DE4020106C2 - Einrichtung zur sicheren Ausfallerkennung und Rauschspitzenunterdrückung bei einer Potentiometerauswertung - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur sicheren Ausfallerken­ nung und Rauschspitzenunterdrückung bei einer Potentiometerauswer­ tung, insbesondere bei einem Drosselklappenpotentiometer bei einer Brennkraftmaschine.

Es ist allgemein bekannter Stand der Technik, die Drosselklappen­ stellung, von der die Menge der vom Motor angesaugten Luft abhängig ist, mit Hilfe eines Drosselklappenpotentiometers zu bestimmen. Da­ bei stellt das Drosselklappenpotentiometer einen mechanisch verän­ derbaren Widerstand dar, an dessen Schleifer die Signalspannung ab­ gegriffen wird.

Die abgegriffene Signalspannung soll innerhalb enger Toleranzen lie­ gen und die Schleiferströme sollen zwecks bester Rauschunterdrückung möglichst klein (< 20 µA) sein. Ferner ist eine Fehlererkennung für Kurzschlüsse und Kabelabfall an den Potentiometeranschlüssen er­ forderlich.

Eine Überwachungseinrichtung für das Drosselklappenpotentiometer ist aus der DE-OS 37 14 697 bekannt. Dabei wird das Drosselklappenpoten­ tiometer, dessen Schleiferstellung in einer vorgegebenen Beziehung zur Stellung des Fahrpedals steht, einerseits über einen Meßwider­ stand mit der Betriebsspannung und andererseits an Masse angeschlos­ sen. Zur Erkennung von unerwünschten Nebenschlußwiderständen, die besonders im gealterten Zustand des Potentiometers auftreten können und zu einem erhöhten Strom durch das Potentiometer und den Meßwert­ widerstand führen, wird der am Meßwiderstand auftretende Spannungs­ abfall gemessen. Bei Abweichung von einem vorgegebenen Wert wird ein Nebenschlußwiderstand erkannt.

Mit dieser Überwachungseinrichtung für ein Drosselklappenpotentio­ meter ist es jedoch nicht möglich, einen Ausfall des Potentiometers selbst oder einen Kabelbruch am Schleiferanschluß des Potentiometers zu erkennen. Außerdem können Rauschspitzen, die bei kurzfristigen Widerstandserhöhungen oder gar Unterbrechungen am Schleifer auftre­ ten können, zu Störungen führen. Diese kurzzeitigen Widerstandser­ höhungen treten insbesondere bei einem gealterten Potentiometer auf, bei dem durch Abrieb Kohlepartikel unter den Schleifer geraten.

Aus der DE-OS 38 26 937 ist eine Einrichtung zur Überwachung des Übergangswiderstandes bei einem Potentiometer bekannt, bei der das Potentiometer mit einer konstanten Spannung beaufschlagt wird und die Spannung am Schleifer des Potentiometers in einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der zu messenden Größe ausgewertet wird. Zur Überwachung des Potentiometers wird der Schleifer zeitweise mit einem Widerstand belastet und der Unterschied zwischen den bei Belastung und ohne Belastung anliegenden Spannungen wird zur Fehlererkennung ausgewertet.

In der DE-OS 35 22 775 wird eine Vorrichtung zur Bestimmung des Übergangswiderstandes am Schleifer eines Potentiometers aufgezeigt, bei der das Potentiometer zwischen einer Referenzspannung und Masse liegt. Das am Schleiferanschluß des Potentiometers abgegriffene Signal wird nach einer Analog- Digital-Wandlung zur Ermittlung der Meßgröße ausgewertet. Zur Fehlererkennung wird dem Schleiferanschluß über einen Testwiderstand eine Testspannung zugeführt. Die sich dann einstellende Spannung am Schleiferanschluß wird zur Widerstandsbestimmung und damit zur Fehlererkennung ausgewertet.

Die DE-AS 24 60 079 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung der Stellung des Schleifers eines Potentiometers und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens, bei dem eine dem Potentiometer zugeführte Spannung und die am Schleifer des Potentiometers abgegriffene Spannung zueinander in Bezug gesetzt werden. Die zugeführte Spannung setzt sich dabei zu Beginn des Meßvorgangs zusammen aus einer konstanten Spannung und einer additiv überlagerten Spannung, die nur beim Einschalten zugeführt wird. In der Auswerteschaltung wird aus dem Signalverhalten am Schleiferanschluß ermittelt, welcher Signalanteil von der kurzen, überlagerten Spannung und welcher Signalanteil von der konstanten Spannung erzeugt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaf­ fen, mit der bei der Auswertung von Ausgangssignalen einer Potentio­ meteranordnung einerseits ein Ausfall des Potentiometers oder ein Kabelbruch am Schleiferanschluß des Potentiometers erkannt wird und andererseits die Auswirkung von Rauschspitzen am Ausgangssignal der Potentiometeranordnung die zu Fehlern führen kann, bestmöglichst unterdrückt werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Vorteil, daß ein fehlendes Ausgangssignal des Potentiometers, bzw. ein Kabelbruch am Schleiferanschluß des Potentiometers trotz geringem Potentiometerstrom im Normalbetrieb sicher erkannt wird.

Rauschspitzen, die bei Abrieb der Potentiometerbahn auftreten können, können besser unterdrückt werden, bzw. durch geeignete Wahl eines Filters an einer Auswirkung am Analog-Digital-Wandler gehindert werden.

Durch eine eindeutige hardwaremäßige Fehlererkennung sind aufwendige und fragwürdige Plausibilitätsabfragen der Software überflüssig.

Erzielt wurden diese Vorteile, indem die Einrichtung zur sicheren Ausfallerkennung und Rauschspitzenunterdrückung bei einer Potentiometerauswertung gemäß Anspruch 1 so aufgebaut wird, daß das Potentiometer zwischen einer Referenzspannung und Masse liegt und das am Schleiferanschluß abgegriffene Signal einem A/D-Wandler zugeführt wird. Da dem Schleiferanschluß zusätzlich über einen pull-up Widerstand eine gegenüber der Referenzspannung erhöhte Spannung zugeführt wird, ist eine sichere Fehlererkennung möglich.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Zeichnung

Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer herkömmlichen Auswerteschaltung für ein ratiometrisch ausgewertetes Drosselklappenpotentiometer, in Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung zur sicheren Ausfallerkennung und Rauschspitzenunterdrückung für ein Drosselklappenpotentiometer angegeben.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

In der Schaltungsanordnung nach Fig. 2 ist im Drosselklappengeber DKG ein Drosselklappenpotentiometer 10 zwischen die gebufferte positive Versorgungsspannung U_V, die 5 Volt beträgt, und Masse geschaltet. Im Schleifer S des Drosselklappenpotentiometers 10 sei ein evtl. kurzzeitig auftretender Rauschwiderstand vorhanden, der als Widerstand 11 dargestellt ist. Weiterhin ist im Drosselklappengeber DKG ein Schutzwiderstand 18, dessen Wert ca. 800 Ohm beträgt, dem Schleifer S nachgeschaltet, wobei der andere Anschluß des Schutzwiderstandes 18 auf den Ausgang A des Drosselklappengebers DKG führt und mit einem entsprechenden Anschluß des Steuergerätes SG verbunden ist.

Der betreffende Anschluß des Steuergeräts SG ist über einen Filterwiderstand 12 an einen, ebenfalls zwischen Versorgungsspannung und Masse liegenden Analog-Digital-Wandler 13 angeschlossen. Zwischen dem Eingang des Analog-Digital- Wandlers 13 und Masse liegt ein Filterkondensator 14, am Eingang des Steuergeräts SG liegt ein pull-down-Widerstand 15, der mit Masse verbunden ist und zur Potentialdefinition bei einem Kabelabfall dient.

Weiterhin ist eine Schutzbeschaltung, die aus den Zenerdioden 23 und 24 besteht, am Eingang des Analog-Digital-Wandlers 13 so angeordnet, daß sie diesen vor zu hohen positiven oder negativen Spannungsspitzen schützt.

Der Analog-Digital-Wandler 13 ist in Fig. 2 durch eine Ersatzschaltung, die aus einem Widerstand 16 und eine an Klemme 17 liegende Spannung von 2,5 Volt gebildet wird, dargestellt. Zwischen dem Schleifer S des Drosselklappenpotentiometers 10 und Masse liegt die Drosselklappenpotentiometerspannung U_P' über den Schleiferkontakt S fließt als Ausgangssignal des Drosselklappenpotentiometers der Strom I_P. Am pull-down-Widerstand 15 liegt die Spannung U_RPD und am Filterkondensator 14 die Spannung U_C.

Je nach Spannung U_C fließt in den Analog-Digital-Wandler 13 ein Strom I_ADW von ca. +1 µA bis -1 µA und in die Schutzbeschaltung mit den Zenerdioden 23 und 24 ein Strom von ca. +2 µA bis -2,1 µA. Die Summe beider Ströme ist mit I_SU bezeichnet.

Das Drosselklappenpotentiometer 10 liegt im normalen Betrieb zwischen der gepufferten Versorgungsspannung U_V und Masse. Die Potentiometerspannung U_P verändert sich je nach Stellung der Drosselklappe. Die Kennlinie wird üblicherweise so ausgeführt, daß U_P maximal 4,8 Volt und minimal 0,2 Volt erreicht, so daß ein nicht plausibler Bereich für verschiedene Fehlerarten von Leistungskurzschlüssen oder - unterbrechungen vorhanden ist.

Bei Alterung des Potentiometers treten im Schleifer Widerstände durch Abrieb der Widerstandsbahn auf, die sich insbesondere bei Bewegung des Schleifers sprunghaft vergrößern. Insbesondere bei großem Strom I_P tritt durch den Spannungsabfall über den kurzzeitig vergrößerten Rauschwiderstand 18 ein hoher Spannungseinbruch am Eingang des RC-Glieds 12, 14 auf. Die Zeitkonstante dieses RC- Gliedes 12, 14 kann nur so groß gewählt werden, daß keine nennenswerte Verzögerung des Nutzsignales bei schnellster Änderung des Potentiometerschleifers im Normalbetrieb resultiert. Beispielsweise wird eine Filterzeitkonstante τ = 5 ms mit einem Widerstand 12 von 12 kΩ und einem Kondensator 14 mit 440 Nanofarad realisiert.

Damit eine möglichst geringe Fehlerauswirkung im Analog- Digital-Wandler 13 entsteht, muß der Strom I_P möglichst klein gewählt werden, damit der Spannungseinbruch so gering wie möglich gehalten wird. Die folgende Betrachtung zeigt jedoch, daß I_P mit einer Schaltung nach Fig. 2 relativ groß wird.

Zur Erkennung des Kabelabfalls am Ausgang A des Drosselklappengebers muß der Widerstand 15 das Potential soweit absenken, daß sich am Eingang des Analog-Digital- Wandlers 13 ein unplausibel niedriges Potential von beispielsweise 0,1 Volt einstellt. Durch den Strom der Zenerdiode 23 der Schutzbeschaltung und des Analog-Digital- Wandlers 13, der zusammen I_SU = -3 µA betragen soll, tritt ein Spannungsabfall über den Widerständen 12 und 15 auf. Damit dieser kleiner als 0,1 Volt bleibt, muß der Gesamtwiderstand der beiden Widerstände 12 und 15 kleiner als 33 kΩ sein, mit einem Wert von 12 kΩ für den Widerstand 12 muß Widerstand 15 kleiner als 21 Ohm sein. Dadurch resultiert jedoch im Normalbetrieb ein hoher Schleiferstrom I_P von 220 µA beim oberen Abgriff der Schleiferbahn, dieser führt bei der obengenannten Erhöhung des Rauschwiderstandes 11 zu starken Spannungseinbrüchen.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung, mit der eine verbesserte Rauschspitzenunterdrückung unter Beibehaltung der Ausfallerkennung bei der Potentiometerauswertung möglich ist.

Das Drosselklappenpotentiometer 10 ist entsprechend der Darstellung in Fig. 2 an eine gebufferte Referenzspannung U_V sowie an Masse angeschlossen. Der Ausgang A des Drosselklappengebers DKG ist über einen pull-Up-Widerstand 19 auf eine höhere Spannung als U_V gelegt, beispielsweise auf 8 Volt bei U_V = 5 Volt. Die höhere Spannung wird über einen Vorwiderstand 20, der mit einer Batteriespannungsklemme 21 verbunden ist und eine Zenerdiode 22, die zwischen dem Vorwiderstand 20 und Masse liegt, erzeugt.

In einer vereinfachten Ausführungsform kann der pull-up- Widerstand 19 auch direkt auf Batteriespannung gelegt werden, also direkt an die Batteriespannungsklemme 21 angeschlossen werden.

Die Eingangsbeschaltung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1, bzw. die Ausgestaltung des Drosselklappenpotentiometergebers DKG entspricht der bereits aus der Fig. 2 bekannten Anordnung.

Eine Berechnung der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 zeigt die Vorteile gegenüber Schaltungen nach Fig. 2 auf. Um den Fehler "Kabelabfall am Ausgang A des Drosselklappengebers DKG" zu erkennen, muß das Potential am Analog-Digital- Wandler-Eingang über eine Schwelle von etwa 4,9 Volt angehoben werden. In diesem Fall kann der Summenstrom von Analog-Digital-Wandler 13 und Schutzbeschaltung (Zenerdiode 24) als I_SU = +3 µA angenommen werden. Der Spannungsabfall über den Widerständen 19 und 12 darf 8 Volt-4,9 Volt = 3,1 Volt betragen. Damit kann der Gesamtwert der Widerstände 19 und 12 1 MΩ betragen. Da der Wert des Widerstandes 12 12 kΩ beträgt, ist er gegen den Wert des Widerstandes 19 vernachlässigbar klein, näherungsweise gilt, daß der Wert des Widerstandes 19 etwa 1 MΩ betragen darf.

Im Normalbetrieb ergibt sich der größte Schleiferstrom am unteren Abgriff der Schleiferbahn für U_P = 0 Volt. Über den pull-up-Widerstand 19 fließt dann der Strom I_Pu = 7,8 Volt × 1 MOhm < 8 µA, wobei gilt, daß der Widerstand 18 viel kleiner als der Widerstand 19 ist. Der Summenstrom aus Analog-Digital-Wandler 13 und Schutzbeschaltung (Zenerdiode 23 und Zenerdiode 24) beträgt: I_SU = -3 µA. Der resultierende Schleiferstrom am Drosselklappenpotentiometer beträgt also maximal I_P = -12 µA.

Mit dieser Beschaltung ist also eine Diagnosefähigkeit möglich, bei ca. 20 mal geringerem Laststrom bzw. Schleiferstrom I_P als bei der bekannten Anordnung nach Fig. 2. Die Auswirkung von Rauschspitzen, d. h. der Spannungsabfall durch Erhöhung von R11 ist somit ebenfalls etwa 20 mal geringer als bei einer Schaltungsanordnung nach Fig. 2.

Als Eingangsfilter kann neben den bereits beschriebenen einfachen RC-Glied 12, 14 auch ein anderes Filter verwendet werden. Insbeson­ dere kann direkt am Eingang, vom Verbindungspunkt von Widerstand 19 und Widerstand 12 ein zusätzlicher Kondensator 30 nach Masse ge­ schaltet und somit die Zeitkonstante des RC-Gliedes 12, 14 verklei­ nert werden.

Bei kurzzeitig hohen Rauschwiderständen, also wenn der Wert des Wi­ derstandes 11 gegen Unendlich geht, wird somit eine hohe Entlade­ zeitkonstante über den hochohmigen Widerstand 19 erhalten, das be­ deutet, daß auch die Sollspannung lange erhalten bleibt.

Verschwindet der Rauschwiderstand wieder, geht also der Widerstand 11 gegen Null, dann wirkt diese sehr kleine Aufladezeitkonstante über den niederohmigen Widerstand 18 auf den Sollwert U_P.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltungen können selbst­ verständlich auch für andere Potentiometerauswertungen als für Dros­ selklappenpotentiometerauswertungen verwendet werden. Als Beispiel sei hier ein Luftmengenmesser, der ebenfalls ein Potentiometer ent­ hält, angegeben.

Claims (8)

1. Einrichtung zur sicheren Ausfallerkennung und Rauschspitzenunterdrückung bei einer Potentiometerauswertung, bei der das Potentiometer zwischen eine Referenzspannung und Masse geschaltet wird und dem Schleiferanschluß des Potentiometers über einen Widerstand eine Spannung zugeführt wird und das am Schleiferanschluß abgegriffene Signal über einen Signalpfad einem Analog- Digital-Wandler zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Schleiferanschluß (S) zugeführte Spannung eine gegenüber der Referenzspannung (U_Ref) erhöhte Spannung (U_D) ist und der Widerstand ein pull-up-Widerstand (19) ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schleiferanschluß (S) des Potentiometers (10) und dem Analog-Digital-Wandler (13) ein Filter (12, 14) liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (12, 14) ein RC-Filter ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionierung des Filters (12, 14) so vorgenommen wird, daß bei der schnellstmöglichen Änderung des am Schleiferanschluß (S) abgegriffenen Signals durch das Filter (12, 14) keine weitere Zeitverzögerung auftritt.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Potentiometer (10) ein Drosselklappenpotentiometer oder ein Potentiometer eines Luftmengenmessers ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der pull-up-Widerstand (19) hochohmig ist.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionierung des Filters (12, 14) und des pull-up-Widerstandes (19) so erfolgt, daß die zulässige Dauer für Rauschspitzen möglichst groß wird.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Filterkondensator (30) vom Eingang nach Masse geschaltet wird.