Teilaktuatoren

Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung eines redundanten Aktuators mit zwei Teilaktuatoren, insbesondere eines Motors mit zwei getrennten Wicklungssätzen. 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. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Ansteuerung eines derartigen redundanten Aktuators.

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.

Es ist im Stand der Technik bekannt, Aktuatoren redundant auszugestalten. Hierbei werden typischerweise Aktuatoren mit zwei Teilaktuatoren vorgesehen. Ein Beispiel eines redundanten Aktuators, der als Force-Feedback-Aktuator verwendet werden kann, ist ein elektrischer Motor mit zwei getrennten Wicklungen. Zur Ansteuerung solcher redundanten Aktuatoren werden Steuereinrichtungen eingesetzt, welche die beiden Teilaktuatoren ansteuern können. Eine solche Steuereinrichtung kann einen Umrichter aufweisen, der wahlweise einen der beiden oder beide Teilaktuatoren ansteuert. Als nachteilig hat sich aber herausgestallt, dass die Ansteuerung des als solches redundant ausgebildeten Aktuators nicht möglich ist, wenn der Umrichter der Steuereinrichtung ausfällt.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, die Verfügbarkeit eines redundanten Aktuators zu erhöhen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung eines redundanten Aktuators mit zwei Teilaktuatoren, insbesondere eines Motors mit zwei getrennten Wicklungssätzen, mit einem ersten Aktuatoranschluss, der mehrere, insbesondere drei, erste Phasenanschlüsse umfasst, einem zweiten Aktuatoranschluss, der mehrere, insbesondere drei, zweite Phasenanschlüsse umfasst, einem ersten Umrichter mit mehreren, insbesondere drei, ersten Phasenausgängen, einem zweiten Umrichter mit mehreren, insbesondere drei, zweiten Phasenausgängen, einem dritten Umrichter mit mehrere, insbesondere drei, dritten Phasenausgängen, und einer Schalteinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die ersten Phasenanschlüsse des ersten Aktuatoranschlusses jeweils wahlweise mit einem der ersten Phasenausgänge des ersten Umrichters oder mit einem der dritten Phasenausgänge des dritten Umrichters oder mit einem der ersten Phasenausgänge des ersten Umrichters und mit einem der dritten Phasenausgänge des dritten Umrichters zu verbinden, und die zweiten Phasenanschlüsse des zweiten Aktuatoranschlusses jeweils wahlweise mit einem der zweiten Phasenausgänge des zweiten Umrichters oder mit einem der dritten Phasenausgänge des dritten Umrichters oder mit einem der zweiten Phasenausgänge des zweiten Umrichters und mit einem der dritten Phasenausgänge des dritten Umrichters zu verbinden.

Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung umfasst zwei Aktuatoranschlüsse, über welche jeweils mehrere Phasen zweier Teilaktuatoren angeschlossen werden können. Ferner weist die Steuereinrichtung drei Umrichter auf, die mit den beiden Aktuatoranschlüssen verbunden werden können, um an den Aktuatoranschlüssen angeschlossene Teilaktuatoren anzusteuern. Die Verbindung der Umrichter mit den Aktuatoranschlüssen erfolgt über die Schalteinrichtung der Steuereinrichtung. Diese kann die ersten Phasenanschlüsse des ersten Aktuatoranschlusses jeweils wahlweise mit einem der ersten Phasenausgänge des ersten Umrichters oder mit einem der dritten Phasenausgänge des dritten Umrichters verbinden. Ferner ist es mit der Schalteinrichtung möglich, die zweiten Phasenanschlüsse des zweiten Aktuatoranschlusses jeweils wahlweise mit einem der zweiten Phasenausgänge des zweiten Umrichters oder mit einem der dritten Phasenausgänge des dritten Umrichters zu verbinden. Insofern kann der dritte Umrichter wahlweise dazu eingesetzt werden, den ersten und/oder zweiten Umrichter teilweise oder ganz zu ersetzen. Bei einem Defekt in dem ersten oder zweiten Umrichter kann dieser durch den dritten Umrichter ersetzt werden, wobei die Phasenausgänge des dritten Umrichters mittels der Schalteinrichtung mit den Phasenanschlüssen des entsprechenden Aktuatoranschlusses verbunden werden können. Es ist daher möglich, einen über die Aktuatoranschlüsse angeschlossen Aktuator mit voller Leistung, d.h. über beide Aktuatoranschlüsse auch dann zu betreiben, wenn einer der Umrichter einen Defekt aufweist. Bei Defekten in zweien der drei Umrichter kann ein Betrieb des Aktuators über einen der beiden Aktuatoranschlüsse erfolgen. Ferner ist es möglich, durch Zuschaltung des dritten Umrichters, insbesondere kurzzeitig, die an einem Aktuatoranschluss zur Verfügung stehende Leistung zu erhöhen. Somit wird die Verfügbarkeit eines redundanten Aktuators durch die erfindungsgemäße Steuereinrichtung erhöht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schalteinrichtung dazu eingerichtet, jeweils einen ersten Phasenanschluss des ersten Aktuatoranschlusses unabhängig von den anderen ersten Phasenanschlüssen mit einem der ersten Phasenausgänge des ersten Umrichters oder mit einem der dritten Phasenausgänge des dritten Umrichters zu verbinden; und/oder jeweils einen zweiten Phasenanschluss des zweiten Aktuatoranschlusses unabhängig von den anderen zweiten Phasenanschlüssen mit einem der zweiten Phasenausgänge des zweiten Umrichters oder mit einem der dritten Phasenausgänge des dritten Umrichters zu verbinden.

Durch das Verbinden eines ersten Phasenanschlusses des ersten Aktuatoranschlusses unabhängig von den anderen Phasenanschlüssen des ersten Aktuatoranschlusses mit einem der ersten oder dritten Phasenausgänge wird es möglich, den ersten Umrichter nur teilweise durch den dritten Umrichter zu ersetzen, beispielsweise nur eine Phase des ersten Umrichters durch eine Phase des dritten Umrichters zu ersetzen. Durch das Verbinden eines zweiten Phasenanschlusses des zweiten Aktuatoranschlusses unabhängig von den anderen Phasenanschlüssen des zweiten Aktuatoranschlusses mit einem der zweiten oder dritten Phasenausgänge wird es möglich, den zweiten Umrichter nur teilweise durch den dritten Umrichter zu ersetzen, beispielsweise nur eine Phase des ersten Umrichters durch eine Phase des dritten Umrichters zu ersetzen.

Besonders bevorzugt ist die Schalteinrichtung dazu eingerichtet, gleichzeitig einen ersten Phasenanschluss des ersten Aktuatoranschlusses mit einem der Phasenausgänge des dritten Umrichters zu verbinden und einen zweiten Phasenanschluss des zweiten Aktuatoranschlusses mit einem weiteren Phasenausgang des dritten Umrichters zu verbinden. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht es, gleichzeitig zwei defekte Phasen in dem ersten und zweiten Umrichter durch Phasen des dritten Umrichters zu ersetzen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umrichter Wechselrichter sind, insbesondere B6-Wechselrichter.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schalteinrichtung bidirektional sperrende Schalter aufweist, insbesondere bidirektional sperrende Halbleiterschalter.

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 getrennten Wicklungssätze, und mit einer vorstehend beschriebenen Steuereinrichtung.

Bei dem Aktuatorsystem können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung beschrieben worden sind.

Bei dem redundanten Aktuator handelt es sich bevorzugt um einen Drehstrommotor mit zwei getrennten Wicklungen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Aktutatorsystems ist vorgesehen, dass der redundante Aktuator als Force-Feedback-Aktuator zur Bereitstellung eines Force-Feedback- moments an einem Lenkrad ausgebildet ist. Insofern kann über den redundanten Aktuator eine haptische Rückmeldung an einem Lenkrad eines Steer-by-Wire-Systems erzeugbar sein.

Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung des Aktutatorsystems ist vorgesehen, dass der redundante Aktuator als Aktuator an einer Spurstange ausgebildet ist.

Zur Lösung eingangs genannter Aufgabe trägt ferner ein Verfahren zur Ansteuerung eines redundanten Aktuators aufweisend zwei Teilaktuatoren, insbesondere eines Motors aufweisend zwei getrennten Wicklungssätze bei, wobei ein erster Teilaktuator mit ersten Phasenanschlüssen einer Steuereinrichtung und ein zweiter Teilaktuator mit zweiten Phasenanschlüssen der Steuereinrichtung verbunden ist, wobei die ersten Phasenanschlüsse zunächst jeweils mit einem Phasenausgang eines ersten Umrichters der Steuereinrichtung verbunden sind und die zweiten Phasenanschlüsse zunächst jeweils mit einem Phasenausgang eines zweiten Umrichters der Steuereinrichtung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehler in dem ersten Umrichter erkannt wird und mindestens einer der ersten Phasenanschlüsse mit einem Phasenausgang eines dritten Umrichters der Steuereinrichtung verbunden wird, und/oder ein Fehler in dem zweiten Umrichter erkannt wird und mindestens einer der zweiten Phasenanschlüsse mit einem Phasenausgang eines dritten Umrichters verbunden wird.

Bei dem Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung beschrieben worden sind.

Bevorzugt werden bei erkanntem Fehler in dem ersten Umrichter alle der ersten Phasenanschlüsse mit einem Phasenausgang des dritten Umrichters der Steuereinrichtung verbunden und/oder bei erkanntem Fehler in dem zweiten Umrichter werden alle der zweiten Phasenanschlüsse mit einem Phasenausgang des dritten Umrichters verbunden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass bei erkanntem Fehler in dem ersten Umrichter mindestens einer anderer der ersten Phasenanschlüsse mit einem Phasenausgang des ersten Umrichters der Steuereinrichtung verbunden bleibt. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Phase des dritten Umrichters eine defekte Phase des ersten Umrichters ersetzen.

Eine alternative, vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass bei erkanntem Fehler in dem zweiten Umrichter mindestens einer anderer der zweiten Phasenanschlüsse mit einem Phasenausgang des zweiten Umrichters der Steuereinrichtung verbunden bleibt. Bei einer derartigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Phase des dritten Umrichters eine defekte Phase des zweiten Umrichters ersetzen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der dritte Umrichter zunächst, d.h. vor dem Erkennen des Fehlers, nicht aktiviert ist und erst nach dem Erkennen des Fehlers aktiviert wird. Der dritte Umrichter kann vor dem Erkennen des Fehlers als kalte Reserve vorgesehen sein, die dann aktiviert wird, wenn ein Fehler erkannt worden ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Aktuatorsystems mit einem redundanten Aktuator und einer Steuereinrichtung in einem Blockdiagramm.

Das in Fig. 1 gezeigte Aktuatorsystem 30 umfasst einen redundanten Aktuator 20 sowie eine Steuereinrichtung 15 zur Ansteuerung des Aktuators 20. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist der Aktuator 20 als elektrischer Motor mit zwei getrennten Wicklungssätzen ausgebildet. Die getrennten Wicklungssätze bilden jeweils einen Teilaktuator des redundanten Aktuators und können unabhängig voneinander angesteuert werden. Das Aktuatorsystem kann zur Verwendung in einem Steer-By-Wire-System ausgestaltet sein. In diesem Fall ist der Aktuator 20 ein Force-Feedback-Aktuator zur Bereitstellung eines Force-Feedback-Moments an einem Lenkrad des Steer-by-Wire-Systems.

Die Steuereinrichtung 15 weist einen ersten Aktuatoranschluss 21 auf, der mehrere, hier drei, erste Phasenanschlüsse 13.1, 13.2, 13.3 umfasst. Ferner weist die Steuereinrichtung 15 einen zweiten Aktuatoranschluss 22 auf, der mehrere, hier drei, zweite Phasenanschlüsse 14.1, 14.2, 14.3 umfasst. Über den ersten Aktuatoranschluss 21 ist ein erster Teilaktuator des redundanten Aktuators 20 angeschlossen, hier eine erste Windung. Über den zweiten Aktuatoranschluss 22 ist ein zweiter Teilaktuator des redundanten Aktuators 20 angeschlossen, hier ein zweiter Windungssatz, welchen von dem ersten Windungssatz getrennt ausgebildet ist.

Als weitere Bestandteile umfasst die Steuereinrichtung 15 einen ersten Umrichter 1 mit mehreren, hier drei, ersten Phasenausgängen 4.1, 4.2, 4.3, sowie einen zweiten Umrichter 2 mit mehreren, hier drei, zweiten Phasenausgängen 5.1, 5.2, 5.3. Ferner ist ein dritter Umrichter 3 vorgesehen, der mehrere, hier drei, dritte Phasenausgänge 6.1, 6.2, 6.3 aufweist. Die Umrichter 1, 2, 3, sind als Wechselrichter, hier B6-Wechselrichter, ausgebildet. Bevorzugt sind die Umrichter 1, 2, 3 identisch ausgestaltet. Über eine Schalteinrichtung 10 sind die Umrichter 1, 2, 3 mit den beiden Aktuatoranschlüssen 21, 22 der Steuereinheit 10 gekoppelt. Die Schalteinrichtung 10 ist dabei derart ausgestaltet, dass sie die Verbindung zwischen den beiden Aktuatoranschlüssen und jeweils zwei der drei Umrichter 1, 2, 3 wahlweise einstellen kann. Dabei ist vorgesehen, dass die Schalteinrichtung 10 dazu eingerichtet ist, die ersten Phasenanschlüsse 13.1, 13.2, 13.3 des ersten Aktuatoranschlusses 21 jeweils wahlweise mit einem der ersten Phasenausgänge 4.1, 4.2,

4.3 des ersten Umrichters 1 oder mit einem der dritten Phasenausgänge 6.1, 6.2, 6.3 des dritten Umrichters 3 zu verbinden. Zudem ist die Schalteinrichtung 10 dazu eingerichtet, die zweiten Phasenanschlüsse 14.1, 14.2, 14.3 des zweiten Aktuatoranschlusses 22 jeweils wahlweise mit einem der zweiten Phasenausgänge 5.1, 5.2, 5.3 des zweiten Umrichters 2 oder mit einem der dritten Phasenausgänge 6.1, 6.2, 6.3 des dritten Umrichters 3 zu verbinden.

Hierbei wird die Verbindung über die Schalteinrichtung 10 derart hergestellt, dass eine gleichzeitige Durchschaltung der dritten Phasenausgänge sowohl an die ersten Phasenanschlüsse 13.1, 13.2, 13.3 als auch an die zweiten Phasenanschlüsse 14.1, 14.2,

14.3 vermieden wird.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die Schalteinrichtung 10 in zwei Teilschalteinrichtungen 11, 12 unterteilt, die nach Art eines Multiplexers die Phasenausgänge jeweils zweier Umrichter 1,2,3 mit jeweils einem Aktuatoranschluss 21, 22 koppeln. Davon abweichend können statt einer derartigen Teilschalteinrichtung 11, 12 jeweils zwei mehrphasige, hier dreiphasige Trenneinrichtungen vorgesehen sein, welche die Phasenausgänge des jeweiligen Umrichters 1, 2, 3 wahlweise von dem jeweiligen Aktuatoranschluss trennen oder leitend verbinden können.

Die Schalteinrichtung 10 umfasst bidirektional sperrende Schalter, hier bidirektional sperrende Halbleiterschalter, so dass von dem Potential der Phasenausgänge und Phasenanschlüsse unabhängige Trennung möglich ist.

Die einzelnen Schalter der Schalteinrichtung 10 können unabhängig voneinander in einen leitenden oder einen sperrenden Zustand versetzt werden. Insbesondere ist die Schalteinrichtung 10 dazu eingerichtet, jeweils einen ersten Phasenanschluss 13.1, 13.2,

13.3 des ersten Aktuatoranschlusses 21 unabhängig von den anderen ersten Phasenanschlüssen 13.1, 13.2, 13.3 mit einem der ersten Phasenausgänge 4.1, 4.2, 4.3 des ersten Umrichters 1 oder mit einem der dritten Phasenausgänge 6.1, 6.2, 6.3 des dritten Umrichters 3 zu verbinden. Zusätzlich ist die Schalteinrichtung 10 dazu eingerichtet, jeweils einen zweiten Phasenanschluss 14.1, 14.2, 14.3 des zweiten Aktuatoranschlusses 22 unabhängig von den anderen zweiten Phasenanschlüssen 14.1, 14.2, 14.3 mit einem der zweiten Phasenausgänge 5.1, 5.2, 5.3 des zweiten Umrichters 2 oder mit einem der dritten Phasenausgänge 6.1, 6.2, 6.3 des dritten Umrichters 3 zu verbinden. Es ist daher beispielsweise möglich, einen ersten Phasenanschluss 13.1 mit dem ersten Umrichter zu verbinden und die beiden anderen ersten Phasenanschlüsse 13.2, 13.2 mit dem dritten Umrichter zu verbinden. Alternativ können zwei zweite Phasenanschlüsse 14.1, 14.2 mit dem zweiten Umrichter 2 verbunden sein und an anderer zweiter Phasenanschluss 14.3 mit dem dritten Umrichter 3.

Bei dem Aktuatorsystem 30 gemäß dem Ausführungsbeispiel kann ein Verfahren zur Ansteuerung eines redundanten Aktuators 20 mit zwei Teilaktuatoren zur Anwendung kommen, wobei der erster Teilaktuator mit den ersten Phasenanschlüssen 13.1, 13.2, 13.3 der Steuereinrichtung 15 und der zweite Teilaktuator mit den zweiten Phasenanschlüssen

14.1, 14.2, 14.3 der Steuereinrichtung 15 verbunden ist. Die ersten Phasenanschlüsse 13.1,

13.2, 13.3 sind zunächst- in einem Normalbetrieb -jeweils mit einem Phasenausgang 4.1,

4.2, 4.3 eines ersten Umrichters 1 der Steuereinrichtung 15 verbunden. Gleichzeitig sind die zweiten Phasenanschlüsse 14.1, 14.2, 14.3 zunächst jeweils mit einem Phasenausgang 5.1,

5.2, 5.3 eines zweiten Umrichters der Steuereinrichtung 15 verbunden. Der dritte Umrichter 3 ist in diesem Normalbetrieb zunächst nicht aktiviert und wird als kalte Reserve vorgehalten.

Während dieses Betriebs wird, beispielsweise über eine Sensorik der Steuereinrichtung 15, ein Fehler in dem ersten Umrichter 1 erkannt. Als Reaktion auf diese Fehlerdetektion wird dann mindestens einer der ersten Phasenanschlüsse 13.1, 13.2, 13.3 mit einem Phasenausgang 6.1, 6.2, 6.3 des dritten Umrichters 3 der Steuereinrichtung 15 verbunden. Zur Ansteuerung des Aktuators 20 wird somit mindestens eine fehlerhafte Phase des ersten Umrichters 1 durch mindestens eine Phase des dritten Umrichters 3 ersetzt oder der gesamte erste Umrichter 1 wird durch den dritten Umrichter 3 ersetzt. In ähnlicher Weise kann dann, wenn ein Fehler in dem zweiten Umrichter 2 erkannt wird, mindestens einer der zweiten Phasenanschlüsse 14.1, 14.2, 14.3 mit einem Phasenausgang 6.1, 6.2, 6.3 des dritten Umrichters verbunden werden.

Wie vorstehend erläutert, kann die Schalteinrichtung 10 im Fehlerfall einen Umrichter 1, 2 vollständige von dem jeweiligen Aktuatoranschluss 21, 22 trennen und stattdessen den dritten Umrichter mit diesem Aktuatoranschluss 21, 22 verbinden. Es ist aber auch denkbar, dass bei erkanntem Fehler in dem ersten Umrichter 1 mindestens einer der ersten Phasenanschlüsse 13.1, 13.2. 13.3 mit einem Phasenausgang 4.1, 4.2, 4.2 des ersten Umrichters 1 verbunden bleibt. Bei einer solchen Ausgestaltung ersetzt der dritte Umrichter 3 lediglich eine oder zwei Phasen des, z. B. teilweise defekten, ersten Umrichters 1. In analoger Weise kann bei erkanntem Fehler in dem zweiten Umrichter 2 mindestens einer der zweiten Phasenanschlüsse 14,1, 14.2, 14.3 mit einem Phasenausgang 5.1, 5.2, 5.3 des zweiten Umrichters 2 verbunden bleiben.

Das vorstehend beschriebene Verfahren sowie das dabei verwendete Aktuatorsystem 30 ermöglichen im einfachen Fehlerfall die volle Funktionalität des Aktuatorsystems 30. Bei gleichzeitig auftretenden Fehlern in zwei Umrichtern 1, 2, 3 kann das Aktuatorsystem 30 zumindest mit einem Umrichter 1,2, 3 weiterbetrieben werden. Insofern wird die Verfügbarkeit des redundanten Aktuators 20 erhöht.

Bezugszeichenliste

Umrichter

Umrichter

Umrichter

Phasenausgang

Phasenausgang

Phasenausgang Schalteinrichtung Teilschalteinrichtung Teilschalteinrichtung Phasenanschluss Phasenanschluss Steuereinrichtung redundanter Aktuator

Aktuatoranschluss

Aktuatoranschluss Aktuatorsystem