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Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Messwertermittlung in einem getaktet angesteuerten System. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Messwertermittlung in einem getaktet angesteuerten System zur Strom-/Lasterfassung.
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Stand der Technik
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Die Druckschrift
DE 103 59 224 A12 und die Druckschrift
DE 10 2005 013 143 A1 beschreiben jeweils ein Verfahren zur Erfassung der Nachlaufspannung bei DC-Motoren, wobei die Motoren durch eine getaktete Ansteuerung betrieben werden können.
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Die Druckschrift
US 6933873 B1 beschreibt ein Verfahren zum Messen der Position eines elektrostatischen Aktors unter Verwendung eines pulsbreitenmodulierten Signals. Die Position des Aktors kann durch Messen einer Kapazität des Aktors bestimmt werden.
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In getakteten Systemen besteht oft die Notwendigkeit, parallel - also mehr oder weniger gleichzeitig - zur Ansteuerung Messwerte aufzunehmen. Von der Ansteuerung abhängige Messwerte stellen dabei erhöhte Anforderungen an die Messwertaufbereitung. Gebräuchliche Verfahren, die z.B. mit analogen Filtern arbeiten, sind schwer zu realisieren. Ihre entsprechende Auslegung ist statisch und kann im Betrieb nicht angepasst werden. Zwar kann durch Verwendung von Sample- and Hold-Gliedern diese Situation verbessert werden, jedoch stößt in Systemen, in denen sich die Ansteuerung fortlaufend ändert und/oder in denen ein zusätzliches, evtl. sogar variierendes Störsignal dem Messsignal überlagert ist, auch die Auslegung der Messumgebung mit Hilfe von Sample- and Hold-Gliedern an ihre Grenzen.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung überwindet die oben beschriebene Problematik durch Bereitstellung eines Verfahrens zur Messwertermittlung in einem getaktet angesteuerten System mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die Taktung des getakteten Systems weist Ansteuerungszeiträume auf, in denen das System angesteuert wird, und Nichtansteuerungszeiträume, in denen das System nicht angesteuert wird. Beispielsweise kann ein solches Verfahren die folgenden Schritte aufweisen: Bestimmen von ersten Integrationszeiträumen in Abhängigkeit von der Taktung, wobei die ersten Integrationszeiträume innerhalb wenigstens eines der Ansteuerungszeiträume liegen, und/oder Bestimmen von zweiten Integrationszeiträumen in Abhängigkeit von der Taktung, wobei die zweiten Integrationszeiträume innerhalb wenigstens eines der Nichtansteuerungszeiträume liegen, Erfassen einer von der Ansteuerung abhängigen Messgröße des Systems, Ermitteln von Summations- und/oder Integrationswerten durch Summation und/oder Integration der Messgröße während der ersten und/oder zweiten Integrationszeiträume, Ermitteln des Messwertes für wenigstens einen der Ansteuerungszeiträume und/oder Nichtansteuerungszeiträume auf Grundlage von Zeitdaten der ersten und/oder zweiten Integrationszeiträume und von den ermittelten Summations- und/oder Integrationswerten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es während des Betriebs des getaktet angesteuerten Systems anpassbar ist. Zusätzlich erlaubt dieses Verfahren eine Messwerterfassung über mehrere Ansteuerungszeiträume. Dadurch sind präzise Messwertaufnahmen nicht nur in Nichtansteuerungszeiträumen, sondern auch in Ansteuerungszeiträumen möglich, in welchen die Anwendung konventioneller Verfahren z. B. wegen notwendiger Einschwingzeiten und physikalischer Begrenzungen aussichtslos ist.
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Vorzugsweise erfolgt das Bestimmen der ersten und/oder zweiten Integrationszeiträume außerdem in Abhängigkeit von wenigstens einem individuellen Parameter des Systems. Dieser individuelle Parameter kann dabei ein systemimmanenter Parameter sein, also ein Parameter, der durch die hardware- und/oder softwaremäßige Konfiguration des Systems selbst gegeben ist, oder aber auch ein vom System ausgegebener Messwert. Dadurch kann eine Rückkopplungsmöglichkeit vom System zurück zur Messumgebung geschaffen werden, wodurch ein Regelkreislauf zwischen System und Messumgebung realisierbar ist.
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Vorzugsweise wird bei den individuellen Parametern die Trägheit des Systems und/oder seiner Messumgebung berücksichtigt. Dadurch können physikalische Realitäten, wie z. B. endliche Flankensteilheiten bei Mess- und/oder Ansteuerungssignalen sowie Schaltverzögerungen durch Induktivitäten und Kapazitäten bei den Ansteuer- und/oder Messvorgängen einkalkuliert werden. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, bei den individuellen Parametern die Zeitverzögerung zu berücksichtigen, mit der das System auf die Ansteuerungen reagiert. So können z. B. durch zeitliche Verzögerung des Integrationszeitraums die Verzögerungen des Schaltersignals sowie die Verzögerungen bei den Durchschaltvorgängen an einer Funktionseinheit des Systems ausgeglichen werden.
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Ferner ist es vorteilhaft, bei den individuellen Parametern die Zeitverzögerung bei der Durchführung von einem oder mehreren der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zu berücksichtigen, insbesondere beim Erfassen der von der Ansteuerung abhängigen Messgröße des Systems, beim Ermitteln von Summations- und/oder Integrationswerten durch Summation und/oder Integration der Messgröße während der ersten und/oder zweiten Integrationszeiträume, und beim Ermitteln des Messwertes für wenigstens einen der Ansteuerungszeiträume und/oder Nichtansteuerungszeiträume auf Grundlage von Zeitdaten der ersten und/oder zweiten Integrationszeiträume und von den ermittelten Summations- und/oder Integrationswerten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt des Ermittelns von Summations- und/oder Integrationswerten durch Summation und/oder Integration der Messgröße während der ersten und/oder zweiten Integrationszeiträume die Verwendung von digitaler Summation und/oder analoger Integration. Durch eine solche Mischrealisierung können die Stärken beider Varianten jeweils optimal genutzt werden.
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Dabei ist die Mischung mindestens eines analogen Integrationsschrittes mittels eines Spannungs-/Frequenzwandlers und mindestens einer digitalen Summation mittels einer Hardwarelogik aus Zählern besonders vorteilhaft. Auch die Mischung mindestens eines analogen Integrationsschrittes mittels Delta/Sigma-Modulatoren und mindestens einer digitalen Summation mittels einer Hardwarelogik aus Zählern ist denkbar.
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Das getaktet angesteuerte System enthält wenigstens ein stromdurchflossenes Bauelement, das einen ohmschen Charakter aufweist, wobei die Stromstärke durch dieses Bauelement von der Taktung abhängt, und wobei die von der Ansteuerung abhängige Messgröße des Systems der Spannungsabfall an diesem stromdurchflossenen Bauelement ist.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die Summations- und/oder Integrationswerte nur während der ersten Integrationszeiträume innerhalb wenigstens eines der Ansteuerungszeiträume ermittelt werden. Das so gestaltete Verfahren hat den Vorteil, dass die Messdauer je nach gewünschter Messgenauigkeit gewählt werden kann. Außerdem dieses Verfahren eine Messwertermittlung über mehrere Ansteuerungszeiträume. Hierdurch sind präzise Strom-Messwertaufnahmen auch in Ansteuerungszeiträumen möglich, wo herkömmliche Verfahren z. B. wegen Einschwingzeiten und physikalischen Begrenzungen aussichtslos sind.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Messwertermittlung die Ermittlung wenigstens eines mittleren Stromwertes. Vorzugsweise ist dabei das stromdurchflossene Bauelement ein Shunt-Widerstand im Ansteuerpfad des Systems oder eine Leiterbahn mit bekanntem Innenwiderstand, welche das System aufweist. Alternativ kann das stromdurchflossene Bauelement der zur Taktung des Systems verwendete Schalter sein. Auf Grundlage des ermittelten Messwertes für den Spannungsabfall kann dann eine Erfassung des Schalterzustands durchgeführt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 einen möglichen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 eine erläuternde Darstellung eines vorteilhaften Zusammenwirkens der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 den zeitlichen Verlauf verschiedener Signale im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 eine erläuternde Darstellung eines vorteilhaften Zusammenwirkens der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 5 eine erläuternde Darstellung eines vorteilhaften Zusammenwirkens der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 6 eine erläuternde Darstellung eines vorteilhaften Zusammenwirkens der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsform, und
- 7 eine schematische Darstellung zweier Realisierungen der besonders bevorzugten Ausführungsform.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Zunächst werden anhand der 1 die verschiedenen Möglichkeiten erläutert, wie das erfindungsgemäße Verfahren ablaufen kann. Dieses Verfahren wird eingesetzt zur Messwertermittlung in einem getaktet angesteuerten System 101, wobei die Taktung Ansteuerungszeiträume aufweist, in denen das System 101 angesteuert wird, und Nichtansteuerungszeiträume aufweist, in denen das System 101 nicht angesteuert wird.
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Gemäß einem bevorzugten Verfahrensablauf werden zunächst erste Integrationszeiträume in Abhängigkeit von der Taktung bestimmt, wobei die ersten Integrationszeiträume innerhalb wenigstens eines der Ansteuerungszeiträume liegen (Schritt 102.1). Zusätzlich oder alternativ dazu werden zweite Integrationszeiträume in Abhängigkeit von der Taktung bestimmt, wobei die zweiten Integrationszeiträume innerhalb wenigstens eines der Nichtansteuerungszeiträume liegen (Schritt 102.2). Durch dieses Vorgehen wird also eine Separierung von Integrationsvorgängen erreicht, und zwar einerseits in Integrationsvorgänge während Ansteuerphasen und andererseits in Integrationsvorgänge während Nichtansteuerphasen. Die Integrationsvorgänge können sich dabei über mehrere voneinander getrennte Ansteuerphasen bzw. Nichtansteuerphasen erstrecken, sie können aber auch genauso gut nur über einen Teil einer einzigen Ansteuerphase bzw. Nichtansteuerphase laufen.
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Dann wird eine von der Ansteuerung abhängige Messgröße des Systems 101 erfasst (Schritt 103). Dies kann z.B. die Spannung sein, die über einer bestimmten Komponente des Systems 101 abfällt. Es ist aber auch jede andere Messgröße denkbar.
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Nun werden durch Summation und/oder Integration der Messgröße während der ersten und/oder zweiten Integrationszeiträume Summations- und/oder Integrationswerte ermittelt (Schritt 104). Dabei kann die Durchführung des Schrittes 104 die Verwendung von digitaler Summation und/oder analoger Integration umfassen, also wahlweise nur auf Grundlage digitaler Summation oder analoger Integration, oder auf Grundlage einer Mischung aus den beiden Varianten. Generell gilt für die gesamte Darstellung der vorliegenden Erfindung, dass nicht notwendigerweise integriert werden muss, sondern in der tatsächlichen Realisierung aller Verfahrensschritte jegliche Näherungsverfahren eingesetzt werden können, wie z. B. diskrete digitale bzw. analoge Summation. Die grundlegenden Charakteristika des erfindungsgemäßen Verfahrens sind von der Wahl des verwendeten Integrationsverfahrens unabhängig.
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Anschließend wird auf Grundlage von Zeitdaten der ersten und/oder zweiten Integrationszeiträume und auf Grundlage von den ermittelten Summations- und/oder Integrationswerten der Messwert für wenigstens einen der Ansteuerungszeiträume und/oder Nichtansteuerungszeiträume ermittelt (Schritt 105). Als die Zeitdaten der ersten und/oder zweiten Integrationszeiträume kommen in erster Linie der jeweilige zeitliche Anfang und das jeweilige zeitliche Ende des Integrationszeitraums in Frage. Aus diesen Daten kann letztlich auch die Dauer des jeweiligen Integrationszeitraums ermittelt werden, der wie oben bereits erläutert nicht an einem einzigen Stück vorliegen muss.
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Es wird betont, dass der in 1 dargestellte Ablauf der Verfahrensschritte rein exemplarisch ist. Es ist auch eine andere Abfolge der Schritte denkbar. So kann z. B. das Bestimmen der ersten und/oder zweiten Integrationszeiträume zu jedem beliebigen Zeitpunkt des Verfahrens erfolgen. Auch das Erfassen der von der Ansteuerung abhängigen Messgröße des Systems muss nicht notwendigerweise nach dem Bestimmen der ersten und/oder zweiten Integrationszeiträume erfolgen, sondern die Messgröße kann auch vorher, quasi auf Vorrat, erfasst und evtl. aufgezeichnet werden.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 anhand des zeitlichen Verlaufs verschiedener Signale im Rahmen der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein vorteilhaftes Zusammenwirken der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
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Das zu messende Signal X(t) 202, also die von der Ansteuerung abhängige Messgröße des Systems 101, wird im Schritt 103 erfasst und an den Eingang einer Auswertelogik geführt. Die Auswertelogik berechnet, beispielsweise durch Integration, das Integral Xint während der Ansteuerungszeiträume des Schalters, also in denjenigen Zeiträumen, in denen die Schalterfunktion A(t) den Wert 1 annimmt. Da reale Systeme nur endliche Flankensteilheiten aufweisen, reagiert sowohl das System 101 sowie dessen Messumgebung lediglich zeitverzögert. Deshalb beschreibt die für die Erfassung der Messgröße relevante Schalterfunktion A'(t) 201 die Ansteuerung 100 unter Berücksichtigung der individuellen physikalischen Gegebenheiten, wie Schaltverzögerungen, Induktivitäten und Kapazitäten. Im Gegensatz zur eigentlichen Schalteransteuerung A(t) (nicht dargestellt) sind bei der relevanten Schalterfunktion A'(t) nur die für die Messung relevanten Zeitpunkte durch einen Funktionswert gleich 1 gekennzeichnet. A'(t) kann aus A(t) beispielsweise durch eine zeitliche Verschiebung hervorgehen, z. B. durch Verschiebung um wenige Mikrosekunden, um die Durchschaltvorgänge am Motorschalter des Systems 101 zu berücksichtigen. Eine weitere Möglichkeit ist die völlig freie Definierung der Schalterfunktion A'(t), z. B. dass die positive, also ansteigende Flanke von A'(t) einige x Mikrosekunden auf die positive Flanke von A(t) folgt, und ebenso frei definierbar die fallende Flanke von A'(t) einige y Mikrosekunden auf die fallende Flanke von A(t) folgt. Damit können z. B. induktiv verursachte Ansteuerbereiche von der Messung ausgeschlossen werden.
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Für das Integral Xint über die Messgröße X(t) während der Ansteuerungszeiträume gilt dann folgendes:
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Zusätzlich umfasst die Auswertelogik eine Funktionalität zum Ermitteln der Gesamtansteuerungszeitdauer des Motorschalters während der Messdauer:
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Vorzugsweise werden Xint und Dint synchron ermittelt. Damit ist die Messung über einen vorbestimmten Zeitraum möglich. Die Integrationsgrenzen sind in
3 mit t0 und tend bezeichnet. Eine entsprechende Ablaufsteuerung 106 generiert A'(t) und t0 und tend abhängig von der gewählten Realisierung. Die Auswertungs-Software ist dann in der Lage, z. B. den mittleren Spannungsabfall X̅
int im Messzeitraum auf Grundlage folgender Beziehung zu ermitteln:
X̅
int stellt dann den im Schritt 105 ermittelten Messwert dar.
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Das beschriebene Verfahren kann sowohl durch teilweise analoge Integration als auch durch digitale Summation realisiert werden. Eine Mischung von analoger Integration und digitaler Summation ist ebenfalls möglich.
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Als konkrete Realisierungsmöglichkeiten kommen beispielsweise in Betracht:
- - analoge Integration in HW Beschaltung;
- - Überabtastung mit extrem schnellen und hochauflösenden Analog-/Digitalwandlern und anschließender Auswertung in Software. Der Integrationscharakter ist dann besonders gut erfüllt, wenn die Abtastfrequenz sehr hoch ist;
- - Realisierung in Hardware unter Benutzung von schnellen Delta-/Sigma-Modulatoren mit anschließender Summierung über Hardware-Zähler;
- - Verwendung von sehr schnellen Spannungs-/Frequenzwandlern mit nachgeschalteter Hardwarelogik aus Zählern.
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4 zeigt eine erläuternde Darstellung eines vorteilhaften Zusammenwirkens der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Verfahren wird hier mittels eines Spannungs-/Frequenzwandlers realisiert. In dieser ersten Ausführungsform ist die Integration (Schritt 104) als Mischrealisierung ausgeführt. Während Bezugsziffer 104.1 den analogen Integrationsschritt mittels Spannungs-/Frequenzwandler bezeichnet, steht Bezugsziffer 104.2 für die digitale Summation, z. B. mittels Zählern.
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5 zeigt eine erläuternde Darstellung eines vorteilhaften Zusammenwirkens der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Verfahren wird hier mittels Delta-/Sigma-Modulatoren realisiert. Während Bezugsziffer 104.1 den analogen Integrationsschritt mittels Delta-/Sigma-Modulatoren bezeichnet, steht Bezugsziffer 104.2 für die digitale Summation, z. B. mittels Zählern.
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Anhand der 6 und 7 wird im Folgenden die Einbettung des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine integrative Messmethode in getakteten Systemen zur Strom- und Lasterfassung beschrieben.
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6 zeigt eine erläuternde Darstellung eines vorteilhaften Zusammenwirkens der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in der integrativen Messmethode zur Strom- und Lasterkennung. Die 6 stimmt auf ihrer rechten Seite mit der 2 überein, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen bezüglich der gleichen Figurenbestandteile auf die entsprechenden Ausführungen weiter oben zu 2 verwiesen wird. Im linken Teil der 6 zeigt der Block „angesteuertes System“ 101 den schematischen Lastpfad. Ein Beispiel für diesen Lastpfad stellt der Motorpfad einer DC-Motoransteuerung dar. Der Lastschalter 101.2, welcher vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgeführt ist, wird angesteuert von der Lastansteuerung 100. Die Last 101.1 wird über den Lastschalter 101.2 mit der Spannungsversorgung Ub verbunden. Die Ablaufsteuerung 106 generiert A'(t) und t0 und tend. A'(t) nimmt während der Ansteuerungsphase 102 den Wert 1 an. t0 bezeichnet den Startzeitpunkt der Integrationsphase. tend bezeichnet den Endzeitpunkt der Integrationsphase.
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Der Messshunt 101.3 wird von dem durch die Last 101.1 fließenden Strom I durchflossen. Der Strom I erzeugt im Messshunt 101.3 einen Spannungsabfall Ul. Der Spannungsabfall wird mittels integrativem Messverfahren gemessen. Die Messung erfolgt während der Ansteuerungsphasen, wobei selbst kleinste Spannungsimpulse vom integralen Messverfahren berücksichtigt werden. Der Startzeitpunkt t0 und der Endzeitpunkt tend können frei gewählt werden. Je länger die gewählte Messzeit ist, also der zeitliche Abstand zwischen t0 und tend, desto genauer ist das Messergebnis.
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7 zeigt eine schematische Darstellung zweier Realisierungen der im Zusammenhang mit 6 beschriebenen Ausführungsform. Dabei steht der Block 115 für die integrative Strommessung am Shuntwiderstand 101.3, der seriell über die Last 101.1 mit einem Schalter 101.2 verbunden ist. Die eine Realisierung stellt die oben bereits beschriebene integrative Strommessung am Shuntwiderstand 101.3 dar. Die andere Realisierung wird durch den Block 114 symbolisiert, die integrative Messung des Spannungsabfalls am Schalter 101.2. Durch das an die Taktung gekoppelte integrative Messverfahren kann z. B. der am Innenwiderstand (RDSon) des Lastschalters 101.2 abfallende Spannungsabfall gemessen werden. Dadurch können in Verbindung mit einer Strommessung Aussagen über die thermische Belastung des Schalters 101.2 gemacht werden.
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Das oben beschriebene Verfahren ist besonders gut für die ESP- oder die ABS-Motoransteuerung geeignet. Die Erfindung ist aber nicht auf die Anwendung in diesen Bereichen beschränkt.
