DE3928651A1 - Elektronische schaltung zur ueberwachung eines endverstaerkers und seiner last - Google Patents
Elektronische schaltung zur ueberwachung eines endverstaerkers und seiner lastInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische
Schaltung zur Überwachung eines Endverstärkers und
seiner Last, insbesondere in einem Antiblockiersystem
für Fahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1.
Antiblockiersysteme in Fahrzeugen haben besonders hohe
Anforderungen in bezug auf Funktionssicherheit zu
erfüllen. Alle evtl. auftretenden elektrischen oder
mechanischen Fehler müssen möglichst schnell erkannt
werden. Die Elektronik muß dann so reagieren, daß das
System, z.B. durch eine Teilabschaltung, in einen
sicheren Zustand zurückgeführt wird. Im Extremfall muß
der Blockierschutz abgeschaltet werden, so daß dann das
Fahrzeug nur noch in konventioneller Weise abgebremst
werden kann.
Es sind bereits Prüfschaltungen für die Elektronik von
Antiblockiersystemen bekannt. So werden z.B. in der
DE-A-26 31 569 Prüfimpulse in den Regelkanal einge
speist, hinter dem Endverstärker abgegriffen und auf
Richtigkeit untersucht. Die Impulse sind dabei von so
kurzer Dauer, daß das nachgeschaltete Magnetventil
nicht mechanisch schaltet.
Ein besonders zu überwachendes Teilsystem eines Anti
blockiersystems ist dessen Endstufe. Diese wird be
kanntlich von einer Logikschaltung oder einem Mikro
computer entsprechend den Radgeschwindigkeiten bzw.
-beschleunigungen des überwachten Rades angesteuert.
Der Leistungstransistor der Endstufe steuert dabei die
Stromversorgung eines Magnetventils zur Steuerung der
entsprechenden Radbremse.
Hierbei können die folgenden Fehler auftreten. Es kann
die Wicklung des Magnetventils (Last) eine Unterbre
chung, einen Kurzschluß, oder einen unzulässigen
Widerstandswert aufweisen. Dieselben Fehlermöglich
keiten gelten auch für das Verbindungskabel zwischen
Endstufe und Last.
Weiter kann auch der Endtransistor selbst eine Unter
brechung oder einen Kurzschluß aufweisen.
Zur Sensierung der erwähnten Fehler ist es denkbar, in
die Verbindungsleitung zur Last einen niederohmigen
Strom-Meßwiderstand einzufügen. Hiermit kann man einen
zu hohen oder zu kleinen Stromwert erkennen. Bei den in
einem Antiblockiersystem zu schaltenden hohen Strömen
wäre jedoch der Spannungsabfall am Meßwiderstand
unzulässig hoch.
Es ist weiter denkbar, einen Fehler indirekt über die
in der Regel im System vorhandene Einschaltdauer-Über
wachung des Magnetventils zu erkennen. Dies ist jedoch
nicht in allen Fällen möglich. So kann z.B. beim
Herunterschalten auf glatter Straße (Eis oder Schnee)
ein Rad längere Zeit blockieren, ohne das gebremst
wird. In diesem Fall würde dann ein Fehler angezeigt,
obwohl in Wirklichkeit die Schaltung korrekt arbeitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schal
tung anzugeben, mit welcher die o.g. Fehler, insbeson
dere ein Kurzschluß in der Endstufe, oder eine Unter
brechung in dem Verbindungskabel oder der Last einer
elektronischen Schaltung, insbesondere eines Anti
blockiersystems, zuverlässig erkannt und unterschieden
werden können.
Eine Unterscheidungsmöglichkeit ist besonders bei einem
Antiblockiersystem für Fahrzeuge wichtig. Hier muß
nämlich bei einem Fehler des Endtransistors, insbeson
dere einem Kurzschluß, das System sofort abgeschaltet
werden, da bei der in diesem Fall auftretenden ständi
gen Bestromung des Regelventils das betreffende Rad
nicht mehr bremsbar wäre (kritischer Fall).
Hingegen braucht bei einer Unterbrechung in der Last
das System nicht abgeschaltet zu werden, da in diesem
Fall lediglich das betroffene Rad blockiert, also
weiter zur Bremsung beiträgt (unkritischer Fall).
Die obengestellte Aufgabe wird durch die im Patentan
spruch 1 enthaltende Erfindung gelöst. Die Unteran
sprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen der
Erfindung.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung
näher erläutert. Dabei zeigt die
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Antiblockiersystems
gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen
Überwachungsschaltung,
Fig. 3 eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen
Überwachungsschaltung, und
Fig. 4 und 5 ein Schaltbild des elektronischen
Umschalters.
In der Fig. 1 ist als Blockschaltbild ein bekanntes
Fahrzeug-Antiblockiersystem dargestellt. An diesem soll
die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung näher
erläutert werden. Die Schaltung kann aber selbstver
ständlich auch bei anderen Elektroniken mit Endver
stärker angewendet werden.
Ein am zu regelnden Rad angeordneter Drehzahlgeber (1)
erzeugt der Radgeschwindigkeit proportionale Signale,
die nach einer Aufbereitung (nicht dargestellt) einen
Mikrocomputer (2) zugeführt werden. Der Mikrocomputer
(2) enthält ein Programm, nach welchem aus den Signalen
des Drehzahlgebers (1) entsprechende Ansteuersignale
für eine Last (4) gebildet werden. Die Last (4) ist
hier ein Magnetventil und liegt in der Druckleitung des
Bremszylinders des zugehörigen zu regelnden Rades
(nicht dargestellt). Durch eine entsprechende Modula
tion des Bremsdruckes wird so in bekannter Weise ein
Blockieren des Rades verhindert und das Rad stets im
optimalen Schlupfbereich von ca. 20% gehalten.
Zwischen dem Mikrocomputer (2) und dem Magnetventil (4)
liegt zur Verstärkung der Computerausgangssignale ein
Endverstärker (3). Dieser besteht aus mehreren Transi
storen, von denen der Endtransistor (5) in den Fig.
2 und 3 dargestellt ist. Für den Mikrocomputer (2)
reicht eine stabilisierte Betriebsspannung (Ustab) aus,
während für den Endverstärker (3) wegen der vielfach
höheren Stromaufnahme ein direkter Anschluß an die
Fahrzeugbatterie (UB) vorgesehen ist. Aus diesem Grund
ist für den Mikrocomputer (2) nicht direkt erkennbar,
ob z.B. im Fall eines Kurzschlusses der Last die
Batteriespannung UB heruntergezogen wird.
In der Fig. 2 ist das Blockschaltbild aus der Fig. 1
näher dargestellt, ergänzt um die erfindungsgemäße
Anordnung zur Überwachung des Endverstärkers (3).
Gleiche Bezugsziffern bedeuten gleiche Bauteile. Mit
(5) ist der Leistungstransistor des Endverstärkers (3)
bezeichnet. Dieser wird vom Mikrocomputer (2) ent
sprechend der Radbewegung über eine Leitung (13)
angesteuert. Über den Transistor (5) wird eine Last
(4), hier ein Magnetventil, versorgt.
Der Leistungstransistor (5) ist überbrückt durch eine
Serienschaltung eines Widerstandes (6) und eines
Umschalters (10). Der eine Pol des Widerstandes (6)
liegt am Knotenpunkt (9) zwischen dem Transistor (5)
und der Last (4). Mit Hilfe des Umschalters (10), der
vorzugsweise als elektronischer Schalter (Gegentakt-
Endstufe) ausgebildet ist, kann der andere Pol des
Widerstandes (6) wahlweise an den Emitter des Tran
sistors (5) oder an Masse angeschlossen werden. Zur
Umschaltung dient eine vom Mikrocomputer (2) kommende
Steuerleitung (14).
Der Zustand des Knotenpunktes (9) zwischen dem Lei
stungstransistor (5) und der Last (4) wird durch eine
Überwachungsschaltung, hier durch den Mikrocomputer
(2), über eine Leitung (12) überwacht.
Die erfindungsgemäße Schaltung nach der Fig. 2 funktio
niert wie folgt.
In jedem Regelzyklus des Blockierschutzprogramms oder
in bestimmten Zeitabständen wird ein Testprogramm mit
drei Schritten durchgeführt.
Als erstes wird der Transistor (5) bzw. die Endstufe
(3) kurzzeitig eingeschaltet. Dabei ist die Einschalt
dauer in bekannter Weise so knapp bemessen, daß die
Last bzw. das Magnetventil (4) nicht anspricht.
Als zweiten Schritt steuert der Mikrocomputer (2) den
Umschalter (10) in die linke Schaltstellung, d.h. an
dem Emitter des Transistors (5). Dies ist die Normal
stellung des Umschalters (10). Hierdurch wird der
Kollektor des Transistors (5) über den Widerstand (6)
mit der Batteriespannung (UB) bzw. dem Emitter ver
bunden und somit spannungsmäßig hochgezogen (pull up).
Das Potential des Kollektor, d.h. die Spannung des
Punktes (9) wird dabei vom Mikrocomputer (2) abge
tastet.
Als dritter Schritt wird der Umschalter (10) in die
rechte Schaltstellung geschaltet und damit der Punkt
(9) über den Widerstand (6) mit Masse verbunden (pull
down). Damit ist der Testzyklus beendet, und der
Umschalter (10) wird wieder zurückgesteuert.
Anstelle der Abtastung über dem Mikrocomputer (2) kann
der Punkt (9) auch über einen anderen Mikrocomputer
oder eine separate Überwachungseinrichtung bzw. Steuer
schaltung abgetastet werden. Diese verknüpft das Signal
auf der Leitung (13) mit dem Signal auf der Über
wachungsleitung (12).
Der beschriebene Testzyklus wird auch durchgeführt
während eine Blockierschutz-(ABS-)Regelung läuft. In
den Zeitphasen, in denen der Endtransistor (5) während
der ABS-Regelung gerade leitend ist, wird hierzu der
Transistor (5) kurzzeitig abgeschaltet. Die Abschaltung
dauert ca. 100 µs, was so kurzzeitig ist, daß der
Zustand des Magnetventils (4) dadurch nicht verändert
wird. Die Abschaltspannung am Transistor (5) wird dabei
auf etwa -30 Volt begrenzt. Anschließend wird die
bereits oben beschriebene Umschaltung des Schalters
(10) und die gleichzeitige Spannungsüberwachung des
Punktes (9) durch den Mikrocomputer (2) ausgeführt.
Anstelle einer zyklischen Umschaltung kann natürlich
auch ein einmaliger Test, z.B. beim Einschalten der
Elektronik, durchgeführt werden.
Durch die erfindungsgemäße Testschaltung nach der Fig. 2
ist es möglich, den kritischen Fehlerfall "Kurzschluß
des Transistors 5" zu unterscheiden von dem anderen,
unkritischen Fehlerfall "Unterbrechung der Verbindungs
leitung zur Last (4) bzw. Unterbrechung innerhalb der
Last (4)′′. In beiden diesen Fällen hat der Punkt (9)
nämlich normalerweise, d.h. ohne die Testschaltung das
Potential (+UB).
Der Widerstand (6) ist über den Umschalter (10) an den
Emitter des Transistors (5) geschaltet. Dadurch fließt
ein im Vergleich zum Erregungsstrom des Magnetventiles
(4) sehr kleiner Meßstrom durch die Last (4). Der Wert
des Widerstandes (6) liegt bei ca. 5 bis 15 kΩ während
der Widerstand der Last (4) bei ca. 15 Ω liegt.
Trotz des Meßstromes erkennt die Überwachungsschaltung
(Mikrocomputer (2)) auf gesperrten Transistor (5). Bei
einer Unterbrechung der Last wird die Spannung am
Knotenpunkt (9) hochgezogen, was für die Überwachungs
schaltung zunächst wie ein durchgeschalteter Transistor
(5) aussieht.
Zur Unterscheidung zwischen dem kritischen und dem
unkritischen Fall wird der Umschalter (10) nun so
gesteuert, daß der Widerstand (6) an Masse geschaltet
wird und das Signal auf der Leitung (12) erneut be
wertet wird. Die Überwachungsschaltung erkennt auf
Kabelbruch, wenn die Spannung am Knotenpunkt (9)
dadurch runtergezogen wurde, bzw. auf fehlerhaften
Transistor, wenn die Spannung unverändert hoch ist.
Durch die erfindungsgemäße Schaltung wird in der
rechten Stellung des Umschalters (10) (pull down) das
Potential des Punktes (9) im beschriebenen Fehlerfall
bei gesperrtem Transistor (5) auf Null herabgezogen.
Falls dies möglich ist, erkennt hieraus der Mikrocom
puter (2), daß der Transistor (5) keinen Kurzschluß
aufweisen kann.
Bei einer Unterbrechung in der Verbindungsleitung oder
der Last (4) wird in der linken Stellung des Umschal
ters (10) das Potential des Punktes (9) auf die Batte
riespannung (UB) heraufgezogen (pull up). Hieraus
erkennt der Mikrocomputer (2), daß die Last (4) bzw.
die Verbindungsleitung (9) eine Unterbrechung haben
müssen, da ein Heraufziehen sonst nicht möglich wäre.
Die Fig. 3 zeigt eine Variante der Fig. 2. Der Widerstand
(6) aus der Fig. 2 ist hier sinngemäß aufgeteilt in zwei
Serienwiderstände (7, 8) von je ca. 5 kΩ. Am Verbin
dungspunkt der Widerstände (7, 8) ist ein elektroni
scher Schalter (11) angeschlossen, mit dem dieser Punkt
wahlweise an Masse gelegt werden kann. Der Schalter
(11) wird wiederum vom Mikrocomputer (2) über die
Leitung (14) gesteuert und ist vorzugsweise ebenfalls
als Transistorschalter ausgebildet.
Der Vorteil der Schaltung nach der Fig. 3 liegt darin,
daß anstelle eines Umschalters wie in Fig. 2 hier
lediglich ein Ein-/Ausschalter (11) ausreichend ist.
Ein Kurzschluß des Transistors (5) wird vom Mikrocom
puter (2) dann erkannt, wenn bei gesperrter Steuer
leitung (13) bzw. gesperrtem Transistor (9) der Punkt
(9) trotzdem High-Potential aufweist, und sich das
Potential bei anschließendem Einschalten des elektro
nischen Schalters (11) nicht ändert.
Eine fehlende Last (4) wird dann erkannt, wenn der
Punkt (9) bei gesperrtem (intaktem) Transistor (5) ein
High-Potential aufweist, und nach anschließendem
Einschalten des elektronischen Schalters (11) das
Potential auf Null bzw. Low wechselt.
In den Schaltungen nach den Fig. 1 bis 3 kann in
bekannter Weise die Masse mit (-UB) verbunden sein. Es
kann aber auch eine gesonderte Masse gebildet sein, die
potentialmäßig zwischen (+UB) und (-UB) liegt. An der
grundsätzlichen Funktion der Schaltung ändert sich
dadurch nichts.
Der Mikrocomputer (2) bzw. die gesonderte Steuerschal
tung kann vorzugsweise auch die Funktion des elektroni
schen Schalters (10, 11) mit überprüfen. Hierzu ist der
Ausgang des Schalters (10, 11) über eine Leitung (15)
an den Mikrocomputer (2) zurückgeführt. Diese prüft
dann, ob eine zeitliche und logische Übereinstimmung
mit dem Ansteuersignal der Leitung (14) besteht.
Die Fig. 4 zeigt den inneren Aufbau des elektronischen
Umschalters (10).
Falls über die Steuerleitung (14) ein High-Signal
ansteht, leitet der Transistor (18). Hierdurch wird die
Basis des Transistors (16) potentialmäßig herabgezogen,
und dieser leitet die Batteriespannung (UB) an die
Ausgangsleitung (15) weiter. Der Transistor (17)
sperrt, da dessen Basis an Masse liegt.
Falls an der Steuerleitung (14) ein Low-Signal steht,
wechseln alle Transistoren (16-18) ihren Zustand, und
die Ausgangsleitung (15) ist über den Transistor (17)
mit Masse verbunden.
Die Fig. 5 zeigt den inneren Aufbau des elektronischen
Schalters (11).
Falls der Eingangsleitung (14) ein High-Signal ansteht,
leitet der Transistor (19) und verbindet die Ausgangs
leitung (15) mit Masse.
Claims (5)
1. Elektronische Schaltung zur Überwachung eines
Endverstärkers (3) und/oder seiner Last (4) ,
insbesondere in einem Antiblockiersystem für
Fahrzeuge, mit mindestens einem Mikrocomputer (2)
zur Erzeugung von Steuersignalen für die Last (4
Magnetventil MV), und mit einem zwischen den
Mikrocomputer (2) und die Last (4) geschalteten
Endverstärker (3), gekennzeichnet durch folgende
Merkmale:
- a) parallel zum Endtransistor (5) des Endverstär kers (3) ist eine Widerstandsschaltung (6, 7, 8) vorgesehen;
- b) ein Anschluß der Widerstandsschaltung (6, 7, 8) ist mittels eines elektronischen Schalters (10, 11) durch den Mikrocomputer (2) oder eine gesonderte Steuerschaltung an Masse schaltbar;
- c) der Mikrocomputer (2) oder die gesonderte Steuerschaltung tastet die Spannung am Ver bindungspunkt (9) von Endtransistor (5) und Last (4) ab und prüft die Spannung auf richtige Höhe.
2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
folgende Merkmale:
- a) ein Anschluß der Widerstandsschaltung (6) ist durch einen elektronischen Umschalter (10) wahlweise mit der Versorgungsspannung (UB) oder mit Masse verbindbar;
- b) der Mikrocomputer (2) oder die gesonderte Steuerschaltung steuert den Umschalter (10) in festgelegten Zeitpunkten um (Fig. 2).
3. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
folgende Merkmale:
- a) die Widerstandsschaltung besteht aus zwei in Reihe liegenden Widerständen (7, 8), an deren Verbindungspunkt der elektronische Schalter (11) angeschlossen ist, durch welchen dieser Punkt an Masse gelegt werden kann;
- b) der Mikrocomputer (2) oder die gesonderte Steuerschaltung steuert den Schalter (11) in festgelegten Zeitpunkten an (Fig. 3).
4. Schaltung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Schalter (10, 11) als Transistor
schalter (Gegentaktendstufe) ausgebildet sind.
5. Schaltung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet
durch die folgenden Merkmale:
- a) das Ausgangssignal des elektronischen Schalters (10, 11) wird über eine Leitung (15) zum Mikro computer (2) oder zu der gesonderten Steuer schaltung geführt;
- b) der Mikrocomputer (2) oder die gesonderte Steuerschaltung prüft das Ansteuersignal auf der Leitung (14) mit dem Ausgangssignal auf der Leitung (15) auf logische Übereinstimmung.
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