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Die
Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Ansteuern eines mit
Hilfe eines Elektromotors betätigbaren
Verstellmechanismus in einem Kraftfahrzeug.
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In
Kraftfahrzeugen werden zunehmend elektromotorisch betätigbare
Verstellmechanismen, wie beispielsweise Fensterhebersystem, Sitzverstellung, automatisch
betätigbare
Schiebedächer,
Heckklappen und Türen
etc. vorgesehen. Aufgrund des über den
Elektromotor fremdkraftbetätigten
Verstellmechanismus ist aus Sicherheitsgründen üblicherweise ein Einklemmschutzsystem
vorgesehen, welches ein unbeabsichtigtes Einklemmen eines Gegenstands, beispielsweise
eines Körperteils,
erfasst und im Einklemmfall ein sofortiges Stoppen des Elektromotors veranlasst.
Insbesondere bei mechanisch sehr steifen Verstellmechanismen, bei
denen ein eingeklemmter Gegenstand sofort zu einem sprunghaften Anstieg
der Einklemmkraft führt,
wie beispielsweise bei einem Fensterhebersystem, ist ein schnelles
Erfassen des Einklemmfalls und ein schnelles Abschalten des Elektromotors
erforderlich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektromotorisch
betätigten
Verstellmechanismus, insbesondere bei einem festgestellten Einklemmfall,
ein schnelles Stoppen des Elektromotors zu erreichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Steuervorrichtung zum Ansteuern eines mit Hilfe eines Elektromotors
betätigbaren
Verstellmechanismus in einem Kraftfahrzeug, über die ein Relais zum Schalten
des Elektromotors ansteuerbar ist. Die Steuervorrichtung ist hierzu
derart ausgebildet, dass zum Aktivieren des Relais dieses mit einer Steuerspannung
beaufschlagt wird. Als Steuerspannung wird hierbei ein moduliertes
Pulssignal bereitgestellt und zwar derart, dass eine dem Relais
zur Verfügung
gestellte Halteenergie im Vergleich zu einer konstanten Steuerspannung
reduziert ist.
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Diese
Ausgestaltung geht von der Überlegung
aus, dass üblicherweise
zum Schalten des Elektromotors elektromechanische Relais vorgesehen
sind, die ein gewisses träges
Schaltverhalten aufweisen. Unter trägem Schaltverhalten wird hierbei verstanden,
dass zwischen einem so genannten Einschaltzeitpunkt, zu dem das
Relais angesteuert wird, und dem so genannten Anzugszeitpunkt, zu
dem ein Schalthebel des Relais umgelegt wird und ein Schaltkontakt
des Relais öffnet
bzw. schließt,
eine gewisse Zeitspanne vergeht. Diese Verzögerung resultiert unter anderem
aus dem speziellen elektromechanischen Aufbau des Relais mit einer
um einen Spulenkern angeordneten Spule. Nach dem Einschaltzeitpunkt
muss nämlich
erst der Spulenkern magnetisiert werden, bevor der Schalthebel betätigt wird.
Umgekehrt tritt auch bei der Deaktivierung des Relais eine Verzögerung auf.
Zwischen einem Ausschaltzeitpunkt, ab dem die Steuerspannung vom
Relais genommen wird und dem so genannten Abfallzeitpunkt, an dem
der Schalthebel des Relais wieder seine Ruhe- oder Ausgangsstellung
einnimmt, vergeht ebenfalls eine gewisse Zeitspanne. Ein Relais
benötigt
daher sowohl beim Aktivieren (Anlegen der Steuerspannung) als auch
beim Deaktivieren (Trennen von der Steuerspannung) jeweils eine
gewisse Schaltzeit für
die Betätigung
der Schaltkontakte des Relais. Diese Schaltzeiten können im
Bereich von Millisekunden liegen.
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Vorliegend
ist nunmehr vorgesehen, dass das Relais im aktivierten Zustand,
wenn also die Spule stromdurchflossen ist und der Schalthebel in
einer Schließ-
bzw. Offenstellung gehalten wird, die zum Halten des Schalthebel
in der gewünschten
Stellung zur Verfügung
gestellte Energie, vorliegend als Halteenergie bezeichnet, möglichst
reduziert ist, so dass bei einer Deaktivierung die Schaltzeit zwischen
dem Ausschaltzeitpunkt und dem Abfallzeitpunkt reduziert ist. Da
lediglich ein gepulstes Steuersignal anliegt, wird im Vergleich
zu einer gleichmäßigen Steuerspannung
eine geringere Energie zugeführt.
Insgesamt reduziert sich dadurch die Magnetisierung des Spulenkerns,
so dass ein schnelleres Abfallen beim Deakti vieren des Relais ermöglicht ist.
Als Steuerspannung wird hierbei die Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs
in Höhe
von üblicherweise
12 oder 42 Volt herangezogen.
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Unter
einem aktiven Zustand des Relais wird hierbei allgemein ein Zustand
verstanden, bei dem das Relais mit einer Steuerspannung beaufschlagt ist,
so dass der Spulenkern derart magnetisiert ist, dass der Schalthebel
des Relais angezogen ist und ein Schaltkontakt des Relais aufgrund
der Magnetkraft in einem definierten Schaltzustand gehalten wird,
beispielsweise in seiner Offenstellung oder Geschlossenstellung.
Umgekehrt wird unter deaktivem Zustand der Zustand verstanden, bei
dem keine oder nur eine geringe magnetische Haltekraft auf den Schalthebel
ausgeübt
wird und dieser sich in seiner Ruhestellung befindet.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist hierbei die Steuerspannung pulsweitenmoduliert. Dies
stellt eine besonders einfache Möglichkeit
dar, um die zur Verfügung
gestellte Halteenergie gezielt einzustellen. Die Halteenergie ist
hierbei – bei
einer konstant hohen Steuerspannung – proportional zu der Pulsweite
bzw. dem Tastverhältnis.
Unter Tastverhältnis
wird hierbei das Verhältnis
der Pulsdauer zu der gesamten Periodendauer der Pulse verstanden.
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Um
beim Aktivieren des Relais ein möglichst schnelles
Schalten zu erzielen, ist zweckdienlicherweise vorgesehen, dass
die Steuerspannung erst nach einer Aktivierungszeit als moduliertes
Pulssignal bereitgestellt wird. Unter Aktivierung des Relais wird
das Anlegen der Steuerspannung und die dadurch hervorgerufene Magnetisierung
des Spulenkerns verstanden. Die Steuervorrichtung ist daher derart
eingerichtet, dass zunächst
eine konstante Steuerspannung angelegt wird und zwar zumindest so
lange, bis der Schaltkontakt des Relais in seine aktive Schaltstellung
gewechselt hat. Diese Zeitdauer der Aktivierungszeit entspricht
insbesondere zumindest der Zeitdauer zwischen dem Einschaltzeitpunkt
und dem Anzugszeitpunkt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist die Höhe der Steuerspannung durch
die Bordnetzspannung bestimmt. An das Relais wird als Steuerspannung
also die Bordnetzspannung angelegt. Gleichzeitig ist die Pulsweite
und damit das Tastverhältnis
in Abhängigkeit
der aktuellen Höhe
der Bordnetzspannung derart gewählt,
dass dem Relais eine definierte Halteenergie zur Verfügung gestellt
wird. Hierbei wird insbesondere eine gleichbleibende, relaisspezifische
Halteenergie zur Verfügung
gestellt. Durch diese Maßnahme
erfolgt die Ansteuerung insoweit spannungsunabhängig, als dass Spannungsschwankungen
im Bordnetz nicht zu einer Veränderung
des Magnetisierungszustands des Relais führen. Hierdurch wird sichergestellt,
dass das Relais sicher in der gewünschten Stellung verbleibt.
Insgesamt besteht aufgrund dieser in diesem Sinne spannungsunabhängigen Ansteuerung
die Möglichkeit, das
Relais, insbesondere die Spule und auch die sogenannten Relaistreiber
der Steuervorrichtung, zu vereinfachen und insbesondere für kleinere
Leistungen auszulegen.
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Zweckdienlicherweise
ist in die Steuervorrichtung auch eine Einklemmschutzeinrichtung
integriert, die derart ausgebildet ist, dass im Falle eines festgestellten
Einklemmfalls der Elektromotor gestoppt wird. Die Einklemmschutzeinrichtung
wertet hierbei üblicherweise
insbesondere Motorsignale aus, wie beispielsweise Motorstrom, Drehzahl
etc., und entscheidet in Abhängigkeit
der Auswertung, ob ein Einklemmfall vorliegt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin
durch eine Steuervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Um nicht
nur beim Deaktivieren, sondern auch beim Aktivieren des Relais die
notwendige Schaltzeit möglichst
gering zu halten, ist danach vorgesehen, dass das Relais bereits
im nicht aktivierten Zustand mit einer modulierten Steuerspannung
beaufschlagt wird. Die dem Relais zur Verfügung gestellte Energie ist
hierbei derart bemessen, dass das Relais noch nicht schaltet. Der
Spulenkern wird daher bereits etwas vormagnetisiert und zwar derart,
dass zwar der Schaltkontakt des Relais noch nicht seine Schaltstellung
wechselt, dass jedoch im Falle des Aktivierens des Relais, also
bei Anlegen der normalen Steuerspannung, ein zügiges Schalten des Schaltkontakts
gewährleistet
ist.
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Diese
Ansteuerung bereits im nicht aktiven Zustand des Relais ist zusätzlich oder
alternativ zu der Bereitstellung einer modulierten Steuerspannung im
aktivierten Zustand vorgesehen. Die im Hinblick auf die Ansteuerung
des Relais im aktivierten Zustand vorgesehenen bevorzugten Ausgestaltungen sind
sinngemäß auch auf
die Ansteuerung im nicht aktiven Zustand zu übertragen. Als Pulssignal wird daher
bevorzugt ein pulsweitenmoduliertes Signal bereitgestellt und weiterhin
ist die Pulsweite vorteilhafterweise in Abhängigkeit der aktuellen Höhe der Bordnetzspannung
eingestellt, so dass dem Relais eine definierte, konstante Energie
zugeführt
wird.
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Der
Ansteuerung auch im nicht aktiven Zustand des Relais liegt die Überlegung
zugrunde, dass ein Relais zwei Schaltkontakte hat, die wechselweise im
aktivierten oder im deaktivierten Zustand des Relais geschlossen
sind. Das heißt
der erste Schaltkontakt ist beispielsweise in seiner Schließstellung, wenn
das Relais aktiviert ist und der zweite Schaltkontakt ist in seiner
Schließstellung,
wenn das Relais deaktiviert wird. Da zum Schalten des Elektromotors üblicherweise
zwei Relais vorgesehen sind, um den Motor in unterschiedlichen Drehrichtungen
betätigen zu
können,
besteht zum Abschalten des Motors auch die Möglichkeit, eines der beiden
Relais zu aktivieren. Durch die Ansteuerung im nicht aktivierten
Zustand wird eine gewisse Vor-Magnetisierung erreicht, so dass die
Zeitdauer zwischen dem Einschaltzeitpunkt und dem Anzugszeitpunkt
reduziert und damit die Schaltzeit verkürzt ist. Hierdurch ist ein
schnelles Stoppen des Motors erzielt.
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Darüber hinaus
ist oftmals vorgesehen, dass im Falle eines erkannten Einklemmfalles
der Motor nicht nur stoppt, sondern auch reversiert wird. In diesem
Fall müssen
beide Relais umgeschaltet werden. Um hier ein zügiges und schnelles Schalten
zu ermöglichen,
ist daher vorgesehen, dass das sich im aktivierten Zustand befindliche
Relais mit einer pulsweitenmodulierten Steuerspannung beaufschlagt wird,
so dass die zugeführte
Energie ausreichend groß ist,
um das Relais im aktivierten Zustand sicher zu halten. Das zweite
Relais, welches sich beispielsweise im nicht aktivierten Zustand
befindet, wird gleichzeitig ebenfalls mit einer pulsweitenmodulierten
Steuerspannung beaufschlagt, wobei das Tastverhältnis hierbei derart eingestellt
ist, dass die zugeführte
Energie nicht ausreicht, um das Relais in den aktivierten Zustand
zu überführen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
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1 eine
Blockbilddarstellung einer Steuervorrichtung zum Ansteuern eines
mit Hilfe eines Elektromotors betätigbaren Verstellmechanismus und
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2 eine
schematische Darstellung einer pulsweitenmodulierten Steuerspannung,
die am Relais anliegt.
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Gemäß der Blockbilddarstellung
nach 1 ist ein Elektromotor 2 vorgesehen,
dessen beide Motorkontakte 4A,B jeweils mit einem Relais 6A,B
verbunden sind. Das jeweilige Relais 6A,B ist jeweils mit dem
Pluspol und dem Minuspol einer Spannungsquelle, insbesondere der
Kraftfahrzeugbatterie, verbunden. Am Pluspol liegt hierbei die Betriebsspannung
an und der Minuspol liegt auf Massepotenzial.
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Das
jeweilige Relais 6A,B weist jeweils eine Spule 8A,B
auf, die einen üblicherweise
als Anker bezeichneten Schalthebel 10A,B betätigt. Der
jeweilige Schalthebel 10A,B ist zwischen jeweils einem ersten,
mit dem Massepotenzial verbundenen Schaltkontakt 12 und
einem zweiten, mit der Betriebsspannung verbundenen Schaltkontakt 14 wechselweise
verbindbar. Liegen beide Schalthebel 10A,B auf gleichem
Potenzial (Entweder Massepotenzial oder Betriebsspannung), so ruht
der Elektromotor 2. Darüber
hinaus ist in Abhängigkeit
der Schaltstellung des Schalthebels 10A,B die Polung und
damit die Drehrichtung des Motors vorgebbar. Die beiden Relais 6A,B
sind zwischen einem aktivierten Zustand und einem nicht aktivierten
Zustand schaltbar. Unter aktiviertem Zustand wird hierbei der Zustand
verstanden, wenn die Spule 8A,B stromdurchflossen ist und
ein Spulenkern magnetisiert ist, so dass der jeweilige Schalthebel 10A,B
zur Spule 8A,B hin angezogen ist, wie dies im Ausführungsbeispiel
gezeigt ist. Umgekehrt liegt der nicht aktive Zustand dann vor,
wenn die Spule nicht oder nicht ausreichend stromdurchflossen ist
und der Schalthebel 10A,B im Ausführungsbeispiel am Massepotenzial anliegt.
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Zur
Ansteuerung der Relais 6A,B ist eine Steuervorrichtung 16 zur
Steuerung einer die jeweilige Spule 8A,B versorgende Steuerspannung
S vorgesehen. Über
die Steuerspannung S wird der Magnetisierungszustand und damit der
Schaltzustand des Relais 6A,B beeinflusst, um die Spule 8A,B
bzw. das jeweilige Relais 6A,B in den aktiven Zustand zu überführen bzw.
vom aktiven Zustand in den deaktiven Zustand zu überführen. Als Steuerspannung wird hier
von der Steuervorrichtung 16 die Betriebsspannung, also
im Wesentlichen die von der Kraftfahrzeugbatterie bereitgestellte
Spannung, an die Spule 8A,B angelegt.
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Die
Steuervorrichtung 16 umfasst weiterhin eine Einklemmschutzeinrichtung 18,
die in der Steuervorrichtung 16 implementiert ist. Die
Einklemmschutzeinrichtung 18 umfasst im Wesentlichen einen Software-Algorithmus,
welcher in Abhängigkeit
von Signalen, insbesondere Motorsignalen, überprüft und entscheidet, ob ein
Einklemmfall vorliegt. Hierzu werden der Steuervorrichtung 16 über eine
Signalleitung 20 entsprechende Motorparameter übermittelt,
wie beispielsweise die über
Drehzahlsensoren gemessene Drehzahl oder auch der Motorstrom, etc..
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Im
Betrieb wird über
den Elektromotor 2 fremdkraftbetätigt ein Verstellmechanismus,
insbesondere ein Fensterhebersystem angetrieben. Durch entsprechende
Polung des Elektromotors 2 durch geeignete Schaltung der
beiden Relais 6A,B wird der Motor 2 entweder in
positiver oder in negativer Drehrichtung zum Heben bzw. Senken einer
Fensterscheibe angetrieben. Wird über die Einklemmschutzeinrichtung 18 ein
Einklemmfall erfasst, so veranlasst die Steuervorrichtung 16 einen
sofortigen Stopp des Motors 2. Hierzu steuert sie eines
der beiden Relais 6A,B an, so dass einer der beiden Schalthebel 10A,B umgelegt
wird, wodurch die beiden Motorkontakte 4A,B auf gleichem
Bezugspotential liegen und der Motor zum Stilstand kommt. Zum Stoppen
des Motors kann jedes der beiden Relais 6A,B betätigt werden,
um den Schalthebel 10A bzw. 10B umzulegen. Ist
beispielsweise der Motorkontakt 4A mit den Schaltkontakt 14 (Betriebsspannung)
verbunden, der Motorkontakt 4B mit dem Schaltkontakt 12 (Massepotential)
so befindet sich in dem im Ausführungsbeispiel
dargestellten Fall das Relais 6A im aktivierten Zustand,
bei dem an der Spule 8A die Steuerspannung S anliegt. Das
zweite Relais 6B befindet sich im nicht aktivierten Zustand,
und es liegt in der Regel keine Steuerspannung an der Spule 86 an.
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Um
aus diesem Betriebszustand, bei der der Motor 2 dreht,
den Motor zu stoppen, kann nunmehr wahlweise entweder das Relais 6A deaktiviert
oder das Relais 6B aktiviert werden. Zum Deaktivieren des
Relais 6A wird die Steuerspannung S zur Versorgung der
Spule 8A abgeschaltet. Da sich die Magnetisierung des Spulenkerns
erst abbauen muss, vergeht eine gewisse Zeitspanne zwischen dem
Ausschaltzeitpunkt und dem Abfallzeitpunkt, an dem der Schalthebel 10A von
seiner aktivierten Position (Verbindung mit Schaltkontakt 14)
in seine Ruheposition (Verbindung mit Schaltkontakt 12)
zurückgeht.
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Um
diese Zeitspanne möglichst
gering zu halten ist nunmehr vorgesehen, dass die an der Spule 6A anliegende
Steuerspannung S pulsweitenmoduliert ist. Ein beispielhafter Signalverlauf
der Steuerspannung S gegenüber
der Zeit ist in 2 dargestellt. Und zwar wird
das Steuersignal gepulst zwischen einer Nullspannung und der Betriebsspannung UB angelegt. Um das Relais 6A zunächst zu
aktivieren, also um den Schalthebel 10A vom Schaltkontakt 12 auf
den Schaltkontakt 14 zu ziehen, wird nach einem Einschaltzeitpunkt
TE zunächst
eine kontinuierliche Steuerspannung S über eine Aktivierungszeit tA angelegt. Diese Aktivierungszeit tA entspricht insbesondere der Zeitdauer zwischen
dem Einschaltzeitpunkt TE und dem Anzugszeitpunkt
des Relais 6A. Im Anschluss an diese Aktivierungszeit tA wird die Spule 8A mit einem gepulsten
Steuersignal angesteuert. Hierbei ist eine vorgegebene Pulsweite
der einzelnen Steuerimpulse eingestellt. Die Steuerspan nung S ist also
pulsweitenmoduliert. Über
die Pulsweitenmodulation wird das sogenannte Tastverhältnis eingestellt, also
das Verhältnis
der Dauer tP des Pulses bezogen auf die
Periode T der Pulsfolge. Im Ausführungsbeispiel
gemäß der Figur
ist ein Tastverhältnis
von etwa 0,5 vorgesehen. Durch das Anlegen der pulsweitenmodulierten
Steuerspannung S wird daher der Spule 8A im Vergleich zu
einer kontinuierlichen Steuerspannung S eine geringere elektrische
Energie zur Verfügung
gestellt, so dass die Magnetisierung des Spulenkerns reduziert wird
und die magnetische, auf den Schalthebel 10A ausgeübte Haltekraft
ebenfalls reduziert ist. Das Tastverhältnis ist hierbei derart eingestellt,
dass sichergestellt ist, dass der Schalthebel 10A in der
gewünschten
Stellung bleibt. Gleichzeitig ist jedoch dadurch, dass die Magnetisierung
reduziert ist auch die Trägheit
des Relais 6A bei einem erneuten Schalten reduziert. Sofern
nämlich
zum Stoppen des Motors 2 der Schalthebel 10A.
in seine Ruheposition gelangen soll und die Steuerspannung S zu
einem Ausschaltzeitpunkt TA ausgeschaltet
wird, fällt
die Magnetisierung schneller ab und der Schalthebel 10A geht
zügiger
in seine Ruhestellung über.
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Zweckdienlicherweise
wird hierbei das Tastverhältnis
in Abhängigkeit
der aktuellen Bordnetzspannung UB eingestellt,
wobei hier eine kontinuierliche Anpassung an die aktuelle Höhe der Bordnetzspannung
UB vorgenommen wird, damit die der Spule 8A zur
Verfügung
gestellte Energie gleichbleibend ist. Insgesamt ist daher die Ansteuerung
der Spule 8A insoweit spannungsunabhängig, als dass Spannungsschwankungen
im Bordnetz nicht zu einer Veränderung
des Magnetisierungszustands führen.
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Um
umgekehrt auch ein Beschleunigen des Schaltens des Relais 8B aus
dem nicht aktiven in den aktiven Zustand zu erzielen, ist ergänzend oder
alternativ vorgesehen, dass auch die im nicht aktiven Zustand befindliche
Spule 8B mit einer Steuerspannung S beaufschlagt wird.
Hierbei ist jedoch das Tastverhältnis
derart eingestellt, dass die dadurch hervorgerufene Magnetisierung
noch nicht ausreicht, um den Schalthebel 10B vom Schaltkontakt 12 aus
seiner Ruhestellung heraus auf den Schaltkontakt 14 umzulegen.
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Insgesamt
ist durch die Maßnahme
der pulsweitenmodulierten Ansteuerung der Spulen 8A,B ohne
konstruktivem Aufwand eine Verringerung der Schaltzeit der Spulen 8A,B
und somit insbesondere bei einem festgestellten Einklemmfall ein
schnelleres Abschalten und Stoppen des Elektromotors 2 erzielt. Gleichzeitig
besteht durch die pulsweitenmodulierte Ansteuerung der Spulen 8A,B
die Möglichkeit,
die Spulen 8A,B und damit die Relais 6A,B für geringere Leistungen
auszulegen.
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- 2
- Elektromotor
- 4A,B
- Motorkontakt
- 6A,B
- Relais
- 8A,B
- Spule
- 10A,B
- Schalthebel
- 12,14
- Schaltkontakt
- 16
- Steuervorrichtung
- 18
- Einklemmschutzeinrichtung
- 20
- Signalleitung
- S
- Steuersignal
- UB
- Betriebsspannung
- T
- Periode
- TE
- Einschaltzeitpunkt
- TA
- Ausschaltzeitpunkt
- tA
- Aktivierungszeit
- tP
- Zeitdauer
des Pulses