-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Drehwinkels bei einem Elektromotor, insbesondere bei einem Elektromotor eines Fensterhebers eines Kraftfahrzeugs, umfassend die folgenden Schritte: a) Erfassen von wenigstens einem Betriebsparameter des Elektromotors durch einen Sensor, b) Ausgeben des erfassten Signals durch den Sensor, und c) Auswertung des ausgegebenen Signals.
-
Derartige Verfahren werden beispielsweise bei elektrischen Fensterhebern in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Eine besondere Herausforderung bei elektrischen Fensterhebern liegt in der Realisierung eines Einklemmschutzes. Die Funktion des Einklemmschutzes liegt darin, die Schließbewegung des Fensters zu stoppen und/oder umzukehren, wenn die Schließkraft bzw. Klemmkraft einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Auch bei anderen fremdkraftbetätigten Einrichtungen von Kraftfahrzeugen – beispielsweise bei Schiebedächern – stellen sich vergleichbare Herausforderungen. Der Einklemmschutz von Fensterhebern und anderen vergleichbaren Einrichtungen ist Gegenstand international unterschiedlicher gesetzlicher Regelungen.
-
Der Grenzwert der zulässigen Klemmkraft des Fensters hängt von seiner Position ab: Da die Gefahr von Einklemmungen nur im Bereich bestimmter Öffnungsweiten des Fensters besteht, darf insbesondere in der fast geschlossenen Position eine bestimmte Klemmkraft nicht überschritten werden. Andererseits muss das Fenster in eine Gummidichtung einfahren, um seine Endstellung zu erreichen. Hierfür ist eine erhöhte Klemmkraft erforderlich. Aus diesem Grund erlauben die meisten gesetzlichen Vorschriften auf dem letzten Abschnitt (meist wenige Millimeter) vor der geschlossenen Endstellung eine Klemmkraft, die oberhalb des Grenzwertes liegt.
-
Um einerseits einen sicheren Einklemmschutz zu gewährleisten und andererseits ein zuverlässiges Einfahren in die geschlossene Endstellung zu gewährleisten, ist daher eine sehr präzise Erkennung der Position des Fensters erforderlich.
-
Der Antrieb des Fensters erfolgt meist durch einen Elektromotor über ein selbsthemmendes Getriebe, beispielsweise ein Schneckengetriebe, so dass die Stellung des Fensters bei stehendem oder ausgeschaltetem Motor konstant bleibt. Typischerweise erfolgt sowohl die Ermittlung der Klemmkraft als auch die Ermittlung der Position des Fensters indirekt anhand der Auswertung von Parametern des Elektromotors. Die indirekte Bestimmung der Klemmkraft erfolgt insbesondere aufgrund der hohen Kosten einer direkten Bestimmung durch Kraftsensoren oder Drehmomentsensoren. Beispielsweise kann die Stromstärke des Elektromotors Rückschlüsse auf die Klemmkraft liefern. Zudem kann die Drehwinkelstellung des Elektromotors Rückschlüsse auf die Position des Fensters liefern.
-
Ein elektromotorischer Antrieb für den Fensterheber eines Kraftfahrzeugs ist beispielsweise aus der
EP 0 359 853 B1 bekannt. Der dort beschriebene Antrieb weist einen Einklemmschutz auf. Hierzu werden die Drehzahl und die Drehrichtung des Elektromotors durch Hall-Sensoren erfasst. Die durch die Hall-Sensoren erfassten Daten werden durch Anschlussleitungen aus dem Gehäuse des Antriebs herausgeleitet. Über die Arbeitsweise der Sensoren und die Auswertung der Daten enthält die
EP 0 359 853 B1 jedoch keine Informationen.
-
Aus der
EP 0 714 052 B2 und der
EP 0 865 137 B1 sind Verfahren zur Überwachung bzw. Steuerung des Schließvorgangs von Fenstern und Schiebedächern bekannt. Bei diesen Verfahren wird die Klemmkraft aus dem Betriebszustand des Motors unter Berücksichtigung aller Motorparameter abgeleitet. Bei den eingesetzten Sensoren handelt es sich um digitale Sensoren, die die Motorparameter in äquidistanten Zeitschritten abtasten. Auch diese Dokumente enthalten jedoch keine Angaben über die Auswertung der von den Sensoren erfassten Daten.
-
Bei bekannten Systemen wie den vorgenannten Systemen werden aus Kostengründen meist zweikanalige digitale Sensorsysteme (z. B. Hall-Schalter bzw. Hall-Switches) eingesetzt, deren Signale phasenverschoben sind. Bei Hall-Schaltern wird die magnetische Feldstärke im Elektromotor gemessen und mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen. Sobald dieser Wert überschritten wird (Schaltpunkt), ändert sich der Schaltzustand am Ausgang des Sensors. Hall-Schalter können nur zwei unterschiedliche Schaltzustände ausgeben (1 Bit). Der Phasenversatz zwischen beiden Sensoren wird dadurch erreicht, dass beide Sensoren winkelversetzt angeordnet sind (
EP 0 359 853 B1 ). Bei einer Drehung der Ankerwelle entstehen zwei phasenverschobene Signale, die in einer Elektronikeinheit ausgewertet werden und die Grundlage für die Drehrichtungserkennung bilden. Da sich je nach Drehrichtung unterschiedliche Signalmuster bilden, kann die Drehrichtung zuverlässig bestimmt werden.
-
Die Verwendung von Sensoren, die digitale Signale ausgeben, hat unterschiedliche Nachteile. Ein Nachteil liegt darin, dass bei der Umwandlung von ursprünglich analogen Signalen in digitale Signale zwangsläufig Fehler entstehen (z. B. Quantisierungsfehler). Dies liegt daran, dass bei der Umwandlung ein zeitkontinuierliches Signal in ein zeitdiskretes Signal überführt werden muss („Abtastung”). Zudem muss bei der Umwandlung ein wertkontinuierliches Signal in ein wertdiskretes Signal überführt werden. Dies liegt daran, dass ein digitales Signal – im Gegensatz zu einem analogen Signal – nur bestimmte, gestufte Werte einnehmen kann (Quantisierungsstufen). Die Quantisierung, also die Verwendung diskreter Werte, ist daher mit einer Rundung verbunden, die einen Fehler verursacht.
-
Besonders nachteilig sind digitale Sensoren, die Signale mit einem Wertebereich ausgeben, der lediglich zwei Werte bzw. Zustände umfasst, wie dies bei Hall-Schaltern der Fall ist. Ein Nachteil liegt darin, dass durch den ausgegebenen Wert lediglich ein bestimmtes Ereignis (z. B. das Durchlaufen einer bestimmten Drehstellung) angezeigt werden kann; die Drehrichtung kann jedoch mit einem einzelnen Sensor nicht erfasst werden. Zur Bestimmung der Drehrichtung werden daher wenigstens zwei winkelversetzte Hall-Schalter eingesetzt. In bestimmten Betriebszuständen (z. B. Blockieren, Reversieren, unmittelbar nach dem Einschalten) ist jedoch auch bei dem Einsatz mehrerer winkelversetzter Hall-Schalter nicht immer eine genaue Bestimmung der Drehstellung möglich.
-
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte und zuvor beschriebene Verfahren derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine zuverlässige Bestimmung des Drehwinkels auch in schwierigen Betriebszuständen möglich ist.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass in Schritt b) von dem Sensor ein analoges Signal ausgegeben wird.
-
Das Verfahren dient der Bestimmung des Drehwinkels bei einem Elektromotor. Bei dem Elektromotor kann es sich beispielsweise um den Elektromotor eines Fensterhebers oder eines Schiebedaches eines Kraftfahrzeugs handeln. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: a) Erfassen von wenigstens einem Betriebsparameter des Elektromotors durch einen Sensor, b) Ausgeben des erfassten Signals durch den Sensor, und c) Auswertung des ausgegebenen Signals. In Schritt a) kann beispielsweise das Magnetfeld des Elektromotors erfasst werden.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in Schritt b) von dem Sensor ein analoges Signal ausgegeben wird. Unter dem ausgegebenen Signal wird das Signal verstanden, welches am Ausgang des Sensors abgreifbar ist. Dies kann das ursprünglich erfasste Signal sein oder – bei integrierten Sensoren – ein bereits verändertes, beispielsweise verstärktes Signal. Das von dem Sensor ausgegebene Signal muss daher nicht zwingend dem von dem Sensor gemessenen Signal entsprechen. Indem der Sensor erfindungsgemäß ein analoges Signal ausgibt, werden mehr Informationen für die Auswertung bereitgestellt als dies bei einem digitalen Signal der Fall wäre. Dies liegt an den bereits eingangs beschriebenen Verlusten bei der Umwandlung von analogen Signalen in digitale Signale. Insbesondere im Vergleich zu einem digitalen Signal mit lediglich zwei Zuständen, beispielsweise einem Signal von Hall-Schaltern, weist ein analoges Signal aufgrund seiner kontinuierlichen Charakteristik deutlich mehr Informationen auf, die für die Auswertung genutzt werden können.
-
Nach einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in Schritt b) von dem Sensor ein zeitkontinuierliches und wertkontinuierliches Signal ausgegeben wird. Zeitkontinuierliche Signale haben den Vorteil, dass auch besonders schnelle Änderungen der erfassten Parameter besonders fein aufgelöst werden können. Wertkontinuierliche Signale haben den Vorteil, dass auch geringfügige Änderungen der erfassten Parameter erfasst werden können. Beides erlaubt eine verbesserte Auswertung der Signale.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in Schritt b) von dem Sensor ein periodisches, insbesondere ein etwa sinusförmiges Signal ausgegeben wird. Periodische Signale haben die Eigenschaft, dass sich der Signalverlauf nach einer bestimmten Periodendauer wiederholt. Dies hat den Vorteil, dass bestimmte Eigenschaften des Signals (z. B. ein Nulldurchgang) in bestimmten zeitlichen Abständen auftreten. Eine Erfassung der zeitlichen Abstände zwischen diesen Ereignissen kann daher bei der Auswertung der Signale genutzt werden.
-
Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Sensor ein analoger Hall-Sensor ist. Hall-Sensoren nutzen den Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern. Der Hall-Effekt hat zur Folge, dass der Hall-Sensor eine Ausgangsspannung liefert, die proportional zum Produkt aus magnetischer Feldstärke und Strom ist, wenn er von einem Strom durchflossen und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht wird. Ein Vorteil von Hall-Sensoren liegt darin, dass sie auch bei konstantem Magnetfeld ein Signal liefern. Dies unterscheidet sie von Sensoren, die aus einem Magnet und einer Spule bestehen, und führt zu einer besonderen Eignung für die Positionsbestimmung von Elektromotoren.
-
Das Verfahren kann in vorteilhafter Weise ergänzt werden durch den folgenden Schritt: ba) Umwandeln des von dem Sensor ausgegebenen analogen Signals in ein digitales Signal. Die Umwandlung in ein digitales Signal hat den Vorteil, dass bei anschließenden Verfahrensschritten (z. B. Filterung, Auswertung) digitale Bauteile eingesetzt werden können. Indem die Umwandlung außerhalb des Sensors durchgeführt wird, können höherwertige Wandler eingesetzt werden. Derartige Wandler können aus Platzgründen oder aus Gründen der Spannungsversorgung oftmals nicht oder nur mit Schwierigkeiten in dem Sensorgehäuse untergebracht werden.
-
Im Hinblick auf die Umwandlung des Signals wird weiter vorgeschlagen, dass in Schritt ba) ein digitales Signal mit einer Quantisierung von wenigstens 2 Bit, insbesondere von wenigstens 8 Bit erzeugt wird. Durch eine ausreichend hohe Quantisierung wird erreicht, dass möglichst wenige Informationen bei der Umwandlung des analogen Signals in ein digitales Signal verloren gehen („Quantisierungsfehler”). Insbesondere können durch die angegebene Anzahl von Quantisierungsstufen wesentlich mehr Informationen erhalten werden als dies bei Hall-Schaltern der Fall ist, die das gemessene Signal in lediglich zwei Zustände umwandeln.
-
Das Verfahren kann in vorteilhafter Weise ergänzt werden durch den folgenden Schritt: bb) Filterung des von dem Sensor ausgegebenen Signals. Wenngleich die Ausgabe von analogen Signalen einen hohen Informationsgehalt liefert, besteht die Gefahr, dass das ungefilterte Signal – beispielsweise aufgrund von Störungen – Fehler enthält. Bei Elektromotoren kann das Magnetfeld beispielsweise durch die Kommutierung, also die Umpolung gestört werden. Dieser Nachteil kann durch eine Filterung des von dem Sensor ausgegebenen Signals kompensiert werden.
-
Die Filterung in Schritt bb) kann nach einer Ausgestaltung des Verfahrens mit einem Tiefpassfilter oder mit einem Bandpassfilter erfolgen. Als Tiefpass bezeichnet man solche Filter, die Signalanteile mit Frequenzen unterhalb ihrer Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren lassen, Anteile mit höheren Frequenzen dagegen dämpfen. Als Bandpass wird hingegen ein Filter bezeichnet, der nur Signale eines Frequenzbands passieren lässt. Die Frequenzbereiche unterhalb und oberhalb des Durchlassbereiches werden dabei gesperrt oder deutlich abgeschwächt. Da viele Störungen in Elektromotoren hochfrequent sind, liefern Tiefpassfilter oder Bandpassfilter gute Ergebnisse.
-
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Filterung mit einer variablen Übertragungsfunktion erfolgt, insbesondere mit einer Übertragungsfunktion, die von der Motordrehzahl abhängt. Da viele Störungen in Elektromotoren – beispielsweise Störungen durch Kommutation – von der Motordrehzahl abhängen, kann durch Berücksichtigung der Motordrehzahl eine besonders wirksame Filterung erreicht werden. Die Abhängigkeit kann beispielsweise derart gestaltet sein, dass die Grenzfrequenz des Filters – beispielsweise des Tiefpassfilters – an die Motordrehzahl angepasst wird (z. B. mit der Motordrehzahl gleichgesetzt wird).
-
Im Hinblick auf die Filterung wird in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens vorgeschlagen, dass die die Filterung mit einem analogen Filter oder mit einem digitalen Filter erfolgt. Analoge Filter haben den Vorteil, dass das von dem Sensor ausgegebene, analoge Signal direkt verarbeitet werden kann. Digitale Filter setzen zwar eine Umwandlung des analogen Signals in ein digitales Signal voraus, zeichnen sich jedoch durch geringere Schwankungen sowie durch die Möglichkeit der Realisierung unterschiedlichster Filterfunktionen aus. Als digitaler Filter kann beispielsweise ein aus der
EP 0 901 225 B1 bekannter Filter eingesetzt werden.
-
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in Schritt bb) und/oder in Schritt c) das Signal eines einzelnen Sensors gefiltert und/oder ausgewertet wird. Durch den hohen Informationsgehalt des analogen Ausgangssignals des Sensors ist ein einzelner Sensor für die Bestimmung des Drehwinkels ausreichend. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber bekannten Verfahren, bei denen mehrere winkelversetzte Sensoren (z. B. Hall-Schalter) eingesetzt werden müssen (vgl.
EP 0 359 853 B1 ).
-
Gemäß eine weiteren Ausgestaltung des Verfahrens werden in Schritt c) die Nulldurchgänge des ausgegebenen Signals und/oder des gefilterten Signals ausgewertet. Die Auswertung der Nulldurchgänge hat insbesondere bei periodischen Signalen den Vorteil, dass die Auswertung unabhängig von der Größe der Amplitude der Signalschwingungen funktioniert. Die Auswerteeinheit braucht also nicht an die Größe der Amplitude angepasst werden.
-
Das Verfahren kann in vorteilhafter Weise ergänzt werden durch den folgenden Schritt: d) Einleiten bestimmter Gegenmaßnahmen beim Erkennen eines Einklemmfalls. Als Gegenmaßnahme kann beispielsweise eine Abschaltung oder Reversierung des Elektromotors durchgeführt werden. Ein Einklemmfall kann beispielsweise durch das Vorliegen bestimmter Parameter definiert werden (z. B. Überschreiten einer bestimmten Motorstromstärke in einer bestimmten Drehwinkelstellung). Die Einleitung von Gegenmaßnahmen bei einem derartigen Einklemmfall dient der Erhöhung der Sicherheit sowie der Erfüllung gesetzlicher Vorschriften.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1: den schematischen Aufbau eines Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
-
2a: den beispielhaften Signalverlauf der ungefilterten Sensorspannung des Systems aus 1,
-
2b: den beispielhaften Signalverlauf der gefilterten Sensorspannung des Systems aus 1, und
-
2c: den beispielhaften Verlauf des Drehwinkels und der Drehzahl, die aus dem Signalverlauf aus 2b ermittelt wurden.
-
1 zeigt den schematischen Aufbau eines Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das System umfasst zunächst einen Sensor 1, bei dem es sich um einen analogen Hall-Sensor handelt. Der Sensor 1 ist vorzugsweise in einem Elektromotor eines elektrischen Fensterhebers eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Das System umfasst zudem einen Filter 2, bei dem es sich um einen Tiefpassfilter handelt. Zudem weist das System einen Detektor 3 auf, bei dem es sich um einen Nulldurchgangsdetektor handelt. Schließlich umfasst das System zwei Auswerteeinheiten 4, bei denen es sich um einen Drehzahlermittler 4A und einen Drehwinkelermittler 4B handelt.
-
Das in 1 schematisch dargestellte System kann das folgende Verfahren ausführen: Das Ausgangssignal UHall des linearen Sensors 1 wird in den Filter 2 eingespeist, wobei die Grenzfrequenz fG des Filters 2 durch die aktuell von dem System ermittelte Drehzahl nDet bestimmt wird. Das Ausgangssignal UFilter des Filters 2 ist infolge der Filterung weitgehend frei von Störungen, die beispielsweise bei der Kommutierung des Elektromotors entstehen. In dem Detektor 3 werden die Zeiten tK der Nulldurchgänge 6 des gefilterten Ausgangssignals UFilter erfasst. Aus den Nulldurchgängen 6 wird anschließend in dem Drehzahlermittler 4A die Momentandrehzahl nDet des Elektromotors ermittelt. Die Momentandrehzahl nDet wird dann wieder an den Filter 2 übermittelt, um die Übertragungsfunktion des Filters 2 an die momentane Drehzahl nDet anzupassen. Beispielsweise wird die 3 dB Grenzfrequenz fG des steuerbaren Tiefpassfilters 2 gleich der Momentandrehzahl nDet gesetzt (fG = nDet). Aufgrund der wirksamen Filterung gelingt die Detektion der Nulldurchgänge 6 des gefilterten Signals UFilter fehlerfrei, so dass der Drehwinkelermittler 4B den momentanen Drehwinkel φ zuverlässig bestimmen kann.
-
In 2a und 2b sind beispielhafte Signalverläufe der ungefilterten (1a) und der gefilterten (2b) Sensorspannung des Systems aus 1 dargestellt. 2c zeigt den beispielhaften zeitlichen Verlauf des Drehwinkels φ(t) und der Drehzahl n(t), die aus dem Signalverlauf aus 2b ermittelt wurden. Die dargestellten Signalverläufe basieren auf der Aufnahme eines nicht stationären, rotierenden Magnetfeldes, wie es bei Hochlaufen eines Elektromotors entsteht, durch einen linearen Hall-Sensor – beispielsweise den Sensor 1 des Systems aus 1.
-
In 2a ist der zeitliche Verlauf des ungefilterten Ausgangssignals UHall (t) dargestellt. Die direkte Auswertung dieses Signals gestaltet sich schwierig, da das Signal eine Störung 5 aufweist. Die Störung 5 ist besonders problematisch, da sie mehrere Nulldurchgänge 6 aufweist. 2b zeigt den zeitlichen Verlauf des gefilterten Ausgangssignals UFilter(t), in dem keine Störung mehr erkennbar ist.
-
Der in 2c dargestellte zeitliche Verlauf wird durch die folgenden Schritte erhalten: Zunächst wird der Filter 2, bei dem es sich beispielsweise um einen digital steuerbaren Tiefpassfilter handelt, auf eine Grenzfrequenz fG nahe Null abgestimmt. Am Ausgang des Filters 2 erhält man den gefilterten und in 2b dargestellten Verlauf des Ausgangssignals UFilter (t) des Filters 2. Bereits vor dem Start des Elektromotors kann der statische Filterausgang UFilter (0) im Hinblick auf den Anfangsdrehwinkel φ0 ausgewertet werden. Dies dient dem Zweck, Bewegungen des Antriebs seit der letzten motorischen Betätigung festzustellen und ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber inkrementellen Positionierungsverfahren. Anschließend werden durch den Detektor 3 alle Zeiten tK eines Nulldurchgangs 6 ermittelt und gespeichert. Sobald wenigstens zwei Nulldurchgänge 6 erfasst wurden, kann der Drehzahlermittler 4A die Motordrehzahl nDet ermitteln. Die aktuellste ermittelte Drehzahl nDet wird dann dazu genutzt, die Grenzfrequenz fG des Filters 2 auf diesen Wert zu setzen (fG = nDet), um möglichst die Harmonischen der momentanen Frequenz zu unterdrücken. Bei jedem Nulldurchgang 6 wird der Drehwinkel φ – je nach Drehrichtung – erhöht oder erniedrigt. Aufgrund der adaptiven Filterwirkung gelingt die Ermittlung des Drehwinkels φ – und damit die Position des Antriebs – fehlerfrei.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Sensor
- 2
- Filter
- 3
- Detektor
- 4
- Auswerteeinheit
- 4A
- Drehzahlermittler
- 4B
- Drehwinkelermittler
- 5
- Störung (des Ausgangssignal des Sensors 1)
- 6
- Nulldurchgang
- UHall
- Ausgangssignal (des Sensors 1)
- UFilter
- Ausgangssignal (des Filters 2)
- tK
- Zeiten der Nulldurchgänge
- nDet
- Momentandrehzahl
- fG
- Grenzfrequenz (des Filters 2)
- φ
- Drehwinkel
- φ0
- Anfangsdrehwinkel
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 0359853 B1 [0006, 0006, 0008, 0024]
- EP 0714052 B2 [0007]
- EP 0865137 B1 [0007]
- EP 0901225 B1 [0023]
