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Die
Erfindung betrifft ein Schaltungsvorrichtung und ein Verfahren zur
Diagnose eines Schwingkreises, nach dem Oberbegriff des Anspruch
1 bzw. Anspruch 4.
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Allgemein
bekannt ist die Verwendung von derartigen Schwingkreisen zur Erzeugung
einer LF-Sendeleistung in sogenannten PASE (Passive Start/Passive
Entry)-Systemen sowie in elektronischen Wegfahrsperren. Dabei wird
typischerweise eine Spule als Sendeantenne verwendet, die von einem
Steuergerät
derart angesteuert wird, dass ein magnetisches Feld erzeugt wird,
das stark genug ist, um Daten beispielsweise an eine ID-Karte zu übertragen.
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Da
insbesondere die Sendespule nahe der Autokarosserie oder im Fahrzeuginnenraum
angeordnet ist, besteht die Gefahr, dass die Sendespule mit Massepotential
oder mit dem Potential der Autobatterie kurzgeschlossen wird. Derartige
Störfälle müssen zuverlässig erkannt
werden, um die Funktionssicherheit, beispielsweise einer Wegfahrsperre, zu
gewährleisten.
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Bekannte
Systeme überwachen
die Funktionalität
von Schwingkreisen entweder durch Messen der Schwingspannung (zum
Beispiel Philipps PCF 7991) oder durch statische Strommessung, wie
etwa Peak-Strommessung oder Average-Strommessung.
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Bei
einem Schwingkreis mit einer Spule als Sendeantenne verhält sich
der Laststrom jedoch dynamisch. Die Amplituden- und Phasenlage des
resultierenden Wechselstroms können
durch Systemtoleranzen und Anschwingverhalten stark variieren. Eine zuverlässige Diagnose
des Lastkreises kann nicht durch eine einfache statische Strommessung,
wie oben genannt, realisiert werden, da sich der im Fehlerfall fließende Strom
nicht eindeutig vom normalen Betriebsstrom unterscheiden lässt.
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Die
DE 196 02 316 C1 offenbart
eine Vorrichtung zur Übertragung
von Daten oder Energie mittels eines Antennenschwingkreises. Um
eine effektive Datenübertragung
zu erhalten, wird untersucht, ob der Schwingkreis verstimmt ist.
Dies geschieht, indem der durch die Antenne fließende Strom gemessen und mit
einem Sollstrom verglichen wird. Bei einer Abweichung der Ströme wird
ein Korrekturwert bestimmt, um den verstimmten Schwingkreis wieder richtig
abzustimmen. Die
DE 196 02 316 offenbart
die Merkmale der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 und 4.
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Die
DE 198 20 207 A1 offenbart
eine Vorrichtung zum Erfassen einer abnormalen Induktionsänderung
in einem Antennenkreis.
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Aufgabe
der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens
zur besseren Diagnose von Störfällen eines
Schwingkreises, der als Antenne zum Senden von Daten eine Sendespule verwendet.
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Die
verfahrensseitige Lösung
der oben genannten Aufgabe ist dem Anspruch 1 zu entnehmen. Vorteilhafte
Weiterbildungen derselben sind in den Unteransprüchen 2 und 3 angegeben.
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Die
vorrichtungsseitige Lösung
der oben genannten Aufgabe ist dem Anspruch 4 zu entnehmen. Eine
vorteilhafte Weiterbildung derselben ist im Unteranspruch 5 angegeben.
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Gemäß der Erfindung
ist es möglich,
eine Vielzahl von Fehlermöglichkeiten
eines Schwingkreises zuverlässig
zu erkennen. Durch Messung des im Schwingkreis fließenden Stroms
zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, insbesondere durch Messung der
Ampli tude, wird eine eindeutige Unterscheidung zwischen Normalbetrieb
und Fehlerbetrieb möglich. Durch
zeitlich versetztes Messen des Stroms zu bekannten Zeitpunkten kann
darüber
hinaus auch eine Phasenlage des Stroms zu den Messzeitpunkten berechnet
werden.
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Ferner
ist die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung
zur Diagnose einfach aufgebaut und kann mit Standardbauteilen realisiert
werden.
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Im
folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm einer Schaltungsvorrichtung zur Diagnose eines Schwingkreises
gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 ein
Blockdiagramm eines Steuergeräts,
in dem die Schaltungsvorrichtung gemäß 1 integriert
ist;
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3 ein
Diagramm einer Wellenform einer Erregung des Schwingkreises zur
Erklärung
des Meßzeitpunkts
gemäß der Erfindung;
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4A und 4B Darstellungen
zur Erläuterung
eines ersten Störfalls
und dessen Erkennung gemäß der Erfindung;
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5A und 5B Darstellungen
zur Erläuterung
eines zweiten Störfalls
und dessen Erkennung gemäß der Erfindung;
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6A und 6B Darstellungen
zur Erläuterung
eines dritten Störfalls
und dessen Erkennung gemäß der Erfindung;
und 7 ein Flußdiagramm eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
des Verfahrens zur Diagnose eines Schwingkreises.
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1 zeigt
ein Blockdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Diagnose einer Störung
in einem Schwingkreis. Die Schaltungsvorrichtung 1 enthält ein Steuermittel,
beispielsweise einen Mikroprozessor 2, zur Steuerung der
gesamten Schaltungsvorrichtung 1. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Mikroprozessor 2 über einen Timer 3 mit
einem Meßmittel 4 verbunden.
Das Meßmittel 4 dient
zum Messen eines durch einen Schwingkreis (nicht gezeigt) fließenden Stroms
und ist beispielsweise ein herkömmliches
Strommessgerät,
mit dem der Betrag eines Stroms gemessen werden können. Das
Aktivieren des Meßmittels 4 erfolgt
beispielsweise durch den Timer 3, der über den Mikroprozessor 2 angesteuert
wird. In dem Timer ist ein vorbestimmter Wert gespeichert, der der
Zeitdauer entspricht, die der intakte Schwingkreis benötigt, um
den eingeschwungenen Zustand zu erreichen. Der genaue Zeitpunkt
zur Durchführung
der Strommessung wird später
unter Bezugnahme auf 3 näher erläutert.
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Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
aktiviert also der Mikroprozessor 2 den Timer 3, der
nach Ablauf der im Timer 3 gespeicherten Zeit das Meßmittel 4 aktiviert,
um einen in dem Schwingkreis fließenden Strom zu messen.
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Ebenso
kann der Timer 3 über
einen Anschluß c
(Triggeranschluß)
von außen
angesteuert werden, um nach Ablauf der im Timer 3 gespeicherten
Zeit die Durchführung
einer Strommessung durch das Meßmittel 4 zu
veranlassen.
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Der
Timer 2 kann als Hardwarekomponente oder in Software implementiert
sein.
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Das
Meßmittel 4 wird
also derart durch ein Steuermittel (beispielsweise durch den Mikroprozessor 2)
angesteuert, dass ein durch den Schwingkreis fließender Strom
nach einer vorbestimmten einem eingeschwungenen Zustand des intakten
Schwingkreises entsprechenden Zeitdauer nach dem Anlegen einer Spannung
an den Schwingkreis der im Schwingkreis auftretenden Strom gemessen
wird. Insbesondere wird die Amplitude des Stroms gemessen, wobei
die Phasenlage des Stroms zu diesem Zeitpunkt basierend auf der
im Timer 3 gespeicherten Zeit beispielsweise durch den
Mikroprozessor 2 berechnet werden kann. Dabei sind insbesondere
zur Bestimmung des Peakwerts des Stroms mehrere zeitlich voneinander
versetzte Messungen erforderlich, wobei der größte Meßwert als Peaktwert bestimmt
wird und aufgrund der Kenntnis des Zeitpunkts, zu dem dieser Peakwert
aufgetreten ist, die Phase berechnet werden kann.
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Die
Schaltungsvorrichtung 1 enthält ferner ein Vergleichsmittel 5,
das den vom Meßmittel 4 gemessenen
Strom mit einem vorbestimmten Strom, der dem Betriebsstrom des intakten
Schwingkreises zu den vorbestimmten Meßzeitpunkt entspricht, vergleicht.
Dieser vorbestimmte Strom kann im voraus beispielsweise durch den
Mikroprozessor 2 berechnet und in dem Vergleichsmittel 5 abgespeichert
werden. Die Vergleichsoperation kann im einfachsten Fall beispielsweise
eine Differenz bildung zwischen dem gemessenen Strom und dem vorbestimmten Strom
sein, die eine Vergleichsergebnis liefert.
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Die
Schaltungsvorrichtung 1 enthält weiter ein Bestimmungsmittel 6,
an das das Vergleichsmittel 5 das Vergleichsergebnis liefert.
Wenn das Vergleichsergebnis, also eine Abweichung zwischen dem gemessenen
und dem in dem Vergleichsmittel gespeicherten Strom über oder
unter einem Schwellenwert liegt, der beispielsweise in dem Bestimmungsmittel 6 oder
einem separaten Speicher (nicht gezeigt) gespeichert sein kann,
wird ein Fehler des Schwingkreises diagnostiziert. Der Schwellenwert
kann dabei variabel einstellbar sein. In dem separaten Speicher kann
auch der oben genannte vorbestimmte Strom, der dem Betriebsstrom
des intakten Schwingkreises zu dem Meßzeitpunkt entspricht gespeichert
sein.
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Wie
in 1 gezeigt, ist die Schaltungsvorrichtung gemäß der Erfindung
zur Diagnose eines Schwingkreises als separate Einheit ausgebildet. Ebenso
kann die Schaltungsvorrichtung 1 beispielsweise jedoch
auch in einer Treiberschaltung zur Ansteuerung eines Schwingkreises
integriert ausgebildet werden, wie in 2 gezeigt.
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2 zeigt
ein Blockdiagramm eines Steuergeräts 7, in das die Schaltungsvorrichtung 1 gemäß 1 integriert
ist. Das Steuergerät 7 enthält beispielsweise
eine Voll-Brücke 8 bestehend
aus zwei Halb-Brücken 8a und 8b.
Jede der Halb-Brücken 8a, 8b ist
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
aus 2 DMOS-Transistoren gebildet, von denen einer ein High-Side
Transistor (HS) ist, dessen Drainanschluß beispielsweise mit einer
Ladungspumpe oder einer Spannung (nicht gezeigt) gekoppelt ist,
und der andere ein Low-Side Transistor (LS) ist, dessen Sourceanschluß mit dem
Massepotential gekoppelt ist. In jeder der Halb-Brücken 8a und 8b ist
der Sourceanschluß des
HS-Transistors mit dem Draineanschluß des LS-Transistors verbunden.
Die Gateanschlüsse der
HS-/LS-Transistoren der Halb-Brücken 8a und 8b werden
gemäß dem bevorzugten
Ausfüh rungsbeispiel
mit Rechteckimpulsen angesteuert. Alternativ ist jedoch eine Ansteuerung
durch Sinusimpulse möglich.
Das an den Gates der Halb-Brücken 8a und 8b anliegende
Signal entspricht beispielsweise digitalen Daten (genauer gesagt
einem mit der Trägerfrequenz
modulierten Datensignal), die über
eine Sendespule 9 zu senden sind.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
beträgt die
Resonanzfrequenz des Schwingkreises 125 kHz. Diese wird beispielsweise
in dem Steuergerät 7 erzeugt
und entsprechend für
das Anregen des Schwingkreises verwendet.
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Zwischen
dem Ausgang 1 der Halb-Brücke 8a und dem Ausgang 2 der
Halb-Brücke 8b sind
in Reihe ein Widerstand R1, ein Kondensator C, die Sendespule 9 und
ein Widerstand R2 geschaltet. Gemäß dem in 2 gezeigten
Beispiel ist die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung 1 zur
Schwingkreisdiagnose in dem Steuergerät 7 derart angeordnet,
dass ein in dem LS2-Transistor
der Halb-Brücke 8b fließender Strom
gemessen wird. Die Schaltungsvorrichtung 1 kann auch zusätzlich oder
alternativ einen Strom messen, der in dem HS1-Transistor der Halb-Brückenschaltung 8a,
in dem HS2-Transistor der Halb-Brückenschaltung 8b oder
in dem LS1-Transistor der Halb-Brückenschaltung 8a fließt. Ebenso
ist auch eine Strommessung am Ausgang 1 der Halb-Brücke 8a und/oder
am Ausgang 2 der Halb-Brücke 8b möglich.
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Gemäß dem in 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, werden die Halb-Brücken 8a und 8b mit
einem Signal angesteuert, das Daten entspricht, die über die
Sendespule 9 zu senden sind. Das Ansteuersignal ist beispielsweise
ein Rechtecksignal, das H-Pegel und L-Pegel entsprechend den zu
sendenden Daten aufweist. Ebenso ist auch eine Ansteuerung mit Sinussignalen
möglich, die
H-Pegeln und L-Pegeln von zu sendenden Daten entsprechen.
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Die
Ansteuersignale der beiden Halb-Brücken 8a und 8b sind
gemäß dem Ausführungsbeispiel
um eine halbe Periode voneinander phasenverschoben.
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Gemäß dem in 2 gezeigten
Beispiel wird der durch den Widerstand R1, den Kondensator C und
die Sendespule 9 gebildete Schwingkreis bei H-Pegeldaten
des Ansteuersignals der Halb-Brücken 8a und 8b ein-
und bei L-Pegeldaten des Ansteuersignals ausgeschaltet. 3 zeigt
das Einschwingverhalten und den entsprechenden Verlauf der Ströme in dem
LS1-Transistor der Halb-Brücke 8a und
dem LS2-Transistor der Halb-Brücke 8b.
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Der
obere Wellenverlauf gemäß 3 entspricht
dem Einschwingverhalten einer Antennenschaltung der Güte 4.
Dies bedeutet, dass der Schwingkreis, der durch den Widerstand R1,
den Kondensator C und die Sendespule 9 gemäß 2 gebildet
wird, nach vier Zeitperioden eingeschwungen ist, und die fünfte Welle
ein Maximum repräsentiert.
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3 zeigt
ferner den Stromverlauf von ILS2 durch den
LS2-Transistor der
Halb-Brücke 8b,
und den Stromverlauf ILS1, der durch den
LS1-Transistor der Halb-Brücke 8a während des
Einschwingens des Schwingkreises fließt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel eilt der Strom
ILS2 dem Strom ILS1 um
eine halbe Periode voraus.
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In
dem Timer 3 gemäß 1 ist
in diesem Fall die Zeitdauer 34 μs (dies entspricht 68 Taktzyklen
bei 2Mhz Taktfrequenz) abgelegt, so dass die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung
zur Diagnose des Schwingkreises eine Strommessung 34 μs nach Erregung
des Schwingkreises durchführt.
Die Messung des Stroms ILS1 erfolgt gemäß diesem
Beispiel, also nach 38 μs,
also eine halbe Zeitperiode später.
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Im
folgenden werden unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 Störfälle erläutert, die
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 auftreten
können.
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Die 4A und 4B zeigen
einen ersten Fall einer Störung
des Schwingkreises, bei dem die Sendespule 9 am Knoten
N1 mit Masse kurzgeschlossen wird. Gemäß dem in 4A bis 6A gezeigten
Beispielen weist der Widerstand R1 einen Wert von 36 Ω auf, der
Kondensator C einen Wert von 4 nF und der Widerstand R2 einen Wert
von 36 Ω.
Ferner wird bei allen beschriebenen Störfällen das Steuergerät 7 mit
einer Versorgungsspannung von 33 V betrieben.
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4B zeigt
die entsprechenden Spannungs- und Stromverläufe für die Schaltung gemäß 4A,
wobei das obere Diagramm den normalen Stromverlauf des intakten
Schwingkreises zeigt, mit einem dem Strom ILS2 nacheilenden
Strom ILS1. Wenn der HS1-Transistor eingeschaltet wird, lädt sich
der Kondensator C über
den Widerstand R1 auf, so dass im Falle eines Kurzschlusses des
Knotens N1 mit Masse der Strom ILS1 durch
den LS1-Transistor
der Halb-Brücke 8a gemäß 2 im
Wesentlichen dem Endladestrom des Kondensators C entspricht, wie
in der 4B gezeigt. Erfindungsgemäß erfolgt
eine Strommessung durch das in der Schaltungsvorrichtung 1 enthaltende
Meßmittel 4 gemäß 1 nach 34 μs, wie oben
beschrieben. Zu diesem Zeitpunkt ist der gemessene Strom ILS1 im Wesentlichen 0, wie in 4B gezeigt.
Da dieser gemessene Strom unter dem normalen Strom des intakten
Schwingkreises liegt, der zu diesem Zeitpunkt auftreten sollte,
kann durch einfaches Vergleichen dieser Ströme ein Fehler bzw. eine Störung des
Schwingkreises diagnostiziert werden.
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Die 5A und 5B zeigen
einen zweiten Störfall
des Schwingkreises gemäß 2.
Wie in 5A gezeigt, ist in diesem Fall
der Knoten N2 mit dem Massepotential kurzgeschlossen. Zur Erkennung
dieses Störfalls
wird der durch den LS2-Transistor
fließende
Strom nach 34 μs
ab Beginn des Einschwingens des Schwingkreises gemessen. Bei einem
Kurzschluß des
Knoten N2 mit dem Massepotential fließt in diesem Fall zu diesem
Zeitpunkt kein Strom durch den Transistor LS2. Somit kann dieser Störfall erkannt
bzw. diagnostiziert werden.
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Die 6A und 6B zeigen
einen dritten Störfall
des Schwingkreises gemäß 2.
In diesem Fall ist der Knoten N2 mit der Batteriespannung UBAT kurzgeschlossen, wie in 6A gezeigt.
Bei einem derartigen Störfall
reicht das Messen des durch den Transistor LS2 fließenden Stroms
der Halb-Brücke 8b gemäß 2 nicht
aus, um sicher einen Störfall zu
erkennen, da, wie in 6B gezeigt, bei einem Kurzschluß des Knoten
N1 mit der Batteriespannung UBAT zum Zeitpunkt
des eingeschwungenen Zustands des intakten Schwingkreises ein Strom
von 0,33 A gemessen wird, bei der in den 4A, 5A und 6A gewählten Dimensionierung
der Bauelemente. Da der Strom von 0,33 A sehr nahe am Betriebsstrom
liegt, kann nicht eindeutig festgestellt werden, ob ein Störfall vorliegt.
Für einem
derartigen Fall ist es daher notwendig, dass eine Messung dann erfolgt, wenn
die Halb-Brücke 8a und
die Halb-Brücke 8b mit L-Pegeldaten
angesteuert werden, der Schwingkreis also nicht angeregt wird. In
einem derartigen Fall darf nämlich
in dem LS2-Transistor der Halb-Brücke 8b kein Strom
fließen,
so dass dann erst dieser Störfall erkannt
werden kann.
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7 zeigt
ein Flußdiagramm
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Diagnose einer Störung
eines Schwingkreises gemäß 2.
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In
Schritt S1 wird festgestellt, ob die Halb-Brücken 8a und 8b mit
High-Pegelflanken angesteuert werden. Ist dies nicht der Fall, so
wird gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 und 2 keine
erfindungsgemäße Diagnose
des Schwingkreises durchgeführt.
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Bei
einer Ansteuerung der Halb-Brücken 8a und 8b mit
der steigenden Flanke eines High-Datenbits wird der Timer 3 gemäß 1 in
Schritt S2 gestartet. Nach Ablauf der im Timer 3 gespeicherten Zeit,
die dem eingeschwungenen Zustand des in takten Schwingkreises entspricht,
erfolgt das Messen eines Stroms in Schritt S3, vorzugsweise erfolgt
die Messung der Ströme
ILS1 durch den LS1-Transistor der Halb-Brücke 8a und
des Stroms ILS2 durch den LS2-Transistor
der Halb-Brücke 8b.
In Schritt S4 werden die in Schritt S3 gemessenen Ströme ILS1 und ILS2 mit
Strömen
verglichen, die zum Meßzeitpunkt
bei einem intakten Schwingkreis auftreten. Wenn die gemessenen Ströme ILS1 und ILS2 von
den vorbestimmten Strömen,
die den Strömen
eines intakten Schwingkreises zum Meßzeitpunkt entsprechen, um einen
vorgegebenen variabel einstellbaren Schwellenwert, der beispielsweise
in dem Bestimmungsmittel 6 gemäß 1 gespeichert
ist, abweichen, wird in Schritt S5 ein Fehler des Schwingkreises
diagnostiziert, und in herkömmlicher
Weise beispielsweise über
eine LED-Anzeige (nicht gezeigt) angezeigt.
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Im
vorangegangenen ist ein bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben worden. Diese Ausführungsbeispiele
sind nicht einschränkend,
und ein Fachmann auf diesem Gebiet kann entsprechende Abwandlungen
vornehmen. So ist es beispielsweise selbstverständlich, dass die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung zur
Diagnose des Schwingkreises in einem Steuergerät integriert sein kann, das
keine Voll-Brücke
zur Ansteuerung eines Schwingkreises aufweist. Ferner ist für einen
Fachmann selbstverständlich,
dass das erfindungsgemäße Prinzip
der Messung des im Schwingkreis auftretenden Stroms nach einer vorbestimmten
einem eingeschwungenen Zustand des intakten Schwingkreises entsprechenden
Zeitdauer nach dem Anlegen einer Spannung an den Schwingkreis ebenso
für eine
symmetrisch Beschaltung, und nicht nur für eine unsymmetrische Beschaltung,
wie in 2 gezeigt, anwendbar ist. Ferner kann die Zeitdauer,
nach der nach Anlegen einer Spannung an den Schwingkreis eine Messung
durchzuführen
ist, frei in der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung 1 gemäß 1 programmiert
werden, und die Verwendung von DMOS-Transistoren ist nicht zwingend.