Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen Elektromotors, dessen Wicklungen von einem Wechselrichter mit Hilfe von sechs Schalter angesteuert werden, wobei der Wechselrichter drei Ausgänge aufweist, die den Wicklungen des Elektromotors zugeordnet sind und wobei zwischen den Ausgängen des Wechselrichters und den Wicklungen jeweils ein Leistungshalbleiterschalter angeordnet ist, und wobei eine Erkennungseinheit zum Erkennen von defekten Schaltern, eine Einheit zur Spannungsmessung an den Ausgängen des Wechselrichters und ein MikroController zum Steuern der Schalter und der Leistungshalbleiterschalter vorgesehen ist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine Vor ^¬ richtung zum Betrieb eines bürstenlosen Elektromotors.

Wechselrichter zur Ansteuerung bürstenloser Motoren bestehen in der Regel aus sechs Schaltern. Jeder Schalter kann nach einem Defekt prinzipiell zwei verschiedene Eigenschaften aufweisen: Nicht leitend, das heißt in der geöffneten Schal ^¬ terstellung blockiert, oder leitend, das heißt in der ge ^¬ schlossenen Schalterstellung blockiert. Ein leitend defekter Schalter ist umgangssprachlich auch als Kurzschluss bekannt. Besonders in sicherheitsrelevanten Anwendungen ist es dann wichtig, den Elektromotor sehr schnell in einem Notbetrieb weiter zu betreiben oder sofort abzuschalten.

Die Verwendung von Leistungshalbleiterschaltern hat gegenüber mechanischen Relais den Nachteil, dass beim Abschalten induktiver Lasten, abhängig von der Höhe des Laststroms und der Induktivität der Last, eine Energiemenge derartiger Höhe freiwerden kann, dass der Leistungshalbleiterschalter im Augenblick des Abschaltens zerstört wird und seine Aufgabe da ^¬ durch nicht mehr erfüllen kann. Speziell beim Einsatz für bürstenlose Motoren in sicherheitskritischen Anwendungen, bei denen das Abschalten des Motors im Leistungspfad für ei ^¬ ne Schutzfunktion benötigt wird, muss eine Beschädigung der Leistungshalbleiterschalter vermieden werden. Eine sicherheitskritische Anwendung ist die Verwendung eines bürstenlo ^¬ sen Elektromotors in einer elektromechanischen Lenkung eines Kraftfahrzeugs .

Für derartige Anwendungen, bei denen die induktive Energie im Lastkreis die zulässige Absorptionsfähigkeit eines Leis ^¬ tungshalbleiterschaltern übersteigt, ist es bekannt, statt ^¬ dessen ein mechanisches Relais zu verwenden, das gegenüber heute marktüblichen Leistungshalbleiterschaltern bauartbedingt eine deutlich höhere Absorptionsfähigkeit aufweist. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Umleitung der beim Abschalten anfallenden Energiemenge in eine Energiesenke wie beispielsweise einer Suppressordiode, die den Leistungshalb ^¬ leiterschalter entlastet. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung darzustellen, bei denen eine Beschädigung der Leistungshalbleiterschalter beim Abschalten induktiver Lasten vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Pa ^¬ tentansprüche gelöst. Dabei wird nach der Erkennung eines defekten Schalters der Wechselrichter vom MikroController in der Weise abgeschaltet, dass keine weitere Leistung in die Wicklungen des Elektromotors mehr eingebracht wird und dass die Leistungshalbleiterschalter nacheinander in einer vorab bestimmten Motorwinkellage geöffnet werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar .

So ist in einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Motorwinkellagen jeweils einer Wicklung und deren Leistungshalbleiterschalter zugeordnet werden und so gewählt werden, dass die zugeordne ^¬ ten Leistungshalbleitschalter beim Öffnen nicht beschädigt werden. Dazu werden die Motorwinkellagen so gewählt, dass der an den Leistungshalbleiterschaltern anliegende

Drainstrom null, nahezu null oder negativ ist.

Dabei ist vorgesehen, dass die in denen die an den Leis ^¬ tungshalbleiterschaltern anliegenden Augenblickswerte der Drainströme, die das beschädigungsfreie Abschalten erlauben, deterministisch abhängig vom Motorwinkel ist. Wesentlich ist, dass eine direkte messtechnische Überwachung der Pha ^¬ senströme für die Methode nicht zwingend benötigt wird, weil die für den Zweck benötigte Information aus dem gemessenen Motorwinkel bezogen werden kann. Die genannte Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung ge ^¬ löst, bei der der MikroController dazu eingerichtet ist, den Wechselrichter nach der Erkennung eines defekten Schalters vom MikroController in der Weise abzuschalten, sodass keine weitere Leistung in die Wicklungen des Elektromotors mehr eingebracht wird und dass der MikroController weiter dazu eingerichtet ist die Leistungshalbleiterschalter nacheinander in einer vorab bestimmten Motorwinkellage zu öffnen.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist der MikroController dazu eingerichtet, die Motorwinkellagen jeweils einer Wicklung und deren Leistungshalbleiterschalter zuzuordnen und so zu wählen, dass die zugeordneten Leistungshalbleitschalter beim Öffnen nicht beschädigt werden. Dabei ist der MikroController dazu einge ^¬ richtet, die Motorwinkellagen so zu wählen, dass der an den Leistungshalbleiterschaltern anliegende Drainstrom null, nahezu null oder negativ ist.

Es ist vorgesehen, dass die Leistungshalbleitschalter als Leistungs-MOSFET ausgebildet sind.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, dass die Einheit zum Erkennen von defek ^¬ ten Schaltern und die Einheit zur Spannungsmessung an den Ausgängen des Wechselrichters in den MikroController integriert sind.

Zur Ermittlung der Motorwinkellage ist in einer ersten Alternative ein Motorwinkellagensensor vorgesehen.

In einer zweiten Alternative sind Stromkomparatoren vorgesehen, die den Spannungsabfall über den Leistungshalbleiter- Schaltern überwachen. Der MikroController bestimmt mit Hilfe dieser Informationen die Motorwinkellagen.

Die Erfindung wird nachfolgend zweier Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung der Wicklungen eines bürstenlosen Elektromotors, eines Wech ^¬ selrichters sowie die Leistungshalbleiterschalter als Sicherheitsschaltmittel in einer Konfiguration als „Phasenschaltereinheit" ; Fig. 2a ein Diagramm mit Motorwinkellagen zum Abschalten des zugeordneten Leistungshalbleiterschalter bei einer positiven Drehrichtung des Elektromotors; ein Diagramm mit Motorwinkellagen zum Abschalten des zugeordneten Leistungshalbleiterschalter bei einer negativen Drehrichtung des Elektromotors;

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 4 eine schematische Prinzipdarstellung eines zweiten

Ausführungsbeispiels mit Leistungshalbleiterschal ^¬ tern als Sicherheitsschaltmittel in einer Konfigu ^¬ ration als „Sternpunktschaltereinheit" und

Fig. 5 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung ohne Motorwinke11agensensor .

In Fig. 1 ist schematisch ein bürstenloser Elektromotor 1 dargestellt, dessen Wicklungen U, V, W von einem Wechsel- richter 3 angesteuert werden. Zu diesem Zweck weist der Wechselrichter 3 sechs Schalter 5 auf, wobei die in Fig. 1 oberen Schalter 5 der positiven Versorgungsspannung und die in Fig. 1 unteren Schalter 5 der negativen Versorgungsspannung zugeordnet sind. Wie Fig. 1 weiter entnehmbar ist, be ^¬ finden sich zwischen den oberen Schaltern 5, die der positiven Versorgungsspannung zugeordnet sind, und den unteren Schaltern 5, die der negativen Versorgungsspannung zugeordnet sind, Abgreifpunkte 17, 18, 19, an denen die an den Wicklungen U, V, W anliegende Spannung abgegriffen wird und einer Einheit 11 zur Spannungsmessung zugeführt wird. Die Messergebnisse der Einheit 11 zur Spannungsmessung werden einem MikroController 4 zugeführt, der einerseits die Schal ^¬ ter 5 steuert und andererseits die von der Spannungsmes- sungseinheit 11 erzeugten Informationen auswertet. Außerdem ist eine Erkennungseinheit 10 zum Erkennen von defekten Schaltern 5 vorgesehen. Die von der Erkennungseinheit 10 erzeugten Informationen werden ebenfalls dem MikroController 4 zur Auswertung zugeführt. In den Phasenleitungen, die zu den Wicklungen U, V, W führen, sind Leistungshalbleiterschalter 2 angeordnet.

In einer Ausführungsform in der Praxis werden die Schalter 5 durch Halbleiterschalter bzw. Transistoren oder MOSFETs gebildet. Die Erkennungseinheit 10 ist in der Praxis als Brü ^¬ ckentreiber ausgebildet und legt an die als Transistoren ausgebildeten Schalter 5 eine Spannung an und kontrolliert, ob die Schalterstellung des Transistors wechselt. Die Ein ^¬ heit 11 zur Spannungsmessung an den Abgreifpunkten 17, 18, 19 ist in der Praxis als Spannungsteiler ausgebildet und er ^¬ mittelt das Tastverhältnis einer pulsweitenmodulierten Spannung. Das Tastverhältnis entspricht dabei dem Quotienten aus Impulsdauer und Periodendauer. Jeder Schalter 5 kann prinzipiell zwei verschiedene Arten eines Defekts aufweisen bzw. befindet sich nach einem Defekt grundsätzlich in einer der beiden nachfolgend beschrieben Zustände: Nicht leitend defekt, das heißt in der geöffneten Schalterstellung blockiert, oder leitend defekt, das heißt in der geschlossenen Schalterstellung blockiert. Ein leitend defekter Schalter 5 ist umgangssprachlich auch als Kurz- schluss bekannt.

Besonders in sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie in einer elektromechanischen Lenkvorrichtung, ist es wichtig, den Elektromotor 1 sehr schnell in einem Notbetrieb weiter zu betreiben oder sofort abzuschalten. Der Fehlerfall des leitend defekten Schalters 5 führt zu einem erhöhten Lenkmo ^¬ ment, da der Fahrzeugführer im Fehlerfall den Elektromotor 1 im Generatorbetrieb bewegt und dabei einen Strom induziert, der der Lenkbewegung am Lenkrad gerade entgegen wirkt. Dieses entgegen der Drehrichtung des Fahrzeugführer wirkende Moment wird im Folgenden Bremsmoment genannt. Durch den Kurzschluss im Wechselrichter 3 wird in einer permanent erregten Synchronmaschine ein drehzahlabhängiges Bremsmoment erzeugt. Durch einen leitend defekten Schalter 5 entsteht durch Induktion ein Stromschluss über die Motorwicklungen U, V, W.

Für den Anwendungsfall des bürstenlosen Elektromotors 1 sind die Phasenanschlüsse des Elektromotors 1 über Leistungshalb ^¬ leiterschaltern 2 mit den Ausgängen des antreibenden Wechselrichters 3 verbunden. Der Zweck dieser Anordnung ist es, im Falle eines Defekts im Wechselrichter 3 den Elektromotor 1 stromfrei und damit frei von den eben beschriebenen Brems ^¬ momenten zu machen. Dies bezeichnet man auch als Sicherheitsabschaltung. Nach Erkennung eines Defekts im Wechselrichter 3 durch den MikroController 4 wird zunächst der Wechselrichter 3 abgeschaltet, d.h. die Schalter 5 geöffnet sodass keine weitere elektrische Leistung mehr in den Elekt ^¬ romotor 1 eingebracht wird. Sofern der Elektromotor 1 entweder durch Trägheit oder durch Antrieb von außen noch in rotierendem Zustand ist, baut sich durch die Gleichrichtung der Induktionsspannung des Elektromotor 1 über parasitäre Dioden und einen als leitend defekt anzunehmenden Schalter 5 innerhalb des Wechselrichters 3 periodisch eine Stromkuppe auf, die das unerwünschtes Bremsmoment hervorruft. Die Ab ^¬ schaltung der Leistungshalbleiterschalter 2 in den Phasenleitungen unterbindet dieses. Damit die Leistungshalbleiterschalter 2 dabei nicht durch eine unzulässig hohe induktive Energiemenge aus dem Elektromotor 1 beschädigt werden, werden diese individuell in Fenstern bestimmter Motorwinkella ^¬ gen abgeschaltet, bei deren Durchschreiten der

Stromverlauf in den jeweiligen betreffenden Wicklung U, V, W für den zugeordneten Leistungshalbleiterschalter 2 unschädlich ist. Die Leistungshalbleiterschalter 2 sind als Leis- tungs-MOSFET ausgeführt und kurzfristige Werte des

Drainstroms I _D von Null, negativ oder gering positiv sind unschädlich. Dabei ist es bei diesem Verfahren kennzeichnend, dass die geeigneten Motorwinkellagefenster unab ^¬

hängig vom Ort des leitend defekten Schalters 5 im Wechsel ^¬ richter 3 immer gleich bleiben und nur von der Drehrichtung des Elektromotors 1 abhängen. Es genügt somit das gezielte Abschalten der einzelnen Leistungshalbleiterschalter 2 anhand der Erkennung der zulässigen Motorwinkellagefenster

durch den MikroController 4. Die Erfassung der Motor ^¬

winkellage wird mit Hilfe eines Motorwinkellagen-

sensors 6 vorgenommen. Die Erfassung der Motorwinkellage

ist für die Ansteuerung eines bürstenlosen Elektromo ^¬

tors 1 notwendig. Ein weiterer Sensor zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens ist somit nicht notwendig. Wie eben erwähnt sind die geeigneten Motorwinkellagefenster unabhängig vom Ort des leitend defekten Schalters

5 im Wechselrichter 3. Die geeigneten Motorwinkellagen

bleiben vielmehr immer gleich. Dieser Zusammenhang ist

in Fig. 2 dargestellt.

Bei einem dreiphasigen BLDC Motor sind die Motorwinkellage ^¬ fenster, in denen die durch die induzierten Spannungen und bedingt durch einen leitend defekten Schalter 5 im Wechselrichter 3 hervorgerufenen Ströme in den einzelnen Phasen Null sind, theoretisch bis zu 120° breit. Definiert man den Motorwinkel dort, wo die induzierte Spannung des von außen angetriebenen Motors 1 der Phase U ihr Maximum hat, liegen die stromfreien Winkelfenster für die drei Phasen in den Intervallen

. Diese Werte gelten für idealisierte Verhältnisse, bei denen die durch die mechanische Drehzahl N des Motors sich ergebende elektrische Periodenzeit TPER=1/ (N*Polpaarzahl) klein bleibt gegenüber der Zeitkonstanten der Phasenimpedanz und daher die Ströme und Spannungen im Motor noch annähernd deckungsgleich verlaufen. In der Praxis sind diese idealisierten Verhältnisse jedoch nicht zwingend gegeben. So muss berücksichtigt werden, dass je nach Motorkennwerten und der höchsten zu berücksichtigender Drehzahl die Motorwinkellagefenster kleiner als 120° und außerdem drehrichtungsab- hängig werden können, wie es in Fig. 2a und 2b dargestellt ist. Die Grenzwerte der Motorwinkellagefenster sind für den konkreten Anwendungsfall zu bemessen. An der grundsätzlichen Methode des Abschaltens innerhalb vorbestimmter Motorwinkel ^¬ lagefenster ändert sich hierdurch jedoch nichts.

Die Motorwinkellagefenster für das Abschalten sind

leider nicht für jede Anwendung gleich. Die durch die von außen erzwungene Rotation der Motorwelle erzeugt zwar stets die drei induzierten Spannungen mit dem um jeweils 120° zueinander verschobenen Sinusverläufen entsprechend einem Dreiphasensystem für einen dreiphasigen bürstenlosen Elektromotor 1 und diese dann in der Folge zum Aufbau der Stromkuppen führen. Allerdings verlaufen diese Stromkuppen nicht deckungsgleich zu den induzierten Spannungen, sondern erleiden bedingt durch die komplexe Impedanz der Motorphasen U, V, W erstens einen Zeitverzug und zweitens eine Formverzer ^¬ rung bedingt durch die äußere Randbedingung mit dem Kurz- schluss in dem Wechselrichter 3. Desweiteren verbreitern sich die Stromkuppen mit steigender Motordrehzahl N und die Motorwinkellagefenster werden entsprechend klei ^¬

ner. Letztlich ist Bestimmung der Motorwinkellagefenster

eine Bemessungsaufgabe, die die Kennwerte des verwen ^¬

deten Elektromotors sowie die maximal zu betrachtende Dreh ^¬ zahl N berücksichtigt. Auch die für die Leistungshalbleiterschalter 2 zulässige Energiemenge ist ein Kriterium: Je hö ^¬ her diese ist, desto grösser darf der kurzfristige Wert des Phasenstroms beim Abschalten noch sein, was beim maximieren der Motorwinkellagefenster hilfreich ist.

In Fig. 2a und 2b sind als schwarz durchgezogene Blöcke die idealisierten Verhältnisse bei einem Motor mit sehr kleinem Verhältnis von Phaseninduktivität zu Phasenwiderstand darge ^¬ stellt. Unter diesen Idealbedingungen beträgt das Motorwinkellagefenster für die Wicklung U von 300° bis 60°, für

die Wicklung V entsprechend das Motorwinkellagefenster von 60° bis 180° und für die Wicklung W Motorwinkellagefenster von 180° bis 300°. Darunter sind als schraffierte Blöcke die oben kurz beschriebenen prinzipiellen Verkürzungen der Motorwinkellagefenster für Motoren mit hohem L/R

Verhältnis und hoher Drehzahl dargestellt. In Fig. 3 ist ein Ablaufdiagramm zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens dargestellt. Im Schritt Sl wird ge ^¬ prüft, ob die Drehzahl des Elektromotors 1 ausreichend nied ^¬ rig ist und die Induktionsströme dementsprechend ausreichend gering sind. Falls dies der Fall ist, werden im Schritt S2 alle Leistungshalbleiterschalter 2 für alle Wicklungen U, V, W geöffnet und das Verfahren ist beendet. Für den schwerwie ^¬ genderen Fall, dass die Induktionsströme nicht tolerierbar gering sind, wird im Schritt S3 geprüft, ob sich die Motor ^¬ winkellage innerhalb des Abschaltfensters φυ für die Phase

U befindet. Sofern dies zutrifft, wird der der Phase U zu ^¬ geordnete Leistungshalbleiterschalter 2 im Schritt S4 geöffnet .

Im Schritt S5 wird entsprechend geprüft, ob sich die Motor ^¬ winkellage φ im geeigneten Motorwinkellagefenster befin

det. Falls dies der Fall ist, wird der zugeordnete Leis ^¬ tungshalbleiterschalter 2 geöffnet (Schritt S6) . Anschlie ^¬ ßend wird das Verfahren mit dem Schritt S7 fortgeführt: In diesem Schritt wird geprüft, ob sich die Motorwinkellage

im geeigneten Motorwinkellagefenster befindet und bei po

sitive Vorliegen der der Wicklung W zugeordnete Leistungs ^¬ halbleiterschalter 2 geöffnet. In Schritt S9 wird geprüft, ob die Entscheidungen in allen Schritten S3, S5, S7 einmal positiv waren und damit also alle Leistungshalbleiterschal ^¬ ter geöffnet sind. Solange dies nicht der Fall ist, erfolgt die Rückverzweigung zu S3.

In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform dargestellt, die eine Topologie der Leistungshalbleiterschalter 2 als „Sternpunktschalter" aufweist: Die Leistungshalbleiterschalter 2 sind wiederum als Leistungs-MOSFET ausgebildet und verbinden die Endanschlüsse der Motorphasen U, V, W zum „Sternpunkt". An der Nutzung der Motorwinkellage φ zum individuellen Ab- schalten der Leistungshalbleiterschalter 2 innerhalb der geeigneten Motorwinkellagefenster ändert sich gegen ^¬

über der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform nichts.

Fig. 5 zeigt als Alternative zur Nutzung der Motorwinkella ^¬ geinformation durch Überwachung der Stromrichtung in jeder

Motorphase U, V, W. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Überwachung der Stromrichtung mit Spannungskom- paratoren 7 realisiert, die den Spannungsabfall über den Leistungshalbleiterschaltern 2 überwachen und so die Information über die Stromrichtung in jeder Motorphase U, V, W bereitstellen, die der MikroController 4 zum individuellen Abschalten der Leistungshableiterschalter 2 im richtigen Zeitfenster, d. h. während nicht zerstörungsgefährlichen Stromrichtung, benötigt.

Alternativ hierzu kann in Systemen, die eine „echte" Strommessung, z. B. mittels Shunts die Phasenströme für Rege ^¬ lungszwecke nutzen, diese Phasenstrominformation ebenfalls für die Erkennung der Zeitfenster der nicht zerstörungsgefährlichen Stromrichtung ausgenutzt werden.

Die Anwendung des beschriebenen Verfahrens erlaubt die Ver ^¬ wendung von Leistungshalbleiterschaltern 2 als Sicherheitseigenschaft in einem System zum Betrieb eines bürstenlosen Elektromotors 1, auch wenn die durch die Höhe der

Motorinduktivitäten und -ströme eines solchen Systems sich maximal ergebende mögliche induktive Energiemenge die Ab ^¬ sorptionsfähigkeit verfügbarer und/oder wirtschaftlich vertretbarer Leistungshalbleiterschalter übersteigt. Der Einsatz eines mechanischen Relais, der vielfach wegen mangelnder Zuverlässigkeit, Abnutzungseigenschaften, Feuchteempfindlichkeit, veränderlicher Kontakteigenschaften etc. nicht erwünscht ist, kann damit umgangen und die zuweilen auch konstruktionsbedingt eher bevorzugte Lösung mit Leistungs ^¬ halbleiterschaltern zum Einsatz gebracht werden, ohne zusätzliche Schaltmittel zur externen Energieabsorption wie Suppressordioden oder Einrichtungen zur Strommessung einführen zu müssen