DE102015108667A1

DE102015108667A1 - System und Verfahren zum Bestimmen der Position eines von einem Elektromotor angetriebenen beweglichen Teils

Info

Publication number: DE102015108667A1
Application number: DE102015108667.0A
Authority: DE
Inventors: Marco Marlia; Marco Bartalucci
Original assignee: Magna Closures SpA
Current assignee: Magna Closures SpA
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2015-12-10
Also published as: CN105317312B; US9647587B2; US20150357949A1; CN105317312A

Abstract

In einem System (1) zum Bestimmen der Position eines von einem Elektromotor (2) angetriebenen beweglichen Teils (20): ein mit dem Elektromotor (2) verbundener einzelner Positionssensor (10) detektiert inkrementell einen Bewegungsbetrag des Motors; eine Richtungsschaltungsanordnung (6, 8) steuert eine aktuelle Bewegungsrichtung des Elektromotors (2); und eine mit dem einzelnen Positionssensor (10) und der Richtungsschaltungsanordnung (6, 8) verbundene Steuereinheit (14) bestimmt bei jedem von dem einzelnen Positionssensor (10) detektierten inkrementellen Bewegungsbetrag eine aktuelle Position des beweglichen Teils (20) basierend auf dessen vorangegangener Position und der von der Richtungsschaltungsanordnung (6, 8) gesteuerten aktuellen Bewegungsrichtung. Die Steuereinheit (14) kann des weiteren eine Blockierung der Bewegung des beweglichen Teils (20) und/oder ein Überziehverhalten des Elektromotors (2) detektieren und bei Auftreten der Blockierung und/oder des Überziehens eine Positionszählung erhöhen oder vermindern, basierend auch auf einer Dauer eines detektierten Pulses eines von dem Positionssensor detektierten Messsignals (S) und/oder einer letzten Bewegungsrichtung, wobei die so erhöhte bzw. verminderte Positionszählung die aktuelle Position des beweglichen Teils (20) wiedergibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines von einem Elektromotor angetriebenen beweglichen Teils; insbesondere bezieht sich die folgende Beschreibung explizit auf die Verwendung des Systems und des Verfahrens in Bezug auf einen kraftgetriebenen Fahrzeugsaktor bzw. -aktuator, wie einen Fensterheber für ein Kraftfahrzeugfenster, Schiebedach oder dergleichen.
Elektromotoren insbesondere des Dreh- bzw. Rotationstyps sind weit verbreitet, um bewegliche Teile insbesondere in zwei entgegengesetzte Richtungen durch Inversion bzw. Umkehrung der Polarität der an dem Motor bereitgestellten Versorgungssignale anzutreiben.
In einem Kraftfahrzeug werden Elektromotoren bspw. in Fensterhebern zum Antreiben eines Fahrzeugfensters (oder -schiebedachs oder einem ähnlichem Element) entlang zweier im allgemeinen linearen entgegengesetzten Richtungen verwendet, d. h. in einer Öffnungs- und einer Schließrichtung. Im allgemeinen wird die Drehung bzw. Rotation einer Welle des Elektromotors mittels einer geeigneten Kopplungsanordnung in eine Linearbewegung des beweglichen Teils transformiert. Aus diesem Grunde entspricht eine Bewegung des beweglichen Teils einer Rotation des Elektromotors mit einem gegebenen Kupplungsverhältnis.
Ein System zum Bestimmen der Position des von dem Elektromotor angetrieben beweglichen Teils wird benötigt, um die Bewegung zu steuern, d. h. um eine Rückkopplungsregelung zu implementieren. Insbesondere im Falle eines Kraftfahrzeugfensterhebers muss die Rückkopplungsregelung auch Sicherheitsmerkmale bereitstellen, wie eine schnelle Reaktion auf Situationen, die einem Kraftfahrzeugpassagier Schaden zufügen könnten (sogenannte Anti-Einklemm-Funktion).
Bekannte Positionsbestimmungssysteme umfassen mit dem Elektromotor verbundene Inkremental-Positionssensoren, d. h. magnetische Hall-Sensoren, die mit einer Welle des Elektromotors verbunden sind, um basierend auf der erfassten Rotation des Elektromotors eine inkrementelle Positionsänderung des beweglichen Teils hinsichtlich einer vorangegangenen Position festzustellen.
Der vorliegende Anmelder hat erkannt, dass es zumindest einige Betriebsbedingungen gibt, für die das Bestimmen der Position eines von einem Elektromotor angetriebenen beweglichen Teils eine schwierige Aufgabe darstellen kann.
Insbesondere wenn ein Elektromotor einen Befehl erhält, seine Bewegung, d. h. seine Rotation, anzuhalten oder umzukehren, kann der gleiche Elektromotor seine Bewegung aufgrund des Schwungs des mit ihm verbundenen beweglichen Teils noch für eine gewisse Zeit aufrechterhalten. Darüber hinaus kann es vorkommen, dass ein mechanisches Zum-Stillstand-bringen des Elektromotors seine Bewegung in einer umgekehrten Richtung in Bezug auf eine vorangegangene Bewegungsrichtung bewirkt.
Um diese Schwierigkeiten zumindest teilweise zu bewältigen, fassen bekannte Lösungen die Verwendung von zwei oder mehr mit dem Elektromotor an beabstandeten Stellen verbundenen Positionssensoren ins Auge, um dessen Bewegungen in die zwei entgegengesetzten Richtungen zu bestimmen. Insbesondere kann eine Phasendifferenz zwischen von den Sensoren detektierten Impulsen als Angabe für die Bewegungsrichtung verwendet werden.
Diese Systeme sind jedoch ziemlich komplex und teuer in der Herstellung, und die Anordnung der zwei oder mehr Positionssensoren kann sich in manchen Anwendungen, wie in Kfz-Anwendungen, aufgrund der Anforderungen an Größe und Kosten als schwierig erweisen.
Es ist daher eine Aufgabe gewisser Aspekte der vorliegenden Erfindung, eine einfache, gleichzeitig aber zuverlässige Lösung zum Bestimmen der Position eines von einem Elektromotor angetriebenen beweglichen Teils bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein System und ein Verfahren, wie sie in den angehängten Ansprüchen definiert sind, gelöst.
Eine bevorzugte, nicht-beschränkende Ausführungsform gewisser Aspekte der vorliegenden Erfindung wird beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
1 ein schematisches Blockschaltbild eines mit einem Elektromotor verbundenen Positionsbestimmungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Lösung ist,
2 eine schematische Darstellung eines magnetischen Positionssensors in dem Positionsbestimmungssystem der 1 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lösung ist,
3 ein schematisches Blockschaltbild einer Steuereinheit des Positionsbestimmungssystems der 1 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lösung ist,
4 und 5 Diagramme elektrischer Größen in dem Positionsbestimmungssystem der 1 zeigen,
6 ein Flussdiagramm von von der Steuereinheit der 2 durchgeführten Steueroperationen ist,
7 ein Blockschaubild eines Kraftfahrzeug-Fensterhebers ist, in dem das Positionsbestimmungssystem verwendet werden kann, und
8 eine schematische Ansicht eines Kraftfahrzeugs ist, in dem der Fensterheber der 7 montiert sein kann.
Unter Bezugnahme auf 1 wird nun ein im Ganzen mit 1 bezeichnetes System zum Bestimmen der Position eines von einem Elektromotor 2 angetriebenen beweglichen Teils 20 beschrieben.
In bekannter und nicht ausführlich besprochener Art und Weise umfasst der Elektromotor 2 einen Rotor, der zur Rotation in Bezug auf einen Stator betrieben werden kann. In dem gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Elektromotor 2 um einen Motor des Rotationstyps, der mit einer Welle 3 verbunden ist, die wiederum mit dem beweglichen Teil 20 über eine geeignete Anordnung zur Bewegungsübertragung (eines bekannten und hier nicht dargestellten Typs) verbunden ist.
Der Elektromotor 2 kann betrieben werden, um unter Anlegen von Strom- bzw. Spannungsversorgungssignalen mit entsprechenden umgekehrten Polaritäten die Welle 3 in einer ersten Richtung, bspw. im Uhrzeigersinn, und in einer entgegengesetzten zweiten Richtung, bspw. entgegen dem Uhrzeigersinn, zu rotieren.
Insbesondere weist der Elektromotor 2 einen ersten und einen zweiten Versorgungseingangsanschluss 2a, 2b, die dazu ausgelegt sind, mit einer Strom- bzw. Spannungsversorgungseinheit 5 verbunden zu werden, die einen ersten Versorgungsausgangsanschluss 5a aufweist, der ein positives Spannungsversorgungssignal Vs, bspw. = 12 V, bereitstellt, und einen zweiten Versorgungsausgangsanschluss 5b aufweist, der ein Referenzmassepotential GND (oder ein negatives Spannungsversorgungssignal) bereitstellt.
Eine Schaltanordnung ist mit dem Elektromotor verbunden und dazu bedienbar, eine Bewegungsrichtung des Motors zu steuern.
Insbesondere verbindet ein erstes gesteuertes Schaltelement 6, insbesondere ein Relais, in dem dargestellten Beispiel des elektromagnetischen Typs, den ersten Versorgungseingangsanschluss 2a des Elektromotors 2 mit der Spannungsversorgungseinheit 5. Das erste gesteuerte Schaltelement 6 empfängt an seinem Eingang ein erstes Steuersignal R1, bspw. zwischen einem ersten und einem zweiten Steuereingangsanschluss 6a, 6b; das erste Steuersignal R1 ist bspw. als eine Funktion einer Benutzerbetätigung bzw. Benutzerauslösung an einem ersten Schaltelement 7 (bspw. in der Form eines Druckknopfes, eines Hebels oder eines ähnlichen betätigbaren Elements) bereitgestellt.
Ein zweites gesteuertes Schaltelement 8, insbesondere ein Relais, in dem dargestellten Beispiel des elektromagnetischen Typs, verbindet den zweiten Versorgungseingangsanschluss 2b des Elektromotors 2 mit der Spannungsversorgungseinheit 5. Das zweite gesteuerte Schaltelement 8 empfängt an seinem Eingang ein zweites Steuersignal R2, bspw. zwischen einem ersten und einem zweiten Steuereingangsanschluss 8a, 8b; das zweite Steuersignal R2 ist bspw. als eine Funktion einer Benutzerbetätigung an einem zweiten Schaltelement 9, alternativ zu einer Betätigung des ersten Schalters 7, bereitgestellt.
In einer alternativen Lösung können sowohl das erste als auch das zweite Steuersignal R2 das Ergebnis der Betätigung eines gleichen Schalters, bspw. in unterschiedliche Richtungen, sein.
Die ersten und zweiten Steuersignale R1, R2 können stattdessen auch von einer externen Steuereinheit (hier nicht dargestellt, bspw. eine Hauptsteuereinheit eines Fahrzeugs, in dem das System verwendet wird) bereitgestellt werden, bspw. als eine Funktion einer Benutzerbetätigung an ersten und zweiten Steuerschaltelementen 6, 8.
Darüber hinaus kann die Aktivierung der gesteuerten Schaltelemente 6, 8 auch unabhängig von einer Benutzerbetätigung der entsprechenden Schalter 7, 9 auftreten, bspw. im Falle eines Fensterhebers, der eine Anti-Einklemm-Funktion aufweist, kann eine Steuereinheit aktiv aufhören, Energie an den Elektromotor 2 in einer angeforderten Richtung bereitzustellen und ggf. Energie in der entgegengesetzten Richtung bereitstellen, wenn ein Hindernis oder eine Sperre von einem Anti-Einklemm-System in dem Pfad des Fensters in der gegebenen Richtung (in an sich bekannter und hier nicht im Detail besprochener Art und Weise) gefühlt wird.
Wenn das erste gesteuerte Schaltelement 6 geschaltet oder aktiviert ist (und das zweite gesteuerte Schaltelement 8 nicht geschaltet oder deaktiviert ist), verbindet das erste gesteuerte Schaltelement 6 den ersten Versorgungseingangsanschluss 2a mit dem ersten Versorgungsausgangsanschluss 5a und versorgt diesen mit dem positiven Versorgungssignal Vs, und das zweite gesteuerte Schaltelement 8 verbindet den zweiten Versorgungseingangsanschluss 2b mit dem zweiten Versorgungsausgangsanschluss 5b an das Referenzmassepotential GND.
Wenn das erste Steuerschaltelement 6 nicht geschaltet ist (und das zweite gesteuerte Schaltelement 8 geschaltet ist), verbindet das erste gesteuerte Schaltelement 6 entsprechend den ersten Spannungsversorgungsanschluss 2a mit dem Referenzmassepotential GND, und das zweite gesteuerte Schaltelement 8 verbindet den zweiten Spannungsversorgungsanschluss 2b mit dem ersten Ausgangsanschluss 5a und versorgt diesen mit dem positiven Versorgungssignal Vs.
Wird ein Motor-Stopp-Befehl über die Schalter 7, 9 oder durch die Steuereinheit ausgegeben, werden die Versorgungseingangsanschlüsse 2a, 2b des Elektromotors 2 durch Deaktivierung beider gesteuerter Schaltelemente 6, 8 elektrisch kurzgeschlossen, wodurch der Elektromotor 2 gebremst wird.
Die Schaltungsanordnung mit dem ersten und dem zweiten gesteuerten Schaltelement 6, 8 gestattet daher eine Umkehrung der Polarität des an den Elektromotor 2 angelegten Spannungsversorgungssignals und das Stoppen des Elektromotors 2. Darüber hinaus ist ein Einsatz dieser Schaltungsanordnung eine Anzeige für die Bewegungsrichtung des Elektromotors 2.
Genauer hat das erste gesteuerte Schaltelement 6 in dem Ausführungsbeispiel der 1 einen ersten und einen zweiten Seitenanschluss 6c, 6d, die jeweils mit dem ersten und dem zweiten Versorgungsausgansanschluss 5a, 5b verbunden sind, sowie einen mit dem ersten Versorgungseingangsanschluss 2a verbundenen Mittenanschluss 6e. Der Mittenanschluss 6e ist normalerweise mit dem zweiten Seitenanschluss 6d elektrisch kurzgeschlossen, wodurch der Pfad zwischen dem ersten Versorgungsausgangsanschluss 5a und dem ersten Versorgungseingangsanschluss 2a kurzgeschlossen wird. Wenn das erste gesteuerte Schaltelement 6 betätigt wird, schaltet der Mittenanschluss 6e (bspw. aufgrund elektromagnetischer Anziehung, wie in der gleichen 1 schematisch dargestellt) auf den ersten Seitenanschluss 6c, wodurch der Pfad zwischen dem ersten Versorgungsausgangsanschluss 5a und dem ersten Versorgungseingangsanschluss 2a kurzgeschlossen wird.
Ebenso hat das zweite gesteuerte Schaltelement 8 einen ersten und einen zweiten Seitenanschluss 8c, 8d, die jeweils mit dem ersten und dem zweiten Versorgungsausgangsanschluss 5a, 5b verbunden sind, sowie einen mit dem zweiten Versorgungseingangsanschluss 2b verbundenen Mittenanschluss 8e. Der Mittenanschluss 8e ist normalerweise mit dem zweiten Seitenanschluss 8d kurzgeschlossen, wodurch der Pfad zwischen dem zweiten Versorgungsausgangsanschluss 5b und dem zweiten Versorgungseingangsanschluss 2b kurzgeschlossen wird. Wenn das zweite gesteuerte Schaltelement 8 betätigt wird, schaltet der Mittenanschluss 8b (bspw. aufgrund elektromagnetischer Anziehung) auf den ersten Seitenanschluss 8c, wodurch der Pfad zwischen dem ersten Versorgungsausgangsanschluss 5a und dem zweiten Versorgungseingangsanschluss 2b kurzgeschlossen wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Lösung umfasst das Positionsbestimmungssystem 1 eine mit dem Elektromotor 2 verbundene einzelne Positionssensoreinheit 10, um dessen Rotationsbetrag inkrementell zu detektieren.
Insbesondere umfasst die Positionssensoreinheit 10 einen Inkremental-Positionssensor 11; in einer möglichen Ausführungsform umfasst die Positionssensoreinheit einen mit einem festgelegten Statorkörper des Elektromotors 2 verbundenen und mit einem um die Welle 3 des gleichen Elektromotors 2 angebrachten Magnetring 12 kooperierenden magnetischen Hall-Sensor. Der Positionssensor 11 bestimmt eine inkrementelle Änderung der Position des Elektromotors 2 gegenüber einer vorangegangenen Position, wobei die inkrementelle Änderung positiv oder negativ ist, je nach Bewegungsrichtung des Elektromotors 2.
Wie in 2 dargestellt umfasst der Magnetring 12 eine Anzahl von Polabschnitten 12' mit alternierenden Polaritäten (N, S); in dem dargestellten Beispiel sind zwei Paare von radialen Polabschnitten 12' dargestellt.
Während der Drehung der Welle 3 gibt der Positionssensor 11 ein Messsignal S aus (1), das eine Anzahl von rechteckigen Pulsen umfasst, wie in 3 dargestellt. Jede aufsteigende oder fallende Kante der Pulse des Messsignals S entspricht einem Übergang zwischen entgegengesetzten Polabschnitten 12' des Magnetrings 12 und entspricht dadurch einer Elementardrehung des Elektromotors 2 (der wiederum eine entsprechende Positionsänderung des von dem gleichen Elektromotor 2 angetriebenen beweglichen Teils 20 entspricht).
Das Positionsbestimmungssystem 1 umfasst des weiteren eine Steuereinheit 14 (in 1 dargestellt), die dazu ausgebildet ist, die Position des beweglichen Teils 20 basierend auf der mit dem Messsignal S verbundenen inkrementellen Positionsinformation und auch basierend auf dem Status des ersten und des zweiten gesteuerten Schaltelements 6, 8 (und des zugehörigen ersten und zweiten Steuersignals R1, R2) zu bestimmen, wobei letzteres eine Drehrichtung des Elektromotors 2 angibt.
Im Detail und wie in 4 dargestellt umfasst die Steuereinheit 14: eine Verarbeitungsstufe 15, bspw. mit einem Mikroprozessor, einem Mikrocontroller, einem FPGA (Field Programmable Gate Array; anwenderprogrammierbare Gatteranordnung) oder ähnlichen Verarbeitungseinheiten; einen mit der Verarbeitungsstufe 15 verbundenen Speicher 16, bspw. ein nichtflüchtiger RAM-Speicher; eine erste Schnittstelle 17 (die von der Verarbeitungsstufe 15 unterschiedlich oder in diese integriert sein kann), die mit der Verarbeitungsstufe 15 und der Positionssensoreinheit 10 verbunden ist und dazu konfiguriert ist, das Messsignal S zu erfassen; eine zweite Schnittstelle 18 (die von der Verarbeitungsstufe 15 unterschiedlich oder in diese integriert sein kann), die mit der Verarbeitungsstufe 15 verbunden ist und dazu konfiguriert ist, Statusinformationen über die Aktivierung des ersten und des zweiten gesteuerten Schaltelements 6, 8 zu erfassen; und eine Ausgabeschnittstelle 19, die mit der Verarbeitungsstufe 15 und einem externen Verarbeitungsgerät (nicht dargestellt, bspw. eine Steuereinheit des Fahrzeugs, in dem das Positionsbestimmungssystem 1 verwendet wird) verbunden ist.
In einer wie in 1 gezeigten möglichen Ausführungsform ist die Steuereinheit 14 (insbesondere deren zweite Schnittstelle 18) elektrisch mit dem ersten und dem zweiten Versorgungseingangsanschluss 2a, 2b des Elektromotors 2 verbunden und ist dazu konfiguriert, die Statusinformationen über die Aktivierung des ersten und des zweiten gesteuerten Schaltelements 6, 8 basierend auf einer an den gleichen Versorgungseingangsanschlüssen 2a, 2b vorhandenen Spannung zu bestimmen. Es ist jedoch klar, dass andere Lösungen vorgesehen werden können: bspw. kann die zweite Schnittstelle 18 mit den Steuereingangsanschlüssen 6a, 6b und 8a, 8b der gesteuerten Schaltelemente 6, 8 (oder mit Steuerausgängen der Steuersignale R1, R2 generierenden externen Steuereinheit) verbunden sein, um das erste und das zweite Steuersignal R1, R2 oder damit verbundene Informationen (in jedem Fall bezeichnend für die Drehrichtung des Elektromotors 2) zu erfassen.
Insbesondere entspricht die Aktivierung des ersten gesteuerten Schalters 6 einer ersten Bewegungsrichtung für das bewegliche Teil 20 (bspw. einer Anhebbewegung oder AUF-Bewegung eines Fensters im Falle eines Fensterhebers), während eine Aktivierung des zweiten gesteuerten Schalters 8 einer zweiten Bewegungsrichtung des gleichen beweglichen Teils 20 (bspw. einer Senkbewegung oder AB-Bewegung des Fensters im Falle des Fensterhebers) entspricht.
Während des Betriebs erfasst die Verarbeitungsstufe 15 der Steuereinheit 14 das Messsignal S von dem Positionssensor 11 und ist dazu konfiguriert, dieses Messsignal S zu verarbeiten, um die ansteigenden und/oder fallenden Kanten deren Pulse zu detektieren.
Die Verarbeitungsstufe 15 erzeugt für jede detektierte ansteigende und/oder fallende Kante, wie in 5 schematisch dargestellt, die einem Übergang zwischen entgegengesetzten Polabschnitten 12' des Magnetrings 12 der Positionssensoreinheit 10 entspricht, eine entsprechende Aufzeichnung oder Datenstruktur, die in der gleichen 5 mit 22 bezeichnet ist.
Die Datenstruktur 22 umfasst: ein erstes Feld 22a, in dem die digitale Stufe (hoch oder niedrig) des Messsignals S (resultierend aus dem Übergang) aufgezeichnet wird; ein zweites Feld 22b, in dem die seit einer vorangegangenen detektierten Kante verstrichene Zeit (sogenannte Periode oder Semiperiode) aufgezeichnet wird, was eine Angabe für eine Pulsdauer und somit eine Drehgeschwindigkeit des Elektromotors 2 (und entsprechend eine Bewegungsgeschwindigkeit des beweglichen Teils 20) darstellt; ein drittes Feld 22c, in dem der Status der gesteuerten Schaltelemente 6, 8 aufgezeichnet wird, bspw. in der Form einer digitalen Information ('0' stellt einen deaktivierten Zustand und '1' stellt einen aktivierten Zustand dar); und ein viertes Feld 22d, in dem eine Information zu Überziehverhalten (stall condition) gespeichert ist.
Insbesondere stellt in an sich bekannter Art und Weise ein Überziehverhalten (oder mechanisches Blockierverhalten) des Elektromotors eine Bedingung dar, in der dieser Elektromotor 2 keinen Drehantrieb erzeugt, obwohl er aufgrund der Aktivierung der gesteuerten Schaltelemente 6, 8 mit Energie beaufschlagt ist.
Die Verarbeitungsstufe 15 der Steuereinheit 14 kann dazu konfiguriert sein, das Auftreten eines Überziehverhaltens zu detektieren, wenn während einer gegebenen Zeitspanne, bspw. in dem Bereich von 0,1 bis 1 s, während der zumindest eines der gesteuerten Schaltelemente 6, 8 aktiviert ist, keine Pulse von dem Positionssensor 11 empfangen werden.
Eine spezifische Aufgabe wird daher von der Verarbeitungsstufe 15 ausgeführt, um basierend auf den Statusinformationen über Aktivierung der gesteuerten Schaltelemente 6, 8 und den von dem Positionssensor 11 bereitgestellten Positionsinformationen ein Auftreten des Überziehverhaltens des Elektromotors 2 zu detektieren.
Die Datenstrukturen 22 werden in dem Speicher 16, bspw. in der Form eines Zwischenspeichers, gespeichert, und die Verarbeitungsstufe 15 ist dazu konfiguriert, eine Verarbeitungsaufgabe mit einer gegebenen Verarbeitungsfrequenz, bspw. alle 2 ms, auszuführen, um die Position des von dem Elektromotor 2 angetriebenen beweglichen Teils 20 zu verfolgen.
Das Verarbeiten der Datenstrukturen 22 basiert auf einem Verarbeitungsalgorithmus, der nun unter Bezugnahme auf 6 besprochen wird.
Im allgemeinen sieht dieser Algorithmus das Inkrementieren einer Positionszählung (entsprechend den Pulsen des Messsignals S) in der Richtung des aktivierten gesteuerten Schaltelements 6, 8 vor.
Die Position des beweglichen Teils 20 wird direkt mit der Positionszählung korreliert, und somit wird die Position des beweglichen Teils 20 zu jeder gegebenen Zeit aus der gleichen Positionszählung bestimmt.
Solange das gesteuerte Schaltelement 6, 8 in der gleichen Richtung aktiv ist, wird die Positionszählung mit Bezug auf einen vorangegangenen Wert je nach der Motoraktivierungsrichtung weiter inkrementiert (erhöht) bzw. dekrementiert (verringert).
Zudem wird jedes Mal eine Letzte-Richtung-Variable (d. h. eine Stelle in dem Speicher 16) auf die Drehrichtung des Elektromotors 2 aktualisiert (entsprechend dem aktivierten gesteuerten Schaltelement 6, 8).
Wie zuvor bereits besprochen, ist es selbst bei nicht bestromtem Elektromotor 2 möglich, dass sich das bewegliche Teil 20 bewegt, indem es seine Bewegung nach dem Anhalten dieses Elektromotors 2 in der gleichen Richtung (im Falle eines normalen oder elektrischen Anhaltens) oder in der entgegengesetzten Richtung der letzten Motoraktivierung (im Falle eines Überziehens oder mechanischen Blockierens) fortsetzt.
Gemäß dem Algorithmus werden deshalb bei einem Anhalten der Bewegung des Elektromotors 2 die Pulse des Messsignals S in der gleichen Richtung der vorangegangenen Motorbewegung gezählt, wenn der Elektromotor 2 nicht aufgrund eines Überziehverhaltens gestoppt wurde (es wird ja angenommen, dass das bewegliche Teil 20 aufgrund seines Schwungs bzw. Impulses seine Bewegung fortsetzt).
Wenn der Motor bei einem Überziehverhalten angehalten wird, werden die Pulse des Messsignals S nach dem Anhalten des Motors stattdessen in der entgegengesetzten Richtung mit Bezug auf die letzte Motoraktivierung gezählt (es wird ja angenommen, dass aufgrund des Überziehverhaltens eine Umkehrung der Rotationsrichtung des Elektromotors 2 auftritt).
In jedem Falle kann die letzte Bewegungsrichtung basierend auf dem Inhalt der Letzte-Richtung-Variable bestimmt werden, und die Positionszählung wird entsprechend in dieser Richtung inkrementiert.
Zudem berücksichtigt der Algorithmus beim Bestimmen der Positionszählung ordnungsgemäß auch die Aktivierung einer Anti-Einklemm-Funktion, die eine Umkehr der Bewegung des beweglichen Teils 20 bewirkt, wenn ein Hindernis in dessen Bewegungspfad detektiert wird.
Genauer und unter spezifischer Bezugnahme auf die 6 sieht die von der Verarbeitungsstufe 15 der Steuereinheit 14 ausgeführte Verarbeitungsaufgabe an jeder Datenstruktur 22 vor, in einem ersten Block 30 zu bestimmen, ob das erste gesteuerte Schaltelement 6 (Relais 1) aktiviert ist und das zweite gesteuerte Schaltelement 8 (Relais 2) nicht aktiviert ist.
Ist dies der Fall, wird eine Bewegungsrichtung des beweglichen Teils 20 als eine erste Bewegungsrichtung (bspw. entsprechend einer AUF-Richtung) bestimmt und die Letzte-Richtung-Variable wird in Block 31 auf die erste Bewegungsrichtung aktualisiert.
Darüber hinaus wird in Block 32 die Positionszählung inkrementiert und die Aufgabenverarbeitung endet.
Wenn in Block 30 festgestellt wird, dass das erste gesteuerte Schaltelement 6 nicht aktiviert ist, geht der Algorithmus zu Block 33 über, wo eine Feststellung getroffen wird, ob das zweite gesteuerte Schaltelement 8 aktiviert ist.
Ist dies der Fall, wird die Bewegungsrichtung des beweglichen Teils 20 als eine zweite Bewegungsrichtung (bspw. entsprechend einer AB-Bewegung) festgestellt, und die Letzte-Richtung-Variable wird in Block 34 auf die zweite Bewegungsrichtung aktualisiert.
Der Algorithmus geht dann zu Block 35 über, wo geprüft wird, ob ein Einklemmen bzw. Quetschen (oder allgemein ein Hindernis) aufgetreten ist und detektiert wurde; in an sich bekannter Weise kann ein Einklemmverhalten von der Steuereinheit 14 basierend auf einem durch den Elektromotor 2 aus der Spannungsversorgung übermäßig gezogenen Strom (Überziehen) oder durch einen geeigneten Kraftsensor oder andere Arten von mit dem beweglichen Teil 20 verbundenen Sensoren bestimmt werden, und stellt eine Umkehr der Bewegung des beweglichen Teils 20 (aus einer AUF- in eine AB-Richtung fest).
Wird kein Einklemmen (Pinch) detektiert, dann wird die Positionszählung in Block 36 dekrementiert und die Aufgabenverarbeitung endet.
Wird stattdessen in Block 35 ein Einklemmverhalten detektiert, so geht der Algorithmus zu Block 37 über, wo geprüft wird, ob der Periodenwert für die augenblickliche Datenstruktur 20 (gespeichert in deren zweiten Feld 22b) nicht niedriger ist als der Periodenwert einer letzten analysierten Datenstruktur 22 (die bequemerweise in dem Speicher 16 gespeichert sein kann).
Aufgrund des detektierten Hindernisses wird tatsächlich eine Umkehr der Bewegung des Elektromotors 2 gesteuert, die eine Verlängerung des detektierten Pulses bewirkt (aufgrund des Detektierens einer ersten Bewegung mit einem Vorwärts-Inkrement-Betrag, gefolgt von einer zweiten Bewegung mit einem Rückwärts-Inkrement-Betrag).
Ist dies der Fall, so wird die Bewegung des beweglichen Teils 20 daher dennoch als in der ersten Richtung festgestellt (obwohl der elektrische Befehl erteilt wurde, hat der Elektromotor 2 noch nicht seine Richtung geändert), und der Algorithmus geht zu Schritt 32 zurück, wo die Positionszählung inkrementiert wird; dann endet die aktuelle Aufgabenverarbeitung.
Wird der Periodenwert der aktuellen Datenstruktur 22 stattdessen bei Block 37 niedriger als der Periodenwert einer letzten Datenstruktur bestimmt, dann wird festgestellt, dass das bewegliche Teil 20 tatsächlich seine Bewegung umgekehrt hat, und daher wird die Positionszählung bei Block 38 zweimal dekrementiert, um auch dem während des vorausgegangenen Pulses (demjenigen mit einer längeren Dauer) aufgetretenen Betrag der umgekehrten Bewegung Rechnung zu tragen.
Der Einklemmvorgang wird daher als in Betracht gezogen angesehen, und die weiteren Schritte des Algorithmus werden diesen Einklemmvorgang dann als aufgelöst berücksichtigen (bspw. wird ein in dem Speicher 16 gespeicherter Einklemm-Merker (Flag), der zuvor bei der Detektion des Hindernisses aktiviert wurde, deaktiviert).
Wieder zurück zu Block 33: falls festgestellt wird, dass sowohl das erste als auch das zweite gesteuerte Schaltelement 6, 8 nicht aktiviert sind, fährt der Algorithmus bei Block 40 fort, wo geprüft wird, ob ein Überziehverhalten eingetreten ist und detektiert wurde (es kann wiederum ein Stall-Flag vorgesehen sein, das ein Überziehverhalten anzeigt).
Ist in Block 41 kein Überziehverhalten eingetreten, so wird ein normales Stopp- bzw. Anhalteverhalten für den Elektromotor festgestellt, und die letzte in der Letzte-Richtung-Variablen gespeicherte Richtung wird dann geprüft.
Falls die letzte Richtung der ersten Bewegungsrichtung entspricht, wird bei Block 42 die Positionszählung inkrementiert, und die Aufgabenverarbeitung endet.
Falls die letzte Richtung stattdessen der zweiten Bewegungsrichtung entspricht, wird bei Block 43 die Positionszählung dekrementiert, und die Aufgabenverarbeitung endet (in jedem Falle wird bei einem normalen Anhalten die Positionszählung in einer mit der Bewegungsrichtung konformen Weise variiert).
Wenn bei Block 40 stattdessen festgestellt wird, dass das Überziehverhalten eingetreten ist, fährt der Algorithmus bei Block 45 fort, wo die letzte Bewegungsrichtung (als das Überziehen eintrat) geprüft wird.
Falls die letzte Richtung der ersten Bewegungsrichtung entspricht, wird die Positionszählung bei Block 46 dekrementiert und die Aufgabenverarbeitung endet.
Falls stattdessen die letzte Richtung der zweiten Bewegungsrichtung entspricht, dann wird die Positionszählung bei Block 47 inkrementiert und die Aufgabenverarbeitung endet wieder (in jedem Falle wird bei Eintreten des Überziehverhaltens die Positionszählung in einer der Bewegungsrichtung entgegengesetzten Weise variiert).
Wie zuvor besprochen kann die vorliegende Lösung vorteilhafte Anwendungen innerhalb eines Fahrzeugs, bspw. in einem dessen Fensterheber, finden.
Diesbezüglich zeigt 7 einen Fensterheber 50, der dazu bedienbar ist, eine Schiebescheibe oder ein Schiebefenster 51 in Bezug auf einen mit einer Fahrzeugtür 53 verbundenen Trägerrahmen 52 anzutreiben zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung.
Der Fensterheber 50 umfasst einen Elektromotor, der wiederum mit 2 bezeichnet ist, und einen Steuerschaltkreis 54, der elektrisch mit dem Elektromotor 2 verbunden ist, und weist geeignete Hardware und/oder Software auf, um den Betrieb dieses Elektromotors 2 zu steuern; insbesondere umfasst der Steuerschaltkreis 54 das Positionsbestimmungssystem 1 zum Bestimmen der Position des Fensters 51 (und insbesondere die zugehörige Steuereinheit 14).
Der Fensterheber 50 umfasst des weiteren eine mechanische Kopplungsanordnung 55 (schematisch dargestellt) mit bspw. rotierenden Abtriebswellen, Rädergetrieben und/oder Untersetzungsgetrieben zum Verbinden des Elektromotors 2 mit dem Fenster 51, um so dessen Bewegung in Bezug auf den Trägerrahmen 52 zu bewirken.
8 zeigt ein Fahrzeug 60, an dem der Fensterheber (hier nicht dargestellt) montiert werden kann, bspw. um eine Betätigung des Fensters 51 der Tür 53 zu steuern.
Die Vorteile der besprochenen Lösung sind aus der vorangegangenen Beschreibung heraus klar.
Insbesondere wird unterstrichen, dass diese Lösung gestattet, die Position eines von einem Elektromotor 2 angetriebenen beweglichen Teils 20 zuverlässig zu verfolgen und zu bestimmen und dabei kritische Betriebsbedingungen (wie eine Umkehr der Bewegungsrichtung (bspw. aufgrund einer Anti-Einklemm-Funktion), elektrisches und/oder mechanisches Blockieren des Elektromotors, insbesondere ein Überziehen) zu bewältigen.
Zudem sieht das besprochene System 1 nur wenige Komponenten vor, insbesondere einen einzigen Inkremental-Positionssensor 10 (bspw. ein Hall-Sensor).
An existierenden Geräten müssen daher keine nennenswerten Änderungen vorgenommen werden, bspw. an einem Fensterheber, in dem das Positionsbestimmungssystem 1 verwendet werden kann, selbst im Falle von Nachrüst- oder Aufrüstvorgängen. Tatsächlich verwendet das Positionsbestimmungssystem 1 hauptsächlich Komponenten (wie die gesteuerten Schaltelemente 6, 8), die in derartigen Geräten bereits vorhanden sind.
Offensichtlich können Änderungen an dem, was voranstehend beschrieben und dargestellt wurde, vorgenommen werden, ohne jedoch von dem Umfang der vorliegenden Erfindung, wie sie in den begleitenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.
Insbesondere wird unterstrichen, dass andere Typen von Positionssensoren verwendet werden können, um die Drehung des Elektromotors 2 zu messen, andere als magnetische Hall-Sensoren, wie bspw. ein optischer Sensor, ein induktiver oder ein kapazitiver Sensor, ein Kontaktpositionssensor.
Darüber hinaus können andere Typen von gesteuerten Schaltelementen, andere als Relais, verwendet werden, um den Betrieb des Elektromotors 2 zu steuern, und andere geeignete Mittel können verwendet werden, um die Drehrichtung dieses Elektromotors 2 zu detektieren; bspw. können andere Schalt-Halbleitertransistorgeräte, wie gesteuerte MOSFET- oder BJT-Schalter, in der mit dem Elektromotor 2 verbundenen Schaltanordnung verwendet werden.
Es ist außerdem klar, dass das diskutierte System und das diskutierte Verfahren in vorteilhafter Weise mit anderen kraftbetätigten Fahrzeugaktoren in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, in anderen als dem als bevorzugtes Ausführungsbeispiel besprochenen Fensterheber; bspw. kann die Lösung für einen Kofferraum, eine Schiebetür oder ein Schiebedach des Fahrzeugs verwendet werden.

Claims

System (1) zum Bestimmen der Position eines von einem Elektromotor (2) angetriebenen beweglichen Teils (20), mit einem mit dem Elektromotor (2) verbundenen einzelnen Positionssensor (10), der dazu konfiguriert ist, einen inkrementellen Bewegungsbetrag des Motors zu detektieren, einer Richtungsschaltungsanordnung (6, 8), die dazu konfiguriert ist, eine aktuelle Bewegungsrichtung des Elektromotors (2) zu steuern, und eine mit dem einzelnen Positionssensor (10) und der Richtungsschaltungsanordnung (6, 8) verbundenen Steuereinheit (14), die dazu konfiguriert ist, bei jedem von dem einzelnen Positionssensor (10) detektierten inkrementellen Bewegungsbetrag eine aktuelle Position des beweglichen Teils (20) basierend auf dessen vorangegangener Position und der von der Richtungsschaltungsanordnung (6, 8) gesteuerten aktuellen Bewegungsrichtung zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, bei dem die Richtungsschaltungsanordnung (6, 8) ein erstes gesteuertes Schaltelement (6) aufweist, das, wenn es aktiviert ist, den Elektromotor (2) mit einer Stromversorgungseinheit (5) verbindet, so dass der Elektromotor (2) eine erste Bewegungsrichtung hat, und ein zweites gesteuertes Schaltelement (8), das, wenn es aktiviert ist, den Elektromotor (2) mit der Stromversorgungseinheit (5) so verbindet, das der Elektromotor (2) eine der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzte zweite Bewegungsrichtung hat, wobei die Steuereinheit (14) dazu konfiguriert ist, die aktuelle Bewegungsrichtung des Elektromotors (2) basierend auf der Aktivierung des ersten (6) und/oder des zweiten (8) gesteuerten Schaltelements festzustellen.
System nach Anspruch 1, bei dem das erste (6) und das zweite (8) gesteuerte Schaltelement ein jeweiliges Relais-Element enthalten.
System nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Elektromotor (2) einen ersten Versorgungseingangsanschluss (2a) und einen zweiten Versorgungseingangsanschluss (2b) aufweist, zwischen denen zum Betrieb des Elektromotors (2) ein Spannungsversorgungssignal (Vs) angelegt ist, und wobei das erste (6) und das zweite (8) gesteuerte Schaltelement dazu betätigt werden können, die Polarität des Spannungsversorgungssignals (Vs) umzukehren, um ein Schalten zwischen der ersten und der zweiten Bewegungsrichtung zu bewirken, und des weiteren dazu betätigt werden können, ein Anhalten des Elektromotors (2) zu bewirken.
System nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der Positionssensor (10) dazu konfiguriert, ein eine Anzahl von Pulsen aufweisendes Messsignal (S) bereitzustellen, wobei jeder Puls eine jeweilige Dauer hat und einen detektierten inkrementellen Bewegungsbetrag wiedergibt.
System nach Anspruch 5, bei dem der Positionssensor einen magnetischen Hall-Sensor (11) aufweist, der mit einem magnetischen Ring (12) in Wirkverbindung ist, der um eine mit dem Elektromotor (2) verbundene Welle (3) angeordnet ist.
System nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Steuereinheit (14) dazu konfiguriert ist, eine aktuelle Position des beweglichen Teils (20) basierend auf einem oder mehreren Aspekten der folgenden Aufzählung zu bestimmen: die aktuelle und eine vorangegangene von der Richtungsschaltungsanordnung (6, 8) gesteuerte Richtung; die Dauer der Pulse des Messsignals (S); ein Betriebsstatus der Aktivierung oder des Anhaltens des Elektromotors (2).
System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die Steuereinheit (14) bei jedem aktuellen Puls des Messsignals (S) während des Betriebs des Elektromotors (2) dazu konfiguriert ist: eine Positionszählung basierend auf der aktuellen Bewegungsrichtung als einer ersten Bewegungsrichtung bzw. einer der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung zu erhöhen oder zu vermindern und die aktuelle Bewegungsrichtung als eine letzte Bewegungsrichtung in einem Speicher (16) zu speichern, wobei die dadurch erhöhte oder verminderte Positionszählung die aktuelle Position des beweglichen Teils (20) angibt.
System nach Anspruch 8, bei dem die Steuereinheit (14) dazu konfiguriert ist: eine Blockierung der Bewegung des beweglichen Teils (20) zu detektieren und bei Auftreten der Blockierung die Dauer eines aktuellen Pulses mit einer Dauer eines vorangegangenen Pulses des Messsignals (S) zu vergleichen und die Positionszählung basierend auch auf dem Ergebnis des Vergleichs zu erhöhen oder zu vermindern.
System nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Steuereinheit (14) dazu konfiguriert ist: ein Anhalten des Elektromotors (2) zu detektieren und bei Anhalten des Elektromotors (2) die Positionszählung basierend auch auf der letzten in dem Speicher (16) gespeicherten Bewegungsrichtung zu erhöhen oder zu vermindern.
System nach Anspruch 10, bei dem die Steuereinheit (14) dazu konfiguriert ist: bei einem Anhalten des Elektromotors (2) ein normales Anhaltverhalten oder ein Überzieh- bzw. Stallverhalten zu bestimmen und im Falle eines normalen Anhaltverhaltens die Positionszählung in einer der in dem Speicher (16) gespeicherten letzten Bewegungsrichtung entsprechenden Weise zu erhöhen oder zu vermindern und im Falle eines Überziehverhaltens die Positionszählung in einer der in dem Speicher (16) gespeicherten letzten Bewegungsrichtung entgegengesetzten Weise zu erhöhen oder zu vermindern.
System nach einem voranstehenden Ansprüche, bei dem der Elektromotor (2) dazu konfiguriert ist, eine Drehbewegung zu erzeugen, und das bewegliche Teil (20) mit dem Elektromotor (2) verbunden ist, um eine entsprechende lineare Bewegung entlang einer ersten Richtung und einer entgegengesetzten zweiten Richtung zu vollziehen.
Fensterheber (50) für ein Fahrzeug (60), mit einem Elektromotor (2) und einem Positionsbestimmungssystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das bewegliche Teil (20) ein Fenster (51) einer Tür (3) des Fahrzeugs (60) ist.
Fahrzeug (60) mit dem Fensterheber (50) gemäß Anspruch 13.
Verfahren zum Bestimmen der Position eines von einem Elektromotor (2) angetriebenen beweglichen Teils (20) mit den Schritten: inkrementelles Detektieren eines Bewegungsbetrags des Elektromotors (2) durch einen damit verbundenen einzelnen Positionssensor (10), Bereitstellen einer Angabe betreffend einer aktuellen Bewegungsrichtung des Elektromotors (2) basierend auf einem Betriebsstatus einer Richtungsschaltungsanordnung (6, 8), die dazu konfiguriert ist, eine Bewegungsrichtung des Elektromotors (2) zu steuern, Bestimmen einer aktuellen Position des beweglichen Teils (20) bei jedem von dem einzelnen Positionssensor (10) detektierten inkrementellen Bewegungsbetrag basierend auf einer vorangegangenen Position des Teils und der von der Richtungssteuerungsanordnung (6, 8) gesteuerten aktuellen Bewegungsrichtung.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Positionssensor (10) dazu konfiguriert ist, ein eine Anzahl von Pulsen aufweisendes Messsignal (S) bereitzustellen, von denen ein jeder eine entsprechende Dauer hat und einem detektierten inkrementellen Bewegungswert entspricht, und bei dem das Bestimmen der aktuellen Position des beweglichen Teils (20) auf einem oder mehreren der folgenden Aspekte basiert: der aktuellen und einer vorangegangenen, von der Richtungsschaltungsanordnung (6, 8) gesteuerten Bewegungsrichtung, der Dauer der Pulse des Messsignals (S), einem Betriebsstatus der Aktivierung oder des Anhaltens des Elektromotors (2).
Verfahren nach Anspruch 16, das des weiteren bei jedem aktuellen Puls des Messsignals (S) während des Betriebs des Elektromotors (2) folgendes umfasst: Erhöhen oder Vermindern einer Positionszählung basierend auf der aktuellen Bewegungsrichtung als einer ersten Bewegungsrichtung bzw. einer der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzten zweiten Bewegungsrichtung, und Speichern der aktuellen Bewegungsrichtung als eine letzte Bewegungsrichtung in einem Speicher (16), wobei die dadurch erhöhte oder verminderte Positionszählung eine Angabe der aktuellen Position des beweglichen Teils (20) ist.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, das des weiteren das Detektieren einer Blockierung der Bewegung des beweglichen Teils (20) und bei Auftreten der Blockierung das Vergleichen einer Dauer eines aktuellen Pulses mit einer Dauer eines vorangegangenen Pulses des Messsignals und Erhöhen oder Vermindern der Positionszählung basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, das des weiteren das Detektieren des Anhaltens des Elektromotors (2) und, bei einem Anhalten des Elektromotors (2), das Erhöhen oder Vermindern der Positionszählung basierend auch auf der letzten in dem Speicher (16) gespeicherten Bewegungsrichtung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Erhöhen oder Vermindern der Positionszählung bei jedem von dem Positionssensor (10) bei einem Anhalten des Elektromotors (2) detektierten inkrementellen Bewegungswert folgendes umfasst: Bestimmen eines normalen Anhalteverhaltens oder eines Überziehverhaltens des Elektromotors (2) und im Falle eines normalen Anhalteverhaltens das Erhöhen oder Vermindern der Positionszählung in einer mit der letzten in dem Speicher (16) gespeicherten Bewegungsrichtung einhergehenden Weise und im Falle eines Überziehverhaltens das Erhöhen oder Vermindern der Positionszählung in einer der letzten in dem Speicher (16) gespeicherten Bewegungsrichtung entgegengesetzten Weise.