DE102017223318A1

DE102017223318A1 - Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektrischen Steuergerät

Info

Publication number: DE102017223318A1
Application number: DE102017223318.4A
Authority: DE
Inventors: Roman Ritter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-27
Also published as: WO2019120733A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät mit einem Messwiderstand. Die Schaltung bildet neben dem Messstromkreis mit dem Messwiderstand einen zusätzlichen Referenzstromkreis mit dem Messwiderstand. Ein Schaltmittel schließt entweder den Messstromkreis oder den Referenzstromkreis. Eine Referenzmesseinrichtung bestimmt den Referenzwert des Messwiderstandes, zyklisch und mit ausreichend hoher Genauigkeit. Fertigungstoleranz, Temperaturabhängigkeit und Alterungseffekte des Messwiderstandes werden eliminiert. Günstige und robuste Messwiderstände können verwendet werden. Referenzstromkreis und Referenzmesseinrichtung sind vor Umwelteinflüssen geschützt, weil sie durch das Schaltmittel vom Messstromkreis getrennt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät mit einem Messwiderstand.
Bei Stromfluss durch einen Messwiderstand entsteht an diesem ein Spannungsabfall, welcher mit der Messeinrichtung gemessen wird. Bei bekanntem Messwiderstand R kann mittels des ohmschen Gesetzes aus dem gemessenen Spannungsabfall U auf den Strom I geschlossen werden, gemäß $I = \frac{U}{R} .$
Der Widerstandswert R des Messwiderstands ist jedoch infolge von Fertigungstoleranzen, Alterungseffekten und seiner Temperaturabhängigkeit nicht genau genug bekannt. Dadurch lässt sich der Wert des Stromes I lediglich mit einem nicht zu vernachlässigenden Fehler bestimmen.
Aus DE 200 04 909 U1 ist bekannt, die Fertigungstoleranz und die Temperaturabhängigkeit eines Messwiderstandes zu kompensieren, indem ein Korrekturfaktor für die Fertigungstoleranz des Messwiderstandes in einem Datenspeicher gespeichert wird. Der besagte Korrekturfaktor wird durch eine Eichmessung bei der Fertigung der Messeinrichtung bestimmt. Während des Betriebes der Messeinrichtung wird der Korrekturfaktor aus dem Speicher gelesen und zur Korrektur des Messergebnisses herangezogen. Durch zusätzliche Verwendung eines Temperatursensors kann auch eine Temperaturkompensation des Widerstandes des Messwiderstandes durch einen Korrekturfaktor bei bekannter Temperaturabhängigkeit des Messwiderstandes erfolgen.
Änderungen des Widerstandswertes infolge von Alterungsprozessen des Messwiderstandes bleiben allerdings unberücksichtigt.
In der DE 103 10 503 A1 sind eine Einrichtung sowie und ein zugehöriges Verfahren offenbart, das die Messgenauigkeit weiter erhöht. Zusätzlich zum zu messenden Strom wird ein bekannter Teststrom I über den Messwiderstand geführt. Bei bekanntem Teststrom I und gemessener, durch den Teststrom verursachter Testspannung U kann wiederum über das ohmsche Gesetz auf den Wert des Messwiderstandes geschlossen werden, gemäß $R = \frac{U}{I} .$
Der Spannungsabfall der am Messwiderstand gemessen wird, rührt von dem zu messenden Laststrom und dem Teststrom her. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die gemessene Spannung, herrührend durch die Überlagerung von Mess- und Teststrom am Messwiderstand durch eine geeignete Filter- und Lock-In-Technik in einen Mess- und einen Teststromanteil der gemessenen Spannung separiert werden muss.
In der DE 10 2011 078 334 A1 ist ein Shunt-Widerstand mit zwei Messanschlüssen und zwei Kalibrieranschlüssen offenbart. Zwischen den Messanschlüssen fließt entlang einer Hauptstromrichtung ein Messstrom durch den Shunt-Widerstand. Schlitzstrukturen teilen den Shunt Widerstand entlang der Hauptstromrichtung in zwei Seitenstrombereiche. Die Seitenstrombereiche weisen hochohmigere Widerstände auf, als der Hauptstrombereich des Shunts. Durch die Kalibrieranschlüsse wird ein Kalibriersignal geringer Stromstärke geleitet, so dass die eigentliche Strommessung durch den Hauptstrombereich nicht beeinträchtigt wird. Zugleich weisen die Seitenstrombereiche ein nahezu identisches Verhalten bezüglich Temperaturabhängigkeit, Materialalterung und stromflussbedingter Widerstandsänderung auf, so dass von den in den Seitenstrombereichen gemessenen Charakteristika des Widerstands auf die Änderungen des Widerstands im Hauptstrombereich zurückgeschlossen werden kann. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass ein spezieller Shuntwiderstand mit vier Messanschlüssen und mit Schlitzung verwendet wird.
Steuergeräte, insbesondere Steuergeräte in mobilen Systemen, müssen an allen externen Schnittstellen, insbesondere den Sensoreingängen, eine hohe Robustheit gegen Fehlerfälle wie Kurzschlüsse, zum Beispiel einen Kurzschluss gegen die Fahrzeugbatterie, elektrostatische Entladungen, etc. aufweisen. Um die hohen Anforderungen zu erfüllen müssen robuste Bauteile eingesetzt werden, die für gewöhnlich nicht so präzise sind. Präzise und zugleich robuste Bauteile sind sehr teuer. Der Einsatz des zuvor beschriebenen speziellen Messwiderstandes würde zwar eine hohe Genauigkeit gewährleisten, ist jedoch teuer und nicht robust genug.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine verbesserte Schaltung für eine genaue und robuste Strommessung in einem elektrischen Steuergerät anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die vorliegende erfindungsgemäße Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen und mit dem in Anspruch 15 angegebenen Verfahren zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät gelöst.
Ausgehend von der Erkenntnis, dass der aktuelle Wert eines Messwiderstandes ausreichend genau bekannt sein muss, um über eine Spannungsmessung, den durch den Messwiderstand fließenden Strom hinreichend genau berechnen zu können, offenbart die vorliegende Erfindung eine einfache und kostengünstig zu realisierende Schaltung und ein zugehöriges Verfahren, einen Referenzwert des Messwiderstandes der Messeinrichtung mit einer Referenzmesseinrichtung zyklisch und mit ausreichend hoher Genauigkeit zu bestimmen. Die erfindungsgemäße Schaltung bildet dazu neben dem Messstromkreis einen zusätzlichen Referenzstromkreis. Auf dem Messstromkreis wird der Messwiderstand vom zu messenden Strom durchflossen. Auf dem Referenzstromkreis wird der Messwiderstand von einem Referenzstrom durchflossen.
Den Kern der erfinderischen Lösung bildet ein Schaltmittel mit dem entweder der Messstromkreis geschlossen wird, so dass der zu messende Strom durch den Messwiderstand fließt, oder der Referenzstromkreis geschlossen wird, so dass der Referenzstrom durch den Messwiderstand fließt.
Wenn mit dem Schaltmittel dafür gesorgt ist, dass der Referenzstromkreis geschlossen ist, dann ist der Messstromkreis unterbrochen und es fließt der bekannte Referenzstrom I_Ref durch den Messwiderstand R_Mess. Am Messwiderstand fällt die Spannung U_Mess,Ref ab. Mit Hilfe des ohmschen Gesetzes lässt sich der Referenzwert des Messwiderstandes R_Mess berechnen: $R_{M e s s} = \frac{U_{M e s s, R e f}}{I_{R e f}} .$
Wenn mit dem Schaltmittel dafür gesorgt ist, dass der Messstromkreis geschlossen ist, dann ist der Referenzstromkreis unterbrochen und es fließt der unbekannte Messstrom I_Mess durch den Messwiderstand R_Mess. Am Messwiderstand fällt die Spannung U_Mess ab. Mit Hilfe des ohmschen Gesetzes lässt sich Messstrom I_Mess berechnen: $I_{M e s s} = \frac{U_{M e s s}}{R_{M e s s}} .$
Ein besonderer Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass Mess- und Referenzmesseinrichtung unabhängig voneinander in Hinsicht auf die erforderliche Messgenauigkeit entworfen und dimensioniert werden können, da sie ja durch ein Schaltmittel in voneinander getrennten Stromkreisen mit dem Messwiderstand verbunden sind. Durch die zyklische Berechnung des Messwiderstandes durch Zuschalten des Referenzstromkreises werden die Einflüsse wie Fertigungstoleranz, Temperaturabhängigkeit und Alterungseffekte des Messwiderstandes eliminiert. Die Genauigkeit der Strommessung wird ausschließlich durch die Genauigkeit des Referenzstromes, der Referenzmesseinrichtung und der Messeinrichtung bestimmt. Damit ergibt sich ein großer Vorteil gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen. Insbesondere ist die Gesamtgenauigkeit der Messeinrichtung unabhängig von der Toleranz des Messwiderstandes. Es können mit der vorgeschlagenen Erfindung günstige und robuste Messwiderstände verwendet werden, die keine besonderen Anforderungen an die Genauigkeit besitzen.
Die Schaltung ist auch deshalb robust, weil der Referenzstromkreis und die Referenzmesseinrichtung keine externen Anschlüsse benötigen und deshalb gut von Umwelteinflüssen abgeschirmt werden können, insbesondere sind sie durch das Schaltmittel vom Messstromkreis getrennt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät umfasst die Schritte
Abschalten des Messstromkreises,
Zuschalten des Referenzstromkreises,
Referenzmessung des Spannungsabfalls am Messwiderstand,
Berechnung eines Referenzwertes des Messwiderstandes,
Abschalten des Referenzstromkreises,
Zuschalten des Messstromkreises,
Messen des Spannungsabfalls am Messwiderstand und
Berechnung des Stromes durch den Messwiderstand.
Nach dem Abschalten des Messstromkreises und Zuschalten des Referenzstromkreises erfolgt eine Referenzmessung des Spannungsabfalls am Messwiderstand. Aus dem gemessenen Spannungsabfall wird ein Referenzwert für den Messwiderstand berechnet. Selbstverständlich können die Schritte Berechnung eines Referenzwertes des Messwiderstandes und Abschaltung des Referenzstromkreises auch vertauscht werden.
Nach Abschalten des Referenzstromkreises und Zuschalten des Messstromkreises erfolgt eine Messung des Spannungsabfalls am Messwiderstand aufgrund des Messstromes. Anschließend erfolgt die Berechnung des Stromes durch den Messwiderstand, gemäß $I_{M e s s} = \frac{U_{M e s s}}{R_{M e s s}},$
wobei R_Mess der berechnete Referenzwert für den Messwiderstand ist. R_Mess
Die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführender Mikrocontroller des Steuergeräts noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einer besonders einfachen, erfindungsgemäßen Ausführung der Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät wird das Schaltmittel durch einen elektrischen Wechselschalter gebildet. In der einen Schaltstellung des Wechselschalters fließt der Messstrom durch den Messwiderstand. In der anderen Schaltstellung des Wechselschalters fließt der Referenzstrom durch den Messwiderstand. Die Messeinrichtung könnte dabei vorzugsweise sowohl als Mess- als auch als Referenzmesseinrichtung dienen und wäre dann permanent mit dem Messwiderstand verbunden.
Die Robustheit gegen Fehlerfälle an den Sensoreingängen des Steuergerätes lässt sich erhöhen, wenn Mess- und Referenzmesseinrichtung getrennt ausgeführt werden. Die Messeinrichtung wird dann mit robusteren Bauteilen ausgeführt. Die Referenzmesseinrichtung ist empfindlicher gegen äußere Störungen, wie zum Beispiel einen Kurzschluss gegen die Versorgungsspannung oder elektrostatische Entladungen an den Sensoreingängen des Steuergerätes. Von besonderem Vorteil ist es dann, wenn die Referenzmesseinrichtung vom Messwiderstand getrennt wird, wenn der Messstromkreis geschlossen ist.
Da an Steuergeräten in der Regel mehrere Sensoren angeschlossen werden, ist es von besonderem Vorteil das Schaltmittel durch Schalter zu bilden. Dies können insbesondere Analogmultiplexer sein, die die eine Referenzmesseinrichtung bzw. die eine Messeinrichtung an den jeweiligen Messwiderstand des jeweiligen Sensoranschlusses schalten.
Wenn der Schalter, der den Referenzstromkreis vom Messwiderstand trennt, auch die Referenzmesseinrichtung vom Messwiderstand trennt, dann wenn der Referenzstromkreis vom Messwiderstand getrennt ist, dann kann die Referenzmesseinrichtung weniger robust ausgeführt sein.
Weiter von Vorteil ist es mit einem weiteren Schalter, die Messeinrichtung vom Messwiderstand trennen zu können und nur bei einer Messung des Messstromes zuzuschalten. Damit ist sichergestellt, dass die Messeinrichtung das Messergebnis der Referenzmesseinrichtung nicht beeinflussen kann.
In der Regel speist ein an einem Sensoreingang des Steuergerätes angeschlossener externer Sensor den zu messenden Strom in den Messstromkreis ein. Die Versorgungsspannung des Sensors wird durch das Steuergerät zur Verfügung gestellt. Der Sensor wird an einem Sensoranschluss des Steuergerätes angeschlossen.
Von besonderem Vorteil ist es, den Schalter der den Messstromkreis zuschaltet, zwischen Versorgungsspannungsquelle für den Sensor und dem Sensoranschluss des Steuergerätes anzuordnen. Zusammen mit dem Messstromkreis wird dann die Versorgungsspannung für den Sensor unterbrochen.
Der Referenzstrom für den Referenzstromkreis wird in einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung durch eine Konstantstromquelle gebildet. Wenn der Referenzstromkreis geschlossen ist, fließt der Referenzstrom I_Ref. Die Referenzmesseinrichtung misst die Referenzspannung U_Mess,Ref, die über den Messwiderstand abfällt. Mit Hilfe des ohmschen Gesetzes lässt sich der Referenzwert des Messwiderstandes berechnen, $R_{M e s s} = \frac{U_{M e s s, R e f}}{I_{R e f}} .$
In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird der Referenzstrom für den Referenzstromkreis durch eine Reihenschaltung einer Referenzspannungsquelle mit der Spannung U_Ref mit einem Referenzwiderstand R_Ref gebildet. Referenzspannungsquelle, Referenzwiderstand und Messwiderstand R_Mess bilden dann den Referenzstromkreis. Die Referenzmesseinrichtung ermittelt den Spannungsabfall U_mess,Ref am Referenzwiderstand.
Mit Hilfe der Spannungsteilerregel $\frac{U_{R e f}}{R_{R e f} + R_{M e s s}} = \frac{U_{M e s s, R e f}}{R_{M e s s}}$
lässt sich der Referenzwert R_Mess des Messwiderstandes $R_{M e s s} = \frac{R_{R e f}}{\frac{U_{R e f}}{U_{M e s s, R e f}} - 1}$
berechnen.
Durch Zu- und Abschalten des Referenzwiderstandes zusammen mit dem Referenzstromkreis kann der präzise Referenzwiderstand deutlich weniger robust ausgeführt sein, als der vergleichsweise weniger präzise Messwiderstand. Die Robustheitsanforderungen für den Messwiderstand werden durch präzise Widerstände nicht erfüllt. Der Messwiderstand ist direkt von den Sensoranschlüssen des Steuergerätes aus zugänglich, während der Referenzwiderstand als interner Widerstand des Steuergerätes deutlich besser geschützt ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung weist der Referenzwiderstand eine geringere Initialtoleranz und einen geringeren Temperaturkoeffizienten als der Messwiderstand auf. So kann zum Beispiel der Messwiderstand durch eine Reihenschaltung von zwei 100 Ω Widerständen gebildet sein, die eine Initialtoleranz von 1% und einen Temperaturkoeffizienten von 100 ppm/K besitzen. Die Kosten für diese Widerstände sind relativ gering und die Robustheit gegen Überlast ist gut. Untersuchungen haben gezeigt, dass die durch Überlast bedingte Abweichung eines Messwiderstandes etwa zusätzlich 1,3 % beträgt. Insgesamt kann die Abweichung unter Berücksichtigung aller Effekte bis zu 3,5 % vom Nennwert des Messwiderstandes betragen. Der Referenzwiderstand kann zum Beispiel ein 475 Ω Widerstand mit 0,1 % Initialtoleranz und einem Temperaturkoeffizienten von 25 ppm/K sein. Die Kosten für solch einen Referenzwiderstand sind um etwa den Faktor 10 höher und eine Robustheit gegen Überlast durch Fehlbeschaltung an den Sensoreingängen ist nicht gegeben. Die maximale Abweichung vom Nennwert des Referenzwiderstandes beträgt ca. 0,8 %. Ein Referenzwiderstand kann insbesondere für die Kalibrierung mehrerer Messwiderstände verwendet werden. Der günstige Messwiderstand kann n-fach, zum Beispiel bis zu 12-fach im Steuergerät ausgeführt sein.
Besonders vorteilhaft ist es für die Messeinrichtung und für die Referenzmesseinrichtung jeweils eigene, getrennte Analog-/Digital-Wandler einzusetzen. Für die Referenzmesseinrichtung ist es besonders vorteilhaft, einen höher auflösenden Analog-/Digital-Wandler einzusetzen. Da aber gilt, je höher die Auflösung des Analog-/Digital Wandlers, desto langsamer die Wandlung, ist dieser Analog-/Digital-Wandler der Referenzmesseinrichtung nicht für die schnelle Erfassung des Strom-Sensorsignals geeignet. Da die Referenzmessung aber nicht permanent durchgeführt wird, kann hier ein höher auflösender und langsamer wandelnder Analog-/Digital-Wandler besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Wahlweise kann die Ermittlung des Referenzwertes des Messwiderstandes nur einmal bei Start des Steuergerätes erfolgen, zum Beispiel um die Alterungseffekte des Messwiderstandes zu eliminieren oder die Ermittlung des Referenzwertes des Messwiderstandes kann zyklisch durchgeführt werden, beispielsweise im Minutenabstand, um zusätzlich die Temperatureffekte des Messwiderstandes zu kompensieren.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Analog- /Digital-Wandler der Referenzmesseinrichtung, der Analog-/Digital-Wandler der Messeinrichtung und die Schalter des Schaltmittels in einem Multifunktionsbaustein des Steuergerätes integriert sind. Das Schaltmittel ist als Analogschalter, insbesondere als Analogmultiplexer ausgeprägt. Der integrierte Analog-/Digital-Wandler der Referenzmesseinrichtung weist eine höhere Auflösung als der integrierte Analog-/Digital-Wandler der Messeinrichtung auf und wird für die Kalibrierung mehrerer Messwiderstände verwendet.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn Referenzwiderstand und die Messwiderstände durch externe Beschaltung des Multifunktionsbausteins gebildet werden. Der Referenzwiderstand existiert nur einmal und kann per integriertem Analogmultiplexer auf jeden Messkanal, der einen eigenen Messwiderstand besitzt, zur Kalibrierung desselben geschaltet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, einen ohnehin im Steuergerät vorhandenen Mikrocontroller für die Steuerung des Multifunktionsbausteins, sowie für Abarbeitung der Schritte zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einzusetzen. Dann wird die ohnehin für das Steuergerät vorhandene digitale Verarbeitungseinrichtung - der Mikrocontroller - gleichermaßen für die Steuerung des Multifunktionsbausteins und die Abarbeitung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher beschrieben.

1 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem Messstromkreis und einem Referenzstromkreis. Als Schaltmittel zum Umschalten zwischen Messstromkreis und Referenzstromkreis dient ein elektrischer Wechselschalter.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung in einem elektronischen Steuergerät zur Erfassung einer Eingangsgröße eines am Steuergerät angeschlossenen Sensors. Als Schaltmittel dienen Analogschalter in einem Multifunktionsbaustein.
3 zeigt den Ablauf der Verfahrensschritte.

Die 1 zeigt eine elektrische Schaltung bestehend aus einem Messstromkreis 35 und einem Referenzstromkreis 55. Der Messstromkreis 35 wird durch die Messstromquelle 40, und die Messeinrichtung 50 gebildet. Der Referenzstromkreis 55 wird durch die Referenzstromquelle 60 und die Referenzmesseinrichtung 70 gebildet. Der elektrische Wechselschalter 30 verbindet den Messanschluss 25 des Messwiderstandes 20 entweder mit dem Messstromkreis 35 oder mit dem Referenzstromkreis 55. Ist der Messstromkreis 35 durch den elektrischen Wechselschalter 30 mit dem Messanschluss 25 des Messwiderstandes 20 verbunden, speist die Messstromquelle 40 den Messstrom ein und im Messstromkreis 35 fließt der Messstrom 45. Ist hingegen der Referenzstromkreis 55 durch den elektrischen Wechselschalter 30 mit dem Messanschluss 25 des Messwiderstandes 20 verbunden, fließt im Referenzstromkreis 55 der Referenzstrom 65.
Ist der Referenzstromkreis 55 geschlossen, dann ist der Messstromkreis 35 unterbrochen und es fließt der bekannte Referenzstrom I_Ref 65 durch den Messwiderstand R_Mess 20. Am Messwiderstand 20 fällt die Spannung U_Mess,Ref ab, die mit der Referenzmesseinrichtung 70 erfasst wird. Mit Hilfe des ohmschen Gesetzes lässt sich der Referenzwert des Messwiderstandes R_Mess 20 berechnen: $R_{M e s s} = \frac{U_{M e s s, R e f}}{I_{R e f}}$
Der ermittelte Wert des Messwiderstandes R_Mess wird den weiteren Messungen zu Grunde gelegt.
Ist der Messstromkreis 35 geschlossen, dann ist der Referenzstromkreis 55 unterbrochen und es fließt der unbekannte Messstrom I_Mess 45 durch den Messwiderstand R_Mess 20. Am Messwiderstand 20 fällt die Spannung U_Mess ab, die mit der Messeinrichtung 50 erfasst wird. Mit Hilfe des ohmschen Gesetzes lässt aus der gemessenen Spannung U_Mess und dem berechneten Referenzwert R_Mess des Messwiderstandes der Messstrom I_Mess 45 berechnen: $I_{M e s s} = \frac{U_{M e s s}}{R_{M e s s}} .$
Wahlweise kann die Ermittlung des Referenzwertes des Messwiderstandes 20 nur einmal bei Start des Steuergerätes 100 erfolgen, um die Alterungseffekte des Messwiderstandes 20 zu eliminieren oder die Messung und Berechnung kann zyklisch im Minutenabstand durchgeführt werden, um zusätzlich die Temperatureffekte zu kompensieren. Weil der Wert R_Mess des Messwiderstandes 20 zeitnah sehr genau mit Hilfe der Referenzmesseinrichtung 70 bestimmt wurde, wird die Genauigkeit des berechneten Wertes von I_Mess hauptsächlich durch die Auflösung der Messeinrichtung 50 bestimmt. Die Initialtoleranz des Messwiderstandes 20, Langzeiteinflüsse wie Alterung des Messwiderstandes 20, Veränderung durch Überlastung, sowie äußere Einflüsse wie Temperatureffekte spielen keine Rolle.
Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung in einem elektronischen Steuergerät 100. Die Schaltung dient zur Erfassung einer Eingangsgröße eines am Sensoranschluss 110 des Steuergerätes 100 angeschlossenen Sensors 105. Das Steuergerät 100 stellt eine Spannungsversorgung 120 für den Sensor 105 bereit. Die Spannungsversorgung 120 wird durch einen Analogschalter 115 des Steuergerätes 100 zu- bzw. abgeschaltet. Der Messstromkreis 35 wird durch die Spannungsversorgung 120, den Schalter 115 und den an den Sensoranschluss 110 des Steuergerätes 100 angeschlossenen Sensor 105 gebildet. Der Sensor 105 setzt einen Messwert, zum Beispiel eine Temperatur, einen Druck, eine Kraft, einen Volumenstrom, etc. in einen Messstrom 45 um und speist diesen Messstrom 45 an den Sensoranschluss des 110 des Steuergerätes 100 ein.
Der Referenzstromkreis 55 wird durch die Spannungsversorgung 120', den Referenzwiderstand 125 und den Schalter 115' gebildet.
Die Messeinrichtung 50, die Referenzmesseinrichtung 70, der Schalter 115' und der Schalter 115", der die Messeinrichtung 50 zu- bzw. abschaltet sind in einem vollintegrierten Multifunktionsbaustein 130 des Steuergerätes 100 zusammengefasst.
Der Mikrocontroller 140 des Steuergerätes 100 steuert den Analogschalter 115, sowie die Analogschalter 115' und 115"und die Analog-/Digital-Wandler der Messeinrichtung 50 und der Referenzmesseinrichtung 70 des Multifunktionsbausteins 130.
Die Schaltung in 2 wird zur Messung eines Eingangsstroms 45 und zur Referenzmessung des Messwiderstandes 20 wie folgt betrieben:
Die Versorgungsspannung 120 für den Sensoranschluss 110 des Steuergerätes 100 wird durch Öffnen des Schalters 115 abgeschaltet. Gleichzeitig wird die Messeinrichtung 50 des Multifunktionsbausteins 130 durch Öffnen des Schalters 115" vom Messwiderstand 20 weggeschaltet.
Die Spannungsversorgung 120' in Reihe geschaltet mit dem Referenzwiderstand 125 wird durch Schließen des Schalters 115' mit dem Messanschluss 25 des Messwiderstandes 20 verbunden. Damit ist der Referenzstromkreis 55 geschlossen und der Referenzstrom 65 fließt durch den Messwiderstand 20. Durch Analog-/Digital-Wandlung der Referenzmesseinrichtung 70 erfolgt die Bestimmung des Spannungsabfalls am Messwiderstand 20. Mit Hilfe der Spannungsteilerregel wird der Referenzwert R_Mess des Messwiderstandes 20 aus der bekannten Spannung U_Ref der Spannungsversorgung 120', dem bekannten Referenzwiderstand R_Ref und der gemessenen Spannung U_Mess,Ref am Messwiderstand 20 berechnet. $R_{M e s s} = \frac{R_{R e f}}{\frac{U_{R e f}}{U_{M e s s, R e f}} - 1}$
Der berechnete Referenzwert R_Mess des Messwiderstandes 20 wird in den Speicher des Steuergerätes 100 geschrieben.
Durch Öffnen des Schalters 115' wird der Referenzstromkreis 55 wieder geöffnet. Gleichzeitig mit dem Öffnen des Schalters 115' wird die Referenzmesseinrichtung 70 vom Messwiderstand 20 abgeschaltet.
Durch Schließen des Schalters 115 wird die Spannungsversorgung 120 mit dem Sensoranschluss 110 des Steuergerätes 100 verbunden. Der externe Sensor 105 wird mit Spannung versorgt und speist Strom in den Messstromkreis 35 ein. Der Messstrom 45 fließt durch den Messwiderstand 20.
Durch Schließen des Schalters 115" wird die Messeinrichtung 50 mit dem Messwiderstand 20 verbunden.
Durch Analog-/Digital-Wandlung der Messeinrichtung 50 erfolgt die Bestimmung des Spannungsabfalls U_Mess am Messwiderstand 20. Der Referenzwert R_Mess des Messwiderstandes 20 wird aus dem Speicher des Steuergerätes 100 gelesen.
Der Messstrom 45, der durch den Sensor 105 in den Messstromkreis 35 eingespeist wird, ergibt sich aus $I_{M e s s} = \frac{U_{M e s s}}{R_{M e s s}} .$
Durch die zyklische Berechnung des Messwiderstandes 20 durch Zuschalten des Referenzstromkreises 55 werden die Einflüsse wie Fertigungstoleranz, Temperaturabhängigkeit und Alterungseffekte des Messwiderstandes 20 eliminiert. Die Genauigkeit der Strommessung wird ausschließlich durch die Genauigkeiten der Spannungsversorgung 120', des Referenzwiderstandes 125, der Referenzmesseinrichtung 70 und der Messeinrichtung 50 bestimmt. Die Gesamtgenauigkeit des Messstromes 45 ist unabhängig von der Toleranz des Messwiderstandes 20. Es können mit der vorgeschlagenen Erfindung günstige und robuste Messwiderstände 20 verwendet werden, die keine besonderen Anforderungen an die Genauigkeit besitzen. Referenzmesseinrichtung 70 und Referenzwiderstand 125 sind während der Messung des Messstromes 45 durch den Schalter 115' vom Messstromkreis 35 getrennt und damit vor Kurzschluss gegen die Fahrzeugbatterie, elektrostatischen Entladungen, etc. an den Anschlüssen 110 des Sensors 105 geschützt.
Die Schritte des Verfahrens zur der Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach 2 werden mit Hilfe des Ablaufdiagramms in 3 nochmals genauer beschrieben.
Schritt 150: Durch Öffnen des Schalters 115 wird die Spannungsquelle 120 von den Sensoranschlüssen 110 des Steuergerätes abgeschaltet. Der Sensor 105 ist nicht mehr mit Spannung versorgt und, generiert keinen Messstrom 45 mehr. Dadurch ist der Messstromkreis 35 abgeschaltet, so dass kein Messstrom 45 durch den Messwiderstand 20 fließt. Die Messeinrichtung 50 wird durch Öffnen des Schalters 115" vom Messanschluss des Messwiderstandes 20 getrennt. Selbstverständlich kann die Messeinrichtung 50 während der folgenden Schritte auch mit dem Messwiederstand verbunden bleiben, durch Öffnen des Schalters 115' jedoch wird sichergestellt, dass die Messeinrichtung 50 das Messergebnis der Referenzmesseinrichtung 70 nicht beeinflussen kann.
Schritt 160: Durch Schließen des Schalters 115' wird der Messanschluss 25 des Messwiderstandes 20 mit der Reihenschaltung aus Spannungsquelle 120' und Referenzwiderstand 125 verbunden und der Referenzstromkreis 55 geschlossen. Die Referenzmesseinrichtung 70 ist mit dem Messwiderstand 20 verbunden.
Schritt 170: Die Referenzmessung des Spannungsabfalls am Messwiderstand 20 erfolgt durch Analog-/Digital-Wandlung der Referenzmesseinrichtung 70.
Schritt 180: Die Berechnung des Referenzwertes für den Messwiderstand 20 erfolgt durch das Rechenwerk des Mikrocontrollers 140. Der berechnete Referenzwert für den Messwiderstand 20 wird in den Speicher des Steuergerätes 100 geschrieben.
Schritt 190: Durch Öffnen des Schalters 115' wird der Referenzstromkreis 55 geöffnet und die Referenzmesseinrichtung 70 vom Messwiderstand 20 getrennt.
Selbstverständlich können die Schritte 180 und 190 vertauscht werden.
Schritt 200: Durch Schließen des Schalters 115 wird die Spannungsversorgung 120 mit den Anschlussklemmen 110 des Sensors 105 verbunden. Der Sensor 105 speist den Messstrom 45 in den Messstromkreis 35 ein. Der Messstrom 45 fließt durch den Messwiderstand 20. Durch Schließen des Schalters 115' wird die Messeinrichtung 50 zum Messwiderstand 20 zugeschaltet.
210: Die Messung des Spannungsabfalls am Messwiderstand 20 erfolgt durch Analog-/Digital-Wandlung der Messeinrichtung 50.
220: Der berechnete Referenzwert für den Messwiderstand 20 wird aus dem Speicher des Steuergerätes 100 gelesen. Die Berechnung des Messstromes 45 des Sensors 105 erfolgt durch das Rechenwerk des Mikrocontrollers 140.
Wahlweise kann die Bestimmung des Referenzwertes des Messwiderstandes 20 (Schritt 150 bis Schritt 200) nur einmal bei Start des Steuergerätes 100 erfolgen, um die Alterungseffekte des Messwiderstandes 20 zu eliminieren, oder die Bestimmung des Referenzwertes des Messwiderstandes 20 (Schritt 150 bis Schritt 200) kann zyklisch zwischen den Messungen der Eingangsgröße (Schritt 210 und Schritt 220) durchgeführt werden, zum Beispiel im Minutenabstand, um zusätzlich die Temperatureffekte zu kompensieren.
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät mit einem Messwiderstand. Die Schaltung bildet neben dem Messstromkreis mit dem Messwiderstand einen zusätzlichen Referenzstromkreis mit dem Messwiderstand. Ein Schaltmittel schließt entweder den Messstromkreis oder den Referenzstromkreis. Eine Referenzmesseinrichtung bestimmt den Referenzwert des Messwiderstandes, zyklisch und mit ausreichend hoher Genauigkeit. Fertigungstoleranz, Temperaturabhängigkeit und Alterungseffekte des Messwiderstandes werden eliminiert. Günstige und robuste Messwiderstände können verwendet werden. Referenzstromkreis und Referenzmesseinrichtung sind vor Umwelteinflüssen geschützt, weil sie durch das Schaltmittel vom Messstromkreis getrennt sind.
Bezugszeichenliste

10: Schaltung
20: Messwiderstand
25: Messanschluss
30: Schalteinrichtung
35: Messstromkreis
40: Messstromquelle
45: Messstrom
50: Messeinrichtung
55: Referenzstromkreis
60: Referenzstromquelle
65: Referenzstrom
70: Referenzmesseinrichtung
100: Steuergerät
105: Sensor
110: Sensoranschluss
115, 115', 115": Schalter
120, 120': Spannungsversorgung
130: Multifunktionsbaustein
135: Mikrocontroller
150: Abschalten des Messstromkreises
160: Zuschalten des Referenzstromkreises
170: Referenzmessung des Spannungsabfalls am Messwiderstand
180: Berechnung eines Referenzwertes des Messwiderstandes
190: Abschalten des Referenzstromkreises
200: Zuschalten des Messstromkreises
210: Messen des Spannungsabfalls am Messwiderstand
220: Berechnung des Stromes durch den Messwiderstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20004909 U1 [0004]
DE 10310503 A1 [0006]
DE 102011078334 A1 [0008]

Claims

Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät mit einem Messwiderstand (20), welcher dazu angeordnet ist, von einem zu messenden Strom (45) auf einem Messstromkreis (35) durchflossen zu werden und welcher außerdem dazu angeordnet ist, von einem Referenzstrom (65) auf einem Referenzstromkreis (55) durchflossen zu werden, mit einer Messeinrichtung (50) zur Erfassung des am Messwiderstand (20) durch den zu messsenden Strom (45) entstehenden Spannungsabfalls und mit einer Referenzmesseinrichtung (70) zur Erfassung des am Messwiderstand (20) durch den Referenzstrom (65) entstehenden Spannungsabfalls, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schaltmittel (30; 115, 115', 115") vorhanden ist, mit dem entweder der Messstromkreis (35) geschlossen wird, so dass der zu messende Strom (45) durch den Messwiderstand (20) fließt oder mit dem der Referenzstromkreis (55) geschlossen wird, so dass der Referenzstrom (65) durch den Messwiderstand (20) fließt.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel durch einen elektrischen Wechselschalter (30) gebildet ist, welcher dazu eingerichtet ist entweder den Messstromkreis (35) mit einem Messanschluss (25) des Messwiderstandes (20) zu verbinden, so dass der zu messende Strom (45) durch den Messwiderstand (20) fließt, oder den Referenzstromkreis (55) mit dem Messanschluss (25) des Messwiderstandes (20) zu verbinden, so dass der Referenzstrom (65) über den Messwiderstand (20) fließt.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselschalter (30) dazu eingerichtet ist, die Referenzmesseinrichtung (70) mit dem Messwiderstand (20) zu verbinden, wenn der Referenzstromkreis (55) geschlossen ist und die Referenzmesseinrichtung (70) vom Messwiderstand (20) zu trennen, wenn der Messstromkreis (35) geschlossen ist.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (30) durch zwei Schalter (115, 115') gebildet wird, wobei ein erster Schalter (115) dazu eingerichtet ist, den Messstromkreis (35) mit dem Messanschluss (25) des Messwiderstandes (20) zu verbinden, so dass der zu messende Strom (45) durch den Messwiderstand (20) fließt und wobei ein zweiter Schalter (115') dazu eingerichtet ist, den Referenzstromkreis (55) mit dem Messanschluss (25) des Messwiderstandes (20) zu verbinden, so dass der Referenzstrom (65) durch den Messwiderstand (20) fließt.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schalter (115') dazu eingerichtet ist, auch die Referenzmesseinrichtung (70) mit dem Messwiderstand (20) zu verbinden, wenn der Referenzstromkreis (55) geschlossen ist und die Referenzmesseinrichtung (65) vom Messwiderstand (20) zu trennen, wenn der Referenzstromkreis (55) vom Messwiderstand (20) getrennt ist.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (30) einen dritten Schalter (115") aufweist, wobei der dritte Schalter (115") dazu eingerichtet ist, die Messeinrichtung (50) mit dem Messwiderstand (20) zu verbinden oder von diesem zu trennen.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach Anspruch nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein, an einem Anschluss (110) des Steuergerätes (100) angeschlossener Sensor (105), den zu messenden Strom (45) des Messstromkreises einspeist.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schalter (105) im Steuergerät zwischen einer Versorgungsspannungsquelle (120) für den Sensor und dem Anschluss (110) für den Sensor (105) angeordnet ist.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischem Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Konstantstromquelle (60) den Referenzstrom (65) des Referenzstromkreises einspeist.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Referenzspannungsquelle (120') in Reihenschaltung mit einem Referenzwiderstand (125) den Referenzstrom (65) des Referenzstromkreises einspeist.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwiderstand (125) eine geringere Initialtoleranz und einen geringeren Temperaturkoeffizienten als der Messwiderstand (20) aufweist.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (50) und die Referenzmesseinrichtung (70) durch jeweils einen eigenen Analog-/Digital-Wandler gebildet sind.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-/Digital-Wandler der Referenzmesseinrichtung (70) eine höhere Auflösung als der Analog-/Digital-Wandler der Messeinrichtung (50) hat.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach den Ansprüchen 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-/Digital-Wandler der Referenzmesseinrichtung (70), der Analog-/Digital-Wandler der Messeinrichtung (50) und die Schalter (115, 115') des Schaltmittels in einem Multifunktionsbaustein (130) des Steuergerätes (100) integriert sind.
Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierten Schalter (115, 115') des Schaltmittels des Multifunktionsbausteins (130) Analogmultiplexer sind.
Steuergerät mit einer Schaltung zur Erfassung einer Eingangsgröße nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrocontroller (140) des Steuergerätes (100) mittels eines Steuerprogrammes dazu eingerichtet ist, die Schaltvorrichtung (30), die Messeinrichtung (50) und die Referenzmesseinrichtung (70) zu steuern und einen Widerstandswert für den Messwiderstand (20) zu berechnen.
Verfahren zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit den Schritten: - Abschalten (150) des Messstromkreises (35), - Zuschalten (160) des Referenzstromkreises (55), - Referenzmessung (170) des Spannungsabfalls am Messwiderstand (20), - Berechnung (180) eines Referenzwertes des Messwiderstandes (20), - Abschalten (190) des Referenzstromkreises (55), - Zuschalten (200) des Messstromkreises (35), - Messen (210) des Spannungsabfalls am Messwiderstand (20) aufgrund des Messstromes (45), und - Berechnung (220) des Messstromes (45) durch den Messwiderstand (20) mit Hilfe des berechneten Referenzwertes für den Messwiderstand (20).
Verfahren zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt „Referenzmessung (170) des Spannungsabfalls am Messwiderstand (20)“ den Schritt - A/D-Wandlung mit der Referenzmesseinrichtung (70) umfasst, dass der Schritt „Berechnung (180) des Referenzwertes des Messwiderstandes (20)“ den nachfolgenden Schritt - Schreiben des Referenzwertes des Messwiderstandes (20) in einen Speicher des Steuergerätes (100) umfasst, dass der Schritt „Messen (210) des Spannungsabfalls am Messwiderstand (20) aufgrund des Messstromes (45)“ den Schritt - A/D-Wandlung mit der Messeinrichtung (50) umfasst, und dass der Schritt „Berechnung (220) des Stromes (45) durch den Messwiderstand (20) mit Hilfe des berechneten Referenzwertes für den Messwiderstand (20)“ den vorhergehenden Schritt - Lesen des Referenzwertes des Messwiderstandes (20) aus dem Speicher des Steuergerätes (100) umfasst.
Verfahren zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt „Abschalten (150) des Messstromkreises (35)“ die Schritte - Abschalten der Versorgungsspannungsquelle (120) des Sensors (105) und - Trennen der Messeinrichtung (50) vom Messwiderstand (20) umfasst, dass der Schritt „Zuschalten (160) des Referenzstromkreises (55) “ den Schritt - Verbinden der Referenzmesseinrichtung (70) mit dem Messwiderstand (20) umfasst, dass der Schritt „Abschalten (190) des Referenzstromkreises (55)“ den Schritt - Trennen der Referenzmesseinrichtung (70) vom Messwiderstand (20 umfasst, und dass der Schritt „Zuschalten (200) des Messstromkreises (35)“ die Schritte - Verbinden der Messeinrichtung (50) mit dem Messwiderstand (20) und - Einschalten der Versorgungsspannungsquelle (120) für den Sensor (105) umfasst.
Verfahren zur Erfassung einer Eingangsgröße in einem elektronischen Steuergerät nach einem der Ansprüche 17 bis Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die „Berechnung (180) eines Referenzwertes des Messwiderstandes (20)“ entsprechend einer Spannungsteilerregel erfolgt, wobei die Referenzspannung (120) am Gesamtwiderstand, sich ergebend aus der Reihenschaltung von bekanntem Referenzwiderstand (125) und unbekannten Messwiderstand (20), abfällt und die durch die Referenzmesseinrichtung (70) gemessene Spannung am unbekannten Messwiderstand (20) abfällt.
Computerprogramm, das den Mikrocontroller des Steuergeräts nach Anspruch 16 veranlasst, das Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis Anspruch 20 durchzuführen, wenn es auf dem Mikrocontroller ausgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 21.