DE102022101903A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung einer Messkette mit einem Sensor - Google Patents

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Überwachung einer Messkette mit einem Sensor zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst. Die Grundidee ist ein breitbandiges Testsignal zu verwenden. Dadurch kann der gesamte Frequenzbereich eines Sensors mit einem Testsignal abgedeckt werden. Es ist keine Umschaltung zwischen verschiedenen Testsignalen notwendig und die vorhandene Zeit für einen Diagnosedurchlauf kann optimal genutzt werden. Das breitbandige Testsignal erlaubt auch eine bessere Trennung des Testsignals und des Nutzsignals. Mittels des erfindungsgemäßen Ansatzes wird die Integrität einer AC-Strommessung erhöht. Damit kann die Überwachung eines DC-Stromsensors vereinfacht werden oder sogar ein Entfall des zusätzlichen DC-Stromsensors angestrebt werden. In beiden Fällen ist eine Kosteneinsparung möglich.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung einer Messkette mit einem Sensor mit den Merkmalen der Patentansprüche.
• Die Regelung von elektrischen Antrieben erfordert die Messung von Zustandsgrößen, wie Strom und Winkel sowie die Vorgabe einer Spannung mit einstellbarer Amplitude und Frequenz. Diese Spannung wird von einem dreiphasigen Wechselrichter mit Leistungsschaltern und Dioden gestellt. Um einen dreiphasigen elektrischen Antrieb, wie eine Asynchronmaschine oder Synchronmaschine, zu regeln, werden die Phasenströme durch zwei Transformationen in ein rotor- bzw. flussorientiertes Koordinatensystem transformiert. Durch die Nullstrombedingung der Sternschaltung sind nur noch zwei unabhängige Größen vorzugeben. Durch die beiden Transformationen sind diese im stationären Betrieb Gleichgrößen. Der Stromraumzeiger des elektrischen Antriebs unterteilt sich in die feldbildende und die drehmomentbildende Komponente. Für eine Asynchronmaschine, eine Synchronmaschine mit vergrabenen Magneten oder eine fremderregte Synchronmaschine wird das Drehmoment aus beiden Komponenten gebildet. Aus dem Sollmoment des elektrischen Antriebs werden, meist tabellenbasiert, die Sollwerte für feldbildende und drehmomentbildende Stromkomponenten berechnet.
• In Hinblick auf einen Einsatz von elektrischen Antrieben in straßenzugelassenen Fahrzeugen sind geeignete Überwachungsmaßnahmen zur Drehmomentregelung und -bildung einzuführen. Diese Überwachungsmaßnahmen werden branchenüblich entlang der Norm ISO26262 konzeptioniert, entwickelt und abgesichert.
• Typischerweise wird zur Überwachung der Drehmomentregelung und -bildung ein Vergleich zwischen Soll- und Ist-Moment auf einen Schwellenwert eingeführt. Dafür ist eine Berechnung des Ist-Moments anhand der Zustandsgrößen des elektrischen Antriebs notwendig.
• Das Ist-Moment wird im Stand der Technik über die Berechnung des Zwischenkreisstroms abgeschätzt. Hierfür kann entweder auf eine direkte Messung des Zwischenkreisstroms (DC-Strom) zurückgegriffen werden oder eine Berechnung des Zwischenkreisstroms ohne expliziten Sensor erfolgen. Bei idealem Wechselrichter ist die Berechnung des Zwischenkreisstroms i_WR durch die Multiplikation von Tastverhältnis u_Tast,i einer Phase und dem jeweiligen Phasenstrom i_S,i möglich, wie folgt: $${\text{i}}_{\text{WR}}={\text{u}}_{\text{Tast}\text{,1}}*{\text{i}}_{\text{S}\text{,1}}+{\text{u}}_{\text{Tast}\text{,2}}{\text{*i}}_{\text{S}\text{,2}}+{\text{u}}_{\text{Tast}\text{,3}}*{\text{i}}_{\text{S}\text{,3}}.$$

  
• Das ist zum Beispiel gemäß SCHRÖDER, D. (2015). Elektrische Antriebe - Regelung von Antriebssystemen, 4. Auflage. Springer Berlin Heidelberg bekannt.
• Hierbei wird der jeweilige Phasenstrom (AC-Strom) üblicherweise mit Hilfe einer Strommessstelle ermittelt, bestehend aus einem magnetisch hoch permeablen Ringkern, der die Stromleitung umschließt. Dieser bündelt das vom Strom erzeugte Magnetfeld und führt es durch einen Luftspalt im Kern. In letzterem kann mit Hilfe eines Hall-Sensors das Magnetfeld gemessen werden, das proportional zum Strom ist. Die von dem Hall-Sensor erzeugte Messspannung entspricht somit dem zu messenden Strom.
• Die Integrität dieser Messung in Hinblick auf die normativen Anforderungen der funktionalen Sicherheit ist üblicherweise durch das Wirkprinzip und die verwendeten einzelnen Komponenten innerhalb eines Hall-basierten Stromsensors nicht für eine Ein-Sensor-Lösung ausreichend. Es wird daher ein erhöhter technischer Aufwand notwendig, um die normativ geforderte Integrität zu erreichen. Um die geforderte Integrität sicherzustellen, ist die Erhöhung der Diagnoseabdeckung durch eine kontinuierliche Überwachung des Sensors notwendig.
• Gemäß dem Stand der Technik wird daher beispielsweise ein zusätzlicher DC-Stromsensor am DC-Zwischenkreis zum Zwecke der Korrelation unterschiedlicher Messprinzipien hinzugefügt.
• Aktuelle technische Umsetzungen bestehen weiterhin darin, einen Stromsensor vor und/oder während des Betriebes mit Diagnosemaßnahmen auf seine Funktionsfähigkeit zu überprüfen. Zum Beispiel gemäß der EP 2 513 655 B1 ist es bekannt, ein schmalbandiges Testsignal in das Magnetfeld des Ringkerns eines Stromsensors einzuspeisen, das hinterher am Ausgangssignal des Sensors ausgewertet wird. So wird die dahinterliegende Messkette getestet.
• Das schmalbandige Testsignal deckt nur einen kleinen Frequenzbereich des Sensors ab. Es müssen viele schmalbandige Testsignale verwendet werden, um z. B. den Frequenzbereich (z.B. 0 Hz bis 5 kHz) eines Phasenstromsensors abzudecken. Der Zeitraum, um alle schmalbandigen Testsignale aufzuschalten und auszuwerten, kann größer als die Fehlertoleranzzeit des Sicherheitsziels sein und damit zu lange dauern.
• Im Betrieb ist das schmalbandige Signal außerdem schlecht von dem schmalbandigen Nutzsignal der Anwendung, hier die Grundschwingung der insbesondere zu betreibenden elektrischen Maschine, zu unterscheiden. Durch die Superposition von Testsignal und Nutzsignal sind die Effekte nicht mehr klar trennbar. Eine Trennung kann erst erfolgen, wenn entweder das Nutzsignal oder das Testsignal mit weiteren Sensoren gemessen wird.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Überwachung einer Messkette mit einem Sensor zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen gelöst.
• Die Grundidee ist ein breitbandiges Testsignal zu verwenden. Dadurch kann der gesamte Frequenzbereich eines Sensors mit einem Testsignal abgedeckt werden. Es ist keine Umschaltung zwischen verschiedenen Testsignalen notwendig und die vorhandene Zeit für einen Diagnosedurchlauf kann optimal genutzt werden. Das breitbandige Testsignal erlaubt auch eine bessere Trennung des Testsignals und des Nutzsignals.
• Mittels des erfindungsgemäßen Ansatzes wird die Integrität einer AC-Strommessung erhöht. Damit kann die Überwachung eines DC-Stromsensors vereinfacht werden oder sogar ein Entfall des zusätzlichen DC-Stromsensors angestrebt werden. In beiden Fällen ist eine Kosteneinsparung möglich.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
• Wie in 1 dargestellt, umfasst ein mechatronisches System neben einem elektrischen Energiespeicher 1, beispielsweise in Form einer Hochvoltbatterie, einen Stromrichter bzw. Konverter 2 sowie eine elektrische Maschine 3. Der Konverter 2 ist insbesondere als B6-Brücken-Wechselrichter ausgeführt, wie zum Beispiel in der DE 10 2018 123 530 A1 oder DE 10 2017 117 364 A1 offenbart ist. Bei der elektrischen Maschine 3 handelt es sich zum Beispiel um eine permanenterregte Synchronmaschine mit drei Phasen. Das mechatronische System nach 1 dient bevorzugt dem Antrieb eines Fahrzeuges. Die Steuerung bzw. Regelung der elektrischen Maschine 3 erfolgt mittels eines Mikrocontrollers 4, d. h. einer geeigneten Ansteuerlogik bzw. Gate-Treibern, wie allgemein bekannt, insbesondere in Verbindung mit einem Pulsweiten-Modulator der pulsweitenmodulierte (PWM-)Signale bereitstellt bzw. erzeugt. Der Aufbau und die Wirkungsweise eines solchen Pulsweiten-Modulators ist dem Fachmann bekannt. Jedenfalls werden mittels des Pulsweiten-Modulators sechs PWM-Signale bereitstellt, so dass eine Betätigung der sechs Leistungshalbleiter des Stromrichters 2 derart erfolgt, dass eine einstellbare Höhe und Frequenz der Phasenpotentiale bzw. Phasenspannungen ermöglicht wird und sich entsprechende Phasenströme ergeben.
• Wie in 1 gezeigt, werden die Phasenströme zum Zweck einer Regelung, so wie sie allgemein gemäß dem Stand der Technik bekannt ist, rückgeführt. Dabei werden jeweils die Phasenströme mittels geeigneter Strommessstellen, d. h. Stromsensoren 5, erfasst. Diese Stromsensoren 5 bestehen aus einem magnetisch hoch permeablen Ringkern, der die jeweilige Phase/Stromleitung umschließt. Dieser bündelt das vom Strom erzeugte Magnetfeld und führt es durch einen Luftspalt im Kern. In letzterem kann mit Hilfe eines Hall-Sensors das Magnetfeld gemessen werden, das proportional zum Strom ist. Die von dem Hall-Sensor erzeugte Messspannung entspricht somit dem zu messenden Strom, siehe schematische Darstellung in 2 gemäß der EP 2 513 655 B1 . Selbstverständlich können auch die Phasenspannungen entsprechend gemessen und rückgeführt bzw. erfasst werden. Somit stehen Informationen bereit, welche jeweils die Phasenspannung bzw. den Phasenstrom repräsentieren. Diese Informationen werden der Ansteuerlogik 4 bzw. dem Pulsweiten-Modulator zur Bildung der PWM-Signale bzw. der Tastverhältnisse der jeweiligen Phase zugeführt. Gemäß 1 werden die mittels der Stromsensoren 5 erfassten Informationen bzw. Signale bezüglich der Phasenströme einer analogen Signalverarbeitung 6 unterzogen, insbesondere einer Verstärkung (OPV), und dann mittels eines Analog-Digital-Umsetzers 7 (ADU) digitalisiert, für eine Weiterverarbeitung mittels des Mikrocontrollers 4. In 1 ist beispielhaft nur ein Stromsensor 5 gezeigt, bevorzugt ist für jede der drei Phasen ein Stromsensor 5 vorgesehen, wobei jeder einzelne Stromsensor 5 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht wird.
• Zusammengefasst erfordert die Regelung von elektrischen Antrieben die Messung von Zustandsgrößen, wie Strom und (mechanischem Dreh-) Winkel (in 1 nicht gezeigt) sowie die Vorgabe einer Spannung mit einstellbarer Amplitude und Frequenz.
• Ein Watchdog 8 überwacht die korrekte Funktionsweise des Mikrocontrollers 4 z. B. anhand von Speicher-/Rechenwerk-Tests und kann bei fehlgeschlagenen Diagnosen die Freigabe der Leistungselektronik 2 entziehen. Dieser Watchdog 8 wird erfindungsgemäß weiterhin dazu genutzt, ein Testsignal zu erzeugen und durch die Schnittstelle zum Mikrocontroller 4 zu überprüfen, siehe Doppelpfeil in 1, ob die Antwort der Messkette auf das Testsignal korrekt ist. Der unabhängige Abschaltpfad ermöglicht eine redundante Abschaltung im Fehlerfall der Messkette. Die Messkette umfasst dabei die Stromsensoren 5, die analoge Signalverarbeitung 6 bzw. Verstärkung und den Analog-Digital-Umsetzer 7 (ADU) sowie die jeweiligen Leitungsverbindungen.
• Das breitbandige Testsignal wird mit einem Rauschgenerator 9 erzeugt, der insbesondere Bestandteil des Watchdog 8 ist. Gemäß dem Stand der Technik sind binäre Rauschgeneratoren mit geringem Implementierungsaufwand wie z. B. PRBS (Pseudorandom binary sequence) bekannt. Das Verfahren ist zum Beispiel in Isermann, Rolf: Identifikation dynamischer Systeme, 2. Auflage, Seite 178ff. beschrieben. Eine Treiberstufe 10 mit insbesondere angeschlossener Zusatzwicklung prägt dieses Testsignal als realen Strom in den zu überwachenden Sensor 5 ein. Im Mikrocontroller 4 erfolgt die Signalverarbeitung der Strommesswerte. Zur Auswertung der Testsignale sind Normen von Signalen, zum Beispiel bekannt aus Müller, Kai: Entwurf robuster Regelungen, Seite 101ff. hilfreich, da diese einen Signalverlauf, wie er durch die Anregung mit einem Testsignal entsteht, auf eine reelle, positive Zahl abbilden. Diese Zahl wird bevorzugt als Kennzahl für den Signalverlauf verwendet und kann deutlich einfacher zwischen Mikrocontroller 4 und Watchdog 8 ausgetauscht werden, als ein ganzer Signalverlauf. Insbesondere die 2-Norm ist hierbei von Interesse, welche den Energieinhalt ||u||₂ eines Signals u(t) repräsentiert: $${\Vert \text{u}\Vert }_2:=\sqrt{{\displaystyle {\int }_{-\infty }^{+\infty }u{\left(t\right)}^2}dt}.$$

  
• Im Weiteren wird nun das breitbandige Testsignal in den zu überwachenden Stromsensor 5 eingeprägt. Im konkreten Fall bedeutet es, dass die Treiberstufe 10 das elektrisch verstärkte Testsignal auf eine Wicklung um den Ringkern des Stromsensors 5 treibt. Auf diese Weise wird der gleiche Wirkmechanismus (Leiter im Ringkern) des Nutzsignals genutzt.
• Im Folgenden wird die gesamte Messkette mit Sensor(en) 5, elektrischen Leitungsverbindungen, insbesondere vorhandener analoger Signalverarbeitung 6 und insbesondere vorhandener Analog-Digital-Umsetzung 7 betrachtet.
• Das Ziel der Testsignaleinprägung ist eine funktionale Überwachung einer Messkette, d. h. Ziel ist es, insbesondere zufällige Hardware-Fehler der Messkette zu entdecken und die Integrität der Strommessung zu erhöhen. Das hier vorgeschlagene Diagnoseverfahren adressiert die in der Norm ISO26262 aufgeführten Fehlermodi, wobei das Diagnose-/Überwachungsverfahren in zwei Phasen unterschiedlich bzw. individuell angewendet wird, nämlich in einer ersten Phase während des Aufstartens bzw. Hochfahrens des Mikrocontrollers 4, d. h. des Steuergerätes, also zeitlich vor einem Betrieb und in einer zweiten Phase während des Betriebs des Mikrocontrollers 4 bzw. des zu grundliegenden mechatronischen Systems, insbesondere Antriebssystems.
• In der ersten Phase, d. h. vor oder zum Aufstart des Mikrocontrollers 4, also vor oder während des Hochfahrens, wenn sich das System bzw. das Steuergerät in Ruhe befindet und keine Ströme durch die Phasen bzw. die von den Stromsensoren 5 umschlossenen Leiter fließen, was durch eine geeignete Betriebsstrategie sichergestellt werden kann, wird mittels des Watchdog 8 bzw. des Rauschgenerators 9 kein Testsignal erzeugt bzw. ausgegeben bzw. kein Testsignal in den jeweils zu überwachenden Sensor 5 eingeprägt. Der Analog-Digital-Umsetzer 7 wird jedoch getaktet, d. h. ist in Betrieb, so wie in der zweiten Phase, und es erfolgt (lediglich) eine Messung des Rauschens der Messkette. Es wird nun eine Norm der Messwerte bestimmt. Damit wird der Effekt/die Charakteristik der Messkette im Ruhezustand bewertet. Zum Beispiel kann die Eigenrauschenergie berechnet werden, in dem die 2-Norm (Effektivwert) der Messwerte berechnet wird. Nun wird, insbesondere mittels des Watchdog 8, das Testsignal aktiviert und die Messkette wird breitbandig mit einem definierten (Frequenz-)Spektrum (PRBS) angeregt sowie das sich ergebende Rauschen (Summe aus Eigenrauschen und durch das Testsignal bedingtes Rauschen) gemessen. Mittels des Mikrocontrollers 4 wird anhand der Messwerte eine Norm berechnet, z. B. die 2-Norm. Anschließend wird die Norm, die aus dem, d. h. bei dem Ruhezustand der Messkette bestimmt wurde, hiervon subtrahiert. Damit ergibt sich die Ist-Norm bzw. Ist-Kennzahl. Abschließend wird die Ist-Kennzahl mit einer Soll-Kennzahl verglichen bzw. dieser gegenübergestellt und anhand eines Schwellenwertes oder mehrerer Schwellenwerte entschieden, ob eine fehlerhafte oder fehlerfreie Messkette vorliegt, wobei insbesondere eine Differenz zwischen Ist-Kennzahl und Soll-Kennzahl gebildet und weiterverarbeitet wird. D. h. eine Überwachung der Messkette bedeutet insbesondere, dass eine Entscheidung erfolgt, ob die Messkette fehlerhaft oder fehlerfrei ist.
• Zum Beispiel wird, insbesondere im Rahmen der Entwicklung des mechatronischen Systems bzw. bei dessen Kalibrierung, eine obere und untere Schranke bzw. Schwelle bezüglich einer Abweichung der Ist-Kennzahl von der Soll-Kennzahl ermittelt. Dazu werden alle möglichen Einfachfehler der Komponenten betrachtet, in dem die Ausfallmodi einzeln angesetzt werden und in Simulation die Abweichung der Ist-Kennzahl von der Soll-Kennzahl für jeden einzelnen Ausfallmodi bestimmt wird. Danach wird das Ganze für Zweifach-Fehler wiederholt. Diese Vorgehensweise ist nach der ISO26262 im Rahmen einer Sicherheitsanalyse auch ohne diese Diagnose vorgeschrieben. Nach der ISO26262 gelten unabhängige Dreifach-Fehler als sicher, daher kann nach den Zweifach-Fehlern die Analyse abgebrochen werden. Aus den Abweichungen wird die betragsmäßig minimale Abweichung in positive und negative Richtung bestimmt und zum Beispiel der Schwellenwert für einen erkannten Fehler auf die betragsmäßig halbe minimale Abweichung festgelegt.
• Die Soll-Kennzahl wird erfindungsgemäß ebenfalls im Rahmen der Entwicklung des mechatronischen Systems bzw. bei dessen Kalibrierung bestimmt. Diese Bestimmung erfolgt also einmalig bzw. nur einmal. Dabei wird entweder mittels einer Simulation oder im Rahmen eines Experiments bestimmt bzw. ermittelt, wieviel Energie über eine fehlerfreie bzw. intakte Messkette (die natürlich ansonsten, d. h. insbesondere hinsichtlich des Aufbaus bzw. der Struktur bzw. der Anzahl der verwendeten Bauteile der zu überwachenden Messkette entspricht) aufgrund der Anregung mittels des bzw. eines Testsignals übertragen wird. D. h. es erfolgt eine Ermittlung bzw. Berechnung des Rauschens bzw. des Antwortverhaltens, also der Antwort der fehlerfreien bzw. intakten Messkette, entweder auf dem Wege einer Simulation oder auf dem Wege eines Experiments bzw. realen Versuches. Für den Fall der Simulation muss eine Übertragungsfunktion der Messkette ermittelt werden, welche die Bauteilparameter der Messkette enthält bzw. repräsentiert. Dies ist gemäß dem Stand der Technik möglich. Dann kann diese Simulation auch noch mit einem Versuch abgesichert werden, um festzustellen, ob die Simulation bzw. Modellierung eine ausreichende Güte aufweist. Aus den Messwerten wird jeweils die Norm, insbesondere die 2-Norm, berechnet, um eine Kennzahl zu gewinnen. Damit steht jetzt die Sollrauschenergie bzw. Soll-Kennzahl der Norm fest.
• Das übergreifende Thema ist folglich die Erzeugung eines Testsignals, insbesondere eines weißen Rauschens, sowie die Anregung und Auswertung der Antwort der Messkette.
• Mit anderen Worten erfolgt in der ersten Phase:
1. a) eine Bestimmung bzw. Messung des vorhandenen Rauschens bzw. Eigenrauschens der zu überwachenden Messkette, d. h. ohne dass eine Anregung der Messkette mit einem Testsignal erfolgt, wobei insbesondere eine Bestimmung bzw. eine Berechnung der Energie des Rauschens, d. h. der Energie des Rauschsignals erfolgt, beispielsweise durch Berechnung einer Norm, insbesondere der 2-Norm, so dass eine Aussage betreffend die Eigenrauschenergie der Messkette bereitsteht,
2. b) eine Anregung bzw. Beaufschlagung der zu überwachenden Messkette mit einem breitbandigen Testsignal (PRBS bzw. „weißes Rauschen“) mit einer gewissen Energie und Messung des sich somit ergebenden Rauschens und Berechnung anhand der ermittelten Messwerte, wieviel Energie durch die Rauschanregung in der Messkette erzeugt wird bzw. Berechnung einer Norm, insbesondere der 2-Norm anhand der ermittelten Messwerte,
3. c) ein Subtrahieren bzw. Abziehen der Eigenrauschenergie gemäß a) von der gemäß b) bestimmten Energie in Verbindung mit einer Rauschanregung, derart bzw. sodass eine Ist-Kennzahl bzw. Ist-Norm für eine weitere Bearbeitung bereitsteht,
4. d) eine Bestimmung bzw. Ermittlung einer Soll-Kennzahl bzw. Soll-Norm im Rahmen der Entwicklung des mechatronischen Systems bzw. bei dessen Kalibrierung, wobei anhand einer Übertragungsfunktion der fehlerfreien Messkette eine Berechnung erfolgt, wieviel Energie bei einer bestimmten Anregung mittels eines Testsignals (insbesondere natürlich des Testsignals gemäß b) bzw. einem übereinstimmenden bzw. einem hinreichend identischen Testsignal) theoretisch über die (fehlerfreie) Messkette übertragen wird, wobei diese Simulation ggf. auch mittels Versuchen abgeglichen wird, alternativ kann anstelle der Simulation bzw. Berechnung auch anhand eines Experiments diese Ermittlung erfolgen, also die Ermittlung des Rauschens der (fehlerfreien) Messkette, das sich infolge einer Anregung der fehlerfreien Messkette mit dem Testsignal gemäß b) ergibt bzw. es kann alternativ anhand eines Experiments eine Ermittlung der Soll-Kennzahl, Soll-Norm bzw. Energie erfolgen, wobei bei dem Experiment eben ermittelt wird, wieviel Energie bei einer bestimmten Anregung mittels eines Testsignals über die reale fehlerfreie Messtrecke übertragen wird,
5. e) ein Vergleich von Ist-Kennzahl und Soll-Kennzahl, wobei insbesondere eine Differenz zwischen Ist-Kennzahl und Soll-Kennzahl im weiteren Verlauf betrachtet wird, wobei wenn die Differenz zu groß ist bzw. einen oder mehrere Schwellenwert(e) über- bzw. unterschreitet, eine Überwachung der Messkette insofern erfolgt, als eine (Fehler-)Reaktion erfolgt, insbesondere ein Abschalten des mechatronischen Systems in einen sicheren Zustand.
• Die maximal erlaubte Differenz gemäß e) wird je nach Anwendung aus den Sicherheitszielen und den möglichen Ausfallmodi der Bauelemente bestimmt.
• Noch detaillierter formuliert erfolgt in der ersten Phase:
1. 1.) eine Bestimmung einer ersten Rauschenergie der zu überwachenden Messkette, wobei kein zu messender Strom durch den Leiter fließt, welchem der zu überwachende Stromsensor 5 zugeordnet ist und keine Anregung der Messkette mittels eines Testsignals erfolgt, d. h. es erfolgt eine Bestimmung des so genannten Grundrauschens bzw. elektronischen Rauschens oder Eigenrauschens der Messkette, also des Rauschens der Messkette, das durch die elektrischen Bauelemente bedingt ist bzw. erzeugt wird, sowie aufbauend darauf, die Bestimmung der ersten Rauschenergie der zu überwachenden Messkette,
2. 2.) eine Bestimmung einer zweiten Rauschenergie der zu überwachenden Messkette, wobei kein zu messender Strom durch den Leiter fließt, welchem der zu überwachende Stromsensor 5 zugeordnet ist und eine Anregung der Messkette mittels eines Testsignals erfolgt, d. h. es erfolgt eine Bestimmung eines Rauschens der Messkette infolge einer Anregung der Messkette mittels eines Testsignals sowie aufbauend darauf, die Bestimmung der zweiten Rauschenergie der zu überwachenden Messkette,
3. 3.) eine Bestimmung einer dritten Rauschenergie der zu überwachenden Messkette, wobei eine Korrektur der zweiten Rauschenergie der Messkette in Abhängigkeit der ersten Rauschenergie der Messkette erfolgt, d. h. es erfolgt ein Vermindern der zweiten Rauschenergie der Messkette um den Anteil gemäß der ersten Rauschenergie,
4. 4.) eine Bestimmung bzw. Ermittlung einer vierten Rauschenergie der (fehlerfreien) Messkette anhand einer Simulation, wobei bestimmt wird, wieviel Energie über eine mittels einer Übertragungsfunktion abgebildete (fehlerfreie) Messkette bei einer Anregung der (fehlerfreien) Messkette mittels eines Testsignals (wie gemäß 2.)) übertragen wird, wobei bei dieser Simulation angenommen wird, dass kein zu messender Strom durch den Leiter fließt, welchem der zu überwachende Stromsensor 5 zugeordnet ist, alternativ kann anstelle der Simulation bzw. Berechnung auch anhand eines Experiments diese Ermittlung erfolgen, also die Ermittlung der vierten Rauschenergie, wie auch oben zu d) im Detail beschrieben ist,
5. 5.) ein Vergleich/eine Gegenüberstellung der dritten und der vierten Rauschenergie, d. h. es erfolgt eine Quantifizierung einer möglichen Abweichung zwischen der dritten und der vierten Rauschenergie,
6. 6.) ein Ableiten einer Schlussfolgerung aus dem Vergleich/der Gegenüberstellung der dritten und der vierten Rauschenergie, d. h. es erfolgt in Abhängigkeit dieses Vergleichs/dieser Gegenüberstellung eine Überwachung der Messkette und insbesondere weiterhin eine adäquate Reaktion, z. B. eine Freigabe für einen Betrieb oder Weiterbetrieb des Systems oder eben eine Fehlerreaktion, insbesondere ein Abschalten des mechatronischen Systems in einen sicheren Zustand.
• Aus der Rauschenergie, d. h. der ersten, zweiten, dritten und vierten Rauschenergie, wird bevorzugt jeweils eine Kennzahl abgeleitet. Diese Kennzahl wird für die Korrektur gemäß 3.) und den Vergleich gemäß 5.) verwendet. Die Kennzahl entspricht dabei insbesondere einer Signal-Norm. Die Kennzahl entspricht bevorzugt der 1-Norm oder der 2-Norm.
• Hinsichtlich des Testsignals sei nochmals hervorgehoben, dass es sich dabei insbesondere um eine Pseudorandom Binary Sequence (PRBS) handelt, d. h. ein binäres Signal, das das Spektrum von weißem Rauschen approximiert. Wie bekannt, kann das mittels eines deterministischen Zufallsgenerators erzeugt werden.
• Bezüglich der schon erwähnten Norm ISO26262 sei noch hinzugefügt, dass dort beschrieben ist, dass Hardware-Elemente, wie ein Schalter/ein Widerstand, bestimmte Ausfallmodi („Failure modes“) aufweisen, wie z. B. „dauerhaft offen“, „dauerhaft geschlossen“ oder „Drift des Widerstands um 50%/200%“. Diese Ausfallmodi sollen durch die hier beschriebene Diagnose entdeckt werden.
• In der zweiten Phase, d. h. nach dem Aufstart des Mikrocontrollers 4, also nach dem Hochfahren, wenn sich das System bzw. das Steuergerät nicht mehr in Ruhe befindet und Ströme durch die Phasen bzw. die von den Stromsensoren 5 umschlossenen Leiter fließen, mit anderen Worten während des Betriebs des Mikrocontrollers 4 bzw. des zu grundliegenden mechatronischen Systems bzw. des Steuergerätes, überlagern sich, wie gemäß dem Stand der Technik bekannt, das Test- und Nutzsignal. Dies ist in der 2 vereinfacht dargestellt. Ein Phasenstrom mit ausgeprägten Harmonischen H ist einem breitbandigen Testsignal T überlagert.
• Der Vorteil einer breitbandigen Anregung ist es erfindungsgemäß, dass sie besser von dem schmalbandigen Nutzsignal unterscheidbar ist, als wenn im Gegensatz sowohl Testsignal als auch Nutzsignal schmalbandig wären. Eine breitbandige Anregung verteilt das Testsignal über alle Teilfrequenzbereiche, also auch die des Nutzsignals. Pro Teilfrequenzbereich wird jedoch nur mit einem kleinen Betrag angeregt.
• Im Unterschied zum Verfahren vor bzw. während des Aufstartens (erste Phase) wird das Testsignal nun gepulst, was durch eine geeignete Betriebsstrategie sichergestellt werden kann, d. h. es wird in einem ersten Zeitraum mittels des Watchdog 8 bzw. des Rauschgenerators 9 ein breitbandiges Testsignal (PRBS, „weißes Rauschen“) erzeugt bzw. ausgegeben bzw. ein Testsignal in den jeweils zu überwachenden Sensor 5 eingeprägt, so dass sich Testsignal und Nutzsignal, also das Testsignal und die mittels des zu überwachenden Sensoren 5 erfassten Informationen bzw. Signale bezüglich der Phasenströme/-spannungen (und natürlich auch das Eigenrauschen der Messkette) überlagern, wobei das sich ergebende Rauschen (in Summe) gemessen wird. In einem zweiten Zeitraum wird jedoch mittels des Watchdog 8 bzw. des Rauschgenerators 9 kein Testsignal erzeugt bzw. ausgegeben bzw. kein Testsignal in den jeweils zu überwachenden Sensor 5 eingeprägt, so dass nur das Nutzsignal, genauer die Summe aus Nutzsignal und Rauschen bzw. Eigenrauschen der Messkette, vorliegt, welche/s gemessen wird.
• Der erste Zeitraum und der zweite Zeitraum folgen bevorzugt unmittelbar aufeinander bzw. liegen zeitlich nah beieinander.
• Um die Charakteristik der Messkette im Betriebszustand, d. h. in der zweiten Phase zu bewerten (als Grundlage für eine Überwachung der Messkette), wird im weiteren Verlauf insbesondere die Rauschenergie, bevorzugt repräsentiert durch eine Norm bzw. Kennzahl, beispielsweise die 2-Norm, wie schon im Zusammenhang mit der ersten Phase beschrieben wurde (siehe oben), während des ersten und des zweiten Zeitraums bestimmt bzw. berechnet.
• Dabei wird in Bezug auf den ersten und zweiten Zeitraum jeweils eine Ist-Norm bzw. Ist-Kennzahl ermittelt, wie im Zusammenhang mit der ersten Phase (siehe oben) beschrieben, nämlich indem die Norm bzw. Kennzahl, die bei dem Ruhezustand der zu überwachenden Messkette bestimmt wurde (siehe Punkt a.) oder 1.) oben), von der Norm bzw. Kennzahl subtrahiert wird, welche sich jeweils im ersten und zweiten Zeitraum aus dem Testsignal, dem Nutzsignal und dem Eigenrauschen ergibt (erster Zeitraum) und dem Nutzsignal und dem Eigenrauschen (zweiter Zeitraum) ergibt bzw. in diesem Zusammenhang gemessen bzw. berechnet wurde.
• Im noch weiteren Verlauf wird die Ist-Norm bzw. Ist-Kennzahl betreffend den zweiten Zeitraum von dem der Ist-Norm bzw. Ist-Kennzahl betreffend den ersten Zeitraum subtrahiert, so dass das Nutzsignal bzw. der Einfluss des Nutzsignals eliminiert wird. Folglich repräsentiert die verbleibende Ist-Norm bzw. Ist-Kennzahl nur noch den Einfluss des Testsignals auf die zu überwachende Messkette.
• Weiterhin wird gemäß dem oben beschriebenen Verfahren betreffend die erste Phase verfahren, nämlich es erfolgt wie gemäß d) eine Bestimmung einer Soll-Kennzahl bzw. Soll-Norm bzw. wie gemäß 4.) eine Bestimmung einer vierten Rauschenergie der (fehlerfreien) Messkette anhand einer Simulation oder einem Experiment.
• So verhält es sich auch mit den Schritten e) oder 5.) und 6.) des Verfahrens betreffend die erste Phase, d. h. auch diese werden in der zweiten Phase durchgeführt. Demnach erfolgt auch in der zweiten Phase
• - gemäß e) ein Vergleich von Ist-Kennzahl und Soll-Kennzahl, wobei insbesondere eine Differenz zwischen Ist-Kennzahl und Soll-Kennzahl im weiteren Verlauf betrachtet wird,
wobei wenn die Differenz zu groß ist bzw. Schwellenwerte über- bzw. unterschreitet, eine (Fehler)-Reaktion erfolgt,
• - gemäß 5.) und 6.) ein Vergleich der dritten und der vierten Rauschenergie sowie ein Ableiten einer Schlussfolgerung aus dem Vergleich.
• D. h. Schritt a) bzw. 1.) ist Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens in der ersten und auch in der zweiten Phase.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird im weiteren Verlauf anhand eines Beispiels bzw. einer Fehlersimulation demonstriert. Dafür wird ein vereinfachtes Modell der Messkette, ein Tiefpass Verhalten 1. Ordnung, gewählt. Dieses wird, wie in der 3 vereinfacht dargestellt, als RC-Glied mit der Übertragungsfunktion G(s) = 1/(1+ RC*s) implementiert.
• In einer Matlab-Simulation wird ein Rauschsignal als Anregung erzeugt. Dieses Testsignal wird parallel auf zwei verschiedene Strecken geschaltet. Die intakte Originalstrecke mit R und C sowie die defekte Strecke mit dem Ausfallmodus „Drift des Widerstands R um einen Faktor 2“ und der folgenden Übertragungsfunktion Gdef(s) = 1/(1+ 2*RC*s).
• Somit ergeben sich infolge des Testsignals Antworten der intakten und der defekten Strecke, wobei sich im Zeitbereich (nicht gezeigt) das veränderte Verhalten der defekten Strecke gegenüber der Originalstrecke in Form von geringeren Amplituden zeigt.
• Die 4 zeigt verschiedene Normen der Anregung und der beiden Antwortsignale. Hier ist ein klarer Unterschied in allen drei Normen zwischen Original- und defekter Strecke erkennbar. In diesem einfachen Beispiel könnte jede Norm verwendet werden. In einem realen Beispiel müssen alle Ausfallmodi betrachtet werden und dann die Norm mit der besten Selektivität ausgesucht werden. Zudem muss beachtet werden, dass je höher die Norm, desto höher der Rechenaufwand. Daher sollte die Ordnung der Norm immer möglichst klein gewählt werden.
• Der im Folgenden beschriebene Ansatz ist eine Erweiterung, welcher für das erfindungsgemäße Verfahren mit Testsignaleinprägung nicht notwendig ist, reduziert allerdings die Auswirkungen der Testsignaleinprägung auf die Nutzfunktionen wie Stromregelung. Ein PRBS Rauschgenerator erzeugt ein wiederholbares Rauschsignal. Das kann ausgenutzt werden, um das aufgeschaltete Nutzsignal für nachgelagerte QM-Funktionen (wie eine Stromregelung) wieder zu entfernen, damit der Signal-zu-Rauschabstand durch das Testsignal möglichst wenig verändert wird. Dazu wird im Mikrocontroller 4 der gleiche PRBS-Generator (kein Bezugszeichen) implementiert und die Phasenlage zwischen PRBS-Generator 9 im Watchdog 8 und im Mikrocontroller 4 angeglichen. Das Ausgangssignal des PRBS-Generators (kein Bezugszeichen) im Mikrocontroller 4 wird auf ein Filter mit den gleichen dynamischen und stationären Eigenschaften wie die der Gesamtstrecke aus Testsignalverstärkung und Messkette gegeben. Das auf diese Weise im Mikrocontroller erzeugte Signal entspricht im Idealfall der Testsignalanregung. Daher kann durch eine Subtraktion das Testsignal für nachgelagerte Funktionen wieder entfernt werden. Kleine Fehler in der Phase zwischen den beiden Testsignalen können durch eine entsprechend kurze Mittelwertbildung ausgeglichen werden.
• 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
• EP 2513655 B1 [0010, 0019]
• DE 102018123530 A1 [0018]
• DE 102017117364 A1 [0018]

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung einer Messkette mit einem Sensor, wobei a) eine Messung des Rauschens der Messkette erfolgt, das ohne eine Anregung der Messkette mit einem Testsignal vorhanden ist, b) eine Messung des Rauschens der Messkette erfolgt, das sich infolge einer Anregung der Messkette mit einem Testsignal ergibt, c) das gemessene Rauschen gemäß b) um das gemessene Rauschen gemäß a) vermindert wird, d) eine Ermittlung des Rauschens einer fehlerfreien Messkette erfolgt, das sich infolge einer Anregung der fehlerfreien Messkette mit dem Testsignal gemäß b) ergibt, e) eine Gegenüberstellung des Rauschens gemäß c) mit dem Rauschen gemäß d) erfolgt, f) die Überwachung der Messkette in Abhängigkeit der Gegenüberstellung gemäß e) erfolgt.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die Messkette den Sensor, elektrische Leitungsverbindungen, Mittel zur analogen Signalverarbeitung und Mittel zur Analog-Digital-Umsetzung umfasst.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei der Sensor ein Stromsensor ist.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 3, wobei das Testsignal ein binäres Signal ist, das das Spektrum von weißem Rauschen approximiert.
5. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 4, wobei anhand der Messungen gemäß a) und b) sowie der Ermittlung gemäß d) Kennzahlen abgeleitet werden, wobei die Kennzahlen Normen von Signalen sein können.
6. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 5, wobei die Ermittlung des Rauschens gemäß d) mittels einer Simulation anhand einer Übertragungsfunktion der fehlerfreien Messkette erfolgt, welche die Bauteilparameter der fehlerfreien Messkette repräsentiert oder mittels eines Experiments erfolgt.
7. Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 6, wobei die Messkette Bestandteil eines mechatronischen Systems ist.
8. Verfahren nach Patentanspruch 7, wobei die Überwachung der Messkette entweder - zeitlich vor einem Betrieb des mechatronischen Systems erfolgt, wobei keine Überlagerung des Testsignals mit einem Nutzsignal vorliegt oder - während des Betriebs des mechatronischen Systems erfolgt, wobei eine Überlagerung des Testsignals mit einem Nutzsignal vorliegt, wobei das Testsignal gepulst wird, wobei in einem ersten Zeitraum eine Anregung der Messkette mit einem Testsignal erfolgt, so dass sich das Testsignal, das Rauschen gemäß a) und das Nutzsignal überlagern, wobei eine Messung dieses ersten Rauschens der Messkette erfolgt, das sich infolge dieser Überlagerung ergibt, wobei in einem zweiten Zeitraum keine Anregung der Messkette mit einem Testsignal erfolgt, so dass sich nur das Rauschen gemäß a) und das Nutzsignal überlagern, wobei eine Messung dieses zweiten Rauschens der Messkette erfolgt, wobei das erste Rauschen und das zweite Rauschen jeweils um das gemessene Rauschen gemäß a) vermindert werden, wobei im weiteren Verlauf zudem das erste Rauschen um das zweite Rauschen vermindert wird, so dass das Nutzsignal eliminiert wird und eine Gegenüberstellung des daraus resultierenden Rauschens mit dem Rauschen gemäß d) sowie eine Überwachung der Messkette in Abhängigkeit dieser Gegenüberstellung erfolgt.
9. Verfahren nach Patentanspruch 7 oder 8, wobei die Überwachung der Messkette insofern vorgenommen wird, als eine Reaktion erfolgt, wobei ein Abschalten des mechatronischen Systems in einen sicheren Zustand oder eine Freigabe für einen Betrieb oder Weiterbetrieb eines mechatronischen Systems erfolgen kann.
10. Vorrichtung, die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen, wobei die Vorrichtung Bestandteil eines Fahrzeuges sein kann.

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