本发明涉及一种用于电机或电动机的尤其变频器或者伺服调节器的形式的控制设备。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于电动机的控制设备，所述控制设备能够在需要时引起尤其是场减弱的电动机的安全无扭矩状态。
本发明通过按照权利要求1所述的控制设备来解决所述技术问题。
按照本发明的尤其具有变频器形式的控制设备用于控制尤其具有电动机形式的电机。电动机例如可以是常规的同步电机或异步电机。
控制设备具有发动机控制单元，其被构造用于生成多个发动机控制信号。发动机控制信号的数量可以例如是六个或者多于六个。
控制设备还具有与发动机控制单元不相关的安全单元，所述安全单元被构造以便生成多个安全控制信号。安全控制信号的数量可以例如是四个或者多于四个。安全单元可以被构造，以便监控驱动系统的运行，所述驱动系统包含控制设备和电动机。为此可以设置合适的传感技术。对于安全单元检测到危机的或有错误的状态的情况，安全单元这样生成安全控制信号，使得出现尽可能安全的状态、尤其是无扭矩的或扭矩减小的状态，并且甚至不依赖于通过发动机控制单元所生成的发动机控制信号。
控制设备还具有驱动单元，其被施加发动机控制信号和安全控制信号，并且其被构造以便生成用于常规变流器单元的附属功率半导体的功率半导体控制信号。
控制设备还具有变流器单元，所述变流器单元具有多个电桥臂。数量可以例如是三个。通常，电桥臂在第一端处被施加正的中间电路电势，并且在第二端处被施加负的中间电路电势。电桥臂分别具有一个电桥输出端和分别具有两个或多个功率半导体，借助功率半导体控制信号的所属的功率半导体控制信号来控制所述功率半导体。功率半导体可以例如是IGBT。
驱动单元被构造，以便不依赖于发动机控制信号的状态，在安全控制信号的第一状态模式下这样生成功率半导体控制信号，使得全部功率半导体具有不导电状态。换言之，全部的功率半导体被切断，使得产生安全的无扭矩接通(Drehmomentfreischaltung)。
驱动单元此外被构造，以便不依赖于发动机控制信号的状态，在安全控制信号的第二、与第一状态模式不同的状态模式下这样生成功率半导体控制信号，使得全部电桥臂的各个电桥输出端被电连接至正的中间电路电势。第二状态模式或所属的功率半导体控制信号可以用于在场减弱区域中的场减弱电机的安全的扭矩减少的或无扭矩的接通，而不会通过功率半导体的空载二极管来为中间电路充电至过压，使得例如可以避免伤害与中间电路耦合的设备。同时保证在该状态下不生成不允许的大的扭矩。
此外，构造驱动单元，以便不依赖于发动机控制信号的状态，在安全控制信号的第三、与第一或第二状态模式不同的状态模式下这样生成功率半导体控制信号，使得全部电桥臂的各个电桥输出端被电连接至负的中间电路电势。该状态在功能上对应于第二状态模式。
驱动单元还可以被构造，以便在安全控制信号的第四状态模式下依赖于发动机控制信号地生成功率半导体控制信号。功率半导体信号在此可以对应于发动机控制信号。
在存在安全控制信号的第一、第二和第三状态模式的情况下，不依赖于发动机控制信号地生成功率半导体控制信号，也就是说，安全控制信号或其状态模式覆盖发动机控制信号，使得只有当借助发动机控制单元生成发动机控制信号以便生成非零的扭矩时，才可以例如借助安全控制信号的合适的状态模式来迫使得到无扭矩状态。在发动机控制信号确定功率半导体控制信号的生成时，安全控制信号的第四状态模式可以对应于释放状态(Freigabezustand)。
电桥臂可以分别具有多于两个的功率半导体，借助功率半导体控制信号的所属功率半导体控制信号来控制所述功率半导体。例如，每个电桥臂可以设置四个功率半导体，为所述四个功率半导体分配四个功率半导体控制信号。这实现各个电桥臂的多级运行。
控制设备可以包括第一电压供应单元和与第一电压供应单元不相依赖的第二电压供应单元。第一电压供应单元可以被构造，以便从中为发动机控制单元和/或安全单元和/或驱动单元或各个组成部分供应运行电压。第二电压供应单元可以被构造，以便从中为发动机控制单元和/或安全单元和/或驱动单元或各个组成部分供应运行电压，使得出于安全的缘故来冗余地设计运行电压供应。
驱动单元可以具有第一组功能元件(驱动器、数字逻辑、模拟电路等)，所述第一组功能元件被构造以便生成用于这样的功率半导体的功率半导体控制信号，所述功率半导体被配置在正的中间电路电势和电桥输出端之间；所述驱动单元可以具有第二组功能元件，所述第二组功能元件被构造以便生成用于这样的功率半导体的功率半导体控制信号，所述功率半导体被配置在负的中间电路电势和电桥输出端之间。第一电压供应单元可以被构造，以便为第一组和/或第二组供应运行电压，并且第二电压供应单元可以被构造，以便为第一组和/或第二组供应运行电压，使得出于安全的缘故冗余地设计运行电压供应并且在电压供应故障的情况下更安全的状态是可调整的。
控制设备可以具有切换单元，所述切换在输入侧电连接至第一和第二电压供应单元并且在输出侧电连接至发动机控制单元、安全单元和驱动器单元，其中，切换单元被构造，以便在一个电压供应单元损坏的情况下在输出侧输出未损坏的电压供应单元的运行电压并且从中向发动机控制单元、安全单元和驱动单元或组成部分供应所输出的运行电压。
控制设备可以具有例如具有转速传感器、电流传感器、电压传感器、温度传感器等形式的传感器部件，所述传感器部件耦合至安全单元并且被构造以便测量具有电动机转速、中间电路电压、一个或多个电流测量信号和/或一个或多个发动机信号形式的测量参数。传感器部件此外也可以耦合至发动机控制单元。安全单元可以被构造，以便依赖于测量参数地生成安全控制信号的状态模式。安全单元可以被构造，以便附加地或替换地依赖于模型计算来生成安全控制信号的状态模式。借助模型计算，可以例如间接地确定发动机转速。
安全单元可以被构造，以便在低于阈值转速时生成安全控制信号的第一状态模式并且在高于阈值转速时生成安全控制信号的第二或第三状态模式。
在低于阈值转速的基础转速范围内，在需要的情况下借助安全单元来切断功率半导体。由于在此发动机电压的峰值典型地低于中间电路电压，所以发动机电流减小并且电机无扭矩。
反之，在高于阈值转速的情况下，下游组功率半导体(在负的中间电路电势和电桥输出端之间配置的功率半导体)或上游组功率半导体(在正的中间电路电势和电桥输出端之间配置的功率半导体)被接通，并且因此电动机被短接。可场减弱的的电动机可以这样被确定尺寸，使得其具有短路电流(转矩)，所述短路电流低于电动机的额定电流(额定转矩)。借此，该状态并不提供功率半导体的过载。
此外存在这样的可能性，即，交替地接通下游组和上游组功率半导体，其中切换频率保持为低，以便保持小的相应的接通损耗。
此外可以在这两个切断路径之一失灵时，接通分别另一组功率半导体。失灵(开路电路)可以例如通过中间电路电压的升高来被识别。
安全单元可以被构造，以便依赖于测量参数来确定一个或多个将电桥输出端与正的或负的中间电路电势进行电连接的功率半导体是否是失灵的、例如非可(导电地)接通的或非可(非导电地)切断的。在此，例如可以在电桥臂上的合适的位置上设置电流传感器，所述电流传感器使得安全单元可以将实际电流与根据功率半导体的接通状态所期待的电流进行比较。
安全单元可以被构造，以便依赖于测量参数来确定将电桥输出端与正的中间电路电势电连接的一个或多个功率半导体是否为非可(导电地)接通的，其中，对于这种情况生成安全控制信号的第一或第三状态模式。
安全单元还可以被构造，以便依赖于测量参数来确定将电桥输出端与正的中间电路电势电连接的一个或多个功率半导体是否为非可(非导电地)切断的，其中，对于这种情况，生成安全控制信号的第一或第二状态模式。
安全单元还可以被构造，以便依赖于测量参数来确定将电桥输出端与负的中间电路电势电连接的一个或多个功率半导体是否为非可接通的，其中，对于这种情况生成安全控制信号的第一或第二状态模式。
安全单元还可以被构造，以便依赖于测量参数来确定将电桥输出端与负的中间电路电势电连接的一个或多个功率半导体是否为非可切断的，其中，对于这种情况，生成安全控制信号的第一或第三状态模式。
安全单元可以被构造，以便依赖于测量参数来确定在一个或多个电桥臂之内是否存在短路，其中，对于这种情况，生成安全控制信号的所属的状态模式。
安全单元可以被构造，使得尤其基于安全控制信号的第一状态模式，当中间电路电压超过阈值时，生成安全控制信号的第二或第三状态模式，以便以这种方式抑制中间电路电压的进一步上升。
安全单元可以被构造，使得对于借助第二或第三状态模式生成安全控制信号的情况，如果具有发动机电流形式的测量参数超过阈值，则生成与第二或第三状态模式不同的状态模式，以便降低发动机电流。
附图说明
下文中，参照附图来详细地描述本发明。其中，
图1示意性地示出按照本发明的控制设备的方框图。
具体实施方式
图1是变频器形式的控制设备1，其用于控制常规电动机或常规电机2。
控制设备1具有发动机控制单元3，其生成二进制的发动机控制信号M1至Mn(示例性地仅示出两个发动机控制信号)。此外，设置安全单元4，其生成二进制的安全控制信号S1至S4。
驱动单元5接收发动机控制信号M1至Mn和安全控制信号S1至S4，并且依赖于这些信号来生成功率半导体控制信号H1至Hn(示例性地仅仅示出两个功率半导体控制信号)。在此，驱动单元5具有或门电路18a和18b、与门电路17a和17b、和门驱动电路5a和5b。用“a”表示的元件5a、17a、18a构成第一组功能元件，所述第一组功能元件被构造，以便生成用于这样的功率半导体8的功率半导体控制信号H1，所述功率半导体被配置在正的中间电路电势DC+和电桥输出端7之间。用“b”表示的元件5b、17b、18b构成第二组功能元件，所述功能元件被构造，以便生成用于这样的功率半导体9的功率半导体控制信号H2，所述功率半导体被配置在负的中间电路电势DC-和电桥输出端7之间。
控制设备1的变流器单元6具有多个电桥臂。在图1中，示例性地示出具有IGBT形式的功率半导体8和9的单个电桥臂，所述IGBT分别具有所属的空载二极管，借助功率半导体控制信号H1或Hn中所属的一个来控制所述空载二极管。可以设置其它的、尤其是两个其它的电桥臂，所述电桥臂被相应地布置和控制。优选地，电动机2的每个相或分路恰好设置一个电桥臂，使得对于三相电动机而言设置三个电桥臂。
这些电桥臂或所示出的电桥臂在第一端处被施加正的中间电路电压DC+，并且在第二端处被施加负的中间电路电压DC-。
这些电桥臂或所示出的电桥臂分别具有电桥输出端7，所述电桥输出端7耦合至电动机2的所属的发动机相。
只要安全控制信号S1至S4具有第一二进制状态模式“0X0X”(X对应于不必在意)，那么，驱动器单元5这样生成功率半导体控制信号H1至Hn，使得全部功率半导体8、9具有非导通状态。相应地，对于必要时存在的其它电桥臂是适用的。通常在例如需要安全切段的情况下，低于电动机2的阈值转速地生成第一二进制状态模式。第一状态模式在下文中也被称为STO状态。
只要安全控制信号S1至S4具有第二二进制状态模式“110X”，那么驱动器单元5这样生成半导体控制信号H1至Hn，使得只有功率半导体8是导通的并且因此电桥输出端7电连接至正的中间电路电势DC+。相应地，对于必要时存在的其它电桥臂是适用的。
只要安全控制信号S1至S4具有第三二进制状态模式“0X11”，那么驱动单元5这样生成功率半导体控制信号H1至Hn，使得只有功率半导体9是导通的并且因此电桥输出端7电连接至负的中间电路电势DC-。相应地，对于必要时存在的其它电桥臂是适用的。
在例如需要安全切断的情况下，通常高于电动机2的阈值转速地生成第二和第三二进制状态模式。第二和第三状态模式在下文中也被称作较高的或较低的SSC状态。
只要第一安全控制信号S1至S4具有第四二进制状态模式“1010”，那么驱动单元5这样生成功率半导体控制信号H1至Hn，使得功率半导体控制信号H1至Hn对应于发动机控制信号M1至Mn。相应地，对于必要时存在的其它电桥臂是适用的。如果不需要安全切断，那么通常然后生成第四二进制状态，使得发动机控制单元4控制电动机2的运行。
控制设备1具有第一电压供应单元10和与第一电压供应单元10不相依赖的第二电压供应单元11。
控制设备1还具有切换单元12，所述切换单元在输入侧电连接至第一和第二电压供应单元10、11并且在输出侧电连接至发动机控制单元3、安全单元4和驱动器单元5。切换单元12被设置，以便在电压供应单元10、11之一损坏的情况下，在输出侧输出非损坏的电压供应单元的运行电压并且为发动机控制单元3、安全单元4和驱动器单元5供应所输出的运行电压。
控制设备具有传感器部件13、14、15、16，所述传感器部件耦合至传感器控制单元3和安全单元4并且被构造以便测量具有发动机转速、中间电路电压、一个或多个电流测量信号和/或一个或多个发动机信号形式的测量参数。可选地，也可以向驱动器单元5施加测量信号或一部分测量信号，其中对于这种情况可以构造驱动器单元以便也与测量参数相依赖地生成功率半导体控制信号H1至Hn。
借助电流传感器15例如可以采集功率半导体8、9是否为非可切断的和/或是否发动机电流超过阈值。
发动机控制单元3和安全单元4分别被构造，以便依赖于测量参数，生成发动机控制信号M1至Mn或安全控制信号S1至S4的状态模式。
本发明实现场减弱的电机2的成本低廉的并且安全的无扭矩接通。
在基础转速范围内，借助第一状态模式来切断电桥臂的全部功率半导体8、9。由于发动机电压的峰值低于中间电路电压，所以发动机电流减小并且电机2是无扭矩的。
与之相对地，在场减弱范围内借助第二或第三状态模式来进行安全切断，借此来接通下游组或上游组功率半导体8或9并且因此短接电机2，而不会通过空载二极管来使中间电路充电并且由于过电压而损坏控制设备1或所连接的设备，并且不会在该状态下产生不允许的大的扭矩。
存在这样的可能性，即，轮流地切换下游和上游功率半导体组8或9，其中，切换频率保持低以便使切换损耗保持为低。
同样地，可以在这两个切断路径之一失灵的情况下分别接通另一组功率半导体。可以例如通过中间电路电压的升高来识别所述失灵(开路)。
由于用于发动机控制单元3和安全单元4的所提供的高性能硬件(例如快速DSP或可编程逻辑)，所以可以实现非常高的调节带宽(例如8KHz的电流调节器)，借此，如果电机2的转速被非常急速地改变(例如通过ABS刹住的车轮)，控制设备1那么也可以设置正确的安全切断措施或状态模式。
安全单元4和/或驱动器单元5可以这样被构造，以便安全单元4和/或驱动器单元5这样保护功率半导体8、9以防止过载，即，在过载条件下，无需发动机控制单元3参与，所述安全单元和/或驱动器单元就可以采取电机2的切断或短路。
可以设置的是，在有效的第二或第三状态模式(SSC状态)中在过大的合成发动机电流的情况下安全单元4和/或驱动器单元5并不持久地切断功率半导体8、9并且因此结束SSC状态，而是仅仅持续通常PWM控制方法的剩余PWM周期(也就是例如最大250μs)。可以在再次接通之前验证是这是否是允许的。
如果例如两个供电中的一个发生故障或者(例如通过在中间电路中的电压升高)识别出了在另一半导体组上的失灵，那么，在再次接通之前可以验证，两个半导体组8、9中的哪一个采用SSC功能。
由于借助两个源10和11的冗余的电压供应(例如12V或24V的整车电源和中间电路)，那么只有在两个源10或11之一失灵的情况下总是可以设置安全的状态STO或SSC，并且因此只有在传感装置失灵的情况下可以无扭矩地接通电动机2。
例如可以通过分析分解器信号、分析电流信号和从中可确定的定子频率(同步电机的转速)、分析中间电路电压(在其高于特定值或者具有过高的上升速度时，从STO切换至SSC)和/或通过测量发动机电压，来进行待设置的安全状态STO或SSC的确定。
不必精确地确定发动机转速以便正确地选择安全状态STO或SSC。通过通常较宽地规定中间电路电压范围，从而不需要识别精确地切换点。只要转速降低至低于最大的中间电路电压的边界，并且因此空载二极管不再导通，那么，STO就是安全的措施，原因在于，借此可以不依赖于转速地将扭矩调整为零。
在机动车中应用本发明时，由于车辆速度的改变通常仅仅非常缓慢地进行，所以可以基于最末一次存储的测量参数来决定安全的状态。如果选择STO状态，那么直到实现0转速(也即是车辆的停车)之前这都是适合的。如果选择SSC状态，那么若在实现0转速之前短时间内扭矩上升并且车辆然后在无危险的低速情况下快速地刹车，则可以保持该状态。
通过测量发动机电流(计算频率或者通过测量过零点的间距)或者通过转速传感器，同样可以从超过预先给定的转速开始，切换至安全的状态STO。
从STO切换至SSC以便确保安全的状态，在最简单的情况下可以仅仅基于对中间电路电压的边界值的分析，所述分析不依赖于可能失效的、另一个供电电压地进行。
不仅发动机控制单元3而且安全单元4分别明显可以切换安全状态STO或SSC。尽管如此，两个单元的区别在于，发动机控制单元3可以设置所有的切换状态，也就是就像加速那样的期望的驾驶状态，而安全单元4仅仅可以设置安全状态STO、较高的SSC和较低的SSC。
通过安全单元4的恰当的编程和/或通过附加的硬件连接，可自确保安全单元4仅仅可以设置3个安全状态STO、较高的SSC和较低的SSC。安全单元4拥有功率半导体8、9控制上的优先权，并且因此可以通过安全状态来覆盖发动机控制单元3的生成扭矩的状态，但是反过来就不成立。