DE102010023999A1

DE102010023999A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Stellposition eines motorisch angetriebenen Stellelementes eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102010023999A1
Application number: DE102010023999A
Authority: DE
Inventors: Martin Pondelek
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2011-12-22

Abstract

Zur Bestimmung einer Stellposition eines motorisch angetriebenen Stellelementes eines Kraftfahrzeugs mittels eines Hallsensors (7), der in einem drehbeweglichen Magnetfeld (B) angeordnet und mit einer Auswerteelektronik (16) zur Verarbeitung eines bei einer Magnetfeldänderung (ΔB) erzeugten Positionssignals (S1, S2) verbunden ist, arbeitet der Hallsensor (7) in einem Stromsparmodus (38) mit alternierenden vergleichsweise kurzeitigen Aktivzyklen (40) und vergleichsweise langzeitigen Inaktivzyklen (39), wobei während eines Aktivzyklus (40) eine Magnetfeldänderung (ΔB) erfasst wird. Zur kontinuierlichen Erfassung von Magnetfeldänderungen (ΔB) wird der Hallsensor (7) aus dem Stromsparmodus (38) in einen dauerhaften Aktivmodus (37) gesteuert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Stellposition eines motorisch angetriebenen Stellelementes eines Kraftfahrzeugs mittels eines Hallsensors, der in einem drehbeweglichen Magnetfeld angeordnet und mit einer Auswerteelektronik zur Verarbeitung eines bei einer Magnetfeldänderung erzeugten Positionssignals verbunden ist. Sie bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei einem modernen Kraftfahrzeug sind üblicherweise eine Vielzahl von mittels Elektromotoren angetriebenen Stelleinrichtungen oder Verstellelementen vorhanden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um einen elektrischen Fensterheber, eine elektrische Sitzverstellung oder eine Einrichtung zur motorischen Verstellung einer Fahrzeugtür, einer Heckklappe, eines Schiebedachs oder eines Cabrioverdecks.
Während eines Stellvorgangs eines solchen Verstellelementes ist häufig eine gewünschte Endposition präzise anzufahren. Hierzu ist eine genaue Kenntnis der Stellposition des Verstellelementes erforderlich. Die Kenntnisse der aktuellen Stellposition oder hieraus ableitbarer Größen, wie der Stellgeschwindigkeit oder des zurückgelegten Stellwegs, sind darüber hinaus häufig auch für die sichere Erkennung eines Einklemmfalls erforderlich.
Zur möglichst genauen Erfassung der Stellposition einer Fensterscheibe ist es beispielsweise aus der DE 199 16 400 C1 bekannt, einen Stellungs- und Drehrichtungssensor vorzusehen. Dieser besteht im Wesentlichen aus zwei in einem Abstand oder Winkel versetzt zueinander angeordneten Hallsensoren und einem mehrpoligen, beispielsweise zwei oder vierpoligen Ringmagneten, der auf der Antriebswelle des Elektromotors angeordnet ist. Die Hallsensoren erfassen eine Magnetfeldänderung infolge einer Rotation des mit der Antriebswelle fest verbundenen Ringmagneten und generieren hieraus Zählimpulse. Diese werden zusammen mit einer Information über die Drehrichtung des Ringmagneten – und damit des Elektromotors – ausgewertet, indem die Zählimpulse je nach Drehrichtung des Antriebs aufwärts oder abwärts gezählt werden und somit die jeweilige Stellung der Fensterscheibe angeben.
Für die Sensorik werden üblicherweise integrierte Hallsensoren, beispielsweise in CMOS-Technologie (Complementary Metal Oxide Semiconductor) eingesetzt, die zusätzlich zu einer Auswerteelektronik, beispielsweise in ASIC-Technologie (Application Specific Integrated Circuit), zusammen mit den Hallsonden in einen Halbleiterchip (Hall-IC) integriert sind ( DE 101 54 498 B4 ).
Die Hallsonden können als sensitive Flächen, beispielsweise als quadratische Plättchen aufgefasst werden, die mit elektrischer Energie in Form einer Strom- oder Spannungsquelle versorgt werden. In Anwesenheit eines externen magnetischen Feldes senkrecht zu dieser sensitiven Fläche kann eine Hallspannung gemessen werden, die proportional zur magnetischen Flussdichte (Induktion) ist. Aufgrund der Proportionalität zwischen der Hallspannung und der magnetischen Flussdichte wird mittels des Hallsensors auch eine Änderung der magnetischen Flussdichte erfasst. Die hierzu proportionale Hallspannungsänderung kann dann als Sensorsignal entsprechend ausgewertet werden.
Aus der DE 10 2006 043 839 A1 ist es bekannt, die an den Hallsonden oder Hallsensoren auftretenden Magnetfeldänderungen einer Komparatorschaltung mit Hysterese (Schmitt-Trigger-Schaltung) in zwei um beispielsweise 90° zueinander versetzte binäre Impulsfolgen umzusetzen. Bei einer solchen Komparatorschaltung mit Hysterese werden eine obere Schaltschwelle und eine untere Schaltschwelle bereitgestellt. Durch Zählen der Impulse pro Zeiteinheit kann die Drehzahl bestimmt werden, während anhand eines Vergleichs der beiden Impulsfolgen die Drehrichtung des Elektromotors oder Drehantriebs ermittelt wird.
Infolge der Drehbewegung des Ringmagneten liegen dessen Magnetpole alternierend stirnseitig der jeweiligen sensitiven Hallfläche (Hallsonde) direkt gegenüber, so dass das diese Hallsonde durchflutende Magnetfeld im Wesentlichen orthogonal zur sensitiven Fläche ausgerichtet ist. Demnach liegen diese orthogonale Feldkomponente des Magnetfeldes sowie die hierzu proportionale Hallspannung im Bereich ihres Maximums oder ihres Minimums. Liegen demgegenüber die Grenzen zwischen einem Nordpol und einem Südpol des Ringmagneten stirnseitig dieser sensitiven Fläche gegenüber, so ist das diese durchflutende Magnetfeld im Wesentlichen parallel zur Flächenebene mit der Folge, dass die Hallspannung zu Null wird. In Abhängigkeit vom Abstand des Ringmagneten zu den Hallflächen des Hallsensors oder Hall-IC's ergibt sich somit sowohl für die entsprechende Feldkomponente als auch für die Hallspannung ein zumindest annähernd sinusförmiger Verlauf als Funktion des Umlaufwinkels.
Überschreitet die relevante Feldkomponente der sich in Abhängigkeit vom Umlaufwinkel sinusförmigen Flussdichte (Hallspannung) die obere Schaltschwelle, so ändert sich der Impuls innerhalb der Impulsfolge von einem ersten logischen Pegel auf einen zweiten logischen Pegel. Dieser Zustand bleibt so lange erhalten bis die relevante Feldkomponente der Flussdichte bzw. die Hallspannung die untere Schaltschwelle unterschreitet.
Somit enthält die Pulsfolge beispielsweise sowohl unterhalb der unteren Schwelle als auch innerhalb der zwischen den beiden Schaltschwellen sich befindenden Hysterese den High-Pegel (logisch 1) so lange bei, bis die obere Schaltschwelle erneut überschritten wird. Demzufolge bleibt in der Impulsfolge der Low-Pegel (logisch 0) innerhalb der Hysterese erhalten, bis die untere Schaltschwelle erneut unterschritten wird. Die obere Schaltschwelle und die untere Schaltschwelle sind symmetrisch um die einen Nulldurchgang des etwa sinusförmigen Verlaufs der magnetischen Flussdichte bzw. Hallspannung darstellende Mittellinie der Hysterese angeordnet.
Herkömmliche Hallsensoren weisen im Betrieb einen relativ hohen Stromverbrauch (>> 100 μA) auf. Insbesondere wenn die Zündung des Kraftfahrzeugs abgeschaltet ist, eine Fahrzeugbatterie nicht geladen wird oder eine Lichtmaschine nicht betrieben wird, ist eine niedrige Stromaufnahme einer Fahrzeugelektronik und des Hallsensors gewünscht. Ein typisch geforderter Stromaufnahmewert für Hallsensoren bei ausgeschalteter Zündung ist beispielsweise < 100 μA. Um diese Anforderung bezüglich der Stromaufnahme zu erfüllen ist es üblich, den Hallsensor, insbesondere bei ausgeschalteter Zündung des Kraftfahrzeuges, abzuschalten. Hierbei ist jedoch problematisch, dass Positionsänderungen, wie sie bei sich lösenden mechanischen Spannungen im Verstellsystem, Rütteln oder Erschütterungen etc. entstehen, nicht erfasst werden.
Ein weiteres Problem ist eine temperatur- oder betriebsbedingte Verschiebung der Schaltschwelle, insbesondere während der Hallsensor ausgeschaltet ist. Durch eine nicht erfasste Positionsänderung oder infolge des Abschaltens des Hallsensors kann es zu einem Verzählen oder zur Annahme einer falschen Stellposition des Stellelementes durch eine Auswerteelektronik kommen, wodurch es zu einer Fehlfunktion beim Einklemmschutz oder zu einer Überbeanspruchung des Stellelements oder des Antriebes kommen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders einfaches und geeignetes Verfahren zur Positionsbestimmung eines motorisch angetriebenen Stellelementes eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung eines Hallsensors anzugeben. Des Weiteren soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung angegeben werden.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 5. Vorteilhafte Varianten, Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Demnach ist ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines motorisch angetriebenen Stellelementes eines Kraftfahrzeugs mittels eines Hallsensors vorgesehen, der in einem drehbeweglichen Magnetfeld angeordnet und mit einer Auswerteelektronik zur Verarbeitung eines bei einer Magnetfeldänderung erzeugten Positionssignals verbunden ist. Der Hallsensor arbeitet in einem Stromsparmodus mit alternierenden vergleichsweise kurzzeitigen Aktivzyklen und vergleichsweise langzeitigen Inaktivzyklen. Während eines Aktivzyklus wird eine Magnetfeldänderung erfasst.
Zur kontinuierlichen Erfassung von Magnetfeldänderungen wird der Hallsensor aus dem Stromsparmodus in einen dauerhaften Aktivmodus gesteuert. Der Hallsensor (Hall IC) kann sich hierbei selbstständig in den Aktivmodus versetzen, z. B. wenn der Hallsensor infolge des Auftretens einer magnetischen Flussänderung hierzu veranlasst ist. Der Hallsensor würde dann in diesem Zustand solange verbleiben, bis innerhalb beispielsweise einer Sekunde keine Flussänderung aufgetreten ist.
Zweckmäßigerweise wird der Hallsensor jedoch von der Auswerteelektronik vom Stromsparmodus in den Aktivmodus gesteuert, wenn die Auswerteelektronik, beispielsweise beim Betätigen des Zündschlosses des Kraftfahrzeugs, aktiviert wird. Eine Ansteuerung zur Aktivierung des Hallsensors mittels eines auf eine Versorgungsspannung aufmodulierten Steuersignals ist dabei gegebenenfalls vorteilhaft. Bei der Ansteuerung mit einem seriellen Protokoll werden Signale bitweise, also einzeln und aufeinander folgend nach einer vorgegebenen Regel gesendet sowie empfangen. Dabei ist eine besonders hohe Sicherheit – im Sinne von Zuverlässigkeit – für einen Wechsel in den Aktivmodus gewährleistet.
Beim Aufmodulieren des Steuersignals auf die Versorgungsspannung, zur Aktivierung des Hallsensors, erfüllt ein Pin am Hallsensor die Funktion der energetischen Versorgung und die Funktion der Ansteuerung. In dieser Ausgestaltung kann auf einen zusätzlichen Pin verzichtet werden. Durch die Aktivierung der Auswertelektronik und des Hallsensors bei Betätigung des Zündschlosses des Kraftfahrzeugs wird sichergestellt, dass beim Verfahren des Stellelements bei eingeschalteter Zündung auch sehr schnelle Änderungen der Stellposition lückenlos erkannt und ausgewertet werden. Solche schnellen Positionsänderungen treten insbesondere beim Verstellen mit motorischem Antrieb auf. Bei einer Antriebswelle mit einem vierpoligen Ringmagnet, erfolgt beispielsweise bei 1000 Umdrehungen pro Minute ein Magnetpolwechsel an dem Hallsensor alle 15 ms.
Vorteilhafterweise erzeugt der Hallsensor ein Sensorsteuersignal zur Aktivierung einer Kraftfahrzeugelektronik, insbesondere der Auswerteelektronik, wenn im Stromsparmodus eine Magnetfeldänderung erkannt wird. Das Sensorsteuersignal zur Aktivierung der Kraftfahrzeugelektronik, insbesondere eines Spannungsreglers oder eines „system base chips”, welcher die Strom- und Spannungsversorgung in einem Schaltkreis regelt, kann dabei über einen zusätzlichen Pin am Hallsensor geführt werden. Das Sensorsteuersignal wird hierbei beispielsweise abgegeben, wenn eine Schaltschwelle über- oder unterschritten wird oder wenn eine bestimmte magnetische Flussdichteänderung erreicht wird.
Zweckmäßigerweise wird im Stromsparmodus für die Aktivzyklen eine Dauer von etwa 50 μs bei einem Tastgrad (duty cycle) von < 1%, vorzugsweise < 0,1% eingestellt. Der Tastgrad ist dabei das Verhältnis der Aktivzyklusdauer zur Periodendauer, wobei eine Periode einen Aktivzyklus und einen Inaktivzyklus umfasst. Die Dauer eines Inaktivzyklus beträgt dann beispielsweise ca. 50 ms bis 100 ms. Aufgrund der sehr kurzen Dauer der Aktivzyklen sowie der kurzen Dauer zwischen diesen wird eine sichere und zuverlässige Erfassung von Änderungen der Stellposition des Stellelements bei niedrigem Stromverbrauch gewährleistet.
Die Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines motorisch angetriebenen Stellelementes eines Kraftfahrzeugs umfasst einen Hallsensor, der in einem drehbeweglichen Magnetfeld angeordnet ist. Eine Auswertelektronik ist zur Verarbeitung eines bei einer Magnetfeldänderung erzeugten Positionssignals mit dem Hallsensor verbunden, wobei der Hallsensor und die Auswertelektronik dazu eingerichtet sind, das Verfahren automatisch durchzuführen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Hallsensor grundsätzlich, wenn dieser also elektroenergetisch versorgt ist und an diesem kein Steuersignal anliegt, in dem Stromsparmodus arbeitet. Während des Anliegens des Steuersignals am Hallsensor wird der Stromsparmodus abgeschaltet oder blockiert und der Hallsensor wechselt in den Aktivmodus und verbleibt in diesem. Der Hallsensor wechselt aus dem Aktivmodus (zurück) in den Stromsparmodus, wenn das Steuersignal ausbleibt. Es ist auch möglich, dass ein Wechsel zwischen dem Aktivmodus und dem Stromsparmodus durch ein jeweiliges Steuersignal erfolgt, dass kontinuierlich oder jeweils einmalig zum Wechseln von der Auswerteelektronik an den Hallsensor übermittelt wird. Vorteilhafterweise wird im Stromsparmodus oder im Aktivmodus eine definierte, in den Hallsensor implementierte Hysterese Funktion genutzt, durch die bei ungünstigen Bedingungen ein fälschlich auftretendes Sensorsteuersignal oder Positionssignal verhindert wird.
Vorteilhafterweise werden zwei Hallsensoren oder ein Doppel-Hallsensor mit zwei versetzt entlang eines Drehweges angeordneten Hallsonden genutzt, um die Richtung einer Stellpositionsänderung zu bestimmen. Die Richtung der Stellpositionsänderung wird hierbei durch einen Vergleich von Positionssignalen des Hallsensors ermittelt. Dies ist insbesondere bei durch Rütteln oder mechanische Verspannungen bedingten Positionsänderungen hilfreich, da hier normalerweise eine Positionsänderung vorliegt, die in eine unbekannte Richtung erfolgt. So kann sich beispielsweise bei einem Fensterheber eine mechanische Spannung durch eine Positionsänderung in Richtung einer Schließstellung oder einer Offenstellung lösen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch in perspektivischer Darstellung einen elektromotorischen Antrieb mit einem antriebsseitigen Ringmagnet und mit einem Doppel-Hallsensor,
2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimrung der Stellposition eines mittels des Antriebs gemäß 1 betriebenen Stellelementes, und
3 in einer Diagrammdarstellung eine Änderung der Stellposition sowie deren Erfassung mittels des Doppel-Hallsensors.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen elektromotorischen Antrieb 1, beispielsweise einen Fensterheberantrieb, eines Kraftfahrzeugs mit einer den (hier nicht dargestellten) Rotor oder Anker eines Elektromotors tragenden Antriebswelle 2 und mit einem Schneckengetriebe, das eine auf der Antriebswelle 2 sitzende Schnecke 3 und eine mit dieser kämmendes schräg verzahntes Schneckenrad 4 aufweist. Aufgrund der Übersetzung zwischen der Schnecke 3 und dem Schneckenrad 4 ist deren Rotationsgeschwindigkeit gegenüber der Rotationsgeschwindigkeit ω der Antriebswelle 2 bei zugleich erhöhtem Drehmoment verlangsamt. Während die Antriebswelle 2 um die dargestellte x-Achse rotiert, rotiert das in einer Ebene parallel zur xz-Ebene liegende Schneckenrad 4 um eine hierzu senkrechte Drehachse y.
Über einen Zahnradaufsatz 5 ist das Schneckengetriebe 3, 4 in nicht näher dargestellter Art und Weise beispielsweise über eine Seiltrommel und einen Seilzug mit einem Stellelement, umfassend einen schienengeführten Mitnehmer und eine Fensterscheibe, mechanisch gekoppelt. Hierdurch kann das Stellelement entlang eines Verstellweges, insbesondere zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung, automatisch verfahren werden.
Auf der Antriebswelle 2 sitzt ein mit dieser rotierender Ringmagnet 6 mit im Ausführungsbeispiel jeweils zwei Nordpolen N und zwei Südpolen S (nachfolgend auch als Magnetpole bezeichnet). Beabstandet zu dem Ringmagnet 6 ist ein als integrierter Schaltkreis (IC) ausgestalteter Hallsensor 7 auf einer nicht näher dargestellten Leiterplatte kontaktiert. Der Hallsensor 7 ist mit fünf Anschlusspins versehen, wobei ein erster Pin 8 und ein zweiter Pin 9 zur elektroenergetischen Versorgung des Hallsensors 7 vorgesehen sind. Ein dritter Pin 10 und ein vierter Pin 11 bilden einen Signalausgang, über welchen im Betrieb ein von dem Hallsensor 7 erzeugtes Positionssignal abgegeben wird. Ein fünfter Pin 12 dient als Signaleingang für ein Steuersignal, das von einer hier nicht näher dargestellten Auswerteelektronik erzeugt wird.
Die 2 zeigt schematisch in einem Blockschaltbild eine mit einer Spannungsquelle 13 und mit einem Zündschalter (Zündung) 14 verschaltete Kraftfahrzeugelektronik 15, den Hallsensor 7 sowie den elektromotorischen Antrieb 1. Die Kraftfahrzeugelektronik 15 umfasst die Auswerteelektronik 16, welche mittels eines Mikrocontrollers 17 das Positionssignal S₁, S₂ auswertet und den Hallsensors 7 in einen Stromsparmodus oder in einen Aktivmodus steuert. Ferner umfasst die Kraftfahrzeugelektronik 15 eine Antriebssteuerung 18 zum verarbeiten eines Stellsignals S₃ eines Stellschalters 19 sowie zum Betreiben und Ansteuern des elektromotorischen Antriebs 1. Die Antriebssteuerung 18 ist über eine Stellleitung 20 mit dem Stellschalter 28 verbunden. Eine Antriebsleitung 21 verbindet die Antriebssteuerung 18 mit dem elektromotorischen Antrieb 1, an dem die Antriebswelle 2 mit dem vierpoligen Ringmagnet 6 angebracht ist.
Der Hallsensor 7 ist beabstandet zum Ringmagnet 6 angeordnet und separat von der Kraftfahrzeugelektronik 15 über den ersten und zweiten Pin 8, 9 mit der Versorgungsspannung V_s bzw. mit Ground oder Masse der Spannungsquelle 13 verschaltet, wodurch eine kontinuierliche und von der Kraftfahrzeugelektronik 15 unabhängige elektroenergetische Versorgung gewährleistet ist. Der Hallsensor 7 ist hierbei über Signalleitung 22, 23 und eine Steuerleitung 24 mit der Auswerteelektronik 16 verbunden.
Beim Einschalten der Zündung 14 wird die Auswerteelektronik 16 derart aktiviert, dass diese kontinuierlich ein Steuersignal S₄ und ein Positionssignal S₁, S₂ senden bzw. empfangen und verarbeiten kann. Der Hallsensor 7 wird beim Einschalten der Zündung 14 von der Auswerteelektronik 16 über die Steuerleitung 24 und den fünften Pin 12 mit dem kontinuierlichen Steuersignal S₄ derart angesteuert, dass der Hallsensor 7 von dem Stromsparmodus in den dauerhaften Aktivmodus wechselt. Ferner wird bedingt durch das Einschalten der Zündung 14 die Antriebssteuerung 18 aktiviert.
Beim Betätigen des Stellschalters 19 werden von der Antriebssteuerung 18, entsprechend dem über die Stellleitung 20 übertragenen Stellsignal S₃, der elektromotorische Antrieb 1 über die Antriebsleitung 21 angesteuert und das Stellelement verfahren. Beim Verfahren des Stellelements mit elektromotorischem Antrieb 1 in die Offenstellung oder in die Schließstellung erfolgt eine Drehung der Antriebswelle 2 mit dem darauf angeordneten Ringmagnet 6 in die Drehrichtung ω_– bzw. in die entgegengesetzte Drehrichtung ω₊.
Der Hallsensor 7 umfasst zwei nachfolgend als Hallsonden 25, 26 bezeichnete magnetfeldsensitive Flächen, die an sich gegenüber liegenden Längsseiten zur Bestromung dieser kontaktiert sind. Ferner sind die Hallsonden 25, 26 zum Abgreifen einer Hallspannung U_H an zwei weiteren sich gegenüber liegenden Längsseiten kontaktiert. Jeder Hallsonde 25, 26 ist eine Komparatorschaltung 27, 28 mit Hysterese (Schmitt-Trigger) zugeordnet. Die Hallsonden 25, 26 sind entlang eines Drehweges des Ringmagneten 6 versetzt angeordnet. Infolge der durch den elektromotorischen Betrieb bedingten Rotation des Ringmagneten 6 befindet sich der ortsfest auf der Leiterplatte angeordnete Hallsensor 7 in einem sich drehenden Magnetfeld B.
Beim Verfahren des Stellelementes bewegen sich alternierend der Nordpol N und der Südpol S an der ersten Hallsonde 25 und an der zweiten Hallsonde 26 vorbei. Das Magnetfeld B des Ringmagneten 6 erzeugt in der stromdurchflossenen ersten und zweiten Hallsonde 42, 44 jeweils eine Hallspannung U_H1, U_H2. Die Hallspannung U_H fällt dabei vertikal zur Stromflussrichtung sowie zur Magnetfeldrichtung an der Hallsonde 25, 26 ab und ist im Wesentlichen proportional zur magnetischen Flussdichte des Magnetfeldes B. Eine maximale und eine minimale Hallspannung U_H liegt an der Hallsonde 25, 26 an, wenn ein Magnetpol N, S der Hallsonde 25, 26 zentral gegenübersteht und Feldlinien des Magnetfelds B senkrecht zu der Fläche der Hallsonde 25, 26 verlaufen. Eine Hallspannung U_H von 0 V liegt an der bestromten Hallsonde 25, 26 an, wenn ein Übergang zwischen einem Nordpol N und einem Südpol S der Hallsonde 25, 26 gegenüberliegt und die Feldlinien des Magnetfeldes B im Wesentlichen parallel zu der Fläche der Hallsonde 25, 26 verlaufen. Durch die Drehbewegung des Ringmagneten 6 entsteht ein abhängig von der Position der Magnetpole N, S zu der Hallsonde 25, 26 im Wesentlichen sinusförmiger Verlauf der Hallspannung U_H. Je nach Drehrichtung ω₊, ω_– eilte dabei entweder die Hallspannung U_H1 der ersten Hallsonde 42 oder die Hallspannung U_H2 der zweiten Hallsonde 26 voraus.
Im Aktivmodus des Hallsensors 7 wird die Hallspannung U_H kontinuierlich an der bestromten Hallsonde 25, 26 erfasst und in der Komparatorschaltung 27, 28 gegen einen Spannungsschwellwert U_S verglichen. Dabei ist in dem Hallsensor 7 ein Dämpfungsschaltkreis 29, 30 zur Dämpfung oder Korrektur von Temperatureinflüssen oder mechanischen Belastungen, wie sie bei thermischen Prozessen an dem Hallsensor 7 entstehen, zugeordnet. Durch diesen Dämpfungsschaltkreis 29, 30 wird eine zuverlässige Erzeugung des Positionssignals S₁, S₂ durch eine genaue Bestimmung der magnetischen Flussdichte B und der Hallspannung U_H gewährleistet. Ferner ist ein Schwellwertgeber 31 in dem Hallsensor 7 vorgesehen, der den Spannungsschwellwert U_S in der Komparatorschaltung 28, 29 vorgibt.
Wenn die Hallspannung U_H einen oberen Schwellwertes U_S1 überschreitet oder einen unteren Schwellwert U_S2 unterschreitet wird jeweils ein Wechsel zwischen einem High-Pegel und einem Low-Pegel des Positionssignals S₁, S₂ bewirkt. Bei der Drehbewegung des Ringmagneten 6 gibt der Hallsensor 7 eine Impulsfolge mit High- und Low-Pegeln ab, die einer jeweiligen Position der Magnetpole N, S zu der Hallsonde 25, 26 entspricht.
Die Auswerteelektronik 16 greift das Positionssignal S₁ und S₂ des Hallsensors 7 über die Signalleitung 22, 23 ab, wobei das erste und das zweite Positionssignal S₁, S₂ der ersten bzw. zweiten Hallsonde 25, 26 zugeordnet ist. Das erste Positionssignal S₁ (speed signal) wird hierbei beispielsweise zur Ermittlung der Drehgeschwindigkeit herangezogen, während das zweite Positionssignal S₂ auf die Drehrichtung ω₊, ω_– des Ringmagneten 6 und damit der Antriebswelle 2 und des Stellelements hinweist. Abhängig davon, ob das zweite Positionssignal S₂ dem ersten Positionssignal S₁ vor- oder nacheilt werden von der Auswerteelektronik 16 die Drehrichtung ω₊, ω_– festgestellt und entsprechend mit jedem Pegelwechsel des Positionssignals S₁, S₂ aufwärts oder abwärts gezählt. Durch die kontinuierliche Erfassung der Hallspannung U_H und der Impulsfolge des Positionssignals S₁, S₂ wird eine lückenlose Erfassung der Bewegung des Stellelements und eine entsprechende Zuordnung der Stellposition des Stellelements realisiert.
In Abwesenheit des Steuersignals S₄ am Hallsensor 7 arbeitet dieser im Stromsparmodus. Der Stromsparmodus ist durch ein Alternieren zwischen 70 ms dauernden Inaktivzyklen mit sehr niedrigem Stromverbrauch im Bereich von einigen μA und 50 μs dauernden Aktivzyklen mit vergleichsweise hohem Stromverbrauch im mA Bereich gekennzeichnet. Hierbei ergibt sich ein Tastgrad von kleiner 0,1%, welcher sich aus dem Verhältnis der Dauer eines Aktivzyklus von 50 μs zur Dauer einer Periode, umfassend einen Aktivzyklus mit 50 μs und einen Inaktivzyklus mit 70 ms, ergibt. Dabei ist bedingt durch die verhältnismäßig kurze Dauer des Aktivzyklus im Verhältnis zur Dauer des Inaktivzyklus der durchschnittliche Stromverbrauch über eine Periode mit einem Aktivzyklus und mit einem Inaktivzyklus um ein mehrfaches geringer als ein geforderter Maximalstromaufnahmewert von 100 μA. Zum Erreichen des niedrigen Stromverbrauchs im Stromsparmodus ist der integrierte Schaltkreis des Hallsensors 7 mit einer (hier nicht näher dargestellten) Oszillatorschaltung und mit einer Ablaufsteuerung (Sequencer) ausgebildet, welche die Dauer der Inaktivzyklen und Aktivzyklen einstellt.
Während dem Inaktivzyklus ist die Hallsonde 25, 26 nicht bestromt und es wird keine Hallspannung U_H erfasst. Mit einem Erhaltungsstrom wird während des Inaktivzyklus sichergestellt, dass die Ablaufsteuerung und die Oszillatorschaltung in Betrieb sind und der Hallsensor 7 regelmäßig in den Aktivzyklus versetzt wird. Während des 50 μs andauernden Aktivzyklus werden die Hallspannung U_H der Hallsonde 25, 26 erfasst, in der Komparatorschaltung 27, 28 gegen den Spannungsschwellwert U_S verglichen und entsprechend das Positionssignal S₁, S₂ erzeugt. Der Aktivzyklus endet mit dem Abspeichern des Positionssignals S₁, S₂ durch einen im Hallsensor 7 integrierten Latch, worauf folgend der Hallsensor 7 in den Inaktivzyklus wechselt.
Das Flussdiagramm in 3 zeigt in einer ersten Impulsfolge 32 eine Stellung des Zündschalters 14 und in einer zweiten Impulsfolge 33 die Stellungswechsel des Stellschalters 19. In einer dritten und vierten Impulsfolge 34, 35 sind schematisch die Position der Magnetpole N, S des Ringmagneten 6 relativ zu der ersten bzw. zu der zweiten Hallsonde 25, 26 dargestellt. Eine fünfte Impulsfolge 36 zeigt einen Betriebszustand, insbesondere den Aktivzyklus oder Inaktivzyklus, in dem der Hallsensor 7 arbeitet. Ferner ist das der ersten und zweiten Hallsonde 25, 26 zugeordnete Positionssignal S₁ bzw. S₂ dargestellt.
Zu einem Zeitpunkt t₁ wird die Zündung 14 des Kraftfahrzeugs eingeschaltet. Dabei wird von der Auswerteelektronik 16 das Steuersignal S₄ abgegeben, das den Hallsensor 7 in den dauerhaften Aktivmodus 37 versetzt. In einem Zeitraum zwischen einem Zeitpunkt t₂ und einem Zeitpunkt t₃ werden der Stellschalter 19 betätigt und das Stellelement durch den elektromotorischen Antrieb 1 in Richtung der Schließstellung verfahren. Dabei bewegt sich der auf der Antriebswelle 2 angeordnete Ringmagnet 6 mit der Drehrichtung ω₊ an der Hallsonde 25, 26 entlang, wobei alternierend, wie in der dritten und vierten Impulsfolge 34, 35 dargestellt, die Nordpole N und Südpole S der ersten und an der zweiten Hallsonde 25, 26 gegenüberliegen. Hierbei wird die durch die Drehbewegung ω₊ des Ringmagneten 6 erzeugte Änderung der magnetischen Flussdichte ΔB als Hallspannung ΔU_H an den Hallsonden 25, 26 erfasst.
Beim Erreichen des Spannungsschwellwertes U_S wird das entsprechende Positionssignal S₁, S₂, mit High-Pegel bei der Hallsonde 25, 26 gegenüberliegendem Nordpol N oder Low-Pegel bei der Hallsonde 42, 44 gegenüberliegendem Südpol S erzeugt. Während der Drehbewegung ergibt sich somit eine Impulsfolge mit abwechselnden High-Pegeln und Low-Pegeln, wobei bedingt durch den Versatz zwischen den Hallsonden 25, 26 die Impulsfolge des ersten Positionssignal S₁ der Impulsfolge des zweiten Positionssignals S₂ voreilt. Durch das nacheilende zweite Positionssignal S₂, wird mittels der die Auswerteeinheit 16 die Drehrichtung ω₊ festgestellt und entsprechend zur Bestimmung der Stellposition des Stellelements entlang seiner Stellbahn mit jedem Wechsel des Pegels aufwärts gezählt.
Zu dem Zeitpunkt t₃ wird der Stellschalter 19 zum Anhalten des Stellelements betätigt. Dabei bleibt der Ringmagnet 6 mit seinem Nordpol N über der ersten und der zweiten Hallsonde 25, 26 stehen. Diese Position des Ringmagneten 6 wird von dem im Aktivmodus 37 arbeitenden Hallsensor 7 erfasst und als Positionssignal S₁, S₂ (High-Pegel für den Nordpol N) ausgegeben. Die Auswerteelektronik 16 greift dieses Positionssignal S₁, S₂ über die Signalleitung 24 ab.
Mit dem Ausschalten der Zündung 14 zu einem Zeitpunkt t₄ entfällt das Steuersignal 84 der Auswertelektronik 16. In Abwesenheit des Steuersignals 54 am Hallsensor 7 wechselt dieser automatisch den Stromsparmodus 38, in dem er alternierend in dem Inaktivzyklus 39 und in dem Aktivzyklus 40 arbeitet.
Aus der dritten Impulsfolge 34 geht hervor, dass zu einem Zeitpunkt t₅, bedingt durch eine sich lösende mechanische Spannung, bei der sich das Stellelement mit der Antriebswelle 2 und dem Ringmagnet 6 in Richtung der Schließstellung bewegt, der Südpol S des Ringmagneten 6 der ersten Hallsonde 25 gegenüber liegt. Hierbei liegt, wie aus der vierten Impulsfolge 35 ersichtlich ist, der versetzt angeordnete zweite Hallsonde 26 weiterhin der Nordpol N gegenüber. Die Positionsänderung an der ersten Hallsonde 25 wird während des zum Zeitpunkt t₅ andauernden Inaktivzyklus 40 nicht von dem Hallsensor 7 erfasst. Der Hallsensor 7 überträgt zum Zeitpunkt t₅ die zum Zeitpunkt t₄ erzeugten und gespeicherten Positionssignale S₁, S₂ an die Auswertelektronik 16.
Zum Zeitpunkt t₆ wechselt der Hallsensor 7 das erste Positionssignal S₁ für die erste Hallsonde 25 zu einem dem anliegenden Südpol S entsprechenden Low-Pegel am Ende des Aktivzyklus 39, in welchem die zum Zeitpunkt t₅ ergangene Positionsänderung erkannt wurde. Das zweite Positionssignal S₂ verbleibt entsprechend dem an der zweiten Hallsonde 44 anliegenden Nordpol N mit dem High-Pegel bestehen. In einem Zeitraum zwischen t₆ und t₇ liegen der ersten Hallsonde 25 der Südpol S und der zweiten Hallsonde 26 der Nordpol N gegenüber. Dabei arbeitet der Hallsensor 7 im Stromsparmodus 38 und gibt entsprechend der Position der Magnetpole N, S zur jeweiligen Hallsonde 25, 26 kontinuierlich das Positionssignal S₁, S₂ mit dem Low-Pegel bzw. mit dem High-Pegel aus.
Zum Zeitpunkt t₇ befindet sich der Hallsensor 7 im Inaktivzyklus 39. Der Ringmagnet 6 ist bedingt durch eine weitere Bewegung in Schließrichtung zu einer Position fortgeschritten, in welcher der Südpol S der zweiten Hallsonde 26 gegenüber liegt und im Aktivmodus 37 des Hallsensors 7 einen Wechsel des zweiten Positionssignals 52 bewirken würde.
Die Änderung der Position des Südpols S des Ringmagneten 6 an der zweiten Hallsonde 26 wird zum Zeitpunkt t₈ nach dem Erfassen in dem Aktivzyklus 40 durch den Wechsel des zweiten Positionssignals S₂ zum Low-Pegel von der Auswerteelektronik 16 erfasst. Dabei wird von der Auswerteelektronik 16 erkannt, dass das erste Positionssignal S₁ dem zweiten Positionssignal S₂ voreilt und somit eine Bewegung in die Schließrichtung erfolgt ist. Dabei zählt die Auswerteelektronik 16 um einen Zählwert aufwärts, um die Stellposition des Stellelements zu bestimmen.
Bezugszeichenliste

1: Antrieb
2: Antriebswelle
3: Schnecke
4: Schneckenrad
5: Zahnradaufsatz
6: Ringmagnet
7: Hallsensor
8: Pin
9: Pin
10: Pin
11: Pin
12: Pin
13: Spannungsquelle
14: Zündschalter
15: Kraftfahrzeugelektronik
16: Auswerteelektronik
17: Mikrocontroller
18: Antriebssteuerung
19: Stellschalter
20: Stellleitung
21: Antriebsleitung
22: Signalleitung
23: Signalleitung
24: Steuerleitung
25: erste Hallsonde
26: zweite Hallsonde
27: Komparatorschaltung
28: Komparatorschaltung
29: Dämpfungsschaltkreis
30: Dämpfungsschaltkreis
31: Schwellwertgeber
32: Impulsfolge
33: Impulsfolge
34: Impulsfolge
35: Impulsfolge
36: Impulsfolge
37: Aktivmodus
38: Stromsparmodus
39: Inaktivzyklus
40: Aktivzyklus
B: Magnetfeld
S₁: Positionssignal
S₂: Positionssignal
S₃: Stellsignal
S₄: Steuersignal
U_H: Hallspannung
U_S: Spannungsschwellwert
ω₊, ω_–: Drehrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19916400 C1 [0004]
DE 10154498 B4 [0005]
DE 102006043839 A1 [0007]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Stellposition eines motorisch angetriebenen Stellelementes eines Kraftfahrzeugs mittels eines Hallsensors (7), der in einem drehbeweglichen Magnetfeld (B) angeordnet und mit einer Auswerteelektronik (16) zur Verarbeitung eines bei einer Magnetfeldänderung (ΔB) erzeugten Positionssignals (S₁, S₂) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, – dass der Hallsensor (7) in einem Stromsparmodus (38) mit alternierenden vergleichsweise kurzeitigen Aktivzyklen (40) und vergleichsweise langzeitigen Inaktivzyklen (39) arbeitet, wobei während eines Aktivzyklus (40) eine Magnetfeldänderung (ΔB) erfasst wird, und – wobei der Hallsensor (7) zur kontinuierlichen Erfassung von Magnetfeldänderungen (ΔB) aus dem Stromsparmodus (38) in einen dauerhaften Aktivmodus (37) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (7) von der Auswerteelektronik (16) vom Stromsparmodus (38) in den Aktivmodus (37) gesteuert wird, wenn die Auswerteelektronik (16), insbesondere bei Einschalten der Zündung des Kraftfahrzeugs, aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (7) ein Sensorsteuersignal zur Aktivierung einer Kraftfahrzeugelektronik (15) und/oder der Auswerteelektronik (16) erzeugt, wenn im Stromsparmodus (38) eine Magnetfeldänderung (ΔB) erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Stromsparmodus (38) für die Aktivzyklen (40) eine Dauer von ≤ 60 μs bei einem Tastgrad von < 1%, vorzugsweise ≤ 0,1%, eingestellt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der Stellposition eines motorisch angetriebenen Stellelementes eines Kraftfahrzeugs, mit einem Hallsensor (7), der in einem drehbeweglichen Magnetfeld (B) angeordnet und mit einer Auswertelektronik (16) zur Verarbeitung eines bei einer Magnetfeldänderung (ΔB) erzeugten Positionssignals (S₁, S₂) verbunden ist, wobei der Hallsensor (7) und die Auswertelektronik (16) dazu eingerichtet sind, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 automatisch durchzuführen.