DE102016113751A1

DE102016113751A1 - Antriebsanordnung für ein Verstellelement eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102016113751A1
Application number: DE102016113751.0A
Authority: DE
Inventors: Heino Schalyo
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2018-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Verstellelement (2) eines Kraftfahrzeugs, mit einem Elektromotor (3) und einer Steuerungsanordnung (8), wobei der Elektromotor (3) einen Rotor (9) mit Rotorwicklungen (10), einen Kommutator (11) mit Kommutatorlamellen (12) und Kommutatorbürsten (13, 14) sowie Versorgungsanschlüsse (15, 16) aufweist, wobei die Übertragungsfunktion der Frequenzfilterung je nach Kommutatorzustand wechselt. Es wird vorgeschlagen, dass die Steuerungsanordnung (8) aus dem Wechsel der Übertragungsfunktion eine Verstellung des Rotors (9) ableitet, wobei mindestens eine Zusatzkapazität (19, 20) vorgesehen ist, die über eine Rotorwicklung (10) und/oder über ein, insbesondere nebeneinanderliegendes, Paar von Kommutatorlamellen (12) geschaltet ist derart, dass die Zusatzkapazität (19, 20) die Übertragungsfunktion in Abhängigkeit vom Kommutatorzustand beeinflusst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein Verstellelement eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1, eine Verstellelementanordnung mit einer solchen Antriebsanordnung gemäß Anspruch 9 und ein Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Antriebsanordnung gemäß Anspruch 10.
Ein wichtiger Bestandteil bei der Ansteuerung einer Antriebsanordnung mit einem Elektromotor ist ganz allgemein die Ermittlung der von dem Elektromotor im Motorbetrieb vorgenommenen Verstellung. Diese Ermittlung der Verstellung des Elektromotors kann beispielsweise im Rahmen eines Positions-Regelkreises erforderlich werden. Um ein genaues Anfahren vorbestimmter Stellungen zu ermöglichen, sind die Genauigkeitsanforderungen an diese Ermittlung der Verstellung des Elektromotors regelmäßig hoch. Gleichzeitig bringt der Einsatz des Elektromotors im Kraftfahrzeug die Anforderung einer hohen Robustheit gegenüber hochfrequenten Störsignalen mit sich. Weiter ist der im Kraftfahrzeugbereich ständig vorherrschende Kostendruck zu berücksichtigen.
Bei einem als Gleichstrommotor ausgestalteten Elektromotor, der mit einem Rotor und einem Kommutator ausgestattet ist, ergeben sich bei jeder Kommutierung wechselanteilige Motorstromverläufe, die auch als „Stromripple” bezeichnet werden. Es ist grundsätzlich bekannt, die Stromripple zu ermitteln und daraus eine Verstellung des Rotors abzuleiten. Damit ist die Ermittlung der Verstellung des Rotors ohne zusätzliche Sensoren und im Ergebnis kostengünstig möglich. Allerdings ist diese Art der Ermittlung der Verstellung des Rotors störanfällig, da dem eigentlichen Motorstrom oftmals Störsignale überlagert sind, die eine verlässliche Erfassung des Stromripples erschweren. Signalabweichungen ergeben sich hier insbesondere durch eine Veränderung des Innenwiderstands des Elektromotors etwa durch Verschleiß der Kommutatorbürsten. Bei manchen Elektromotoren ergeben sich sogar Stromverläufe, die eine Erfassung des Stromripples gar nicht erst ermöglichen. Auch Fertigungstoleranzen führen bei bestimmten Motorpologien zu Problemen bei der Erfassbarkeit des Stromripples.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Antriebsanordnung für ein Verstellelement eines Kraftfahrzeugs anzugeben, mit der eine sensorlose Ermittlung der Verstellung des Rotors auf besonders störunanfällige Weise möglich ist.
Das obige Problem wird durch eine Antriebsanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorschlagsgemäße Lehre geht zunächst einmal davon aus, dass der Elektromotor einen Rotor mit Rotorwicklungen, sowie einen Kommutator und daran angeschlossene Versorgungsanschlüsse aufweist, wobei der Kommutator während des Motorbetriebs abwechselnd unterschiedliche Kommutatorzustände einnimmt. Der Elektromotor ist also nach Art eines Gleichstrommotors ausgestaltet.
Der Kommutator setzt sich vorzugsweise aus Kommutatorlamellen einerseits und aus mit den Kommutatorlamellen je nach Stellung des Rotors in Kontakt befindlichen Kommutatorbürsten andererseits zusammen. Dabei kann ein Kommutatorzustand umfassen, dass die Kommutatorbürsten jeweils mit genau einer Kommutatorlamelle in Eingriff stehen. Ein weiterer Kommutatorzustand kann beispielsweise umfassen, dass die Bürsten jeweils mit zwei Kommutatorlamellen in Eingriff stehen. Je nach Kommutatorzustand sind die Kommutatorbürsten entsprechend an unterschiedlichen Rotorwicklungen, insbesondere an einer unterschiedlichen Anzahl von Rotorwicklungen, des Elektromotors angeschlossen.
Für den Motorbetrieb wird mittels einer Steuerungsanordnung an die Versorgungsanschlüsse des Elektromotors über die Kommutatorbürsten eine Versorgungsspannung angelegt, bei der es sich um eine mit einer Versorgungsfrequenz periodische, insbesondere pulsweitenmodulierte, Versorgungsspannung handeln kann. Dadurch fließt ein Motorstrom über die Versorgunganschlüsse.
Vorschlagsgemäß ist nun zunächst erkannt worden, dass sich der Verlauf des Motorstroms aus einer von dem Elektromotor erzeugten Frequenzfilterung des Verlaufs der Versorgungsspannung ergibt. Die Frequenzfilterung wird maßgeblich durch die jeweils an den Versorgungsanschlüssen anliegende Induktivität bestimmt, die sich aus den mit den Versorgungsanschlüssen jeweils verbundenen Rotorwicklungen ergibt. Bei der Frequenzfilterung handelt es sich hier und vorzugsweise um eine Filterung nach Art einer Tiefpassfilterung, wie weiter unten erläutert wird.
Vorschlagsgemäß ist weiter erkannt worden, dass die Übertragungsfunktion der von dem Elektromotor erzeugten Frequenzfilterung je nach Kommutatorzustand wechselt, so dass sich aus dem Wechsel der Übertragungsfunktion eine Verstellung des Rotors, also eine Änderung der Verstellposition des Rotors, ableiten lässt. Daraus lässt sich wiederum die Verstellgeschwindigkeit des Rotors ableiten. Ganz allgemein ist es vorschlagsgemäß so, dass die Versorgungsspannung durch den Elektromotor frequenzgefiltert wird, wobei das Ergebnis der Frequenzfilterung von dem resultierenden Motorstrom repräsentiert wird.
Vorschlagsgemäß ist schließlich erkannt worden, dass der Wechsel der Übertragungsfunktion während des Motorbetriebs dadurch noch verstärkt werden kann, dass der Rotor mit mindestens einer Zusatzkapazität beschaltet wird. Im Einzelnen wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Zusatzkapazität vorgesehen ist, die über eine Rotorwicklung und/oder über ein, insbesondere nebeneinanderliegendes, Paar von Kommutatorlamellen geschaltet ist, derart, dass die Zusatzkapazität die Übertragungsfunktion in Abhängigkeit vom Kommutatorzustand beeinflusst. Die vorschlagsgemäße Lösung geht auf die Überlegung zurück, dass eine zu einer Rotorwicklung parallel geschaltete Zusatzkapazität für niedrige Frequenzanteile in der Versorgungsspannung nahezu keine Auswirkung hat, so dass der Motorbetrieb, der im Wesentlichen auf den Gleichspannungsanteil in der Versorgungsspannung zurückgeht, durch die Zusatzkapazität nicht beeinträchtigt wird.
Bei hohen Frequenzanteilen der Versorgungsspannung dagegen wirkt die Zusatzkapazität als Kurzschluss, so dass die der Zusatzkapazität zugeordnete Rotorwicklung entsprechend kurzgeschlossen wird. Dies führt zu einer Reduzierung der Impedanz zwischen den Versorgungsanschlüssen in Abhängigkeit von der Stellung des Rotors, also in Abhängigkeit vom Kommutatorzustand.
Mit der vorschlagsgemäßen Lösung lässt sich durch die Beschaltung des Rotors bzw. des Kommutators mit mindestens einer Zusatzkapazität erreichen, dass sich eine besonders ausgeprägte Änderung in der Übertragungsfunktion bei unterschiedlichen Kommutatorzuständen ergibt.
Bei den bevorzugten Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 2 und 3 sind zwei Zusatzkapazitäten oder mehrere Zusatzkapazitäten vorgesehen, die auf unterschiedliche Art und Weise mit dem Rotor verschaltet sein können. Von besonderer Bedeutung ist vorliegend die Verschaltung zweier Zusatzkapazitäten mit Rotorwicklungen, die bezogen auf die Rotorachse gegenüberliegend angeordnet sind.
Bei den weiter bevorzugten Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 4 und 5 wird der Wechsel der Übertragungsfunktion und damit die Verstellung des Rotors auf die Tatsache zurückgeführt, dass die von dem Elektromotor erzeugte Frequenzfilterung eine Filterung nach Art einer Tiefpassfilterung ist, die je nach Kommutierungszustand eine unterschiedliche Übertragungsfunktion aufweist. Dabei steht die Erfassung einer Änderung der Dämpfung durch die Frequenzfilterung für eine Beobachtungsfrequenz im Vordergrund.
Bei der besonders bevorzugten Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 ist die Zusatzkapazität derart ausgelegt, dass sie in Abhängigkeit von dem Kommutatorzustand eine Absenkung der Dämpfung der Frequenzfilterung des Elektromotors bewirkt. Im Motorbetrieb tritt diese Absenkung vorzugsweise periodisch, insbesondere impulsartig, auf, was sich messtechnisch leicht erfassen lässt.
Nach einer weiteren Lehre gemäß Anspruch 9, der eigenständige Bedeutung zukommt, wird eine Verstellelementanordnung eines Kraftfahrzeugs mit einem Verstellelement und einer obigen Antriebsanordnung beansprucht. Auf alle Ausführungen zu der vorschlagsgemäßen Antriebsanordnung darf verwiesen werden.
Nach einer weiteren Lehre gemäß Anspruch 10, der ebenfalls eigenständige Bedeutung zukommt, wird ein Verfahren zur Ansteuerung einer obigen Antriebsanordnung beansprucht.
Wesentlich für das vorschlagsgemäße Verfahren ist, dass mittels der Steuerungsanordnung aus dem Wechsel der Übertragungsfunktion, der vorschlagsgemäß durch die mindestens eine Zusatzkapazität beeinflusst wird, eine Verstellung des Rotors abgeleitet wird. Auf alle Ausführungen zu der Ansteuerung der Antriebsanordnung darf verwiesen werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 eine vorschlagsgemäße Antriebsanordnung in einer schematischen Seitenansicht,
2 den Kommutator des Elektromotors der Antriebsanordnung gemäß 1 a) in einem ersten Kommutatorzustand, b) in einem zweiten Kommutatorzustand und c) in einem dritten Kommutatorzustand und
3 im Zeitbereich während des Motorbetriebs a) die Versorgungsspannung und b) das resultierende, Bandpass-gefilterte Motorstromsignal.
Die vorschlagsgemäße Antriebsanordnung 1 dient der motorischen Verstellung eines Verstellelements 2 eines Kraftfahrzeugs. Bei dem Verstellelement 2 kann es sich um jedwedes Verstellelement eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise um eine Kraftfahrzeugtür, insbesondere eine Seitentür, um eine Kraftfahrzeugklappe, insbesondere eine Heckklappe, um einen Laderaumboden, um einen elektrisch verstellbaren Kraftfahrzeugsitz, um eine verstellbare Fensterscheibe o. dgl. handeln. Bei dem in 1 dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Verstellelement 2 um eine Heckklappe eines Kraftfahrzeugs.
Die Antriebsanordnung 1 weist einen Elektromotor 3 auf, der Bestandteil eines Spindelantriebs 4 ist. Der Spindelantrieb 4 ist einerseits an dem Verstellelement 2 und andererseits an der Karosserie 5 des Kraftfahrzeugs angelenkt. Der Spindelantrieb 4 weist neben dem Elektromotor 1 ein dem Elektromotor 1 nachgeschaltetes Zwischengetriebe 6 und ein dem Zwischengetriebe 6 nachgeschaltetes Spindel-Spindelmuttergetriebe 7 auf. Auf das Zwischengetriebe 6 kann grundsätzlich verzichtet werden.
Die Antriebsanordnung 1 umfasst ferner eine Steuerungsanordnung 8, die der Ansteuerung der Antriebsanordnung 1, insbesondere des Elektromotors 3, dient. Der Elektromotor 3 weist einen Rotor 9 mit Rotorwicklungen 10, einen Kommutator 11 mit Kommutatorlamellen 12 und Kommutatorbürsten 13, 14 sowie Versorgungsanschlüsse 15, 16 auf. Die Kommutatorlamellen 12 sind, wie in 2 angedeutet, mit unterschiedlichen Rotorwicklungen 10 des Rotors 9 elektrisch verbunden. Hier und vorzugsweise ist jedes nebeneinanderliegende Paar von Kommutatorlamellen 12 mit einer Rotorwicklung 10 elektrisch verbunden. Die Versorgungsanschlüsse 15, 16 sind mit den Kommutatorbürsten 13, 14 elektrisch verbunden, so dass die Rotorwicklungen 10 in Abhängigkeit von der Verstellung des Rotors 9 über die Versorgungsanschlüsse 15, 16 elektrisch versorgt werden können. Es ergibt sich aus der Darstellung gemäß 2, dass zwischen den Versorgungsanschlüssen 15, 16 zwei Reihenschaltungen 17, 18 von Rotorwicklungen 10 vorliegen, nämlich eine Reihenschaltung 17 oberhalb der Kommutatorbürsten 13, 14 und eine Reihenschaltung 18 unterhalb der Kommutatorbürsten 13, 14, so dass sich eine Parallelschaltung aus der oberen Reihenschaltung 17 und der unteren Reihenschaltung 18 ergibt. Eine andere Anordnung und Verschaltung der Rotorwicklungen 10 ist denkbar.
Ganz allgemein nimmt der Kommutator 11 während des Rotorbetriebs abwechselnd unterschiedliche Kommutatorzustände ein. 2a und 2c zeigt Kommutatorzustände mit Doppelkontaktierung, bei dem die Kommutatorbürsten 13, 14 jeweils mit zwei nebeneinanderliegenden Kommutatorlamellen 12 in Kontakt stehen. Dadurch ergibt sich ein Kurzschluss, der betreffenden Kommutatorlamellen 12 sowie der Rotorwicklungen 10, die mit diesen Kommutatorlamellen 12 verbunden sind. 2b dagegen zeigt einen Kommutatorzustand mit Einzelkontaktierung, in dem die Kommutatorbürsten 13, 14 jeweils mit nur einer einzigen Kommutatorlamelle 12 in Kontakt stehen.
Die Steuerungsanordnung 8 legt an die Versorgungsanschlüsse 15, 16 des Elektromotors 3 für den Motorbetrieb eine Versorgungsspannung U an, wodurch ein Motorstrom I über die Versorgungsanschlüsse 15, 16 fließt. Hier und vorzugsweise ist es so, dass es sich bei der Versorgungsspannung U um eine mit einer Versorgungsfrequenz periodische, insbesondere pulsweitenmodulierte, elektrische Spannung handelt, wie in 3a gezeigt ist. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass es sich bei der Versorgungsspannung U um eine Gleichspannung handelt, der eine mit einer Versorgungsfrequenz periodische Signalspannung überlagert ist.
Die der vorschlagsgemäßen Lösung zunächst zugrunde liegende Überlegung besteht darin, mittels der Steuerungsanordnung 8 an die Versorgungsanschlüsse 15, 16 des Elektromotors 3 für den Motorbetrieb eine mit der Versorgungsfrequenz periodische Versorgungsspannung U anzulegen, wodurch ein Motorstrom I über die Versorgungsanschlüsse 15, 16 und damit je nach Kommutatorzustand über die entsprechenden Rotorwicklungen 10 fließt, wobei sich aus dem Motorstrom I eine Verstellung des Rotors 9, also eine Änderung der Verstellposition des Rotors 9, ableiten lässt. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass der Elektromotor 3 eine Frequenzfilterung bereitstellt, die sich je nach Kommutatorzustand ändert.
In bevorzugter Ausgestaltung wird aus der Verstellung des Rotors 9 die Verstellgeschwindigkeit des Rotors 9 abgeleitet, indem die Verstellung des Rotors 9 pro Zeiteinheit ermittelt wird.
Im Einzelnen ist es so, dass sich der Verlauf des Motorstroms aus einer von dem Elektromotor 3 erzeugten Frequenzfilterung des Verlaufs der Versorgungsspannung U ergibt, wobei die Übertragungsfunktion der Frequenzfilterung je nach Kommutatorzustand wechselt. Bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mehrere Übertragungsfunktionen vorgesehen, die im Motorbetrieb im Rahmen der Frequenzfilterung abwechselnd wirksam sind.
Wesentlich für die vorschlagsgemäße Lehre ist die grundsätzliche Erkenntnis, dass aus dem Wechsel der Übertragungsfunktion eine Verstellung des Rotors 9 abgeleitet werden kann. Dies trägt der Tatsache Rechnung, dass sich die unterschiedlichen Kommutierungszustände, die zu den jeweiligen Übertragungsfunktionen korrespondieren, im Motorbetrieb jeweils über einen vorbestimmten Winkelbereich des Rotors 9 erstrecken. Aus einem Wechsel der Übertragungsfunktion lässt sich also ableiten, dass der Rotor 9 je nach Übertragungsfunktion den jeweils zugehörigen Winkelbereich durchlaufen hat. Entsprechend lässt sich eine größere Verstellung des Rotors 9 aus dem fortlaufenden Wechsel der Übertragungsfunktion ableiten, in dem die jeweiligen Winkelbereiche entsprechen fortlaufend aufaddiert werden.
Wie oben angesprochen, handelt es sich bei der insbesondere periodischen Versorgungsspannung U um die elektrische Spannung, welche die für den Motorbetrieb erforderliche elektrische Leistung bereitstellt. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass lediglich der Gleichspannungsanteil der periodischen Versorgungsspannung U die für den Motorbetrieb erforderliche elektrische Leistung bereitstellt.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei der periodischen Versorgungsspannung U um eine pulsweitenmodulierte Versorgungsspannung U (PWM-Versorgungsspannung), über deren Tastverhältnis sich der Elektromotor mit geringem Aufwand und hoher Flexibilität ansteuern und insbesondere regeln lässt. Die Taktfrequenz der pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung U liegt vorzugsweise in einem Frequenzbereich zwischen etwa 15 kHz und etwa 25 kHz, vorzugsweise beträgt die Taktfrequenz der pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung etwa 20 kHz. Weiter vorzugsweise wird die Taktfrequenz zur Erhöhung der Robustheit gegenüber Störeinflüssen, insbesondere gegenüber elektromagnetischer Störstrahlung, im Zeitbereich variiert. Diese Variation der Taktfrequenz kann sprungweise oder kontinuierlich erfolgen.
Wesentlich für die vorschlagsgemäße Lösung ist weiter, dass mindestens eine Zusatzkapazität 19, 20, hier zwei Zusatzkapazitäten 19, 20, vorgesehen ist bzw. vorgesehen sind. Sofern im Folgenden lediglich von einer Zusatzkapazität 19, 20 die Rede ist, so gelten alle diesbezüglichen Ausführungen für die weitere Zusatzkapazität 19, 20 entsprechend.
Die Zusatzkapazität 19, 20 ist hier über eine Rotorwicklung 10 geschaltet derart, dass die Zusatzkapazität 19, 20 die Übertragungsfunktion der Frequenzfilterung in Abhängigkeit vom Kommutatorzustand beeinflusst. Das obige Verschalten der Zusatzkapazität 19, 20 über die Rotorwicklung 10 bedeutet, dass die Zusatzkapazität 19, 20 parallel zu der Rotorwicklung 10 geschaltet ist. Hier und vorzugsweise bedeutet dies auch, dass die Zusatzkapazität 19, 20 über ein, vorzugsweise nebeneinanderliegendes, Paar von Kommutatorlamellen 12 geschaltet ist, wie der Darstellung gemäß 2 zu entnehmen ist.
Wie oben angedeutet, sind bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei Zusatzkapazitäten 19, 20 vorgesehen, die jeweils über eine Rotorwicklung bzw. ein nebeneinanderliegendes Paar von Kommutatorlamellen 12 geschaltet sind, so dass die Zusatzkapazitäten 19, 20 die Übertragungsfunktion der Frequenzfilterung in Abhängigkeit vom Kommutatorzustand beeinflussen. Dabei ist es in besonders bevorzugter Ausgestaltung so, dass die den beiden Zusatzkapazitäten 19, 20 zugeordneten Rotorwicklungen 10 bzw. Paare von Kommutatorlamellen 12 bezogen auf die Rotorachse 21 gegenüberliegend angeordnet sind. Auch dies ist der Darstellung gemäß 2 zu entnehmen.
Anders als in der Zeichnung dargestellt, können auch mehr als zwei Zusatzkapazitäten 19, 20 vorgesehen sein, die jeweils über eine Rotorwicklung 10 bzw. jeweils über ein, insbesondere nebeneinanderliegendes, Paar von Kommutatorlamellen 12 geschaltet sind derart, dass die Zusatzkapazitäten 19, 20 die Übertragungsfunktion der Frequenzfilterung in Abhängigkeit vom Kommutatorzustand beeinflussen. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass die den Zusatzkapazitäten 19, 20 zugeordneten Rotorwicklungen 10 bzw. Paare von Kommutatorlamellen 12 um die Rotorachse 21 einzeln oder in Gruppen gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Damit ergibt sich über eine Umdrehung des Rotors 9 eine entsprechend periodische Änderung der Frequenzfilterung. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die den Zusatzkapazitäten 19, 20 zugeordneten Rotorwicklungen 10 bzw. Paare von Kommutatorlamellen 12 um die Rotorachse 21 einzeln oder in Gruppen ungleichmäßig verteilt angeordnet sind. Entsprechend ergibt sich über eine Umdrehung des Rotors 9 eine ungleichmäßige Änderung der Frequenzfilterung, was im Hinblick auf eine störungsfreie Ermittlung der Verstellung des Rotors 9 vorteilhaft sein kann. Damit lässt sich eine ungewünschte, speziell auf gleichmäßig periodische Störungen zurückgehende Beeinträchtigung der vorschlagsgemäßen Ermittlung der Verstellung des Rotors 9 wirksam vermeiden.
Die Frequenzfilterung ist hier und vorzugsweise eine Filterung nach Art einer Tiefpassfilterung, die je nach Kommutierungszustand eine unterschiedliche Übertragungsfunktion aufweist. Dabei kann die Änderung einerseits die Grenzfrequenz und andererseits die Dämpfung der Tiefpassfilterung betreffen.
Bei dem dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es so, dass ein Motorstromsignal gemessen wird, aus dem der in Rede stehende Wechsel der Übertragungsfunktion ermittelt wird. Die Messung des Motorstromsignals kann auf unterschiedliche, an sich bekannte Art und Weise erfolgen. Hier und vorzugsweise ist einer der Versorgungsanschlüsse 15, 16 über einen Shunt-Widerstand gegen Masse geschaltet, so dass sich aus der über den Shunt-Widerstand abfallenden elektrischen Spannung das Motorstromsignal ermitteln lässt. Andere Arten der Ermittlung des Motorstromsignals sind denkbar.
Basierend auf dem Motorstromsignal lässt sich aus einer Änderung der Frequenzfilterung für eine Beobachtungsfrequenz und/oder einen Beobachtungsfrequenzbereich der Wechsel der Übertragungsfunktion ermitteln, woraus sich wiederum die Verstellung des Rotors 9 ableiten lässt. Dadurch, dass die Ermittlung der Verstellung des Rotors 9 auf die Frequenzfilterung in der Beobachtungsfrequenz gerichtet ist, werden Störungen mit Störfrequenzen, die außerhalb der Beobachtungsfrequenz bzw. des Beobachtungsfrequenzbereichs liegen, weitgehend ausgeblendet. Dies gehört zu einer gegenüber Störungen besonders robusten Ausgestaltung.
Es sind unterschiedliche Möglichkeiten denkbar, um die Änderung der Frequenzfilterung bzw. den Wechsel der Übertragungsfunktion zu ermitteln. Hier und vorzugsweise wird dies aus einer Änderung der von der Frequenzfilterung erzeugten Dämpfung abgeleitet. Um sicherzustellen, dass sich für die Ermittlung des Wechsels der Übertragungsfunktion ein hinreichender Signalabstand ergibt, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Beobachtungsfrequenz die Versorgungsfrequenz der Versorgungsspannung ist. Im Falle der Berücksichtigung eines Beobachtungsfrequenzbereichs ist es entsprechend so, dass der Beobachtungsfrequenzbereich die Versorgungsfrequenz umfasst. Hier und vorzugsweise handelt es sich bei der Versorgungsfrequenz um die Taktfrequenz der pulsweitenmodulierten Versorgungsspannung U.
Eine weitere Steigerung der Robustheit gegen Störungen lässt sich wie oben erläutert mit der obigen Variation der PWM-Frequenz erreichen, wobei in besonders bevorzugter Ausgestaltung die Beobachtungsfrequenz der Variation der Taktfrequenz nachgeführt wird.
Vorzugsweise ist es weiter vorgesehen, dass das Motorstromsignal Bandpass-gefiltert wird, wobei aus dem Bandpass-gefilterten Motorstromsignal s_I, das in 3b dargestellt ist, der Wechsel in der Übertragungsfunktion ermittelt wird. Die Bandpassfilterung ist gerade so getroffen, dass die Durchlassfrequenz die Beobachtungsfrequenz umfasst. Vorzugsweise handelt es sich bei der Beobachtungsfrequenz um die Mittenfrequenz der Bandpass-Filterung. Weiter vorzugsweise handelt es sich bei der Beobachtungsfrequenz, wie oben angesprochen, um die Versorgungsfrequenz der Versorgungsspannung U.
3b zeigt, dass dem Bandpass-gefilterten Motorstromsignal s_I der Wechsel in der Übertragungsfunktion der Frequenzfilterung leicht entnommen werden kann. 3b zeigt weiter, dass über eine volle Umdrehung des Rotors 9, die mit der Periodendauer T_R angedeutet ist, zwei steile Signalimpulse 22 enthalten sind, auf deren Basis die jeweilige Verstellung des Rotors 9 leicht erfassbar ist.
Die Entstehung der in 3b gezeigten Signalimpulse 22 geht darauf zurück, dass die mindestens eine Zusatzkapazität 19, 20 in Abhängigkeit von dem Kommutatorzustand eine Absenkung der Dämpfung der Frequenzfilterung des Elektromotors 3, insbesondere im Bereich der Versorgungsfrequenz, bewirkt. Insbesondere ist es hier und vorzugsweise so, dass die mindestens eine Zusatzkapazität 19, 20 im Motorbetrieb eine periodische, insbesondere impulsartige, Absenkung der Dämpfung der Frequenzfilterung des Elektromotors 3 bereitstellt, so dass sich ein Bandpass-gefiltertes Motorsignal s_I gemäß 3b ergibt. Die Zusatzkapazität 19, 20 ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie für die der Zusatzkapazität 19, 20 jeweils zugeordnete Rotorwicklung 10 im Bereich der Beobachtungsfrequenz, hier der Versorgungsfrequenz, im Wesentlichen als Kurzschluss wirkt. Dies ist eine Voraussetzung für die noch zu erläuternde Entstehung des Bandpass-gefilterten Motorstromsignals s_I gemäß 3b. Eine weitere Voraussetzung hierfür ist, dass in einem Kommutatorzustand, vorzugsweise in einem Kommutatorzustand mit Doppelkontaktierung, in dem eine Kommutatorbürste 13, 14 zwei Kommutatorlamellen 12 kontaktiert und damit kurzschließt, die Zusatzkapazität 19, 20 kurzgeschlossen wird.
Im Rahmen einer vollen Umdrehung des Rotors 9 ergeben sich damit jedenfalls drei Kommutatorzustände, die in 2a, 2b und 2c dargestellt sind.
In 2a sind beide Zusatzkapazitäten 19, 20 durch die Kommutatorbürsten 13, 14 kurzgeschlossen, da sich der Kommutator 11 in einem Kommutatorzustand mit Doppelkontaktierung befindet. Dies bedeutet, dass die obere Reihenschaltung 17 und die untere Reihenschaltung 18 jeweils drei Rotorwicklungen 10 umfassen. Die resultierende Dämpfung der Frequenzfilterung in der Beobachtungsfrequenz ist relativ hoch, so dass das Bandpass-gefilterte Motorstromsignal s_I in 3b die kleinste Amplitude A_a aufweist.
Bei einer Drehung des Rotors 9 aus der in 2a gezeigten Stellung in die in 2b gezeigte Stellung erreicht der Kommutator 11 einen Kommutatorzustand mit Einzelkontaktierung, bei dem die beiden Reihenschaltungen 17, 18 jeweils vier Rotorwicklungen 10 aufweisen, wobei jeweils eine der Rotorwicklungen 10 der Zusatzkapazität 19, 20 zugeordnet, also mit der Zusatzkapazität 19, 20 beschaltet ist. Bei unterstelltem, oben angesprochenen Kurzschließen dieser Rotorwicklungen 10 durch die Zusatzkapazitäten 19, 20 ergibt sich, dass die beiden Reihenschaltungen 17, 18 in der Beobachtungsfrequenz nur drei für die Impedanz zwischen den Versorgungsanschlüssen 15, 16 wirksame Rotorwicklungen 10 bereitstellen. Insoweit könnte die Dämpfung in 2b der Dämpfung in 2a entsprechen. Allerdings stellt sich vorliegend ein zusätzlicher Effekt ein, der auf die Tatsache zurückgeht, dass verschiedene Rotorwicklungen 10, die insbesondere nebeneinanderliegenden Kommutatorlamellen 12 zugeordnet sind, hier und vorzugsweise sich überlagernde Magnetfelder erzeugen. Dies kann insbesondere auf die Ausgestaltung eines den Rotorwicklungen 10 zugeordneten Ankerblechpakets zurückgehen.
Damit ist es so, dass die Rotorwicklungen 10, die der der Zusatzkapazität 19, 20 zugeordneten Rotorwicklung 10 benachbart sind, aufgrund der Lenz'schen Regel eine Spannung, bzw. einen Strom in diese mittlere Rotorwicklung 10 induzieren, was in der mittleren Rotorwicklung 10 wiederum ein entsprechendes Gegenfeld erzeugt. Es resultiert eine Anordnung, die für die Reihenschaltungen 17, 18 das Verhalten einer abgesenkten Induktivität aufweist, so dass die Dämpfung in 2b verglichen mit der Situation in 2a entsprechend herabgesetzt ist. Es ergibt sich ein Bandpass-gefiltertes Motorstromsignal s_I mit der Amplitude A_b, wie in 3b gezeigt.
Erreicht nun der Rotor 9 die Stellung gemäß 2c, so sind verglichen mit der Situation in 2b zwei weitere Rotorwicklungen 10 durch die Kommutatorbürsten 13, 14 kurzgeschlossen, so dass die Dämpfung der Frequenzfilterung weiter herabgesetzt ist. Dadurch ergibt sich ein Bandpass-gefiltertes Motorstromsignal s_A mit der Amplitude A_c, wie in 3b gezeigt.
Es lässt sich zusammenfassen, dass sich durch eine Zusatzkapazität 19, 20 zusätzliche Signalimpulse in das Bandpass-gefilterte Motorstromsignal einbringen lassen, ohne dass der Motorbetrieb davon beeinträchtigt ist. Der Grund hierfür besteht darin, dass der Gleichspannungsanteil der Versorgungsspannung U, der maßgeblich für den Motorbetrieb ist, von der Zusatzkapazität 19, 20 unbeeinflusst bleibt. Der Wert der Zusatzkapazität 19, 20 liegt bei dem hier vorgesehenen Klein-Elektromotor 3 bei wenigen μF, vorzugsweise zwischen 1 μF und 3 μF, vorzugsweise bei 2,2 μF.
Bei mindestens zwei vorschlagsgemäßen Zusatzkapazitäten 19, 20 ist es vorzugsweise vorgesehen, dass zumindest zwei Zusatzkapazitäten 19, 20, vorzugsweise alle Zusatzkapazitäten 19, 20, einen identischen Wert aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass zumindest zwei Zusatzkapazitäten 19, 20, vorzugsweise alle Zusatzkapazitäten 19, 20, einen unterschiedlichen Wert aufweisen. Dadurch lässt sich die resultierende Dämpfung der Frequenzfilterung des Elektromotors 3 bedarfsweise weiter modifizieren.
Nach einer weiteren Lehre, der eigenständige Bedeutung zukommt, wird die Verstellelementanordnung eines Kraftfahrzeugs mit einem obigen Verstellelement 2 und mit einer obigen Antriebsanordnung 1 als solche beansprucht. Auf alle Ausführungen zu der vorschlagsgemäßen Antriebsanordnung 1 darf verwiesen werden.
Nach einer weiteren Lehre, der ebenfalls eigenständige Bedeutung zukommt, wird das Verfahren zur Ansteuerung der obigen Antriebsanordnung 1 als solches beansprucht.
Nach dem vorschlagsgemäßen Verfahren wird, wie oben erläutert, mittels der Steuerungsanordnung 8 an die Versorgungsanschlüsse 15, 16 des Elektromotors 3 für den Motorbetrieb eine, hier und vorzugsweise mit einer Versorgungsfrequenz periodische, insbesondere pulsweitenmodulierte, Versorgungsspannung U angelegt, wodurch ein Motorstrom über die Versorgungsanschlüsse 15, 16 fließt. Der Verlauf des Motorstroms ergibt sich, wie ebenfalls erläutert, aus einer von dem Elektromotor 3 erzeugten Frequenzfilterung des Verlaufs der Versorgungsspannung U, wobei die Übertragungsfunktion der Frequenzfilterung je nach Kommutatorzustand wechselt. Aus dem Wechsel der Übertragungsfunktion wird mittels der Steuerungsanordnung 8 wiederum eine Verstellung des Rotors 9 abgeleitet. Auf alle Ausführungen zu der Funktionsweise der vorschlagsgemäßen Antriebsanordnung 1, insbesondere zu deren Ansteuerung im Hinblick auf die Ermittlung der Verstellung des Rotors 9, darf verwiesen werden.

Claims

Antriebsanordnung für ein Verstellelement (2) eines Kraftfahrzeugs mit einem Elektromotor (3) und einer Steuerungsanordnung (8), wobei der Elektromotor (3) einen Rotor (9) mit Rotorwicklungen (10), einen Kommutator (11) mit Kommutatorlamellen (12) und Kommutatorbürsten (13, 14) sowie Versorgungsanschlüsse (15, 16) aufweist, wobei die Kommutatorlamellen (12) mit den Rotorwicklungen (10) und die Versorgungsanschlüsse (15, 16) mit den Kommutatorbürsten (13, 14) verschaltet sind, wobei der Kommutator (11) während des Motorbetriebs abwechselnd unterschiedliche Kommutatorzustände einnimmt, wobei die Steuerungsanordnung (8) an die Versorgungsanschlüsse (15, 16) des Elektromotors (3) für den Motorbetrieb eine, insbesondere mit einer Versorgungsfrequenz periodische, insbesondere pulsweitenmodulierte, Versorgungsspannung (U) anlegt, wodurch ein Motorstrom über die Versorgungsanschlüsse (15, 16) fließt, wobei sich der Verlauf des Motorstroms aus einer von dem Elektromotor (3) erzeugten Frequenzfilterung des Verlaufs der Versorgungsspannung (U) ergibt, wobei die Übertragungsfunktion der Frequenzfilterung je nach Kommutatorzustand wechselt, wobei die Steuerungsanordnung (8) aus dem Wechsel der Übertragungsfunktion eine Verstellung des Rotors (9) ableitet, wobei mindestens eine Zusatzkapazität (19, 20) vorgesehen ist, die über eine Rotorwicklung (10) und/oder über ein, insbesondere nebeneinanderliegendes, Paar von Kommutatorlamellen (12) geschaltet ist derart, dass die Zusatzkapazität (19, 20) die Übertragungsfunktion in Abhängigkeit vom Kommutatorzustand beeinflusst.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Zusatzkapazitäten (19, 20) vorgesehen sind, die jeweils über eine Rotorwicklung (10) und/oder jeweils über ein, insbesondere nebeneinanderliegendes, Paar von Kommutatorlamellen (12) geschaltet sind derart, dass die Zusatzkapazitäten (19, 20) die Übertragungsfunktion in Abhängigkeit vom Kommutatorzustand beeinflussen, vorzugsweise, dass die den beiden Zusatzkapazitäten (19, 20) zugeordneten Rotorwicklungen (10) und/oder Paare von Kommutatorlamellen (12) bezogen auf die Rotorachse (21) gegenüberliegend angeordnet sind.
Antriebsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Zusatzkapazitäten (19, 20) vorgesehen sind, die jeweils über eine Rotorwicklung (10) und/oder jeweils über ein, insbesondere nebeneinanderliegendes, Paar von Kommutatorlamellen (12) geschaltet sind derart, dass die Zusatzkapazitäten (19, 20) die Übertragungsfunktion in Abhängigkeit vom Kommutatorzustand beeinflussen, vorzugsweise, dass die den Zusatzkapazitäten (19, 20) zugeordneten Rotorwicklungen (10) und/oder Paare von Kommutatorlamellen (12) um die Rotorachse (21) einzeln oder in Gruppen gleichmäßig verteilt angeordnet sind, oder, dass die den Zusatzkapazitäten (19, 20) zugeordneten Rotorwicklungen (10) und/oder Paare von Kommutatorlamellen (12) um die Rotorachse (21) einzeln oder in Gruppen ungleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Elektromotor (3) erzeugte Frequenzfilterung eine Filterung nach Art einer Tiefpassfilterung ist, die je nach Kommutierungszustand eine unterschiedliche Übertragungsfunktion, insbesondere eine unterschiedliche Grenzfrequenz, aufweist.
Antriebsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motorstromsignal gemessen wird, das den Verlauf des Motorstroms repräsentiert, und dass aus einer Änderung der Frequenzfilterung, insbesondere der Änderung einer Dämpfung durch die Frequenzfilterung, für eine Beobachtungsfrequenz und/oder einen Beobachtungsfrequenzbereich der Wechsel der Übertragungsfunktion ermittelt wird, vorzugsweise, dass die Beobachtungsfrequenz die Versorgungsfrequenz ist, und/oder, dass der Beobachtungsfrequenzbereich die Versorgungsfrequenz umfasst, weiter vorzugsweise, dass das Motorstromsignal Bandpass-gefiltert wird und dass aus dem Bandpass-gefilterten Motorstromsignal (s_I) der Wechsel in der Übertragungsfunktion ermittelt wird, weiter vorzugsweise, dass der Durchlassbereich der Bandpass-Filterung die Versorgungsfrequenz umfasst, vorzugsweise, dass die Mittenfrequenz der Bandpassfilterung die Versorgungsfrequenz ist.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Zusatzkapazität (19, 20) in Abhängigkeit von dem Kommutatorzustand eine Absenkung der Dämpfung der Frequenzfilterung des Elektromotors (3), insbesondere im Bereich der Versorgungsfrequenz, bewirkt, vorzugsweise, dass die mindestens eine Zusatzkapazität (19, 20) im Motorbetrieb eine periodische, insbesondere impulsartige, Absenkung der Dämpfung der Frequenzfilterung des Elektromotors (3) bewirkt.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzkapazität (19, 20) so ausgelegt ist, dass sie für die der Zusatzkapazität (19, 20) zugeordnete Rotorwicklung (10) im Bereich der Beobachtungsfrequenz im Wesentlichen als Kurzschluss wirkt.
Antriebsanordnung nach einem der vorhergehenden Anschlüsse, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kommutatorzustand, insbesondere in einem Doppelkontaktzustand, in dem eine Kommutatorbürste (13, 14) zwei Kommutatorlamellen (12) kontaktiert und damit kurzschließt, die Zusatzkapazität (19, 20) kurzgeschlossen wird.
Verstellelementanordnung eines Kraftfahrzeugs mit einem Verstellelement (2) und mit einer Antriebsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verstellung des Verstellelements (2).
Verfahren zur Ansteuerung einer Antriebsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mittels der Steuerungsanordnung (8) an die Versorgungsanschlüsse (15, 16) des Elektromotors (3) für den Motorbetrieb eine, insbesondere mit einer Versorgungsfrequenz periodische, insbesondere pulsweitenmodulierte, Versorgungsspannung (U) angelegt wird, wodurch ein Motorstrom über die Versorgungsanschlüsse (15, 16) fließt, wobei sich der Verlauf des Motorstroms aus einer von dem Elektromotor (3) erzeugten Frequenzfilterung des Verlaufs der Versorgungsspannung (U) ergibt, wobei die Übertragungsfunktion der Frequenzfilterung je nach Kommutatorzustand wechselt, wobei mittels der Steuerungsanordnung (8) aus dem Wechsel der Übertragungsfunktion eine Verstellung des Rotors (9) abgeleitet wird.