EP4681323A1 - Verfahren zur ansteuerung eines redundanten aktuators mit zwei teilaktuatoren und aktuatorsystem mit einem redundanten aktuator aufweisend zwei teilaktuatoren - Google Patents

Verfahren zur ansteuerung eines redundanten aktuators mit zwei teilaktuatoren und aktuatorsystem mit einem redundanten aktuator aufweisend zwei teilaktuatoren

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Publication number
EP4681323A1
EP4681323A1 EP24707683.9A EP24707683A EP4681323A1 EP 4681323 A1 EP4681323 A1 EP 4681323A1 EP 24707683 A EP24707683 A EP 24707683A EP 4681323 A1 EP4681323 A1 EP 4681323A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
converter
actuator
control device
converter module
modules
Prior art date
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Pending
Application number
EP24707683.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rene Hopperdietzel
Nikolas ABT
Artur WIECLAWSKI
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4681323A1 publication Critical patent/EP4681323A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/028—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the motor continuing operation despite the fault condition, e.g. eliminating, compensating for or remedying the fault
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D5/00—Power-assisted or power-driven steering
    • B62D5/04—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear
    • B62D5/0457—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such
    • B62D5/0481—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures
    • B62D5/0484—Power-assisted or power-driven steering electrical, e.g. using an electric servo-motor connected to, or forming part of, the steering gear characterised by control features of the drive means as such monitoring the steering system, e.g. failures for reaction to failures, e.g. limp home

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a redundant actuator having two partial actuators, in particular a motor having two separate winding sets, by means of a control device, wherein a first partial actuator is connected to a first actuator connection of the control device and a second partial actuator is connected to a second actuator connection of the control device, wherein the control device comprises a first, a second and a third converter module, each of which has a converter.
  • the invention relates to an actuator system, in particular for a steer-by-wire system, with a redundant actuator having two partial actuators, in particular a motor having two separate winding sets, and with a control device for controlling the redundant actuator, wherein the control device comprises a first, a second and a third converter module, each of which has a converter.
  • the invention can be used in the field of automobile construction, in particular in the field of steer-by-wire systems.
  • steer-by-wire systems there is no mechanical connection between the steering wheel and the steered wheel. All steering commands are received by sensors on the steering wheel and transmitted electrically via a control unit to one or more steering actuators, which execute the steering movements and transmit them to the wheels.
  • steering actuators In addition to these steering actuators, such steer-by-wire systems usually have an actuator for providing a force feedback torque on the steering wheel.
  • Such force feedback actuators can give the driver the same steering feel or the same haptic feedback that he is used to when steering a vehicle with mechanically connected steering and power assistance.
  • An actuator system of the type mentioned at the beginning is known from DE 10 2021 112 819 A1.
  • This actuator system comprises a redundant actuator that has two partial actuators and can be used, for example, as a force feedback actuator.
  • a control device is used that can control the two partial actuators.
  • the control device comprises three converters, whereby one of the three converters can optionally replace one of the other two converters.
  • the task is to enable the coordination of redundant converter modules of the control unit with little effort and with little installation space requirement.
  • the object is achieved by a method for controlling a redundant actuator having two partial actuators, in particular a motor having two separate winding sets, by means of a control device, wherein a first partial actuator is connected to a first actuator connection of the control device and a second partial actuator is connected to a second actuator connection of the control device, wherein the control device comprises a first, a second and a third converter module, each of which has a converter, wherein in a first operating state the first actuator connection is connected to the converter of the first converter module and the second actuator connection is connected to the converter of the second converter module and the actuator connections are not connected to the converter of the third converter module, which is in a standby state, wherein a malfunction in the first converter module is detected and the control device goes into a fault operating state in which the first actuator connection is isolated from the converters of the first, second and third converter modules and the second actuator connection continues to be connected to the converter of the second converter module.
  • a handshake communication takes place between the first, second and third converter module of the control device, wherein by means of the handshake communication it is negotiated which converter or converters of the converter modules are to be connected to the actuator connections of the control device.
  • the method according to the invention provides for handshake communication between the first, second and third converter modules. If a malfunction is detected in a converter module - referred to here as the first converter module - in the first operating state, the control device falls into the error operating state in which the second partial actuator connected to the second phase connections continues to be controlled by the second converter module. In this respect, the redundant actuator can be operated with reduced power continue to operate. In this fault operating state, handshake communication takes place between all three converter modules of the control device, whereby the three converter modules negotiate which one or both converter modules will be connected to the phase connections of the control device after the fault operating state has ended, so that the redundant actuator can then be operated despite the faulty behavior in one of the converter modules.
  • the handshake communication makes it possible to dispense with a higher-level control unit and enables a modular design with independent converter modules. These measures enable the control unit's converter modules to be coordinated with little effort and with little installation space required.
  • the malfunction is detected by the first converter module itself.
  • the detected malfunction is communicated from the first converter module to the other two converter modules.
  • each of the three converter modules monitors the other converter modules and detects the malfunction in the first converter module.
  • the converter modules send regular, in particular periodic, signals to the other converter modules indicating that there is no malfunction. If such a signal is absent, the other converter modules can detect that there is a malfunction in the first converter module.
  • the handshake communication comprises: - a request step in which the first, second and third converter modules each check whether a request message has been received from the respective other, in particular all other, converter modules.
  • an inverter module can signal to the other inverter modules that it intends to carry out a handshake communication.
  • a timer with a specified running time is started in the request step and subsequent steps of the handshake communication are only initiated when either the timer has expired or a request message has been received from all other inverter modules.
  • the handshake communication comprises:
  • first, second and third converter modules each determine status information about their operational readiness and transmit the determined status information to the other converter modules.
  • the operational readiness status information can indicate whether the respective converter module is operational or not operational, for example defective. Because the respective converter modules determine the status information themselves, a determination by a higher-level device is not necessary. By exchanging status information between all converter modules, it can be ensured that all converter modules are aware of the operational readiness status of the other. The exchange of status information is therefore a basis for deciding which converter module or converters should be connected to the actuator connections of the control device. The exchange can take place, for example, via separate data lines or a data bus. Because the status information about the converter modules available in the converter modules after the status exchange step has been completed is identical in all converter modules, the subsequent decision in all converter modules can come to the same result.
  • the handshake communication comprises:
  • the first and second converter modules each determine a command for the third converter module based on the status information received from the other converter modules and send it to the third converter module.
  • a decision can be made in the decision step which function the third converter module should take on. This decision is preferably made independently in the first and second converter modules and then a corresponding command is sent to the third converter module. If the commands received by the first and second converter modules are identical, the command can be implemented in the third converter module without further ado. If the commands received by the first and second converter modules differ, the third converter module decides independently of the first and second converter modules which of the two commands it will implement.
  • the first converter module sends the third converter module the command to take on the function of the first converter module and the second converter module sends the third converter module the command to take on the function of the second converter module.
  • the third converter module decides which function it will take on, preferably according to a predetermined criterion.
  • the handshake communication comprises:
  • the content of the confirmation message is preferably whether the third converter module has implemented the respective command of the first or second converter module or not.
  • the respective confirmation message can be received by the first and second converter modules and evaluated in such a way that the first or second converter module implements its own corresponding procedure.
  • the partial actuators act on a common drive element, in particular a common drive shaft.
  • the redundant actuator is preferably designed as a force feedback actuator for providing a force feedback torque on a steering wheel and/or actuator for adjusting a steering wheel position and/or as an actuator for transferring a steering wheel into a
  • the redundant actuator is designed as an actuator on a tie rod.
  • the first, second and third converter modules each have a logic unit for controlling the converter.
  • the converter is preferably designed as an inverter, in particular as a B6 inverter.
  • the first and the second converter module each further comprise an output switching device by means of which a connection between the converter and an actuator connection of the control device can be selectively established or interrupted.
  • the third converter module further comprises an output switching device by means of which a connection between the converter of the third converter module and one of the first and the second actuator connection of the control device can be selectively established or interrupted.
  • the output switching device has bidirectionally blocking switches, in particular bidirectionally blocking semiconductor switches.
  • the control device has two supply network connections.
  • the supply network connections can be connected to inputs of the converter modules via input switching devices.
  • the first and the second converter module each comprise an input switching device by means of which a connection between the converter module and a supply network connection of the control device can be selectively established or interrupted.
  • the third converter module further comprises an input switching device by means of which a connection between the third converter module and one of the first and the second supply network connection of the control device can be selectively established or interrupted.
  • the first converter module and the second converter module are designed identically, in particular a handshake logic controlling the handshake communication of the first and second converter modules is designed identically.
  • the third converter module preferably has a converter which is designed identically to the respective power parts of the first and second converter modules.
  • the third converter module preferably comprises a handshake logic controlling the handshake communication which is designed differently from the respective handshake logic of the first and second converter modules.
  • a handshake communication takes place between the first, second and third converter module of the control device, whereby the handshake communication is used to negotiate which converter or converters of the converter modules should be connected to the actuator connections of the control device. This can ensure that any malfunctions that manifest themselves or develop in the start-up phase lead to a selection of functional converter modules.
  • a further subject matter of the invention is an actuator system, in particular for a steer-by-wire system, with a redundant actuator having two partial actuators, in particular a motor having two separate winding sets, and with a control device for controlling the redundant actuator, wherein the control device comprises a first, a second and a third converter module, each of which has a converter, wherein the control device is configured to
  • the actuator system can achieve the same advantages and technical effects as have already been described in connection with the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows an embodiment of an actuator system according to the invention in a schematic block diagram
  • Fig. 2 shows an embodiment of a control device of the actuator system according to Fig. 1;
  • Fig. 3 is a flow chart of an embodiment of a method according to the invention for operating an actuator system
  • Fig. 4 is a flow chart to explain the processes in the first and second converter module during a handshake communication
  • Fig. 5 is a flow chart explaining the processes in the third inverter module during a handshake communication.
  • FIG. 1 an embodiment of an actuator system 100 with a redundant actuator 20 and a control device 10 for controlling the actuator 20 is shown in a block diagram.
  • the actuator system 100 comprises a redundant actuator 20, which in the embodiment is designed as an electric motor with two separate winding sets. The separate winding sets each form a partial actuator of the redundant actuator 20 and can be controlled independently of one another.
  • the actuator system 100 can be designed for use in a steer-by-wire system.
  • the actuator 20 is an actuator on a tie rod.
  • the actuator 20 can be a force feedback actuator for providing a force feedback torque on a steering wheel of the steer-by-wire system.
  • the control device 10 is connected to two independent or partially independent supply networks BN1, BN2.
  • the two supply networks 1, 2 can be designed as DC voltage on-board networks of a vehicle.
  • the control device 10 comprises a first supply network connection T1 and a second supply network connection T2.
  • the control device 10 further comprises a first actuator connection T3 and a second actuator connection T4, via which the control device 10 is connected to the redundant actuator 20.
  • the first actuator connection T3 is connected to the first partial actuator via a first connection T5 of the actuator 20 and the second actuator connection T4 is connected to the second partial actuator via a second connection T6 of the actuator 20.
  • both partial actuators act on a common drive element, for example a common drive shaft.
  • the first actuator connection T3 and the second actuator connection T4 are multi-phase, here three-phase.
  • the control device 10 comprises a total of three converter modules 11, 12, 13, each of which has an input switching device E1, E2, E3, a buffer capacitor C1, C2, C3, a converter U1, U2, U3 and an output switching device A1, A2, A3.
  • a further component of the converter modules 11, 12, 13 is a logic unit (not shown in the drawings) for controlling the functions of the respective converter module 11, 12, 13, in particular the respective input switching device E1, E2, E3, the respective converter U1, U2, U3 and the respective output switching device A1, A2, A3.
  • the control device 10 is in a first operating state in which the first actuator connection T3 is connected to the converter U1 of the first converter module 11 and the second actuator connection T4 is connected to the converter U2 of the second converter module 12.
  • the output switching device A1 of the first converter module 11 is placed in a conductive state.
  • the output switching device A2 of the second converter module 12 is in a conductive state to connect the converter U2 of the second converter module 12 to the second actuator connection T4.
  • the output switching device A3 of the third converter module is isolated. the converter U3 of the third converter module 13 from the actuator terminals T3, T4.
  • the input switching devices E1, E2 of the first and second converter modules 11, 12 are in a conductive state and the input switching device E3 of the third converter module 13 is in an insulating state.
  • the first partial actuator of the redundant actuator 10 is controlled by the first converter module 11 of the control device 10 and the second partial actuator via the second converter module 12 of the control device 10.
  • FIG. 3 a flow chart of an embodiment of a method according to the invention for operating an actuator system is shown, wherein for the states
  • the first actuator connection T3 is connected to the converter U1 of the first converter module 11 and the second actuator connection T4 is connected to the converter U2 of the second converter module 12.
  • the converter U3 of the third converter module 13 is in a standby state in which the converter U3 of the third converter module 13 is not connected to one of the actuator connections T3, T4.
  • the control device 10 initially remains in the fault operating state S2, in which the second actuator connection T4 remains connected to the converter U2 of the second converter module 12, so that the partial actuator connected to the second actuator connection T4 can continue to be operated.
  • a handshake communication takes place between the first, second and third inverter modules 11, 12, 13, whereby the handshake communication communication is used to negotiate which converter or converters U1, U2, U3 of the converter modules 11, 12, 13 are to be connected to the actuator connections T3, T4 of the control device 10 following the fault operating state S2.
  • the control device 10 After completion of the handshake communication in the fault operating state S2, the control device 10 then changes from the fault operating state S2 to a second operating state S4, in which the actuator connections T3, T4 are connected to the converter(s) U1, U2, U3 of the converter modules 11, 12, 13 as negotiated by means of the handshake communication.
  • the second and third converter modules 12, 13 are active in the second operating state.
  • the converter U2 of the second converter module is connected to the second actuator output T4 and the converter U3 of the third converter module 13 is connected to the first actuator output T3.
  • the third converter module 13 takes over the function in the second operating state S4 that the first converter module 11 had in the first operating state.
  • Fig. 4 shows a flow chart to explain the processes in the first and second converter modules 11, 12 during a handshake communication.
  • the handshake communication begins with a request step 401, in which the first and second converter modules each check whether a request message has been received from the other converter modules.
  • the first and second converter modules 11, 12 remain in the request step 401 until corresponding request messages from the other two converter modules 11, 12, 13 have been received.
  • a timer with a predetermined running time is started and subsequent steps of the handshake communication are only initiated when either the timer has expired or a request message has been received from all other converter modules 11, 12, 13.
  • the request step 401 is basically optional, so that in a modification of the embodiment it can be omitted.
  • a status exchange step 402 following the request step 401, the first and second converter modules 11, 12 each determine their operational readiness and transmit corresponding status information to the other converter modules 11, 12, 13.
  • the status exchange step 402 is divided into a first sub-step 402.1 to determine the status, a second sub-step 402.2 to exchange the status information.
  • the status information of the operational readiness indicates whether the respective converter module 11, 12 is operational or not operational, for example defective.
  • the decision step 403 comprises a first test step 403.1 for testing the own operational readiness and a second test step 403.2 for testing the operational readiness of the other two converter modules 11, 12, 13.
  • the respective converter module 11, 12 is then either deactivated or remains activated.
  • a command for the third converter module 13 is determined and sent to the third converter module 13.
  • the third converter module 13 is commanded to replace the second converter module 12 (step 403.6). In all other cases (the third converter module 13 is not operational or both the first and second converter modules 11, 12 are operational), the third converter module is commanded to remain inactive according to step 403.5.
  • the third converter module 13 sends a confirmation message to the first and second converter modules 11, 12.
  • the content of the confirmation message is whether the third converter module 13 has implemented the respective command of the first or second converter module 11, 12 or not.
  • the respective confirmation message can be received by the first and second converter modules 11, 12 and evaluated in such a way that the first or second converter module 11, 12 implements its own corresponding procedure.
  • Fig. 5 shows a flow chart to explain the processes in the third converter module 13 during a handshake communication.
  • the processes in the third converter module 13 are the same as those in the first and second converter modules 11, 12.
  • the third converter module can optionally be connected to the first or second or no actuator output T3, T4, there are some differences that are explained below.
  • the handshake communication begins with a request step 401 in which the third converter module 13 checks whether a request message has been received from the other converter modules 11, 12.
  • the third converter module 13 remains in the request step 401 until corresponding request messages from the other two converter modules 11, 12 have been received.
  • a timer with a predetermined running time is started and subsequent steps of the handshake communication are only initiated when either the timer has expired or a request message has been received from all other converter modules 11, 12.
  • the request step 401 is basically optional, so that in a modification of the embodiment it can be omitted.
  • a status exchange step 402 following the request step 401, the third converter module 13 determines its operational readiness and transmits corresponding status information to the other converter modules 11, 12.
  • the status exchange step 402 is divided into a first sub-step 402.1 for determining the status and a second sub-step 402.2 for exchanging the status information.
  • the status information of the operational readiness indicates whether the respective converter module 11, 12 is operational or not operational, i.e., for example, defective.
  • the third converter module 13 is then either deactivated (step 405.4), or the commands of the other The data of the two converter modules 11, 12 are evaluated.
  • the third converter module 13 is deactivated according to a corresponding command from the other two converter modules 11, 12 (step 405.1), replaces the first converter module 11 (step 405.2) or replaces the second converter module 12 (step 405.3).
  • An exception is the situation when both the first and the second converter modules 11, 13 are not ready for operation and therefore command the third converter module to replace both the first and the second converter module.
  • the third converter module 13 decides which converter module it will replace according to a predetermined criterion.
  • the third converter module 13 sends a confirmation message to the first and second converter modules 11, 12.
  • the content of the confirmation message is whether the third converter module 13 has implemented the respective command of the first or second converter module 11, 12 or not.

Landscapes

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Abstract

Verfahren zur Änsteuerung eines redundanten Aktuators (20) aufweisend zwei Teilaktuatoren, insbesondere eines Motors aufweisend zwei getrennte Wicklungssätze, mittels einer Steuereinrichtung (10), wobei ein erster Teilaktuator mit einem ersten Aktuatoranschluss (T3) der Steuereinrichtung (10) und ein zweiter Teilaktautor mit einem zweiten Aktuatoranschluss (T4) der Steuereinrichtung (10) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (10) ein erstes, ein zweites und ein drittes Umrichtermodul (11, 12, 13) umfasst, welche jeweils einen Umrichter (U 1, U2, U3) aufweisen, wobei in einem ersten Betriebszustand (S1) der erste Aktuatoranschluss (T3) mit dem Umrichter (U1) des ersten Umrichtermoduls (11) und der zweite Aktuatoranschluss (T4) mit dem Umrichter (U2) des zweiten Umrichtermoduls (12) verbunden ist und die Aktuatoranschlüsse (T3, T4) nicht mit dem Umrichter (U3) des dritten Umrichtermoduls (13) verbunden sind, das sich in einem Standby-Zustand befindet, wobei ein Fehlverhalten in dem ersten Umrichtermodul (11) erkannt wird und die Steuereinrichtung (10) in einen Fehlerbetriebszustand (S2) übergeht, in welchem der erste Aktuatoranschluss (T3) von den Umrichtern (U1, U2, U3) des ersten, zweiten und dritten Umrichtermoduls (11, 12, 13) isoliert ist und der zweite Aktuatoranschluss (T4) weiterhin mit dem Umrichter (U2) des zweiten Umrichtermoduls (12) verbunden ist, wobei in dem Fehlerbetriebszustand (S2) eine Handshake-Kommunikation zwischen dem ersten, zweiten und dritten Umrichtermodul (11, 12, 13) der Steuereinrichtung (10) erfolgt, wobei mittels der Handshake-Kommunikation ausgehandelt wird, welcher oder welche Umrichter (U1, U2, U3) der Umrichtermodule (11, 12, 13) mit den Aktuatoranschlüssen (T3, T4) der Steuereinrichtung (10) verbunden werden sollen.

Description

Verfahren zur Ansteuerung eines redundanten Aktuators mit zwei Teilaktuatoren und Aktuatorsystem mit einem redundanten Aktuator aufweisend zwei Teilaktuatoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines redundanten Aktuators aufweisend zwei Teilaktuatoren, insbesondere eines Motors aufweisend zwei getrennte Wicklungssätze, mittels einer Steuereinrichtung, wobei ein erster Teilaktuator mit einem ersten Aktuatoranschluss der Steuereinrichtung und ein zweiter Teilaktautor mit einem zweiten Aktuatoranschluss der Steuereinrichtung verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung ein erstes, ein zweites und ein drittes Umrichtermodul umfasst, welche jeweils einen Umrichter aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung ein Aktuatorsystem, insbesondere für ein Steer-By-Wire-System, mit einem redundanten Aktuator aufweisend zwei Teilaktuatoren, insbesondere einem Motor aufweisend zwei getrennte Wicklungssätze, und mit einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des redundanten Aktuators, wobei die Steuereinrichtung ein erstes, ein zweites und ein drittes Umrichtermodul umfasst, welche jeweils einen Umrichter aufweisen.
Anwendung kann die Erfindung im Bereich des Automobilbaus finden, insbesondere im Bereich der Steer-by-Wire-Systeme. Bei derartigen Steer-by-Wire-Systemen besteht keine mechanische Verbindung zwischen dem Lenkrad und dem gelenkten Rad. Sämtliche Lenkbefehle werden durch Sensoren am Lenkrad aufgenommen und elektrisch über ein Steuergerät an einen oder mehrere Lenk-Aktuatoren übermittelt, der die Lenkbewegungen ausführt und an die Räder weiterleitet. Zusätzlich zu diesen Lenk-Aktuatoren weisen derartige Steer-by-Wire-Systeme üblicherweise einen Aktuator zur Bereitstellung eines Force-Feedback-Moments an dem Lenkrad auf. Derartige Force-Feedback-Aktuatoren können dem Autofahrer das gleiche Lenkgefühl, bzw. die gleiche haptische Rückmeldung, vermitteln, die er vom Steuern eines Fahrzeugs mit mechanisch verbundener Lenkung und Servounterstützung gewohnt ist.
Ein Aktuatorsystem der eingangs genannten Art ist bekannt aus DE 10 2021 112 819 A1. Dieses Aktuatorsystem umfasst einen redundanten Aktuator, der zwei Teilaktuatoren aufweist und beispielsweise als Force-Feedback-Aktuator verwendet werden kann. Zur Ansteuerung dieses redundanten Aktuators wird eine Steuereinrichtung eingesetzt, welche die beiden Teilaktuatoren ansteuern kann. Die Steuereinrichtung umfasst drei Umrichter, wobei einer der drei Umrichter wahlweise einen der beiden anderen Umrichter ersetzen kann.
Wird zur Koordination der einzelnen Umrichter eine übergeordnete Steuerungseinheit eingesetzt, ergibt sich der Nachteil, dass diese zusätzlichen Bauraum erfordert. Zudem müssten Vorkehrungen getroffen werden, eine solche übergeordnete Steuerungseinrichtung ebenfalls redundant auszugestalten, um bei Auftreten eines Fehlverhaltens in der übergeordneten Steuerungseinrichtung einen Totalausfall des Aktuatorsystems zu vermeiden. Durch derartige Maßnahmen kann sich der Bauraumbedarf und Aufwand weiter erhöhen.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, die Koordination redundanter Umrichtermodule der Steuereinheit mit geringem Aufwand und mit geringem Bauraumbedarf zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines redundanten Aktuators aufweisend zwei Teilaktuatoren, insbesondere eines Motors aufweisend zwei getrennte Wicklungssätze, mittels einer Steuereinrichtung, wobei ein erster Teilaktuator mit einem ersten Aktuatoranschluss der Steuereinrichtung und ein zweiter Teilaktautor mit einem zweiten Aktuatoranschluss der Steuereinrichtung verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung ein erstes, ein zweites und ein drittes Umrichtermodul umfasst, welche jeweils einen Umrichter aufweisen, wobei in einem ersten Betriebszustand der erste Aktuatoranschluss mit dem Umrichter des ersten Umrichtermoduls und der zweite Aktuatoranschluss mit dem Umrichter des zweiten Umrichtermoduls verbunden ist und die Aktuatoranschlüsse nicht mit dem Umrichter des dritten Umrichtermoduls verbunden sind, das sich in einem Standby-Zustand befindet, wobei ein Fehlverhalten in dem ersten Umrichtermodul erkannt wird und die Steuereinrichtung in einen Fehlerbetriebszustand übergeht, in welchem der erste Aktuatoranschluss von den Umrichtern des ersten, zweiten und dritten Umrichtermoduls isoliert ist und der zweite Aktuatoranschluss weiterhin mit dem Umrichter des zweiten Umrichtermoduls verbunden ist, wobei in dem Fehlerbetriebszustand eine Handshake-Kommunikation zwischen dem ersten, zweiten und dritten Umrichtermodul der Steuereinrichtung erfolgt, wobei mittels der Handshake-Kommunikation ausgehandelt wird, welcher oder welche Umrichter der Umrichtermodule mit den Aktuatoranschlüssen der Steuereinrichtung verbunden werden sollen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine Handshake-Kommunikation zwischen dem ersten, zweiten und dritten Umrichtermodul vor. Sofern in dem ersten Betriebszustand ein Fehlverhalten in einem - hier als erstes Umrichtermodul bezeichneten - Umrichtermodul erkannt wird, fällt die Steuerungseinrichtung in den Fehlerbetriebszustand, in welchem der mit den zweiten Phasenanschlüssen verbundene zweite Teilaktuator weiter durch das zweite Umrichtermodul gesteuert wird. Insofern kann der redundante Aktuator mit reduzierter Leistung weiter betrieben werden. In diesem Fehlerbetriebszustand erfolgt die Handshake-Kommunikation zwischen allen drei Umrichtermodulen der Steuereinrichtung, wobei zwischen den drei Umrichtermodulen ausgehandelt wird, welches eine oder welche beiden Umrichtermodule nach dem Beenden des Fehlerbetriebszustands mit den Phasenanschlüssen der Steuereinrichtung verbunden werden, so dass dann trotz des Fehlverhaltens in einem der Umrichtermodule ein Betrieb des redundanten Aktuators erfolgen kann. Die Handshake-Kommunikation ermöglicht es, auf eine übergeordnete Steuerungseinheit zu verzichten und ermöglicht eine modulare Ausgestaltung mit voneinander unabhängigen Umrichtermodulen. Durch diese Maßnahmen kann die Koordination der Umrichtermodule der Steuereinheit mit geringem Aufwand und mit geringem Bauraumbedarf erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung der Handshake-Kommunikation nachfolgend ausgehend von dem Fehlerbetriebszustand in einen zweiten Betriebszustand übergeht, in welchem die Aktuatoranschlüsse wie mittels der Handshake-Kommunikation ausgehandelt mit dem oder den Umrichtermodulen verbunden sind. Dieser zweite Betriebszustand kann einen Betriebszustand bilden, in welchem der redundante Aktuator mit identischer Funktion wie im ersten Betriebszustand betrieben wird. In dem zweiten Betriebszustand kann aber die Fähigkeit der Steuerungseinrichtung, weitere Fehler zu kompensieren, reduziert sein bzw. eine solche Fehlerkompensation nicht mehr möglich sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fehlverhalten durch das erste Umrichtermodul selbst erkannt wird. Besonders bevorzugt wird das erkannte Fehlverhalten von dem ersten Umrichtermodul an die anderen beiden Umrichtermodule kommuniziert.
Gemäß einer alternativen, bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jedes der drei Umrichtermodule die jeweiligen anderen Umrichtermodule überwacht und das Fehlverhalten in dem ersten Umrichtermodul erkennt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Umrichtermodule regelmäßige, insbesondere periodische, Signale an die jeweiligen anderen Umrichtermodule senden, die angeben, dass kein Fehlverhalten vorliegt. Bei Ausbleiben eines solchen Signals können die anderen Umrichtermodule erkennen, dass ein Fehlverhalten im ersten Umrichtermodul vorliegt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Handshake- Kommunikation umfasst: - einen Anforderungsschritt, in welchem das erste, zweite und dritte Umrichtermodul jeweils prüft, ob eine Anforderungsnachricht von den jeweiligen anderen, insbesondere allen anderen, Umrichtermodulen empfangen wurde.
Durch die Anforderungsnachricht kann ein Umrichtermodul den anderen Umrichtermodulen signalisieren, dass es die Absicht hat, eine Handshake-Kommunikation durchzuführen. Optional kann vorgesehen sein, dass in dem Anforderungsschritt ein Timer mit einer vorgegebenen Laufzeit gestartet wird und nachfolgende Schritte der Handshake-Kommunikation erst dann eingeleitet werden, wenn entweder der Timer abgelaufen ist oder eine Anforderungsnachricht von allen anderen Umrichtermodulen empfangen wurde.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Handshake- Kommunikation umfasst:
- einen Statusaustauschschritt, in welchem das erste, zweite und dritte Umrichtermodul jeweils eine Statusinformation ihrer Betriebsbereitschaft selbst ermitteln und die ermittelte Statusinformation den jeweiligen anderen Umrichtermodulen übermitteln.
Die Statusinformation der Betriebsbereitschaft kann angeben, ob das jeweilige Umrichtermodul betriebsbereit oder nicht betriebsbereit, also beispielsweise defekt, ist. Dadurch dass die jeweiligen Umrichtermodule die Statusinformation selbst ermitteln, ist eine Ermittlung durch eine übergeordnete Einrichtung nicht erforderlich. Durch den Austausch der Statusinformation zwischen allen Umrichtermodulen kann sichergestellt werden, dass alle Umrichtermodule Kenntnis über den Status der Betriebsbereitschaft der jeweiligen anderen haben. Der Austausch der Statusinformation ist insofern eine Grundlage für die Entscheidung welcher oder welche Umrichtermodule bzw. Umrichter mit den Aktuatoranschlüssen der Steuereinrichtung verbunden werden sollen. Der Austausch kann beispielsweise über separate Datenleitungen oder einen Datenbus erfolgen. Da die nach Abschluss des Statusaustauschschritts in den Umrichtermodulen vorliegende Statusinformation zu den Umrichtermodulen in allen Umrichtermodulen identisch ist, kann die nachfolgende Entscheidung in allen Umrichtermodulen zu demselben Ergebnis kommen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Handshake- Kommunikation umfasst:
- einen Entscheidungsschritt, in welchem das erste und zweite Umrichtermodul jeweils anhand der von den jeweiligen anderen Umrichtermodulen empfangenen Statusinformationen einen Befehl für das dritte Umrichtermodul ermitteln und an das dritte Umrichtermodul senden.
Ausgehend von den im Statusaustauschschritt zwischen den Umrichtermodulen ausgetauschten Statusinformationen kann in dem Entscheidungsschritt eine Entscheidung gefällt werden, welche Funktion das dritte Umrichtermodul übernehmen soll. Bevorzugt wird diese Entscheidung unabhängig voneinander in dem ersten und zweiten Umrichtermodul gefällt und dann ein entsprechender Befehl an das dritte Umrichtermodul gesendet. Sofern die von dem ersten und zweiten Umrichtermodul empfangenen Befehle identisch sind, kann der Befehl in dem dritten Umrichtermodul ohne weiteres umgesetzt. Sofern sich die von dem ersten und zweiten Umrichtermodul empfangenen Befehle unterscheiden entscheidet das dritte Umrichtermodul selbstständig und unabhängig von dem ersten und zweiten Umrichtermodul, welchen der beiden Befehle es umsetzt. Beispielsweise kann es vorkommen, dass sowohl das erste als auch das zweite Umrichtermodul nicht betriebsbereit sind und daher das erste Umrichtermodul dem dritten Umrichtermodul den Befehl sendet, die Funktion des ersten Umrichtermoduls zu übernehmen und das zweite Umrichtermodul dem dritten Umrichtermodul den Befehl sendet, die Funktion des zweiten Umrichtermoduls zu übernehmen. In diesem Fall entscheidet das dritte Umrichtermodul, bevorzugt nach einem vorgegebenen Kriterium, welche Funktion es übernimmt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Handshake- Kommunikation umfasst:
- einen Bestätigungsschritt, in welchem das dritte Umrichtermodul eine Bestätigungsnachricht an das erste und zweite Umrichtermodul sendet.
Inhalt der Bestätigungsnachricht ist bevorzugt, ob das dritte Umrichtermodul den jeweiligen Befehl des ersten oder zweiten Umrichtermoduls umgesetzt hat oder nicht. Die jeweilige Bestätigungsnachricht kann von dem ersten und der zweiten Umrichtermodul empfangen werden und derart ausgewertet werden, dass das erste bzw. zweite Umrichtermodul eine entsprechende eigene Vorgehensweise umsetzt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem ersten Betriebszustand die Aktuatoranschlüsse der Steuereinrichtung von dem Umrichter des dritten Umrichtermoduls isoliert sind. Bevorzugt befindet sich das dritte Umrichtermodul in einem nicht aktiven Zustand. Insofern bildet das dritte Umrichtermodul in einer derartigen Ausgestaltung eine kalte Reserve innerhalb der Steuereinrichtung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Teilaktuatoren auf ein gemeinsames Antriebselement, insbesondere eine gemeinsame Antriebswelle, einwirken. Bevorzugt ist der redundante Aktuator als Force-Feedback-Aktuator zur Bereitstellung eines Force-Feedback-Moments an einem Lenkrad und/oder Aktuator zur Einstellung einer Lenkradposition und/oder als Aktuator zum Überführen eines Lenkrads in eine Verstaustellung ausgebildet. Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der redundante Aktuator als Aktuator an einer Spurstange ausgebildet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste, zweite und dritte Umrichtermodul jeweils eine Logikeinheit zur Ansteuerung des Umrichters aufweisen. Bevorzugt ist der Umrichter als Wechselrichter ausgebildet, insbesondere als B6- Wechselrichter. Bevorzugt umfasst das erste und das zweite Umrichtermodul jeweils ferner eine Ausgangs-Schalteinrichtung, mittels derer wahlweise eine Verbindung zwischen dem Umrichter und einem Aktuatoranschluss der Steuereinrichtung hergestellt oder unterbrochen werden kann. Bevorzugt umfasst das dritte Umrichtermodul ferner eine Ausgangs-Schalteinrichtung mittels derer wahlweise eine Verbindung zwischen dem Umrichter des dritten Umrichtermoduls und einem aus dem ersten und dem zweiten Aktuatoranschluss der Steuereinrichtung hergestellt oder unterbrochen werden kann. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Ausgangs-Schalteinrichtung bidirektional sperrende Schalter aufweist, insbesondere bidirektional sperrende Halbleiterschalter.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung zwei Versorgungsnetzanschlüsse aufweist. Die Versorgungsnetzanschlüsse können mit Eingängen der Umrichtermodule über Eingangs-Schalteinrichtungen verbunden sein. Bevorzugt umfasst das erste und das zweite Umrichtermodul jeweils eine Eingangs-Schalteinrichtung, mittels derer wahlweise eine Verbindung zwischen dem Umrichtermodul und einem Versorgungsnetzanschluss der Steuereinrichtung hergestellt oder unterbrochen werden kann. Bevorzugt umfasst das dritte Umrichtermodul ferner eine Eingangs-Schalteinrichtung mittels derer wahlweise eine Verbindung zwischen dem dritten Umrichtermodul und einem aus dem ersten und dem zweiten Versorgungsnetzanschluss der Steuereinrichtung hergestellt oder unterbrochen werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Umrichtermodul und das zweite Umrichtermodul identisch ausgebildet sind, insbesondere eine die Handshake-Kommunikation steuernde Handshake-Logik des ersten und zweiten Umrichtermoduls identisch ausgebildet ist. Das dritte Umrichtermodul weist bevorzugt einen Umrichter auf, der identisch zu den jeweiligen Leistungsteilen des ersten und zweiten Umrichtermoduls ausgebildet sein. Das dritte Umrichtermodul umfasst bevorzugt eine die Handshake- Kommunikation steuernde Handshake-Logik, die unterschiedlich von der jeweiligen Hands- hake-Logik des ersten und zweiten Umrichtermoduls ausgebildet ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass vor jedem Starten des Gesamtsystems eine Handshake-Kommunikation zwischen dem ersten, zweiten und dritten Umrichtermodul der Steuereinrichtung erfolgt, wobei mittels der Handshake-Kommunikation ausgehandelt wird, welcher oder welche Umrichter der Umrichtermodule mit den Aktuatoranschlüssen der Steuereinrichtung verbunden werden sollen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass ein Fehlverhalten, die sich in der Startphase äußern bzw. ausbilden, zu einer Auswahl funktionstüchtiger Umrichtermodule führt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Aktuatorsystem, insbesondere für ein Steer- By-Wire-System, mit einem redundanten Aktuator aufweisend zwei Teilaktuatoren, insbesondere einem Motor aufweisend zwei getrennte Wicklungssätze, und mit einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung des redundanten Aktuators, wobei die Steuereinrichtung ein erstes, ein zweites und ein drittes Umrichtermodul umfasst, welche jeweils einen Umrichter aufweisen, wobei die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist,
- in einem ersten Betriebszustand den ersten Aktuatoranschluss mit dem Umrichter des ersten Umrichtermoduls und den zweiten Aktuatoranschluss mit dem Umrichter des zweiten Umrichtermoduls zu verbinden und die Aktuatoranschlüsse nicht mit dem Umrichter des dritten Umrichtermoduls zu verbinden, das sich in einem Standby-Zustand befindet,
- ein Fehlverhalten in dem ersten Umrichtermodul zu erkennen und in einen Fehlerbetriebszustand überzugehen, in welchem der erste Aktuatoranschluss von den Umrichtern des ersten, zweiten und dritten Umrichtermoduls isoliert ist und der zweite Aktuatoranschluss weiterhin mit dem Umrichter des zweiten Umrichtermoduls verbunden ist, in dem Fehlerbetriebszustand eine Handshake-Kommunikation zwischen dem ersten, zweiten und dritten Umrichtermodul der Steuereinrichtung durchzuführen, wobei mittels der Handshake-Kommunikation ausgehandelt wird, welcher oder welche Umrichter der Umrichtermodule mit den Aktuatoranschlüssen der Steuereinrichtung verbunden werden sollen.
Bei dem Aktuatorsystem können dieselben Vorteile und technischen Wirkungen erreicht werden wie sie bereits zuvor im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben worden sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der redundante Aktuator als Aktuator an einer Spurstange ausgebildet ist. Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung des Aktuatorsystems ist vorgesehen, dass der redundante Aktuator als Force-Feedback-Aktuator zur Bereitstellung eines Force-Feedback-Moments an einem Lenkrad und/oder Aktuator zur Einstellung einer Lenkradposition und/oder als Aktuator zum Überführen eines Lenkrads in eine Verstaustellung ausgebildet ist.
Alternativ oder zusätzlich können bei dem erfindungsgemäßen Aktuatorsystem auch die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale - einzeln oder in Kombination - Anwendung finden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aktuatorsystems in einem schematischen Blockdiagramm;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung des Aktuatorsystems gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 ein Ablaufschema eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Aktuatorsystems;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Vorgänge in dem ersten und zweiten Umrichtermodul während einer Handshake-Kommunikation; und
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Vorgänge in dem dritten Umrichtermodul während einer Handshake-Kommunikation.
In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Aktuatorsystems 100 mit einem redundanten Aktuator 20 und einer Steuereinrichtung 10 zum Ansteuern des Aktuators 20 in einem Blockdiagramm dargestellt. Das Aktuatorsystem 100 umfasst einem redundanten Aktuator 20, der in dem Ausführungsbeispiel als elektrischer Motor mit zwei getrennten Wicklungssätzen ausgebildet ist. Die getrennten Wicklungssätze bilden jeweils einen Teilaktuator des redundanten Aktuators 20 und können unabhängig voneinander angesteuert werden. Das Aktuatorsystem 100 kann zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System ausgestaltet sein. In diesem Fall ist der Aktuator 20 ein Aktuator an einer Spurstange. Alternativ kann der Aktuator 20 ein Force-Feedback-Aktuator zur Bereitstellung eines Force-Feedback-Moments an einem Lenkrad des Steer-by-Wire-Systems. Die Steuereinrichtung 10 ist mit zwei unabhängigen oder teil-unabhängigen Versorgungsnetzen BN1, BN2 verbunden. Bei der Verwendung des Aktuatorsystems 100 in einem Steer-By- Wire-System können die beinen Versorgungsnetze 1 , 2 als Gleichspannungs-Bordnetze eines Fahrzeugs ausgebildet sein. Zur Anbindung der Steuereinrichtung 10 an die beiden Bordnetze umfasst die Steuereinrichtung 10 einen ersten Versorgungsnetzanschluss T1 und einen zweiten Versorgungsnetzanschluss T2.
Die Steuereinrichtung 10 umfasst ferner einen ersten Aktuatoranschluss T3 und einen zweiten Aktuatoranschluss T4, über welche die Steuereinrichtung 10 mit dem redundanten Aktuator 20 verbunden ist. Der erste Aktuatoranschluss T3 ist über einen ersten Anschluss T5 des Aktuators 20 mit dem ersten Teilaktuator verbunden und der zweite Aktuatoranschluss T4 ist über einen zweiten Anschluss T6 des Aktuators 20 mit dem zweiten Teilaktuator verbunden. Bei dem Ausführungsbeispiel wirken beide Teilaktuatoren auf ein gemeinsames Antriebselement, beispielsweise eine gemeinsame Antriebswelle ein.
Wie der detaillierten Darstellung der Steuereinrichtung 10 in Fig. 2 entnommen werden kann, sind der erste Aktuatoranschluss T3 und der zweite Aktuatoranschluss T4 mehrphasig, hier dreiphasig, ausgebildet.
Die Steuereinrichtung 10 umfasst insgesamt drei Umrichtermodule 11 , 12 ,13, welche jeweils eine Eingangs-Schalteinrichtung E1, E2, E3, eine Pufferkapazität C1, C2, C3, einen Umrichter U1 , U2, U3 und eine Ausgangs-Schalteinrichtung A1 , A2, A3 aufweisen. Ein weiterer Bestandteil der Umrichtermodule 11 , 12, 13 ist eine in den Zeichnungen nicht dargestellte Logikeinheit zur Steuerung der Funktionen des jeweiligen Umrichtermoduls 11, 12, 13, insbesondere der jeweiligen Eingangs-Schalteinrichtung E1 , E2, E3, des jeweiligen Umrichters U1, U2, U3 und der jeweiligen eine Ausgangs-Schalteinrichtung A1, A2, A3.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 befindet sich die Steuereinrichtung 10 in einem ersten Betriebszustand, in welchem der erste Aktuatoranschluss T3 mit dem Umrichter U1 des ersten Umrichtermoduls 11 und der zweite Aktuatoranschluss T4 mit dem Umrichter U2 des zweiten Umrichtermoduls 12 verbunden ist. Zur Verbindung des Umrichters U1 des ersten Umrichtermoduls 11 mit dem ersten Aktuatoranschluss T3 ist die Ausgangs-Schalteinrichtung A1 des ersten Umrichtermoduls 11 in einen leitfähigen Zustand versetzt. Ebenso befindet sich die Ausgangs-Schalteinrichtung A2 des zweiten Umrichtermoduls 12 zur Verbindung des Umrichters U2 des zweiten Umrichtermoduls 12 mit dem zweiten Aktuatoranschluss T4 in einem leitfähigen Zustand. Die Ausgangs-Schalteinrichtung A3 des dritten Umrichtermoduls isoliert hingegen den Umrichter U3 des dritten Umrichtermoduls 13 von den Aktuatoranschlüssen T3, T4.
Eingangsseitig sind in dem ersten Betriebszustand die Eingangs-Schalteinrichtungen E1, E2 des ersten und zweiten Umrichtermoduls 11 , 12 in einem leitfähigen Zustand und die Eingangs-Schalteinrichtung E3 des dritten Umrichtermoduls 13 in einem isolierenden Zustand.
In dem ersten Betriebszustand wird der erste Teilaktuator des redundanten Aktuators 10 durch das erste Umrichtermodul 11 der Steuereinrichtung 10 angesteuert und der zweite Teilaktuator über das zweite Umrichtermodul 12 der Steuereinrichtung 10.
In der Fig. 3 ist ein Ablaufschema eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Aktuatorsystems gezeigt, wobei für die Zustände
- erster Betriebszustand S1 ,
- Fehlerbetriebszustand S2,
- zweiter Betriebszustand S4 angegeben ist, ob die jeweiligen Umrichter U1, U2, U3 der Umrichtermodule 11 , 12, 13 mit einem Aktuatoranschluss T3, T4 verbunden und aktiv sind (=1), nicht mit einem Aktuatoranschluss T3, T4 verbunden und inaktiv sind (=0) oder mit einem Aktuatoranschluss T3, T4 verbunden sind und gleichzeitig ein Fehlverhalten in dem jeweiligen Umrichtermodul 11 , 12, 13 erkannt ist (=Blitzsymbol).
In dem ersten Betriebszustand S1 ist der erste Aktuatoranschluss T3 mit dem Umrichter U1 des ersten Umrichtermoduls 11 und der zweite Aktuatoranschluss T4 mit dem Umrichter U2 des zweiten Umrichtermoduls 12 verbunden. Zudem befindet sich der Umrichter U3 des dritte Umrichtermoduls 13 in einem Stand-By Zustand in welchem der Umrichter U3 des dritte Umrichtermoduls 13 nicht mit einem der Aktuatoranschlüsse T3, T4 verbunden ist.
Bei Erkennen eines Fehlverhaltens in dem ersten Umrichtermodul 11 verbleibt die Steuereinrichtung 10 zunächst in dem Fehlerbetriebszustand S2, in welchem der zweite Aktuatoranschluss T4 mit dem Umrichter U2 des zweiten Umrichtermoduls 12 verbunden bleibt, so dass der mit dem zweiten Aktuatoranschluss T4 verbundene Teilaktuator weiter betrieben werden kann.
In diesem Fehlerbetriebszustand S2 erfolgt eine Handshake-Kommunikation zwischen dem ersten, zweiten und dritten Umrichtermodul 11, 12, 13, wobei mittels der Handshake-Kom- munikation ausgehandelt wird, welcher oder welche Umrichter U1 , U2, U3 der Umrichtermodule 11, 12, 13 dem Fehlerbetriebszustand S2 nachfolgend mit den Aktuatoranschlüssen T3, T4 der Steuereinrichtung 10 verbunden werden sollen.
Nach Abschluss der Handshake-Kommunikation im Fehlerbetriebszustand S2 geht die Steuereinrichtung 10 dann von dem Fehlerbetriebszustand S2 in einen zweiten Betriebszustand S4 über, in welchem die Aktuatoranschlüsse T3, T4 wie mittels der Handshake-Kommunikation ausgehandelt mit dem oder den Umrichtern U1, U2, U3 der Umrichtermodule 11, 12, 13 verbunden sind. Bei dem in Fig. 3 gezeigten Fall sind in dem zweiten Betriebszustand das zweite und das dritte Umrichtermodul 12, 13 aktiv. Der Umrichter U2 des zweite Umrichtermoduls ist mit dem zweiten Aktuatorausgang T4 verbunden und der Umrichter U3 des dritten Umrichtermoduls 13 ist mit dem ersten Aktuatorausgang T3 verbunden. Insofern übernimmt das dritte Umrichtermodul 13 in dem zweiten Betriebszustand S4 die Funktion, welche das ersten Umrichtermodul 11 in dem ersten Betriebszustand innehatte.
Die Fig. 4 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Vorgänge in dem ersten und zweiten Umrichtermodul 11, 12 während einer Handshake-Kommunikation.
Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel beginnt die Handshake-Kommunikation mit einem Anforderungsschritt 401, in welchem das erste und zweite Umrichtermodul jeweils prüft, ob eine Anforderungsnachricht von den jeweiligen anderen Umrichtermodulen empfangen wurde. Das erste und zweite Umrichtermodul 11 , 12 verweilen so lange in dem Anforderungsschritt 401 bis entsprechende Anforderungsnachrichten der beiden anderen Umrichtermodule 11, 12, 13 empfangen wurden. Optional kann vorgesehen sein, dass in dem Anforderungsschritt 401 ein Timer mit einer vorgegebenen Laufzeit gestartet wird und nachfolgende Schritte der Handshake-Kommunikation erst dann eingeleitet werden, wenn entweder der Timer abgelaufen ist oder eine Anforderungsnachricht von allen anderen Umrichtermodulen 11 , 12, 13 empfangen wurde.
Der Anforderungsschritt 401 ist grundsätzlich optional, so dass in einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels auf diesen verzichtet werden kann.
In einem dem Anforderungsschritt 401 nachfolgenden Statusaustauschschritt 402 ermitteln das erste und zweite Umrichtermodul 11, 12 jeweils selbst ihre Betriebsbereitschaft und übermitteln eine entsprechende Statusinformation an die jeweiligen anderen Umrichtermodule 11, 12, 13. Der Statusaustauschschritt 402 unterteilt sich in einen ersten Teilschritt 402.1 zur Ermittlung des Status, einen zweiten Teilschritt 402.2 zum Austausch der Statusinformation. Die Statusinformation der Betriebsbereitschaft gibt an, ob das jeweilige Umrichtermodul 11 , 12 betriebsbereit oder nicht betriebsbereit, also beispielsweise defekt, ist.
In einem dem Statusaustauschschritt 402 nachfolgenden Entscheidungsschritt 403 werden die von den anderen Umrichtermodulen 11, 12, 13 empfangenen Statusinformationen zusammen mit der eigenen Statusinformation ausgewertet. Der Entscheidungsschritt 403 umfasst einen ersten Prüfungsschritt 403.1 zur Prüfung der eigenen Betriebsbereitschaft und einen zweiten Prüfungsschritt 403.2 zur Prüfung der Betriebsbereitschaft der beiden anderen Umrichtermodule 11, 12, 13.
In Abhängigkeit des Ergebnisses des ersten Prüfungsschritts 403.1, also in Abhängigkeit von der eigenen Betriebsbereitschaft, wird das jeweilige Umrichtermodul 11, 12 dann entweder deaktiviert oder bleibt aktiviert. Beispielsweise wird das Umrichtermodul 11 , 12 deaktiviert (Schritt 403.7), wenn das Umrichtermodul 11, 12 nicht betriebsbereit (=0) ist und aktiv gehalten, wenn es betriebsbereit (=1) ist (Schritt 403.8).
In Abhängigkeit des Ergebnisses des zweiten Prüfungsschritts 403.2, also zusätzlich in Abhängigkeit von den Statusinformationen der anderen Umrichtermodule 11, 12, 13 wird einen Befehl für das dritte Umrichtermodul 13 ermittelt und an das dritte Umrichtermodul 13 gesendet. Im Hinblick auf das erste Umrichtermodul 11 bedeutet dies beispielsweise, dass dann, wenn das erste Umrichtermodul 11 nicht betriebsbereit ist und beide anderen Umrichtermodule 12, 13 betriebsbereit sind, das dritte Umrichtermodul 13 befehligt wird, das erste Umrichtermodul 11 zu ersetzen (Schritt 403.3). Ist das erste Umrichtermodul 11 nicht betriebsbereit und das zweite Umrichtermodule 12 ebenfalls, so wird das dritte Umrichtermodul 13 befehligt, entweder das erste oder das zweite Umrichtermodul 11, 12 zu ersetzen (Schritt 403.4). Sind das erste und das dritte Umrichtermodul 11 , 13 betriebsbereit und das zweite Umrichtermodul 12 nicht betriebsbereit, so wird das dritte Umrichtermodul 13 befehligt, das zweite Umrichtermodul 12 zu ersetzen (Schritt 403.6). In allen anderen Fällen (das dritte Umrichtermodul 13 ist nicht betriebsbereit oder sowohl erstes als auch zweites Umrichtermodul 11, 12 sind betriebsbereit) wird gemäß Schritt 403.5 das dritte Umrichtermodul befehligt, inaktiv zu bleiben.
In einem dem Entscheidungsschritt 403 nachfolgenden Bestätigungsschritt 404 sendet das dritte Umrichtermodul 13 eine Bestätigungsnachricht an das erste und zweite Umrichtermodul 11 , 12. Inhalt der Bestätigungsnachricht ist, ob das dritte Umrichtermodul 13 den jeweiligen Befehl des ersten oder zweiten Umrichtermoduls 11 , 12 umgesetzt hat oder nicht. Die jeweilige Bestätigungsnachricht kann von dem ersten und der zweiten Umrichtermodul 11, 12 empfangen werden und derart ausgewertet werden, dass das erste bzw. zweite Umrichtermodul 11, 12 eine entsprechende eigene Vorgehensweise umsetzt.
Die Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Vorgänge in dem dritten Umrichtermodul 13 während einer Handshake-Kommunikation. Grundsätzlich gleichen die Vorgänge in dem dritten Umrichtermodul 13 denen in dem ersten und zweiten Umrichtermodul 11, 12. Aufgrund der Tatsache, dass das dritte Umrichtermodul wahlweise mit dem ersten oder zweiten oder keinem Aktuatorausgang T3, T4 verbunden werden kann, bestehen aber einige Unterschiede, die nachfolgend erläutert werden.
Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel beginnt die Handshake-Kommunikation mit einem Anforderungsschritt 401, in welchem das dritte Umrichtermodul 13 prüft, ob eine Anforderungsnachricht von den jeweiligen anderen Umrichtermodulen 11, 12 empfangen wurde. Das dritte Umrichtermodul 13 verweilt so lange in dem Anforderungsschritt 401 bis entsprechende Anforderungsnachrichten der beiden anderen Umrichtermodule 11 , 12 empfangen wurden. Optional kann vorgesehen sein, dass in dem Anforderungsschritt 401 ein Timer mit einer vorgegebenen Laufzeit gestartet wird und nachfolgende Schritte der Handshake-Kommunikation erst dann eingeleitet werden, wenn entweder der Timer abgelaufen ist oder eine Anforderungsnachricht von allen anderen Umrichtermodulen 11, 12 empfangen wurde.
Der Anforderungsschritt 401 ist grundsätzlich optional, so dass in einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels auf diesen verzichtet werden kann.
In einem dem Anforderungsschritt 401 nachfolgenden Statusaustauschschritt 402 ermittelt das dritte Umrichtermodul 13 selbst seine Betriebsbereitschaft und übermittelt eine entsprechende Statusinformation an die anderen Umrichtermodule 11 , 12. Der Statusaustauschschritt 402 unterteilt sich in einen ersten Teilschritt 402.1 zur Ermittlung des Status, einen zweiten Teilschritt 402.2 zum Austausch der Statusinformation. Die Statusinformation der Betriebsbereitschaft gibt an, ob das jeweilige Umrichtermodul 11, 12 betriebsbereit oder nicht betriebsbereit, also beispielsweise defekt, ist.
In Abhängigkeit des Ergebnisses eines Prüfungsschritts 403.1 , also in Abhängigkeit von der eigenen Betriebsbereitschaft, wird das dritte Umrichtermodul 13 dann entweder deaktiviert (Schritt 405.4), oder es werden in einem zweiten Prüfungsschritt 405 die Befehle der ande- ren beiden Umrichtermodule 11 , 12 ausgewertet. Beispielsweise wird das dritte Umrichtermodul 13 gemäß einem entsprechenden Befehl der beiden anderen Umrichtermodule 11 , 12 deaktiviert (Schritt 405.1), ersetzt das erste Umrichtermodul 11 (Schritt 405.2) oder ersetzt das zweite Umrichtermodul 12 (Schritt 405.3). Einen Ausnahmefall bildet die Situation, wenn sowohl das erste als auch das zweite Umrichtermodul 11 , 13 nicht betriebsbereit sind und daher das dritte Umrichtermodul befehligen sowohl das erst als auch das zweite Umrichtermodul zu ersetzen, In diesem Fall entscheidet das dritte Umrichtermodul 13 nach einem vorgegebenen Kriterium welches Umrichtermodul es ersetzen wird.
Schließlich sendet das dritte Umrichtermodul 13 in dem Bestätigungsschritt 404 eine Bestätigungsnachricht an das erste und zweite Umrichtermodul 11, 12. Inhalt der Bestätigungsnachricht ist, ob das dritte Umrichtermodul 13 den jeweiligen Befehl des ersten oder zweiten Umrichtermoduls 11 , 12 umgesetzt hat oder nicht.
Bezugszeichenliste
10 Steuerungseinrichtung
11 erstes Umrichtermodul
12 zweites Umrichtermodul
13 drittes Umrichtermodul
20 Aktuator
100 Aktuatorsystem
401 Anforderungsschritt
402 Statusaustauschschritt
402.1 Teilschritt
402.2 Teilschritt
403 Entscheidungsschritt
403.1 Prüfungsschritt
403.2 Prüfungsschritt
403.3 Schritt: Befehl, erstes Umrichtermodul zu ersetzen
403.4 Schritt: Befehl, erstes oder zweites Umrichtermodul zu ersetzen
403.5 Schritt: Befehl, inaktiv zu bleiben
403.6 Schritt: Befehl, zweites Umrichtermodul zu ersetzen
403.7 Schritt: erstes Umrichtermodul deaktiviert
403.8 Schritt: erstes Umrichtermodul aktiv
404 Bestätigungsschritt
405 Prüfungsschritt
405.1 Schritt: drittes Umrichtermodul deaktiviert
405.2 Schritt: drittes Umrichtermodul ersetzt erstes Umrichtermodul
405.3 Schritt: drittes Umrichtermodul ersetzt zweites Umrichtermodul
405.3 Schritt: drittes Umrichtermodul deaktiviert
A1 Ausgangs-Schalteinrichtung
A2 Ausgangs-Schalteinrichtung
A3 Ausgangs-Schalteinrichtung
BN1 Versorgungsnetz
BN2 Versorgungsnetz
C1 Pufferkapazität
C2 Pufferkapazität
C3 Pufferkapazität
E1 Eingangs-Schalteinrichtung
E2 Eingangs-Schalteinrichtung E3 Eingangs-Schalteinrichtung
51 erster Betriebszustand
52 Fehlerbetriebszustand
S4 zweiter Betriebszustand
T 1 Versorgungsnetzanschluss
T2 Versorgungsnetzanschluss
T3 Aktuatoranschluss
T4 Aktuatoranschluss
T5 Anschluss des Aktuators
T6 Anschluss des Aktuators
U1 Umrichter
U2 Umrichter
U3 Umrichter

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ansteuerung eines redundanten Aktuators (20) aufweisend zwei Teilaktuatoren, insbesondere eines Motors aufweisend zwei getrennte Wicklungssätze, mittels einer Steuereinrichtung (10), wobei ein erster Teilaktuator mit einem ersten Aktuatoranschluss (T3) der Steuereinrichtung (10) und ein zweiter Teilaktautor mit einem zweiten Aktuatoranschluss (T4) der Steuereinrichtung (10) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (10) ein erstes, ein zweites und ein drittes Umrichtermodul (11 , 12, 13) umfasst, welche jeweils einen Umrichter (U1 , U2, U3) aufweisen, wobei in einem ersten Betriebszustand (S1) der erste Aktuatoranschluss (T3) mit dem Umrichter (U1) des ersten Umrichtermoduls (11) und der zweite Aktuatoranschluss (T4) mit dem Umrichter (U2) des zweiten Umrichtermoduls (12) verbunden ist und die Aktuatoranschlüsse (T3, T4) nicht mit dem Umrichter (U3) des dritten Umrichtermoduls (13) verbunden sind, das sich in einem Standby-Zustand befindet, wobei ein Fehlverhalten in dem ersten Umrichtermodul (11) erkannt wird und die Steuereinrichtung (10) in einen Fehlerbetriebszustand (S2) übergeht, in welchem der erste Aktuatoranschluss (T3) von den Umrichtern (U 1 , U2, U3) des ersten, zweiten und dritten Umrichtermoduls (11 , 12, 13) isoliert ist und der zweite Aktuatoranschluss (T4) weiterhin mit dem Umrichter (U2) des zweiten Umrichtermoduls (12) verbunden ist, wobei in dem Fehlerbetriebszustand (S2) eine Handshake-Kommunikation zwischen dem ersten, zweiten und dritten Umrichtermodul (11, 12, 13) der Steuereinrichtung (10) erfolgt, wobei mittels der Handshake-Kommunikation ausgehandelt wird, welcher oder welche Umrichter (U1 , U2, U3) der Umrichtermodule (11 , 12, 13) mit den Aktuatoranschlüssen (T3, T4) der Steuereinrichtung (10) verbunden werden sollen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) der Handshake-Kommunikation nachfolgend ausgehend von dem Fehlerbetriebszustand (S2) in einen zweiten Betriebszustand (S4) übergeht, in welchem die Aktuatoranschlüsse (T3, T4) wie mittels der Handshake-Kommunikation ausgehandelt mit dem oder den Umrichtern (U1 , U2, U3) der Umrichtermodule (11 , 12, 13) verbunden sind.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlverhalten durch das erste Umrichtermodul (11) selbst erkannt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der drei Umrichtermodule (11 , 12, 13) die jeweiligen anderen Umrichtermodule (11 , 12, 13) überwacht und das Fehlverhalten in dem ersten Umrichtermodul (11) erkennt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Handshake-Kommunikation umfasst:
- einen Anforderungsschritt, in welchem das erste, zweite und dritte Umrichtermodul jeweils prüft, ob eine Anforderungsnachricht von den jeweiligen anderen Umrichtermodulen empfangen wurde.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Handshake-Kommunikation umfasst:
- einen Statusaustauschschritt, in welchem das erste, zweite und dritte Umrichtermodul jeweils eine Statusinformation ihrer Betriebsbereitschaft selbst ermitteln und die ermittelte Statusinformation den jeweiligen anderen Umrichtermodulen übermitteln.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Handshake-Kommunikation umfasst:
- einen Entscheidungsschritt, in welchem das erste und zweite Umrichtermodul jeweils anhand der von den jeweiligen anderen Umrichtermodulen empfangenen Statusinformationen einen Befehl für das dritte Umrichtermodul ermitteln und an das dritte Umrichtermodul senden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Handshake-Kommunikation umfasst:
- einen Bestätigungsschritt, in welchem das dritte Umrichtermodul eine Bestätigungsnachricht an das erste und zweite Umrichtermodul sendet.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebszustand (S1) die Aktuatoranschlüsse (T3, T4) der Steuereinrichtung (10) von dem Umrichter (U3) des dritten Umrichtermoduls (13) isoliert sind.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilaktuatoren auf ein gemeinsames Antriebselement, insbesondere eine gemeinsame Antriebswelle, einwirken.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, zweite und dritte Umrichtermodul (11 , 12, 13) jeweils eine Logikeinheit zur Ansteuerung des Umrichters (U1 , U2, U3) aufweisen.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) zwei Versorgungsnetzanschlüsse (T1 , T2) aufweist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Umrichtermodul (11) und das zweite Umrichtermodul (12) identisch ausgebildet sind, insbesondere eine die Handshake-Kommunikation steuernde Handshake-Logik des ersten und zweiten Umrichtermoduls (11 , 12) identisch ausgebildet ist.
14. Aktuatorsystem, insbesondere für ein Steer-By-Wire-System, mit einem redundanten Aktuator (20) aufweisend zwei Teilaktuatoren, insbesondere einem Motor aufweisend zwei getrennte Wicklungssätze, und mit einer Steuereinrichtung (10) zur Ansteuerung des redundanten Aktuators (20), wobei die Steuereinrichtung (10) ein erstes, ein zweites und ein drittes Umrichtermodul (11 , 12, 13) umfasst, welche jeweils einen Umrichter (U1 , U2, U3) aufweisen, wobei die Steuereinrichtung (10) dazu konfiguriert ist,
- in einem ersten Betriebszustand (S1) den ersten Aktuatoranschluss (T3) mit dem Umrichter (U1) des ersten Umrichtermoduls (11) und den zweiten Aktuatoranschluss (T4) mit dem Umrichter (U2) des zweiten Umrichtermoduls (12) zu verbinden und die Aktuatoranschlüsse (T3, T4) nicht mit dem Umrichter (U3) des dritten Umrichtermoduls (13) zu verbinden, das sich in einem Standby-Zustand befindet,
- ein Fehlverhalten in dem ersten Umrichtermodul (11) zu erkennen und in einen Fehlerbetriebszustand (S2) überzugehen, in welchem der erste Aktuatoranschluss (T3) von den Umrichtern (U1 , U2, U3) des ersten, zweiten und dritten Umrichtermoduls (11 , 12, 13) isoliert ist und der zweite Aktuatoranschluss (T4) weiterhin mit dem Umrichter (U2) des zweiten Umrichtermoduls (12) verbunden ist, - in dem Fehlerbetriebszustand (S2) eine Handshake-Kommunikation zwischen dem ersten, zweiten und dritten Umrichtermodul (11 , 12, 13) der Steuereinrichtung (10) durchzuführen, wobei mittels der Handshake-Kommunikation ausgehandelt wird, welcher oder welche Umrichter (U1, U2, U3) der Umrichtermodule (11, 12, 13) mit den Aktuatoranschlüssen (T3, T4) der Steuereinrichtung (10) verbunden werden sollen.
15. Aktuatorsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der redundante Aktuator als Aktuator an einer Spurstange ausgebildet ist.
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