WO2003036774A1

WO2003036774A1 - Metodo de detección de atrapamientos causados por elevalunas motorizados y similares, a partir del rizado de la corriente

Info

Publication number: WO2003036774A1
Application number: PCT/ES2001/000407
Authority: WO
Inventors: Jordi Bigorra Vives; Antoni Ferre Fabregas; Jose Luis Merino Panades; Sebastiá BOTA FERRAGUT; Francisco Javier Garcia Hernando; Rafael Gimenez Pino; Josep Samitier Marti
Original assignee: Lear Automotive (Eeds) Spain,S.L.
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2003-05-01
Also published as: EP1453172A1

Abstract

Método para gestión controlada de un elemento móvil accionado por un motor eléctrico, con seguridad contra pinzado o aplastamiento, y programa utilizado, cuyo elemento móvil está guiado y accionado por un motor eléctrico de CC, de imán permanente, multipolar, caracterizado por comprender las siguientes etapas:- adquisición de la intensidad de consumo del motor eléctrico;- muestreo de dicha intensidad a una frecuencia que permita identificar la respuesta de intensidad de cada inductor;- cálculo de una intensidad media del motor;- obtención, a partir del rizado de la curva de corriente del motor, de su velocidad angular de giro;- obtención de un parámetro Fr representativo de la fuerza aplicada sobre dicho elemento móvil, calculado con dichas intensidad media y velocidad angular; y- adquisición y evaluación de la variación de dicho parámetro Fr en el tiempo y detección de una situación de pinzado o aplastamiento si dicha variación supera un umbral predeterminado y se mantiene durante más de un período de tiempo predeterminado.

Description

MÉTODO DE DETECCIÓN DE ATRAPAMIENTOS CAUSADOS POR ELEVALUNAS MOTORIZADOS Y SIMILARES A PARTIR DEL RIZADO DE LA CORRIENTE.

Campo de la invención

10 La presente invención se inscribe dentro del campo de los métodos de gestión bajo control de conjuntos electromecánicos y aporta un método y unos medios para una gestión controlada de un elemento móvil, accionado por un motor eléctrico, con seguridad de poder evitar una acción lesiva de dicho elemento, ya sea respecto a una parte o miembro de un usuario, un objeto o parte estructural

15 contra la que sea susceptible de chocar dicho elemento móvil, en su carrera de desplazamiento, adoptando ante tal circunstancia, y en virtud de una rápida detección de la misma, de manera inmediata, unas contramedidas oportunas, deteniendo e invirtiendo la carrera del citado elemento móvil.

La invención es aplicable en particular a un dispositivo elevalunas para un

20 vehículo, accionado por un motor eléctrico de CC, de imán permanente, multipolar, con seguridad de no atrapar y/o ejercer una fuerza de aplastamiento sobre un objeto interpuesto en la trayectoria de dicha luna, o de pinzado sobre un miembro o parte de una persona, al aplicarse rápidamente unas contramedidas, aunque su campo de aplicación puede generalizarse a cualquier clase de panel o luna móvil,

25 accionado por un motor eléctrico de tales características, siendo sus objetivos principales la simplicidad constructiva y la velocidad de respuesta y en consecuencia la posibilidad que ofrece de una adopción de las citadas contramedidas para evitar dicha situación de atrapamiento o aplastamiento, no deseada.

30 La invención también aporta un programa preparado para ser cargado en la memoria interna de una computadora apto para realizar varias de las etapas del método según la invención, en especial para la ejecución del algoritmo de detección. Antecedentes de la invención

En relación con los dispositivos de control electrónico, con seguridad anti- aplastamiento, asociados un motor eléctrico destinados a accionar un panel, tal como una luna de un vehículo u otro elemento móvil similar se conocen numerosas ejecuciones de sistemas y métodos pudiendo citar las patentes EP-A- 267064, DE-A-4315637, EP-A-714052, US-A-5723960, US-A-5734245, US-A- 5689160, US-A-5832664, US-A-5994858, US-A-5983567, US-A-5949207,US-A- 5945796, US.-A-6002228, US-A- 6086177 y US-A-6150785.

En general en estos métodos se propone el uso de detectores de posición y sensores de corriente para proporcionar información destinada a ejecutar un algoritmo de control. En alguna de las patentes también se hace mención al uso de detectores de la velocidad angular del motor y/o detectores del par de accionamiento de dicho motor.

La patente US-A-6273492, concierne a un mecanismo operativo para accionar la capota de un vehículo descapotable, en donde en el caso de utilizar un motor de CC se propone que un control electrónico realice el sensado y cálculo de la tensión y de los picos de corriente mediante, entre varias alternativas conmutación del motor ("ripple counting"). Las propuestas que se exponen en este documento, así como el problema abordado difieren radicalmente de los propios de la presente invención.

Exposición de la invención

El método aquí propuesto se basa en que la aparición de un objeto en la trayectoria de un elemento móvil, en particular en el camino de ascenso de una luna accionada por un motor eléctrico en un vehículo, en cuyo campo los presentes inventores han desarrollado un amplio trabajo, origina una disminución de la velocidad de subida de dicha luna y un aumento de la intensidad de la corriente del motor. A diferencia de otros métodos que evalúan únicamente una de las dos consecuencias / efectos involucrados en un sistema de seguridad contra pinzado o aplastamiento (velocidad o intensidad), el método propuesto ofrece una mayor sensibilidad ya que tiene en cuenta los dos efectos realizando una evaluación de un parámetro F_r representativo del par de fuerza de accionamiento transmitido por el eje del motor y transferido como empuje sobre dicho elemento móvil, cuyo parámetro se calcula a partir de la intensidad y de la velocidad angular. Para obtener F_r se mide la intensidad y la velocidad angular. La intensidad se puede medir directamente con un sensor tipo shunt o con un sensor magnético. Para medir la velocidad angular no es precisa ninguna medida adicional ya que es posible utilizar la técnica del "ripple counting" o cálculo a partir del rizado de corriente, es decir a partir del cambio de intensidad que existe cada vez que el motor gira y el contacto deslizante pasa de un inductor al otro.

Tal como es conocido un motor de CC comprende una serie de bobinas o inductores arrollados alrededor de un núcleo. Con dos contactos fijos, denominados escobillas, uno de los inductores está conectado a la tensión de polarización dependiendo de cual de los inductores esté en contacto con dichas escobillas. Cada inductor contacta con la escobilla durante un concreto ángulo de giro del motor y luego la escobilla polariza otro inductor. La técnica del "ripple counting", ya conocida, se basa en la observación experimental del hecho de que cuando el motor gira y el contacto o escobilla cruza de un polo al otro, aparece un pico en la curva de corriente del motor, cuyo pico es fácilmente observable mediante un sensor de corriente. Midiendo el tiempo transcurrido entre dos de estos picos, se puede calcular el período T de giro del motor y también la posición del elemento móvil accionado por el mismo, con lo cual se puede calcular la velocidad instantánea de dicho elemento móvil.

Esta técnica permitirá así el control de la posición de un elemento móvil, tal como por Ej. la luna de un vehículo automóvil, accionado por un motor eléctrico, de corriente continua, de imán permanente, multipolar, sin la necesidad de tener un sensor de posición o un sensor de velocidad.

El método y algoritmo de control que se propone se basa en una evaluación de la fuerza que ejerce el motor en cada momento. De los estudios experimentales desarrollados por los inventores, en particular midiendo la evolución tanto de la intensidad como de la velocidad de subida de una luna de un vehículo durante todo el recorrido, así como del comportamiento del motor eléctrico de accionamiento frente a la aparición de una fuerza de oposición al desplazamiento de dicha luna móvil, se ha constatado que ante dicha última circunstancia capaz de ocasionar un pinzado o aplastamiento, se origina una variación instantánea de la velocidad del elemento móvil (velocidad angular del motor) y, con un cierto retraso, una variación de la intensidad que atraviesa el motor. Dicho retraso depende de la relación cociente entre la inductancia y la resistencia del motor considerado éste modelizado conforme a un modelo eléctrico equivalente formado por una resistencia en serie con una inductancia en serie y una fuente de tensión.

En esencia el método propuesto, según la invención, para gestión controlada de un elemento móvil accionado por un motor eléctrico, con seguridad contra pinzado o aplastamiento, siendo dicho elemento móvil de naturaleza diversa tal como un panel o luna, asiento o parte del mismo, o similar, está convenientemente guiado y accionado por un motor eléctrico de CC, de imán permanente, multipolar consta de las siguientes etapas: - adquisición de la intensidad de consumo del motor eléctrico por un sensor de corriente tal como un sensor de tipo shunt o magnético;

- muestreo de dicha intensidad a una frecuencia (en general baja del orden de 2 a 4 Khz) que permita identificar la respuesta de intensidad propia de cada uno de los inductores; - cálculo de una intensidad media en al menos una fracción de vuelta del motor (en general a lo largo de una vuelta) representativa de la dispersión de respuesta de los diferentes inductores;

- obtención de la velocidad angular de giro del motor a partir del rizado que aparece en la curva de corriente del motor; - obtención de un parámetro F_r representativo del par de fuerza de accionamiento F_a aplicado sobre dicho elemento móvil cuyo parámetro se calcula a partir de dicha intensidad media y de dicha velocidad angular; y

- adquisición y ulterior evaluación de la variación de dicho parámetro F_r a lo largo del tiempo y detección de una situación de pinzado o aplastamiento en caso de que dicha variación supere un umbral predeterminado y se mantenga durante más de un período de tiempo predeterminado, permitiendo dicha detección la adopción inmediata de contramedidas. Para una mejor comprensión de las características de la invención, se realizará a continuación una descripción en detalle de la misma, a título meramente de ejemplo, con referencia a unos dibujos adjuntos, ilustrativos de los aspectos principales involucrados en el método propuesto.

Breve explicación de los dibujos

En dichos dibujos:

Las Figs. 1a y 1b, son dos esquemas ilustrativos para comprender el efecto de rizado de corriente que se produce en un motor eléctrico.

La Fig. 2 es una gráfica de la intensidad muestreada en un pequeño intervalo de tiempo (12 ms) con eliminación de la componente de CC. Las Figs. 3a y 3b ilustran la forma del rizado de corriente al subir una luna de un vehículo y al bajar, respectivamente.

La Fig. 4a muestra la señal de corriente original (con el rizado) y en la Fig. 4b se detalla la intensidad media utilizada en el método, según lo anteriormente referido. La Fig. 5 es un diagrama de bloques explicativo del método según la invención.

Por último en la Fig. 6 se indica un diagrama explicativo del proceso o algoritmo de detección de una situación de pinzado o aplastamiento, generada por el desplazamiento del elemento móvil.

Descripción en detalle de la invención

El rizado es una característica de la intensidad de corriente que pasa por un motor de CC de imán permanente y va íntimamente ligado al giro del motor, cada vez que las escobillas conmutan de una delga (lámina del colector giratorio) a otra. La detección de las oscilaciones de la corriente permitirá conocer el desplazamiento del elemento móvil accionado por el motor eléctrico y hacer un seguimiento de su posición. El rizado de corriente se produce fundamentalmente por la superposición de dos efectos. El primero tiene su origen en la fuerza contraelectromotriz que se induce en las bobinas o inductores, que, suponiendo que el rotor del motor estuviese sumergido en un campo magnético uniforme, hace que dicha fuerza contraelectromotriz inducida en cada espira tendría la forma de una sinusoide rectificada, es decir se produce un rizado en la fuerza contraelectromotriz generada en todo el bobinado y esto provoca a su vez un rizado en la intensidad de corriente que llega al motor. El segundo efecto está relacionado con el número de bobinas o inductores que contribuyen en cada momento a la fuerza contraelectromotriz total. En este sentido se pueden constatar dos situaciones, una primera en la que contribuyen todas las bobinas y una segunda en la que hay dos bobinas cortocircuitadas y por lo tanto, al no pasar corriente por ellas, no contribuyen. La primera situación se produce cuando cada una de las escobillas está en contacto con una sola delga o lámina del colector giratorio cuya situación se ilustra en la Fig. 1b, entonces las bobinas d, c, b, a, I, k conducen la mitad de la corriente y las bobinas e, f, g, h, i, j conducen la otra mitad como puede verse en el esquema. Pero cuando cada una de las escobillas se encuentra en contacto con dos delgas, tal como se muestra en la

Fig. 1a, se produce la segunda situación, las bobinas j y d tienen sus extremos cortocircuitados, lo que produce que la fuerza contraelectromotriz que se genere en las bobinas j y d no contribuya a la total.

La forma de este rizado se puede observar en las Figs. 3a y 3b que representan las situaciones al subir la luna de un vehículo y en la bajada. Se aprecia que las oscilaciones son diferentes al subir que al bajar, esto es debido a que el par ejercido sobre el motor por el peso de la luna actúa en sentidos diferentes respecto al giro del motor. Además, existe el efecto de la fricción de la luna con el marco de la puerta y con sus guías, que es diferente al subir que al bajar.

En el caso de aplicación al control del desplazamiento de una luna móvil, el método de detección ha de ser capaz de operar tanto en la subida como en la bajada del elemento móvil. Aunque aparentemente las dos señales son muy diferentes al muestrearlas, es posible obtener, dependiendo de la frecuencia, señales en las que se han eliminado las oscilaciones de más alta frecuencia y mucho más parecidas.

Con referencia al método ilustrado en la Fig. 5 y etapas anteriormente enunciadas, una vez se adquiere la intensidad como una variable continua i(t) se procede a su muestreo con un conversor A/D. Los parámetros que se pueden establecer para el conversor A/D son el número de bits de conversión y la frecuencia de muestreo. El número de bits que proporciona un paso de cuantización razonable es de 10, lo que permite observar perfectamente el rizado y el aumento debido a una situación de choque contra un obstáculo, con subsiguiente pinzado o aplastamiento. Con relación a la frecuencia de muestreo se ha operado en un rango de 2 a 4 Khz. Una frecuencia de 3Khz es conveniente debido a que las oscilaciones del rizado tienen una duración aproximada de un ms, lo que proporciona una frecuencia principal de 1 kHz. Según el criterio de Nyquist en una muestra discretizada a una frecuencia de 3 kHz, es posible observar frecuencias de hasta 1 ,5 kHz, es decir aquellas del rizado más un cierto margen de seguridad. En la Fig. 2 se ha ilustrado como aparece la intensidad muestreada en un pequeño intervalo de tiempo (12 ms).

Con posterioridad se procede a definir una variable parecida a la intensidad pero sin el rizado producido por el efecto del "ripple" citado, ni ninguna otra desviación temporal salvo la causada por un aumento del par de fuerza que realiza el motor. El primer efecto que ha de eliminarse es el del rizado. Para ello basta con realizar la media de cada 3 muestras, que son las implicadas en cada polo, que tiene una duración aproximada de 1 ms. El otro efecto que debe eliminarse es el de la diferencia entre polos. En una realización preferida de la invención se ha propuesto realizar la media de la intensidad durante toda una vuelta del motor, en la que el mismo pasa por todos sus inductores. En las Figs. 4a y 4b se puede apreciar una comparación entre la señal original (con rizado) y la intensidad media l(n).

La velocidad angular se obtiene contando el número de muestras que existe entre dos pasos por cero sucesivos de la señal inicial (con rizado) respecto a la media de la intensidad. Una vez obtenidas las variables l(n) y la velocidad angular, expresada en el diagrama de bloques de la Fig. 5 como rpm (n) se obtiene el parámetro F_r de las mismas, en este caso concreto de su producto.

El último paso del método consiste en la detección de una situación de choque del elemento móvil contra un obstáculo capaz de generar un pinzado o aplastamiento. Para ello se procede a evaluar dicha F_r. En el ejemplo ¡lustrado en la Fig. 6, el método debería detectar una variación en el parámetro F_r superior a 60 N en un tiempo inferior a 60 ms. A tal efecto: 1 se captura un nuevo dato del parámetro F_r; 2 se actualizan los máximos o los mínimos de F_r, adquiridos anteriormente, si es necesario (en caso de superar o quedar por debajo dé los valores anteriores); 3 se actualizan el máximo o el mínimo si su "antigüedad" (mantenimiento) es mayor que 60 ms; 4 con los nuevos valores máximos y mínimos se consulta si la diferencia entre los mismos ha de ser considerada como una situación de pinzado o aplastamiento (es decir si supera un umbral predeerminado), y en dicho caso se genera una señal de aviso por una vía de atención prioritaria, de manera que puedan adoptarse de inmediato las contramedidas adecuadas.

Es decir, se monitorizan los valores máximos y mínimos consecutivos del parámetro F_r a intervalos prefijados de tiempo, y se comparan con unos valores adquiridos previamente, siempre que aquella pareja de valores máximo y mínimo se mantengan durante más de 60 ms, procediendo a sustituir dichos valores previos por los nuevos, si su magnitud los excede o es inferior, respectivamente y calculando inmediatamente la diferencia entre la nueva pareja de valores, que de superar un umbral predeterminado desencadena la situación de detección.

Este algoritmo es implementable mediante un programa de ordenador aplicado a la ejecución automática de sus diferentes fases.

A partir de una serie de curvas obtenidas en trabajos experimentales, por Ej. aplicados a la evolución de una luna de un vehículo, se puede obtener la relación entre la fuerza medida (por Ej. por una célula de carga) y la intensidad. Dado que a partir de la intensidad se obtienen los parámetros de intensidad media y velocidad angular y a partir de estos dos últimos la F_r, es posible encontrar una relación directa entre la fuerza aplicada a la luna y dicho parámetro. Conociendo dicha relación es posible delimitar fácilmente los límites en los cuales puede oscilar el parámetro F_r sin que se produzca una situación susceptible de generar un pinzado o un aplastamiento.

En relación con el método expuesto, los inventores han evaluado también, y considerado factible aunque como una alternativa con menores ventajas, la posibilidad de medir la intensidad a alta frecuencia y utilizar las técnicas de reconocimiento de polos y de tratamiento del pico inicial, también conocidas (como lo es la técnica del "ripple counting"), para saber en todo momento cual es la posición del elemento móvil, sin necesidad de cualquier otro sensor. Tal opción, en la que al igual que en la propuesta preferida, detallada anteriormente, sólo se utiliza un tipo de sensor de intensidad presenta el problema de que la frecuencia de muestreo es superior, del orden de unos 20 kHz, lo que exige un conversor A/D de mejores prestaciones, así como una capacidad de cálculo muy superior para poder utilizar las técnicas de reconocimiento de polos y de detección del pico inicial.

Es evidente que los principios de la invención, que se detalla en sus aspectos esenciales en las siguientes reivindicaciones, son aplicables a la gestión controlada de cualquier elemento móvil, accionado por un electromotor, y su aplicación directa en el sector del automóvil será para diferentes clases de elementos móviles, susceptibles de chocar con un obstáculo en su desplazamiento tales como lunas, paneles diversos, partes de un asiento, etc.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Método para gestión controlada de un elemento móvil accionado por un motor eléctrico, con seguridad contra pinzado o aplastamiento, cuyo elemento móvil tal como un panel o luna, asiento o parte del mismo, está convenientemente guiado y accionado por un motor eléctrico de CC, de imán permanente, multipolar, caracterizado por comprender las siguientes etapas:

- adquisición de la intensidad de consumo del motor eléctrico por un sensor de corriente;

- muestreo de dicha intensidad a una frecuencia que permita identificar la respuesta de intensidad propia de cada uno de los inductores;

- cálculo de una intensidad media en al menos una fracción de vuelta del motor representativa de la dispersión de respuesta de los diferentes inductores;

- obtención de la velocidad angular de giro del motor a partir del rizado que aparece en la curva de corriente del motor; obtención de un parámetro F_r representativo del par de fuerza de accionamiento F_a aplicado sobre dicho elemento móvil cuyo parámetro se calcula a partir de dicha intensidad media y de dicha velocidad angular; y

- adquisición y ulterior evaluación de la variación de dicho parámetro F_r a lo largo del tiempo y detección de una situación de pinzado o aplastamiento en caso de que dicha variación supere un umbral predeterminado y se mantenga durante más de un período de tiempo predeterminado, permitiendo dicha detección la adopción inmediata de contramedidas.

2.- Método, según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicha intensidad media se calcula en cada vuelta del motor.

3.- Método, según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho muestreo de la intensidad se realiza a una frecuencia baja del orden de 2 a 4 kHz.

4.- Método, según la reivindicación 3, caracterizado porque dicho muestreo se efectúa por un conversor A/D.

5.- Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha velocidad angular se obtiene contando el número de muestras que existen entre dos pasos por cero sucesivos de la señal de corriente de consumo del motor, con su rizado, respecto a la media de la intensidad.

6.- Método, según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicho sensor de corriente tiene un rango de respuesta en frecuencia que no apantalle por filtrado el efecto del rizado de la intensidad.

7.- Método, según la reivindicación 6, caracterizado porque dicho sensor de corriente es de tipo shunt.

8.- Método, según la reivindicación 6, caracterizado porque dicho sensor de corriente es un sensor magnético.

9.- Método, según la reivindicación 1 , caracterizado porque dicha detección de una situación de pinzado o aplastamiento del elemento móvil respecto a un miembro de una persona, objeto o parte estructural, se efectúa mediante un algoritmo que comprende:

• monitorizar los valores máximos y mínimos consecutivos del parámetro F_r a intervalos prefijados; • almacenar una primera pareja de valores máximos y mínimos consecutivos;

• comparar cada nueva pareja de valores máximo y mínimo monitorizados con dicha primera pareja, almacenada previamente y proceder a su sustitución en caso de que sus valores sean mayor o menor respectivamente y se mantengan durante más de dicho período de tiempo redeterminado, y

• evaluar la diferencia entre dichos nuevos valores máximo y mínimo de la pareja de valores con relación a dicho umbral de variación predeterminado.

10.- Un programa informático que es susceptible de ser cargado directamente en la memoria interna de un ordenador digital y comprende partes de código de programa informático para llevar a cabo los pasos de la reivindicación 9.