DE19732764A1 - Übertragungseinrichtung für Steuersignale, insbesondere in Fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Übertragungs­ einrichtung für Steuersignale, insbesondere für Brems- oder Lenksignale, zwischen einem Bedienelement und einem Verstellelement in Fahrzeugen.

Die störungsfreie Übertragung von Brems- und Lenk­ signalen ist von großer Bedeutung für die Betriebs­ sicherheit von Fahrzeugen und erfolgt gegenwärtig im wesentlichen mit mechanischen Mitteln, da deren Zuver­ lässigkeit bei relativ geringem Aufwand sehr hoch ist.

Die nationalen und europäischen Bau- und Wirkvor­ schriften und Richtlinien für die Zulassung von Kraft­ fahrzeugen erlauben bisher keine elektronischen Über­ tragungseinrichtungen für Lenk- und Bremssignale. Es wird jedoch die Möglichkeit nicht ausgeschlossen, bei entsprechendem Fortschritt der Technik eine erweiterte Zulassung zu gewähren.

Bekannt sind Lenkeinrichtungen, die von einer hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Hilfs­ kraft unterstützt werden. Die mechanische Verbindung zwischen dem entsprechenden Bedienelement des Fahrers und dem Eingriff am Rad bzw. Kettenantrieb bleibt jedoch grundsätzlich erhalten. Ferner sind rein hydraulische Lenkeinrichtungen an schweren Fahrzeugen bekannt, bei denen allerdings die Höchstgeschwindigkeit begrenzt ist.

Für die Realisierung einer elektronischen Lenk- oder Bremsübertragung ist es erforderlich, elektronische Übertragungsmittel einzusetzen, die einzelne zufällige Fehler in der Übertragung vom Bediener bis zur Momenten­ erzeugung am Rad tolerieren, d. h. unwirksam machen und diese Fehler sicher zur Anzeige beim Fahrer bringen. Solche Einrichtungen sind bisher nicht bekannt geworden.

In der Zeitschrift "Elektronik" Nr. 15/1984 wird in einem Aufsatz von Schmidt, Faller, Pöttig ("Elektronisch gelenkter Bus") ein elektronisches Spurführungssystem für Personenbusse beschrieben, das als Hybrid-Lösung in analoger und digitaler Schaltungstechnik hergestellt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elek­ tronische Übertragungseinrichtung für Steuersignale, insbesondere für Brems- oder Lenksignale, zwischen einem Bedienelement und einem Verstellelement in Fahrzeugen zu schaffen, die die hohen Sicherheitsanforderungen mit relativ geringem Aufwand erfüllen kann.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer solchen elek­ tronischen Übertragungseinrichtung dadurch, daß ein erster und ein zweiter Steuerkanal zur Beaufschlagung des Verstellelementes sowie ein Vergleichskanal zur Erfassung einer Fehlfunktion eines der Steuerkanäle und zum Abschalten dieses Steuerkanals vorgesehen ist, wobei den Steuerkanälen und dem Vergleichskanal ein zu über­ tragender Sollwert des Steuersignals zugeführt wird.

Dadurch, daß ein von einem Fahrer vorgegebener Sollwert dreifach redundant erfaßt und zweifach redundant zur Beaufschlagung eines Verstellelementes verwendet wird, wird ein hohes Maß an Störungs- und Fehlersicherheit erreicht. Da die Kanäle schaltungstechnisch weitgehende Übereinstimmungen aufweisen, ist die Realisierung relativ kostengünstig.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Danach können im fehlerfreien Betriebszustand beide Steuerkanäle mit dem Verstellelement verbunden sein. Diesen Fall bezeichnet man mit aktiver Redundanz.

Alternativ dazu kann bei der sogenannten passiven Redundanz ein Umschaltmittel vorgesehen sein, an dem der erste und der zweite Steuerkanal anliegt und das bei Erfassung einer Fehlfunktion eines aktiven Steuerkanals zur Umschaltung auf den anderen Steuerkanal von dem Vergleichskanal angesteuert wird.

Zum Abschalten eines eine Fehlfunktion aufweisenden Steuerkanals ist vorzugsweise ein logisches Schalt­ element vorgesehen, das von dem Vergleichskanal beauf­ schlagt wird.

Das Schaltelement kann in der Weise betätigbar sein, daß im fehlerfreien Betriebszustand entweder beide Steuer­ kanäle (aktive Redundanz) oder nur ein Steuerkanal (passive Redundanz) mit dem Verstellelement verbunden sind.

Der erste und der zweite Steuerkanal sowie der Vergleichskanal können ferner jeweils einen an ein Bedienelement angeschlossenen Sollwertgeber sowie eine Recheneinheit zur Verarbeitung der Steuersignale auf­ weisen.

An jeder Recheneinheit ist vorzugsweise jeweils ein an dem Verstellelement angeordneter Sensor zur Erfassung eines Istwertes des Steuersignals angeschlossen.

Die Recheneinheiten können weiterhin über serielle Busleitungen miteinander verbunden sein.

Die von den Recheneinheiten der Steuerkanäle erzeugten Steuersignale werden vorzugsweise über Leistungstreiber und Stromsensoren jeweils einem Stellglied zugeführt, das das Verstellelement beaufschlagt.

Das Verstellelement kann ein elektromagnetisches Hydraulikventil oder ein elektrischer Stellmotor sein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungs­ form der Erfindung und

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Aus­ führungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 ist ein Bedienelement 1 an einen ersten und einen zweiten Steuerkanal 10, 20 sowie einen Vergleichskanal 30 angeschlossen, wobei die beiden Steuerkanäle ein doppelt ansteuerbares Verstellelement 2 zur mechanischen Verstellung von Lenkung oder Bremsen beaufschlagen.

Jeder Kanal 10, 20, 30 weist jeweils einen an das Bedienelement 1 angeschlossenen Sollwertgeber 11, 21, 31 auf, dessen Ausgangssignale über Leitungen 12, 22, 32 jeweils einer Recheneinheit 13, 23, 33 mit Mikro­ controllern zugeführt werden. An den Ausgängen 14, 24 der Recheneinheiten 13 bzw. 23 liegt jeweils ein Leistungstreiber 15 bzw. 25 an. Jedem Leistungstreiber ist ein diesen überwachender Stromsensor 16 bzw. 26 zugeordnet. Die Recheneinheit 33 des Vergleichskanals 30 weist zwei Ausgänge 34a, 34b auf, mit denen jeweils ein Leistungstreiber 35a bzw. 35b und ein diesen über­ wachender Stromsensor 36a bzw. 36b verbunden ist.

Die Leistungstreiber 15, 25 jedes Steuerkanals 10, 20 sind jeweils über Relais 17, 27 mit Stellgliedern 19, 29 verbunden, bei denen es sich z. B. um über Ventile angesteuerte Hydraulikzylinder oder elektrische Stell­ antriebe handeln kann, die die erforderliche mechanische Verstellung in dem Verstellelement 2 für die Lenkung oder die Bremsen bewirken.

Die Ausgänge der Leistungstreiber 35a, 35b sind mit einer Logikschaltung 37 verbunden, die die Relais­ wicklungen 18, 28 der Relais 17, 27 ansteuert.

An jede Recheneinheit 13, 23, 33 ist ein an dem Verstellelement 2 angeordneter Sensor 3, 4, 5 ange­ schlossen, der einen Istwert des Lenkwinkels oder Bremsdruckes überwacht. Die Recheneinheiten 13, 23, 33 sind schließlich über serielle Schnittstellen 6 miteinander verbunden, die der Übertragung von Daten und Statusmeldungen zum Zwecke des Vergleichs dienen.

Der erste Steuerkanal 10 und der Vergleichskanal 30 werden von einer ersten Stromquelle 13a und der zweite Steuerkanal 20 von einer zweiten Stromquelle 13a ver­ sorgt. Beide Stromquellen 13a müssen voneinander unab­ hängig sein.

Während des Betriebes werden die Sollwertgeber 11, 21, 31 mechanisch mit dem Signal des Bedienelementes 1 beaufschlagt, das ein Lenkrad oder ein Bremspedal darstellt. Dieses setzt das Signal mittels Winkelgebern wie z. B. Drehpotentiometern oder Codegebern in ein elektrisches Signal um, das den Recheneinheiten 13, 23, 33 zugeführt wird. Dies kann sowohl über analoge, als auch über digitale Eingänge erfolgen, sofern letztere mit Analog/Digitalwandlern versehen sind.

In den Recheneinheiten 13, 23, 33 werden die Signale verarbeitet, mit den von den Sensoren 3, 4, 5 über­ mittelten Istwerten verglichen und entsprechende Stell­ größen berechnet. Über die seriellen Schnittstellen 6 werden die Stellgrößen und andere Daten und Status­ meldungen zwischen den Recheneinheiten zum Zwecke des Vergleichs übermittelt. Diese Daten umfassen auch Sensorwerte (Soll- und Istwerte des Lenkwinkels bzw. des Bremsdrucks) . Die berechneten Stellgrößen werden dem Verstellelement 2 über die Leistungstreiber 15, 25 zugeführt.

In den Recheneinheiten 13, 23, 33 ist eine im wesent­ lichen jeweils gleiche Regelungssoftware implementiert, mit der aus den Soll- und Istwerten die Stellgröße berechnet wird. Andere Programme, die zur Gewährleistung einer sicheren Fehlererkennung und Fehlerreaktion dienen, unterscheiden sich in den Steuerkanälen und in dem Vergleichskanal.

Die an den Ausgängen 34a, 34b der Recheneinheit 33 des Vergleichskanals 30 anliegenden Signale steuern über die Leistungstreiber 35a, 35b das Logikelement 37 an. Das Logikelement 37 verbindet im fehlerfreien Betriebs­ zustand über die Relais 17, 27 in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsart entweder beide Steuerkanäle 10, 20 oder nur einen Steuerkanal mit dem jeweiligen Stellglied 19 bzw. 29, das das Verstellelement 2 beaufschlagt. Im erstgenannten Fall liegt eine aktive Redundanz, im zweiten Fall eine passive Redundanz vor.

Wenn im Falle der aktiven Redundanz in dem Vergleichs­ kanal 30 festgestellt wird, daß in einem der Steuer­ kanäle 10, 20 eine Stellgröße errechnet wird, die eine vorbestimmte zulässige Abweichung übersteigt, so wird mit dem Logikelement 37 dieser Steuerkanal durch Be­ tätigen des entsprechenden Relais 17 bzw. 27 vom dem betreffenden Stellglied 19 bzw. 29 getrennt, so daß nun nur noch der fehlerfrei arbeitende Steuerkanal das Verstellelement 2 beaufschlagt.

Im Falle der passiven Redundanz wird über das be­ treffende Relais der (einzige) aktive Steuerkanal abgeschaltet und gleichzeitig der andere Steuerkanal mit dem zugeordneten Stellglied verbunden, so daß eine fehlerfreie Funktion sichergestellt ist. Vorzugsweise wird in beiden Fällen dem Fahrer das Auftreten des Fehlers angezeigt.

Die in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der Ausführung gemäß Fig. 1 darin, daß anstelle der Relais 17, 27 ein Umschaltrelais 7 an dem Verstellelement 2 vorgesehen ist, mit dem alternativ immer nur einer der Steuerkanäle 10, 20 mit dem Verstellelement verbunden wird. Das Umschaltrelais 7 wird von dem Vergleichskanal 30 ange­ steuert. Gegenüber der Ausführung gemäß Fig. 1 fehlt somit die Logikschaltung 37 sowie einer der Leistungs­ treiber 34a, 34b und der Stromsensoren 35a, 35b an dem Ausgang der Recheneinheit 33 des Vergleichskanals 30.

Gleiche Komponenten wie in Fig. 1 sind mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet und sollen zur Ver­ meidung von Wiederholungen nicht noch einmal beschrieben werden. Dies gilt auch für die Funktionsweise, die im Hinblick auf die Signalerfassung und -verarbeitung gleich ist und lediglich folgende Abweichungen aufweist:

Wenn in einem der Steuerkanäle 10, 20 durch die Rechen­ einheit 33 des Vergleichskanals 30 eine fehlerhafte Stellgröße festgestellt wird, steuert die Recheneinheit 33 das Umschaltrelais 7 an, so daß von dem fehlerhaften auf den anderen Steuerkanal umgeschaltet wird (passive Redundanz) und somit die Übertragungseinrichtung in vollem Umfang funktionsfähig bleibt. Vorzugsweise wird auch hierbei dem Fahrer ein entsprechendes Signal gegeben.

Claims (11)

1. Elektronische Übertragungseinrichtung für Steuer­ signale, insbesondere für Brems- oder Lenksignale, zwischen einem Bedienelement und einem Verstell­ element in Fahrzeugen, gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Steuerkanal (10, 20) zur Beaufschlagung des Verstellelementes (2) sowie einen Vergleichskanal (30) zur Erfassung einer Fehlfunktion eines der Steuerkanäle und zum Ab­ schalten dieses Steuerkanals, wobei den Steuer­ kanälen und dem Vergleichskanal ein zu über­ tragender Sollwert des Steuersignals zugeführt wird.

2. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im fehlerfreien Betriebszustand beide Steuerkanäle (10, 20) mit dem Verstellelement (2) verbunden sind (aktive Redundanz).

3. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch ein Umschaltmittel (37, 17, 27; 7), an dem der erste und der zweite Steuerkanal (10, 20) anliegen und das bei Erfassung einer Fehl­ funktion eines aktiven Steuerkanals zur Umschaltung auf den anderen Steuerkanal von dem Vergleichskanal (30) angesteuert wird (passive Redundanz).

4. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein logisches Schalt­ element (37) vorgesehen ist, das von dem Vergleichskanal (30) zum Abschalten eines eine Fehlfunktion aufweisenden Steuerkanals (10, 20) beaufschlagt wird.

5. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (37) in der Weise betätigbar ist, daß im fehlerfreien Betriebs­ zustand entweder beide Steuerkanäle (aktive Redundanz) oder nur ein Steuerkanal (passive Redundanz) mit dem Verstellelement (2) verbunden sind.

6. Übertragungseinrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Steuerkanal (10, 20) sowie der Vergleichskanal (30) jeweils einen an ein Bedien­ element (1) angeschlossenen Sollwertgeber (11, 21, 31) sowie eine Recheneinheit (13, 23, 33) zur Verarbeitung der Steuersignale aufweisen.

7. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Recheneinheit (13, 23, 33) jeweils ein an dem Verstellelement (2) ange­ ordneter Sensor (3, 4, 5) zur Erfassung eines Istwertes des Steuersignals angeschlossen ist.

8. Übertragungseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheiten (13, 23, 33) über serielle Busleitungen (6) mitein­ ander verbunden sind.

9. Übertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Recheneinheiten (13, 23) der Steuerkanäle (10, 20) erzeugten Steuersignale über Leistungstreiber (15, 25) und Stromsensoren (16, 26) jeweils einem Stellglied (19, 29) zugeführt werden, das das Verstellelement (2) beaufschlagt.

10. Übertragungseinrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellelement (2) ein elektromagnetisches Hydraulikventil ist.

11. Übertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstell­ element (2) ein elektrischer Stellmotor ist.