DE10028036A1

DE10028036A1 - Verfahren zum Bestimmen der Drehstellung der Antriebswelle eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE10028036A1
Application number: DE10028036A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lutter; Thomas Friedrich
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2001-12-13

Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen der Drehstellung der Antriebswelle eines Gleichstrommotors durch Auswerten der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel ist dadurch bestimmt, daß DOLLAR A È bei einem Betrieb des Gleichstrommotors eine Periode eines Referenzstromrippels bereitgestellt wird, DOLLAR A È die Periode des Referenzstromrippels mit der Periode von jedem bei einem Betrieb des Gleichstrommotors erfaßten Stromrippel verglichen wird und DOLLAR A È für den Fall, daß eine hinreichende Übereinstimmung der Perioden zwischen der Periode des Referenzstromrippels und derjenigen eines erfaßten Stromrippels nicht feststellbar ist, eine Korrektur der nicht hinreichend übereinstimmenden Perioden des Stromrippelsignals in Bezug auf diejenige des Referenzstromrippels erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Drehstellung der Antriebswelle eines Gleichstrommotors durch Auswerten der im Anker stromsignal enthaltenen Stromrippel.

Das Ankerstromsignal eines Gleichstrommotors umfaßt einen sogenann ten Gleichanteil sowie einen den Gleichanteil überlagernden Wechselan teil. Der Wechselanteil entsteht bei einem Betrieb des Gleichstrommotors infolge des Zusammenwirkens von Magnet (Feld), Ankerwicklung und Kommutator des Gleichstrommotors. Dies äußert sich in einer kurzzeitigen Änderung der induzierten Spannung, woraus sich die Welligkeit des An kerstromsignals ergibt. Die in dem Ankerstromsignal enthaltenen Strom spitzen - im folgenden Stromrippel genannt - treten bei einer Umdrehung des Ankers in einer der Anzahl der Kollektorlamellen entsprechenden Häufigkeit auf. Weist beispielsweise der Anker 10 Kollektorlamellen auf, sind im Ankerstromsignal entsprechend 10 Stromrippel zu erkennen. Eine Zählung der Stromrippel kann somit Aufschluß über die aktuelle Drehstel lung des Ankers des Gleichstrommotors und somit bezüglich des ange triebenen Elements innerhalb seiner vorbestimmten Bewegungsstrecke geben. Zu diesem Zweck wird das analoge Ankerstromsignal digitalisiert, um eine entsprechende Zählung vornehmen zu können.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 195 11 307 C1 be kannt. Damit das Ankerstromsignal überlagernde Störimpulse nicht mit in die Auswertung einer Stromrippelzählung gelangen, wird üblicherweise das analoge Ankerstromsignal vor seiner Digitalisierung entsprechend aufbereitet, beispielsweise einer Frequenzfilterung unterzogen. Diese vor bekannte und auch weitere Maßnahmen dienen dazu, ein möglichst Stör impuls freies Stromrippelsignal der Digitalisierung und anschließenden Zählauswertung zuführen zu können. Als Störimpulse sind in diesem Zu sammenhang nicht Kommutator bedingte Impulse angesprochen, die das Ankerstromsignal überlagern.

Bei einem Betrieb eines Gleichstrommotors, insbesondere unter Last kann es jedoch vorkommen, daß die im Ankerstromsignal enthaltenen Strom rippel verzerrt auftreten, wobei sich eine solche Verzerrung durch zwei Stromspitzen bemerkbar macht. Im Zuge der Digitalisierung eines solchen Ankerstromsignales werden anstatt einer Stromspitze durch eine solche Verzerrung an dieser Position zwei Stromrippel als Stromrippelsignal auf gezeichnet. Eine Zählung dieser Doppelrippel führt jedoch zu einer fehler haften Positionsbestimmung des angetriebenen Elements. Entsprechen des gilt für das Ausbleiben bzw. Nichtdetektieren eines Stromrippels. Die se Fehler sind Kommutator bedingt und somit nicht ohne weiteres durch eine Aufbereitung des analogen Ankerstromsignales eliminierbar.

Eingesetzt werden derartige Verfahren beispielsweise im Kraftfahrzeugbe reich zum Steuern eines Verstellantriebes, wie sie beispielsweise für Fen sterheber und/oder Schiebedächer vorgesehen sind. Ein wesentliches Element in der Erfassung der Position beispielsweise der Scheibe ist die jenige beim Schließen derselben, bei der der Einklemmschutz abge schaltet werden kann. Eine solche Abschaltung ist notwendig, damit die Scheibe vollständig in ihren oberen Block und in die dort vorgesehenen Dichtungen einfahren kann, ohne daß infolge der erhöhten Last eine Mo torabschaltung erfolgt. Bei einer fehlerhaften Zählung der Stromrippel zur Bestimmung der Position der Scheibe kann es vorkommen, daß der Ein klemmschutz zu früh oder zu spät abgeschaltet wird.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes, gattungsgemäßes Verfahren dergestalt weiterzubilden, damit eine exakte Stromrippelzahlung auch dann gewährleistet ist, wenn ein in dem Ankerstromsignal ent haltener Stromrippel verzerrt ist oder ausbleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

- bei einem Betrieb des Gleichstrommotors eine Periode eines Referenz stromrippels bereitgestellt wird,
- die Periode des Referenzstromrippels mit der Periode von jedem bei einem Betrieb des Gleichstrommotors erfaßten Stromrippel verglichen wird und
- für den Fall, daß eine hinreichende Übereinstimmung der Perioden zwi schen der Periode des Referenzstromrippels und derjenigen eines er faßten Stromrippels nicht feststellbar ist, eine Korrektur der nicht hinrei chend übereinstimmenden Perioden des Stromrippelsignals in Bezug auf diejenige des Referenzstromrippels erfolgt.

Beim Gegenstand des beanspruchten Verfahrens ist vorgesehen, daß die bei einem Betrieb des Gleichstrommotors erfaßten Stromrippel im Strom rippelsignal bezüglich ihrer Periode mit der Periode eines Referenzstrom rippels verglichen werden. Bei dem Referenzstromrippel wird vorausge setzt, daß dessen Periode hinreichend genau der durch die Erfassung der Stromrippel im Ankerstromsignal des Gleichstrommotors bzw. der daraus ermittelten Periode entspricht. Ein Vergleich der Periode des Referenz stromrippels mit der Periode von jedem tatsächlich erfaßten Stromrippel im Stromrippelsignal führt zu einer Korrektur einer solchen Periode im Stromrippelsignal, bei dem eine hinreichende Übereinstimmung mit der Periode des Referenzstromrippels nicht festgestellt werden kann.

Der Gegenstand der Erfindung geht von der Prämisse aus, daß eine sprunghafte Änderung der Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors, etwa eine Verdopplung oder eine Halbierung ausgedrückt in der entspre chend halbierten bzw. verdoppelten Periode verglichen mit der Periode des Referenzstromrippels aufgrund des Trägheitsmomentes der bewegli chen Teile des Gleichstrommotors nicht möglich ist. Kommutator bedingte, fehlerhafte bzw. verzerrte Stromrippel zeigen anstelle eines erwarteten Maximums im analogen Ankerstromsignal zwei Maxima. Die Detektion etwa einer sprunghaften Halbierung der Periode bei einem Stromrippel gegenüber der Periode des Referenzstromrippels oder auch der Periode eines vorangegangenen Stromrippels erlaubt daher die Schlußfolgerung, daß es sich bei dieser Periodenhalbierung nicht etwa um eine sprunghafte Verdopplung der Drehgeschwindigkeit des Gleichstrommotors sondern um einen verzerrten Stromrippel handelt. Entsprechend erfolgt eine Kor rektur der Anzahl der als fehlerhaft erkannten Perioden der Stromrippel des Stromrippelsignals.

Die Periode des Referenzstromrippels wird zweckmäßigerweise aus der sich aus den aktuellen, am Gleichstrommotor anliegenden Strom- und Spannungswerten ergebenden Drehzahl des Ankers ermittelt. Da sich fehlerhafte Perioden entweder durch eine Verdopplung oder Halbierung gegenüber der Periode des Referenzstromrippels bemerkbar machen, können diejenigen Faktoren, die neben den Strom- bzw. Spannungswer ten die tatsächliche Drehzahl des Ankers des Gleichstrommotors beein flussen, beispielsweise die Motorinduktivität oder Temperatureinflüsse grundsätzlich vernachlässigt werden, da sich diese Größen nicht in einem solchen Ausmaß bemerkbar machen, daß die aus der ermittelten Dreh zahl berechnete Periode des Referenzstromrippels um den Faktor 2 falsch wäre. Zweckmäßig ist es jedoch, die Periode des Referenzstromrippels mit einem Toleranzbereich auszustatten, wobei dieser Toleranzbereich sehr viel kleiner ist als die ermittelte Periode des Referenzstromrippels. Die Periode des Referenzstromrippels - mit oder auch ohne einen vorge sehenen Toleranzbereich - kann ferner in Abhängigkeit an die tatsächlich erfaßte Periode der einzelnen Stromrippel angepaßt werden, so daß auf diese Weise auch eine Berücksichtigung der weiteren, die Drehzahl des Ankers beeinflussenden Faktoren in der Bereitstellung der Periode des Referenzstromrippels berücksichtigt ist. Auf diese Weise ist ein selbstler nendes und sich quasi selbst eichendes System bereitgestellt.

Durch den Vergleich der Periode eines Referenzstromrippels mit jeder Periode der im Stromrippelsignal enthaltenen Stromrippel erfolgt eine Kor rektur jeder als fehlerhaft erkannten Periode, ohne daß eine Mittelung ei ner Periode über eine gewisse Zeitspanne hinweg nötig wäre. Korrigiert wird somit bei dem Verfahren der beanspruchten Erfindung das Stromrip pelsignal in seiner kleinsten Einheit, nämlich der Periode eines jeden Stromrippels. Dies hat zur Folge, daß eine Bestimmung der Drehstellung der Antriebswelle des Gleichstrommotors in einem der Periode des Refe renzstromrippels entsprechendem Takt erfolgen kann.

Eine Korrektur der Anzahl der als fehlerhaft erkannten Perioden der Stromrippel des Stromrippelsignals erfolgt bei Auftreten einer verzerrten Stromrippel etwa dadurch, daß in dem Stromrippelsignal zwei Stromrippel anstelle eines einzigen enthalten sind, ist die ermittelte Periode entspre chend halbiert gegenüber der Periode des Referenzstromrippels; entspre chend erfolgt eine Korrektur dahingehend, daß die Anzahl der ermittelten Stromrippel mit halbierter Periode durch den Faktor 2 geteilt wird.

Entsprechend umgekehrt wird verfahren, wenn durch eine scheinbare Verschmelzung von zwei Stromrippeln die im Stromrippelsignal wiederge gebene Periode beispielsweise verdoppelt ist. Zur Korrektur dieses Feh lers wird die Anzahl derartiger Perioden verdoppelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Einsatz im Rahmen einer Positionserkennung einer Verstelleinrichtung zum Öff nen und Schließen einer Fensterscheibe, eines Schiebedaches oder zum Verstellen eines Sitzes in einem Kraftfahrzeug. Eine Positionsbestim mung, beispielsweise der Scheibe kann dann mit hinreichender Genauig keit allein durch Auswerten des Stromrippelsignals ohne einen Einsatz zusätzlicher Sensoren durchgeführt werden.

Schematisiert ist in Fig. 1 ein Diagramm mit einem analogen Anker stromsignal und darin enthaltenen Stromrippeln sowie das gemäß einem vorbekannten Verfahren daraus abgeleitete digitalisierte Stromrippelsignal wiedergegeben. In der Darstellung sind im ersten Teilabschnitt solche Stromrippel dargestellt, die unverfälscht sind und als Referenzstromrippel dienen könnten. Im daran anschließenden, rechten Teilabschnitt sind in der analogen Ankerstromkurve solche Stromrippel gezeigt, die verzerrt sind und somit in dem digitalisierten Stromrippelsignal als sogenannte Doppelrippel wiedergegeben sind.

Fig. 2 zeigt schematisiert den Verlauf der digitalisierten Stromrippelkurve vor einer Korrektur und nach Durchführen der erfindungsgemäßen Kor rektur. Die untere, als korrigiert bezeichnete Kurve, stellt eine Rekonstruk tion des korrigierten Stromrippelsignals dar. Tatsächlich erfolgt bei der Korrektur lediglich eine Impulszählung, so daß die als korrigiert bezeich nete Kurve die Resultierende des Korrekturverfahrens ist. Es wird deut lich, daß ohne eine Korrektur durch Zählen der Stromrippel auf eine Positionsänderung des von dem Gleichstrommotor angetriebenen Elements entsprechend dem Drehwinkelbetrag von 10 Kollektorlamellen bewegt worden ist. Tatsächlich ist das angetriebene Element jedoch lediglich ei nem Drehwinkelbetrag entsprechend 7 Kollektorlamellen bewegt worden.

Zur weiteren Erläuterung des beanspruchten Verfahrens sei auf das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel verwiesen. Fig. 3 zeigt als Block schaltbild eine Anordnung zum Durchführen des beanspruchten Verfah rens. Zur Bestimmung der Drehstellung des Ankers eines Gleichstrom motors 1 wird das Ankerstromsignal des Gleichstrommotors 1 erfaßt und zur Eliminierung möglicher Störimpulse einer Signalaufbereitung in einem Signalaufbereitungsglied 2 unterzogen. Zur Signalaufbereitung können unterschiedliche und auch mehrere Signalverarbeitungsschritte, bei spielsweise eine Tiefpassfilterung vorgesehen sein. Das aufbereitete An kerstromsignal beaufschlagt einen A/D-Wandler 3 zum Digitalisieren des analog vorliegenden Ankerstromsignales. Gleichzeitig liegen am Eingang eines Berechnungsgliedes 4 die aktuellen Strom- und Spannungswerte an. Das Berechnungsglied 4 dient zum Bereitstellen der Periode eines Referenzstromrippels, die ermittelt wird aus den eingangsseitig am Be rechnungsglied 4 anliegenden Werten und der sich daraus ergebenden Drehzahl. Zusätzlich wird die auf diese Weise berechnete Periode mit ei nem vorbestimmten Toleranzbereich ausgestattet, der sehr viel kleiner ist als die berechnete Periode. Ein Komparator 5 ist eingangsseitig beauf schlagt sowohl mit dem Ausgangssignal des A/D-Wandlers 3 als auch von der durch das Berechnungsglied 4 ermittelten Referenzperiode. Der Kom perator 5 führt durch einen Vergleich zwischen der Periode des Referenz stromrippels und der aus dem Ankerstromsignal bezüglich einer Stromrip pel abgeleiteten Periode. Bei einer hinreichenden Übereinstimmung der beiden Perioden wird die tatsächlich erfaßte Periode einem Stromrip pelzähler 6 zugeführt. Bei nicht hinreichender Übereinstimmung der bei den zu vergleichenden Perioden erfolgt eine Korrektur der tatsächlich er faßten im Hinblick auf die durch das Berechnungsglied als Referenzgröße zur Verfügung gestellte Periode, bevor diese anschließend korrigierte Pe riode den Stromrippelzähler 6 beaufschlagt. Der Ausgang des Stromrip pelzählers 6 beaufschlagt den Eingang eines nicht näher dargestellten Auswertegliedes zur Bestimmung der Drehstellung des Ankers des Gleichstrommotors.

Das am Ausgang des Komperators 5 anliegende Signal beaufschlagt fer ner einen weiteren Eingang des Berechnungsgliedes 4, damit in die Be rechnung und Bereitstellung des Referenzstromrippels auch die Periode - gegebenenfalls korrigiert - des vorangegangenen berücksichtigt werden kann. Auf diese Weise ist das in Fig. 3 dargestellte System selbstlernend und im Hinblick auf sich ändernde Einflüsse adaptiv ausgestaltet. Insbe sondere kann bei diesem Abgleich mit den tatsächlichen Perioden der Toleranzbereich der Referenzperiode sehr klein ausgebildet sein.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Elemente Vorrichtungs bezogen dargestellt. Das in dieser Figur darge stellte Blockschaltbild kann jedoch auch als Flußdiagramm gelesen wer den, woraus deutlich wird, daß die einzelnen Verfahrensschritte auch softwareseitig realisiert sein können.

Zusammenstellung der Bezugszeichen

1

Motor

2

Signalaufbereitungsglied

3

A/D-Wandler

4

Berechnungsglied

5

Komperator

6

Stromrippelzähler

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Drehstellung der Antriebswelle ei nes Gleichstrommotors durch Auswerten der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel, dadurch gekennzeichnet, daß
bei einem Betrieb des Gleichstrommotors eine Periode eines Referenzstromrippels bereitgestellt wird,
die Periode des Referenzstromrippels mit der Periode von jedem bei einem Betrieb des Gleichstrommotors erfaßten Stromrippel verglichen wird und
für den Fall, daß eine hinreichende Übereinstimmung der Peri oden zwischen der Periode des Referenzstromrippels und derje nigen eines erfaßten Stromrippels nicht feststellbar ist, eine Kor rektur der nicht hinreichend übereinstimmenden Perioden des Stromrippelsignals in Bezug auf diejenige des Referenzstromrip pels erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode des Referenzstromrippels ermittelt wird aus der sich aus den aktuellen, am Gleichstrommotor anliegenden Strom- und Spannungswerten ergebenden Drehzahl des Ankers des Gleich strommotors.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode des Referenzstromrippels einen Toleranzbereich umfaßt, der sehr viel kleiner ist als die ermittelte Periode des Referenz stromrippels.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anpassung des Toleranzbereiches in Abhängigkeit von einer als fehlerfrei erkannten oder korrigierten Periode aus dem tatsächlich erfaßten Stromrippelsignal durchgeführt wird.

5. Vorrichtung zum Bestimmen der Drehstellung der Antriebswelle eines Gleichstrommotors (1) unter Ausnutzung der im Ankerstrom signal enthaltenen Stromrippel mit Mitteln (3) zum Digitalisieren des analogen Ankerstromsignales und mit einem Stromrippelzähler (6), dadurch gekennzeichnet, daß der Vorrichtung ein Berechnungs glied (4) zugeordnet ist, an dem eingangsseitig die Strom- und Spannungswerte des im Betrieb befindlichen Gleichstrommotors (1) anliegen und daß ausgangsseitig sowohl an den Mitteln (3) zum Digitalisieren des analogen Ankerstromsignales sowie am Ausgang des Berechnungsgliedes (4) ein Komperator (5) zum Vergleichen einer durch das Berechnungsglied bereitgestellten Referenzperiode mit jedem im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel und ggf. zum Korrigieren der erfaßten Periode, wobei der Ausgang des Komperators (5) den Eingang des Stromrippelzählers (6) beauf schlagt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das am Ausgang des Komperators (5) anliegende Signal ebenfalls am Eingang des Berechnungsgliedes (4) anliegt.