-
Stand der Technik
-
Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur
Drehrichtungserkennung nach der Gattung der unabhängigen
Ansprüche.
-
Mit
der
EP 0 603 506 B1 ist
ein Verfahren zur Lagebestimmung eines elektrischen Antriebs bekannt
geworden, der beispielsweise ein verstellbares Teil im Kraftfahrzeug
elektrisch betätigt. Dabei wird ein Elektromotor derart
betrieben, dass die Drehrichtung des Elektromotors umschaltbar ist.
-
Zur
Lagebestimmung des elektrisch angetriebenen Teils wird nach dem
Abschalten des Antriebsmotors der zeitliche Abstand von Impulsflanken eines
inkrementalen Signals analysiert. Hierzu wird insbesondere der zeitliche
Abstand zum Abschaltzeitpunkt gemessen und mit einem vorgegebenen Maß verglichen.
Bei einer solchen Vorrichtung ist die Unterscheidung zwischen einem
Reversiervorgang des Elektromotors und einem Auslaufvorgang unter Umständen
fehlerbehaftet, insbesondere wenn sich der Elektromotor beim Auslaufen
unter Last geringfügig zurückdreht.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung nach den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche
haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Verwendung
des Stromzustandsignals des Elektromotors zusätzlich zu
dem einen inkrementalen Sensorsignal die aufeinander abfolgenden
Drehrichtungswechsel des Elektromotors zuverlässiger erkannt
werden können. Hierzu ist eine qualitative Aussage über
die Motorstromrichtung ausreichend, so dass dem Motorstrom ein digitalisiertes
Signal zugeordnet werden kann, das der Stromrichtung –1
oder +1, beziehungsweise einen Motorstrom von näherungs weise
= 0 entspricht. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass einerseits
nur ein einziges inkrementales Sensorsignal für eine zuverlässige
Lage-, beziehungsweise Drehrichtungserkennung notwendig ist und
der Aufwand für die Strommessung aufgrund der lediglich
qualitativen Auswertung sehr gering gehalten werden kann.
-
Durch
die in den abhängigen Ansprüchen ausgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmale möglich. Da beim Abschalten des Elektromotors
in diesem ein Motorstrom in entgegengesetzter Richtung induziert wird,
kann ein erster Wechsel des Stromzustandsignals dem Abschaltzeitpunkt
des Elektromotors zugeordnet werden.
-
Kommt
es anschließend zu einem zweiten Wechsel der Stromrichtung,
was durch einen Wechsel des digitalisierten Stromzustandsignals
gemessen wird, ist dies ein Hinweis darauf, dass der Motor nach
dem Abschalten zurückdreht. Dies ist beispielsweise der
Fall, wenn ein Fensterheberantrieb beim Heben der Scheibe abgeschaltet
wird.
-
Zusätzlich
kann in Abhängigkeit eines Wechsel des Motozustandsignals
auch die Laufzeit zwischen den Flanken des inkrementalen Sensorsignals gemessen
werden, wodurch die Zeitabschnitte während eines konstanten
Motorstromzustandes mit empirischen Werten verglichen werden können,
um die Auswertung der Drehrichtung zusätzlich abzusichern.
Dabei können die Zeiten zwischen den Flankenwechsel besonders
günstig durch eine gleitende Mittelwertbildung ermittelt
werden.
-
Um
einen Reversiervorgang des Elektromotors zuverlässiger
zu erkennen, können die Zeiten zwischen den Flankenwechseln
des inkrementalen Sendersignals vorteilhaft mit zuvor ermittelten
Zeiten zwischen den Flankenwechseln bei einer maximalen Drehzahl
des Elektromotors verglichen werden. Dadurch kann zuverlässig
erkannt werden, ob der Elektromotor abgebremst wird, beschleunigt
wird oder seinen normalen Betriebszustand eingenommen hat.
-
Des
Weiteren kann zusätzlich die Anzahl der Flankenwechsel
des inkrementalen Sensorsignals nach dem Abschaltzeitpunkt gezählt
werden, der durch einen Wechsel des Stromzustandsignals erkannt
wird. Die Anzahl der Flankenwechsel kann ebenfalls mit einem empirischen
Wert verglichen werden, der beispielsweise typisch für
einen Reversiervorgang des Elektromotors ist.
-
Zur
Generierung des Stromzustandssignals wird beispielsweise die Spannung
zwischen den beiden Anschlussklemmen des Elektromotors gemessen
und ausgewertet, wobei insbesondere auch bei abgeschaltetem Elektromotor
noch ein Motorstrom gemessen werden kann, dessen Vorzeichen zur
Bestimmung der Drehrichtung herangezogen werden kann. Besonders
günstig ist es, wenn das abgegriffene Spannungssignal in
der Auswerteeinheit einer Verstärkerschaltung zugeführt
wird, da dann auch noch sehr kleine Ströme erfasst werden
können, die bei abgeschaltetem Elektromotor durch die Kontaktwiderstände
der Schalter fließen. Dies hat den Vorteil, dass durch
die Nutzung der Übergangswiderstände des Schalters
auf ein separates Strommess-Shunt verzichtet werden kann, wodurch
die Verlustleistung reduziert wird, und die komplette Batteriespannung
zum Betreiben des Elektromotors zur Verfügung steht. Durch
diesen direkten Abgriff des Spannungssignals an den Motorkontaktklemmen wird
gegenüber der Strom-Shunt-Messung auch deutlich der Bauraum
auf der Leiterplatte reduziert und der relativ teure Shunt eingespart.
Besonders günstig ist es, die Verstärkerschaltung
als integraler Bestandteil eines Mikrocontrollers zu realisieren,
da dieser gleichzeitig für die Lagebestimmung des zu verstellenden
Teils, und gegebenenfalls für eine Einklemmschutzfunktion
notwendig ist.
-
Zur
Bestimmung der Drehrichtung des Elektromotors ist es ausreichend,
wenn das Signal am Ausgang der Verstärkerschaltung, das
ein Maß für den Motorstrom darstellt, digitalisiert
wird. Da kein exaktes analoges Messsignal des Motorstroms notwendig
ist, spielt es dabei keine Rolle, dass die Übergangswiderstände
des Schalters unter Umständen gewissen Schwankungen unterworfen
sind. Zur Bestimmung der Drehrichtung des Elektromotors werden der
Verstärkerschaltung als digitalisiertes Signal die drei
Motorstromzustände –1, 0 und +1 zugeordnet. Dies
kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Ausgangsspannung
der Verstärkerspannung in unterschiedliche Bereiche eingeteilt wird,
denen der entsprechenden Stromzustand zugeordnet wird. Aufgrund
der Betriebsspannung des Mikrocontrollers von ca. 5 Volt ist es
besonders günstig die Verstärkerschaltung derart
zu dimensionieren, dass ohne Stromfluss durch den Motor die Verstärkerschaltung
ein Spannungswert von näherungsweise 2,5 Volt liefert.
Da die besondere Schwierigkeit der Drehrichtungserfassung im Bereich
kleiner Ströme auftritt, wenn der Elektromotor abgeschaltet
oder reversiert wird, kann die Verstärkerschaltung derart
dimensioniert werden, dass diese bei großen Strömen, beispielsweise
größer als +/- 0,5 Ampere ein verstärktes
Signal liefert, wodurch die Verstärkerschaltung auf die
Detektion kleiner Motorströme sensibilisiert werden kann.
-
Zur
Erzeugung des inkrementalen Sensorsignals, ist beispielsweise ein
Signalgeber auf der Ankerwelle des Elektromotors angeordnet, dessen
Signal von einem gehäusefesten Signalaufnehmer detektiert
wird. Der Signalgeber ist dabei beispielsweise als mehrpoliger Magnetring
ausgebildet.
-
Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen
Drehrichtungsbestimmung in einer Vorrichtung zum Betreiben eines
Elektromotors, der mit Relaisschaltern angesteuert wird. Die Verstärkerschaltung
an den Motoranschlussklemmen kann dabei direkt in die Ansteuerelektronik
des Elektromotors integriert werden. Zusammen mit dem inkrementalen
Sensorsignal lässt sich somit eine eindeutige Charakterisierung
der Drehbewegung eines Elektromotors erzielen. Treibt der Elektromotor
ein zu verstellendes Teil an, kann mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Position des Teils jederzeit exakt erfasst werden
und dadurch auch eine Einklemmschutzfunktion realisiert werden,
bei dem im Einklemmfall eines Hindernisses, das zu verstellende Teil
in der Drehrichtung umgekehrt oder gestoppt wird. Das erfindungsgemäße
Verfahren zur Drehrichtungsbestimmung eignet sich auch besonders
für die Verwendung eines zentralen Steuergeräts,
das mehrere Elektromotoren, beispielsweise im Kraftfahrzeug, ansteuert.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
-
Es
zeigen
-
1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehrichtungserkennung,
-
2 schematisch
das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung
eines Stromzustandssignals,
-
3 eine
Darstellung des Einschalt- und Auslaufverhaltens der Antriebseinheit
und
-
4 eine
Darstellung eines Reversiervorgangs der Antriebseinheit.
-
Ausführungsform der
Erfindung
-
In 1 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben
eines Elektromotors 12 dargestellt, der mit einer Spannungsquelle 14 betrieben wird,
die beispielsweise als Batterie 16 ausgebildet ist. Die
Spannungsquelle 14 ist über Schalter 20 mit dem
Elektromotor 12 verbunden, derart dass durch das Ansteuern
der Schalter 20 die Drehrichtung des Elektromotors 12 umgekehrt
werden kann. Im Ausführungsbeispiel sind die Schalter 20 in
einem Relais 18 angeordnet, und werden über ein
Steuersignal 22 einer Steuereinheit 24 betätigt
werden. Die Steuersignale 22 werden beispielsweise durch
das Betätigen einer nicht näher dargestellten
Bedientaste generiert. Ist beispielsweise der linke, obere Relaisschalter 26 und
der rechte untere Relaisschalter 27 geschlossen, fließt
ein Motorstrom 30 von der mit + gekennzeichneten Motoranschlussklemme 32 zur
mit – gekennzeichneten Motoranschlussklemme 34.
Sind hingegen die Schalter links unten 28 und rechts oben 29 geschlossen,
fließt ein Motorstrom 30 in entgegen gesetzter
Richtung von – (34) nach + (32). Soll
der Elektromotor 12 gestoppt werden, werden die Relaisschalter 27 und 28 geschlossen,
so dass beide Motoranschlussklemmen 32, 34 auf
Masse 36 liegen. Sind die Relaisschalter 28, 27 geschlossen
(gestrichelt eingezeichnet in 1) wird
der Elektromotor 12 von außen nicht mehr bestromt,
jedoch werden durch die Trägheit des Elektromotors 12 für
eine gewisse Zeit weiterhin Ströme induziert, die über Übergangswiderstände 72 der
geschlossenen Schalterkontakte 74 der Schalter 20 abfließen.
Zwischen den Motoranschlussklemmen 32, 34 und
den jeweiligen Relais 18 sind elektrische Verbindungen 38 zu
einer Auswerteeinheit 40 angeordnet, die ein e lektrisches Spannungssignal 42 abgreifen,
das zwischen den Motoranschlussklemmen 32, 34 anliegt.
Die Auswerteeinheit 40 weist eine Verstärkerschaltung 44 auf, die
das abgegriffene Spannungssignal 42 beispielsweise entsprechend 2 verstärkt.
Dabei kann die Verstärkerschaltung 44 als Teil
eines Mikrocontrollers 46 ausgebildet sein. Die Verstärkerschaltung 44 liefert
ein Ausgangssignal 48, das eine Bestimmung eines Stromzustandssignals 50 ermöglicht.
Des Weiteren ist am Elektromotor 12 ein Drehzahlgeber 52 drehbar
angeordnet, der zusammen mit einem ortsfesten Signalaufnehmer 54 ein
inkrementales Sensorsignal 56 für die Drehzahl,
bzw. Drehgeschwindigkeit liefert. Der Drehzahlgeber kann insbesondere
als magnetischer Polring 53 ausgebildet sein, der mit einem
magnetischen Hall-Sensor 55 zusammenwirkt. Wird dieses
inkrementale Sensorsignal 56 zusammen mit dem Stromzustandssignal 50 ausgewertet, kann
hierdurch eindeutig die Lage eines zu verstellenden Teils 62 eines
Verstellantriebs 64 bestimmt werden. Für solch
eine Verstellvorrichtung 64 kann die Auswerteeinheit 40 auch
als Einklemmschutzelektronik 60 ausgebildet sein, die beim
Auftreten eines Hindernisses 66 im Verstellweg 68 den
Elektromotor 12 stoppt oder reversiert.
-
In
einer weiteren nicht dargestellten Ausführung sind die
Schalter 20 als Transistoren oder MOSFETS oder auf andere
Weise ausgebildet, wobei zur Ermittlung der Stromrichtung ebenfalls
deren Übergangswiderstände 72 mittels
der Verstärkerschaltung 44 erfasst werden.
-
In 2 ist
in der oberen Bildhälfte der zeitliche Verlauf 31 des
Motorstroms 30 und in der unteren Bildhälfte der
zeitliche Verlauf 47 des Ausgangssignals 48 der
Verstärkerschaltung 44 dargestellt. Wird beispielsweise
zum Zeitpunkt T0 der Elektromotor 12,
der sich zuvor im normalen Antriebszustand befunden hat, abgeschaltet,
indem die beiden (Relais-)schalter 28 und 27 geschlossen
werden, sinkt danach der Motorstrom 30 von einem normalen
Betriebsstrom innerhalb einer gewissen Zeitspanne 76 ab,
bis er den Wert ca. 0,0 Ampere erreicht hat. Für einen
Motorstrom über vorgebbaren Schwellen von beispielsweise
+0,5 Ampere oder unter –0,5 Ampere liefert die Verstärkerschaltung 44 einen
Wert 78 als Ausgangssignal 48 der entweder etwa
bei 5 V oder 0 Volt liegt. Hierbei befindet sich die Verstärkerschaltung 44 im
Sättigungsbereich. Erst nachdem der absolute Strombetrag
kleiner als 0,5 Ampere geworden ist, beginnt der eigentliche Ar beitsbereich
der Verstärkerschaltung 44, wobei das Ausgangssignal 48 sich
ausgehend von 5 Volt oder 0 Volt einem mittleren Wert von ungefähr
2,5 Volt annähert, der einem Stromzustand von 0 Ampere
entspricht. Zur Bestimmung der Drehrichtung des Elektromotors 12 kann nun
einfach unterschieden werden, ob das Ausgangssignal 48 einen
Wert größer als dem stromlosen Zustand 0 entsprechenden
Wert annimmt, oder einen kleineren Wert. Daher kann der Wertebereich des
Ausgangssignals 48 in einen mittleren, einen oberen und
einen unteren Bereich 80, 82, 84 eingeteilt
werden, denen ein digitales Stromzustandssignal 50 mit
den Werten 0, +1, –1 zugeordnet werden kann. Somit kann
ohne die Verwendung eines zusätzliches elektrischen Bauteils
wie eines Mess-Shunts die Richtung des Motorsstroms 30 bestimmt
werden, und daraus gegebenenfalls in Verbindung mit dem inkrementalen
Sensorsignal 56 die Drehzahl, bzw. Drehgeschwindigkeit
und die Drehrichtung des Elektromotors 12. Damit kann mit
nur einem einzigen inkrementalen Sensorsignal 56 (beispielsweise
einem einzigen Hall-Sensor 55) eine zuverlässige
Positionserfassung und eine Schließkraftbegrenzung für das
zu verstellende Teil 62 realisiert werden.
-
In 3 ist
das Ein- und Ausschaltverhalten des Elektromotors 12 dargestellt,
wobei auf der x-Achse die Zeitskala t dargestellt ist, und auf der y-Achse
der Messwert 51 für den Motorstrom (punktierte
Kurve), das inkrementale Sensorsignal 56 (durchgezogene
Kurve) und ein Drehrichtungssignal 86 (gestrichelte Kurve)
dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t = 0,0 wird der Elektromotor 12 eingeschaltet,
wodurch das dem Signal des Motorstroms 51 zugeordnete Stromzustandsignal 50 von
0 auf –1 wechselt, was einen Motorstrom in einer bestimmten
Richtung entspricht. Das inkrementale Sensorsignal 56 bildet eine
schnelle Abfolge von Flankenwechseln 88, die nach einer
kurzen Anlaufphase in näherungsweise zeitgleichen Abständen
erfolgt. Zum Abschaltzeitpunkt 90 t = ca. 0,19 sec wird
der Elektromotor 12 abgeschaltet, wodurch in diesem ein
Motorstrom in Gegenrichtung induziert wird, was durch den Wechsel des
Stromzustandsignals 50 von –1 auf 1 erkennbar ist.
Der Elektromotor 12 läuft nach dem Abschalten noch
nach, so dass es auch nach dem Abschaltzeitpunkt 90 noch
zu einem Flankenwechsel 91 des inkrementalen Sensorsignals 56 kommt.
Durch die Erfassung des ersten Stromzustandwechsels von –1
zu +1 können die Flankenwechsel 91 nach dem Abschaltzeitpunkt 90 des
Elektromotors 12 eindeutig dem Nachlaufen des Elektromotors 12 in
gleicher Richtung zugeordnet werden. In 3 kommt es zum
Zeitpunkt t = ca. 0,21 zu einem erneuten Stromzustandswechsel von
+1 nach –1, nach dem ein weiterer Flankenwechsel 92 des
inkrementalen Sensorsignals 56 folgt. Dieser Flankenwechsel 92 kann
aufgrund des zweimaligen Wechsels des Stromzustandsignals 50 als
Rücklaufen des Elektromotors 12 erkannt werden,
wodurch als Ergebnis der Signalauswertung das Drehrichtungssignal 86 mit
dem Flankenwechsel 92 eine Drehrichtungsänderung,
beispielsweise von links (I) nach recht (r) anzeigt. Somit kann
durch eine Zuordnung der Flankenwechsel 91, 92 zu
einer Änderung des Stromzustandsignals 56 die
aktuelle Drehrichtung des Elektromotors 12 zuverlässig
bestimmt werden.
-
In 4 ist
ein Reversiervorgang eines Elektromotors 12 mit vergrößerter
Zeitskala t dargestellt. In diesem Fall wird zum Zeitpunkt t = ca.
0,465 der elektrische Anschluss des Elektromotors 12 umgepolt,
wodurch das Stromzustandsignal 56 von –1 zu +1
wechselt. Der zeitliche Abstand 94 der zwischen den Flankenwechseln 88 des
inkrementalen Sensorsignals 56 nimmt zuerst zu und anschließend
wieder ab, bis der zeitliche Abstand 94 näherungsweise
wieder den Wert vor dem Umschaltzeitpunkt 93 erreicht. Die
Auswerteeinheit 40 erkennt den Reversiervorgang des Elektromotors 12 daran,
dass nach einmaligem Stromzustandwechsel von –1 nach +1
zusätzlich der zeitliche Abstand 94 zwischen den
Flankenwechseln 88 berücksichtigt wird. Der zeitliche
Abstand 94 zwischen Flankenwechsel 88 wird beispielsweise
mittels einer gleitenden Mittelwertbildung gemessen, so dass in 4 erkannt
wird, dass der zeitliche Abstand 95 zwischen zwei Flankenwechsel kürzer
ist, als der zeitliche Abstand des direkt davorliegenden Intervalls 96.
Dadurch wird festgestellt, dass mit dem Flankenwechsel 97 zwischen
den beiden Zeitintervallen 95 und 96 die Bewegungsrichtung des
Elektromotors gewechselt hat, was durch den Wechsel der Drehrichtungssignals 86 von
(l) zu (r) dargestellt ist. Zusätzlich kann der zeitliche
Abstand 94, 95, 96 (Zeitintervalle) mit
einem zuvor ermittelten und abgespeicherten Wert bei einer maximalen Drehzahl
verglichen werden. Dadurch kann identifiziert werden, wann der Elektromotor
wieder seinen normalen Betriebszustand mit seiner Solldrehzahl erreicht
hat. Des Weiteren kann zuvor empirisch ermittelt werden, wie viele
Flankenwechsel 88 nach dem Umschaltzeitpunkt 93 des
Reversiervorgangs im normalen Betriebszustand abfolgen. Diese Anzahl
kann bei einem einmaligen Wechsel des Stromzustandsignals 50 mit
der aktuellen Anzahl der Flankenwech sel 88 verglichen werden,
um somit das Vorliegen eines Reversiervorgangs des Elektromotors 12 zu überprüfen.
-
Es
sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung
dargestellten Ausführungsbeispiele vielfältige
Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich
sind. So können beispielsweise die Änderungen
des Stromzustandssignals 50 mit verschiedenen Auswerteverfahren
des inkrementalen Sensorsignals 56 kombiniert werden, wobei
dessen Flankenwechsel gezählt und deren Intervalllängen
miteinander und/oder mit abgespeicherten Werten verglichen werden
können. Das Auswerteverfahren ist unabhängig von
der Ermittlung des digitalen Stromzustandssignals 50, das
beispielsweise auch mittels einer direkten Motorstrommessung oder-
abschätzung gewonnen werden kann. Die Auswerteeinheit 40 kann
mit der Ansteuerelektronik 24 des Elektromotors 12 kombiniert
sein oder als separates Bauteil vorzugsweise auf einer Leiterplatine
ausgebildet sein. Dabei kann die Vorrichtung 10 zum Betreiben des
Elektromotors 12 örtlich direkt unmittelbar beim Elektromotor 12 oder
in einem zentralen Steuergerät angeordnet sein. Das erfindungsgemäße
Verfahren und die entsprechende Vorrichtung 10 sind besonders
geeignet, für die Realisierung einer Positionserfassung
und/oder eines Einklemmschutzes für Komfortantriebe im
Kraftfahrzeug, wie beispielsweise Fensterheber, Schiebedach- oder
Sitzverstellung. Das Verfahren zur Drehrichtungserkennung kann jedoch
auch für Rotationsantriebe, wie Gebläse oder Pumpen
verwendet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-