DE19915253A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines verteilten Steuersystems in einem Fahrzeug - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Betreiben eines verteilten Steuersystems in einem Fahrzeug beschrieben, welche mehrere elektrische Steuereinheiten aufweist, die über ein Kommunikationssystem gegenseitig Daten austauschen. Ferner sind wenigstens zwei voneinander unabhängige Energiequellen vorgesehen, die die Einheiten mit Spannung versorgen. Das Kommunikationssystem ist ein wenigstens zweikanaliges Kommunikationssystem, wobei die für jeden Kanal in einer Einheit vorgesehenen Bustreibe von jeweils einer anderen Energiequelle mit Spannung versorgt werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines verteilten Steuersystems in einem Fahr­ zeug.

In Kraftfahrzeugen werden derzeit oder in Zukunft in vielen Anwendungsfällen verteilte Steuersysteme eingesetzt, bei welchen dezentrale Elektroniken vorgesehen sind, die vor Ort Stellelemente ansteuern, ggf. im Zusammenspiel mit einer zentralen Steuerungselektronik. Derartige Systeme sind vor allem zur Steuerung von Bremssystemen vorgesehen, sei es bei elektropneumatischen, elektrohydraulischen Bremsanlagen oder Bremsanlagen mit elektromotorischer Zuspannung der Radbrem­ sen. Darüber hinaus sind derartige verteilte Systeme auch bei der Brennkraftmaschinensteuerung, beispielsweise zur Steuerung einer Drosselklappe einsetzbar, oder bei Lenkungs­ steuerungen.

Ein derartiges verteiltes Steuersystem ist beispielhaft in der DE-A 196 34 567 dargestellt. Im dort beschriebenen Bei­ spiel wird eine Bremsanlage dargestellt, welche Radbremsen mit elektromotorischer Zuspannung aufweist. Zur Bereitstel­ lung der Sollgrößen für die einzelnen Radbremsen ist wenig­ stens eine zentrale Elektronik vorgesehen, die über wenig­ stens ein Kommunikationssystem die zur Steuerung der Rad­ bremsen notwendigen Größen an Steuereinheiten abgibt, die vor Ort an den Radbremsen angeordnet sind. Über das Kommuni­ kationssystem empfängt die zentrale Einheit die zur Steue­ rung der Radbremsen notwendigen Betriebsgrößen, die vor Ort von den einzelnen Radsteuereinheiten ermittelt werden. Zur Sicherstellung der Betriebssicherheit sind für die Versor­ gung der einzelnen elektrischen Elemente zwei voneinander unabhängige Energiequellen (Batterien, Bordnetze) vorgese­ hen. Entsprechend werden die einzelnen elektrischen Elemente entweder von beiden Quellen oder von jeweils nur einer Quel­ le versorgt, um bei Ausfall einer der Quellen einen zumin­ dest teilweisen Betrieb der Bremsanlage aufrechtzuerhalten. Zur Kommunikation zwischen den zentralen Steuereinheiten und den vor Ort angebrachten Steuereinheiten zur Steuerung der Radbremsen sind zwei galvanisch voneinander getrennte Kommu­ nikationssysteme (Bussysteme) vorgesehen. Da auch diese Bus­ systeme von unterschiedlichen Energiequellen versorgt wer­ den, ist selbst bei Ausfall einer Energiequelle oder eines Kommunikationssystems der zumindest teilweise Betrieb der Bremsanlage weiter möglich.

Beispielsweise aus der Veröffentlichung "VDI Berichte Nr. 1415, 1998, Seiten 325 bis 344" ist ein elektrisches Brems­ system unter Verwendung eines fehlertoleranten, zeitgesteu­ erten Kommunikationssystems (sog. TTP/C-Kommunikationssy­ stem) bekannt. Bei diesem verteilten Bremssystem werden die einzelnen elektronischen Einheiten durch ein Bussystem mit­ einander verbunden, wobei die Kommunikation nach einem zeit­ gesteuerten Protokoll, dem sog. TTP/C-Protokoll, durchge­ führt wird. Das Bussystem besteht dabei hardwaremäßig aus zwei zueinander redundanten Bussystemen, wobei zwei Kommuni­ kationskanäle entstehen, zu denen alle elektronischen Syste­ me des verteilten Steuersystems Zugang haben. Gerade bei si­ cherheitskritischen Anwendungen, insbesondere beim Betrieb einer Bremsanlage, ist die zumindest teilweise Funktionsbe­ reitschaft der Bremsanlagesteuerung auch bei Ausfall einer Energiequelle notwendig. Dies gilt auch bei Verwendung eines derartigen redundanten Kommunikationssystems mit zeitgesteu­ ertem Protokoll.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den speziell in Zusam­ menhang mit einer sicherheitskritischen, verteilten Steuer­ system in einem Fahrzeug auftretenden Anforderungen bezüg­ lich der Energieversorgung auch bei Verwendung eines zeitge­ steuerten, redundanten Bussystems zu genügen.

Dies wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängi­ gen Patentansprüchen erreicht.

Vorteile der Erfindung

Die Anforderungen bezüglich der Energieversorgung eines Kom­ munikationssystems beim Einsatz in sicherheitsrelevanten verteilten Steuersystemen in Fahrzeugen, insbesondere bei Bremssystemen, werden auch dann erfüllt, wenn als Kommunika­ tionssystem ein fehlertolerantes Bussystem mit wenigstens zwei unabhängigen Kommunikationskanälen (z. B. mit TTP/C- Protokoll) eingesetzt wird. In besonders vorteilhafter Weise wird bei Ausfall einer Energiequelle der ordnungsgemäße Be­ trieb zumindest eines Teils des Kommunikationssystems und damit auch des Steuersystems gewährleistet.

Von besonderem Vorteil ist, daß die Kommunikationskanäle des hardwaremäßig redundant ausgebildeten Bus jeweils von völlig unabhängigen, d. h. galvanisch getrennten Energiequellen ver­ sorgt werden und auch selbst galvanisch nicht gekoppelt sind. Somit bleiben die Auswirkungen eines Fehlers, wie z. B. Kurzschluß in einem Energiespeicher oder Masseschluß eines Buskanals, auf den jeweiligen Energiekreis beschränkt und das Gesamtsystem ist noch teilweise funktionsfähig.

Die entsprechenden Vorteile werden nicht nur in Verbindung mit der Verwendung eines TTP/C-Busses, sondern auch bei der Verwendung jeden Bussystems mit redundanten Kommunikations­ kanäle vorzugsweise mit zeitgesteuertem Protokoll erreicht.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Redundanz sowohl bezüg­ lich der physikalischen Übertragung als auch bezüglich der Spannungsversorgung des Busses gewährleistet ist. Dies ver­ bessert Verfügbarkeit und Betriebssicherheit des Steuersy­ stem erheblich.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung wird die galvani­ sche Trennung durch Opto-Elemente bereitgestellt.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Redundanz bezüglich der Energieversorgung des Busses dadurch realisiert ist, daß die Bustreiberbausteine eines an den Bus angeschlossenen elek­ tronischen Systems für jeden Kanal von unterschiedlichen Energiequellen versorgt werden, während der eigentliche, für jedes System nur einmal für beide Kanäle vorhandene Control­ ler-Baustein für den Buszugriff an nur eine Energiequelle angeschlossen ist. Auf diese Weise ist es bei Ausfall einer Energiequelle zumindest Teilen des verteilten Systems weiter möglich, über den noch funktionsfähigen Kanal zu kommunizie­ ren.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert. Fig. 1 zeigt dabei ein verteiltes Steuersystem, bei welchem ein Kommunikationssystem mit wenigstens zwei redundanten Kommu­ nikationskanälen eingesetzt wird, welches von unterschiedli­ chen Energiequellen versorgt wird. In Fig. 2 ist eine be­ vorzugte Anwendung der in Fig. 1 dargestellten Lösung am Beispiel eines Bremssystems mit verteilter Elektronik darge­ stellt.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Steuersystem mit verteilter Elektronik im Fahrzeug am Bei­ spiels eines Bremssystems. Es ist eine zentrale Einheit 10 vorgesehen, welche über entsprechende Eingangsleitungen 12, 14 und 16 von entsprechenden Meßeinrichtungen 18, 20, 22 verschiedene Größen einliest, welche die Betätigung des Bremspedals durch den Fahrer repräsentieren. Die Einheit 10 enthält wenigstens zwei Mikrocomputer, welche jeweils von einem der beiden Energiequellen E1 bzw. E2 mit Strom ver­ sorgt werden. Die beiden Mikrocomputer bilden jeweils abhän­ gig von den eingelesenen Betätigungsgrößen Sollgrößen für die Radbremsen (FV), die sie über das Kommunikationssystem 24 an die im Bereich der Radbremsen angebrachten Steuerein­ heiten 26, 28, 30 und 32 abgeben. Diese steuern über Ansteu­ erleitungen 34 und 36, 38 und 40, 42 und 44, 46 und 48 elek­ tromotorisch betriebene Bremsensteller 50, 52, 54 und 56 im Sinne der Vorgabewerte an. Ferner ist eine Verarbeitungsein­ heit 58 vorgesehen, welche unter Berücksichtigung radindivi­ dueller Funktionen radindividuelle Bremsensollwerte F1 bis F4 ermittelt und an die entsprechenden Steuereinheiten 26 bis 32 über das Kommunikationssystem 24 übermittelt. Bei der Ansteuerung der Bremsensteller bzw. bei der Berechnung der radindividuellen Funktionen in der Verarbeitungseinheit 58 werden radspezifische Größen verwendet, z. B. die ausgeübten Bremskräfte F1i bis F4i, die entsprechenden Radgeschwindig­ keiten n1 bis n4 sowie die Stellwege sh1 bis sh4 der ent­ sprechenden Radbremsen, die, soweit sie zur Durchführung der Funktionen in anderen Einheiten benötigt werden, über das Kommunikationssystem 24 an andere Einheiten übermittelt wer­ den. Dabei können auch abgeleitete Betriebsgrößen übermit­ telt werden, wie beispielsweise die Radbeschleunigungen b1 bis b4, die aus der Radgeschwindigkeit in den Radeinheiten abgeleitet werden. Die Steuereinheiten 26 bis 32 bzw. die Verarbeitungseinheit 58 umfassen jeweils wenigstens einen Mikrocomputer, der die ihr zugewiesenen Funktionen durch­ führt.

Alle genannten Steuereinheiten sind an das Kommunikationssy­ stem 24 über einen Schnittstellenbaustein (Controller und Treiber) angeschlossen. Beim verwendeten Kommunikationssy­ stem 24 handelt es sich um ein hardwaremäßig redundantes Kommunikationssystem, welches zwei voneinander unabhängige Übertragungskanäle bietet. Im bevorzugten Ausführungsbei­ spiel wird das Kommunikationssystem mittels eines zeitge­ steuerten Protokolls betrieben, beispielsweise eines Proto­ kolls nach der Spezifikation TTP/C. Zur Sicherstellung der Betriebssicherheit des Steuersystems auch bei Ausfall einer der Energiequellen werden wenigstens die Schnittstellenbau­ steine, welche die Kommunikation der einzelnen Einheiten über das Kommunikationssystem 24 sicherstellen, von beiden Energiequellen E1 und E2 versorgt. Dies ist in Fig. 2 durch die Zuführung beider Energiequellen zu den einzelnen Steuer­ einheiten skizziert.

Das Kommunikationssystem 24 besteht physikalisch aus zwei redundanten Bussystemen, beispielsweise aus zwei herkömmli­ chen CAN-Bussen. Ein Schnittstellenbaustein steuert für bei­ de Kanäle für jede an das Kommunikationssystem angeschlosse­ ne Einheit den Sende- und Empfangsvorgang über das Kommuni­ kationssystem. Der Schnittstellenbaustein umfaßt wenigstens einen für beide Kanäle gemeinsamen Controller und für jeden Kanal einen separaten Bustreiber. Erfindungsgemäß ist eine Redundanz bezüglich der Energieversorgung vorgesehen, wobei alle Bustreiber eines ersten Kanals mit der Versorgungsspan­ nung VCC1 aus der ersten Energiequelle E1 und alle Bustrei­ ber des zweiten Kanals mit der Versorgungsspannung VCC2 aus der Energiequelle E2 versorgt werden. Dies hat zur Folge, daß die Bustreiber einer Schnittstelle zum Kommunikationssy­ stem aus zwei unterschiedlichen Energiequellen gespeist wer­ den. Der jeweilige Mikrocomputer der an das Kommunikations­ system angeschlossenen Einheit und der Buscontroller selbst werden jeweils nur aus einer der Energiequellen versorgt. Dies ist beispielsweise im Ausführungsbeispiel einer Brems­ anlage derart, daß zwei Bremskreise gebildet werden, nach der beispielsweise der Mikrocomputer und der Buscontroller der Steuereinheiten, die die Vorderradbremsen steuern, an die erste Energiequelle, die Elemente, die die Hinterachs­ bremsen steuern, an die zweite Energiequelle angeschlossen sind. Auch eine diagonale Aufteilung ist sinnvoll.

Um eine galvanische Kopplung der beiden Energiequellen über Signal- und Verbindungsleitungen zwischen Bustreibern und Buscontroller zu vermeiden, ist ein galvanisches Trennele­ ment in diesen Leitungen vorgesehen. Dieses Trennelement ist vorzugsweise in Form eines Opto-Kopplers ausgeführt. In je­ der Verbindungsleitung zwischen dem Controller und dem durch eine andere Energiequelle versorgten Bustreiber muß ein Trennelement vorhanden sein.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Busschnittstelle ist an­ hand eines allgemeinen Ausführungsbeispiels in Fig. 1 dar­ gestellt, welches für alle Anwendungen mit verteilten Elek­ troniksystemen anwendbar ist, die mit einem Kommunikations­ system mit zwei unabhängigen Übertragungskanälen verbunden sind.

Fig. 1 zeigt ein Kommunikationssystem 100, welches aus we­ nigstens zwei redundanten Bussen 102 und 104 aufgebaut ist. An dieses Kommunikationssystem sind die in Fig. 1 darge­ stellten Einheiten 106, 108, 110, 112 sowie ggf. weitere Einheiten angeschlossen, die alle über wenigstens einen Mi­ krocomputer verfügen. Dieser ist aus Übersichtlichkeitsgrün­ den in Fig. 1 nicht dargestellt, sondern lediglich durch eine entsprechende Verbindungsleitung zu den in Fig. 1 dar­ gestellten Elementen angedeutet (vgl. 114, 116, 118, 120). Im folgenden werden die Einheiten 106 bis 112 als Hostrech­ ner bezeichnet. Die Schnittstelle zum Kommunikationssystem wird in jeder Einheit durch jeweils einen Schnittstellenbau­ stein gebildet, der wenigstens einen Buscontroller (122, 124, 126, 128) und jeweils zwei Bustreiber 130, 132; 134, 136; 138, 140; 142, 144) aufweist. Jeder dieser Bustreiber ist an eine Busleitung angeschlossen. So ist beispielsweise der Bustreiber 130 an die Busleitung 102 und der Treiber 132' an die Busleitung 104 angeschlossen. Über interne Signallei­ tungen 146, 148, 150, 152 sind die Bustreiber mit dem (ein­ zigen) Buscontroller der jeweiligen Einheit verbunden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel eines TTP/C-Kommunikations­ systems sind Buscontroller und Bustreiber in einem Baustein integriert. Dabei werden als Bustreiber im bevorzugten Aus­ führungsbeispiel, in dem die beiden Busleitungen 102 und 104 herkömmliche CAN-Busse darstellen, herkömmliche CAN- Bustreiber eingesetzt. Wie oben dargestellt, werden die in Fig. 1 dargestellten Elemente von unterschiedlichen Ener­ giequellen mit Strom versorgt. Dabei ist vorgesehen, daß die Stromversorgung für die jeweiligen Bustreiber derart ausge­ staltet ist, daß die wenigstens zwei Bustreibern einer Ein­ heit von zwei unterschiedlichen Energiequellen (E1, E2 mit Spannungen VCC1, VCC2) gespeist werden. Entsprechend sind die von der Energiequelle E2 versorgten Elemente in Fig. 1 gestrichelt, die von der Energiequelle E1 versorgten mit durchgezogenen Linien dargestellt. Ergebnis ist, daß der Treiberbaustein eines der beiden Busse (und damit der ent­ sprechende Übertragungskanal) von der ersten Energiequelle, der Treiberbaustein des anderen von der anderen Energiequel­ le mit Spannung versorgt wird.

Der Buscontroller selbst wird nur von einer Energiequelle mit Spannung versorgt. Dabei ist die Zuordnung der Buscon­ troller zu den einzelnen Energiequelle mit Blick auf die Funktion des Steuersystems festzulegen. Bei Bremsanlagen ist wie oben erwähnt, die Aufteilung derart, daß auch bei Aus­ fall einer Energiequelle eine relevante Bremswirkung allein auf der Basis des noch mit Hilfe der anderen Energiequelle funktionsfähigen Teilsystems durchgeführt wird. Entsprechend sind im vorliegenden Beispiel der Fig. 1 die Controller 122 und 126 der Energiequelle E1, die Controller 124 und 128 der Energiequelle E2 zugeordnet. Entsprechendes gilt auch für die in Fig. 1 nicht dargestellten Mikrocomputern der ein­ zelnen Einheiten.

Im Betrieb des Steuersystems nach Fig. 1 werden die zu sen­ denden Daten von jeder Einheit immer auf beiden Kanälen ge­ sendet, so daß bei Ausfall einer Energiequelle der Informa­ tionsaustausch zumindest teilweise aufrechterhalten werden kann.

Um galvanische Kopplungen zwischen den einzelnen Energie­ kreisen zu vermeiden, insbesondere über die Signalleitungen zwischen dem Bustreiber und dem Controller, sind in allen den Signalleitungen, die sich zwischen einem Bustreibern und einem Controller mit unterschiedlichen Energiequellen befin­ den, galvanische Trennelemente 154, 156, 158, 160 vorgese­ hen, welche im bevorzugten Ausführungsbeispiel als Opto- Koppler ausgestaltet sind. Optional können die Signalleitun­ gen, in denen ein galvanisches Trennelement vorgesehen ist, auch durch optische Übertragungsmedien (Lichtwellenleiter) ersetzt werden.

Die dargestellte Lösung ist in Verbindung mit jedem minde­ stens zweikanaligen Bussystem anwendbar mit getrennten Bus­ treiber für jeden Kanal, auch außerhalb der Bremsanlagen­ steuerung bei allen sicherheitsrelevanten Steuersystemen in Fahrzeugen, die mit verteilter Elektronik arbeiten.

Sind mehr als zwei Kanäle vorgesehen, werden wenigstens zwei der Bustreiber von jeweils einer anderen Energiequelle ver­ sorgt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Betreiben eines verteilten Steuersystems in einem Fahrzeug, welches mehrere elektronische Einhei­ ten (106, 108, 110, 112) aufweist, die über ein Kommuni­ kationssystem (100) gegenseitig Daten austauschen, wobei wenigstens zwei voneinander unabhängige Energiequellen (E1, E2) vorgesehen sind, die die Einheiten mit Spannung (VCC1, VCC2) versorgen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kommunikationssystem (100) ein wenigstens zweikanaliges Kommunikationssystem ist, wobei für jeden Kanal wenig­ stens ein Bustreiber (130 bis 144) vorgesehen ist und we­ nigstens zwei Bustreiber jeweils von einer anderen Ener­ giequelle (E1, E2) mit Spannung versorgt werden.

2. Vorrichtung zum Betreiben eines verteilten Steuersystems in einem Fahrzeug, wobei eine Schnittstelle vorgesehen ist, die Teil einer einen Teil des verteilten Steuersy­ stems bildenden elektrische Einheit (106) ist und an der ein Kommunikationssystem (100) anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kommunikationssystem (100) wenig­ stens zweikanalig ist und die in der Schnittstelle ent­ haltenen wenigstens zwei Bustreiber (1 30, 132) für je­ weils einen der wenigstens zwei Kanäle jeweils von einer anderen Energiequelle (E1, E2) mit Spannung versorgt wer­ den.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle zum Kommuni­ kationssystem (100) einen Buscontroller (122 bis 128) und wenigstens zwei Bustreiber (130 bis 144) umfaßt, wobei wenigstens einer der Bustreiber (130 bis 144) einer elek­ trischen Einheit von einer anderen Energiequelle (E1) wie der andere Bustreiber und der Buscontroller versorgt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Leitungen (146 bis 152), die zwischen dem Buscon­ troller und dem Bustreiber, der von einer anderen Ener­ giequelle als der Buscontroller versorgt wird, liegen, ein galvanisches Trennelement (154 bis 160) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Trennelement ein Opto-Koppler ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübertragung zwischen jeweils dem Buscontroller (122, 124, 126, 128) und wenigstens dem Bustreiber, der von einer anderen Energiequelle als der zugehörige Buscontroller (132, 134, 140, 142) versorgt wird, so rea­ lisiert ist, daß keine galvanische Kopplung zwischen die­ sen Elementen entsteht, vorzugsweise über eine rein opti­ sche Übertragung.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Steuersystem aus mehreren elektischen Einheiten besteht, wobei jede Einheit einen aus Buscontroller und wenigstens zwei Bustreibern beste­ henden Schnittstellenbaustein aufweist, wobei ein Bus­ treiber und der Buscontroller von einer Energiequelle, der andere Bustreiber von einer anderen Energiequelle mit Strom versorgt wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Steuersystem ein Bremssy­ stem ist, bei welchem jeder Radbremse bzw. Radbremsgruppe eine Steuereinheit zugeordnet ist, die über ein Kommuni­ kationssystem mit der oder den anderen Steuereinheiten kommuniziert.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Kommunikationssystem (100) ein TTP/C-Bus ist.