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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines elektrischen
Verbrauchers mit einer Auswerteeinheit und eine Vorrichtung zur
Durchführung
eines solchen Verfahrens.
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Technisches Gebiet
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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.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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DE 39 13 628 A1 bezieht
sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Vorhandenseins
einer Unregelmäßigkeit
in einem Fahrzeugbedienerschutzsystem. Es ist ein Verbraucher über einen Spannungsteiler
mit der Batteriespannung verbunden. Porteingängen S
1 und
S
2 sind Komparatoren vorgeschaltet, die
digitale Signale an einen Mikrocomputer liefern. Mittels eines im
Fahrzeugbedienerschutzsystem vorhandenen Betätigungsbauteiles wird ein Reservekondensator
dahingehend überwacht,
ob dieser bei sowohl bei niedrigerer Spannung in einer Fahrzeugbatterie
als auch bei Abtrennung des Fahrzeugbedienerschutzsystemes von der
Fahrzeugbatterie eine ausreichende Spannungsversorgung des Fahrzeugbedienerschutzsystemes
gewährleistet.
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Darstellung der Erfindung
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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.
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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" (Ulow < 2,4 V) bzw. den
Spannungszustand "High", z. B. (Uhigh > 3,6
V).
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Mittels
der Beschaltung 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.
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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.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt die Beschaltung zweier digitaler Diagnoseports
eines Mikrocontrollers.
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Ausführungsvarianten
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Der
Figur ist eine Beschaltungsvariante zweier digitaler Diagnoseports
eines μC's zu entnehmen.
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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.
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Die
Versorgungsspannung VCC, 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.
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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.
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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 (RD),
der zum Beispiel einen Widerstandswert von 1K47 aufweist.
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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
sichte zweiten digitalen Diagnoseport 5 eine geringere Spannung
(Low-Level) einstellt.
Je nach angelegter Spannung Low (zum Beispiel Ulow < 2,4 V) und High
(UHigh > 3,5
V) stellen sich an den beiden digitalen Diagnoseports 4 bzw. 5 entsprechende
Zustände "Low" (0) bzw. "High" (1) ein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 (RD) zu legen.
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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:
| A | DHigh | DLow | |
1)
aus | 0 | 1 | 1 | o.
k. |
2)
ein | 1 | 0 | 0 | o.
k. |
3)
ein | 1 | 1 | X | KS → UB |
4)
aus | ⌀ | ⌀ | ⌀ | KS → GND |
5)
aus | ⌀ | 1 | ⌀ | Lastabfall |
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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" = 3,5 V sicher übertrifft.
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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
UL < 2,4
V entspricht.
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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 UKurzschluss – 0,7 V ergibt,
welches die Spannungsschwelle UH = 3,5 V
zur Auslösung
eines "High-Level-Zustandes" sicher übertrifft.
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Im
vierten Falle, bei ausgeschalteten elektrischen Verbraucher
1,
stellt sich eine Spannung U
L gemäß der nachfolgenden
Beziehung ein:
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Mit
den oben angegebenen Werten für
R1, R2, R3, RD und VCC stellt
sich eine ULow-Spannung von 1,19 V ein. Diese liegt
weit unterhalb der Schwellenspannung UL =
2,4 V für
ein Auslösen
eines "Low-Levels".
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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:
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Für die oben
genannten Werte ergibt sich ein Spannungswert von UHigh =
4,31 V, welcher größer als die
Auslöseschwelle
von UH = 3,5 V für die Auslösung eines "High-Zustandes" am ersten digitalen Diagnoseport 4 ist.
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Am
zweiten digitalen Diagnoseport
5 des Mikrocontrollers
17 stellt
sich eine Spannung U
Low gemäß der nachfolgenden
Beziehung ein:
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Mit
den oben genannten Werten beträgt
die am zweiten digitalen Diagnoseport 5 anliegende Spannung
UL 2,16 V, welche geringer ist als die Schwellwertspannung
UL = 2,4 V. Damit ist sichergestellt, dass
im besprochenen Fehlerfall "Lastabfall" am zweiten digitalen
Diagnoseport 5 des Mikrocontrollers 17 ein Zustand "Low" herrscht.
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- 1
- elektrischer
Verbraucher
- 2
- Versorgungsspannung
(VCC = 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