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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung 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
im elektrischen Signal eines Gleichstrommotors ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß Anspruch
1 zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur Ermittlung der Position und/oder des Drehwinkels und/oder der
Drehzahl eines elektrischen Antriebs dadurch aus, dass
- – ein elektrisches Signal eines Gleichstrommotors des
elektrischen Antriebs erfasst wird und einem adaptiven Filter, der
eine veränderbare Bandmittenfrequenz aufweist, übergeben
wird, mittels dessen das elektrische Signal mit einer bestimmten
Bandmittenfrequenz fB gefiltert wird und
ein gefiltertes elektrisches Signal erzeugt wird,
- – die Ripple des gefilterten elektrischen Signals erfasst
werden,
- – die Anzahl der Ripple gezählt wird und/oder
die Abstände zwischen zwei Ripplen bestimmt werden,
- – die Ist-Frequenz fRipple der
Ripple abgeschätzt wird,
- – die Ist-Frequenz fRipple der
Ripple mit der Bandmittenfrequenz fB des
Filters verglichen wird,
- – die Bandmittenfrequenz fB abhängig
von der Ist-Frequenz fRipple der Ripple
angepasst wird.
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Bei
der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Lösung
werden die Filtereigenschaften des einstellbaren Filters anhand
einer Eigenabschätzung der Ist-Frequenz fRipple der
dem Gleichanteil des elektrischen Signals überlagerten
Welligkeit (Ripple) dynamisch geändert. Die Filterung des
elektrischen Signals, das insbesondere ein elektrischer Strom (Motorstrom),
eine elektrische Spannung oder eine elektrische Leistung sein kann,
erfolgt mit anderen Worten also mittels eines adaptiven Filters,
der ein Bandpassfilter mit einer bestimmten voreingestellten oder voreinstellbaren
Bandbreite und einer einstellbaren Bandmittenfrequenz fB ist.
Der Filter ist dazu in der Lage, den Gleichanteil des elektrischen
Signals herauszufiltern. Die Bandmittenfrequenz fB des
adaptiven Filters wird durch eine Ermittlung der momentanen Ist-Frequenz
fRipple der detektierten Ripple bestimmt
und entsprechend eingestellt. Bei der hier vorgestellten erfindungsgemäßen
Lösung läuft die Bandmittenfrequenz fB des
Filters gewissermaßen immer der Ist-Frequenz fRipple der
detektierten Ripple nach, so dass ein optimales Filterergebnis erhalten werden
kann. Ein Vorteil des hier vorgestellten Verfahrens besteht insbesondere
darin, dass es in Bezug auf die zur Durchführung benötigte
Rechenleistung und den Speicherbedarf optimal ausgelegt ist. Aus
den (zeitlichen) Abständen zwischen zwei Ripplen kann darüber
hinaus die momentane Drehzahl des Gleichstrommotors bestimmt werden.
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Die
Anlaufphase des Gleichstrommotors ist unter den vorstehend genannten
Gesichtspunkten relativ problematisch, da noch keine Ist-Frequenz fRipple der Ripple zur Einstellung der Bandmittenfrequenz
fB des Filters abgeschätzt werden
kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist daher
vorgesehen, dass während des Stillstands des Gleichstrommotors – vorzugsweise
zu Beginn der Anlaufphase – die Bandmittenfrequenz fB des adaptiven Filters auf eine Minimum-Bandmittenfrequenz
fMB gesetzt wird. Die Minimum-Bandmittenfrequenz
fMB kann vorzugsweise in einem Speicher
des adaptiven Filters gespeichert werden. Die Minimum-Bandmittenfrequenz fMB kann zum Beispiel als motorspannungsabhängige Größe
ausgelegt werden. Es besteht ferner die Möglichkeit, die
Minimum-Bandmittenfrequenz fMB durch ein
gesondertes Verfahren vorzugeben.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen,
dass die Bandmittenfrequenz fB des adaptiven
Filters auf die Minimum-Bandmittenfrequenz fMB gesetzt
wird, wenn die Ist-Frequenz fRipple der
Ripple während des Betriebs des Gleichstrommotors die Minimum-Bandmittenfrequenz
fMB wieder unterschreitet. Durch diese Maßnahme
kann gewährleistet werden, dass die Bandmittenfrequenz
fB des adaptiven Filters die Minimum-Bandmittenfrequenz
fMB zu keinem Zeitpunkt unterschreitet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass
die Ripple durch ein Schwellwertverfahren, das mindestens einen
Schwellwert aufweist, erfasst werden. Wenn mehrere Schwellwerte
vorgesehen sind, werden diese vorteilhaft über den möglichen
Amplitudenbereich des gefilterten elektrischen Signals verteilt
und es wird überprüft, ob die Amplitude des gefilterten
elektrischen Signals mindestens eine dieser Schaltschwellen überschreitet.
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 verknüpft 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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Anhand
der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend
näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung des grundlegenden Funktionsprinzips eines
Verfahrens zur Ermittlung der Position und/oder des Drehwinkels und/oder
der Drehzahl eines elektrischen Antriebs gemäß einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Unter
Bezugnahme auf 1 soll nachfolgend ein Verfahren
zur Bestimmung der Position und/oder des Drehwinkels und/oder der
Drehzahl eines elektrischen Antriebs gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
näher erläutert werden.
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Ein
elektrisches Signal, das in diesem Ausführungsbeispiel
ein Motorstrom (Ankerstrom) IMotor eines
kommutierten Gleichstrommotors des elektrischen Antriebs ist, wird
mit Hilfe geeigneter Erfassungsmittel erfasst und einem adaptiven
Filter 1, der veränderbare Filtereigenschaften
aufweist, zugeführt. 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 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. Der
adaptive Filter 1 ist ein Bandpassfilter mit einer voreingestellten
oder einstellbaren Bandbreite und mit einer einstellbaren Bandmittenfrequenz
fB, so dass der Gleichstromanteil des Motorstroms
IMotor mittels des Filters 1 herausgefiltert
werden kann und nur der Wechselstromanteil, der dem Gleichstromanteil überlagert
ist und das Ripplesignal trägt, erhalten bleibt. Vorzugsweise
ist der Filter 1 relativ schmalbandig ausgeführt.
Bei der hier vorgestellten Lö sung wird die Bandmittenfrequenz
fB abhängig von der Ist-Frequenz
fRipple der Ripple dynamisch angepasst.
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Da
während der Anlaufphase des Gleichstrommotors noch keine
Ist-Frequenz der Ripple abgeschätzt werden kann, wird die
Bandmittenfrequenz fB des Filters 1 während
des Stillstands des Gleichstrommotors (vorzugsweise zu Beginn der
Anlaufphase) auf eine minimale Bandmittenfrequenz eingestellt, die
gegebenenfalls auch als motorspannungsabhängige Größe
ausgelegt werden kann. Diese Frequenz wird nachfolgend als Minimum-Bandmittenfrequenz
(fMB) bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt während
der Anlaufphase des Gleichstrommotors arbeitet der schmalbandige
adaptive Filter 1 mit der Minimum-Bandmittenfrequenz fMB als Bandmittenfrequenz. Das dem Filter 1 zugeführte
Motorstromsignal IMotor wird mit diesem
Frequenzverhalten gefiltert. Dadurch wird ein gefiltertes Motorstromsignal
IMotor, gefiltert erzeugt, welches dann
einem Schwellwertmodul 2 übergeben wird, mittels
dessen ein Schwellwertverfahren zur Erfassung der Ripple, welches
weiter unten noch erläutert wird, durchgeführt
wird. Im Schwellwertmodul 2 wird durch das Schwellwertverfahren
aus dem gefilterten Motorstromsignal IMotor, gefiltert die
Rippleinformation extrahiert. Die auf diese Weise erfassten Ripple
im gefilterten Motorstromsignal IMotor, gefiltert werden
dann von einem Positionszähler 3 gezählt.
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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 bei diesem Verfahren für die dynamische Anpassung der
Bandmittenfrequenz fB eingesetzt wird. Die
Ist-Frequenz fRipple der Ripple gibt Aufschluss über
die momentane Drehzahl des Gleichstrommotors. Optional kann eine Plausibilisierungszeit
tp aus der Ist-Frequenz fRipple der Ripple
ermittelt werden, die dann wieder an das Schwellwertmodul 2,
in dem das Schwellwertverfahren durchgeführt wird, übergeben
wird. 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.
Aus den (zeitlichen) Abständen zwischen zwei Ripplen kann
darüber hinaus auch die Drehzahl des Gleichstrommotors bestimmt
werden.
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Überschreitet
die Ist-Frequenz fRipple der Ripple während
des Betriebs des Gleichstrommotors die Minimum-Bandmittenfrequenz
(fMB), verändert der adaptive Filter 1 seinen
Durchlassbereich in Abhängigkeit von der ermittelten Ist-Frequenz
fRipple, die dann als Bandmittenfrequenz
fB des Filters 1 gesetzt wird.
Alle auftretenden Störkomponenten im Motorstromsignal IMotor können durch die Optimierung
der Filtereigenschaften nun optimal gefiltert werden, so dass kaum
Störungen im gefilterten Motorstromsignal IMotor,
gefiltert auftreten und die Extraktion der Rippleinformationen
verbessert werden kann.
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Der
adaptive Filter 1 folgt mit seinem Übertragungsverhalten
also adaptiv der im Frequenzbestimmungsmodul 4 berechneten
Ist-Frequenz fRipple als Bandmittenfrequenz
fB. Während des Stillstands des
Gleichstrommotors wird die Bandmittenfrequenz fB des
einstellbaren Filters 1, wie oben bereits erwähnt,
auf die Minimum-Bandmittenfrequenz (fMB) eingestellt.
Setzt sich der Gleichstrommotor in Bewegung und überschreitet
die erfasste Ist-Frequenz fRipple der Ripple
die im Filter 1 gesetzte Minimum-Bandmittenfrequenz (fMB), wird die Ist-Frequenz fRipple als neue
Bandmittenfrequenz fB des Filters 1 gesetzt
und laufend an die momentane abgeschätzte Ist-Frequenz
fRipple der Ripple angepasst und adaptiv
nachgeführt. Wenn die Bandmittenfrequenz fB während des
Betriebs des Gleichstrommotors die Minimum-Bandmittenfrequenz fMB wieder unterschreitet, wird automatisch
wieder die Minimum-Bandmittenfrequenz fMB an
den adaptiven Filter 1 übergeben. Dadurch wird
unter anderem gewährleistet, dass die Bandmittenfrequenz
fB des Filters 1 zu keinem Zeitpunkt
die Minimum-Bandmittenfrequenz fMB unterschreitet.
Der adaptive Betrieb des Filters 1 ermöglicht
es, die Bandbreite des Filters 1 im Vergleich zu anderen,
aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren relativ schmal zu
gestalten.
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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. Es besteht darüber hinaus die Mög lichkeit,
dass mehrere (mindestens zwei) Schwellwerte vorgesehen werden, die über
den möglichen Amplitudenbereich des gefilterten Motorstromsignals
IMotor, gefiltert verteilt sind. Bei der
Durchführung des Schwellwertverfahrens wird überprüft,
ob die Amplitude des gefilterten Motorstromsignals IMotor,
gefiltert mindestens eine der Schaltschwellen überschreitet.
Damit durch die 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.
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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 der Ripple zu ändern.
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- 1
- Filter
- 2
- Schwellwertmodul
- 3
- Positionszähler
- 4
- Frequenzbestimmungsmodul
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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