DE102011013419A1

DE102011013419A1 - Verfahren zum Bestimmen der Position eines durch die Antriebswelle eines Gleichstrommotors angetriebenen Elements

Info

Publication number: DE102011013419A1
Application number: DE201110013419
Authority: DE
Inventors: Dr. Maß Martin; Matthias Steinbach; Dr. Kiel Henning
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: DE102011013419B4

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines durch die Antriebswelle eines Gleichstrommotors angetriebenen Elements innerhalb einer vorbestimmten Bewegungsstrecke zwischen zwei die Bewegungsstrecke begrenzenden Blockpositionen durch eine Zählung von Impulsen, die proportional zur Motordrehung von einem dazu vorgesehenen Impulsgeber erzeugt werden, in einem Positionszähler, wobei nach dem Einfahren des angetriebenen Elements in eine definierte Blockposition eine Zurücksetzung des Positionszählers auf einen Normierungswert durchgeführt wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Normierungswertes des Positionszählers in Abhängigkeit von aktuellen, das Drehmoment des Gleichstrommotors bestimmenden Betriebsparametern desselben festgelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines durch die Antriebswelle eines Gleichstrommotors angetriebenen Elements innerhalb einer vorbestimmten Bewegungsstrecke zwischen zwei die Bewegungsstrecke begrenzenden Blockpositionen durch eine Zählung von Impulsen, die proportional zur Motordrehung von einem dazu vorgesehenen Impulsgeber erzeugt werden, in einem Positionszähler, wobei nach dem Einfahren des angetriebenen Elements in eine definierte Blockposition eine Zurücksetzung des Positionszählers auf einen Normierungswert durchgeführt wird.
Als Impulsgeber kommt dabei beispielsweise ein Hallsensor zum Einsatz, der ortsfest zum Motorgehäuse angeordnet ist und von einem sich mit der Motorwelle drehenden Permanentmagneten mit einem veränderlichen Magnetfeld beaufschlagt wird. Je nach Ausführung dieses Magneten erzeugt der Hallsensor eine festgelegte Anzahl von Impulsen bei jeder Motordrehung.
Alternativ hierzu können aber auch die in dem Ankerstromsignal des Gleichstrommotors enthaltenen durch dessen Kollektorlamellen hervorgerufenen Stromspitzen, die auch als Stromrippel bezeichnet werden, und bei einer Umdrehung des Motorankers in einer der Anzahl der Kollektorlamellen proportionalen Häufigkeit auftreten, als Impulse zur Positionsbestimmung verwendet werden.
Unabhängig von der Art der verwendeten Impulse kann jedenfalls eine Zählung derselben Aufschluss über die aktuelle Drehstellung des Ankers des Gleichstrommotors und somit bezüglich des mit diesem verbundenen beweglichen Elements innerhalb seiner vorbestimmten Bewegungsstrecke geben.
Da bekannt ist, über wie viele Impulse der Gleichstrommotor sich drehen muß, bis die Strecke zwischen den beiden, die Bewegungsstrecke begrenzenden Blockpositionen zurückgelegt ist, kann über die Zählung der Impulse in einem Positionszähler eine Positionsbestimmung des angetriebenen Elements erfolgen.
Eingesetzt werden derartige Verfahren beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich zum Steuern von Verstellantrieben, wie sie beispielsweise für Fensterheber und/oder Schiebedächer vorgesehen sind. Ein wesentliches Element in der Erfassung der Position beispielsweise einer Fensterscheibe ist diejenige beim Schließen derselben, bei der ein zur Vermeidung von Verletzungen durch das Einklemmen von Körperteilen eingesetzter Einklemmschutz abgeschaltet werden kann. Eine solche Abschaltung ist notwendig, damit die Scheibe vollständig in ihren oberen Block und in die dort vorgesehenen Dichtungen einfahren kann, ohne dass infolge der durch den Dichtungseinlauf erhöhten Last eine Motorabschaltung erfolgt. Die gesetzlichen Anforderungen an einen Einklemmschutz für Fahrzeugverstellsysteme, insbesondere für Fensterhebersysteme verlangen das Erkennen von definierten Einklemmkörpern und das Reversieren der Scheibe bei einer Öffnungsweite von 200 mm–4 mm zwischen der Scheibenoberkante und dem Fensterrahmen.
Die Referenzposition des Fensterhebersystems ist die ”völlig geschlossen” Position der Scheibe, in der sich diese am oberen Anschlag des Rahmens innerhalb der Fensterdichtung befindet. Ausgehend von dieser Referenz werden die zuvor genannten Öffnungsweite Positionen bestimmt, bei denen die Oberkante der Scheibe jeweils 4 mm bzw. 200 mm von der Position des Eintauchens in die obere Fensterdichtung entfernt ist. Bei einer fehlerhaften Zählung der Impulse zur Bestimmung der Position der Scheibe oder bei einer fehlerhaften Festlegung der Referenzposition kann es vorkommen, dass der Einklemmschutz zu früh oder zu spät abgeschaltet wird, mit der Folge, dass entweder im ersten Falle gefährliche Einklemmereignisse auftreten können, oder im zweiten Falle die Scheibe nicht vollständig geschlossen werden kann.
Zur Erhöhung der Genauigkeit der Positionsbestimmung des beweglichen Elements, also beispielsweise einer Fensterscheibe eines Kraftfahrzeuges erfolgt eine systemseitige Normierung bzw. Renormierung, wenn das Fenster in seine obere Blockposition, also die ”völlig geschlossen” Position eingefahren worden ist, da in diesem Falle eine tatsächliche Übereinstimmung der IST-Position der Scheibe und der mechanisch definierten Blockposition gegeben ist. Durch diese Renormierung wird der Positionszähler wieder auf einen Normierungswert also z. B. den Wert „Null” zurückgesetzt, damit eine Fehleraddition über einen längeren Zeitraum verhindert ist.
Auch wenn durch eine derart durchgeführte Renormierung eine genaue Positionsbestimmung des angetriebenen Elements über einen längeren Zeitraum grundsätzlich sichergestellt werden kann, ist eine solche Maßnahme jedoch unzureichend, wenn nach einem Einfahren des angetriebenen Elements in die zur Renormierung vorgesehene Blockposition unterschiedliche Drehstellungen des Ankers des Gleichstrommotors vorliegen können, da die Scheibenposition ja von der Drehstellung des Ankers des Gleichstrommotors abgeleitet wird.
Derartige Abweichungen werden im wesentlichen durch das Zusammenwirken zweier Umstände verursacht. So sind zum Einen die Scheibe und der Motor nicht starr miteinander verbunden, sondern über mehrere Zwischenelemente mit endlicher Federrate aneinander gekoppelt. Zum Anderen zeigt der Gleichstrommotor bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, beispielsweise in unterschiedlichen Betriebsspannungszuständen des Fahrzeugs, ein unterschiedliches maximales Drehmoment und damit eine variable Schließkraft. Die Wirkung solcher unterschiedlichen Schließkräfte auf die System-Federrate, also die Resultierende aller beteiligten Federraten zwischen Scheibe und Motor-/Positionssensoreinheit, führen dann jeweils bei der identischen Scheibenposition ”völlig geschlossen” zu unterschiedlichen Motorpositionen, denen folglich auch unterschiedliche Positionszählerwerte zugeordnet werden müssten. Eine Normierung auf einen fest vorgegebenen Normierungswert hat deshalb zur Konsequenz, dass alle von dieser Motorposition im geschlossenen Zustand der Scheibe abgeleiteten Scheibenpositionen mit der beschriebenen Unsicherheit behaftet sind.
Die Offenlegungsschrift DE 196 19 971 A1 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines durch die Antriebswelle eines Gleichstrommotors angetriebenen Elements innerhalb einer vorbestimmten Bewegungsstrecke durch Auswerten der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel.
Die Gebrauchsmusterschrift DE 295 10 688 U1 offenbart eine Steuervorrichtung für einen Fensterheberantrieb, bei der kurz vor Erreichen der völligen Schließstellung der Fensterscheibe ein Abschalten des Antriebs, sowie ein nachfolgendes Wiedereinschalten desselben im Sinne einer kurzen End-Bewegung zum Erreichen der Endposition ohne wesentliche Stoßbelastung erfolgt.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes gattungsgemäßes Verfahren dergestalt weiterzubilden, dass die beim vorbekannten Stand der Technik auftretenden Fehler beim Nachnormieren in einer Blockposition auch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, insbesondere Betriebsspannungszuständen des Fahrzeugs, deutlich verringert sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Größe des Normierungswertes des Positionszählers in Abhängigkeit von aktuellen, das Drehmoment des Gleichstrommotors bestimmenden Betriebsparametern desselben festgelegt wird.
Besonders einfach durchführbar ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Größe des Normierungswertes des Positionszählers in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebsspannung des Gleichstrommotors, insbesondere gemäß einer linearen Beziehung, festgelegt wird.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Gleichstrommotor in einem kurzen Abstand vor Erreichen der tatsächlichen Blockposition stromlos geschaltet und danach erneut mit Strom beaufschlagt wird, so dass das angetriebene Element mit einer sehr viel geringeren kinetischen Energie in die Blockposition eingefahren wird. Die Gefahr eines Zurückspringens des angetriebenen Elements oder auch ein Zurückfedern der eingesetzten Kraftübertragungsmechanik zwischen dem Gleichstrommotor und dem angetriebenen Element wird dadurch erheblich reduziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Einsatz im Rahmen einer Positionsbestimmung einer Verstelleinrichtung zum Öffnen und Schließen einer Fensterscheibe, eines Schiebedaches oder zum Verstellen eines Sitzes in einem Kraftfahrzeug.
Die einzige Figur zeigt ein Diagramm, in dem die Motorposition bzw. der Normierungswert eines Positionszählers für die Motorposition in Abhängigkeit von der Betriebsspannung des Gleichstrommotors dargestellt ist.
Das aktuelle Drehmoment des Gleichstrommotors einer Verstelleinrichtung zum Öffnen und Schließen etwa einer Fensterscheibe wird z. B. durch den Motorstrom oder die anliegende Betriebsspannung bestimmt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens greift man daher vorzugsweise auf die durch Messung sehr einfach bestimmbare aktuelle Betriebsspannung zurück.
Als Ausgangspunkt wird dabei ein normaler Arbeitspunkt für den Betrieb des Gleichstrommotors gewählt, der typischerweise bei Raumtemperatur und 13 Volt Betriebsspannung liegt, und bei dem der obere Anschlag der Fensterscheibe als Referenzposition „Normal-Null” definiert wird. Der Normierungswert des Positionszählers wird unter diesen Bedingungen mit dem zahlenmäßigen Wert „0” festgelegt. Bei jeder nachfolgenden Verstellung der Fensterscheibe wird mit jedem Impuls des Impulsgebers eine „1” zum aktuellen Zählerwert addiert, wenn die Fensterscheibe in Richtung „Öffnen” bewegt wird, und eine „1” vom aktuellen Zählerwert subtrahiert, wenn die Fensterscheibe in Richtung „Schliessen” bewegt wird. Jede Position der Fensterscheibe ist so durch den ihr zugeordneten Zählerwert des Positionszählers exakt bestimmbar.
Bei von diesen Ausgangsbedingungen abweichenden, das Drehmoment des Gleichstrommotors beeinflussenden Betriebsbedingungen, also insbesondere bei anderen Betriebsspannungen des Gleichstrommotors, wird sich wegen der bereits zuvor beschriebenen Zusammenhänge zwischen der dadurch geänderten Schließkraft des Gleichstrommotors und der Wirkung der verschiedenen Federraten zwischen Scheibe und Motor-/Positionssensoreinheit bei der jeweils identischen Scheibenposition ”völlig geschlossen” eine andere Motorposition, d. h. eine andere Drehstellung des Motorankers einstellen.
Um diese Abweichung zu kompensieren, wird unter diesen anderen Bedingungen ein von „0” verschiedener Wert als Normierungswert des Positionszählers verwendet. Dieser Wert kann in erster Näherung und somit für die Praxis in der Regel mit hinreichender Genauigkeit anhand einer Geradengleichung ermittelt werden. Der Steigungsparameter der Geraden wird dabei wesentlich durch die beteiligten Federraten bestimmt, und kann für ein bestehendes System z. B. experimentell ermittelt werden. Das in der Zeichnung dargestellte Diagramm zeigt mehrere Messwerte der Motorposition bzw. des dieser entsprechenden Positionszählerwertes bei verschiedenen Betriebsspannungen. Auf der daran angepassten Geraden (durchgezogene Linie) lassen sich im Betrieb die für die jeweilige Betriebsspannung gültigen Normierungswerte ablesen. Die in der Zeichnung gestrichelt dargestellten Linien zeigen beispielhafte Verläufe für andere Systeme mit höheren oder geringeren System-Federraten.
Im Falle solchermaßen ermittelter, betriebsspannungskompensierter Normierungswerte für den oberen Endanschlag des Fensters ergeben sich bei höheren Spannungen als 13 Volt negative Positionszählerwerte als Normierungsposition und bei geringeren Spannungen als 13 Volt positive Positionszähler werte als Normierungsposition.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19619971 A1 [0011]
DE 29510688 U1 [0012]

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Position eines durch die Antriebswelle eines Gleichstrommotors angetriebenen Elements innerhalb einer vorbestimmten Bewegungsstrecke zwischen zwei die Bewegungsstrecke begrenzenden Blockpositionen durch eine Zählung von Impulsen, die proportional zur Motordrehung von einem dazu vorgesehenen Impulsgeber erzeugt werden, in einem Positionszähler, wobei nach dem Einfahren des angetriebenen Elements in eine definierte Blockpositionen eine Zurücksetzung des Positionszählers auf einen Normierungswert durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Normierungswertes des Positionszählers in Abhängigkeit von aktuellen, das Drehmoment des Gleichstrommotors bestimmenden Betriebsparametern desselben festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Normierungswertes des Positionszählers in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebsspannung des Gleichstrommotors festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Normierungswertes des Positionszählers in linearer Abhängigkeit von der aktuellen Betriebsspannung des Gleichstrommotors festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Einfahren des angetriebenen Elements in eine Blockposition der Gleichstrommotor vor Erreichen der Blockposition stromlos geschaltet, nach einer vorbestimmten Zeitspanne zum letztendlichen Einfahren des angetriebenen Elements in die Blockposition erneut mit Strom beaufschlagt wird, und dass, nachdem das angetriebene Element so in seine mechanisch definierte Blockposition gebracht worden ist, eine Zurücksetzung des Positionszählers auf den Normierungswert durchgeführt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Positionsbestimmung eines durch eine elektrische Verstelleinrichtung angetriebenen Elements in einem Kraftfahrzeug, etwa zur Positionsbestimmung einer Fensterscheibe, eines Schiebedaches oder eines Sitzes.