DE10135798A1

DE10135798A1 - Verfahren zur Diagnose diskreter Endstufen über Digitaleingänge

Info

Publication number: DE10135798A1
Application number: DE10135798A
Authority: DE
Inventors: Stephan Rosenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2021-07-24
Also published as: DE10135798B4; FR2827676B1; ITMI20021593A1; US20030057989A1; FR2827676A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Diagnose eines elektrischen Verbrauchers (1) mittels einer Auswerteeinheit (17). Der elektrische Verbraucher (1) wird über einen Spannungsteiler (14) mit einer Versorgungsspannung V¶CC¶ (2) versorgt. Ein erster digitaler Diagnoseport (4) und ein zweiter Diagnoseport (5) der Auswerteeinheit (17) sind über den Spannungsteiler (14) mit der Versorgungsspannung (2) verbunden. Die Diagnoseports (4, 5) erkennen je nach angelegter Spannung eine Spannung U¶Low¶ oder eine Spannung U¶High¶.

Description

Technisches Gebiet
Zur Diagnose von Endstufen (zum Beispiel diskreten FET-Endstufen) an Steuergeräten wird an diesen die aktuell an der Endstufe anliegende Spannung (Drain-Source-Spannung) von einem Analogport eingelesen und in einen Digitalwert umgesetzt. Analogports, die zur Auswertung von Analogsignale generierender Sensoren erforderlich sind, stehen an Mikrocontrollern (μC's) nur in begrenztem Umfang zur Verfügung. Im Zuge der Weiterentwicklung von Steuergerätegenerationen steigt die Anzahl der auszuwertenden Signale stetig. Bereits in heutigen Steuergerätegenerationen übersteigt die Anzahl der auszuwertenden Signale die zur Auswertung notwendigen Analog/Digitalports an Mikrocontrollern, so dass eine Auswahl der zu wandelnden analogen Signale getroffen werden muss.
Stand der Technik
Aus US 4,654,645 ist eine Erkennungseinrichtung zur Detektion eines Ausfalls eines elektrischen Bauteils bekannt. Ein elektrisches Bauelement ist gemäß dieser Lösung in Serie zu einem Schaltelement geschaltet und definiert dadurch eine Reihenschaltung. Eine Verarbeitungseinheit generiert ein Steuersignal zur Ansteuerung des Schaltelements zwischen einer Einschalt- und einer Ausschaltposition, zur Steuerung des in der Reihenschaltung fließenden Stromes. Es ist ein Komparatorbauelement vorgesehen, welches die Spannung an einem Ende des elektrischen Bauteils mit einer Referenzspannung vergleicht, die von einem Referenzspannungsgenerator erzeugt wird. Der Komparator generiert ein resultierendes Signal, welches dem Resultat der Vergleichsoperation des Komparators entspricht. Das resultierende Signal wird der Verarbeitungseinheit zugeführt. Die Verarbeitungseinheit wiederum detektiert den Betriebszustand der Reihenschaltung durch Überwachung der Kombination aus dem Steuersignal und des aus dem Vergleich resultierenden Signals.
DE 40 12 109 C2 betrifft eine Vorrichtung zur Funktionsüberwachung eines elektrischen/elektronischen Schaltmittels, seiner angeschlossenen Verbraucher über eine Ansteuerung und seine Verbindungsleitung. Es ist wenigstens eine parallel zu einem Schaltmittel geschaltete Fehlererfassungslogik vorgesehen, wobei der Verbindungspunkt zwischen dem Schaltmittel und dem Verbraucher mit einem Bezugspotential beschaltet wird. An die Fehlererfassungslogik sind die Potentiale der Eingangs- und der Ausgangsklemme des Schaltmittels sowie das Bezugspotential anlegbar. Die Fehlererfassungslogik unterscheidet, ausgehend von den anliegenden Potentialen, zwischen den Fehlern Kurzschluss nach Pluspol, Lastabfall und Kurzschluss nach Masse.
WO 87/07388 bezieht sich auf ein Verfahren zur Überprüfung von Lastwiderstandskreisen. Mittels dieses Verfahrens wird eine Mehrzahl von vermittels einer gemeinsamen Endstufe angesteuerter Lastwiderstandskreise auf ihre jeweilige Funktionsfähigkeit hin überwacht. Sowohl bei Ansteuerung als auch bei Nichtansteuerung der gemeinsamen Endstufe werden jeweils in allen Lastwiderstandskreisen in einer Auswerteschaltung elektrische Kennwerte gemessen und mit vorgegebenen Referenzwerten verglichen. Bei festgestellten Abweichungen wird eine Anzeigeeinrichtung aktiviert, gegebenenfalls auch eine Schaltungseinrichtung, die über geeignete Schaltmittel die Endstufe von einem als funktionsunfähig erkannten Lastwiderstandskreis abtrennt. Damit kann die Funktionsfähigkeit der verbleibenden, intakten Lastwiderstandskreise sichergestellt werden. Sollten sämtliche von der gemeinsamen Endstufe angesteuerten Lastwiderstandskreise funktionsunfähig werden, können nach Erkennung der funktionsunfähigen Lastwiderstandskreise diese von der gemeinsamen Endstufe abgetrennt werden, so dass die Endstufe vor einer unzulässigen Belastung geschützt werden kann.
Aus EP 0 516 633 B1 ist darüber hinaus ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Funktionsüberwachung eines elektrischen Verbrauchers bekannt. Durch Vergleich eines der Ansteuerung des Verbrauchers dienenden Signals und eines der Steuerschaltung zugeleiteten Rückmeldesignals wird die Funktion eines von der Steuerschaltung angesteuerten elektrischen Verbrauchers überwacht. Das Rückmeldesignal wird von einem zwischen Versorgungsspannung und Masse liegenden RC-Glied beeinflusst. Zur Erkennung eines Kurzschlusses des Verbrauchers gegen Masse, gegen Versorgungsspannung oder eine Unterbrechung einer Leitung zwischen der Steuerschaltung und dem Verbraucher, erfolgt wenigstens je eine Vergleichsabfrage zeitlich gestaffelt vor, während und nach einem Schaltereignis des Verbrauchers.
Darstellung der Erfindung
Die mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erzielbaren Vorteile liegen zum einen in einer Auswertung eines elektrischen Verbrauchers unter Verzicht auf Belegung von Analogkanälen einer Auswerteanordnung. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erfolgt die Auswertung über zwei Digitaleingänge, die an Mikrocontrollern vielfach zur Genüge verfügbar sind. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird von Analogkanälen an Mikrocontrollern (μC) ein wesentlich ressourcenschonenderer Gebrauch gemacht. Anstelle eines Mikrocontrollers (μC) kann es sich auch um andere Auswertebausteine, zum Beispiel ein Logik-Array-Gitter, einen OP-Verstärker oder eine diskrete Verarbeitungseinheit handeln. Die durch die erfindungsgemäße Lösung freiwerdenden Analogkanäle stehen somit als Eingänge für Sensoren zur Verfügung, deren Ausgangssignale sich ausschließlich mittels eines Analogkanals verarbeiten lassen.
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird die Endstufendiagnose einfacher, hinsichtlich der Herstellkosten günstiger und hinsichtlich des Platzbedarfs wesentlich bauraumgünstiger. Die Diagnosestufe wird mittels zweier Digitaleingänge und mehrerer Widerstände realisiert. Die beiden Digitaleingänge werden über einen Spannungsteiler an eine Versorgungsspannung gelegt, zum Beispiel U = 5 V. Dadurch ist die Spannung am ersten Digitalport (Dia-High) höher als die am zweiten Digitalport (Dia-Low): Je nach angelegter Spannung erkennen die Diagnoseports den Spannungszustand "Low" (U_low < 2,4 V) bzw. den Spannungszustand "High", z.B. (U_high > 3,6 V).
Mittels der Beschattung der digitalen Diagnoseports des Mikrocontrollers (μC) kann eine vollständige Diagnose des elektrischen Verbrauchers hinsichtlich eines vorliegenden Kurzschlusses nach Masse, eines Kurzschlusses zur Batteriespannung sowie ein Lastabfall erkannt werden. Die Auswertung erfolgt über zwei digitale Diagnoseeingänge und das Ansteuersignal des elektrischen Verbrauchers, zum Beispiel einer Endstufe.
Im Vergleich zu Lösungen oder Verfahren, die auf Zeitmessungen basieren, ist die Portabfrage unter dem Aspekt der Programmierung sowie der Rechnerressourcen einfacher, schneller und wesentlich zuverlässiger. Darüber hinaus können elektrische Verbraucher wie zum Beispiel Endstufen optional mit einem Diodenverpolungsschutz ausgerüstet werden. Die Diagnosefunktion der angesprochenen drei Fehlerzustände ist auch bei Einsatz eines Diodenverpolungsschutzes gewährleistet, wenn parallel zur Sperrdiode ein geeignet dimensionierter Widerstand. geschaltet wird.
Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt die Beschaltung zweier digitaler Diagnoseports eines Mikrocontrollers.
Ausführungsvarianten
Der Figur ist eine Beschaltungsvariante zweier digitaler Diagnoseports eines μC's zu entnehmen.
Die Figur zeigt den Diagnoseschaltungsaufbau zwischen einem mit Bezugszeichen 17 identifizierten Mikrocontroller (μC) oder eines Auswertebausteins oder eines Logik-Array-Gitters einer diskreten Verarbeitungseinheit oder einem Operationsverstärker und einem elektrischen Verbraucher 1 in Gestalt beispielsweise einer diskreten Endstufe. Die dargestellte Endstufe kann Teil zum Beispiel einer niederspannungsfähigen Startersteuerung sein.
Die Versorgungsspannung V_CC, beispielsweise 5 V, wird dem Lastpfad am elektrischen Verbraucher zum Mikrocontroller 17 am Anschluß 2 eingekoppelt. In der Versorgungsleitung von der Versorgungsspannung 2 zu einem Abgriffspunkt 15 für den ersten digitalen Diagnoseport 4 ist ein erster Widerstand 8 (R1) integriert. Vom Abgriff 15 für den ersten digitalen Diagnoseport 4 erstreckt sich eine Zuleitung zum ersten digitalen Diagnoseport 4 des Mikrocontrollers 17, in welcher einer erster hochohmiger Schutzwiderstand 6 aufgenommen ist (100K). Unterhalb des Abgriffes 15 für den ersten Diagnoseport 4 liegt in einem Spannungsteiler 14 ein zweiter Widerstand 9 (R2). Hinter dem zweiten Widerstand 9 (R2) ist im Spannungsteiler 14 ein weiterer Abgriffspunkt 16 aufgenommen. Vom weiteren Abgriffpunkt 16 erstreckt sich eine Leitung zum zweiten digitalen Diagnoseport 4 des Mikrocontrollers 17, in welchem ein weiterer Schutzwiderstand 7 (100K) aufgenommen ist. Unterhalb des weiteren Abgriffpunktes 16 zum zweiten Diagnoseport 5 des Mikrocontrollers 17 ist, im Spannungsteiler 14 gemäß der Darstellung in 1 ein dritter Widerstand 10 (R3) aufgenommen. Der Spannungsteiler 14 ist bei Position 13 auf Masse gelegt.
Die beiden in den Zuleitungen zu den digitalen Diagnoseports 4 bzw. 5 des Mikrocontrollers 17 eingelassenen Schutzwiderstände 6 bzw. 7 können beispielsweise Widerstände von 100K sein, während der erste Widerstand (R1) 4,7K und die beiden weiteren, im Span nungsteiler 14 aufgenommenen Widerstände 9 bzw. 10, (R2) bzw. (R3) jeweils 14,7K aufweisen können.
Dem Lastpfad des elektrischen Verbrauchers 1 in Gestalt einer Endstufe ist eine Schaltungsleitung 11 zugeordnet, die beispielsweise über ein Schaltelement geschaltet werden kann (Transistor). Dessen Ausgang ist mit Bezugszeichen 12 bezeichnet. Zwischen dem Abzweig der Ansteuerleitung 11 und dem elektrischen Verbraucher kann ein Verpolungsschutz 3 aufgenommen sein. Der Verpolungsschutz 3 umfasst eine Sperrdiode 3.1, deren Durchlassrichtung in Richtung auf den Mikrocontroller 17 gerichtet ist. Parallel zur Sperrdiode 3.1 des Verpolungsschutzes 3 ist ein Widerstand 3.3 geschaltet (R_D), der zum Beispiel einen Widerstandswert von 1K47 aufweist.
Die beiden am Mikrocontroller 17 vorgesehenen, zur Diagnose des Zustandes des elektrischen Verbrauchers 1 dienenden digitalen Diagnoseports 4 bzw. 5 werden über den Spannungsteiler 14 mit der Versorgungsspannung 2 (zum Beispiel 5 V) verbunden. Es stellt sich zwangsläufig am ersten digitalen Diagnoseport 4 eine höhere Spannung ein (High-Level), während sich am zweiten digitalen Diagnoseport 5 eine geringere Spannung (Low-Level) einstellt. Je nach angelegter Spannung Low (zum Beispiel U_low < 2,4V) und High (U_High > 3,5V) stellen sich an den beiden digitalen Diagnoseports 4 bzw. 5 entsprechende Zustände "Low" (0) bzw. "High" (1) ein.
Der korrekte Betriebszustand des Systems wird durch die beiden digitalen Diagnoseports 4 bzw. 5 am Mikrocontroller 17 bei nicht angesteuertem elektrischen Verbraucher 1 über den Lastpfad erkannt, der mit der Versorgungsspannung 2 verbunden ist. In diesem Zustand stellen sich an beiden digitalen Diagnoseports 4 bzw. 5 des Mikrocontrollers die Zustände "High" (1) ein. Ist die Endstufe durch das Schaltelement 12 in ihren ausgeschalteten Zustand geschaltet, so nehmen die beiden digitalen Diagnoseports 4 bzw. 5 des Mikrocontrollers 17 die Zustände "Low" (0) ein. In beiden Fällen wird gemäß der nachstehenden Tabelle auf einen korrekten Betriebszustand durch den Mikrocontroller 17 geschlossen. Befindet sich der elektrische Verbraucher 1 jedoch im eingeschalteten Zustand und wird anstelle von "Low" (0) ein "High-Level" am ersten digitalen Diagnoseport 4 erkannt, so erkennt der Mikrocontroller 17 auf einen Kurzschluss zur Versorgungsspannung 2.
Wird bei ausgeschaltetem elektrischen Verbraucher 1 an beiden digitalen Diagnoseports hingegen ein "Low-Level"; entsprechend einer Spannung < 2,4 V erkannt, nehmen die beiden digitalen Diagnoseports 4 bzw. 5 am Mikrocontroller 17 den Zustand (0) ein und der Mikrocontroller 17 erkennt auf den Zustand: Kurzschluss nach Masse.
Ist der elektrische Verbraucher 1 in Gestalt einer Endstufe einer niederspannungsfähigen Startersteuerung zum Beispiel ausgeschaltet und am ersten digitalen Diagnoseport 4 liegt ein "High-Level" (1) und am zweiten digitalen Diagnoseport 5 hingegen ein "Low-Level" (0) an, wird bei ausgeschaltetem elektrischen Verbraucher 1 auf einen Lastabfall erkannt.
Mit der in der einzigen Figur dargestellten Beschaltungsvariante eines Mikrocontrollers 17 kann die Diagnose eines elektrischen Verbrauchers 1 unter Umgehung eines Analogkanales erfolgen, da diese bei den verschiedenen Bauarten von Mikrocontrollern 17 entweder gar nicht vorhanden oder äußerst knapp zur Verfügung stehen. Mit der Beschaltung gemäß 1 erfolgt eine Auswertung des Zustandes des elektrischen Verbrauchers 1 über zwei digitale Diagnoseports 4, 5 am Mikrocontroller 17 und des Ansteuersignals des elektrischen Verbrauchers 1. Im Vergleich zur Analog/Digital-Wandlerlösung bzw. Verfahren, die auf Zeitmessungen basieren, ist die Abfrage des ersten digitalen Diagnoseports 4 bzw. des zweiten digitalen Diagnoseports 5 des Mikrocontrollers 17 unter dem Aspekt der Programmierung sowie der Rechnerressourcen einfacher, schneller und wesentlich sicherer. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Beschaltungsvariante kann optional auch ein Diodenverpolschutz (R3) erreicht werden, der die Diagnosefähigkeit des elektrischen Verbrauchers 1 nicht einschränkt. Parallel zur im Verpolschutz 3 eingesetzten Sperrdiode 3.2 ist ein entsprechend dimensionierter Widerstand 3.3 (R_D) zu legen.
Für einen eingesetzten Rechner mit den Werten U_H = 3,5 V und U_L = 2,4 V bei gewählten Widerständen von (R1) = 4,7K, (R2) = (R3) = 14,7K und R_D = 1K47 ergeben sich für die aufgeführten Fälle 1, 3, 4 und 5 nachfolgende Spannungsniveaus:
Im Falle eines ausgeschalteten elektrischen Verbrauchers 1 nimmt das Ausgangssignal den Wert 0 ein und an den digitalen Diagnoseports 4 bzw. 5 stellt sich das der U_H = 3,5 V entsprechende digitale Signal "1" ein. Gemäß der Beziehung:
stellt sich mit den oben angegebenen Werten ein Spannungswert von 4,87 V ein, der die Spannungsschelle für den "High-Level" = 3,5V sicher übertrifft.
Entsprechendes gilt für den über den Schalter eingeschalteten elektrischen Verbraucher 1. Im korrekten Zustand stellen sich an den beiden digitalen Diagnoseports 4 bzw. 5 des Mikrocontrollers 17 jeweils die logischen Signale "(0)" ein, was einer Spannung U_L < 2,4 V entspricht.
Im dritten Falle jedoch bei eingeschaltetem elektrischen Verbraucher 1 stellt sich am ersten digitalen Diagnoseport 4 des Mikrocontrollers 17 eine Spannung ein, die sich aus der Differenz von U_Kurzschluss – 0,7V ergibt, welches die Spannungsschwelle U_H = 3,5 V zur Auslösung eines "High-Level-Zustandes" sicher übertrifft.
Im vierten Falle, bei ausgeschalteten elektrischen Verbraucher 1, stellt sich eine Spannung U_L gemäß der nachfolgenden Beziehung ein:
Mit den oben angegebenen Werten für R1, R2, R3, R_D und V_CC stellt sich eine U_Low-Spannung von, 1,19 V ein. Diese liegt weit unterhalb der Schwellenspannung U_L = 2,4 V für ein Auslösen eines "Low-Levels".
Im fünften Falle, in welchem gemäß der vorangegangenen Ausführungen auf einen Lastabfall geschlossen wird, stellt sich im ausgeschalteten Zustand des elektrischen Verbrauchers 1 am ersten digitalen Diagnoseport 4 der Spannung U_H entsprechender Zustand 1 ein. Die Spannung am ersten digitalen Diagnoseport 4 lässt sich mittels der nachfolgenden Beziehung beschreiben:
Für die oben genannten Werte ergibt sich ein Spannungswert von U_High = 4,31 V, welcher größer als die Auslöseschwelle von U_H = 3,5 V für die Auslösung eines "High-Zustandes" am ersten digitalen Diagnoseport 4 ist.
Am zweiten digitalen Diagnoseport 5 des Mikrocontrollers 17 stellt sich eine Spannung U_Low gemäß der nachfolgenden Beziehung ein:
Mit den oben genannten Werten beträgt die am zweiten digitalen Diagnoseport 5 anliegende Spannung U_L 2,16 V, welche geringer ist als die Schwellwertspannung U_L = 2,4 V. Damit ist sichergestellt, dass im besprochenen Fehlerfall "Lastabfall" am zweiten digitalen Diagnoseport 5 des Mikrocontrollers 17 ein Zustand "Low" herrscht.

1: elektrischer Verbraucher
2: Versorgungsspannung (V_CC = 5 V)
3: Verpolungsschutz
3.1: Sperrdiode
3.2: Durchlaßrichtung
3.3: Widerstand
4: erster Digitalport (High)
5: zweiter Digitalport (Low)
6: erster Schutzwiderstand
7: zweiter Schutzwiderstand
8: erster Widerstand R1
9: zweiter Widerstand R2
10: dritter Widerstand R3
11: Ansteuerleitung
12: Ansteuerung
13: Masse
14: Spannungsteiler
15: erster Abgriffspunkt erster Diagnoseport
16: weiterer Abgriffspunkt zweiter Diagnoseport
17: Mikrocontroller (μC), Auswerteeinheit, OP-Verstärker
18: Schaltelement

Claims

Verfahren zur Diagnose eines elektrischen Verbrauchers (1) mit einer Auswerteeinheit (17), wobei der elektrische Verbraucher (1) über einen Spannungsteiler (14) mit einer Versorgungsspannung V_CC (2) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster digitaler Diagnoseport (4) und ein zweiter Diagnoseport (5) der Auswerteeinheit (17) über einen Spannungsteiler (14) mit der Versorgungsspannung (2) verbunden werden und die Diagnoseports (4, 5) je nach anliegender Spannung eine Spannung U_Low oder eine Spannung U_High erkennen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im eingeschalteten Zustand des elektrischen Verbrauchers (1) die Diagnoseports (4, 5) eine Spannung U_High im Hauptpfad erkennen und einen Zustand "High" (1) einnehmen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im eingeschalteten Zustand des elektrischen Verbrauchers (1) die Diagnoseports (4, 5) eine Spannung U_Low im Lastpfad erkennen und einen Zustand "Low" (0) einnehmen.
Verfahren gemäß der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinheit (17) auf einen korrekten Betriebszustand des elektrischen Verbrauchers (1) diagnostiziert.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei eingeschaltetem elektrischen Verbraucher (1) und beim Zustand "High" (1) entsprechend der Spannung U_High am ersten Diagnoseport (4) der Auswerteeinheit (17) auf Kurzschluss zur Versorgungsspannung (2) erkennt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei ausgeschaltetem elektrischen Verbraucher (1) und dem Zustand "Low" (0) entsprechend der Spannung U_Low an beiden Diagnoseports (4, 5) der Auswerteeinheit (17) auf Kurzschluss nach Masse erkennt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei ausgeschaltetem elektrischen Verbraucher (1) am ersten Diagnoseport (4) anliegenden Zustand "High" (1), entsprechend der Spannung U_H und am zweiten Diagnoseport (5) anliegendem Zustand "Low" (0) entsprechend der Spannung U_L der Auswerteeinheit (17) auf Lastabfall erkennt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren gemäß eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem digitalen Diagnoseport (4, 5) jeweils ein Schutzwiderstand (6, 7) vorgeschaltet ist und der Spannungsteiler (14) einen ersten Widerstand R1 (8) zur Versorgungsspannung (2) und zwei weitere identische Widerstände (9, 10) umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektrischen Verbraucher (1) ein Verpolungsschutz (3) zugeordnet ist, der eine Sperrdiode (3.1) enthält.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrdiode (3.1) des Verpolungsschutzes (3) ein Widerstand (3.3) parallelgeschaltet ist.