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DE102021117011B4 - Force feedback actuator for a steer-by-wire system and method for operating a force feedback actuator for a steer-by-wire system - Google Patents

Force feedback actuator for a steer-by-wire system and method for operating a force feedback actuator for a steer-by-wire system Download PDF

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DE102021117011B4
DE102021117011B4 DE102021117011.7A DE102021117011A DE102021117011B4 DE 102021117011 B4 DE102021117011 B4 DE 102021117011B4 DE 102021117011 A DE102021117011 A DE 102021117011A DE 102021117011 B4 DE102021117011 B4 DE 102021117011B4
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DE
Germany
Prior art keywords
winding
force feedback
feedback actuator
phase
switching device
Prior art date
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Active
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German (de)
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Inventor
Alexander Wiedemann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Abstract

Force-Feedback-Aktuator (1) für ein Steer-By-Wire-System mit
einer elektrischen Maschine (2) mit mindestens einer ersten Wicklung (11) und einer von der ersten Wicklung (11) getrennten, zweiten Wicklung (12), wobei die erste und zweite Wicklung (11, 12) jeweils mehrere Phasenanschlüsse (U1, V1, W1, U2, V2, W2) aufweist,
einer Schalteinrichtung (3) die mit der ersten und zweiten Wicklung (11, 12) elektrisch verbunden ist und
einer Steuereinrichtung (4) die dazu konfiguriert ist, die Schalteinrichtung (3) derart anzusteuern, dass - in einem Normalbetriebsmodus - jeder Phasenanschluss der ersten Wicklung (U1, V1, W1) mit genau einem Phasenanschluss der zweiten Wicklung (U2, V2, W2) elektrisch verbunden ist und - in einem Fehlermodus - alle Phasenanschlüsse der ersten Wicklung (U1, V1, W1) elektrisch miteinander verbunden sind und die Phasenanschlüsse der zweiten Wicklung (U2, V2, W2) elektrisch voneinander und von den Phasenanschlüssen der ersten Wicklung (U1, V1, W1) getrennt sind.

Figure DE102021117011B4_0000
Force feedback actuator (1) for a steer-by-wire system with
an electrical machine (2) with at least a first winding (11) and a second winding (12) separate from the first winding (11), wherein the first and second windings (11, 12) each have a plurality of phase connections (U1, V1, W1, U2, V2, W2),
a switching device (3) which is electrically connected to the first and second windings (11, 12) and
a control device (4) which is configured to control the switching device (3) such that - in a normal operating mode - each phase connection of the first winding (U1, V1, W1) is electrically connected to exactly one phase connection of the second winding (U2, V2, W2) and - in a fault mode - all phase connections of the first winding (U1, V1, W1) are electrically connected to one another and the phase connections of the second winding (U2, V2, W2) are electrically separated from one another and from the phase connections of the first winding (U1, V1, W1).
Figure DE102021117011B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Force-Feedback-Aktuator für ein Steer-By-Wire-System. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Force-Feedback-Aktuators für ein Steer-By-Wire-System.The invention relates to a force feedback actuator for a steer-by-wire system. The invention also relates to a method for operating a force feedback actuator for a steer-by-wire system.

Steer-by-Wire-Systeme können in Fahrzeugen, wie beispielsweise Personenkraftfahrzeugen und Lastkraftfahrzeugen eingesetzt werden. In einem Steer-by-Wire-System existiert keine mechanische Kopplung zwischen den gelenkten Rädern des Fahrzeugs und dem durch den Fahrer betätigten Lenkrad. Daher wird typischerweise ein Force-Feedback-Aktuator eingesetzt, um dem Fahrer Rückmeldung über die aktuelle Fahrdynamik zu geben. Der Force-Feedback-Aktuator umfasst in der Regel eine elektrische Maschine, die entweder über ein Getriebe und/oder weitere mechanische Komponenten oder unmittelbar mit dem Lenkrad verbunden ist. Durch den Force-Feedback-Aktuator kann beispielsweise bei Erreichen des maximal möglichen Radwinkels ein hohes am Lenkrad anliegenden Drehmoment dem Fahrer signalisieren, dass er das Lenkrad nicht weiter in die gewünschte Richtung einschlagen kann.Steer-by-wire systems can be used in vehicles such as passenger cars and trucks. In a steer-by-wire system, there is no mechanical coupling between the steered wheels of the vehicle and the steering wheel operated by the driver. Therefore, a force feedback actuator is typically used to give the driver feedback on the current driving dynamics. The force feedback actuator usually comprises an electric machine that is connected to the steering wheel either via a transmission and/or other mechanical components or directly. The force feedback actuator can, for example, signal to the driver that the maximum possible wheel angle is reached by a high torque applied to the steering wheel that he or she cannot turn the steering wheel any further in the desired direction.

Tritt ein Fehler im Force-Feedback-Aktuator auf, so kann dem Fahrer der dynamische Fahrzustand möglicherweise nicht mehr mitgeteilt werden. Beispielsweise kann ein Fehler in der Leistungselektronik des Force-Feedback-Aktuators dazu führen, dass die elektrische Maschine nicht mehr bestromt wird. Der Fahrer nimmt in einem solchen Fehlerfall kein am Lenkrad anliegendes Drehmoment mehr war und kann das Lenkrad ungewollt zu stark einschlagen. Dadurch besteht, insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten, die Gefahr, dass der Fahrer einen Lenkwunsch über das Lenkrad äußert, welcher den Grenzbereich des Fahrzeugs überschreitet. Das Fahrzeug kann dadurch unkontrollierbar werden.If a fault occurs in the force feedback actuator, the driver may no longer be informed of the dynamic driving state. For example, a fault in the power electronics of the force feedback actuator can result in the electric machine no longer being powered. In such a fault, the driver no longer perceives the torque applied to the steering wheel and can inadvertently turn the steering wheel too far. This means that there is a risk, particularly at higher speeds, that the driver will make a steering request via the steering wheel that exceeds the vehicle's limits. This can make the vehicle uncontrollable.

Die der Anmeldung am nächsten liegende Schrift DE 10 2015 213 304 A1 offenbart einen Force-Feedback-Aktuator für ein Steer-By-Wire-System, mit einer elektrischen Maschine mit mindestens einer ersten Wicklung und einer von der ersten Wicklung getrennten, zweiten Wicklung, wobei die erste und zweite Wicklung jeweils mehrere Phasenanschlüsse aufweist und einer Schalteinrichtung die mit der ersten und zweiten Wicklung elektrisch verbunden ist.The closest font to the application DE 10 2015 213 304 A1 discloses a force feedback actuator for a steer-by-wire system, having an electric machine with at least a first winding and a second winding separate from the first winding, wherein the first and second windings each have a plurality of phase connections and a switching device which is electrically connected to the first and second windings.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, die Kontrollierbarkeit des Fahrzeugs im Fall eines Fehlers in dem Force-Feedback-Aktuator zu verbessern.Against this background, the task is to improve the controllability of the vehicle in the event of a fault in the force feedback actuator.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Force-Feedback-Aktuator für ein Steer-By-Wire-System mit
einer elektrischen Maschine mit mindestens einer ersten Wicklung und einer von der ersten Wicklung getrennten, zweiten Wicklung, wobei die erste und zweite Wicklung jeweils mehrere Phasenanschlüsse aufweist,
einer Schalteinrichtung die mit der ersten und zweiten Wicklung elektrisch verbunden ist und
einer Steuereinrichtung die dazu konfiguriert ist, die Schalteinrichtung derart anzusteuern, dass - in einem Normalbetriebsmodus - jeder Phasenanschluss der ersten Wicklung mit genau einem Phasenanschluss der zweiten Wicklung elektrisch verbunden ist und - in einem Fehlermodus - alle Phasenanschlüsse der ersten Wicklung elektrisch miteinander verbunden sind und die Phasenanschlüsse der zweiten Wicklung elektrisch voneinander und von den Phasenanschlüssen der ersten Wicklung getrennt sind.
The task is solved by a force feedback actuator for a steer-by-wire system with
an electrical machine with at least a first winding and a second winding separate from the first winding, wherein the first and second windings each have a plurality of phase connections,
a switching device which is electrically connected to the first and second windings and
a control device which is configured to control the switching device such that - in a normal operating mode - each phase connection of the first winding is electrically connected to exactly one phase connection of the second winding and - in a fault mode - all phase connections of the first winding are electrically connected to one another and the phase connections of the second winding are electrically separated from one another and from the phase connections of the first winding.

Gelöst wird die Aufgabe ferner durch ein Verfahren zum Betrieb eines Force-Feedback-Aktuators für ein Steer-By-Wire-System mit
einer elektrischen Maschine mit mindestens einer ersten Wicklung und einer von der ersten Wicklung getrennten, zweiten Wicklung, wobei die erste und zweite Wicklung jeweils mehrere Phasenanschlüsse aufweist,
einer Schalteinrichtung die mit der ersten und zweiten Wicklung elektrisch verbunden ist und
einer Steuereinrichtung, welche die Schalteinrichtung derart ansteuert, dass - in einem Normalbetriebsmodus - jeder Phasenanschluss der ersten Wicklung mit genau einem Phasenanschluss der zweiten Wicklung elektrisch verbunden ist und - in einem Fehlermodus - alle Phasenanschlüsse der ersten Wicklung elektrisch miteinander verbunden sind und die Phasenanschlüsse der zweiten Wicklung elektrisch voneinander und von den Phasenanschlüssen der ersten Wicklung getrennt sind.
The object is further achieved by a method for operating a force feedback actuator for a steer-by-wire system with
an electrical machine with at least a first winding and a second winding separate from the first winding, wherein the first and second windings each have a plurality of phase connections,
a switching device which is electrically connected to the first and second windings and
a control device which controls the switching device such that - in a normal operating mode - each phase connection of the first winding is electrically connected to exactly one phase connection of the second winding and - in a fault mode - all phase connections of the first winding are electrically connected to one another and the phase connections of the second winding are electrically separated from one another and from the phase connections of the first winding.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrische Maschine mindestens zwei voneinander getrennte Wicklungen aufweist. Im Normalbetriebsmodus des Force-Feedback-Aktuators werden die voneinander getrennt aufgebauten Wicklungen über die Schalteinrichtung elektrisch verbunden, d.h. parallelgeschaltet. Die elektrische Maschine kann in dem Normalbetriebsmodus wie eine Maschine mit nur einer Wicklung betrieben werden. In dem Fehlermodus wird hingegen die erste Wicklung der elektrischen Maschine über die Schalteinrichtung kurzgeschlossen, indem die Phasenanschlüsse dieser Wicklung elektrisch miteinander verbunden werden. Eine Drehbewegung eines mit dem Force-Feedback-Aktuator gekoppelten Lenkrads kann eine Spannung in der elektrischen Maschine induzieren. Durch die kurzgeschlossene Wicklung resultiert hieraus ein Kurzschluss-Strom und damit ein Kurzschluss-Drehmoment, welches der Drehbewegung des Lenkrads und damit dem Lenkwunsch des Fahrers entgegenwirkt. Somit können unkontrollierte Lenkbewegungen, insbesondere ruckartige Lenkbewegungen, durch ein spürbares Gegenmoment abgebremst werden. Durch die Erfindung wird es möglich, das Verhalten des Force-Feedback-Aktuators im Fehlermodus durch die Ausgestaltung der elektrischen Maschine zu beeinflussen ohne dabei das Verhalten des Force-Feedback-Aktuators im Normalbetriebsmodus zu verändern. So kann das Kurzschluss-Drehmoment durch die Wahl einer geeigneten Anzahl an Windungen der ersten Wicklung im Verhältnis zur Anzahl an Windungen der zweiten Wicklung eingestellt werden.According to the present invention, it is provided that the electrical machine has at least two separate windings. In the normal operating mode of the force feedback actuator, the separately constructed windings are electrically connected via the switching device, i.e. connected in parallel. In the normal operating mode, the electrical machine can be operated like a machine with only one winding. In the fault mode, however, the first winding of the electrical machine is short-circuited via the switching device by electrically connecting the phase connections of this winding to one another. A rotary movement of a steering wheel coupled to the force feedback actuator can induce a voltage in the electrical machine. The short-circuited winding results in a short-circuit current and thus a short-circuit torque that counteracts the rotation of the steering wheel and thus the driver's steering request. Uncontrolled steering movements, in particular jerky steering movements, can thus be braked by a noticeable counter-torque. The invention makes it possible to influence the behavior of the force feedback actuator in error mode by designing the electrical machine without changing the behavior of the force feedback actuator in normal operating mode. The short-circuit torque can thus be adjusted by selecting a suitable number of turns of the first winding in relation to the number of turns of the second winding.

Unter einer elektrischen Maschine mit voneinander getrennten Wicklungen wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine verstanden, die mehrere, insbesondere mehrphasige Wicklungen, aufweist, wobei die elektrische Maschine jeweils mit einer der Wicklungen betrieben werden kann, ohne dass eine weitere Wicklung zum Betrieb der Maschine erforderlich ist. Bevorzugt ist die erste Wicklung und die zweite Wicklung als mehrphasige Wicklung ausbildet, also als Wicklung mit mehreren Wicklungssträngen. Besonders bevorzugt ist die erste Wicklung und die zweite Wicklung als Drehstromwicklung ausgebildet, also als Wicklung mit genau drei Wicklungssträngen.For the purposes of the present invention, an electrical machine with separate windings is understood to mean an electrical machine that has several, in particular multi-phase windings, wherein the electrical machine can be operated with one of the windings without a further winding being required to operate the machine. The first winding and the second winding are preferably designed as a multi-phase winding, i.e. as a winding with several winding strands. The first winding and the second winding are particularly preferably designed as a three-phase winding, i.e. as a winding with exactly three winding strands.

Bevorzugt umfasst die erste Wicklung eine erste Windung und die die zweite Wicklung eine zweite Windung, wobei die erste und die zweite Windung um einen gemeinsamen Zahn der elektrischen Maschine angeordnet sind.Preferably, the first winding comprises a first turn and the second winding comprises a second turn, wherein the first and the second turn are arranged around a common tooth of the electrical machine.

Die Schalteinrichtung umfasst bevorzugt mehrere Halbleiterschalter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise MOSFETs, IGBTs oder Thyristoren.The switching device preferably comprises a plurality of semiconductor switches, in particular power semiconductor switches, for example MOSFETs, IGBTs or thyristors.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Force-Feedback-Aktuator mindestens einen Widerstand, der zwischen einem Phasenanschluss der ersten Wicklung und der Schalteinrichtung angeordnet ist. Besonders bevorzugt umfasst der Force-Feedback-Aktuator mehrere Widerstände, die jeweils zwischen einem Phasenanschluss der ersten Wicklung und der Schalteinrichtung angeordnet sind. Grundsätzlich ist das im Fehlermodus resultierende Kurzschluss-Drehmoment abhängig von der Ausgestaltung der elektrischen Maschine. Mit steigender Drehzahl steigt das Kurzschluss-Drehmoment bis zu einem Maximum an und fällt dann ab. Durch den einen Widerstand oder die mehreren Widerstände kann die Kurzschluss-Charakteristik verändert werden. Dabei kann das Maximum des Kurzschluss-Drehmoments durch den Widerstand zu höheren Drehzahlen verschoben werden. Durch geeignete Auswahl der Anzahl an Windungen der ersten Wicklung, insbesondere im Verhältnis zu den Windungen der zweiten Wicklung, kann in Kombination mit der Wahl eines oder mehrerer geeigneter Widerstände eine besonders flexible Einstellung der Kurzschluss-Kennlinie erfolgen.According to an advantageous embodiment of the invention, the force feedback actuator comprises at least one resistor, which is arranged between a phase connection of the first winding and the switching device. The force feedback actuator particularly preferably comprises a plurality of resistors, each of which is arranged between a phase connection of the first winding and the switching device. In principle, the short-circuit torque resulting in the fault mode depends on the design of the electrical machine. As the speed increases, the short-circuit torque increases to a maximum and then drops. The short-circuit characteristic can be changed by the one resistor or the multiple resistors. The maximum of the short-circuit torque can be shifted to higher speeds by the resistor. By suitably selecting the number of turns of the first winding, in particular in relation to the turns of the second winding, in combination with the selection of one or more suitable resistors, a particularly flexible setting of the short-circuit characteristic curve can be achieved.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung dazu konfiguriert ist, einen Fehler in dem Force-Feedback-Aktuator zu erkennen und bei erkanntem Fehler von dem Normalbetriebsmodus in den Fehlermodus zu schalten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung einen Fehler in dem Force-Feedback-Aktuator erkennt und bei erkanntem Fehler von dem Normalbetriebsmodus in den Fehlermodus wechselt. Zur Erkennung des Fehlers kann ein mit der Steuereinrichtung verbundener Sensor in dem Force-Feedback-Aktuator vorgesehen sein, beispielsweise ein Stromsensor oder ein Spannungssensor.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the control device is configured to detect an error in the force feedback actuator and, if an error is detected, to switch from the normal operating mode to the error mode. In the method according to the invention, it can be provided that the control device detects an error in the force feedback actuator and, if an error is detected, switches from the normal operating mode to the error mode. To detect the error, a sensor connected to the control device can be provided in the force feedback actuator, for example a current sensor or a voltage sensor.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Force-Feedback-Aktuator eine Leistungselektronik, die mit der Schalteinrichtung elektrisch verbunden ist. Über die Leistungselektronik kann die Ansteuerung der elektrischen Maschine erfolgen, um ein Force-Feedback-Moment an einem mit der elektrischen Maschine gekoppelten Lenkrad zu erzeugen. Die Leistungselektronik umfasst bevorzugt einen Wechselrichter.According to an advantageous embodiment of the invention, the force feedback actuator comprises power electronics that are electrically connected to the switching device. The electric machine can be controlled via the power electronics in order to generate a force feedback torque on a steering wheel coupled to the electric machine. The power electronics preferably comprise an inverter.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Leistungselektronik dazu konfiguriert, in dem Normalbetriebsmodus die erste und die zweite Wicklung parallel anzusteuern. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Leistungselektronik in dem Normalbetriebsmodus die erste und die zweite Wicklung parallel ansteuert und in dem Fehlermodus nur die zweite Wicklung ansteuert.According to an advantageous embodiment of the invention, the power electronics are configured to control the first and second windings in parallel in the normal operating mode. In the method according to the invention, it can be provided that the power electronics control the first and second windings in parallel in the normal operating mode and only control the second winding in the fault mode.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein mit einem Lenkrad und einem vorstehend beschriebenen Force-Feedback-Aktuator.Another object of the invention is a steering wheel with a force feedback actuator as described above.

Bei dem können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit dem Force-Feedback-Aktuator erläutert worden sind.The same advantages can be achieved that have already been explained in connection with the force feedback actuator.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Force-Feedback-Aktuators in einer schematischen Darstellung in einem Normalbetriebsmodus;
  • 2 der Force-Feedback-Aktuator gemäß 1 in einem Fehlermodus;
  • 3 eine Detaildarstellung der elektrischen Maschine des Force-Feedback-Aktuators gemäß 1; und
  • 4 eine Darstellung des Drehmoments des Force-Feedback-Aktuators gemäß 1 in Abhängigkeit von der Drehzahl im Vergleich zu bekannten Force-Feedback-Aktuatoren.
Further details and advantages of the invention will be explained below with reference to the embodiment shown in the drawings.
  • 1 an embodiment of a force feedback actuator according to the invention in a schematic representation in a normal operating mode;
  • 2 the force feedback actuator according to 1 in a failure mode;
  • 3 a detailed representation of the electric machine of the force feedback actuator according to 1 ; and
  • 4 a representation of the torque of the force feedback actuator according to 1 depending on the speed compared to known force feedback actuators.

In der 1 und 2 ist ein Force-Feedback-Aktuator 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wobei sich dieser in der Darstellung nach 1 in einem Normalbetriebsmodus und in der Darstellung nach 2 in einem Fehlermodus befindet. Der Force-Feedback-Aktuator 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist als Teil eines Steer-by-Wire-Systems ausgebildet, wobei die elektrische Maschine des Force-Feedback-Aktuators 1, insbesondere ein Rotor der elektrischen Maschine 2, mit einem Lenkrad des Steer-by-Wire-Systems gekoppelt ist, so dass die elektrische Maschine 2 ein Force-Feedback-Moment auf das Lenkrad aufbringen kann.In the 1 and 2 a force feedback actuator 1 according to an embodiment of the invention is shown, wherein in the illustration according to 1 in a normal operating mode and in the display according to 2 is in a fault mode. The force feedback actuator 1 according to the embodiment is designed as part of a steer-by-wire system, wherein the electric machine of the force feedback actuator 1, in particular a rotor of the electric machine 2, is coupled to a steering wheel of the steer-by-wire system, so that the electric machine 2 can apply a force feedback torque to the steering wheel.

Die elektrische Maschine 1 umfasst eine erste mehrphasige, hier dreiphasige, Wicklung und eine zweite mehrphasige, hier dreiphasige, Wicklung, die voneinander getrennt ausgebildet sind. Die erste Wicklung umfasst dabei drei Phasenanschlüsse U1, V1, W2 und die zweite Wicklung drei Phasenanschlüsse U2, V2, W2. Wie der Darstellung in 3 entnommen werden kann, umfasst die erste Wicklung erste Windungen 11 und die zweite Wicklung zweite Windungen 12, die derart angeordnet sind, dass sowohl die ersten Windungen 11 als auch die zweiten Windungen 12 um einen gemeinsamen Zahn 10 der elektrischen Maschine 2 angeordnet sind. Insofern kann die elektrische Maschine 2 also solche jeweils mit nur einer der beide Wicklungen betrieben werden, ohne dass die jeweilige andere der Wicklungen zum Betrieb der elektrischen Maschine 2 erforderlich ist.The electric machine 1 comprises a first multi-phase, here three-phase, winding and a second multi-phase, here three-phase, winding, which are designed separately from one another. The first winding comprises three phase connections U1, V1, W2 and the second winding comprises three phase connections U2, V2, W2. As shown in 3 can be seen, the first winding comprises first turns 11 and the second winding comprises second turns 12, which are arranged such that both the first turns 11 and the second turns 12 are arranged around a common tooth 10 of the electrical machine 2. In this respect, the electrical machine 2 can therefore be operated with only one of the two windings, without the other of the windings being required to operate the electrical machine 2.

Wie in den Darstellungen in 1 und 2 weiter gezeigt, ist die elektrische Maschine 2 mit einer Schalteinrichtung 3 verbunden. Die Schalteinrichtung 3 kontaktiert insbesondere die erste und zweite Wicklung der elektrischen Maschine 2 über deren Phasenanschlüsse U1, V1, W1, U2, V2, W2. Die Schalteinrichtung umfasst mehrere Halbleiterschalter, insbesondere Leistungshalbleiterschalter, beispielsweise MOSFETs, IGBTs oder Thyristoren. Bei dem Ausführungsbeispiel sind als Teil der Schalteinrichtung 3 insgesamt fünf Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4, S5 vorgesehen. Die Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4, S5 können wahlweise in einen elektrisch leitenden Zustand oder in einen elektrisch nicht-leitenden Zustand versetzt werden. Beispielsweise zeigt die Darstellung in 1 die Halbleiterschalter S1 und S2 in einem elektrisch nicht-leitenden Zustand und die Halbleiterschalter S3, S4, S5 in einem elektrisch leitenden Zustand. Die Darstellung in 2 zeigt hingegen die Halbleiterschalter S1 und S2 in einem elektrisch leitenden Zustand und die Halbleiterschalter S3, S4, S5 in einem elektrisch nicht-leitenden Zustand.As shown in 1 and 2 As shown further, the electrical machine 2 is connected to a switching device 3. The switching device 3 contacts in particular the first and second windings of the electrical machine 2 via their phase connections U1, V1, W1, U2, V2, W2. The switching device comprises several semiconductor switches, in particular power semiconductor switches, for example MOSFETs, IGBTs or thyristors. In the exemplary embodiment, a total of five semiconductor switches S1, S2, S3, S4, S5 are provided as part of the switching device 3. The semiconductor switches S1, S2, S3, S4, S5 can optionally be put into an electrically conductive state or into an electrically non-conductive state. For example, the illustration in 1 the semiconductor switches S1 and S2 in an electrically non-conductive state and the semiconductor switches S3, S4, S5 in an electrically conductive state. The representation in 2 shows the semiconductor switches S1 and S2 in an electrically conductive state and the semiconductor switches S3, S4, S5 in an electrically non-conductive state.

Ein erster Halleiterschalter S1 ist zwischen einem ersten Phasenanschluss der ersten Wicklung U1 und einem zweiten Phasenanschluss der ersten Wicklung V1 angeordnet. Ein zweiter Halbleiterschalter S2 ist zwischen dem zweiten Phasenanschluss der ersten Wicklung U1 und einem dritten Phasenanschluss der ersten Wicklung W1 angeordnet. Ein dritter Halleiterschalter S3 ist zwischen dem ersten Phasenanschluss der ersten Wicklung U1 und einem ersten Phasenanschluss der zweiten Wicklung U2 angeordnet. Ein vierter Halleiterschalter S4 ist zwischen dem zweiten Phasenanschluss der ersten Wicklung V1 und einem zweiten Phasenanschluss der zweiten Wicklung V2 angeordnet. Ein fünfter Halleiterschalter S5 ist zwischen dem dritten Phasenanschluss der ersten Wicklung W1 und einem dritten Phasenanschluss der zweiten Wicklung W2 angeordnet.A first semiconductor switch S1 is arranged between a first phase connection of the first winding U1 and a second phase connection of the first winding V1. A second semiconductor switch S2 is arranged between the second phase connection of the first winding U1 and a third phase connection of the first winding W1. A third semiconductor switch S3 is arranged between the first phase connection of the first winding U1 and a first phase connection of the second winding U2. A fourth semiconductor switch S4 is arranged between the second phase connection of the first winding V1 and a second phase connection of the second winding V2. A fifth semiconductor switch S5 is arranged between the third phase connection of the first winding W1 and a third phase connection of the second winding W2.

Zur Ansteuerung der Schalteinrichtung 3, insbesondere der Halbleiterschalter S1, S2, S3, S4, S5, weist der Force-Feedback-Aktuator 1 ferner eine Steuereinrichtung 4 auf. Die Steuereinrichtung kann beispielsweise als programmierbarer Microcontroller ausgestaltet sein. Die Steuereinrichtung ist gemäß der Erfindung dazu konfiguriert, die Schalteinrichtung 3 derart anzusteuern, dass - in einem in 1 gezeigten Normalbetriebsmodus - jeder Phasenanschluss der ersten Wicklung U1, V1, W1 mit genau einem Phasenanschluss der zweiten Wicklung U2, V2, W2 elektrisch verbunden ist. Insofern ist die erste Wicklung der elektrischen Maschine 2 parallel zu der zweiten Wicklung der elektrischen Maschine 2 geschaltet. In diesem Normalbetriebsmodus kann die elektrische Maschine 2 über eine Leistungselektronik 5, beispielsweise umfassend einen Wechselrichter, angesteuert werden. Hierzu sind die ersten Phasenanschlüsse der Wicklungen U1, U2 mit einem ersten Phasenanschluss U der Leistungselektronik 5 verbunden und die zweiten Phasenanschlüsse der Wicklungen V1, V2 mit einem zweiten Phasenanschluss V der Leistungselektronik 5 und die dritten Phasenanschlüsse der Wicklungen W1, W2 mit einem dritten Phasenanschluss W der Leistungselektronik 5.To control the switching device 3, in particular the semiconductor switches S1, S2, S3, S4, S5, the force feedback actuator 1 further comprises a control device 4. The control device can be designed, for example, as a programmable microcontroller. According to the invention, the control device is configured to control the switching device 3 in such a way that - in a 1 shown normal operating mode - each phase connection of the first winding U1, V1, W1 is electrically connected to exactly one phase connection of the second winding U2, V2, W2. In this respect, the first winding of the electrical machine 2 is connected in parallel to the second winding of the electrical machine 2. In this normal operating mode, the electrical machine 2 can be controlled via power electronics 5, for example comprising an inverter. For this purpose, the first phase connections of the windings U1, U2 are connected to a first phase connection U of the power electronics 5 and the second phase connections of the windings V1, V2 to a second phase connection V of the power electronics 5 and the third phase connections of the windings W1, W2 to a third phase connection W of the power electronics 5.

Die Steuereinrichtung 4 ist gemäß der Erfindung ferner dazu konfiguriert - in einem in 2 gezeigten Fehlermodus - alle Phasenanschlüsse der ersten Wicklung U1, V1, W1 elektrisch miteinander zu verbinden und die Phasenanschlüsse der zweiten Wicklung U2, V2, W2 elektrisch voneinander und von den Phasenanschlüssen der ersten Wicklung U1, V1, W1 zu trennen. Insofern ist die erste Wicklung der elektrischen Maschine 2 kurzgeschlossen und die zweite Wicklung bleibt offen.The control device 4 is further configured according to the invention to - in a 2 shown fault mode - to electrically connect all phase connections of the first winding U1, V1, W1 and to disconnect the phase connections of the second winding U2, V2, W2 are to be electrically separated from each other and from the phase connections of the first winding U1, V1, W1. In this respect, the first winding of the electrical machine 2 is short-circuited and the second winding remains open.

Die Steuereinrichtung 4 ist ferner dazu konfiguriert, einen Fehler in dem Force-Feedback-Aktuator 1 zu erkennen, beispielsweise anhand eines Signals eines in den Zeichnungen nicht dargestellten Sensors. Der Sensor kann als Stromsensor oder Spannungssensor ausgebildet sein. Bei dem Fehler kann es sich beispielsweise um einen Fehler in der Leistungselektronik 5 handeln, insbesondere einen Ausfall der Leistungselektronik 5. Die Steuereinrichtung 4 ist ferner dazu konfiguriert und bei erkanntem Fehler von dem Normalbetriebsmodus in den Fehlermodus zu schalten. Durch die kurzgeschlossene Wicklung kann in dem Fehlermodus ein Kurzschluss-Strom und damit ein Kurzschluss-Drehmoment erzeugt werden, welches der Drehbewegung des Lenkrads und damit dem Lenkwunsch des Fahrers entgegenwirkt. Somit können unkontrollierte Lenkbewegungen, insbesondere ruckartige Lenkbewegungen, durch ein spürbares Gegenmoment abgebremst werden.The control device 4 is also configured to detect an error in the force feedback actuator 1, for example based on a signal from a sensor not shown in the drawings. The sensor can be designed as a current sensor or a voltage sensor. The error can be, for example, an error in the power electronics 5, in particular a failure of the power electronics 5. The control device 4 is also configured to switch from the normal operating mode to the error mode when an error is detected. In the error mode, the short-circuited winding can generate a short-circuit current and thus a short-circuit torque, which counteracts the rotational movement of the steering wheel and thus the driver's steering request. Uncontrolled steering movements, in particular jerky steering movements, can thus be braked by a noticeable counter-torque.

Die Leistungselektronik 5 ist mit der Schalteinrichtung 3 elektrisch verbunden. In dem Normalbetriebsmodus steuert die Leistungselektronik 5 die erste und die zweite Wicklung parallel an, um ein Drehmoment mit der elektrischen Maschine 2 zu erzeugen.The power electronics 5 are electrically connected to the switching device 3. In the normal operating mode, the power electronics 5 controls the first and second windings in parallel in order to generate a torque with the electric machine 2.

Optional kann bei dem Force-Feedback-Aktuator gemäß 1 und 2 ein Widerstand zwischen einen Phasenanschluss der ersten Wicklung U1, V1, W1 und der Schalteinrichtung 3 vorgesehen sein. Alternativ können zwischen mehrere, insbesondere allen, Phasenanschlüssen der ersten Wicklung U1, V1, W1 und der Schalteinrichtung 3 jeweils ein Widerstand vorgesehen sein. Durch den Widerstand oder die mehrere Widerstände kann die Kurzschluss-Charakteristik verändert werden. Dabei kann das Maximum der des Kurzschluss-Drehmoments durch den Widerstand zu höheren Drehzahlen verschoben werden. Durch geeignete Auswahl der Anzahl an Windungen der ersten Wicklung, insbesondere im Verhältnis zu den Windungen der zweiten Wicklung, kann in Kombination mit der Wahl eines oder mehrerer geeigneter Widerstände eine besonders flexible Einstellung der Kurzschluss-Kennlinie erfolgen.Optionally, the force feedback actuator can be 1 and 2 a resistor can be provided between a phase connection of the first winding U1, V1, W1 and the switching device 3. Alternatively, a resistor can be provided between several, in particular all, phase connections of the first winding U1, V1, W1 and the switching device 3. The short-circuit characteristic can be changed by the resistor or several resistors. The maximum of the short-circuit torque can be shifted to higher speeds by the resistor. By appropriately selecting the number of turns of the first winding, in particular in relation to the turns of the second winding, in combination with the selection of one or more suitable resistors, a particularly flexible setting of the short-circuit characteristic curve can be achieved.

Bei dem Force-Feedback-Aktuator 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dessen Verhalten im Fehlermodus durch die Ausgestaltung der elektrischen Maschine 2 zu beeinflussen ohne dabei das Verhalten des Force-Feedback-Aktuators 1 im Normalbetriebsmodus zu verändern. So kann das Kurzschluss-Drehmoment durch die Wahl einer geeigneten Anzahl an Windungen der ersten Wicklung 11 eingestellt werden. Ferner lässt sich die Drehmomentkennline des Force-Feedback-Aktuators im Fehlermodus flexible einstellen. Dies soll im Folgenden anhand der Darstellung in 4 erläutert werden. Die 4 zeigt eine Kurve 20 des Drehmoments M des Force-Feedback-Aktuators 1 gemäß 1 in Abhängigkeit von der Drehzahl n.In the case of the force feedback actuator 1 according to the exemplary embodiment, it is possible to influence its behavior in the fault mode by designing the electrical machine 2 without changing the behavior of the force feedback actuator 1 in the normal operating mode. The short-circuit torque can thus be set by selecting a suitable number of turns of the first winding 11. Furthermore, the torque characteristic of the force feedback actuator can be flexibly set in the fault mode. This will be explained below using the illustration in 4 explained. The 4 shows a curve 20 of the torque M of the force feedback actuator 1 according to 1 depending on the speed n.

Zum Vergleich sind die Kurven 21, 22 aus dem Stand der Technik bekannter Force-Feedback-Aktuatoren gezeigt. Die Kurve 21 stammt von einem Force-Feedback-Aktuator, dessen elektrische Maschine 2 eine gemeinsame Drehstromwicklung mit drei Phasenanschlüssen aufweist. Es ist erkennbar, dass das Maximum des Drehmoments M gemäß Kurve 21 einen größeren Wert als bei dem Force-Feedback-Aktuator 1 gemäß der Erfindung umfasst. Insofern bei dem erfindungsgemäßen Force-Feedback-Aktuator 1 ein weniger schwankender Verlauf des Drehmoments über der Drehzahl erreicht werden.For comparison, curves 21, 22 of force feedback actuators known from the prior art are shown. Curve 21 comes from a force feedback actuator whose electric machine 2 has a common three-phase winding with three phase connections. It can be seen that the maximum torque M according to curve 21 has a larger value than in the force feedback actuator 1 according to the invention. In this respect, a less fluctuating course of the torque over the speed can be achieved in the force feedback actuator 1 according to the invention.

Die Kurve 22 stammt von einem Force-Feedback-Aktuator, dessen elektrische Maschine 2 ebenfalls eine gemeinsame Drehstromwicklung mit drei Phasenanschlüssen aufweist. Zudem ist bei dem Force-Feedback-Aktuator ein Widerstand zwischen dem Phasenanschlüssen der elektrischen Maschine vorgesehen. Dieser Widerstand verschiebt das Maximum der Drehmomentkennlinie im Vergleich zu der Kurve 21 in Richtung größerer Drehzahlen n. Es ist erkennbar, dass das Maximum des Drehmoments M gemäß Kurve 22 einen größeren Wert als bei dem Force-Feedback-Aktuator 1 gemäß der Erfindung umfasst. Insofern bei dem erfindungsgemäßen Force-Feedback-Aktuator 1 ein weniger schwankender Verlauf des Drehmoments M über der Drehzahl n erreicht werden.Curve 22 comes from a force feedback actuator whose electric machine 2 also has a common three-phase winding with three phase connections. In addition, a resistor is provided between the phase connections of the electric machine in the force feedback actuator. This resistor shifts the maximum of the torque characteristic curve in the direction of higher speeds n compared to curve 21. It can be seen that the maximum of the torque M according to curve 22 has a larger value than in the force feedback actuator 1 according to the invention. In this respect, a less fluctuating course of the torque M over the speed n can be achieved in the force feedback actuator 1 according to the invention.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11
Force-Feedback-Aktuatorforce feedback actuator
22
elektrische Maschineelectric machine
33
Schalteinrichtungswitching device
44
Steuereinrichtungcontrol device
55
Leistungselektronikpower electronics
S1-S5S1-S5
Halbleiterschaltersemiconductor switches
U1, V1, W1U1, V1, W1
Phasenanschluss der ersten Wicklungphase connection of the first winding
U2, V2, W2U2, V2, W2
Phasenanschluss der zweiten Wicklungphase connection of the second winding
U, V, WU, V, W
Phasenanschluss der Leistungselektronikphase connection of the power electronics
1010
ZahnTooth
1111
erste Wicklungfirst winding
1212
zweite Wicklungsecond winding
MM
Drehmomenttorque
NN
Drehzahlspeed

Claims (10)

Force-Feedback-Aktuator (1) für ein Steer-By-Wire-System mit einer elektrischen Maschine (2) mit mindestens einer ersten Wicklung (11) und einer von der ersten Wicklung (11) getrennten, zweiten Wicklung (12), wobei die erste und zweite Wicklung (11, 12) jeweils mehrere Phasenanschlüsse (U1, V1, W1, U2, V2, W2) aufweist, einer Schalteinrichtung (3) die mit der ersten und zweiten Wicklung (11, 12) elektrisch verbunden ist und einer Steuereinrichtung (4) die dazu konfiguriert ist, die Schalteinrichtung (3) derart anzusteuern, dass - in einem Normalbetriebsmodus - jeder Phasenanschluss der ersten Wicklung (U1, V1, W1) mit genau einem Phasenanschluss der zweiten Wicklung (U2, V2, W2) elektrisch verbunden ist und - in einem Fehlermodus - alle Phasenanschlüsse der ersten Wicklung (U1, V1, W1) elektrisch miteinander verbunden sind und die Phasenanschlüsse der zweiten Wicklung (U2, V2, W2) elektrisch voneinander und von den Phasenanschlüssen der ersten Wicklung (U1, V1, W1) getrennt sind.Force feedback actuator (1) for a steer-by-wire system with an electric machine (2) with at least a first winding (11) and a second winding (12) separate from the first winding (11), the first and second windings (11, 12) each having a plurality of phase connections (U1, V1, W1, U2, V2, W2), a switching device (3) which is electrically connected to the first and second windings (11, 12) and a control device (4) which is configured to control the switching device (3) such that - in a normal operating mode - each phase connection of the first winding (U1, V1, W1) is electrically connected to exactly one phase connection of the second winding (U2, V2, W2) and - in a fault mode - all phase connections of the first winding (U1, V1, W1) are electrically connected to one another and the phase connections of the second winding (U2, V2, W2) are electrically separated from each other and from the phase connections of the first winding (U1, V1, W1). Force-Feedback-Aktuator (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet, durch mindestens einen Widerstand, der zwischen einem Phasenanschluss der ersten Wicklung (U1, V1, W1) und der Schalteinrichtung (3) angeordnet ist.Force feedback actuator (1) according to claim 1 , characterized by at least one resistor which is arranged between a phase connection of the first winding (U1, V1, W1) and the switching device (3). Force-Feedback-Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (4) dazu konfiguriert ist, einen Fehler in dem Force-Feedback-Aktuator (1) zu erkennen und bei erkanntem Fehler von dem Normalbetriebsmodus in den Fehlermodus zu schalten.Force feedback actuator (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (4) is configured to detect an error in the force feedback actuator (1) and, when an error is detected, to switch from the normal operating mode to the error mode. Force-Feedback-Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Leistungselektronik (5), die mit der Schalteinrichtung (3) elektrisch verbunden ist.Force feedback actuator (1) according to one of the preceding claims, characterized by power electronics (5) which are electrically connected to the switching device (3). Force-Feedback-Aktuator (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (5) dazu konfiguriert ist, in dem Normalbetriebsmodus die erste und die zweite Wicklung (11, 12) parallel anzusteuern.Force feedback actuator (1) according to claim 4 , characterized in that the power electronics (5) are configured to control the first and the second winding (11, 12) in parallel in the normal operating mode. mit einem Lenkrad und einem Force-Feedback-Aktuator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.with a steering wheel and a force feedback actuator (1) according to one of the preceding claims. Verfahren zum Betrieb eines Force-Feedback-Aktuators (1) für ein Steer-By-Wire-System mit einer elektrischen Maschine (2) mit mindestens einer ersten Wicklung (11) und einer von der ersten Wicklung (11) getrennten, zweiten Wicklung (12), wobei die erste und zweite Wicklung (11, 12) jeweils mehrere Phasenanschlüsse (U1, V1, W1, U2, V2, W2) aufweist, einer Schalteinrichtung (3) die mit der ersten und zweiten Wicklung (11, 12) elektrisch verbunden ist und einer Steuereinrichtung (4), welche die Schalteinrichtung (3) derart ansteuert, dass - in einem Normalbetriebsmodus - jeder Phasenanschluss der ersten Wicklung (U1, V1, W1) mit genau einem Phasenanschluss der zweiten Wicklung (U2, V2, W2) elektrisch verbunden ist und - in einem Fehlermodus - alle Phasenanschlüsse der ersten Wicklung (U1, V1, W1) elektrisch miteinander verbunden sind und die Phasenanschlüsse der zweiten Wicklung (U2, V2, W2) elektrisch voneinander und von den Phasenanschlüssen der ersten Wicklung (U1, V1, W1) getrennt sind.Method for operating a force feedback actuator (1) for a steer-by-wire system with an electric machine (2) with at least a first winding (11) and a second winding (12) separate from the first winding (11), the first and second windings (11, 12) each having a plurality of phase connections (U1, V1, W1, U2, V2, W2), a switching device (3) which is electrically connected to the first and second windings (11, 12) and a control device (4) which controls the switching device (3) such that - in a normal operating mode - each phase connection of the first winding (U1, V1, W1) is electrically connected to exactly one phase connection of the second winding (U2, V2, W2) and - in a fault mode - all phase connections of the first winding (U1, V1, W1) are electrically connected to one another and the phase connections of the second winding (U2, V2, W2) are electrically separated from each other and from the phase connections of the first winding (U1, V1, W1). Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Widerstand zwischen einem Phasenanschluss der ersten Wicklung (U1, V1, W1) und der Schalteinrichtung (3) angeordnet ist.procedure according to claim 7 , characterized in that at least one resistor is arranged between a phase connection of the first winding (U1, V1, W1) and the switching device (3). Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (4) einen Fehler in dem Force-Feedback-Aktuator (1) erkennt und bei erkanntem Fehler von dem Normalbetriebsmodus in den Fehlermodus wechselt.Method according to one of the Claims 7 or 8 , characterized in that the control device (4) detects an error in the force feedback actuator (1) and, when an error is detected, changes from the normal operating mode to the error mode. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Force-Feedback-Aktuator (1) eine Leistungselektronik (5) umfasst, die mit der Schalteinrichtung (3) elektrisch verbunden ist.Method according to one of the Claims 7 until 9 , characterized in that the force feedback actuator (1) comprises power electronics (5) which is electrically connected to the switching device (3).
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