Fehlertoleranter mehrphasiger Antrieb mit optimiertem Betriebsverhalten für elektromechanische Servolenkungen

Sicherheitskritische Anwendungen in der Automobilindustrie, wie die elektromechanische Servolenkung (engl.: Electronic Power Steering, EPS), erfordern aufgrund zunehmender Anforderungen seitens der Märkte und der Kunden eine erhöhte Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit. Fehler im Antriebssystem, die zum Totalverlust der elektrischen Hilfskraftlenkung führen, werden als sicherheitskritisch eingestuft und sollen vermieden werden. Der komplette Ausfall des EPS-Systems kann nur durch Fehlertoleranzmaßnahmen bezüglich auftretender Betriebsfehler innerhalb des Systems verhindert werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von fehlertoleranten Strategien basierend auf einer mehrphasigen permanentmagneterregten Synchronmaschine mit unabhängigen Wicklungssträngen und redundantem Wechselrichter. Anhand der Zuverlässigkeitsanalyse für das EPS-System kann die Verfügbarkeit der Antriebsfunktionalität durch strukturelle Redundanz und Verwendung von Mehrphasensystemen gesteigert werden. Dabei wird die Ausfallrate der einzelnen Bauteile des EPS-Systems analysiert und bewertet. Fehleranfällige Komponenten und Strukturen werden identifiziert und gezielt durch redundante Auslegungen erweitert. Die Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit zeigt, dass vor allem der Wechselrichter fehlertolerant ausgelegt werden muss. Der redundante und mehrphasige Ausbau des Wechselrichters hat infolgedessen direkte Auswirkungen auf die Topologie des Motors. Im Vergleich zu einer vollständigen Duplizierung des EPS-Systems bietet eine fehlertolerante Architektur weitere Vorteile in Bezug auf die Fehlertoleranz. Abhängig von dem Fehlerbild und der Systemstruktur sind verschiedene Maßnahmen und Degradationsstrategien des Antriebs möglich. Unter Berücksichtigung von Sicherheitsaspekten wird das gesamte Antriebssystem untersucht, um auch bei sicherheitskritischen Fehlern weiterhin einen operativen Betriebsmodus zu ermöglichen. Zielsetzung ist die Umsetzung einer einfachen Fehlerreaktion. Ferner werden weitere Freiheitsgrade der Ansteuerung aufgrund der redundanten Systemauslegung am Beispiel von unterschiedlichen mehrphasigen Ausführungen aufgezeigt. Die Regelung wird an das fehlertolerante System angepasst und die Ansteuerung modifiziert, um ein optimales Betriebsverhalten des Motors zu ermöglichen. Das Zusammenspiel der Einzelkomponenten wird in solchem Maße abgestimmt, dass funktionale Synergien maximal genutzt werden können.