DE102009001400A1

DE102009001400A1 - Verfahren zur Überwachung der elektrischen Eigenschaften eines getaktet gesteuerten Lastkreises und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102009001400A1
Application number: DE102009001400A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schmidtlein; Rainer Baumgaertner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-16
Also published as: US8786294B2; US20120249166A1; WO2010102965A1; EP2406642A1; CN102348992A; CN102348992B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der elektrischen Eigenschaften eines getaktet gesteuerten Lastkreises (100), wobei der Lastkreis mindestens eine ohmsche und mindestens eine induktive Komponente aufweist, mit folgenden Schritten: Festlegen mindestens eines ersten und eines zweiten Steuersignals, wobei die Steuersignale derart festgelegt werden, dass bei Ansteuerung des Lastkreises (100) mit dem ersten Steuersignal das induktive Verhalten des Lastkreises (100) überwiegt und bei Ansteuerung des Lastkreises (100) mit dem zweiten Steuersignal das ohmsche Verhalten des Lastkreises (100) überwiegt, Erfassen von jeweils mindestens einer von dem Steuersignal und der/den ohmschen und/oder induktiven Komponenten abhängigen Messgröße bei Ansteuerung des Lastkreises (100) mit dem ersten Steuersignal sowie bei Ansteuerung des Lastkreises (100) mit dem zweiten Steuersignal, Ermitteln der Abweichungen der Messgrößen von den auf Grund der Nominalwerte der induktiven und ohmschen Komponenten erwarteten Messgrößen, Klassifizieren des Zustandes des Lastkreises (100) anhand der ermittelten Abweichungen.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Überwachung der elektrischen Eigenschaften eines getaktet gesteuerten Lastkreises und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Stand der Technik
In getaktet gesteuerten Lastkreisen besteht regelmäßig die Notwendigkeit, die einzelnen Schaltungskomponenten hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften und damit ihrer Funktionsfähigkeit zu überwachen. Dabei ist es üblich, die einzelnen Komponenten, wie zum Beispiel einen Schalter oder eine Lastkomponente getrennt voneinander zu überwachen. Diese Verfahrensweise führt dazu, dass jeweils nur Teilaspekte der elektrischen Eigenschaften des gesamten Lastkreises betrachtet werden und daraus folgend eine Überwachung der elektrischen Eigenschaften sowie eine darauf basierende Fehleranalyse des gesamten Lastkreises nicht möglich oder zumindest sehr aufwendig ist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet die oben beschriebene Problematik durch Bereitstellung eines Verfahrens zur Überwachung der elektrischen Eigenschaften eines getaktet gesteuerten Lastkreises, wobei der Lastkreis mindestens eine ohmsche und mindestens eine induktive Komponente aufweist, mit folgenden Schritten: Festlegen mindestens eines ersten und eines zweiten Steuersignals, wobei die Steuersignale derart festgelegt werden, dass bei Ansteuerung des Lastkreises mit dem ersten Steuersignal das induktive Verhalten des Lastkreises überwiegt und bei Ansteuerung des Lastkreises mit dem zweiten Steuersignal das ohmsche Verhalten des Lastkreises überwiegt, Erfassen von jeweils mindestens einer von dem Steuersignal und der/den ohmschen und/oder induktiven Komponenten abhängigen Messgröße bei Ansteuerung des Lastkreises mit dem ersten Steuersignal sowie bei Ansteuerung des Lastkreises mit dem zweiten Steuersignal, Ermitteln der Abweichungen der Messgrößen von den auf Grund der Nominalwerte der induktiven und ohmschen Komponenten erwarteten Messgrößen, Klassifizieren des Zustandes des Lastkreises anhand der ermittelten Abweichungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung haben den Vorteil, dass die ohmschen und/oder induktiven Eigenschaften des gesamten Lastkreises vollständig ausgewertet werden und dadurch eine sehr zuverlässige Aussage über die Funktionsfähigkeit des gesamten Lastkreises sowie gegebenenfalls über die Fehlerquelle getroffen werden kann.
Vorzugsweise wird zum Erfassen der Messgrößen eine integrative Messmethode verwendet, wie sie in der älteren deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 04 09 31 beschrieben ist. Insbesondere bei kurzen Impulsdauern des Steuersignals liefert diese Messmethode sehr präzise Ergebnisse.
Ferner ist es vorteilhaft, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowohl zum Initialtest vor Inbetriebnahme des Lastkreises als auch zur Überwachung des Lastkreises im laufenden Betrieb verwendet werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Steuersignale derart festgelegt dass eine mechanische Aktivierung des Lastkreises vermieden wird. Dieses konnte bei bisher verwendeten Verfahren aufgrund der dazu notwendigen Länge der Steuerimpulse nicht gewährleistet werden, so dass es häufig zu einer nicht gewollten Aktivierung der Lastkomponente kam, also zum Beispiel zum Anlaufen eines Elektromotors oder zum Öffnen/Schließen eines Ventils.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 den Verlauf einer Messgröße in Abhängigkeit von der Zeit,
3 den Verlauf einer Messgröße in Abhängigkeit von der Impulsdauer,
4 den Verlauf von Messgrößen in Abhängigkeit von der Impulsdauer und der ohmschen und der induktiven Eigenschaft,
5 eine schematische Darstellung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 sind die wesentlichen Elemente eines Lastkreises, auf die das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist, sowie eine Messeinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Der Lastkreis 100 umfasst eine Reihenschaltung eines steuerbaren Schaltmittels 101, einer induktiven Last 102 und eines Messmittels 103, im einfachsten Fall in Form eines ohmschen Widerstandes (Shunt Widerstand). Ein Anschluss des Schaltmittels 101 ist an eine Versorgungsspannung UB angeschlossen. Ein Anschluss des Messmittels 103 ist mit Masse verbunden. Das Messmittel 103 ist als ohmscher Widerstand dargestellt, kann aber auch nur durch einen Leiterbahnabschnitt mit bekanntem Widerstandswert realisiert sein. Das Schaltmittel 101 wird von einem Steuergerät 104 mit einem getakteten pulsweitenmodulierten Steuersignal beaufschlagt und dient zur Steuerung des Stromflusses durch den Lastkreis 100 und somit auch durch die induktive Last 102. Eine Messeinheit 105 kann eine oder mehrere von dem Steuersignal sowie den ohmschen und induktiven Komponenten des Lastkreises 100 abhängige Messgrößen erfassen. Messgrößen können zum Beispiel der Strom im Messmittel 103, die Spannung an der Last 102, der Spannungsabfall am Schaltmittel 101 und/oder die Versorgungsspannung UB sein.
Derartige Lastkreise 100 treten beispielsweise bei der Steuerung eines Magnetventils auf. Das Schaltmittel 101 ist dann üblicherweise als Halbleiterschalter, die induktive Last 102 als Magnetspule zum Steuern des Magnetventils und das Messmittel 103 als Präzisionswiderstand ausgeführt. Ebenso finden sich derartige Lastkreise bei der Steuerung von Gleichstrommotoren. Dabei ist das Schaltmittel 101 zum Beispiel als Halbleiterschalter ausgestaltet. Der Gleichstrommotor, der zum Beispiel zum Antrieb einer hydraulischen Pumpe dient, stellt die Last 102 dar und ein Leiterbahnabschnitt mit bekanntem Widerstand dient als Messmittel 103.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Folgenden beispielhaft anhand des Stromes im Messmittel 103 als Messgröße beschrieben, kann aber analog auch für alle anderen von dem Steuersignal sowie den ohmschen und induktiven Eigenschaften des Lastkreises abhängigen Messgrößen angewendet werden.
In 2 ist schematisch ein typischer Verlauf des Stromes in einem Lastkreis dargestellt, der ausschließlich aus einer Induktivität L und einem ohmschen Widerstand R besteht. Nach dem Einschaltzeitpunkt T0 steigt der Strom I zunächst verzögert an, was auf die Induktivität L zurückzuführen ist, um schließlich einen Sättigungswert zu erreichen, der durch den Wert des ohmschen Widerstandes R bestimmt wird. Folglich überwiegt bei Steuerimpulsen mit kurzer Impulsdauer τ_L das induktive Verhalten des Lastkreises, wohingegen bei Steuerimpulsen mit längerer Impulsdauer τ_R das ohmsche Verhalten des Lastkreises überwiegt.
Erfindungsgemäß werden nun zur Überwachung der elektrischen Eigenschaften des Lastkreises 100 in einem Schritt S 501 (vgl. 5) mindestens zwei Steuersignale derart festgelegt, dass ein erstes Steuersignal eine Frequenz und ein Tastverhältnis aufweist, so dass der Stromfluss im Lastkreis 100 durch die induktive Komponente des Lastkreises 100 geprägt wird, und dass ein zweites Steuer signal eine Frequenz und ein Tastverhältnis aufweist, so dass der Stromfluss im Lastkreis 100 durch die ohmsche Komponente des Lastkreises 100 geprägt wird. Frequenz und Tastverhältnis werden dabei in Abhängigkeit der Nominalwerte der einzelnen Komponenten des Lastkreises 100 festgelegt.
Dabei können die Steuersignale auch derart festgelegt werden, dass, dass eine mechanische Aktivierung des Lastkreises 100 vermieden wird, was in vielen Anwendungsfällen gewünscht wird. So soll beispielsweise bei der Überprüfung eines Lastkreises mit einem Elektromotor als Lastkomponente ein ungewolltes Anlaufen des Motors unbedingt vermieden werden. Ebenso ist auch ungewolltes Öffnen oder Schließen eines Magnetventils infolge einer Überprüfung unerwünscht.
Insbesondere die Messung abhängiger Messgrößen in getaktet gesteuerten Lastkreisen mit kurzen Ansteuerpulsen ist schwierig und aufwendig. Deshalb wird zur Erfassung der Messgrößen in einem Schritt S 502 (vgl. 5) vorteilhaft eine integrative Messmethode, wie sie in der älteren Anmeldung DE 10 2008 04 09 31 beschrieben ist, eingesetzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Folgenden anhand der integrativen Messmethode beschrieben, kann aber bei direkter Messung der Messgrößen analog angewendet werden.
Sowohl die induktive Komponente als auch die ohmsche Komponente des Lastkreises 100 weisen sogenannte Nominalwerte L₀ bzw. R₀ auf. Setzt man eine gleichbleibende Spannung voraus, ergibt sich das Stromintegral ∫Idt über dem Strom im Messmittel 103 als Funktion F des Nominalwertes L₀ der induktiven Komponente des Lastkreises 100, des Nominalwertes R₀ der ohmschen Komponente des Lastkreises 100 sowie der Impulsdauer τ des Steuersignals. Somit kann ein Sollverlauf des Stromintegrals ermittelt werden (3). Bedingt durch die Eigenschaften der verwendeten elektrischen Komponenten sowie Umweltbedingungen, wie zum Beispiel der Temperatur, ergibt sich ein Toleranzbereich um den Sollverlauf, in dem sich der Wert des Stromintegrals ∫Idt eines funktionierenden Lastkreises 100 bewegen darf. Liegen die Messgrößen außerhalb dieses Toleranzbereichs so ist der Lastkreis 100 als nicht oder nur eingeschränkt funktionsfähig zu klassifizieren.
Werden nun die beiden Steuersignale, wie erfindungsgemäß vorgesehen, derart festgelegt, dass für das erste Steuersignal das induktive Verhalten des Lastkreises 100 und für das zweite Steuersignal das ohmsche Verhalten des Lastkreises überwiegt, kann auch der Verlauf des Stromintegrals ∫Idt in Abhängigkeit von der Impulsdauer ∫ in zwei Teilbereiche aufgespaltet werden.
In 4 ist schematisch ein erstes Stromintegral für einen rein induktiven Lastkreis dargestellt. Setzt man wiederum eine gleichbleibende Spannung voraus, ergibt sich das erste Stromintegral ∫Idt als Funktion F1 (L₀, τ), welche nur noch von dem Nominalwert L₀ der induktiven Komponente des Lastkreises und der Impulsdauer τ des Steuersignals abhängt. Außerdem ist ein zweites Stromintegral für einen rein ohmschen Lastkreis dargestellt, welches unter der Voraussetzung einer konstanten Spannung als Funktion F2 (R₀, τ) nur noch von dem Nominalwert R₀ der ohmschen Komponente des Lastkreises und der Impulsdauer τ des Steuersignals abhängt. Diese auf den Nominalwerten der induktiven und ohmschen Komponenten des Lastkreises basierenden Sollverläufe der Messgröße werden schließlich zur Klassifizierung genutzt. Auch zu diesen Sollverläufen ergeben sich selbstverständlich aufgrund der Eigenschaften der verwendeten elektrischen Komponenten und von Umwelteinflüssen, wie zum Beispiel der Temperatur, Toleranzbereiche (hier nicht dargestellt), in denen sich die Messgrößen eines funktionsfähigen Lastkreises 100 bewegen dürfen. Liegen die gemessenen Werte jedoch außerhalb dieses Toleranzbereichs so ist der Lastkreis 100 als nicht oder nur eingeschränkt funktionsfähig zu klassifizieren.
Zur Klassifizierung werden zunächst in einem Schritt S 503 (vgl. 5) die Abweichungen der Messgroßen von den auf Basis der Nominalwerte der Komponenten ermittelten Sollverläufen ermittelt, das heißt einerseits eine Abweichung der ersten Messgröße vom ersten Stromintegral ∫Idt = F1 (L₀, τ) und andererseits eine Abweichung der zweiten Messgröße vom zweiten Stromintegral ∫Idt = F2 (R₀, τ). Abhängig von diesen Abweichungen wird anschließend in ei nem Schritt S 504 (vgl. 5) die Funktionsfähigkeit und vorteilhaft ggf. auch die Fehlerquelle klassifiziert.
Diese Klassifizierung kann beispielsweise durch eine Klassifizierungstabelle, eine Entscheidungsmatrix, ein Kennfeld oder auch einen Entscheidungsbaum realisiert werden. Je nach Detaillierungsgrad der Tabelle, der Matrix, des Kennfeldes oder des Baums ist dadurch auch eine sehr detaillierte Fehlerdiagnose möglich. Weist beispielsweise das gemessene Stromintegral im induktiv geprägten Bereich stark von dem nominal zu erwartenden Stromintegral der Induktivität L₀ ab, weist dies auf einen Windungskurzschluss in der induktiven Last 102 hin (zum Beispiel Motorkurzschluss oder Ventilspulenkurzschluss). Weist dagegen das gemessene Stromintegral im Bereich der ohmschen Prägung eine starke Abweichung vom nominal zu erwartenden Stromintegral des Widerstands R₀ auf, so kann dies auf das Durchlegieren des Schaltmittels 101 hinweisen. Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren jedoch bei der Kombination von Abweichungen sowohl vom erwarteten induktiven als auch vom erwarteten ohmschen Verhalten. Auf diese Weise können auch Fehler erkannt werden, die durch Auswertung einer einzelnen Messgröße nicht detektierbar sind. So führt beispielsweise ein relativ hochohmiger Nebenschluss einer induktiven Last 102, zum Beispiel eines Gleichstrommotors, einerseits zum Absinken des ohmschen Widerstands andererseits aber auch zum Absinken der Induktivität. Nur durch die gleichzeitige Betrachtung und Auswertung beider Abweichungen vom erwarteten Nominalwert ist es möglich einen derartigen Fehler zu erkennen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl als initialer Test vor Inbetriebnahme des Lastkreises 100 als auch als permanente Überwachung des Lastkreises 100 im laufenden Betrieb verwendet werden.
Für einen initialen Test wird dabei das erste Steuersignal vorteilhaft als Signal mit relativ hoher Frequenz und relativ kleiner Impulsdauer festgelegt. Das zweite Steuersignal wird als Signal mit relativ niedriger Frequenz, aber größerer, vorzugsweise mittlerer Impulsbreite festgelegt.
Für eine permanente Überwachung des Lastkreise 100 im laufenden Betrieb wird dagegen vorteilhaft bei gleichbleibender Tastverhältnis die Frequenz des Steuersignals zyklisch verändert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102008040931 [0005, 0021]

Claims

Verfahren zur Überwachung der elektrischen Eigenschaften eines getaktet gesteuerten Lastkreises (100), wobei der Lastkreis (100) mindestens eine ohmsche und mindestens eine induktive Komponente aufweist, mit folgenden Schritten: – Festlegen mindestens eines ersten und eines zweiten Steuersignals, wobei die Steuersignale derart festgelegt werden, dass bei Ansteuerung des Lastkreises (100) mit dem ersten Steuersignal das induktive Verhalten des Lastkreises (100) überwiegt und bei Ansteuerung des Lastkreises (100) mit dem zweiten Steuersignal das ohmsche Verhalten des Lastkreises (100) überwiegt, – Erfassen von jeweils mindestens einer von dem Steuersignal und der/den ohmschen und/oder induktiven Komponenten abhängigen Messgröße bei Ansteuerung des Lastkreises (100) mit dem ersten Steuersignal sowie bei Ansteuerung des Lastkreises (100) mit dem zweiten Steuersignal, – Ermitteln der Abweichungen der Messgrößen von den auf Grund der Nominalwerte der induktiven und ohmschen Komponenten erwarteten Messgrößen, – Klassifizieren des Zustandes des Lastkreises (100) anhand der ermittelten Abweichungen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Steuersignale mindestens zwei Steuerimpulse umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zur Erfassung der Messgrößen eine integrative Messmethode verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Lastkreis (100) zumindest ein Schaltmittel (101) und eine induktive Last (102) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Last (102) ein Gleichstrommotor oder die Magnetspule eines Magnetventils ist.
Verfahren nach einem Ansprüche 4 oder 5, wobei als Messgröße der Spannungsabfall am Schaltmittel (101), der Spannungsabfall an der Last (102) und/oder die Versorgungsspannung (UB) dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Lastkreis (100) ein Messmittel (103) aufweist und der Strom im Messmittel (103) als Messgröße dient.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuersignale derart festgelegt werden, dass ein ungewolltes mechanisches Aktivieren des Lastkreises (100) vermieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren als initialer Test vor Inbetriebnahme des Lastkreises (100) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das erste und das zweite Steuersignal derart festgelegt werden, dass die Frequenz des ersten Steuersignals höher ist als die Frequenz des zweiten Steuersignals und dass die Impulsdauer des ersten Steuersignals kleiner ist als die Impulsdauer des zweiten Steuersignals.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren im laufenden Betrieb des Lastkreises (100) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erste und das zweite Steuersignal derart festgelegt werden, dass bei gleichbleibendem Tastverhältnis die Frequenz der Steuersignale zyklisch verändert wird.
Schaltungsanordnung zur Überwachung der elektrischen Eigenschaften eines getaktet gesteuerten Lastkreises, wobei der Lastkreis mindestens ein Schaltmittel (101) und mindestens eine induktive Last (102) umfasst, die aufweist: – ein Steuergerät (104) zur Steuerung des Schaltmittels (101) und – eine Messeinheit (105) zur Erfassung und Auswertung von Messgrößen, wobei die Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Überwachungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet ist.