Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Totzeit von Leistungsschaltern in einer Motor- Endstufe mit den Merkmalen des Ober begriffs des Anspruchs 1 und eine elektromechanische Kraftfahrzeugservo lenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.

Elektromechanische Lenkungen weisen üblicherweise einen permanent erregten Synchronmotor als Servomotor auf. Servomotoren dieser Bauart werden von einer Steuerung über einen Satz von MOSFETs angesteuert, wobei bei drei Phasenwicklungen insgesamt sechs MOSFETs in drei Halbbrücken vorgesehen sind. Je ein MOSFET schaltet die zugeordnete Phasenwicklung auf die Bordspannung (High-Side) oder das Massepotential (Low-Side). Diese Schaltung erfolgt mit hoher Frequenz, so dass in der Phasenwicklung der zeitliche Mittelwert als Effektivspannung wirkt. Die beiden Schalter in einer Halbbrücke (High- und Low-Side) dürfen nie gleichzeitig geschlossen sein, da sonst die Gleichspannungsquelle kurzgeschlossen würde. Es ist daher eine Wartezeit zwischen den Schaltvorgängen vorgesehen, die sogenannte Totzeit. Nachdem der betreffende Schalter den Befehl zum Öffnen erhalten hat, wird eine bestimmte Zeit gewartet. Erst dann erhält der komplementäre Schalter den Befehl zum Schließen. Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 115 338 Al ist ein Verfahren zur Ermittlung der Totzeit einer Motor- Endstufe bekannt, bei dem in einem iterativen Prozess die Totzeit um eine Zeiteinheit bis zum Vorliegen eines Kurzschluss verringert wird, um die optimale Totzeit zu bestimmen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Messen der Totzeit von Leistungsschaltern in einer Motor- Endstufe anzugeben, das besonders einfach ist und das erlaubt, das Schaltverhalten der einzelnen Leistungsschalter zu überwachen und/oder die Totzeit optimal einzustellen.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer elektromechanischen Kraftfahrzeugservolenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiter bildungen der Erfindung genannt.

Demnach ist ein Verfahren zum Messen der Totzeit von Leistungsschaltern in einer Motor-Endstufe, vorgesehen, wobei die Motor-Endstufe wenigstens eine Halbbrücke mit einem High-Side-FET und einem Low-Side-FET umfasst und das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:

- Messen eines tatsächlichen Einschaltzeitpunkts und eines tatsächlichen Ausschaltzeitpunktes des Low-Side-FETs,

- Messen eines tatsächlichen Einschaltzeitpunkts und eines tatsächlichen Ausschaltzeitpunktes des High-Side-FETs,

- Berechnen der Zeitdauer zwischen einem Ausschaltbefehl des High-Side- FETs und dem tatsächlichen Einschaltzeitpunkt des Low-Side-FETs zur Bestimmung der Einschaltzeit des Low-Side-FETs,

- Berechnen der Zeitdauer zwischen einem Ausschaltbefehl des Low-Side- FETs und dem tatsächlichen Ausschaltzeitpunkt des Low-Side-FETs zur Bestimmung der Ausschaltzeit des Low-Side-FETs,

- Berechnen der Zeitdauer zwischen dem Ausschaltbefehl des Low-Side-FETs und einem tatsächlichen Einschaltzeitpunkt des High-Side-FETs zur

Bestimmung der Einschaltzeit des High-Side-FETs, - Berechnen der Zeitdauer zwischen dem Ausschaltbefehl des High-Side- FETs und dem tatsächlichen Ausschaltzeitpunkt des High-Side-FETs zur Bestimmung der Ausschaltzeit des High-Side-FETs,

- Berechnen der Totzeiten DTF, DTR mit folgender Formel :

DTF= (Einschaltzeit des Low-Side-FET) - (Ausschaltzeit des High-Side- FET),

DTR= (Einschaltzeit des High-Side-FET) - (Ausschaltzeit des Low-Side- FET),

- Vergleichen der berechneten Totzeiten (DTF, DTR) mit vorgegebenen

Sollwerten.

Die berechneten Totzeiten werden dabei bevorzugt kontinuierlich während des Betriebs gemessen, so dass Fehler im System einfach detektiert werden können. Zudem ist es möglich, die Totzeiten zwischen den Schaltsignalen anzupassen und somit zu optimieren.

Vorzugsweise erfolgt die Messung der Einschalt- und Ausschaltzeitpunkte für positive und negative Werte des durch die Halbbrücke fließenden Stroms. Es werden dann entsprechend die Totzeiten für positive und negative Werte des durch die Halbbrücke fließenden Leistungsstroms berechnet. Die Abhängigkeit der Totzeiten von der Stromgröße und der Stromrichtung können somit erfasst werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Ausschaltzeitpunkte und die Einschaltzeitpunkte im Signalverlauf der entsprechenden Gate-Source- Spannung durch den jeweiligen Beginn des Miller-Plateaus definiert.

Die Zeitmessung der Einschalt- und Ausschaltzeiten erfolgt vorzugsweise mittels Capture-Timer. Diese weisen bevorzugt eine Flankenerkennungs schaltung auf, die die tatsächlichen Ausschalt- und Einschaltzeitpunkte detektiert.

Vorzugsweise umfasst das Verfahren noch die folgenden Schritte: - Bestimmen der Abweichung zwischen den berechneten Totzeiten und den vorgegebenen Sollwerten,

- Falls die Abweichung größer als ein vorbestimmter Wert ist, Generieren eines Fehlersignals und/oder Ändern der Ein- und Auschaltbefehle zur Ermittlung der Totzeit.

Es ist vorteilhaft, wenn der vorbestimmte Wert für negative und positive Werte der Abweichung vorgegeben ist und insbesondere unterschiedlich ist.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass auf das Generieren des Fehlersignals wenigstens einer der folgenden Verfahrensschritte folgt:

- Anpassen eines Wartungsintervalls,

- Ausgeben eines Signals an den Fahrer, das Kraftfahrzeug zu stoppen,

- Ausgeben eines Signals an den Fahrer, eine Werkstatt aufzusuchen, und/oder

- Überführen des Lenksystems in einen Fehlermodus.

Weiterhin ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung umfassend eine mit einem Lenkrad verbundene obere Lenkwelle und eine mit der oberen Lenkwelle über einen Drehstab verbundene untere Lenkwelle, eine Dreh momentsensoreinheit, die ein von dem Fahrer in die obere Lenkwelle eingeleitetes Drehmoment einer Lenkbewegung erfasst, einen Elektromotor zur Unterstützung der Lenkbewegung, und eine Steuereinheit, die in

Abhängigkeit von dem gemessenen Drehmoment den Elektromotor ansteuert, vorgesehen. Die Steuereinheit ist dabei dazu ausgebildet, das zuvor

beschriebene Verfahren zum Messen der Totzeit von Leistungsschaltern auszuführen.

Vorzugsweise weist die Steuereinheit einen Inverter auf, der dazu eingerichtet ist, Spannungssignale in Phasenströme zur Ansteuerung von drei Motorphasen des Elektromotors umzurechnen, wobei jeder Phasenwindung jeweils eine Halbbrücke zugeordnet ist. Je ein FET schaltet die zugeordnete Phasen wicklung auf die Bordspannung (High-Side) oder das Massepotential (Low- Side). Die Schalter der Halbbrücken sind bevorzugt MOSFETs.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen :

Figur 1 : eine schematische Darstellung einer elektromechanischen

Hilfskraftlenkung, sowie

Figur 2: eine Blockschaltung einer Halbbrücke,

Figur 3: sechs schematische Diagramme mit Signalverläufen, sowie

Figur 4: drei Diagramme mit gemessenen Signalverläufen.

In der Figur 1 ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung 1 mit einem Lenkrad 2, das mit einer oberen Lenkwelle 3 drehfest gekoppelt ist, schematisch dargestellt. Über das Lenkrad 2 bringt der Fahrer ein

entsprechendes Drehmoment als Lenkbefehl in die obere Lenkwelle 3 ein. Das Drehmoment wird dann über die obere Lenkwelle 3 und untere Lenkwelle 4 auf ein Lenkritzel 5 übertragen. Das Ritzel 5 kämmt in bekannter Weise mit einem Zahnsegment einer Zahnstange 6. Die Zahnstange 6 ist in einem Lenkungsgehäuse in Richtung ihrer Längsachse verschieblich gelagert. An ihrem freien Ende ist die Zahnstange 6 mit Spurstangen 7 über nicht dargestellte Kugelgelenke verbunden. Die Spurstangen 7 selbst sind in bekannter Weise über Achsschenkel mit je einem gelenkten Rad 8 des

Kraftfahrzeugs verbunden. Eine Drehung des Lenkrades 2 führt über die Verbindung der Lenkwelle 3 und des Ritzels 5 zu einer Längsverschiebung der Zahnstange 6 und damit zu einer Verschwenkung der gelenkten Räder 8. Die gelenkten Räder 8 erfahren über eine Fahrbahn 80 eine Rückwirkung, die der Lenkbewegung entgegen wirkt. Zum Verschwenken der Räder 8 ist folglich eine Kraft erforderlich, die ein entsprechendes Drehmoment am Lenkrad 2 erforderlich macht. Ein Elektromotor 9 einer Servoeinheit 10 ist vorgesehen, um den Fahrer bei dieser Lenkbewegung zu unterstützen. Die obere Lenkwelle 3 und die untere Lenkwelle 4 sind drehelastisch über einen nicht gezeigten Drehstab miteinander gekoppelt. Die drei unterschiedlichen in Figur 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungseinrichtungen 10, 100, 101 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützung belegt. Die Servo- einheit 10 weist zur Berechnung der Lenkunterstützung eine elektronische Steuereinheit 11 auf. Der Elektromotor 9 verfügt über eine Anzahl an

Phasenwindungen. Die Phasenwindungen des Elektromotors werden von der Steuereinheit 11 angesteuert. Die Steuereinheit 11 weist einen Inverter auf, der dazu eingerichtet ist die Spannungssignale in Phasenströme zur

Ansteuerung der Motorphasen umzurechnen. Den Phasenwindungen sind jeweils zwei Schaltelemente des Inverters zugeordnet, bevorzugt FETs, insbesondere MOSFETs. Die Schaltelemente sind in drei Halbbrücken angeordnet, die jeweils einen High-Side-FET und einen Low-Side-FET aufweisen.

Figur 2 zeigt die Anordnung eines High-Side-FETs 12 und eines Low-Side-FETs 13 einer Halbbrücke 14. Die High-Side-FETs 12 verbinden die Phasen windungen mit der Versorgungsspannung U _Bat und die Low-Side-FETs 13 stellen eine Verbindung zwischen dem Bezugspotential und den Phasen windungen her. Dies erfolgt mit hoher Frequenz, so dass in den einzelnen Wicklungen u, v und w der zeitliche Mittelwert als Betriebsspannung Up _ha se zur Erzeugung eines Unterstützungsmoments wirksam ist. Die High- und Low- Side-FETs 12,13 sind so geschaltet, dass ihre Body-Dioden bezüglich der Bordspannung in Sperrrichtung geschaltet sind. Die FETs 12,13 werden jeweils über eine Steuerleitung mittels eines Gate-Treibers angesteuert. Dazu werden die Steuerelektroden (Gate) der einzelnen FETs mit den erforderlichen

Steuersignalen beaufschlagt. Die beiden dargestellten Pfeile symbolisieren die Gate-Source-Spannung U _G s·

Die beiden Schaltelemente 12,13 in einer Halbbrücke 14 (High- und Low-Side) dürfen nie gleichzeitig geschlossen sein, da sonst die Gleichspannungsquelle kurzgeschlossen würde.

Figur 3 zeigt schematisch zeitliche Signalverläufe der Halbbrücke 14. In der ersten Zeile von oben nach unten ist der zeitliche Verlauf der Phasenspannung Llpn _ase dargestellt. Die zweite Zeile zeigt den zeitlichen Verlauf der Gate- Source-Spannung des High-Side-FET U _{GS H} und die dritte Zeile den zeitlichen Verlauf der Gate-Source-Spannung des Low-Side-FET U _{GS L} . Die vierte Zeile stellt entsprechend das Steuersignal für den High-Side-FET S _H und die fünfte Zeile das Steuersignal für den Low-Side-FET S _L dar. In der letzten Zeile ist der zeitliche Verlauf der Phasenkomponente dargestellt. Die Phasenkomponente gibt den„Zustand" einer bestimmten Phase wieder.

Die Einschaltzeit des Low-Side-FET T ₀ N L ist definiert als die Zeitdauer zwischen dem Ausschaltbefehl des High-Side-FETs und dem tatsächlichen Einschaltzeit punkt des Low-Side-FETs, wobei der Einschaltzeitpunkt per Definition zum Zeitpunkt des Anfangs des Miller-Plateaus liegt.

Die Ausschaltzeit des Low-Side-FET T ₀ FF st hingegen definiert als die

Zeitdauer zwischen dem Ausschaltbefehl des Low-Side-FETs und dem tatsächlichen Ausschaltzeitpunkt des Low-Side-FETs, wobei der Ausschalt zeitpunkt per Definition zum Zeitpunkt des Anfangs des Miller-Plateaus liegt.

Entsprechend ist die Einschaltzeit des High-Side-FET T _{0N H} definiert als die Zeitdauer zwischen dem Ausschaltbefehl des Low-Side-FETs und dem tatsächlichen Einschaltzeitpunkt des High-Side-FETs, wobei der Einschalt zeitpunkt per Definition zum Zeitpunkt des Anfangs des Miller-Plateaus liegt.

Die Ausschaltzeit des High-Side-FET T _OFFj ist definiert als die Zeitspanne zwischen dem Ausschaltbefehl des High-Side-FETs und dem tatsächlichen Ausschaltzeitpunkt des High-Side-FETs, wobei der Ausschaltzeitpunkt per Definition ebenfalls zum Zeitpunkt des Anfangs des Miller-Plateaus liegt.

Die Totzeiten ergeben sich aus den tatsächlichen Ein- und Ausschaltzeit punkten der nacheinander geschalteten Schalter. Zur Berechnung der

Totzeiten werden die Ein- und Ausschaltzeitpunkte der FETs für positive und negative Werte des Leistungsstroms I gemessen, in einem Speicher

gespeichert und die Zeitintervalle zwischen den Einschaltzeitpunkten für positive und negative Werte sowie den Ausschaltzeitpunkten für negative und positive Werte verglichen. Die entsprechenden Zeitpunkte und Zeitintervalle des Low-Side-FETs sind in der ersten Zeile durch die beiden oberhalb des Graphs verlaufenden Pfeile angezeigt.

Die Totzeiten ergeben sich durch folgenden Zusammenhang:

DTF= (Einschaltzeit des Low-Side-FET T ₀ N-L) - (Ausschaltzeit des High-Side- FET TQFF-H),

DTR= (Einschaltzeit des High-Side-FET T _0N-H ) - (Ausschaltzeit des Low-Side- FET T _OFF-L ), wobei DTF für„Totzeit, fallende Flanke der Phasenspannung" und DTR für„Totzeit, steigende Flanke der Phasenspannung" steht. Vorzugsweise sind die Totzeiten DTF sowie die Totzeiten DTR für positive und negative Werte des Leistungsstroms gleich.

Die Schalttransienten sind von der Temperatur und von der Höhe und der Richtung des Stroms I abhängig. Die Zeitdauer zwischen dem Schaltbefehl und dem tatsächlichen Schaltvorgang ändert sich somit während des Betriebs.

Die Zeitmessung der tatsächlichen Einschalt- und Ausschaltzeitpunkte erfolgt mittels Capture-Timer. Ein Capture-Timer hat allgemein die Funktion, ein Intervall eines Auftretens eines externen Eingangssignals zu messen. Als Eingangssignale werden den Capture-Timern die Phasenspannung U _phase der FET zugeführt. Die Capture-Timer umfassen bevorzugt eine Flankenerken nungsschaltung, die in der Lage ist, steigende und/oder fallende Flanken des externen Eingangssignals zu erkennen. Die Flankenerkennung triggert die Messung des Intervalls des Auftretens des entsprechenden externen

Eingangssignals. Die Flankenerkennungsschaltung ist bevorzugt so eingestellt, dass der Zeitpunkt des Erreichens des Miller-Plateaus als Start- bzw.

Stoppsignal gewertet wird. Es werden die Einschalt- und Ausschaltzeitpunkte gemessen.

Die berechneten Totzeiten DTF, DTR werden für alle drei Phasen des Elektro motors bestimmt und mit in vorangegangen Tests ermittelten Sollwerten verglichen. Ist die Abweichung der berechneten Totzeit vom Sollwert größer als ein vorbestimmter Wert, wird die Totzeit bevorzugt iterativ angepasst. Die Abweichung kann dabei eine zu lange Totzeit oder eine zu kurze Totzeit sein. In beide Richtungen ist eine jeweils maximal zulässige Differenz bestimmt, die unterschiedlich sein kann. Die zulässigen Abweichungen werden bei der Auslegung der elektromechanischen Lenkung berechnet bzw. durch Versuche bestimmt.

Das Verfahren kann verwendet werden, um :

- ein Wartungsintervall anzupassen, insbesondere zu verkürzen,

- eine adaptive und iterative Totzeitkompensation vorzunehmen, bei der die Totzeit so gering wie möglich gehalten wird,

- ein Widerstarten des Lenksystem nach einem Stopp bzw. Ausschalten des Systems zu verhindern,

- den Fahrer aufzufordern, das Kraftfahrzeug zu stoppen,

- den Fahrer auf einen Fehler hinzuweisen und/oder aufzufordern, eine

Werkstatt aufzusuchen, und/oder

- das Lenksystem in einen Fehlermodus zu überführen. Der Fehlermodus kann beispielswiese nur eine reduzierte Lenkkraftunterstützung, eine reduzierte Lenkgeschwindigkeit und/oder ein reduziertes Lenkmoment bereitstellen.

Figur 4 zeigt beispielhaft zeitliche Verläufe der Werte der Schaltzeiten, die mittels Capture-Timer gemessen wurden. In der ersten Zeile von oben nach unten ist die Totzeit der fallenden Flanke (DTF) dargestellt. Auf der y- Achse sind die Schaltzeiten aufgetragen und auf der x-Achse ist die

Messdauer aufgetragen. Es wurde für 1 s lang ein kontinuierlicher Wert der Ausschaltzeit des High-Side-FETs von 125 gemessen. Dies entspricht

125*6 ns entsprechend der Skala der y-Achse. Die gemessene Einschalt zeit des Low-Side-FETs beträgt hingegen 145. Die Totzeit der fallenden

Flanke (DTF) ergibt sich aus der Differenz der beiden Werte und beträgt somit (142-125)*6= 120 ns.

Die zweite Zeile stellt die Totzeit der steigenden Flanke (DTR) dar. Es wurde für 1 s lang ein kontinuierlicher Wert der Einschaltzeit des High- Side-FETs von 148 gemessen. Dies entspricht 148*6 ns entsprechend der Skala der y-Achse. Die gemessene Ausschaltzeit des Low-Side-FETs beträgt etwa 123. Die Totzeit der steigenden Flanke (DTR) ergibt sich aus der Differenz der beiden Werte und beträgt somit etwa (148-123)*6 = 150 ns.

In der dritten Zeile ist der zeitliche Verlauf des Stromwertes mit den drei zeitlich hintereinander liegenden Phasen dargestellt.