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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Regelung einer Antriebseinheit eines elektrischen Verstellsystems.
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Verstellsysteme haben ein unbewegliches (statisches) Element und ein bewegliches Verstellelement, dessen Position mittels einer Antriebseinheit gegenüber dem unbeweglichen Element verstellbar, also veränderbar ist. Verstellsysteme werden im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik beispielsweise zur Verstellung von Schiebedächern, Fahrzeugtüren, Heckklappen, Ladebodenverstellungen, Sitzen oder Fahrzeugscheiben eingesetzt. Positionsbestimmungen bei Verstellsystemen werden meist indirekt, beispielsweise über die Geschwindigkeit des beweglichen Verstellelements, den zurückgelegten Verstellweg oder die Drehzahl des Antriebssystems ermittelt.
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Eine übliche Funktionalität in Verstellsystemen ist der Schutz vor Einklemmen oder Verletzen von Körperteilen durch die bewegten Teile, wie etwa beim Schließen eines Seitenfensters. Bei einem solchen Einklemmschutz werden beispielsweise Maximalwerte des Antriebsdrehmomentes vorgegeben. Zudem wird häufig definiert, bei welchem Einklemmmoment die Antriebseinheit abschalten soll. Die Abschaltung der Antriebseinheit kann beispielsweise infolge des Erkennens eines Überstromes erfolgen. Dabei ist es wünschenswert, in jedem Betriebszustand ausreichend Regelreserve zu haben. Ein Verfahren zur adaptiven Stellregelung bei elektromechanischen Antrieben ist beispielsweise aus der
DE 37 31 984 A1 bekannt.
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Aus der
DE 20 2006 008 465 U1 ist ein Verstellsystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zum Verstellen einer Heckklappe, bekannt, das eine Antriebseinheit zur Verstellung des beweglichen Verstellelements, einen zur Bestromung der Antriebseinheit mit dieser verbundenen Treiber, einen Sensor zur Messung der Ist-Geschwindigkeit der Antriebseinheit und eine mit dem Treiber und dem Sensor verbundene Recheneinheit aufweist. Die Recheneinheit regelt die Verstellbewegung des Verstellelements und vergleicht zur Regelung die Ist-Geschwindigkeit mit einer Sollgeschwindigkeit. Die Sollgeschwindigkeit wird von einer Startposition zu einer Zielposition durch eine Sollfunktion mit einer Anzahl von Verstellphasen mit unterschiedlicher Sollgeschwindigkeit oder mit unterschiedlichem Verlauf der Sollgeschwindigkeit bestimmt. Die Sollgeschwindigkeit oder der Verlauf der Sollgeschwindigkeit wird dabei innerhalb mindestens einer Verstellphase in Abhängigkeit von der Startposition und/oder der Zielposition bestimmt.
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Die Sollfunktion kann dabei derart angepasst werden, dass eine Regelreserve erhalten bleibt. Beispielsweise führt eine Hanglage eines Kraftfahrzeugs zu einer signifikanten Gewichtskraft einer Schiebetür, die entgegen der Schwerkraft geschlossen wird. In diesem Fall wird die Sollgeschwindigkeit und damit natürlich auch die Verstellgeschwindigkeit reduziert um eine Regelreserve zu behalten, die zur Ausregelung von lokalen Schwergängigkeiten genutzt werden kann. Zur Erzielung einer in allen Betriebszuständen ausreichenden Regelreserve kann allerdings einiger Aufwand an Rechenzeit eines zugehörigen Steuergerätes erforderlich sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es darum, ein Verfahren und ein System zur Regelung einer Antriebseinheit bereitzustellen, bei welchem in jedem Betriebszustand ausreichend Regelreserve bei verringertem Aufwand gewährleistet wird.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein System gemäß Patentanspruch 11.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regelung einer steuerbaren Antriebseinheit in einem die Antriebseinheit, ein durch dieses angetriebenes bewegliches Verstellelement und ein statisches Element aufweisenden elektrischen Verstellsystem, kann insbesondere vorsehen, dass verschiedene Messdaten zu bestimmten Zeitpunkten während des Betriebs der Antriebseinheit erfasst werden, ein aktueller Arbeitspunkt aus den Messwerten anhand eines Modells der Antriebseinheit bestimmt wird, aus gespeicherten, zumindest die Reibung des beweglichen Verstellelements gegenüber dem statischen Element an verschiedenen Arbeitspunkten repräsentierenden Daten eine Sollgeschwindigkeit des beweglichen Verstellelements gegenüber dem statischen Element zu ermittelt wird und die Antriebseinheit derart gesteuert wird, dass die Ist-Geschwindigkeit des beweglichen Verstellelements gegenüber dem statischen Element gleich der Sollgeschwindigkeit ist. Dabei wird die Sollgeschwindigkeit zwischen einer Startposition und einer Zielposition durch eine Sollfunktion mit einer Anzahl von Verstellphasen mit unterschiedlicher Sollgeschwindigkeit oder mit unterschiedlichem Verlauf der Sollgeschwindigkeit bestimmt. Die Sollgeschwindigkeit wird so gewählt, dass für den jeweiligen Arbeitspunkt eine ausreichende Regelreserve gegeben ist. Auf diese Weise werden weniger Messpunkte benötigt, was die Beanspruchung einer das Verfahren durchführenden Steuereinheit deutlich verringert und damit sehr resourcenschonend ist. Vorteilhaft ist es darüber hinaus, dass das Verstellsystem auf eine möglichst konstante Verfahrgeschwindigkeit ausgeregelt wird. Aufgrund von Einflüssen wie etwa Reibung in der Mechanik kann die Regelreserve nicht ausreichen. Die Erfindung stellt hierzu die optimale Regelreserve für das System bereit.
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Die gespeicherten, zumindest die Reibung des beweglichen Verstellelements gegenüber dem statischen Element an verschiedenen Arbeitspunkten repräsentierenden Daten können einen von den Arbeitspunkten abhängigen Reibverlauf bzw. die Schwankungen des Reibverlaufs definieren. Dadurch wird die Auswertung der Daten vereinfacht, so dass wiederum Resourcen gespart werden.
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Die Antriebseinheit kann einen Elektromotor mit steuerbarer Drehzahl aufweisen. Die Steuerung der Drehzahl kann je nach Typ über die Höhe der Versorgungsspannung bzw. des Versorgungsstromes oder aber die Frequenz der Versorgungsspannung oder in sonstiger Weise ohne größeren Aufwand erfolgen.
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Die Messdaten können zumindest einen der folgenden Parameter betreffen: elektrische Parameter der Antriebseinheit, mechanische Parameter der Antriebseinheit und Umgebungsparameter der Antriebseinheit. Diese Parameter sind von hoher Genauigkeit und leicht bestimmbar, d. h., entweder selbst leicht zu messen oder zumindest aus anderen Größen leicht herleitbar.
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Hierfür geeignete mechanische Parameter der Antriebseinheit können einer oder mehrere der folgenden Parameter sein: der Verspannungsgrad von mechanischen Komponenten in der Antriebseinheit, die Drehzahl der Antriebseinheit, die Geschwindigkeit des Verstellelements und der zurückgelegte Weg des Verstellelements.
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Geeignete elektrischen Parameter der Antriebseinheit können zumindest einen der folgenden Parameter betreffen: die Versorgungsspannung der Antriebseinheit und den Versorgungsstrom der Antriebseinheit.
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Um die Genauigkeit des Verfahrens weiter zu erhöhen, können die Umgebungsparameter der Antriebseinheit zumindest die Temperatur in oder an der Antriebseinheit umfassen.
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Das Modell der Antriebseinheit kann fest vorgegeben oder selbstlernend sein.
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Indem die Sollgeschwindigkeit so gewählt wird, dass für den jeweiligen Arbeitspunkt eine ausreichende Regelreserve gegeben ist, wird eine einwandfreie Funktion unter möglichst vielen Betriebsbedingungen gewährleistet.
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Die Sollgeschwindigkeit des beweglichen Verstellelements gegenüber dem statischen Element kann ebenfalls mittels des Modells der Antriebseinheit ermittelt werden, so dass auch hier die Resourcen geschont werden.
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Ein System zur Regelung einer steuerbaren Antriebseinheit in einem die Antriebseinheit, ein durch dieses angetriebenes bewegliches Verstellelement und ein statisches Element aufweisenden elektrischen Verstellsystem umfasst Sensoren, die dazu ausgebildet sind, verschiedene Messdaten zu bestimmten Zeitpunkten während des Betriebs der Antriebseinheit zu erfassen, und eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, einen aktuellen Arbeitspunkt aus den Messwerten anhand eines Modells der Antriebseinheit zu bestimmen, aus gespeicherten, zumindest die Reibung des beweglichen Verstellelements gegenüber dem statischen Element an verschiedenen Arbeitspunkten repräsentierenden Daten eine Sollgeschwindigkeit des beweglichen Verstellelements gegenüber dem statischen Element zu ermitteln und die Antriebseinheit derart zu steuern, dass die Ist-Geschwindigkeit des beweglichen Verstellelements gegenüber dem statischen Element gleich die Sollgeschwindigkeit ist. Dabei wird die Sollgeschwindigkeit zwischen einer Startposition und einer Zielposition durch eine Sollfunktion mit einer Anzahl von Verstellphasen mit unterschiedlicher Sollgeschwindigkeit oder mit unterschiedlichem Verlauf der Sollgeschwindigkeit bestimmt. Die Sollgeschwindigkeit wird so gewählt, dass für den jeweiligen Arbeitspunkt eine ausreichende Regelreserve gegeben ist. Auf diese Weise werden weniger Messpunkte benötigt, was die Beanspruchung beispielsweise einer Steuereinheit des Systems deutlich verringert und damit sehr resourcenschonend ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
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1 in einem Blockschaltbild ein beispielhaftes Regelsystem und
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2 in einem Ablaufdiagramm ein beispielhaftes Verfahren zur Regelung einer Antriebseinheit eines Verstellsystems.
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Eine Antriebseinheit eines Verstellsystems weist üblicherweise einen Motor und eine nachgeschaltete (übersetzende) Mechanik wie zum Beispiel ein Getriebe auf. Messtechnisch kann am besten die Motordrehzahl erfasst werden. Über das translatorische Übersetzungsverhältnis der Mechanik kann daraus dann die Verfahrgeschwindigkeit des Verstellelements wie zum Beispiel die Scheibengeschwindigkeit berechnet werden. Für den Benutzer hauptsächlich auschlaggebend ist die Verfahrgeschwindigkeit.
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Dabei wird beispielsweise der (im entsprechenden Steuergerät ablaufenden) Applikations-Software eine entsprechende Geschwindigkeitsvorgabe gemacht, die innerhalb der Systemgrenzen ausregelbar ist (Regelreserve). Für die Applikationssoftware kann es dabei günstiger sein, die Verfahrgeschwindigkeit des Verstellelements vorzugeben, da diese für verschiedenste (andere) Systeme mit verwendbar ist. Alternativ wäre auch die dazu korrelierende Motordrehzahl anwendbar.
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Bei bekannten Systemen ist es hierfür erforderlich, über den gesamten Verfahrbereich die aktuelle Motordrehzahl in sehr kurzen Zeitabständen zu erfassen, um die Geschwindigkeitsvorgabe einzuhalten.
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Beim vorliegenden Verfahren und beim vorliegenden System können Werte genutzt werden, die in dem Steuergerät bereits vorhanden sind und diese entsprechend kombiniert werden, um mit weniger Aufwand ein vergleichbares Ergebnis zu erhalten, wodurch erheblich Steuergeräteresourcen eingespart werden können.
- a) Zum Einen wird dazu ein aktueller Arbeitspunkt aus aktuellen Messwerten (Versorgungsstrom und/oder Versorgungsspannung und/oder Drehzahl des Antriebsmotors) anhand eines beispielsweise im Steuergerät ablaufenden Motormodells bestimmt. Da bekannt ist, welcher Motortyp angeschlossen ist, kann aufgrund der gemäß Motormodell berechneten Werte zu jedem beliebigen Zeitpunkt ein Arbeitspunkt des Systems bestimmt werden. Als Arbeitspunkt ist beispielsweise eine bestimmte Position des Verstellelements (etwa einer Fensterscheibe) bei Vorliegen bestimmter System- und Umgebungsparameter zu verstehen. Somit kann bestimmt werden, welche Leistungsreserven der Motor (bei einem bestimmten Arbeitspunkt) hat, um eine optimale Drehzahl oder wie oben beschrieben eine optimale Scheibengeschwindigkeit vorgeben zu können.
- b) Zum Anderen sind im Steuergerät Daten abgelegt, die etwa den Reibverlauf (zum Beispiel Reibung des Verfahrweges) des angeschlossenen Systems wiedergeben. Aus diesen Daten kann die minimale und die maximale Reibung des Verstellelements gegenüber den unbeweglichen Elementen im System ermittelt werden, was einen großen Einfluss auf die Scheibengeschwindigkeit oder die Stromaufnahme des Motors hat.
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Durch Kombination von beidem (a, b) kann dann anhand des (optimalen) Arbeitspunktes und aus dem Reibverlauf bzw. der Schwankung des Reibverlaufs des vorhandenen Systems eine für das System optimale Sollgeschwindigkeit vorgegeben werden.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Regelsystems. Das Regelsystem weist eine Regelstrecke 300 (beispielsweise ein Verstellsystem) mit einer von außen durch Störgrößen 430 beeinflussbaren Größe 420 (Stellgröße) und zumindest einer messbaren Größe 440 (repräsentativ für eine Regelgröße) auf. Die Regelstrecke 300 kann eine Messeinrichtung 310 aufweisen, um die Regelgröße 440 zu messen. Die Regelgröße 440 hängt von der Stellgröße 420 und der nicht beeinflussbaren Störgrößen 430 ab. Ein Sollwertgeber 100 stellt eine Führungsgröße 410 (Sollwert) zur Verfügung. Eine Regeleinrichtung 200 vergleicht die Regelgröße 440 mit der Führungsgröße 410. Weicht die Regelgröße 440 von der Führungsgröße 410 ab, so führt die Regeleinrichtung 200 die Regelgröße 440 der vorgegebenen Führungsgröße 410 nach, indem er die Stellgröße 420 entsprechend vorgibt.
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Die Regeleinrichtung 200 kann ein Steuergerät oder ein Teil davon sein und eine Steuereinheit aufweisen, die (beispielsweise mittels entsprechender Software) dazu ausgebildet ist, einen aktuellen Arbeitspunkt aus den Messwerten anhand eines Modells 210 der Antriebseinheit zu bestimmen, aus gespeicherten, zumindest die Reibung des beweglichen Verstellelements gegenüber dem statischen Element an verschiedenen Arbeitspunkten repräsentierenden Daten eine Sollgeschwindigkeit des beweglichen Verstellelements gegenüber dem statischen Element zu ermitteln und die Antriebseinheit derart zu steuern, dass die Ist-Geschwindigkeit des beweglichen Verstellelements gegenüber dem statischen Element gleich die Sollgeschwindigkeit ist.
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Als Führungsgröße 410 kann beispielsweise die Geschwindigkeit des Verstellelements, wie etwa der Fensterscheibe des verstellbaren Seitenfensters eines Kraftfahrzeuges sein. Die Geschwindigkeit (gemessen als Regelgröße 440) wird dann an die vorgegebene Führungsgröße 410 angepasst. Störgrößen in einem elektrischen Verstellsystem können beispielsweise die Temperatur oder eine sich ändernde Versorgungsspannung des Antriebs sein. Die Führungsgröße 410 kann konstant gehalten werden oder wie vorliegend an einen jeweils vorliegenden Betriebszustand angepasst werden. Die Führungsgröße 410 kann beispielsweise derart angepasst werden, dass in jedem Betriebszustand ausreichend Regelreserve vorhanden ist. Ausreichend Regelreserve ist dann vorhanden, wenn die Antriebseinheit nicht voll ausgesteuert wird derart, dass in jedem Betriebszustand eine ausreichende Reserve vorhanden ist, um unvorhergesehene Belastungsstöße ausregeln zu können.
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Ein Beispiel eines Verfahrens zur Regelung einer Antriebseinheit in einem elektrischen Verstellsystem ist in 2 dargestellt. Dabei kann zunächst der momentane Betriebszustand gemessen und beispielsweise die maximal mögliche Drehzahl der Antriebseinheit (insbesondere dessen Motors) bestimmt werden (Prozess A). Die im Weiteren bestimmte Solldrehzahl (Führungsgröße) kann dann immer so eingestellt werden, dass sie einen bestimmten Wert, der um ein Regelreserve unterhalb einer maximal möglichen Drehzahl nicht übersteigt. Der Betriebszustand der Antriebseinheit sei vorliegend beispielsweise durch die Versorgungsspannung und die Temperatur der Antriebseinheit gegeben. Die Messdaten können zumindest aber auch beliebige (andere) elektrische Parameter der Antriebseinheit, mechanische Parameter der Antriebseinheit und Umgebungsparameter der Antriebseinheit umfassen. Hierfür geeignete mechanische Parameter der Antriebseinheit können beispielsweise der Verspannungsgrad von mechanischen Komponenten in der Antriebseinheit, die Drehzahl der Antriebseinheit, die Geschwindigkeit des Verstellelements und der zurückgelegte Weg des Verstellelements sein. Geeignete elektrische Parameter der Antriebseinheit können die Versorgungsspannung der Antriebseinheit und der Versorgungsstrom der Antriebseinheit sein.
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In jedem Betriebszustand kann sich die Antriebseinheit in einem für diesen Betriebszustand typischen Arbeitspunkt befinden. Der typische Arbeitspunkt der Antriebseinheit wird sodann in Abhängigkeit von dem gemessenen momentanen Betriebszustand anhand eines fest vorgegeben oder selbstlernenden Modells (zum Beispiel Motormodell) bestimmt werden (Prozess B).
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Aus Sicherheitsgründen umfassen elektrische Verstellsysteme häufig einen Einklemmschutz. Die Reibung des Verstellsystems kann im Verlauf eines Verstellvorgangs wie zum Beispiel das Schließen einer Seitenscheibe variieren zum Beispiel durch beliebig verteilte Bereiche höherer Schwergängigkeit. Der Einklemmschutz bestimmt und speichert in der Regel den Verlauf der Reibung während des Verstellvorgangs und bezieht diesen mit ein, um eine auf eingeklemmte Gegenstände wirkende Kraft zu berechnen. Aus diesem gespeicherten Reibungsverlauf kann eine Momentschwankung des Systems ermittelt werden (Prozess C).
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Aus dem typischen Arbeitspunkt in einem momentanen Betriebszustand sowie der ermittelten Momentschwankung kann dann die jeweilige Solldrehzahl der Antriebseinheit errechnet werden (Prozess D). Hierfür kann wiederum beispielsweise das Motormodell verwendet werden. Die Solldrehzahl wird nun in jedem Betriebszustand derart eingestellt, dass immer ausreichend Regelreserve vorhanden ist.
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Es wird also auch ein Verfahren beschrieben, das in der Lage ist, die maximale Regelsollgröße für beispielsweise spannungsgeregelte Antriebseinheiten zu ermitteln mit dem Ziel, die Regelsollgröße so zu wählen, dass für jeden Betriebszustand ausreichend Regelreserve gegeben ist.
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Zur Ermittlung der maximal möglichen Scheibengeschwindigkeit des Systems wird beispielsweise der (typische) Arbeitspunkt der Antriebseinheit, d. h. die Position in Abhängigkeit vom aktuellen Betriebszustand (Spannung, Motortemperatur) bestimmt. Dazu kann beispielsweise aus dem gespeicherten Reibverlauf (des Einklemmschutzes) die Momentschwankung des Systems ermittelt werden. Aus Arbeitspunkt und Momentschwankung ergibt sich der realisierbare Arbeitspunkt zum jeweiligen aktuellen Betriebszustand. Aus diesem Arbeitspunkt wird beispielsweise über das vorhandene Motormodell die Solldrehzahl der Antriebseinheit berechnet.
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Das Modell kann fest vorgegeben sein oder selbstlernend sein. Bei einem selbstlernenden Modell werden bestimmte Verhaltensmuster des Verstellelements bezüglich Positionsänderungen bei bestimmten Arbeitspunkten erlernt, um dann anhand beispielsweise eines Modells die Verhaltensmuster bei verschiedenen Arbeitspunkten nachzubilden. Unter maschinellem Lernen ist hierbei die „künstliche” Generierung von Wissen aus Erfahrung zu verstehen. Ein künstliches System lernt aus Beispielen und kann nach einer bestimmten Lernphase unter Umständen sogar verallgemeinern. Das heißt, es lernt nicht nur einfach die Beispiele „auswendig”, sondern es „erkennt” Gesetzmäßigkeiten in den Lerndaten. So kann das System auch unbekannte Daten beurteilen. Das Modell selbst kann zum Beispiel mittels eines entsprechenden Algorithmus realisiert werden. Der Algorithmus erzeugt für eine gegebene Menge von Eingaben das Modell, das die Eingaben beschreibt und Vorhersagen ermöglicht. Es gibt zum Beispiel Clustering-Verfahren, die die Daten in mehrere Kategorien einteilen, die sich durch charakteristische Muster voneinander unterscheiden. Ein solcher Algorithmus ist zum Beispiel der Expectation-Maximization-Algorithmus (kurz EM-Algorithmus), der iterativ die Parameter eines Modells so festlegt, dass es die gesehenen Daten optimal erklärt. Er legt dabei das Vorhandensein nicht beobachtbarer Kategorien zugrunde und schätzt abwechselnd die Zugehörigkeit der Daten zu einer der Kategorien und die Parameter, die die Kategorien ausmachen. Eine Anwendung des EM-Algorithmus findet sich beispielsweise in den Hidden-Markov-Models (HMMs). Andere Methoden des unüberwachten Lernens, wie etwa die Hauptkomponentenanalyse, verzichten auf die Kategorisierung. Sie zielen darauf ab, die beobachteten Daten in eine einfachere Repräsentation zu übersetzen, die sie trotz drastisch reduzierter Information möglichst genau wiedergibt. Daneben können auch auf statistischer Auswertung beruhende Lernverfahren oder adaptive Verfahren oder neuronale Netze beim Lernprozess Anwendung finden.
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In einem Auswertungsprozess wird dann die Ausgangsposition bei den jeweiligen System- und Umgebungsparametern errechnet und eventuell davon abweichende tatsächliche Positionen oder nachträglich auftretende Positionsänderungen anhand sich ändernder System- und Umgebungsparametern mittels des Modells die tatsächliche aktuelle korrigierte Position des Verstellsystems bestimmt.
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Das Verfahren und System ist anwendbar in Kraftfahrzeugen, insbesondere auf elektrische Fensterheber, elektrische Schiebedächer, elektrische Sitzverstellungen, elektrische Schiebetüren, elektrische Heckdeckelsteuerungen, elektrische Zentralverriegelungen und elektrische Türverstellungen.
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Mit dem oben beschriebenen Verfahren und dem oben beschriebenen System werden die bereits vorhandenen Daten beispielsweise des Einklemmschutzes genutzt, um für das zugehörige Verstellystem eine geeignete Geschwindigkeitesvorgabe zu generieren, indem das System so ausgeregelt wird, dass die maximal mögliche Scheibengeschwindigkeit bei einer optimalen Regelreserve erzielt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Sollwertgeber
- 200
- Regeleinrichtung
- 210
- Modell der Antriebseinheit
- 300
- Regelstrecke
- 310
- Messeinrichtung
- 410
- Führungsgröße
- 420
- Stellgröße
- 430
- Störgröße
- 440
- Regelgröße
- A–D
- Prozesse
