DE19901840A1 - Electrical actuator for motor vehicle electric window, sliding roof or seat adjuster measures instantaneous rotation speed and/or torque and adjusts motor current accordingly - Google Patents
Electrical actuator for motor vehicle electric window, sliding roof or seat adjuster measures instantaneous rotation speed and/or torque and adjusts motor current accordinglyInfo
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- H02H7/0851—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors against excessive load for motors actuating a movable member between two end positions, e.g. detecting an end position or obstruction by overload signal
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Stellantrieb für Kraftfahrzeugkomponenten und ein Verfahren zu dessen Steuerung. Elektrische Stellantriebe werden in zunehmendem Maße für Kraftfahrzeugkomponenten eingesetzt, insbesondere als elektrischer Fensterheber, Schiebedachversteller und Sitzverstellung. Denkbar wäre in Zukunft auch der Einsatz z. B. in automatischen Türöffnern oder ähnlichem. Diese Stellantriebe befinden sich im Fahrzeuginnenraum, so daß eine Laufunruhe dieser Stellantriebe sowie der damit verbundenen Fahrzeugkomponenten im Fahrzeug innenraum trotz Schwingungsdämpfungsmitteln wahrnehmbar ist. Die Laufgeschwindigkeit dieser Antriebe ist zwischen Hoch- und Tieflauf deutlich verschieden und somit akustisch und teilweise auch optisch wahrnehmbar. Zudem beeinflussen Schwergängigkeiten den Scheibenlauf erheblich, was sich deutlich in der Scheibengeschwindigkeit abbildet.The invention relates to an electric actuator for motor vehicle components and a method for controlling it. Electric actuators are used in increasingly used for automotive components, especially as electric window regulator, sunroof adjuster and seat adjustment. Would be conceivable in the future also use z. B. in automatic door openers or the like. This Actuators are located in the vehicle interior, so that they run rough Actuators and the associated vehicle components in the vehicle interior is perceptible despite vibration damping means. The The running speed of these drives is clear between run-up and run-down different and thus audible and partly also visually perceptible. In addition Sluggishness significantly affect the running of the disc, which is clearly reflected in maps the disk speed.
Die Steuerung der Stellantriebe weist dabei in neueren Systemen einen Einklemm schutz auf, wie er bspw. der DE 44 20 359 entnommen werden kann. Zur Vermei dung von Verletzungen werden dabei Maximalwerte des Antriebsdrehmomentes vorgegeben und definiert, bei welchem Einklemmoment der Motor abschalten soll. Dies erfolgt üblicherweise mittels einer Stromüberwachung, die bei einem Über strom den Motor abschaltet oder in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung steuert. Die zum Anlauf des Stellantriebs erforderlichen Drehmomente bzw. Ströme sind jedoch im allgemeinen sehr hoch, bspw. zum Magnetisieren des Läufers, so daß beim Einschalten sehr schwer zwischen einem hohen Einschaltstrom oder einem durch Einklemmen verursachten Überstrom unterschieden werden kann und dieser Bereich folglich im allgemeinen für den Einklemmschutz ausgeblendet wird. Die Abschaltung der Stellantriebe erfolgt meist durch Überstromerkennung, durch Kontaktgeber an den Endpositionen oder beispielsweise auch Periodendauer vergleich, wobei lange Perioden einen langsamen Motor und großes Drehmoment bedeuten. Toleranzen bei den mechanischen Komponenten oder bei elektrischen Betriebsgrößen, äußere Einflüsse, wie die Temperatur bspw. beim Einfrieren der Scheibe, führen zu stark ändernden Laufeigenschaften, einer Verlangsamung oder einem unruhigen Lauf.The control of the actuators is jammed in newer systems Protection on how it can be found, for example, in DE 44 20 359. To avoid Injuries are the maximum values of the drive torque predefined and defined at which pinching torque the motor should switch off. This is usually done by means of current monitoring, which occurs when an over current switches off the motor or in the opposite direction controls. The torques or currents required to start the actuator However, they are generally very high, for example for magnetizing the rotor that when switching on very difficult between a high inrush current or an overcurrent caused by pinching can be distinguished and consequently, this area is generally hidden for the anti-trap protection. The actuators are usually switched off by overcurrent detection Contactor at the end positions or, for example, period duration comparison, with long periods a slow motor and high torque mean. Tolerances for mechanical components or electrical ones Operating variables, external influences, such as the temperature, for example when freezing the Disc, lead to greatly changing running characteristics, a slowdown or a restless run.
Aufgabe der Erfindung ist, einen Stellantrieb sowie ein Steuerungsverfahren anzugeben, mittels dem eine Anpassung an die aktuellen Betriebszustände möglich und ein Ausgleich von Abweichungen möglich ist. Diese Aufgabe wird durch die Hauptansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unter ansprüchen zu entnehmen.The object of the invention is an actuator and a control method specify by means of which an adaptation to the current operating conditions possible and a compensation of deviations is possible. This task is accomplished by the Main claims 1 and 7 solved. Advantageous further developments are the sub claims.
Das Verfahren weist einen drehzahl- und/oder drehmomentgeregelten Betrieb auf. Entsprechend weist die Vorrichtung zur Steuerung des Stellantriebs eine Vorrichtung zur Erfassung der Istdrehzahl und/oder eine Vorrichtung zur Erfassung des Istdrehmomentes sowie eine Stromregelung auf, die den Motorstrom in Abhängigkeit von den Abweichungen von Soll-Drehzahl und/oder Soll-Drehmoment regelt. Die Stromregelung zur Beeinflussung des Motorstroms kann technisch unterschiedlich ausgestaltet sein. Vorzugsweise wird ein entsprechendes pulsweitenmoduliertes Spannungssignal zugeführt. Das Pulsverhältnis wird entsprechend angepaßt, sobald beispielsweise die Istdrehzahl von einer vorgegebenen Solldrehzahl abweicht. Der Drehzahlregelung wird vorzugsweise die Drehmonentregelung unterlagert, die zunächst das Pulsverhältnis bis zur Erreichung einer erforderlichen Drehmomentänderung steuert und das Pulsverhältnis nachfolgend entsprechend der Drehzahlregelung korrigiert wird. Die Drehzahl- Drehmomentenregelung erlaubt außerdem eine aktive Steuerung des Motorbetriebs in allen vier Quadranten des Drehzahl-Drehmomenten-Kennfeldes, also auch die aktive Abbremsung mittels eines entgegen der aktuellen Drehzahl gerichteten Drehmoments oder das Halten eines Haltemoments bei einer Drehzahl von Null. Die Drehmomenterfassung und -regelung erfolgt vorzugsweise durch den Motorstrom als elektrische dem Drehmoment proportionale Kenngröße.The method has a speed and / or torque controlled operation. Accordingly, the device for controlling the actuator has one Device for recording the actual speed and / or a device for recording of the actual torque as well as a current control, which the motor current in Dependence on the deviations from the target speed and / or target torque regulates. The current control for influencing the motor current can be technical be designed differently. A corresponding one is preferably used Pulse width modulated voltage signal supplied. The pulse ratio will adjusted accordingly as soon as, for example, the actual speed of one specified target speed deviates. The speed control is preferably the Torque control is subordinate to the pulse ratio until it is reached controls a required torque change and the pulse ratio is subsequently corrected according to the speed control. The speed Torque control also allows active control of engine operation in all four quadrants of the speed-torque map, including that active braking by means of a counter directed against the current speed Torque or holding torque at zero speed. The Torque detection and control is preferably carried out by the motor current as an electrical parameter proportional to the torque.
Durch die Erfassung des Motorstroms kann auch das Blockieren des Stellantriebs bzw. der damit verbundenen Fahrzeugkomponenten frühzeitig erkannt, daß maximale Drehmoment über die Regelung begrenzt oder bei einem entsprechenden Stromanstieg frühzeitig abgeschaltet werden. Insbesondere das Begrenzen auf ein bestimmtes Maximaldrehmoment ist zur Erfüllung der sicherheitstechnischen Spezifikationen im Kraftfahrzeugbereich von besonderer Bedeutung. Während herkömmliche Systeme beim Erreichen des maximalen Drehmomentes abschalten müssen, kann mit einer Drehmonentregelung dieses gezielt gehalten und gesteuert werden. Gerade auch das Anlaufdrehmoment kann begrenzt und z. B. rampenförmig erhöht werden, wodurch der Antrieb sanft zum Anlaufen gebracht werden kann. Dann tritt nur das vorgegebene Anlaufdrehmoment und damit eine definierbare maximale Kraft auf, was zusätzlich die Mechanik schont. Der Motor läuft zwar langsamer an, erzeugt aber dabei aber keine unzulässigen Drehmomente bzw. Klemmkräfte mehr.By detecting the motor current, the actuator can also be blocked or the associated vehicle components recognized early on that maximum torque limited by the control or at a corresponding Power increase can be switched off early. In particular, the limitation to one certain maximum torque is to meet the safety requirements Specifications in the automotive field of particular importance. While Switch off conventional systems when the maximum torque is reached must be kept and controlled with a torque control become. Especially the starting torque can be limited and e.g. B. ramped can be increased, whereby the drive can be gently started. Then only the specified starting torque occurs and thus a definable one maximum force, which also protects the mechanics. The engine is running slower, but does not generate impermissible torques or Clamping forces more.
Durch Kopplung mit einem Positionszähler kann zusätzlich noch eine Abschaltung bei Erreichen einer Endposition realisiert werden, so daß es in diesen Fällen nicht zu einem großen Stromanstieg aufgrund des Blockieren kommen muß, oder positionsabhängig die Drehzahl und oder das Drehmoment vorgegeben und entsprechend geregelt werden. Gerade bei der Gefahr des Einklemmens ist die Vorgabe einer Drehmomentenkennlinie oder positionsabhängig unterschiedlicher Soll-Drehmomente vorteilhaft, weil in sicherheitsunkritischen Bereichen des Verstellweges höhere Drehmomente vorgegeben werden können, im Einklemm gefahrenbereich dagegen geringere.It can also be switched off by coupling with a position counter be reached when an end position is reached, so that it does not have to in these cases a large current rise due to the blocking, or position-dependent, the speed and or the torque specified and be regulated accordingly. Especially when it comes to the risk of getting caught Specification of a torque characteristic or different depending on the position Target torques advantageous because in non-safety-critical areas of the Adjustment path higher torques can be specified in the trapping however, the danger zone is lower.
Im Stand der Technik sind Getriebe im Einsatz, die eine sehr hohe Selbsthemmumg aufweisen, um den Stellantrieb im Ruhezustand in einer gewünschten Position zu halten. Durch die Selbsthemmung sinkt jedoch der Wirkungsgrad. Verwendet man einen Stellantrieb mit Drehzahl- und Drehmomentsteuerung, so kann die Drehzahl auf Null gehalten und ein Bewegungsänderungen entgegenwirkendes Haltemoment erzeugt werden, beispielsweise bei einer versuchten Abwärtsbewegung einer Scheibe eines elektrischen Fensterhebers der Stellantrieb pulsweitenmoduliert derart bestromt werden, daß eine Bewegung der Scheibe nicht möglich ist bzw. dieser entgegengewirkt wird.In the prior art, gears are used which have a very high self-locking have to the actuator at rest in a desired position hold. However, the self-locking reduces the efficiency. One uses an actuator with speed and torque control, so the speed kept at zero and a holding torque counteracting changes in movement are generated, for example in the event of an attempted downward movement of a Pulley of an electric window regulator the pulse width modulated are energized in such a way that the disc cannot move or this is counteracted.
Dabei kann bei Erreichen der vorgegebenen Position ein energiesparender Stand-by- Betrieb des Stellantriebs eingenommen, in dem beispielsweise der Stellantrieb selbst nicht mehr bestromt wird, wobei anhand einer von Null abweichenden Ist- Drehzahl an der Drehzahlmeßeinrichtung (1) der Stellantrieb wieder aktiviert wird.When the predetermined position is reached, an energy-saving stand-by operation of the actuator can be assumed, in which, for example, the actuator itself is no longer energized, the actuator being reactivated on the basis of an actual speed of the speed measuring device ( 1 ) that deviates from zero.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert.The invention is described below using exemplary embodiments and figures explained in more detail.
Kurze Beschreibung der Figuren;Brief description of the figures;
Fig. 1 Schema der Drehzahl-Drehmoment-Regelung für einen Stellantrieb, Fig. 1 diagram of the speed and torque control for an actuator,
Fig. 2 Ist-Drehmoment gemessen in Form des Motorstroms und positions abhängige Vorgabe der Sollwerte, Fig. 2 actual torque measured in terms of motor current and position dependent definition of the reference values,
Fig. 3 Stromverlauf bei einem Einklemmfall, Fig. 3 current waveform in a case of trapping,
Fig. 4 Stromverlauf bei kurzzeitigen Laststößen im Einklemmbereich ohne Einklemmschutzreaktion, Fig. 4 current flow during brief load surges in the clamping portion without Einklemmschutzreaktion,
Fig. 5 Stromverlauf und Soll-Drehmomentanpassung bei einer mechanischen Störung des Stellantriebs, Fig. 5 current curve and target torque matching at a mechanical fault in the actuator,
Fig. 6a, b Positionsveränderung und Drehzahlverlauf bei geregeltem und ungeregeltem Betrieb, Fig. 6a, b change in position and speed curve at controlled and uncontrolled operation,
Fig. 7 Schaltungsskizze eines Stellantriebs mit Regelschaltung, Fig. 7 circuit diagram of an actuator with a control circuit,
Fig. 8a, b Skizzierung der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Schaltmittel und Stromverlauf in Abhängigkeit vom Pulsverhältnis. Fig. 8a, b delineation of the pulse width modulated control of the switching means and current flow in dependence on the pulse ratio.
Fig. 1 zeigt ein Schema des Drehzahl-Drehmomenten-Regelkreises für einen Stell antrieb, bestehend aus einem Motor M, einer Drehzahlmeßeinrichtung 1, einem Microcontroller 2 für die Regelung, einem inneren Regelkreis 3 mit der Dreh moment-Regelung 4 und der Stromregelung 5, einem äußeren Regelkreis mit einer Drehzahlregelung 6, einer Stromsollwertbegrenzung 7 und einer Positionserfassung 8. Fig. 1 shows a diagram of the speed-torque control circuit for an actuating drive, consisting of a motor M, a speed measuring device 1, a microcontroller 2 for the control, an internal control circuit 3 with the rotational torque control 4 and the current controller 5, an outer control loop with a speed control 6 , a current setpoint limitation 7 and a position detection 8 .
Ausgangsgröße der Steuerung ist die vom Motor M erreichte Ist-Drehzahl nist, die von der Drehzahlmeßeinrichtung 1, beispielsweise einem berührungslos arbeitenden Hallsensor, erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Das Dreh moment wird in Form des dazu proportionalen Iststromes Iist, beispielsweise über einen nicht näher gezeigten Shuntwiderstand, erfaßt. Die gesamte Regelung kann in Form separater Bauelemente oder in einem entsprechend programmierten Micro controller 2 erfolgen. Das Schema der Regelung besteht aus einem äußeren Regelkreis mit der Ist-Drehzahl nist als Regelgröße und der Soll-Drehzahl nsoll(x) als Führungsgröße. Die Solldrehzahl nsoll(x) wird in diesem Ausführungsbeispiel dabei positionsabhängig von der Positionserfassung 8 vorgegeben. Als Regeleinrichtung wirkt die Drehzahlregelung 6, die entsprechend der Abweichung zwischen Ist- und Soll-Drehzahl ein Korrektur-Drehmoment in Form eines Sollstromes isoll1 als Stellgröße ermittelt. Dieser Sollstrom isoll1 wird in einer Stromsollwertbegrenzung 7 mit einem ebenfalls von der Positionserfassung 8 in Abhängigkeit von der aktuellen Position x ermittelten Maximalstrom imax(x) verglichen und ein gegebenenfalls herab gesetzter Sollstrom isoll2 bestimmt. Diese Begrenzung ist notwendig, um Fehlsteuerungen beim Einklemmen zu vermeiden, denn zunächst wird die Drehzahl absinken bzw. nicht erreicht und die Drehzahlregelung einen entsprechend hohen Sollstrom vorgeben. Da aber eine Einklemmung vorliegt, z. B. im Einklemmbereich einer Autofensterscheibe, erfolgt eine Begrenzung durch die Stromsollwert begrenzung 7, die durch die Positionserfassung 8 positionsbezogen gesteuert werden kann.Output of the control is reached by the motor M actual rotational speed n, which is detected by the speed measuring device 1, for example a non-contact Hall sensor and converted into an electrical signal. The torque is recorded in the form of the actual current I ist proportional thereto, for example via a shunt resistor (not shown). The entire control can take place in the form of separate components or in an appropriately programmed micro controller 2 . The scheme of control consists of an outer control loop with the actual speed n to n as the controlled variable and the target rotational speed (x) as a reference variable. To the target speed n (x) is in this case depending on the position set in this embodiment of the position sensing. 8 The speed controller 6 acts as a control device, which determines a correction torque in the form of a target current isoll1 as a manipulated variable in accordance with the deviation between the actual and target speed. This setpoint current isoll1 is compared in a current setpoint limitation 7 with a maximum current i max (x) likewise determined by the position detection 8 as a function of the current position x, and a setpoint current isoll2, which may be reduced, is determined. This limitation is necessary in order to avoid incorrect control when pinching, because the speed will first decrease or not be reached and the speed control will specify a correspondingly high target current. But since there is a pinch, e.g. B. in the pinching area of a car window, there is a limitation by the current setpoint limit 7 , which can be controlled by position detection 8 position-related.
Der innere Regelkreis 3 besteht aus dem Ist-Drehmoment in Form des Iststromes iist als Regelgröße und dem Korrekur-Drehmoment des äußeren Regelkreises in Form des Sollstromes isoll2 als Führungsgröße, der Drehmomentregelung 4 als Regel einrichtung und dem Pulsverhältnis als Stellgröße, daß entsprechend der Abweichung von Ist- und Solldrehmoment bzw. Soll- und Iststrom isoll2-iist verändert wird, und dem von den über die Steuerung 5 und die Schaltmittel angesteuerten Stellantrieb in der Regelstrecke, wobei über die Steuerung 5 das oder die Schalt mittel entsprechend dem veränderbaren Pulsverhältnis als Stellgröße angesteuert werden. Der innere Regelkreis 3 weist dabei eine nur durch die elektrischen Größen Induktivität und Widerstand des Motors bestimmte Zeitverzögerung τ1 auf, so daß dieser innere Regelkreis 3 sehr schnell angepaßt werden kann. Demgegenüber weist der äußere Regelkreis eine deutlich größere Zeitverzögerung τ2 auf, die insbesondere durch die Transformation elektrischer in mechanische Energie bedingt ist, bis also aus einem Stromanstieg eine entsprechende Drehzahlerhöhung bewirkt wird. In den äußeren Regelkreis fließen neben dem Trägheitsmoment des bewegten Systems, also dem Läufer, dem Getriebe und dem davon bewegten Kraft fahrzeugkomfortelement, bspw. der Fensterscheibe oder dem Schiebedach auch die äußeren Lastmomenten, wie Reibung, insbesondere auch lokaler Schwergängigkeit etc. ein. Zu schnelle Anpassungen der Stellgröße würden auch zur Instabilität des Regelkreises führen.The inner control circuit 3 consists of the actual torque in the form of the actual current i is as a control variable and the correction torque of the outer control circuit in the form of the target current i soll2 as a reference variable, the torque control 4 as a control device and the pulse ratio as a manipulated variable that corresponding to the deviation of actual and desired torque or the setpoint and actual current i soll2 -i is changed, and the driven from the above, the controller 5 and the switching means actuator in the control system, wherein through the controller 5 medium that or the switching according to the variable Pulse ratio can be controlled as a manipulated variable. The inner control loop 3 has a time delay τ1 determined only by the electrical quantities of inductance and resistance of the motor, so that this inner control loop 3 can be adapted very quickly. In contrast, the outer control loop has a significantly larger time delay τ2, which is due in particular to the transformation of electrical into mechanical energy, until a corresponding increase in speed is brought about from a current increase. In addition to the moment of inertia of the moving system, i.e. the rotor, the gearbox and the motor vehicle comfort element moved by it, e.g. the window pane or the sunroof, the external load moments, such as friction, in particular also local stiffness etc., flow into the outer control loop. Adjusting the manipulated variable too quickly would also lead to instability in the control loop.
Fig. 2 zeigt nun anhand eines Beispiels eines Schließvorgangs einer Fenster scheibe den geregelten Verlauf des Motorstroms I über die Zeit t bzw. die Position x. Wird zum Zeitpunkt t0 der Motor im Ruhezustand bestromt, könnte der Iststrom I zunächst nur begrenzt durch den Innenwiderstand der Wicklungen stark ansteigen und ein unzulässig hohes Anlaufmoment erzeugen. Andererseits wird für die Über windung des Ruhezustands und der Haftreibung selbstverständlich auch ein höheres Drehmoment benötigt als zum Weiterbewegen einer sich bereits bewegenden Scheibe. Dementsprechend wird das Strommaximum für einen ersten Zeitbereich bis t1 relativ hoch gehalten, wobei der Iststrom entsprechend durch pulsweiten modulierte Steuerung der Schaltmittel entsprechend begrenzt wird. Überwindet der Motor zunächst die Masseträgheit des Läufers, kommt es zunächst zu einem starken Abfall des Drehmoments, bis nach Überwindung des durch Fertigungstoleranzen bedingten Spiels der mechanischen Komponenten das normale Lastmoment bestehend aus der Masseträgheit der bewegten Teile und der Reibung erreicht wird. Beispielsweise kann das Soll-Drehmoment bzw. analog dazu der Maximalstrom Imax(x) treppenförmig angepaßt werden, wobei bis t2 zunächst noch ein mittlerer Wert gehalten wird. Einerseits bewegt sich eine Fensterscheibe einen Teil des Weges verdeckt innerhalb der Tür, andererseits sind die Größen besonders sicherheitsgefährdeter Einklemmobjekte, wie bspw. der Arm oder Kopf oft deutlich kleiner als der Gesamtweg der Scheibe, so daß durchaus ein Teil des Verstellweges keine Einklemmgefahr besteht. Im einklemmgegefährdeten Wegbereich, der anhand des Scheibenhochlaufs in Fig. 2a skizziert wurde, also ab t2, bspw. im oberen Drittel eines Scheibenweges, wird das Solldrehmoment auf den untersten Wert Imax0 herabgesetzt, der als beim Einklemmen maximal zulässige Wert im Fahrzeug komfortbereich z. B. nach verschiedenen Richtlinien f ← 100N bei einer Federrate von 10 N/mm vorgegeben ist. Besonders vorteilhaft gestaltet sich diese Steuerung bei harten Einklemmkörpern (z. B. 65 N/mm), da die Stromregelung sehr schnell reagiert. Bisherige Systeme haben in diesem Bereich immer sehr große Schwierigkeiten. Durch diese Steuerung des Stellantriebs kann man die Drehmomente bzw. Klemmkräfte auch deutlich senken, falls nötig. Da der Stell antrieb in diesem Bereich bereits eine gegebenenfalls auch mit sehr geringen Antriebsmomenten aufrechterhaltbare Drehzahl erreicht hat, kann hier eine sehr hohe Sicherheit gegen Einklemmen erreicht werden. Fig. 2 shows an example of a closing process of a window pane, the controlled course of the motor current I over time t or position x. If the motor is energized in the idle state at time t0, the actual current I could initially only increase sharply due to the internal resistance of the windings and generate an impermissibly high starting torque. On the other hand, a higher torque is required for overcoming the idle state and static friction than for moving an already moving disc. Accordingly, the current maximum is kept relatively high for a first time range up to t1, the actual current being correspondingly limited accordingly by pulse-width-modulated control of the switching means. If the motor first overcomes the inertia of the rotor, there is a sharp drop in torque until the normal load torque consisting of the inertia of the moving parts and the friction is reached after overcoming the play of the mechanical components due to manufacturing tolerances. For example, the target torque or, analogously, the maximum current I max (x) can be adjusted in a step-like manner, an average value being maintained until t2. On the one hand, a window pane moves part of the way concealed within the door, on the other hand, the sizes of objects that are particularly vulnerable to jamming, such as the arm or head, are often significantly smaller than the total path of the pane, so that there is definitely no risk of being jammed in part of the adjustment path. In the path area at risk of pinching, which was outlined on the basis of the disk ramp-up in FIG. 2a, that is to say from t2, for example in the upper third of a disk path, the target torque is reduced to the lowest value I max 0, which as the maximum permissible value in the vehicle comfort area during pinching z . B. is given according to various guidelines f ← 100N at a spring rate of 10 N / mm. This control is particularly advantageous for hard pinching bodies (e.g. 65 N / mm) because the current control responds very quickly. Previous systems have always had great difficulties in this area. This control of the actuator can also significantly reduce the torques or clamping forces if necessary. Since the actuator in this area has already reached a rotational speed that can possibly be maintained even with very low drive torques, a very high level of security against jamming can be achieved here.
Erreicht die Scheibe ab t3 den oberen Endbereich, so wird der Maximalstrom wieder erhöht, um ein dichtes Verschließen der Scheibe mit der gummiartigen Dichtlippe zu erreichen. Kommt der Motor jedoch zum Blockieren und steigt mit sinkender Drehzahl der Strom nunmehr wiederum extrem an, greift bereits die Strom begrenzung ein und reduziert das maximale Anpreßmoment. Selbstverständlich kann das Drehmoment auch bereits frühzeitig auf Null oder als Bremsmoment einen negativen Wert geregelt werden, bevor es zum Blockieren kommt.If the disk reaches the upper end area from t3, the maximum current becomes again increased to close the disc with the rubber-like sealing lip to reach. However, the engine comes to a stop and rises with decreasing If the speed of the current is now extremely high, the current is already attacking limitation and reduces the maximum contact torque. Of course the torque can be brought to zero early on or as a braking torque negative value can be regulated before blocking occurs.
Fig. 3 zeigt demgegenüber einen simulierten Scheibenhochlauf, bei dem es ab t5 zu einem Einklemmen kommt. Deutlich erkennbar ist, daß zunächst der Motorstrom I auf den niedrigen Maximalstrom Imax0 begrenzt bleibt, indem das Pulsverhältnis entsprechend angepaßt wird. Die Einklemmkraft bleibt also auf den Imax0 entsprechenden maximalen Drehmomentwert, bspw. 50 N beschränkt. Liegt dieser Maximalstrom für eine gewisse Zeit dauerhaft an, wobei die Zeitdauer bspw. frei von z. B. 0 ms bis 100 ms bestimmt werden kann, wird der Motor zu t6 abgeschaltet. Grundsätzlich kann selbstverständlich nachfolgend auch in die entgegengesetzte Drehrichtung bestromt werden, was in Fig. 3 jedoch nicht dargestellt wurde. Grundsätzlich denkbar wäre auch eine Schwelle, die sich stufenlos bis zu einem Maximalwert erhöht, wenn Zweifel an einer Einklemmung aus irgend einem Grund bestehen, und dann abschaltet. In contrast, FIG. 3 shows a simulated disk run-up, in which pinching occurs from t5. It can be clearly seen that the motor current I initially remains limited to the low maximum current I max 0 by adapting the pulse ratio accordingly. The pinching force therefore remains limited to the maximum torque value corresponding to I max 0, for example 50 N. Is this maximum current permanently for a certain time, the period of time, for example, free of z. B. 0 ms to 100 ms can be determined, the motor is switched off at t6. In principle, of course, current can subsequently also be supplied in the opposite direction of rotation, but this was not shown in FIG. 3. In principle, a threshold would also be conceivable, which increases continuously up to a maximum value if there are doubts about trapping for any reason, and then switches off.
In Fig. 4 ist im Vergleich dazu zu erkennen, daß auf sehr kurze Störungen in t7, bspw. bedingt durch Erschütterungen durch die Zeitverzögerung der Regelkreise keine Reaktion erfolgt oder darauf durch entsprechende Strom- und damit Dreh momentbegrenzung ohne sofortige Abschaltung reagiert wird. Dies bedeutet auch, daß die Maximalwerte des Stroms oder Drehmoments niedriger angesetzt werden können als bei herkömmlichen Stellantrieben mit Einklemmerkennung und sofor tiger Abschaltung bei Überschreiten der Stromschwelle, da ein Halten eines maxi malen Drehmoments oder Stromes für eine Zeit, wie in Fig. 3 zwischen t5 und t6, nicht möglich ist. Folglich müssen die Maximalschwellen zu Lasten der Sicherheit auf höhere Werte gelegt werden, in denen kurze Störungen kaum Einfluß haben.In Fig. 4 it can be seen in comparison that very short disturbances in t7, for example due to shocks due to the time delay of the control loops, there is no reaction or there is a corresponding current and thus torque limitation without immediate shutdown. This also means that the maximum values of the current or torque can be set lower than in conventional actuators with pinch detection and immediate shutdown when the current threshold is exceeded, since holding a maximum torque or current for a time, as in FIG. 3, between t5 and t6, is not possible. As a result, the maximum thresholds must be set to higher values at the expense of safety, in which short disturbances have little influence.
In Fig. 5 ist demgegenüber noch eine andere Variante dargestellt, wie mit Störungen im Strom- und damit Drehmomentenverlauf umgegangen werden kann. In Fig. 5 wird zu t8 das erste Mal Imax0 für eine kurze Zeitspanne überschritten. Daraufhin kann die Regelung auch reagieren, indem die Maximalstromschwelle geringfügig, z. B. auch stufenlos, angehoben wird. Bspw. kann auch die Form und Anstiegsgeschwindigkeit der Störung bewertet werden. Es ist also möglich, eine sehr früh ansprechende untere Maximalstromschwelle und eine demgegenüber erhöhte obere Maximalstromschwelle, mehrere Schwellen oder eine stufenlose Anpassung vorzusehen, wobei die untere Maximalstromschwelle beispielsweise der Überwindung von Schwergängigkeiten und der Aufrechterhaltung der Motor bewegung mit einer bestimmten Drehzahl dient. Wird die Maximalstromschwelle dann beim Erreichen der unteren angehoben, kann beobachtet werden, wie der Motorstrom darauf reagiert. Fällt er umgehend oder nach einem kurzen Anstieg wieder ab, handelt es sich höchstwahrscheinlich um eine Schwergängigkeit oder eine Störung durch Fahrbahnunebenheiten, die damit überwunden wurde. Bei einem Einklemmfall jedoch wird das Drehmoment und damit der Strom auf den nunmehrigen Maximalstromwert ansteigen und dort verharren. Aus der Reaktion des Motorstroms auf eine Anpassung der Maximalstromschwelle können also zusätzliche Informationen gewonnen werden. Handelte es sich um eine lokale Schwergängigkeit, kann beim nächsten Hochlauf durch Kopplung mit der Positionserfassung eine entsprechend anpaßte Maximalstromwertkurve vorgegeben werden, d. h. beispielsweise zwischen t8 und t10 die als Maximalstrom die obere Schwelle abgespeichert und dann bereits automatisch voreingestellt werden. Es ist einzig eine Frage des Speicherbedarfs, für welche und wie große Wegabschnitte unterschiedliche Soll-Drehzahlen und/oder Soll-Drehmomente vorgegeben werden.In contrast, FIG. 5 shows yet another variant of how to deal with disturbances in the current and therefore torque curve. In FIG. 5, the first time I max 0 is exceeded for a short period to t8. Thereupon the control can also react by the maximum current threshold slightly, e.g. B. is also continuously raised. E.g. the shape and rate of increase of the disturbance can also be assessed. It is therefore possible to provide a very early responding lower maximum current threshold and a higher upper maximum current threshold, several thresholds or a continuous adjustment, the lower maximum current threshold being used, for example, to overcome stiffness and to maintain the motor movement at a certain speed. If the maximum current threshold is then raised when the lower one is reached, it can be observed how the motor current reacts to it. If it drops immediately or after a short climb, it is most likely a stiffness or a bumpy bump that has been overcome. In the event of a trap, however, the torque and thus the current will increase to the current maximum current value and remain there. Additional information can thus be obtained from the reaction of the motor current to an adaptation of the maximum current threshold. If local stiffness was involved, a correspondingly adapted maximum current value curve can be specified during the next start-up by coupling with the position detection, i.e. between t8 and t10, for example, the maximum current is saved as the maximum current and then automatically preset. It is only a question of the memory requirement, for which and how large path sections different target speeds and / or target torques are specified.
Die Fig. 6a und b zeigen die Positionsveränderung x(t) und Drehzahlverlauf n(t) bei geregeltem Betrieb (f1) und ungeregeltem Betrieb (f2) eines Stellantriebs, um die vorteilhaften Auswirkungen der Drehzahl- und/oder Drehmomentregelung insbesondere auch auf Kraftfahrzeugkomfortkomponenten zu verdeutlichen. Im Idealfall kann durch den geregelten Betrieb eine nahezu lineare Positions veränderung x(t) (vgl. Fig. 6a) erreicht werden. Im Gegensatz dazu weist der ungeregelte Betrieb mit herkömmlichen Stellantrieben starke Unregelmäßigkeiten auf. Dies kann auch sehr gut anhand des Drehzahlverlaufs n(t) gemäß Fig. 6b nachvollzogen werden. Hier wird idealisiert ein trapezförmiger Verlauf mit einer Hochlauf- und Auslaufsrampe dargestellt. Relativ konstante Drehzahl und lineare Positionsveränderung sind im Kraftfahrzeugkomfortbereich besonders wichtig, da gerade den Komfortkomponenten ein ästhetischer Aspekt zukommt und daher Laufruhe und Getäuscharmut in Zukunft von besonderem Interesse sind. Besonders bei heutigen Fensterhebern ist der Unterschied zwischen Hoch- und Tieflauf deutlich hörbar. Durch Drehzahl- und Drehmonentregelung können daher auch Laufunruhen ausgeglichen und unangenehm empfundene Laufgeräusche vermieden werden, wie bspw. ein deutlicher Drehzahlabfall an einer Schwergängigkeit und ein an schließendes Wiederbeschleunigen. Zudem sind auch Betriebsspannungsschwan kungen in einem großen Bereich ausgleichbar, wenn zum Beispiel der Motor auf 8 V ausgelegt wird könnte die Boardspannung z. B. im Bereich von 9-15 V schwanken ohne das sich das auf die Drehzahl auswirkt, da dies von der Steuerung ausgeregelt werden kann. FIGS. 6a and b show the change in position x (t) and speed curve n (t) at controlled mode (f1) and an unregulated mode (f2) of an actuator to the beneficial effects of the speed and / or torque control, in particular on motor vehicle comfort components clarify. Ideally, an almost linear change in position x (t) (cf. FIG. 6a) can be achieved by the controlled operation. In contrast, the uncontrolled operation with conventional actuators shows strong irregularities. This can also be understood very well on the basis of the speed curve n (t) according to FIG. 6b. Ideally, a trapezoidal course with an acceleration and deceleration ramp is shown. Relatively constant speed and a linear change in position are particularly important in the automotive comfort sector, since the comfort components in particular have an aesthetic aspect and therefore smooth running and low noise levels will be of particular interest in the future. Especially with today's window regulators, the difference between up and down is clearly audible. By regulating the speed and torque, uneven running can be compensated and unpleasant running noises can be avoided, such as a significant drop in speed due to stiffness and subsequent re-acceleration. In addition, operating voltage fluctuations can be compensated for in a wide range, for example, if the motor is designed for 8 V, the board voltage could e.g. B. fluctuate in the range of 9-15 V without this affecting the speed, since this can be corrected by the controller.
Fig. 7 zeigt nun eine Schaltungsskizze eines Stellantriebs mit einer Regelschaltung zur Steuerung des Motors M mittels einer sogenannten H-Brücke bestehend aus jeweils zwei beidseitig eines Wicklungsanschlusses des Motors M vorgesehenen elektronischen Schaltmitteln S1 . . . S4, die von einem Steuerkreis 5 pulsweiten moduliert mit einer Pulsfrequenz mit nichthörbaren Bereich, bspw. bei 20 kHz angesteuert werden. Die Schaltmittel S1 und S2 können dabei jeweils im Wechsel den Motor M mit einer Betriebsspannung UB, die Schaltmittel S3 und S4 jeweils mit einem Richtung Bezugspotential (Masse ┴) gelegten Verbindungspunkt verbinden, wobei zur Bestromung des Motors jeweils entweder die Schaltmittel S1 und S4 oder S2 und S3 geschlossen sind, wobei die Stromrichtung die gewünschte Drehrichtung angibt. Wird die Bestromung abgeschaltet oder umgepolt, kommt es zu einem zeitlich begrenzten Nachlaufen in die alte Drehrichtung aufgrund der Masseträgheit, bei dem eine Generatorspannung induziert wird. Zum Abschalten kann daher der Motor M über die Schaltmittel S3 und S4 oder jeweils eine der inhärent vorhandenen Dioden DI kurzgeschlossen werden. Fig. 7 are a circuit diagram of a winding terminal of the motor M is an actuator with a control circuit for controlling the motor M by means of a so-called H-bridge consisting of two electronic switching means provided on both sides S1. . . S4, which are controlled by a control circuit 5 pulse-width modulated with a pulse frequency with inaudible range, for example at 20 kHz. The switching means S1 and S2 can alternately connect the motor M with an operating voltage UB, the switching means S3 and S4 each with a direction reference potential (ground ┴) connecting point, with either the switching means S1 and S4 or S2 for energizing the motor and S3 are closed, the current direction indicating the desired direction of rotation. If the current supply is switched off or reversed, the time lag in the old direction of rotation is limited due to the inertia at which a generator voltage is induced. To switch off, the motor M can therefore be short-circuited via the switching means S3 and S4 or one of the inherent diodes DI.
Der innere Aufbau der Schaltmittel S1 bis S4 ist in Fig. 7a dargestellt und anstelle dessen in Fig. 7 ein funktionales Sinnbild skizziert, da die Ausgestaltung dieser elektronischen Schaltmittel selbstverständlich variabel ist. Der besondere Vorteil der Verwendung eines MOSFETs gemäß Fig. 7a liegt neben dem geringen Durchlaßwiderstand und der stromlosen Steuerspannung darin, daß durch eine einfache Substratanbindung an Source eine für die in dieser Anmeldung nicht näher beschriebene Nachlauferkennung wichtige inhärente Diode DI entsteht, die bezüglich Betriebsspannung UB und Bezugspotential ┴ jeweils in Sperrichtung gepolt ist, beim Nachlaufen aber eine dazu für jeweils eine Diode in Durchlaßrichtung gepolte Generatorspannung entsteht.The internal structure of the switching means S1 to S4 is shown in FIG. 7a and instead a functional symbol is outlined in FIG. 7, since the configuration of these electronic switching means is of course variable. The particular advantage of using a MOSFET according to FIG. 7a lies in addition to the low forward resistance and the de-energized control voltage in that a simple substrate connection to the source results in an inherent diode DI, which is important for the tracking detection not described in this application and which relates to the operating voltage UB and Reference potential ┴ is polarized in the reverse direction, but a generator voltage polarized for this purpose for one diode in each case in the forward direction arises during overrun.
Der Widerstand R, der zwischen dem Verbindungspunkt der Schaltmittel S3 und S4 und dem Bezugspotential (Masse ┴) angeordnet ist, dient zur Strommessung und damit als Ist-Drehmomentmeßeinrichtung. Der darüber auftretende Spannungsabfall wird der Drehmonentregelung 4 zugeführt.The resistor R, which is arranged between the connection point of the switching means S3 and S4 and the reference potential (ground ┴), is used for current measurement and thus as an actual torque measuring device. The voltage drop occurring above this is fed to the torque control 4 .
Der Motorstrom I wird außerdem richtungsbezogen erfaßt, beispielsweise indem zwischen Stellantrieb und Schaltmitteln ein Shuntwiderstand Rs vorgesehen ist, wobei aus der Stromrichtung in der Positionserfassung 8 die Drehrichtung abgeleitet wird. Die Positionserfassung 8 ist außerdem mit dem Drehzahlsensor 1 verbunden, der in Analogie zur Fig. 1 die Ist-Drehzahl nist erfaßt. Die Positionserfassung 8 kann aus Drehzahl und Drehrichtung die Position ableiten und für eine positionsabhängige Vorgabe von Soll-Drehzahl und Soll-Drehmoment verwenden. Dazu wird dem Microcontroller µC, der die Funktionen Drehzahlregelung 6 und Strombegrenzung 7 beinhaltet, neben der soll-Drehzahl auch die Position x zur Verfügung gestellt und der aktuelle Soll-Strom isoll als drehmomentproportionale Größe abgeleitet.The motor current I is also detected in a direction-related manner, for example by providing a shunt resistor Rs between the actuator and switching means, the direction of rotation being derived from the current direction in the position detection 8 . The position detection 8 is also connected to the speed sensor 1 which, in analogy to FIG. 1, detects the actual speed nact. The position detection 8 can derive the position from the speed and direction of rotation and use it for a position-dependent specification of the desired speed and the desired torque. For this purpose, the microcontroller .mu.C, which contains the functions of speed control 6 and current limitation 7 , is provided with position x in addition to the set speed and the current set current isoll is derived as a quantity proportional to the torque.
Dieser Soll-Strom wird der Stromregelung 4 zugeführt, die aus Ist-Strom und Soll- Strom das erforderliche Pulsverhältnis zur pulsweitenmodulierten Steuerung der Schaltmittel ableitet und an die Steuerung 5 der Schaltmittel S1 bis S4 übergibt, die entsprechend dieses Schaltmittel ansteuert. Die Stromregelung 4 und die Steuerung 5 der Schaltmittel kann dabei mit dem Microcontroller µC über Verbindungsleitungen verbunden oder die Funktionen der Elemente 4, 5, 6, 7 in diesen aufgenommen werden. Die Taktung der Elemente entsprechend der Puls frequenz kann dann über den Microcontrollertakt erfolgen.This target current is fed to the current control 4 , which derives the required pulse ratio for the pulse-width-modulated control of the switching means from the actual current and the target current and transfers it to the control 5 of the switching means S1 to S4, which controls this switching means accordingly. The current control 4 and the control 5 of the switching means can be connected to the microcontroller μC via connecting lines or the functions of the elements 4 , 5 , 6 , 7 can be included therein. The clocking of the elements according to the pulse frequency can then take place via the microcontroller clock.
Fig. 8a und b verdeutlicht die puslweitenmodulierte Steuerung der Schaltmittel, wobei hier das Steuersignal 4.S der Stromregelung gezeigt wird. Das Pulsverhältnis T1/T2 kann dabei in Abhängigkeit von der erforderlichen Drehzahl- und/oder Drehmomentkorrektur angepaßt werden. Während T1 werden dabei bei einer H-Brückenschaltung gemäß Fig. 7 die Schaltmittel in eine Drehrichtung und zu T2 in die andere Drehrichtung gesteuert, so daß bei einem Pulsverhältnis von 50% kein Drehmoment entsteht, wie dies anhand des Stromes in Fig. 8b erkannt werden kann. Der Strom schwankt in diesem Fall um die Nullage. Verändert man das Pulsverhältnis, indem T1 < T2 wird, steigt der Strom im Mittel an, bei T1 < T2 sinkt er ins negative ab. Entsprechend würde ein positives oder negatives Drehmoment entstehen und der Motor neben dem Drehmoment auch seine Drehzahl oder auch Drehrichtung ändern. Fig. 8a and b shows the puslweitenmodulierte controlling the switching means, in which case the control signal 4 is shown .S the current control. The pulse ratio T1 / T2 can be adjusted depending on the required speed and / or torque correction. During T1 are controlled switch means in a rotation direction and T2 in the other rotational direction at a H-bridge circuit according to Fig. 7, so that no torque is formed with a pulse ratio of 50% as based on the current in Fig. 8b detected can. In this case the current fluctuates around the zero position. If the pulse ratio is changed by T1 <T2, the current increases on average, when T1 <T2 it decreases to negative. Accordingly, a positive or negative torque would arise and the motor would change its speed or direction of rotation in addition to the torque.
Claims (16)
in der Regelschaltung in Abhängigkeit von der Position (x) und/oder Bewegungsrichtung unterschiedliche Sollwerte der Drehzahl und/oder des Drehmomentes (nsoll(x), isoll(x)) abgelegt sind und die Regelschaltung die Ist-Drehzahl und/oder das Ist-Drehmoment (nist, iist) ent sprechend dieser Sollwerte (nsoll(x), isoll(x)) abhängig von der aktuellen Position (x) und/oder Bewegungsrichtung steuert.2. Electric actuator according to claim 1, characterized in that the control circuit is connected to a position counter ( 8 ) which is connected to the actual speed measuring device ( 1 ) and starting from a defined starting position and the actual speed (n is ) the current position (x) determined,
(to n (x), i to (x)) different in the control circuit in dependence on the position (x) and / or the direction of movement set values of the rotational speed and / or torque are stored and the control circuit the actual speed and / or the actual torque (n, i) ent (to n (x), i to (x)) speaking these setpoints controls depending on the current position (x) and / or direction of movement.
- a) der äußere Regelkreis besteht aus der Ist-Drehzahl (nist) als Regelgröße und der Soll-Drehzahl (nsoll) als Führungsgröße, der Drehzahlregelung als Regel einrichtung und einem Korrektur-Drehmoment (isoll) als Stellgröße, welches entsprechend der Abweichung zwischen Ist- und Soll-Drehzahl (nsoll) ermittelt wird,
- b) der innere Regelkreis besteht aus dem Ist-Drehmoment (iist) als Regelgröße und dem Korrekur-Drehmoment (isoll) des äußeren Regelkreises als Führungsgröße, der Drehmonentregelung (4) als Regeleinrichtung und dem Pulsverhältnis (T1/T2) als Stellgröße, daß entsprechend der Abweichung von Ist- und Soll drehmoment verändert wird, und dem vom Schaltmittel (5, S1, S2, S3, S4) ange steuerten Stellantrieb (M) in der Regelstrecke, wobei das Schaltmittel (5, S1, S2, S3, S4) entsprechend dem veränderbaren Pulsverhältnis (T1/T2) als Stellgröße angesteuert wird.
- a of the outer control loop) consists of the actual speed (n ist) as the controlled variable and the target rotational speed (n) is intended as a reference variable, the speed control device as a control and a correction torque (i) to as a manipulated variable, which according to the deviation between actual and desired speed (n soll) is determined,
- b) the inner control loop consists of the actual torque (i ist ) as the control variable and the correction torque (i soll ) of the outer control loop as the reference variable, the torque control ( 4 ) as the control device and the pulse ratio (T1 / T2) as the control variable, that according to the deviation of the actual and target torque is changed, and the actuator (M) controlled by the switching means ( 5 , S1, S2, S3, S4) in the controlled system, the switching means ( 5 , S1, S2, S3, S4) is controlled as a manipulated variable in accordance with the variable pulse ratio (T1 / T2).
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OAV | Applicant agreed to the publication of the unexamined application as to paragraph 31 lit. 2 z1 | ||
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: CONTI TEMIC MICROELECTRONIC GMBH, 90411 NUERNBERG, |
|
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20120524 |