MÉTODO DE DETECCIÓN DE ATRAPAMIENTOS CAUSADOS POR ELEVALUNAS MOTORIZADOS Y SIMILARES, MEDIANTE ALGORITMOS DE LÓGICA BORROSA.
5 Campo de la invención
La presente invención se inscribe dentro del campo de los métodos de control de conjuntos electromecánicos y proporciona un método y unos medios para una gestión controlada de un elemento móvil, accionado por un motor
10 eléctrico, con seguridad de poder evitar una acción lesiva de dicho elemento, ya sea contra una parte o miembro de un usuario, ocasionando un aplastamiento, o contra un objeto o parte estructural contra la que sea susceptible de chocar dicho elemento móvil, en su desplazamiento, adoptando ante tal circunstancia, de manera inmediata y automática, unas contramedidas oportunas, deteniendo e
15 invirtiendo la carrera de desplazamiento del citado elemento móvil.
La invención es aplicable, en particular, a un dispositivo elevalunas para un 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, tal como un miembro o parte de
20 una persona, aunque su campo de aplicación puede generalizarse a cualquier clase de panel o luna móvil accionado por un motor eléctrico de tales características, siendo sus objetivos principales la precisión en la detección y la velocidad de respuesta y, en consecuencia, la posibilidad que ofrece de una adopción prácticamente inmediata de las citadas contramedidas para evitar dicha
25 situación de atrapamiento o aplastamiento, no deseada y que la misma progrese. El método propuesto es también adecuado para controlar un asiento, gobernado electromecánicamente, evitando choques contra otras partes del vehículo o golpes contra partes del usuario interpuestas eventualmente en la trayectoria del elemento móvil.
30 La invención también aporta unos programas cargables en la memoria interna de una computadora para realizar varias de las etapas del método según la invención, en especial del algoritmo de detección de atrapamiento o choque, y de un algoritmo auxiliar para control de velocidad.
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-6002228, US-A-5994858, US-A- 5983567, US-A-5949207.US-A-5945796. En general en los métodos y sistemas descritos en las patentes citadas 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 la detección y el cálculo de la tensión y de los picos de corriente mediante, entre varias alternativas, conmutación del motor (técnica del ripple counting).
Exposición de la invención
La invención concierne a un método para gestión controlada de un elemento móvil, accionado por un motor eléctrico, con seguridad anti-atrapamiento o anti-choque, siendo dicho elemento móvil, por Ej. una luna o panel de un vehículo, asiento desplazable o similar, el cual va convenientemente guiado y está accionado por un motor eléctrico de CC, de imán permanente, multipolar.
El método comprende tres partes diferenciadas: detección de los picos de rizado de la corriente para la determinación de la posición y velocidad del elemento móvil a controlar, control de la velocidad y detección de una situación de atrapamiento o de choque, utilizándose para las dos últimas partes un algoritmo de lógica borrosa o fuzzy.
Según la invención, a partir de la posición del citado elemento móvil y del incremento relativo de la intensidad de la corriente del motor de CC de
accionamiento, correspondiente a intervalos consecutivos, se ha construido una base de reglas para implementar un primer algoritmo de lógica borrosa, o fuzzy para la detección de situaciones de atrapamiento o choque. El ajuste de los términos borrosos utilizados en el algoritmo se ha realizado a partir de ajuste experimental.
Debido a que el motor eléctrico de CC citado está formado por múltiples polos, su corriente de polarización presenta un rizado continuo. Este rizado se ha utilizado en primer lugar para determinar la posición de la ventana (contando los picos de rizado, según la técnica del ripple counting, en sí conocida) y para calcular el incremento relativo de la intensidad de la corriente. Para mejorar la información ligada a dicho incremento de corriente, éste corresponde a medidas tomadas en uno de los máximos de rizado (siempre se mide en un máximo correspondiente al mismo polo del motor).
Así, y con un mayor detalle, conforme a la invención se propone realizar una detección de una situación de atrapamiento de un objeto o miembro interpuesto en la carrera del citado elemento móvil o de un eventual choque de dicho elemento móvil mediante un primer algoritmo basado en lógica borrosa cuyas entradas son la posición del citado elemento móvil y los incrementos que puedan producirse en la corriente consumida por el motor. En concreto se consideran el aumento relativo de la intensidad de la corriente que se produce en una vuelta del motor y el aumento relativo de dicha intensidad originado tras una vuelta ulterior del motor, próxima, en particular la tercera, inmediatamente subsiguiente, es decir los eventuales incrementos de la intensidad en una vuelta y en tres vueltas del motor. La información de la posición del elemento móvil se conoce en cada momento a través de una detección del rizado de la corriente de polarización del motor mediante variación de la frecuencia de muestreo.
La invención también propone una etapa adicional de control de la velocidad del elemento móvil, en lazo cerrado, utilizando un segundo algoritmo de lógica borrosa con información al mismo de una velocidad deseada o de referencia y evaluación de la desviación respecto a dicha referencia de la velocidad real. El sistema de lógica borrosa empleado tiene como entradas la velocidad en cada momento del elemento móvil y la velocidad deseada para este instante y da como
salida el duty cycle del PWM. El control de velocidad mediante lógica borrosa permite un tiempo de respuesta pequeño a variaciones de carga aplicadas al motor, con lo cual se tiene un control de la velocidad bastante preciso con poca utilización de recursos de un microcontrolador utilizado para su implementación. El método funciona de manera que al detectar un aumento de intensidad de la corriente de consumo del motor de una cierta pendiente disminuye instantáneamente la potencia suministrada al motor. Entonces se pueden producir dos evoluciones posibles de dicha intensidad, una reducción importante de la pendiente, en cuyo caso el motivo de aquel aumento de intensidad se debería a una fricción dependiente de la velocidad o una reducción ligera de la pendiente indicativa de la existencia de una carga independiente de la velocidad, detectándose un atrapamiento o choque.
Según la invención para evaluar los incrementos relativos de la corriente consumida por el motor que puedan producirse, se utilizan los máximos del rizado de la corriente de polarización de dicho motor medidos en un mismo inductor del motor, es decir aquellos valores de la intensidad que tienen la misma fase dentro de la oscilación de la corriente.
Alternativamente, para evaluar los incrementos relativos de la corriente consumida por el motor que puedan producirse, se utiliza una media de los valores anteriores de dicha corriente.
Conforme al método aquí propuesto, ante una situación, detectada por dicho primer algoritmo de lógica borrosa, en donde dichos incrementos de la corriente capturados, son susceptibles de estar ocasionados por un objeto atrapado en la trayectoria del elemento móvil, o por un choque de dicho elemento móvil en su desplazamiento, se reduce mediante PWM (modulación de la anchura de pulsos) el duty cicle de la corriente de alimentación al motor a un 90 por ciento para discernir, a continuación aplicando de nuevo dicho primer algoritmo de lógica borrosa, si dicho incremento de la intensidad de la corriente tal como un aumento brusco, es debido a una fuerza externa aplicada sobre el elemento móvil o a un esfuerzo derivado de la fricción de dicho elemento móvil con unas partes de guiado del mismo en su desplazamiento.
Alternativamente ante una situación como la descrita en el párrafo anterior y tras una primera ejecución del citado primer algoritmo de lógica borrosa, se reduce
mediante PWM la velocidad del motor de un 30 a un 50 por ciento para discernir, aplicando a continuación otra vez dicho primer algoritmo de lógica borrosa, si dicho incremento de la intensidad de la corriente, tal como un aumento brusco es debido a una fuerza extema aplicada sobre el elemento móvil o a un esfuerzo derivado de la fricción de dicho elemento móvil con unas partes de guiado del mismo en su desplazamiento.
Para una mejor comprensión de las características de la invención se detallará la misma, a continuación, con referencia a unas hojas de dibujos en las que se ha representado un ejemplo de ejecución consistente en la aplicación del método al caso del control de una ventanilla de un vehículo, refiriendo en adelante la situación de atrapamiento o de aplastamiento mediante dichos términos o alternativa e indistintamente como "pinch", atrapamiento o aplastamiento, y las medidas a adoptar como "anti-pinch" o anti-atrapamiento, por ser dichos términos anglófonos muy generalizados en el sector.
Breve explicación de los dibujos
En la Fig. 1 se muestran esquemáticamente las fuerzas que actúan en una ventanilla durante una situación de atrapamiento o pinch.
En la Fig. 2 se ilustran las diferencias de la corriente entre dos muestras de intensidad consecutivas, mostrando que al aplicarse una fuerza la gráfica no presenta ningún cambio apreciable.
En la Fig. 3a se ilustra la corriente de consumo del motor y en la Fig. 3b considerando sólo los máximos conforme propone la invención.
Las Figs. 4 a 6 ilustran las funciones de pertenencia descriptivas del sistema de lógica borrosa utilizado para detección del pinch, del que se describirán la base de sus reglas. En la Fig. 4 se muestran las funciones de pertenencia de la entrada max 10, en la Fig. 5 las funciones de pertenencia de la entrada max 30 y en la Fig. 6 se han representado las funciones de pertenencia de la entrada posición.
Explicación en detalle de un ejemplo de ejecución de la invención
Tal como se ha indicado, en general se denominará pinch al atrapamiento y/o eventual aplastamiento de un objeto por la ventanilla de un vehículo al subir
en modo automático. En el funcionamiento normal de la ventanilla de un vehículo, por Ej. un automóvil, este objeto puede ser una parte del cuerpo humano como una mano o un dedo o incluso el cuello. Por lo tanto, el objetivo de todo método anti-pinch o de gestión controlada de un elemento móvil, convenientemente guiado y accionado por un motor eléctrico de CC, tal como una ventanilla, en el Ej. que se está explicando, es evitar esta situación. Para ello, el sistema de control ha de ser capaz de detectar la presencia de cualquier objeto que se encuentre en la trayectoria de la ventanilla.
El método de control propuesto ha de realizar las siguientes acciones: a) subir y bajar la ventanilla en modo manual o automático, cuando se indique mediante unos pulsadores de mando; b) parar el motor cuando la ventanilla llegue a los topes superior o inferior; c) realizar un control de la velocidad de la ventanilla; y d) en modo de subida automático ha de detectar si un objeto queda atrapado entre la ventanilla y el marco superior de la ventana.
La última función es la de más difícil ejecución teniendo en cuenta que el método ha de ser capaz de detectar una fuerza de 60 N aplicada a la ventanilla en un tiempo de 10 ms, conforme a las especificaciones normativas del sector.
La invención propone realizar la detección de pinch mediante un primer algoritmo basado en lógica borrosa (Fuzzy-logic) utilizando como entrada la información que proporciona la intensidad de corriente que le llega al motor de la ventanilla y la posición. El valor de la intensidad de la corriente consumida por el motor depende de la fuerza que se ejerce sobre la ventanilla, por lo tanto al aumentar la fuerza aumenta la corriente. El atrapamiento originará un incremento repentino de la corriente, que en principio sería fácilmente detectable si se conoce el valor que alcanza la corriente del motor en régimen de funcionamiento normal. Sin embargo existe un factor, la fricción que sufre la ventanilla, que hace que la fuerza total no sea constante durante todo el proceso de subida. Esta fricción en condiciones reales puede variar por el estado del marco y guías de la ventanilla, por efecto de la temperatura ambiental, por otras condiciones climáticas y por
razones adicionales. Por ello, el valor de la citada corriente puede variar de manera bastante impredecible en momentos diferentes de la vida del coche. Esto provoca que no se pueda usar un valor de referencia fijo con el que comparar el valor instantáneo de la intensidad del motor, para detectar una condición de atrapamiento.
Para desarrollar el algoritmo es necesario conocer cuales son las fuerzas que actúan sobre la ventanilla en cada momento. En la Fig. 1 se ilustra el esquema de las fuerzas que actúan en la ventanilla durante un atrapamiento.
El trabajo eléctrico suministrado al motor viene expresado por:
W vv eléctrico = V y 2 I - t l
donde V es la tensión aplicada al motor, / es la intensidad de la corriente del motor y t el tiempo. Este trabajo eléctrico es convertido en trabajo mecánico por el motor transformándolo en el movimiento de la ventanilla. El trabajo que realiza la ventanilla es:
W " ven tan illa = F total - J v
donde Flolal es la fuerza que trasmite el motor a la ventanilla y s es el espacio recorrido por la ventanilla.
No todo el trabajo eléctrico suministrado al motor se transmite a la ventanilla, tenemos una parte que se convierte en calor en el sistema electro- mecánico de la ventanilla, de manera que:
W ven tan illa - n I - W eléctrico
η es la eficiencia de la trasmisión de trabajo.
En una situación de atrapamiento de un objeto o pinch, la fuerza trasmitida por el motor a la ventanilla se podrá considerar igual en módulo a la fuerza de fricción y a la fuerza ejercida por el objeto, es decir:
F total = F pinch + F fricción
Por lo tanto, la fuerza que ejerce el objeto atrapado se podrá expresar de la siguiente manera:
F pinch = F total - F fricción = -V - I -t _ F fricción
Para una cierta relación de trasmisión, Tmotor , del desplazamiento angular del motor respecto del desplazamiento lineal de la ventanilla, se puede relacionar s y ( a través de la velocidad angular del motor o su inversa, el periodo T.
S = T motor - rPm - t = T mo,otr - J
Con lo que la fuerza ejercida por un atrapamiento o pinch se expresará de la siguiente manera:
( , r?(v)- V(t)- l(t). T(t) ( ) pinch V / fricción V / motor
Al producirse un pinch Fpinch se incrementa en un corto espacio de tiempo. El único factor de la parte de la derecha de la igualdad que puede responder al rápido aumento de Fpjnch es la intensidad de la corriente l(t). En consecuencia, conforme a las propuestas de esta invención, se propone utilizar la diferencia entre el valor de la intensidad de la corriente actual y un valor anterior, cercano, para la detección del pinch. De esta manera se evita o contrarresta eficazmente el efecto originado por la fricción, ya que aunque ésta
varíe de manera impredecible los cambios no son demasiado bruscos. Por lo tanto al hacer una resta del valor de la intensidad de la corriente respecto a un valor anterior cercano se puede considerar la fricción constante en este intervalo, asegurando que esta variación de las intensidades de la corriente es consecuencia solamente de la fuerza aplicada por efecto del pinch.
Se detallan a continuación los parámetros utilizados para la detección del pinch conforme al método propuesto.
Para la detección del atrapamiento de un objeto se tendrá en cuenta la información que proporcionan dos parámetros: (i) la posición de la ventanilla
(ii) el aumento relativo de la intensidad de corriente.
El primer parámetro es útil ya que el atrapamiento en la gran mayoría de casos se produce en la parte superior del recorrido de la ventanilla, es decir, cuando ésta se encuentra cerca del marco superior. Por lo tanto se pretende que el sistema sea mucho más sensible en la zona final del recorrido de la ventanilla. La posición de la ventanilla en cada momento se puede conocer a partir del conteo de los pulsos de intensidad relacionados con la naturaleza multipolar del motor (técnica del ripple counting, en sí conocida).
El segundo factor, el aumento relativo de la intensidad, permitirá detectar incrementos bruscos de la fuerza ejercida sobre la ventanilla. Aunque aparentemente el cálculo de este parámetro puede parecer sencillo, simplemente haciendo una resta entre dos valores de las intensidades de las corrientes, aparecen ciertos problemas si no se escogen adecuadamente los valores de la intensidad de la corriente a restar. Para aumentar el tiempo de reacción del sistema anti-pinch la primera solución analizada por los inventores fue la de restar el valor actual de la intensidad de la corriente al valor de la intensidad de la corriente muestreado en el instante anterior. Sin embargo, se constató que el resultado obtenido se ve afectado por el rizado de corriente. En función de la frecuencia de muestreo utilizada, las diferencias de intensidad se verán afectadas por variaciones de más alta frecuencia asociadas al efecto de los polos del motor, situación que se refleja en la Fig. 2 de los dibujos.
Para evitar este problema los inventores han previsto varias soluciones:
(i) Utilizar una media de valores anteriores de la intensidad de la corriente, con lo cual se tiene una referencia estable sin oscilaciones, (ii) Encontrar valores de la intensidad de la corriente que sean representativos del aumento de la fuerza sobre la ventanilla, y así evitar el efecto del ripple o rizado. La primera solución, aunque aparentemente más sencilla, tiene sin embargo dos inconvenientes respecto a la segunda, que son: la menor precisión al detectar un pinch ,y por lo tanto un tiempo de respuesta mayor, y la necesidad de utilizar más memoria y más tiempo de un microcontrolador utilizado en el equipo de soporte para implementar dicha solución.
En la segunda solución, se utilizan aquellos valores de la intensidad que tengan la misma fase dentro de la oscilación de la corriente. Esta característica la cumplen los máximos del rizado. Sin embargo, se observa (ver Figs.3a y 3b) que los valores de los máximos todavía presentan una cierta oscilación. Ello se debe a que la corriente por cada uno de los diez bobinados del motor eléctrico de CC no es exactamente igual, sino que varia ligeramente. Para evitar dicho problema que introduce la oscilación de corriente se utilizará la diferencia de aquellos valores de corriente que correspondan a un mismo bobinado. Es decir, al valor de corriente del máximo actual se le resta el valor de corriente del máximo que corresponde al mismo bobinado en la vuelta anterior.
Utilizar tan solo los máximos para la detección del pinch comporta una limitación en la frecuencia a la que puede operar el método (gama de funcionamiento del algoritmo anti-pinch), ya que sólo comprobará si ocurre pinch cada vez que se produzca un máximo. Sin embargo, la precisión que se obtiene compensa.
Una vez definidos los parámetros utilizados por el algoritmo, se procede a continuación a exponer las etapas y estructura de dicho algoritmo basado en lógica borrosa para la detección del pinch.
Tal como se ha indicado las entradas del sistema borroso son: la posición de la ventanilla, el aumento relativo de la intensidad de la corriente en una vuelta
del motor y el aumento relativo de la intensidad de corriente en tres vueltas del motor.
Se ha estimado conveniente introducir dos entradas referentes al aumento de intensidad de corriente por dos razones. En primer lugar para tener dos referencias cercanas que aunque parecidas nos dan información diferente.
En segundo para hacer el sistema más tolerante a errores, ya que no se detectará anti-pinch a no ser que las dos entradas den valores altos.
Para encontrar las funciones de pertenencia de las entradas que provienen de la intensidad se ha calculado cual es el valor de esta señal, bajo diferentes condiciones de fricción y considerando todo el recorrido de la ventanilla incluido un atrapamiento al final. Se ha calculado la media de los valores de la señal antes de llegar al pinch. Este valor medio se ha utilizado para situar el punto medio de la función de pertenencia Z (cero, es la central). El ancho de esta función de pertenencia, que corresponde a los puntos centrales de las otras dos funciones de pertenencia, se ha ajustado dependiendo de la respuesta del sistema en función de resultados experimentales.
Las funciones de pertenencia de la entrada correspondiente a la posición se han escogido separando el espacio total recorrido por la ventanilla en tres zonas. En la base de las reglas queda reflejado que el sector donde el pinch es más probable es la zona más cercana al marco de la ventanilla.
El sistema de lógica borrosa utilizado tiene las características que reflejan las funciones de pertenencia de las Figs. 4, 5 y 6, que son auto explicativas, indicándose en el caso de las dos primeras Figs., en ordenadas, la probabilidad y en abcisas la diferencia entre intensidades detectada y en la tercera Fig. en su eje de abcisas el n° de picos de rizado (ripples) contados.
La base de reglas del sistema de lógica borrosa utilizado es :
IF max10=N AND max30=N AND posición= baja THEN salida=0 IF max10=Z AND max30=N AND posición=baja THEN salida=0 IF max10=P AND max30=N AND posición=baja THEN salida=0
IF max10=N AND max30=Z AND posición=baja THEN salida=0 IF max10=Z AND max30=Z AND posición=baja THEN salida=0 IF max10=P AND max30=Z AND posición=baja THEN salida=0
IF max10=N AND max30=P AND posición=baja THEN salida=0 IF max10=Z AND max30=P AND pos¡ción=baja THEN salida=0 IF max10=P AND max30=P AND posición=baja THEN salida=0
IF max10=1 AND max30=1 AND posición=media THEN salida=0
IF max10=Z AND max30=1 AND posición=media THEN salida=0 IF max10=P AND max30=1 AND posición=media THEN salida=0 IF max10=1 AND max30=Z AND posición=media THEN salida=0 IF max10=Z AND max30=Z AND posición=media THEN salida=0 IF max10=P AND max30=Z AND posición=media THEN salida=0
IF max10=1 AND max30=P AND posición=media THEN salida=0 IF max10=Z AND max30=P AND posición=media THEN salida=0 IF max10=P AND max30=P AND posición=media THEN salida=0
IF max10=1 AND max30=1 AND posición=alta THEN salida=0
IF max10=Z AND max30=1 AND posición=alta THEN salida=0 IF max10=P AND max30=1 AND posición=alta THEN salida=0 IF max10=1 AND max30=Z AND posición=alta THEN salida=0 IF max10=Z AND max30=Z AND posición=alta THEN salida=0 IF max10=P AND max30=Z AND posición=alta THEN salida=1
IF max10=1 AND max30=P AND posición=alta THEN salida=0 IF max10=Z AND max30=P AND posición=alta THEN salida=1 IF max10=P AND max30=P AND posición=alta THEN salida=1
En esta base de reglas se reflejan bajo que situaciones un controlador experto decidiría si se produce un pinch. El ajuste de los términos borrosos (indicados en las figuras 5 y 6) se ha generado a partir de la respuesta del sistema a los valores de intensidad de corriente recogidos en múltiples subidas de la ventanilla bajo diferentes condiciones de fricción de la ventanilla. La salida del sistema de lógica borrosa indicará si se ha producido un pinch o no. La salida 1 indica pinch o atrapamiento.
En caso de detectarse pinch se realizará de inmediato y sucesivamente una nueva comprobación. Así, después de detectarse un pinch, se propone
reducir el duty cycle un 90% y se comprueba si en el siguiente máximo de intensidad se produce de nuevo el pinch. Hay que remarcar que al hacer esto, el sistema sigue cumpliendo unos tiempos de detección adecuados para adoptar unas contramedidas eficaces. Esto permite ajusfar los parámetros del sistema fuzzy de detección para hacerlo más sensible, ya que aunque inicialmente detecte aumentos de fricción como pinch, al reducir la potencia del motor se descartarán como posibles atrapamientos.
En conclusión, el sistema de detección fuzzy propuesto, en el Ejemplo de implementación descrito, utilizará como entradas la posición de la ventanilla, el aumento relativo de la intensidad de la corriente respecto a una vuelta y respecto a tres vueltas del motor, y empleará la reducción del duty cycle en un 90 por ciento para discernir entre aumentos bruscos de la fricción y fuerzas externas aplicas sobre la ventanilla. Tal como se ha referido, tras detectar un pinch se puede realizar alternativamente una reducción mediante PWM de la velocidad del motor de un 30 a un 50 por ciento para discernir, aplicando a continuación de nuevo dicho primer algoritmo de lógica borrosa, si dicho incremento relativo de intensidad de la corriente, tal como un aumento brusco de intensidad, es debido a una fuerza externa aplicada sobre el elemento móvil o a un esfuerzo derivado de la fricción de dicho elemento móvil con unas partes de guiado del mismo en su desplazamiento.
Habiendo descrito en modo suficiente la invención para poder ser puesta en práctica por un técnico en la materia, se recaba hacer extensivo su objeto a aquellas variaciones de detalle que no alteren su esencialidad que se resume en las siguientes reivindicaciones.