EP3857703A1 - Method for operating an electric drive unit, preferably for adjusting a component in the motor vehicle, and drive unit for carrying out said method - Google Patents

Method for operating an electric drive unit, preferably for adjusting a component in the motor vehicle, and drive unit for carrying out said method

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Publication number
EP3857703A1
EP3857703A1 EP19779419.1A EP19779419A EP3857703A1 EP 3857703 A1 EP3857703 A1 EP 3857703A1 EP 19779419 A EP19779419 A EP 19779419A EP 3857703 A1 EP3857703 A1 EP 3857703A1
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EP
European Patent Office
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signal
drive unit
acceleration sensor
rotor
ripple
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19779419.1A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Rainer Berger
Marco Debus
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
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    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
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    • G01D5/2454—Encoders incorporating incremental and absolute signals
    • G01D5/2455—Encoders incorporating incremental and absolute signals with incremental and absolute tracks on the same encoder

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an electric drive unit, preferably for adjusting a component in a motor vehicle, and a drive unit for carrying out the method according to the independent claims.
  • DE 10 2009 000 021 A1 has disclosed a method for operating an actuating drive in which an acceleration measurement of the motor vehicle or of the component to be adjusted is carried out in order to improve the protection against trapping of a motor vehicle component.
  • the position of the component, or of the rotor is carried out via a position sensor, which can be designed, for example, as one or two Hall sensors on the rotor shaft.
  • the rotational position of the rotor can also be detected via a motor current signal, the current ripple of which is evaluated for the speed or the position detection.
  • the disadvantage of this solution is that, in addition to the acceleration sensor for the pinch protection, a position sensor system and / or motor current measurement must be provided in order to determine the position of the part to be adjusted.
  • the aim of the invention is to provide a very inexpensive position detection which is very flexible with regard to the spatial arrangement in the actuator. Disclosure of the invention
  • the inventive method for operating a drive unit of a motor vehicle component preferably a side window, a sunroof or Wegkom components, and the drive unit for executing the method with the features of the independent claims have the advantage that the acceleration of the structure-borne sound signal - Sensor of the drive unit a rotor position dependent evaluation signal for the position detection of the drive is provided. This makes it possible to dispense with additional position sensors, such as magnetic encoders with magnetic sensors or a current measurement for a current ripple signal.
  • the drive unit can be manufactured more cost-effectively and the acceleration sensor requires comparatively less installation space.
  • the installation position of the acceleration sensor in the drive unit is very flexible and does not have to be arranged directly on the rotor shaft. This allows the architecture of the electronics board to be designed much more freely than using a Hall sensor.
  • the determined ripple frequency can be used to directly infer the speed of the rotor. This eliminates the Effort for the current measurement or the arrangement of a Hall sensor system for generating an evaluable incremental signal.
  • the commutation frequency can be separated from their harmonics, so that with a full rotor revolution over 360 ° a defined number of ripples can be counted, which corresponds to the number of fins.
  • an incremental signal can be generated for the position detection of the part to be adjusted.
  • the speed of the rotor can also be determined from the number of ripples per rotor revolution via the number of ripples per unit of time.
  • the ripple of the acceleration signal can be used both for determining the speed and for detecting the position of the part to be adjusted.
  • Such a method can therefore be used for actuators as well as for lathes such as blowers and pumps.
  • the structure-borne sound signal provides easily reproducible, unique periodic ripples enables the advantages of the current ripple evaluation method to be used.
  • the ripple signal of the body sound excitation is more stable over long operating times since it does not depend on brush wear or the tolerance-sensitive position of the brushes relative to the commutator.
  • the structure-borne noise signal is also generated directly by the changing magnetic fields in the electric motor and is therefore more independent of a change in the motor current.
  • the harmonics can be separated from the ripple frequency.
  • the ripple frequency can be estimated in the normal operating state by an estimation method, so that a special filter can be applied to the expected ripple frequency.
  • the number of ripples per rotor revolution can be clearly reduced to the number of commutator lamellae, so that a unique ripple count signal is generated.
  • the rotor frequency then always corresponds to the ripple frequency divided by the number of commutator fins.
  • Irregularities in the manufacture of the rotor can be used particularly advantageously for the acceleration signal with respect to the individual rotor to synchronize rotations.
  • Manufacturing inaccuracies in the sheet metal section of the armature or variations in the windings lead to the fact that a certain angular range has a characteristic signal pattern over the entire rotation angle of 360 °. This occurs at exactly the same angular range with each rotor revolution and can therefore be used to always identify a certain rotational position of the rotor.
  • the acceleration sensor when the acceleration sensor is arranged on the electronic circuit board of the electric motor, on which a microprocessor is preferably also arranged, is particularly favorable. As a result, the acceleration sensor can be connected directly to the microprocessor by means of conductor tracks on the circuit board without additional effort.
  • the evaluation unit for the acceleration signal is preferably formed in the microprocessor so that the speed and / or the position of the part to be adjusted can be determined directly on the printed circuit board of the electric motor. Therefore, in the case of actuators with integrated electronics and / or plug-in electronics, position detection can be implemented without additional sensor cables.
  • acceleration sensor on a smaller sensor circuit board in the electric motor and to carry out the signal evaluation in a central control device - in particular for several electric motors at the same time.
  • MEMS sensors micro-electro-mechanical system
  • Such a MEMS sensor can record structure-borne sound vibrations in all spatial directions, the structure-borne sound excitation having no preferred direction.
  • the MEMS sensor can be integrated in an ASIC component or can be arranged as a separate sensor element directly on the circuit board, for example using SMD technology. Since mechanical vibrations of motor components are measured here, they are less susceptible to electromagnetic interference.
  • Such a structure-borne noise signal from the MEMS sensor is very robust with regard to manufacturing tolerances, in particular of the brush system and against component wear. It is particularly advantageous to use such an acceleration sensor for electronics which also have an anti-trap function for the part to be adjusted.
  • the structure-borne noise signal from the acceleration sensor can be used for position detection and / or speed determination, which can be used as a characteristic variable for the actuating force of the electric motor.
  • the acceleration sensor can also detect external acceleration which act on the entire vehicle or on the part to be adjusted.
  • Such an external acceleration signal has no periodic ripple, but usually occurs as a pulse or as noise, which is used in the anti-trap protection to prevent false triggering of the anti-trap protection - for example in the case of a jogger.
  • Such an external acceleration signal is in particular superimposed on the periodic ripple of the body sound signal and can be identified as an external disturbance in the pinching algorithm.
  • the frequency range for the periodic ripple of the acceleration signal is between 200 Hz and 2000 Hz, depending on the number of commutator bars and the adjustment application. However, a DC motor with ten or fourteen commutator bars is preferably used. From this frequency range of the ripple frequency, a vibration that is excited by an external acceleration of the vehicle can be easily distinguished. Their noise frequencies are normally below 200 Hz.
  • the inventive method for operating an electric motor can be implemented particularly cheaply in a drive unit that adjusts moving parts in the motor vehicle.
  • the drive unit has a control unit with an electronic circuit board on which the additional acceleration sensor can be arranged without much additional effort.
  • the structure-borne noise signal of the electric motor can then be evaluated directly in the electronics unit of the drive unit, in particular in order to implement position detection for the part to be adjusted.
  • an acceleration sensor on a printed circuit board of the electric motor can also determine the speed, for example for a rotary drive without great additional costs.
  • Such a drive unit in the motor vehicle has a corresponding transmission which reduces the speed of the rotor to a speed on the output pinion that is suitable for the application.
  • a predeterminable position of the part to be adjusted can be approached automatically, and at the same time this position detection can also be used to implement an anti-trap function.
  • this speed can be determined directly from the structure-borne sound signal of the acceleration sensor. An unforeseen change in the speed is then interpreted as a trapping situation, whereupon the component to be adjusted is stopped or reversed.
  • the same acceleration sensor can also determine the external acceleration of the part to be adjusted in order to avoid a false triggering of the pinch protection.
  • An actuator is also proposed in which the acceleration sensor is arranged in the actuator.
  • the actuator is firmly connected to the motor vehicle, in particular screwed or riveted to a door or another component of the motor vehicle.
  • the acceleration sensor arranged there in this actuator would accordingly detect accelerations of the entire motor vehicle, which can be related to a determined case of pinching, so that it can be verified or falsified. This is achieved in that values of this acceleration sensor arranged in the actuator, which reflect a corresponding acceleration transverse to the direction of travel of the vehicle, indicate a vibration of the entire vehicle.
  • the acceleration sensor arranged in the actuator is therefore also used to detect accelerations of the entire motor vehicle in order to rule out a trapping event.
  • FIG. 1 shows an actuator of a motor vehicle according to the invention for the Ver a component in the motor vehicle
  • Fig. 2b is a Fourier transform generated frequency spectrum of the acceleration signal of Fig. 2a.
  • Fig. 3 is a schematic representation of the evaluation process according to the invention of the structure-borne noise signal according to Fig. 2a.
  • Figure 1 shows an actuator 10 for a component in a motor vehicle, for example, a side window, a sunroof, or a seat component.
  • a side window can be opened or closed via a connecting rod connected to it or a cable pull.
  • the side window is arranged together with the actuator 10, for example in a vehicle door of the motor vehicle.
  • the actuator 10 has a Elektromo gate 12, which is preferably designed as a DC DC motor.
  • 14 permanent magnets 16 are arranged in a pole housing, which drive a rotor 18 mounted in the pole housing 14.
  • Electrical windings 20 are arranged on the rotor 18 and are energized via a commutator 22.
  • the commutator 22 has a plurality of commutator bars 24, which are in sliding contact with current brushes 26 of a brush holder component 28.
  • the electric motor 12 is controlled by a control unit 30, which has a micro controller 32.
  • the microcontroller 32 is arranged on an electronic circuit board 33 on which further electronic components 34 - such as interference suppression elements or power output stages for the motor current - are arranged.
  • the control unit 30 is integrated in the actuator 10, for example as plug-in electronics 31 with a plug connection 38. Therefore, the circuit board 33 is also arranged directly in the actuator 10.
  • An acceleration sensor 40 is arranged on the printed circuit board 33, which is preferably designed as a MEMS sensor (Micro-Electro-Mechanical System) 42 is. This acceleration sensor 42 directly detects the structure-borne noise of the actuator 10, which is generated by the commutation and the magnetic alternating fields of the electric motor 12.
  • the acceleration sensor 40 can therefore preferably be arranged directly on the printed circuit board 33, so that it is connected directly to the microcontroller 32 via conductor tracks 36.
  • the acceleration sensor 40 can also detect external accelerations acting on the actuator 10 - or on the component to be adjusted. This signal can be used for the error correction of an anti-trap function 50 which is implemented in the control unit 30.
  • the rotational position and / or the rotational speed of the rotor 18 is determined using a position detection device 52, to which the ripple signal of the acceleration sensor 40 is fed. An incremental signal is generated from this, by means of which the position of the component to be adjusted, such as the window pane, can also be determined.
  • the anti-pinch function 50 is activated.
  • the change in the speed of the rotor 18 is monitored, for example, and the speed and / or the change in speed are compared with a limit value in the event of an unforeseen drop in the speed. If the limit value is exceeded / undershot, the component to be adjusted is then stopped or its movement is reversed in order to release a trapped obstacle such as that.
  • the position detection 52 and the anti-jamming function 50 are arranged, for example, in the microcontroller 32 and are described in more detail in FIG. 3.
  • the electric motor 12 transmits the drive torque to a subsequent gear 44, which has an output element 46 for the component to be adjusted.
  • the gear 44 is designed as a worm gear, in which a worm 48 is arranged on a rotor shaft 47, which meshes with a worm gear 49.
  • the gear 44 is net angeord in a gear housing 45, in which an electronics housing 35 is integrated for the circuit board 33.
  • the control unit 30 can also be designed as a central control unit, in which the position detection 52 and the pinch protection 50 are preferably arranged for a plurality of actuators 10.
  • an acceleration sensor 40 is arranged in each of the actuator 10, for example on a separate sensor board or directly on the electric motor 12, in particular on its brush holder component 28.
  • the rotation angle of the rotor 18 is shown for a complete revolution (360 °).
  • the periodic signal 63 of the structure-borne noise excitation of the actuator 10 is shown as acceleration, which was preferably detected by means of the MEMS sensor 42 on the printed circuit board 33.
  • Ten double ripples 64 are formed over one revolution, which correspond to ten commutator bars 24 of commutator 22. This means that each electric motor 12 has a characteristic periodic ripple in the acceleration signal.
  • the maximum amplitude of the acceleration signal is approximately 5 m / s 2, where approximately the same signal curve of the acceleration is generated for each revolution in the control operation of the actuator 10.
  • a characteristic signal pattern 68 occurs here, which is due, for example, to manufacturing inaccuracies of the rotor 18. This characteristic signal pattern 68 can be used for the synchronization of the individual revolutions of the rotor 18 if the position detection should fail due to a fault.
  • FIG. 2b shows a Fast Fourier Transform (FFT) of the signal curve 63 of FIG. 2a as the frequency spectrum.
  • the frequency is plotted on the X axis 70 over a frequency range up to approximately 1500 Hz.
  • the amplitude of the structure-borne noise excitation of the acceleration signal is shown again on the Y axis 72.
  • the first dominant ripple frequency 74 occurs at approximately 710 Hz, which corresponds to a rotational frequency of the rotor 18 of 71 Hz for ten commutator segments 24.
  • Another dominant frequency range 76 occurs at about 1420 Hz as a double ripple frequency. This represents the first harmonic of the ripple frequency 74. Therefore, the signal of the acceleration ripple 63 in FIG.
  • the ripple frequency 74 and their First harmonics 76 are caused on the one hand by the current reversal at the commutator 22, but on the other hand also independently of the current by the magnetic vibration excitation of the motor components due to the alternating magnetic fields. Due to the Constantly pronounced ripple of the acceleration signal 63, which corresponds to the ripple frequencies 74, 76, the signal of the acceleration sensor 40 can be used directly for the position detection 52.
  • Such an evaluation device 80 for rotational position or speed detection is shown in FIG. 3.
  • the acceleration signal 63 of the actuator 10 according to FIG. 2a is fed to a signal filter 82.
  • the ripple frequency 74 can be parried from its first harmonic 76, so that exactly one signal ripple occurs for each commutator bar 24.
  • This filtered ripple count signal is fed to the ripple detection 83, comparable to a device that evaluates the ripple signal of a motor current according to the SenserLess Control method (SLC).
  • SLC SenserLess Control method
  • the individual signal ripples added together form an incremental signal that adds up the incremented rotor angle.
  • the angle of rotation (rotational position) and thus the adjustment path of the part to be adjusted can be determined directly from this.
  • the speed of the rotor 18 can also be determined therefrom.
  • the position detection 52 is based on an observer model 88 of the electric motor 12, in the case of the various motor parameters, such as an applied motor voltage 84, the operating temperature or the starting behavior.
  • the previously estimated values - for example for the engine speed - are compared with the actually determined values from the acceleration signal 63.
  • the stored values of the previous actuating processes are stored and compared with the currently determined values.
  • an adaptation 86 of the position detection 52 to changing boundary conditions can be undertaken.
  • the anti-trap function 50 the absolute value and / or the change in the values which are characteristic of the adjusting force are continuously monitored.
  • a speed change is added up via the adjustment path and compared with a limit value. If the speed drops below a certain limit, this is identified as a trapping event.
  • a further signal from the acceleration sensor 40 for the pinch protection can also be evaluated, which measures an acceleration acting externally on the actuator 10 - and thus on the component to be adjusted. If the acceleration sensor 40 detects a negative acceleration of the component to be adjusted, it can be assumed that a mechanical shock tation of the motor vehicle has led to this negative acceleration, which has led to a braking of the movement process of the component - in particular, for example, in particular driving over a transverse groove, a train track or a pothole.
  • the influence of the external acceleration in the anti-trap function 50 can preferably be suppressed in the case of a rough road.
  • Such an acceleration signal particularly detects accelerations against gravity (for side windows) and / or severe braking of the vehicle (for sunroof).
  • the SLC evaluation unit 80 the position, speed and vehicle acceleration are derived from the body noise and the clamping force is inferred. The determined values for the position and / or the speed are checked in a checking unit 90 for plausibility.
  • the electric motor 12 can be combined with different gear types 44, such as a worm gear, an eccentric gear, a spur or bevel gear.
  • the control unit 30 can be an integral part of the actuator 10, or can be designed as a central control device for a plurality of electric motors 12.
  • the acceleration sensor 40 is preferably arranged on an electronic circuit board 33 of the electric motor 12, but can also be attached directly to the electric motor 12 at any point without a circuit board 33.
  • the method according to the invention for operating an electric motor 12 can also be used for drives that do not adjust a component, but instead drive a blower or a pump, for example, and whose speed is detected by means of the periodic ripple of the acceleration signal 63.
  • the method can also be used for applications outside the motor vehicle.

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Abstract

The invention relates to a method for operating an electric drive unit (10) and to a drive unit, preferably for adjusting a component in the motor vehicle, such as a side window or a sunroof or a seat component, by means of an electric motor (12) having a rotor (18), wherein the periodic undulation of a signal of an acceleration sensor (40) which detects structure-borne sound vibrations of the drive unit (10) is evaluated in order to detect a rotational position or a rotational speed of the rotor (18).

Description

Beschreibung  description
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinheit, vorzugsweise zumMethod for operating an electric drive unit, preferably for
Verstellen eines Bauteils im Kraftfahrzeug, sowie eine Antriebseinheit zum Aus- führen des Verfahrens Adjusting a component in the motor vehicle and a drive unit for executing the method
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebs einheit, vorzugsweise zum Verstellen eines Bauteils im Kraftfahrzeug, sowie eine Antriebseinheit zum Ausführen des Verfahrens nach den unabhängigen Ansprü chen. The invention relates to a method for operating an electric drive unit, preferably for adjusting a component in a motor vehicle, and a drive unit for carrying out the method according to the independent claims.
Stand der Technik State of the art
Mit der DE 10 2009 000 021 Al ist ein Verfahren zum Betreiben eines Stellan triebs bekannt geworden, bei dem eine Beschleunigungsmessung des Kraftfahr zeugs oder des zu verstellenden Bauteils durchgeführt wird um den Einklemm schutz eines Kraftfahrzeugbauteils zu verbessern. Die Positionserfassung des Bauteils , beziehungsweise des Rotors erfolgt dabei über einen Positionssenor, der beispielsweise als ein oder zwei Hallsensoren an der Rotorwelle ausgeführt sein kann. Alternativ kann die Drehlage des Rotors auch über ein Motorstromsig nal erfasst werden, dessen Stromrippel für die Drehzahl oder die Positionserfas sung ausgewertet wird. DE 10 2009 000 021 A1 has disclosed a method for operating an actuating drive in which an acceleration measurement of the motor vehicle or of the component to be adjusted is carried out in order to improve the protection against trapping of a motor vehicle component. The position of the component, or of the rotor, is carried out via a position sensor, which can be designed, for example, as one or two Hall sensors on the rotor shaft. Alternatively, the rotational position of the rotor can also be detected via a motor current signal, the current ripple of which is evaluated for the speed or the position detection.
Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass zusätzlich zu dem Beschleunigungssensor für den Einklemmschutz eine Positionssensorik und/oder Motorstrommmessung vorgehalten werden muss, um die Position des zu verstellenden Teils zu be stimmen. Ziel der Erfindung ist es, eine sehr kostengünstige Positionserfassung zur Verfügung zu stellen, die sehr flexibel bezüglich der räumlichen Anordnung im Stellantrieb ist. Offenbarung der Erfindung The disadvantage of this solution is that, in addition to the acceleration sensor for the pinch protection, a position sensor system and / or motor current measurement must be provided in order to determine the position of the part to be adjusted. The aim of the invention is to provide a very inexpensive position detection which is very flexible with regard to the spatial arrangement in the actuator. Disclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit eines Kfz- Bauteils, vorzugsweise eines Seitenfensters, eines Schiebedachs oder Sitzkom ponenten, sowie die Antriebseinheit zum Ausführen des Verfahrens mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Auswertung des Körperschall-Signals eines Beschleunigungs- Sensors der Antriebseinheit ein rotorlageabhängiges Auswerte-Signal für die Po sitionserfassung des Antriebs zur Verfügung gestellt wird. Dadurch kann auf zu sätzliche Positionssensoren, wie beispielsweise Magnetgeber mit Magnetsenso ren oder einer Strommessung für ein Stromrippel-Signal verzichtet werden. The inventive method for operating a drive unit of a motor vehicle component, preferably a side window, a sunroof or Sitzkom components, and the drive unit for executing the method with the features of the independent claims have the advantage that the acceleration of the structure-borne sound signal - Sensor of the drive unit a rotor position dependent evaluation signal for the position detection of the drive is provided. This makes it possible to dispense with additional position sensors, such as magnetic encoders with magnetic sensors or a current measurement for a current ripple signal.
Dadurch kann die Antriebseinheit kostengünstiger hergestellt werden und der Beschleunigungssenor braucht vergleichsweise weniger Bauraum. Außerdem ist die Einbaulage des Beschleunigungssensors in der Antriebseinheit sehr flexibel und muss nicht unmittelbar an der Rotorwelle angeordnet sein. Dadurch kann die Architektur der Elektronikplatine gegenüber der Verwendung eines Hall-Senors viel freier gestaltet werden. As a result, the drive unit can be manufactured more cost-effectively and the acceleration sensor requires comparatively less installation space. In addition, the installation position of the acceleration sensor in the drive unit is very flexible and does not have to be arranged directly on the rotor shaft. This allows the architecture of the electronics board to be designed much more freely than using a Hall sensor.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus Kombinationen derselben. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen vorgegebenen Ausführungen möglich. Dadurch, dass das Körper-Schall-Signal des Beschleunigungs-Sensors ein rotor lageabhängiges Signal mit regelmäßigen lokalen Maxima und Minima aufweist, kann dieses direkt als Kommutierungs-Ripple-Signal einer entsprechenden Aus werteeinheit zugeführt werden. Hierbei kann besonders vorteilhaft eine bereits existierende SLC- Auswertung genutzt werden, wie sie beispielsweise auch für die Auswertung eines Motorstrom-Signals verwendet wird. Dadurch kann für die Rippel-Count-Detektion auch auf standardisierte Elektroniken zurückgegriffen werden. Further advantageous embodiments result from the subclaims and combinations thereof. The measures listed in the dependent claims allow advantageous developments and improvements of the designs specified in the independent claims. Because the body sound signal of the acceleration sensor has a rotor-dependent signal with regular local maxima and minima, this can be fed directly to a corresponding evaluation unit as a commutation ripple signal. In this case, an already existing SLC evaluation can be used particularly advantageously, such as is also used for evaluating a motor current signal. This means that standardized electronics can also be used for ripple count detection.
Da das Körper-Schall-Signal des Beschleunigungs-Sensors die Anzahl der Kommutatorlamellen wiederspiegelt, kann aus der ermittelten Rippel- Frequenz direkt auf die Drehzahl des Rotors geschlossen werden. Dadurch entfällt der Aufwand für die Strommessung oder die Anordnung einer Hall-Sensorik für das Generieren eines auswertbaren Inkremental-Signals. Since the body sound signal of the acceleration sensor reflects the number of commutator bars, the determined ripple frequency can be used to directly infer the speed of the rotor. This eliminates the Effort for the current measurement or the arrangement of a Hall sensor system for generating an evaluable incremental signal.
Bei Kenntnis der Anzahl der Kommutator-Lamellen kann die Kommutirungs- Frequenz von deren Oberwellen separiert werden, so dass bei einer vollen Ro tor-Umdrehung über 360° eine definierte Anzahl von Rippein gezählt werden kann, die der Lamellen-Anzahl entspricht. Durch das Aufzählen der einzelnen Rippel kann somit ein inkrementell-Signal für die Positionserfassung des zu ver stellenden Teils generiert werden. Ebenso kann aus der Anzahl der Rippel pro Rotorumdrehung über die Anzahl der Rippel pro Zeiteinheit auch die Drehzahl des Rotors ermittelt werden. Somit ist die Welligkeit des Beschleunigungssignals sowohl für die Drehzahlermittlung als auch für die Positionserfassung des zu ver stellenden Teils nutzbar. Daher kann ein solches Verfahren sowohl für Stellan triebe, als auch für Drehmaschinen wie Gebläse und Pumpen verwendet werden. Knowing the number of commutator fins, the commutation frequency can be separated from their harmonics, so that with a full rotor revolution over 360 ° a defined number of ripples can be counted, which corresponds to the number of fins. By counting the individual ripples, an incremental signal can be generated for the position detection of the part to be adjusted. The speed of the rotor can also be determined from the number of ripples per rotor revolution via the number of ripples per unit of time. Thus, the ripple of the acceleration signal can be used both for determining the speed and for detecting the position of the part to be adjusted. Such a method can therefore be used for actuators as well as for lathes such as blowers and pumps.
Dadurch, dass das Körperschall-Signal gut reproduzierbare, eindeutige periodi sche Rippel liefert, können die Vorteile des Verfahrens der Strom-Rippel- Auswertung genutzt werden. Jedoch ist das Welligkeits-Signal der Körper-Schall- Anregung über lange Betriebszeiten stabiler, da es nicht vom Bürstenverschleiß oder der toleranzempfindlichen Lage der Bürsten gegenüber dem Kommutator abhängt. Vielmehr wird das Körperschall-Signal auch unmittelbar durch die wechselnden Magnetfelder im Elektromotor erzeugt und ist daher unabhängiger von einer Veränderung des Motorstroms. The fact that the structure-borne sound signal provides easily reproducible, unique periodic ripples enables the advantages of the current ripple evaluation method to be used. However, the ripple signal of the body sound excitation is more stable over long operating times since it does not depend on brush wear or the tolerance-sensitive position of the brushes relative to the commutator. Rather, the structure-borne noise signal is also generated directly by the changing magnetic fields in the electric motor and is therefore more independent of a change in the motor current.
Für die Auswertung eines Rippel-Signals ist es erstrebenswert, dass die Ober wellen von der Rippel-Frequenz separiert werden können. Durch ein Schätzver fahren kann die Rippel-Frequenz im normalen Betriebszustand abgeschätzt wer den, so dass ein spezieller Filter auf die zu erwartende Rippel-Frequenz ange setzt werden kann. Dadurch kann die Anzahl der Rippel pro Rotorumdrehung eindeutig auf die Anzahl der Kommutator-Lamellen reduziert werden, so dass ein eindeutiges Rippel-Count-Signal erzeugt wird. Die Rotor- Frequenz entspricht dann immer der Rippel-Frequenz geteilt durch die Anzahl der Kommutator- Lamellen. For the evaluation of a ripple signal, it is desirable that the harmonics can be separated from the ripple frequency. The ripple frequency can be estimated in the normal operating state by an estimation method, so that a special filter can be applied to the expected ripple frequency. As a result, the number of ripples per rotor revolution can be clearly reduced to the number of commutator lamellae, so that a unique ripple count signal is generated. The rotor frequency then always corresponds to the ripple frequency divided by the number of commutator fins.
Besonders vorteilhaft können Unregelmäßigkeiten in der Herstellung des Rotors dafür genutzt werden, das Beschleunigungssignal bezüglich der einzelnen Roto- rumdrehungen zu synchronisieren. Fertigungsungenauigkeiten im Blechschnitt des Ankers oder Variationen der Wicklungen führen dazu, dass über den gesam ten Drehwinkel von 360° ein bestimmter Winkelbereich ein charakteristisches Signalmuster aufweist. Dies taucht bei jeder Rotorumdrehung genau im gleichen Winkelbereich auf und kann daher dazu genutzt werden, immer eine bestimmte Drehlage des Rotors zu erkennen. Irregularities in the manufacture of the rotor can be used particularly advantageously for the acceleration signal with respect to the individual rotor to synchronize rotations. Manufacturing inaccuracies in the sheet metal section of the armature or variations in the windings lead to the fact that a certain angular range has a characteristic signal pattern over the entire rotation angle of 360 °. This occurs at exactly the same angular range with each rotor revolution and can therefore be used to always identify a certain rotational position of the rotor.
Besonders günstig ist es, wenn der Beschleunigungssensor auf der elektroni schen Leiterplatine des Elektromotors angeordnet wird, auf der bevorzugt auch ein Mikroprozessor angeordnet ist. Dadurch kann der Beschleunigungssenor di rekt mittels Leiterbahnen der Platine ohne Zusatzaufwand mit dem Mikroprozes sor verbunden werden. Im Mikroprozessor ist bevorzugt die Auswerteeinheit für das Beschleunigungssignal ausgebildet, so dass die Drehzahl und/oder die Posi tion des zu verstellenden Teils direkt auf der Leiterplatine des Elektromotors er mittelt werden kann. Daher ist bei Stellantrieben mit integrierter Elektronik und/oder einer Einschubelektronik die Realisierung der Positionserfassung ohne zusätzliche Sensorleitungen möglich. It when the acceleration sensor is arranged on the electronic circuit board of the electric motor, on which a microprocessor is preferably also arranged, is particularly favorable. As a result, the acceleration sensor can be connected directly to the microprocessor by means of conductor tracks on the circuit board without additional effort. The evaluation unit for the acceleration signal is preferably formed in the microprocessor so that the speed and / or the position of the part to be adjusted can be determined directly on the printed circuit board of the electric motor. Therefore, in the case of actuators with integrated electronics and / or plug-in electronics, position detection can be implemented without additional sensor cables.
Alternativ ist es auch denkbar, den Beschleunigungssensor auf einer kleineren Sensorikplatine im Elektromotor anzuordnen und die Signalauswertung in einem zentralen Steuergerät - insbesondere für mehrere Elektromotoren gleichzeitig - vorzunehmen. Alternatively, it is also conceivable to arrange the acceleration sensor on a smaller sensor circuit board in the electric motor and to carry out the signal evaluation in a central control device - in particular for several electric motors at the same time.
Besonders kostengünstig und kleinbauend ist die Verwendung von MEMS- Sensoren (Mikro-Elektro-Mechanical-System) als Beschleunigungssensor. Ein solcher MEMS-Sensor kann Körperschall-Schwingungen in allen Raumrichtun gen aufnehmen, wobei die Körperschall-Anregung keine Vorzugsrichtung auf weist. Der MEMS-Sensor kann in einen ASIC-Baustein integriert sein oder als separates Sensorelement direkt auf der Leiterplatte - beispielsweise mittels SMD-Technologie - angeordnet sein. Da hierbei mechanische Schwingungen von Motor- Bauteilen gemessen werden, sind diese unanfälliger gegenüber elekt romagnetischer Störstrahlung. Somit ist ein solches Körperschall-Signal des MEMS-Sensors sehr robust gegenüber Fertigungstoleranzen, insbesondere des Bürstensystems und gegenüber dem Verschleiß von Bauteilen. Besonders vorteilhaft ist die Nutzung eines solchen Beschleunigungssensors für eine Elektronik, die auch eine Einklemmschutzfunktion für das zu verstellende Teil aufweist. Dabei kann das Körperschall-Signal des Beschleunigungssensors für die Positionserfassung und/oder die Drehzahlermittlung genutzt werden, die als charakteristische Größe für die Stellkraft des Elektromotors genutzt werden können. Andererseits kann der Beschleunigungssensor auch externe Beschleu nigung erfassen, die auf das gesamte Fahrzeug bzw. auf das zu verstellende Teil einwirken. Ein solches externes Beschleunigungssignal weist keine periodische Welligkeit auf, sondern tritt in der Regel als Impuls oder als Rauschen auf, das beim Einklemmschutz genutzt wird, um eine Fehlauslösung des Einklemmschut zes - beispielsweise bei einer Rüttelstrecke - zu vermeiden. Ein solches externes Beschleunigungssignal ist insbesondere der periodischen Welligkeit des Körper schall-Signals überlagert und kann in dem Einklemm-Algorithmus als externe Störung identifiziert werden. The use of MEMS sensors (micro-electro-mechanical system) as an acceleration sensor is particularly inexpensive and compact. Such a MEMS sensor can record structure-borne sound vibrations in all spatial directions, the structure-borne sound excitation having no preferred direction. The MEMS sensor can be integrated in an ASIC component or can be arranged as a separate sensor element directly on the circuit board, for example using SMD technology. Since mechanical vibrations of motor components are measured here, they are less susceptible to electromagnetic interference. Such a structure-borne noise signal from the MEMS sensor is very robust with regard to manufacturing tolerances, in particular of the brush system and against component wear. It is particularly advantageous to use such an acceleration sensor for electronics which also have an anti-trap function for the part to be adjusted. The structure-borne noise signal from the acceleration sensor can be used for position detection and / or speed determination, which can be used as a characteristic variable for the actuating force of the electric motor. On the other hand, the acceleration sensor can also detect external acceleration which act on the entire vehicle or on the part to be adjusted. Such an external acceleration signal has no periodic ripple, but usually occurs as a pulse or as noise, which is used in the anti-trap protection to prevent false triggering of the anti-trap protection - for example in the case of a jogger. Such an external acceleration signal is in particular superimposed on the periodic ripple of the body sound signal and can be identified as an external disturbance in the pinching algorithm.
Für einen eingeschwungenen Normalbetrieb des Elektromotors liegt der Fre quenzbereich für die periodische Welligkeit des Beschleunigungssignals zwi schen 200 Hz und 2000 Hz, in Abhängigkeit von der Anzahl der Kommutatorla mellen und der Verstell-Anwendung. Bevorzugt wird jedoch ein DC-Motor mit zehn oder vierzehn Kommutatorlamellen verwendet. Von diesem Frequenzbe reich der Rippel-Frequenz kann eine Schwingung, die durch eine externe Be schleunigung des Fahrzeugs angeregt ist, leicht unterschieden werden. Deren Rausch-Frequenzen liegen normaler Weise unterhalb von 200 Hz. For a steady normal operation of the electric motor, the frequency range for the periodic ripple of the acceleration signal is between 200 Hz and 2000 Hz, depending on the number of commutator bars and the adjustment application. However, a DC motor with ten or fourteen commutator bars is preferably used. From this frequency range of the ripple frequency, a vibration that is excited by an external acceleration of the vehicle can be easily distinguished. Their noise frequencies are normally below 200 Hz.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors kann be sonders günstig in einer Antriebseinheit umgesetzt werden, die bewegliche Teile im Kraftfahrzeug verstellt. Hier weist die Antriebseinheit eine Steuereinheit mit einer Elektronikplatine auf, auf der der zusätzliche Beschleunigungssensor ohne großen Mehraufwand angeordnet werden kann. Das Körperschall-Signal des Elektromotors kann dann direkt in der Elektronikeinheit der Antriebseinheit aus gewertet werden, um insbesondere eine Positionserfassung für das zu verstel lende Teil zu realisieren. Alternativ kann ein solcher Beschleunigungssensor auf einer Leiterplatine des Elektromotors auch die Drehzahl, beispielsweise für einen Drehantrieb ohne große Zusatzkosten ermitteln. Eine solche Antriebseinheit im Kraftfahrzeug weist ein entsprechendes Getriebe auf, das die Drehzahl des Rotors auf eine für die Anwendung passende Drehzahl am Abtriebsritzel reduziert. Durch ein solches Getriebe besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Drehlage des Rotors und der Position des zu ver stellenden Teils entlang seines Verstellweges. Zur Kalibrierung des Antriebs wird das zu verstellende Teil beispielsweise gegen einen Anschlag als Null-Position gefahren. Ausgehend von dieser Null-Position werden die einzelnen Rippel- Counts als Inkrementell-Signal über den gesamten Verstellweg aufaddiert. The inventive method for operating an electric motor can be implemented particularly cheaply in a drive unit that adjusts moving parts in the motor vehicle. Here the drive unit has a control unit with an electronic circuit board on which the additional acceleration sensor can be arranged without much additional effort. The structure-borne noise signal of the electric motor can then be evaluated directly in the electronics unit of the drive unit, in particular in order to implement position detection for the part to be adjusted. Alternatively, such an acceleration sensor on a printed circuit board of the electric motor can also determine the speed, for example for a rotary drive without great additional costs. Such a drive unit in the motor vehicle has a corresponding transmission which reduces the speed of the rotor to a speed on the output pinion that is suitable for the application. By such a gear there is a clear connection between the rotational position of the rotor and the position of the part to be adjusted along its adjustment path. To calibrate the drive, the part to be adjusted is moved, for example, against a stop as the zero position. Starting from this zero position, the individual ripple counts are added up as an incremental signal over the entire adjustment range.
Dadurch kann gezielt automatisch eine vorgebbare Position des zu verstellenden Teils angefahren werden und gleichzeitig kann diese Positionserfassung auch für die Realisierung einer Einklemmschutzfunktion genutzt werden. Wird als Größe, die die Verstellkraft repräsentiert, beispielsweise die Drehzahl überwacht, kann diese Drehzahl direkt aus dem Körperschall-Signal des Beschleunigungssensors ermittelt werden. Eine unvorhergesehene Änderung der Drehzahl wird dann als Einklemmfall interpretiert, worauf dann das zu verstellende Bauteil gestoppt oder reversiert wird. Zusätzlich kann der gleiche Beschleunigungssensor auch die ex terne Beschleunigung des zu verstellenden Teils ermitteln, um eine Fehlauslö sung des Einklemmschutzes zu vermeiden. As a result, a predeterminable position of the part to be adjusted can be approached automatically, and at the same time this position detection can also be used to implement an anti-trap function. If, for example, the speed is monitored as a variable representing the adjusting force, this speed can be determined directly from the structure-borne sound signal of the acceleration sensor. An unforeseen change in the speed is then interpreted as a trapping situation, whereupon the component to be adjusted is stopped or reversed. In addition, the same acceleration sensor can also determine the external acceleration of the part to be adjusted in order to avoid a false triggering of the pinch protection.
Ferner wird ein Stellantrieb vorgeschlagen, bei dem der Beschleunigungssensor im Stellantrieb angeordnet ist. Der Stellantrieb ist am Kraftfahrzeug fest ange schlossen, insbesondere mit einer Türe oder einem anderen Bauteil des Kraft fahrzeugs verschraubt oder vernietet. Der dort in diesem Stellantrieb angeordne te Beschleunigungssensor würde demzufolge Beschleunigungen des gesamten Kraftfahrzeugs erfassen, die zu einem ermittelten Einklemmfall in Bezug gesetzt werden können, um diesen also verifizieren oder falsifizieren zu können. Dies er folgt dadurch, dass Werte dieses im Stellantrieb angeordneten Beschleunigungs sensors, die eine entsprechende Beschleunigung quer zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs widerspiegeln, auf eine Erschütterung des gesamten Fahrzeugs schließen lassen. Der im Stellantrieb angeordnete Beschleunigungssensor dient daher gleichzeitig auch zur Erfassung von Beschleunigungen des gesamten Kraftfahrzeugs zum Ausschluss eines Einklemmfalles. An actuator is also proposed in which the acceleration sensor is arranged in the actuator. The actuator is firmly connected to the motor vehicle, in particular screwed or riveted to a door or another component of the motor vehicle. The acceleration sensor arranged there in this actuator would accordingly detect accelerations of the entire motor vehicle, which can be related to a determined case of pinching, so that it can be verified or falsified. This is achieved in that values of this acceleration sensor arranged in the actuator, which reflect a corresponding acceleration transverse to the direction of travel of the vehicle, indicate a vibration of the entire vehicle. The acceleration sensor arranged in the actuator is therefore also used to detect accelerations of the entire motor vehicle in order to rule out a trapping event.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert, ohne aber hierauf beschränkt zu sein. Es zeigen The invention is explained in more detail below with the aid of examples, but without being restricted thereto. Show it
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Stellantrieb eines Kraftfahrzeugs für das Ver stellen eines Bauteils im Kraftfahrzeug, 1 shows an actuator of a motor vehicle according to the invention for the Ver a component in the motor vehicle,
Fig. 2a ein erfindungsgemäßes Beschleunigungssignal mit einer periodischen Welligkeit, 2a shows an acceleration signal according to the invention with a periodic ripple,
Fig. 2b eine mittels Fouriertransformation erzeugtes Frequenzspektrum des Be schleunigungssignals aus Fig. 2a, und Fig. 2b is a Fourier transform generated frequency spectrum of the acceleration signal of Fig. 2a, and
Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Auswerteverfah rens des Körperschall-Signals nach Fig 2a. Fig. 3 is a schematic representation of the evaluation process according to the invention of the structure-borne noise signal according to Fig. 2a.
Figur 1 zeigt einen Stellantrieb 10 für ein Bauteil in einem Kraftfahrzeug, bei spielsweise ein Seitenfenster, ein Schiebedach, oder eine Sitzkomponente. Mit tels des Stellantriebs 10 lässt sich ein Seitenfenster über eine mit diesem ver bundene Schubstange oder einen Seilzug öffnen oder schließen. Das Seiten fenster ist zusammen mit dem Stellantrieb 10 beispielsweise in einer Fahrzeug türe des Kraftfahrzeugs angeordnet. Der Stellantrieb 10 weist einen Elektromo tor 12 auf, der bevorzugt als DC-Gleichstrommotor ausgebildet ist. Dabei sind in einem Polgehäuse 14 Permanentmagnete 16 angeordnet, die einen im Polge häuse 14 gelagerten Rotor 18 antreiben. Auf dem Rotor 18 sind elektrische Wicklungen 20 angeordnet, die über einen Kommutator 22 bestromt werden.Figure 1 shows an actuator 10 for a component in a motor vehicle, for example, a side window, a sunroof, or a seat component. With means of the actuator 10, a side window can be opened or closed via a connecting rod connected to it or a cable pull. The side window is arranged together with the actuator 10, for example in a vehicle door of the motor vehicle. The actuator 10 has a Elektromo gate 12, which is preferably designed as a DC DC motor. In this case, 14 permanent magnets 16 are arranged in a pole housing, which drive a rotor 18 mounted in the pole housing 14. Electrical windings 20 are arranged on the rotor 18 and are energized via a commutator 22.
Der Kommutator 22 weist mehrere Kommutatorlamellen 24 auf, die in Schleif kontakt mit Strombürsten 26 eines Bürstenhalter- Bauteil 28 stehen. The commutator 22 has a plurality of commutator bars 24, which are in sliding contact with current brushes 26 of a brush holder component 28.
Der Elektromotor 12 wird von einer Steuereinheit 30 angesteuert, die einen Mik rocontroller 32 aufweist. Der Mikrocontroller 32 ist auf einer elektronischen Lei terplatte 33 angeordnet, auf der auch weitere elektronische Bauelemente 34 - wie Entstörelemente oder Leistungsendstufen für den Motorstrom - angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist die Steuereinheit 30 in den Stellan trieb 10 integriert, beispielsweise als Einschubelektronik 31 mit einem Stecker anschluss 38. Daher ist auch die Leiterplatte 33 direkt im Stellantrieb 10 ange ordnet. Auf der Leiterplatte 33 ist ein Beschleunigungssenor 40 angeordnet, der bevorzugt als MEMS-Sensor (Micro-Electro-Mechanical System) 42 ausgebildet ist. Dieser Beschleunigungssensor 42 detektiert unmittelbar den Körperschall des Stellantriebs 10, der durch die Kommutierung und die magnetischen Wech selfelder des Elektromotors 12 erzeugt wird. Dieser Körperschall breitet sich über den gesamten Stellantrieb 10 aus und kann in allen drei Raumrichtungen erfasst werden. Daher kann der Beschleunigungssensor 40 bevorzugt direkt auf der Leiterplatte 33 angeordnet werden, so dass er über Leiterbahnen 36 direkt mit dem Mikrocontroller 32 verbunden ist. Zusätzlich zum Körperschall kann der Beschleunigungssensor 40 auch auf den Stellantrieb 10 - beziehungsweise auf das zu verstellende Bauteil - einwirkende externe Beschleunigungen detektie- ren. Dieses Signal kann für die Fehlerkorrektur einer Einklemmschutz- Funktion 50 verwendet werden, die in der Steuereinheit 30 realisiert ist. Die Drehlage und/oder die Drehzahl des Rotors 18 wird mit einer Positionserfassungs- Vorrichtung 52 ermittelt, der das Welligkeits-Signal des Beschleunigungssenors 40 zugeführt wird. Daraus wird ein inkrementeiles Signal generiert, mittels dem man auch die Position des zu verstellenden Bauteils - wie der Fensterscheibe - ermitteln kann. Dadurch können Bereiche definiert werden, in denen die Ein klemmschutz-Funktion 50 aktiviert ist. Zur Realisierung des Einklemmschutzes wird beispielsweise die Änderung der Drehzahl des Rotors 18 überwacht und bei einem unvorhergesehenen Rückgang der Drehzahl die Drehzahl und/oder die Drehzahländerung mit einem Grenzwert verglichen. Bei Über- /Unterschreiten des Grenzwertes wird dann das zu verstellende Bauteil ge stoppt oder dessen Bewegung reversiert, um ein eingeklemmtes Hindernis wie der freizugeben. Die Positionserfassung 52 und die Einlemmschutzfunktion 50 sind beispielsweise im Mikrocontroller 32 angeordnet und werden in Fig. 3 nä her beschrieben. The electric motor 12 is controlled by a control unit 30, which has a micro controller 32. The microcontroller 32 is arranged on an electronic circuit board 33 on which further electronic components 34 - such as interference suppression elements or power output stages for the motor current - are arranged. In the embodiment of FIG. 1, the control unit 30 is integrated in the actuator 10, for example as plug-in electronics 31 with a plug connection 38. Therefore, the circuit board 33 is also arranged directly in the actuator 10. An acceleration sensor 40 is arranged on the printed circuit board 33, which is preferably designed as a MEMS sensor (Micro-Electro-Mechanical System) 42 is. This acceleration sensor 42 directly detects the structure-borne noise of the actuator 10, which is generated by the commutation and the magnetic alternating fields of the electric motor 12. This structure-borne noise spreads over the entire actuator 10 and can be detected in all three spatial directions. The acceleration sensor 40 can therefore preferably be arranged directly on the printed circuit board 33, so that it is connected directly to the microcontroller 32 via conductor tracks 36. In addition to structure-borne noise, the acceleration sensor 40 can also detect external accelerations acting on the actuator 10 - or on the component to be adjusted. This signal can be used for the error correction of an anti-trap function 50 which is implemented in the control unit 30. The rotational position and / or the rotational speed of the rotor 18 is determined using a position detection device 52, to which the ripple signal of the acceleration sensor 40 is fed. An incremental signal is generated from this, by means of which the position of the component to be adjusted, such as the window pane, can also be determined. This allows areas to be defined in which the anti-pinch function 50 is activated. To implement the pinch protection, the change in the speed of the rotor 18 is monitored, for example, and the speed and / or the change in speed are compared with a limit value in the event of an unforeseen drop in the speed. If the limit value is exceeded / undershot, the component to be adjusted is then stopped or its movement is reversed in order to release a trapped obstacle such as that. The position detection 52 and the anti-jamming function 50 are arranged, for example, in the microcontroller 32 and are described in more detail in FIG. 3.
Der Elektromotor 12 überträgt das Antriebsmoment auf ein nachfolgendes Ge triebe 44, das ein Abtriebselement 46 für das zu verstellende Bauteil aufweist.The electric motor 12 transmits the drive torque to a subsequent gear 44, which has an output element 46 for the component to be adjusted.
In Fig. 1 ist das Getriebe 44 als Schneckengetriebe ausgebildet, bei dem auf einer Rotorwelle 47 eine Schnecke 48 angeordnet ist, die mit einem Schne ckenrad 49 kämmt. Das Getriebe 44 ist in einem Getriebegehäuse 45 angeord net, in das ein Elektronikgehäuse 35 für die Leiterplatte 33 integriert ist. Alterna tiv kann die Steuereinheit 30 auch als zentrales Steuergerät ausgebildet sein, in dem die Positionserfassung 52 und der Einklemmschutz 50 vorzugsweise für mehrere Stellantriebe 10 angeordnet ist. Bei dieser Ausführung ist jeweils in je dem Stellantrieb 10 ein Beschleunigungssensor 40 angeordnet, beispielsweise auf einer separaten Sensorplatine oder direkt am Elektromotor 12, insbesonde re an dessen Bürstenhalter-Bauteil 28. In Fig. 1, the gear 44 is designed as a worm gear, in which a worm 48 is arranged on a rotor shaft 47, which meshes with a worm gear 49. The gear 44 is net angeord in a gear housing 45, in which an electronics housing 35 is integrated for the circuit board 33. Alternatively, the control unit 30 can also be designed as a central control unit, in which the position detection 52 and the pinch protection 50 are preferably arranged for a plurality of actuators 10. In this embodiment, an acceleration sensor 40 is arranged in each of the actuator 10, for example on a separate sensor board or directly on the electric motor 12, in particular on its brush holder component 28.
Ein Signal des Beschleunigungssensors 40, das den Körperschall des Stellan triebs 10 darstellt, ist in Fig. 2a abgebildet. Auf der X-Achse 60 ist der Drehwin kel des Rotors 18 für eine vollständige Umdrehung (360°) abgebildet. Auf der Y-Achse 62 ist als Beschleunigung das periodische Signal 63 der Körperschall anregung des Stellantriebs 10 dargestellt, das vorzugsweise mittels des MEMS- Sensors 42 auf der Leiterplatte 33 erfasst wurde. Über eine Umdrehung sind hier zehn Doppelripple 64 ausgebildet, die zehn Kommutatorlamellen 24 des Kommutators 22 entsprechen. Das bedeutet, dass jeder Elektromotor 12 eine charakteristische periodische Welligkeit des Beschleunigungssignals aufweist. Die maximale Amplitude des Beschleunigungssignals liegt bei etwa 5 m/s2, wo bei für jede Umdrehung im Regelbetrieb des Stellantriebs 10 näherungsweise der gleiche Signalverlauf der Beschleunigung generiert wird. In einem bestimm ten Drehwinkelbereich 66 tritt hier ein charakteristisches Signalmuster 68 auf, das beispielsweise auf Fertigungsungenauigkeiten des Rotors 18 zurückzufüh ren ist. Dieses charakteristische Signalmuster 68 kann für die Synchronisation der einzelnen Umdrehungen des Rotors 18 verwendet werden, falls sich die Positionserfassung aufgrund einer Störung verzählen sollte. A signal from the acceleration sensor 40, which represents the structure-borne sound of the actuator 10, is shown in Fig. 2a. On the X axis 60, the rotation angle of the rotor 18 is shown for a complete revolution (360 °). On the Y-axis 62, the periodic signal 63 of the structure-borne noise excitation of the actuator 10 is shown as acceleration, which was preferably detected by means of the MEMS sensor 42 on the printed circuit board 33. Ten double ripples 64 are formed over one revolution, which correspond to ten commutator bars 24 of commutator 22. This means that each electric motor 12 has a characteristic periodic ripple in the acceleration signal. The maximum amplitude of the acceleration signal is approximately 5 m / s 2, where approximately the same signal curve of the acceleration is generated for each revolution in the control operation of the actuator 10. In a specific angle of rotation range 66, a characteristic signal pattern 68 occurs here, which is due, for example, to manufacturing inaccuracies of the rotor 18. This characteristic signal pattern 68 can be used for the synchronization of the individual revolutions of the rotor 18 if the position detection should fail due to a fault.
In Fig. 2b ist als Frequenzspektrum eine Fast- Fourier-Transformation (FFT) des Signalverlaufs 63 der Fig. 2a abgebildet. Auf der X-Achse 70 ist die Fre quenz über einen Frequenzbereich bis etwa 1500 Hz aufgetragen. Auf der Y- Achse 72 ist wieder die Amplitude der Körperschallanregung des Beschleuni gungssignals dargestellt. Bei dieser Beispielsmessung tritt die erste dominante Ripple- Frequenz 74 bei etwa 710 Hz auf, was bei zehn Kommutatorlamellen 24 einer Drehfrequenz des Rotors 18 von 71 Hz entspricht. Ein weiterer dominan ter Frequenzbereich 76 tritt bei etwa 1420 Hz als doppelte Ripple- Frequenz auf. Diese stellt die erste Oberwelle der Ripple- Frequenz 74 dar. Daher zeigt das Signal der Beschleunigungswelligkeit 63 in Fig. 2a auch zwanzig lokale Maxima und Minima und nicht nur die zehn Maxima/Minima der zehn Kommutatorlamel len 24. Die Ripple- Frequenz 74 und deren erste Oberwelle 76 werden einerseits durch die Stromwendung am Kommutator 22 verursacht, andererseits jedoch auch unabhängig vom Strom durch die magnetische Schwingungsanregung der Motor- Bauteile aufgrund der magnetischen Wechselfelder. Aufgrund der kon- stant ausgeprägten Welligkeit des Beschleunigungssignals 63, das den Ripp- lefrequenzen 74, 76 entspricht, kann das Signal des Beschleunigungssenors 40 direkt für die Positionserfassung 52 genutzt werden. FIG. 2b shows a Fast Fourier Transform (FFT) of the signal curve 63 of FIG. 2a as the frequency spectrum. The frequency is plotted on the X axis 70 over a frequency range up to approximately 1500 Hz. The amplitude of the structure-borne noise excitation of the acceleration signal is shown again on the Y axis 72. In this example measurement, the first dominant ripple frequency 74 occurs at approximately 710 Hz, which corresponds to a rotational frequency of the rotor 18 of 71 Hz for ten commutator segments 24. Another dominant frequency range 76 occurs at about 1420 Hz as a double ripple frequency. This represents the first harmonic of the ripple frequency 74. Therefore, the signal of the acceleration ripple 63 in FIG. 2a also shows twenty local maxima and minima and not only the ten maxima / minima of the ten commutator segments 24. The ripple frequency 74 and their First harmonics 76 are caused on the one hand by the current reversal at the commutator 22, but on the other hand also independently of the current by the magnetic vibration excitation of the motor components due to the alternating magnetic fields. Due to the Constantly pronounced ripple of the acceleration signal 63, which corresponds to the ripple frequencies 74, 76, the signal of the acceleration sensor 40 can be used directly for the position detection 52.
Eine solche Auswertevorrichtung 80 zur Drehlage- bzw. Drehzahlerfassung ist in Fig. 3 dargestellt. Das Beschleunigungssignal 63 des Stellantriebs 10 gemäß Fig. 2a wird einem Signalfilter 82 zugeführt. Hier kann insbesondere in einer ersten Ausführung die Ripple- Frequenz 74 von deren ersten Oberwelle 76 se pariert werden, so dass für jede Kommutatorlamelle 24 genau ein Signal- Ripple auftritt. Dieses gefilterte Ripple-Count-Signal wird der Ripple-Detektion 83 zuge führt, vergleichbar mit einer Vorrichtung, die das Ripple-Signal eines Motor stroms nach dem SenserLess-Control -Verfahren (SLC) auswertet. Die einzel nen aufaddierten Signal-Ripple bilden ein inkrementales Signal, das den durch schrittenen Rotorwinkel aufsummiert. Daraus kann direkt der zurückgelegte Drehwinkel (Drehlage) und damit der zurückgelegte Verstellweg des zu verstel lenden Teils ermittelt werden. Andererseits kann daraus auch die Drehzahl des Rotors 18 ermittelt werden. Der Positionserfassung 52 liegt ein Beobachter- Modell 88 des Elektromotors 12 zugrunde, bei den verschiedenen Motorkenn größen, wie eine anliegende Motor-Spannung 84, die Betriebstemperatur oder das Anlaufverhalten eingespeist werden. Die vorab geschätzten Werte - bei spielsweise für die Motor- Drehzahl - werden mit den tatsächlich ermittelten Werten aus dem Beschleunigungssignal 63 verglichen. Des Weiteren werden die abgespeicherten Werte der vorangegangenen Stellvorgänge abgespeichert und mit den aktuell ermittelten Werten verglichen. Dadurch kann eine Adaption 86 der Positionserfassung 52 an sich verändernden Randbedingungen vorge nommen werden. Für die Realisierung der Einklemmschutzfunktion 50 wird der Absolutwert und/oder die Änderung der Werte, die für die Verstellkraft charakte ristisch sind, kontinuierlich überwacht. Beispielsweise wird eine Drehzahlände rung über den Verstellweg aufaddiert und mit einem Grenzwert verglichen. Fällt die Drehzahl unter einen bestimmten Grenzwert ab, wird dies als Einklemmfall identifiziert. Um eine Fehlauslösung des Einklemschutzes 50 zu vermeiden, kann zusätzlich ein weiteres Signal des Beschleunigungssensors 40 für den Einklemmschutz ausgewertet werden, das eine extern auf den Stellantrieb 10 - und damit auf das zu verstellende Bauteil - einwirkende Beschleunigung misst. Erfasst der Beschleunigungssensor 40 eine Negativbeschleunigung des zu ver stellenden Bauteils, so ist davon auszugehen, dass eine mechanische Erschüt- terung des Kraftfahrzeugs zu dieser Negativbeschleunigung geführt hat, die zu einem Abbremsen des Bewegungsvorganges des Bauteils geführt hat - insbe sondere nämlich etwa das Überfahren einer Querrille, eines Bahngleises oder eines Schlagloches. Dadurch kann bevorzugt bei einer Schlechtwegstrecke der Einfluss der externen Beschleunigung in der Einklemmschutzfunktion 50 unter drückt werden. Ein solches Beschleunigungssignal erfasst dabei besonders Be schleunigungen entgegen der Erdanziehung (für Seitenfenster) und/oder ein starkes Abbremsen des Fahrzeugs (für Schiebedach). In der SLC- Auswerteeinheit 80 wird die Position , Drehzahl und Fahrzeugbeschleunigung aus dem Köperschall abgeleitet und auf die Klemmkraft geschlossen. Die er mittelten Werte für die Position und/oder die Drehzahl werden in einer Überprü fungseinheit 90 auf Plausibilität überprüft. Such an evaluation device 80 for rotational position or speed detection is shown in FIG. 3. The acceleration signal 63 of the actuator 10 according to FIG. 2a is fed to a signal filter 82. Here, in particular in a first embodiment, the ripple frequency 74 can be parried from its first harmonic 76, so that exactly one signal ripple occurs for each commutator bar 24. This filtered ripple count signal is fed to the ripple detection 83, comparable to a device that evaluates the ripple signal of a motor current according to the SenserLess Control method (SLC). The individual signal ripples added together form an incremental signal that adds up the incremented rotor angle. The angle of rotation (rotational position) and thus the adjustment path of the part to be adjusted can be determined directly from this. On the other hand, the speed of the rotor 18 can also be determined therefrom. The position detection 52 is based on an observer model 88 of the electric motor 12, in the case of the various motor parameters, such as an applied motor voltage 84, the operating temperature or the starting behavior. The previously estimated values - for example for the engine speed - are compared with the actually determined values from the acceleration signal 63. Furthermore, the stored values of the previous actuating processes are stored and compared with the currently determined values. As a result, an adaptation 86 of the position detection 52 to changing boundary conditions can be undertaken. For the implementation of the anti-trap function 50, the absolute value and / or the change in the values which are characteristic of the adjusting force are continuously monitored. For example, a speed change is added up via the adjustment path and compared with a limit value. If the speed drops below a certain limit, this is identified as a trapping event. In order to prevent the pinch protection 50 from being triggered incorrectly, a further signal from the acceleration sensor 40 for the pinch protection can also be evaluated, which measures an acceleration acting externally on the actuator 10 - and thus on the component to be adjusted. If the acceleration sensor 40 detects a negative acceleration of the component to be adjusted, it can be assumed that a mechanical shock tation of the motor vehicle has led to this negative acceleration, which has led to a braking of the movement process of the component - in particular, for example, in particular driving over a transverse groove, a train track or a pothole. As a result, the influence of the external acceleration in the anti-trap function 50 can preferably be suppressed in the case of a rough road. Such an acceleration signal particularly detects accelerations against gravity (for side windows) and / or severe braking of the vehicle (for sunroof). In the SLC evaluation unit 80, the position, speed and vehicle acceleration are derived from the body noise and the clamping force is inferred. The determined values for the position and / or the speed are checked in a checking unit 90 for plausibility.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der ein zelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise der Elekt romotor 12 mit unterschiedlichen Getriebebauformen 44, wie einem Schne ckengetriebe, einem Exzentergetriebe, einem Stirn- oder Kegelradgetriebe kombiniert werden. Ebenso kann die Steuereinheit 30 integraler Bestandteil des Stellantriebs 10 sein, oder als zentrales Steuergerät für mehrere Elektromoto ren 12 ausgebildet sein. Der Beschleunigungssensor 40 ist bevorzugt auf einer elektronischen Leiterplatine 33 des Elektromotors 12 angeordnet, kann jedoch auch ohne Leiterplatte 33 direkt an einer beliebigen Stelle am Elektromotor 12 befestigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Elekt romotors 12 kann auch für Antriebe verwendet werden, die kein Bauteil verstel len, sondern beispielsweise ein Gebläse oder eine Pumpe antreiben, und deren Drehzahl mittels der periodischen Welligkeit des Beschleunigungssignals 63 er fasst wird. Ebenso ist das Verfahren auch für Anwendungen außerhalb des Kraftfahrzeugs nutzbar. It should be noted that with regard to the exemplary embodiments shown in the figures and in the description, various possible combinations of the individual features with one another are possible. For example, the electric motor 12 can be combined with different gear types 44, such as a worm gear, an eccentric gear, a spur or bevel gear. Likewise, the control unit 30 can be an integral part of the actuator 10, or can be designed as a central control device for a plurality of electric motors 12. The acceleration sensor 40 is preferably arranged on an electronic circuit board 33 of the electric motor 12, but can also be attached directly to the electric motor 12 at any point without a circuit board 33. The method according to the invention for operating an electric motor 12 can also be used for drives that do not adjust a component, but instead drive a blower or a pump, for example, and whose speed is detected by means of the periodic ripple of the acceleration signal 63. The method can also be used for applications outside the motor vehicle.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Antriebseinheit (10), vorzugs weise zum Verstellen eines Bauteils im Kraftfahrzeug wie beispielsweise ein Seitenfenster oder ein Schiebedach oder eine Sitzkomponente, mittels ei nem einen Rotor (18) aufweisenden Elektromotor (12), wobei zur Erkennung einer Drehlage oder einer Drehzahl des Rotors (18) die periodische Wellig keit eines Signals eines Beschleunigungs-Sensors (40) ausgewertet wird, der Körperschall-Schwingungen der Antriebseinheit (10) erfasst. 1. A method for operating an electric drive unit (10), preferably for adjusting a component in the motor vehicle, such as a side window or a sliding roof or a seat component, by means of an electric motor (12) having a rotor (18), whereby to detect a rotational position or a speed of the rotor (18) the periodic ripple speed of a signal of an acceleration sensor (40) is evaluated, the structure-borne vibrations of the drive unit (10) detected.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Signal des Beschleunigungs-Sensors (40) ein Kommutierungs-Ripple-Signal gene riert wird, das zu einer Positionserfassung (52) des Rotors (18) oder des zu verstellenden Bauteils als Eingangssignal verwendet wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that a commutation ripple signal is generated from the signal of the acceleration sensor (40), which for position detection (52) of the rotor (18) or of the component to be adjusted as an input signal is used.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Signal des Beschleunigungs-Sensors (40) über eine volle Umdrehung des Rotors (18) eine Ripple-Frequenz ermittelt wird, die die Drehzahl des Rotors (18) charakterisiert. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a ripple frequency is determined from the signal of the acceleration sensor (40) over a full revolution of the rotor (18), which characterizes the speed of the rotor (18).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Rotor (18) einen Kommutator (22) mit einer Anzahl von Kommutatorlamellen (24) aufweist, und das Kommutierungs-Ripple-Signal oder die Ripple-Frequenz der Anzahl der Kommutatorlamellen (24) oder ei nem Vielfachen von diesen entspricht. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the rotor (18) has a commutator (22) with a number of commutator segments (24), and the commutation ripple signal or the ripple frequency of the number of commutator segments (24) or a multiple thereof.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Signal des Beschleunigungs-Sensors (40) mittels einer SensorLess-Control-Auswerteeinheit (SLC) (80) bearbeitet wird, wobei ins besondere für die Positions- oder Drehzahlerfassung das Signal des Be schleunigungs-Sensors (40) mittels eines Motormodells (88) und einem Adaptionsverfahren (86) zur Anpassung an veränderliche Umgebungsbedin gungen ausgewertet wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the signal of the acceleration sensor (40) is processed by means of a SensorLess Control evaluation unit (SLC) (80), the signal in particular for position or speed detection of the acceleration sensor (40) is evaluated by means of a motor model (88) and an adaptation method (86) for adapting to changing ambient conditions.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das Signal des Beschleunigungs-Sensors (40) für die SLC- Auswerteeinheit (80) einem Signalfilter (82) zugeführt wird, um die Oberwel len der Ripple-Frequenz auszufiltern, so dass das Ripple-Count- Signal eine Frequenz aufweist, die der Rotordrehfrequenz multipliziert mit der Anzahl der Kommutatorlamellen (24) entspricht. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the signal of the acceleration sensor (40) for the SLC evaluation unit (80) is fed to a signal filter (82) in order to filter out the harmonics of the ripple frequency, so that the ripple count signal has a frequency which corresponds to the rotor rotational frequency multiplied by the number of commutator bars (24).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass das detektierte Signal des Beschleunigungs-Sensors (40) über jede vollen Umdrehung des Rotors (18) an einem bestimmten Winkel bereich (66) ein charakteristisches Signalmuster (68) aufweist, das durch fer tigungstechnische Unsymmetrien des Elektromotors (12) erzeugt wird, wobei vorzugsweise dieses charakteristische Signalmuster zur Synchronisierung des Signals des Beschleunigungs-Sensors (40) bezüglich der vollständigen Rotorumdrehungen herangezogen wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the detected signal of the acceleration sensor (40) over a full rotation of the rotor (18) at a certain angle range (66) has a characteristic signal pattern (68) is produced by manufacturing asymmetries of the electric motor (12), this characteristic signal pattern preferably being used to synchronize the signal of the acceleration sensor (40) with respect to the complete rotor revolutions.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Beschleunigungs-Sensor (40) auf einer elektronischen Leiterplatte (33) der Antriebseinheit (10) angeordnet ist, und insbesondere ein Mikrocontroller (32), in dem die SLC-Auswerteeinheit (80) realisiert ist, auf der selben elektronischen Leiterplatte (33) angeordnet ist. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the acceleration sensor (40) on an electronic circuit board (33) of the drive unit (10) is arranged, and in particular a microcontroller (32) in which the SLC evaluation unit (80) is realized, is arranged on the same electronic circuit board (33).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass der Beschleunigungs-Sensor (40) als MEMS-Sensor (42) ausgebildet ist, der die Schwingungen des Körperschalls der Antriebeeinheit (10) erfasst, die durch die Momentenwelligkeit der Kommutierung und/oder die Schwingungsanregung der Motorbauteile aufgrund der magnetischen Wechselfelder erzeugt werden. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the acceleration sensor (40) is designed as a MEMS sensor (42) which detects the vibrations of the structure-borne noise of the drive unit (10), which by the torque ripple of the commutation and / or the vibration excitation of the motor components is generated due to the alternating magnetic fields.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Antriebseinheit (10) eine Einklemmschutz- Funktion (50) aufweist, bei der beim Einklemmen eines Hindernisses im Verstellweg des beweglichen Bauteils die Antriebseinheit (10) gestoppt oder reversiert wird, wobei mittels dem Beschleunigungs-Sensor (40) zusätzlich zu der periodi schen Welligkeit eine auf das Fahrzeug einwirkende Beschleunigung ge- messen wird, um eine Fehlauslösung der Einklemmschutz-Funktion (50) zu verhindern. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the drive unit (10) has an anti-trap function (50), in which the drive unit (10) is stopped or reversed when an obstacle is caught in the adjustment path of the movable component, wherein by means of the acceleration sensor (40), in addition to the periodic ripple, an acceleration acting on the vehicle is is measured to prevent the pinch protection function (50) from being triggered incorrectly.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Anzahl der Kommutatorlamellen (24) acht oder zehn oder vierzehn beträgt - und insbesondere der Rotor ieinem bestimmten Winkelbe reich eine definierte Unwucht aufweist, um das niederfrequente charakteris tische Signalmuster zu erzeugen. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the number of commutator bars (24) is eight or ten or fourteen - and in particular the rotor in a certain angular range has a defined imbalance in order to generate the low-frequency characteristic signal pattern.
12. Antriebseinheit (10) zum Ausführen des Verfahrens nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (24) einen Elektromotor (12) und eine Elektronikeinheit (30) mit einer elekt ronischen Leiterplatte (33) aufweist, wobei ein MEMS-Beschleunigungs- Sensor (42) zur Erfassung einer periodischen Welligkeit der Körperschall- Schwingungen der Antriebseinheit (10) auf der elektronischen Leiterplatte (33) angeordnet ist. 12. Drive unit (10) for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized in that the drive unit (24) has an electric motor (12) and an electronics unit (30) with an electronic circuit board (33), wherein a MEMS - Acceleration sensor (42) for detecting a periodic ripple of structure-borne vibrations of the drive unit (10) is arranged on the electronic circuit board (33).
13. Antriebseinheit (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (10) ein dem Elektromotor (12) nachgeschaltetes Getriebe (44) mit einem Abtriebselement (46) zum Verstellen eines beweglichen Bau teils aufweist, wobei die Antriebseinheit (10) eine Positionserfassungsvor richtung (52) mit einer Einklemmschutzfunktion (50) für das bewegliche Teil aufweist. 13. Drive unit (10) according to claim 12, characterized in that the drive unit (10) has an electric motor (12) downstream transmission (44) with an output element (46) for adjusting a movable construction part, wherein the drive unit (10) has a position detection device (52) with an anti-trap function (50) for the movable part.
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