Spulen 20 für jede Phase A, B, C die Schritte des Steuerns jeder Spule 20 unabhängig von jeder anderen Spule 20, basierend auf einem Steuersignal, das Information hinsichtlich des Spulen-Erregungsniveaus und/oder des Ansteuersignals zurückleitet, des Abfragens einer Störung bzw. eines Fehlers in jeder Spule und des Abschaltens bzw. Sperrens der Spule, wenn in dieser ein Fehler festgestellt wurde, und Ermöglichen einer stetigen Motorsteuerung durch die andere Spule in einer bestimmten Phase A, B, C, auf. Weiterhin ist der Schritt des Sperrens bzw. Abschaltens einer der Spulen in jeder Phase vorgesehen, wenn ein Fehler in irgendeiner der Spulen 20 in irgendeiner der Phasen A, B, C festgestellt wird.

Claims

Motor-Steuerungsbaugruppe für einen elektrischen Motor (18), mit – wenigstens einer ersten Phase (A), die wenigstens eine erste Spule (20A1) und eine zweite unabhängige, zur ersten Spule (20A1) redundante Spule (20A2) aufweist; – einer Motor-Steuerungseinrichtung (14), die wenigstens ein für einen vorgebbaren Stromwert repräsentatives Steuersignal erzeugt; – wenigstens einem ersten und einem zweiten Ansteuerelement (16A1, 16A2), an welches die wenigstens erste und zweite Spule (20A1, 20A2) angeschlossen sind, wobei das jeweilige Ansteuerelement das wenigstens eine Steuersignal empfängt und in dessen Abhängigkeit die zugeordnete Spule (20A1, 20A2) mit einem bestimmten An/Aus Verhältnis bestromt; – und einem An/Aus-Zustandsdetektor (36) zum Abfragen des An/Aus-Verhältnisses des Ansteuersignals für die Spule (20A1, 20A2); – wobei die Motor-Steuerungseinrichtung (14) durch Vergleichen des An/Aus-Verhältnisses der einzelnen Ansteuerelemente (16A1, 16A2) einen Fehlerzustand einer Spule (20A1, 20A2) der Phase (A) ermittelt und ein Sperrsignal an das zugeordnete Ansteuerelement (16A1, 16A2) erzeugt, um die fehlerhafte Spule (20A1, 20A2) unabhängig von der anderen Spule abzuerregen.
Motor-Steuerungsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Ansteuerelemente (16A1, 16A2) eine von den anderen Ansteuerelementen (16A2, 16A1) jeweils unabhängige Rückkopplungsschaltung aufweisen, die an die Motor-Steuerungseinrichtung (14) angeschlossen ist, um ein für das jeweilige Spulen-Ansteuerniveau repräsentatives Rückkopplungssignal zu erzeugen.
Motor-Steuerungsbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes Ansteuerelement (16A1, 16A2) eine Schalt-Steuereinrichtung (26) aufweist, um das Steuersignal zu empfangen und um die den Spulen (20A1, 20A2) zugeführte Leistung durch ein Leistungssignal zu steuern.
Motor-Steuerungsbaugruppe nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Motor-Steuerungseinrichtung (14) unter Programmsteuerung arbeitet, um die Rückkopplungssignale zu empfangen und das Sperrsignal unter vorgegebenen Bedingungen zu erzeugen.
Motor-Steuerungsbaugruppe nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Ansteuerelement (16A1, 16A2) einen Stromsensor (28) aufweist, um ein Stromrückkopplungssignal der Schalt-Steuereinrichtung (26) zuzuleiten, die das Stromrückkopplungssignal empfängt und das Leistungssignal modifiziert, um das Steuersignal möglichst genau zu approximieren.
Motor-Steuerungsbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Motor (18) eine zweite und dritte Phase (B, C) aufweist, die jeweils aus unabhängigen ersten und zweiten elektromagnetischen Spulen (20B1, 20B2, 20C1, 20C2) zusammengesetzt sind.
Motor-Steuerungsbaugruppe nach Anspruch 6, wobei ferner dritte, vierte, fünfte und sechste Ansteuerelemente (16B1, 16B2, 16C1, 16C2) vorgesehen sind, eines für jede der elektromagnetischen Spulen (20B1, 20B2, 20C1, 20C2) der zweiten und dritten Phase (B, C), um das Steuersignal zu empfangen und jeweils eine der Spulen (20B1, 20B2, 20C1, 20C2) zu erregen und um das Sperrsignal zum Sperren der jeweiligen Spule (20B1, 20B2, 20C1, 20C2) zu empfangen, wobei eine der Spulen (20) jeder Phase (A, B, C) das Sperrsignal empfängt, wenn ein Fehler festgestellt ist, so daß der Motor (18) mit drei Phasen (A, B, C) mit einer Spule (20) pro Phase (A, B, C) arbeitet.
Motor-Steuerungsbaugruppe nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Motor ein variabler Dreiphasen-Reluktanzmotor (18) ist.
Motor-Steuerungsbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Motor (18) ein Drosselventil steuert und das Steuersignal ein Drosselstellungsbefehlssignal darstellt.
Verfahren zum Steuern eines Motors, der wenigstens eine Phase (A, B, C) und wenigstens zwei unabhängige, redundante Spulen (20A1, 20A2) für jede Phase (A, B, C) des Motors (18) aufweist, mit den folgenden Schritten: – Ansteuern jeder Spule (20A1) unabhängig von der anderen Spule (20A2) mit einem bestimmten Schaltverhältnis, basierend auf einem Vorgabe-Signal; – Abfragen von Informationen bezüglich der Spulenbestromung, umfassend das Abfragen des Schaltverhältnisses des Ansteuersignals für jede Spule (20A1, 20A2); – Ermitteln eines Fehlers in einer der Spulen (20A1, 20A2) durch Vergleichen der Schaltverhältnisse der Spulen (20A1, 20A2) innerhalb derselben Phase (A, B, C); – Sperren einer Spule (20A1), wenn ein Fehler festgestellt wird, wodurch eine stetige Motorsteuerung durch die jeweils andere Spule (20A2) oder weitere Spulen ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein Vergleichen des Schaltverhältnisses mit einem vorgegebenen Maximum, und falls dieses größer ist, ein Erzeugen des Sperrsignals vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei ein Vergleichen des Schaltverhältnisses mit einem vorgegebenen Minimum, und falls dieses kleiner ist, ein Erzeugen des Sperrsignals vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein Motor (18) mit drei Phasen (A, B, C) vorgesehen ist, wobei jede Phase (A, B, C) erste und zweite Spulen (20-1, 20-2) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei ferner ein Sperren einer der Spulen (20) in jeder Phase (A, B, C) vorgesehen ist, wenn ein Fehler in irgendeiner der Spulen (20) der Phasen (A, B, C) festgestellt ist.