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Die
Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Messwertermittlung in einem
getaktet angesteuerten System.
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Stand der Technik
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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, wobei
die Taktung Ansteuerungszeiträume
aufweist, in denen das System angesteuert wird, und Nichtansteuerungszeiträume aufweist,
in denen das System nicht angesteuert wird, mit folgenden Schritten:
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 Parameter
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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Weitere
Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit
Bezug auf die beigefügten
Figuren.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Es
zeigen:
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1 einen
möglichen
Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine
erläuternde
Darstellung eines vorteilhaften Zusammenwirkens der Schritte des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 den
zeitlichen Verlauf verschiedener Signale im Rahmen der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
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4 eine
erläuternde
Darstellung eines vorteilhaften Zusammenwirkens der Schritte des
erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß einer
ersten Ausführungsform,
und
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5 eine
erläuternde
Darstellung eines vorteilhaften Zusammenwirkens der Schritte des
erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß einer
zweiten 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 Summation- 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: Xint = ∫X(t)·A'(t)dt(Schritt 104)
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Zusätzlich umfasst
die Auswertelogik eine Funktionalität zum Ermitteln der Gesamtansteuerungszeitdauer
des Motorschalters während
der Messdauer: Dint = ∫A'(t)dt(Graph 203,
Schritt 102)
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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.
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Die
Auswertungs-Software ist dann in der Lage, z. B. den mittleren Spannungsabfall
X int im Messzeitraum
auf Grundlage folgender Beziehung zu ermitteln:
(Graph
204, Schritt
105)
- X 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.
