JP6838212B2 - 電子制御装置 - Google Patents

Description

本発明は電子制御装置におけるADコンバータによる断線及びショート検知機能に関する。

近年、自動車では電子制御装置(ECU: Electronic Control Unit)による車両制御の高精度化、高機能化に伴い、多くのセンサやアクチュエータがハーネスを介して接続されており、外界情報及び車両情報をアナログ-デジタル変換回路（ADコンバータ）を用いて読み込んでいる。一般的に、ADコンバータはイグニッションスイッチON時に接続されている各種センサとの接続の診断を行なっている。特許文献１によれば、故障検知対象の状態をADコンバータで出力した値と、あらかじめ用意した基準となる設定値とを相互比較し許容変動範囲を超えたか否かを判断し故障検知を行なっている。

特開昭５９−１９８３６５号公報

自動車整備の観点から鑑みても、今後増加していくと予想される各種センサ、アクチュエータのショート検知、断線検知の区別は非常に需要が大きい。

特許文献１では、接続の故障の有無は検知できるが、その故障が、断線か、ショートかの区別ができないという問題があった。

上記課題に鑑み、本発明の目的は、断線、ショートの区別ができる電子制御装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の電子制御装置では、外部と信号のやり取りをするための外部端子と、第１のコンデンサ、前記第１のコンデンサより前記外部端子側にある第２のコンデンサ、前記第１のコンデンサと前記第２のコンデンサの間にあるスイッチ素子を備えるサンプル・ホールド回路と、前記サンプル・ホールド回路と前記外部端子との間に設けられるプルダウン抵抗を備える回路構成において前記第一のコンデンサをプリチャージする機能と前記外部信号の電圧をモニタするコンパレータを備えていて、前記コンパレータの後段に設けられた、ロジック部と、前記ロジック部は、サンプル・ホールド回路のスイッチがONされてから、前記コンパレータが、前記サンプル・ホールド回路の電圧が、前記基準電位となったことを検知したときまでの時間を測定しており、前記ロジック部から、時間に関する情報を受け取る判断部を備え、前記判断部は、前記時間が所定時間以下であれば、ショート、所定時間以上であれば断線であると判断する電子制御装置。また、電圧推移時間のロジック回路は、ADコンバータのサンプル・ホールド回路のスイッチ素子と同期している。

本発明では、ADコンバータを用い各種センサ、アクチュエータとの配線の断線、ショートの区別ができる。

実施例１の構成を示す図である。 実施例１の動作を表すフローチャートである 実施例１の断線検知をシーケンス図で表す。 実施例１のショート検知をシーケンス図で表す。 実施例１の検知方法を示す図である。 実施例２の構成を示す図である 実施例２の検知方法を示す図である。 実施例２の変形例の検知方法を示す図である。 実施例３の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

［実施例１］
本発明の実施１について、図１〜図３を用いて詳述する。

図１に示すように、本実施例のECU112は、抵抗102と、プルダウン抵抗103と、コンデンサ104と、ADコンバータ111を有するマイクロコントローラと、センサ101とを接続するための外部接続端子113を備える。

コンデンサ104は、抵抗102とのパラメータに応じて、高周波を減衰させるローパスフィルタとして機能している。なお、ローパスフィルタは、ノイズ対策に有効な手段であるが、本発明を実施するうえで必須な構成ではない。

ADコンバータ111は、サンプル・ホールド回路114と、サンプル・ホールド回路114の電圧をモニタすることで、ショート故障であるか、断線故障であるかを診断する診断回路115を備える。

サンプル・ホールド回路114は、内部コンデンサ105、スイッチ素子106、内部コンデンサ107により構成される。ECU112のイグニッションスイッチON時に、外部センサ101からのセンサ出力値が抵抗102を介して、コンデンサ105へ充電される。外部センサ101からの電圧を充電していた内部コンデンサ105と内部コンデンサ107は、スイッチ素子106がONすることでシェアチャージされる。内部コンデンサ107に充電された電圧は、マイコン内部で処理が行われることで、アナログ-デジタル変換が実行される。また、ADコンバータ111には内部コンデンサ107にプリチャージを行うことができる機能を有しており、内部コンデンサ107はプリチャージコンデンサとして機能する。

診断回路115は、スイッチ素子106と内部コンデンサ107との間に接続されて、内部コンデンサ107の電圧と、任意の基準電圧Vthとの比較を行うコンパレータ108と、スイッチ素子106に同期し、スイッチON時から始まるクロックを測定しているロジック部109と、ロジック部からの出力に応じてショート、もしくは断線の判断を行う判断部と、を備えている。

コンパレータ108は、モニタしている電圧が、任意の基準電圧を下回った場合に、ロジック部109に対してLow信号を出力する。ロジック部109は、スイッチ素子106がONしてから、コンパレータ108からLow信号を受け取るまでのクロックを測定し、判断部に出力する。判断部110はロジック部からの出力（クロック）が所定値より小さければショート、所定値より大きければ断線故障であるとの判断を行う。ロジック部110は、コンパレータ108からの所定時間以上Hi/Lowの切り替えが無かった場合には、正常と判断する。本実施例では、コンパレータ108は、スイッチ素子106と内部コンデンサ107の間の電圧をモニタしている。本実施例では、正常時にはHi信号、異常時にはLow信号を出力するようにコンパレータ108を設定した例を示しているが、当然、正常時と異常時とで出力するHi/Lowが逆であってもよい。

図２と図３を用いて、診断部115が、ショートと断線を区別して診断する方法について説明する。

図２に示すように、内部キャパシタ105には外部センサ101の出力電圧が充電されている。スイッチ素子106をONする（S101）と、スイッチ素子106のONと同時に内部コンデンサ105、107がシェアチャージされ同電位となる。コンパレータ108を用いて、事前にプリチャージされている内部コンデンサ107のシェアチャージ中の電圧推移と、任意の基準電圧との比較を行う（S102）。内部コンデンサ107が任意の基準電圧を下回るとコンパレータ108はロジック109に出力信号をだし（S103）、任意の時間閾値とコンパレータ108との出力タイミングとの比較を行い、判断部110がショート、断線の区別を行う（S104）。ショート、断線の結果は内部メモリに保存される。

図3にショート、断線検知の概要を示す。

断線の場合、内部コンデンサ105はセンサとの電気的接続はなく、プルダウン抵抗103によって電位は0V（GND電位）に確定される。スイッチ素子106のONと同時にプリチャージされた内部コンデンサ107は内部コンデンサ105とシェアチャージされるが、放電時間は内部コンデンサ105,107とプルダウン抵抗102との時定数で決定されるため、図3で示すような比較的緩やかに内部コンデンサ107の電位は推移していく。

ショートの場合、外部センサ101の電圧はショートされているため内部コンデンサ105に充電されず、内部コンデンサ105の電位は0Vとなる。スイッチ素子106のONと同時にプリチャージされた内部コンデンサ107は内部コンデンサ105とシェアチャージされるが、ショートの場合よりプルダウン抵抗102が0になったと同等であるため、放電時間は非常に速いため、図3で示すような比較的急峻に内部コンデンサ107の電位は推移していく。

本実施例によれば、断線の場合とショートの場合では、任意の電圧Vthに立ち下がる時間が異なることに着目し、スイッチ素子106のONから任意の電圧Vthに立ち下がるまでの時間を測定することで、断線、ショートを区別して故障診断を実施することができる。

［実施例2］
本発明の実施例２について、図４と図５を用いて説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。

実施例１では、スイッチ素子106と内部コンデンサ107の間にコンパレータ108が接続されていたが、本実施例では、図４に示すように、内部コンデンサ105とスイッチ素子106の間にコンパレータ108を接続している。本実施例でも実施例１と同様に断線、ショートを検知できる。

図5（A）に実施例2の場合のショート、断線検知の概要を示す。

断線の場合、内部コンデンサ105は、外部センサ101と電気的接続がないため、プルダウン抵抗103によって電位は0Vとなる。スイッチ素子106のONと同時に、内部コンデンサ105は、プリチャージされている内部コンデンサ107とプルダウン抵抗103に依存して充電され、その後放電されるため比較的緩やかに電位が上昇し下降していく。

ショートの場合、外部センサ101の電圧はショートされているため内部コンデンサ105に充電されず、内部コンデンサ105の電位は0Vとなる。スイッチ素子106のONと同時に、内部コンデンサ105は、プリチャージされている内部コンデンサ107とプルダウン抵抗103に依存して充電され、その後放電される。ショートの場合は、プルダウン抵抗103が0Ωとなり、時定数は非常に小さくなりることから、内部コンデンサ105の電圧は急峻に立ち上がり降下していく。

本実施例の場合であっても実施例１の場合と同様に、断線時とショート時とで任意の閾値電圧に立ち下がる時間が異なることに着目し、スイッチ素子106がONしてから閾値電圧までたち下がる時間を測定することで、断線、ショートの故障分離が可能となる。

実施例２の変形例として、チャージ領域を検知することについて図５（B）を用いて説明する。

チャージ領域検知の場合、電位は0Vからプリチャージ電圧へ推移するため、コンパレータの入力端子を実施例２と逆接続にすることによって、ショートもしくは断線を検知できる。

チャージ領域では内部コンデンサ105と107のシェアチャージスピードが高速で行われるため、診断回路の信頼性の観点から、放電領域でショートもしくは断線の検知を行うことがより好ましい。

［実施例3］
本発明の実施例３について、図６を用いて説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。

本実施例は、実施例１に対して、外部センサが複数あり101、201、301、複数のセンサに対してADコンバータを共通で使用している点が異なる。

本実施例のサンプル・ホールド回路114は、複数のセンサ101、201、301に対応して設けられた内部コンデンサ105、205、305と、スイッチ素子106、206、306と、複数のセンサ101、201、301に対して共通化して設けられた内部コンデンサ107を備える構成としている。診断回路115は、スイッチ素子106、206、306と内部コンデンサ107の間にコンパレータ108が接続されるように設けることで、各センサ101、201、301に対して共通化を図っている。

本実施例によれば、複数のセンサが接続される場合であっても、診断回路114の共通化を図ることができるため、電圧閾値Vthや時間閾値Tthの設定数が少なくなるため、設定が容易である。また、回路規模を小さくすることができ、コストメリットも期待できる。

内部キャパシタ619の電圧推移はプリチャージ電圧から断線もしくはショートの場合、0Vに降下していく。電圧閾値Vthと同じ電圧になった際にコンパレータは出力しそのタイミングを後段のロジック部でモニタしているが、図3で示したようにショートの場合と断線の場合では電圧の降下率が異なり、0Vに近づくにつれてその差は大きくなっている。
よって、電圧閾値を限りなく小さくすることで、ショートもしくは断線検知の信頼性向上が図れ、時間閾値の設定も容易となる。

ところで、プリント基板上のGNDはパターン設計や基板サイズ等に依存し、電圧浮きが
発生することが往々にして起こる。近年の車両制御の高精度化や高機能化に伴い、CPUのクロック周波数は増加の傾向にあり、またスイッチ素子レギュレータ等の電源ICのスイッチ素子ノイズを考慮すると、プリント基板上のGND浮きは無視できない。そこで、本発明の電圧閾値Vthに関しても、上述の通り、電圧閾値Vthは小さい方が好ましいが、上述の電圧浮きを考慮してVthを“0＜Vth＜複数外部センサのイグニッションON時の最小電圧“とする。具体的には、想定しうるGND浮き電圧から外部センサの出力制度を考慮した最小電圧の間を電圧閾値Vthとする。

実施例３の変形例として、コンパレータの位置を図4のように内部コンデンサ405とスイッチ素子406の間に接続した場合、内部コンデンサ407の電圧推移はプルダウン抵抗403と内部コンデンサ405,407のパラメータ依存するため、各入力回路に最適な時間閾値を選択することができ、断線もしくはショート検知の信頼性が向上する。

［実施例4］
本発明の実施例４について説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。

本実施例では、実施例１において時間閾値Tthの設定方法について示す。

図3で示すように、断線時とショート時では内部コンデンサ107の電圧推移は異なり、0Vへ達するタイミングは大きく違う。基本的にショート時は急峻に内部コンデンサ107の電位を放電させるので0Vに達するまでの時間を仮に0秒と近似した場合、時間閾値Tthは断線時に内部コンデンサ107の電位が電圧閾値Vthに達する時間までの間に設ける必要がある。また、ショート時におけるレアショートを考慮すると、できるだけ断線時の内部コンデンサ107の電位を電圧閾値Vthに放電させるまでの時間付近に時間閾値Tthを設定した方が、より信頼性が向上する。

１０１ 外部センサ
１０２ ダンプ抵抗
１０３ プルダウン抵抗
１０４ コンデンサ
１０５ 内部コンデンサ
１０６ スイッチ素子
１０７ 内部コンデンサ
１０８ コンパレータ
１０９ ロジック部
１１０ 判断部
１１１ マイクロコントローラ
１１２ ECU （Electronic Control Unit）
１１３ 外部接続端子
１１４ サンプル・ホールド回路
１１５ 診断回路
２０１ 外部センサ
２０２ ダンプ抵抗
２０３ プルダウン抵抗
２０４ コンデンサ
２０５ 内部コンデンサ
２０６ スイッチ素子
３０１ 外部センサ
３０２ ダンプ抵抗
３０３ プルダウン抵抗
３０４ コンデンサ
３０５ 内部コンデンサ
３０６ スイッチ素子
Ｓ１０１ スイッチオン処理
Ｓ１０２ 電圧推移モニタ
Ｓ１０３ 閾値電圧を下回るタイミングを検知
Ｓ１０４ ショートor断線の判断

Claims (4)

1. 外部と接続するための外部接続端子と、
   第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサよりも前記外部接続端子側に設けられた第２のコンデンサと、前記第１と第２のコンデンサの間に設けられるスイッチ素子と、を有するサンプル・ホールド回路と、
   前記外部接続端子と前記サンプル・ホールド回路との間に設けられるプルダウン抵抗と、を備える電子制御装置において、
   前記サンプル・ホールド回路から入力される電圧を用いて断線、ショート診断を行う診断回路を備え、
   前記診断回路は、前記スイッチ素子がONしてから前記サンプル・ホールド回路から入力される電圧が所定の電圧になるまでの時間が、所定の時間より小さい場合はショート、所定の時間より大きい場合は断線であると診断する電子制御装置。
2. 前記診断回路は、前記スイッチ素子と、前記第１のコンデンサの間に接続される請求項１に記載の電子制御装置。
3. 前記診断回路は、前記スイッチ素子と、前記第２のコンデンサの間に接続される請求項１に記載の電子制御装置。
4. 前記外部接続端子を複数備え、
   前記サンプル・ホールド回路は、前記第２のコンデンサと、前記スイッチ素子が、複数の前記外部接続端子に対応するように複数設けられている請求項２に記載の電子制御装置。

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