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Technisches
Gebiet
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Die Vielzahl von spezifischen Teilsystemen im
Kraftfahrzeug hinsichtlich Funktionssicherheit und Umweltverträglichkeit
werden durch hochentwickelte Steuergeräte gesteuert. Mit Sensoren
erfasste Führungs-
und Regelgrößen werden
im Steuergerät
in die zur Ansteuerung der Aktoren erforderlichen Signale umgesetzt.
Die Eingangssignale können
analog (z. B. Spannungsverlauf am Drucksensor), digital (z. B. Schalterstellung)
oder pulsförmig
sein d. h. der Informationsgehalt im zeitlichen Auftreten z. B.
eines Drehzahlsignales liegen. Die Verarbeitung dieser Signale erfolgt
im Steuergerät
nach entsprechender Aufbereitung (Filterung, Verstärkung, Impulsformung)
und Wandlung (analog/digital und umgekehrt) heute überwiegend
mit Methoden der digitalen Signalverarbeitung.
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Stand der Technik
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Aus der Veröffentlichung "Kraftfahrtechnisches
Taschenbuch 23. Auflage, Kapitel Datenverarbeitung und Kraftfahrzeug,
Seite 172, rechte Spalte unten, Vieweg 1999, Braunschweig, Wiesbaden, ISBN
3-528-03876-4" ist entnehmbar, dass im Steuergerät, bei dem es sich beispielsweise
um ein Getriebesteuergerät
handeln kann, digitale Eingangssignale verarbeitbar sind. Digitale
Eingangssignale werden z. B. durch eine Schalterstellung oder digitale Sensorsignale
wie die Drehzahlimpulse eines Hallsensors repräsentiert. Der Spannungsbereich
digitaler Eingangssignale liegt zwischen 0 Volt bis Batteriespannung.
Daneben können
in Steuergeräten
auch analoge Eingangssignale verarbeitet werden. Als Signale von
analogen Sensoren seien die Signale von Lambdasonden, Drucksensoren
oder Potentiometern genannt. Die Spannungsbereiche analoger Eingangssignale
liegen zwischen einigen mV bis 5 Volt. Schließlich lassen sich in Steuergeräten in Kraftfahrzeugen
auch pulsförmig
vorliegende Eingangssignale verarbeiten. Solche Signale werden in
der Regel von induktiven Drehzahlsensoren gegeben. Nach entsprechender
Signalaufbereitung kann eine Weiterverarbeitung als digitales Signal
erfolgen, wobei die Spannungsbereiche pulsförmiger Eingangssignale im Spannungsbereich
zwischen 0,5 Volt bis 100 Volt liegen können.
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Innerhalb einer Signalaufbereitung
werden die Eingangssignale mit Schutzbeschaltungen auf zulässige Spannungspegel
begrenzt. Das Nutzsignal wird durch Filterung weitgehend von überlagerten Störsignalen
befreit und durch Verstärkung
an die Eingangsspannung eines Mikrocomputers μC angepasst. Die Signalverarbeitung
in heutigen Steuergeräten
erfolgt meist digital. Schnelle, periodisch wiederkehrende Signale
mit Echtzeitbezug werden in Hardwaremodulen verarbeitet, die speziell
auf die jeweilige Funktion zugeschnitten sind. Ergebnisse, wie z.
B ein Zählerstand
oder der Zeitpunkt des Auftretens eines Ereignisses, werden in Registern
an die zentrale Einheit zur weiteren Bearbeitung übergeben.
Die eigentlichen Steuer- bzw. Regelalgorhythmen werden in der Software
des Steuergerätes
realisiert. Es können
datenabhängig
nahezu beliebige logische Verknüpfungen
realisiert und Datensätze
in Form von Parametern, Kennlinien und mehrdimensionalen Kennfeldern
gespeichert und verarbeitet werden.
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In der Regel werden Abtriebsdrehzahlsignale über Hallsensoren
oder Induktivgeber erfasst und analog an ein Getriebesteuergerät, um ein
Beispiel zu nennen, weitergegeben. Im Getriebesteuergerät erfolgt
die Erfassung der Analogsignale, die in ein digitales Signal umgewandelt
werden. Aufgrund von fehlerhaften Kontaktierungen oder Bauteilen
kann ein fehlerhaftes Signal am Steuergerät anliegen. Um Steuergerätefehlfunktionen,
wie z. B. über
ein Getriebesteuergerät
ausgelösten
ungewollten Schaltungen vorzubeugen, werden die Abtriebsdrehzahlsignale, die
ein Hallsensor bzw. ein Induktivgeber liefert, plausibilisiert.
Das Steuergerät
reagiert auf unplausible Abtriebsdrehzahlsignale mit einer Ersatzfunktion. Dies
bedeutet, dass das unplausible Abtriebsdrehzahlsignal verworfen
wird und ein Ersatzwert für
das unplausible Abtriebsdrehzahlsignal aus Signalen berechnet wird,
wobei es sich beispielsweise um Raddrehzahlsignale handeln kann.
Bisherige Plausibilisierungsverfahren des Abtriebsdrehzahlsignals
basieren einerseits auf der Überprüfung, ob
die maximal mögliche
Abtriebsdrehzahl überschritten
wurde. Ein weiteres Verfahren zur Plausibilisierung des Abtriebsdrehzahlsignales
umfasst die Überprüfung, ob die über die
Achsübersetzung
errechnete Raddrehzahl in etwa der aktuellen Abtriebsdrehzahl entspricht.
Dies wird anhand einer Differenzbildung zwischen einer Abtriebsdrehzahl
und einer aus der Raddrehzahl berechneten Abtriebsdrehzahl durchgeführt. Das
Ergebniss der Differenzbildung wird mit einem Schwellwert verglichen.
Ein unplausibles Abtriebsdrehzahlsignal wird dann erkannt, wenn
eine Fehlerbedingung konstant über
einen bestimmten Absatzzeitraum – im folgenden als Filterzeit
bezeichnet – vorliegt.
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Die gemäß oben skizzierten Vorgehensweise
durchgeführte
Plausibilisierung erkennt statische Fehler im Abtriebsdrehzahlsignal.
Aufgrund von fehlerhaften Kontaktierungen zwischen den Hallsensoren
bzw. den Induktivgebern kann es allerdings zum Auftreten sogenannter
Toggle-Signale kommen. Toggle-Signale sind dadurch charakterisiert,
dass in kur zer Folge das Abtriebsdrehzahlsignal einmal als plausibel,
dann jedoch wieder als unplausibel erkannt wird. Gemäß der oben
skizzierten beiden Vorgehensweisen wird der Fehler zwar angefiltert,
aber bei kurzzeitiger positiver Plausibilisierung wieder zurückgefiltert.
Als Ergebnis liegt zwar ein insgesamt fehlerhaftes Abtriebsdrehzahlsignal
vor, auf das jedoch ein Getriebesteuergerät nicht reagiert und die Ersatzfunktion
nicht aktiviert wird. Die Folge dieser Plausibilisierungsverfahren
des Abtriebsdrehzahlsignales sind ungewollte Rückschaltvorgänge an Getriebesteuergeräten.
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Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen erweiterten
Plausibilisierungsverfahren für
Abtriebsdrehzahlsignale erfolgt eine Ergänzung bisheriger Plausibilisierungsverfahren
dahingehend, dass fehlerhafte Toggle-Signale erkannt werden und
durch die Erkennung dieser Signale sichergestellt ist, dass eine
Ersatzfunktion in einem Getriebesteuergerät aktiviert wird. Bei fehlerhafter
Kontaktierung am Getriebesteuergerät, wird dort die Drehzahl "0"
erkannt, die in der Regel Zurückschaltungen
in den ersten Gang führt,
was in bestimmten Fahrsituationen zu erheblichen Beeinträchtigungen
führen
kann.
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Gemäß des vorgeschlagenen erweiterten Plausibilisierungsverfahrens
erfolgt eine Differenzbildung zwischen jeweils zwei aufeinander
folgenden Signalmeßwerten.
Die Differenz der beiden aufeinanderfolgenden Signalmeßwerte wird
auf ein Überschreiten
dahingehend überprüft, ob die
Differenz einen Schwellwert-überschreitet
oder nicht. Wird der Schwellwert durch die ermittelte Differenz
nicht überschritten,
wird kein Vorzeichenwechsel erkannt, selbst wenn die Differenz einen
Vorzeichenwechsel hatte. Dadurch werden kleinere Signalausschläge nicht
als unplausibel charakterisiert.
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Im Falle des Überschreitens des vorgebbaren
Schwellwertes wird in einer weiteren Plausibilisierungsstufe nach
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verfahren das Vorzeichen der aus den beiden aufeinanderfolgenden
Signalmeßwerten
ermittelten Differenz bestimmt. Im weiteren Ablauf des Plausibilisierungsverfahren
wird die Anzahl der Vorzeichenwechsel gezählt. Dies kann z. B. in einem
Ringzähler oder
einem Register erfolgen. Es wird die Anzahl der Vorzeichenwechsel
der Differenz der beiden aufeinanderfolgenden Signalmeßwerte innerhalb
eines definierten Zeitraumes gebildet. Überschreitet die Anzahl der
ermittelten Vorzeichenwechsel eine vorgebbare, definierte Anzahl
von Vorzeichenwechseln, so wird auf ein Toggle-Signal erkannt und
dieses Signal als unplausibel gekennzeichnet. Durch das als Toggle-Signal
identifizierte fehlerhafte Signal, wird innerhalb eines Getriebesteuergerätes die
Ersatzfunktion aktiviert, so dass das fehlerhafte Toggle-Signal
durch ein aus der Raddrehzahl ermitteltes Abtriebsdrehzahlsignal
ersetzt wird, welches zur Weiterverarbeitung innerhalb des Steuergerätes herangezogen wird.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann
einerseits die Signalverarbeitungszeit innerhalb eines digital arbeitenden
Getriebesteuergerätes
reduziert werden, andererseits lässt
sich eine Anfilterung und eine Rückfilterung,
die bei den oben aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auftritt,
vermeiden, so dass die zur Anfilterung und Rückfilterung notwendige, zwar
kurze, Zeitspanne zur Erhöhung
der Signalverarbeitungsgeschwindigkeit innerhalb eines Getriebesteuergerätes des genutzt
werden kann.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend
näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 den
schematischen Aufbau eines Getriebesteuergerätes mit Signalaufbereitung,
Mikrocomputer und diesem nachgeschalteten Leistungsteller und
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2 ein
Ablaufdiagramm erfingungsgemäßen vorgeschlagenen,
erweiterten Plausibilisierungsverfahren.
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Ausführungsvariante
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Wie der Darstellung gemäß 1 entnehmbar ist, umfasst
ein Getriebesteuergerät 1 einen
Signalaufbereitungsblock 4, einen Mikrocomputer 5 (μC) sowie
einen Leistungssteller 6. Die Eingangsseite, auf welcher
dem Getriebesteuergerät 1 analoge,
digitale und in pulsform vorliegende Signale zugeführt werden,
ist mit Bezugszeichen 2 gekennzeichnet; die Ausgangsseite,
an der die die einzelenen Aktoren der Fahrzeugsteilsysteme ansteuernden
Signale anliegen, ist mit Bezugszeichen 3 identifiziert.
An der Eingangsseite 2 des Signalaufbereitungsblockes 4 liegt ein
erstes digitales Einganssignal 7 sowie ein zweites digitales
Eingangssignal 8 an. Bei dem ersten in digitaler Form vorliegenden
Eingangssignal 7 kann es sich um das digitale Signal eines
Hall-Sensors 27 handeln, der einen ersten Signalmeßwert 25 NAB[i] aufnimmt. Das erste digitale Eingangssignal 7 sowie das
zweite digitale Eingangssignal 8 werden einer Schutzbeschaltung 12 innerhalb
des Signalaufbereitungsblockes 4 zugeführt.
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Darüber hinaus werden dem Signalaufbereitungsblock 4 des
Getriebesteuergerätes 1 ein
erstes analoges Eingangssignal 9, ein zweites analoges Eingangssignal 10 sowie
ein drittes analoges Eingangssignal 11 zugeführt. Das
dritte in analoger Form vorliegende Eingangssignal 11 kann
ein zweiter Signalmeßwert 26 NAB[i-1] sein, welcher über eine mit Bezugs zeichen 28 identifizierten
Induktivgeber aufgenommen wird. Die in analoger Form vorliegenden
Eingangssignale 9, 10 und 11 werden ebenfalls einer
Schutzbeschaltung 12 innerhalb des Signalaufbereitungsblockes 4 des
Getriebesteuergerätes 1 zugeführt, in
welchem die Eingangssignale auf zulässige Spannungspegel hinsichtlich
der zulässigen
Betriebsspannung des dem Signalaufbereitungsblockes 4 nachgeschalteten
Mikrocomputer μC
5 begrenzt werden.
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Das erste digitale Eingangssignal 7 und
das zweite digitale Eingangssignal 8 werden der Schutzbeschaltung 12 an
Eingangsports zugeführt,
die eine erste Kontaktierungstelle 22.1 bzw. eine zweite
Kontaktierungsstelle 22.2 darstellen. Die in analoger Form
vorliegenden Eingangssignale 9, 10 und 11 werden
der diesen Signalen zugeordneten Schutzbeschaltung 12 im
Signalaufbereitungsblock 4 an Eingangsports, die eine dritte
Kontaktierungsstelle 22.3, eine vierte Kontaktierungsstelle 22.4 sowie
eine dritte Kontaktierungsstelle 22.5 darstellen, zugeführt. Die erwähnten Kontaktierunsstellen 22.3, 22.4 sowie 22.5 sind
neben der ersten Kontaktierungsstelle 22.1 bzw. der zweiten
Kontaktierungsstelle 22.2 hinsichtlich des Auftretens von
Störungen
am anfälligsten. Für das erfindungsgemäß vorgeschlagene
Verfahren ist es jedoch unerheblich, wo genau das Toggle-Signal
auftritt.
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Von der den digitalen Eingangssignalen 7 bzw. 8 zugeordneten
Schutzbeschaltungen 12 werden ausgangsseitig diesen entsprechende
Signale an eine digitale Signalverarbeitung 16 innerhalb
des Mikrocomputers 5 (μC) übermittelt.
Die ausgangsseitig an der Schutzbeschaltung 12 erzeugten
Signale, die den analogen Eingangssignal 9, 10 und 11 entsprechen,
werden einer der Schutzbeschaltung 12 nachgeordneten Verstärkereinheit 13 zugeführt, deren
Ausgangssignale 14 an den Miktrocomputer 5 (μC) übertragen
werden. Ein erstes Eingangssignal 9.1 wird unmittelbar
an die digitale Signalverarbeitung 16 übertragen, während ein
erstes Eingangssignal 10.1 sowie ein zweites Eingangssignal 11.1 an
einen A/D-Wandler 15 übertragen
wird. Die digitalen Ausgangssignale des A/D-Wandlers 15 werden ebenfalls
an die digitale Signalverarbeitung 16 übertragen. Der Mikrocomputer 5 (μC) umfasst
darüber hinaus
einen D/A-Wandler, um die in der digitalen Signalverarbeitung 16 generierten
digitalen Signale wieder in ausgangsseitige Analogsignale umzuwandeln.
Darüber
hinaus ist innerhalb des Mikrocomputers 5 (μC) eine Ersatzfunktion 23 implementiert.
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Dem Mikrocomputer 5 (μC) ist ein
Leistungssteller 6 nachgeschaltet, der einen ersten Leistungsschalter 18 und
einen zweiten Leistungsschalter 19 umfasst, die als Transistoren
ausgebildet sein können.
Die innerhalb eines D/A-Wandlers 17 aus digitalen Signalen
in Analogsignale umgeformten Signale des Mikrocomputers 5 (μC) werden
Opterationsverstärkern 20 zugeführt. Deren
Ausgangssignale sowie die Ausgangssignale des ersten Leistungsschalters 18 bzw.
des zweiten Leistungsschalters 19, stellen die Ausgangssignale 21 dar,
die an der Ausgangsseite 3 des Getriebesteuergerätes anstehen
und die Aktoren der einzelnen Fahrzeugteilsysteme ansteuern.
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2 ist
ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäß vorgeschlagenen erweiterten
Plausibilisierungsverfahren für
Abtriebsdrehzahlsignale in schematischer Form zu entnehmen.
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Ausgehend von einen Ablaufstart werden der
erste Signalmeßwert 25 NAB[i], der beispielsweise über einen
Hallsensor 27 gemäß der Darstellung in 1 ermittelt werden kann,
sowie der zweite Signalmeßwert 26 NAB[i-1] einer Differenzbildung unterzogen.
Der absolute Betrag der Differenzbildung wird innerhalb der Differenzstufe 29 einem
Schwellwertvergleich 30 unterzogen. Beim Schwellwertvergleich 30 wird
ermittelt, ob der absolute Betrag der ermittelten Differenz zwischen
dem ersten Signalmeßwert 25 NAB[i] und dem zweiten Signalmeßwert 26 NAB[i-1] einen vorgebbaren Schwellwert 31 überschreitet
oder nicht. Der Differenzstufe 29 mit Schwellwertvergleich 30 kann
der Schwellwert 31 NAB,TOL.. im
Rahmen einer Schwellwertvorgabe 31 als feste Größe vorgegeben werden. Über die
Schwellwertvorgabe 31 können auch
andere Werte für
die Größe NAB,TOL. vorgegeben werden. Wird der vorgegebene
Schwellwert NAB,TOL. nicht überschritten,
so wird der Zähler 37 zur
Ermittlung der Anzahl der Vorzeichenwerte, nicht hochgezählt und
die im Getriebesteuergerät
implementierte Ersatzfunktion 23 nicht ausgelöst.
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Bei Überschreiten des Schwellwertes
NAB,TOL. (vgl. Bezugszeichen 31)
wird innerhalb einer Vorzeichenermittlungsstufe 32 durch
die Anwendung der Signum-Funktion (sgn) das Vorzeichen der in Differenzstufe 29 ermittelten
Differenz zweier aufeinanderfolgender Signalmeßwerte 25 bzw. 26 ermittelt, gemäß der Beziehung
sgn (NAB[i]-NAB[ni-1]) ≠ sgn (NAB
[i-1] – NAB
[i-2]). Wird dies
verneint, erfolgt eine Verzweigung vor die Vergleichsstufe 37.
Die anhand der Signum-Funktion innerhalb der Vorzeichenermittlungsstufe 32 ermittelten
Vorzeichenwechsel werden in einem Zähler 34 gezählt. Der
Zähler 34 umfasst
einen Zählereingang 33.
Dem Zähler
ist ferner ein Timer 35 zugeordnet. Der Timer 35 umfasst
einen Eingang, an welchem eine Zählzeitvorgabe,
d. h. ein bestimmter Zählzeitraum
TNAB,PLAUSI vorgegeben werden kann. Im Zähler 34 wird
die Anzahl NC der in der Vorzeichenermittlungsstufe 32 ermittelten
Vorzeichenwechsel während
des definierten Zeitraumes TNAB,PLAUSI gezählt. Der
Zähler 34 kann
als Registerzähler
ausgebildet werden. Das ermittelte Zählergebnis NC,
d. h. die aufgetretenen Vorzeichenwechsel NC werden
einer dem Zähler 34 nachgeschalteten
weiteren Vergleichsstufe 37 zugeleitet, innerhalb der die Anzahl
der Vorzeichenwechsel NC, die während der vorbestimmten,
wohldefinierten Zeitspanne TNAB,PLAUSI aufgetreten
sind mit einer einem Schwellwert n vergleichen
werden. Wird innerhalb der Vergleichsstufe 37 festgestellt,
dass die Anzahl der ermittelten Vorzeichenwechsel NC während der
definierten Zeitspanne TNAB,PLAUSI unterhalb
des Schwellwer tes n liegt,
z. B. während
einer Zeitspanne der letzten 500 Millisekunden, so wird die Ersatzfunktion 23 nicht
aktiviert, ansonsten erfolgt die Erkennung auf Toggle-Signal und
damit eine Aktivierung der Ersatzfunktion 23, die im Getriebesteuergerät 1 implementiert ist.
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Wird hingegen in der Vergleichsstufe 37 festgestellt,
dass die Anzahl der NC der Vorzeichenwechsel,
die zuvor im Zähler 37 ermittelt
wurde, den Schwellwert n überschreitet,
wird auf ein Toggle-Signal erkannt. In einer der Vergleichsstufe 37 nachgeordneten
Einheit 38 wird das gesamte Abtriebsdrehzahlsignal aufgrund
der als unplausibel erkannten beiden Signalmeßwerte 25 bzw. 60,
die zeitlich versetzt vom gleichen Sensor erfasst wurden, d. h.
NAB[i] oder NAB[i-1]
auf unplausibel gesetzt.
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Durch die Identifikation des ersten
Signalmeßwertes 25,
d. h. NAB[i] und/oder des zweiten Signalmeßwertes 26 NAB[i-1] als unplausibel wird die im Mikrocomputer 5 (μC) implementierte
Ersatzfunktion 23 aktiviert. Innerhalb der Ersatzfunktion 23 wird durch
eine Raddrehzahl nRAD, (vergleiche Bezugszeichen 24 in 1), entsprechendes Signal
ein Ersatzwert berechnet und das als unplausibel identifizierte Abtriebsdrehzahlsignal
nach dem ersten Signalmeßwert 25 bzw.
dem zweiten Signalmeßwert 26 verworfen.
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Durch das erweiterte Plausibilisierungsverfahren
ist sichergestellt, dass Toggle-Signale, die auf Abtriebsdrehzahlsignalen
beruhen, als solche erkannt werden und zum sicheren Auslösen der
Ersatzfunktion 23 innerhalb des Mikrocomputers 5 (μC) herangezogen
werden.
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- 1
- Getriebesteuergerät
- 2
- Eingangsseite
- 3
- Ausgangsseite
- 4
- Signalaufbereitungsblock
- 5
- Mikrocomputer
(μC)
- 6
- Leistungssteller
- 7
- 1.
digitales Eingangssignal
- 8
- 2.
digitales Eingangssignal
- 9
- 1.
analoges Eingangssignal
- 9.1
- Eingangssignal
Mikrocomputer
- 10
- 2.
analoges Eingangssignal
- 10.1
- 1.
Eingangssignal A/D-Wandler
- 11
- 3.
analoges Eingangssignal
- 11.1
- 2.
Eingangssignal A/D-Wandler
- 12
- Schutzbeschaltung
- 13
- Verstärkereinheit
- 14
- Ausgangssignal
Verstärker
- 15
- A/D-Wandler
- 16
- digitale
Signalverarbeitung
- 17
- D/A-Wandler
- 18
- 1.
Leistungsschalter
- 19
- 2.
Leistungsschalter
- 20
- Operationsverstärker
- 21
- Ausgangssignale
- 22.1,
22.2, 22.3, 22.4, 22.5
- Kontaktierungsstellen
- 23
- Ersatzfunktion
- 24
- Raddrehzahlsignal
nRAD
- 25
- 1.
Signalmeßwert
NAB[i]
- 26
- 2.
Signalmeßwert
NAB[i-1]
- 27
- Hall-Sensor
- 28
- Induktivgeber
- 29
- Differenzstufe
- 30
- Schwellwertvergleich
- 31
- Schwellwert-Vorgabe
- 32
- Vorzeichenermittlungsstufe
- 33
- Zählereingang
- 34
- Zähler Vorzeichenwechsel
- 35
- Timer
- 36
- Zeitvorgabe
TNAB,PLAUSI
- 37
- Ermittlung
Anzahl Vorzeichenwechsel
- 38
- Signalidentifikation
-
n
- Zulässige Anzahl
Vorzeichenwechsel
- NAB,TOL
- Schwellwert
zulässige
Signaldifferenz
- TNAB,PLAUSI
- Plausibilisierungszeit
- NC
- Anzahl
Vorzeichenwechsel
- (sgn)
- Signum-Funktion
- NAB:
- Abtriebsdrehzahl
- nRAD
- Raddrehzahl