Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromechanische Kraftfahrzeug- Servolenkung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

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 vorgesehen sind. Je ein MOSFET schaltet die zugeordnete Phasenwicklung auf die Bordspannung oder das Massepotential. Dieses erfolgt mit hoher Frequenz, so dass in der

Phasenwicklung der zeitliche Mittelwert als Effektivspannung wirkt.

Permanent erregte Synchronmotoren haben die Eigenschaft, bei elektrischen Fehlern wie beispielsweise bei Kurzschlüssen im Motor oder in der

Ansteuerung ein Bremsmoment zu erzeugen, so dass ein derartiger Fehler nicht nur zu einem Ausfall der Lenkunterstützung führen kann, sondern der Lenkbewegung des Fahrers auch noch ein zusätzlicher Widerstand

entgegengesetzt wird. Dies ist bei Lenksystemen für Kraftfahrzeuge aus Sicherheitsgründen nicht tolerierbar.

Es ist bekannt, zur Vermeidung dieses Zustandes eine Auftrennung der

Phasenzuleitungen zum Motor oder im Sternpunkt des Motors vorzunehmen. Hierzu werden im Stand der Technik Halbleiterschalter vorgeschlagen. Dabei kann es bei dem Öffnen der Schaltelemente aufgrund der stets vorhandenen Streuinduktivitäten in dem Wechselrichter zu Überspannungen kommen. Wird der Stromfluss durch einen Halbleiterschalter unterbrochen, so steigt an dem Halbleiterschalter zwischen Drain und Source die Spannung auf einen Wert, der größer sein kann, als die Versorgungsspannung. Überschreitet die dabei auftretende Spannung die maximale Sperrspannung des Halbleiterschalters, so kann es zur Zerstörung des Halbleiterschalters kommen. Ein zu hoher Strom- fluss durch den Halbleiterschalter während des Ausschaltens muss daher vermieden werden, um den Halbleiterschalter vor Beschädigung zu schützen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektromechanische Kraftfahr- zeugservolenkung mit Schutzvorrichtung für einen Halbleiterschalter zum Schutz vor Überspannungen anzugeben, die den Halbleiterschalter beim Auftrennen der Leitung vor Beschädigung schützt.

Diese Aufgabe wird von einer elektromechanischen Kraftfahrzeugservolenkung mit einer Schutzvorrichtung für einen Halbleiterschalter zum Schutz vor Überspannungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Demnach ist eine elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung, mit einem mehrphasigen, permanent erregten Elektromotor, der über eine Steuerung und Zuleitungen aus einem Gleichspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs betreibbar ist, vorgesehen, wobei der Elektromotor mindestens drei Phasen- wicklungen aufweist, die über Leitungen mit einer Treiberschaltung verbunden sind, wobei die Treiberschaltung jede der Leitungen über jeweils einen ersten MOSFET einer ersten Gruppe mit der positiven Zuleitung und über jeweils einen zweiten MOSFET einer zweiten Gruppe mit der negativen Zuleitung in Abhängigkeit von der Steuerung verbindet, und wobei jede Leitung einen MOSFET als Sicherheitsschalter aufweist, der mit einer Body-Diode in Durch- lassrichtung bezüglich des Bordnetzes angeordnet ist, und wobei jeder

Sicherheitsschalter eine Schutzvorrichtung aufweist, die wenigstens eine zu dem jeweiligen Sicherheitsschalter parallelgeschaltete und in Durchlass- richtung bezüglich des Gleichspannungsbordnetzes angeordnete Suppressor- diode und für jede Phasenwicklung eine bezüglich der wenigstens einen Suppressordiode in Reihe und bezüglich des Bordnetzes in Sperrrichtung geschaltete Diode umfasst. Die Suppressordiode kann Überspannungen an dem Sicherheitsschalter vorbeiführen und somit eine Beschädigung beim Schalten verhindern. Die bezüglich des Bordnetzes in Sperrrichtung

geschalteten Dioden verhindern, dass ein Induktionsstrom die Phasen kurzschließt und das Strom in Richtung der Phasen fließt.

Bevorzugt ist die wenigstens eine Suppressordiode unidirektional. Vorzugs- weise ist die wenigstens eine Suppressordiode derart ausgestaltet, dass bei Vorliegen eines eine Spannungsschwelle überschreitenden Induktionsstroms die Suppressordiode den Induktionsstrom leitet und somit der Strom an den Sicherheitsschaltern vorbeigeführt wird.

Vorzugsweise sind bezüglich des Gleichspannungsbordnetzes die MOSFETs der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe mit ihren Body-Dioden in Sperrrichtung angeordnet.

Die bezüglich des Bordnetzes in Sperrrichtung geschalteten Dioden der Schutzvorrichtung sind bevorzugt Schottky-Dioden, die praktisch keine

Speicherladung haben und deshalb sehr schnell sind.

Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Schutzvorrichtungen in Strom- leitungspfaden angeordnet sind, die die positive Versorgungsleitung oder die negative Versorgungsleitung mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt des entsprechenden Sicherheitsschalters und der dazugehörigen Motorwindung verbinden.

Die elektromechanische Kraftfahrzeugservolenkung kann für jede Phasen- wicklung eine Suppressordiode in den Stromleitungspfaden aufweisen oder eine einzige Suppressordiode, die vor einem gemeinsamen Verbindungspunkt der Stromleitungspfade angeordnet ist. Die Verwendung einer einzelnen Suppressordiode ist kostengünstiger. Je nach Leistung des Motors ist zu entscheiden, ob eine einzelne Suppressordiode ausreicht, oder ob pro

Phasenwicklung eine Suppressordiode eingesetzt werden muss.

Vorzugsweise handelt es sich um einen dreiphasigen, permanent erregten Elektromotor.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen :

Fig. 1 : eine elektromechanische Servolenkung in einer schematischen

Darstellung mit mehreren Möglichkeiten zur Anordnung des Servomotors,

Fig. 2: eine Schaltung zur Ansteuerung eines permanent erregten Synchron- motors mit sechs MOSFETs zur Steuerung des Motorstroms und einer Schutzvorrichtung,

Fig. 3: eine weitere Schaltung zur Ansteuerung eines permanent erregten

Synchronmotors mit sechs MOSFETs zur Steuerung des Motorstroms und einer Schutzvorrichtung,

Fig. 4: eine dritte Ausführungsform einer Schaltung zur Ansteuerung eines permanent erregten Synchronmotors mit sechs MOSFETs zur Steuerung des Motorstroms und einer Schutzvorrichtung, sowie

Fig. 5: eine vierte Ausführungsform einer Schaltung zur Ansteuerung eines permanent erregten Synchronmotors mit einer Schutzvorrichtung.

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 ent- sprechendes Drehmoment als Lenkbefehl in die 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. Eine Drehmomentsensoreinheit 11 erfasst die Verdrehung der oberen Lenkwelle 3 gegenüber der unteren Lenkwelle 4 als ein Maß des an der Lenkwelle 3 oder des Lenkrades 2 manuell ausgeübten Drehmomentes. In Abhängigkeit des von der Drehmomentsensoreinheit 11 gemessen Drehmoments berechnet eine Steuereinheit 12 die Lenkunter- stützung, die von der Servoeinheit 10 für den Fahrer bereitgestellt wird. Die Servoeinheit 10 kann dabei als Hilfskraftunterstützungseinrichtung 10, 100, 101 entweder mit einer Lenkwelle 3, dem Lenkritzel 5 oder der Zahnstange 6 gekoppelt sein. Die jeweilige Hilfskraftunterstützung 10, 100, 101 trägt ein Hilfskraftmoment in die Lenkwelle 3, das Lenkritzel 5 und/oder in die

Zahnstange 6 ein, wodurch der Fahrer bei der Lenkarbeit unterstützt wird. Die drei unterschiedlichen in Figur 1 dargestellten Hilfskraftunterstützungs- einrichtungen 10, 100, 101 zeigen alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer

Hilfskraftunterstützung belegt.

Die Fig. 2 zeigt die prinzipielle Schaltung eines Leistungsteils der Steuereinheit 12. Die Versorgungsleitung 13+ ist dem positiven Pol der Versorgungsleitung, die Versorgungsleitung 13- ist mit dem negativen Pol der Versorgungsleitung oder dem Masseanschluss der Bordelektrik des Kraftfahrzeugs verbunden, die in üblicher Weise mit Gleichspannung mit negativer Masse arbeitet. Eine erste Gruppe von MOSFETs 14 umfasst drei MOSFETs 14u, 14v und 14w zur

Beaufschlagung der drei Phasenwicklungen u, v und w mit der Bordspannung. Eine zweite Gruppe 15 von insgesamt drei weiteren MOSFETs 15u, 15v und 15w ist für die Beaufschlagung der Phasenwicklungen u, v und w mit dem Massepotential vorgesehen. Die beiden Gruppen 14 und 15 speisen hierfür insgesamt drei Leitungen 16, 17 und 18, die jeweils einer Phase u,v,w zugeordnet sind.

Die MOSFETs der ersten Gruppe 14 und der zweiten Gruppe 15 sind als Treiber vorgesehen. Diese Treiber-MOSFETs der Gruppen 14 und 15 sind üblicherweise so geschaltet, dass ihre intrinsischen oder Body-Dioden bezüglich der Bordspannung in Sperrrichtung geschaltet sind. In Abhängigkeit von den Steuersignalen verbinden sie die einzelnen Phasenwicklungen u, v und w entweder mit dem positiven Potenzial oder mit dem Massepotenzial. Dies erfolgt mit hoher Frequenz, so dass in den einzelnen Wicklungen u, v und w der zeitliche Mittelwert als Betriebsspannung zur Erzeugung eines

Unterstützungsmoments wirksam ist.

Zwischen den beiden Versorgungsleitungen 13+ und 13- ist schließlich noch ein Glättungskondensator 24 vorgesehen, der hochfrequente Rückwirkungen aus dem Elektromotor und den davor angeordneten MOSFETs unterdrückt.

In den drei Leitungen 16, 17 und 18 ist jeweils ein MOSFET einer dritten Gruppe als Sicherheitsschalter 19,20,21 vorgesehen. Die Body-Dioden der MOSFETs der dritten Gruppe sind bezüglich der Bordspannung in Durchlass- richtung geschaltet und somit entgegen der Dioden der MOSFETs der ersten und zweiten Gruppe 14,15 orientiert. Dies bedeutet im Betrieb, dass die einzelnen MOSFETs der dritten Gruppe dauerhaft leitend geschaltet sind, solange die Lenkvorrichtung aktiv ist und keine Störung auftritt. Bei einem kurzgeschlossenen Glättungskondensator 24 sind die beiden Leitungen 13+ und 13- leitend miteinander verbunden. In diesem Fall würde bei einer durch das externe Drehmoment der Lenksäule erzwungenen Drehung des Elektro- motors eine Induktionsspannung in den Wicklungen u, v und w entstehen. Der Induktionsstrom fließt aus einer Wicklung über die Leitungen zu den MOSFETs der dritten Gruppe, deren Dioden in Sperrrichtung geschaltet sind. Der

Stromkreis ist hier unterbrochen. Es fließt kein Induktionsstrom.

Die Gruppen von MOSFETs werden jeweils über eine Steuerleitung 22 mittels eines Gate-Treibers 23 angesteuert. Dazu werden die Steuerelektroden (gate) der einzelnen MOSFETs mit den erforderlichen Steuersignalen beaufschlagt. Jeder Sicherheitsschalter 19,20,21 weist eine Schutzvorrichtung 25 auf. Die Schutzvorrichtungen 25 sind in Stromleitungspfaden 26u, 26v,26w ange- ordnet, die die Versorgungsleitung 13+, die mit dem positiven Pol der

Versorgungsleitung verbunden ist, mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt des entsprechenden Halbleiterschalters 19,20,21 und der dazugehörigen Motorwindung u,v,w (Last) verbinden. Die Schutzvorrichtung 25 umfasst jeweils eine in Durchlassrichtung eines möglichen Induktionsstroms

geschaltete Diode 27u, 27v, 27w und eine dazu in Reihe angeordnete, in Sperrrichtung eines möglichen Induktionsstroms geschaltete, unidirektionale Suppressordiode 28u, 28v, 28w. Suppressordioden auch als Transient Voltage Suppressor Diode (TVS), Transient Absorption Zener Diode (TAZ),

Transildioden oder Breakover-Diode (BOD) bezeichnet, werden leitend, wenn eine Spannungsschwelle überschritten wird. Kommt es zu einem hohen Induktionsstrom bei dem die Spannungsschwelle der Suppressordioden überschritten wird, wird der Strom durch die Parallelschaltung an dem entsprechenden Sicherheitsschalter 19,20,21 vorbeigeführt.

Die in Reihe geschaltete Diode 27u, 27v, 27w ist bevorzugt eine schnelle Schottky-Diode, die schneller einen leitenden Zustand einnimmt als der MOSFET des entsprechenden Sicherheitsschalters in einen nicht leitenden Zustand übergeht. Die Dioden 27u, 27v, 27w verhindern, dass es zu einem Kurzschluss in den Windungen kommt. Zudem stellen sie sicher, dass kein Strom über die Stromleitungspfaden 26u, 26v,26w in Richtung der

Motorwindungen fließt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltung, die im Wesentlichen der Schaltung der Figur 2 entspricht. Es wurde allerdings darauf verzichtet, in der Schutzvorrichtung 25 eine Suppressordiode in jedem der drei Strom- leitungspfade 26u, 26v,26w einzusetzen. Es ist eine einzelne Suppressordiode 28 vorgesehen, die in Stromrichtung vor der Aufspaltung in die drei Strom- leitungspfade angeordnet ist. Kommt es zu einem hohen Induktionsstrom in einem der drei Windungen u,v,w bei dem die Spannungsschwelle der einzelnen Suppressordiode überschritten wird, wird der Strom durch die Parallelschaltung mit der der jeweiligen Phase zugeordneten Diode 27u, 27v, 27w und der einzelnen Suppressordiode 28 an dem entsprechenden

Sicherheitsschalter 19,20,21 vorbeigeführt.

Das in Figur 4 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem

Beispiel der Fig. 2 dadurch, dass es sich um eine Source-zu-Motor

Konfiguration handelt und die Sicherheitsschalter 19,20,21 somit andersherum eingebaut sind. Die Dioden der MOSFETs der Sicherheitsschalter 19,20,21 sind bezüglich eines möglichen Induktionsstroms in Durchlassrichtung geschaltet. Im Betrieb sind die einzelnen MOSFETs der dritten Gruppe dauerhaft leitend geschaltet, solange die Lenkvorrichtung aktiv ist und keine Störung auftritt.

Bei einem kurzgeschlossenen Glättungskondensator 24 sind die beiden

Leitungen 13+ und 13- leitend miteinander verbunden. In diesem Fall würde bei einer durch das externe Drehmoment der Lenksäule erzwungenen Drehung des Elektromotors eine Induktionsspannung in den Wicklungen u, v und w entstehen. Der Induktionsstrom fließt aus einer Wicklung über die Leitungen zu den MOSFETs der dritten Gruppe 19,20,21, deren Dioden in Durchlass- richtung geschaltet sind, zu den MOSFETs der ersten Gruppe 14u,14v,14w, dem kurzgeschlossenen Kondensator 24 und zu den MOSFETs der zweiten Gruppe 15u,15v,15w und zurück zu den Sicherheitsschaltern 19,20,21, die den Stromkreis unterbrechen.

Wie oben bereits beschrieben, weist jeder Sicherheitsschalter 19,20,21 eine Schutzvorrichtung 25 auf. Die Schutzvorrichtungen 25 sind in Stromleitungs- pfaden 26u, 26v,26w angeordnet, die die negative Versorgungsleitung 13-, die mit dem negativen Pol verbunden ist, mit einem gemeinsamen Verbindungs- punkt des entsprechenden Halbleiterschalters 19,20,21 und der dazugehörigen Motorwindung u,v,w (Last) verbinden. Die Schutzvorrichtung 25 umfasst jeweils die in Durchlassrichtung eines möglichen Induktionsstroms geschaltete Diode 27u, 27v, 27w und jeweils eine dazu in Reihe angeordnete, in Sperr- richtung eines möglichen Induktionsstroms geschaltete, unidirektionale Suppressordiode 28u, 28v, 28w. Kommt es zu einem hohen Induktionsstrom bei dem die Spannungsschwelle der Suppressordioden überschritten wird, wird der Strom durch die Parallelschaltung an dem entsprechenden

Sicherheitsschalter 19,20,21 vorbeigeführt. Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das im Wesentlichen der Schaltung der Figur 4 entspricht, wobei analog zu den Beispielen der Figuren 2 und 3 nur eine einzelne Suppressordiode 28 vorgesehen ist, die in Richtung eines möglichen Induktionsstroms, vor der Aufspaltung in die drei Strom- leitungspfade 26u,26v,26w angeordnet ist. Kommt es zu einem hohen

Induktionsstrom in einem der drei Windungen u,v,w bei dem die Spannungs- schwelle der einzelnen Suppressordiode 28 überschritten wird, wird der Strom durch die Parallelschaltung mit der der Phase zugeordneten Diode 27u, 27v, 27w und der einzelnen Suppressordiode 28 an dem entsprechenden

Sicherheitsschalter 19,20,21 vorbeigeführt.