用于电动马达的开关机构、控制装置、转向系统的制作方法

本发明涉及一种用于尤其是机动车的转向系统的电动马达的开关机构，该开关机构具有至少一个具有两个半导体开关的用于按需要给所述电动马达的至少一个相位通电的半桥，其中，所述半导体开关分配有驱动器机构，所述驱动器机构根据操控信号来操纵所述半导体开关。

此外，本发明涉及一种用于具有多个电相位的尤其是机动车的转向系统的电动马达的控制装置，所述控制装置对所述电动马达的相位中的每个相位来说具有如上面所描述的那样的开关机构并且具有控制单元，所述控制单元构造用于产生操控信号，以用于操纵所述开关机构。

此外，本发明涉及一种用于机动车的转向系统，所述转向系统：具有转向手柄；具有至少一个能转向的车轮，所述能转向的车轮的转向角尤其能够根据对于转向手柄的操纵或者自动化的转向角预先给定来调节，其中所述转向系统具有至少一个具有多个相位的电动马达，所述电动马达用于向所述能转向的车轮加载转向力矩或者支持性转向力矩；并且具有上面所描述的用于对所述电动马达的相位进行操控的控制装置。

此外，本发明涉及一种用于运行用于具有多个电相位的马达的、尤其如上面所描述的那样的控制装置的方法，其中对所述电动马达的相位中的每个相位来说都存在着开关机构。

背景技术：

开头所提到的类型的开关机构、控制装置和转向系统从现有技术中为人所知。为了运行电动马达，通常借助于半导体半桥来操控所述电动马达的各个相位。这些半桥分别具有两个半导体开关、高侧开关和低侧开关，所述两个半导体开关通过脉宽调制来操控，以用于按照预先给定的脉宽调制来给所述相位通电。借助于经常被称为门驱动器（gatetreiber）的驱动器机构来操纵所述半导体开关，用于传导电流或者用于中断电流传导。

为了对于在对安全来说意义重大的应用中的电动马达来说能够持久地保证安全的运行，此外知道冗余地设置并且操控这样的电动马达，从而比如多重设置了电动马达的相位。在应该在不取决于驾驶员的情况下在自主的驾驶运行中引起对于驾驶员的电动的支持或者电动的转向角调节的转向系统的领域内，知道冗余地设置多个相位并且通过自身的半导体-半桥来操控这些相位中的每个相位。为了在正常运行中不出现误力矩或者类似情况，必须同时转换所述半导体开关或者所述半导体-半桥。为此，知道将所述半桥中的每个半桥或者所述半导体开关中的每个半导体开关单独地与控制单元连接起来，以用于向其输送操控信号，从而即使在所述相位之一或者所述半导体开关之一失灵时也保证安全的运行。但是，这意味着高的电缆敷设开销，所述高的电缆敷设开销一方面向所存在的结构空间提出要求并且另一方面导致不受欢迎的材料成本及装配成本。一种相应的控制装置比如从公开文献us2004/0264075a1中得到了公开。

技术实现要素：

所述按本发明的具有权利要求1的特征的开关机构拥有以下优点：能够放弃昂贵的、用于对多个开关机构进行操控的电缆敷设开销。各个开关机构为此能够如此构成，使得其本身保证，其以所期望的工作时钟或者以所期望的工作时钟频率进行工作，使得所需要的电缆敷设不太昂贵。按照本发明，为此而规定，所述驱动器机构具有用于产生工作时钟频率的振荡器、用于接收同步信号的器件以及用于根据所述同步信号对所述工作时钟频率进行调整的机构。所述开关机构因而构造用于：根据外部输送的同步信号来对其工作时钟频率进行调整，从而，如果设置一种具有多个这样的开关机构的控制装置，则保证所述开关机构在实际上在所期望的时刻转换，从而比如同时转换所述电动马达的冗余的相位并且由此能够实现所述电动马达的无故障的运行。通过根据同步信号对所述工作时钟频率进行的调整，来保证各个开关机构彼此并行地被脉冲激发（getaktet）并且由此同时根据所述操控信号来转换。

按照本发明的一种优选的实施方式来规定，所述机构具有计数器，所述计数器用于根据同步信号来检测所述振荡器的实际-工作时钟频率。尤其规定，所述计数器在接收所述同步信号时针对能够预先给定的时间的持续时间或者针对所述同步信号的持续时间给所述振荡器的振荡进行计数，并且由此确定所述振荡器的实际-工作时钟频率并且尤其将其与预先给定的目标-工作时钟频率进行比较。所述开关机构为此而适宜地具有非易失性存储器，在所述非易失性存储器中保存了或者能够保存所述目标-工作时钟频率。根据所述实际-工作时钟频率与所述目标-工作时钟频率的比较来改变所述振荡器的工作时钟频率，直至所述实际-工作时钟频率对应于所述目标-工作时钟频率。由此保证，所述开关机构以所期望的工作时钟频率来工作并且由此如前面所描述的那样能够与另外的开关机构并行地被转换。所述计数器优选不仅用于进行同步，而且也用于所述电动马达的正常运行。通过对于所述同步脉冲的计数，尤其进行所述控制装置的定向，所述控制装置根据所计数的同步脉冲来确定所述系统处于何种状态中。因此，能够根据所述定向来执行指令或者附加指令，从而比如对于每第x个同步脉冲或者微拍（mikrotick）来说执行特定的指令。由此比如也能够对所述半导体开关进行相对于所述同步信号延迟的操控。

按照本发明的一种优选的改进方案来规定，所述振荡器构造为受控制的、尤其是电压控制的或者电流控制的振荡器，并且所述机构构造用于改变所述振荡器的输入信号、尤其是输入电压或者输入电流，以用于调整其工作时钟频率。由此，通过如上面所描述的那样改变所述受控制的振荡器的输入信号来调整所述振荡器的实际-工作时钟频率，以用于实现所期望的工作时钟频率。

此外优选规定，所述驱动器机构具有数据总线接头。通过这个数据总线接头，所述驱动器机构尤其得到用于转换所述半导体开关的操控信号。通过连接到所述数据总线上，能够快速而可靠地传输所述操控信号。此外，通过所述数据总线，通过简单而成本低廉的方式方法能够将所述开关机构彼此串联起来，在那里通过所述开关机构的按本发明的构造来保证，此后所述开关机构以同一个工作时钟频率来工作并且由此保证所述开关机构的串联或者可靠的并行运行。

尤其规定，所述驱动器机构构造用于以菊花链（daisy-chain）-串联线路来接收并且传送所述操控信号。在此因而规定，所述开关机构接收所述操控信号并且随后将其传送或者能够传送给另一个开关机构，从而提供多个这样的开关机构的菊花链或者串联线路，所述菊花链或者串联线路允许同时转换所述半导体开关、尤其是电动马达的冗余的相位。

所述按本发明的具有权利要求6的特征的控制装置的突出之处相应地在于按本发明的用于所述电动马达的相位中的每个相位的开关机构并且在于一种控制单元，其中所述控制单元构造用于：一方面产生所述操控信号并且将其输送给所述开关机构中的至少一个开关机构并且另一方面产生至少一个同步信号并且将其输送给所述开关机构中的每个开关机构。在此因而规定，所述尤其是具有微处理器的控制单元比如根据对于转向手柄的操纵来产生所述操控信号并且将其输送给所述开关机构中的至少一个开关机构，以用于相应地操纵所述开关机构。所述控制单元由此向所述开关机构中的每个开关机构输送同步信号、尤其是同步脉冲并且向所述开关机构中的一个或者多个开关机构输送所述操控信号，以用于实现对于所述半导体桥的相同地脉冲激发的操控。由于所述开关机构的按本发明的构造，这些开关机构在其工作时钟频率方面彼此相匹配，从而对所述电动马达的相位进行有利的通电或者布线。

尤其规定，所述开关机构中的至少一些开关机构以组的形式作为菊花链来串联，以用于将所述操控信号从一个开关机构传送给另一个开关机构。在此，所述开关机构优选以至少两个组相应地作为菊花链来串联，其中在此相应地向所述开关机构之一输送所述操控信号，或者所有开关机构作为菊花链来串联，并且向所述开关机构中的仅仅其中一个开关机构输送所述操控信号，该开关机构将所述操控信号传送给接下来的开关机构。通过构造为菊花链的结构而产生用于所述开关机构的特别小的电缆敷设开销，因为尤其仅仅必须将所述操控信号输送给所述开关机构之一。由此，如前面已经探讨的那样，实现结构空间优点并且降低制造成本。

优选在此规定，所述控制装置具有十二个开关机构，以用于操控所述电动马达的十二个相位，所述电动马达构造为具有4倍冗余的3相电动马达。如果比如所述开关机构之一失灵，那就能够用剩余的十一个开关机构来继续运行剩余的相位。作为具有12个相位的电动马达的构造的替代方案，也能够考虑通过多个子马达来构成所述电动马达，所述子马达比如分别具有三个相位，因而所述电动马达总共具有四个子马达，所述四个子马达也能够彼此独立地运行，只要它们没有机械地彼此耦合。此外，所述电动马达也能够具有3个以上的相位和/或四倍以上或者四倍以下的冗余度。

按照本发明的一种优选的改进方案，设置仅仅一个控制单元，所述控制单元构造用于：操控所有开关机构、尤其向其加载所述同步信号并且如前面所描述的那样将所述操控信号输送给所述开关机构中的至少一个开关机构。作为替代方案，所述控制装置优选具有至少两个控制单元，所述控制单元相应地构造用于：为了冗余地操控所述相位或者相位系统/相位组而操控一组开关机构或者驱动器机构、尤其是输送所述同步信号并且向相应的组的开关机构中的至少一个开关机构输送所述操控信号。由此，即使所述控制单元之一失灵，也能够继续运行所述电动马达。

按照本发明的一种优选的改进方案来规定，相应的控制单元为至少两组开关机构产生至少一个同步信号，所述至少一个同步信号引起所述半导体开关的在时间上彼此错开的工作时钟频率或者操纵。由此，实现所述电动马达的或者电动马达的不同的相位或者子马达的错开的时钟脉冲（takt），由此中间电路电容器构造得更小，这引起结构尺寸和制造成本的降低。通过所述至少一个同步信号，来提供关于对于所述半导体开关或者相应的开关机构的半桥的错开的操控的信息。

尤其为此而规定，所述相应的控制单元产生两个具有在时间上彼此错开的同步脉冲的同步信号。由此，已经通过所述同步信号的同步脉冲以简单的方式方法来实现时间上的错开。由此，在所述至少两组开关机构的半桥中开始脉冲模式的时间上错开的输出。所述同步脉冲的时间上的错开引起所述组的开关机构或者子马达之间的脉冲模式的所期望的时间上的错开。

作为替代方案优选规定，所述相应的控制单元产生具有至少一个能够由所述开关机构所检测的字符的同步信号，其中所述开关机构根据所述字符来实施对于所述半导体开关的操纵。由此仅仅产生一个具有同步脉冲的同步信号，将所述同步信号输送给所述两组开关机构。与所述同步信号一同传输的字符由智能的开关机构来检测。相应的组的开关机构构造用于检测并且测评所述字符，以用于根据所述字符相对于所述同步脉冲同步地或者延迟地实施对于所述半导体开关的操纵。所述字符在此尤其包含关于所述开关机构中的哪个开关机构应该延迟地操纵所述半导体开关的信息。由此，能够有针对性地预先给定，比如第一组开关机构相对于第二组开关机构延迟地被脉冲激发或者延迟地操控所述相位。

所述按本发明的具有权利要求13的特征的转向系统的突出之处在于所述按本发明的控制装置。在此产生已经提到的优点。

所述按本发明的具有权利要求14的特征的方法的突出之处在于，一方面产生操控信号并且将其输送给所述开关机构中的至少一个开关机构，并且另一方面产生至少一个同步信号并且将其输送给所述开关机构中的每个开关机构。由此产生已经提到的优点。尤其所述控制装置构造用于实施所述按本发明的方法。

另外的优点和优选的特征和特征组合尤其从前面所作的描述中并且从权利要求中得出。

附图说明

下面要借助于的实施例对本发明进行更详细解释。为此：

图1以简化的图示示出了一种有利的开关机构；

图2以简化的图示示出了所述开关机构的运行；

图3示出了一种用于转向系统的电动马达的控制装置；并且

图4示出了所述控制装置的另一种实施例。

具体实施方式

图1以简化的图示示出了一种开关机构1，该开关机构构造用于：操控电动马达的相位x或者按需要给其通电。所述开关机构1在此构造用于为了给所述相位x通电而实施脉宽调制方法。所述开关机构1为此具有驱动器机构2，所述驱动器机构根据操控信号s在脉宽调制的情况下操纵、也就是导电地或者中断地转换两个被共同联接成半桥5的半导体开关3、4。所述半导体开关3在此构造为高侧开关并且与供给电压（+）相连接，并且所述半导体开关4构造为低侧开关，所述低侧开关与地线（masse）（-）相连接。

为了接收所述操控信号s，所述开关机构1具有总线接口6，借助于所述总线接口所述开关机构1能够连接到尤其是机动车的数据总线上。所述接口6在此构造用于：如通过箭头勾画的那样接收并且传送所述操控信号s。此外，所述驱动器机构2具有振荡器7，该振荡器构造为受控制、尤其是电压控制或者电流控制的结构并且预先给定所述开关机构1的工作时钟频率。由此，所述振荡器7根据其输入信号、尤其是输入电压或者输入电流来改变所述工作时钟频率。此外，所述开关机构1具有用于接收同步信号ss的器件，其中所述同步信号ss由比如也产生所述操控信号as的外部的机构来输送。所述器件尤其是具有另一个总线接口或者由所述总线接口6来一同构成。

此外，所述开关机构1具有如下机构8，该机构用于根据所接收的同步信号ss来确定所述振荡器7的实际-工作时钟频率并且在偏离目标-工作时钟频率时如此改变所述振荡器7的输入电压，使得所述实际-工作时钟频率对应于所述目标-工作时钟频率。

由此实现这一点：所述开关机构1能够同步到一个工作时钟上，这如后来详细探讨的那样在将多个这样的开关机构1用于操控电动马达的多个相位时尤其提供优点。尤其所述开关机构1的接头、尤其是微控制器接头的数目被限制到四个。由此提供容易地构成的开关机构1，所述开关机构就此而言形成智能的半桥2。尤其设置用于接收所述同步信号ss的第一接头、用于接收所述操控信号as的第二接头、用于传送所述操控信号as的第三接头以及用于接收所述工作时钟频率的第四接头。尤其所述驱动器机构2在此具有微控制器，所述微控制器接收、测评所述信号并且操控或者操纵所述半导体开关3、4。

图2以简化的图示示出了所述开关机构1的同步。所述机构8接收所述同步信号ss并且借助于计数器z随着所述同步信号ss的收到而给所述振荡器7的振荡进行计数。比如借助于减法器9将所检测到的振荡的数目与目标数目进行比较或者从所述目标数目中减去，其中所述机构8根据所获取的差来改变所述振荡器7的输入信号，以用于使所述振荡器频率os与所述目标-工作时钟频率相匹配。

此外，借助于所述计数器z进行定向，方法是：对所述同步信号的同步脉冲的数目进行计数和监控。由此，能够以预先确定的同步脉冲实施所期望的操控指令。尤其在此比如能够对所述半导体开关3、4实施延迟的操控。

图3示出了一种控制装置10，在该控制装置中使用有利的开关机构1。所述控制装置10构造用于操控电动马达11或者所述电动马达11的三个相位u、v、w。所述电动马达11在此具有四倍的相位u、v、w、也就是四个相位系统，因而其最终包括十二个相位，所述相位彼此独立地分别通过如前面所描述的那样的开关机构1操控。由所述相位u、v、w构成的相位系统因而在所述电动马达11中多重冗余地得到实现，其中通过所述控制装置10进行的操控也相应地冗余地设计而成。

如前面已经描述的那样，为此所述相位u、v、w中的每个相位分别配属于所述开关机构1之一，其中所述相位被划分为四个组/系统u1、v1、w1；u2、v2、w2;u3、v3、w3和u4、v4、w4。在图1中示出的相位x因而被所述相位u1到w4之一所取代。

所述开关机构1在此同样被分组，其中配属于相位u1、v1、w1、u2、v2和w2的开关机构1形成第一组12，并且配属于剩下的相位的开关机构1形成组13。相应的组12和13的开关机构在此彼此串联地作为菊花链来连接，其中总线接口构造用于将所接收的操控信号as传送给所述组的接下来的开关机构1。所述开关机构1能够通过spi-或者swr-接口来彼此间连接并且与所述控制装置10相连接。

所述操控信号as由用于所述两个组的控制单元14作为操控as_1或者as_2来产生。在此，所述控制装置10和所述电动马达11是机动车的在这里未更详细示出的转向系统的组成部分，使得所述控制单元14尤其根据对于所述机动车的转向手柄、尤其是方向盘的操纵来产生所述操控信号as，以用于通过所述电动马达11来产生支持性的转向力矩或者取代手动的转向力矩的马达的转向力矩。所述控制单元14适宜地与转子角度传感器15相连接，所述转子角度传感器对所述电动马达11的转子角进行监控，以用于保证对于所述电动马达11的正确的操控。

所述控制单元14不仅产生所述操控信号as而且产生所述同步信号ss。所述操控信号as_1/as_2仅仅被输送给相应的组12、13的开关机构1，所述开关机构而后将所述操控信号as_1/as_2传送给相应的组中的接下来的开关机构1，而所述同步信号ss则直接被输送给每个开关机构1，以用于实施所述开关机构的相对于彼此的同步。在此，向每个组12、13输送自身的同步信号ss。所述开关机构1在此此外与电压源16、像比如机动车电池相连接，从所述电压源中取用用于给所述相位u1到w4通电的能量。

通过所述控制装置10的有利的构造来实现这一点：将用于对所述开关机构1进行操控和同步的电缆敷设开销保持低的水平并且由此降低制造成本和装配开销。同时保证对于所述电动马达10的操控的高的冗余度，所述高的冗余度即使在一个相位或者相位系统失灵时也保证所述电动马达11的继续运行。所述开关机构1此外以两个组的形式构造用于形成两条串联线路或者菊花链，由此在所述组之一中的操控信号as的传送失灵时能够进行另一组的继续运行并且由此降低整个系统的失灵可能性。

作为所示出的实施例的替代方案，也能够考虑，所有开关机构1被合并在唯一的组中，使得所述控制单元10的唯一的操控信号as足以用于操控所述开关机构1并且通过所有开关机构1来传送，因而所有开关机构1串联。

图4示出了所述转向系统或者控制装置10的另一种实施例，其中从前一种实施例中知道的元件设有相同的附图标记。基本上仅仅对差别进行探讨。

与前一种实施例不同的是，在此规定，还进一步对所述开关机构1的菊花链或者串联线路进行划分，从而形成开关机构1的四个组12_1、12_2、13_1和13_2。所述组中的每两个组12_1、12_2或者13_1和13_2在此分别与控制单元14’或者14’’相连接。所述两个控制单元14’和14’’同样通过连接接口彼此相连接。所述控制单元14’、14’’在此按照所述控制单元14来构造并且分别操控所述组中的两个组12_1、12_2或者13_1、13_2，方法是：所述控制单元向每个组分别输送操控信号as_1’、as_1’’、as_2’、as_2’’并且向所述两个所配属的组的每个开关机构输送所述同步信号ss，其中也考虑到在此同样冗余地存在的转子角度传感器15_1、15_2的信号。在这里，在此也向每个组12_1、12_2、13_1、13_2输送自身的同步信号ss，以用于提高冗余度。这个控制装置10的冗余度由此相对于来自前一种实施例的冗余度还得到提高，因为这里为每个相位组产生自身的操控信号。

此外在图4中示出，也对所述开关机构1或者所述电动马达11进行冗余的供电。为此，所述电压源16具有两个接头16_1和16_2。作为替代方案能够规定，设置两个单独的电压源，所述电压源分别与所述组12、13之一相连接。由此也对所述控制单元14_1和14_2进行冗余的供电。所述控制单元14_1和14_2在此尤其通过两个彼此分开的总线系统与分别配属于其的组12_1、12_2、13_1和13_2的开关机构1相连接，从而保证了得到提高的可靠性。

按照所述转向系统的一种有利的改进方案，在时间上相对于彼此错开地操控所述电动马达11的相位组，由此能够缩小中间电路电容器，这引起结构尺寸及制造成本的降低。

这能够通过以下方式来实现，即：所述子马达或者所述相位组通过至少一个同步信号ss在彼此错开的情况下运行，其中所述同步信号ss的数目从所选择的控制装置10的拓扑结构中按照前面所描述的实施例来产生。

如果所述控制装置10如在图3中示出的那样比如仅仅具有一个控制单元14，其中所有开关机构1串联，那么所述控制单元14就尤其产生仅仅一个具有字符的同步信号ss，其由所述智能的开关机构1来接收和测评，其中这些开关机构根据所接收的字符来可能在时间上延迟地操控相应的半导体开关3、4，使得比如所述相位系统中的两个相位系统相对于剩下的两个相位系统来延迟地得到操控或者进行通电。在此如此产生所述字符，使得其尤其包含针对下述情况的提示：应该延迟地操控所述相位系统中的哪个相位系统。所述开关机构1的微控制器而后独立地延迟或者不延迟地操控所述相应的半导体开关。

作为替代方案，所述控制单元14以如在图3中示出的一样的拓扑结构产生两个同步信号ss，但是所述两个同步信号在时间上彼此错开地产生并且被输送给所述组12和13，使得其根据所述错开的同步信号在时间上彼此错开地给所述组12和13的相位通电或者对其进行操控。由此，通过所述同步脉冲的时间上的错开，以简单的方式方法也实现所述相位系统或者子马达之间的脉冲模式的所期望的时间的错开。以所述控制单元10的、如在图4中所示出的那样的拓扑结构来相应地运行/构造所述控制单元14_1和14_2，以用于相应地仅仅产生一个具有字符的同步信号ss或者相应地产生两个具有在时间上错开的同步脉冲的同步信号。