JP4124651B2 - パルス幅変調が用いられる出力段の機能を監視する方法と装置 - Google Patents

Description

【０００１】
技術分野
パルス幅変調が用いられる出力段は電気的な負荷、例えば自動車エンジンまたは工業施設における調整素子（アクチュエータ）の制御において広範に使用されている。これらの出力段は負荷が必要とする電力を供給する。これらの出力段には、例えば負荷の故障、アースへの短絡または正の電位への短絡のような誤りが生じる可能性がある。したがって、誤りを検出する簡単且つ確実な方法を提供することが重要である。
【０００２】
従来技術
ＤＥ ４０ １２ １０９ Ａ１は電気的な負荷、この負荷の出力段、制御部及びそれに所属するコネクションの機能を監視する装置に関するものである。出力段に並列に誤り検出ロジックが接続されており、この誤り検出ロジックは入力側電位と出力側電位とをハードウェア的に比較することによって、また基準電位を用いることにより、起こりうる誤りの事例「アースへの短絡」、「正の電位への短絡」並びに「負荷の故障」を区別する。
【０００３】
ＤＥ １９８ ５１ ７３２ Ａ１は、電気的な負荷のための少なくとも１つの電流制御段を監視する方法と装置に関するものである。電流制御段は、少なくとも１つの切替手段および電流制御装置を有する。負荷にはデューティ比によって決定される電流が流れ、この電流は電流制御装置によって目標値に調整することができる。電流制御段を監視するためにデューティ比及び／又はデューティ比から導出される量が閾値と比較され、偏差する場合には誤りが検出される。ここで閾値はその他の電流制御段の内の少なくとも１つにおいて生じるそれぞれの相応の量である。デューティ比は切替手段が閉じられている持続時間と全体の制御時間との比である。しかしながら例えば切替手段が閉じられている持続時間と切替手段が開かれている持続時間との比も使用することができる。
【０００４】
これまで従来技術においては主として、パルス幅変調（ＰＷＭ）が用いられる出力段を監視する２つの可能性が使用されていた。すなわち、インテリジェンス出力段の状態出力の評価または出力段出力をディジタルポートにフィードバックすることによる状態の検出である。これら２つの可能性はアクティブなＰＷＭ動作には適していない。インテリジェンス出力段の状態信号の評価の際に瞬時の状態は先ず遅延されて供給される。この遅延は出力段固有であり、例えば１ｍｓ以上になる可能性がある。ディジタル入力側にフィードバックする場合には、出力信号を正確に所定の時点にサンプリングすることが必要である。このことはシステムに関して限界に達する高い計算能力を用いてのみ実現することができる。ＰＷＭ出力段の機能を監視するために前述の２つの可能性を使用する場合には、適切な時点の出力信号のサンプリングは、出力段の出力側における制御信号が作用するまでの制御の持続時間が既知である場合にのみ可能である。
【０００５】
発明の説明
本発明による解決策でもって達成される利点は例えば、出力段の監視は、例えば出力段出力値をディジタルにフィードバックする場合に同期させてサンプリングするよりも少ない計算能力で済むということである。さらに監視をいかなる時点においても、すなわち出力段のアクティブな動作時にも行うことができる。さらに監視に必要とされる電気的な構成素子は費用のかからない標準的な構成素子、例えば抵抗及びコンデンサである。本発明の別の利点は、制御時の上述した経過時間が平均化によって均等にされるということである。
【０００６】
出力段を監視する本発明による方法及び本発明による装置は、マイクロコントローラにより任意のデューティ比を有する信号でもって制御される出力段、有利にはパルス幅変調（ＰＭＷ）が用いられる出力段に適している。本発明による診断は、ＰＭＷハイサイド出力段においてもＰＭＷローサイド出力段においても、またこの出力段を制御する周波数に依存せずとも可能である。制御周波数は出力段のスイッチング時間によってのみ制限される。
【０００７】
本発明では出力段の制御信号が電気回路を介して平均化され、出力段の入力信号から算出された目標値と比較される。出力信号の平均化における利点は、制御信号が作用するまでの出力段の制御の経過時間が均等化され、出力段の診断は何時でも可能である、ということである。平均化された値が算出された目標値から偏差する場合には誤りが診断される。故障の無い動作では２つの値は（許容範囲の枠内において）等しい。比較すべき２つの値が出力段の入力信号と出力信号とから形成されている方法の利点は、診断をすなわち他の出力段に完全に依存せずに行う比較値用の別の出力段を使用する必要が無いということである。
【０００８】
監視すべき出力段の出力信号の平均化は、本発明では少なくとも１つの抵抗及び少なくとも１つのフィルタ、有利には抵抗網及び１つのフィルタを包含する電気回路によって行われる。フィルタは有利にはローパスフィルタであり、このローパスフィルタは殊に有利にはコンデンサを包含する。これらの受動的な構成素子（例えば抵抗及びコンデンサ）の利点は、これらの構成素子が標準的な構成素子であるためコストが掛からないということである。有利にはコンデンサのキャパシタンスは、監視される出力段のスイッチング周波数が所定である場合に出力段の出力信号の平滑化が達成されるように選定される。抵抗網における抵抗は有利には、出力段のアイドル時には出力段の出力側ではバッテリ電圧の１／４からバッテリ電圧の３／４までの電圧値、有利にはバッテリ電圧１／２の電圧値が生じ、マイクロコントローラのアナログ入力側では出力段の完全な動作領域が模写されるように設計されている。
【０００９】
本発明の実施形態では、電気回路を介して平均化された値がマイクロコントローラのアナログ入力側にフィードバックされ、そのアナログ入力側においてはデューティ比に応じて所定の電圧が生じる。ディジタル入力側へのフィードバックに対するアナログ入力側へのフィードバックの利点は、出力信号を正確な時点にサンプリングする必要はなく、したがって計算能力が節約されるということである。この電圧との比較用の目標値を算出するために、本発明によるフィードバックのソフトウェア技術的なシミュレーションによる、マイクロコントローラ制御信号の平均化が行われる。このことは、ソフトウェアが出力段及び電気回路をシミュレートし、任意のデューティ比を有する出力段の入力信号に予期される回路出力信号が算出されるということを意味している。誤りが生じた場合には回路によって平均化された値の算出された目標値からの偏差量に基づいて、誤りの性質に応じた情報を付与することができる。
【００１０】
図面
図面に基づき本発明を以下詳細に説明する。ここで図１は、出力段を監視する装置の構造である。
【００１１】
実施形態のヴァリエーション
図１は、本発明による方法を使用することができる、ＰＷＭハイサイド出力段を監視する本発明による装置の可能な実施形態を示す。
【００１２】
マイクロコントローラμＣによって、ＰＷＭハイサイド出力段１は任意のデューティ比でもって制御される。出力段１の診断のために、出力段の出力信号３が抵抗網Ｒ及びフィルタ７を介して、マイクロコントローラμＣのアナログ入力側８にフィードバックされる。
【００１３】
回路４における抵抗Ｒは例えば、アイドル時に出力段１の出力側３においてバッテリ電圧ＵＢの１／２の電圧が生じるように設計されている。
【００１４】
図１に示した本発明の実施形態においてはフィルタ７としてローパスフィルタが使用され、このローパスフィルタはコンデンサＣを包含する。コンデンサＣのキャパシタンスは出力段１におけるスイッチング周波数が出力信号３の平滑化を行うように選定される。
【００１５】
デューティ比に応じて、回路４の出力信号６としてマイクロコントローラμＣのアナログ入力側８には電圧が生じる。この電圧６は目標値５と比較される。目標値５はフィードバックのソフトウェア技術的なシミュレーションによってマイクロコントローラμＣにおいて算出される。出力段１の出力信号３を平均化するために出力段１及び回路４がシミュレートされ、出力段への入力信号２に予期される回路出力信号６が算出される。算出された目標値５は回路４によって平均化された出力信号６と比較される。２つの値が（許容範囲内で）等しい場合には、出力段は正常に動作している。誤りが生じた場合には、平均化された値６は目標値５から偏差している。この偏差量に基づいて、誤りの性質に関する情報を付与することができる。
【００１６】
測定された値６が算出された値５よりも低い場合には、アースへの短絡が診断される。測定された値６が算出された値５よりも高い場合には、負荷の故障またはバッテリ電圧ＵＢへの短絡が存在する。これら２つの誤りを出力段が遮断された後に区別することができる。再び読み出された電圧は（この実施例においては）負荷の故障時ではバッテリ電圧ＵＢの１／２に相応する。再び読み出された電圧がこの値を大きく上回る場合には、生じた誤りはバッテリ電圧ＵＢへの短絡である。この例のようにアイドル時に出力段の出力側ではバッテリ電圧の１／２が生じるような抵抗の設計仕様は、このアイドル電圧がアース及びバッテリ電圧ＵＢにおける２つの限界値０Ｖから殊に大きく離れているので、殊に有利である。これによって、上述した誤りを非常に簡単に確認することができる。何故ならば測定された電圧は許容差を有し、この許容差は限界値に対するこの差が可能な限り大きいために他の許容差帯域とはオーバラップしないからである。したがってそれぞれの故障を確実に識別することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 出力段を監視する装置の構造である。
【符号の説明】
１ 出力段
２ 認知のデューティ比を有する出力段の入力信号
３ 出力段の出力信号
４ 平均化用の回路
５ 算出された目標値
６ 平均化された値＝回路の出力信号
７ フィルタ
８ マイクロコントローラのアナログ入力側
Ｃ コンデンサ
μＣ マイクロコントローラ
Ｒ 抵抗
ＵＢ バッテリ電圧

Claims (13)

1. マイクロコントローラ（μＣ）により任意のデューティ比を有する入力信号（２）でもって制御される少なくとも１つの出力段（１）を監視する方法において、
   ソフトウェアによって前記出力段（１）及び電気回路（４）をシミュレートし、前記任意のデューティ比を有する入力信号（２）に予期される前記電気回路（４）の出力信号（６）の目標値（５）を算出し、
   前記出力段（１）の出力信号（３）を前記電気回路（４）を介して平均化し、平均化された該電気回路（４）の出力信号（６）の値を前記目標値（５）と比較し、前記電気回路（４）の出力信号（６）の値の前記目標値（５）からの偏差は誤りを示唆することを特徴とする、出力段（１）を監視する方法。
2. 前記回路（４）を介して平均化された該電気回路（４）の出力信号（６）を前記マイクロコントローラ（μＣ）のアナログ入力側（８）にフィードバックする、請求項１記載の方法。
3. 前記電気回路（４）による平均化を少なくとも１つの抵抗（Ｒ）及び少なくとも１つのフィルタ（７）によって行う、請求項１記載の方法。
4. 前記電気回路（４）によって平均化された該電気回路（４）の出力信号（６）の値の前記目標値（５）からの偏差に基づいて、誤りの性質に関する情報を付与する、請求項１記載の方法。
5. マイクロコントローラ（μＣ）により任意のデューティ比を有する入力信号（２）でもって制御される少なくとも１つの出力段（１）を監視する装置において、
   ソフトウェアが前記出力段（１）及び電気回路（４）をシミュレートし、前記任意のデューティ比を有する入力信号（２）に予期される前記電気回路（４）の出力信号（６）の目標値（５）を算出し、
   前記電気回路（４）が前記出力段（１）の出力信号（３）を平均化し、平均化された該電気回路（４）の出力信号（６）の値が前記目標値（５）と比較され、前記電気回路（４）の出力信号（６）の値の前記目標値（５）からの偏差は誤りを示唆することを特徴とする、出力段（１）を監視する装置。
6. 前記電気回路（４）は受動的な構成素子を有する、請求項５記載の装置。
7. 前記電気回路（４）は少なくとも１つの抵抗（Ｒ）及び少なくとも１つのフィルタ（７）を包含する、請求項５記載の装置。
8. 前記フィルタ（７）はローパスフィルタである、請求項７記載の装置。
9. 前記ローパスフィルタはコンデンサ（Ｃ）を包含し、該コンデンサ（Ｃ）のキャパシタンスは、監視される前記出力段（１）のスイッチング周波数において該出力段（１）の出力信号（３）の平滑化が達成されるように選定される、請求項８記載の装置。
10. 前記電気回路（４）を介して平均化された該電気回路（４）の出力信号（６）は前記マイクロコントローラ（μＣ）のアナログ入力側（８）にフィードバックされる、請求項５記載の装置。
11. 前記電気回路（４）における抵抗（Ｒ）は、アイドル時に前記出力段（１）の出力側（３）においてバッテリ電圧（ＵＢ）の１／４からバッテリ電圧（ＵＢ）の３／４に相応する電圧値が生じるように設計されている、請求項７及び１０記載の装置。
12. アイドル時に前記出力段（１）の出力側（３）にはバッテリ電圧の１／２に相応する電圧値が生じる、請求項１１記載の装置。
13. 監視される前記出力段（１）はハイサイド出力段またはローサイド出力段である、請求項５記載の装置。

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