DE10304024B4 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Überprüfung einer Drucksensoranordnung - Google Patents

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Überprüfung einer Drucksensoranordnung Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Überprüfung einer Drucksensoranordnung in einer elektronisch geregelten Kraft fahrzeugbremsanlage, wobei die Sensoranordnung mindestens eine Messbrücke (2, 2') enthält, welche über eine elektrische Verbindungsvorrichtung mit einer elektrischen Auswerteschaltung (1) zumindest zeitweise verbunden ist, wobei in der elektrischen Auswerteschaltung (1) ein Fehlererkennungsverfahren durchgeführt wird, welches die mindestens eine Messbrücke (2, 2') und die elektrische Verbindungsvorrichtung durch Vergleich von elektrischen Ausgangssignalen mit Sollwerten und/oder vorgegebenen Vergleichswerten und/oder Vergleichswertebereichen überprüft, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich als ein Vergleich von Steigungen von temperaturabhängigen Ausgangsspannungen der mindestens einen Messbrücke durchgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Überprüfung einer Drucksensoranordnung in einer elektronisch geregelten Kraftfahrzeugbremsanlage, wie z. B. Antiblockiersystem (ABS), Elektronisches Stabilitätsprogramm (ESP), Elektrohydraulische Bremse (EHB) usw..
  • Es ist bekannt, Drucksensoren in elektronischen Bremssystemen einzusetzen. Üblicherweise werden in diesen Systemen bereits vom Hersteller vorkalibrierte fertig konfigurierte Drucksensoren bestehend aus Sensorelementen und integrierter Auswerteelektronik (Signalverarbeitung) eingesetzt. Bei der Auswerteelektronik kann es sich beispielsweise um einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) handeln.
  • Es sind in diesem Zusammenhang auch bereits Drucksensoren bekannt geworden, bei denen neben dem eigentlichen durch eine Membran erfassten Drucksignal auch ein zusätzliches Temperatursignal ausgeben werden kann. Bei den Ausgangssignalen handelt es sich in der Regel um elektrische Signale, die zu der jeweiligen Messgröße im wesentlichen proportional sind.
  • Es ist bereits vorgeschlagen worden, den integrierten Schaltkreis für die Signalverarbeitung aus Kostengründen in das Gehäuse des elektronischen Steuergerätes (ECU) einer elektrohydraulischen Regeleinheit zu integrieren. Hierdurch werden die in der Hydraulikeinheit (HCU) verbleibenden Teile der Drucksensoren zu sog. Drucksensorköpfen reduziert. Die Drucksensorköpfe umfassen ein oder mehrere Messelemente sowie hydraulische und elektrische Anschlüsse bzw. Schnittstellen zur Verbindung mit der ECU und der HCU.
  • Durch die Trennung der Drucksensoren in Drucksensorköpfe und Auswerteelektronik ist es nicht wie bisher möglich, Drucksensoren vor dem Einbau in das Bremsensteuergerät temperaturabhängig zu kalibrieren. Eine Kalibrierung ist erforderlich, da Sensorköpfe bezüglich ihrer Eigenschaften üblicherweise merklich voneinander abweichen. Die logische Zuordnung von Kalibrierdaten und Sensorkopf entfällt durch die fertigungsbedingte Trennung der Herstellungsschritte. Es besteht außerdem das Problem, dass ein Defekt oder eine Fehlfunktion des Sensorkopfes erst nach Zusammenbau erkannt werden kann.
  • In der DE 100 53 188 A1 ist eine Sensorvorrichtung mit einem Sensorbereich und mit einem Steuerbereich beschrieben. Der Sensorbereich ist ausgebildet zum Registrieren einer physikalischen Größe und zum Ausgeben eines Sensorsignals, welches von der physikalischen Größe abhängt. Der Steuerbereich ist mit dem Sensorbereich elektrisch verbunden, führt diesem Energie zu und verarbeitet die Sensorsignale. Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin externe Beschaltungen zum Verbinden des Sensorbereichs und des Steuerbereichs, zum Zuführen der Energie und zum Übertragen des Sensorsignals. Schließlich umfasst die Sensorvorrichtung einen Diagnosebereich zum Messen des in einer der externen Beschaltungen fließenden Stroms, um einen Widerstand eines Schaltkreissystems zu erfassen. Das Schaltkreissystem umfasst dabei die externen Beschaltungen, in denen der Strom fließt. Mittels Verarbeiten des gemessenen Stromes erfasst der Diagnosebereich nun einen Fehler des Schaltkreissystems. Die Sensorvorrichtung ist damit in der Lage, einen Fehler aufgrund einer schlechten Verbindung zwischen dem Sensorbereich und dem Steuerbereich zu erkennen.
  • Aus der DE 198 44 956 C2 geht eine Fehler-Diagnose-Schaltung zum Durchführen einer Fehlerdiagnose von Schaltelementen hervor, wobei die Schaltelemente eine Brückenschaltung zum Ansteuern eines Motors bilden. Die Brückenschaltung ist dabei jeweils durch Verbinden eines ersten und eines zweiten Schaltelements in Reihe sowie eines dritten und ein es vierten Schaltelements in Reihe, durch Anschließen eines Motoreingangsanschlusses zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltelement und durch Anschließen eines anderen Motoreingangsanschlusses zwischen dem dritten und dem vierten Schaltelement gebildet. Mit beiden Eingangsanschlüssen des Motors sind jeweils Pull-Up/Down-Anschlüsse und Überwachungsanschlüsse verbunden. Die über Widerstände an den Eingangsanschlüssen des Motors angeschlossenen Pull-Up/Down-Anschlüsse liefern wahlweise einen Pull-Up-Zustand zum Bereitstellen einer Fehler-Diagnose-Spannung an den Motoreingangsanschlüssen über die Widerstände oder einen Pull-Down-Zustand zum Bereitstellen eines Massepotentials an den Motoreingangsanschlüssen über die Widerstände. Die Fehler-Diagnose-Schaltung schaltet die beiden Zustände der Pull-Up/Down-Anschlüsse um, öffnet und schließt jeweils die Schaltelemente und überwacht eine Änderung im Potential des Überwachungsanschlusses entsprechend jeder Kombination von Schaltvorgängen, wodurch die Fehler-Diagnose der offenen und der geschlossenen Schaltelemente durchgeführt wird.
  • Ein artverwandtes Sensormodul, bestehend aus einem Sensorelement zur Erfassung einer physikalischen Größe sowie aus mindestens einem integrierten Schaltkreis zur Auswertung von Sensorsignalen ist in der DE 198 06 753 A1 beschrieben, wobei auf dem Sensorelement mindestens eine Messbrücke, insbesondere eine Wheatstonsche Brücke, angeordnet ist, die mindestens zwei Ausgangssignale erzeugt. Der mindestens eine integrierte Schaltkreis weist dabei mindestens einen Fensterkomparator auf, welcher mindestens ein Ausgangssignal der Messbrücke mit einem definierten, zulässigen Maximal- bzw. Minimalwert vergleicht, wodurch mindestens ein unzulässiger Brückenpegel an der Messbrücke erkannt wird.
  • Daher ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Überprüfung einer Sensoranordnung anzugeben, welches Defekte oder Fehlfunktionen des Sensorkopfes unabhängig vom Anliegen eines Drucks an der Messbrücke erkennt.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überprüfung einer Sensoranordnung gemäß Anspruch 1 und durch eine Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 10 gelöst.
  • Eine Lösung des Problems ergibt sich dadurch, dass am Ort der Fertigung des Drucksensorkopfes eine Kalibrierung vorgenommen wird und die ermittelten Kalibrierdaten z. B. in Tabellenform elektronisch gespeichert mit den Drucksensorköpfen mitgeliefert werden. Diese Daten werden dann in einem hierfür vorgesehenen Speicherbereich abgelegt, so dass mit Hilfe dieser Daten der wahre Druckwert aus dem elektrischen Drucksensorsignal z. B. durch ein Mikroprozessorsystem berechnet werden kann.
  • Die Erfindung nutzt diese Kalibrierdaten zur Erkennung von Sensordefekten bzw. Sensorfehlfunktionen, indem insbesondere zusätzliche Daten über die Eigenschaften des Sensors gespeichert werden.
  • Das erfindungsgemäße Fehlererkennungsverfahren lässt sich darüber hinaus auch für herkömmliche, d. h. nicht in Auswerteelektronik und Sensorkopf getrennte Drucksensoren einsetzen. Eine Verwendung des Verfahrens für Sensorelemente mit Brückenschaltungen, welche keine Drucksensoren sind, ist ebenfalls erfindungsgemäß vorgesehen.
  • Nach dem Verfahren der Erfindung wird eine Verarbeitung von Druck- und Temperaturmesswerten von Messbrücken durchgeführt und zusätzlich eine Fehlerüberwachung des Drucksensorkopfs durchgeführt. Zur Fehlerüberwachung werden die möglichen Leitungszustände auf parasitäre Widerstände, Leitungsunterbrechungen, Kurzschlüsse und fehlerhaft gefertigte Messwiderstände hin überprüft. Bei den Messbrücken handelt es sich bevorzugt um Brückenschaltungen mit piezoresistiven Widerständen.
  • Die Anordnung aus Drucksensorkopf und Auswerteschaltung weist zum Zwecke der Betriebssicherheitserhöhung (Redundanz) vorzugsweise zwei Signalkanäle zur Übertragung von jeweils einer Druckinformation auf. Die getrennten Signalkanäle sind schaltungstechnisch insbesondere weitestgehend voneinander physikalisch getrennt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Auswerteschaltung wird eines der beiden redundanten Drucksignale gemeinsam mit dem Temperatursignal über eine einzige Signalleitung ausgegeben. Die Umschaltung zwischen Druckinformation und Temperaturinformation auf dieser gemeinsam genutzten Signalleitung kann durch Multiplexen erfolgen.
  • Bevorzugt ist der Sensorkopf mit der elektronischen Auswerteschaltung lediglich über vier elektrische Sensorleitungen verbunden, bei denen es sich insbesondere um Sensorleitungen handelt, die jeweils einen lösbaren elektrischen Kontakt umfassen. Im Gegensatz zu Anordnungen mit z. B. sechs elektrischen Sensorleitungen ist es erheblich aufwendiger, die erfindungsgemäße Fehlererkennung durchzuführen.
  • Nach dem Verfahren der Erfindung werden die Ausgangssignale der Messelemente so verarbeitet, dass Fehler in den Sensorelementen und den elektrischen Verbindungen entdeckt werden können. Hierbei werden Toleranzen und Temperatureinflüsse der elektronischen Bauteile einschließlich der Kontaktelemente berücksichtigt. Die Methoden eignen sich insbesondere für komplette Wheatstone Messbrücken oder Wheatstone Messbrücken aufgeteilt in 2 Halbmessbrücken. Wie gesagt, müssen die Messbrücken nicht unbedingt zur Messung eines Drucks vorgesehen sein.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des obigen Verfahrens. Vorzugsweise umfasst diese die Elemente:
    • – Einrichtung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung(en) oder eines Versorgungsstroms/ströme für die Messelemente,
    • – Messungseinrichtung zur Messung der Brückenspannung(en),
    • – Einrichtung zur Messung der Temperatur des Sensors,
    • – Einrichtung zur Erkennung von Sensorfehlern,
    • – Einrichtung zur Messung der druckproportionalen Ausgangsspannungen VINP und VINM für die Druckmessung und zur Erkennung von Sensorfehlern und
    • – Speicherungseinrichtung zum Speichern von charakteristischen Daten bezogen auf jedes einzelne Messelement in einem oder (aus Gründen der Redundanz) mehreren dauerhaften Speichern z. B. EEPROMs, wobei diese Daten insbesondere vor dem Zusammenbau der Vorrichtung ermittelt werden.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
  • Es zeigen
  • 1 Ausführungsformen für mit einer Auswerteschaltung verbundene Sensorköpfe, und
  • 2 eine Darstellung eines Sensorkopfes mit parasitären Widerständen.
  • In 1a) ist ein Drucksensor mit einer untrennbaren Vereinigung von Auswertschaltung 1 und Messbrücke 2 (Sensorkopf) gezeigt. In 1b) ist die erfindungsgemäße Messanordnung dargestellt, welche im Gegensatz zur bekannten Anordnung eine trennbare Verbindung zur Auswerteschaltung 1 aufweist und bei der lediglich vier elektrische Sensorleitungen zur Messbrücke 2' zur Verfügung stehen.
  • In 2 sind 2 Halbmessbrücken 3, 4 mit zusätzlich eingezeichneten theoretisch denkbaren parasitären Widerständen R1S, RV, R1G, RG, R2S, RM, R11, R33, RP, R12, R34, R34S, R22, R44, R2G, R12S dargestellt. Es gilt die Widerstandswerte der parasitären Widerstände festzustellen um fehlerhafte Messelemente R1, R2, R3, R4, welche sich durch parasitäre Widerstände ausdrücken lassen, sowie Leitungsfehler, wie Kurzschlüsse oder Unterbrechungen aber auch Fertigungsfehler zu entdecken.
  • Die parasitären Widerstände RV und RG (Kontaktwiderstände) lassen sich bei lediglich vier elektrischen Sensorleitungen nicht ohne weiteres bestimmen. Ein Vergleich der Ausgangsspannungen VINP und VINM führt nicht zum Ziel, da ein entsprechender parasitärer Widerstand die Spannungen VINM und VINP gleichsinnig ändern würde.
  • Der Drucksensorkopf kann neben einer Messbrücke für die Drucksensormessung auch einen zusätzlichen Temperatursensor umfassen. Werden zum Beispiel piezoresistive Widerstände als Brückenelemente eingesetzt, so ist es wegen der Temperaturabhängigkeit dieses Materials besonders zweckmäßig, die Messbrücke selbst zur Temperaturmessung heranzuziehen.
  • Die im Folgenden aufgeführten Verfahren D1 bis D8 werden nach der Erfindung unabhängig oder in Kombination miteinander besonders bevorzugt durchgeführt:
  • Verfahren D1:
  • Nach dem Verfahren D1 wird ein Vergleich von Temperatursignalen von verschiedenen Sensoren durchgeführt. Das Signal V+ in 2 ist der Temperatur proportional, wenn man als Drucksensorelemente z. B. Silizium-Halbleiterbrücken verwendet.
  • In bekannten Messanordnungen ist es üblich, den Messbrückenversorgungsstrom über einen Widerstand bei einer bestimmten Temperatur fest einzustellen. Eine Temperaturänderung an der Membran wirkt sich dann durch eine im wesentlichen proportionale Änderung der Versorgungsspannung V+ aus.
  • Eine Überprüfung wird durchgeführt, indem die Temperatursignale der Messbrücken mit denen anderer Sensorbrücken verglichen werden. Wenn die Anordnung lediglich aus einer Messbrücke besteht, kann ein Vergleich mit dem Signal eines oder mehrerer Temperatursensoren durchgeführt werden.
  • Verfahren D2:
  • Gemäß Verfahren D2 werden Messungen der Ausgangsspannungen VINP und VINM (2) hinsichtlich eines vorhandenen Offsets berücksichtigt.
  • Vor der Messung der Ausgangsspannungen VINP und VINM ist es erforderlich, auf an sich bekannte Weise durch Softwarealgorithmen festzustellen, ob ein druckloser Membranzustand vorliegt, damit ein etwaiger vorhandener Offset der Ausgangsspannungen VINP und VINM erkannt wird.
  • Dann werden die gemessenen Ausgangsspannungen VINP und VINM mit den bei den Kalibrierdaten gespeicherten Offsetwerten über die Ausgangsspannungen VINP VINM verglichen. Hierzu ist es erforderlich, dass die Kalibrierdaten für jeden Sensorkopf individuelle Offsetwerte über die Ausgangsspannungen VINP und VINM umfassen. Die Offsetwerte über die Ausgangsspannungen VINP und VINM sind bevorzugt bei Umgebungsdruck (z. B. 1 bar) tabellarisch für verschiedene Temperaturen gespeichert.
  • Verfahren D3:
  • Gemäß Verfahren D3 erfolgt ein Vergleich der Ausgangsspannungen VINP und VINM bei Drücken oberhalb des Umgebungsdrucks (insbesondere größer als 1 bar).
  • Es erfolgt ein Vergleich von |VINP| mit |VINM| durch Differenzbildung. Wie bei Verfahren D2 wird ein Vergleich zwischen gespeicherten Kalibrierdaten über die festgestellte Differenz der beiden Betragsausdrücke durchgeführt. Auch hier ist es bevorzugt, die Kalibrierdaten über die Druckdifferenz temperaturabhängig zu speichern.
  • Verfahren D4:
  • Gemäß Verfahren D4 wird ein Vergleich der Steigung der temperaturabhängigen Ausgangsspannungen VINP und VINM durchgeführt. Die Ausgangsspannung VINP steigt bei steigender Temperatur mit dem Faktor αp an. Die Ausgangsspannung VINM der zweiten Messbrücke sinkt dagegen mit dem Faktor am ab. Bevorzugt erfolgt ein Vergleich zwischen αp und αm, insbesondere durch Bestimmung des Quotienten αp/αm, welcher sich zweckmäßigerweise ebenfalls gemeinsam mit den Kalibrierdaten für jeden Sensorkopf individuell und in Abhängigkeit von der Temperatur speichern lässt.
  • Verfahren D5:
  • Nach dem Verfahren D5 wird eine Auswertung von Signalen mittels Fehlerbändern durchgeführt.
  • Wenn z. B. an den Messwiderständen R1 bis R4 in 2 Kurschlüsse oder Unterbrechungen auftreten, liegen die Ausgangsspannungen VINP und VINM oder jeweils eine dieser Ausgangsspannung nahe bei 0 Volt oder der Versorgungsspannung V+. Durch das Heranziehen von Fehlerbändern kann dies messtechnisch festgestellt werden.
  • Verfahren D6:
  • Gemäß Verfahren D6 wird ein Testsignal erzeugt.
  • Durch Erzeugung eines Testsignals lassen sich parasitäre Widerstände wie z. B. die Widerstände RV und RG in 2 bestimmen. Insbesondere bei einer Messanordnung mit lediglich vier Sensorleitungen zwischen Messbrücke und Auswerteschaltung ist dies besonders zweckmäßig.
  • Wenn kein Druck an der Membran vorhanden ist, was sich durch Softwarealgorithmen feststellen lässt, wird an Kontakt V+ eine bekannte Gleichspannung V_test angelegt. Die bei der Spannung V_test ermittelten Ausgangsspannungen VINP und VINM können ebenfalls mit entsprechenden bereits tabellarisch temperaturabhängig gespeicherten Kalibrierdaten verglichen werden.
  • Wenn kein Druck an der Membran vorhanden ist, weisen die Ausgangsspannungen VINP und VINM im fehlerfreien Fall einen Spannungswert von V+/2 auf.
  • Verfahren D7:
  • Gemäß Verfahren D7 wird mit einem Brückenversorgungsstrom gemessen.
  • Wird die Messbrücke durch parasitäre Widerstände belastet, hat dieses einen erhöhten Versorgungsstrom zur Folge. Durch eine Strommessschaltung zur Ermittlung des Brückenversorgungsstroms kann dies erkannt werden.
  • Verfahren D8:
  • Gemäß Verfahren D8 werden zur Fehlererkennung Stromquellen eingesetzt.
  • Bei diesem Verfahren wird statt einer Brückenversorgungsspannung ein Brückenversorgungsstrom erzeugt und über den Kontakt V+ in die Messbrücke eingespeist. Durch Messen des Rückstroms, welcher durch den Widerstand RG fließt, können parasitären Widerstände gegen Fremdpotentiale wie z. B. Gehäusemasse entdeckt werden.
  • Prinzipiell können die Spannungen über allen 4 Messwiderstände so kombiniert werden, dass auch parasitäre Widerstände parallel zu den Messwiderständen entdeckt werden.
  • Parasitäre Widerstände die parallel zu den Halbmessbrücken angeordnet sind können entdeckt werden, wenn die Stromquelle nicht mehr den Nominalstrom abgeben kann, also zu hoch belastet ist.
  • Die Verfahren D1 bis D8 lassen sich auf analoge Weise durchführen, wenn Stromquellen eingesetzt werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Überprüfung einer Drucksensoranordnung in einer elektronisch geregelten Kraft fahrzeugbremsanlage, wobei die Sensoranordnung mindestens eine Messbrücke (2, 2') enthält, welche über eine elektrische Verbindungsvorrichtung mit einer elektrischen Auswerteschaltung (1) zumindest zeitweise verbunden ist, wobei in der elektrischen Auswerteschaltung (1) ein Fehlererkennungsverfahren durchgeführt wird, welches die mindestens eine Messbrücke (2, 2') und die elektrische Verbindungsvorrichtung durch Vergleich von elektrischen Ausgangssignalen mit Sollwerten und/oder vorgegebenen Vergleichswerten und/oder Vergleichswertebereichen überprüft, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich als ein Vergleich von Steigungen von temperaturabhängigen Ausgangsspannungen der mindestens einen Messbrücke durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verbindungsvorrichtung aus elektrischen Sensorleitungen, elektrischen Kontakten und Leitungen zur Auswerteschaltung (1) besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Messbrücke (2, 2') mit der elektrischen Auswerteschaltung (1) über höchstens vier elektrische Sensorleitungen verbunden ist.
  4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleich von Sensorsignalen mit gespeicherten Kalibrierdaten durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleich von Sensorsignalen untereinander durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale Ströme und/oder Spannungen sind, welche an den Zuleitungen zur Auswerteschaltung (1) zur Verfügung stehen.
  7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend einen Sensorkopf, welcher über eine elektrische Verbindungsvorrichtung mit einer integrierten elektronischen Auswerteschaltung (1) verbunden ist, wobei der Sensorkopf und die Auswerteschaltung (1) unter Lösung von Verbindungen in der Verbindungsvorrichtung voneinander trennbar sind, wobei in der Auswerteschaltung (1) ein Fehlererkennungsmittel vorgesehen ist, mit dem parasitäre Widerstände, Leitungsunterbrechungen und Herstellungsfehler festgestellt werden können, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlererkennungsmittel den Vergleich als einen Vergleich von Steigungen von temperaturabhängigen Ausgangsspannungen der mindestens einen Messbrücke durchführt.
  8. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem elektrohydraulischen Kraftfahrzeugbremsensteuergerät angeordnet ist.
  9. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (1) mit einem Mikrorechner verbunden ist, wobei Auswerteschaltung (1) und Mikrorechner in einem elektronischen Bremsensteuergerät integriert sind.
  10. Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (1) und Mikrorechner auf einem gemeinsamen Chipträger oder Bauelementträger integriert sind.
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