DE4212890C2 - Anordnung zum Testen des Ausgangsverhaltens induktiver oder kapazitiver Lasten ansteuernder Steuergeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bereits eine gattungsgemäße Anordnung bekannt, wonach bei Verwendung stromgeregelter Ventile in Kraftfahrzeugen, die von einem Steuergerät angesteuert werden, das Ausgangsverhalten und damit die Anpassung des Steuergerätes an die Ventile gete­ stet wird, indem Ventile an die entsprechenden Endstufen ange­ schlossen und unter den entsprechenden Betriebsbedingungen ge­ testet werden. Die Stromregelung der Ventile ergibt gegenüber ungeregelten Ventilen, die bei der Ansteuerung mit einem kon­ stanten Strom beaufschlagt werden, der unter jeden Betriebsbe­ dingungen ein sicheres Ansprechen der Ventile ermöglichen soll, Vorteile hinsichtlich der Verlustleistung und damit auch hin­ sichtlich der Baugröße, da weniger Wärmeleistung abgeführt werden muß. Da die Ventile an die entsprechenden Endstufen an­ geschlossen und unter den entsprechenden Betriebsbedingungen getestet werden, ergeben sich Nachteile hinsichtlich des zeit­ lichen und apparativen Aufwandes beim Testen, da die zu te­ stende Anordnung beispielsweise in einen Klimaschrank einge­ bracht werden muß, um die Funktionstests bei unterschiedlichen Temperaturen durchführen zu können.

Aus der DE 30 24 266 A1 ist eine Vorrichtung zum Prüfen einer Anlage zum Steuern verschiedener Einrichtungen eines Kraftfahrzeugs bekannt. Sie umfaßt einen sogenannten Simulator, welcher es erlaubt, wahlweise eine Mehrzahl von Signalen einer Mehrzahl von Sensoren oder eine entsprechende Mehrzahl entsprechender Ersatzsignale aus einem entsprechend vielkanaligen Testgenerator auf eine zu untersuchende Steuereinheit zu schalten und die von letzterer ausgegebenen Steuersignale wahlweise an eine Mehrzahl von tatsächlichen Lasten oder eine Mehrzahl von Ersatzlasten zu schalten.

Aus der DE 29 18 956 C2 ist eine Prüfeinrichtung bekannt, die als Bauelement, welches die Abläufe einer vielkanaligen Analyse innerhalb einer ähnlichen Prüfvorrichtung steuert, einen Mikroprozessor vorsieht.

Aufgabe der Erfindung ist es, derartige Funktionstests hin­ sichtlich ihrer Durchführung zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung zum Te­ sten des Ausgangsverhaltens induktiver oder kapazitiver Lasten ansteuernder Steuergeräte erfindungsgemäß mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kenn­ zeichnen.

Weitere Vorteile der Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik bestehen darin, daß damit Funktionsstörungen ein­ grenzbar sind auf das Steuergerät oder das Ventil. Beim Stand der Technik zeigt sich u. U. nur, daß die aus Steuergerät und Ventilen bestehende Gesamtanordnung nicht funktioniert.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand eines Steu­ ergerätes beschrieben, bei dem die Last ein Schaltventil ist, das angesteuert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird an den Ausgang des Steuergerätes eine Schaltung angeschlossen, die in der Ansteuerleitung von dem Steuergerät zu dem Schaltventil entsprechend den von dem Steuergerät vorgegebenen Schaltzu­ ständen einen Stromfluß bewirkt, der dem Strom entspricht, der in der Ansteuerleitung bei einem angeschlossenen Schaltventil fließt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Verlauf des Stromes eines Schaltventiles,

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung und

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Das Schaltventil stellt einen induktiven elektrischen Verbrau­ cher dar, so daß sich ein Verlauf des Ansteuerstromes entspre­ chend der Darstellung der Fig. 1 ergibt. Zum Zeitpunkt t₀ wird dem Schaltventil ein Sollwert eines Ansteuerstromes übergeben, der eine solche Größenordnung aufweist, daß sich der Schalt­ ventilanker aus seiner Ruhelage in Richtung seiner Endlage in Bewegung setzt, wenn der Wert des Ansteuerstromes diesen Soll­ wert erreicht. Der Ansteuerstrom steigt daraufhin mit einem Ansprechverzug an nach der Gleichung:

i(t) = I_{max1 *} (1-exp {-t-(t₀)/t_aus}).

Zum Zeitpunkt t₁ setzt sich der Schaltventilanker so in Bewe­ gung, daß aufgrund der Lenz′schen Regel diese Bewegung des Schaltventilankers eine solche Spannung induziert, die ihrer Ursache - dem Ansteuerstrom - entgegenwirkt. Somit ergibt sich für die Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t₁ bis zu dem Zeitpunkt t₂, zu dem der Schaltventilanker in seiner Endlage angeschlagen ist, insgesamt eine Abnahme des Ansteuerstromes. Da sich der magnetische Kreis dann geschlossen hat, erfolgt von dem Zeit­ punkt t₂ bis zu dem Zeitpunkt t₃, zu dem der dem Schaltventil übergebene Sollwert des Ansteuerstromes gleich null wird, eine Zunahme des Ansteuerstromes mit der Zeitkonstanten t_ein, die größer ist als die Zeitkonstante t_aus, nach der Gleichung:

i(t) = I_{max2 *} (1-exp {-(t-t₂)/t_ein}).

Der Schaltventilanker setzt sich zu dem Zeitpunkt t₃ noch nicht sofort in Richtung seiner Ruhelage in Bewegung, da eine Span­ nung induziert wird, die der plötzlichen Abnahme des Ansteuerstromes entgegen wirkt und somit zu einem zeitlich verzögerten Abbau des Ansteuerstromes führt. Dieser abfallende Ansteuerstrom hält somit bis zu dem Zeitpunkt t₄ den Schalt­ ventilanker in der Endlage. Zu dem Zeitpunkt t₄ hat der Ansteuerstrom den zum Halten der Endlage notwendigen Haltestrom I_Halte unterschritten, so daß sich der Schaltventilanker in Richtung seiner Ruhelage in Bewegung setzt. Da der magnetische Kreis immer noch geschlossen ist, fällt der Ansteuerstrom von der Zeitspanne t₃ bis zur Zeitspanne t₄ mit der Zeitkonstanten t_ein ab nach der Gleichung:

i(t) = I_{max2 *} exp{-(t-t₃)/t_ein }).

Die Bewegung des Schaltventilankers aus der Endlage in Richtung seiner Ruhelage ab dem Zeitpunkt t₄ bis zu dem Erreichen der Ruhelage zum Zeitpunkt t₅ bewirkt eine Induktion einer Span­ nung, die der Ursache der Bewegung des Schaltventilankers - dem abfallenden Ankerstrom - entgegen gerichtet ist. Somit ist in der Zeitspanne von t₄ nach t₅ ein Ansteigen des Ansteuerstromes festzustellen. Nach dem Erreichen der Ruhelage zum Zeitpunkt t₅ fällt der Ansteuerstrom aufgrund des geöffneten magnetischen Kreises mit der Zeitkonstanten t_aus ab nach der Gleichung:

i(t) = I_{max3 *} exp{-(t-t₅)/t_aus }).

Eine Stromregelung des Schaltventiles kann nun derart erfolgen, daß bei einer Auswertung der charakteristischen Größen dieses Verlaufes des Ansteuerstromes über der Zeit beispielsweise die Größe des Haltestromes I_Halte des Schaltventilankers in Abhän­ gigkeit des Stromes zum Zeitpunkt t₁ oder zum Zeitpunkt t₂ vorgegeben werden. Dabei kann diese Abhängigkeit derart sein, daß der Haltestrom I_Halte linear ansteigt mit der Größe des entsprechenden Stromes zum Zeitpunkt t₁ oder t₂. Dazu ist es notwendig, eine Differentiation des zeitlichen Verlaufes des Ansteuerstromes durchzuführen, um die Richtungsänderung des Verlaufes von dem Zeitpunkt t₁ zu dem Zeitpunkt t₂ gegenüber der Richtung des Verlaufes von dem Zeitpunkt t₀ zu dem Zeit­ punkt t₁ und damit den Zeitpunkt t₁ erkennen zu können. Ent­ sprechend gilt, daß eine Differentiation des zeitlichen Ver­ laufes des Ansteuerstromes durchzuführen ist, um die Rich­ tungsänderung des Verlaufes von dem Zeitpunkt t₂ zu dem Zeit­ punkt t₃ gegenüber der Richtung des Verlaufes von dem Zeitpunkt t₁ zu dem Zeitpunkt t₂ und damit den Zeitpunkt t₂ zu erkennen, wenn der Haltestrom I_Halte auf den Wert des Ansteuerstromes zum Zeitpunkt t₂ bezogen werden soll. Des weiteren kann aus dem gemessenen Verlauf des Ansteuerstromes eine Identifikation der Parameter der einzelnen Teilstücke des Verlaufes des Ansteuerstromes entsprechend den angeführten Gleichungen durchgeführt werden. Somit ist es durch einen Vergleich der aufgrund der Parameteridentifikation bestimmten Parameter mit zugehörigen Referenzwerten möglich, auf Betriebsbedingungen bzw. Funktionsstörungen zu schließen. Die Zeitkonstanten t_ein und t_aus sind von dem verwendeten Schaltventil abhängig und ergeben sich aus dem ohmschen und dem induktiven Widerstand.

Fig. 2 zeigt ein Steuergerät 201, das in diesem Ausführungs­ beispiel ein Kraftfahrzeug-Steuergerät wie z. B. ein Steuergerät eines Antiblockiersystems (ABS) ist. Das Steuergerät 201 weist dabei einen Verpolschutz 202 auf, der aus einer Diode bestehen kann, eine Ventilendstufe 203, die von einem Mikrocomputer 204 angesteuert wird, einen Anschluß 205 für ein Schaltventil (An­ schlußleitung 211), einen Shunt-Widerstand 206 zur Messung des über die Anschlußleitung 211 zu dem Schaltventil fließenden Stromes sowie eine Freilaufdiode 207. Die an dem Shunt-Wider­ stand 206 abfallende Spannung wird über einen Operationsver­ stärker 208 dem Mikrocomputer 204 zugeführt, in dem dann eine Auswertung des sensierten Stromes erfolgt, wobei die Sensierung des Stromes durch Auswertung der an dem Shunt-Widerstand 206 abfallenden Spannung erfolgt. Auf der Grundlage des sensierten Stromes erfolgt dann in dem Mikrocomputer 204 in an sich be­ kannter Weise eine Ansteuerung über die Ventilendstufe 203.

Weiterhin ist Fig. 2 zu entnehmen, daß an den Anschluß 205 ein Ventilsimulator 209 angeschlossen ist. Grundsätzlich ist dabei die Wirkungsweise dieses Ventilsimulators 209 derart, daß ent­ sprechend den vom Steuergerät 201 vorgegebenen Schaltbedin­ gungen von dem Ventilsimulator 209 an der Anschlußstelle 205 ein Stromfluß verursacht wird, der einem Stromfluß bei einem angeschlossenen Schaltventil entspricht. Dies wird dadurch realisiert, daß der Ventilsimulator 209 einen Prozessor 210 enthält, dem über einen Eingang 212 der momentan von dem Steu­ ergerät 201 ausgegebene Schaltzustand übermittelt wird. Auf­ grund dieses Schaltzustandes erfolgt über die Digi­ tal/Analog-Wandler 214 und 215 eine Ansteuerung der Operati­ onsverstärker 216 und 217, mittels deren Ausgangssignal dann die Transistoren 218 und 219 entsprechend leitend geschaltet werden. Wird der Transistor 219 leitend geschaltet, bewirkt dies einen Stromfluß nach Masse, d. h., daß in diesem Falle der Ventilsimulator 209 als Stromsenke wirkt. Wird hingegen der Transistor 218 leitend geschaltet, bewirkt dies einen Stromfluß im Sinne eines an die Anschlüsse 205 angeschlossenen Schaltventiles nach dem Abschalten des Schaltventiles in dem Zeitraum des Zusammenbrechens des in der Spule des Schaltventiles vorhandenen magnetischen Feldes.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 werden dem Prozessor 210 mittels einer Eingabevorrichtung 220 Parameter des Schaltventiles angegeben, die von dem Ventilsimulator 209 si­ muliert werden sollen. Diese Parameter können dabei beispiels­ weise die Temperatur, die Induktivität, der ohmsche Widerstand und/oder die Kapazität des Schaltventiles sein, wobei grund­ sätzlich auch Parameter anderer zu simulierender Lasten ange­ geben werden können. Bei Eingabe der Temperatur kann bei­ spielsweise ein Funktionstest in Abhängigkeit der sich ändern­ den Temperatur durchgeführt werden, wenn die Änderung der elektrischen Größen (ohmscher Widerstand, Induktivität, Kapa­ zität) in dem Prozessor 210 ermittelbar ist. Die angegebenen elektrischen Größen beziehen sich dann auf einen bestimmten Wert der Temperatur, die elektrischen Größen bei den anderen Temperaturen können dann abgeleitet werden. In dem Prozes­ sor 210 werden dann aus den Parametern in Echtzeit Signale erzeugt, die an die Operationsverstärker 216 und 217 ausgegeben werden und einen Stromfluß entsprechend dem vorgegebenen Schaltzustand und entsprechend der zu simulierenden Last be­ wirken. Alternativ zu der Berechnung in Echtzeit kann der Pro­ zessor auch auf eine Speichereinrichtung 221 zugreifen, in der entsprechende Zeitverhalten der zu simulierenden Lasten tabellenartig abgelegt sein können.

Fig. 3 zeigt ein Steuergerät 301, das in diesem Ausführungs­ beispiel ein Kraftfahrzeug-Steuergerät wie z. B. ein Steuergerät eines Antiblockiersystems (ABS) ist. Das Steuergerät 301 weist dabei einen Verpolschutz 302 auf, der aus einer Diode bestehen kann, eine Ventilendstufe 303, die von einem Mikrocomputer 304 angesteuert wird, einen Anschluß 305 für ein Schaltventil (An­ schlußleitung 311), einen Shunt-Widerstand 306 zur Messung des über die Anschlußleitung 311 zu dem Schaltventil fließenden Stromes sowie eine Freilaufdiode 307. Die an dem Shunt-Wider­ stand 306 abfallende Spannung wird über einen Operationsver­ stärker 308 dem Mikrocomputer 304 zugeführt, in dem dann eine Auswertung des sensierten Stromes erfolgt, wobei die Sensierung des Stromes durch Auswertung der an dem Shunt-Widerstand 306 abfallenden Spannung erfolgt. Auf der Grundlage des sensierten Stromes erfolgt dann in dem Mikrocomputer 304 in an sich be­ kannter Weise eine Ansteuerung über die Ventilendstufe 303.

Weiterhin ist Fig. 3 zu entnehmen, daß an den Anschluß 305 ein Ventilsimulator 309 angeschlossen ist. Grundsätzlich ist dabei die Wirkungsweise dieses Ventilsimulators 309 derart, daß ent­ sprechend den vom Steuergerät 301 vorgegebenen Schaltbedin­ gungen von dem Ventilsimulator 309 an der Anschlußstelle 305 ein Stromfluß verursacht wird, der einem Stromfluß bei einem angeschlossenen Schaltventil entspricht. Dies wird dadurch realisiert, daß der Ventilsimulator 309 einen Prozessor 310 enthält, dem über eine Zuleitung 312 der momentan von dem Steuergerät 301 ausgegebene Schaltzustand übermittelt wird. Aufgrund dieses Schaltzustandes erfolgt über den Digi­ tal/Analog-Wandler 313 eine Ansteuerung des Operationsverstär­ kers 314, mittels dessen Ausgangssignal dann der Transistor 315 entsprechend leitend geschaltet wird. Ist der Schalter 303 ge­ schlossen, sind die Spannungsquellen U_Batt und U_H in Serie ge­ schaltet. Um dann beispielsweise eine Einschaltphase einer in­ duktiven Last zu simulieren, muß der Transistor so durchge­ schaltet werden, daß der sich ergebende Widerstand auf der Kollektor-Emitter-Strecke eine dem entsprechenden Zeitpunkt der Einschaltphase entsprechende Strombegrenzung bewirkt. Soll dann eine Ausschaltphase einer induktiven Last simuliert werden, muß der Transistor so durchgeschaltet werden, daß der sich erge­ bende Widerstand auf der Kollektor-Emitter-Strecke einen dem entsprechenden Zeitpunkt der Ausschaltphase entsprechenden Stromfluß bewirkt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß dann der Schalter 303 geöffnet ist, d. h., daß nur noch die Hilfsspan­ nungsquelle 316 anliegt. Demnach sind die einzustellenden Wi­ derstandswerte in der Ausschaltphase grundsätzlich kleiner als in der Einschaltphase.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 werden dem Prozessor 310 mittels einer Eingabevorrichtung 320 Parameter des Schaltventiles angegeben, die von dem Ventilsimulator 309 si­ muliert werden sollen. Diese Parameter können dabei beispiels­ weise die Temperatur, die Induktivität, der ohmsche Widerstand und/oder die Kapazität des Schaltventiles sein, wobei grund­ sätzlich auch Parameter anderer zu simulierender Lasten ange­ geben werden können. Bei Eingabe der Temperatur kann bei­ spielsweise ein Funktionstest in Abhängigkeit der sich ändern­ den Temperatur durchgeführt werden, wenn die Änderung der elektrischen Größen (ohmscher Widerstand, Induktivität, Kapa­ zität) in dem Prozessor 310 ermittelbar ist. Die angegebenen elektrischen Größen beziehen sich dann auf einen bestimmten Wert der Temperatur, die elektrischen Größen bei den anderen Temperaturen können dann abgeleitet werden. In dem Prozes­ sor 310 werden dann aus den Parametern in Echtzeit Signale er­ zeugt, die an die Operationsverstärker 316 und 317 ausgegeben werden und einen Stromfluß entsprechend dem vorgegebenen Schaltzustand und entsprechend der zu simulierenden Last be­ wirken. Alternativ zu der Berechnung in Echtzeit kann der Pro­ zessor auch auf eine Speichereinrichtung 321 zugreifen, in der entsprechende Zeitverhalten der zu simulierenden Lasten tabellenartig abgelegt sein können.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen zeigt Fig. 2 eine An­ ordnung für Low-Side-Ventile und Fig. 3 eine Anordnung für High-Side-Ventile. Es ist dabei jedoch ersichtlich, daß die Verwendung zweier Transistoren bzw. eines Transistors sowie einer Hilfsspannungsquelle unabhängig davon ist, ob es sich um eine Low-Side-Anordnung oder um eine High-Side-Anordnung han­ delt.

Claims (5)

1. Anordnung zum Testen des Ausgangsverhaltens von Steuergeräten, welche zur Ansteuerung von induktiven oder kapazitiven Lasten vorgesehen sind, und mittels deren der Test des Steuergerätes in einer Betriebsart erfolgt, welche derjenigen mit der normalerweise angeschlossenen Betriebslast entspricht,
dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Anordnung einen elektronischen Lastsimulator (209, 309) umfaßt, welcher mit dem Steuergerät (201, 301) ausgangsseitig verbindbar ist,
• - daß der Lastsimulator (209, 309) einen Prozessor (210, 310) umfaßt, welchem der vom Steuergerät (201, 301) momentan vorgegebene Schaltzustand übermittelbar (212, 312) ist,
• - daß der Prozessor (210, 310) ausgangsseitig mit einer mehrere Bauteile (216, 217, 218, 219, 314, 315) umfassenden Vorrichtung wirkverbunden und die Vorrichtung insoweit in Abhängigkeit von dem aktuell übermittelten Schaltzustand und Parametern (220, 320) ansteuerbar ist, welche das Strom-/Spannungs-Zeitverhalten der zu simulierenden Last kennzeichnen, und
• - wobei die Bauteile (216, 217, 218, 219, 314, 315) der Vorrichtung einen für das Steuergerät meßbaren Stromfluß (206, 306) bewirken, der demjenigen Stromfluß entspricht, den die zu simulierende Last unter Betriebsbedingungen bewirkt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (216, 217, 218, 219, 314, 315) der Vorrichtung aus wenigstens einem Operationsverstärker (216, 217, 314) und wenigstens einem Transistor (218, 219, 315) bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus einem Operationsverstärker (314) und einem Transistor (315) gebildet wird, wobei diese Vorrichtung mit einer Hilfsspannungsquelle (316) zusammenwirkt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter der Last dem Prozessor (210, 310) mittels einer Eingabevorrichtung (220, 320) angegeben werden.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Simulator (209, 309) eine induktive Last, insbesondere ein Schaltventil, simuliert und daß die Bauteile (216, 217, 218, 219, 314, 315) der Vorrichtung so angesteuert werden, daß bei einem Wechsel des von der Steuereinrichtung (201, 301) vorgegebenen Schaltzustandes der Stromfluß einen exponentiellen Verlauf annimmt.