DE102006004873A1

DE102006004873A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Testen einer geschalteten induktiven Last und deren Ansteuerpfad

Info

Publication number: DE102006004873A1
Application number: DE102006004873A
Authority: DE
Inventors: Gotthilf Koerner; Andreas Huth; Michael Klauss; Achim Schaefer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2007-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Schaltungsanordnung (9, 8; 10, 12, 13), bestehend aus einer induktiven Last (9, 10) und einem Schalter (8, 12, 13) zum Schalten der Last (9, 10), wobei eine elektrische Größe (I, US, Uq) der Schaltungsanordnung gemessen und von einer Elektronik (1) ausgewertet wird, um eine mögliche Störung der Last (9, 10) oder des Schalters (8, 12) zu erkennen. Die Genauigkeit der Störungserkennung kann wesentlich verbessert werden, wenn zusätzlich eine Versorgungsspannung (Ub, UV) der Schaltungsanordnung gemessen und ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen einer Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.

In modernen Fahrzeugen sind eine Vielzahl elektrischer Einrichtungen mit induktiver Last, wie z.B. Elektromotoren, Relais, etc. enthalten, die mittels zugehöriger Schalter ein- und ausgeschaltet werden können. Die Schalter – üblicherweise Transistoren – sind dabei entweder auf der Seite mit höherer Spannung (versorgungsseitig) oder der Seite mit niedrigerer Spannung (masseseitig) bezüglich der induktiven Last angeordnet. Im ersteren Fall spricht man auch von einem so genannten „Highside-Schalter" und im letzteren Fall von einem „Lowside-Schalter".

Im Laufe der Lebensdauer der elektrischen Einrichtungen können verschiedene Störungen, wie z.B. Kurzschlüsse, Wackelkontakte, physikalische Defekte, etc. auftreten, die sowohl den Schalter als auch die Einrichtung selbst betreffen können. Die elektrischen Einrichtungen werden daher regelmäßig auf Funktionsfähigkeit überprüft. Aus der DE 40 13 393 ist es beispielsweise bekannt, die elektrische Einrichtung kurzfristig einzuschalten und dabei die Änderung des durch die Einrichtung fließenden Stroms oder der an der Einrichtung abfallenden Spannung zu messen und auszuwerten. Wenn die gemessene Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, war der Test positiv, d. h. es wird ein fehlerfreier Zustand erkannt. Wenn die gemessene Spannung den vorgegebenen Schwellenwert dagegen nicht erreicht, wird ein Fehlerzustand erkannt.

Ein Nachteil dieses bekannten Testverfahrens besteht darin, dass es nur dann zuverlässig funktioniert, wenn die Versorgungsspannung der Einrichtung stabil und ausreichend hoch ist. Bei einem (vorübergehenden) Einbruch der Versorgungsspannung kann es nämlich dazu kommen, dass die an der elektrischen Einrichtung abfallende Spannung den vorgegebenen Schwellenwert nicht erreicht, obwohl die Einrichtung (einschließlich Schalter) eigentlich funktionsfähig ist. Somit wird fälschlicherweise ein Fehlerzustand erkannt. Dieser führt meist zur Abschaltung des zugehörigen Systems. Insbesondere wenn davon sicherheitsrelevante Systeme, wie z. B. ein Fahrdynamikregelungssystem, betroffen sind, kann die Fahrsicherheit unnötig gefährdet werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Genauigkeit der Diagnose bei einem solchen Funktionstest weiter zu verbessern.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 sowie im Patentanspruch 7 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, eine erste elektrische Größe, wie z. B. die an der elektrischen Einrichtung abfallenden Spannung oder den durch die Einrichtung fließenden Strom, und zusätzlich eine Versorgungsspannung der elektrischen Einrichtung zu messen und auszuwerten, und beide Messsignale im Rahmen des Funktionstests der elektrischen Einrichtung (einschließlich deren Schalter) zu berücksichtigen. Zur Überprüfung der Einrichtung werden zwei Tests (erster und zweiter Test) durchgeführt, in denen die gemessene erste elektrische Größe als auch die Versorgungsspannung jeweils mit einem zugehörigen Schwellenwert verglichen werden. Ein Fehlerzustand wird erfindungsgemäß nur erkannt, wenn die gemessene elektrische Größe (oder deren Änderung) außerhalb eines gültigen Bereichs liegt und gleichzeitig die Versorgungsspannung größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert (also der erste Test negativ und der zweite Test positiv ist). Dagegen wird kein Fehlerzustand bzw. ein fehlerfreier Zustand erkannt, wenn der erste und der zweite Test negativ sind und somit die Ursache für den negativen ersten Test in der zu niedrigen Versorgungsspannung liegt. Die zusätzliche Berücksichtigung der Versorgungsspannung hat somit den wesentlichen Vorteil, dass kurzfristige Spannungseinbrüche der Versorgungsspannung nicht zur Erkennung eines Fehlers und somit nicht zum fehlerhaften Abschalten des Systems führen. Die Verfügbarkeit des übergeordneten Systems kann somit verbessert werden.

Unter der Bezeichnung „Versorgungsspannung" wird hier eine Spannung verstanden, die an einem Knoten anliegt, der bezüglich der elektrischen Einrichtung (zumindest der induktiven Last) versorgungsseitig angeordnet ist (Highside-Knoten).

Im Falle einer Schaltung mit Highside-Schalter wird im Rahmen des ersten Tests vorzugsweise ein über der Last abfallendes Potential oder der durch die Einrichtung fließende Strom gemessen und ausgewertet.

Im Falle einer Schaltung mit Lowside-Schalter wird im Rahmen des ersten Tests vorzugsweise die an einem zwischen der Einrichtung und dem zugehörigen Schalter liegenden Knoten anliegende Spannung, insbesondere die über dem Schalter abfallende Spannung gemessen und ausgewertet.

Die elektrische Einrichtung wird zur Durchführung des ersten Tests vorzugsweise kurzfristig ein- oder ausgeschaltet, wobei die Zeitdauer des Schaltsignals vorzugsweise so kurz ist, dass sich der mechanische Zustand der Einrichtung nicht ändert, keine nennenswerte Erwärmung eintritt und der Zustand des übergeordneten Systems, in dem sich die Einrichtung befindet im Wesentlichen unbeeinträchtigt bleibt.

Bei einer Schaltungsanordnung mit Lowside-Schalter wird die induktive Last vorzugsweise kurzfristig ausgeschaltet und die über dem Lowside-Schalter abfallende Spannung ausgewertet. Wenn diese Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wird ein störungsfreier Zustand erkannt. Wenn die Spannung den vorgegebenen Schwellenwert dagegen nicht erreicht, wird die Versorgungsspannung überprüft und ein Fehlerzustand nur dann festgestellt, wenn die Versorgungsspannung größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert.

Bei einer Schaltungsanordnung mit Highside-Schalter wird der Schalter vorzugsweise pulsförmig für kurze Zeit geschlossen und die über der Einrichtung abfallende Spannung gemessen. Wenn diese Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wird ein störungsfreier Zustand erkannt. Wenn die Spannung den vorgegebenen Schwellenwert dagegen nicht erreicht, wird die Versorgungsspannung überprüft und ein Fehlerzustand nur dann festgestellt, wenn die Versorgungsspannung größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert.

Die Auswertung der Spannungen erfolgt vorzugsweise mittels einer geeigneten Elektronik, insbesondere einem Steuergerät, das einen entsprechenden Auswertealgorithmus umfasst.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Überprüfen der Funktion einer elektrischen Einrichtung mit zugehörigem Schalter umfasst wenigstens einen Sensor zum Messen einer ersten elektrischen Größe und denselben Sensor oder einen Spannungssensor zum Messen der Versorgungsspannung, sowie eine geeignete Elektronik zur Auswertung der Messsignale. Der Sensor bzw. die Sensoren sind vorzugsweise Bestandteil eines Steuergeräts, das mit den entsprechenden Schaltungsknoten der Schaltungsanordnung in Verbindung steht und einen geeigneten Auswertealgorithmus aufweist, der wie vorstehend beschrieben arbeitet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Motor-Ansteuerung mit einer Vorrichtung zum Überprüfen der Schaltungsanordnung;
2 den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale bei unterschiedlichen Testdurchläufen; und
3 eine Ventil-Ansteuerung eines Magnetventils mit einer Testvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine typische Motor-Ansteuerung, wie sie z.B. in ABS-, ASR- oder ESP-Systemen moderner Fahrzeuge enthalten ist. Die Anordnung umfasst einen Elektromotor 9, der hier die induktive Last bildet, und einen Schalter 8 zum Schalten des Elektromotors 9. Der Schalter 8 ist als Highside-Schalter angeordnet. Die Schaltungsanordnung, bestehend aus Motor 9 und Schalter 8, ist an einer Versorgungsspannung U_b angeschlossen.
Der Schalter 8 – im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein MOS-Transistor – wird von einem Steuergerät 1 angesteuert. Die einzelnen Anschlüsse D (Drain), G (Gate) und S (Source) des Transistors 8 sind mit dem Steuergerät 1 verbunden. Der Anschluss G des Steuergeräts 1 dient dabei zum Ansteuern des Transistors 8 und die beiden anderen Anschlüsse S und D zum Messen entsprechender Source- bzw. Drain-Spannungen.
Das Steuergerät 1 umfasst elektronische Einheiten bzw. Algorithmen 3, 4, mit denen die Funktionsfähigkeit der induktiven Last 9 und des zugehörigen Schalters 8 überprüft werden kann. Mittels der Einheiten 3, 4 können Störungen unterschiedlicher Art, wie z.B. ein Kurzschluss des Elektromotors 9, Leitungsunterbrechungen am Schalter 8 oder Motor 9, Defekte des Schalters 8, etc. erkannt werden.
Im Rahmen der Funktionsprüfung wird der Schalter 8 durch Ansteuerung des Steuergeräts 1 kurzfristig geschlossen und die Reaktion der Source-Spannung U_S auf diesen Schaltimpuls ausgewertet. Außerdem wird die Versorgungsspannung U_b bzw. U_D gemessen. Anschließend wird von der Einheit 4 ein erster Test, in dem die über dem Motor 9 abfallende Spannung U_S mit einem zugehörigen Schwellenwert verglichen wird, und von der Einheit 3 ein zweiter Test, in denn die Versorgungsspannung mit einem zugehörigen Schwellenwert verglichen wird, durchgeführt. Ein Fehlerzustand wird erkannt, wenn die Spannung U_D (oder deren Änderung) kleiner ist als der Schwellenwert und gleichzeitig die Versorgungsspannung größer ist als der zugehörige Schwellenwert (also der erste Test negativ und der zweite Test positiv ist). Dagegen wird kein Fehlerzustand bzw. ein fehlerfreier Zustand erkannt, wenn der erste und der zweite Test negativ sind und somit die Ursache für den negativen ersten Test in der zu niedrigen Versorgungsspannung liegt. Der genaue Verfahrensablauf wird bei Betrachtung von 2 deutlicher.
2 zeigt den zeitlichen Verlauf verschiedener Spannungssignale der Schaltung bei drei unterschiedlichen Testdurchgängen I, II und III. Dabei zeigt 2a den zeitlichen Verlauf einer Versorgungsspannung U_D, 2b die vom Steuergerät 1 am Anschluss G ausgegebenen Steuersignale zum Ansteuern des Schalters 8, 2c den Verlauf der Source-Spannung U_S bzw. der am Anschluss S anliegenden Spannung, 2d das Ergebnis des ersten Tests (Überwachung der Source-Spannung), und 2e das Ergebnis des zweiten Tests (Überwachung der Versorgungsspannung). Die gestrichelten, vertikalen Linien in 2 geben dabei den Taktzyklus an.
Im ersten Testdurchlauf I ist die Versorgungsspannung bzw. Drain-Spannung U_D wesentlich größer als ein vorgegebener Schwellenwert SW2, der hier bei etwa 0,5 × U_zp festgelegt ist. Dabei ist U_zp eine am Steuergerät 1 anliegende, gefilterte Spannung. Zum Zeitpunkt t1 wird der Schalter 8 pulsförmig angesteuert (siehe 2b). Die Source-Spannung U_S steigt dabei über einen vorgegebenen Schwellenwert SW1, der hier bei etwa 0,4 × U_zp festgelegt ist. Der erste Test (U_S > 0,4 × U_zp) als auch der zweite Test (U_D > 0,5 × U_zp) sind hier positiv verlaufen. Das Fehlersignal F1 des ersten Tests bleibt somit auf „Low", ebenso wie das Fehlersignal F2 der zweiten Tests.
Im folgenden Testzyklus II wird der Fall eines Einbruchs der Versorgungsspannung U_D betrachtet. In 2a ist zu erkennen, dass die Versorgungsspannung U_D etwa zwei Taktzyklen nach dem Zeitpunkt t1 einbricht und zum Zeitpunkt t2 die vorgegebene Spannungsschwelle SW2 unterschreitet. Zum Zeitpunkt t3 wird der Transistor 8 wiederum pulsförmig angesteuert (siehe 2b). Die Source-Spannung U_S steigt dadurch wiederum an (siehe 2c), erreicht aber wegen der niedrigeren Versorgungsspannung U_D nicht mehr den Schwellenwert SW1. Das Fehlersignal F1 schaltet daher in den Zustand „High" und signalisiert somit eine Störung. Das Fehlersignal F2 der Versorgungsspannungs-Überwachung schaltet auch in den Zustand „High" und signalisiert damit eine niedrige Versorgungsspannung. Aus den beiden Fehlersignalen F1 und F2 wird im Steuergerät 1 ein resultierendes Fehlersignal (nicht gezeigt) gebildet. Im vorliegenden Fall ist das resultierende Fehlersignal „low", da die Source-Spannung U_S den Schwellenwert SW1 nur wegen der niedrigen Versorgungsspannung U_D nicht überschritten hat, jedoch kein tatsächlicher Fehler am Motor 9 vorliegt.
Im dritten Testdurchlauf III wird der Fall eines tatsächlichen Fehlers der Schaltungsanordnung betrachtet. Die Versorgungsspannung U_D ist in diesem Fall größer als der Schwellenwert SW2 und das zugehörige Fehlersignal F2 befindet sich im Zustand „low". Nach dem Ansteuern des Schalters 8 zum Zeitpunkt t4 steigt die Source-Spannung U_S nur geringfügig an und erreicht nicht den vorgegebenen Schwellenwert SW1. Das zugehörige Fehlersignal F1 schaltet daher in den Zustand „High". Aus den Fehlersignalen F1 und F2 ergibt sich, dass ein tatsächlicher Fehler vorliegen muss. Das resultierende Fehlersignal schaltet somit ebenfalls in den Zustand „High". Der Motor 9 wird in diesem Fall vorzugsweise deaktiviert.
3 zeigt ein Ventilrelais 10, 12, wie es beispielsweise in der Bremsanlage eines Fahrzeugs vorkommt, das mit Hilfe eines Steuergeräts 1 auf Funktionsfähigkeit überprüft wird. Das Ventilrelais umfasst einen Relaisschalter 12 und eine Induktivität 10, sowie eine parallel zur Induktivität 10 geschaltete Freilaufdiode 11. Zusätzlich ist ein Lowside-Schalter 13 vorgesehen, mit dem das Relais aktiviert bzw. deaktiviert werden kann.
Im vorliegenden Beispiel ist der Lowside-Schalter 13 im Steuergerät 1 integriert. Das Steuergerät 1 ist mit einem zwischen der Induktivität 10 und dem Schalter 8 liegenden Knoten und mit einer Versorgungsspannung U_V verbunden.
Zur Funktionsprüfung des Relais 10, 12 wird das Relais angesteuert, d.h. der Relaisschalter 12 geschlossen und der Lowside-Schalter 13 geöffnet. Danach wird der Verlauf der Spannung U_q überwacht und gleichzeitig die Versorgungsspannung U_V gemessen. Wenn die Spannung U_q einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, gilt das Relais als fehlerfrei. Wenn die Spannung U_q den Schwellenwert dagegen nicht überschreitet, muss wiederum differenziert werden, ob dies an einer zu niedrigen Versorgungsspannung U_V liegt oder ein tatsächlicher Fehler vorliegt. Daher wird analog zum Verfahren von 1 und 2 der zweite Test durchgeführt und die Versorgungsspannung U_V mit einem vorgegebenen Schwellenwert SW2 verglichen. Wenn die Versorgungsspannung U_V den Schwellenwert SW2 nicht erreicht, wird das Fehlersignal aus dem ersten Test ignoriert und entschieden, dass kein Fehler vorliegt. Wenn die Versorgungsspannung U_V dagegen größer ist als der vorgegebene Schwellenwert SW2, wird ein Fehlerzustand erkannt. Das Steuergerät 1 umfasst wiederum entsprechende Einheiten 3, 4 zum Messen und Auswerten der zugeführten Spannungen.

Claims

Verfahren zum Prüfen einer Schaltungsanordnung (9, 8; 10, 12, 13), umfassend eine induktive Last (9, 10) und einen Schalter (8, 12, 13) zum Schalten der Last (9, 10), wobei eine elektrische Größe (I, U_S, U_q) der Schaltungsanordnung gemessen und von einer Elektronik (1) ausgewertet wird, um eine mögliche Störung der Last (9, 10) oder des Schalters (8, 12) zu erkennen, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Versorgungsspannung (U_b, U_V) der Schaltungsanordnung (9, 8; 10, 12, 13) gemessen und bei der Prüfung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Test, bei dem die gemessene elektrische Größe (U_S, U_q) mit einem ersten Schwellenwert (SW1) verglichen wird, und ein zweiter Test durchgeführt werden, bei dem die Versorgungsspannung (U_b, U_V) mit einem zweiten Schwellenwert (SW2) verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein fehlerfreier Zustand erkannt wird, wenn die erste Größe (U_S, U_q) außerhalb eines gültigen Bereichs liegt und die Versorgungsspannung (U_b, U_V) kleiner ist als der zugehörige Schwellenwert (SW2).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fehlerzustand erkannt wird, wenn die erste Größe (U_S, U_q) außerhalb eines gültigen Bereichs liegt und die Versorgungsspannung (U_b, U_V) größer ist als der zugehörige Schwellenwert (SW2).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Anordnung mit Highside-Schalter (8) der Highside-Schalter (8) für kurze Zeit geschlossen und die an der Last (9) abfallende Spannung (U_S), sowie eine Versorgungsspannung (U_b) gemessen und beide Spannungen (U_S, U_b) ausgewertet werden, um die Anordnung zu prüfen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Anordnung mit Lowside-Schalter (13) der Lowside-Schalter (13) geöffnet und eine über dem Schalter (13) abfallende Spannung (U_q), sowie eine Versorgungsspannung (U_V) gemessen werden und beide Spannungen (U_q, U_V) ausgewertet werden, um die Anordnung zu prüfen.
Vorrichtung zum Prüfen einer Schaltungsanordnung (9, 8; 10, 12, 13), umfassend eine induktive Last (9, 10) und einen Schalter (8, 12, 13) zum Schalten der Last (9, 10), wobei die Vorrichtung einen Sensor (1) zum Messen einer elektrischen Größe (I, U_S, U_q) der Schaltungsanordnung und eine Einheit (3, 4) zum Auswerten des Messsignals umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass derselbe Sensor oder ein zweiter Sensor (1) zum Messen einer Versorgungsspannung (U_b, U_V) vorgesehen ist, dessen Signal ebenfalls von der Einheit (3,4) ausgewertet wird, um die Schaltungsanordnung (9, 8; 10, 12, 13) zu prüfen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren und die Auswerte-Einheit (3, 4) in einem Steuergerät (1) integriert sind, das mit der Schaltungsanordnung (9, 8; 10, 12, 13) verbunden ist.