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Die Erfindung betrifft eine fehlertolerante Sensorik mit einer redundanten Spannungsversorgung.
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In sicherheitsrelevanten Systemen wie beispielsweise brake- oder steer-by-wire Systemen in Kraftfahrzeugen werden eine Vielzahl von Komponenten redundant ausgebildet, um auch bei einfachen Ausfällen zumindest das System in einem sicheren Zustand zu überführen.
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Aus der
DE 198 32 167 ist ein elektromechanisches Bremssystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bekannt, mit einem Pedalmodul zum redundanten Erfassen einer Fahrerbetätigung eines Bremspedals mittels einer geeigneten Sensorik, einer Einrichtung zum Ermitteln eines Bremssollwertes, basierend auf Ausgangssignalen der Sensorik, zumindest einem Bremsmodul zum Ansteuern von zumindest einer Radbremse, basierend auf dem Bremssollwert, und einer Detenübertragungseinheit, die redundant ausgeführt ist und eine Datenverbindung zwischen dem Pedalmodul, der Einrichtung und dem Bremsmodul herstellt, wobei die Einrichtung eine Fehlererkennungsschaltung aufweist, die einen Fehler bei der Ermittlung des Bremssollwertes erkennt. Die Sensorik umfasst dabei drei Sensoren, die gegebenenfalls auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen. So wird beispielsweise vorgeschlagen, zwei Wegsensoren und einen Kraftsensor zu verwenden. Die Ausgangssignale der drei Sensoren werden dann entweder auf zwei redundante A/D-Wandler gegeben oder aber jedem Sensor wird ein eigner A/D-Wandler zugeordnet. Weiter umfasst das System zwei unabhängige Spannungsversorgungen. Bei der Ausführung mit zwei A/D-Wandlern wird jedem A/D-Wandler eine Spannungsversorgung zugeordnet. Die Spannungsversorgung der drei unabhängigen Sensoren wird nicht näher beschrieben. Nachteilig an den bekannten Sensorik-Systemen ist, dass sie aufgrund der Redundanzen relativ teuer sind und relativ viel Bauraum benötigen.
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Aus der
DE 198 14 097 C1 ist eine Anordnung zur redundanten Spannungsversorgung von Zweileiter-Messumformern bekannt, die ein Messsignal als eingeprägten Strom ausgeben, mit Messumformerversorgungseinheiten, die jeweils Mittel zur Bereitstellung einer stabilisierten Ausgangsspannung zur Versorgung des Messumformers und einen Messwiderstand zur Erfassung des eingeprägten Stroms aufweisen, wobei dem Messwiderstand Messwertverarbeitungsmittel nachgeschaltet sind, wobei der Ausgang jeder Messumformerversorgungseinheit durch eine Trennanordnung bestehend aus einem Wechselrichter, einem Übertrager und einem Gleichrichter von dem Messwiderstand, den Messwertverarbeitungsmitteln und den Mitteln zur Bereitstellung einer stabilisierten Ausgangsspannung galvanisch getrennt ist, wobei zwei Messumformerversorgungseinheiten ausgangsseitig über ein aus Dioden bestehendes Entkopplungsnetzwerk parallel geschaltet sind, wobei die Dioden im Strompfad der Ausgangsspannung jeder Messumformerversorgungseinheit angeordnet sind, wobei die Ausgangsspannung jeder Messumformerversorgungseinheit in zwei Stufen wählbar ist, wobei die erste Spannungsstufe zur Funktionsüberprüfung der Messumformerversorgungseinheit gegenüber der Versorgungsspannung des Messumformers reduziert ist und die zweite Spannungsstufe auf die Versorgungsspannung des Messumformers eingestellt ist und wobei jede Messumformerversorgungseinheit ausgangsseitig mit einer in Abhängigkeit von der gewählten Spannungsstufe gesteuerten Last ausgestattet ist, die bei gewählter erster Spannungsstufe eingeschaltet und bei gewählter zweiter Spannungsstufe ausgeschaltet ist.
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Aus der
DE 196 53 592 A1 ist eine Vorrichtung zur Messsignalkompensation bekannt, umfassend einen Analog/Digital-Wandler mit einer Steuerung, die einen Mikroprozessor aufweist. Dabei ist mindestens ein Sensor in eine zugehörige Brückenschaltung geschaltet, wobei das Messsignal aus wenigstens einer Brückenschaltung abgeleitet wird. Vorzugsweise ist dabei jeder Sensor mit einer Mehrzahl von Stromquellen oder Spannungsquellen verbunden.
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Aus der
DE 43 00 028 A1 ist ein Bewegungserkenner bekannt, der einen n-fach Sensor umfasst.
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Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine fehlertolerante Sensorik zu schaffen, die bei vergleichbarer Auflösung kostengünstiger und kompakter aufbaubar ist.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch den Gegenstand mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Hierzu umfasst die fehlertolerante Sensorik einen n-fach-Sensor, wobei dem n-fach-Sensor mindestens eine redundante Auswerteelektronik zugeordnet ist. Des Weiteren umfasst die fehlertolerante Sensorik mindestens zwei unabhängige Spannungsversorgungen, wobei jeder Sensor des n-fach-Sensors eine redundante Spannungsversorgung aufweist. Dabei wird unter einem n-fach-Sensor eine Sensorik mit n gleichen Sensoren verstanden, die im äquidistanten Abstand zueinander angeordnet sind. Die unabhängig voneinander erfassten Sensorsignale werden zu einem Gesamtsignal kombiniert, wobei die Auflösung eines einzelnen Sensors um den Faktor n erhöht wird. Derartige n-fach-Sensoren sind beispielsweise zur genaueren Winkellagebestimmung bei rotierenden Geräten bekennt. Daher kann die Auflösung eines Sensors des n-fach-Sensors auf 1/n-tel der Auflösung der Sensoren gemäß dem Stand der Technik reduziert werden, ohne dass insgesamt ein Verlust an Auflösung auftritt. Bei Ausfall eines Sensors des n-fach-Sensors kommt es zwar zu einem Auflösungsverlust, jedoch nicht zu einem Totalausfall. Derartige kurzzeitige Auflösungsverluste sind jedoch auch bei sicherheitsrelevanten Systemen hinnehmbar, solange nur gewährleistet ist, dass des System in einen sicheren Zustand kontrolliert überführbar ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik muss jedoch der n-fach-Sensor eine redundante Spannungsversorgung aufweisen, da ansonsten der Ausfall der Betriebsspannung zum Totalausfall der Sensorik führen würde. Die redundante Auswerteelektronik wird dabei entweder durch zwei zentrale Auswerteelektroniken gebildet, die jeweils mit allen Sensoren verbunden sind oder aber jedem Sensor wird seine eigene Auswerteelektronik zugeordnet, die dann untereinander kommunizieren. Die zusammengefaßten Daten der Auswerteelektroniken werden dann an Aktuatoren oder Steuergeräte übertragen, wobei diese Übertragungsstrecken vorzugsweise ebenfalls redundant ausgebildet sind.
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Dabei ist eine erste Spannungsversorgung mit allen Sensoren über eine dem jeweiligen Sensor zugeordnete erste Diode und eine zweite Spannungsversorgung mit allen Sensoren über eine dem jeweiligen Sensor zugeordnete zweite Diode verbunden, wobei die Kathoden der jeweils ersten und zweiten Dioden miteinander verbunden sind. Die Dioden verhindern, dass bei Auftreten eines Kurzschlusses in einer Spannungsversorgung die andere Spannungsversorgung kurzgeschlossen wird.
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Weiter ist zwischen den Anoden der ersten Dioden und der ersten Spannungsversorgung und den Anoden der zweiten Dioden und der zweiten Spannungsversorgung jeweils eine Sicherung angeordnet. Diese Sicherungen verhindern bei Kurzschluss eines Sensors den Kurzschluss zwischen der ersten und zweiten Spannungsversorgung.
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Die erste und zweite Spannungsversorgung sind vorzugsweise als externe Batterien ausgebildet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Spannungsversorgung als externe Batterie und die zweite Spannungsversorgung als lokaler Energiespeicher im n-fach-Sensor ausgebildet, die über eine Diode miteinander verbunden sind. Dabei bewirkt die Diode eine Ladestrecke zwischen der externen Batterie und dem lokalen Energiespeicher, der vorzugsweise als Kondensator oder Akkumulator ausgebildet ist. Bei einem starken Spannungsabfall bzw. einem Kurzschluss der ersten Spannungsversorgung sperrt die Diode und entkoppelt so die erste Spannungsversorgung von dem lokalen Energiespeicher.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild einer nicht erfindungsgemäßen fehlertoleranten Sensorik mit einem n-fach-Sensor und einer redundanten Spannungsversorgung,
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2 ein Prinzipschaltbild eines n-fach-Sensors mit zwei externen Spannungsversorgungen und
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3 ein Prinzipschaltbild eines n-fach-Sensors mit einer externen Spannungsversorgung und einem internen lokalen Energiespeicher.
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Die fehlertolerante Sensorik 1 umfasst einen n-fach-Sensor 2 mit drei Sensoren 3–5. Jedem Sensor 3–5 ist eine Auswerteelektronik 6–8 zugeordnet, die über eine Datenleitung 9 Signale von dem zugeordneten Sensor erhält. Die Datenleitungen 9 können dabei auch redundant ausgebildet sein. Zwischen den Auswerteelektroniken 6–8 sind Datenleitungen 10, 11 angeordnet, über die die Auswerteelektroniken 6–8 die empfangenen Sensordaten austauschen können. Die Datenleitungen 10, 11 können auch durch ein Bussystem ersetzt werden, an dem alle Auswerteelektroniken 6–8 angeschlossen sind. Das Bussystem kann dabei ebenfalls redundant ausgebildet sein. Den Auswerteelektroniken 6–8 sind jeweils zwei unabhängige Spannungsversorgungen 12, 13 zugeordnet, die die Auswerteelektroniken 6–8 redundant mit Spannung versorgen. Dabei können zwei unabhängige Spannungsversorgungen 12, 13 jeweils für alle Auswerteelektroniken 6–8 verwendet werden oder aber jeder Auswerteelektronik 6–8 jeweils zwei unabhängige Spannungsversorgungen zugeordnet werden. Jede Auswerteelektronik 6–8 versorgt dann den ihr zugeordneten Sensor 3–5 redundant mit Spannung. Dies kann konkret auf verschiedene Arten realisiert werden. Hat der jeweilige Sensor 3–5 zwei Eingänge für eine Spannungsversorgung, so kann von den Spannungsversorgungen 12, 13 jeweils eine Zuleitung zu den Eingängen des Sensors 3–5 geführt sein. Alternativ können die beiden Versorgungsleitungen in der Auswerteelektronik oder in dem Sensor 3–5 bzw. im n-fach-Sensor zusammengefasst werden. Letzteres wird später anhand der 2 näher erläutert.
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Zunächst soll die prinzipielle Wirkungsweise des n-fach-Sensors 2 am Beispiel eines optischen Längenmesssystems erklärt werden. Das Längenmesssystem umfasst ein Maßband 14, das Markierungen 15 im äquidistanten Abstand a zueinander aufweist. Die Sensoren 3–5 sind beispielsweise als optische Detektoren zur Erfassung der Markierungen 15 ausgebildet und in einem äquidistanten Abstand von a/n-tel zueinander angeordnet, wobei a der Abstand zwischen zwei Markierungen 15 und n die Gesamtzahl der Sensoren 3–5 des n-fach-Sensors 2 ist. Dabei sei weiter angenommen, dass zwischen Maßband 14 und dem n-fach-Sensor 2 eine Relativbewegung stattfindet. Dabei ist die Auflösung jedes Sensors 3–5 gleich dem Abstand a zwischen zwei Markierungen 15. Da jedoch die Sensoren 3–5 räumlich versetzt zueinander angeordnet sind, erfassen diese versetzt zueinander die Markierungen 15, nämlich jeweils nach a/n-tel. Werden nun die Signale der Sensoren 3–5 kombiniert, so ergibt sich eine n-fache Vergrößerung der Gesamtauflösung gegenüber dem einzelnen Sensor 3–5. Die Kombination der Signale kann dabei entweder über den Datenaustausch über die Datenleitungen 10, 11 erfolgen bzw. das erwähnte Bussystem, oder aber indem jede Auswerteelektronik 6–8 von jedem Sensor 3–5 Signale erhält. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass nur eine einzige redundant ausgebildete Auswerteeinheit vorhanden ist, die die Signale aller Sensoren 3–5 auswertet.
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Wird nun diese fehlertolerante Sensorik 1 in einem sicherheitsrelevanten System wie beispielsweise zur Lageregelung eines Kraftfahrzeuges oder einer elektromechanischen Bremsanlage in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, so führt der Ausfall eines oder mehrerer Sensoren 3–5 zwar zu einem Verlust an Auflösung, jedoch nicht zu einem Totalausfall. Bei einer Lageregelung würde beispielsweise der Ausfall eines Sensors 3–5 zu einem Brummen, Vibrieren und schließlich zum Schlackern führen, dennoch könnte das Kraftfahrzeug noch in einem sicheren Zustand überführt werden. Aufgrund der redundanten Spannungsversorgung 12, 13 ist dabei gewährleistet, dass jeweils ein Einzel-Ausfall nicht zu einem Totalausfall der fehlertoleranten Sensorik 1 führen kann.
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In der 2 ist ein n-fach-Sensor mit zwei unabhängigen Spannungsversorgungen 12, 13 dargestellt. Zwischen der ersten Spannungsversorgung 12 und den Sensoren 3–5 sind jeweils erste Sicherungen 16–18 und erste Dioden 19–21 angeordnet. Zwischen der zweiten Spannungsversorgung 13 und den Sensoren 3–5 sind jeweils zweite Sicherungen 22–24 und zweite Dioden 25–27 angeordnet. Die Anoden der ersten und zweiten Dioden jedes Sensors 3–5 sind miteinander verbunden und versorgen den Sensor 3–5 mit Spannung. Die ersten und zweiten Dioden 19–21, 25–27 bewirken eine Entkopplung der ersten und zweiten Spannungsversorgung 12, 13 voneinander, so dass ein Kurzschluss der einen Spannungsversorgung keinen Einfluss auf die andere Spannungsversorgung hat. Die ersten und zweiten Sicherungen 16–18, 22–24 verhindern dass ein Kurzschluss in einem Sensor 3–5 zu keinem Kurzschluss in den Spannungsversorgungen 12, 13 führt. Weist beispielsweise der Sensor 3 einen Kurzschluss auf, so müsste die gesamte Betriebsspannung über die Sicherung und Diode 16, 19 bzw. 22, 25 anfallen. Dies ist jedoch durch die maximale Flussspannung der Dioden 19, 25 begrenzt, so dass die Spannung auf 0,7–0,8 V zusammenbrechen würde. Zuvor sprechen dann die Sicherungen 16, 22 an, so dass der Sensor 3 abgetrennt wird.
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In der 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, wobei die zweite externe Spannungsversorgung 13 gemäß 2 durch einen internen lokalen Kondensator 28 ersetzt wird, der über eine Diode 29 mit der ersten Spannungsversorgung 12 verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- fehlertolerante Sensorik
- 2
- n-fach-Sensor
- 3–5
- Sensor
- 6–8
- Auswerteelektronik
- 9–11
- Datenleitungen
- 12, 13
- Spannungsversorgungen
- 14
- Maßband
- 15
- Markierungen
- 16–18
- Sicherungen
- 19–21
- Dioden
- 22–24
- Sicherungen
- 25–27
- Dioden
- 28
- Kondensator
- 29
- Diode
