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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Verstellsysteme, wie Öffnungs- und Schließsysteme für Kraftfahrzeuge, insbesondere automatische Schiebedachsysteme, Fensterhebersysteme oder Sitzverstellsysyteme. Die Erfindung betrifft weiterhin Maßnahmen zum Schutz der Mechanik im Falle eines Anschlagens eines Verstellelements an eine Endposition bzw. bei einer Blockierung im Verstellbereich.
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Technischer Hintergrund
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Automatische Verstellsysteme für Fahrzeuge werden für automatische Fensterhebersysteme und automatische Schiebedachsysteme angewendet. Sie ermöglichen das Öffnen und Schließen einer entsprechenden Fahrzeugöffnung durch Bewegen eines entsprechenden Verstellelements, wie beispielsweise einer Fensterscheibe oder einem Schiebedach.
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Zum Bewegen des Verstellelements ist dieses über eine Verstellmechanik mit einem Stellmotor gekoppelt. Die Verstellmechanik wandelt in der Regel eine rotatorische Bewegung des Stellmotors in eine translatorische Verstellbewegung des Verstellelements um. Der Stellmotor wird in der Regel drehzahlgeregelt betrieben, um eine möglichst gleichförmige Bewegung des Verstellelements zu erreichen.
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Beim Bewegen des Verstellelements fährt dieses an Endpositionen des möglichen Verfahrwegs gegen einen entsprechenden Endanschlag. Da sich beim Erreichen des Endanschlags aufgrund des drehzahlgeregelten Betriebs des Stellmotors der Motorstrom aufgrund der zunehmenden Regelabweichung erheblich bis zu einem Maximalmoment erhöht, wirkt ein hohes Blockiermoment zum Zeitpunkt, zu dem das Verstellelement an dem Endanschlag gestoppt wird. Dies führt zu hohen Kräften in der Verstellmechanik, auf das Verstellelement und auf den Endanschlag. Daher müssen die betreffenden Komponenten des Verstellsystems entsprechend robust ausgebildet sein, um den durch die entsprechende Auslegung des Stellmotors bewirkten Drehmomenten widerstehen zu können.
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Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verstellsystem zur Verfügung zu stellen, bei dem die mechanische Beanspruchung der Verstellmechanik und des Endanschlags bei Erreichen der Endposition durch das Verstellelement reduziert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Verstellsystems für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Fensterhebersystem oder ein Schiebedachsystem, gemäß Anspruch 1 sowie ein Verstellsystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verstellsystem in einem Kraftfahrzeug, insbesondere eines Schiebedachsystems oder eines Fensterhebersystems vorgesehen, wobei ein Verstellelement mithilfe eines Stellmotors translatorisch verfahrbar ist, mit folgenden Schritten:
- - Betreiben des Stellmotors mit einer Drehzahlregelung,
- - Überwachen einer Drehzahl des Stellmotors, wobei bei Feststellen eines Unterschreitens einer Regelungsabschaltschwelle durch die Drehzahl die Drehzahlregelung deaktiviert wird und ein Schutzbetriebsmodus eingenommen wird, wobei in dem Schutzbetriebsmodus der Stellmotor mit einem vorgegebenen zu stellenden Motormoment betrieben wird, das umso niedriger ist je geringer die Drehzahl ist.
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Bei Feststellen eines Überschreitens der Regelungsabschaltschwelle durch die Drehzahl kann die Drehzahlregelung wieder aktiviert Werden und der Schutzbetriebsmodus verlassen werden.
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Stellmotoren für automatische Verstellsysteme, wie einen Schiebedachsystem oder einem Fensterhebersystem, in einem Kraftfahrzeug werden häufig mithilfe von einfachen Drehzahlregelungen betrieben. Dabei wird das Verstellelement, d. h. die Fensterscheibe oder das Schiebedach, mit konstanter Verstellgeschwindigkeit bewegt, indem der entsprechende Stellmotor drehzahlgeregelt wird. Die Drehzahlregelung ermöglicht den Ausgleich von variierenden Reibungen des Verstellelements in deren entsprechenden Führungen während des Verfahrens, so dass ein sanftes ruckelfreies Öffnen und Schließen der jeweiligen Fahrzeugöffnung möglich ist.
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Bei Erreichen eines Endanschlags, d. h. z.B. entweder eine Offenstellung oder eine Schließstellung bei einem Öffnungs- und Schließsystem, trifft das Verstellelement auf ein Dämpfungselement und wird dadurch gebremst. Dadurch gelangt die Drehzahlregelung aufgrund der abnehmenden Drehzahl und der daraus resultierenden Regelabweichung in eine Sättigung, bei der insbesondere der Stellmotor so angesteuert wird, dass der Motorstrom maximal wird und dadurch ein maximales Moment von dem Antriebsmotor bereitgestellt wird. Dieses maximale Moment wirkt bei schnell abnehmender Drehzahl und stellt eine hohe Belastung für alle Komponenten des Verstellsystems dar, insbesondere wenn das Verstellelement auf dem Endanschlag auftrifft.
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Das obige Verfahren sieht diesbezüglich vor, die Drehzahlregelung für den Stellmotor bei Unterschreiten einer Regelungsabschaltschwelle, die durch eine Schwellendrehzahl unter einer Soll-Drehzahl für den geregelten Betrieb bestimmt ist, zu verlassen und einen Schutzbetriebsmodus einzunehmen. In dem Schutzbetriebsmodus wird die Drehzahl überwacht und das gestellte Motormoment oder der gestellte Motorstrom drehzahlabhängig begrenzt, so dass mit abnehmender Drehzahl das Motormoment verringert ist. Sinkt nun die Drehzahl aufgrund des Anschlages des Verstellelements an den Endanschlag noch weiter ab und wird zu null, ist das nun wirkende Motormoment gegenüber dem maximalen Motormoment reduziert, so dass die Komponenten des Verstellsystems einer geringeren mechanischen Belastung ausgesetzt sind.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in dem Schutzbetriebsmodus Schutzdrehzahlschwellen definiert sind, wobei jeweils bei Unterschreiten einer der Schutzdrehzahlschwellen durch die Drehzahl das zu stellende Motormoment reduziert wird, wobei jeweils bei Überschreiten einer der Schutzdrehzahlschwellen durch die Drehzahl das zu stellende Motormoment erhöht wird.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass in dem Schutzbetriebsmodus Drehzahlbereiche definiert sind, für die jeweils ein zu stellendes Motormoment vorgegeben ist.
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Das zu stellende Drehmoment kann für die Drehzahlbereiche in Richtung abnehmender Drehzahl jeweils um einen vorbestimmten relativen oder absoluten Betrag reduziert werden, wobei insbesondere das zu stellende Motormoment für den Drehzahlbereich, der sich an die Drehzahl von 0 anschließt, 80%-90% des maximal stellbaren Motormoments entspricht.
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Somit können eine oder mehrere Schutzdrehzahlschwellen definiert sein, die für verschiedene Drehzahlbereiche unter der Schwellendrehzahl jeweils ein zu stellendes Motormoment oder einen zu stellende Motorstrom vorgeben, wobei je niedrigerer ein Drehzahlbereich ist desto niedriger auch das zu stellende Motormoment oder der zu stellende Motorstrom. Dadurch kann nach Unterschreiten bei abnehmender Motordrehzahl das Motormoment schrittweise reduziert werden.
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Weiterhin kann der Stellmotor mithilfe einer Pulsweitenmodulation angesteuert werden, wobei das zu stellende Motormoment als zu stellender Motorstrom vorgegeben wird.
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Das Einstellen des Motorstroms erfolgt in der Regel durch Vorgeben einer Motorspannung, die insbesondere mithilfe eines Pulsweitenmodulationsverfahrens abhängig von einem vorgegebenen Tastverhältnis eingestellt werden kann. Das Tastverhältnis gibt die Spannung als Anteil einer Versorgungsspannung an und bestimmt durch eine resultierende effektive Spannung an dem Stellmotor den Motorstrom und dadurch das von dem Stellmotor bereitgestellte Motormoment. Wenn also bei oben beschriebener Drehzahlregelung das Tastverhältnis als Stellgröße der Regelung einen Maximalwert von beispielsweise 95 % bis 98 % erreicht und die Drehzahl unter die Regelungsabschaltschwelle sinkt, so wird die Drehzahlregelung deaktiviert und der Schutzbetriebsmodus eingenommen. Bei einer Drehzahl, die der Regelungsabschaltschwelle entspricht, wird im Schutzbetriebsmodus der Maximalwert des Tastverhältnisses zunächst beibehalten. In dem Schutzbetriebsmodus wird die Drehzahl überwacht und das gestellte Tastverhältnis drehzahlabhängig begrenzt, so dass mit abnehmender Drehzahl das Motormoment verringert ist. Sinkt nun die Drehzahl aufgrund des Anschlages des Verstellelements an den Endanschlag noch weiter ab und wird zu null, ist das nun wirkende Motormoment gegenüber dem maximalen Motormoment reduziert, so dass die Komponenten des Verstellsystems einer geringeren mechanischen Belastung ausgesetzt sind.
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Die Schutzdrehzahlschwellen sind nun als Drehzahlgrenzen definiert, die beispielsweise abhängig von einer der Drehzahlregelung zugrundeliegenden Soll-Drehzahl definiert sein können. So kann beispielsweise bei 50 % der Solldrehzahl eine erste Schutzdrehzahlschwellen vorgesehen sein, bei der das maximale Tastverhältnis, d. h. der maximale Motorstrom, um einen relativen oder absoluten Betrag reduziert ist, wie beispielsweise um 5 % des ursprünglichen maximalen Tastverhältnisses bzw. Motorstroms. Es können weitere Schutzschwellen vorgesehen sein, beispielsweise bei 45 %, 40 % der Solldrehzahl, bei der eine weitere Reduzierung des Tastverhältnisses bzw. des Motorstroms vorgenommen wird. Die Drehzahl des Stellmotors den Wert Null, wird somit ein Blockiermoment, das gegenüber einem Blockiermoment bei maximalem Tastverhältnis bzw. maximalem Motorstrom, wie es beispielsweise bei Verlassen der Drehzahlregelung vorgelegen hat, deutlich unterschritten wird, so dass die Komponenten des Verstellsystems einer erheblich geringeren mechanischen Belastung ausgesetzt sind.
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Die obige Vorgehensweise ermöglicht es, in der Konstruktionsphase die Robustheit der mechanischen Bauteile des Verstellsystems zu reduzieren, da der Betriebsfall des Anfahrens eines Endanschlags durch das Verstellelement, in dem die höchste Belastung auf die Komponenten des Verstellsystems vorliegt, eine geringere Belastung hervorruft. Bei Vorsehen von mehreren Schutzdrehzahlschwellen ist es möglich, das Motormoment sanft zu reduzieren, so dass ein Ruckeln aufgrund einer zu hohen sprunghaften Reduzierung des Motormoments vermieden werden kann.
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Das obige Verfahren ermöglicht das Vorsehen einer entsprechenden Steuereinheit, die für eine Vielzahl von verschiedenen Typen von Stellmotoren verwendet werden kann, so dass die Implementierung für verschiedene Verstellsysteme genutzt werden kann, unabhängig von der Wahl des Typs des Antriebsmotors.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verstellsystem in einem Kraftfahrzeug, insbesondere eines Schiebedachsystems oder eines Fensterhebersystems, vorgesehen, umfassend:
- - einen Stellmotor, der über eine Verstellmechanik mit einem Verstellelement gekoppelt ist;
- - eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um
- ◯ den Stellmotor mit einer Drehzahlregelung zu betreiben,
- ◯ eine Drehzahl des Stellmotors zu überwachen, wobei bei Feststellen eines Unterschreitens einer Regelungsabschaltschwelle durch die Drehzahl ein Schutzbetriebsmodus eingenommen wird, wobei in dem Schutzbetriebsmodus der Stellmotor mit einem vorgegebenen, insbesondere konstanten, zu stellenden Motormoment betrieben wird, das umso niedriger ist, je geringer die Drehzahl ist.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Öffnungs- und Schießsystems im Falle eines Schiebedachsystems für ein Kraftfahrzeug;
- 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des Verstellsystems der 1; und
- 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Reduzierung des Motormoments bei geringen Motordrehzahlen.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schiebedachsystems 2 als Verstellsystem für ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Schiebedach als Verstellelement 3, das in einer Führung 4 zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung verfahrbar ist. Das Schiebedach kann dabei gegen einen ersten Endanschlag 5 gefahren werden, indem das Schiebedach vollständig geschlossen ist, und gegen einen zweiten Endanschlag 6 gefahren werden, bei der das Schiebedach vollständig geöffnet ist.
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Das Schiebedach ist über eine Verstellmechanik 7 mit einem Stellmotor 8 gekoppelt, so dass bei Aktivieren des Stellmotors 8 ein entsprechendes Motormoment auf die Verstellmechanik 7 wirkt und eine entsprechende Verstellkraft auf das Schiebedach 3 ausgeübt wird. Dabei wird eine rotatorische Bewegung des Stellmotors 8 in eine translatorische Bewegung des Schiebedachs 3 umgesetzt. Je nach Drehrichtung des Stellmotors 8 wird dabei das Schiebedach 3 in eine Öffnungs- oder Schließrichtung bewegt.
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Der Stellmotor 8 kann als z.B. bürstenkommutierter Elektromotor vorgesehen sein. Eine variable Ansteuerung des Stellmotors 8 ist beispielsweise durch eine variable Verstellung einer Motorspannung möglich. Dazu kann der Stellmotor 8 mit einem Leistungstreiber 9 gekoppelt sein, die eine vorgegebene Versorgungsspannung mithilfe eines pulsweitenmodulierten Ansteuerungsverfahrens reduziert.
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Insbesondere kann die Versorgungsspannung über einen Leistungshalbleiterschalter mit dem Stellmotor 8 verbunden sein. Ferner ist eine Steuereinheit 10 vorgesehen, die den Leistungstreiber 9 schaltet und entsprechend einem Tastverhältnis eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Leistungstreibers 9 vornimmt. Das Tastverhältnis gibt bei einer Pulsweitenmodulierten Ansteuerung eine effektive Motorspannung oder eine effektive Phasenspannung vor, die den Motorstrom und damit das Motormoment bestimmt. Der Stellmotor 8 kann weiterhin mit einem Drehzahlsensor 11 versehen sein, der ein Drehzahlsignal an die Steuereinheit 10 übermittelt. Alternativ kann auch eine sensorlose Drehzahlerfassung genutzt werden.
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Die Steuereinheit 10 ist ausgebildet, um bei einer Anforderung nach einem Öffnen oder Schließen des Schiebedachsystems 2 den Stellmotor 8 in einer entsprechenden Drehrichtung anzutreiben, insbesondere durch Aktivieren einer Drehzahlregelung. Die Anforderung zum Verstellen des Schiebedachs 3 kann automatisch oder auch durch eine Benutzereingabe an einem Betätigungselement 12 erfolgen. Die Drehzahlregelung nutzt eine vorgegebene Soll-Drehzahl, um so ein gleichmäßiges Verfahren des Schiebedachs 3 zu ermöglichen.
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In 2 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des Schiebedachsystems 2 mithilfe der Steuereinheit 10 dargestellt. Das Verfahren kann in Form eines Software- und/oder Hardwarealgorithmus in dem Steuergerät 10 implementiert sein.
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In Schritt S1 wird zunächst überprüft, ob das Schiebedach 3 in eine Öffnungs- oder Schließrichtung bewegt werden soll. Die Aktivierung der Bewegung des Schiebedachs 3 kann durch Betätigung des Betätigungselements 12 oder durch automatische Signalisierung erfolgen. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, anderenfalls wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S2 wird insbesondere nach einem Anlaufen eine Drehzahlregelung aktiviert, der eine Soll-Drehzahl nsoll vorgegeben ist. Beispielsweise kann die Solldrehzahl 80 Umdrehungen pro Minute betragen. Die Drehzahlregelung kann in Form einer herkömmlichen Drehzahlregelung, insbesondere als PID-Regler, ausgebildet sein. Die Drehzahlregelung regelt auf eine Regelabweichung zwischen der Soll-Drehzahl und einer durch den Drehzahlsensor 11 gemessenen Drehzahl und stellt als Stellgröße ein Tastverhältnis für eine Pulsweitenmodulation zur Verfügung, die eine Motorspannung vorgibt. Das Tastverhältnis wird in ein entsprechendes Pulsansteuersignal umgesetzt, das an einen Steuereingang eines Halbleiterschalters des Leistungstreibers 9 angelegt wird, um so entsprechend den Pulsweiten des Ansteuersignals eine Versorgungsspannung an den Stellmotor 8 anzulegen oder von diesem zu trennen. Es ergibt sich daraus eine effektive Motorspannung, die zu einem resultierenden Motorstrom führt, der im Wesentlichen proportional zur Motorspannung ist. Der Motorstrom bestimmt das gestellte Motormoment in linearer Weise.
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In Schritt S3 wird überprüft, ob sich die Drehzahl innerhalb eines vorgegebenen Regelbereiches um die Soll-Drehzahl befindet. Der Regelbereich kann durch eine Regelungsabschaltschwelle nabschalt nach unten begrenzt sein, die mit zwischen 60-90% der Soll-Drehzahl vorgegeben sein kann. Liegt die Drehzahl innerhalb eines vorgegebenen Regelbereiches um die Soll-Drehzahl (Alternative: Ja), wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt.
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In Schritt S4 wird überprüft, ob ein vorgegebenes maximales Tastverhältnis erreicht ist. Das maximal vorgegebene Tastverhältnis kann zwischen 95 % und 97 % liegen und stellt die maximal mögliche Ansteuerung bzw. die maximal mögliche Motorspannung dar. Ist das maximale Tastverhältnis erreicht (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S5 fortgesetzt, anderenfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S2 zurückgesprungen.
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In Schritt S5 wird die Regelung beendet, ein Schutzbetriebsmodus eingenommen und das zu stellende Tastverhältnis fest eingestellt. Das zu stellende Tastverhältnis entspricht initial dem maximalen Tastverhältnis.
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Der Drehzahlbereich zwischen 0 und der Regelungsabschaltschwelle nabschalt wird in mehrere Drehzahlbereiche aufgeteilt, die durch eine oder mehrere Schutzdrehzahlschwellen unterteilt sind. Den Drehzahlbereichen ist mit abnehmender Drehzahl ein abnehmendes zu stellendes Tastverhältnis zugeordnet.
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In Schritt S6 wird überprüft, ob die Drehzahl eine der Schutzdrehzahlschwellen unterschritten hat. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das zu stellende Tastverhältnis um einen vorbestimmten Betrag reduziert bzw. auf das dem betreffenden Drehzahlbereich zugeordnete Tastverhältnis eingestellt, andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S10 fortgesetzt.
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In Schritt S10 wird überprüft, ob die Drehzahl eine der Schutzdrehzahlschwellen überschritten hat. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das zu stellende Tastverhältnis um einen vorbestimmten Betrag erhöht bzw. auf das dem betreffenden Drehzahlbereich zugeordnete Tastverhältnis eingestellt und das Verfahren mit Schritt S7 fortgesetzt, andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S5 fortgesetzt.
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In Schritt S7 wird der Stellmotor 8 entsprechend dem zu stellenden Tastverhältnis betrieben.
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In Schritt S8 wird überprüft, ob die Drehzahl null erreicht hat. Ist dies der Fall (Alternative: Nein), wird in Schritt S11 der Stellmotor 8 abgeschaltet, weil ein Endanschlag erreicht worden ist oder eine sonstige Blockierung des Schiebedachs 3 vorliegt und das Verfahren mit Schritt S1 fortgesetzt. Andernfalls wird das Verfahren mit Schritt S9 fortgesetzt.
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In Schritt S9 wird überprüft, ob die Anforderung nach einer Aktivierung des Schiebedachs 3 noch besteht. Ist dies der Fall (Alternative: Ja) wird das Verfahren mit Schritt S12 fortgesetzt, andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S12 wird überprüft, ob die Drehzahl n die Regelungsabschaltschwelle nabschalt wieder überschritten hat. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S2 fortgesetzt, andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S5 fortgesetzt.
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In dem Diagramm der 3 ist für den Fall des drehzahlgeregelten Betriebs und eines darauffolgenden Anfahrens eines Endanschlags ein beispielhafter Drehzahlverlauf n und Momentenverlauf M über der Zeit t dargestellt, wenn das oben beschriebene Verfahren verwendet wird. Man erkennt den Bereich R, in dem die Drehzahlregelung aktiv ist, anhand des schwankenden Stelleingriffs des zu stellenden Motormoments M. Bei Absinken der Drehzahl zu einem Zeitpunkt T1 wird das zu stellende Motormoment M maximal. Sinkt die Drehzahl n weiter unter die Regelungsabschaltschwelle nabschalt wird das maximale Motormoment gestellt. Nach Erreichen der ersten Schutzschwelle nS1 durch die Drehzahl n wird durch Reduzierung des anliegenden Tastverhältnisses bzw. Motorspannung das zu stellende Motormoment M entsprechend reduziert, was sich unmittelbar in einer Reduzierung der Motordrehzahl n auswirkt. Entsprechend kann nach Erreichen der zweiten Schutzschwelle nS2 durch weitere Reduzierung des anliegenden Tastverhältnisses bzw. Motorspannung das Motormoment M entsprechend weiter reduziert werden. Dies kann schrittweise in mehreren Schritten erfolgen, so dass bei Erreichen der Drehzahl n von null ein Blockiermoment erreicht wird, das gegenüber einem maximalen Motormoment, das bei einem maximalen Tastverhältnis erreicht würde, deutlich reduziert sein kann. Unmittelbar nach Feststellen der Blockierung wird das zu stellende Motormoment auf 0 reduziert.
