DE102005006675B4 - Verfahren zur Fehlerkompensation eines Messverstärkers und Computerprogrammprodukt - Google Patents

Verfahren zur Fehlerkompensation eines Messverstärkers und Computerprogrammprodukt Download PDF

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Verfahren zur Fehlerkompensation eines Messverstärkers für den Einsatz im laufenden Betrieb in Kraftfahrzeugbremsanlagen, wobei der Messverstärker (4) Teil einer Druckmessanordnung ist, welche mittels eines Messelements (1) Drücke erfasst, wobei die zu diesen erfassten Drücken zugehörigen Ausgangssignale (P1, P2) in dem Messverstärker (4) vorverarbeitet und anschließend zur weiteren Verarbeitung/Auswertung an eine übergeordnete Recheneinheit (6) übergeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale (P1, P2) des Messelements (1) unabhängig voneinander in dem Messverstärker (4) fehlerkompensiert werden und dass vor und/oder während der Fehlerkompensation durch den Messverstärker (4) ein Signal an die übergeordnete Recheneinheit (6) ausgegeben wird, damit das gerade fehlerkompensierte Ausgangssignal (P1 oder P2) nicht für die Verarbeitung/Auswertung in der Recheneinheit (6) verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlerkompensation eines Messverstärkers nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Computerprogrammprodukt nach dem Patentanspruch 9. Das Verfahren ist insbesondere für den Einsatz im laufenden Betrieb in Kraftfahrzeugbremsanlagen geeignet. Der Messverstärker dient hierbei z. B. zur Aufbereitung von Ausgangssignalen von Druckmesselementen, wobei diese aufbereiteten Ausgangssignale anschließend in einem elektronischen Fahrzeugbremssystem weiterverarbeitet werden.
  • In modernen Kraftfahrzeugen werden vielfach elektronisch geregelte Bremsanlagen eingesetzt. Diese weisen vermehrt sicherheitsrelevante Unterfunktionen, wie z. B. ein Antiblockiersystem (ABS) oder ein elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP) auf. Zur Steuerung bzw. Regelung dieser Bremsanlagen ist es erforderlich, dass die Bremsdrücke bzw. die zu den Bremsdrücken proportionalen Drucksignale erfasst und verarbeitet werden. Da insbesondere an die Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs hohe Anforderungen im Hinblick auf die Sicherheit der Fahrzeuginsassen und anderer Verkehrsteilnehmer gestellt werden, ist ein fehlerfreier Betrieb bzw. eine Fehlerüberwachung der Bremsanlage von entscheidender Bedeutung.
  • Aus der DE 103 08 798 A1 ist eine Druckmessanordnung zur redundanten Verarbeitung von Drucksignalen in elektronischen Bremssystemen und deren Verwendung bekannt. Ferner geht aus der DE 103 04 024 A1 ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Überprüfung einer Sensoranordnung, insbesondere für eine Drucksensoranordnung in einer elektronisch geregelten Kraftfahrzeugbremsanlage, hervor.
  • Die DE 31 09 224 C2 offenbart eine Schaltungsanordnung zum Nachweis von Gasanteilen in einer zu überwachenden Gasatmosphäre, wobei während der Messung Störeinflüsse des Umgebungsdrucks auf den Partialdruck eines Gases kompensiert werden. Dazu wird mittels eines Druckaufnehmers der Umgebungsdruck erfasst und als elektrisches Signal über einen ersten Verstärker an den invertierenden Eingang eines zweiten Verstärkers gegeben, wobei der zweite Verstärker am nicht invertierenden Eingang ein den Partialdruck beschreibendes Signal empfängt. Mittels einer Differenzbildung der beiden Signale wird im zweiten Verstärker nun ein umgebungsdruckunabhängiges Ausgangssignal erzeugt, das den Partialdruck des Gases beschreibt.
  • In der DE 199 09 297 B4 wird ein Steuersystem für ein Insassenschutzsystem beschrieben. Das Insassenschutzsystem umfasst eine zentrale Steuereinrichtung und eine Sensoreinheit, welche beispielsweise einen Beschleunigungssensor umfasst. Dieser Beschleunigungssensor liefert ein einziges Ausgangssignal, das mittels eines Bandpassfilters und eines dem Bandpassfilter parallel geschalteten Tiefpassfilters gefiltert wird, um bestimmte Frequenzbereiche des Ausgangssignals zu unterdrücken. Für den Fall, dass ein Beschleunigungssensor verwendet wird, der auch im Ruhezustand, d.h. bei nicht vorhandener Beschleunigung, ein Ausgangssignal liefert, kann dieses Ausgangssignal mittels eines Verstärkers kompensiert werden. Dazu wird das tiefpassgefilterte Signal an einen ersten Eingang des Verstärkers gegeben und ein geeignetes Offset-Signal an einen zweiten Eingang des Verstärkers gegeben. Der Verstärker subtrahiert nun das Offset-Signal vom tiefpassgefilterten Signal.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Fehlerkompensation von Messverstärkern und ein Computerprogramprodukt für das Verfahren bereitzustellen, wobei das Verfahren insbesondere bei der Erfassung bzw. Aufbereitung von Bremsdrücken bzw. Drucksignalen eingesetzt wird.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 9 gelöst.
  • Üblicherweise werden in sicherheitsrelevanten Systemen zueinander umgekehrt proportionale Signale verwendet. Bei der vorliegenden Erfindung sind dies die Drucksignale P1 und P2. Beispielsweise geben die Drucksignale zu einem Druck p einen zugehörigen Spannungswert U(p) aus, wodurch sich eine Druck-Spannungskennlinie ergibt. Das Drucksignal P1 gibt beispielsweise einen mit dem Druck p steigenden Spannungswert +U(p), d. h. steigende Druck-Spannungskennlinie, aus, während das Drucksignal P2 einen mit dem Druck p fallenden Spannungswert -U(p), d. h. fallende Druck-Spannungskennlinie, ausgibt. Somit unterscheiden sich die ausgegebenen Spannungswerte der Drucksignale P1 und P2 für alle Drücke p bis auf einen Druck, bei dem sich die fallende und die steigende Druck-Spannungskennlinie der Drucksignale P1 und P2 schneiden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet für Drucksensoren oder Drucksensorelemente, welche erst später in einem Montageprozess mit Messverstärkern zusammengeschaltet werden, wodurch eine Kalibrierung der Drucksensoren oder Drucksensorelemente mit den Messverstärkern während der Herstellung nicht möglich ist.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Unteransprüchen hervor. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren beschrieben. Hierbei zeigt:
    • 1 ein erstes Blockschaltbild einer Druckmessanordnung,
    • 2 ein zweites Blockschaltbild einer Druckmessanordnung,
    • 3 ein drittes Blockschaltbild einer Druckmessanordnung,
    • 4 ein viertes Blockschaltbild einer Druckmessanordnung, und
    • 5 einen Signalverlauf über der Zeit.
  • 1 zeigt ein erstes Blockschaltbild einer Druckmessanordnung. Hierbei sind Drucksensoren in Form von druckabhängigen Widerständen, die sich auf einer druckempfindlichen Membran befinden, ausgestaltet. Die Widerstände werden hierbei zu einer Wheatstone Brücke (Messelement) 1 verschaltet, wobei diese von einer Spannungs- oder Stromquelle Sq gespeist wird.
  • Das Ausgangssignal P1 der Wheatstone Brücke 1 ist weitestgehend dem Druck proportional während das Ausgangssignal P2 weitestgehend dem Druck umgekehrt proportional ist. Die Ausgangssignale P1, P2 werden in einem fehlerkompensierten Messverstärker 4 verstärkt, und diese verstärkten Signale P1_ver und P2_ver an eine oder mehrere Recheneinheit/en (CPU) 6 weitergegeben. Die Recheneinheit (CPU) 6 nutzt die verstärkten Signale P1_ver und P2_ver als Eingangssignale für Regel- oder Steuerungsalgorithmen. Durch Vergleich der verstärkten Signale P1_ver und P2_ver werden Fehler im Messelement 1 oder im Messverstärker 4, den zugehörigen Zuleitungen und Teilen der Recheneinheit (CPU) 6 entdeckt.
  • Digitale, bidirektionale Steuersignale Signal_St dienen hierbei zum Austausch von Steuer- oder
    Zustandsinformationen zwischen dem Messverstärker 4 und der Recheneinheit (CPU) 6.
  • Der Messverstärker 4 und die Recheneinheit (CPU) 6 können auch zu einer Einheit (ASIC) zusammengefasst werden.
  • 2 zeigt ein zweites Blockschaltbild einer Druckmessanordnung, wobei hier ein grober innerer Aufbau des Messverstärkers 4 ohne die nachgeschaltete Recheneinheit (CPU) 6 dargestellt ist. Die Ausgangssignale P1 und P2 werden in den Verstärkern 2 und 3 getrennt voneinander verstärkt (Signale P1_ver und P2_ver). Die Verstärker 2 und 3 sind mit Steuereinheiten 2.1 und 2.2 (z. B. Mikrocontroller) verbunden, wobei die Steuereinheiten 2.1 und 2.2 untereinander mit einer oder mehreren Synchronisationsleitung/en Sync verbunden sind. Hierbei wird eine automatische Fehlerkompensation (Autokalibrierung) von den Steuereinheiten 2.1 und 2.2 in Kombination mit der Beschaltung der Verstärker 2 und 3 durchgeführt. Die notwendige Synchronisierung erfolgt hierbei über die Synchronisationsleitung/en Sync. Die Steuereinheiten 2.1 und 2.2 geben Signale signal v1 und signal v2 und Fehlersignale F_1 und F_2 aus, welche in Kombination eine redundante Form der Fehlersignalisierung bilden.
  • 3 zeigt ein drittes Blockschaltbild einer Druckmessanordnung. Dieses Blockschaltbild stellt im wesentlichen denselben Aufbau wie in 2 dar. Allerdings wird hierbei die automatische Fehlerkompensation (Autokalibrierung) von einer übergeordneten, nicht dargestellten Steuereinheit über Leitungen Kal1 und Kal2 eingeleitet.
  • 4 zeigt ein viertes Blockschaltbild einer Druckmessanordnung. Es stellt eine mögliche Anordnung eines Verstärkers mit automatischer Fehlerkompensation im Sinne der Erfindung dar, wobei nur die Anordnung für einen Brückenzweig (Verstärker 2) betrachtet wird. Vorzeichen werden nicht berücksichtigt. Es soll nur das Prinzip dargestellt werden. Es kann auf eine beliebige Anzahl von Messkanälen angewendet werden. In dem vorliegenden Beispiel wird ein invertierender Verstärker verwendet, wobei selbstverständlich auch geeignet verschaltete nichtinvertierende Verstärker genutzt werden können.
  • Die Wheatstone Brücke 1 wird von einer Spannungs- oder Stromquelle Sq gespeist. Das Ausgangssignal P1 der rechten Brückenhälfte steht verstärkt (Signal P1_ver) am Ausgang des Verstärkers 2 zur Verfügung. Das verstärkte Signal P1_ver wird mit Hilfe eines Analog Digital Wandlers 7 gemessen.
  • Die automatische Fehlerkompensation wird wie folgt durchgeführt:
    • Das digitale Signal signal v1 signalisiert der übergeordneten Recheneinheit 6 (siehe 1), ob das Drucksignal P1_ver gültig ist. Beispielsweise könnte der Signalzustand ,High' des Signals signal_v1 bedeuten, dass das Signal P1_ver gültig ist, wohingegen der Signalzustand ,Low' des Signals signal_v1 bedeutet, dass das Signal P1_ver ungültig ist(oder umgekehrt).
  • Wenn ein Kompensationsvorgang stattfindet, ist der Signalzustand des Signals signal_v1 in diesem Fall auf ,Low'.
  • Bei Einleiten der Fehlerkompensation für den betrachteten Brückenzweig (Drucksignal P1) wird also das Signal signal_v1 auf ,low' geschaltet. Dieses erfolgt durch die Steuereinheit 2.1. Die übergeordnete Recheneinheit darf das Drucksignal P1 bzw. das verstärkte Signal P1_ver jetzt nicht verwenden.
  • Der Schalter S1 wird von der Steuereinheit 2.1 über Flipflops FFs geöffnet. Anschließend wird der Schalter S2 geschlossen. Dadurch wird eine bekannte Spannung Voffset an den Schaltungsknoten 5 gelegt. Die Spannung Voffset entspricht größenordnungsmäßig dem Signal P1 wenn kein Druck anliegt (= Offset). Die Steuereinheit 2.1 regelt
    die Spannung am Schaltungsknoten A so, dass sich an P1_ver ein bekannter, spezifizierter Wert einstellt.
  • Jetzt wird der Messbereichsendwert eingestellt. Dazu wird Schalter S2 geöffnet und Schalter S3 geschlossen. Damit wird eine bekannte Spannung VFS an den Schaltungsknoten 5 gelegt, wobei die Spannung VFS nahe bei den üblichen Druckbereichsendwerten der verwendeten Wheatstone Brücken liegt.
  • Die Schalter S4 bis Sn werden jetzt so eingestellt, dass sich am Ausgangssignal P1_ver der spezifizierte, verstärkte Druckbereichsendwert ergibt.
  • Die Einstellung der Schalter erfolgt in Stufen. Beispielsweise sind zu Beginn des Vorgangs alle Schalter S4 bis Sn geschlossen, es liegt also eine minimale Verstärkung vor.
  • Wenn das Ausgangssignal P1_ver noch nicht im spezifizierten Bereich liegt, wird die Verstärkung durch schrittweises Öffnen der Schalter S4 bis Sn erhöht. Das Ausgangssignal P1_ver wird dazu mit dem Analog Digitalwandler 7 gemessen. Wenn sich das Ausgangssignal P1_ver innerhalb des spezifizierten Bereichs befindet, wird der Kalibriervorgang abgeschlossen. Je mehr Schalter S4 bis Sn mit Widerständen vorhanden sind, desto genauer kann das Ausgangssignal P1_ver eingestellt werden.
  • Abschließend wird der Schalter S3 geöffnet, der Schalter S1 geschlossen und das Signal signal_v1 auf ,high' geschaltet. Damit wird der übergeordneten Recheneinheit (CPU) gemeldet, dass das Signal P1_ver wieder zur Verfügung steht.
  • Die zeitliche Abfolge der Signale signal v1 und signal_v2 sind in 5 dargestellt. Die Bereiche D in 5 zeigen hierbei auf, dass die zuvor beschriebene Fehlerkompensation aktiv ist. Wenn eine übergeordnete Recheneinheit die Zeitabstände T überwacht, kann die Funktion der Steuereinheiten 2.1 und 2.2 überwacht werden.
  • Das Ausgangssignal P1 kann für die Dauer der Öffnungszeit von S1 auf einen Lastwiderstand geleitet werden. Dieser entspricht weitgehend dem Eingangswiderstand des Verstärkers 2. Das verringert den Einfluss des Öffnens des Schalters S1 auf das Signal P2.
  • Der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, dass keine Temperaturwerte für die Fehlerkompensation benötigt werden. Die zeitlichen Abstände (T in 5) zwischen den Fehlerkompensationsabläufen werden so gewählt, dass die Temperaturänderung innerhalb dieses Abstands vernachlässigbar ist. Das ist vorteilhaft, da die Parameter von, üblicherweise in integrierter Schaltkreistechnologie realisierten, Verstärkern stark mit der Temperatur driften.
  • Die Steuereinheiten 2.1 und 2.2 sind in der Lage durch das Fehlersignal F_1 bzw. F_2 Fehler an eine übergeordnete Recheneinheit zu signalisieren. Beispielsweise:
    • • Wenn der Takt fehlerbehaftet ist.
    • • Das Ausgangssignal P1 nicht innerhalb vorgegebener Grenzen einstellbar ist. So werden beispielsweise Kurzschlüsse am Ausgangssignal P1 gegen Masse (Gnd) oder gegen Betriebsspannung erkannt.
    • • wenn das Ausgangssignal P1 auf Änderungen der Schaltereinstellungen S1...Sn nicht reagiert.
  • Das Fehlersignal F_1 und das Signal signal_v1 bilden in Kombination eine redundante Form der Fehlersignalisierung - vorteilhaft für Sicherheitssysteme (F_1 = ,high', signal_v1 = ,low').
  • Die Fehlerkompensation kann, wie bereits oben gesagt, auch von extern über digitale Signale Kal1 und Kal2 (siehe 3) eingeleitet werden. Beispielsweise kann ein Computerrechenprogramm den richtigen Zeitpunkt für die Autokalibrierung so wählen, dass immer ein Ausgangssignal (P1 oder P2 bzw. P1_ver oder P2_ver) zur Verfügung steht, während das andere Ausgangssignal(P2 oder P1 bzw. P2_ver oder P1_ver) kalibriert wird. Der Vergleich beider Ausgangssignale P1 und P2 wird nur bei Bedarf und nur für kurze Zeit unterbrochen. Das ist z. B. bei hydraulischen Bremsassistenzsystemen von Vorteil, da hier immer mindestens ein Ausgangssignal P1 oder P2 zur Verfügung stehen muss.
  • Das Rechenprogramm kann einen günstigen Fahrzustand für die Autokalibrierung wählen z. B. Fahrzeugstillstand oder während der Fahrt, wenn keine Bremsung vorliegt. Hierzu kann beispielsweise abgefragt werden, ob der Bremslichtschalter nicht betätigt ist.
  • Wenn der Bremslichtschalter betätigt wird, kann sofort die Autokalibrierung abgebrochen werden. Es wird dann die aktuelle Konfiguration, d. h. die aktuelle Einstellung der Schalter S4 bis Sn, beibehalten. Dies ist bei sicherheitskritischen Systemen wie dem erwähnten Bremsassistenten vorteilhaft.
  • Das beschriebene Verfahren kann auch bei Drucksensoren eingesetzt werden, welche in Messelement (Messkopf) und Signalverarbeitung (Verstärker) getrennt sind. Bei einer solchen Ausführung der Drucksensoren werden bisher die Fehler des Messelements mit Hilfe von Softwarealgorithmen in einer Prozessoreinheit (CPU) des Bremssystems weitgehend kompensiert. Dieses erfolgt durch Verknüpfung der verstärkten Signale P1_ver und P2_ver der beiden Brückenhälften mit vorher ermittelten, charakteristischen Daten der individuellen Messbrücken. Diese Daten werden getrennt von dem später im Betrieb benutzten Verstärker ermittelt. Grund ist, dass Messelemente und Verstärker erst spät im Produktionsprozess der kompletten Steuereinheit miteinander kombiniert werden. Eine Abstimmung beider Bestandteile (Messelement und Verstärker) der Messkette, z. B. eine Kalibrierung, ist somit nicht möglich.
  • Der Nachtteil des bisherigen Verfahrens besteht also darin, dass die Fehler des Verstärkers unberücksichtigt bleiben. Ferner sind die Fehler des Verstärkers auch temperaturabhängig.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dieser Nachteil umgangen. Die Verstärker werden im Betrieb hinreichend oft kalibriert. Dadurch sinkt der Fehlereinfluss des Verstärkers.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Fehlerkompensation eines Messverstärkers für den Einsatz im laufenden Betrieb in Kraftfahrzeugbremsanlagen, wobei der Messverstärker (4) Teil einer Druckmessanordnung ist, welche mittels eines Messelements (1) Drücke erfasst, wobei die zu diesen erfassten Drücken zugehörigen Ausgangssignale (P1, P2) in dem Messverstärker (4) vorverarbeitet und anschließend zur weiteren Verarbeitung/Auswertung an eine übergeordnete Recheneinheit (6) übergeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale (P1, P2) des Messelements (1) unabhängig voneinander in dem Messverstärker (4) fehlerkompensiert werden und dass vor und/oder während der Fehlerkompensation durch den Messverstärker (4) ein Signal an die übergeordnete Recheneinheit (6) ausgegeben wird, damit das gerade fehlerkompensierte Ausgangssignal (P1 oder P2) nicht für die Verarbeitung/Auswertung in der Recheneinheit (6) verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische Fehlerkompensation der Ausgangssignale (P1, P2) des Messelements (1) durch den Messverstärker (4) durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerkompensation durch die übergeordnete Recheneinheit (6) eingeleitet wird.
  4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerkompensation der beiden Ausgangssignale (P1, P2) des Messelements (1) zeitlich getrennt voneinander durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die übergeordnete Recheneinheit (6) die Funktion des Messverstärkers (4) überwacht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des Messverstärkers (4) durch zeitliches Ausmessen von Zustandssignalen überwacht wird.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Messverstärker (4) Fehlersignale (F_1, F_2) an die übergeordnete Recheneinheit (6) ausgesendet werden, wenn Fehler im Messverstärker (4) vorliegen.
  8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlerkompensation nur bei Fahrzeugstillstand oder während der Fahrt, wenn keine Fahrzeugbremsung vorliegt, durchgeführt wird.
  9. Computerprogrammprodukt, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Algorithmus definiert, welcher ein Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
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