Es wird ein fehlertolerantes Konzept für den Handkraftaktor eines Steer-by-Wire-Lenksystems vorgestellt. Der Handkraftaktor bildet die Reaktionskräfte einer konventionellen Lenkung am Lenkrad nach und stellt die direkte Schnittstelle zum Fahrer dar. Daraus ergeben sich erstens hohe Anforderungen an die Qualität des Antriebs. Zweitens ist die Lenkung eine sicherheitsrelevante Anwendung im Kraftfahrzeug. Drittens kommt aus Kostengründen nur eine aufwandsarme Variante in Frage. Diese drei Punkte erfüllt ein Aktorkonzept mit einer permanentmagnet-erregten Synchronmaschine, deren Stränge elektrisch entkoppelt sind und jeweils separat von einer einphasigen Vollbrücke gespeist werden. So kann das gleiche Drehfeld in der Maschine mit nur zwei der drei Motorstränge erzeugt werden. Damit lasst sich bei vergleichsweise geringen Kosten die notwendige Fehlertoleranz darstellen. Für die relevanten Fehler im Antrieb - Kurzschlüsse und Unterbrechungen - wird eine Erkennung und Lokalisierung realisiert. Mit den unabhängigen Strängen vereinfacht sich die Fehlerreaktion: Der betroffene Strang wird immer abgeschaltet. Trotzdem können Kurzschlussströme einen störenden Drehmomentanteil liefern. Auch aufgrund der Oberwellen des Luftspaltfeldes der Maschine wird das Drehmoment im zweisträngigen Betrieb wellig. Zur Beherrschung dieser Welligkeit wird der Stromregelung ein Drehmomentregler überlagert. Der Momenten-Istwert wird aus den gemessenen Strangströmen über ein Motormodell berechnet, das zusätzlich zur Grundwelle auch die Harmonischen des Strombelags und der magnetischen Luftspaltinduktion des Läufers berücksichtigt. Für die Stromregelung werden Verfahren benötigt, die sowohl den zweisträngigen als auch den dreisträngigen Betriebsfall beherrschen. Es werden zwei Varianten gegenübergestellt, die jeweils Schaltregler in ständerfesten Koordinatensystemen verwenden: Das erste Verfahren regelt die Ströme im 0-alpha-beta-Koordinatensystem, das zweite regelt die Strangströme. Anhand von Messungen an einem Labormuster eines Handkraftaktors werden sowohl die entwickelten Fehlererkennungs- und Fehlerdiagnosemaßnahmen als auch die Regelverfahren überprüft. Fehler in Maschine und Wechselrichter werden zuverlässig erkannt, bevor sie sich fortpflanzen und weiteren Schaden verursachen. Mit Hilfe des dem Stromregler überlagerten Drehmomentreglers wird die geforderte Gleichförmigkeit des Drehmoments, die maßgeblich für das Lenkgefühl verantwortlich ist, bei allen Betriebsbedingungen erreicht.
Fehlertolerantes Aktorkonzept für sicherheitsrelevante Anwendungen
Failure tolerable actor concept for safety applications
Berichte aus der Elektrotechnik ; 1-133
2005
133 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Theses
German
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