DE69404570T2 - Kurzschlussdetektor für Messwertaufnehmer - Google Patents
Kurzschlussdetektor für MesswertaufnehmerInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kurzschlußdetektor für Sensoren.
- In vielen Systemen mit Sensornetzwerken zum Abfühlen von Systembetriebsparametern werden Filter innerhalb der Sensoronetzwerke verwendet, um den Betrieb des Systems zu optimieren: um zum Beispiel eine gute Rauschfestigkeit zu gewährleisten und um die von dem Sensor abgegebene Spannung zu begrenzen. Das letztere ist besonders wichtig bei Tachometern (Tachos) in kraftfahrzeugtechnischen Anwendungen. Gewöhnlich sind die Zeitkonstanten der induktiven und kapazitiven Sensoren der Netzwerke im Vergleich zu denen der Filter niedrig. Die Sensoren erfordern deshalb bei diesen Anwendungen eine genaue Kontrolle, damit ihr richtiger Betrieb gewährleistet ist.
- Durch Kontrolle des durch den Sensor fließenden Gleichstroms ist es möglich, zu bestimmen, ob der Sensor mit der Erdung verbunden ist, ob er mit der Stromversorgung verbunden ist oder ob der Sensor getrennt ist. Diese Art der Kontrolle erlaubt es jedoch nicht, einen kurzgeschlossenen Sensor festzustellen, da die interne Induktivität des Sensors im Vergleich zu den anderen Komponenten des Netzwerkes niedrig ist.
- Ein Verfahren zum Feststellen eines kurzgeschlossenen Sensors besteht darin, ein Sprungsignal oder einen Dirac-Impuls an dem Netzwerk anzulegen und die Antwort des geschlossenen Systems zu beobachten. Bei Tachometersensoren unterscheidet ein derartiges Verfahren jedoch nicht genau oder verläßlich zwischen einer kurzgeschlossenen und einer nicht-kurzgeschlossenen Antwort des Sensors. Die Zeitkonstante des mit den passiven Filterkomponenten kombinierten Tachometersensors ist außerdem im Vergleich zu den anderen Zeitkonstanten des Netzwerkes geringfügig.
- Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, einen ver esserten Kurschlußdetektor für einen induktiven oder kapazitiven Sensor anzugeben.
- Der vorliegenden Erfindung gemäß ist ein Kurschlußdetektor angegeben, mit dem festgestellt werden kann, ob ein Sensor normal arbeitet oder kurzgeschlossen ist, wobei der Kurzschlußdetektor umfaßt:
- eine Referenzsignaleingang zum Empfangen eines Referenzsignals;
- einen geschlossenen Regelkreis mit einer vorbestimmten Schleifenverstärkung, wobei der geschlossene Regelkreis einen ersten mit dem Referenzsignaleingang verbundenen Eingang, einen ersten Ausgang, der den Sensor mit einem Signal steuert, das von dem Eingangssignal und der vorbestimmten Schleifenverstärkung abhängig ist, einen zweiten Eingang zum Empfangen eines Rückkopplungssignals aus dem Sensor und einen mit dem ersten Eingang verbundenen zweiten Ausgang aufweist, um ein von dem Betrieb des Sensors abhängiges Ausgangsantwortsignal auszugeben, und wobei der Wert der vorbestimmten Schleifenverstärkung so gewählt ist, daß das Ausgangsantwortsignal bei einem normalen Betrieb eine ungedämpfte Schwingung ist;
- eine Einrichtung für die Analyse des Ausgangsantwortsignals und für das Feststellen eines normalen Sensorbetriebes, wenn das Ausgangsantwortsignal eine ungedämpfte Schwingung ist, und für das Feststellen eines kurzgeschlossenen Sensorbetriebes, wenn das Ausgangsantwortsignal eine gedämpfte Schwingung ist.
- Im folgenden wird ein beispielhafter Kurzschlußdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
- Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines kraftfahrzeugtechnischen Sensornetzwerkes ist;
- Fig. 2 ist ein schematisches Blockdiagramm des Netzwerkes aus Fig. 1, das einen Kurzschlußdetektor gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
- Fig. 3 ist äquivalentes elektrisches Blockdiagramm der Schaltung aus Fig. 2;
- Fig. 4 ist eine Darstellung des Lösungsortes bei einem normalen Betrieb der Schaltung aus Fig. 2;
- Fig. 5 ist eine Darstellung des Lösungsortes bei einem kurzgeschlossenen Betrieb der Schaltung aus Fig. 2;
- Fig. 6 ist eine Darstellung der dynamischen Antwort des geschlossenen Regelkreises der Schaltung aus Fig. 2 bei einem normalen Betrieb;
- Fig. 7 ist eine Darstellung der dynamischen Antwort des geschlossenen Regelkreises der Schaltung aus Fig. 2 bei einem kurzgeschlossenen Betrieb;
- Fig. 8 zeigt die Graphen der Übertragungsfuntkionen eines Referenzspannungsverstärkers, der in der Kurzschlußdetektorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
- Fig. 9 ist ein schematisches Blockdiagramm der Fig. 2, das eine Schaltung zur Kontrolle der dynamischen Antwort des geschlossenen Regelkreises bei der Feststellung eines Kurzschlusses enthält; und
- Fig. 10 ist ein schematisches Blockdiagramm der Fig. 2, das eine Schaltung zur Kontrolle eines Kurzschlusses mit der Erdung, der Stromversorgung und einen Leerlauf des Sensors enthält.
- In einem bevorzugten kraftfahrzeugtechnischen Sensorneztzwerk 1 der Fig. 1 werden die Ausgangssignale aus einem Tachometersensor 2 über ein verdrilltes Drähtepaar 6 und die Filterschaltung 8 an einen Prozessor 4 geleitet. Der Prozessor analysiert die Signale aus dem Tachometersensor und steuert in Antwort darauf den Betrieb des Motors dementsprechend.
- Um zu bestimmen, ob der Tachometersensor 2 normal arbeitet, muß der Prozessor 4 in der Lage sein festzustellen, ob einer oder beider der Drähte des verdrillten Drähtepaares 6 mit der Erdung kurzgeschlossen ist, mit einer Stromversorgung kurzgeschlossen ist, leerläuft oder ob die Drähte miteinander kurzgeschlossen sind. Wie oben erläutert, können die Verfahren des Standes der Technik nicht genau und verläßlich bestimmen, ob die Drähte miteinander kurzgeschlossen sind. Die vorliegende Erfindung versucht, dieses Problem zu beheben, indem es eine Kurzschlußdetektorschaltung angibt, die verläßlich feststellt, ob die Drähte miteinander kurzgeschlossen sind.
- Wie in Fig. 2 gezeigt, ist Kurzschlußdetektorschaltung 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in dem Prozessor 4 enthalten, um die Ausgangssignale aus dem Tachometersensor 2 zu kontrollieren. Ähnliche Komponenten wie in Fig. 1 werden mit denselben Bezugszeichen angegeben. Alternativ kann die Kurzschlußdetektorschaltung in einer Schnittstellenschaltung eingebaut werden, die als Schnittstelle zwischen dem Prozessor und dem Tachometersensor fungiert. Es ist zu beachten, daß die Detektorschatung gemäß der vorliegenden Erfindung nicht nur bei Tachometersensoren angewendet werden kann. Die Erfindung kann bei jedem induktiven oder kapazitiven Sensor oder Aktuator angewendet werden.
- Die Schaltung 10 ist eine geschlossener Regelkreis und enthält zwei Anschlüsse 12, 14, die mit den entsprechenden Drähten des verdrillten Drähtepaares 6 über die Filterschaltung 8 und einen Eingang 16 verbunden sind, um ein Sprungimpulssignal aus einem Sprungsignalerzeuger (nicht gezeigt) zu empfangen. Das Sprungimpulssignal wird an dem Eingang 16 an einen Spannungsverstärker 18 geleitet, der ein invertierendes HCMOS-Transistorgate 19 enthält, das in einen Widerstandsregelkreis mit einem Widerstand 20 geschaltet ist. Eine derartige Anordnung stellt ein Ausgangsspannungssignal zur Verfügung, das gegenüber dem am Eingang angelegten ungefähr nur das halbe Spannungsniveau aufweist. Das Ausgangssignal aus dem Referenzspannungsverstärker 18 wird über zwei Invertierer 22, 24 zu dem Anschluß 12 geleitet. Das Ausgangssignal wird an den Tachometersensor 2 geleitet und über das verdrillte Drähtepaar 6 zu dem Anschluß 14 zurückgeleitet Ein Vergleicher 32, der die Widerstände 30 und 28 enthält, vergleicht das Ausgangssignal aus dem Referenzspannungsverstärker 18 mit dem Rückkopplungssignal, das aus dem Anschluß 14 über den Invertierer 26 dorthin geleitet wird. Die Invertierer 22, 24 und 26 bestimmen die Schleifenverstärkung. Der Widerstand 34 ist zwischen den Anschlüssen 12 und 14 geschaltet, um eine Schwingung aufgrund externer Kapazitatoren, Widerstände oder aufgrund des Tachometersensors 2 bei einem Leerlauf des Sensornetzwerkes zu verhindern.
- Fig. 3 zeigt das äquivalente elektrische Blockdiagramm für die Schaltung aus Fig. 2, wobei Sin die Ausgabe des Referenzspannungsverstärkers 18, Sout das Rückkopplungssignal aus dem Anschluß 14, K die Schleifenverstärkung und G(s) die Übertragungsfunktion des Sensornetzwerkes angeben. Bei einem normalen Betrieb weist die Übertragungsfunktion drei Polstellen auf. Wenn der Tachometersensor 2 kurzgeschlossen ist, reduziert sich die Anzahl der Polstellen auf zwei. Das erzeugt eine Differenz in der dynamischen Antwort des Netzwerks.
- Wenn man das mathematische Model des Sensornetzwerks aus Fig. 2 und 3 betrachtet, ist die charakteristische Gleichung des Netzwerkes:
- Die Differenz zwischen der dynamischen Antwort des Netzwerks ist deutlich, wenn der Lösungsort in der S-Ebene mit verschiedener Schleifenverstärkung aus der charakteristischen Gleichung (1) berechnet wird. Fig. 4 und 5 zeigen den Lösungsort für das geschlossenen Regelkreisnetzwerk jeweils für einen normalen Betrieb mit den drei Polstellen A, B, C und für einen kurzgeschlossenen Betrieb mit den zwei Polstellen D, E. Die Lösungen der charakteristischen Gleichung bestimmen also den Charakter der dynamischen Antwort des Netzwerkes.
- Wie in Fig. 4 gesehen werden kann, hängt die dynamische Antwort des Sensornetzwerkes von der Schleifenverstärkung K ab und ist entweder konvergent (stabil) links von der imaginären Achse Jw oder divergent (instabil) rechts von der imaginären Achse Jw. Durch das Wählen einer vorbestimmten Schleifenverstärkung K kann bestimmt werden, daß der Lösungsort die imaginäre Achse schneidet. Bei dieser vorbestimmten Schleifenverstärkung befindet sich die dynamische Antwort in einer abklingenden Schwingung. Wenn der Prozessor 4 in diesem Fall das Rückkopplungssignal zum Beispiel am Ausgang 36 analysiert, stellt er ein wie in Fig. 6 gezeigtes Signal fest. Fig. 6 zeigt das am Eingangsanschluß 16 angelegte Sprungimpulssignal 38 und das Rückkopplungssignal 39 am Anschluß 36.
- Fig. 5 zeigt den Lösungsort, wenn der Tachometersensor 2 kurzgeschlossen ist. Wie oben erläutert ist die Anzahl der Polsteilen auf zwei (D, E) reduziert. Da der Lösungsort immer parallel zu der imaginären Achse Jw liegt, ist die dynamische Antwort des Sensornetzwerks unabhängig von der Schleifenverstärkung immer gedämpft (stabil). Wenn der Tachometersensor 2 kurzgeschlossen ist, ist die dynamische Antwort eine gedämpfte Schwingung. Das Rückkopplungssignal am Anschluß 36 erscheint deshalb wie in Fig. 7 gezeigt. Fig. 7 zeigt das am Eingang 16 angelegte Sprungimpulssignal 38 und die gedämpfte dynamische Antwort 41 am Anschluß 36.
- Durch das Wählen einer vorbestimmten Schleifenverstärkung und durch Beobachten des Rückkopplungssignals am Anschluß 36 kann der Prozessor auf diese Weise bestimmten, ob der Sensor normal arbeitet oder kurzgeschlossen ist.
- Das Antwortrückkopplungssignal mit abklingender oder gedämpfter Schwingung kann unter Verwendung von zum Beispiel einem Zähler und einem Schmitt-Trigger beobachtet werden, um das Spannungssignal am Anschluß 36 während der zweiten Hälfte der Impusperiode zu analysieren. Ein Beispiel einer derartigen Schaltung ist in Fig. 9 gezeigt.
- Ein Schmitt-Trigger wird durch zwei invertierende HSMOS-Transistorgates 52 gebildet, die in einen Widerstandsregelkreis mit einem Widerstand 54 und einem Widerstand 56 geschaltet sind. Der Hysteresefaktor wird durch das Verhältnis zwischen den Widerständen 54 und 56 bestimmt. Der Ausgang des Schmitt-Triggers so ist mit einem ersten Eingang einer UND-Schaltung 60 verbunden. Ein zweiter Eingang der UND-Schaltung 60 ist dafür geschaltet, ein Signal CLK/2CLK zu empfangen, das von dem am Eingang 16 zur Verfügung gestellten Signal abhängig ist. Die Ausgabe aus dem Schmitt-Trigger 50 wird deshalb so angeordnet, daß sie im Fenster des Sprungsignals 38 abgelesen wird. Ein Ausgang der UND-Schaltung 60 taktet einen Zähler 58, der einen mit einem Prüffläg (CF = check flag) verbundenen Überlaufausgang aufweist. Wenn der Tachometersensor 2 normal arbeitet, erhöht die Ausgabe der UND-Schaltung 60 den Zähler bis eine vorbestimmte Zahl erreicht ist, wodurch ein Überufsignal (OVR = overflow signal) erzeugt wird. Das Überlaufsignal (OVR) aktiviert das Prüfflag (CF). Wenn die Tachometeranzeige 2 kurzgeschlossen ist, wird das Ausgangssignal des Schmitt-Trigger durch den Zähler 58 gefiltert. So wird kein Überlaufsignal (OVR) erzeugt und das Prüfflag (CF) wird nicht aktiviert. Der Prozessor 4 liest den Status des Prüfflags (CF), um den Betriebsstatus des Tachometersensors zu bestimmen. Das Prüffläg kann durch ein von Prozessor 4 erzeugtes Rückmeldungsflag (ACK = acknowledge flag) wieder auf Null gesetzt werden. Auf diese Weise gibt der Status des Prüfflags (CF) an, ob der Sensor normal arbeitet (bei einer abklmgende Schwingung) oder kurzgeschlossen (bei einer gedämpften Schwingung).
- Die Schleifenverstärkung hängt von den in der Schaltung verwendeten passiven Komponenten (den Wechserichtern 22, 24 und 26) ab und bleibt unabhängig von der Spezifikation des Tachometersensors und von Veränderungen in der Temperatur und der Spannung konstant. Das ist teilweise auf die Anwendung der CMOS-Invertierer im Referenzspannungsverstärker 18 zurückzuführen, der immer eine Ausgangsspannung ausgibt, die unabhängig von Spannungs- und Temperaturverschiebungen immer in der Mitte zwischen den beiden Schaltzuständen liegt (siehe Fig. 8).
- Die Kurzschlußdetektorschlatung gemäß der vorliegenden Erfindung bietet eine einfache und verläßliche Einrichtung, um einen Kurzschluß in einem kapazitiven oder induktiven Sensor oder Aktuator festzustellen. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß das Verhalten des Sensors selbst dann noch festgestellt werden kann, wenn die dynamische Antwort des Sensors wesentlich geringer ist als die des gesamten Netzwerkes. Indem ein CMOS-Invertierer als Verstärker verwendet wird, kann die Erfindung außerdem einfach und mit geringem Kostenaufwand in einer MCU angewendet werden. Die Verwendung von CMOS-Wechselrichtern mit einer Übertragungsfunktion in der S-Ebene erlaubt weiterhin die Selbstregelung der Schleifenverstärkung, um so eine abklmgende Schwingung zu gewährleisten.
- Die der vorliegenden Erfindung entsprechende Kontrollschaltung erlaubt außerdem das Feststellen eines Kurzschlusses mit der Erdung oder der Stromversorgung oder einen Leerlauf ohne eine wesentliche Modifikation der Hardware des Netzwerkes. Ein Beispiel einer solchen Schaltung ist in Fig. 10 gezeigt. Um zu prüfen, ob der Tachometersensor mit der Erdung oder mit der Stromversorgung kurzgeschlossen ist oder leerläuft, gibt der Prozessor für eine vorbestimmte Zeitspanne ein '1'- oder '0'-Signal an den Eingang des Referenzspannungsverstärkers 18 aus. In Abhängigkeit von der Einstellungswerten wie der Schleifenverstärkung und unter Kontrolle des Zustandes des Prüfflägs (CF) kann der Prozessor 4 unter Verwendung einer exklusiven ODER -Funktion den Betrieb kontrolllieren, um zu bestimmen, ob und welche Art von Fehlfunktion aufgetreten ist. Der Sensor arbeitet zum Beispiel normal, wenn das Prüffläg bei einem Eingangssignal von '1' oder '0' sich jeweils im Zustand '1' oder '0' befindet. Die Schalter SW1 und SW2 werden durch den Prozessor 4 aktiviert, um diese Kontrollsequenz einzuleiten.
- Die vorliegende Erfindung kann bei Netzwerken mit entweder induktiven oder kapazitiven Sensoren und ebenfalls bei Sensoren verwendet werden, die im Vergleich zu anderen Komponenten im Rest des Netzwerkes eine sehr niedrige Zeitkonstante aufweisen. Die vorliegende Erfindung kann auch bei einem Netzwerk verwendet werden, das bei normalem Betrieb zwei Polstellen und kurzgeschlossenem Sensor eine Polstelle aufweist.
- Die vorliegende Erfindung kann bei ABS-Systemen, Motorregelsystemen und Getriebekontrollsystemen angewendet werden.
Claims (10)
1. Kurzschlußdetektorschaltung, um festzustellen, wann ein Sensor normal
arbeitet und wann der Sensor kurzgeschlossen ist, mit
einem Referenzsignaleingang, um ein Referenzsignal zu empfangen;
einem geschlossenen Regelkreis mit einer vorbestimmten
Schleifenverstärkung, wobei der geschlossene Regelkreis einen ersten mit dem
Referenzsignaleingang verbundenen Eingang, einen ersten Ausgang, der den
Sensor mit einem Signal steuert, das von dem Eingangssignal und der
vorbestimmten Schleifenverstärkung abhängig ist, einen zweiten Eingang zum
Empfangen eines Rückkopplungssignals aus dem Sensor und einen mit dem ersten
Eingang verbundenen zweiten Ausgang aufweist, um ein von dem Betrieb des
Sensors abhängiges Ausgangsantwortsignal auszugeben, und wobei der Wert der
vorbestimmten Schleifenverstärkung so gewählt ist, daß das Ausgangsantwortsignal
bei einem normalen Betrieb eine ungedämpfte Schwingung ist;
einer Einrichtung für die Analyse des Ausgangsantwortsignals und für das
Feststellen eines normalen Sensorbetriebes, wenn das Ausgangsantwortsignal eine
ungedämpfte Schwingung ist, und für das Feststellen eines kurzgeschlossenen
Sensorbetriebes, wenn das Ausgangsantwortsignal eine gedämpfte Schwingung ist.
2. Kurzschlußdetektorschaltung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung für die
Analyse umfaßt:
eine für den Empfang des Ausgangsantwortsignals geschaltete
Detektoreinrichtung, um ein Ausgangssignal mit einem ersten Zustand auszugeben,
wenn das Ausgangsantwortsignal einen maximalen vorbestimmten Schwellwert
erreicht, und um ein Ausgangssignal mit einem zweiten Zustand auszugeben, wenn
das Ausgangsantwortsignal einen minimalen vorbestimmten Schwellwert erreicht,
wobei die minimalen und maximalen Schwellwertniveaus so gewählt sind, daß ein
sukzessive zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand hin und her wechselndes
Ausgangssignal für das ungedämpft oszillierende Ausgabantwortsignal, und ein
Ausgangssignal in dem ersten oder zweiten Zustand für das gedämpft oszillierende
Ausgangsantwortsignal erzeugt wird; und
eine Zählereinrichtung, um das Wechseln des Ausgangssignals zwischen
dem ersten und dem zweiten Zustand zu zählen und um ein Flagsetzsignal
auszugeben, das ein Flag setzt, wenn der Zähler eine vorbestimmte Zahl erreicht,
wobei das gesetzte Flag ein ungedämpft oszillierendes Ausgangsantwortsignal und
ein nicht gesetztes Flag ein gedämpft oszillierendes Ausgangsantwortsignal angibt.
3. Kurzschlußdetektorschaltung nach Anspruch 2, die weiterhin eine
Ableseeinrichtung enthält, die zwischen die Detektoreinrichtung und die
Zählereinrichtung geschaltet ist, um die das Ausgangssignal aus der
Detektoreinrichtung während eines vorbestimmten Zeitschlitzes der Periode des
Ausgangsantwortsignals abzulesen und um das Ausgangssignal an die
Zählereinrichtung während des vorbestimmten Zeitschlitzes auszugeben.
4. Kurzschlußdetektorschaltung nach Anspruch 3, bei der die
Detektoreinrichtung einen Schmitt-Trigger enthält und die Ableseeinrichtung eine
UND-Schaltung mit einem ersten zum Empfangen des Ausgangssignals aus der
Detektoreinrichtung geschalteten Eingang, einem zweiten zum Empfangen eines von
dem Referenzsignal ahängigen Taktssignals geschalteten Eingang und einem mit
der Zählereinrichtung verbundenen Ausgang.
5. Kurzschlußdetektorschaltung nach wenigstens einem der vorstehenden
Ansprüche, bei der der geschlossene Regelkreis wenigstens eine Gateeinrichtung
mit einer vorbestimmten Schleifenverstärkung enthält, wobei die
Schleifenverstärkung von der Verstärkung des wenigstens einen Gates abhängt.
6. Kurzschlußdetektorschaltung nach Anspruch 5, bei dem das Gate einen
CMOS-Invertierer enthält.
7. Kurzschlußdetektorschaltung nach wenigstens einem der vorstehenden
Ansprüche, bei der das Referenzsignal ein Sprungimpulssignal ist.
8. Selbstbewegliche Sensoranordnung mit
einem kraftfahrzeugtechnischen Sensor; und
der Kurzschlußdetektorschaltung nach wenigstens einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei der erste Ausgang und der zweite Eingang des geschlossenen
Regeikreises mit dem kraftfahrzeugtechnischen Sensor über einen ersten und einen
zweiten Draht verbunden sind.
9. Selbstbewegliche Sensoranordnung nach Anspruch 8, bei der der
selbstbewegliche Sensor einen Tachometersensor enthält.
10. Verfahren zum Auswählen der Schleifenverstärkung des geschlossenen
Regelkreises der Kurzschlußdetektorschaltung nach wenigstens einem der
Ansprüche 1 bis 7 mit folgenden Schritten:
Bestimmen der elektrischen Eigenschaften des Kurzschlußdetektors und des
Sensors während des normalen Betriebs des Sensors;
Berechnen des Lösungsortes der festgestellten elektrischen Eigenschaften als
eine Funktion der Verstärkung;
Bestimmen des Wertes der Verstärkung, bei dem der Lösungsort ein
imaginäre Achse schneidet; und
Einstellen des Wertes der Schleifenverstärkung des geschlossenen
Regelkreises der Kurzschlußdetektorschltung nach wenigstens einem der
vorstehenden Ansprüche, so daß er der bestimmten Verstärkung gleich ist.,
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