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Title:
METHOD FOR PROTECTING A SAFETY SWITCH OF A CONTROL UNIT OF AN ELECTRIC MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/198471
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for protecting safety switches (Q7, Q8, Q9) of a control unit (11) of an electric motor, wherein the control unit (11) has a microcontroller (12) and a gate driver (13), which control a driver circuit (14) having 2n FETs (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6), n being the number of phase windings of the electric motor, and the FETs being arranged in half bridges, and the safety switch being arranged in the middle tap of any half bridge, between the driver circuit (14) and the phase winding of the electric motor, wherein the safety switches are FETs, which are designed to break the electrical connection between the driver circuit (14) and any phase winding in the event of fault, and wherein the method, in the event of an electrical malfunction in the driver circuit (14), comprises the following steps: (a) activating one of the 2n FETs (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) of the driver circuit (14), (b) measuring the current flow in a supply line (19-) of the driver circuit (14) and detecting a current value, (c) deactivating the activated FET (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) of the driver circuit (14), (d) successively carrying out a test switching pattern in accordance with steps (a) to (c) for the remaining 2n-1 FETs (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6), (e) evaluating the detected current values for failure to reach a specified threshold value, the highest detected current value being ignored, (f) in the event that the threshold value is not reached, breaking the electrical connection between the driver circuit (14) and at least one of the phase windings (u, v, w) by switching the safety switches (Q7, Q8, Q9). The invention further relates to a electromechanical motor vehicle steering system having a control unit, which is designed to carry out a method of this kind.

Inventors:
KALAPOS GÁBOR (HU)
Application Number:
PCT/EP2021/058718
Publication Date:
October 07, 2021
Filing Date:
April 01, 2021
Export Citation:
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Assignee:
THYSSENKRUPP PRESTA AG (LI)
THYSSENKRUPP AG (DE)
International Classes:
H02P29/024; B62D5/04; H02H7/08; H02H7/122; H03K17/082
Foreign References:
DE102011055626A12013-08-22
DE102017211219A12019-01-03
DE112015003702T52017-06-08
EP3157163A12017-04-19
Attorney, Agent or Firm:
THYSSENKRUPP INTELLECTUAL PROPERTY GMBH (DE)
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Claims:
Ansorüche

1. Verfahren zum Schutz von Sicherheitsschaltern (Q7, Q8, Q9) einer

Steuereinheit (11) eines Elektromotors (9), wobei die Steuereinheit (11) einen Mikrokontroller (12) und einen Gate-Treiber (13) aufweist, die eine

Treiberschaltung (14) mit 2n FETs (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) ansteuern, wobei n die Anzahl an Phasenwicklungen (u, v, w) des Elektromotors (9) ist und die FETs (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) in Halbbrücken angeordnet sind, und im Mittenabgriff einer jeden Halbbrücke, zwischen Treiberschaltung (14) und Phasenwicklung (u, v, w) des Elektromotors (9) der Sicherheitsschalter (Q7, Q8, Q9) angeordnet ist, wobei die Sicherheitsschalter (Q7, Q8, Q9) FETs sind, die dazu eingerichtet sind, die elektrische Verbindung zwischen der Treiberschaltung (14) und einer jeden Phasenwicklung (u, v, w) im Störfall zu unterbrechen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Fall einer elektrischen Störung in der Treiberschaltung (14) folgende Schritte umfasst: a) Aktivieren eines der 2n FETs (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) der Treiberschaltung (14), b) Messen des Stromflusses in einer Versorgungsleitung (19-) der Treiberschaltung (14) und Erfassen eines Stromwertes, c) Deaktivieren des aktivierten FETs (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) der

Treiberschaltung (14), d) nacheinander Ausführen eines Prüf-Schaltmusters entsprechend der

Schritte a) bis c) für die verbliebenen 2n-l FETs (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6), e) Auswerten der erfassten Stromwerte bezüglich eines Unterschreitens eines vorgegebenen Schwellenwerts, wobei der höchste erfasste Stromwert (22) unberücksichtigt bleibt, f) bei einem Unterschreiten des Schwellwerts, Trennen der elektrischen Verbindung zwischen der Treiberschaltung (14) und mindestens einer der Phasenwicklungen (u, v, w) durch Schalten der Sicherheitsschalter (Q7, Q8, Q9).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte a) bis f) erneut ausgeführt werden, wenn der Schwellwert nicht unterschritten wird.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aktivieren eines FETs (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) und dem Deaktivieren dieses FETs (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) ein vorgegebenes Zeitintervall, insbesondere ein Zeitintervall zwischen

1 ps und 1 ms, liegt

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auswerten des gemessenen Stromflusses erfolgt, kurz bevor ein FET (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6) deaktiviert wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auswerten der erfassten Stromwerte der zweithöchsten Stromwert (23) und der dritthöchste Stromwert (24) aus den erfassten Stromwerten ermittelt wird; ein Summenwert aus den Werten des zweithöchsten Stromwertes (23) und des dritthöchsten Stromwertes (24) gebildet wird; und der Summenwert mit dem vorgegebenen Schwellenwert bei der Auswertung verglichen wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert abhängig von den elektrischen Eigenschaften des Sicherheitsschalters (Q7, Q8, Q9) ist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Stromwerte ausgewertet werden, um die elektrische Störung eines FETs (Ql) in der Treiberschaltung (14) zu lokalisieren und den elektrischen Widerstandswert des gestörten FETs (Ql) zu bestimmen.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung mit dem Prüf-Schaltmuster bei hohen Rotorwinkelgeschwindigkeiten in Abhängigkeit vom elektrischen Winkel des Elektromotors (9) erfolgt, wobei der elektrische Winkel mittels eines Rotorlagesensors bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei niedrigen Rotorwinkelgeschwindigkeiten die Ansteuerung mit dem Prüf-Schaltmuster in Zeitabständen asynchron zu dem elektrischen Winkel des Elektromotors (9) erfolgt, wobei die Rotorwinkelgeschwindigkeit mittels eines Rotorlagesensors bestimmt wird.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Durchlaufens einer kompletten elektrischen Periode des Elektromotors (9) die Ansteuerung der Sicherheitsschalter (Q7, Q8, Q9) erfolgt.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Body-Diode der Sicherheitsschalter (Q7, Q8, Q9) in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung geschaltet ist.

12. Elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung, mit einem mehrphasigen, permanent erregten Elektromotor (9), der über eine Steuereinheit (12) und Zuleitungen (19+, 19-) aus einem Gleichspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs betreibbar ist, wobei der Elektromotor (9) mindestens drei Phasenwicklungen (u, v, w) aufweist, die über Leitungen mit einer Treiberschaltung (14) verbunden sind, wobei die Treiberschaltung (14) jede der Leitungen über jeweils einen ersten FET (Ql, Q3, Q5) einer ersten Gruppe mit der positiven Zuleitung (19+) und über jeweils einen zweiten FET (Q2, Q4, Q6) einer zweiten Gruppe mit der negativen Zuleitung (19-) in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Steuereinheit (12) verbindet, und wobei jede Leitung einen FET (Q7, Q8, Q9) als Sicherheitsschalter aufweist, und die Steuereinheit (12) dazu ausgebildet ist, dass Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.

Description:
Verfahren zum Schutz eines Sicherheitsschalters einer Steuereinheit eines Elektromotors

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von Sicherheitsschalter einer Steuereinheit eines Elektromotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung.

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 als Sicherheitsschalter fungierende Halbleiterschalter vorgeschlagen, die jeweils zwischen einem Ende der Phasenwicklung und der Treiberschaltung des Motors in Reihe geschaltet sind. Dabei kann es bei dem Öffnen der Schaltelemente aufgrund der stets vorhandenen Streuinduktivitäten in dem Wechselrichter und aufgrund der in den Motorwicklungen gespeicherten elektrischen Energie 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 Stromfluss durch den Sicherheitsschalter während des Ausschaltens muss daher vermieden werden, um den Halbleiterschalter vor Beschädigung zu schützen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung zum Schutz der Sicherheitsschalter anzugeben, wobei Beschädigungen von Sicherheitsschaltern beim Auftrennen der Leitung verhindert werden.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer elektromechanischen Kraftfahrzeuglenkung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Lösungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung und den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen.

Demnach ist ein Verfahren zum Schutz von Sicherheitsschaltern einer Steuereinheit eines Elektromotors vorgesehen, wobei die Steuereinheit einen Mikrokontroller und einen Gate-Treiber aufweist, die eine Treiberschaltung mit 2n FETs (FET: Feldeffekttransistor) ansteuern, wobei n die Anzahl an Phasenwicklungen des Elektromotors ist und die FETs in Halbbrücken angeordnet sind, und im Mittenabgriff einer jeden Halbbrücke, zwischen Treiberschaltung und Phasenwicklung des Elektromotors ein Sicherheitsschalter angeordnet ist. Die Sicherheitsschalter sind FETs und dazu eingerichtet, die elektrische Verbindung zwischen der Treiberschaltung und einer jeden Phasenwicklung im Störfall zu unterbrechen. Das Verfahren umfasst im Fall einer elektrischen Störung in der Treiberschaltung folgende Schritte: a) Aktivieren eines der 2n FETs der Treiberschaltung, b) Messen des Stromflusses in einer Versorgungsleitung der Treiberschaltung und Erfassen eines Stromwertes, c) Deaktivieren des aktivierten FETs der Treiberschaltung, d) nacheinander Ausführen eines Prüf-Schaltmusters entsprechend der Schritte a) bis c) für die verbliebenen 2n-l FETs, also beispielsweise bei sechs FETs für die verbliebenen fünf FETs, e) Auswerten der erfassten Stromwerte bezüglich eines Unterschreitens eines vorgegebenen Schwellenwerts, wobei der höchste erfasste Stromwert unberücksichtigt bleibt, f) Bei einem Unterschreiten des Schwellwerts, Trennen der elektrischen Verbindung zwischen der Treiberschaltung und mindestens einer der Phasenwicklungen durch Schalten der Sicherheitsschalter.

Dieses Verfahren greift vorteilhafterweise ausschließlich auf bereits bestehende Hardware zurück. Die Messung des Stromflusses wird vorteilhafterweise genutzt, um einen Zeitpunkt zu finden, in dem der Strom der Sicherheitsschalter unter dem Schwellwert ist und somit der Sicherheitsschalter ohne Beschädigung geöffnet werden kann. Das Verfahren ist daher sehr kostengünstig und kann in jedem Elektromotor eingesetzt werden, bei dem es wichtig ist, die Sicherheitsschalter vor Beschädigung zu schützen. Die FETs sind bevorzugt MOSFETs.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Verfahrensschritte a) bis f) erneut ausgeführt werden, wenn der Schwellwert nicht unterschritten wird, der Schwellwert also überschritten oder genau getroffen wird. Das Öffnen der Sicherheitsschalter wird insofern vorteilhafterweise weiter hinausgezögert, bis die für die Sicherheitsschalter kritischen Ströme unterschritten sind. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung liegt zwischen dem Aktivieren eines FETs und dem Deaktivieren dieses FETs ein vorgegebenes Zeitintervall, insbesondere ein Zeitintervall zwischen 0,5 ps (ps: Mikrosekunde) und 2 ms (ms: Millisekunde), weiter insbesondere ein Zeitintervall zwischen 1 ps und 1 ms, weiter insbesondere ein Zeitintervall zwischen 1 ps und 10 ps. Ein möglichst kurzes Zeitintervall hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen.

Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Auswerten des gemessenen Stromflusses erfolgt, kurz bevor ein FET deaktiviert wird. Ein Messen des Stromflusses und/oder ein Auswerten des gemessenen Stromflusses erfolgt also vorteilhafterweise näher an dem Zeitpunkt der Deaktivierung des FETs als an dem Zeitpunkt der Aktivierung des FETs, insbesondere weniger als 10 ps vor dem Deaktivieren des FETs, vorzugsweise weniger als 2 ps vor dem Deaktivieren des FETs.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass beim Auswerten der erfassten Stromwerte der zweithöchste Stromwert und der dritthöchste Stromwert aus den erfassten Stromwerten ermittelt wird. Der zweithöchste Stromwert und der dritthöchste Stromwert können dabei auch gleich groß sein. Aus den Werten des zweithöchsten Stromwertes und des dritthöchsten Stromwertes wird dann vorteilhafterweise ein Summenwert gebildet und der Summenwert mit dem vorgegebenen Schwellenwert verglichen. Dieser Schritt entspricht dann vorteilhafterweise dem Auswerten der erfassten Stromwerte bezüglich eines Unterschreitens eines vorgegebenen Schwellenwerts und ist insofern eine speziellere Ausgestaltung des Verfahrensschritts e). Durch die Summenbildung lässt sich vorteilhafterweise zuverlässiger ermitteln, ob die Sicherheitsschalter geöffnet werden können, insbesondere weil Ausreißer bei den Messwerten weniger ins Gewicht fallen.

Insbesondere ist ein Verfahren zum Schutz von Sicherheitsschaltern einer Steuereinheit eines Elektromotors vorgesehen, wobei die Steuereinheit einen Mikrokontroller und einen Gate-Treiber aufweist, die eine Treiberschaltung mit 2n FETs ansteuern, wobei n die Anzahl an Phasenwicklungen des Elektromotors ist und die FETs in Halbbrücken angeordnet sind, und im Mittenabgriff einer jeden Halbbrücke, zwischen Treiberschaltung und Phasenwicklung des Elektromotors ein Sicherheitsschalter angeordnet ist, wobei die Sicherheitsschalter FETs sind, die dazu eingerichtet sind, die elektrische Verbindung zwischen der Treiberschaltung und einer jeden Phasenwicklung im Störfall zu unterbrechen, und wobei das Verfahren im Fall einer elektrischen Störung in der Treiberschaltung folgende Schritte umfasst:

• Nacheinander Aktivieren der 2n FETs der Treiberschaltung in einem Prüf- Schaltmuster,

• Messen des Stromflusses in einer Versorgungsleitung der Treiberschaltung,

• Auswerten des gemessenen Stromflusses jeweils kurz bevor ein FET deaktiviert wird, wobei die 2n FETs nacheinander deaktiviert werden,

• Bildung eines Summenwertes aus den Werten des zweithöchsten Stromwertes und des dritthöchsten Stromwertes,

• Vergleichen des Summenwertes mit einem vorgebbaren Schwellenwert,

• Falls der Summenwert unter dem Schwellenwert liegt, Trennen der elektrischen Verbindung zwischen der Treiberschaltung und wenigstens einer Phasenwicklung durch Schalten der Sicherheitsschalter,

• Falls der Summenwert über dem Schwellenwert liegt, Wiederholen der Ansteuerung mittels des Prüf-Schaltmusters.

Während der Aktivierungszeiten der FETs wird der über die Versorgungsleitung fließende Strom bevorzugt von einem Analog-Digital-Wandler gemessen, und mit den Aktivierungen synchronisiert.

Insbesondere ist vorgesehen, dass der Schwellenwert abhängig von den elektrischen Eigenschaften des Sicherheitsschalters vorgegeben ist.

Vorzugweise ist der Schwellenwert abhängig von der Kapazität des Sicherheitsschalters.

Das gemessene Stromsignal kann dazu ausgewertet werden, um die elektrische Störung eines FETs in der Treiberschaltung zu lokalisieren und den elektrischen Widerstandswert des gestörten FETs zu bestimmen.

Vorzugweise erfolgt die Ansteuerung mit dem Prüf-Schaltmuster bei hohen Rotorwinkelgeschwindigkeiten in Abhängigkeit vom elektrischen Winkel des Elektromotors, wobei der elektrische Winkel mittels eines Rotorlagesensors bestimmt wird.

Bei niedrigen Rotorwinkelgeschwindigkeiten kann die Ansteuerung mit dem Prüf-Schaltmuster in Zeitabständen asynchron zu dem elektrischen Winkel des Elektromotors erfolgen, wobei der elektrische Winkel insbesondere nicht berücksichtigt wird.

Die Body-Diode der Sicherheitsschalter kann in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung geschaltet sein.

Die ebenfalls vorgeschlagene elektromechanische Kraftfahrzeuglenkung umfasst einen mehrphasigen, permanent erregten Elektromotor, der über eine Steuereinheit und Zuleitungen aus einem Gleichspannungsbordnetz eines Kraftfahrzeugs betreibbar ist, wobei der Elektromotor mindestens drei Phasenwicklungen aufweist, die über Leitungen mit einer Treiberschaltung verbunden sind, wobei die Treiberschaltung jede der Leitungen über jeweils einen ersten FET einer ersten Gruppe mit der positiven Zuleitung und über jeweils einen zweiten FET einer zweiten Gruppe mit der negativen Zuleitung in Abhängigkeit von der Steuereinheit verbindet, und wobei jede Leitung einen FET als Sicherheitsschalter aufweist, und die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, dass zuvor beschriebene Verfahren auszuführen, wobei die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens insbesondere einzeln oder in Kombination realisiert sein können. Die Steuereinheit weist bevorzugt eine Entscheidungseinheit auf, die basierend auf dem gemessenen Stromsignal entscheidet, ob die Sicherheitsschalter sicher geöffnet werden können, oder nicht.

Vorteilhafte 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 Kraftfahrzeuglenkung in einer schematischen Darstellung mit mehreren Möglichkeiten zur Anordnung des Servomotors,

Fig. 2: eine erste Schaltung zur Ansteuerung eines permanent erregten Synchronmotors mit sechs FETs zur Steuerung des Motorstroms,

Fig. 3: eine zweite Schaltung zur Ansteuerung eines permanent erregten Synchronmotors mit sechs FETs zur Steuerung des Motorstroms,

Fig. 4: die erste Schaltung der Figur 2 mit einem kurzgeschlossenen FET,

Fig. 5: ein Diagramm der typischen Phasenkurzschlussströme und der Einfluss eines Prüfschaltmusters,

Fig. 6: ein Verlauf des Stromwertes bei der Aktivierung zum Zeitpunkt #1 aus Fig. 5, sowie

Fig. 7: ein Verlauf des Stromwertes bei der Aktivierung zum Zeitpunkt #2 aus Fig. 5.

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 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 entgegenwirkt.

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 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 gemessen Drehmoments berechnet eine in Figur 1 nur schematisch dargestellte Steuereinheit 11 die Lenkunterstützung, 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

Hilfskraftunterstützungseinrichtungen 10, 100, 101 zeigen insbesondere alternative Positionen für deren Anordnung. Üblicherweise ist nur eine einzige der gezeigten Positionen mit einer Hilfskraftunterstützung belegt.

Die Figuren 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele für eine Steuereinheit 11 des Elektromotors 9. Ein Mikrokontroller 12 steuert mittels eines Gate-Treibers 13 eine Treiberschaltung 14 an. Der Mikrokontroller 12 sendet ein PWM Signal 15 und ein SPI Konfigurationssignal 16 an den Gate Treiber 13. Der Gate Treiber 13 wiederrum sendet ein Diagnosesignal 17 und Messwerte einer Strommessung 18 an den Mikrokontroller 12. Die Versorgungsleitung 19+ ist dem positiven Pol der Versorgungsleitung, die Versorgungsleitung 19- 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 FETs umfasst drei FETs Ql, Q3 und Q5 zur Beaufschlagung der drei Phasenwicklungen u, v und w mit der Bordspannung. Eine zweite Gruppe von insgesamt drei weiteren FETs Q2, Q4 und Q6 ist für die Beaufschlagung der Phasenwicklungen u, v und w mit dem Massepotential vorgesehen. Die beiden Gruppen speisen hierfür insgesamt drei Leitungen, die jeweils einer Phase u, v, w zugeordnet sind.

Die FETs der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe sind als Treiber vorgesehen und bilden die Treiberschaltung 14 aus.

Jedem Wicklungsstrang u, v, w ist somit ein oberer elektronischer Schalter Ql, Q3, Q5 (high-side) und ein unterer elektronischer Schalter Q2, Q4, Q6 (low- side) zugeordnet. Diese Treiber-FETs sind üblicherweise so geschaltet, dass ihre Body-Dioden bezüglich der Bordspannung in Sperrrichtung geschaltet sind. In Abhängigkeit von den Steuersignalen verbinden die FETs 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.

In den drei Leitungen zu den Phasenwicklungen hin ist jeweils ein FET einer dritten Gruppe als Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 vorgesehen. Die Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 sind somit zwischen der Treiberschaltung 14 und den Motorwicklungen u, v, w vorgesehen. Im Falle einer elektrischen Störung sollen diese Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 die elektrische Verbindung zwischen der Treiberschaltung und den Wicklungen auftrennen. Die Wicklungen sind dann nicht kurzgeschlossen und können kein Bremsmoment erzeugen.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 handelt es sich bei den Sicherheitsschaltern Q7, Q8, Q9 um n-Kanal FETs, die selbstleitend sind. Der Drain-Anschluss ist mit der Treiberschaltung 14 und der Source-Anschluss mit der Phasenwicklung u, v, w verbunden.

Dagegen ist in dem Ausführungsbeispiel der Figur 3, der Drain-Anschluss der Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 mit der Phasenwicklung u, v, w und der Source- Anschluss mit der Treiberschaltung Q7, Q8, Q9 verbunden.

Die zwischen Drain- und Source-Anschluss liegende Body-Diode der Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 kann sowohl in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung geschaltet sein. Jeder der neun dargestellten Halbleiterschalter Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7,

Q8, Q9 ist bevorzugter Weise separat mittels des Gate-Treibers 13 ansteuerbar.

Figur 4 zeigt einen Störungsfall in dem Ausführungsbeispiel der Figur 2. Der FET Ql der Treiberschaltung 14 ist kurzgeschlossen.

Für den Fall, dass eine solche elektrische Störung erkannt wird und die Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 die elektrische Verbindung zwischen der Treiberschaltung 14 und den Wicklungen u, v, w auftrennen sollen, sendet der Hauptmikrokontroller 12 der Steuereinheit 11 ein spezielles Prüf-Schaltmuster aus. Dieses Schaltmuster bewirkt eine sehr kurze aufeinanderfolgende Aktivierung der FETs Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6 der Treiberschaltung 14. In den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 und 3 heißt das, dass als erstes Ql und dann Q2, Q3, Q4, Q5 und Q6 in der genannten Reihenfolge für ein paar ps (ps: Mikrosekunden) aktiviert werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass vor dem Aktivieren eines nächsten FETs der vorherige FET deaktiviert wird. Wird also beispielsweise FET Ql aktiviert, so wird FET Ql vor der Aktivierung von FET Q2 deaktiviert.

Während der Aktivierungszeiten wird der über die Versorgungsleitung 19- fließende Strom von einem Analog-Digital-Wandler 20 gemessen, und mit den Aktivierungen synchronisiert.

Diese abgetasteten Stromwerte dienen als Eingangswerte für eine Entscheidungseinheit 21 des Mikrokontrollers 12, die entscheidet, ob die Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 die elektrische Verbindung auftrennen oder nicht.

Ein Auftrennen kann problemlos erfolgen, wenn der Drainstrom der Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 kleiner als ein vorgebbarer Schwellwert ist, um den Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 selbst vor Beschädigung zu schützen.

Figur 5 zeigt einen typischen zeitlichen Verlauf eines Kurzschlussstroms in einer Phase und die Beeinflussung durch das Prüf-Schaltmuster. Die senkrechten Striche geben die zeitlichen Abstände an, an denen das Prüf-Schaltmuster jeweils geschaltet wird. Die Höhe dieser Striche zeigt den gemessenen Stromfluss an. Die Bögen geben die Wicklungsströme an.

Die Ansteuerung mit dem Prüf-Schaltmuster erfolgt bei hohen Rotorwinkelgeschwindigkeiten bevorzugt in Abhängigkeit vom elektrischen Winkel des Motors. Ein Rotorlagesensor wird dazu verwendet, einen mechanischen Winkel zu messen und daraus den elektrischen Winkel zu bestimmen.

Der Elektromotor weist bevorzugt drei Phasenwicklungen auf. Der Kommutierungswinkel, d. h. der Winkel bezüglich der vollen elektrischen Welle während dem eine Phasenwicklung bestromt ist, beträgt 120°. Im Fall eines Kurzschlusses erfolgt die Ansteuerung mit dem Prüf-Schaltmuster etwa alle 60°.

Bei niedrigen Rotorwinkelgeschwindigkeiten kann die Ansteuerung mit dem Prüf-Schaltmuster in Zeitabständen asynchron zu dem elektrischen Winkel erfolgen.

Innerhalb eines Durchlaufens einer kompletten elektrischen Periode kann zudem der ideale Zeitpunkt zum Öffnen der Sicherheitsschalter unabhängig von den zuvor genannten Triggermethoden gefunden werden.

Die Figuren 6 und 7 zeigen zeitliche Verläufe des gemessenen Stroms jeweils während eines Prüf-Schaltmusters. Der höchste gemessene Strom 22 ist der Strom, der über den kurzgeschlossenen FET und den gerade aktivierten FET derselben Halbbrücke fließt. In dem Beispiel der Figur 4 ist dieses globale Maximum dem defekten FET Schalter Ql und dem aktivierten FET Schalter Q2 zuzuordnen.

Die Figur 6 zeigt den Verlauf des gemessenen Stroms in einem ersten Prüf- Schaltmuster- Zyklus #1, wie in Figur 5 gekennzeichnet. In der Figur 7 ist der Verlauf des gemessenen Stroms in einem zweiten Prüf-Schaltmuster- Zyklus #2 dargestellt. Der Strom wird jeweils gemessen kurz bevor ein FET deaktiviert wird. Wird, bezogen auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel, FET Ql geschaltet, so wird, wie in Figur 6 und Figur 7 gezeigt, kein Strom erfasst, also ein Strom von 0 A (A: Ampere) oder zumindest näherungsweise 0 A erfasst, da die anderen FETs kurzschlussfrei und geöffnet sind, also deaktiviert sind, und somit kein Strom zwischen Motor und Massepotenzial 19- fließen kann. Wird dann FET Q2 aktiviert, so ist aufgrund des Kurzschlusses in Ql eine direkte Verbindung zwischen der positiven Zuleitung 19+ und dem Massepotenzial 19-, wodurch sich das Strommaximum 22 erklärt. Wird nun FET Q2 deaktiviert, also der FET elektrisch nichtleitend geschaltet, und FET Q3 aktiviert, so kann wiederum kein Strom zwischen Motor und Massepotenzial 19- fließen, sodass ein Stromwert von 0 erfasst wird, wie in Figur 6 und Figur 7 gezeigt. Wird FET Q3 deaktiviert und FET Q4 aktiviert, so kann aufgrund der in den Motorwicklungen gespeicherten elektrischen Energie ein Strom zwischen Motor und Massepotenzial 19- fließen und es wird ein Stromwert entsprechend dem dargestellten zweiten Maximum erfasst. Nach der Strommessung wird FET Q4 dann wiederum deaktiviert und FET Q5 aktiviert. Hier ist wiederum kein Stromfluss möglich und der Stromwert beträgt entsprechend 0. Nach dem Deaktivieren von FET Q5 wird dann FET Q6 aktiviert. Aufgrund der in den Motorwicklungen gespeicherten elektrischen Energie fließt ein Strom zwischen Motor und Massepotenzial 19- und es wird ein Stromwert entsprechend dem dargestellten dritten Maximum 24, das in der Höhe etwa dem zweiten Maximum 23 entspricht, erfasst. Da Figur 7 den Stromverlauf zu einem späteren Zeitpunkt zeigt, als Figur 6, fallen hier das zweite Maximum 23 und das vierte Maximum 24 geringer aus.

Die erfassten Stromwerte des zweithöchsten Maximums 23 und des dritthöchsten Maximums 24 werden addiert. Im Beispiel des defekten FET Schalters Ql ist, wie vorstehend beschrieben, das zweithöchste Maximum 23 dem FET Schalter Q4 und das dritthöchste lokale Maximum 24 dem FET Schalter Q6 zuzuordnen.

Anhand einer Auswertung des Summenwertes wird entschieden, ob die Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 die elektrische Verbindung auftrennen oder nicht. Falls der Summenwert niedriger ist als ein vorgegebener, von der Kapazität des Sicherheitsschalters Q7, Q8, Q9 abhängiger Schwellenwert, können alle Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 zur gleichen Zeit geöffnet werden. Zudem kann anhand des zeitlichen Verlaufs des in der Versorgungsleitung gemessenen Stroms der kurzgeschlossene FET lokalisiert und dessen elektrischer Widerstandswert bestimmt werden. Im Prüf-Schaltmuster- Zyklus #1 ist der Summenwert hoch und höher als der Schwellenwert, so dass die Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 die elektrische Verbindung nicht trennen können, ohne Schaden zu nehmen. Die Entscheidungseinheit 21 entscheidet daher, dass die Sicherheitsschalter Q7,

Q8, Q9 nicht geöffnet werden. Im Prüf-Schaltmuster- Zyklus #2 ist der Summenwert hingegen niedrig genug, so dass der Schwellenwert unterschritten ist und die Sicherheitsschalter Q7, Q8, Q9 alle geöffnet werden können, ohne beschädigt zu werden.

Das zuvor beschriebene Verfahren kann auch in Steer-by-Wire-Lenksystemen eingesetzt werden.