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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der
Position und/oder des Drehwinkels und/oder der Drehzahl eines elektrischen
Antriebs.
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Im
Stand der Technik werden Gleichstrommotoren als Stellantriebe in
vielfältiger Weise und in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt.
Sie dienen beispielsweise als Stellantriebe für eine elektromotorische
Einstellung von Fahrzeugsitzen oder für das Öffnen
beziehungsweise Schließen von Fahrzeugfenstern oder Fahrzeugschiebedächern.
Häufig kommt es bei diesen Anwendungen auf eine positionsgenaue
Einstellung derartiger Fahrzeugkomponenten an.
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Verfahren
der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen
Ausführungsformen bereits bekannt. Bei den derzeit eingesetzten
Verfahren werden zur Positionierung des elektrischen Antriebs zumeist
Hall-Sensoren eingesetzt. Dabei entstehen relativ hohe Kosten für
den Sensor, die dazugehörige Elektronik, einen speziellen
Magneten sowie für die Verdrahtung.
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Aus
dem Stand der Technik sind zum Beispiel kommutierte Gleichstrommotoren
mit einer sensorlosen Positionserkennung nach einem sogenannten „Ripple”-Zählverfahren
bekannt. Bei einem Übergang der Bürsten eines
Gleichstrommotors von einer Statorlamelle zu einer anderen Statorlamelle
entstehen Störimpulse im Ankerstrom des Motors (kurz: Motorstrom),
die dem Ankerstromsignal eine gewisse Welligkeit aufprägen.
Diese Welligkeit wird häufig auch als Ripple bezeichnet.
Das Ankerstromsignal weist mit anderen Worten also einen Gleichstromanteil
sowie einen Wechselstromanteil auf, welcher dem Gleichstromanteil überlagert
ist. Bei einer Umdrehung des Ankers treten die Ripple in einer Häufigkeit
auf, die der Anzahl der Statorlamellen entspricht, so dass durch
eine Zählung der Ripple auf die Position beziehungsweise
den Drehwinkel des elektrischen Antriebs geschlossen werden kann.
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Ein
Problem stellt häufig die Signalaufbereitung des Ankerstromsignals
dar, um eine zuverlässige Erfassung der Ripple zu ermöglichen.
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Aus
der
DE 195 11 307
C1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Verlauf des Motorstromsignals kontinuierlich überwacht
wird. Kommt es im Verlauf des Motorstromsignals zu einem Wendepunkt
und liegt dieser Amplitudenwert 50% über den letzten Minima,
wird ein PWM-Signal (PWM = Pulsweitenmodulation) ausgegeben, welches
für einen detektierten Ripple steht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Ermittlung der Position und/oder des Drehwinkels und/oder der
Drehzahl eines elektrischen Antriebs zur Verfügung zu stellen, welches
eine zuverlässige Erfassung der Ripple in einem elektrischen
Signal eines Gleichstrommotors ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder
des Drehwinkels und/oder der Drehzahl eines elektrischen Antriebs mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung
der Position und/oder des Drehwinkels und/oder der Drehzahl eines
elektrischen Antriebs ist vorgesehen, dass
- – ein
elektrisches Signal eines Gleichstrommotors des elektrischen Antriebs
kontinuierlich erfasst wird und einer Filterbank, die eine Anzahl
n (n > 2) von Filtern
aufweist, übergeben wird, so dass ein gefiltertes elektrisches
Signal erzeugt wird,
- – die Ripple des gefilterten elektrischen Signals erfasst
werden,
- – die Ist-Frequenz fRipple der
Ripple abgeschätzt wird, und
- – die Anzahl der Ripple gezählt wird und/oder
die Abstände zwischen zwei Ripplen bestimmt werden.
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Das
Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass stets mindestens zwei
zur Ist-Frequenz fRipple der Ripple passende
Filter der Filterbank, die teilweise überlappende Frequenzbänder
aufweisen, aktiviert werden und das elektrische Signal, das insbesondere
ein elektrischer Strom (Motorstrom), eine elektrische Spannung oder
eine elektrische Leistung sein kann, mittels der mindestens zwei
aktivierten Filter gefiltert wird. Durch eine Änderung
der Gesamtfilterwirkung der Filterbank anhand der Eigenbestimmung der
auftretenden Ist-Frequenz fRipple der Ripple
wird ein teiladaptives Verfahren zur Verfügung gestellt, welches
es ermöglicht, die dem Gleichspannungsanteil überlagerte
Welligkeit des elektrischen Signals optimal zu filtern und weiterzuverarbeiten.
Aus der Anzahl der detektierten Ripple in einem bestimmten Zeitintervall
kann die Ist-Frequenz der Ripple auf einfache Weise abgeschätzt
werden. Die Ist-Frequenz der Ripple kann Aufschluss über
die momentane Drehzahl des Gleichstrommotors geben. Aus den (zeitlichen)
Abständen zwischen zwei Ripplen kann ebenfalls die momentane
Drehzahl des Gleichstrommotors bestimmt werden. Die Position des
Antriebs kann anhand der detektierten Ripplesignale zum Beispiel
mittels eines Positionszählers bestimmt werden. Wird ein
Ripplesignal detektiert, wird durch eine logische Verknüpfung
mit der Drehrichtung des Gleichstrommotors der Zählerstand
herauf- oder heruntergezählt. Über die Anzahl
der detektierten Ripple kann folglich die Position des Antriebs
bestimmt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird eine Filterbank mit n (n > 2)
Filtern verwendet, wobei mindestens zwei der n Filter immer aktiv
sind. Dabei wird zwischen festen Filtercharakteristiken umgeschaltet.
Die momentane Ist-Frequenz fRipple der Ripple,
auf Grund derer die Aktivierung der mindestens zwei Filter der Filterbank
erfolgt, wird aus den detektierten Ripplen bestimmt. Ein Vorteil
des hier vorgestellten Verfahrens besteht zum Beispiel darin, dass die
Filterbank durch eine Neudefinition der Filterkoeffizienten relativ
einfach und unkompliziert erweitert werden kann. Ein weiterer Vorteil
der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass aus der Eigenabschätzung
der Ripplefrequenz immer das optimale Frequenzband aus der Filterbank
ausgewählt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit,
dass die Filter schwellwertabhängig von der Ist-Frequenz
fRipple der Ripple aktiviert werden.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Filter anhand der Periodendauern
der Ripple aktiviert werden.
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Es
ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform möglich,
dass mindestens zwei Filter der Filterbank miteinander verkettet
werden, um die Störunterdrückung zu erhöhen.
So ist es zum Beispiel möglich, dass während des
Stillstands des Gleichstrommotors die Filterkoeffizienten des n-ten Filters
so gewählt werden, dass dieser Filter das gleiche (zumindest
aber ein ähnliches) Filterverhalten wie der erste Filter
der Filterbank aufweist. Zu diesem Zeitpunkt sind zumindest diese
beiden Filter der Filterbank als Kaskade geschaltet. Eine derartige
Filterkaskadierung ist zum Beispiel dann besonders vorteilhaft,
wenn das Frequenzspektrum des elektrischen Signals vergleichsweise
viele Störungen aufweist. Dies kann zum Beispiel während
des Anlaufs, des Generatorbetriebs und bei Blockfahrten des Gleichstrommotors
der Fall sein.
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Es
kann in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein,
dass die nicht aktivierten Filter der Filterbank durch eine Änderung
der Filterkoeffizienten dafür verwendet werden, um weitere
Frequenzbänder zu generieren.
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Wenn
die momentane Ist-Frequenz fRipple der Ripple
den optimalen Übertragungsbereich desjenigen Filters mit
dem höchsten Frequenzband übersteigt, können
zum Beispiel die Filterkoeffizienten desjenigen Filters mit dem
niedrigsten Frequenzband derart geändert werden, dass sich
nun eine Übertragungsfunktion ergibt, deren Frequenzband
größer als das bislang größte
Frequenzband ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass
die Rippleinformationen durch ein Schwellwertverfahren, das mindestens
einen Schwellwert aufweist, aus dem gefilterten elektrischen Signal
extrahiert werden. Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere
Schwellwerte vorzusehen, die vorteilhaft über den möglichen
Amplitudenbereich des gefilterten elektrischen Signals verteilt
werden. Damit auf Grund der Anzahl der verschiedenen Schwellwerte
keine Fehlinterpretationen bei der Analyse des gefilterten elektrischen
Signals auftreten, sieht eine besonders bevorzugte Ausführungsform vor,
dass die einzelnen Schwellwerte über eine Logikschaltung
miteinander ver knüpft werden. In Abhängigkeit
von den erfassten Ripplesignalen kann in einer bevorzugten Ausführungsform
ein Rechtecksignal erzeugt werden.
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Es
besteht die Möglichkeit, dass die Schwellwerte des Schwellwertverfahrens
in Abhängigkeit von der maximalen Amplitude der Ripple
verändert werden.
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In
Abhängigkeit von der Betriebsspannung des Gleichstrommotors
kann es vorkommen, dass die Amplitude des gefilterten elektrischen
Signals verhältnismäßig stark schwankt.
Um diesem Effekt entgegenzuwirken, kann das gefilterte elektrische
Signal in einer vorteilhaften Ausführungsform dynamisch
verstärkt werden, so dass die Ripple stets im Wesentlichen
den gleichen Amplitudenwert aufweisen. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, dass die Schwellwerte des Schwellwertverfahrens in
Abhängigkeit von der maximalen Amplitude der Ripple verändert
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Möglichkeit,
dass zwischen den Filtern der Filterbank umgeschaltet wird, wenn
das gefilterte elektrische Signal einen Nulldurchgang aufweist.
Auf diese Weise können Störungen während
des Umschaltens wirksam verhindert werden.
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Anhand
der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend
näher erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung des grundlegenden Funktionsprinzips eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Bestimmung
der Position und/oder des Drehwinkels und/oder der Drehzahl eines
elektrischen Antriebs.
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Unter
Bezugnahme auf 1 soll nachfolgend ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Bestimmung der
Position und/oder des Drehwinkels und/oder der Drehzahl eines elektrischen
Antriebs näher erläutert werden.
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Ein
elektrisches Signal, das in diesem Ausführungsbeispiel
ein Motorstrom (Ankerstrom) IMotor eines
kommutierten Gleichstrommotors ist, wird mit Hilfe geeigneter Erfassungsmittel
erfasst und einer Filterbank 1 zugeführt, die
eine Anzahl n (n > 2)
von Filtern 10a, 10b, ..., 10n aufweist.
Der Motorstrom IMotor wird dabei (vorzugsweise
bipolar) aufbereitet und über einen AD-Wandler eingelesen.
Das elektrische Signal kann zum Beispiel auch eine elektrische Spannung
oder eine elektrische Leistung sein.
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Der
Motorstrom IMotor des Gleichstrommotors weist
eine gewisse Welligkeit (nachfolgend kurz „Ripple” genannt)
auf, die davon herrührt, dass bei der Kommutierung des
Gleichstrommotors bei einem Übergang der Bürsten
von einer Statorlamelle zu einer anderen Statorlamelle Störimpulse
im Ankerstrom des Motors (kurz: Motorstrom IMotor)
entstehen, die dem Ankerstromsignal ihre Welligkeit aufprägen.
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Die
Filter 10a, 10b, ..., 10n der Filterbank 1 sind
Bandpassfilter mit einer spezifischen Bandmittenfrequenz fB und einer spezifischen Bandbreite, so dass
der Gleichstromanteil des Motorstroms IMotor mittels
der Filter 10a, 10b, ..., 10n herausgefiltert
werden kann und nur der Wechselstromanteil, der dem Gleichstromanteil überlagert
ist und das Ripplesignal trägt, erhalten bleibt. Mindestens
zwei der n Filter 10a, 10b, ..., 10n der
Filterbank 1 sind für eine Filterung des Motorstroms
IMotor stets aktiviert. Der Mo torstrom IMotor, welcher der Filterbank 1 zugeführt
wird, wird von den mindestens zwei aktivierten Filtern 10a, 10b,
..., 10n mit überlappenden Filtereigenschaften gefiltert,
so dass ein gefiltertes Motorstromsignal IMotor,
gefiltert erzeugt wird, welches anschließend einem Schwellwertmodul 2 zur
Verfügung gestellt wird. Im Schwellwertmodul 2 wird
durch ein Schwellwertverfahren, welches weiter unten noch näher
erläutert wird, die Rippleinformation aus dem gefilterten
Motorstromsignal IMotor, gefiltert extrahiert.
Die mittels des Schwellwertverfahrens im gefilterten Motorstromsignal
IMotor, gefiltert erfassten Ripple werden
dann von einem Positionszähler 3 gezählt.
Darüber hinaus wird in einem Frequenzbestimmungsmodul 4 aus
der Anzahl der detektierten Ripple in einem bestimmten Zeitintervall
die Ist-Frequenz fRipple der Ripple abgeschätzt.
Die Ist-Frequenz fRipple der Ripple kann
dabei Aufschluss über die momentane Drehzahl des Gleichstrommotors
geben. Mit dieser Ist-Frequenz fRipple wird
dann in einem Filterauswahl- und Filteraktivierungsmodul 5 der
Filter 10a, 10b, ..., 10n ermittelt, dessen
Frequenzband (Durchlassbereich) die Ist-Frequenz fRipple der
Ripple enthält. Mit Hilfe des Filterauswahl- und Filteraktivierungsmoduls 5 wird
der im vorhergehenden Schritt ermittelte Filter 10a, 10b, ..., 10n der
Filterbank 1 ausgewählt. Aus den (zeitlichen)
Abständen zwischen zwei Ripplen kann ebenfalls die momentane
Drehzahl des Gleichstrommotors bestimmt werden.
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Wenn
die Ist-Frequenz fRipple der Ripple an die
Grenzen des Frequenzbandes des ausgewählten Filters 10a, 10b,
..., 10n gelangt, wird überprüft, ob die
derzeitige Ist-Frequenz fRipple der Ripple
sinnvollerweise zu dem Frequenzband des nächsten Filters 10a, 10b,
..., 10n der Filterbank 1 passt. Ist das der Fall, übernimmt
dieser nächste Filter 10a, 10b, ..., 10n der
Filterbank 1 (mit einem höheren oder einem niedrigeren
Frequenzband) die Filterung des Motorstroms IMotor.
Ebenfalls können bei diesem Verfahren die nicht aktiven
Filter 10a, 10b, ..., 10n der Filterbank 1 durch
eine Änderung der Filterkoeffizienten dazu genutzt werden,
um weitere Frequenzbänder zu generieren.
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Ferner
besteht bei dem hier vorgestellten Verfahren die Möglichkeit,
in Phasen mit einem erhöhten Auftreten bestimmter Frequenzkomponenten die
Filtereigenschaften von mindestens zwei der n Filter 10a, 10b,
..., 10n (vorzugsweise mit ähnlichem oder gleichem
Frequenzband) über ein Filterverkettungsmodul 6 miteinander
zu verketten, so dass im Sperrbereich eine möglichst große
Dämpfung erzielt wird. Dies ist insbesondere während
der Anlaufphase, während des Generatorbetriebs oder während Blockfahrten
des elektrischen Antriebs von Vorteil.
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Das
hier vorgestellte Verfahren zur Bestimmung der Position und/oder
des Drehwinkels und/oder der Drehzahl eines elektrischen Antriebs bietet
die Möglichkeit, den Motorstrom IMotor über
eine Anzahl n unterschiedlich hoher Frequenzbänder zu filtern.
Die Umschaltung der Filter 10a, 10b, ..., 10n ist
schwellwertabhängig von der Ist-Frequenz fRipple der
Ripple und wird durch das Filterauswahl- und Filteraktivierungsmodul 5 ausgeführt.
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Nachfolgend
soll kurz die Funktionsweise des Filterauswahl- und Filteraktivierungsmoduls 5 näher
erläutert werden. Anhand der momentan bestimmten Ist-Frequenz
fRipple der Ripple werden mit Hilfe des
Filterauswahl- und Filteraktivierungsmoduls 5 mindestens
zwei der n Filter 10a, 10b, ..., 10n der Filterbank 1 ausgewählt
und aktiviert. Dabei kann gegebenenfalls eine Priorisierung einzelner
Filter 10a, 10b, ..., 10n erfolgen. Das
Filterauswahl- und Filteraktivierungsmodul 5 sichert die Übergabe
an das nächste Filterband, ohne dass das Ripplesignal in den
Sperrbereich eines der Filter 10a, 10b, ..., 10n gelangt.
Damit während des Umschaltens keine Störungen
auftreten, wird immer erst dann zwischen den Filtern 10a, 10b,
..., 10n der Filterbank 1 umgeschaltet, wenn der
gefilterte Motorstrom IMotor, gefiltert einen Nulldurchgang
aufweist.
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Der
Positionszähler 3 bestimmt die Position des Antriebs
anhand der detektierten Ripplesignale. Wird ein Ripplesignal detektiert,
wird durch eine logische Verknüpfung mit der Drehrichtung
des Gleichstrommotors der Zählerstand herauf- oder heruntergezählt. Über
die Anzahl der detektierten Ripple kann folglich die Position des
Antriebs bestimmt werden.
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Nachfolgend
soll das innerhalb des Schwellwertmoduls 2 ausgeführte
Schwellwertverfahren zur Erfassung der Ripplesignale näher
erläutert werden. Das Schwellwertverfahren umfasst mindestens
einen Schwellwert. Vorzugsweise sind mehrere (mindes tens zwei) Schwellwerte
vorgesehen, die über den möglichen Amplitudenbereich
des gefilterten Motorstromsignals IMotor, gefiltert verteilt
sind. Damit auf Grund der Anzahl der verschiedenen Schwellwerte
keine Fehlinterpretationen des gefilterten Motorstromsignals IMotor, gefiltert entstehen, werden die einzelnen Schwellwerte
vorzugsweise über eine Logikschaltung miteinander verknüpft.
Ein Kernelement dieser Logikschaltung kann insbesondere ein konstanter oder
ein dynamischer Zeitwert sein, mittels dessen eine Plausibilisierung
der einzelnen Schwellwerte gesichert werden kann. Aus dem gefilterten
Motorstromsignal IMotor, gefiltert wird
in Abhängigkeit von den erfassten Ripplesignalen ein Rechtecksignal
erzeugt und ausgegeben. Zum Beispiel kann aus diesem Rechtecksignal
mit unterschiedlicher Breite ein Rechtecksignalerzeugt werden, das
nur über einen Abtastwert Bestand hat. Dies hat den Vorteil,
dass nachfolgende Anwendungen nur über eine kürzere Zeitdauer
aktiviert werden müssen und somit rechenleistungsoptimiert
arbeiten können.
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Unter
anderem kann es in Abhängigkeit von der Betriebsspannung
des Gleichstrommotors vorkommen, dass die Amplitude des gefilterten
Motorstroms IMotor, gefiltert stark variiert.
Um dem entgegenzuwirken, kann der gefilterte Motorstrom IMotor, gefiltert dynamisch verstärkt
werden, so dass die Ripple stets den gleichen Amplitudenwert aufweisen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Schwellwerte
(Schaltschwellen) des Schwellwertverfahrens in Abhängigkeit
von der maximalen Amplitude der Ripple zu ändern.
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- 1
- Filterbank
- 2
- Schwellwertmodul
- 3
- Positionszähler
- 4
- Frequenzbestimmungsmodul
- 5
- Filterauswahl-
und Filteraktivierungsmodul
- 6
- Filterverkettungsmodul
- 10a,
10b, ..., 10n
- Filter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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