DE19732764B4

DE19732764B4 - Übertragungseinrichtung für Steuersignale, insbesondere in Fahrzeugen

Info

Publication number: DE19732764B4
Application number: DE19732764A
Authority: DE
Inventors: Helge Nickel; Bernhard Timm
Original assignee: Rheinmetall Landsysteme GmbH
Current assignee: Rheinmetall Landsysteme GmbH
Priority date: 1997-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2017-07-31
Also published as: DE19732764A1

Abstract

Elektronische Übertragungseinrichtung für Steuersignale, insbesondere für Brems- oder Lenksignale, zwischen einem Bedienelement und einem Verstellelement in Fahrzeugen, wobei zwischen dem Bedienelement und dem Verstellelement mittels Aktuatoren eine Bremse bzw. eine Lenkung über Steuerkanäle ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Steuerkanäle (10, 20) zur Ansteuerung des Verstellelementes (2) benützt werden und ein Steuerkanal (30) als Vergleichskanal zur Erfassung einer Fehlfunktion eines der Steuerkanäle (10, 20) und zum Abschalten des fehlerhaften Steuerkanals (10, 20) angewendet wird, wobei den Steuerkanälen (10, 20, 30) ein zu übertragender Sollwert (12, 22, 32) zugeführt wird, und daß im fehlerfreien Betriebszustand zwei Steuerkanäle (10, 20) ständig mit einem doppelt ansteuerbaren Verstellelement (2) als aktive Redundanz verbunden sind und ein logisches Schaltelement (37) vorgesehen ist, das von dem Vergleichskanal (30) zum Abschalten eines eine Fehlfunktion aufweisenden Steuerkanals (10, 20) beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Übertragungseinrichtung für Steuersignale, insbesondere für Brems- oder Lenksignale, zwischen einem Bedienelement und einem Verstellelement in Fahrzeugen, wobei zwischen dem Bedienelement und dem Verstellelement mittels Aktuatoren eine Bremse bzw. eine Lenkung über Steuerkanäle ansteuerbar ist. ( DE 195 09 150 A1 ).
Die störungsfreie Übertragung von Brems- und Lenksignalen ist von großer Bedeutung für die Betriebssicherheit von Fahrzeugen und erfolgt gegenwärtig im wesentlichen mit mechanischen Mitteln, da deren Zuverlässigkeit bei relativ geringem Aufwand sehr hoch ist.
Die nationalen und europäischen Bau- und Wirkvorschriften und Richtlinien für die Zulassung von Kraftfahrzeugen erlauben bisher keine elektronischen Übertragungseinrichtungen für Lenk- und Bremssignale. Es wird jedoch die Möglichkeit nicht ausgeschlossen, bei entsprechendem Fortschritt der Technik eine erweiterte Zulassung zu gewähren.
Bekannt sind Lenkeinrichtungen, die von einer hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Hilfskraft unterstützt werden. Die mechanische Verbindung zwischen dem entsprechenden Bedienelement des Fahrers und dem Eingriff am Rad bzw. Kettenantrieb bleibt jedoch grundsätzlich erhalten. Ferner sind rein hydraulische Lenkeinrichtungen an schweren Fahrzeugen bekannt, bei denen allerdings die Höchstgeschwindigkeit begrenzt ist.
Für die Realisierung einer elektronischen Lenk- oder Bremsübertragung ist es erforderlich, elektronische Übertragungsmittel einzusetzen, die einzelne zufällige Fehler in der Übertragung vom Bediener bis zur Momentenerzeugung am Rad tolerieren, d.h. unwirksam machen und diese Fehler sicher zur Anzeige beim Fahrer bringen. Solche Einrichtungen sind bisher nicht bekannt geworden.

In der Zeitschrift "Elektronik" Nr. 15/1984 wird in einem Aufsatz von Schmidt, Faller, Pöttig ("Elektronisch gelenkter Bus") ein elektronisches Spurführungssystem für Personenbusse beschrieben, das als Hybrid-Lösung in analoger und digitaler Schaltungstechnik hergestellt wird.

Nach der DE 195 09 150 A1 ist eine fehlerüberwachte Teilstruktur zur Steuerung/Regelung einer Bremsanlage bekannt. Hierbei wird eine 2-Kanal-Anordnung mit einer wechselweise intermittierenden Arbeitweise vorgeschlagen. Weiterhin ist nach der DE 32 25 455 A1 eine 1-Kanal-Anordnung bekannt, wobei die Redundanz nur für Rechnereinheiten vorhanden ist, die eine schaltungsmäßige Überwachung bilden. Ferner ist nach der DE 195 26 250 A1 eine Anordnung bekannt geworden, wobei über fehlertolerante, redundante Rechnereinheiten die Sollwerte für alle Räder ermittelt werden, die mit Stellsystemen mittels fehlertoleranter Kommunikationseinrichtung verbunden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Übertragungseinrichtung für Steuersignale, insbesondere für Brems- oder Lenksignale, zwischen einem Bedienelement und einem Verstellelement in Fahrzeugen zu schaffen, die die hohen Sicherheitsanforderungen mit relativ geringem Aufwand erfüllen kann.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zwei Steuerkanäle zur Ansteuerung des Verstellelementes benutzt werden und ein Steuerkanal als Vergleichskanal zur Erfassung einer Fehlfunktion eines der Steuerkanäle und zum Abschalten des fehlerhaften Steuerkanals angewendet wird, wobei den Steuerkanälen ein zu übertragender Sollwert zugeführt wird, und daß im fehlerfreien Betriebszustand zwei Steuerkanäle ständig mit einem doppelt ansteuerbaren Verstellelement als aktive Redundanz verbunden sind und ein logisches Schaltelement vorgesehen ist, das von dem Vergleichskanal zum Abschalten eines eine Fehlfunktion aufweisenden Steuerkanals beaufschlagt wird.

Alternativ hierzu wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei Steuerkanäle zur Ansteuerung des Verstellelementes benutzt werden und ein Steuerkanal als Vergleichskanal zur Erfassung einer Fehlfunktion eines der Steuerkanäle und zum Abschalten des fehlerhaften Steuerkanals angewendet wird, wobei den Steuerkanäle ein zu übertragender Sollwert zugeführt wird und daß durch Umschaltmittel an dem die Steuerkanäle über Stellglieder anliegen bei Erfassung einer Fehlfunktion an einem aktiven Steuerkanal zur Umschaltung auf den jeweils anderen Steuerkanal mittels des Vergleichskanals als passive Redundanz angesteuert wird.

Dadurch, daß ein von einem Fahrer vorgegebener Sollwert dreifach redundant erfaßt und zweifach redundant zur Beaufschlagung eines Verstellelementes verwendet wird, wird ein hohes Maß an Störungs- und Fehlersicherheit erreicht. Da die Kanäle schaltungstechnisch weitgehende Übereinstimmungen aufweisen, ist die Realisierung relativ kostengünstig.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Zum Abschalten eines eine Fehlfunktion aufweisenden Steuerkanals ist vorzugsweise ein logisches Schaltelement vorgesehen, das von dem Vergleichskanal beaufschlagt wird.

Das Schaltelement kann in der Weise betätigbar sein, daß im fehlerfreien Betriebszustand beide Steuerkanäle (aktive Redundanz) mit dem Verstellelement verbunden sind.

Der erste und der zweite Steuerkanal sowie der Vergleichskanal können ferner jeweils einen an ein Bedienelement angeschlossenen Sollwertgeber sowie eine Recheneinheit zur Verarbeitung der Steuersignale aufweisen.

An jeder Recheneinheit ist vorzugsweise jeweils ein an dem Verstellelement angeordneter Sensor zur Erfassung eines Istwertes des Steuersignals angeschlossen.

Die Recheneinheiten können weiterhin über serielle Busleitungen miteinander verbunden sein.

Die von den Recheneinheiten der Steuerkanäle erzeugten Steuersignale werden vorzugsweise über Leistungstreiber und Stromsensoren jeweils einem Stellglied zugeführt, das das Verstellelement beaufschlagt.

Das Verstellelement kann ein elektromagnetisches Hydraulikventil oder ein elektrischer Stellmotor sein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Prinzipschaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
2 ein Prinzipschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß 1 ist ein Bedienelement 1 an einen ersten und einen zweiten Steuerkanal 10, 20 sowie einen Vergleichskanal 30 angeschlossen, wobei die beiden Steuerkanäle ein doppelt ansteuerbares Verstellelement 2 zur mechanischen Verstellung von Lenkung oder Bremsen beaufschlagen.
Jeder Kanal 10, 20, 30 weist jeweils einen an das Bedienelement 1 angeschlossenen Sollwertgeber 11, 21, 31 auf, dessen Ausgangssignale über Leitungen 12, 22, 32 jeweils einer Recheneinheit 13, 23, 33 mit Mikrocontrollern zugeführt werden. An den Ausgängen 14, 24 der Recheneinheiten 13 bzw. 23 liegt jeweils ein Leistungstreiber 15 bzw. 25 an. Jedem Leistungstreiber ist ein diesen überwachender Stromsensor 16 bzw. 26 zugeordnet. Die Recheneinheit 33 des Vergleichskanals 30 weist zwei Ausgänge 34a, 34b auf, mit denen jeweils ein Leistungstreiber 35a bzw. 35b und ein diesen überwachender Stromsensor 36a bzw. 36b verbunden ist.
Die Leistungstreiber 15, 25 jedes Steuerkanals 10, 20 sind jeweils über Relais 17, 27 mit Stellgliedern 19, 29 verbunden, bei denen es sich z.B. um über Ventile angesteuerte Hydraulikzylinder oder elektrische Stellantriebe handeln kann, die die erforderliche mechanische Verstellung in dem Verstellelement 2 für die Lenkung oder die Bremsen bewirken.
Die Ausgänge der Leistungstreiber 35a, 35b sind mit einer Logikschaltung 37 verbunden, die die Relaiswicklungen 18, 28 der Relais 17, 27 ansteuert.
An jede Recheneinheit 13, 23, 33 ist ein an dem Verstellelement 2 angeordneter Sensor 3, 4, 5 angeschlossen, der einen Istwert des Lenkwinkels oder Bremsdruckes überwacht. Die Recheneinheiten 13, 23, 33 sind schließlich über serielle Schnittstellen 6 miteinander verbunden, die der Übertragung von Daten und Statusmeldungen zum Zwecke des Vergleichs dienen.
Der erste Steuerkanal 10 und der Vergleichskanal 30 werden von einer ersten Stromquelle 13a und der zweite Steuerkanal 20 von einer zweiten Stromquelle 13a versorgt. Beide Stromquellen 13a müssen voneinander unabhängig sein.
Während des Betriebes werden die Sollwertgeber 11, 21, 31 mechanisch mit dem Signal des Bedienelementes 1 beaufschlagt, das ein Lenkrad oder ein Bremspedal darstellt. Dieses setzt das Signal mittels Winkelgebern wie z.B. Drehpotentiometern oder Codegebern in ein elektrisches Signal um, das den Recheneinheiten 13, 23, 33 zugeführt wird. Dies kann sowohl über analoge, als auch über digitale Eingänge erfolgen, sofern letztere mit Analog/Digitalwandlern versehen sind.
In den Recheneinheiten 13, 23, 33 werden die Signale verarbeitet, mit den von den Sensoren 3, 4, 5 übermittelten Istwerten verglichen und entsprechende Stellgrößen berechnet. Über die seriellen Schnittstellen 6 werden die Stellgrößen und andere Daten und Statusmeldungen zwischen den Recheneinheiten zum Zwecke des Vergleichs übermittelt. Diese Daten umfassen auch Sensorwerte (Soll- und Istwerte des Lenkwinkels bzw. des Bremsdrucks). Die berechneten Stellgrößen werden dem Verstellelement 2 über die Leistungstreiber 15, 25 zugeführt.
In den Recheneinheiten 13, 23, 33 ist eine im wesentlichen jeweils gleiche Regelungssoftware implementiert, mit der aus den Soll- und Istwerten die Stellgröße berechnet wird. Andere Programme, die zur Gewährleistung einer sicheren Fehlererkennung und Fehlerreaktion dienen, unterscheiden sich in den Steuerkanälen und in dem Vergleichskanal.
Die an den Ausgängen 34a, 34b der Recheneinheit 33 des Vergleichskanals 30 anliegenden Signale steuern über die Leistungstreiber 35a, 35b das Logikelement 37 an. Das Logikelement 37 verbindet im fehlerfreien Betriebszustand über die Relais 17, 27 in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsart entweder beide Steuerkanäle 10, 20 oder nur einen Steuerkanal mit dem jeweiligen Stellglied 19 bzw. 29, das das Verstellelement 2 beaufschlagt. Im erstgenannten Fall liegt eine aktive Redundanz, im zweiten Fall eine passive Redundanz vor.
Wenn im Falle der aktiven Redundanz in dem Vergleichskanal 30 festgestellt wird, daß in einem der Steuerkanäle 10, 20 eine Stellgröße errechnet wird, die eine vorbestimmte zulässige Abweichung übersteigt, so wird mit dem Logikelement 37 dieser Steuerkanal durch Betätigen des entsprechenden Relais 17 bzw. 27 vom dem betreffenden Stellglied 19 bzw. 29 getrennt, so daß nun nur noch der fehlerfrei arbeitende Steuerkanal das Verstellelement 2 beaufschlagt.
Im Falle der passiven Redundanz wird über das betreffende Relais der (einzige) aktive Steuerkanal abgeschaltet und gleichzeitig der andere Steuerkanal mit dem zugeordneten Stellglied verbunden, so daß eine fehlerfreie Funktion sichergestellt ist. Vorzugsweise wird in beiden Fällen dem Fahrer das Auftreten des Fehlers angezeigt.
Die in 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der Ausführung gemäß 1 darin, daß anstelle der Relais 17, 27 ein Umschaltrelais 7 an dem Verstellelement 2 vorgesehen ist, mit dem alternativ immer nur einer der Steuerkanäle 10, 20 mit dem Verstellelement verbunden wird. Das Umschaltrelais 7 wird von dem Vergleichskanal 30 angesteuert. Gegenüber der Ausführung gemäß 1 fehlt somit die Logikschaltung 37 sowie einer der Leistungstreiber 34a, 34b und der Stromsensoren 35a, 35b an dem Ausgang der Recheneinheit 33 des Vergleichskanals 30.
Gleiche Komponenten wie in 1 sind mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet und sollen zur Vermeidung von Wiederholungen nicht noch einmal beschrieben werden. Dies gilt auch für die Funktionsweise, die im Hinblick auf die Signalerfassung und -verarbeitung gleich ist und lediglich folgende Abweichungen aufweist:
Wenn in einem der Steuerkanäle 10, 20 durch die Recheneinheit 33 des Vergleichskanals 30 eine fehlerhafte Stellgröße festgestellt wird, steuert die Recheneinheit 33 das Umschaltrelais 7 an, so daß von dem fehlerhaften auf den anderen Steuerkanal umgeschaltet wird (passive Redundanz) und somit die Übertragungseinrichtung in vollem Umfang funktionsfähig bleibt. Vorzugsweise wird auch hierbei dem Fahrer ein entsprechendes Signal gegeben.

Claims

Elektronische Übertragungseinrichtung für Steuersignale, insbesondere für Brems- oder Lenksignale, zwischen einem Bedienelement und einem Verstellelement in Fahrzeugen, wobei zwischen dem Bedienelement und dem Verstellelement mittels Aktuatoren eine Bremse bzw. eine Lenkung über Steuerkanäle ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Steuerkanäle (10, 20) zur Ansteuerung des Verstellelementes (2) benützt werden und ein Steuerkanal (30) als Vergleichskanal zur Erfassung einer Fehlfunktion eines der Steuerkanäle (10, 20) und zum Abschalten des fehlerhaften Steuerkanals (10, 20) angewendet wird, wobei den Steuerkanälen (10, 20, 30) ein zu übertragender Sollwert (12, 22, 32) zugeführt wird, und daß im fehlerfreien Betriebszustand zwei Steuerkanäle (10, 20) ständig mit einem doppelt ansteuerbaren Verstellelement (2) als aktive Redundanz verbunden sind und ein logisches Schaltelement (37) vorgesehen ist, das von dem Vergleichskanal (30) zum Abschalten eines eine Fehlfunktion aufweisenden Steuerkanals (10, 20) beaufschlagt wird.
Elektronische Übertragungseinrichtung für Steuersignale, insbesondere für Brems- oder Lenksignale, zwischen einem Bedienelement und einem Verstellelement in Fahrzeugen, wobei zwischen dem Bedienelement und dem Verstellelement mittels Aktuatoren eine Bremse über Steuerkanäle ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Steuerkanäle (10, 20) zur Ansteuerung des Verstellelementes (2) benutzt werden und ein Steuerkanal (30) als Vergleichskanal zur Erfassung einer Fehlfunktion eines der Steuerkanäle (10, 20) und zum Abschalten des fehlerhaften Steuerkanals (10, 20) angewendet wird, wobei den Steuerkanälen (10, 20, 30) ein zu übertragender Sollwert (12, 22, 32) zugeführt wird und daß durch Umschaltmittel (7) an dem die Steuerkanäle (10, 20) über Stellglieder (19, 29) anliegen bei Erfassung einer Fehlfunktion an einem aktiven Steuerkanal (10, 20) zur Umschaltung auf den jeweils anderen Steuerkanal (10 bzw. 20) mittels des Vergleichskanals (30) als passive Redundanz angesteuert wird.
Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (37) derart betätigbar ist, daß im fehlerfreien Betriebszustand beide Steuerkanäle (aktive Redundanz) mit dem doppelt ansteuerbaren Verstellelement (2) verbunden sind.
Übertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Steuerkanal (10, 20) sowie der Vergleichskanal (30) jeweils einen an ein Bedienelement (1) angeschlossenen Sollwertgeber (11, 21, 31) sowie eine Recheneinheit (13, 23, 33) zur Verarbeitung der Steuersignale aufweisen, wobei an jeder Recheneinheit (13, 23, 33) jeweils ein an dem Verstellelement (2) angeordneter Sensor (3, 4, 5) zur Erfassung eines Istwertes des Steuersignals angeschlossen ist und daß die Recheneinheiten (13, 23, 33) über serielle Busleitungen (6) miteinander verbunden sind.
Übertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Recheneinheiten (13, 23) der Steuerkanäle (10, 20) erzeugten Steuersignale über Leistungstreiber (15, 25) und Stromsensoren (16, 26) jeweils einem Stellglied (19, 29) zugeführt werden, das das Verstellelement (2) beaufschlagt.
Übertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellelement (2) ein elektromagnetisches Hydraulikventil ist.
Übertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellelement (2) ein elektrischer Stellmotor ist.