DE10042169A1 - Verfahren zur Steuerung und Regelung einer motorisch angetriebenen Verstellvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer motorisch angetriebenen Verstellvorrichtung, insbesondere eines Fensterhebers, einer Sitzverstellung oder eines Schiebedaches eines Kraftfahrzeuges, mit einem Einklemmschutz, wobei bei einer Überschreitung einer vorgegebenen zulässigen Einklemmkraft der motorische Antrieb abgeschaltet oder reversiert wird. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das bei geringen schaltungstechnischen Mitteln unter allen Betriebsbedingungen eine geringe Einklemmkraft gewährleistet, ohne das Risiko einer Fehlauslösung zu erhöhen. Zu diesem Zweck wird die Einklemmkraft mittels eines mathematischen Modells einer Verstellvorrichtung auf der Basis aktuell ermittelter Zustandsgrößen der Verstellvorrichtung bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer motorisch angetriebenen Verstellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Das Verfahren ist insbesondere für die Steuerung eines motorisch angetriebe­ nen Fensterhebers, einer Sitzverstellung oder eines Schiebe­ daches eines Kraftfahrzeugs geeignet.

Aus der DE 40 20 351 C2 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Fensterscheibe eines Kraftfahrzeuges bekannt, bei dem ein indirekt wirkender Einklemmschutz zur Anwendung kommt. Bei diesem Verfahren finden sich ändernde äußere Bedingun­ gen, zum Beispiel aufgrund von Witterungseinflüssen, Ver­ schleiß oder Verschmutzung keine Berücksichtigung. Eben­ falls wird die Streuung der Leistungsfähigkeit der jeweils eingesetzten Antriebsmotoren bei dem Verfahren nicht berück­ sichtigt, so daß insgesamt eine hohe Gesamtstreuung vor­ liegt und bei einer Vorgabe niedriger, maximal zulässiger Einklemmkräfte ein unbeabsichtigtes Reversieren vorkommen kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung und Regelung einer motorisch angetriebenen Verstellvorrichtung anzugeben, das unter allen Betriebsbedingungen eine geringe Einklemmkraft gewährleistet, ohne das Risiko einer Fehlaus­ lösung zu erhöhen, und das ein Minimum an Sensoren und Stellgliedern benötigt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Durch die Erfassung der relevanten Zustandsgrößen der Verstellvorrichtung werden mit Hilfe des mathematischen Modells der Verstellvorrichtung die Zusammenhänge zwischen den jeweiligen Komponenten des Verstellsystems berücksich­ tigt und daraus ein sehr genaues Berechnen der Einklemm­ kraft ermöglicht. Unter dem Verstellvorrichtung sind dabei sämtliche Komponenten eines Verstellsystems zu verstehen, die für den Betrieb einer Verstellvorrichtung notwendig sind, beispielsweise die Fensterscheibe als zu verstellen­ des Bauteil, die Scheibenführungen, die Führungsschienen, Dichtungselemente, der elektromotorische Antrieb und die Aggregate zur Weiterleitung der Antriebskraft. Die Zustands­ größen des Verstellsystems ergeben sich unter anderem aus den sich verändernden Umweltverhältnissen wie Temperatur, Feuchtigkeit oder Druck, deren Veränderung für den Betrieb der Verstellvorrichtung eine entsprechende Veränderung der aufzubringenden Verstellkraft nach sich zieht. Über die auf­ zubringende Verstellkraft wird die zu dem jeweiligen Zeit­ punkt tolerierbare Einklemmkraft ermittelt, so daß sehr prä­ zise reagiert werden kann, wenn ein Einklemmfall vorliegt und der Antrieb angehalten bzw. reversiert werden soll.

Dabei ist es durch die Berechnung der Einklemmkraft mittels des mathematischen Modells der Verstellvorrichtung möglich, auch Einflußgrößen zu berücksichtigen, die bislang nicht sensorisch erfaßbar waren oder nur unter hohem Aufwand zu ermitteln und in die herkömmliche Steuerung der Verstellvor­ richtung einzubeziehen gewesen sind. So können sämtliche in dem Modell erfaßten Einflußgrößen oder Zustandsgrößen des Systems berücksichtigt und gegebenenfalls hinsichtlich der Intensität der Einwirkung auf das Gesamtsystem bewertet werden. Die aktuelle also kontinuierliche oder häufige Bestimmung der Zustandsgrößen gewährleistet, daß die maxi­ mal zulässige Einklemmkraft mit einer hohen Präzision vorbestimmt werden kann, wodurch eine fehlerhafte Auslösung des Einklemmschutzes vermieden wird.

In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, daß die zulässige Einklemmkraft zumindest auf der Basis der vom motorischen Antrieb erzeugten Kraft sowie der im Verstell­ vorrichtung wirkenden Gleitreibungskräfte und Trägheitskräf­ te bestimmt wird, da diese Einfluß- bzw. Zustandsgrößen einen wesentlichen Anteil an der gesamten Einklemmkraft haben.

Eine einfache Art und Weise der Berechnung der vom motori­ schen Antrieb erzeugten Kraft besteht darin, diese auf der Basis der Drehzahl und der Klemmenspannung eines elektromo­ torischen Antriebs zu ermitteln, da diese Größen einfach und genau ermittelt werden können. Dabei wird in einer Variante der Erfindung die Klemmenspannung als veränderbare Analogspannung zur Verfügung gestellt oder durch Pulsweiten­ modulation verändert.

Zur Ermittlung einer möglichst genauen maximalen Einklemm­ kraft ist vorgesehen, Belastungsschwankungen zu berücksich­ tigen, die in Abhängigkeit von der Position der Einzelkompo­ nenten des Verstellvorrichtungs auftreten. Auf diese Weise ist es möglich, sich verändernde Reibungsbedingungen, bei­ spielsweise im Verlauf des Verfahrweges einer Fensterschei­ be entlang der Scheibenführung bei der Berechnung der Ein­ klemmkraft zu berücksichtigen. Dadurch wird vermieden, daß bei einer Verfahrbewegung des zu verstellenden Bauteils der Einklemmschutz aktiviert wird, wenn ein Abschnitt durchfah­ ren wird, der aufgrund erhöhten Verschleißes eine erhöhte Gleitreibung bewirkt.

In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, die positionsabhängigen Belastungsschwankungen durch eine Referenzfahrt über den gesamten Verstellbereich zu ermitteln und bei weiteren Fahrten kontinuierlich oder diskontinuierlich, z. B. in Intervallen, anzupassen. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß einerseits bereits bei der Inbetriebnahme der Verstellvorrichtung eine präzise Er­ mittlung der Einklemmkraft möglich ist, und andererseits die sich aufgrund von Alterung, Verschleiß oder sich verän­ dernden Umgebungsbedingungen verändernden Einflußgrößen auf das Verstellvorrichtung erfaßt und berücksichtigt werden.

Weiterhin kann zumindest ein Teil der Parameter des mathema­ tischen Modells auf der Basis der aktuell erfaßten Zustands­ größen oder der zeitabhängigen Verläufe der Zustandsgrößen ermittelt werden. Die zeitabhängigen Verläufe der Zustands­ größen können sich daraus ergeben, daß auf Grund sich verändernder Reibungsbedingungen die Drehzahl bzw. Stromauf­ nahme des Antriebsmotors im Verlauf der Verstellbewegung nicht konstant bleibt, sondern sich verändert. Damit wird das fertige Modell mit aktuellen Informationen über die Parameter und über deren zeitliche Verläufe versorgt.

In einer weiteren Variante ist vorgesehen, daß zumindest ein Teil der Parameter des mathematischen Modells auf der Basis empirisch ermittelter Daten festgelegt wird. Auf diese Weise wird der Rechenaufwand reduziert, wenn sich nicht oder nur in geringem Maße verändernde Parameter aufgrund einer Testmessung ermittelt und festgelegt werden. Eine solche Testmessung ist beispielsweise bei Elektromoto­ ren vorzunehmen, die zwar eine gewisse Fertigungsstreuung aufweisen, jedoch über ihren Betriebszeitraum hinweg wenig Veränderungen in ihrem Arbeitsverhalten zeigen.

Weiter ist vorgesehen, daß zusätzlich die Temperatur als Einflußgröße auf wenigstens einen der Parameter des mathema­ tischen Modells verarbeitet wird, da sich die Temperatur in einem relativ weiten Bereich verändern kann und große Auswirkungen hinsichtlich des Reibungsverhaltens der jewei­ ligen Einzelkomponenten bewirkt.

Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt bei der Festlegung der zulässigen Einklemmkraft auch den Betrag der Streuung der über das mathematische Modell berechneten aktuellen Einklemmkraft. Da bei der Berechnung der maximal zulässigen Einklemmkraft immer eine Ungenauigkeit der Messung, eine Streuung der Fertigungsgenauigkeit der Einzel­ komponenten und die grundsätzlich zu erwartende Streuung zu berücksichtigen sind, ist die errechnete Einklemmkraft mit einer Ungenauigkeit behaftet. Diese Ungenauigkeit, die sowohl positiv als auch negativ von dem errechneten Wert abweichen kann, wird aus Sicherheitsgründen dementsprechend als absoluter Betrag berücksichtigt und der errechneten Einklemmkraft zugeschlagen, so daß eine Sicherheit gegen ein fehlerhaftes Auslösen des Einklemmschutzes gegeben ist.

Neben statischen Anteilen des mathematischen Modells ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, daß das mathematische Modell einen dynamischen Anteil aufweist, der die Einflüsse beim Beschleunigen und Abbremsen der Verstellvorrichtung bzw. des motorischen Antriebs berücksichtigt. Wird bei­ spielsweise eine Verstellbewegung eingeleitet, kann es aufgrund der Haftreibung und der Trägheitskräfte der zu verstellenden Komponenten zu einer kurzfristigen Erhöhung der aufzubringenden Verstellkraft kommen, wodurch bei einer sehr empfindlich eingestellten Einklemmschutzvorrichtung ein fälschliches Reversieren eingeleitet werden kann. Durch eine entsprechende Berücksichtigung des dynamischen Anteils in dem mathematischen Modell wird ein sicherer und genauer Betrieb der Verstellvorrichtung gewährleistet.

Darüber hinaus ist vorgesehen, daß das mathematische Modell des motorischen Antriebs einen Anteil aufweist, der durch die konstruktiven und physikalischen Einflüsse geprägt ist, also beispielsweise durch die Eigenschaften des Antriebsmo­ tors, die Anordnung der zu verstellenden Aggregate, die Rei­ bungsverhältnisse und Wirkungsgrade der Getriebe und der­ gleichen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das mathematische Modell einen Anteil aufweist, der das reale Kennfeld des eingesetzten motorischen Antriebs reprä­ sentiert. Dabei wird ein Motormodell erstellt, in das die entsprechenden gemessenen Größen des jeweils eingesetzten Antriebsmotors eingegeben werden. So wird für jeden An­ triebsmotor oder für jeden Motorentyp ein reales Kennfeld ermittelt, das dem mathematischen Modell der Verstellvor­ richtungs beigefügt wird. Eine Berücksichtigung der realen Kennfelder der Motoren ist vorteilhaft, da zum Teil erhebli­ che Streuungen innerhalb einer Fertigung auftreten und mit einer Berücksichtigung der realen Leistungsfähigkeit der Antriebsmotoren in dem jeweiligen Drehzahlbereich eine anderenfalls erforderliche Überdimensionierung verhindert werden kann.

Zusätzlich ist vorgesehen, daß das mathematische Modell der Verstellvorrichtung einen Anteil aufweist, der den Einfluß von außen auf die Verstellvorrichtung einwirkender Beschleu­ nigungskräfte repräsentiert, z. B. infolge der durch das Befahren einer Schlechtwegstrecke verursachten, vertikal ge­ richteten Bewegungen bei Fensterscheiben oder Sitzhöhenver­ stellungen oder infolge der beim Beschleunigen oder Abbrem­ sen des Fahrzeugs horizontal gerichteten Kräfte bei Schiebe­ dächern und Sitzlängsverstellungen.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spielen soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Bestimmung eines Mo­ tormoments und

Fig. 2 eine Darstellung des Regelungsprinzips und der Übergangsfunktionen bei der Bestimmung des Motor­ moments.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Bestimmung eines Motormomentes unter Verwendung der größten Drehzahl n eines Anriebsmotors und des Ansteuerungssignal des Antriebsmo­ tors. Diese beiden Größen werden als Eingangsgrößen einem ersten dynamischen Gleichungssystem 1 zugeführt, unter dessen Einsatz das Motormoment M_Mot berechnet wird, das von dem Antriebsmotor zum Antrieb der Verstellvorrichtung erzeugt wird. In dem dynamischen Gleichungssystem sind verschiedene Koeffizienten und Parameter enthalten, die Einfluß auf das tatsächlich ausgeübte Motor-(Ist)-Moment haben, beispielsweise die Temperatur, Reibungsverhältnisse und der Wirkungsgrad verschiedener Bauteile wie Motor, Getriebe und dergleichen.

Fig. 2 zeigt eine Blockschaltbild zur detaillierte Darstel­ lung des Prinzips zur Bestimmung des Motormoments. Hierbei wird zunächst die Drehzahl n des Antriebsmotors in einem ersten Verknüpfungsglied 2 mit der dimensionslosen Größe K3 verknüpft und in einen größenbezogenen Wert U_EMK umgewan­ delt, wobei U_EMK für die durch die elektromotorische Kraft hervorgerufene Spannung steht.

Dieser Wert wird einem Vergleichsglied 3 zugeführt. Als zweiter Vergleichswert wird dem Vergleichsglied 3 die Klem­ menspannung des Antriebsmotors U_klem zugeführt und mit der umgewandelten Drehzahlgröße U_EMK verglichen, wobei U_EMK mit einem negativen Vorzeichen in den Vergleich eingeht. Die Differenz beider Werte wird anschließend zur Berücksich­ tigung des dynamischen Anteils der Verstellvorrichtung beim Anfahren beziehungsweise beim Anhalten entsprechend der Übergangsfunktion

transformiert, wobei s der Transformationsparameter und T_el eine Zeitkonstante darstellt. Berücksichtigung finden dabei beispielsweise Größen wie das Scheibengewicht, Gleitrei­ bungskräfte und andere Trägheits- und Beschleunigungskräf­ te, die auf die Verstellvorrichtung einwirken. Als Ergebnis der Transformation beziehungsweise der Berücksichtigung des dynamischen Anteils beim Start oder Stop der Verstellvor­ richtung, also der Trägheit beim Starten und Abbremsen bei­ spielsweise der Fensterscheibe oder der Sitzverstellung, wird die Größe U_ind, die induzierte Spannung, ausgegeben.

Aus der Größe U_ind und der Komponente K₁₁ wird in dem zweiten Verknüpfungsglied 5 die Stromstärke I_A des Antriebs­ motors bestimmt, wobei die Komponente K₁₁ eine dimensionslo­ se Größe ist, die die konstruktiven Elemente des Antriebsmo­ tors berücksichtigt. Zu diesen konstruktiven Elementen des Antriebsmotors zählen insbesondere die Temperatur, die Leit­ fähigkeit der Motorwicklung, der Widerstand und die Indukti­ vität des Rotors, der magnetische Fluß oder die Erregungs­ konstante.

Die so ermittelte Stromstärke I_A ist diejenige Stromstärke, die für die benötigte Motorkraft erforderlich ist. Aus der Stromstärke I_A wird in einem dritten Verknüpfungsglied 6 mittels eines Kennlinienfaktors K₁₂ das Motormoment M_Mot bestimmt.

Es ist somit zunächst erforderlich, daß ein Motormodell erstellt wird, in das die verschiedenen Komponenten und Einflußgrößen bezüglich des Antriebsmotors aufgenommen werden. Weiterhin werden die Einflußgrößen bezüglich des übrigen Verstellvorrichtung in einem Modell erfaßt und be­ rücksichtigt, beispielsweise das Gewicht der zu verstellen­ den Einrichtung oder Reibverhältnisse. Aus den Modellen werden die für den Betrieb des Einklemmschutzes relevanten Größen generiert und die zu der Verstellung notwendige Stromstärke I_A berechnet. Auf der Basis dieser errechneten Stromstärke I_A wird das maximal zulässige Motormoment M_Mot ermittelt, bei dessen Überschreiten ein Einklemmfall diagno­ stiziert wird, was zu einer Umkehrung der Verstellbewegung oder deren Anhalten führt.

Im Gegensatz zu der üblichen Bestimmung des maximalen Ver­ stellmomentes werden mit dem vorliegenden Verfahren Dreh­ zahlschwankungen des Antriebs, beispielsweise aufgrund lo­ kaler Verhärtungen von Gummiführungen oder Verschleiß, Tem­ peraturschwankungen oder Reibungsveränderungen berücksich­ tigt, so daß eine sehr genaue Regelung des Einklemmschutzes erfolgen kann, wodurch einerseits die Streuungen in der Fertigung und andererseits Veränderungen während des Betrie­ bes berücksichtigt werden können.

Ebenfalls werden Erschütterungen bei der Fahrt, die vertika­ le Beschleunigungen verursachen, in die Berechnung aufgenom­ men und damit eine präzise Bestimmung der maximal erforder­ lichen Verstellkraft ermöglicht. Durch diese gesteigerte Präzision bei der Bestimmung der Verstellkraft beziehungs­ weise des Motormomentes wird die Einklemmkraft, also dieje­ nige Kraft, die auftritt, bevor der Antrieb angehalten oder reversiert wird, auf einem konstanten Niveau gehalten. Auf­ grund der präziseren Berechnung der Verstellkraft müssen keine Sicherheitsmaßnahmen gegen ein fehlerhaftes Reversie­ ren getroffen werden.

Dies bedeutet, daß insgesamt eine geringere Belastung auf die Verstellvorrichtung ausgeübt wird, wodurch das gesamte System der Verstellvorrichtung, d. h. der Antrieb mit dem Antriebsmotor und dem Getriebe sowie die Anschläge genauer und damit leichter ausgelegt und gefertigt werden können.

Claims (15)

1. Verfahren zur Steuerung und Regelung einer motorisch an­ getriebenen Verstellvorrichtung, insbesondere eines Fen­ sterhebers, einer Sitzverstellung oder eines Schiebeda­ ches, eines Kraftfahrzeuges mit einem Einklemmschutz, wobei bei Überschreiten einer vorgegebenen zulässigen Einklemmkraft der motorische Antrieb abgeschaltet oder reversiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Einklemmkraft mittels eines mathematischen Mo­ dells der Verstellvorrichtung auf der Basis aktuell er­ mittelter Zustandsgrößen der Verstellvorrichtung be­ stimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einklemmkraft zumindest auf der Basis der vom moto­ rischen Antrieb erzeugten Kraft sowie der in der Ver­ stellvorrichtung wirkenden Gleitreibungs- und Trägheits­ kräfte bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch kennzeichnet, daß die vom motorischen Antrieb erzeugte Kraft zumindest auf der Basis der Drehzahl und der Klemmenspannung des Antriebsmotors ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmenspannung als veränderbare Analogspannung zur Verfügung gestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmenspannung durch Pulsweitenmodulation verän­ dert wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einklemmkraft unter Berücksichtigung positionsabhängiger Belastungs­ schwankungen bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsabhängigen Belastungsschwankungen durch eine Referenzfahrt über den gesamten Verstellbereich ermittelt und bei weiteren Fahrten kontinuierlich oder diskontinuierlich nachgelernt werden.

8. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch kennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Parameter des mathematischen Modells auf der Basis der aktuell erfaßten Zustandsgrößen oder der zeitabhän­ gigen Verläufe der Zustandsgrößen ermittelt wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Parameter des mathematischen Modells auf der Basis empirisch ermittelter Daten festgelegt wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Temperatur als Einflußgröße auf wenigstens einen Parameter des mathematischen Modells verarbeitet wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Festle­ gung der zulässigen Einklemmkraft die Streuung der über das mathematische Modelle berechneten aktuellen Einklemmkraft betragsmäßig berücksichtigt wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mathematische Modell des motorischen Antriebs einen dynamischen Anteil aufweist, der die Einflüsse beim Beschleunigen und Abbremsen des motorischen Antriebs berücksichtigt.

13. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mathematische Modell des motorischen Antriebs einen Anteil aufweist, der durch die konstruktiven und physikalischen Einflüs­ se geprägt ist.

14. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mathematische Modell einen Anteil aufweist, der das reale Kennfeld des eingesetzten motorischen Antriebs repräsentiert.

15. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mathematische Modell der Verstellvorrichtung einen Anteil aufweist, der den Einfluß von außen auf die Verstellvorrichtung einwirkenden Beschleunigungskräfte repräsentiert, beispielsweise infolge der durch das Befahren einer Schlechtwegstrecke verursachten, vertikal gerichteten Bewegungen oder infolge der beim Beschleunigen oder Abbremsen des Fahrzeugs auftretenden, horizontal gerichteten Kräfte.