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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung und Regelung
motorisch angetriebener Verstelleinrichtungen in Kraftfahrzeugen
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
der
US 5404673 A ist
ein Fensterheber mit einem Antrieb zum Heben und Senken einer Fensterscheibe
und mit einer Einklemmschutzeinrichtung bekannt, mit der die Drehzahl
des Antriebs und damit die Öffnungs-
und Schließgeschwindigkeit
der Fensterscheibe sowie Bewegungsrichtung und Stellung der Fensterscheibe
erfaßt
werden. Beim Einklem men eines Körperteils
oder Gegenstandes zwischen der Fensterscheiben-Oberkante und dem
Türrahmen
steigt die Belastung des Antriebs, und der Abfall der Antriebsdrehzahl
unterhalb eines vorgegebenen Wertes führt zu einem Abschalten und
gegebenenfalls Reversieren des Antriebs und damit zum Anhalten bzw. Öffnen der
Fensterscheibe.
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Da
beim Einlaufen der Fensterscheibe in die Türdichtung vor dem völligen Schließen der
Fensterscheibe aufgrund des erhöhten
Widerstandes die Antriebsdrehzahl aber bis zum Stillstand des Antriebs
sinkt, muss die Scheibenposition möglichst genau erfaßt und der
Einklemmschutz im Dichtungsbereich ausgeschaltet werden.
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Hierfür sind ein
Stellungs- und ein Drehrichtungssensor vorgesehen. Der Drehrichtungssensor
besteht aus einer mit der Antriebswelle verbundenen Magnetscheibe
mit einem Nord- und
Südpol
sowie zwei in einem Winkel von 90° um
die Magnetscheibenachse zueinander versetzten Hallsensoren, die
um eine Viertelperiode versetzte Sensorsignale abgeben, aus denen
die Drehrichtung und damit die Bewegungsrichtung der Fensterscheibe
ermittelt wird.
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Der
Stellungssensor besteht aus einem ringförmigen, mit der Antriebswelle
verbundenen Multipolmagneten mit abwechselnd magnetisierten Magnetpolen
und zwei Hallsensoren, die im Abstand eines halben Magnetpoles zueinander
angeordnet sind. Die von den Hallsensoren erfaßten Magnetisierungswechsel
bei einer Rotation des Antriebs und damit des ringförmigen Multipolmagneten
werden als Zählimpulse
einem Zähler zusammen
mit den Sensorsignalen des Drehrichtungssensors zugeführt, wobei
die Zählimpulse
je nach Drehrichtung des Antriebs aufwärts oder abwärts gezählt werden
und somit die jeweilige Stellung der Fensterscheibe angeben.
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Die
bekannte Antriebssteuerung und Einklemmschutzeinrichtung benötigt zur
Erfassung der Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung und Stellung der
Fensterscheibe zwei Magnetscheiben als Signalgeber mit vier Hallsensoren,
wobei der zur Auslösung
des Einklemmschutzkriteriums durch Verringerung der Drehzahl des
Antriebs vorgesehene Signalgeber mit einem Polwechsel pro Umdrehung
eine nur geringe Auflösung
aufweist.
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Zur
Drehzahlregelung von rotierenden Antrieben oder bei einer linearen
Verstellung wie beispielsweise einer Sitzlängsverstellung zum Erzielen
einer konstanten Verstellgeschwindigkeit über den Verstellweg ist ein
hochauflösendes
Sensorsystem notwendig, um kurze Reaktionszeiten im Regelungsprozeß zu ermöglichen.
Dazu verwendet man partitionierte Signalgeber wie beispielsweise
Multipolmagnete, die jedoch Toleranzen unterliegen, welche sich
negativ auf das Regelverhalten auswirken können.
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Wird
deshalb zur Erhöhung
der Auflösung
bei der Erfassung der Drehzahl eines Elektromotors ein Multipolmagnet
als Signalgeber eingesetzt, so tritt das Problem auf, daß bei Rotationsmagneten
mit mehr als zwei Polen die Verteilung der Pole auf dem Magneten
nicht exakt symmetrisch ist, sondern einen Fehler von ca. 10 % pro
Sektor aufweist. Diese Fehlerrate gilt allgemein für alle Signalgeber
für Drehzahlerfas sungssensoren,
die nicht exakt genug gefertigt werden können und mit einem optoelektrischen,
induktiven, kapazitiven Sensor usw. als Signalempfänger arbeiten.
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Die
beschriebenen Toleranzen und fertigungsbedingten Fehler von Abschnitt
zu Abschnitt des Signalgebers bzw. von Sektor zu Sektor bei einem
kreisscheibenförmigen
Signalgeber führen
zu Fehlinterpretationen bei der Signalauswertung. Beispielsweise
wird aufgrund von Fehlinterpretationen ein Absinken der Geschwindigkeit
festgestellt, obwohl der Antrieb mit konstanter Geschwindigkeit
betrieben wird und gegebenenfalls zu Fehlreaktionen der Steuerungsvorrichtung
der Verstellvorrichtung, beispielsweise zu einem Fehlreversieren einer
Fensterscheibe aufgrund einer fehlerhaften Erfassung einer Drehzahlabnahme,
die von einer Einklemmschutzeinrichtung als Einklemmfall interpretiert
wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung und
Regelung motorisch angetriebener Verstelleinrichtungen in Kraftfahrzeugen
anzugeben, das eine exakte Erfassung der Stellung, Drehzahl oder
Beschleunigung eines Antriebs bei hoher Auflösung der Meßwerte gewährleistet, ohne daß an den
Signalgeber höhere
Genauigkeitsanforderungen gestellt werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhate
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüche angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gewährleistet
eine hohe Auflösung
und Genauigkeit der Meßwerte zur
Erfassung der Stellung, Drehzahl oder Beschleunigung eines Antriebs.
Da beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Toleranzen partitionsbezogen
ermittelt und bei der Signalbewertung berücksichtigt werden, werden die
Meßfehler,
die durch fertigungsbedingte Ungenauigkeiten des Signalgebers hervorgerufen
werden, stark verringert bzw. aufgehoben, so daß ein Einsatz von Signalgebern
ohne besondere Güteanforderungen
und damit nahezu beliebig exakter Bauteile möglich ist.
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Damit
ist auch der Einsatz von Bauteilen möglich, deren Fertigungsgenauigkeiten
systembedingt begrenzt sind, wie beispielsweise die Fertigungsgenauigkeit,
d.h. die Sektorgröße und Magnetisierungsstärke elektromagnetischer
Signalgeber in Verbindung mit magnetosensitiven Bauelementen, wie
beispielsweise Hallsensoren. Bei Signalgebern können die Toleranzen in den
Partitionen bestehen, bei Sensoren in den elektrischen Toleranzen,
beispielsweise der Hysterese der Schaltschwellen bei Hallsensoren.
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Mit
geringem gerätetechnischen
Aufwand können
daher hochauflösende
Stellungs-, Drehzahl-, Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsregelungen
realisiert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann sowohl mittels einer elektronischen Fehlerkorrektur als auch schaltungstechnisch
ausgeführt
werden, wobei bei elektronischer Fehlerkorrektur nur ein einzelner
Sensor benötigt
wird.
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Bei
der elektronischen Fehlerkorrektur werden die toleranzbedingten
charakteristischen Eigenschaften der Signalgeberpartitionen erfindungsgemäß in einer
Testbewegung des Signalgebers ermittelt.
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Die
Testbewegung des Signalgebers kann bei einem rotierenden Antrieb,
der gemäß 1 mit einem kreisscheibenförmigen Signalgeber 1 verbunden
ist, in einer oder mehreren Umdrehungen des Antriebs und Signalgebers 1 zur
Erfassung der einzelnen Sektoren oder Kreissegmente 11 bis 16,
bei einem längsverstellbaren
Signalgeber in dem Zurücklegen
einer geradlinigen oder vorgegebenen gekrümmten Strecke zur Erfassung
der einzelnen Streckenunterteilungen und dgl. bestehen.
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Vorzugsweise
besteht die Testbewegung aus einem vorgegebenen Bewegungsabschnitt
des Signalgebers mit im wesentlichen konstanter Beschleunigung und/oder
konstanter Geschwindigkeit, so daß aufgrund definierter Antriebsbedingungen,
beispielsweise durch Erfassung der Zeitdauer zwischen aufeinanderfolgenden
Signalen, deren Verhältnis
zu einer Bewegungsperiode, beispielsweise einer Umdrehung, und damit
deren Anteil an der Periode ermittelt werden kann, woraus auf einen
konkreten Wert, beispielsweise einen Winkel, der einzelnen Partitionen
geschlossen werden kann.
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Die
toleranzbedingten charakteristischen Eigenschaften der Signalgeberpartitionen 11 bis 16 gemäß 1 werden vorzugsweise nach
jedem Start des Antriebs ermittelt. Ist gewährleistet, daß es sich
um ein immanentes System handelt, können die toleranzbedingten
charakteristischen Eigenschaften der Signalgeberpartitionen 11 bis 16 einmal
erfaßt
und gespeichert werden und so eine dauerhafte Fehlerkorrektur gewährleisten.
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Alternativ
hierzu können
die toleranzbedingten charakteristischen Eigenschaften der Signalgeberpartitionen 11 bis 16 adaptiv
in vorgegebenen Prüfzyklen
angepaßt
werden, das heißt
nach einer anfänglichen Ermittlung
der toleranzbedingten charakteristischen Eigenschaften der Signalgeberpartitionen 11 bis 16 wird nach
einer vorgegebenen Anzahl von Betriebszyklen ein Prüfzyklus
vorgesehen, dessen Korrekturwerte die ursprünglichen Korrekturwerte ersetzen
oder beispielsweise durch Mittelwertbildung angleichen.
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Die
elektronische Fehlerkorrektur sieht insbesondere vor, daß für jede Signalgeberpartition 11 bis 16 ein
Korrekturwert ermittelt und mit den Sensorsignalen U1 verknüpft wird.
Dabei wird in einem Meßzyklus
ein Korrekturfaktor für
jede einzelne Partition oder jeden einzelnen Sektor 11 bis 16 des
Signalgebers ermittelt und dieser Partition 11 bis 16 zugeordnet
abgespeichert. Bei einem Betrieb des Antriebs bzw. Motors wird bei
jeder Messung der Drehzahl mit einer Signalgeberpartition 11 bis 16 der
Meßwert
mit dem abgelegten Korrekturwert verknüpft, das heißt beispielsweise
multipliziert, addiert, dividiert oder subtrahiert. Dadurch wird
der Meßfehler, der
mit den einzelnen Signalgeberpartitionen 11 bis 16 verbunden
ist, stark verringert. Die Genauigkeit des Meßwertes hängt dann nur noch vom Verarbeitungsbereich
der Zahlen im Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit
oder Beschleunigung ab.
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Bei
kreisscheibenförmigen
Signalgebern
1 kann der Drehwinkel der Signalgeberpartitionen
11 bis
16 als
Korrekturwert verwendet werden. Zu diesem Zweck wird beim Start
des Antriebsmotors in mehreren Umdrehungen der Korrekturfaktor nach
folgender Maßgabe
bestimmt:
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Der
Drehwinkel wird als Korrekturwert benutzt und aus der Winkelgeschwindigkeit
am Anfang und Ende eines Sektors wie folgt ermittelt:
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Die
einzelnen Korrekturwerte können
dann in gleitender Mittelwertbildung dadurch bestimmt werden, daß die Summe
der Zeiten der einzelnen Signalgeberpartitionen eines Testzyklus
gemessen und der jeweils aktuelle Meßwert addiert und der vorangegangene
Meßwert
subtrahiert wird.
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Für einen
achtpoligen Signalgeber erfolgt die Bestimmung des Korrekturwertes
in gleitender Mittelwertbildung beispielsweise wie folgt:
Die
Bestimmung des Korrekturwertes erfolgt in einer gleitenden Mittelwertbildung
bei einem 8-poligen Magneten wie folgt:
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Die
Summe der gemessenen Zeiten Σ T
Mes wird mit Hilfe eines Ringzählers bestimmt
wobei immer der neue, aktuelle Wert addiert wird und der letzte
Wert subtrahiert
nach der Formel:
wird nun die Drehzahl für den entsprechenden
Sektor berechnet.
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Das
Abbruchkriterium zur Beendigung der Ermittlung der toleranzbedingten
charakteristischen Eigenschaften der Signalgeberpartition ist dann
erfüllt,
wenn die Korrekturwerte oder korrigierten Signalgeberpartitionen
in mindestens zwei aufeinanderfolgenden Zyklen innerhalb eines vorgegebenen
Toleranzbereiches liegen und/oder die Summe der Korrekturwerte oder
korrigierte Partitionen innerhalb eines Zyklus gleich dem Wert einer
Periode des Signalgebers ist.
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Bei
der ersten Fallgestaltung sind mindestens zwei aufeinanderfolgende
Zyklen, d.h. Umdrehungen der Antriebswelle erforderlich, um einen
Vergleich der Korrekturwerte vornehmen zu können und festzustellen, ob
eventuelle Abweichungen der Korrekturwerte für die einzelnen Partitionen
oder Sektoren innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegen.
Ist dies nicht der Fall, sind weitere Testzyklen erforderlich.
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Bei
der zweiten Fallgestaltung ist lediglich ein Testzyklus, d.h. eine
Umdrehung der Antriebswelle erforderlich, wenn die Summe der korrigierten
bzw. normierten Sensorsignale beispielsweise einem Winkel von 360° für eine volle
Umdrehung des kreisscheibenförmigen
Signalgebers entspricht. Selbstverständlich sind auch andere Kontrollverfahren
möglich,
beispielsweise in der Weise, daß die
Summe aller Korrekurfaktoren einem vorgegebenen Wert entspricht.
Zwar ist für
dieses Abbruchkriterium lediglich eine Umdrehung der Antriebswelle
erforderlich, bei einer ungleichmäßigen Beschleunigung des Antriebs
treten aber hierdurch bedingt Meßfehler auf. Aus diesem Grunde
wird dieses Kriterium nur in gleichförmigen Bewegungsabschnitten
angewendet, die empirisch ermittelt werden können.
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Eine
weitere Variante zur Bestimmung des Abbruchkriteriums für das Korrekturverfahren
besteht in einer gleitenden Mittelwertbildung oder in einer Verknüpfung der
beiden vorstehend dargestellten Varianten, d.h. in jedem Testzyklus
muß die
Summe der Korrekturwerte oder korrigierten Signalgeberpartitionen
innerhalb eines Zyklus gleich dem Wert einer Periode des Signalgebers
sein und die Korrektur werte oder korrigierten Signalgeberpartitionen
aufeinanderfolgender Zyklen müssen
innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegen.
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Nachdem
die Erfüllung
des Abbruchkriteriums festgestellt ist, berechnet der Algorithmus
mit den Korrekturwerten die genauen Drehzahlwerte für die entsprechenden
Signalgeberpartitionen, d.h. im Falle eines kreisscheibenförmigen Signalgebers
die genauen Drehzahlwerte für
die einzelnen Sektoren.
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In
den 2 bis 4 sind verschiedene Möglichkeiten
der Ermittlung der toleranzbedingten charakteristischen Eigenschaften
der Signalgeberpartitionen sowie des nachfolgenden Abgleichs mit
den Sensorsignalen anhand von Kennlinien einer motorisch angetriebenen
Verstelleinrichtung in Kraftfahrzeugen als Geschwindigkeit bzw.
Drehzahl über
der Zeit t dargestellt. Diese Darstellungen sollen verdeutlichen,
daß die
Testbewegung insbesondere Teil bzw. Bestandteil des Betriebslaufes
einer motorisch angetriebenen Verstelleinrichtung sein kann, insbesondere
wenn die Testbewegung nach jedem Start des Antriebs zur Ermittlung
der toleranzbedingten charakteristischen Eigenschaften der Signalgeberpartitionen
durchgeführt
wird.
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2 zeigt in einem Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm
den zeitlichen Verlauf einer konstant beschleunigten Verstelleinrichtung,
bei der in der Zeitspanne zwischen t1 und
t2 die Ermittlung der toleranzbedingten charakteristischen
Eigenschaften der Signalgeberpartitionen erfolgt, während in
einem nachfolgenden Zeitabschnitt t4 bis
t5 desselben Laufs der Verstelleinrichtung
bzw. deren Antrieb ein Abgleich mit den Sensor-Ausgangssignalen
vorgenommen wird.
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3 zeigt in einem Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm
den zeitlichen Verlauf einer mit konstanter Geschwindigkeit bewegten
motorisch angetriebenen Verstelleinrichtung, bei der ebenfalls in
der Zeitspanne zwischen t1 und t2 die Ermittlung der toleranzbedingten charakteristischen
Eigenschaften der Signalgeberpartitionen erfolgt, während in
der Zeitspanne zwischen t4 und t5 ein entsprechender Abgleich vorgenommen
wird.
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4 zeigt eine zeitliche Darstellung
der Geschwindigkeit einer motorisch angetriebenen Verstelleinrichtung,
die bis zum Zeitpunkt t3 mit konstanter
Beschleunigung bis zum Erreichen der Nenn-Drehzahl nnenn bzw.
Nenn-Geschwindigkeit beschleunigt wird und dann mit konstanter Geschwindigkeit
bzw. konstanter Nenn-Drehzahl weiterbewegt wird. In dieser Ausführungsform
erfolgt die Ermittlung der toleranzbedingten charakteristischen
Eigenschaften der Signalgeberpartitionen in der Zeitspanne zwischen
t1 und t2 beim Hochlaufen,
d.h. konstanten Beschleunigen der motorisch angetriebenen Verstelleinrichtung,
während
der Abgleich in der Zeitspanne zwischen t4 und
t5 nach Erreichen der Nenn-Drehzahl erfolgt.
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Die
schaltungstechnische Variante des erfindungsgemäßen Verfahren erfordert gemäß 5 zwei dem Signalgeber 1 zugeordnete
und entlang der Bewegungsbahn des Signalgebers zueinander beabstandete Sensoren 2, 3.
Die an- und/oder abfallenden Flanken der durch die Partitionierung
des Signal gebers 1 ausgelösten Sensorsignale U1, U2 der beiden
Sensoren 2, 3 werden erfaßt und die Zeitdifferenz zwischen
Signalen der derselben Partition des Signalgebers 1 zugeordneten
Sensorsignale ermittelt und zur Bestimmung der toleranzbedingten
charakteristischen Eigenschaften der Signalgeberpartitionen 11 bis 16 ausgewertet.
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Die
Erfassung der Zeitdifferenz zwischen den ansteigenden oder abfallenden
Flanken der beiden Sensorausgangssignale eliminiert unterschiedliche
Längen
der Signalgeberpartitionen bzw. unterschiedliche Winkelabschnitte
der Signalgebersektoren und beseitigt somit Fertigungsungenauigkeiten
des Signalgebers.
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Grundsätzlich kann
der Abstand a zwischen den beiden Sensoren entlang der Bewegungsbahn
des Signalgebers 1 beliebig sein, beispielsweise bei einem
kreisscheibenförmigen
Signalgeber einen Winkel von 90° zwischen
den Sensoren 2, 3 einschließen, jedoch fallen bei einem
Abstand, der größer als
die Ausdehnung der kleinsten Partition oder einem Vielfachen davon
ist, Drehzahl- oder Beschleunigungsänderungen des Signalgebers 1 stärker ins
Gewicht, so daß die
Grenzen der Meßgenauigkeit
niedriger liegen. Aus diesem Grunde werden die Sensoren 2, 3 für eine aktuelle
Drehzahlbestimmung aus den einzelnen Signalgeberpartitionen anstelle
einer Mittelwertbildung in einem Abstand a zueinander angeordnet,
der vorzugsweise kleiner oder gleich der kleinsten Partition des
Signalgebers 1 ist.
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Zur
Verdeutlichung der schaltungstechnischen Variante zur Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zeigt 5 eine schematische
Darstellung einer sechspoligen Magnetscheibe 1 und zwei
Hallsensoren 2, 3 als Sensoren, die im Abstand
a um die Peripherie der Magnetscheibe 1 versetzt angeordnet
sind und die Sensorausgangssignale U1, U2 abgeben. Aufgrund fertigungsbedingter Ungenauigkeiten
sind die sechs Sektoren des sechspoligen Magneten nicht gleichgroß und gegebenenfalls
nicht gleichstark magnetisiert, so daß bei einer Drehung der Magnetscheibe 1 mit
konstanter Geschwindigkeit oder konstanter Beschleunigung die Hallsensoren 2, 3 unterschiedliche
Meßzeiten
für die
einzelnen Sektoren erfassen.
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6 zeigt die Sensorausgangssignale
und verdeutlicht die unterschiedlich langen Zeitintervalle zwischen
den ansteigenden und abfallenden Flanken der durch beispielsweise
die ungleichen Sektoren 11 und 12 der Magnetscheibe 1 ausgelösten Signale.
Wird die Zeitdifferenz zwischen den ansteigenden oder abfallenden
Flanken der Sensorausgangssignale der beiden Hallsensoren 1, 2 ermittelt,
so werden die durch ungleiche Längen
der einzelnen Sektoren bedingten unterschiedlichen Impulslängen bei
der Erfassung der einzelnen Sektoren eliminiert.
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Ist
der Abstand a zwischen den beiden entlang der Peripherie der Magnetscheibe 1 versetzt
zueinander angeordneten Hallsensoren 11, 12 kleiner
als der kleinste Magnetscheibensektor, ergibt sich die größte Meßgenauigkeit,
da eventuelle Drehzahl- oder Beschleunigungsänderungen in diesem Zeitabschnitt
nicht ins Gewicht fallen. Bei größeren Abständen zwischen
den beiden Hallsensoren erfolgt bei Drehzahl- oder Beschleunigungsänderungen
eine Mittelwertbildung und damit eine Zunahme der Meßungenauigkeit.