EP3811483A1 - Schutzvorrichtung für einen halbleiterschalter eines elektromotors einer elektromechanischen kraftfahrzeuglenkung - Google Patents

Schutzvorrichtung für einen halbleiterschalter eines elektromotors einer elektromechanischen kraftfahrzeuglenkung

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EP3811483A1
EP3811483A1 EP19731980.9A EP19731980A EP3811483A1 EP 3811483 A1 EP3811483 A1 EP 3811483A1 EP 19731980 A EP19731980 A EP 19731980A EP 3811483 A1 EP3811483 A1 EP 3811483A1
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EP
European Patent Office
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motor vehicle
power steering
vehicle power
respect
diode
Prior art date
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Pending
Application number
EP19731980.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gábor Nagy
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ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Presta AG
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
ThyssenKrupp Presta AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ThyssenKrupp AG, ThyssenKrupp Presta AG filed Critical ThyssenKrupp AG
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    • H02H7/222—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for distribution gear, e.g. bus-bar systems; for switching devices for switches
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    • H02P29/032—Preventing damage to the motor, e.g. setting individual current limits for different drive conditions

Definitions

  • the present invention relates to an electromechanical motor vehicle power steering system with the features of the preamble of claim 1.
  • Electromechanical steering systems usually have a permanently excited synchronous motor as a servo motor.
  • Servomotors of this type are controlled by a controller via a set of MOSFETs, with a total of six MOSFETs being provided for three phase windings.
  • One MOSFET each switches the assigned phase winding to the on-board voltage or the ground potential. This takes place at a high frequency, so that in the
  • Phase winding the temporal mean acts as effective voltage.
  • Permanently excited synchronous motors have the property of electrical faults such as short circuits in the motor or in the
  • an electromechanical motor vehicle power steering system with a multi-phase, permanently excited electric motor which can be operated via a control system and supply lines from a direct voltage system of a motor vehicle, the electric motor having at least three phase windings which are connected to a driver circuit via lines, wherein the driver circuit connects each of the lines via a respective first MOSFET of a first group to the positive supply line and via a respective second MOSFET of a second group to the negative supply line as a function of the controller, and wherein each line has a MOSFET as a safety switch which is connected to a Body diode is arranged in the forward direction with respect to the vehicle electrical system, and each
  • Safety switch has a protective device which has at least one suppressor diode connected in parallel with the respective safety switch and arranged in the forward direction with respect to the on-board electrical system, and one for each phase winding with respect to the at least one Suppressor diode in series and with respect to the vehicle electrical system in the reverse direction diode includes.
  • the suppressor diode can lead to overvoltages past the safety switch and thus prevent damage when switching. The in relation to the electrical system in the reverse direction
  • switched diodes prevent an induction current from short-circuiting the phases and the current flowing in the direction of the phases.
  • the at least one suppressor diode is preferably unidirectional.
  • the at least one suppressor diode is preferably designed in such a way that when an induction current exceeds a voltage threshold, the suppressor diode conducts the induction current and the current is thus guided past the safety switches.
  • the MOSFETs of the first group and the second group with their body diodes are preferably arranged in the reverse direction with respect to the DC voltage on-board network.
  • the diodes of the protective device which are connected in the blocking direction with respect to the on-board electrical system are preferably Schottky diodes, which are practically none
  • the protective devices are arranged in power line paths that connect the positive supply line or the negative supply line to a common connection point of the corresponding safety switch and the associated motor winding.
  • the electromechanical motor vehicle power steering system can have a suppressor diode in the power line paths for each phase winding or a single suppressor diode which is arranged in front of a common connection point of the power line paths.
  • the use of a single suppressor diode is less expensive. Depending on the power of the motor, it must be decided whether a single suppressor diode is sufficient or whether per
  • It is preferably a three-phase, permanently excited Electric motor.
  • Fig. 1 an electromechanical power steering in a schematic
  • Fig. 3 another circuit for controlling a permanently excited
  • Synchronous motor with six MOSFETs for controlling the motor current and a protective device
  • FIG. 1 schematically shows an electromechanical motor vehicle power steering system 1 with a steering wheel 2 which is coupled to an upper steering shaft 3 in a rotationally fixed manner.
  • the driver introduces a corresponding torque into the steering shaft 3 as a steering command via the steering wheel 2.
  • Torque is then transmitted to a steering pinion 5 via the upper steering shaft 3 and lower steering shaft 4.
  • the pinion 5 meshes in a known manner with a toothed segment of a toothed rack 6.
  • the toothed rack 6 is mounted in a steering housing so as to be displaceable in the direction of its longitudinal axis.
  • the rack 6 is connected to tie rods 7 via ball joints, not shown.
  • the tie rods 7 themselves are in a known manner via steering knuckles, each with a steered wheel 8 Motor vehicle connected.
  • a rotation of the steering wheel 2 leads via the connection of the steering shaft 3 and the pinion 5 to a longitudinal displacement of the rack 6 and thus to a pivoting of the steered wheels 8.
  • the steered wheels 8 experience a reaction via a roadway 80 which counteracts the steering movement. To pivot the wheels 8, a force is consequently required which requires a corresponding torque on the steering wheel 2.
  • An electric motor 9 of a servo unit 10 is provided to assist the driver in this steering movement.
  • the upper steering shaft 3 and the lower steering shaft 4 are coupled to one another in a torsionally elastic manner via a torsion bar, not shown.
  • a torque sensor unit 11 detects the rotation of the upper steering shaft 3 relative to the lower steering shaft 4 as a measure of the torque that is manually exerted on the steering shaft 3 or the steering wheel 2.
  • a control unit 12 calculates the steering assistance provided by the servo unit 10 for the driver.
  • the servo unit 10 can be coupled as an auxiliary support device 10, 100, 101 either to a steering shaft 3, the steering pinion 5 or the rack 6.
  • the respective auxiliary power support 10, 100, 101 carries an auxiliary torque into the steering shaft 3, the steering pinion 5 and / or into the
  • auxiliary support devices 10, 100, 101 shown in FIG. 1 show alternative positions for their arrangement. Usually only one of the positions shown is one
  • Fig. 2 shows the basic circuit of a power section of the control unit 12.
  • the supply line 13+ is the positive pole of the supply line
  • the supply line 13- is connected to the negative pole of the supply line or the ground connection of the on-board electrical system of the motor vehicle, which in the usual manner DC voltage with negative ground works.
  • a first group of MOSFETs 14 comprises three MOSFETs 14u, 14v and 14w
  • a second group 15 of a total of three further MOSFETs 15u, 15v and 15w is for the application of the phase windings u, v and w Ground potential provided.
  • the two groups 14 and 15 feed a total of three lines 16, 17 and 18, which are each assigned to a phase u, v, w.
  • the MOSFETs of the first group 14 and the second group 15 are provided as drivers. These driver MOSFETs of groups 14 and 15 are usually connected in such a way that their intrinsic or body diodes are switched in the reverse direction with respect to the on-board voltage. Depending on the control signals, they connect the individual phase windings u, v and w either with the positive potential or with the ground potential. This takes place at a high frequency, so that in the individual windings u, v and w the time average as the operating voltage for generating a
  • a smoothing capacitor 24 is provided between the two supply lines 13+ and 13-, which suppresses high-frequency repercussions from the electric motor and the MOSFETs arranged in front of it.
  • a MOSFET from a third group is provided as a safety switch 19, 20, 21.
  • the body diodes of the MOSFETs of the third group are switched in the forward direction with respect to the on-board voltage and are thus oriented counter to the diodes of the MOSFETs of the first and second groups 14, 15. In operation, this means that the individual MOSFETs of the third group are permanently switched on as long as the steering device is active and no interference occurs.
  • the two lines 13+ and 13- are connected to one another. In this case, an induction voltage would arise in the windings u, v and w if the electric motor was forced to rotate by the external torque of the steering column.
  • the induction current flows from a winding over the lines to the MOSFETs of the third group, the diodes of which are connected in the reverse direction.
  • the groups of MOSFETs are each controlled via a control line 22 by means of a gate driver 23.
  • the control electrodes (gates) of the individual MOSFETs are supplied with the necessary control signals.
  • Each safety switch 19, 20, 21 has a protective device 25.
  • the protective devices 25 are arranged in power line paths 26u, 26v, 26w, the supply line 13+, the one with the positive pole
  • the protective device 25 in each case comprises one in the forward direction of a possible induction current
  • Suppressor diodes also as Transient Voltage Suppressor Diode (TVS), Transient Absorption Zener Diode (TAZ),
  • Transil diodes or breakover diodes (BOD) become conductive when a voltage threshold is exceeded. If there is a high induction current at which the voltage threshold of the suppressor diodes is exceeded, the current is led past the corresponding safety switch 19, 20, 21 through the parallel connection.
  • the diode 27u, 27v, 27w connected in series is preferably a fast Schottky diode which assumes a conductive state more quickly than the MOSFET of the corresponding safety switch changes to a non-conductive state.
  • the diodes 27u, 27v, 27w prevent a short circuit in the turns. In addition, they ensure that there is no current via the power line paths 26u, 26v, 26w in the direction of the
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the circuit, which essentially corresponds to the circuit of FIG. 2.
  • a suppressor diode in the protective device 25 in each of the three power line paths 26u, 26v, 26w.
  • a single suppressor diode 28 is provided, which is arranged in the current direction before splitting into the three power line paths. If there is a high induction current in one of the three windings u, v, w, in which the voltage threshold of the individual suppressor diode is exceeded, the current is cut through the parallel connection with the diode 27u, 27v assigned to the respective phase. 27w and the individual suppressor diode 28 on the corresponding
  • Example of FIG. 2 in that it is a source-to-motor
  • Configuration and the safety switches 19, 20, 21 are therefore installed the other way round.
  • the diodes of the MOSFETs of the safety switches 19, 20, 21 are switched with respect to a possible induction current in the forward direction.
  • the individual MOSFETs of the third group are switched to be permanently conductive as long as the steering device is active and no interference occurs.
  • each safety switch 19, 20, 21 has a protective device 25.
  • the protective devices 25 are arranged in power line paths 26u, 26v, 26w which connect the negative supply line 13-, which is connected to the negative pole, to a common connection point of the corresponding semiconductor switch 19, 20, 21 and the associated motor winding u, Connect v, w (load).
  • the protective device 25 in each case comprises the diode 27u, 27v, 27w connected in the forward direction of a possible induction current and in each case one unidirectional suppressor diode 28u, 28v, 28w arranged in series therewith and switched in the blocking direction of a possible induction current. If there is a high induction current at which the voltage threshold of the suppressor diodes is exceeded, the current is switched to the corresponding one by the parallel connection
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment, which essentially corresponds to the circuit in FIG. 4, analogous to the examples in FIGS. 2 and 3, only a single suppressor diode 28 being provided which, in the direction of a possible induction current, before the splitting into the three current line paths 26u, 26v, 26w is arranged. It comes to a high

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung, mit einem mehrphasigen, permanent erregten Elektromotor (9), der über eine Steuerung (12) und Zuleitungen (13+, 13-) aus einem Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs betreibbar ist, wobei der Elektromotor (9) mindestens drei Phasenwicklungen (u, v, w) aufweist, die über Leitungen (16, 17, 18) mit einer Treiberschaltung verbunden sind, wobei die Treiberschaltung jede der Leitungen (16, 17, 18) über jeweils einen ersten MOSFET (14u, 14v,14w) einer ersten Gruppe mit der positiven Zuleitung (14+) und über jeweils einen zweiten MOSFET (15u, 15v, 15w) einer zweiten Gruppe mit der negativen Zuleitung (14-) in Abhängigkeit von der Steuerung verbindet, und wobei jede Leitung einen MOSFET (19, 20, 21) als Sicherheitsschalter aufweist, der mit einer Body-Diode in Durchlassrichtung bezüglich des Bordnetzes angeordnet ist, wobei jeder Sicherheitsschalter (19, 20, 21) eine Schutzvorrichtung aufweist, die wenigstens eine zu dem jeweiligen Sicherheitsschalter (19, 20, 21) parallelgeschaltete und in Durchlassrichtung bezüglich des Bordnetzes angeordnete Suppressordiode und für jede Phasenwicklung (u,v,w) eine bezüglich der wenigstens einen Suppressordiode (28u, 28v, 28w) in Reihe und bezüglich des Gleichspannungsbordnetzes in Sperrrichtung geschaltete Diode (27u, 27v, 27w) umfasst.

Description

Schutzvorrichtung für einen Halbleiterschalter eines Elektromotors einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromechanische Kraftfahrzeug- Servolenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Elektromechanische Lenkungen weisen üblicherweise einen permanent erregten Synchronmotor als Servomotor auf. Servomotoren dieser Bauart werden von einer Steuerung über einen Satz von MOSFETs angesteuert, wobei bei drei Phasenwicklungen insgesamt sechs MOSFETs vorgesehen sind. Je ein MOSFET schaltet die zugeordnete Phasenwicklung auf die Bordspannung oder das Massepotential. Dieses erfolgt mit hoher Frequenz, so dass in der
Phasenwicklung der zeitliche Mittelwert als Effektivspannung wirkt.
Permanent erregte Synchronmotoren haben die Eigenschaft, bei elektrischen Fehlern wie beispielsweise bei Kurzschlüssen im Motor oder in der
Ansteuerung ein Bremsmoment zu erzeugen, so dass ein derartiger Fehler nicht nur zu einem Ausfall der Lenkunterstützung führen kann, sondern der Lenkbewegung des Fahrers auch noch ein zusätzlicher Widerstand
entgegengesetzt wird. Dies ist bei Lenksystemen für Kraftfahrzeuge aus Sicherheitsgründen nicht tolerierbar.
Es ist bekannt, zur Vermeidung dieses Zustandes eine Auftrennung der
Phasenzuleitungen zum Motor oder im Sternpunkt des Motors vorzunehmen. Hierzu werden im Stand der Technik Halbleiterschalter vorgeschlagen. Dabei kann es bei dem Öffnen der Schaltelemente aufgrund der stets vorhandenen Streuinduktivitäten in dem Wechselrichter zu Überspannungen kommen. Wird der Stromfluss durch einen Halbleiterschalter unterbrochen, so steigt an dem Halbleiterschalter zwischen Drain und Source die Spannung auf einen Wert, der größer sein kann, als die Versorgungsspannung. Überschreitet die dabei auftretende Spannung die maximale Sperrspannung des Halbleiterschalters, so kann es zur Zerstörung des Halbleiterschalters kommen. Ein zu hoher Strom- fluss durch den Halbleiterschalter während des Ausschaltens muss daher vermieden werden, um den Halbleiterschalter vor Beschädigung zu schützen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektromechanische Kraftfahr- zeugservolenkung mit Schutzvorrichtung für einen Halbleiterschalter zum Schutz vor Überspannungen anzugeben, die den Halbleiterschalter beim Auftrennen der Leitung vor Beschädigung schützt.
Diese Aufgabe wird von einer elektromechanischen Kraftfahrzeugservolenkung mit einer Schutzvorrichtung für einen Halbleiterschalter zum Schutz vor Überspannungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung, mit einem mehrphasigen, permanent erregten Elektromotor, der über eine Steuerung und Zuleitungen aus einem Gleichspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs betreibbar ist, vorgesehen, wobei der Elektromotor mindestens drei Phasen- wicklungen aufweist, die über Leitungen mit einer Treiberschaltung verbunden sind, wobei die Treiberschaltung jede der Leitungen über jeweils einen ersten MOSFET einer ersten Gruppe mit der positiven Zuleitung und über jeweils einen zweiten MOSFET einer zweiten Gruppe mit der negativen Zuleitung in Abhängigkeit von der Steuerung verbindet, und wobei jede Leitung einen MOSFET als Sicherheitsschalter aufweist, der mit einer Body-Diode in Durch- lassrichtung bezüglich des Bordnetzes angeordnet ist, und wobei jeder
Sicherheitsschalter eine Schutzvorrichtung aufweist, die wenigstens eine zu dem jeweiligen Sicherheitsschalter parallelgeschaltete und in Durchlass- richtung bezüglich des Gleichspannungsbordnetzes angeordnete Suppressor- diode und für jede Phasenwicklung eine bezüglich der wenigstens einen Suppressordiode in Reihe und bezüglich des Bordnetzes in Sperrrichtung geschaltete Diode umfasst. Die Suppressordiode kann Überspannungen an dem Sicherheitsschalter vorbeiführen und somit eine Beschädigung beim Schalten verhindern. Die bezüglich des Bordnetzes in Sperrrichtung
geschalteten Dioden verhindern, dass ein Induktionsstrom die Phasen kurzschließt und das Strom in Richtung der Phasen fließt.
Bevorzugt ist die wenigstens eine Suppressordiode unidirektional. Vorzugs- weise ist die wenigstens eine Suppressordiode derart ausgestaltet, dass bei Vorliegen eines eine Spannungsschwelle überschreitenden Induktionsstroms die Suppressordiode den Induktionsstrom leitet und somit der Strom an den Sicherheitsschaltern vorbeigeführt wird.
Vorzugsweise sind bezüglich des Gleichspannungsbordnetzes die MOSFETs der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe mit ihren Body-Dioden in Sperrrichtung angeordnet.
Die bezüglich des Bordnetzes in Sperrrichtung geschalteten Dioden der Schutzvorrichtung sind bevorzugt Schottky-Dioden, die praktisch keine
Speicherladung haben und deshalb sehr schnell sind.
Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Schutzvorrichtungen in Strom- leitungspfaden angeordnet sind, die die positive Versorgungsleitung oder die negative Versorgungsleitung mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt des entsprechenden Sicherheitsschalters und der dazugehörigen Motorwindung verbinden.
Die elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung kann für jede Phasen- wicklung eine Suppressordiode in den Stromleitungspfaden aufweisen oder eine einzige Suppressordiode, die vor einem gemeinsamen Verbindungspunkt der Stromleitungspfade angeordnet ist. Die Verwendung einer einzelnen Suppressordiode ist kostengünstiger. Je nach Leistung des Motors ist zu entscheiden, ob eine einzelne Suppressordiode ausreicht, oder ob pro
Phasenwicklung eine Suppressordiode eingesetzt werden muss.
Vorzugsweise handelt es sich um einen dreiphasigen, permanent erregten Elektromotor.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen :
Fig. 1 : eine elektromechanische Servolenkung in einer schematischen
Darstellung mit mehreren Möglichkeiten zur Anordnung des Servomotors,
Fig. 2: eine Schaltung zur Ansteuerung eines permanent erregten Synchron- motors mit sechs MOSFETs zur Steuerung des Motorstroms und einer Schutzvorrichtung,
Fig. 3: eine weitere Schaltung zur Ansteuerung eines permanent erregten
Synchronmotors mit sechs MOSFETs zur Steuerung des Motorstroms und einer Schutzvorrichtung,
Fig. 4: eine dritte Ausführungsform einer Schaltung zur Ansteuerung eines permanent erregten Synchronmotors mit sechs MOSFETs zur Steuerung des Motorstroms und einer Schutzvorrichtung, sowie
Fig. 5: eine vierte Ausführungsform einer Schaltung zur Ansteuerung eines permanent erregten Synchronmotors mit einer Schutzvorrichtung.
In der Figur 1 ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung 1 mit einem Lenkrad 2, das mit einer oberen Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist, schematisch dargestellt. Über das Lenkrad 2 bringt der Fahrer ein ent- sprechendes Drehmoment als Lenkbefehl in die Lenkwelle 3 ein. Das
Drehmoment wird dann über die obere Lenkwelle 3 und untere Lenkwelle 4 auf ein Lenkritzel 5 übertragen. Das Ritzel 5 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment einer Zahnstange 6. Die Zahnstange 6 ist in einem Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 6 mit Spurstangen 7 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 7 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 8 des Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und des Ritzels 5 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 6 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 8. Die gelenkten Räder 8 erfahren über eine Fahrbahn 80 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegen wirkt. Zum Verschwenken der Räder 8 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 9 einer Servoeinheit 10 ist vorgesehen, um den Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen. Die obere Lenkwelle 3 und die untere Lenkwelle 4 sind drehelastisch über einen nicht gezeigten Drehstab miteinander gekoppelt. Eine Drehmomentsensoreinheit 11 erfasst die Verdrehung der oberen Lenkwelle 3 gegenüber der unteren Lenkwelle 4 als ein Maß des an der Lenkwelle 3 oder des Lenkrades 2 manuell ausgeübten Drehmomentes. In Abhängigkeit des von der Drehmomentsensoreinheit 11 gemessen Drehmoments berechnet eine Steuereinheit 12 die Lenkunter- stützung, die von der Servoeinheit 10 für den Fahrer bereitgestellt wird. Die Servoeinheit 10 kann dabei als Hilfskraftunterstützungseinrichtung 10, 100, 101 entweder mit einer Lenkwelle 3, dem Lenkritzel 5 oder der Zahnstange 6 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützung 10, 100, 101 trägt ein Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 5 und/oder in die
Zahnstange 6 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen in Figur 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungs- einrichtungen 10, 100, 101 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer
Hilfskraftunterstützung belegt.
Die Fig. 2 zeigt die prinzipielle Schaltung eines Leistungsteils der Steuereinheit 12. Die Versorgungsleitung 13+ ist dem positiven Pol der Versorgungsleitung, die Versorgungsleitung 13- ist mit dem negativen Pol der Versorgungsleitung oder dem Masseanschluss der Bordelektrik des Kraftfahrzeugs verbunden, die in üblicher Weise mit Gleichspannung mit negativer Masse arbeitet. Eine erste Gruppe von MOSFETs 14 umfasst drei MOSFETs 14u, 14v und 14w zur
Beaufschlagung der drei Phasenwicklungen u, v und w mit der Bordspannung. Eine zweite Gruppe 15 von insgesamt drei weiteren MOSFETs 15u, 15v und 15w ist für die Beaufschlagung der Phasenwicklungen u, v und w mit dem Massepotential vorgesehen. Die beiden Gruppen 14 und 15 speisen hierfür insgesamt drei Leitungen 16, 17 und 18, die jeweils einer Phase u,v,w zugeordnet sind.
Die MOSFETs der ersten Gruppe 14 und der zweiten Gruppe 15 sind als Treiber vorgesehen. Diese Treiber-MOSFETs der Gruppen 14 und 15 sind üblicherweise so geschaltet, dass ihre intrinsischen oder Body-Dioden bezüglich der Bordspannung in Sperrrichtung geschaltet sind. In Abhängigkeit von den Steuersignalen verbinden sie die einzelnen Phasenwicklungen u, v und w entweder mit dem positiven Potenzial oder mit dem Massepotenzial. Dies erfolgt mit hoher Frequenz, so dass in den einzelnen Wicklungen u, v und w der zeitliche Mittelwert als Betriebsspannung zur Erzeugung eines
Unterstützungsmoments wirksam ist.
Zwischen den beiden Versorgungsleitungen 13+ und 13- ist schließlich noch ein Glättungskondensator 24 vorgesehen, der hochfrequente Rückwirkungen aus dem Elektromotor und den davor angeordneten MOSFETs unterdrückt.
In den drei Leitungen 16, 17 und 18 ist jeweils ein MOSFET einer dritten Gruppe als Sicherheitsschalter 19,20,21 vorgesehen. Die Body-Dioden der MOSFETs der dritten Gruppe sind bezüglich der Bordspannung in Durchlass- richtung geschaltet und somit entgegen der Dioden der MOSFETs der ersten und zweiten Gruppe 14,15 orientiert. Dies bedeutet im Betrieb, dass die einzelnen MOSFETs der dritten Gruppe dauerhaft leitend geschaltet sind, solange die Lenkvorrichtung aktiv ist und keine Störung auftritt. Bei einem kurzgeschlossenen Glättungskondensator 24 sind die beiden Leitungen 13+ und 13- leitend miteinander verbunden. In diesem Fall würde bei einer durch das externe Drehmoment der Lenksäule erzwungenen Drehung des Elektro- motors eine Induktionsspannung in den Wicklungen u, v und w entstehen. Der Induktionsstrom fließt aus einer Wicklung über die Leitungen zu den MOSFETs der dritten Gruppe, deren Dioden in Sperrrichtung geschaltet sind. Der
Stromkreis ist hier unterbrochen. Es fließt kein Induktionsstrom.
Die Gruppen von MOSFETs werden jeweils über eine Steuerleitung 22 mittels eines Gate-Treibers 23 angesteuert. Dazu werden die Steuerelektroden (gate) der einzelnen MOSFETs mit den erforderlichen Steuersignalen beaufschlagt. Jeder Sicherheitsschalter 19,20,21 weist eine Schutzvorrichtung 25 auf. Die Schutzvorrichtungen 25 sind in Stromleitungspfaden 26u, 26v,26w ange- ordnet, die die Versorgungsleitung 13+, die mit dem positiven Pol der
Versorgungsleitung verbunden ist, mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt des entsprechenden Halbleiterschalters 19,20,21 und der dazugehörigen Motorwindung u,v,w (Last) verbinden. Die Schutzvorrichtung 25 umfasst jeweils eine in Durchlassrichtung eines möglichen Induktionsstroms
geschaltete Diode 27u, 27v, 27w und eine dazu in Reihe angeordnete, in Sperrrichtung eines möglichen Induktionsstroms geschaltete, unidirektionale Suppressordiode 28u, 28v, 28w. Suppressordioden auch als Transient Voltage Suppressor Diode (TVS), Transient Absorption Zener Diode (TAZ),
Transildioden oder Breakover-Diode (BOD) bezeichnet, werden leitend, wenn eine Spannungsschwelle überschritten wird. Kommt es zu einem hohen Induktionsstrom bei dem die Spannungsschwelle der Suppressordioden überschritten wird, wird der Strom durch die Parallelschaltung an dem entsprechenden Sicherheitsschalter 19,20,21 vorbeigeführt.
Die in Reihe geschaltete Diode 27u, 27v, 27w ist bevorzugt eine schnelle Schottky-Diode, die schneller einen leitenden Zustand einnimmt als der MOSFET des entsprechenden Sicherheitsschalters in einen nicht leitenden Zustand übergeht. Die Dioden 27u, 27v, 27w verhindern, dass es zu einem Kurzschluss in den Windungen kommt. Zudem stellen sie sicher, dass kein Strom über die Stromleitungspfaden 26u, 26v,26w in Richtung der
Motorwindungen fließt.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltung, die im Wesentlichen der Schaltung der Figur 2 entspricht. Es wurde allerdings darauf verzichtet, in der Schutzvorrichtung 25 eine Suppressordiode in jedem der drei Strom- leitungspfade 26u, 26v,26w einzusetzen. Es ist eine einzelne Suppressordiode 28 vorgesehen, die in Stromrichtung vor der Aufspaltung in die drei Strom- leitungspfade angeordnet ist. Kommt es zu einem hohen Induktionsstrom in einem der drei Windungen u,v,w bei dem die Spannungsschwelle der einzelnen Suppressordiode überschritten wird, wird der Strom durch die Parallelschaltung mit der der jeweiligen Phase zugeordneten Diode 27u, 27v, 27w und der einzelnen Suppressordiode 28 an dem entsprechenden
Sicherheitsschalter 19,20,21 vorbeigeführt.
Das in Figur 4 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem
Beispiel der Fig. 2 dadurch, dass es sich um eine Source-zu-Motor
Konfiguration handelt und die Sicherheitsschalter 19,20,21 somit andersherum eingebaut sind. Die Dioden der MOSFETs der Sicherheitsschalter 19,20,21 sind bezüglich eines möglichen Induktionsstroms in Durchlassrichtung geschaltet. Im Betrieb sind die einzelnen MOSFETs der dritten Gruppe dauerhaft leitend geschaltet, solange die Lenkvorrichtung aktiv ist und keine Störung auftritt.
Bei einem kurzgeschlossenen Glättungskondensator 24 sind die beiden
Leitungen 13+ und 13- leitend miteinander verbunden. In diesem Fall würde bei einer durch das externe Drehmoment der Lenksäule erzwungenen Drehung des Elektromotors eine Induktionsspannung in den Wicklungen u, v und w entstehen. Der Induktionsstrom fließt aus einer Wicklung über die Leitungen zu den MOSFETs der dritten Gruppe 19,20,21, deren Dioden in Durchlass- richtung geschaltet sind, zu den MOSFETs der ersten Gruppe 14u,14v,14w, dem kurzgeschlossenen Kondensator 24 und zu den MOSFETs der zweiten Gruppe 15u,15v,15w und zurück zu den Sicherheitsschaltern 19,20,21, die den Stromkreis unterbrechen.
Wie oben bereits beschrieben, weist jeder Sicherheitsschalter 19,20,21 eine Schutzvorrichtung 25 auf. Die Schutzvorrichtungen 25 sind in Stromleitungs- pfaden 26u, 26v,26w angeordnet, die die negative Versorgungsleitung 13-, die mit dem negativen Pol verbunden ist, mit einem gemeinsamen Verbindungs- punkt des entsprechenden Halbleiterschalters 19,20,21 und der dazugehörigen Motorwindung u,v,w (Last) verbinden. Die Schutzvorrichtung 25 umfasst jeweils die in Durchlassrichtung eines möglichen Induktionsstroms geschaltete Diode 27u, 27v, 27w und jeweils eine dazu in Reihe angeordnete, in Sperr- richtung eines möglichen Induktionsstroms geschaltete, unidirektionale Suppressordiode 28u, 28v, 28w. Kommt es zu einem hohen Induktionsstrom bei dem die Spannungsschwelle der Suppressordioden überschritten wird, wird der Strom durch die Parallelschaltung an dem entsprechenden
Sicherheitsschalter 19,20,21 vorbeigeführt. Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das im Wesentlichen der Schaltung der Figur 4 entspricht, wobei analog zu den Beispielen der Figuren 2 und 3 nur eine einzelne Suppressordiode 28 vorgesehen ist, die in Richtung eines möglichen Induktionsstroms, vor der Aufspaltung in die drei Strom- leitungspfade 26u,26v,26w angeordnet ist. Kommt es zu einem hohen
Induktionsstrom in einem der drei Windungen u,v,w bei dem die Spannungs- schwelle der einzelnen Suppressordiode 28 überschritten wird, wird der Strom durch die Parallelschaltung mit der der Phase zugeordneten Diode 27u, 27v, 27w und der einzelnen Suppressordiode 28 an dem entsprechenden
Sicherheitsschalter 19,20,21 vorbeigeführt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung, mit einem mehr- phasigen, permanent erregten Elektromotor (9), der über eine Steuerung (12) und Zuleitungen (13+, 13-) aus einem Gleichspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs betreibbar ist, wobei der Elektromotor (9)
mindestens drei Phasenwicklungen (u,v,w) aufweist, die über Leitungen (16,17,18) mit einer Treiberschaltung verbunden sind, wobei die Treiber- schaltung jede der Leitungen (16,17,18) über jeweils einen ersten MOSFET (14u, 14v,14w) einer ersten Gruppe mit der positiven Zuleitung (14+) und über jeweils einen zweiten MOSFET (15u,15v,15w) einer zweiten Gruppe mit der negativen Zuleitung (14-) in Abhängigkeit von der Steuerung verbindet, und wobei jede Leitung einen MOSFET
(19,20,21) als Sicherheitsschalter aufweist, der mit einer Body-Diode in Durchlassrichtung bezüglich des Bordnetzes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sicherheitsschalter (19,20,21) eine
Schutzvorrichtung (25) aufweist, die wenigstens eine zu dem jeweiligen Sicherheitsschalter (19,20,21) parallelgeschaltete und in Durchlass- richtung bezüglich des Bordnetzes angeordnete Suppressordiode
(28u,28v,28w) und für jede Phasenwicklung (u,v,w) eine bezüglich der wenigstens einen Suppressordiode (28u,28v,28w) in Reihe und bezüglich des Bordnetzes in Sperrrichtung geschaltete Diode (27u,27v,27w) umfasst.
2. Elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Suppressordiode (28u,28v,28w) unidirektional ist.
3. Elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Suppressordiode (28u,28v,28w) derart ausgestaltet ist, dass bei Vorliegen eines eine Spannungsschwelle überschreitenden Induktionsstroms der Strom an den Sicherheitsschaltern (19,20,21) vorbeigeführt wird.
4. Elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich des Bordnetzes die MOSFETs der ersten Gruppe (14u,14v,14w) und der zweiten Gruppe (15u,15v,15w) mit ihren Body-Dioden in Sperrrichtung angeordnet sind.
5. Elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtungen (25) in Stromleitungspfaden (26u, 26v,26w) angeordnet sind, die die positive Versorgungsleitung (13+) mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt des entsprechenden Sicherheits- schalters (19,20,21) und der dazugehörigen Motorwindung (u,v,w) verbinden.
6. Elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung nach einem der vorher- gehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtungen (25) in Stromleitungspfaden (26u, 26v,26w) angeordnet sind, die die negative Versorgungsleitung (13-) mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt des entsprechenden Sicherheits- schalters (19,20,21) und der dazugehörigen Motorwindung (u,v,w) verbinden.
7. Elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanische Kraftfahrzeug- Servolenkung für jede Phasenwicklung (u,v,w) eine Suppressordiode (28u,28v,28w) in den Stromleitungspfaden (26u, 26v,26w) aufweist.
8. Elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanische
Kraftfahrzeugservolenkung eine einzige Suppressordiode (28) aufweist, die vor einem gemeinsamen Verbindungspunkt der Stromleitungspfade (26u,26v,26w) angeordnet ist.
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