DE19937156A1 - Elektrisch gesteuertes, dezentrales Steuersystem in einem Fahrzeug - Google Patents

Abstract

Es wird ein elektrisch gesteuertes, dezentrales Steuersystem in einem Fahrzeug mit Steuermodulen vorgeschlagen, denen jeweils ein Stellelement eines Fahrzeugs zur Betätigung zugeordnet ist. Die Betätigung erfolgt abhängig von einem Fahrerwunsch, der auf der Basis von Sensorsignalen in jedem Steuermodul gebildet wird, welche die Betätigung eines Betätigungselements durch den Fahrer repräsentieren. Dabei sind wenigstens drei Sensoren zur Erfassung der Betätigungssignale vorgesehen, wobei jedem Steuermodul direkt ein Betätigungssignal zugeführt wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein elektrisch gesteuertes, dezentra­ les Steuersystem in einem Fahrzeug, z. B. ein Bremssystem.

Bei derartigen Steuersystemen, die in der Regel nicht mit einem mechanischen, hydraulischen oder pneumatischen Back­ up-System ausgestattet sind, ist besonderes Augenmerk auf die Verfügbarkeit auch im Fehlerfall zu legen. Ein Beispiel für ein elektrisch gesteuertes, dezentrales Bremssystem, welches die gestellten Forderungen zufriedenstellend er­ füllt, ist aus der DE 196 34 567 A1 (GB-2 316 726 B) be­ kannt. Dieses bekannte Bremssystem für ein Kraftfahrzeug (Brake-by-wire) ist dezentral aufgebaut und besitzt ein Steuermodul zur Ermittlung des Fahrerbremswunsches und Steu­ ermodule zur Einstellung der Bremskraft an den einzelnen Fahrzeugrädern, wobei in einem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel ein solches Steuermodul eine Gruppe von Radbremsen (achsweise oder diagonal zusammengefaßt) betätigt. Zur Ver­ bindung des den Fahrerwunsch ermittelnden Steuermoduls mit den Steuermodulen zur Bremskrafteinstellung ist wenigstens ein Kommunikationssystem vorgesehen, auf welchem die Steuer­ module untereinander Daten austauschen. Um eine zumindest teilweise Funktionsfähigkeit des Bremssystems im Fehlerfall sicherzustellen, sind weitere, unabhängige Kommunikations­ verbindungen zwischen dem Steuermodul zur Fahrerwunscherfas­ sung und den Steuermodulen zur Bremskrafteinstellung vorge­ sehen. Dem Steuermodul zur Erfassung des Fahrerwunsches wer­ den die Signale mehrerer (zwei oder drei) Sensoren zuge­ führt, die die Betätigung des Bremspedals durch den Fahrer erfassen. Im Steuermodul werden diese Sensorsignalwerte durch wenigstens zwei voneinander unabhängige Rechnereinhei­ ten auf Korrektheit überprüft und jeweils ein Fahrerbrems­ wunschwert ermittelt, der dann vom jeweilig anderen Rech­ nerelement auf Korrektheit überprüft wird. Der resultierende fehlerfreie Fahrerwunschwert wird dann, ggf. abhängig von weiteren Größen wie Achslast oder von Funktionen wie einer Fahrdynamikregelung achs- oder radindividuell korrigiert, über das Kommunikationssystem den einzelnen Steuermodulen zur Bremskrafteinstellung übermittelt.

Das bekannte elektrisch gesteuerte dezentrale Steuersystem weist infolge der getrennten Module, die jeweils mit wenig­ stens zwei Rechnereinheiten ausgestattet sind, einen ver­ hältnismäßig hohen Aufwand auf.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit deren Hilfe bei einem elektrisch gesteuerten dezentralen Steuersy­ stem der Aufwand reduziert werden kann, ohne die Verfügbar­ keit und Funktionsfähigkeit des Steuersystems zu gefährden.

Dies wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprü­ che erreicht.

Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 198 26 131.4 ist bekannt, Steuermodule als sogenannte fail- operational-Einheiten auszubilden, die bei einem Einzelfeh­ ler weiterhin funktionsfähig sind. Solche Steuermodule sind fehlertolerant aufgebaut, z. B. durch eine Realisierung mit­ tels eines redundanten Mikrorechnersystems bestehend aus we­ nigstens zwei Mikrorechnern und einer Überwachungskomponen­ te. Die Mikrorechner sowie die Überwachungskomponente kommu­ nizieren über den internen Kommunikationskanal, der z. B. durch ein serielles Bussystem oder mit seriellen Schnitt­ stellen realisiert ist. Innerhalb der Mikrorechnersysteme sind zur Durchführung der Steuerungsaufgaben wenigstens zwei unabhängige Programme implementiert, die ihre Ergebnisse ge­ genseitig überprüfen. Auf diese Weise bleibt im Einzelfehler das Modul voll funktionsfähig.

Vorteile der Erfindung

Durch die direkte Zuführung von je einem Betätigungssignal eines Bedienelements, z. B. von einem Bremspedal, an Steuer­ module, die wenigstens ein ausgewähltes Stellelement (z. B. eine Radbremse) steuern, wobei wenigstens zwei unterschied­ liche Betätigungssignale vorgesehen sind, wird das aufwendi­ ge Steuermodul zur Ermittlung des Fahrerwunsches eingespart und der Aufwand für ein elektrisch gesteuertes dezentrales Steuersystem erheblich reduziert.

Der gegenseitige Austausch der Betätigungssignale zwischen den Steuermodulen bzw. der Austausch von Teilergebnissen zwischen diesen Modulen in Bezug auf den Fahrerwunsch über ein diese Einheiten verbindendes Kommunikationssystem ge­ wähtleistet die Verfügbarkeit der Fahrerwunscherfassung auch bei Ausfall eines der Sensoren zur Ermittlung eines Betäti­ gungssignals, so daß bezüglich der Verfügbarkeit des Steuer­ systems keine Einschränkungen gegenüber dem Stand der Tech­ nik zu befürchten sind.

Besonders vorteilhaft ist, wenn das die Module verbindende Kommunikationssystem ein zeitgesteuertes Kommunikationssy­ stem, beispielsweise ein sogenannter TTP/C-Bus ist. Dadurch wird eine gleichzeitige Erfassung der Betätigungssignale in den einzelnen Modulen ermöglicht, da eine synchrone System­ zeit zur Verfügung steht.

Besonders vorteilhaft ist, daß in jedem Steuermodul auch bei Ausfall des Kommunikationssystems wenigstens ein Betäti­ gungssignal zur Verfügung steht, aus dem die Betätigung des Bedienelements ableitbar ist. Somit ergibt sich auch bei Ausfall des Kommunikationssystems eine zumindest teilweise Verfügbarkeit des Bremssystems.

Besonders vorteilhaft ist, daß das auf diese Weise gebildete elektrisch gesteuerte Bremssystem in Verbindung mit allen elektrisch gesteuerten Bremsaktuatoren einsetzbar ist, bei­ spielsweise mit elektrohydraulischen Bremsaktuatoren, elek­ tropneumatischen, elektromagnetischen oder elektromotori­ schen Aktuatoren.

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 Ausführungsform näher erläutert. Die einzige Figur zeigt dabei ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines dezentralen Steuersystems am Beispiel eines elektrisch ge­ steuerten Bremssystems, bei welchem Betätigungssignale einer Bremsbetätigungseinrichtung dezentral eingelesen werden.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Nachfolgend beschrieben wird ein bevorzugtes Ausführungsbei­ spiel einer Systemstruktur für ein Brake-by-wire-System mit elektrisch angesteuerten Aktuatoren. Dabei sind für ein zweiachsiges, vierrädriges Fahrzeug vier Radmodule (RM1 bis RM4) vorgesehen, die jeweils über einen elektrohydrauli­ schen, elektropneumatischen, elektromotorischen oder elek­ tromagnetischen Aktuator eine Radbremse ansteuern. Die Ak­ tuatoren sind in der Figur mit A1 bis A4 bezeichnet, ihnen ist eine Leistungselektronik L1 bis L4 zugeordnet. Zur Fah­ rerwunscherfassung sind Sensoren S1 bis S4 vorgesehen, wel­ che im Bereich einer Bremsbetätigungseinrichtung, beispiels­ weise eines Bremspedals, angebracht sind und welche ggf. auf verschiedene Art und Weise das Betätigungsmaß der Betäti­ gungseinrichtung ermitteln. Im bevorzugten Ausführungsbei­ spiel sind vier Sensoren vorgesehen, in anderen vorteilhaf­ ten Ausführungsbeispielen sind drei Sensoren vorgesehen, wo­ bei zwei Radmodule mit demselben Betätigungssignal versorgt werden. Dies sind in einem Ausführungsbeispiel die Radmodu­ le, welche die Bremsen der Hinterachse betätigen. Über ein Kommunikationssystem K1, welches die Radmodule miteinander verbindet, tauschen die Radmodule die eingelesenen Betäti­ gungssignalwerte und/oder daraus abgeleitete Fahrerwun­ schwerte gegenseitig aus. Somit liegen in jedem der Radmodu­ le mindestens drei Betätigungssignale der Betätigungsein­ richtung und/oder daraus abgeleitete Fahrerwunschsignals vor, so daß in jedem der Radmodule eine auf wenigstens drei Signalwerte basierte Ermittlung des Fahrerbremswunsches er­ möglicht wird. Auf der Basis des gebildeten Fahrerwunsches werden dann die Stellgrößen zur Ansteuerung der Aktuatoren gebildet, welche über die Kommunikationsverbindungen oder Ansteuerleitungen K2 bis K5 an die Leistungseinheiten der Aktuatoren übermittelt werden. Ferner werden die Radmodule RM1 bis RM4 sowie Leistungseinheiten und Aktuatoren L1 bis L4 und A1 bis A4 von wenigstens einem sicheren Energiekreis oder wenigstens zwei unabhängigen Energiekreisen des elek­ trischen Bordnetzes E versorgt. Über eine Schnittstelle I ist das Kommunikationssystem K1 mit einem weiteren Kommuni­ kationssystem K6 verbunden, über welches Betriebsgrößen an­ derer Steuersysteme empfangen oder Informationen aus der Bremsanlage an andere Steuersysteme abgegeben werden. Über das Kommunikationssystem K6 werden in einem Ausführungsbei­ spiel auch Steuereinheiten angebunden, welche übergeordnete, die Bremsen beeinflussende Funktionen wie eine Fahrdyna­ mikregelung, eine Antriebsschlupfregelung, etc. berechnen, mit Informationen versorgt. Von diesen Steuereinheiten wer­ den Bremswunschwerte an die Radmoduleinheiten übermittelt.

Fig. 1 beschreibt also eine dezentrale Sensorauswertung in einem System mit verteilten Steuermodulen in sicherheitskri­ tischen Systemen, beispielsweise bei Brake-by-wire-Systemen oder anderen Systemen mit verteilten Steuereinheiten, wie beispielsweise Lenksystemen, elektrischen Antriebssystemen, etc. Dabei wird der Fahrerwunsch jeweils auf der Basis von mehreren Betätigungssignalen gebildet, die jeweils dezentral von den Steuermodulen eingelesen und durch gegenseitigen Vergleich plausibilisiert werden, um fehlerhafte Signale zu erkennen, auszuschließen und die Steuerung auf der Basis fehlerfreier Signale durchzuführen.

Wie oben dargestellt besteht das beispielhafte Bremssystem aus vier Radmodulen RM1 bis RM4 zur Regelung der Bremskraft an den zugeordneten Radbremsen mittels Aktuatoren A1 bis A4. Der Sollwert für die Größe der einzustellenden Bremskraft wird über Sensoren S1 bis S4 am Fußpedal vorgegeben. Aus Si­ cherheitsgründen werden mehrere Sensoren angeschlossen, da­ mit bei Ausfall eines Sensors aus den verbleibenden Sensoren weiterhin der Sollwert ermittelt werden kann. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel verwenden die Sensoren unterschiedliche Meßprinzipien, beispielsweise wird der Pedalweg, der Pedal­ winkel oder die Fußkraft zwischen Fahrerfuß und Pedal er­ faßt. Wichtig ist, daß ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Fahrerbremswunsch und Meßsignal besteht. Aus den Sensorsi­ gnalen wird dann ein Sollwert, beispielsweise unter Mittel­ wertbildung, Minimalwertauswahl, Maximalwertauswahl oder ähnlicher Verknüpfungsoperationen berechnet. Da im fehler­ freien Betrieb alle Sensoren nach der Umsetzung ihrer Signa­ le in ein Bremswunschsignal dasselbe Bremskraftsignal als Bremswunsch des Fahrers liefern (im Rahmen der Toleranzen), wird aus Abweichungen zwischen den Bremswunschsignalen der fehlerhafte Sensorkanal (Sensor, Leitung, Stecker, Wandler, etc.) ermittelt. Die Ermittlung des fehlerhaften Sensorsi­ gnals ist bei wenigstens drei vorhandenen Sensorsignalen mittels einer Zwei- aus Dreiauswahl zu bewerkstelligen, die im Rahmen des eingangs genannten Standes der Technik be­ schrieben ist.

In dem in Fig. 1 gezeigten dezentralen System mit verteil­ ten Steuermodulen wird jedem Steuermodul ein Betätigungs­ signal zugeführt. Bei drei Sensoren, was im bevorzugten Aus­ führungsbeispiel der Fall ist, werden zwei Radmodulen, bei­ spielsweise denen der Hinterachse, dasselbe Betätigungs­ signal zugeführt. Jedes Radmodul bildet aus dem ihm zuge­ führten Betätigungssignal ein Fahrerbremswunschsignal und übermittelt dieses und/oder das Sensorsignal über das Kommu­ nikationssystem K1 an die anderen Radmodule. Die Sensorsi­ gnale und/oder Fahrerwunschsignale der anderen Radmodule werden von dem Radmodul über das Kommunikationssystem K1 empfangen, wobei dieselben Signale bei der Verwendung von nur drei Sensoren gekennzeichnet sein können. Auf der Basis der jetzt vorliegenden wenigstens drei unterschiedlichen Be­ tätigungssignalen und/oder vier Fahrerwunschsignale bildet das Radmodul nach Maßgabe der ihm vorgegebenen Verknüpfungs­ operation den Gesamtfahrerwunsch, den es zur Einstellung an die Leistungseinheit und den Aktuator, die ihm zugeordnet sind, übermittelt.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Kommunikationssystem K1 um ein serielles Kommunikationssy­ stem. Die Bildung des Fahrerwunsches in jedem Radmodul aus den zugeführten Sensor- und/oder Fahrerwunschsignalen wird durch Prüfung der Werte auf Signalkonsistenz eingeleitet. Durch Vergleiche der Signalwerte wird ein fehlerhafter Sen­ sorkanal ermittelt. In diesem Fall wird das entsprechende Signal von der Fahrerwunschbildung ausgeschlossen. Auf der Basis der verbleibenden Werte bei Ausfall eines Sensorkanals kann, da mindestens drei unterschiedliche Signale vorliegen, somit im Fehlerfall immer noch mindestens zwei, der Fahrer­ wunsch aus den verbleibenden, fehlerfreien Signalen sicher berechnet werden. Bei Ausfall eines Sensorkanals wird der Fahrer beispielsweise über eine Warnlampe oder eine ähnliche Information über den herrschenden Fehlerzustand informiert. Der Bremsvorgang läuft weiterhin wie im Normalbetrieb.

Auch bei Ausfall des Kommunikationssystems K1 stehen jedem Steuermodul immer noch ein Sensorsignal zu einem Notbetrieb zur Verfügung.

Claims (11)

1. Elektrisch gesteuertes, dezentrales Steuersystem in einem Fahrzeug, mit dezentral angeordneten Steuermodulen (RM1 bis RM4), die jeweils über einen elektrisch angesteuerten Aktuator (A1 bis A4) jeweils ein Stellelement des Fahr­ zeugs betätigen, wobei zur Erfassung einer Betätigungs­ größe einer Betätigungseinrichtung des Fahrers wenigstens drei Betätigungssignale, die von wenigstens drei Meßein­ richtungen (S1 bis S4) erfaßt wurden, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Steuermodule (RM1 bis RM4) direkt ein ausgewähltes Sensorsignal zugeführt wird.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem ein elektrisch gesteuertes Bremssystem ist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Radmodul aus dem ihm zugeführten Betätigungssignal ein Fahrerbremswunschsignal ermittelt.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermodule über ein Kommunika­ tionssystem miteinander verbunden sind, wobei das jewei­ lige Steuermodul den ihr zugeführten Betätigungssignal­ wert und/oder den aus dem zugeführten Betätigungssignal ermittelten Fahrerwunschwert den anderen Steuermodulen über das Kommunikationssystem übermittelt.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kommunikationssystem ein deterministisches Verhalten auf­ weist und eine globale Systemzeit in allen an das Kommu­ nikationssystem angeschlossenen Steuergeräten zur Syn­ chronisation genutzt werden kann.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Steuermodul die Betätigungs­ signale und/oder die Fahrerwunschwerte der anderen Steu­ ermodule eingelesen und auf der Basis der zur Verfügung stehenden Werte ein Fahrerwunsch für das zu steuernde Stellelement ermittelt wird.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Steuermodul die zur Verfü­ gung stehenden Signalwerte auf Signalkonsistenz überprüft werden, wobei bei fehlender Signalkonsistenz der fehler­ behaftete Wert ermittelt und ausgeschlossen wird.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Fehlerfall der Fahrerwunsch in je­ dem Steuermodul auf der Basis der fehlerfreien Signalwer­ te ermittelt wird.

9. System nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Fahrerbremswunschwert ein Bremskraft- und/oder Bremsmomentenwert ist, der aus den Betätigungs­ signalen abgeleitet wird.

10. System nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einem Bremssystem mit vier Steuermodu­ len an jedem Rad eines Fahrzeugs und drei Betätigungssen­ soren zwei der Steuermodule dasselbe Signal zugeführt werden, vorzugsweise den die Hinterachsbremse steuernden Steuermodulen.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Steuermodule verbindende Kom­ munikationssystem eine Schnittstelle zu einem weiteren Kommunikationssystem aufweist, über das das Steuersystem mit anderen Steuereinheiten verbunden ist.