WO2007017483A1 - Elektronische schaltung - Google Patents

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WO2007017483A1
WO2007017483A1 PCT/EP2006/065099 EP2006065099W WO2007017483A1 WO 2007017483 A1 WO2007017483 A1 WO 2007017483A1 EP 2006065099 W EP2006065099 W EP 2006065099W WO 2007017483 A1 WO2007017483 A1 WO 2007017483A1
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WO
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Prior art keywords
electronic circuit
differential amplifier
motor
shunt
voltage source
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/065099
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English (en)
French (fr)
Inventor
Leandro Crocomo
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Publication of WO2007017483A1 publication Critical patent/WO2007017483A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P7/00—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/03—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for controlling the direction of rotation of DC motors

Definitions

  • the present invention relates to an electronic circuit and a device for automatically opening and closing a window or sliding roof according to the preamble of patent claims 1 and 13, respectively.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an electric window lifter, or an electric sliding roof according to the prior art.
  • Automatic windows and automatic sunroofs are usually driven in vehicles by means of a DC motor M, which is powered by the vehicle battery Vbat.
  • the DC motor M is suitably connected by means of switching elements S1, S2, S3, S4 so that it can be operated in both turning directions. This can be done for example by means of an H-bridge.
  • Ie serves the vehicle battery Vbat, which has a positive connection to 12 volts in most vehicles, while the other connection is connected to ground.
  • the switching elements Sl, S2, S3, S4 are usually designed as a relay for cost reasons, but partly also transistors, in particular FETs and MOSFETs are used. In order to crank a windowpane or sunroof in one direction, the switching elements S1 and S2 are turned on, while the switching elements S3 and S4 remain off.
  • the switching elements S3 and S4 are turned on and the switches Sl and S2 off.
  • Vehicle or a similar device controls it is helpful to be informed about the position of the window and / or an obstacle blocking the closing operation of the window.
  • One of the latest known technologies both for measuring the position of the windowpane and for detecting an obstacle is based on measuring the supply current of the DC motor.
  • the control unit should receive information about any obstacles that are trapped in a windowpane or in a sunroof. Such information is included in the supply current of the DC motor. If an object is clamped through the window pane, the average supply current for the DC motors for window regulators typically used in passenger cars increases approximately twice or even three times. However, without additional measures, the supply current increases to the same extent when the window pane reaches the fully closed state and is blocked by the window frame. A knowledge of the current position of the windowpane allows the control unit to make the right decisions, eg to stop the DC motor, if the when the supply current exceeds a certain threshold and at the same time the window has not reached the fully closed state.
  • the supply current of a DC motor for a window or similar device thus contains valuable information that can be used to control the window regulator.
  • the current intensity for operating the DC motor is typically several amperes, it makes sense to measure the current intensity by means of a measurement of a voltage drop across a low-impedance shunt through which the supply current flows.
  • the voltage drop must normally be increased.
  • Measurement and amplification of the voltage drop can be made by tapping the potentials on both sides of the shunt and fed into the inputs of a differential amplifier.
  • the energy supply of the differential amplifier it is advantageous for the energy supply of the differential amplifier to feed it with the vehicle battery.
  • the potential at the output of a differential amplifier can only be within the range of the two potentials of the energy supply.
  • FIG. 2 provides a circuit with two shunts. If the switching elements S1 and S2 are closed, then the DC motor is operated in one direction of rotation and the supply current can be determined by means of the voltage drop across the shunt SH2. If, on the other hand, the switching elements S3 and S4 are closed, the DC motor is operated in the other direction of rotation and the supply current can be determined by means of the voltage drop across the shunt SH1.
  • the shunts necessary for the current measurement are not surface mounted devices, but individual components, which must be soldered individually and usually by hand on a printed circuit board.
  • a disadvantage of the known solutions for measuring the time course of the supply current of a DC motor is therefore the increased production costs, the increased space requirement of shunts and connecting lines on the printed circuit board and increased energy consumption and increased heat generation.
  • the present invention is therefore based on the object to enable a cost-effective determination of Ripples, for example, an automatic window lifter or a comparable Vorrich- device.
  • This object is achieved by the measures specified in claim 1 and 13 respectively.
  • Advantageous embodiments of the invention are specified in further claims.
  • the invention relates to an electronic circuit for detecting ripples of a DC motor, comprising a connectable to the DC motor switch assembly for operating the DC motor in two rotational internal; - a shunt with two shunt connections and
  • a differential amplifier comprising two differential amplifier inputs and a differential amplifier output.
  • the electronic circuit comprises an offset means which is connected to the differential amplifier, Ripples, e.g. an automatic window lifter or a comparable device, are determined inexpensively.
  • the differential amplifier are operated in a range which always generates a signal on the differential amplifier output, which is within a predetermined by the power supply of the differential amplifier range.
  • a supply current of the DC motor caused voltage drop across the shunt by means of only one shunt and a differential amplifier, regardless of the direction in which the shunt is flowed through by the supply current and regardless of which direction of rotation of the DC motor is operated.
  • the electronic circuit comprises a first voltage source connection with at least two pole connections for the power supply of the direct current motor and the differential amplifier comprises a second voltage source connection with at least two pole connections and the second voltage source connection is connected or connectable with the first voltage source connection , such as a separate power source, needed to ensure the power supply of the differential amplifier.
  • the power supply of the differential amplifier can then be made, for example, directly by the power supply of the DC motor.
  • ripples can also be measured when the DC motor is switched off. Otherwise, would have another means be provided, for example, a means which blocks the movement of a window or sunroof immediately when turned off.
  • each sufficiently stable DC voltage source can serve as an offset means.
  • An advantage of generating an offset on the differential amplifier by means of a voltage follower lies in the low output impedance of voltage followers.
  • the resistance element can be regarded as having a virtual ground with a reference potential in relation to the true ground.
  • the voltage follower comprises a third voltage source terminal having at least two pole terminals, wherein the third voltage source terminal is connectable or connected to the first voltage source terminal and / or to the second voltage source terminal, no further means, such as a separate voltage source, is required for the power supply of the chip to ensure succession.
  • the voltage follower for example, can be powered directly by the car battery with energy.
  • the electronic circuit comprises a fifth resistance element and a sixth resistance element, which are connected in series with a fourth power source terminal having at least two pole terminals and - the non-inverting input of the voltage follower is connected to a line through which the fifth resistance element and the sixth resistance element are connected to each other, a constant potential can be applied to the input of the voltage follower in a simple manner.
  • the fourth power source terminal may be e.g. be provided for connection to a car battery.
  • the electronic circuit may, however, additionally comprise a voltage stabilizer which may be e.g. is connected to the fourth and / or the fifth resistor element. This achieves a high stability at the output of the voltage follower and thus a stable offset on the differential amplifier.
  • the differential amplifier is a linear differential amplifier
  • the output signal of the differential amplifier is easier to process.
  • the electronic circuit comprises an analog-to-digital converter which is connected to the differential amplifier output, and a microcontroller which is connected to the analog-to-digital converter or which comprises the analog-to-digital converter
  • the output signal of Differential amplifier be further processed digitally. For example, ripples can be counted and Instructions, such as the shutdown of the DC motor o- the operation of the DC motor are instructed in the opposite direction.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an electric window lifter, or of an electric sliding roof according to the prior art
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement with two shunts according to the prior art
  • FIG. 3 shows an electronic circuit in an embodiment
  • FIG. 4 shows an electronic circuit, in a fourth embodiment, which is the starting point of a simulation
  • Figure 5 shows a time course of an electric current, which comes from a real window regulator
  • FIG. 6 shows an output signal at the differential amplifier output OUT in volts V.
  • FIG. 3 shows an electronic circuit ES for determining ripples of a DC motor M in a first embodiment.
  • the electronic circuit ES comprises a switch arrangement S1, S2, S3, S4 which can be connected to the DC motor M for operating the DC motor M in two rotational directions; a shunt SH with two shunt connections; - A differential amplifier DV comprising two differential amplifier inputs DI and a differential amplifier output OUT.
  • the shunt SH and the switch arrangement S1, S2, S3, S4 are connected in such a way that the shunt SH flows through a supply current of the DC motor M during the operation of the DC motor M in both rotational directions.
  • the shunt is connected in series to two motor connections, ma2.
  • One shunt connection is connected to one differential amplifier input DI each.
  • the electronic circuit ES comprises an offset means SF, which is connected to the differential amplifier DV.
  • the circuit has a motor connection arrangement times, ma2, to which the DC motor M can be connected.
  • the shunt SH is arranged in an H-bridge in series with the motor connection arrangement times, ma2, so that if a connected DC motor M flows through a supply current, the shunt SH is also flowed through by the supply current.
  • the arranged in an H-bridge switch assembly Sl, S2, S3, S4 comprises four relays Sl, S2, S3, S4. Via the relays Sl, S4, the H-bridge is connected to a pole terminal pl of a first voltage source terminal. Via the relays S2 and S3, the H-bridge is connected to a pole terminal GND, which is provided for connection to the ground GND.
  • a DC motor M is arranged in the H-bridge so that the DC motor is operable by turning on the two relays Sl, S2 and turning off the other two relays S3, S4 in a first direction of rotation. By switching off the two relays Sl, S2 and turning on the two other relays S3, S4, the DC motor can be operated in the other direction of rotation.
  • the switched-off state of the DC motor M is preferably given by the switched-off state of the relay Sl, S4 and the switched state of the relays S2 and S3, to ensure that also immediately after switching off the DC motor M induced Leerlaufström through the shunt SH flows.
  • a voltage drop across the shunt SH can be tapped by a differential amplifier DV.
  • the differential amplifier DV comprises an operational amplifier OP1 and four resistance elements R1, R2, R3, R4.
  • the operational amplifier OP1 comprises a non-inverting input +, which is connected via a first resistance element R1 to a terminal of the shunt SH, and an inverting input -, which is connected via a second resistance element R2 to the other terminal of the shunt SH.
  • the output OUT of the operational amplifier OP1 is connected via a third resistance element R3 to the inverting input - of the operational amplifier OP1, whereby a negative feedback is established.
  • the non-inverting input + is connected via the resistance element R4 to the output of a voltage follower SF, wherein the input + of the voltage follower SF for the application of a constant potential is provided.
  • the differential amplifier has a second voltage source connection, which comprises two pole connections (p2, GND).
  • the voltage follower SF comprises a second operational amplifier 0P2 whose output signal is fed back to the inverting input - of the second operational amplifier 0P2.
  • the non-inverting input + of the second operational amplifier 0P2 forms the input of the voltage follower SF.
  • the voltage follower comprises a third voltage source connection with two pole connections (p3, GND).
  • a fifth resistance element R5 and a sixth resistance element R6 is provided, which is connected in series with respect to a fourth voltage source terminal with two terminal poles.
  • the first voltage source terminal, the second voltage source terminal and the third voltage source terminal are connected to each other or connectable to each other.
  • the DC motor M, the differential amplifier DV and the voltage follower SF can be supplied with energy by a single voltage source, preferably a car battery.
  • a particularly constant DC voltage source can be provided, whereby a high constancy of the offset is achieved. This can be done, for example, by a voltage regulator which is integrated in the circuit formed by the fifth and the sixth resistance element R5, R6.
  • a voltage regulator which is integrated in the circuit formed by the fifth and the sixth resistance element R5, R6.
  • the first voltage source terminal, the second voltage source terminal, the third voltage source terminal and the fourth voltage source terminal are connected to each other.
  • the circuit can be made even cheaper.
  • the first to fourth power source terminals are connected to each other in any combination, or not connected.
  • the advantage of generating an offset on the differential amplifier DV by means of a voltage follower SF lies in the low output impedance of voltage followers.
  • the resistance element R4 can be regarded as having a virtual ground with a reference potential compared to the real ground GND. As long as the operational amplifier is not operated in the saturated region, this fixes the operating point of the inputs +, - of the operational amplifier OP1 at the reference potential, although the inputs of the operational amplifier OP1 are connected to a different potential via R1 and R2.
  • FIG. 4 shows an electronic circuit arrangement, in a fourth embodiment, which is the starting point of a simulation.
  • a DC motor M and a voltage source Vbat is connected to the electronic circuit.
  • these were replaced by a piecewise linear current source, which generates currents, which originate from a real window regulator.
  • the electrical resistance of the shunt is 10 milliohms. For individual resistance elements R3, R4 capacitive effects were considered.
  • the capacitances for both resistive elements R3, R4 are 5.6 nF.
  • FIG. 5 shows a time course of a piecewise linear electric current, which comes from a real window regulator, in ampere A.
  • the electric current increases to 20 amps.
  • the current settles at about 7 amps.
  • an idling current in the opposite direction of about -15 amps arises.
  • the ripples are recognizable.
  • Figure 6 shows the output signal at the differential amplifier output OUT in volts V for the nominal values of the electronic components used in Figure 4 and the piecewise linear voltage source shown in Figure 5, which replaces the DC motor M and the voltage source Vbat of the DC motor.
  • the output signal was determined by means of a Monte Carlo analysis.
  • the electrical current through the shunt SH and the DC motor M can be read over the entire time profile on the basis of the output signal, in particular also for the idling current, which likewise generates a positive voltage of a little more than one volt on the differential amplifier output. Likewise, the ripples are recognizable.
  • the offset is 2.5 volts.

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Abstract

Anhand des Versorgungs Stroms eines einen Fensterheber antreibenden Gleichstrommotors (M) können Informationen zur Steuerung des Fensterhebers ermittelt werden. Es wird eine einfach herzustellende und einzubauende elektronische Schaltung (ES) vorgestellt, welche positive und negative Versorgungsströme mittels nur eines Shunts misst. Der Shunt (SH) ist mit einer Schalteranordnung (S1, S2, S3, S4) so verbunden, dass der Shunt (SH) während des Betreibens des Gleichstrommotors (M) in beiden Drehsinnen von einem Versorgungsstrom des Gleichstrommotors (M) durchflössen ist. Dazu ist vorgesehen den Gleichstrommotor (M) in Serie mit dem Shunt zu verschalten. Ein Spannungsabfall über dem Shunt (SH) wird durch einen Differenzverstärker (DV) abgegriffen, wobei die elektronische Schaltung (ES) zur Erzeugung eines Offsets auf dem Differenzverstärkers (DV) einen Spannungsfolger (SF) umfasst. Dies ermöglicht eine Energieversorgung des Differenzverstärkers mit derselben Spannungsquelle (Autobatterie), welche den Gleichstrommotor antreibt.

Description

Beschreibung
Elektronische Schaltung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung und eine Vorrichtung zum automatischen Öffnen und Schließen eines Fensters oder Schiebedachs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 13.
In heutigen Straßenfahrzeugen sind automatische Systeme, welche mechanische Funktionen, wie z.B. das Öffnen und Schließen von Fensterscheiben und Sonnendächern automatisch und ohne permanente Kontrolle durch einen Menschen vornehmen zunehmend verbreitet. Aus Sicherheitsgründen bedürfen diese Systeme aufgrund ihrer zunehmenden Automatisierung, einer Strategie, welche die der mechanischen Bewegung zugrunde liegende Kraft dosiert und die Bewegung beim Vorliegen gewisser gefährlicher Situationen unterbricht. Um Verletzungen zu vermeiden, sollte z.B. ein automatischer Schließvorgang einer Fensterscheibe unterbrochen werden, wenn eine Kinderhand eingeklemmt wird.
Um Kosten zu sparen und um die in einem Fahrzeug angeordneten automatischen Systeme koordiniert steuern zu können, ist es ein Trend, die automatischen Systeme zentral zu steuern. Die automatischen Systeme werden daher von einer möglichst geringen Anzahl Steuereinheiten angesteuert, im Idealfall von nur einer Steuereinheit für alle automatischen Systeme.
Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild eines elektrischen Fenster- hebers, respektive eines elektrischen Schiebedachs gemäß dem Stand der Technik. Automatische Fensterheber und automatische Schiebedächer werden in Fahrzeugen meist mittels eines Gleichstrommotors M, welcher durch die Fahrzeugbatterie Vbat gespeist wird, angetrieben. Der Gleichstrommotor M wird mit- tels Schaltelementen Sl, S2, S3, S4 geeignet verschaltet, damit er in beiden Drehsinnen bedienbar ist. Dies kann z.B. mittels einer H-Brücke vorgenommen werden. Als Spannungsquel- Ie dient die Fahrzeugbatterie Vbat, welche in den meisten Fahrzeugen über einen positiven Anschluss auf 12 Volt verfügt, während der andere Anschluss auf Masse geschaltet ist.
Die Schaltelemente Sl, S2, S3, S4 sind aus Kostengründen normalerweise als Relais ausgebildet, zum Teil werden jedoch auch Transistoren, insbesondere FETs und MOSFETs verwendet. Um eine Fensterscheibe oder ein Schiebedach in eine Richtung zu kurbeln werden die Schaltelemente Sl und S2 eingeschaltet, während die Schaltelemente S3 und S4 ausgeschaltet bleiben.
Um die Fensterscheibe in die andere Richtung zu kurbeln, werden die Schaltelemente S3 und S4 eingeschaltet und die Schalter Sl und S2 ausgeschaltet.
Für eine Kontrolleinheit, welche eine Fensterscheibe eines
Fahrzeugs oder eine vergleichbare Vorrichtung steuert, ist es hilfreich über die Position der Fensterscheibe und/oder ein Hindernis, welches den Schließvorgang der Fensterscheibe blockiert, informiert zu werden. Eine der neuesten bekannten Technologien sowohl zur Messung der Position der Fensterscheibe, als auch zur Ermittlung eines Hindernisses basiert darauf, den Versorgungsstrom des Gleichstrommotors zu messen.
Die Kontrolleinheit sollte Informationen über allfällige Hin- dernisse erhalten, welche in einer Fensterscheibe oder in einem Schiebedach eingeklemmt werden. Solche Informationen sind in dem Versorgungsstrom des Gleichstrommotors enthalten. Wird ein Objekt durch die Fensterscheibe eingeklemmt, so erhöht sich der mittlere Versorgungsstrom für die in PKWs typischer- weise eingesetzten Gleichstrommotoren für Fensterheber auf etwa das doppelte bis dreifache. Ohne zusätzliche Maßnahmen erhöht sich der Versorgungsstrom jedoch im gleichen Ausmaß, wenn die Fensterscheibe den vollständig geschlossenen Zustand erreicht und durch den Fensterrahmen blockiert wird. Eine Kenntnis der momentanen Position der Fensterscheibe ermöglicht der Kontrolleinheit die Richtigen Entscheidungen zu treffen, z.B. den Gleichstrommotor abzustellen, falls der vollständig geschlossene Zustand erreicht worden ist oder das Fenster ein Stück weiter zu öffnen, falls der Versorgungsstrom eine bestimmte Schwelle überschreitet und gleichzeitig das Fenster den vollständig geschlossenen Zustand nicht er- reicht hat.
Eine Kenntnis der momentanen Position der Fensterscheibe kann ebenfalls mit Hilfe des Versorgungsstromes ermittelt werden. Aufgrund der Umschaltungen durch die Bürsten des Gleichstrom- motors oszilliert der Versorgungsstrom. Die Oszillationen nennt man Ripples . Für die in PKWs typischerweise eingesetzten Gleichstrommotoren für Fensterheber und eine Versorgungsspannung von Vbat=12 Volt beträgt der mittlere Strom während des stationären Betriebes (d.h. nicht während des Einschalt- oder Ausschaltvorganges oder wenn die Fensterscheibe durch ein Hindernis blockiert wird) etwa 5 Ampere. Die Ripples sind diesem überlagert und weisen typischerweise eine Amplitude von etwa 600 rtiA auf. Mit Hilfe einer Zählung der Ripples lässt sich verfolgen, in welcher Position sich eine Fenster- scheibe oder ein Schiebedach befindet. Der Vorteil liegt darin, dass keine Sensoren zur Positionsbestimmung der Fensterscheiben und außer den Stromversorgungskabeln für die Gleichstrommotoren keine weiteren Kabel zur Übertragung der Fensterposition verlegt werden müssen.
Der Versorgungsstrom eines Gleichstrommotors für einen Fensterheber oder eine vergleichbare Vorrichtung enthält also wertvolle Informationen, welche zur Steuerung des Fensterhebers verwendet werden können.
Da die Stromstärke zum Betreiben des Gleichstrommotors typischerweise mehrere Ampere beträgt, ist es sinnvoll, die Stromstärke mittels einer Messung eines Spannungsabfalls über einem von dem Versorgungsstrom durchflossenen niederohmigen Shunt zu messen. Um den Spannungsabfall über dem Shunt messen zu können, muss der Spannungsabfall normalerweise verstärkt werden. Messung und Verstärkung des Spannungsabfalls können vorgenommen werden, indem die Potentiale auf beiden Seiten des Shunts abgegriffen und in die Eingänge eines Differenzverstärkers eingespeist werden. Nicht zuletzt aus Kostengründen ist es von Vorteil für die Energieversorgung des Diffe- renzverstärkers diesen mit der Fahrzeugbatterie zu speisen. Das Potential am Ausgang eines Differenzverstärkers kann jedoch nur innerhalb des Bereichs der beiden Potentiale der E- nergieversorgung liegen. Für eine typische Autobatterie als Energieversorgung variiert daher das Ausgangssignal eines Differenzverstärkers zwischen 0 Volt und +12 Volt. Um trotzdem den Versorgungsstrom in beiden Richtungen messen zu können, sieht eine verbreitete und in Figur 2 dargestellte Lösung eine Schaltung mit zwei Shunts vor. Sind die Schaltelemente Sl und S2 geschlossen, so wird der Gleichstrommotor in einer Drehrichtung betrieben und der Versorgungsstrom kann mittels des Spannungsabfalls über dem Shunt SH2 ermittelt werden. Sind hingegen die Schaltelemente S3 und S4 geschlossen, so wird der Gleichstrommotor in der andern Drehrichtung betrieben und der Versorgungsstrom kann mittels des Span- nungsabfalls über dem Shunt SHl ermittelt werden.
Die zur Strommessung notwendigen Shunts sind keine Surface Mounted Devices, sondern Einzelbauteile, welche einzeln und meist in Handarbeit auf eine Printplatte aufgelötet werden müssen. Nachteilig an den bekannten Lösungen zur Messung des zeitlichen Verlaufs des Versorgungsstroms eines Gleichstrommotors ist daher der erhöhte Herstellungsaufwand, der erhöhte Platzbedarf von Shunts und Anschlussleitungen auf der Printplatte und ein erhöhter Energieverbrauch und eine erhöh- te Wärmeerzeugung.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Ermittlung von Ripples, z.B. eines automatischen Fensterhebers oder einer vergleichbaren Vorrich- tung, zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 bzw. 13 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft eine elektronische Schaltung zur Ermittlung von Ripples eines Gleichstrommotors, umfassend eine mit dem Gleichstrommotor verbindbare Schalteranordnung zum Betreiben des Gleichstrommotors in zwei Drehsinnen; - einen Shunt mit zwei Shuntanschlüssen und
- einen Differenzverstärker umfassend zwei Differenzverstärkereingänge und einen Differenzverstärkerausgang.
Dadurch dass - der Shunt und die Schalteranordnung so verbunden sind, dass der Shunt während des Betreibens des Gleichstrommotors in beiden Drehsinnen von einem Versorgungsstrom des Gleichstrommotors durchflössen ist; je ein Shuntanschluss mit je einem Differenzverstärkerein- gang verbunden ist;
- die elektronische Schaltung ein Offsetmittel umfasst, welches an den Differenzverstärker angeschlossen ist, können Ripples, z.B. eines automatischen Fensterhebers oder einer vergleichbaren Vorrichtung, kostengünstig ermittelt werden.
Unabhängig davon, in welchem Drehsinn der Gleichstrommotor betrieben wird und in welcher Richtung der Shunt von dem Versorgungsstrom des Gleichstrommotors durchflössen ist, durch eine geeignete Wahl des durch das Offsetmittel erzeugten Offsets auf dem Differenzverstärker und eine geeignete Wahl der Verstärkung des Spannungsabfalls über dem Shunt, kann der Differenzverstärker in einem Bereich betrieben werden, welcher stets ein Signal auf dem Differenzverstärkerausgang er- zeugt, welches innerhalb eines durch die Energiespeisung des Differenzverstärkers vorgegebenen Bereichs liegt. Insbesondere ist es dadurch möglich, den durch einen Versorgungsstrom des Gleichstrommotors hervorgerufenen Spannungsabfall über dem Shunt mittels nur eines Shunts und eines Differenzverstärkers zu messen, unabhängig davon, in welcher Richtung der Shunt von dem Versorgungsstrom durchflössen wird und unabhän- gig davon in welchem Drehsinn der Gleichstrommotor betrieben wird.
Weitere Vorteile der Erfindung sind ein geringer Bedarf an Leiterplattenfläche, ein geringer Herstellungsaufwand, ein reduzierter Energieverbrauch und eine reduzierte Wärmeerzeugung.
Die folgenden Vorteile können sich anhand der abhängigen Ansprüche zusätzlich ergeben:
Dadurch dass
- die elektronische Schaltung einen ersten Spannungsquellen- anschluss mit mindestens zwei Polanschlüssen zur Stromversorgung des Gleichstrommotors und - der Differenzverstärker einen zweiten Spannungsquellenan- schluss mit mindestens zwei Polanschlüssen umfasst und der zweite Spannungsquellenanschluss mit dem ersten Span- nungsquellenanschluss verbunden oder verbindbar ist, werden keine weiteren Mittel, wie zum Beispiel eine separate Spannungsquelle, benötigt um die Energieversorgung des Differenzverstärkers zu gewährleisten. Die Energieversorgung des Differenzverstärkers kann dann beispielsweise direkt durch die Energieversorgung des Gleichstrommotors vorgenommen werden.
Dadurch dass, der Shunt und die Schalteranordnung so verbunden sind, dass der Shunt in einem ausgeschalteten Zustand des Gleichstrommotors von einem durch den Gleichstrommotor induzierten Leer- laufstrom durchflössen ist, können Ripples auch gemessen werden, wenn der Gleichstrommotor ausgeschaltet ist. Ansonsten müsste ein anderes Mittel vorgesehen werden, beispielsweise ein Mittel, welches die Bewegung eines Fensters oder Schiebedaches unmittelbar beim Ausschalten blockiert.
Dadurch, dass der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers über das erste Widerstandselement mit einem der zwei Differenzverstärkereingänge verbunden ist;
- der invertierende Eingang des Operationsverstärkers über das zweite Widerstandselement mit dem andern der zwei Differenzverstärkereingänge verbunden ist; der Operationsverstärker über das dritte Widerstandselement auf den invertierenden Eingang zurückgekoppelt ist; der nicht-invertierende Eingang über das vierte Wider- Standselement mit dem Offsetmittel verbunden ist, wird ein einfacher und kostengünstiger Differenzverstärker ermöglicht, an welchen ein Offsetmittel angeschlossen ist. In diesem Fall kann als Offsetmittel jede ausreichend stabile Gleichspannungsquelle dienen.
Ein Vorteil der Erzeugung eines Offsets auf dem Differenzverstärker mittels eines Spannungsfolgers liegt in der tiefen Ausgangsimpedanz von Spannungsfolgern. Dadurch kann das Widerstandselement als mit einer virtuellen Masse mit einem Re- ferenzpotential gegenüber der echten Masse angesehen werden. Solange der Operationsverstärker nicht im gesättigten Bereich betrieben wird, wird damit der Arbeitspunkt der Eingänge des Operationsverstärkers bei dem Referenzpotential fixiert.
Dadurch, dass der Spannungsfolger einen dritten Spannungsquellenanschluss mit mindestens zwei Polanschlüssen umfasst, wobei der dritte Spannungsquellenanschluss mit dem ersten Spannungsquellenanschluss und/oder mit dem zweiten Spannungsquellenanschluss verbindbar oder verbunden ist, werden keine weiteren Mittel, wie zum Beispiel eine separate Spannungsquelle, benötigt um die Energieversorgung des Span- nungsfolgers zu gewährleisten. Der Spannungsfolger kann beispielsweise direkt durch die Autobatterie mit Energie gespeist werden.
Dadurch, dass die elektronische Schaltung ein fünftes Widerstandselement und ein sechstes Widerstandselement umfasst, welche in Serie mit einem vierten Spannungsquellenanschluss mit mindestens zwei Polanschlüssen verschaltet sind und - der nicht-invertierende Eingang des Spannungsfolgers mit einer Leitung verbunden ist, über welche das fünfte Widerstandselement und das sechste Widerstandselement miteinander verbunden sind, kann an den Eingang des Spannungsfolgers auf einfache Weise ein konstantes Potential angelegt werden. Der vierte Spannungsquellenanschluss kann z.B. zum Anschließen an eine Autobatterie vorgesehen sein. Die elektronische Schaltung kann jedoch zusätzlich einen Spannungsstabilisierer umfassen, welcher z.B. mit dem vierten und/oder dem fünften Widerstands- element verbunden ist. Dadurch wird eine hohe Stabilität am Ausgang des Spannungsfolgers und somit ein stabiler Offset auf dem Differenzverstärker erzielt.
Dadurch dass, der Differenzverstärker ein linearer Differenzverstärker ist, ist das Ausgangssignal des Differenzverstärkers einfacher verarbeitbar .
Dadurch dass, - die elektronische Schaltung einen Analog-Digital-Wandler, welcher an den Differenzverstärkerausgang angeschlossen ist, umfasst und einen MikroController, welcher an den Analog-Digital- Wandler angeschlossen ist oder welcher den Analog-Digital- Wandler umfasst, kann das Ausgangssignal des Differenzverstärkers digital weiterbearbeitet werden. Z.B. können Ripples gezählt werden und Anweisungen, wie z.B. das Abstellen des Gleichstrommotors o- der das Betreiben des Gleichstrommotors in entgegengesetzter Richtung angewiesen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild eines elektrischen Fensterhebers, respektive eines elektrischen Schiebedachs gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 eine Schaltungsanordnung mit zwei Shunts gemäß dem Stand der Technik,
Figur 3 eine elektronische Schaltung in einer Ausführungsform,
Figur 4 eine elektronische Schaltung, in einer vierten Ausführungsform, welche Ausgangsbasis einer Simulation ist,
Figur 5 einen zeitlichen Verlauf eines elektrischen Stroms, welcher einem realen Fensterheber entstammt und
Figur 6 ein Ausgangssignal am Differenzverstärkerausgang OUT in Volt V.
Figur 3 zeigt eine elektronische Schaltung ES zur Ermittlung von Ripples eines Gleichstrommotors M in einer ersten Ausfüh- rungsform. Die elektronische Schaltung ES umfasst eine mit dem Gleichstrommotor M verbindbare Schalteranordnung Sl, S2, S3, S4 zum Betreiben des Gleichstrommotors M in zwei Drehsinnen; einen Shunt SH mit zwei Shuntanschlüssen; - einen Differenzverstärker DV umfassend zwei Differenzverstärkereingänge DI und einen Differenzverstärkerausgang OUT. Der Shunt SH und die Schalteranordnung Sl, S2, S3, S4 sind so verbunden, dass der Shunt SH während des Betreibens des Gleichstrommotors M in beiden Drehsinnen von einem Versor- gungsstrom des Gleichstrommotors M durchflössen ist. Dazu ist der Shunt in Serie zwei Motoranschlüssen mal, ma2 verbunden. Je ein Shuntanschluss ist mit je einem Differenzverstärkereingang DI verbunden. Die elektronische Schaltung ES umfasst ein Offsetmittel SF, welches an den Differenzverstärker DV angeschlossen ist.
Die Schaltung weist eine Motoranschlussanordnung mal, ma2 auf, an welche der Gleichstrommotor M anschließbar ist. Der Shunt SH ist in einer H-Brücke in Serie zu der Motoran- Schlussanordnung mal, ma2 angeordnet sodass, falls ein angeschlossener Gleichstrommotor M von einem Versorgungsstrom durchflössen ist, der Shunt SH ebenfalls von dem Versorgungsstrom durchflössen ist.
Die in einer H-Brücke angeordnete Schalteranordnung Sl, S2, S3, S4 umfasst vier Relais Sl, S2, S3, S4. Über die Relais Sl, S4 ist die H-Brücke mit einem Polanschluss pl eines ersten Spannungsquellenanschlusses verbunden. Über die Relais S2 und S3 ist die H-Brücke mit einem Polanschluss GND, welcher zur Verbindung mit der Masse GND vorgesehen ist, verbunden. Ein Gleichstrommotor M ist in der H-Brücke so angeordnet, dass der Gleichstrommotor durch ein Einschalten der beiden Relais Sl, S2 und ein Ausschalten der beiden andern Relais S3, S4 in einem ersten Drehsinn betreibbar ist. Durch ein Ausschalten der beiden Relais Sl, S2 und ein Einschalten der beiden andern Relais S3, S4 ist der Gleichstrommotor in dem andern Drehsinn betreibbar.
Anstelle der vier Relais Sl, S2, S3, S4 können auch andere Schaltelemente, wie z. B. Transistoren, insbesondere Feldeffekttransistoren oder MOSFETs eingesetzt werden. Der ausgeschaltete Zustand des Gleichstrommotors M ist vorzugsweise durch den ausgeschalteten Zustand der Relais Sl, S4 und den eingeschalteten Zustand der Relais S2 und S3 gegeben, um zu gewährleisten, dass auch ein unmittelbar nach dem Aus- schalten des Gleichstrommotors M induzierter Leerlaufström durch den Shunt SH fließt.
Ein Spannungsabfall über dem Shunt SH ist durch einen Differenzverstärker DV abgreifbar. In dem vorliegenden Ausfüh- rungsbeispiel umfasst der Differenzverstärker DV einen Operationsverstärker OPl und vier Widerstandselemente Rl, R2, R3, R4. Der Operationsverstärker OPl umfasst einen nicht- invertierenden Eingang +, welcher via einem ersten Widerstandselement Rl mit einem Anschluss des Shunts SH verbunden ist, und einen invertierenden Eingang -, welcher via einem zweiten Widerstandselement R2 mit dem andern Anschluss des Shunts SH verbunden ist. Der Ausgang OUT des Operationsverstärkers OPl ist via einem dritten Widerstandselement R3 mit dem invertierenden Eingang - des Operationsverstärkers OPl verbunden, wodurch eine negative Rückkopplung hergestellt ist. Der nicht-invertierende Eingang + ist über das Widerstandselement R4 mit dem Ausgang eines Spannungsfolgers SF verbunden, wobei der Eingang + des Spannungsfolgers SF für das Anlegen eines konstanten Potentials vorgesehen ist. Der Differenzverstärker verfügt über einen zweiten Spannungsquel- lenanschluss, welcher zwei Polanschlüsse (p2, GND) umfasst.
Der Spannungsfolger SF umfasst einen zweiten Operationsverstärker 0P2, dessen Ausgangssignal auf den invertierenden Eingang - des zweiten Operationsverstärkers 0P2 zurückgekoppelt ist. Der nicht-invertierende Eingang + des zweiten Operationsverstärkers 0P2 bildet den Eingang des Spannungsfolgers SF. Der Spannungsfolger umfasst einen dritten Spannungs- quellenanschluss mit zwei Polanschlüssen (p3, GND) .
Zur Herstellung des konstanten Potentials am Eingang des Spannungsfolgers SF ist ein fünftes Widerstandselement R5 und ein sechstes Widerstandselement R6 vorgesehen, welche in Serie geschaltetes bezüglich eines vierten Spannungsquellenanschlusses mit zwei Anschlusspolen.
In einer ersten Ausführungsform sind der erste Spannungsquellenanschluss, der zweite Spannungsquellenanschluss und der dritte Spannungsquellenanschluss miteinander verbunden oder miteinander verbindbar. Dadurch kann der Gleichstrommotor M, der Differenzverstärker DV und der Spannungsfolger SF durch eine einzige Spannungsquelle, vorzugsweise eine Autobatterie mit Energie versorgt werden. Für den vierten Spannungsquellenanschluss p4, GND kann eine besonders konstante Gleichspannungsquelle vorgesehen werden, wodurch eine hohe Konstanz des Offsets erzielt wird. Dies kann beispielsweise durch ei- nen Spannungsregler vorgenommen werden, welcher in den durch das fünfte und das sechste Widerstandselement R5, R6 gebildeten Schaltkreis integriert ist. Dadurch wird in einer weiteren Ausführungsform selbst durch den Anschluss des vierten Spannungsquellenanschlusses p4, GND an die Autobatterie Vbat ein sehr stabiler Offset auf dem Differenzverstärkerausgang erzielt .
In einer zweiten Ausführungsform sind der erste Spannungsquellenanschluss, der zweite Spannungsquellenanschluss, der dritte Spannungsquellenanschluss und der vierte Spannungsquellenanschluss miteinander verbunden. Dadurch kann die Schaltung noch kostengünstiger hergestellt werden. Beim Einbau der Schaltung in ein Fahrzeug muss zudem nur ein Spannungsquellenanschluss an eine Fahrzeugbatterie angeschlossen werden.
In weiteren Ausführungsformen sind der erste bis vierte Spannungsquellenanschluss in beliebigen Kombinationen miteinander verbunden, respektive nicht verbunden.
Der Vorteil der Erzeugung eines Offsets auf dem Differenzverstärker DV mittels eines Spannungsfolgers SF liegt in der tiefen Ausgangsimpedanz von Spannungsfolgern. Dadurch kann das Widerstandselement R4 als mit einer virtuellen Masse mit einem Referenzpotential gegenüber der echten Masse GND angesehen werden. Solange der Operationsverstärker nicht im ge- sättigten Bereich betrieben wird, wird damit der Arbeitspunkt der Eingänge +, - des Operationsverstärkers OPl bei dem Referenzpotential fixiert dies, obwohl die Eingänge des Operationsverstärkers OPl via Rl und R2 mit einem andern Potential verbunden sind.
In einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist der Differenzverstärker ein linearer Differenzverstärker. Dies ist dann der Fall, wenn das Verhältnis der elektrischen Widerstände des vierten Widerstandselementes R4 zu dem elektri- sehen Widerstand des ersten Widerstandselementes Rl gleich dem Verhältnis der elektrischen Widerstände des dritten Widerstandselementes R3 zu dem elektrischen Widerstand des zweiten Widerstandselementes R2 ist (R4/Rl=R3/R2) .
Figur 4 zeigt eine elektronische Schaltungsanordnung, in einer vierten Ausführungsform, welche Ausgangsbasis einer Simulation ist. An die elektronische Schaltung ist ein Gleichstrommotor M und eine Spannungsquelle Vbat angeschlossen. In der Simulation wurden diese durch eine stückweise lineare Stromquelle ersetzt, welche Ströme erzeugt, welche einem realen Fensterheber entstammen. Die elektrischen Widerstände der Widerstandselemente Rl, R2, R3, R4, R5, R6 betragen: R1=R2=R5=R6=1KΩ, R3=R4=8.1KΩ. Der elektrische Widerstand des Shunts beträgt 10 Milliohm. Für einzelne Widerstandselemente R3, R4 wurden kapazitive Effekte berücksichtigt. Die Kapazitäten betragen für beide Widerstandselemente R3, R4 5.6 nF. Für die Kapazitäten und die elektrischen Widerstände sind Herstellungstoleranzen in Prozent % notiert. Der Spannungs- folger SF liegt mit seinem Eingang an einem konstanten Poten- tial von 2.5 Volt an. Figur 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf eines stückweise linearen elektrischen Stroms, welcher einem realen Fensterheber entstammt, in Ampere A. Beim Einschalten des Gleichstrommotors M steigt der elektrische Strom auf 20 Ampere an. Während des stationären Betriebes pendelt sich der Strom bei etwa 7 Ampere ein. Beim Ausschalten des Gleichstrommotors M entsteht ein Leerlaufsstrom in entgegengesetzter Richtung von etwa -15 Ampere. Während des Betriebes des Gleichstrommotors M sind die Ripples erkennbar.
Figur 6 zeigt das Ausgangssignal am Differenzverstärkerausgang OUT in Volt V für die in Figur 4 verwendeten Nominalwerte der elektronischen Komponenten und die in Figur 5 dargestellte stückweise lineare Spannungsquelle, welche den Gleichstrommotor M und die Spannungsquelle Vbat des Gleichstrommotors ersetzt. Das Ausgangssignal wurde mittels einer Monte-Carlo-Analyse ermittelt. Der elektrische Strom durch den Shunt SH und den Gleichstrommotor M ist über den gesamten zeitlichen Verlauf anhand des Ausgangssignals ablesbar, ins- besondere auch für den Leerlaufström, welcher ebenfalls eine positive Spannung von etwas mehr als einem Volt auf dem Differenzverstärkerausgang erzeugt. Ebenso sind die Ripples erkennbar. Der Offset beträgt 2.5 Volt.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronische Schaltung (ES) zur Ermittlung von Ripples eines Gleichstrommotors (M) , umfassend eine mit dem Gleichstrommotor (M) verbindbare Schalteran- Ordnung (Sl, S2, S3, S4) zum Betreiben des Gleichstrommotors (M) in zwei Drehsinnen; einen Shunt (SH) mit zwei Shuntanschlüssen; einen Differenzverstärker (DV) umfassend zwei Differenzverstärkereingänge (DI) und einen Differenzverstärkeraus- gang (OUT) , dadurch gekennzeichnet, dass
- der Shunt (SH) und die Schalteranordnung (Sl, S2, S3, S4) so verbunden sind, dass der Shunt (SH) während des Betreibens des Gleichstrommotors (M) in beiden Drehsinnen von einem Versorgungsstrom des Gleichstrommotors (M) durchflössen ist; je ein Shuntanschluss mit je einem Differenzverstärkereingang (DI) verbunden ist; die elektronische Schaltung (ES) ein Offsetmittel (SF) um- fasst, welches an den Differenzverstärker (DV) angeschlossen ist.
2. Elektronische Schaltung (ES) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die elektronische Schaltung (ES) einen ersten Spannungs- quellenanschluss mit mindestens zwei Polanschlüssen (pl, GND) zur Stromversorgung des Gleichstrommotors und der Differenzverstärker (DV) einen zweiten Spannungsquel- lenanschluss mit mindestens zwei Polanschlüssen (p2, GND) umfasst und der zweite Spannungsquellenanschluss mit dem ersten Span- nungsquellenanschluss verbunden oder verbindbar ist.
3 . Elektronische Schaltung (ES ) nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Shunt (SH) und die Schalteranordnung (Sl, S2, S3, S4) so verbunden sind, dass der Shunt (SH) in einem ausgeschalteten Zustand des Gleichstrommotors (M) von einem durch den Gleichstrommotor (M) induzierten Leerlaufström durchflössen ist.
4. Elektronische Schaltung (ES) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (DV) einen Operationsverstärker (OPl), ein erstes Widerstandselement (Rl) , ein zweites Widerstandselement (R2), ein drittes Widerstandselement (R3) und ein viertes Widerstandselement (R4) umfasst, wobei
- der nicht-invertierende Eingang (+) des Operationsverstärkers (OPl) über das erste Widerstandselement (Rl) mit einem der zwei Differenzverstärkereingänge (DI) verbunden ist; der invertierende Eingang (-) des Operationsverstärkers (OPl) über das zweite Widerstandselement (R2) mit dem andern der zwei Differenzverstärkereingänge (DI) verbunden ist; der Operationsverstärker (OPl) über das dritte Widerstandselement (R3) auf den invertierenden Eingang (-) zu- rückgekoppelt ist;
- der nicht-invertierende Eingang (+) über das vierte Widerstandselement (R4) mit dem Offsetmittel (SF) verbunden ist.
5. Elektronische Schaltung (ES) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Offsetmittel (SF) eine konstante Spannungsquelle umfasst.
6. Elektronische Schaltung (ES) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Offsetmittel (SF) einen Spannungsfolger (SF) umfasst, wobei der Spannungsfolger (SF) vorzugsweise einen zweiten Ope- rationsverstärker (0P2) umfasst, dessen Ausgang auf den invertierenden Eingang (-) des zweiten Operationsverstärkers (0P2) zurückgekoppelt ist.
7 . Elektronische Schaltung (ES ) nach Anspruch 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Spannungsfolger (SF) einen dritten Spannungsquellenan- Schluss mit mindestens zwei Polanschlüssen (p3, GND) umfasst, wobei der dritte Spannungsquellenanschluss mit dem ersten Spannungsquellenanschluss und/oder mit dem zweiten Spannungsquellenanschluss verbindbar oder verbunden ist.
8. Elektronische Schaltung (ES) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (ES) ein fünftes Widerstandselement (R5) und ein sechstes Widerstandselement (R6) um- fasst, welche in Serie mit einem vierten Spannungsquellen- anschluss mit mindestens zwei Polanschlüssen (p4, GND) verschaltet sind und
- der nicht-invertierende (+) Eingang des Spannungsfolgers (SF) mit einer Leitung verbunden ist, über welche das fünfte Widerstandselement (R5) und das sechste Wider- Standselement (R6) miteinander verbunden sind.
9. Elektronische Schaltung (ES) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzverstärker (DV) ein linearer Differenzverstärker (DV) ist.
10. Elektronische Schaltung (ES) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteranordnung eine H-Brücke umfasst.
11. Elektronische Schaltung (ES) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (ES) einen Analog-Digital- Wandler, welcher an den Differenzverstärkerausgang (OUT) angeschlossen ist, umfasst und einen MikroController, welcher an den Analog-Digital- Wandler angeschlossen ist oder welcher den Analog-Digital- Wandler umfasst.
12. Elektronische Schaltung (ES) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (ES) den Gleichstrommotor (M) umfasst .
13. Vorrichtung zum automatischen Öffnen und Schliessen ei- nes Fensters oder Schiebedachs umfassend die elektronische
Schaltung (ES) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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