DE102016204162A1

DE102016204162A1 - Verfahren zur Ermittlung der Stellposition eines motorisch verstellbaren Kraftfahrzeugteils und zugehörige Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE102016204162A1
Application number: DE102016204162.2A
Authority: DE
Inventors: Marco Semineth; Christoph Hausner; Jörg Übelein; Roland Kalb
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2016-03-14
Filing date: 2016-03-14
Publication date: 2017-09-14

Abstract

Es werden ein Verfahren zur Ermittlung einer Stellposition (x) eines motorisch verstellbaren Kraftfahrzeugteils (2) und eine zugehörige Stellvorrichtung (1) angegeben, wobei die Stellvorrichtung (1) einen in einem drehbeweglichen Magnetfeld angeordneten Hall-Sensor (14) aufweist. Dabei wird eine von dem Hall-Sensor (14) erfasste periodische Änderung der magnetischen Flussdichte (B1) in ein erstes binäres Pulssignal (S1) umgesetzt, indem ein Pegel des Pulssignals (S1) geschaltet wird, wenn eine durch die magnetische Flussdichte (B1) induzierte Hall-Spannung (U1‘) eine erste Schaltschwelle (Uh1) überschreitet oder eine zweite Schaltschwelle (Ul1) unterschreitet, wobei die erste Schaltschwelle (Uh1) die zweite Schaltschwelle (Ul1) um eine vorgegebene Hysterese (H1) übersteigt. Anhand des Pulssignals (S1) wird ein Maß für die Stellposition (x) ermittelt. Zur Erkennung von Irregularitäten im zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte (B1) wird zusätzlich das Überschreiten oder Unterschreiten mindestens einer weiteren Schaltschwelle (Uh2, Ul2) durch die Hall-Spannung (U1‘) ausgewertet, wobei die oder jede weitere Schaltschwelle (Uh2, Ul2) der ersten Schaltschwelle (Uh1) und der zweiten Schaltschwelle (Ul1) zwischengeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Ermittlung der Stellposition eines mittels einer motorischen Stellvorrichtung verstellbaren Kraftfahrzeugteils (nachfolgend auch als „Stellelement“ bezeichnet). Sie bezieht sich weiterhin auf eine zugehörige motorische Stellvorrichtung. Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine zugehörige Stellvorrichtung sind aus DE 10 2009 034 664 A1 bekannt.
Stellelemente der vorstehend genannten Art sind beispielsweise ein bewegbares Fahrzeugfenster, ein verstellbarer Fahrzeugsitz oder ein Teil eines solchen, eine Seitentür oder Heckklappe, ein Schiebedach oder ein Cabrio-Verdeck. Die einem solchen Stellelement zugeordnete Stellvorrichtung umfasst meist einen elektrischen Stellmotor sowie eine Stellmechanik, über die der Stellmotor auf das Stellelement wirkt. Die Stellvorrichtung umfasst oft des Weiteren eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Stellmotors.
Während eines Stellvorgangs eines solchen Stellelements ist häufig eine gewünschte Endposition präzise anzufahren. Hierzu ist während des Stellvorgangs stets eine genaue Kenntnis der aktuellen Stellposition des Stellelements erforderlich. Die Kenntnis der aktuellen Stellposition oder hieraus ableitbarer Größen, wie der Stellgeschwindigkeit oder des zurückgelegten Stellwegs, sind darüber hinaus häufig auch für die sichere Erkennung eines etwaigen Einklemmfalls erforderlich.
Gemäß DE 199 16 400 C1 ist zur präzisen Erfassung der Stellposition einer Fahrzeugscheibe ein Stellungs- und Drehrichtungssensor vorgesehen, der zwei in einem Abstand oder Winkel versetzt zueinander angeordnete Hall-Sensoren und einem mehrpoligen (z.B. zwei- oder vierpoligen) Ringmagneten umfasst. Der Ringmagnet ist fest mit der Antriebswelle eines Stellmotors verbunden, so dass der Ringmagnet im Betrieb des Stellmotors mit der Motorwelle mit rotiert. Die Hall-Sensoren erfassen die durch die Rotation des Ringmagneten verursachte Änderung der magnetischen Flussdichte und generieren hieraus Zählpulse. Diese werden zusammen mit einer Information über die Drehrichtung des Ringmagneten (und damit des Stellmotors) ausgewertet, indem die Zählpulse je nach Drehrichtung des Antriebs aufwärts oder abwärts gezählt werden und somit die jeweilige Stellposition der Fahrzeugscheibe.
Ein Hall-Sensor umfasst in der Regel ein z.B. quadratisches Leiterplättchen (Hall-Sonde), das von einem elektrischen Strom durchflossen ist. In Anwesenheit eines externen magnetischen Feldes wird in der Hall-Sonde eine Hall-Spannung induziert, die proportional zu dem senkrecht zu der Fläche der Hall-Sonde ausgerichteten Anteil der magnetischen Flussdichte ist. Diese Hall-Spannung wird üblicherweise als Sensorsignal ausgewertet.
Bei sich drehendem Ringmagnet bewegen sich dessen Magnetpole über die Hall-Sonde hinweg. Dabei kommt jeder der Magnetpole für einen Moment in direkte Gegenüberstellung zu der Hall-Sonde. Das von diesem Magnetpol ausgehende Magnetfeld tritt in diesem Zustand exakt oder zumindest näherungsweise senkrecht durch die Hall-Sonde hindurch, wodurch die in der Hall-Sonde induzierte Hall-Spannung ein Maximum oder Minimum erreicht. Zwischen den vorstehend beschriebenen Zeitpunkten streift jeweils die Polgrenze zwischen zwei benachbarten Magnetpolen des Ringmagneten über die Hall-Sonde hinweg. Während dieser Zeitspannen durchsetzt das von dem Ringmagneten ausgehende Magnetfeld die Hall-Sonde unter einem spitzen oder sogar verschwindenden Winkel. In diesem Fall haben der senkrechte Anteil der Flussdichte und die Hall-Spannung einen entsprechend erniedrigten Wert und weisen – wenn sich eine der Polgrenzen in exakter Gegenüberstellung zu der Hall-Sonde befindet und somit das Magnetfeld parallel zu der Hall-Sonde ausgerichtet ist – einen Nulldurchgang auf.
Als Funktion des Umlaufwinkels des Ringmagneten relativ zu der Hall-Sonde ergibt sich für die orthogonal zur Hall-Sonde ausgerichtete Feldkomponente der magnetischen Flussdichte, und somit auch für die induzierte Hall-Spannung ein zumindest annähernd sinusförmiger zeitlicher Verlauf.
Gemäß einer für Hall-Sensoren (insbesondere für auf CMOS-Technologie basierenden Hall-Sensoren) üblichen Schaltregel wird der Pegel des ausgegebenen Pulssignals von „High“ (logisch „1“) auf „Low“ (logisch „0“) geschaltet, wenn die sich in Abhängigkeit des Umlaufwinkels sinusförmig ändernde Hall-Spannung eine obere Schaltschwelle überschreitet. Dieser Zustand wird so lange aufrechterhalten, bis die Hall-Spannung eine untere Schaltschwelle unterschreitet, wodurch der Pegel des Pulssignals wieder auf „Low“ zurückgesetzt wird. Solange sich die Hall-Spannung in der Hysterese (also in dem Wertebereich zwischen der oberen Schaltschwelle und der unteren Schaltschwelle) befindet, wird der jeweils zuvor eingestellte Pegel des Pulssignals beibehalten.
Infolge von Herstellungsfehlern oder infolge von nutzungs- oder alterungsbedingten Ursachen kann es bei einem derartigen Hall-Sensor zu einer ungenauen oder fehlerhaften Positionierung des Ringmagneten relativ zu der Hall-Sonde kommen. Dies führt regelmäßig dazu, dass die durch den Hall-Sensor gemessene magnetische Flussdichte ihre vorgesehenen Maximal- und Minimalwerte nicht mehr erreicht, und dass unter gegebenen Umständen die in dem Hall-Sensor induzierte Hall-Spannung die vorgegebenen Schaltschwellen nicht mehr zuverlässig überschreitet, so dass Pulse in dem von dem Hall-Sensor ausgegebenen Pulssignal fehlen. Hieraus resultieren regelmäßig Fehler bei der Bestimmung der Stellposition.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches, gleichwohl aber fehlersicheres Verfahren zur Positionsbestimmung eines motorisch angetriebenen verstellbaren Kraftfahrzeugteils („Stellelements“) unter Verwendung eines Hall-Sensors anzugeben. Des Weiteren soll eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Stellvorrichtung angegeben werden.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich der Stellvorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Ermittlung einer Stellposition eines mittels einer motorischen Stellvorrichtung verstellbaren Kraftfahrzeugteils (Stellelement), wobei die Stellvorrichtung einen in einem drehbeweglichen Magnetfeld angeordneten Hall-Sensor aufweist. Im Zuge des Verfahrens wird eine von dem Hall-Sensor erfasste periodische Änderung der magnetischen Flussdichte in ein (erstes) binäres Pulssignal umgesetzt, indem ein Pegel des Pulssignals geschaltet wird, wenn eine durch die magnetische Flussdichte induzierte Hall-Spannung eine erste Schaltschwelle überschreitet, oder wenn die Hall-Spannung eine zweite Schaltschwelle unterschreitet. Die erste Schaltschwelle ist dabei derart gewählt, dass sie die zweite Schaltschwelle um eine vorgegebene Hysterese übersteigt. Als „Hysterese“ wird daher der zwischen der oberen Schaltschwelle und der unteren Schaltschwelle liegende Wertebereich der Hall-Spannung bezeichnet. Aus dem ersten Pulssignal wird – insbesondere durch Abzählen der Pulse oder Pulsflanken (Pegelwechsel) – ein Maß für die Stellposition des Stellelements ermittelt. Diese berechnete Maß für die Stellposition des Stellelements ist – zur begrifflichen Unterscheidung von der tatsächlichen, physischen Stellposition des Stellelements – auch als "logische Stellposition" bezeichnet.
Als „binäres Pulssignal“ wird im Zuge des Verfahrens ein elektrisches Signal erzeugt, das zwischen zwei diskreten Pegeln wechselt. Diese Pegel sind nachfolgend in an sich üblicher Weise als „High“ und „Low“ bezeichnet und können beispielsweise durch Spannungswerte oder Widerstandswerte kodiert sein. Ein (auch als „Flanke“ bezeichneter) Pegelwechsel des Pulssignals bezeichnet somit einen Schaltvorgang, bei dem der Pegel des Pulssignals von „High“ auf „Low“, oder von „Low“ auf „High“ geschaltet wird.
Für das Verfahren ist zusätzlich zu den oben genannten Schaltschwellen mindestens eine weitere Schaltschwelle vorgegeben, die ihrem Wert nach (insbesondere mit deutlichem Abstand) zwischen der ersten Schaltschwelle und der zweiten Schaltschwelle liegt. Das Überschreiten oder Unterschreiten dieser mindestens einen weiteren Schaltschwelle wird dabei erfindungsgemäß ausgewertet, um Irregularitäten im zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte zu erkennen. Eine zu erkennende Irregularität liegt dabei insbesondere dann vor, wenn die induzierte Hall-Spannung – z.B. infolge eines dejustierten Ringmagneten oder anderweitiger Verschlechterung der magnetischen Schnittstelle – im Zuge ihrer periodischen Änderung die erste Schaltschwelle und/oder die zweite Schaltschwelle nicht mehr zuverlässig über- bzw. unterschreitet.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass aus dem von einem gewöhnlichen Hall-Sensor ausgegebenen Pulssignal grundsätzlich nicht erkennbar ist, ob ein Ausbleiben von Pulsen auf eine Irregularität des Magnetfeldverlaufs (und Hall-Spannungsverlaufs) zurückzuführen ist oder auf eine Verlangsamung oder Blockierung der Magnetfelddrehung (wie beispielsweise bei einer Blockierung der Bewegung des Stellelements). Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Einführung der mindestens einen weiteren Schaltschwelle behoben. Da diese weitere Schaltschwelle aufgrund ihrer Lage zwischen der ersten Schaltschwelle und der zweiten Schaltschwelle auch dann noch zuverlässig durch die Hall-Spannung über- bzw. unterschritten wird, wenn zumindest eine der beiden äußeren Schaltschwellen (also die erste Schaltschwelle und/oder die zweite Schaltschwelle) aufgrund einer Irregularität des Hall-Spannungsverlaufs nicht mehr sicher erreicht werden, bleibt in diesem Fall die fortgesetzte Drehung des Magnetfeldes trotz Ausfall von Pulsen in dem von den beiden äußeren Schaltschwellen getriggerten Pulssignal erkennbar. Auf diese Weise sind Irregularitäten des Magnetfeldverlaufs (und Hall-Spannungsverlaufs) von einer Verlangsamung oder Blockierung der Magnetfelddrehung unterscheidbar.
Grundsätzlich ist im Rahmen der Erfindung möglich, dass lediglich eine weitere Schaltschwelle zwischen der ersten Schaltschwelle und der zweiten Schaltschwelle vorgesehen ist. In zweckmäßiger Ausführung der Erfindung sind aber zwei weitere Schaltschwellen vorgesehen, die als dritte bzw. vierte Schaltschwelle (oder zusammen auch als „innere“ Schaltschwellen) bezeichnet sind. Dabei ist die dritte Schaltschwelle derart gewählt, dass sie die vierte Schaltschwelle um eine vorgegebene Hysterese übersteigt.
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird mittels dieser inneren Schaltschwellen die periodische Änderung der magnetischen Flussdichte in ein zweites binäres Pulssignal umgesetzt, indem ein Pegel dieses zweiten Pulssignals geschaltet wird, wenn die Hall-Spannung die dritte Schaltschwelle überschreitet, oder wenn die Hall-Spannung die vierte Schaltschwelle unterschreitet. Dieses zweite Pulssignal und das durch die äußeren Schaltschwellen getriggerte erste Pulssignal werden zur Erkennung von Irregularitäten im zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte vergleichend ausgewertet. Dabei wird ein Fehlersignal erzeugt, wenn die beiden Pulssignale hinsichtlich ihrer jeweiligen Pulsanzahl oder Pulsrate (also der Anzahl der Pulse in dem jeweiligen Pulssignal pro Zeiteinheit) um mehr als eine vorgegebene Toleranz voneinander abweichen. Alternativ oder zusätzlich wird dasselbe oder ein anderes Fehlersignal auch dann erzeugt, wenn die beiden Pulssignale eine irreguläre zeitliche Koinzidenz der Pulse aufweisen. Als "Koinzidenz" wird das zeitlich korrelierte Auftreten von Pulsen in den beiden Pulssignalen bezeichnet. "Irregulär" ist diese Koinzidenz immer dann, wenn auf einen Puls des zweiten Pulssignals nicht mit einem bestimmten Phasenversatz ein Puls des ersten Pulssignals folgt.
Bei der vorstehend beschriebenen Verfahrensvariante wird die logische Stellposition in Anwesenheit des Fehlersignals (und somit bei festgestellter Irregularität des Magnetfeldverlaufs) vorzugsweise aus dem zweiten Pulssignal ermittelt. Dies lässt vorteilhafterweise auch bei irregulärem Verlauf der Magnetfeldstärke eine vergleichsweise präzise Ermittlung der Stellposition zu.
Das bei abweichenden Pulsraten oder irregulärer Koinzidenz der Pulse in den beiden Pulssignalen erzeugte Fehlersignal kann im Rahmen der Erfindung zur Fehleranzeige (z.B. mittels einer Warnleuchte im Armaturenbrett des Fahrzeugs) oder zu Diagnosezwecken ausgegeben werden, z.B. an einen Bordcomputer des Fahrzeugs. Alternativ oder zusätzlich wird in einer zweckmäßigen Weiterentwicklung des Verfahrens in Anwesenheit des Fehlersignals ein vorgegebener Nachnormierungszyklus der Stellvorrichtung verkürzt.
Der "Nachnormierungszyklus" bezeichnet diejenige Anzahl von Betriebszyklen der Stellvorrichtung, nach deren Durchführung die Stellvorrichtung zur Angleichung der logischen Stellposition an die tatsächliche Stellposition nachnormiert wird. Hierzu wird das Stellelement üblicherweise bis zur mechanischen Blockierung der Stellbewegung an ein Ende seines Stellwegs gefahren. In diesem Blockzustand wird die logische Stellposition dann auf einen vorgegebenen Referenzwert (z.B. auf null) zurückgesetzt. Die Verkürzung des Nachnormierungszyklus hat somit zur Folge, dass die Stellvorrichtung häufiger nachnormiert wird, wodurch ein Abdriften (also eine sukzessiv zunehmende Abweichung) der logischen Stellposition von der tatsächlichen Stellposition effektiv begrenzt wird. Zusätzlich oder alternativ kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass Grenzwerte zur Pulsausfalldetektion angepasst, insbesondere verschärft werden.
In einer alternativen Verfahrensvariante wird der Pegel des binären Pulssignals nur dann geschaltet, wenn während einer Periode der Hall-Spannung sowohl erste Schaltschwelle als auch die weitere Schaltschwelle oder eine der weiteren Schaltschwelle durch die Hall-Spannung überschritten werden, und wenn während einer Periode der Hall-Spannung sowohl eine zweite Schaltschwelle als auch die weitere Schaltschwelle oder eine der weiteren Schaltschwelle durch die Hall-Spannung unterschritten werden.
Wenn dagegen während einer Periode der Hall-Spannung nur die weitere Schaltschwelle oder eine der weiteren Schaltschwelle, (nicht aber die erste Schaltschwelle) durch die Hall-Spannung überschritten werden, oder wenn während einer Periode der Hall-Spannung nur die weitere Schaltschwelle oder eine der weiteren Schaltschwelle (nicht aber die zweite Schaltschwelle) durch die Hall-Spannung unterschritten werden, wird die Erzeugung des Pulssignals vorzugsweise gesperrt. Das Pulssignal wird in diesem Fall entweder gar nicht erzeugt oder zwar intern in dem Hall-Sensor erzeugt, aber nicht ausgegeben. Ein irregulärer Verlauf der Magnetfeldstärke ist in diesem Fall an der Sperrung des Pulssignals erkennbar.
Bei gesperrtem Pulssignal werden Stellvorgänge der Stellvorrichtung entweder gänzlich unterbunden oder auf ein (im Vergleich zu dem gesamten Stellweg) kurzes Stellwegintervall begrenzt. Alternativ werden bei gesperrtem Pulssignal Stellvorgänge nur für die Betätigungsdauer eines Befehlsgebers (z.B. eines Bedienschalters) durchgeführt. Es werden mit anderen Worten nur manuell (durch Nutzerinteraktion) veranlasste Stellvorgänge ausgeführt, nicht aber automatische Stellvorgänge.
Die erfindungsgemäße motorische Stellvorrichtung weist zur Bestimmung der logischen Stellposition des Stellelements einen in einem drehbeweglichen Magnetfeld angeordneten Hall-Sensor auf. Die Stellvorrichtung ist dabei allgemein zur automatischen Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, insbesondere nach einer vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante, eingerichtet, so dass das Verfahren im bestimmungsgemäßen Betrieb der Stellvorrichtung automatisch ausgeführt wird.
Die Stellvorrichtung umfasst zusätzlich zu dem Hall-Sensor in zweckmäßiger Ausführung einen elektrischen Stellmotor, eine Stellmechanik, über die die Motordrehung in eine Bewegung des Stellelements umgesetzt wird, sowie eine Steuereinheit (Controller), der das oder jedes von dem Hall-Sensor erzeugte Pulssignal als Eingangsgröße zugeführt ist.
In zweckmäßiger Ausführung der Stellvorrichtung ist ein dem Hall-Sensor zugeordneter Ringmagnet drehfest mit der Motorwelle gekoppelt. Zur Erzeugung des oder jedes Pulssignals umfasst der Hall-Sensor eine Schalteinheit vorzugsweise in Form einer Anzahl von Schmitt-Triggern (d.h. elektronischen Komparatorschaltungen mit Hysterese).
Der Hall-Sensor ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung CMOS-Halbleiterchip ausgeführt, in den die Schalteinheit (insbesondere die vorstehend beschriebenen Schnitt-Trigger) integriert ist, so dass als Ausgangsignal des Hall-Sensors unmittelbar das oder jedes binäre Pulssignal als Maß für die Drehgeschwindigkeit des Ringmagneten abgreifbar ist. Zusätzlich zu diesem binären Pulssignal erzeugt der Hall-Sensor vorzugsweise ein phasenverschobenes zweites Pulssignal und gibt ein aus dem Vergleich dieser beiden Pulssignale gewonnenes zweites Ausgangssignal (Richtungssignal) aus, das für die Drehrichtung des Ringmagneten charakteristisch ist. In einer alternativen Ausgestaltung ist der Hall-Sensor mit sogenannten Open Collector-Ausgängen versehen, bei denen die genannten Signale durch variierende Widerstandswerte kodiert sind.
Die Steuereinheit ist vorzugsweise durch einen Mikrocontroller mit einem darin lauffähig implementierten Steuerprogramm (Firmware) oder durch einen nichtprogrammierbaren, elektronischen Schaltkreis (insbesondere einen ASIC) gebildet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in schematisch vereinfachter perspektivischer Darstellung eine motorische Stellvorrichtung für ein verstellbares Fahrzeugteil, hier eine Fahrzeugscheibe, mit einem antriebsseitigen Ringmagneten und mit einem Hall-Sensor mit nachgeschalteter Steuereinheit,
2 in einem schematischen Blockschaltbild den Ringmagnet, den Hall-Sensor und die Steuereinheit der Stellvorrichtung gemäß 1, und
3 in drei übereinander angeordneten, synchronen Diagrammen einen beispielhaften zeitlichen Verlauf der von einer Hall-Sonde des Hall-Sensors erfassten Hall-Spannung (oberes Diagramm), sowie einen entsprechenden Verlauf zweier von dem Hall-Sensor aus der Hall-Spannung abgeleiteter Pulssignale (mittleres bzw. unteres Diagramm).
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine als Fensterheber ausgebildete Stellvorrichtung 1 für ein verstellbares Kraftfahrzeugteil, bei dem es in dem dargestellten Beispiel um eine Fahrzeugscheibe 2 handelt.
Die Stellvorrichtung 1 umfasst einen elektrischen Stellmotor 3, der über eine Stellmechanik 4 derart mechanisch mit der Fahrzeugscheibe 2 gekoppelt ist, dass die Fahrzeugscheibe 2 durch den Stellmotor 3 entlang eines Stellweges 5 reversibel zwischen zwei Endstellungen, nämlich einer Öffnungsstellung 6 und einer Schließstellung 7, verfahrbar ist. Die Lage der Fahrzeugscheibe 2 in der Öffnungsstellung 6 und der Schließstellung 7 ist in 1 jeweils mit gestrichelten Linien angedeutet. Mit durchgezogenen Linien ist die Fahrzeugscheibe 2 in einer zwischen diesen Endstellungen liegenden (in der Darstellung willkürlich eingezeichneten) Stellposition x dargestellt.
Eine Betätigung des Stellmotors 3, aufgrund dessen die Fahrzeugscheibe 2 entlang des Stellwegs 5 bewegt (d.h. abgesenkt oder angehoben) wird, wird allgemein als "Stellvorgang" bezeichnet. Ein Sequenz solcher Stellvorgänge, im Zuge welcher die Fahrzeugscheibe 2 aus ihrer Schließstellung 7 ganz oder teilweise abgesenkt, und anschließend wieder in die Schließstellung 7 verfahren wird, wird als "Betriebszyklus" bezeichnet.
Die Stellmechanik 4 umfasst eine auf einer Motorwelle 8 des Stellmotors 3 aufgebrachte Antriebsschnecke 9, die mit einem Schneckenrad 10 kämmt.
Die Stellvorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Steuereinheit 11 in Form eines Mikrocontrollers mit einer darin lauffähig implementierten Steuersoftware (Firmware) sowie einen Drehstellungssensor 12.
Der Drehstellungssensor 12 umfasst einen auf der Motorwelle 8 drehfest aufgebrachten mehrpoligen (beispielhaft vierpoligen) Ringmagneten 13 sowie einen mit diesem zusammenwirkenden Hall-Sensor 14.
Der Hall-Sensor 14 gibt drei nachfolgend näher beschriebene Signale an die Steuereinheit 11 aus, nämlich zwei (Geschwindigkeits-)Signale S₁ und S₂ und ein (Richtungs-)Signal R', aus denen die Stellvorrichtung ein Maß ("logische Stellposition") für die tatsächliche Stellposition x der Fahrzeugscheibe 2 berechnet. Die Steuereinheit 11 steuert ihrerseits den Stellmotor 3 durch Ausgabe einer Motorspannung V an. Die Steuereinheit 11 gibt außerdem unter nachfolgend näher beschriebenen Umständen ein Fehlersignal F aus.
Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst der Hall-Sensor 14 zwei sensitive Flächen, die nachfolgend als Hall-Sonden 15 und 16 bezeichnet sind. Jeder Hall-Sonde 15, 16 ist jeweils ein Verstärker- und Filterschaltkreis 17 bzw. 18 (z.B. in Form eines Operationsverstärkers und eines Bandpassfilters) nachgeschaltet.
Jedem der beiden Verstärker- und Filterschaltkreise 17 und 18 ist jeweils eine Schalteinheit in Form eines Schmitt-Triggers 21 bzw. 22 (d.h. einer Komparatorschaltung mit Hysterese) nachgeschaltet. Parallel zu dem Schmitt-Trigger 21 ist ein weiterer Schmitt-Trigger 23 geschaltet. Durch eine Hysteresebeschaltung 24 sind die beiden Schmitt-Trigger 21 und 22 auf eine Hysterese H₁, und der Schmitt-Trigger 23 auf eine davon verschiedene Hysterese H₂ eingestellt. Wie aus 3 hervorgeht, sind die Hysterese H₁ durch eine erste Schaltschwelle U_h1 und eine zweite Schaltschwelle U_l1, und die Hysterese H₂ durch eine dritte Schaltschwelle U_h2 und eine vierte Schaltschwelle U_l2 definiert, wobei für diese Schaltschwellen die Größenrelation U_h1 > U_h2 > U_l2 > U_l1 gilt.
Die beiden Schmitt-Trigger 21 und 23 sind ausgangsseitig jeweils mit einem Ausgangsschaltglied 25 bzw. 26 verschaltet, wobei die Ausgangsschaltglieder wiederum jeweils mit einem (Geschwindigkeits-)Ausgang 27 bzw. 28 des Hall-Sensors 14 verschaltet sind.
Die Ausgänge der beiden Schmitt-Trigger 21 und 22 sind andererseits auf einen Richtungserkennungsschaltkreis 29 geführt. Dieser Richtungserkennungsschaltkreis 29 ist ausgangsseitig über ein weiteres Ausgangsschaltglied 30 mit einem (Richtungs-)Ausgang 31 des Hall-Sensors 14 verbunden.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausgänge 27, 28 und 31 als Open-Collector-Ausgänge ausgeführt, die zwischen einem hochohmigen Zustand ("High") und einem niederohmigen Zustand ("Low") schaltbar sind. In diesem Fall sind die Ausgangsschaltglieder 25, 26 und 30 jeweils durch einen Bipolartransistor gebildet, dessen Kollektor mit dem jeweils zugeordneten Ausgang 27, 28 bzw. 31 verschaltet ist, und dessen Emitter jeweils auf Massenpotential M (kurz: "Masse") gelegt und entsprechend mit einem Masseanschluss 32 des Hall-Sensors 14 verbunden ist.
Über die Ausgänge 27, 28 und 31 sowie den Masseanschluss 32 ist der Hall-Sensor 14 mit korrespondierenden Anschlüssen der Steuereinheit 11 verbunden.
Während eines Stellvorgangs erzeugt der mit der Motorwelle 8 mitrotierende Ringmagnet 13 eine magnetische Flussdichte B₁, deren zur Hall-Sonde 15 senkrechter (orthogonaler) Anteil am Ort der Hall-Sonde 15 zeitlich periodisch oszilliert. Am Ort der Hall-Sonde 16 erzeugt der Ringmagnet 13 eine magnetische Flussdichte B₂ mit entsprechendem, aber zu der Flussdichte B₁ phasenversetzten Verlauf des zur Hall-Sonde 16 senkrechten Anteils.
Unter Wirkung der Flussdichten B₁ und B₂ wird in den Hall-Sonden 15, 16 jeweils eine elektrische Hall-Spannung U₁ bzw. U₂ erzeugt. Der Betrag der Hall-Spannung U₁, U₂ ist hierbei stets proportional zu dem orthogonalen Anteil der Flussdichte B₁ bzw. B₂.
Die Hall-Spannungen U₁ bzw. U₂ werden mittels des jeweils nachgeschalteten Verstärker- und Filterschaltkreises 17 bzw. 18 verstärkt und gefiltert. Eine verstärkte und gefilterte Hall-Spannung U₁‘ wird dann den nachgeschalteten Schmitt-Triggern 21 und 23 zugeführt. Ebenso wird eine verstärkte und gefilterte Hall-Spannung U₂‘ dem nachgeschalteten Schmitt-Trigger 22 zugeführt. Ein beispielhafter Verlauf der Hall-Spannung U₁' ist in dem oberen Diagramm der 3 gegen die Zeit t angetragen. Die Hall-Spannung U₂' weist einen entsprechenden, im Vergleich zu der Hall-Spannung U₁' aber phasenversetzten Verlauf auf.
Jeder der drei Schmitt-Trigger 21, 23 und 22 erzeugt in Abhängigkeit der jeweils zugeführten Hall-Spannung U₁‘ bzw. U₂‘ und der jeweils eingestellten Hysterese H₁ bzw. H₂ jeweils ein binäres Pulssignal I₁, I₂ bzw. I₃. Bei den Pulssignalen I₁ bis I₃ handelt es sich vorzugsweise um Spannungssignale, die zwischen zwei Spannungswerten, z.B. +5V ("High") und +0,5V ("Low"), schaltbar sind.
Wie in 3 dargestellt ist, schaltet der Schmitt-Trigger 21 dabei den Pegel des Pulssignals I₁ stets

– von „High“ auf „Low“, wenn der Wert der Hall-Spannung U₁‘ die erste Schaltschwelle U_h1 übersteigt, und
– von „Low“ auf „High“, wenn der Wert der Hall-Spannung U₁‘ die zweite Schaltschwelle U_l1 unterschreitet.

Entsprechend schaltet der Schmitt-Trigger 23 gemäß 3 den Pegel des Pulssignals I₂ stets

– von „High“ auf „Low“, wenn der Wert der Hall-Spannung U₁‘ die erste Schaltschwelle U_h2 übersteigt, und
– von „Low“ auf „High“, wenn der Wert der Hall-Spannung U₁‘ die zweite Schaltschwelle U_l2 unterschreitet.

Durch die Ausgangsschaltglieder 27 und 28 wird das jeweils zugeführte Pulssignal I₁ bzw. I₂ jeweils in das zugeordnete Geschwindigkeitssignal S₁ bzw. S₂ umgewandelt. Jedes der beiden Geschwindigkeitssignale S₁, S₂ enthält hierbei dieselbe binäre Information wie das jeweils zugehörige Pulssignal I₁ bzw. I₂ (wodurch die Signale I₁ und S₂ sowie I₂ und S₂ in der Darstellung gemäß 3 identisch sind). Bei den als Open-Collector-Signale vorliegenden Geschwindigkeitssignalen S₁, S₂ ist diese binäre Information allerdings in Form von Widerstandwerten kodiert, wobei insbesondere der Binärwert "High" durch einen hohen Widerstandswert, und der Binärwert "Low" durch einen geringen Widerstandswert gekennzeichnet sind. Die Geschwindigkeitssignale S₁ und S₂ werden über die Ausgänge 27 und 28 an die Steuereinheit 11 ausgegeben.
Die beiden Pulssignale I₁ und I₂ werden andererseits in der Richtungserkennungsschaltung 29 miteinander verglichen. Aus dem Phasenversatz der Pulssignale I₁ und I₂ (konkret aus der Reihenfolge, in der korrespondierende Pulse in den Pulssignalen I₁, I₂ aufeinander folgen) leitet die Richtungserkennungsschaltung 29 ein Richtungssignal R in Form eines binären Spannungssignals ab. Das Richtungssignal R wird durch das Ausgangsschaltglied 30 in das (wiederum in Form eines Open-Collector-Signals vorliegende) Richtungssignal R' mit gleichem binären Informationsgehalt umgewandelt, wobei Richtungssignal R' über den Ausgang 31 an die Steuereinheit 11 ausgegeben wird.
Durch Zählen der aufeinanderfolgenden Pulse oder Pegelwechsel (Flanken) in den Geschwindigkeitssignalen S₁ und S₂ ermittelt die Steuereinheit 11 die logische Stellposition. Durch den Wert des Richtungssignals R wird dabei bestimmt, ob die logische Stellposition um die Anzahl der gezählten Pulse bzw. Flanken erniedrigt oder erhöht wird.
Bei regulärem Verlauf der Hall-Spannung U₁', wie er in der linken Bildhälfte der 3 dargestellt ist, werden die inneren Schaltschwellen U_h2 und U_l2 stets vor den korrespondierenden äußeren Schaltschwellen U_h1 bzw. U_l2 über- bzw. unterschritten. Die Geschwindigkeitssignale S₁ und S₂ weisen in diesem Fall – zumindest in vorgegebenen Toleranzgrenzen – stets einen konstanten Phasenversatz und die gleiche Pulsrate auf. In diesem Fall (der auch als Normalbetriebsmodus bezeichnet ist) berechnet die Steuereinheit 11 die logische Stellposition aus der Pulsanzahl oder Pulsrate des Pulssignals S₁ oder aus dem Mittelwert der jeweiligen Pulsanzahlen oder Pulsraten der Geschwindigkeitssignale S₁ und S_2.
Wenn dagegen, z.B. aufgrund fehlerhafter Positionierung des Ringmagneten 13 relativ zu dem Hall-Sensor 14, die Hall-Spannung U₁' irregulärerweise nicht ihre vorgesehenen Maximal- und/oder Minimalwerte erreicht, kann es dazu kommen, das die Hall-Spannung U₁' die äußeren Schaltschwellen U_h1 und/oder U_l1 (in einigen oder sogar allen Perioden) nicht mehr über- bzw. unterschreitet. Dieser Fall ist in der rechten Bildhälfte der 3 dargestellt. Wie aus der Darstellung erkennbar ist, fallen in diesem Fall Pulse in dem Geschwindigkeitssignal S₁ aus, so dass die Pulsrate des Geschwindigkeitssignals S₁ gegenüber der Pulsrate des Geschwindigkeitssignals S₂ deutlich erniedrigt ist oder sogar auf null absinkt.
Um solche Irregularitäten im Verlauf der Hall-Spannung U₁' zu erkennen, vergleicht die Steuereinheit 11 die Differenz der Pulsraten oder Pulsanzahlen der beiden Pulssignale S₁ und S₂ mit einem vorgegebenen Schwellwert (auch als „Toleranz“ bezeichnet). Sofern die Differenz den Schwellwert überschreitet, erzeugt die Steuereinheit 11 ein Fehlersignal F, das auf eine festgestellte Irregularität des Magnetfeldverlaufs hinweist. Dieses Fehlersignal F wird einerseits durch die Steuereinheit 11 zu Diagnosezwecken ausgegeben, insbesondere an einen Bordcomputer des Fahrzeugs. Andererseits wird durch das Fehlersignal F der Prozess zur Berechnung der logischen Stellposition in einen Fehlermodus geschaltet, in dem die Steuereinheit 11 die logische Stellposition ausschließlich aus der Pulsrate oder Pulsanzahl des Geschwindigkeitssignals S₂ berechnet.
Zudem wird durch das Fehlersignal ein vorgegebener Nachnormierungszyklus der Stellvorrichtung 1 verkürzt. Der Nachnormierungszyklus legt die Anzahl der mittels der Stellvorrichtung 1 durchgeführten Betriebszyklen fest, nach Ablauf von welchen die Steuereinheit 11 jeweils eine Nachnormierung der logischen Stellposition durchführt. Während am Ende von gewöhnlichen Betriebszyklen der Stellmotor 3 durch die Steuereinheit 11 abgestellt wird, wenn die logische Stellposition einen vorgegeben Schwellwert ("Vorabschaltposition") erreicht, wird der Stellmotor 3 im Fall der Nachnormierung solange durch die Steuereinheit 11 betätigt, bis die Bewegung der Fahrzeugscheibe 2 durch Anschlag an einem Fensterrahmen des Fahrzeugs mechanisch blockiert wird. Wenn die Fahrzeugscheibe 2 diese Blockposition erreicht hat, wird die logische Stellposition durch die Steuereinheit 11 auf einen vorgegebenen Referenzwert (z.B. auf null) zurückgesetzt. Durch diese Nachnormierung wird verhindert, dass die logische Stellposition durch Summation von Zählfehlern sukzessive von der tatsächliche Stellposition x der Fahrzeugscheibe 2 abdriftet.
In einer nicht dargestellten Variante der Stellvorrichtung 1 wird das Richtungssignal R aus dem Phasenversatz zwischen den Pulssignalen I₁ und I₂ bestimmt, sofern dieser Phasenversatz und der damit verbundene Zeitunterschied zwischen den korrespondierenden Pulsflanken der Pulssignale S₁ und S₂ hinreichend groß ist, um sicher detektiert zu werden. In diesem Fall sind dem Richtungserkennungsschaltkreis 29 die Pulssignale I₁ und I₂ zugeführt. Die Hall-Sonde 16, der Verstärker- und Filterkreis 18 und der Schmitt-Trigger 22 sind in diesem Fall nicht vorhanden.
Die Erfindung wird an dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel besonders deutlich, ist auf dieses gleichwohl aber nicht beschränkt. Vielmehr können zahlreiche weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
Bezugszeichenliste

1: Stellvorrichtung
2: Fahrzeugscheibe
3: Stellmotor
4: Stellmechanik
5: Stellweg
6: Öffnungsstellung
7: Schließstellung
8: Motorwelle
9: Antriebsschnecke
10: Schneckenrad
11: Steuereinheit
12: Drehstellungssensor
13: Ringmagnet
14: Hall-Sensor
15: Hall-Sonde
16: Hall-Sonde
17: Verstärker- und Filterschaltkreis
18: Verstärker- und Filterschaltkreis
21: Schmitt-Trigger
22: Schmitt-Trigger
23: Schmitt-Trigger
24: Hysteresebeschaltung
25: Ausgangsschaltglied
26: Ausgangsschaltglied
27: (Geschwindigkeits-)Ausgang
28: (Geschwindigkeits-)Ausgang
29: Richtungserkennungsschaltkreis
30: Ausgangsschaltglied
31: (Richtungs-)Ausgang
32: Masseanschluss
t: Zeit
x: Stellposition
B₁: Flussdichte
B₂: Flussdichte
F: Fehlersignal
H₁: Hysterese
H₂: Hysterese
I₁: Pulssignal
I₂: Pulssignal
M: Massepotential
R: Richtungssignal
R': Richtungssignal
S₁: (Geschwindigkeits-)Signal
S₂: (Geschwindigkeits-)Signal
U₁: Hall-Spannung
U₂: Hall-Spannung
U₁': Hall-Spannung
U₂': Hall-Spannung
U_h1: (erste) Schaltschwelle
U_l1: (zweite) Schaltschwelle
U_h2: (dritte) Schaltschwelle
U_l2: (vierte) Schaltschwelle
V: Motorspannung

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

DE 102009034664 A1 [0001]
DE 19916400 C1 [0004]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Stellposition (x) eines mittels einer motorischen Stellvorrichtung (1) verstellbaren Kraftfahrzeugteils (2), wobei die Stellvorrichtung (1) einen in einem drehbeweglichen Magnetfeld angeordneten Hall-Sensor (14) aufweist, wobei eine von dem Hall-Sensor (14) erfasste periodische Änderung der magnetischen Flussdichte (B₁) in ein erstes binäres Pulssignal (S₁) umgesetzt wird, indem ein Pegel des Pulssignals (S₁) geschaltet wird, wenn eine durch die magnetische Flussdichte (B₁) induzierte Hall-Spannung (U₁‘) eine erste Schaltschwelle (U_h1) überschreitet oder eine zweite Schaltschwelle (U_l1) unterschreitet, wobei die erste Schaltschwelle (U_h1) die zweite Schaltschwelle (U_l1) um eine vorgegebene Hysterese (H₁) übersteigt, und wobei anhand des Pulssignals (S₁) ein Maß für die Stellposition (x) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung von Irregularitäten im zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte (B₁) zusätzlich das Überschreiten oder Unterschreiten mindestens einer weiteren Schaltschwelle (U_h2, U_l2) durch die Hall-Spannung (U₁‘) ausgewertet wird, wobei die oder jede weitere Schaltschwelle (U_h2, U_l2) der ersten Schaltschwelle (U_h1) und der zweiten Schaltschwelle (U_l1) zwischengeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überschreiten einer dritten Schaltschwelle (U_h2) und das Unterschreiten einer vierten Schaltwelle (U_l2) durch die Hall-Spannung (U₁‘) ausgewertet werden, wobei die dritte Schaltschwelle (U_h2) die vierte Schaltschwelle (U_l2) um eine vorgegebene Hysterese (H₂) übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die periodische Änderung der magnetischen Flussdichte (B₁) in ein zweites binäres Pulssignal (S₂) umgesetzt wird, indem ein Pegel des zweiten Pulssignals (S₂) geschaltet wird, wenn die Hall-Spannung (U₁‘) die dritte Schaltschwelle (U_h2) überschreitet, oder die vierte Schaltschwelle (U_l2) unterschreitet, und wobei die beiden binären Pulssignale (S₁, S₂) zur Erkennung von Irregularitäten im zeitlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte (B₁) vergleichend ausgewertet werden, und wobei ein Fehlersignal (F) erzeugt wird, wenn die beiden Pulssignale (S₁, S₂) hinsichtlich ihrer jeweiligen Pulsanzahl oder Pulsrate um mehr als eine vorgegebene Toleranz voneinander abweichen und/oder eine irreguläre zeitliche Koinzidenz der Pulse aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei in Anwesenheit des Fehlersignals (F) das Maß für die Stellposition (x) aus dem zweiten Pulssignal (S₂) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei in Anwesenheit des Fehlersignals (F) ein vorgegebener Nachnormierungszyklus zur Angleichung des Maßes für die Stellposition (x) an die tatsächliche Stellposition (x) verkürzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Pegel des binären Pulssignals nur dann geschaltet wird, – wenn während einer Periode der Hall-Spannung sowohl die erste Schaltschwelle als auch die weitere Schaltschwelle oder eine der weiteren Schaltschwellen durch die Hall-Spannung überschritten werden, oder – wenn während einer Periode der Hall-Spannung sowohl die zweite Schaltschwelle als auch die weitere Schaltschwelle oder eine der weiteren Schaltschwellen durch die Hall-Spannung unterschritten werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Erzeugung des Pulssignals gesperrt wird, – wenn während einer Periode der Hall-Spannung nur die weitere Schaltschwelle oder eine der weiteren Schaltschwellen, nicht aber die erste Schaltschwelle durch die Hall-Spannung überschritten werden, oder – wenn während einer Periode der Hall-Spannung nur die weitere Schaltschwelle oder eine der weiteren Schaltschwellen, nicht aber die zweite Schaltschwelle durch die Hall-Spannung unterschritten werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei bei gesperrtem Pulssignal Stellvorgänge der Stellvorrichtung unterbunden oder auf ein kurzes Stellwegintervall begrenzt oder nur für die Betätigungsdauer eines Befehlsgebers durchgeführt werden.
Motorische Stellvorrichtung (1) für ein verstellbares Kraftfahrzeugteil (2), die zur Ermittlung einer Stellposition (x) des Kraftfahrzeugteils (2) einen in einem drehbeweglichen Magnetfeld angeordneten Hall-Sensor (14) aufweist, wobei die Stellvorrichtung (1) zur automatischen Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingerichtet ist.