DE10048602A1

DE10048602A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Detektion einer Einklemmsituation bei bewegten Flächen am Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10048602A1
Application number: DE2000148602
Authority: DE
Inventors: Marcus Meyer; Markus G Kliffken; Stefan Kotthaus; Joerg Wolf; Michael Soellner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-09-30
Filing date: 2000-09-30
Publication date: 2002-04-11
Also published as: WO2002029951A1; EP1234367A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion einer Einklemmsituation an mittels Antrieben (1) bewegbaren Flächen an Fahrzeugen, wobei Antriebselemente (1, 3) Sensorelemente (5, 6) zugeordnet sind, die Drehzahl und Drehrichtung der Antriebselemente (1, 3) erfassen und Signale an eine Auswerteeinheit (7, 8) übermitteln. Die Sensorelemente (5, 6) sind als analoge Sensoren ausgeführt, deren Winkelsignale (13) nach zweimaliger Differenziation (18, 19) mit einem adaptierten Vergleichswert (23) verglichen werden.

Description

Technisches Gebiet

Beim Schließen von Fenstern oder Schiebedächern in Kraftfahrzeugen kann es zum versehentlichen Einklemmen kommen. Daher sind die elektrischen Antriebe mit einem Einklemmschutz ausgestattet. Sich verschärfende gesetzliche Vorschriften besagen, daß vor Erreichen einer beim Einklemmen auftretenden vorgebbaren Höchstkraft ein Reversieren des Antriebes zu erfolgen hat, um den eingeklemmten Körper wieder freizugeben.

Stand der Technik

Bei heute typischerweise eingesetzten Antrieben für Fensterscheiben und Schiebedächern an Kraftfahrzeugen werden meist Gleichstrommotoren eingesetzt, die über Schneckengetriebe die Fensterscheiben bzw. die Schiebedächer bewegen. Auf der Antriebswelle zwischen Antriebsmotor und Getriebe - beispielsweise ausgeführt als ein selbsthemmendes Schneckengetriebe - befindet sich ein zweipoliger Ringmagnet, ferner wird mittels eines digital arbeitenden Hallelementes die Drehzahl des Antriebsmotors ermittelt und mittels eines weiteren digital arbeitenden Hallelementes dessen Drehrichtung. Zur Bestimmung der Drehzahl wird in der Regel die Zeit ermittelt, die zwischen zwei Flankenwechseln eines Signales eines als Hallelement arbeitenden Sensors vergeht. Aus der Abfolge der Flanken der Impulse des weiteren Sensorelementes ergibt sich die Drehrichtung des Antriebsmotors und der Antriebswelle. Mit dieser Anordnung wird ein Einklemmen üblicherweise durch den Vergleich mit einem typischen Verlauf eines Drehzahleinbruches Δn detektiert, woraufhin ein Reversieren des Antriebsmotors erfolgt.

Eine Steigerung der gesetzlichen Anforderungen an einen Einklemmschutz gemäß der vorstehend aus dem Stande der Technik bekannten Antriebs- und Auswerteanordnung hat den Nachteil zur Folge, daß zur Detektion einer Einklemmsituation und zum Einleiten eines Reversiervorganges am Antriebsmotor bei steifster Testfederauslegung und typischer Auslegung des Fensterhebers lediglich eine halbe bis eine ganze Antriebsmotorumdrehung zur Verfügung steht. Eine Verwendung höherpoliger Ringmagnete würde zwar die Auflösung steigern, ginge jedoch mit dem Nachteil einher, daß der notwendige Rechenaufwand etwa linear mit der Anzahl der Pole des Ringmagneten ansteigt, was sich direkt auf den bereitzustellenden Aufwand und die Kosten auswirkt und den Vorteil der höheren Auflösungsmöglichkeiten wieder aufwiegt.

Durch die gesteigerte Abtastung kann es darüber hinaus zu numerischen Problemen kommen, die ihre Ursache in der Zahlendarstellung endlicher Wortlänge in elektronischen Rechnern haben.

Eine andere Möglichkeit, Signale zu erzeugen und abzutasten, böte die Verwendung von Zahnrädern, doch reicht der zur Verfügung stehende Bauraum in der Regel für deren Einbau nicht aus.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erfolgt eine hoch auflösende Positionserfassung von Antriebselementen mittels analog arbeitender Sensoren, an die sich eine einfache Signalauswertung durch zweimalige Differenzierung mit direkter Entscheidungsfindung über eine Vergleichsoperation anschließt. Der Einsatz von nur wenig Bauraum beanspruchenden analogen Sensoren wie beispielsweise analogen magnetischen Widerständen, erlaubt den Verzicht auf digital arbeitende Hallsensoren, die nur ein beschränktes Auflösungsvermögen aufweisen. So weisen analog arbeitende Sensoren wie beispielsweise magnetische Widerstände, eine bessere Temperaturstabilität auf, sie liefern ferner ein größeres Ausgangssignal. Durch die bei magnetischen Widerständen geringere Abhängigkeit des erzeugbaren Signales vom Luftspalt zwischen Sensor und Ringmagnet folgt aus der höheren Empfindlichkeit eine erzielbare Genauigkeit, die ein Auflösungsvermögen der Winkelpositionen eines Antriebselementes - sei es ein Antriebsmotor oder eine Antriebswelle - von Δϕ < 1°. Für die Detektion einer Einklemmsituation ist ein solches Auflösungsvermögen als völlig ausreichend anzusehen.

Mittels analoger Sensoren wie beispielsweise der magnetischen Widerstände, die mit geringpoligen Ringmagneten zusammenarbeiten, läßt sich extrem preisgünstig der Motorwinkel oder der Antriebswellenwinkel ϕ messen, aus dessen zweimaliger Differenziation die Drehbeschleunigung ermittelt werden kann. So wird eine erheblich aufwendigere und teurere direkte Messung der Drehgeschwindigkeit oder der Drehbeschleunigung von Antriebswelle und Antriebsmotor vermieden.

Die mittels einer gestuft ablaufenden Differenziation erzielten Ergebnisse, die die aus dem Eingangssignal ϕ ermittelten Drehbeschleunigungswerte liefern, erlaubt ein Vergleich der erhaltenen Drehbeschleunigungswerte mit einem adaptierten Vergleichswert im Rahmen einer sich an die kontinuierliche Signalaufbereitung anschließenden Vergleichsoperation. Der adaptierte Vergleichswert wird bevorzugt unter Berücksichtigung des Eingangssignales ϕ, der Motortemperatur ϑ, der Fenster oder Dachposition x sowie der anliegenden Spannung U_A bestimmt. Damit trägt der Vergleichswert sowohl den Betriebsparametern am Antriebsmotor als auch Umgebungseinflüssen wie beispielsweise der Außentemperatur, Rechnung.

Gemäß des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zur Detektion einer Einklemmsituation erfolgt eine Erfassung des Eingangssignales ϕ mittels analoger Sensoren, bevor das Eingangssignal ϕ nach einer Analog/Digitalwandlung in digitaler Form vorliegt und einer Signalweiterverarbeitung unterworfen wird, in der das Eingangssignal ϕ eine zweimalige Differenziation erfährt. Die auf solche Art erhaltene Drehbeschleunigung wird mit einem adaptierten Vergleichswert verglichen. Ist die erhaltene Drehbeschleunigung kleiner als der Vergleichswert, so liegt eine Einklemmsituation vor, so daß der jeweilige Antriebsmotor reversiert wird und die Einklemmsituation aufgehoben wird.

Zeichnung

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Die Antriebs- und Steuerungskomponenten zur Bewegung von Fenster- und Dachflächen an einem Kraftfahrzeug,

Fig. 2 mittels digitaler Hallsensoren aufgenommene Impulse und Impulsflankenabfolgen für Drehzahl, Rechts- und Linkslauf,

Fig. 3 eine Signalverarbeitung zur Ermittlung der Drehbeschleunigung aus einer Winkelmessung,

Fig. 4 eine quantisierte Winkelmessung und

Fig. 5 eine digitale Signalverarbeitung mittels quantisierter Winkelmessung.

Ausführungsvarianten

Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt die Antriebs- und Steuerungskomponenten, die zur Bewegung von Fensterflächen und Schiebedächern in Kraftfahrzeugen Verwendung finden.

Ein Antriebsmotor 1 ist über eine Antriebswelle 3 mit einem Getriebe 2 verbunden, welches beispielsweise als selbst hemmendes Schneckengetriebe ausgeführt sein kann. Mittels des Getriebes 2 erfolgt die Übertragung der Drehbewegung des Antriebsmotors 1 an die jeweilige Fensterscheibe oder das jeweilige Schiebedach, welches sich daraufhin translatorisch bewegt. Auf der Antriebswelle 3 befinden sich einerseits ein Ringmagnet 4, andererseits sind dieser Sensorelemente 5, 6 zugeordnet, von denen eines die aktuelle Drehzahl, das andere die Drehrichtung der Antriebskomponenten Antriebsmotor 1 und Antriebswelle 3 detektiert.

Die von den Sensoren 5, 6 erfaßten Signale werden einer Signalverarbeitung zugeführt, die aus einer Auswerteeinheit 7 und einer dieser nachgeschalteten Elektronik 8 bestehen.

Werden als Sensorelemente 5, 6 digitale Hallsensoren verwendet, so ergeben sich für die beiden, den Antriebskomponenten 1, 3 jeweils zugeordneten Sensoren die in Fig. 2 dargestellten Impulsabfolgen, sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung der Antriebskomponenten 1, 3 betreffend. Aus der Beziehung n = 1/ΔT wird die Zeit ermittelt, welche zwischen zwei Flankenwechseln 11, 12 eines Impulses 10 vergeht; zur Bestimmung der Drehzahl dient das Sensorelement 5, während mittels des weiteren Sensorelementes 6 die Drehrichtung der Antriebskomponenten wie beispielsweise Antriebswelle 3 und Antriebsmotor 1 detektierbar ist.

Gemäß Fig. 3 wird eine erfindungsgemäße Signalverarbeitung dargestellt, bei der die Drehbeschleunigung aus einem Eingangssignal 13, dem Drehwinkel ϕ ermittelt wird. Da weder die Drehbeschleunigung noch die Drehgeschwindigkeit von Antriebskomponenten wie Antriebswelle 3 und Antriebsmotor 1 kostengünstig direkt meßbar sind, wird erfindungsgemäß der Drehwinkel ϕ gemessen. Das Eingangssignal 13 Drehwinkel ϕ wird nach zweimaliger Differenziation 18, 19 als Drehbeschleunigung 24 in einer Vergleichseinheit mit einem adaptierten Schwellwert 23 verglichen. Die Bildung dieses Schwellwertes 23 erfolgt unter Berücksichtigung des Eingangssignales 13, nämlich des Drehwinkels ϕ, der Motortemperatur ϑ sowie der angelegten Spannung U_A, bezeichnet mit Referenz-Bezugszeichen 21. Der adaptierte Vergleichswert 23, gebildet unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Größen, wird als fester Vergleichswert 23 bei einer ideal genauen Winkelmessung und einer ideal kontinuierlichen Signalverarbeitung als ausreichend genau angesehen.

Fig. 4 zeigt den typischen Verlauf der angelegten Spannung 21 U_A, aufgetragen über dem Drehwinkel ϕ des Antriebsmotors 1, für einen analog arbeitenden magnetischen Widerstand, der erfindungsgemäß als Sensorelement 5, 6 der Antriebswelle unter dem Antriebsmotor 1 unmittelbar zugeordnet werden kann. Die mit solchen analogen Sensoren 5, 6 realisierbare quantisierte Winkelmessung läßt ein Auflösungsvermögen von weniger als 1°, also Δϕ < 1°, zu. Die verwendeten magnetischen Widerstände als Sensorelemente 5, 6 eingesetzt, weisen neben einem Auflösungsvermögen von weniger als 1° eine besserer Temperaturstabilität sowie ein größeres Auflösungsvermögen auf. Ferner ist ein besseres Auflösungsvermögen durch eine geringerer Abhängigkeit vom Luftspalt zwischen Sensor 5, 6 und dem Magneten 4 auf der jeweiligen Antriebskomponente 1 bzw. 3 gegeben. Die mittels des eingesetzten magnetischen Widerstandes als Sensorelemente 5, 6 erzielbare Auflösung von Δϕ < 1° reicht für eine sichere Detektion einer Einklemmsituation aus, sofern das Winkelsignal 13, nämlich ϕ eine geeignete Bandbegrenzung durch einen Tiefpaß besitzt.

Bei einer gemäß Fig. 5 erfolgenden digitalen Verwirklichung einer Signalverarbeitungsstrecke, die einer Tiefpaßfilterung entspricht - ist ein linearer Zusammenhang zwischen der durch einen Sensor 5, 6 per Ausgangssignal ϕ_d ermittelbaren Genauigkeit, unter Berücksichtigung der Quantisierung ϕ_d eines A/D-Wandlers 14, dem das analoge Eingangssignal 13 ϕ zugeführt wird und der am Abtast-/Halteglied 15 einstellbaren Abtastzeit 17 besteht. Wenn die Auflösung sinkt, nimmt auch die Bandweite ab, wodurch wiederum die verfügbare Abtastzeit steigt. Der Zusammenhang zwischen Auflösung am Sensor 5, 6 und der Abtastzeit 17 läßt sich am besten anhand folgender Gegenüberstellung verdeutlichen:

Gemäß des Signalflußplanes, wie in Fig. 5 dargestellt, erfolgt die Quantisierung des Eingangssignales 13, nämlich des Drehwinkels ϕ, von analoger in digitaler Form in einem A/D-Wandler 14, von dem das digitale Signal 16 sowohl einer ersten Differenziationsstufe 18 als auch einer Vergleichseinheit 23 zugeführt werden kann, die einen adaptierten Vergleichswert 23 ermittelt, mit dem die aus nochmaliger Differenziation 19 hervorgehende Drehbeschleunigung 24 resultiert, verglichen wird. Neben dem Eingangssignal 13, nämlich des Drehwinkels ϕ wird der Vergleichseinheit 23 die Temperatur ϑ, sowie die angelegte Motorspannung U_A zugeführt, die eine Bestimmung eines jeweils adaptierten Vergleichswertes 23 zulassen, mit dem das aus der zweimaligen Differenziation 18, 19 hervorgegangene digitale Signal 24 die Drehbeschleunigung repräsentierend, verglichen werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Antriebsmotor

2

Getriebe

3

Antriebswelle

3.1

Rechtslauf

3.2

Linkslauf

4

Ringmagnet

5

Sensorelement (Drehzahl)

6

Sensorelement (Drehrichtung)

7

Auswerteeinheit

8

Elektronik

9

Zeitspanne

10

Impuls

11

ansteigende Flanke

12

abnehmende Flanke

13

Eingangssignal ϕ

14

A/D-Wandler

15

Abtast-Halteglied

16

quantisiertes Signal ϕ_d

17

einstellbare Abtastzeit

18

erste Differenzierungsstufe

19

zweite Differenzierungsstufe

20

Motortemperatur ϑ

21

angelegte Spannung U_A

22

adaptierter Vergleichswert

23

Vergleichseinheiten

24

Drehbeschleunigung

Claims

1. Vorrichtung zur Detektion einer Einklemmsituation an mittels Antrieben (1) bewegbaren Flächen am Kraftfahrzeug, wobei Antriebselementen (1, 3), Sensorelemente (5, 6) zugeordnet sind, die Drehzahl und Drehrichtung der Antriebselemente (1, 3) erfassen und Signale an eine Auswerteeinheit (7, 8) übermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (5, 6) als analoge Sensoren ausgeführt sind, deren Signale (13) nach Differenziation (18, 19) mit einem adaptierten Vergleichswert (23) verglichen werden.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Sensoren (5, 6) als magnetische Widerstände ausgebildet sind.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den analogen Sensoren (5, 6) geringpolige Ringmagneten (4) zugeordnet sind.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal (13) ϕ zweimal differenziert wird, bevor die erhaltene Drehbeschleunigung (24) in einer Vergleichsoperation mit dem adaptierten Schwellwert (23) verglichen wird.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswert (23) als Funktion des Eingangssignales (13) ϕ, der Motortemperatur (20) ϑ und der angelegten Spannung (21) U_A ermittelt wird.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswertung des Eingangssignales (13) ϕ hinter dem Abtast-Halteglied (15) in digital arbeitenden Differenziationsstufen (18, 19) erfolgt.

7. Verfahren zur Detektion einer Einklemmsituation mit nachfolgenden Verfahrensschritten:
ein Eingangssignal (13) ϕ wird mittels analoger Sensoren (5, 6) erfaßt,
das Eingangssignal (13) ϕ wird digitalisiert, bevor aus einer digitalen Differentiation (18, 19) eine Drehbeschleunigung (24) erhalten wird,
die Drehbeschleunigung (24) wird mit einem adaptierten Vergleichswert (23) verglichen, der als Funktion von Eingangssignal (13) ϕ, der Temperatur (20) ϑ eines Antriebes (1) und der angelegten Spannung U_A (21) ermittelt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastzeit (17) T_A am Abtast-/Halteglied vorgebbar ist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des adaptierten Vergleichswertes (23) unter Berücksichtigung der aktuellen Position von bewegbaren Dach- bzw. Fensterflächen erfolgt.