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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erkennen
einer Einklemmsituation beim Verstellen einer angetriebenen Komponente
mit Hilfe eines mechanischen Verstellsystems enthaltend einen Elektromotor,
wobei ein auf die an der angetriebenen Komponente wirkende Kraft
bezogener Wert (Fakt) mit einem auf einen
Referenzwert (FRef) bezogenen Schwellenwert
(FTh) verglichen wird.
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Verstellsysteme
oder Verstelleinrichtungen werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen
eingesetzt, um Fenster oder Schiebedächer als angetriebene
Komponenten zu verstellen. Andere Anwendungen sind beispielsweise
jene für die Betätigung von elektrischen Heckklappen
oder Schiebetüren, so dass nachfolgend der Einfachheit
halber auf angetriebene Komponenten, gegebenenfalls – ohne
Beschränkung der Allgemeinheit – auf Schiebedächer Bezug
genommen wird. Bei derartigen Systemen ist weiters, insbesondere
auch aufgrund von gesetzlichen Forderungen, vorgesehen, ein Einklemmen
eines Objekts, etwa einer Hand oder eines Kopfes einer Person, während
einer Schließbewegung zu erkennen. Diese Einklemmerkennung
basiert auf einer errechneten Schließkraft, die beispielsweise
aus der Drehzahl und der Spannung und/oder dem Strom des für
den Antrieb vorgesehenen elektrischen Motors berechnet wird. Diese
Schließkraft ändert sich, wenn ein Objekt eingeklemmt
wird. Diese Schließkraft-Änderung, d. h. eine
relativ sprunghafte Erhöhung der Kraft über einen
vorgegebenen Schwellenwert hinaus, dient zur Entscheidung auf eine
Einklemmsituation.
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Eine Änderung
der Schließkraft kann sich jedoch auch dann ergeben, wenn
keine Einklemmsituation gegeben ist, nämlich aufgrund geänderter
Bedingungen bei der Verstellbewegung, wie etwa aufgrund von Temperaturänderungen
und damit einhergehenden Änderungen von Reibungskräften,
insbesondere in Dichtungen, aber auch aufgrund von Verschmutzungen
im Verstellsystem und dgl. mehr.
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Es
ist daher erforderlich, derartige Kraftschwankungen aufgrund geänderter
Rahmenbedingungen von jenen Kraftanstiegen unterscheiden zu können,
die durch eingeklemmte Objekte verursacht werden.
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Um
eine derartige Unterscheidung treffen zu können, wurde
bereits versucht, anstatt des Absolutwerts der berechneten Schließkraft
die Differenz zwischen der Schließkraft zu einem bestimmten
Zeitpunkt und der Schließkraft zu einem definierten vergangenen
Zeitpunkt als Kriterium heranzuziehen. Der Abstand der Zeitpunkte
wird dabei so gewählt, dass das System auf die Steifheit
der zu erkennenden Objekte möglichst gut abgestimmt wird.
Durch die beschriebene Differenzbildung fallen statische Einflüsse
weg; somit werden auch vergleichsweise geringfügige Kraftänderungen „ausgefiltert”.
Von Nachteil ist hier jedoch, dass einerseits ein großer Bedarf
an Pufferspeicherplatz für die Vergangenheits-Vergleichswerte
gegeben ist, und dass andererseits nur ein begrenzter Abschnitt
aus der Vergangenheit zur Einklemmerkennung verwendet und damit
weiter zurückliegende Informationen nicht genützt
werden (können).
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Es
wäre wünschenswert, die Einklemmerkennung auf
der Basis der aktuellen Kraftwerte durchführen zu können.
Dabei muss jedoch wie erwähnt auf das Problem Rücksicht
genommen werden, dass durch unterschiedliche mechanische Verhalten,
also ver schiedene Rahmenbedingungen, verschiedene (quasi-)statische
Kraftpegel auftreten können; insbesondere können,
durch ein entsprechendes mechanisches Verhalten, die Kraftverläufe
auch ohne ein Einklemmen eine steigende Tendenz aufweisen. Derartige
Kraftänderungen können sich beispielsweise beim
Anfahren, weiters – bei Schiebedächern – zufolge
mechanisch mitbewegter Teile, wie z. B. Windabweiser und Sonnenschutzmitnahme,
aber auch zufolge System-bedingter Parameter, wie z. B. einer Erwärmung
des elektrischen Motors oder auch wie bereits erwähnt zufolge
von Schmutz im Verstellsystem ergeben.
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Üblicherweise
wird als Vergleichsbasis ein Referenzwert vorgegeben, um dann durch
Vergleichen des aktuellen Kraftwerts mit dem Referenzwert bzw. mit
einem hierauf fest bezogenen Schwellenwert eine Einklemmsituation
erkennen zu können. Der Referenzwert wird beim Starten
des Motors festgelegt und ist bei früheren Einklemmschutzsystemen ein
konstanter Wert. Gegebenenfalls werden vorhersehbare Referenz-Änderungen,
die als Kennlinien gespeichert sind, berücksichtigt, vgl.
beispielsweise
DE
10 2007 050173 B3 oder
DE 19633941 A1 . Wie vorstehend ausgeführt
wurde, kann es dann aufgrund von geänderten Bedingungen
zu einem Auseinanderlaufen des realen Kraftverlaufs vom erwarteten
Kraftverlauf kommen, wobei es sogar zu einem Feststellen eines Einklemmens
kommen kann, obwohl kein Objekt eingeklemmt wird. Auch erhöhte Klemmkräfte
wären möglich, was unter Umständen zur
Verletzung von gesetzlichen Forderungen führen könnte.
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Es
ist nun Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und ein
Verfahren wie eingangs angeführt vorzuschlagen, bei dem
auf einfache Weise, ohne die Notwendigkeit von großen Pufferspeichern, zuverlässig
eine Einklemmsituation von anderen Kraftänderungen unterschieden
und erkannt werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren der eingangs angeführten
Art ist dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert, und damit
der Schwellenwert, laufend im Sinne einer Kraftverfolgung an den sich
abhängig vom mechanischen System bei der Verstellbewegung ändernden
Kraft-Wert angeglichen wird. In entsprechender Weise enthält
die erfindungsgemäße Vorrichtung Rechnermittel,
die dazu eingerichtet sind, ein erfindungsgemäßes
Angleich-Verfahren durchzuführen.
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Beim
vorliegenden Verfahren liegt somit die Idee zugrunde, die langsame
Abweichung der aktuellen Kraftwerte von den erwarteten Kräften
auszugleichen, indem eine „Kraftverfolgung” der
Referenzkraft durchgeführt wird. Die Referenzkraft (der
Referenzwert) wird somit laufend der aktuellen Kraft bzw. den darauf
bezogenen Kraft-Werten nachgeführt; demgemäß wird
auch parallel dazu die Differenzkraft, bei deren Überschreiten
durch die tatsächliche Kraft auf ein Einklemmen erkannt
wird, nachgeführt, um so die Änderungen im Kraftverlauf
im mechanischen System, etwa aufgrund einer schwergängigen
Mechanik, als möglichen Grund für eine Einklemmdetektion auszuschalten.
Andererseits werden dabei die – üblicherweise
wesentlich steileren – Kraftänderungen, die auf
Klemmvorgänge, auf ein Einklemmen eines Objekts zurückzuführen
sind, von der beschriebenen Kraftverfolgung ausgenommen bzw. fließen
gegebenenfalls derartige Kraftänderungen nur geringfügig
in die Angleichung ein, um solche Einklemmvorgänge weiterhin
sicher erkennen zu können. Diese Ausgrenzung von Kraftanstiegen
zur Folge von Klemmvorgängen könnte z. B. auf
der Basis erfolgen, dass die Anstiegsrate des Kraftverlaufs bei
Klemmvorgängen deutlich höher ist als jene von
mechanischen System-Schwankungen, so dass über einen bestimmten – kurzen – Zeitraum
gemittelte Anstiegsraten bei der Kraftverfolgung zugrunde gelegt
werden könnten. Eine wesentlich einfachere Lösung
ergibt sich hier, wenn die laufende Angleichung des Referenz werts
(und damit des Schwellenwerts) betragsmäßig begrenzt
wird, um so auf Klemmvorgänge zurückführende – stärkere – Änderungen
auszunehmen. Durch diese Begrenzung der Kraftverfolgung werden Einklemmvorgänge
nur unwesentlich gedämpft, im Gegensatz zu den Schwankungen
im Kraftverlauf aufgrund von geänderten Bedingungen in
der Mechanik. Die Begrenzung wird dabei zweckmäßig
derart vorgenommen werden, dass mechanische Schwankungen gerade
noch ausgeglichen werden. Dies kann durch Vorsehen von entsprechend kleinen
(maximalen) Grenzwerten erfolgen.
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Ein
einfacher Algorithmus hierfür ergibt sich, wenn der Referenzwert
(FRef) bei positiven Abweichungen der Kraft-Werte
(Fakt) vom Referenzwert, nämlich
Fakt(s) ≥ FRef(s),
mit s = die Position der angetriebenen Komponente, gemäß der
Beziehung FRef(s + Δs)
= FRef(s) + min[(Fakt(s) – FRef(s)), FLimit angeglichen
wird, wobei s + Δs die auf die Position s folgende Position
und FLimit einen vorgegebenen Grenzwert
als Verfolgungslimit bezeichnen. In entsprechender Weise ist es
weiters hierfür günstig, wenn der Referenzwert
bei negativen Abweichungen, also Fakt(s) < FRef(s),
mit s = Position der angetriebenen Komponente, gemäß der
Beziehung FRef(s + Δs)
= FRef(s) – min[(FRef(s) – Fakt(s)), FLimit]angeglichen
wird, wobei s + Δs die auf die Position s folgende Position
und FLimit einen vorgegebenen Grenzwert
als Verfolgungslimit bezeichnen.
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Diese
vorstehenden Begrenzungen der Kraftverfolgung können rechnerisch,
mit herkömmlichen Mikroprozessoren, einfach und rasch durchgeführt
werden, so dass sich eine Angleichung des Referenzwerts, d. h. eine
Kraftverfolgung, in Echtzeit ergibt. Eine besonders einfache Ermittlung
ergibt sich dabei weiters, wenn ein einheitlicher Grenzwert FLimit für die Angleichung so wohl
bei positiven als auch bei negativen Abweichungen der Kraft-Werte
vom Referenzwert vorgegeben wird.
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Das
vorliegende Verfahren lässt sich in vorteilhafter Weise
weiters mit dem Umstand verknüpfen, dass üblicherweise
für ein jeweiliges mechanisches Verstellsystem mechanische
Kennfelder in einem Speicher abgelegt sind. Die Referenzkraft folgt in
einem solchen Fall zunächst einem sich aus den Kennfeldern
ergebenden Kennlinienverlauf, und zusätzlich wird ein Angleichen
an die sich ändernde aktuelle Kraft im Sinne der vorbeschriebenen
Kraftverfolgung vorgesehen.
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Der
Grenzwert für die Kraftverfolgung kann konstant sein, dies
ist jedoch nicht notwendigerweise so. Es können während
der Verstellung einer Komponente, durch das mechanische System vorgegeben, unterschiedliche
Kraftwerte auftreten, wie etwa unmittelbar nach dem Starten des
Motors, wobei dann in dieser Phase relativ hohe Kräfte
auftreten bzw. zum Verstellen der Komponente erforderlich sind. Für
derartige Phasen mit unterschiedlichen Kraftniveaus (statischen
Kraftniveaus) kann beim vorliegenden Verfahren in einer vorteilhaften
Weiterbildung vorgesehen werden, dass der Grenzwert nicht konstant,
sondern variabel ist; insbesondere kann der Grenzwert ein von der
Position der angetriebenen Komponente, also vom Verstellweg, abhängiger Grenzwert
sein. Damit kann ein relativ hoher Grenzwert beim Start der Verstellung
zugrunde gelegt werden, so dass sich in dieser Phase auch starke
Kraftschwankungen ausgleichen lassen. Zu Beginn der Verstellbewegung
entspricht daher die Referenzkraft weitestgehend der gemessenen
(aktuellen) Kraft. Der Grenzwert wird danach sukzessive reduziert,
bis ein konstanter niedriger Wert für die Phase eines gleichmäßigen
Motorlaufs erreicht wird. Beispielsweise kann in diesem Zusammenhang
ein exponentiell abnehmender Grenzwert vorgesehen werden.
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Eine
andere Möglichkeit für einen geänderten
Grenzwert während einer Verstellbewegung kann sich dadurch
ergeben, dass im Verstellsystem – bekannte – mechanische
Problemstellen vorliegen, wie etwa im Fall eines Schiebedachs mit
einem Windabweiser, der in bestimmten Situationen, d. h. in bestimmten
Positionen des Schiebedachs, auch temperaturabhängig zu
relevanten Störungen, d. h. vergleichsweise höheren
Kraftanstiegen, führen kann. Auch in diesen Positionsbereichen
kann von vornherein ein erhöhter Grenzwert vorgesehen werden,
um dadurch die angesprochenen Störungen auszugleichen.
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Eine
weitere vorteilhafte Möglichkeit der vorliegenden Vorgangsweise
liegt darin, dass durch Vorsehen eines variablen Verlaufs des Grenzwerts
auch Spannungsschwankungen, etwa Schwankungen in der Bordnetzspannung
eines Kraftfahrzeugs, ausgeglichen werden. Es kann daher in einem
Gesamt-Grenzwert z. B. ein additiver Term enthalten sein, der sich
abhängig von derartigen Spannungsschwankungen ändert,
wobei sich beispielsweise ein mit der Höhe der Spannungsschwankung
quadratisch ansteigender Wert dieses Terms ergibt. Weiters können
gegebenenfalls abgespeicherte Kennlinien, die vorhersehbare Referenz-Änderungen – wie
an sich bekannt – berücksichtigen, gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden,
um die Referenzwert-Angleichung besonders effizient durchzuführen;
es ist demgemäß vorteilhaft, wenn bei der Angleichung
des Referenzwerts (FRef) von einem Referenzwert-Verlauf
auf Basis von abgespeicherten Kennliniendaten ausgegangen wird.
Auch ist es von Vorteil, wenn für einen Motor-Startvorgang
ein vorübergehend vergleichsweise hoher Grenzwert verwendet
wird, um den Referenzwert den beim Startvorgang starken Kraft-Änderungen
rasch anzugleichen. Dabei ist es für eine einfache Berechnung
günstig, wenn ein von ei nem vergleichsweise hohen Anfangswert
exponentiell abfallender Grenzwert verwendet wird.
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Der
vorliegende Ansatz der Kraftverfolgung kann dazu führen,
dass ein Anteil des Einklemmvorgangs ausgeglichen wird und damit
für die Detektion des Einklemmens verloren geht. Um diese
Möglichkeit zu beschränken, wird wie erwähnt
ein eher geringer Grenzwert eingeführt. Ist jedoch ein
höherer Grenzwert vorgegeben, so können nur mehr
relativ steife Objekte mit hohem Kraftanstieg in der Differenzkraft
selektiv hinsichtlich Einklemmen erkannt werden. Bei bestehenden
Einklemmschutz-Algorithmen ist es oft schwierig, sehr steife Objekte
rechtzeitig zu erkennen. Derartige harte Objekte sind beispielsweise
die gemäß der US-Richtlinie FMVSS 118 S5 geforderten
65 N/mm-Federraten, und wenn ein hoher Grenzwert festgelegt wird,
lassen sich derartige steife oder harte Objekte gut erkennen, da
alle anderen „Störungen” stark gefiltert
werden. Es ist nun möglich, eine eigene, zusätzliche
Einklemmerkennung für derartige spezielle Objekte durchzuführen, wobei
ein entsprechend hoher Grenzwert zugrunde gelegt wird, der spezifisch
auf derartige harte Objekte abgestimmt ist. Dies lässt
sich noch weiter ergänzen, indem beispielsweise für
verschiedene spezifische Objekthärten (insbesondere die
gesetzlich geforderten Objekthärten 10 N/mm, 20 N/mm und
65 N/mm) jeweils eine eigene Klemmerkennung, mit einem eigenen Grenzwert,
vorgesehen wird. Dadurch lassen sich ganz spezifische Auslöseschwellen
für die unterschiedlichen Objekthärten festlegen.
Die Klemmkräfte für die unterschiedlichen Objekthärten
können damit auf einfache Weise konstant gehalten werden, wodurch
die Robustheit des Systems erhöht wird.
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Es
ist demgemäß von besonderem Vorteil, wenn für
die Begrenzung ein auf die Steifheit von Einklemm-Objekten abgestellter
Grenzwert festgelegt wird, wobei der Grenzwert umso höher ist,
je höher die Steifheit des Einklemm-Objekts ist; wobei
es weiters günstig ist, wenn zumindest zwei Kraftverfolgungen
mit verschiedenen Grenzwerten zueinander parallel durchgeführt
werden, um für verschieden steife Einklemm-Objekte eigene,
angepasste Angleichungen des Referenzwerts an die Kraft-Werte vorzunehmen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen,
auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme
auf die Zeichnung noch weiter erläutert. In der Zeichnung
zeigen dabei im Einzelnen:
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1 ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform eines mechanischen
Verstellsystems mit einem elektrischen Motor, beispielsweise für
ein Kraftfahrzeug-Fenster oder aber ein Schiebedach, mit Einklemmschutz;
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2 schematisch
ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der tatsächlichen
Kraft Fakt, der Referenzkraft FRef und
des Schwellenwerts FTh sowie weiters der
Position der bewegten Komponente über der Zeit zeigt;
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3 etwas
mehr im Detail den Verlauf der tatsächlichen Kraft im Vergleich
zu einem konstanten Kraft-Referenzwert bzw. zu einer gemäß abgespeicherten
Kennfeldern erhaltenen Referenzkraft-Kennlinie, wobei das Auseinanderlaufen
des erwarteten Kraftverlaufs vom realen Kraftverlauf erkennbar ist;
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4 in
einem der 3 entsprechenden Diagramm den
Verlauf der aktuellen Kraft und den Verlauf der Referenzkraft, und
zwar einmal bei einem vollen Ausgleich gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren und zum anderen bei
einem teilweisen Ausgleich;
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5 in
einem Diagramm einen möglichen Positions-abhängigen
bzw. Zeit-abhängigen Verlauf eines für die erfindungsgemäße „Kraftverfolgung” eingesetzten
Grenzwerts FLimit;
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6 in
einem Diagramm den Verlauf einer Differenz der Schließkraft
abhängig vom Verstellweg, d. h. der Position s, gemäß Stand
der Technik;
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die 7 und 8 in
vergleichbaren Diagrammen einerseits (7) im oberen
Teil einen Verlauf der tatsächlichen Schließkraft
ohne angeglichene Referenz und im unteren Teil den Verlauf einer
Differenzkraft ohne Kraftverfolgung sowie eine zugehörige
Auslöseschwelle, wobei ersichtlich ist, dass ohne die erfindungsgemäße
Angleichung oder Kraftverfolgung ein Fehlreversieren, zufolge einer
falschen Einklemmerkennung, auftreten kann, bzw. (8)
im oberen Teil einen entsprechenden Schließkraft-Verlauf
mit angeglichener Referenz und im unteren Teil der Verlauf der Differenzkraft
bzw. der Auslöseschwelle mit Kraftverfolgung;
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9 in
einem Diagramm den Verlauf der Batteriespannung, d. h. Motor-Versorgungsspannung,
einer Tiefpassgefilterten Spannung und eines „adaptierten” Grenzwerts;
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10 den
Verlauf einer aktuellen Kraft, einer zugehörigen Referenz
bei Angleichung und des zugehörigen Schwellenwerts in einer
Phase des Anlaufens des Motors; und
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11 ein
zur 10 vergleichbares Diagramm, wobei nun jedoch,
anders als in 10, von einem gespeicherten
Kraftwert ausgegangen wird, wobei sich dann ergibt, dass bei Verwendung
der letzten Verschiebekraft, die noch gespeichert ist, als Startwert
das Angleichen der Anlaufphase beschleunigt werden kann, so dass
der stationäre Zustand des Algorithmus früher
erreicht wird.
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In 1 ist
schematisch in einem Blockschaltbild eine Verstelleinrichtung 1 mit
einem elektrischen Motor 2 zum Antreiben einer im Übrigen
nicht weiter dargestellten Kfz-Komponente, wie ein Schiebedach,
dargestellt, wobei zentrale Rechnermittel 3 (CPU 3)
als wesentlicher Bestandteil der Einrichtung 1 vorgesehen
sind, um eine Ansteuerung, z. B. eine PWM-Ansteuerung, des Motors 2 über
einen PWM-Schalter 4 auszuführen; dieser PWM-Schalter 4 ist
in 1 nur schematisch dargestellt und wird in der
Praxis in der Regel z. B. mit Hilfe eines Feldeffekttransistors
(FET) realisiert. Der PWM-Schalter 4 legt entsprechend
einem durch die Rechnermittel 3 vorgegebenen Tastverhältnis
eine Versorgungsspannung UBat, die an Klemmen 5, 6 der
Vorrichtung 1 liegt, an den Motor 2 an. Die tatsächlich
am Motor 2 anliegende Spannung UMot wird
optional mit Hilfe von Messmitteln 7 gemessen, wobei die
entsprechenden Messwerte den Rechnermitteln 3 zugeführt
werden. Weiters ist im gezeigten Beispiel ein Sensor 8 zur Messung
der Drehbewegung, nämlich im Hinblick auf die Erfassung
von Position s, Geschwindigkeit v bzw. Winkelgeschwindigkeit ω und/oder
Kraft des Motors 2 vorgesehen; dieser Sensor 8 kann
zusätzlich oder anstatt der Messmittel 7 für
die Bildung eines Regelsystems vorgesehen sein, und er kann beispielsweise
ein Hallsensor sein. Das Ausgangssignal (Messsignal) des Sensors 8 wird
ebenfalls den Rechnermitteln 3 zugeführt. Weiters
sind die Rechnermittel 3 mit einem Speicher 9 verbunden,
in dem Daten betreffend die mechanische Kennlinie der Verstelleinrichtung 1 bzw.
des mechanischen Systems dieser Verstelleinrichtung abgelegt sind.
Eine mögliche Kennlinie F(t) ist in 3 beispielhaft
mit der Kurve 10 veranschaulicht, wobei ersichtlich ist,
dass sich die Kraft F abhängig von der Zeit t bzw. von
der Position s etwa eines Schiebedachs ändert. Diese sich
mit dem Verstellweg (der Position s) ändernde Kraft F ist
somit der Einrichtung 1 bekannt.
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Aus 1 ist
sodann noch ersichtlich, dass auch Messmittel 11 zur Messung
der Versorgungsspannung UBat vorhanden sind,
wobei die Messwerte ebenfalls den Rechnermitteln 3 zugeführt
werden. Die Rechnermittel 3 bilden in an sich herkömmlicher Weise
PWM-Ansteuermittel für den Motor 2, die durch
ein PWM-Modul 3A in 1 in Kombination mit
dem PWM-Schalter 4 realisiert sind. In Verbindung damit
steht ein durch ein Modul 3B in den Rechnermitteln 3 angedeutetes
Einklemmschutzmodul, wobei zum Einklemmschutzsystem, zu dem auch Schaltrelais 12, 13 gehören,
um nach Reduktion der Motorgeschwindigkeit im Fall der Erkennung
eines Einklemmens, wie an sich bekannt, auch den Motor 2 reversieren
zu können.
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Die
Schaltrelais 12, 13 sind in 1 schematisch
in einer ihrer Normal-Betriebsstellungen gezeigt, wobei sie beim
Reversieren des Motors 2 beide die Schaltstellung wechseln.
In der (nicht gezeigten) Ruhestellung nehmen beide Schaltrelais 12, 13 ihre gemäß 1 obere
Stellung ein, d. h. sie liegen dann beide an der Klemme 5,
wie in 1 beim Schaltrelais 12 mit gestrichelter
Linie angedeutet ist. Der PWM-Schalter 4 ist in der Ruhestellung
offen.
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In
Abwandlung der gezeigten Ausführungsform ist es auch z.
B. denkbar, anstatt der Schaltrelais 12, 13 und
des PWM-Schalters (FET) 4 eine Vollbrücke mit
vier FETs vorzusehen, die von den Rechnermitteln 3 über
die (dann kombinierten) Module 3A, 3B angesteuert
werden, um einerseits die PWM-Ansteuerung des Motors 2 und
andererseits die Motor-Reversierung zu realisieren.
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Es
ergibt sich aus der Darstellung in 1, dass
als vorgegebene Größen die Versorgungsspannung
UBat, optional die Motorspannung UMot und die Motor-Drehzahl ω angesehen
werden können, d. h. diese Größen werden
gemessen, und es wird darauf reagiert. Diese Reaktion betrifft die
PWM-Ansteuerung, wobei mit dem PWM-Modul 3A und dem PWM-Schalter 4 die
Motorspannung UMot eingestellt wird.
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Im
Einzelnen definieren physikalische Gegebenheiten den Zusammenhang
zwischen der Spannung UMot am Motor, der
Kraft F am Motor und der Winkelgeschwindigkeit ω des Motors
wie folgt:
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Die
statische Motorgleichung
UMot =
kω·ω + R·Iführt
zu
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Darin
bedeutet:
- I
- Motorstrom (Ankerstrom)
des Motors 2
- kω
- Proportionalitätsfaktor
(Motorkonstante)
- R
- Ankerwiderstand.
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Wenn
eine weitere Motorkonstante km als Proportionalitätsfaktor
vorgegeben wird, so ist das Drehmoment M des Motors
2 über
diese Konstante km proportional zum Ankerstrom I:
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Mit
dem Radius r der Seilwicklung des Motors und dem jeweils gegebenen Übersetzungsverhältnis ü ergibt
sich die Kraft F am Seilzug und damit am Schiebedach etc. wie folgt:
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Es
ergibt sich somit folgender Zusammenhang zwischen der Kraft F, der
Motorspannung UMot, und der Winkelgeschwindigkeit ω F = k1·UMot + k2·ω,wobei
in dieser Gleichung neben den erwähnten Größen
nur bekannte Systemkonstanten k1, k2 vorkommen.
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Diese
gemäß der vorstehenden Beziehung errechnete Schließkraft
wird gemäß Stand der Technik bei der Einklemmerkennung zugrunde
gelegt. Die Schließkraft ändert sich dabei, wenn
ein Objekt, wie etwa ein Arm, eine Hand oder aber ein Kopf, von
der angetriebenen Komponente, z. B. einem Kfz-Seitenfenster oder
einem Schiebedach, eingeklemmt wird. Die Schließkraft kann
sich jedoch im Betrieb überdies ändern, wenn sich
die Umgebungsbedingungen ändern, ohne dass ein Objekt eingeklemmt
wird. So können sich beispielsweise Reibungskräfte
in Dichtungen aufgrund von Temperaturänderungen ändern und
eine Schließkraft-Schwankung bewirken. Es ist nun erforderlich,
derartige mechanische Kraft-Änderungen aufgrund geänderter
Rahmenbedingungen, wie bei Temperaturänderungen etc., nicht
als Einklemmen eines Objekts zu erkennen, sondern diese mechanischen
Kraftänderungen von durch eingeklemmte Objekte verursachten
Kraftschwankungen sicher unterscheiden zu können.
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Zur
allgemeinen Erläuterung ist in 2 ein Diagramm
veranschaulicht, in dem beispielhaft ein Verlauf der aktuellen Kraft
Fakt, weiters der Verlauf einer Referenzkraft
FRef sowie – parallel zu letzterem – der
Verlauf eines Schwellenwerts, einer Schwellenwertkraft FTh, veranschaulicht sind. Zusätzlich
ist in 2 die Bewegung der angetriebenen Komponente, z.
B. eines Schiebedachs, beim Schließen durch den Verlauf
der Position s gezeigt, wobei im Normalfall dieser Positionsverlauf
etwa linear mit der Zeit erfolgt. Gemäß 2 beginnt
nun in der Position 14, zu einem Zeitpunkt t1,
ein Einklemmvorgang, wobei durch das eingeklemmte Objekt die tatsächliche
Kraft Fakt relativ zur Referenzkraft FRef relativ stark ansteigt, bis der Schwellenwert
FTh zum Zeitpunkt t2,
in der Position 15, erreicht wird. Bei Erreichen des Schwellenwerts
FTh wird vom System, d. h. von den Rechnermitteln 3 in 1,
auf einen Einklemmvorgang entschieden, wobei in der Folge der Motor 2 gestoppt und
reversiert wird, was in Zusammenhang mit dem Verlauf der Position
s in 2 zum Zeitpunkt t3 ange deutet
ist. Bis zum Zeitpunkt t1 laufen jedoch
im Beispiel von 2 die Kräfte Fakt und
FRef einheitlich, d. h. es treten keine
mechanischen Kraftschwankungen auf.
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Derartige
mechanische Kraftschwankungen ergeben sich jedoch beispielhaft aus
den 3 und 4 für die aktuelle
Kraft Fakt, wobei ersichtlich ist, dass es zu einem Auseinanderlaufen
zwischen der Referenzkraft FRef und der
aktuellen Kraft Fakt kommt. Im Diagramm gemäß 3 ist
dabei wie erwähnt zusätzlich noch mit der Kurve 10 der – erwartete – Kraftverlauf
zufolge der abgespeicherten Kennliniendaten eingetragen. Auch in
Zusammenhang mit dieser Kurve 10, die in dem mechanischen System
inhärente Parameter beim erwarteten Kurvenverlauf von vornherein
berücksichtigt, und die bei Installation des Einklemmschutzsystems
anfangs empirisch erfasst werden kann, ist ein allmähliches Entfernen
der aktuellen Kraft Fakt zufolge sonstiger Parameter im mechanischen
System, wie etwa geänderter Reibungswerte, aber auch Auftreten
von Verschmutzungen usw., festzustellen. Dieses Auseinanderlaufen
deutet beispielsweise auf eine (bereichsweise oder allgemeine) mittlerweile
schwergängigere Mechanik hin, und dieses allmähliche
Auseinanderlaufen, diese relativ langsame Abweichung der Kraft Fakt von der Referenzkraft FRef,
soll nun von einem relativ starken Anstieg zufolge eines Einklemmens
eines Objekts unterschieden werden.
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Dies
wird dadurch erzielt, dass im Zuge einer „Kraftverfolgung” der
Referenzwert bzw. die Referenzkraft FRef laufend
an die aktuelle Kraft Fakt angeglichen oder
herangeführt wird. Diese Kraftverfolgung wird jedoch betragsmäßig
begrenzt, um zu verhindern, dass auch Einklemmvorgänge
ausgeglichen werden. Die Begrenzung ist demgemäß so
zu wählen, dass mechanische Kraftveränderungen,
die zu dem Auseinanderlaufen wie in 3 und 4 gezeigt
führen, ausgeglichen oder „gedämpft” werden, wogegen
zufolge der deutlich höheren Anstiegsraten bei Klemmvorgängen,
verglichen mit den mechanischen Schwankungen, eine nur unwesentliche Dämpfung
durch die Kraftverfolgung mit der angeführten Begrenzung
einhergeht.
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Für
dieses begrenzte Angleichen der Referenzwerte FRef an
die aktuelle Kraft Fakt kann beispielsweise
die nachfolgende Beziehung herangezogen werden, wobei in dieser
Beziehung mit FRef(s) die Referenzkraft
in der Position s und Fakt(s) die gemessene
(aktuelle) Kraft der Mechanik in dieser Position s bezeichnet wird;
weiters wird der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Positionen,
wo eine entsprechende Kraftermittlung und Angleichung erfolgt, mit Δs
bezeichnet; somit ergibt sich die Referenzkraft an einer folgenden
Position s + Δs wie folgt: FRef(s + Δs) = FRef(s)
+ min[Fakt(s) – FRef(s),
FLimit]
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In
dieser Beziehung bezeichnet FLimit einen für
die Kraftverfolgung vorzugebenden Grenzwert, d. h. ein „Verfolgungslimit”.
Dieser Grenzwert beschreibt die maximale Steifheit eines gedachten,
in der Mechanik eingeklemmten Objekts, welches durch die Kraftverfolgung
noch voll ausgeglichen wird.
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Die
vorstehende Beziehung gilt für positive Abweichungen, also
für Fakt(s) ≥ FRef(s). Die vorliegende Kraftverfolgung kann
jedoch auch im Fall von negativen Abweichungen vorgesehen werden,
also für Fakt(s) ≥ FRef(s), wobei dann gilt: FRef(s + Δs) = FRef(s) – min[FRef(s) – Fakt(s),
FLimit]
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Im
Idealfall, wenn keine Schwankungen im mechanischen System gegeben
sind, d. h. der Differenzwert ΔF zwischen Fakt und
FRef = 0 ist, ändert sich auch
der Referenzwert FRef nicht. Im Fall von
Differenzen zwischen dem aktuellen Kraftwert Fakt und dem Referenzwert
FRef wird diese Differenz solange zum Ausgleich
herangezogen, d. h. zum vorhergehenden Referenzwert FRef(s)
hinzu addiert oder davon subtrahiert, um zum Referenzwert in der
nächsten Position s + Δs zu kommen, solange dieser
Differenzwert den Grenzwert FLimit nicht übersteigt.
Ansonsten wird der Grenzwert FLimit für
die Angleichung eingesetzt.
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Im
Idealfall ist nun dieser Grenzwert FLimit so gewählt,
dass sich für den angeglichenen Referenzwert FRef der
Verlauf gemäß Kurve 16 in 4 ergibt. Wenn
der Grenzwert FLimit jedoch vergleichsweise kleiner
ist, ergibt sich für den Referenzwert, s. FRef'
in 4, der Verlauf gemäß der Kurve 17.
In diesem Fall liegt ein linearer Anstieg vor, da zu jedem „Abtast”-Intervall Δs
ein konstanter Wert, nämlich FLimit, zum
vorhergehenden Referenzwert hinzu addiert wird. Dies ist jedoch
nur ein Beispiel von mehreren Möglichkeiten.
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Die
vorliegende Methode der Referenzwert-Angleichung lässt
sich beispielsweise mit besonderem Vorteil mit abgespeicherten mechanischen Kennfeldern,
mit Referenzwerten entsprechend dem Kurvenverlauf 10 in 3,
kombinieren, wobei dann als Ausgangs-Referenzwert FRef in
den vorstehenden Beziehungen immer ein Referenzwert entsprechend dieser
Kurve 10 herangezogen wird, also kein konstanter Referenzwert.
Der erhaltene Referenzwert wird dann nicht bloß durch die
beschriebene Kraftverfolgung, ausgehend von einem konstanten Wert
gebildet, sondern er ergibt sich als Summe aus dem Referenzkraftverlauf 10 (gemäß Kennlinie
der Mechanik) und dem Anteil der Kraftverfolgung gemäß den vorstehenden
Beziehungen, bei mechanischen Kraftschwankungen.
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Der
Grenzwert FLimit für die Kraftverfolgung wurde
vorstehend beispielhaft als konstant angenommen. Dies muss jedoch
nicht unbedingt der Fall sein, vielmehr lässt sich bei
der vorlie genden Referenzwert-Angleichung in vorteilhafter Weise
auch ein variabler Grenzwert FLimit verwenden,
wobei mit der Größe des Grenzwerts FLimit den
Gegebenheiten des mechanischen Systems Rechnung getragen werden kann.
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Beispielsweise
kann für den Motor-Startvorgang ein vorübergehend
hoher Grenzwert FLimit vorgesehen werden,
welcher z. B. gemäß einer exponentiellen Kurve
mit dem Fortschreiten der Zeit (bzw. des Wegs) abnimmt, wie aus
dem Diagramm gemäß 5 ersichtlich
ist. In der Startphase wird somit ein hoher Grenzwert FLimit verwendet,
so dass sich auch starke Kraftschwankungen in dieser Startphase
ausgleichen lassen. Dadurch wird erreicht, dass in dieser Phase
der Referenzwert FRef möglichst
sicher der sich in diesem Zeitintervall sehr stark ändernden
aktuellen Kraft Fakt entspricht. Der Grenzwert,
d. h. das Verfolgungslimit, wird dann jedoch allmählich
reduziert, bis der aus 5 im rechten Teil des Diagramms
ersichtliche niedrige, z. B. konstante Wert für den gleichmäßigen
Motorlauf erreicht wird.
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In ähnlicher
Weise können sich auch vorübergehend erhöhte
Grenzwerte FLimit als vorteilhaft erweisen,
etwa wenn abhängig von der Position, z. B. wenn sich ein
Schiebedach in einer bestimmten Position nahe dem Schließzustand
befindet und ein Windabweiser vorliegt, ein mechanisch nicht reproduzierbares
Verhalten (z. B. temperaturabhängig) gegeben ist. Demgemäß kann
in diesem Bereich Positions-abhängig das Verfolgungslimit
erhöht werden, um derartige Störungen besser ausgleichen
zu können.
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Ein
alternativer Ansatz für die Berücksichtigung eines
derartigen erhöhten Kraftanstiegs bei einer bestimmten
(Zwischen)Position, d. h. Problemstelle, wäre, an dieser
Stelle die Auslöseschwelle FTh zu
erhöhen. Wie sich jedoch gezeigt hat, wird dadurch ein
erhöhter Kraftbedarf nach der Problemstelle im Positionsverlauf
(wo ein solcher erhöhter Kraftbedarf auftreten kann) nicht
abgefangen, im Gegensatz zu der vorbeschriebenen Kraftverfolgungs-Technik.
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In
diesem Zusammenhang sei vorab auf das Diagramm gemäß 6 hingewiesen,
das veranschaulicht, dass als Kriterium für die Klemmerkennung
nicht der Absolutwert der Schließkraft herangezogen wird,
sondern die Differenz ΔF zwischen der Schließkraft
zu einem bestimmten Zeitpunkt und der Schließkraft zu einem
definierten Zeitpunkt in der Vergangenheit. Der Abstand dieser Zeitpunkte
wird dabei so gewählt, dass der Steifheit der zu erkennenden
Objekte Rechnung getragen wird. Durch die Differenzbildung fallen
statische Einflüsse weg. Nachteilig an dieser Lösung
ist jedoch, dass ein großer Bedarf an Pufferspeicherplatz
für die Vergangenheits-Vergleichswerte notwendig ist, und
dass nur ein begrenzter Abschnitt aus der Vergangenheit zur Einklemmerkennung
verwendet, weiter zurückliegende Informationen jedoch nicht
genützt werden können.
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In
den 7 und 8 sind nun jeweils im oberen
Teil Kraftverläufe für die aktuelle Kraft Fakt und für die nicht angeglichene
Referenzkraft FRef (7) bzw.
für die angeglichene Referenz FRef (8)
veranschaulicht. Der angeglichene Referenz-Verlauf ergibt sich auf
die vorstehend beschriebene Weise, vgl. insbesondere auch 4.
Es ist ersichtlich, dass im Bereich rund um die Zeit „200
ms” eine Problemstelle im mechanischen System vorliegt.
Gemäß 7 wird nun in diesem Bereich
vorweg die Auslöseschwelle FTh kurzfristig
erhöht, wobei diese Erhöhung in 7 mit 18 bezeichnet
ist. Mit der Kurve 19 ist die Differenzkraft, die ohne
Kraftverfolgung wie vorstehend beschrieben erhalten wird, bezeichnet.
Dabei ist aus dem Diagramm gemäß 7 bei 20 erkennbar,
dass dieser Ansatz gemäß Stand der Technik in nachteiliger
Weise zu einem Fehlreversieren führen würde.
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Wenn
nun gemäß 8 eine nach
dem Prinzip der Kraftverfolgung ermittelte Differenzkraft zugrunde
gelegt wird, vgl. Kurve 21, so wird der – hier beispielsweise
konstante – Schwellenwert, gemäß der
geraden Linie 22, nicht erreicht; es kommt somit im Bereich
der Problemstelle 18 (7) zu keiner
unrichtigen Einklemmdetektion und damit zu keinem Fehlreversieren.
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Außer
diesen Zeit- oder Positions-abhängigen Variationen des
Grenzwerts FLimit können sich veränderliche
(erhöhte) Grenzwerte auch für den Fall von Spannungsschwankungen
der Bordnetzspannung UBat (vgl. 1)
als zweckmäßig erweisen. In diesem Fall kann ein
Anteil in den oben stehenden Beziehungen, der zur Höhe
der Spannungsschwankung proportional ist, zum angegebenen Grenzwert FLimit hinzu addiert werden. Dieser auf die
Spannungsschwankung zurückzuführende Term kann
beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass von der ungefilterten
Spannung UBat(t) ein Spannungswert ULP(t) nach Tiefpass-Filterung subtrahiert
wird. Es ergibt sich daher die folgende Beziehung für diesen modifizierten
Grenzwert FLimit': FLimit' = FLimit +
k·|UBat(t) – ULP(t)|
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Dabei
ist k ein Systemparameter, der angibt, wie stark der Grenzwert in
Abhängigkeit von der Höhe des Spannungsstroms
zu vergrößern ist. Dieser Systemparameter k kann
im vorhinein empirisch ermittelt werden. In 9 ist beispielhaft
ein entsprechender Verlauf von FLimit (bzw.
FLimit) in Verbindung mit einer sprunghaft
ansteigenden Batteriespannung UBat und einer
Tiefpass-gefilterten Spannung ULP gezeigt.
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Anstatt
des konstanten Systemparameters k ist es auch denkbar, einen Parameter
k in Abhängigkeit von der Spannung U, also k(U), zu verwenden, wobei
ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen k und U möglich
ist. Insbesondere ist es hier denkbar, dass ein quadratischer Zusammenhang
zwischen k und U gegebenen ist, d. h. dass sich der Parameter k quadratisch
mit der Höhe des Spannungssprungs erhöht.
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Beispielsweise
steigt die Batteriespannung am Ende eines Cranking-Impulses an,
und bei einem derartigen Spannungsanstieg kann ein Kraftverlauf entstehen,
der jenem gemäß 7 und 8 entspricht.
Durch einen entsprechend erhöhten Grenzwert FLimit'
lässt sich dieser Einfluss eliminieren, so dass ein Fehlreversieren
vermieden wird.
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Eine
weitere vorteilhafte Variante ergibt sich, dass dann, wenn die letzte
Verschiebebewegung nur eine kurze Zeit zurückliegt, die
Verschiebekraft relativ gut konstant bleibt. Es kann dann für
diesen Sonderfall einer nur kurzen Unterbrechung die letzte Verschiebekraft
als Startwert für die Referenzkraft FRef verwendet
werden, wodurch der Startwert der Kraftverfolgung besser angepasst
und die Startphase verkürzt werden kann, so dass der stationäre
Zustand des Algorithmus früher erreicht wird. Dies ergibt
sich aus einem Vergleich der 10 mit 11,
wobei in 10 nach einem Abschalten der
Verschiebebewegung bei einem knapp danach liegenden Neustarten der
Verschiebebewegung auch die Kraftverfolgung praktisch bei Null gestartet
wird, so dass es eine relativ lange Zeitdauer erfordert, bis der
Referenzwert FRef an die aktuelle Kraft
Fakt herangeführt ist. Wenn jedoch, wie in 11 dargestellt,
der beim Abschalten des Motors gegebene Wert der Verschiebekraft gespeichert
und als Startwert für die Kraftverfolgung, für
den Referenzwert FRef, herangezogen wird, kann eine
raschere Angleichung des Referenzwerts an die tatsächliche
Kraft Fakt erzielt werden.
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Wenn
die Erfindung vorstehend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen
erläutert wurde, so sind doch weitere Abwandlungen und
Modifikationen im Rahmen der Erfindung möglich. So ist
es beispielsweise auch denkbar, die beschriebene Kraftverfolgung
in zueinander parallel durchgeführten Berechnungsvorgängen
mit verschiedenen Grenzwerten, abgestimmt auf verschiedene Steifheiten
von Objekten, durchzuführen. So lässt sich mit
einem höheren Grenzwert erreichen, dass nur besonders steife
Objekte mit einem hohen Kraftanstieg berücksichtigt werden.
Es ist manchmals erwünscht und dabei nicht einfach, sehr
steife Objekte rechtzeitig zu erkennen. Derartige harte Objekte
sind beispielsweise 65 N/mm-Federn, wie sie in der US-Richtlinie
FMVSS 118 S5 gefordert werden. Wenn nun ein relativ hoher
Grenzwert festgelegt wird, lassen sich derartige steife bzw. harte
Objekte gut erkennen, da alle anderen Störungen stark gefiltert
werden. Es ist daher denkbar, eine zusätzliche, gesonderte
Einklemmerkennung für derartige steife Objekte – parallel
zur Einklemmerkennung bei weicheren Objekten – durchzuführen,
um so spezifisch derartige harte, steife Objekte zu erkennen. Dieser Ansatz
kann verallgemeinert werden, indem für vorgegebene spezifische
Objekthärten, insbesondere für die gesetzlich
geforderten Objekthärten 10 N/mm, 20 N/mm und 65 N/mm,
jeweils eine eigene Klemmerkennung, mit eigener Angleichung des
Referenzwerts unter Verwendung eines eigenen, auf die jeweilige
Objekthärte abgestimmten Grenzwerts, durchgeführt
wird. Dadurch können ganz spezifische Auslöseschwellen
FTh für unterschiedliche Objekthärten vorgegeben
werden.
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Im Übrigen
kann die Erfindung selbstverständlich auch bei Verstelleinrichtungen 1 ohne PWM-Ansteuerung
(wie in 1 gezeigt) angewendet werden,
wobei andere Ansteuerungen, insbesondere Relais-Ansteuerungen, im
Stand der Technik bekannt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102007050173
B3 [0007]
- - DE 19633941 A1 [0007]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - US-Richtlinie
FMVSS 118 S5 [0017]
- - US-Richtlinie FMVSS 118 S5 [0063]
