CN102015416A - 包括电驱动装置的操作技术装备的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括电驱动装置的操作技术装备的装置和方法，包括电驱动装置(9)，该电驱动装置有至少三个线圈(Ru，Rv，Rw)，所述线圈为提供转矩而可被施以电流，该电流具有用于线圈(Ru，Rv，Rw)的不同电流相，所述不同电流相分别对应于该线圈(Ru，Rv，Rw)以产生旋转场，还包括一个控制单元(12)用于控制该电驱动装置(9)，该线圈(Ru，Rv，Rw)相互呈星形布置，并且对应于中点的线圈(Ru，Rv，Rw)端头通过一个中点继电器相互连接，其中，一个诊断单元与该线圈(Ru，Rv，Rw)相连，该诊断单元监测该电驱动装置(9)和/或该控制单元(12)是否存在该驱动装置的至少其中两个所述线圈(Rv，Rw)无故障工作，并且在断定有少于两个的无故障工作的线圈(Rv，Rw)后，断开该中点继电器。

Description

包括电驱动装置的操作技术装备的装置和方法

技术领域

本发明涉及包括电驱动装置的操作技术装备尤其是伺服转向***的装置和方法。

背景技术

这种转向***通常包括控制回路，其控制参数至少取决于方向盘转矩。存储在控制器中的预定函数用于根据控制器的输入参数来计算支持转矩尤其是方向盘转矩的额定值。

图1示出了汽车的机电作动式伺服转向***的常见结构，其包括方向盘1，该方向盘通过操纵杆13的第一部分2并借助一个或多个球节7与操纵杆的第二部分3联接。操纵杆13传递由汽车驾驶员施加至方向盘1的力矩给主动齿轮6，该主动齿轮与一个齿杆8啮合，该齿杆相对两个被控车轮11之间的汽车轴水平地设置。主动齿轮6也可以通过任何其它的传动机构构成，例如由蜗杆轴构成。每个被控车轮11能够在齿杆8直线运动时围绕一个竖直转动轴线A转动，其中，被控车轮11通过齿杆8被连杆10驱动。

该伺服转向***还具有伺服控制装置，用于对齿杆8施力，力的作用方向与主动齿轮6的力的方向相同，结果，减轻了车辆驾驶员对方向盘1的转动操纵。伺服控制装置包括作为电驱动装置的伺服电动机9，其输出力矩被电子控制器12控制，该控制器给伺服电动机9提供助力矩的额定值信号S。伺服电动机9的输出力矩将借助伺服电动机9的未示出的驱动轴被传递至齿杆8，进而传递给车轮11。因为待传递的力相当大，所以伺服电动机9的驱动轴一般通过未详细示出的滚珠传动装置14作用于齿杆8。

伺服电动机9的驱动轴因此通过滚珠传动装置14、齿杆8和主动齿轮6与操纵杆13机械联接。不过，驱动轴和操纵杆13之间的机械联接也可以直接实现，其做法是，驱动轴通过适当的传动装置直接作用于操纵杆13。伺服电动机9的驱动轴此时支持方向盘1的回转，其做法是，它借助上述的机械装置对操纵杆13施加辅助力矩，辅助力矩直接取决于伺服电动机9的输出力矩，因而取决于辅助力矩的额定值信号S。

控制器12一般是如此构成的，因为到来的输入信号例如来自转矩传感器4的转矩DM和/或来自转向角度传感器5的转角DW的输入信号，所以计算出要由伺服电动机9施加的辅助力矩的大小，并且将相应的额定值S发送给伺服电动机9。此时，借助存储在控制器12中的适当的表，一般如此确定辅助力矩，即依据计算出的转角DW差和转向角度传感器15所测量的车轮11转向角度LW来确定将由伺服电动机9施加的辅助力矩。如此选择辅助力矩的大小，就总体为了操纵车轮11而要施加在方向盘1上的力矩来说，可由驾驶员良好掌控的剩余力矩是多余的。为此，辅助力矩一般也取决于对车轮11的转向力矩有影响的参数，例如转角速度、温度、车辆行驶状况、路况等。

此外，还公开了机电作动式伺服转向***的特殊形式，其中，在方向盘1和齿杆8之间的机械联接被分开。在所谓的线控转向***中，由方向盘1施加到齿杆8的力和力矩必须通过相应的电气装置来模拟，该电气装置还是保留当然包括上述的基本原理。

转向***与制动设备一样是安全总成，它绝不应该失效，因为失效的后果可能不像对机动车而言同样重要的其它总成出故障那样严重。因此，在这种安全总成中必须采取将这种总成出故障的几率降至可忽略不计的最低水平的特殊措施。

为此，采用了本身已知的策略，将该总成的相关组成部件再备份一套，甚至备份多套，以便能在出故障时切换到另一个组成部件。为了能断定组成部件是否正确工作，多个同样的组成部件可以彼此独立地同时工作，并且通过比较其工作效果是否相同来推断该组成部件是否正确工作。

对安全的上述要求尤其适用于由电动助力支持的伺服转向***，该伺服转向***利用电控装置和控制回路以及电传感器来工作。这样的电的转换回路确实能耐磨损地工作，但可能因零部件受损或老化而还是出故障。但在机械零部件出现故障时大多本来就通过容易发现的症状(发出咔咔声、漏油等)而预知并且表明有损坏，而电气件通常无法预见地发生故障并且只能间接发现损坏。该事实比任务是主要先操控重型车辆的伺服转向***要重要的多。

但是，上述的安全策略只能有条件地应用。在许多情况下，可能出于成本原因、结构空间不够或不认为重要的原因，组成部件不用多次同时工作。这例如对伺服转向***的相对重而昂贵的、占用较大结构空间的驱动装置来说就是如此。一般所采用的伺服电动机为三相交流电动机，其中主要呈星形接线的三个线圈产生一循环的旋转场，该旋转场带动电动机转子。在这种电动机所具有的全部优点的同时，其同样有以下缺点，电动机线圈出故障不光是简单地保持不工作，而且还产生制动力矩，该制动力矩不仅不支持驾驶员的转向操纵，而且可能还明显阻碍转向操纵。

因此，已经在考虑如果一个线圈出故障时该如何应对。为此，在现有技术中，伺服电动机的线圈呈星形接线，并且本身通过零点相互连接的线圈通过一个中点继电器相互连接。如果现在断定三个线圈之一出了故障，则中点继电器被断开，因而，三个相互连接的线圈的端头被断开。为此，所有线圈瞬间切换至无电流，并且驱动电动机不工作，除了其机械摩擦外。通过这种方式，可靠防止电动机可能对抗由驾驶员施加的力，又除了电动机的机械惯性和磨擦外。当然还留有以下缺点，即，在只有一个线圈出故障时，还是突然中止伺服转向中的助力支持。

DE102005015783A1公开一种电驱动装置的操作装置，包括有至少两个线圈的电驱动装置，所述线圈为提供转矩可被施以电压，该电压具有至少两个不同的电压相，该不同的电压相可分别对应于线圈以产生旋转场，还包括一个控制单元用于控制电驱动装置，该电驱动装置的线圈彼此间电流去耦合并且可通过控制单元被相互独立地控制，该控制单元如此配置，即可以产生产生旋转场所需的电压相并且可被相互独立地输送给其各自对应的线圈，以便其控制。

发明内容

本发明基于以下技术问题，提供用于操作技术装备的装置和方法，其包括电驱动装置，该电驱动装置具有至少三个线圈，该装置和方法保证在出现故障时能更好地支持驾驶员。

通过具有权利要求1和11的特征的主题来解决该技术问题。由从属权利要求中得到本发明的其它有利实施方式。

用于操作技术装备的装置包括电驱动装置，该电驱动装置具有至少三个线圈，该线圈为提供转矩而可被施以电流，该电流具有用于线圈的不同电流相，该不同电流相分别对应于该线圈以产生旋转场，还包括一个控制单元用于控制该电驱动装置，其中该线圈相互呈星形布置并且对应于中点的线圈端头通过一个中点继电器相互连接，其中，一个诊断单元与该线圈相连，该诊断单元监测该电驱动装置和/或该控制单元是否存在该驱动装置的至少其中两个所述线圈无故障工作，并且在断定有少于两个的无故障工作的线圈后断开该中点继电器。

这种措施的优点基于以下认识。根据现有技术，中点继电器在确定交流电动机的至少一个线圈出故障时按规定断开。为此，电动机的所有线圈瞬间断开并且与电流供电装置断开。这实际上意味着电动机近似不工作，除了其惯性和磨擦之外。这种常规做法在图2被象征性示出。

如结合图3所述，现在已经出现以下新的研究。通常用伺服辅助手段施加的转矩为3Nm(牛顿米)。根据图2，如果断开中点继电器，则由驾驶员通过方向盘施加的转矩为大约40Nm。在电动机的唯一一个线圈出故障时的由驾驶员施加的最大转矩约为43Nm。因此，在中点继电器断开和在一个电动机线圈损坏的最不利情况下的转矩差因而较小。当然对驾驶员来说，两者情况意味着他必须施加相当大的力来操控车辆。

图3还表明，在具有三个线圈的三相交流电动机的两个和三个线圈损坏时，驾驶员所施加的力可能明显增大，从而无法再在任何情况下保证安全的车辆转向操控。在此情况下，中点继电器的断开是有意义的。

就是说，如果是具有三个线圈的驱动装置，则在单相故障时没有出现出故障的相的断开。在有m线圈时，其中m＞3，只要有至少两个线圈在无故障地工作，这同样适应。

在一个优选实施方式中，诊断单元或者控制单元在断定还有至少两个无故障工作的线圈和至少一个出故障的线圈后如此调整供给无故障的线圈的电流的大小和/或相位，即其在中点继电器接通时通过驱动装置提供最佳的功率或者说支持辅助量。就是说，通过改变余下的无故障的相位或者线圈的控制来补偿故障电流，这相当于改变了电动机换向。因此，又可以给驾驶员提供助力或者说辅助力矩。

在另一个优选实施方式中，诊断单元在断定有两个按规定工作的线圈时分类出故障的线圈的故障并且依据故障分类结果来改变无故障工作的线圈的电流的大小和/或相位。最好如此分类出故障的线圈，它是否具有单相电动机相位短路、电动机相位断路、电动机相位中的线圈短路、单相接地、对供电电压的单相短路或者相对中点继电器的触点打开。

在一个优选实施方式中，该技术装备为机电伺服转向装置。

虽然对驾驶员相当有利的是尽管驱动装置只以两相工作而仍然给驾驶员提供助力支持，但驾驶员必须对此考虑，当只以驱动装置的两个线圈按照时间段并取决于当时转向角度地工作时，起因于电动机出现振动和晃动，这令人不适地可在方向盘上感觉到。业已表明，这种故障本身可由此明显加以减轻，即由驱动装置供给的功率被减小。因此，最好通过诊断单元按照测定方式来收回所提供的功率，以允许在助力支持和无故障转向操作之间获得最佳效果。

业已表明，与只有电动机的唯一一个线圈不正常工作的事实无关，在线圈上可能出现的不同故障也能以晃动的不同形式和强弱表露出来。各个可能的故障或者故障分组最好对应于某个故障类型，只要所述故障或故障分组在电动机中引起相似的反应。最好使各个故障类型又对应于一定(百分比)数值，由电动机所提供的功率将以该数值收回。

在另一个优选实施方式中，该诊断单元如此减小电动机要提供的功率，对应于驾驶员期望转矩的电动机额定转矩将被减小。

在另一个优选实施方式中，支持功率的减小取决于***控的车辆的实际行驶状况和/或出故障的线圈的故障类型。

如果车辆例如高速行驶在公路上，则电动机的支持功率可以相应多地收回，因为驾驶员在高速下应该更强烈感觉到转向，用于也能精确控制小的转向角度。而一般由于公路险情较小，所以可能很不适地感到方向盘的抖振。相反，在低速过小弯时，赞同由伺服电动机提供更多辅助支持，因为一般出现较大的公路险情和本来就激烈的方向盘运动，其晃动不太起决定作用。

在本发明的改进方案中，经过诊断的电动机状态可存储在车辆中，从而它在行驶中可供使用并且在车辆维修时可被读取。此外，可以通过声音信号和/或光学信号来告诉驾驶员电动机的状态，在此，只有电动机的一个线圈带故障操作的状态被称为不太严重的故障，出现这样的故障时，车辆还能顺利行驶至适当的工场。大多数情况下，在点火装置断开和重新接通之后，车辆出现全新的行驶状况。因此，例如可以消除电动机上的故障。优选在点火装置断开和重新接通之后重新进行完整的诊断。与此无关地，所存储的故障值和对应的状态被一直保留和处理，直到其被新的值取代。

用于该装置的实施方式有意义地也适用于本发明的方法，因此参见上述的实施方式。

附图说明

以下将结合附图来说明本发明的多个实施例，其中：

图1以草图表示伺服转向***的常用结构(现有技术)，

图2表示本身已知的方法，在驱动电动机的一个或多个线圈出故障时总是断开中点继电器(现有技术)，

图3表示与在功能正常的伺服转向装置、电动机断开和一个或多个有缺陷的线圈时由转向装置施加的转矩相关的大量测量结果，

图4以象征性视图表示电动机线圈与功率电子装置的连接和一个电动机线圈的其它故障情况，

图5是流程图，表示诊断单元的工作方式或者说在诊断单元中运行的方法的工作方式。

具体实施方式

图2以象征形式示出了三相交流电动机的三个呈星形接线布置的线圈。用虚线表示在这些线圈中的作为线圈故障的短路，在这里，该故障一次出在唯一一个的线圈上，另一次出在两个线圈上。根据现有技术，在这两种情况下并且当然在三个线圈都出故障时，同时断开一个共同的中点继电器的触点，由此一来，线圈没有电流，电动机不工作，抛开其惯性和其固有磨擦不谈。总之，图2表明，在线圈出故障时，即便只有电动机的一个线圈出了故障，根据现有技术，也要中断整个伺服支持作用。

图3表示许多测量结果，其表明，对于中点继电器的断开，如果只有一个电动机线圈带故障工作，则没有重要缘故。对于伺服电动机通过中点继电器被完全断开(40Nm)以及只有一个线圈出故障的最糟糕情况(43Nm)，与一个正确工作的伺服转向装置(3Nm)相比施加10倍转矩对驾驶员来说总是够了。考虑到可通过改变流经两个尚无故障的线圈的电流的相位和/或大小来实现对转向操控的明显支持的事实，只要电动机还有两个线圈在正常工作，则不断开中点继电器似乎是有意义的。另一方面，在至少两个出故障线圈时可能的用于转向所需的转矩如此高(55Nm或者70Nm)，结果，似乎在此情况下要断开中点继电器。

图4作为图2的补充表示在电动机线圈上其它可能有的故障。此时，图4示出了控制电子装置45，借此并通过功率晶体管给端子U、V、W供应交流电流，该交流电流通过适当的电路从作为直流电源的车辆电池中获得。这种电路原则上是已知的并且应该在此无需详细说明。三个线圈Ru、Rv、Rw应该与端子U、V、W电流连通。图4现在作为可能有的相位故障(故障1)示出了端子U和线圈Ru之间的断开。同时，图4还示出了故障2，此时，指向中点的线圈Ru端头与中点的联接断开。与根据图2的一个或者两个线圈短路不同，图4因此示出了在一个线圈上可能有的呈连接线路断开形式的故障。在仅涉及一个线圈的所有故障时，按照本发明，中点继电器不被断开。

图5最后结合流程图表示在本发明的装置或者本发明的方法中运行的步骤。该过程如此开始，该装置尤其是伺服转向***的诊断单元检查三相交流电动机并且对于电动机本身是否处于正常工作或是否有故障做出判断。这种检查例如原则上可以如此进行，将各个线圈上的状态进行相互比较，当有偏差时划分为相应的故障。此时，其测量结果相对另外两个线圈上的结果而言相差够大的那个线圈可被标记为出故障。如果诊断单元未发现故障，则诊断结束，随后隔了适当一段时间后重复诊断。如果发现电动机出现故障，则判断是否是仅涉及唯一一个线圈的故障或是涉及多个线圈的故障。如果判定多个线圈出现故障且因而输入电流的多相出了故障，则该中点继电器将被断开，进而该三相交流电动机切换至无效状态。

如果只发现涉及唯一一个线圈的故障和进而单相电动机故障，则该中点继电器保持接通，并且根据当时的单相故障接通用于两个功能尚完好的电动机线圈的电流的规定调整策略。这构成电动机的所谓两相紧急操作，这还是为转向装置提供了一定的伺服功率。同时，所发现的故障被记入存储器中，并且可向驾驶员发出光学报警和/或声音报警，在这里，报警表示驾驶员可以无危险地驶向最近的工场。

虽然迄今描述的步骤可被尽量用于所有要求通过三相交流电动机输出功率的装置，但是以下步骤对于汽车的伺服转向装置是很有利的。这些步骤涉及伺服电动机的支持功率的收回，用于减少或者说尽量减小转向操控的力矩波动，因而也减少或尽量减小方向盘的力矩波动。在最简单的情况下，该减少可以通过与实际行驶状况无关的按规定收回功率来实现。但是，该减少最好根据车辆的当时行驶状况来进行。就是说，在行驶中的辅助支持的范围此时可以根据行驶状况多次改变。

如果上述步骤全部执行，则还要询问在端子15上的电流是接通还是断开。端子15还涉及点火装置状态，就是说是否借助点火线圈还接通点火装置或者已断开点火装置。如果点火装置还是接通的，则支持功率只根据行驶状况而变。但如果点火装置此时断开并又被接通，则电动机故障可能在此时发生变化，因为例如不再存在因蒸发液体引起的短路或者电动机已修复。因此，在重新接通点火装置后，将全新地执行借助诊断单元的整个诊断。

总之，本发明可以简述如下。本发明的出发点是，在包括同步电动机的机电转向***中(见图2)，在安全设计范围内采用一个中点继电器用于避免转向***在电动机短路时锁死。中点继电器的工作方式在于，在发现同步电动机电路中有故障时，断开中点继电器，以避免永磁激励同步电动机的高制动力矩。在短路时，短路电流造成高的制动力矩，结果，可能出现转向操控锁死。此时，锁死力矩对应于转向操纵速度。图2所提出的在出故障时断开电动机相的做法防止了高的制动力矩，该制动力矩在极端情况下使得车辆不可掌控。但是事实表明，只在3相或2相出故障或者短路时可能出现不可控的制动力矩。

本发明的目的是，在转向***的诊断单元发现同步电动机的单相短路或者相中断(图4例子中的相U)时保持支持功率减小的紧急操作。这意味着，同步电动机余下的两个无故障相(在图4的例子中是相W和V)利用适当的调整策略在出故障情况下也被通电。调整策略此时适应于当时的故障类型。中点继电器的断开在此故障情况下不发生。因此，保证了保持获得用于转向力支持的力矩输出并且该转向***保证最大可用性(供转向支持使用)。

Claims (11)

1.一种包括电驱动装置(9)的操作技术装备的装置，该电驱动装置具有至少三个线圈(Ru，Rv，Rw)，所述线圈为提供转矩而能被施加电流，其中该电流具有用于线圈(Ru，Rv，Rw)的不同电流相，该不同电流相分别对应于该线圈(Ru，Rv，Rw)以产生旋转场，还具有一个控制单元(12)用于控制该电驱动装置(9)，其中该线圈(Ru，Rv，Rw)相互呈星形布置并且对应于该中点的线圈(Ru，Rv，Rw)端头通过一个中点继电器相互连接，其特征是，一个诊断单元与该线圈(Ru，Rv，Rw)相连，该诊断单元监测该电驱动装置(9)和/或该控制单元(12)是否存在该驱动装置的至少其中两个所述线圈(Rv，Rw)无故障工作并且在确定有少于两个的无故障工作的线圈(Rv，Rw)后断开该中点继电器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该诊断单元在断定还有至少两个无故障工作的线圈(Ru，Rv，Rw)和至少一个出故障的线圈时如此调整供给无故障的线圈的电流的大小和/或相位，即其在中点继电器接通时通过驱动装置(9)提供最佳的功率。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该诊断单元在断定有两个符合要求工作的线圈(Ru，Rv，Rw)时分类出故障的线圈的故障并且根据故障的分类来改变用于无故障工作的线圈的的电流的大小和/或相位。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，该诊断单元如此分类出故障的线圈，它是否具有单相电动机相位短路、电动机相位断路、电动机相位中的线圈短路、单相接地、对供电电压的单相短路或者相对中点继电器的触点打开。

5.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，该技术装备是机电伺服转向装置。

6.根据权利要求1至5之一所述的装置，其特征在于，该诊断单元在断定只有两个无故障工作的线圈(Ru，Rv，Rw)时减小由电动机(9)提供的功率。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，该诊断单元根据出故障的线圈(Ru，Rv，Rw)的故障类型减小由电动机(9)提供的功率。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，该诊断单元如此减小电动机(9)所提供的功率，即对应于驾驶员期望转矩(5)的电动机(9)额定转矩(S)被减小。

9.根据权利要求6至8之一所述的装置，其特征在于，支持功率的减小取决于被控车辆的实际行驶状况和/或出故障的线圈(Ru，Rv，Rw)的故障类型。

10.根据权利要求1至9之一所述的装置，其特征在于，该诊断单元在车辆点火装置断开并重新接通后采取对电动机线圈的重新诊断。

11.一种操作技术装备的方法，包括电驱动装置(9)，该电驱动装置(9)具有至少三个线圈(Ru，Rv，Rw)，所述线圈为提供转矩而能被施加电流，该电流按常规具有三个不同的电流相，所述三个电流相可分别对应于该线圈(Ru，Rv，Rw)以产生旋转场，还具有控制单元(12)用于控制该电驱动装置(9)，其中该线圈(Ru，Rv，Rw)相互成星形布置并且对应于中点的线圈(Ru，Rv，Rw)端头通过一个中点继电器相互连接，其特征在于，一个诊断单元与该线圈(Ru，Rv，Rw)连接，该诊断单元监测该电驱动装置(9)和/或该控制单元(12)是否存在该驱动装置的至少其中两个线圈(Rv，Rw)无故障地工作并且在断定有少于两个的无故障工作的线圈(Rv，Rw)之后断开该中点继电器。

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