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Die
Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung einer
Verstelleinrichtung eines Kraftfahrzeugs.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es eine Steuerungsvorrichtung anzugeben,
die die Sicherheit eines Benutzers der Verstelleinrichtung des Kraftfahrzeugs
möglichst
verbessert.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Demgemäß ist eine
Steuerungsvorrichtung zur Steuerung einer Verstelleinrichtung eines
Kraftfahrzeugs vorgesehen, die insbesondere zur Steuerung einer
Kraftfahrzeugsitzverstellung geeignet ist. Die Steuerungsvorrichtung
weist einen Sensor zur Bestimmung einer Istgröße einer Antriebsbewegung eines
Antriebs der Verstelleinrichtung auf. Eine derartige Istgröße ist vorzugsweise
eine Istgeschwindigkeit. Auch ist es möglich, dass die Istgröße eine
Istposition, eine Istbeschleunigung oder eine zeitliche Änderung
der Istbeschleunigung ist oder jene zusätzlich aufweist. Beispielsweise
wird hierzu ein Hallsensor verwendet, der mit einem mit dem Antrieb
rotierenden magnetischen Geber zusammenwirkt. Ein weiterer beispielhafter
Sensor zur Bestimmung einer Istgeschwindigkeit oder einer anderen
Istgröße ist ein
Stromsensor, der eine Detektion der Welligkeit des Antriebsstromes
ermöglicht.
Die zeitlichen Abstände
der Wellen der Welligkeit sind dabei abhängig von dem Drehwinkel und/oder
der Drehgeschwindigkeit, die in diesem Fall der Istgeschwindigkeit
entspricht.
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Mit
dem Sensor ist eine Recheneinheit verbunden. Diese Recheneinheit
ist beispielsweise eine Analogrecheneinheit, eine festverdrahtete
Logik, mit einem festverdrahteten Programm ausgestatteter anwenderspezifische
Schaltkreis (ASIC) oder vorzugsweise eine programmierbare Recheneinheit,
beispielsweise ein Mikrocontroller. Diese Recheneinheit ist zur
Regelung der Verstellbewegung, vorzugsweise der Verstellgeschwindigkeit
der Antriebsbewegung in Abhängigkeit
von der Istgröße und einer
vorgebbaren Sollgröße mittels
eines Stellsignals ausgebildet und eingerichtet. Zudem ist es analog
der Istgröße möglich, dass
die Sollgröße eine
Sollposition, eine Sollbeschleunigung oder eine zeitliche Änderung
der Sollbeschleunigung ist oder jene zusätzlich aufweist.
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Weiterhin
ist die Recheneinheit ausgebildet und eingerichtet die Antriebsbewegung
in Abhängigkeit
von einer einem Einklemmfall zugeordneten Auswertung des Stellsignals
zu stoppen oder umzukehren. Zudem ist ein Leistungstreiber zur Bestromung des
Antriebs in Abhängigkeit
von dem Stellsignal vorgesehen.
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Die
Erfindung umfasst zudem ein Verfahren, das beispielsweise als Programm
innerhalb der Recheneinheit abläuft.
In diesem wird eine Antriebsbewegung eines Antriebs der Verstelleinrichtung
gestoppt und/oder die Antriebsbewegung umgekehrt, wenn ein Einklemmen
eines Gegenstandes oder eines Körperteils
ermittelt wird. Die Verstellbewegung wird dabei geregelt, indem
eine Sollgröße, vorzugsweise
eine Sollgeschwindigkeit vorgegeben, eine Istgröße, vorzugsweise Istgeschwindigkeit
des Antriebs der Verstelleinrichtung bestimmt und die dem Antrieb zugeführte Leistung
in Abhängigkeit
von der Sollgröße und der
Istgröße mittels
eines Stellsignals gesteuert wird. Erfindungsgemäß wird zur Ermittlung des Einklemmens
das Stellsignal ausgewertet.
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Im
Folgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung
aufgezeigt, die eine mögliche
Auswertung des Stellsignals betreffen. Diese Auswertungen können auch miteinander
kombiniert werden. Zwei Ausgestaltungsvarianten sehen vor, dass
mittels der Recheneinheit das Stellsignal oder die zeitliche Änderung
des Stellsignals mit einem Schwellwert verglichen wird. Die Recheneinheit ist
hierzu eingerichtet den Schwellwert, der beispielsweise in einem
Register zwischengespeichert ist, mit vorzugsweise aufeinander folgenden
Stellsignalwerten oder zeitlichen Änderungen von Stellsignalwerten zu
vergleichen. Derartige zeitliche Änderungen sind beispielsweise
Werte der ersten oder zweiten Ableitung der Stellsignalwerte nach
der Zeit. Die Stellsignalwerte sind hierzu beispielsweise zeitdiskrete
Werte. Wird hingegen eine analoge Recheneinheit verwendet, können auch
zeitkontinuierliche Stellsignalwerte verglichen werden. Zudem können die
Stellsignalwerte und die Werte der zeitlichen Änderungen des Stellsignals
auch kombiniert ausgewertet werden, indem ein Algorithmus oder ein
Gatter zwei Schwellwert-Überbeziehungsweise
Unterschreitungen logisch verknüpft.
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Um
Charakteristika des Verstellweges zu berücksichtigen, wird in einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung für Positionen innerhalb des
Verstellweges der Schwellwert durch verstellpositionsabhängige Auswertung
des Stellsignals oder der zeitlichen Änderung des Stellsignals ermittelt
und in einem Speicher, vorzugsweise in einem nicht-flüchtigen
Speicher gespeichert. Die Recheneinheit kann hierzu beispielsweise
einen Mikrocontroller mit einem EEPROM aufweisen. Der Schwellwert
ist in dieser Weiterbildung verstellwegabhängig, so dass für unterschiedliche
Positionen und insbesondere in Bezug auf die zugeordnete Verstellrichtung
unterschiedliche Werte für
den Schwellwert gespeichert werden. Dieser Schwellwertverlauf ist
von dem zur jeweiligen Verstellposition zugeordneten Stellsignalwert
abhängig.
Schwergängigkeiten
und Leichtgängigkeiten
der Mechanik des Verstellsystems werden auf den verstellpositionsabhängigen Verlauf
des Stellwertes abgebildet. Die Werte des Schwellwertverlaufes werden
vorzugsweise während
der Verstellung aktualisiert. Beispielsweise erfolgt die Aktualisierung
durch Mittelung der Werte mehrer Verstellungen.
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Eine
besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
zur Auswertung das Stellsignal transformiert und das vorzugsweise
in den Frequenzbereich transformierte Stellsignal zur Ermittlung
des Einklemmens in der Recheneinheit ausgewertet wird. Diese Weiterbildung
der Erfindung wird vorteilhafterweise mit der zuvor beschriebenen Auswertung
der Charakteristika des Verstellweges kombiniert genutzt, indem
das transformierte Signal verstellpositionsabhängig in Bezug auf die verstellpositionsabhängigen Charakteristika
ausgewertet wird. Als mögliche
verwendete Transformation ist vorteilhafterweise eine Fouriertransformation
oder besonders bevorzugt eine Wavelet-Transformation vorgesehen.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Eigenfrequenz
oder mehrere Eigenfrequenzen der Regelung sich von charakteristischen
Frequenzen des Einklemmfalls unterscheiden. Die Eigenfrequenz wird
dabei vorzugsweise durch die Recheneinheit festgelegt, so dass das
Signal der Eigenfrequenz und die den Einklemmfall betreffenden Anteile
des Stellsignals sich auswertbar unterscheiden. Vorzugsweise sind
daher der Regler und die Detektion des Einklemmfalls aufeinander
abgestimmt.
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Vorzugsweise
ist dabei vorgesehen, dass die Sollgeschwindigkeit insbesondere
verstellpositionsabhängig
und/oder verstellzeitabhängig
derart vorgegeben wird, dass eine Charakteristik des Einklemmfalls
gegenüber
einer Charakteristik bei einer anderen Sollgeschwindigkeit verstärkt wird.
In diesem Fall können
bekannte Schwergängigkeiten
oder andere bekannte mechanische Randbedingungen in die Vorgabe
der Sollgeschwindigkeit mit einbezogen werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis für die Auswertung
des Stellsignals zu optimieren.
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Um
einen Einklemmfall zu ermitteln, ist eine Messung und Auswertung
des Motorstromes möglich.
Der Motorstrom ist dabei vom aufgebrachten Verstellmoment abhängig. Wird
der Antrieb geregelt, ist die dem Motor zugeführte Leistung abhängig von der
Stellgröße, die
in ein pulsweitenmoduliertes Signal umgesetzt wird. Dieses pulsweitenmodulierte
Signal steuert einen Leistungstreiber, beispielsweise einen MOSFET-Transistor
oder einen DMOS-Transistor,
der in Abhängigkeit
von diesem pulsweitenmodulierten Signal eine Bestromung des Antriebes
ermöglicht.
Um den durch den Motor fließenden
Strom zu messen, wird zumindest ein mechanisch oder elektrisch bedingtes
Systemverhalten berücksichtigt.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor,
dass zur Bestimmung des Einklemmens zusätzlich zur Auswertung des Stellsignals
andere Messgrößen der
Verstelleinrichtung mit dem Stellsignal kombiniert ausgewertet werden.
Diese Messgröße ist vorzugsweise
der zuvor erwähnte
Absolutbetrag oder Gleichanteil des Motorstromes. Alternativ können auch
weitere Umgebungsbedingungen der Verstelleinrichtung gemessen werden,
beispielsweise die Temperatur der Verstelleinrichtung oder die Spannung
der Spannungsversorgung, also insbesondere der Batterie des Kraftfahrzeugs.
Zu diesen Messgrößen können vorteilhafterweise
alternativ oder auch in Kombination eine oder mehrere Steuergrößen ausgewertet
werden. Eine wichtige Steuergröße ist beispielsweise das
aktuelle Taktverhältnis
eines pulsweitenmodulierten Signals zur Ansteuerung einer Leistungstreiberstufe
zur Bestromung des Antriebs.
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Die
Erfindung weiterbildend ist die Recheneinheit derart ausgebildet
und eingerichtet, dass die Sollgeschwindigkeit verstellpositionsabhängig und/oder
verstellzeitabhängig
vorgegeben ist, um die Detektionsempfindlichkeit bezüglich des
Einklemmens innerhalb bestimmte Bereiche des Verstellweges zu erhöhen. Die
Vorgabe der Sollgeschwindigkeit erfolgt vorzugsweise derart, dass
Frequenzbänder
des Stellsignals, die charakteristisch für den Einklemmfall sind, möglichst
ungestört
detektierbar sind. Insbesondere verursacht eine hohe Sollgeschwindigkeit
ein unscharfes Frequenzspektrum, dessen Schärfe mit abnehmender Sollgeschwindigkeit
zunimmt. Zudem befindet sich bei kleineren Sollgeschwindigkeiten
weniger kinetische Energie im mechanischen System der Verstelleinrichtung,
so dass der Recheneinheit mehr Zeit für eine Reaktion auf detektierte
Ereignisse zur Verfügung
steht. Vorzugsweise ist die Sollgeschwindigkeit in vorbestimmten Bereichen
des Verstellweges reduziert. Diese Verstellbereiche weisen beispielsweise
ein erhöhtes
Einklemmrisiko für
einen Kraftfahrzeuginsassen auf.
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Vorzugsweise
erfolgt die Reduktion der Sollgeschwindigkeit in Abhängigkeit
von der verstellpositionsabhängigen
Auswertung des Stellsignals oder der zeitlichen Änderung des Stellsignals. Hierdurch können Schwergängigkeiten
des Systems oder bekannte durch den Benutzer auf das System einwirkende
Kräfte
mit berücksichtigt
werden, die als Störgröße in die
Auswertung des Stellsignals eingehen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zur Bestimmung der Istgeschwindigkeit ein von der Istgeschwindigkeit
abhängiges
Sensorsignal abgetastet wird. Zur Abtastung kann beispielsweise
eine Unterbrechung (interrupt) eines Mikrocontrollers verwendet
werden. Die Abtastung ist hierzu vorzugsweise höher als die Signaländerung
des Sensors.
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In
Kombination oder alternativ zu der Abtastung des Sensorsignals wird
in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Istgeschwindigkeit aus
einem Motormodell bestimmt. Dieses Motormodell ermöglicht die
Bestimmung der Verstellposition und der Verstellgeschwindigkeit
in Abhängigkeit
von im Motormodell enthaltenen elektromechanischen Parametern. Als
Eingangsgröße des Motormodells wird
eine Motorkenngröße verwendet.
Diese ist vorzugsweise der Motorstrom, der mittels eines Stromsensors
bestimmt wird. Dabei wird vorteilhafterweise aus dem Motorstrom
sowohl der Gleichanteil, als auch eine durch Kommutation bedingte
Welligkeit des Motorstroms als Eingangsgröße des Motormodells ausgewertet.
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In
dieser vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Ermitteln
der Drehzahl und/oder des Drehwinkels bei mechanisch kommutierten
Gleichstrommotoren aus dem Zeitverlauf der bei der Kommutierung
auftretenden Welligkeit (Ripple) des Motorstroms durch ein parallel
dazu arbeitendes Motorzustandsmodell ergänzt und kontrolliert, dem die elektromechanischen
Motorengleichungen zugrunde liegen. Aus dem Motorstrom und der Motorspannung wird
ein wahrscheinlicher Wert der aktuellen Drehzahl extrapoliert sowie
vorzugsweise ein zulässiger Soll-Wertebereich
der nächsten
Kommutierung bestimmt. Kann im Soll-Wertebereich kein Kommutierungszeitpunkt
bestimmt werden, wird vorteilhafterweise der extrapolierte Wert
verwendet. Anderenfalls wird aus dem im Soll-Wertebereich durch
Messung der Welligkeit erfassten Kommutierungszeitpunkt die aktuelle
Drehzahl genau bestimmt. Die für
das Motorzustandsmodell erforderliche motorspezifische und lastabhängige Größe kann
fest vorgegeben werden oder nach der Detektion von Kommutierungsvorgängen jeweils
an die aktuelle Drehzahl angepasst und gelernt werden. Störungen bei
der Erfassung und Auswertung der bei der Kommutierung auftretenden Welligkeit
(Ripple) des Motorstroms können
vermieden und die für
eine Positionsermittlung und -steuerung von elektrisch betriebenen
Teilen erforderliche störsichere
Weiterleitung der aktuellen Werte sichergestellt werden.
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So
kann die Motorimpedanz bereits im Anlaufzeitpunkt noch vor dem Überwinden
der Haftreibung bestimmt werden, da in diesem Fall die Drehzahl
noch Null und keine induzierte Ankerspannung vorhanden ist. Durch
mehrfache Erfassung von Motorstrom und Motorspannung kann der Wert
der Motorimpedanz adaptiv angepasst und Fehler so weitgehend ausgeschlossen
werden. Außerdem
kann eine temperatur- und lastabhängige motorspezifische Größe der Motorgleichung
nach jedem Kommutierungsvorgang neu bestimmt und so für die folgende
Extrapolation der Einfluss von Temperatur und Last auf die Motorgleichung
berücksichtigt
werden. Sollte die Arbeitsdauer des Motors relativ kurz sein, so
kann die motorspezifische Größe auch über die gesamte
Arbeitsdauer auf dem fest vorgegebenen Wert bleiben, da insbesondere
die thermische Beeinflussung demgegenüber sehr viel langsamer und schwächer wirkt.
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Weiterhin
ist vorzugsweise vorgesehen, dass zur Regelung der Verstellgeschwindigkeit
das Stellsignal in eine Motorsteuergröße zur Leistungssteuerung gewandelt
wird. Die Motorsteuergröße ist beispielsweise
eine Motorspannung, eine Frequenz, die insbesondere zur Ansteuerung
eines Synchronmotors verwendet wird, oder ein Motorstrom. Besonders
bevorzugt ist die Motorsteuergröße jedoch
ein Verhältnis
eines puls-weiten-modulierten Signals, dass eine mittlere Motorspannung
bewirkt.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, dass die Bestimmung
der Istgeschwindigkeit in Abhängigkeit
von der Motorsteuergröße, insbesondere
in Abhängigkeit
von der Puls-Weiten-Modulation erfolgt. Wird beispielsweise zur
Bestimmung der Istgeschwindigkeit der Motorstrom, insbesondere eine Welligkeit
des Motorstroms, sensiert, wird zur Auswertung des Motorstroms dessen
gepulstes Verhalten in Bezug auf die Puls-Weiten-Modulation bei der Auswertung
mit berücksichtigt.
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Zum
Stoppen des Antriebes können
verschiedene Arten des Stoppens des Antriebes gewählt werden.
Neben dem Stoppen mittels eines mechanischen Elementes kann der
Elektromotor mittels zusätzlicher
Schalter strom- oder spannungslos geschalten oder kurzgeschlossen
werden. Vorzugsweise wird zum Stoppen des Antriebes die Sollgeschwindigkeit
auf den Wert Null gesetzt. Dies wird vorteilhafterweise mit weiteren
Steuerungsschritten kombiniert, indem zur Umkehrung der Antriebsbewegung
der Antrieb in eine Gegenrichtung bestromt und die danach Sollgeschwindigkeit
zumindest temporär auf
einen Maximalwert gesetzt wird.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft das zuvor dargestellte Sicherheitskonzept
in Verbindung mit der Regelung eines Verstellmomentes des Antriebs.
Demnach wird eine Antriebsbewegung eines Antriebs der Verstelleinrichtung
gestoppt und/oder die Antriebsbewegung umgekehrt, wenn ein Einklemmen
eines Gegenstandes oder eines Körperteils ermittelt
wird. Hierbei wird ein Verstellmoment geregelt, indem ein Sollmoment
vorgegeben wird, ein Istmoment des Antriebs der Verstelleinrichtung
bestimmt wird, und die dem Antrieb zugeführte Leistung in Abhängigkeit
von dem Sollmoment und dem Istmoment mittels eines Stellsignals
gesteuert wird. Zudem wird zur Ermittelung des Einklemmens das Stellsignal
ausgewertet. Dieses Konzept lässt
sich vorteilhafterweise analog mit den zuvor dargestellten Weiterbildungen
und Ausgestaltungen zur erfindungsgemäßen Verstellgeschwindigkeitsregelung
kombinieren. Zudem ist es auch vorteilhaft sowohl eine Momentenregelung
als auch eine Geschwindigkeitsregelung zumindest jeweils verstellabschnittsweise vorzusehen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen anhand von
Zeichnungen näher
erläutert.
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Dabei
zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines Reglermodells
mit Einklemmschutzdetektion, und
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2 eine schematische Darstellung eines zeitlichen
Verlaufs des Stellsignals.
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Das
Reglermodell der 1 weist als Eingangswert
einen Sollwert und als Ausgangswert einen Istwert auf. Der Sollwert
ist dabei beispielsweise eine Sollgeschwindigkeit oder ein Sollmoment
und der Istwert eine Istgeschwindigkeit oder ein Istmoment respektive.
Der Istwert wird dabei vorzugsweise durch einen Sensor, beispielsweise
einem Geschwindigkeits- oder einem Stromsensor erfasst. Als Geschwindigkeitssensor
eignet sich beispielsweise ein Hallsensor, der mit einem mit der
Antriebsbewegung bewegten Magneten als Geber zusammenwirkt. Die
Abweichung zwischen Sollwert und Istwert wird einem Regler zugeführt. Als
Regler eignet sich vorzugsweise ein PI-Regler oder PID-Regler.
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Die
Strecke beschreibt das elektromechanische, verstellpositionsabhängige und/oder
verstellrichtungsabhängige
Systemverhalten der Verstelleinrichtung. Beispielsweise wirken sich
in Abhängigkeit von
einer Verstellposition der Lehne Istwertschwankungen, beispielsweise
bekannte, durch den Verstellwinkel bedingte Lastschwankungen, unterschiedlich in
der Einklemmschutzdetektion aus. Weitere, den Regelkreis beeinflussende
Parameter sind eine äußere mechanische
Krafteinwirkung FMech, eine Einklemmkraft
FEinklemm, eine Gewichtskraft FPerson einer Person,
eine Batteriespannung Ubat zur Versorgung eines,
in 1 nicht dargestellten Antriebs
der Verstelleinrichtung und eine Temperatur Temp des Antriebs und/oder
des mechanischen Systems der Verstelleinrichtung.
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Das
Ausgangssignal des Reglers ist ein Stellsignal, das zur Bestimmung
eines Einklemmfalles ausgewertet wird. Zur Auswertung können in
der Steuerungsvorrichtung verschiedene Verfahren implementiert sein,
die entweder alternativ, aufeinander folgend oder parallel das Stellsignal
auswerten. Beispielhaft und nicht abschließend dargestellt ist in 1 die erste Variante einer Auswertung
im Zeitbereich. Eine zweite Variante sieht eine Auswertung im Bildbereich
vor. Hierzu wird das Stellsignal in den Bildbereich transformiert.
In einer dritten Variante erfolgt die Auswertung mittels eines neuronalen
Netzes. Im Gegensatz zum neuronalen Netz wird bei einer Verwendung
von Klassifikatoren in einer vierten Variante eine abgeschlossene
Menge von Ausgangssignalen einer Entscheidungseinheit zugeführt. Die
Entscheidungseinheit trifft die Entscheidung, ob anhand der Ausgangssignale
zumindest eines der auswertenden implementierten Verfahren ein Einklemmfall
vorliegt.
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Liegt
ein Einklemmfall vor, wird eine dem Einklemmfall zugeordnete Sollwertvorgabe
an den Eingang des Regelkreises gegeben. Liegt beispielsweise ein
Einklemmfall vor, wird eine zu einem Reversieren der Verstellbewegung
zugeordnete Sollwertvorgabe ausgegeben, die bewirkt, dass der Antrieb
in die Gegenrichtung bestromt wird. Alternativ kann der Motor auch
lediglich abgebremst werden, indem die Sollwertvorgabe den Sollwert
0 ausgibt. Im Normalbetrieb, wenn kein Einklemmfall detektiert wurde,
erfolgt keine Sollwertvorgabe, so dass der Sollwert beispielsweise
positionsabhängig
aus einem Register ausgelesen werden kann.
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In 2 ist der Verlauf des Stellsignals über die
Zeit schematisch dargestellt. Liegt das Stellsignal innerhalb eines
zugelassenen Toleranzbandes, ist kein Einklemmfall gegeben. Schwankungen
des Stellsignals innerhalb des Toleranzbandes sind durch niederfrequente
Schwergängigkeiten
des Getriebes oder andere Mechanikteile bedingt.
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Bei Überschreiten
des Toleranzbandes durch das Stellsignal wird, wie in 2 dargestellt, das Stellsignal in Bezug
auf einen Einklemmfall ausgewertet. Hierzu wird beispielsweise die
Steigung oder das Frequenzverhalten des Stellsignals ausgewertet.
Das Toleranzband ist, alternativ zu den in 2 dargestellten
konstanten Schwellwerten, vorzugsweise derart ausgebildet, dass
der zeitliche oder örtliche
Verlauf des Toleranzbandes an gelernte Schwergängigkeiten des Mechaniksystems
der Verstelleinrichtung, an das Einsitzgewicht eines Benutzers und/oder
an die Versorgungsspannung angepasst ist.
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- FMech
- Reibkraft,
Schwergängigkeit, äußere mechanische
Kraft
- FEinklemm
- Einklemmkraft
- FPerson
- Gewichtskraft
des Benutzers
- Ubat
- Batteriespannung
- Temp
- Temperatur