LEMMER, Paul (Am Mühlbach 12, Leinzell, 73575, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum Treiben einer Endstufe (16) in einem Steuergerät (10) mit einer Treiberschaltung (14), die einen Leistungsteil (82) und einen Logikteil (80) umfasst, bei dem ein Trennen der Endstufe (16) von einer Batterie (20, 22) durch Auslösen einer Sicherung (30) ermöglicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (14) zusätzlich eine Pufferschaltung (84) umfasst und die Schalter (56 bis 66) mindestens einer Phase (50, 52, 54) der Endstufe (16) mit dem Leistungsteil (82) angesteuert werden, so dass ein ausreichend hoher Strom zum Auslösen der Sicherung (30) fließt, während die Pufferschaltung (84) in der Treiberschaltung (14) die Spannungsversorgung bereitstellt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einem Mikrocont- roller (12) ein Fall erkannt wird, der ein Trennen der Endstufe (16) von der Batterie (20, 22) erforderlich macht, der MikroController (12) einen entsprechenden Befehl an den Logikteil (80) weitergibt, der Leistungsteil (82) die Schalter (56 bis 66) mindestens einer der Phasen (50, 52, 54) der Endstufe (16) einschaltet und die Pufferschaltung (84) die Treiberschaltung (14) mit Spannung versorgt. 3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem auf dem Mikrocont- roller (12) eine Software zur Ausführung kommt, die den Fall erkennt, der das Trennen erforderlich macht. 4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei einer Verpolung der Batterie (20, 22) mittels des Logikteils (80) erkannt wird und darauf mittels des Leistungsteils (82) die Schal¬ ter (56 bis 66) mindestens einer der Phasen (50, 52, 54) eingeschaltet werden und die Pufferschaltung (84) die Trei¬ berschaltung (14) mit Spannung versorgt. 5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Fall der Verpolung lediglich mit in dem Logikteil (80) vorgesehener Hardware erkannt wird. 6. Treiberschaltung zum Treiben einer Endstufe (16) in einem Steuergerät (10), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die einen Leistungsteil (82) und einen Logikteil (80) umfasst, wobei der Leistungsteil (82) die Schalter (56 bis 66) der Endstu¬ fe (16) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Treiberschaltung (14) eine Puf fer schal tung (84) umfasst, die zum Bereitstellen der Spannungsversorgung der Treiberschaltung (14) dient. 7. Treiberschaltung nach Anspruch 6, bei der die Pufferschaltung (84) eine Gleichrichter-Brückenschaltung (86) und einen Pufferkondensator (96) umfasst. 8. Treiberschaltung nach Anspruch 6 oder 7, bei der der Logikteil (80) eine Hardware aufweist, die eine Verpolung einer angeschlossenen Batterie (20, 22) erkennt. 9. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um ein Verfahren zum Treiben einer Endstufe (16) in einem Steuergerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Mikroprozessor eines Computers ausgeführt wird. 10. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein Verfahren zum Treiben einer Endstufe (16) in einem Steuergerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Mikroprozessor eines Computers ausgeführt wird. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Treiben einer Endstufe in einem Steuergerät und eine Treiberschaltung zur Durchführung des Verfahrens.
Zur Reduzierung der Kraft, die zur Betätigung des Lenkrads eines Kraftfahrzeugs beim Lenken im Stand, beim Rangieren oder bei geringen Fahrgeschwindigkeiten nötig ist, verfügen heutzutage viele Fahrzeuge über eine Servolenkung (EPS: Electronic Power Steering) . Die Servolenkung unterstützt den Fahrer beim Lenken, indem die vom Fahrer aufgebrachte Kraft zum Lenken durch einen Elektromotor verstärkt wird. Zur Steuerung der Servolenkung werden dabei Steuergeräte eingesetzt .
Steuergeräte (ECU: Electronic Control Unit) sind elektroni ¬ sche Module, die bspw. im Kfz-Bereich eingesetzt werden, um Komponenten des Fahrzeugs zu steuern bzw. zu regeln. In solchen Steuergeräten werden Endstufen eingesetzt, die Leistungsverstärker darstellen, die die letzte, elektronisch aktive Stufe in der Signalverarbeitung darstellen, bevor das verstärkte Signal an der Last, die im EPS-Fall ein Motor ist, angelegt wird.
Die ECU umfasst die für die EPS-Funktion wichtigen Kompo ¬ nenten Mikrocontroller mit dem Programm einer Endstufe, die einen Dreiphasen-Synchron- oder Asynchronmotor ansteuern kann, sowie der dazwischen geschalteten Treiberschaltung. Die Endstufe besteht typischerweise aus sechs n-Kanal MOS ¬ FETs mit jeweils zwei MOSFETs pro Motorphase. Die beiden MOSFETs einer Phase, bspw. High-Side FE T 1 und Low-Side FET2, werden PWM-moduliert im Gegentakt angesteuert. Die MOSFETs werden typischerweise von einer integrierten Sechs- Fach-Treiberschaltung angesteuert. Die Treiberschaltung verhindert dabei im Regelfall das gleichzeitige Einschalten von jeweils einem High- und Low-Side MOSFET einer Phase, bspw. FET1 und FET2.
Um einen MOSFET einzuschalten, d. h. den Drain- und Source- Anschluss niederohmig miteinander zu verbinden, muss die Treiberschaltung zwischen dem Gate- und Source-Anschluss dieses MOSFETs eine Spannung von typischerweise 10 V erzeu ¬ gen. Um einen MOSFET auszuschalten, d. h. den Drain- und Source-Anschluss hochohmig zu entkoppeln, muss die Treiberschaltung zwischen dem Gate- und Source-Anschluss dieses MOSFETs eine Spannung von ca. 0 V erzeugen.
Bei einigen EPS-Systemen wird zusätzlich ein Relais bzw. Halbleiterrelais (HLR) verwendet. Bei Systemen mit HLR ist das HLR im Regelfall zwischen dem positiven Batteriean- schluss der ECU und der Motorendstufe angeordnet. Das HLR hat dabei im allgemeinen zwei Aufgaben: Im regulären Betrieb, d. h. Fahrzeugbatterie nicht verpolt, kann das HLR die Endstufe von der Batterie trennen. Im Verpolfall, bei dem der Plus- und Minusanschluss der Fahrzeugbatterie ver ¬ tauscht wird, bleibt das HLR offen und sorgt dafür, dass kein Strom über die ECU-Endstufe fließt.
Besitzt ein EPS-System kein HLR, d. h. das HLR ist überbrückt, so ist das Trennen der Endstufe von der Batterie im regulären Betrieb nicht möglich. Bei diesem System müssen aber weitere konstruktive Maßnahmen vorgesehen werden, so dass eine Trennung von der Batterie nicht mehr notwendig ist. Diese Maßnahmen betreffen vorwiegend das Stecksystem sowie die Verkabelung im Fahrzeug, die im Regelfall robus ¬ ter und damit teurer ausgeführt werden müssen.
Weiterhin wird bei Systemen ohne HLR im Regelfall der Ver- polschutz so realisiert, dass immer ein hoher Strom über die ECU-Endstufe und die immer vorhandene Systemsicherung Fl im Fahrzeug fließen muss. Der Strom fließt dabei über die Body-Dioden DPI bis DP 6 der Leistungs-MOSFETs FET1 bis FET6 und wird durch die Ersatzwiderstände Rpl bis Rp4 im Leistungspfad begrenzt. Der Strom durch die Sicherung Fl im Verpolfall berechnet sich näherungsweise zu:
I_F1_VP = (Ubat_VP - 2 * Vfd_DP) / (Rpl + Rp2 + Rp3 + Rp4)
(Gleichung 1) mit
I_F1_VP: Strom durch Sicherung im Verpolfall
Ubat_VP: Spannung der verpolten Batterie
Vfd_DP: Vorwärts-Spannung bzw. Spannungsabfall an der Bo- dy-Diode DPX
Rpl ... Rp4 : Ersatzwiderstände im Leistungspfad. Rpl, Rp2 sind dabei parasitäre Widerstände in der ECU, die durch die Verbindungs- und Filterelemente verur ¬ sacht werden. Rp3, Rp4 sind Übergangswiderstände in den Stecksystemen sowie Zuleitungswiderstände.
Damit die Sicherung Fl zuverlässig auslöst, muss ein be ¬ stimmter Auslösestrom I_F1_0FF erreicht werden. Aus Gleichung 1 folgt, dass der Strom I_F1_VP beeinflusst werden kann durch: Ubat_VP: je kleiner Ubat_VP wird, d.h. je schwächer die Batterie geladen ist bzw. je schlechter der Erhaltungszustand der Batterie ist, um so kleiner ist der Strom I_F1_VP . Ubat_VP kann über die ECU nicht beeinflusst werden.
Vfd_DP: je kleiner Vfd_DP ist, umso höher ist der Strom
I_F1_VP. Vfd_DP kann über die ECU beeinflusst werden. Wenn FET1 ...FET6 eingeschaltet werden, verringert sich Vfd_DP in Gleichung 1 typischerweise von ca. 2 V auf ca. 0,3 V.
Summe aus Rpl, Rp2, Rp3, Rp4 :
je kleiner die Summe ist, desto höher ist der Auslösestrom. Rpl und Rp2 können reduziert werden, wenn innerhalb der ECU größere und damit teurere Bauteile verwendet werden. Rp3 und Rp4 können reduziert werden, wenn Stecksysteme im Leistungspfad mit geringeren Übergangswiderständen verwendet werden und/oder die Zuleitungen im Querschnitt wachsen. Beide Maßnahmen verteuern das EPS-System.
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zum Treiben einer Endstufe in einem Steuergerät und eine Treiberschaltung hierfür gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Das beschriebene Verfahren dient zum Treiben einer Endstufe in einem Steuergerät mit einer Treiberschaltung, die einen Leistungsteil und einen Logikteil umfasst, wobei ein Tren ¬ nen der Endstufe von einer Batterie durch Auslösen einer Sicherung ermöglicht wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Treiberschaltung zusätzlich eine Pufferschaltung umfasst und die Schalter, üblicherweise MOSFETs, mindestens einer Phase der Endstufe mit dem Leistungsteil angesteuert bzw. eingeschaltet werden, so dass ein ausreichend hoher Strom zum Auslösen der Sicherung fließt, während die Pufferschal ¬ tung in der Treiberschaltung die Spannungs ersorgung bereitstellt.
Mit dem vorgestellten Verfahren ist es somit möglich, auch ohne HLR die Endstufe von der Batterie zu trennen.
In Ausgestaltung des Verfahrens wird in einem Mikrocontrol- ler ein Fall erkannt, der ein Trennen der Endstufe von der Batterie erforderlich macht In diesem Fall gibt der Mikro- controller einen entsprechenden Befehl an den Logikteil weiter, der Leistungsteil schaltet die beiden Schalter bzw. MOSFETs mindestens einer der Phasen der Endstufe ein, wäh ¬ rend die Pufferschaltung die Treiberschaltung mit Spannung versorgt .
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass auf einem Mikroprozessor in dem MikroController eine Software zur Ausführung kommt, die den Fall erkennt, der das Trennen erforderlich macht .
Alternativ kann bei einer Verpolung der Batterie mittels des Logikteils erkannt und darauf mittels des Leistungsteil die Schalter bzw. MOSFETs mindestens einer der Phasen eingeschaltet werden, während die Pufferschaltung die Treiberschaltung mit Spannung versorgt.
In diesem Fall wird vorzugsweise lediglich mit in dem Lo ¬ gikteil vorgesehener Hardware die Verpolung erkannt und es werden entsprechende Maßnahmen eingeleitet. Dies ist insbe ¬ sondere erforderlich, da bei Verpolung der MikroController, mit dem die Treiberschaltung angesteuert werden kann, nicht mehr arbeitet bzw. auf dem Mikrocontroller vorgesehene Software nicht zur Ausführung kommt.
Es wird zudem eine Treiberschaltung zum Treiben einer Endstufe in einem Steuergerät vorgestellt, die insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens der vorstehend beschrie ¬ benen Art dient. Die Treiberschaltung umfasst einen Leistungsteil und einen Logikteil, wobei der Leistungsteil Schalter, üblicherweise MOSFETs, der Endstufe ansteuert. Weiterhin umfasst die Treiberschaltung eine Pufferschal ¬ tung, die zum Bereitstellen der SpannungsVersorgung der Treiberschaltung vorgesehen ist.
In Ausgestaltung umfasst die Pufferschaltung eine Gleichrichter-Brückenschaltung und einen Kondensator.
Es bietet sich an, dass der Logikteil eine Hardware auf ¬ weist, die eine Verpolung einer angeschlossenen Batterie erkennt .
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um ein Verfahren zum Treiben einer Endstufe der vorstehend beschriebenen Art durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Mikroprozessor eines Computers ausgeführt wird. Dieses Computerprogramm kann bspw. als die Software implementiert sein, die auf einem Mikroprozessor des MikroControllers zur Ausführung kommt, die gemäß Anspruch 3 beansprucht vorstehend beschrieben ist .
Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Datenträger, wie bspw. Diskette, CD, DVD, Festplatte, USB Memory Stick o.a., oder einem Internetserver als Computerprogrammprodukt gespeichert sein und von dort aus in das Speicher ¬ element eines Steuergeräts übertragen werden. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figur 1 zeigt in einem Schaltbild eine Aus führungs form der vorgestellten Treiberschaltung, die in einer ECU zum Einsatz kommt.
Die Darstellung zeigt in einem Ersatzschatzbild ein Steuergerät bzw. eine ECU 10 mit einem MikroController 12, einer Treiberschaltung 14 und einer Endstufe 16. Die Endstufe 16 dient zur Ansteuerung eines Dreiphasen-Elektromotors 18. Zur Versorgung ist eine Batterie vorgesehen, die in der Darstellung für den regulären Betrieb 20 und für den Ver- polfall 22 dargestellt ist. Zum Trennen der Batterie 20, 22 von der ECU 10 ist eine Sicherung Fl 30 vorgesehen.
Weiterhin zeigt die Darstellung Ersatzwiderstände Rpl 32, Rp2 34, Rp3 36 und Rp4 38.
Die Endstufe 16 umfasst drei Phasen 50, 52 und 54, die je ¬ weils über zwei Schalter, in diesem Fall MOSFETs, verfügen. So ist in der ersten Phase 50 der High-Side FET1 56 und der Low-Side FET2 58, in der zweiten Phase 52 der High-Side FET3 60 und der Low-Side FET4 62 und in der dritten Phase 54 der High-Side FET5 64 und der Low-Side FET6 66 vorgese ¬ hen. Weiterhin zeigt das Ersatzschaltbild der Figur 1 die Body-Dioden DPI 70, DP2 72, DP3 74, DP4 76, DP5 78 und DP6 80.
Die Treiberschaltung 14 umfasst einen Logikteil 80, einen Leistungsteil 82 und eine Pufferschaltung 84. Die Pufferschaltung 84 wiederum umfasst eine Gleichrichter- Brückenschaltung 86 mit den Dioden Dl 88, D2 90, D3 92 und D4 94. Weiterhin ist ein Pufferkondensator CB 96 vorgesehen .
Zunächst muss zur weiteren Erklärung die Auslösezeit T_F1_0FF_MAX der Sicherung Fl 30 bestimmt werden. Diese wird anhand der Datenblattangaben der Sicherung Fl 30 ermittelt und sollte so dimensioniert werden, dass bei allen möglichen Verpol- und Abschaltfällen (Variation der Parameter Ubat_VP, Vfd_DP, RpX und sich dadurch ergebenden Variationen des Auslösestroms I_F1_0FF) die Sicherung Fl 30 zuverlässig auslösen kann.
Es wird zunächst der Fall dargestellt, der ein Abschalten über die Sicherung Fl 30 im regulären Betrieb erforderlich macht. Soll im regulären Betrieb die Endstufe 16 von der Fahrzeugbatterie 20 getrennt werden, gibt der Mikrocontrol- ler 12 über das Signal KURZSCHLUSS_ENDST den entsprechenden Befehl. Der Befehl wird im Logikteil 80 der Treiberschal ¬ tung 14 verarbeitet und der Leistungsteil 82 schaltet an ¬ schließend gleichzeitig den High- und Low-Side-FET mindes ¬ tens einer, im Regelfall jedoch aller drei Phasen 50, 52, 54, (FET1 bis FET6 56 bis 66) ein.
Da in diesem Fall die Spannung zwischen Knoten VS 100 und GND 102 auf ca. 0 V einbricht, die Treiberschaltung 14 aber Energie benötigt, um die FETs 56 bis 66 weiterhin aktiv einzuschalten, muss die Treiberschaltung 14 über eine lokale, gepufferte Spannung versorgt werden. Diese Spannung kann im einfachsten Fall über die Entkoppeldiode Dl 88 und den Pufferkondensator CB 96 realisiert werden. Der Pufferkondensator 96 muss so ausgelegt sein, dass die Treiberschaltung 14 alle FETs 56 bis 66 für mindestens die Zeit T_F1_0FF_MAX einschalten kann. Die Treiberschaltung 14 wird dann über die Spannung zwischen Knoten VSI 104 und GNDI 106 versorgt .
Nunmehr wird der Fall dargestellt, bei dem bei einer Verpo- lung ein Abschalten über die Sicherung mit eingeschalteten FETs 56 bis 66 erfolgt. Die Treiberschaltung 14 muss in diesem Fall weiterhin ausreichend versorgt werden. Dafür sorgt im einfachsten Fall die Gleichrichter- Brückenschaltung 86 mit den Dioden Dl 88, D2 90, D3 92 und D4 94. Der Logikteil 80 der Treiberschaltung 14 muss den Verpol-Fall erkennen, indem bspw. die Spannungen VS 100 und GND 102 eingelesen und miteinander verglichen werden. Im Verpol-Fall ist die Spannung GND 102 größer als VS 100. Wird ein Verpol-Fall erkannt, so sollten die High-Side- und Low-Side-FETs 56 bis 66 mindestens einer, regelmäßig aller drei Phasen 50, 52, 54, über die Treiberschaltung 14 automatisch eingeschaltet werden.
Auch hier wird, wie im voranstehend erläuterten Fall, eine gepufferte Versorgungsspannung über den Pufferkondensator CB 96 benötigt. Der Pufferkondensator 96 muss so ausgelegt sein, dass die Treiberschaltung 14 alle FETs 56 bis 66 für mindestens die Zeit T_F1_0FF_MAX einschalten kann. Die Treiberschaltung 14 wird dann über die Spannung zwischen den Knoten VSI 104 und GNDI 106 versorgt.
Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens im Vergleich zu der Methode ohne aktives Einschalten der FETs besteht darin, dass die Spannung Vfd_DP aus Gleichung 1 deutlich reduziert wird. Es ergibt sich ein höherer Auslösestrom I_F1_VP, was auch im Falle einer schwachen oder gealterten Batterie die Sicherung zuverlässiger auslöst. Im Falle einer ausreichend geladenen Batterie bewirkt ein höherer Auslösestrom eine Verkürzung der Auslösezeit T_F1_0FF, was die Bauteile und die Verbindungstechnik im Leistungspfad im allgemeinen weniger belastet.