Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen Elektromotors, dessen Wicklungen von einem Wechselrichter mit Hilfe von sechs Schalter angesteuert werden, 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 zur Erzeugung einer pulsweitenmodu- lierten Spannungsversorgung der Wicklungen vorgesehen ist.

Aus der DE 10 2010 000 852 AI ist ein Verfahren bekannt, ei ^¬ nen defekten Schalter zu lokalisieren und die Art des Defekts zu bestimmen. Mit dem vorbekannten Verfahren wird erkannt, ob der defekte Schalter leitend oder nicht-leitend defekt ist.

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. Ein leitend defekter Schalter verursacht im Elektromotor ein Drehmoment entgegen der Betätigungsrichtung des Elektromotors. Besonders in sicherheitsrelevanten Anwendungen ist es dann wichtig, den Elektromotor in einem Notbetrieb weiter zu betreiben .

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines bürstenlosen Elektromotors darzustel ^¬ len, bei dem die Auswirkungen eines defekten Schalters zumindest teilweise ausgeglichen werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorge ^¬ sehen, dass nach Erkennung eines leitend defekten Schalters die Wicklungen derart angesteuert werden, dass ein im Mittel positives Motormoment erzeugt wird.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Ansteuerungsperiode des Elektromotors in mehrere Sektoren unterteilt, wobei in Abhängigkeit des defekten Schalters einzelne Sektoren zur Ansteuerung der Wicklungen deaktiviert werden, während die anderen Sektoren zur Ans ^¬ teuerung der Wicklungen dienen. In einer konkretisierten Ausführung wird die Ansteuerungsperiode in zwölf Sektoren unterteilt, wobei jeder Sektor 30° entspricht.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Ansteuerung der Wicklungen in denjenigen Sektoren erfolgt, in denen der leitend defekte Schalter auch im Normalbetrieb geschlossen ist.

Außerdem ist vorgesehen, dass die Wicklungen in den Sektoren, die der Ansteuerung dienen, mit Spannungswerten beauf- schlagt werden, die den Auswirkungen des defekten Schalters entgegenwirken .

Die Schalter werden zu Schalterpaaren zusammengefasst und es ist vorgesehen, dass ein Schalterpaar nicht mehr angesteuert wird, wenn ein Schalter eines Schalterpaares leitend defekt ist .

Folgende Verfahrensschritte sind nach dem Verfahren vorgese ^¬ hen: durch die folgende Verfahrensschritte:

• Erkennen eines defekten Schalters;

• Analysieren ob der defekte Schalter leitend oder nicht-leitend defekt ist und

• Sektorenweise Ansteuerung der Wicklungen.

Der Elektromotor wird nach einer vorab definierten Zeitspanne oder nach Vorliegen eines sicheren äußeren Zustands abgeschaltet .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei ^¬ spiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Prinzipdarstellung der Wicklungen eines bürstenlosen Elektromotors und eines Wechselrichters an der das erfindungsgemäße Verfah ^¬ ren durchgeführt werden kann;

Fig. 2 ein Diagramm mit Messwerten zur Verdeutlichung der

Auswirkungen eines leitend defekten Schalters;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ansteuerungs- periode des Elektromotors; Fig. 4 ein Fig. 2 entsprechendes Diagramm unter Berücksichtigung des vorliegenden Verfahrens;

Fig. 5a, b eine Darstellung eines Lenkradwinkels und eines

Lenkmoments einer elektromechanischen Lenkung, bei dem das vorliegende Verfahren angewendet wird und

Fig. 6a, b eine Fig. 5a, b entsprechende Darstellung bei ei ^¬ nem anderen Lenkmanöver.

In Fig. 1 ist schematisch ein bürstenloser Elektromotor 1 einer elektromechanischen Lenkvorrichtung dargestellt, dessen Wicklungen U, V, W von einem Wechselrichter 2 angesteuert werden. Zu diesem Zweck weist der Wechselrichter 2 sechs Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 auf, wobei die in Fig. 1 oberen Schalter 11, 12, 13 der positiven Versorgungsspannung und die in Fig. 1 unteren Schalter 14, 15, 16 der negativen Versorgungsspannung zugeordnet sind. So versorgen beispielsweise die Schalter 11 und 14 die Wicklung V mit einer geeigneten Versorgungsspannung. Die Wicklungen U, V, W werden mit pulsweitenmodulierten Spannungswerten PWM _n , PWM _V , PWM _W angesteuert, die ein Mikrocontroller C vorgibt. Wie Fig. 1 weiter entnehmbar ist, befinden sich zwischen den Schaltern 11, 12, 13, die der positiven Versorgungsspannung zugeordnet sind, und den Schaltern 14, 15, 16, die der negati ^¬ ven Versorgungsspannung zugeordnet sind, Abgreifpunkte 17, 18, 19, an denen die an den Wicklungen U, V, W anliegende Spannung abgegriffen wird und einer Einheit B zur Spannungsmessung zugeführt wird. Die Messergebnisse der Einheit B zur Spannungsmessung werden dem Mikrocontroller C zugeführt, der einerseits die Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 steuert und andererseits die von der Spannungsmessungseinheit B erzeug ^¬ ten Informationen auswertet. Außerdem ist eine Erkennungs ^¬ einheit A zum Erkennen von defekten Schaltern 11, 12, 13, 14, 15, 16 vorgesehen. Die von der Erkennungseinheit A er- zeugten Informationen werden ebenfalls dem MikroController C zur Auswertung zugeführt.

In einer Ausführungsform in der Praxis werden die Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 durch Halbleiterschalter bzw. Transistoren oder MOSFETs gebildet. Die Erkennungseinheit A ist in der Praxis als Brückentreiber ausgebildet und legt an die als Transistoren ausgebildeten Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 eine Spannung an und kontrolliert, ob die Schalterstel ^¬ lung des Transistors wechselt. Die Einheit B zur Spannungs ^¬ messung an den Abgreifpunkten 17, 18, 19 ist in der Praxis als Spannungsteiler ausgebildet und ermittelt das Tastver ^¬ hältnis einer pulsweitenmodulierten Spannung. Das Tastverhältnis entspricht dabei dem Quotienten aus Impulsdauer und Periodendauer .

Jeder Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 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 Schalterstel ^¬ lung blockiert. Ein leitend defekter Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 ist umgangssprachlich auch als Kurzschluss be ^¬ kannt. Da ein leitend defekter Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 für den Betrieb der elektromechanischen Lenkvorrichtung wesentlich kritischer ist, wird im Folgenden von diesem Fehlerfall ausgegangen. In vorliegenden Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Schalter 16, der der Windung U zugeordnet ist, als leitend defekt dargestellt.

Besonders in sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie in einer elektromechanischen Lenkvorrichtung, ist es wichtig, sehr schnell zu reagieren, um den Elektromotor 1 in einen Notbetrieb zu überführen. Der Fehlerfall des leitend defekten Schalters führt zu einem erhöhten Lenkmoment, da der Fahr ^¬ zeugführer im Fehlerfall den Elektromotor 1 im Generatorbetrieb bewegt und dabei einen Strom induziert, der der Lenk ^¬ bewegung am Lenkrad gerade entgegen wirkt. Dieses entgegen der Drehrichtung des Fahrzeugführer wirkende Moment wird im Folgenden Bremsmoment genannt. Durch den Kurzschluss im Wechselrichter 2 wird in einer permanent erregten Synchronmaschine ein drehzahlabhängiges Bremsmoment erzeugt. Durch den defekt leitenden Schalter 16 und die Body-Dioden der Schalter 14, 15 entsteht durch Induktion ein Stromschluss über die Motorwicklungen U, V, W.

In Fig. 2 ist ein Diagramm mit Messwerten dargestellt, das an einem Elektromotor 1 mit einem leitend defekten Schalter 16 aufgenommen wurde. Die sinusförmige Kurve steht für die verschiedenen Motorphasen des sich drehenden Elektromotors 1. Eine Ansteuerungsperiode beträgt 2Π bzw. 360°. Im unteren Bereich des in Fig. 2 dargestellten Diagramms sind die induzierten Ströme I n _d uziert der drei Motorwicklungen U, V, W dar ^¬ gestellt. Die obere Hälfte zeigt das Drehmoment M _Mot or des Elektromotors 1. Die induzierten Ströme I n _d uziert sorgen dafür, dass das Motormoment M _Mot or in einem Winkelbereich von ca.

180° eine Größe M _Bre ms erreicht. Gleichzeitig ist erkennbar, dass das Motormoment M _Mot or in den Winkelbereichen, in denen keine Ströme induziert werden, nicht auf 0 Nm abfällt, son ^¬ dern ein Restniveau M _Re i _b behält. Der induzierte Strom I n _d uziert fließt nur in einem eingeschränkten Winkelbereich von etwa 180°. Im restlichen Winkelbereich ist der Elektromotor 1 stromlos und es wirkt kein störendes Bremsmoment.

Selbst wenn man die Ansteuerung des Elektromotors 1 stoppen würde, wäre das Problem bei einer elektromechanischen Lenkeinrichtung nicht gelöst: Durch das Drehen des Lenkrades würde der Fahrzeugführer ständig neue Ströme I n _d uziert induzie ^¬ ren, die seiner Drehbewegung am Lenkrad entgegen wirken. Ein Abschalten der Ansteuerung des Elektromotors 1 ist daher nicht zielführend. Allerdings kann das Fortführen der Ans ^¬ teuerung des Elektromotors 1 im Normalbetrieb bei diesem Fehler extrem hohe Motorströme erzeugen die zu weiteren Zerstörungen im System führen können. Eine fortwährende Ansteuerung im Normalbetrieb trotz des leitend defekten Schal ^¬ ters 16 muss daher zwingend vermieden werden.

Aus dem Stand der Technik ist die Lösung bekannt, im Fall eines leitend defekten Schalters 16 einen Sicherheitsschal ^¬ ter zu öffnen, um den Kurzschluss durch einen im leitenden Zustand blockierten Schalter 16 aufzuheben. Ein derartiger Sicherheitsschalter wird beispielsweise im Sternpunkt 3 der Wicklungen U, V, W angeordnet und ist auch als Sternpunktre ^¬ lais bekannt. Durch das Öffnen eines Sicherheitsschalters wird der erhöhte Lenkaufwand für den Fahrzeugführer verringert. Allerdings erhält der Fahrzeugführer dann auch keine Lenkunterstützung durch den Elektromotor 1 mehr.

Das hier beschriebene Verfahren sieht dagegen vor, auf die Öffnung des Sternpunkts 3 zu verzichten und den Elektromotor 1 in einem Notbetrieb weiter zu betreiben. Dazu ist vorgese ^¬ hen, dass nach Erkennung eines leitend defekten Schalters 16 die Wicklungen U, V, W derart angesteuert werden, dass ein im Mittel positives Motormoment erzeugt wird. Dazu wird, wie in Fig. 3 dargestellt, eine Ansteuerungsperiode des Elektro ^¬ motors 1 in zwölf Sektoren Sl bis S12 von jeweils 30° unter ^¬ teilt. In Abhängigkeit davon, welcher der Schalter 11, 12, 13, 14, 15, 16 leitend defekt ist, werden einzelne Sektoren deaktiviert, während die anderen Sektoren zur Ansteuerung der Wicklungen U, V, W verwendet werden. Im hier beschriebenen Fall ist der untere Schalter 16 der Wicklung U leitend defekt und es werden vier Sektoren Sl, S2, Sil, S12 zur Ansteuerung der Wicklungen U, V, W deaktiviert, während die anderen acht Sektoren S3 bis S10 zur Ansteuerung der Wicklun- gen U, V, W dienen. Die passiven Sektoren Sl, S2, Sil, S12 werden zur Ansteuerung nicht verwendet, da eine Ansteuerung der Wicklungen U, V, W in diesen Sektoren die Bremswirkung des gegen die beabsichtige Wirkrichtung des Elektromotors 1 wirkende Bremsmoments noch verstärken würde. Grundsätzlich sind diejenigen Sektoren aktiv, in denen der defekte Schalter auch im Normalbetrieb des Elektromotors 1 leitend, d.h. geschlossen, wäre. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind das die Sektoren S3 bis SlO der linken Halbebene. Dies ist erkennbar an der führenden Null in der Kennzeichnung 010, 011 und 001, wobei die erste Ziffer für Wicklung U steht und eine Null bedeutet, dass der untere Schalter 16 im leitenden Zustand, also geschlossen ist. Außerdem werden jeweils die beiden direkt angrenzenden Sektoren S10 und S3 zur Ansteuerung der Wicklungen verwendet.

Die beiden Schalter 13, 16 des Schalterpaares mit einem De ^¬ fekt werden grundsätzlich nicht mehr angesteuert. Die übrigen vier Schalter 11, 12, 14, 15 der Schalterpaare 11, 14; 12, 15 werden in den acht aktiven Sektoren S3 bis S10 nach einem vorab bestimmten Schema angesteuert. Das Ansteuersche ^¬ ma ist abhängig von der Drehrichtung des Elektromotors 1. Das Ansteuerschema kann dabei in Abhängigkeit vom Betriebs ^¬ zustand des Systems, wie beispielsweise Fahrzeuggeschwindig ^¬ keit, Lenkradeinschlag, Drehzahl des Fahrzeugantriebsmotors und der Bordnetzspannung verändert werden. Innerhalb eines aktiven Sektors S3 bis S10 werden definierte Spannungswerte über die Schalter des Wechselrichters 2 an die Windungen V und W angelegt.

In Fig. 4 ist die Wirkung dieser sektorenweisen Ansteuerung der Wicklungen U, V, W dargestellt. Die sinusförmige Kurve zeigt wiederum die Motordrehung. Das negative Motormoment M _ßre m _s wird von dem zusätzlichen, unterstützenden Motormoment M _{Zusat z} , das durch die Ansteuerung in den aktiven Sektoren S3 bis S10 erzielt wird, soweit kompensiert, dass das Motormo ^¬ ment M _Mot or insgesamt positiv ist. Zur Erläuterung wird fest ^¬ gestellt, dass in dem in Fig. 4 dargestellten Diagramm das positive mittlere Motormoment M _Mot or dabei durch negative Wer ^¬ te dargestellt ist. Sobald das Kraftfahrzeug in einen siche ^¬ ren Zustand überführt ist, wird der Elektromotor 1 deakti ^¬ viert .

Anhand der Fig. 5a, b und Fig. 6a, b wird das beschriebene Verfahren mit der aus dem Stand der Technik vorbekannten Lösung, der Öffnung des Sternpunkts 3 verglichen. Die Fig. 5a und 6a zweigen jeweils den Lenkradwinkel, den der Fahrzeug ^¬ führer am Lenkrad einschlägt, während die Fig. 5b und 6b das Lenkmoment darstellen. Auf der Abszisse ist bei allen Figu ^¬ ren die Zeit dargestellt. Die gestrichelte Linie stellt den Lenkradwinkel bzw. das Lenkmoment bei geöffnetem Sternpunkt 3 dar, während die durchgezogene Linie dieselben Größen nach dem oben beschriebenen Verfahren darstellen. Als Fehler wird wiederum der untere Schalter 16 der Wicklung U als leitend defekt angenommen.

Das in Fig. 5a, b dargestellte Lenkmanöver entspricht dem Einlenken auf eine Kreisbahn bei einer Fahrzeuggeschwindig ^¬ keit von 10 km/h und einem Radius von 20m. Der Fig. 5a ist dabei entnehmbar, dass der Fahrzeugführer in beiden Fällen in etwa gleichschnell auf die Kreisbahn einlenkt. In Fig. 5b ist das Lenkmoment, das der Fahrzeugführer am Lenkrad spürt dargestellt. Die gestrichelte Linie ist dabei das Lenkmoment bei geöffnetem Sternpunkt 3. Deutlich ist erkennbar, dass das Lenkmoment, das mit der durchgezogenen Linie dargestellt ist und das nach dem hier beschriebenen Verfahren realisiert wird, eine deutliche Unterstützung durch den Elektromotor 1 erfährt. Trotz des inneren Bremsmoments wird durch die be ^¬ schriebene Regelung ein positives Motormoment erzielt. Die Fig. 6a und b zeigen den Lenkradwinkel bzw. das Lenkmo ^¬ ment bei einer Slalomfahrt des Kraftfahrzeugs. Wie Fig. 6a entnehmbar ist, dreht der Fahrzeugführer bei dieser Slalomfahrt das Lenkrad jeweils um etwa 100° nach links und um et ^¬ wa 100° nach rechts. Das Lenkmoment bei geöffnetem Stern ^¬ punkt, das in Fig. 6b mit der gestrichelten Linie ( rot) ist gleichmäßiger als das Lenkmoment, das der Fahrzeugführer bei dem hier beschriebenen Verfahren spürt. Vom Betrag sind beide Lenkmomente in etwa gleich. Nach einer vorab definierten Zeitspanne oder nach Vorliegen eines sicheren äußeren Zu- stands wird der Elektromotor 1 abgeschaltet.

Wie es aus den Fig. 5a, b und 6a, b ersichtlich geworden ist, kann auf ein Relais am Sternpunkt 3 verzichtet werden und der Fehler eines leitend defekten Schalter kann durch eine reine Ansteuerungsmaßnahme ausgeglichen werden. Das be ^¬ deutet, dass auf elektronische Bauteile, wie das Sternpunkt ^¬ relais verzichtet werden kann.