DE102010012058A1

DE102010012058A1 - Verfahren zur Steuerung des Schließvorgangs von Schließvorrichtungen mit einem elektromotorisch angetriebenen, bewegten Element

Info

Publication number: DE102010012058A1
Application number: DE201010012058
Authority: DE
Inventors: Matthias Steinbach; Dr. Paschen Hartmut; Dr. Maß Martin; Dr. Kiel Henning
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2011-09-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Schließvorgangs von Schließvorrichtungen mit einem elektromotorisch angetriebenen, bewegten Element wobei zur Gewährleistung eines Einklemmschutzes eine Erkennung einer Hindernissituation des bewegten Elementes durch Auswerten einer für die Belastung des Elektromotors charakteristischen, als Messgröße fungierenden Motorkenngröße des Elektromotors vorgesehen ist, und wobei eine Aktivierung des Einklemmschutzes erst an einem nach Beendigung einer unmittelbar nach der Ansteuerung des Elektromotors beginnenden Anlaufphase der Schließvorrichtung erreichten Aktivierungswegpunkt auf dem während der Verstellung zurückgelegten Motorweg des Elektromotors erfolgt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Länge eines zwischen der Ansteuerung des Elektromotors und dem Erreichen eines ersten Schwellwertes der Änderungsrate der Motorkenngröße als Funktion des Motorweges zurückgelegten Beschleunigungsabschnitts des Motorweges bestimmt wird, dass nachfolgend ein mit dem Erreichen eines zweiten Schwellwertes der Änderungsrate der Motorkenngröße erreichter Startpunkt eines Abbremsabschnitts des Motorweges bestimmt wird, und dass der Aktivierungswegpunkt zur Aktivierung des Einklemmschutzes als der Punkt des Motorweges vorausberechnet wird, der mit dem Zurücklegen eines der mit einem konstanten Faktor multiplizierten Länge des Beschleunigungsabschnitts entsprechenden Weges, gemessen vom Startpunkt des Abbremsabschnitts an erreicht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Schließvorgangs von Schließvorrichtungen mit einem elektromotorisch angetriebenen, bewegten Element wobei zur Gewährleistung eines Einklemmschutzes eine Erkennung einer Hindernissituation des bewegten Elementes durch Auswerten einer für die Belastung des Elektromotors charakteristischen, als Messgröße fungierenden Motorkenngröße des Elektromotors vorgesehen ist, und wobei eine Aktivierung des Einklemmschutzes erst an einem nach Beendigung einer unmittelbar nach der Ansteuerung des Elektromotors beginnenden Anlaufphase der Schließvorrichtung erreichten Aktivierungswegpunkt auf dem während der Verstellung zurückgelegten Motorweg des Elektromotors erfolgt.
Zum Betrieb eines elektromotorisch angetriebenen Elementes werden Verfahren eingesetzt, mit denen Hindernissituationen, beispielsweise Einklemmfälle, detektierbar sind. Derartige Verfahren werden beispielsweise zum Betrieb eines Fensterhebermotors zum Schließen einer Scheibe eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Mit dem Verfahren soll sichergestellt werden, dass beim Schließen der Scheibe keine Gegenstände, insbesondere keine Körperteile von Personen, in dem sich schließenden Scheibenspalt eingeklemmt werden. Für die bei solchen, als Einklemmfällen bezeichneten Ereignissen auftretenden Einklemmkräfte, gibt es länderspezifische, gesetzliche Vorschriften, die die jeweils maximal zulässigen Kraftwerte spezifizieren.
Als für die Belastung des Elektromotors charakteristische, als Messgröße fungierende Motorkenngröße wird dabei z. B. der direkt etwa über einen Messwiderstand (Shunt) zu messende Motorstrom oder die Motordrehzahl benutzt. Letztere wird in aller Regel durch Anordnen eines in Umfangsrichtung mehrpolig ausgebildeten Magneten auf der Ankerwelle des Antriebsmotors bereitgestellt, indem die jeweilige Polarität mit einem ortsfesten Hall-Sensor bzw. mit einer ortsfesten Hall-Sensoranordnung erfasst wird. Über die zeitliche Länge einer erfassten Polarität, die einem bestimmten Drehwinkelbetrag der Motordrehbewegung bzw. einem bestimmten Motorweg entspricht, ist die Drehgeschwindigkeit ermittelbar. Bei einem Einklemmfall erhöht sich der Motorstrom bzw. es verringert sich die Motordrehzahl, da der Motor durch das Hindernis abgebremst wird.
Zur Detektion einer solchen Hindernissituation bzw. eines solchen Einklemmfalles kann im einfachsten Fall etwa die Drehzahl des Motors mit einem vordefinierten Schwellwert verglichen werden. Die Größe des Schwellwertes ist dabei so konzipiert, dass bei einer Schließbewegung der Scheibe unter Normalbedingungen der Schwellwert nicht unterschritten wird. Wird dieser auch als Abschaltwert bezeichnete Schwellwert unterschritten, deutet dies auf einen Einklemmfall hin. Zur Verifikation, dass bei Unterschreiten des Abschaltwertes mit größerer Wahrscheinlichkeit ein Einklemmfall tatsächlich gegeben ist, werden wenige weitere Drehzahlwerte ebenfalls ausgewertet. Unterschreiten diese ebenfalls den Abschaltwert, wird auf das Vorliegen eines Einklemmfalles geschlossen und der Motor zum Reversieren und damit zum Absenken der Scheibe umgeschaltet.
Ein besonderes Problem beim Einsatz solcher Verfahren ergibt sich bei einem so genannten Motoranlauf aus Gegenrichtung, d. h. nach einer vorausgegangenen Öffnungsbewegung des Fensters wird eine Schließbewegung eingeleitet. Das typische Drehzahlmuster hierbei ergibt sich daraus, dass der Motor anfangs ohne Last fast im Leerlauf betrieben wird, bis das mechanische Spiel (Seillose, Systemlose, Umkehrspiel) ausgeglichen ist. Danach wird der Motor durch die zusätzliche mechanische Last (Heber-Mechanik, Scheibe, Reibung) aus der Leerlaufdrehzahl wieder bis zur Drehzahl, die der normalen Verfahrgeschwindigkeit der Scheibe entspricht, abgebremst.
Der hierbei zu beobachtende Drehzahlverlauf, insbesondere die Abbremsphase bis zu einer Nenndrehzahl, die näherungsweise der Drehzahl im kontinuierlichen Lauf entspricht, ähnelt sehr stark dem Verlauf bei einem Einklemmvorgang, so dass dieser Fall von dem zuvor beschriebenen Einklemmschutzalgorithmus als Einklemmfall fehlinterpretiert würde.
Zur Überwindung dieses Problems sehen vorbekannte Verfahren zur Steuerung des Schließvorgangs von Schließvorrichtungen mit Einklemmschutz eine Deaktivierung des Einklemmschutzes während eines Motoranlaufs aus Gegenrichtung für eine bestimmte Strecke oder Zeit vor. Diese Strecke bzw. Zeit ergibt sich als Maximum aller gemessenen und zu erwartenden Längen des Anlauf-Drehzahlmusters zuzüglich einer Reserve. Dabei müssen viele verschiedene Einflussgrößen wie z. B. die Versorgungsspannung des Motors, Seillose, Umgebungstemperatur, Toleranzen von Bauteilen, Alterung u. s. w auch in Kombination miteinander berücksichtigt werden. Für die meisten realen Systeme und Betriebsbedingungen ist der Anlauf dann aber überkompensiert, und der Einklemmschutz wird erst dann wieder freigegeben, wenn möglicherweise schon eine erhebliche, insbesondere über den gesetzlich vorgeschriebenen Werten liegende Einklemmkraft auf den Körper wirkt.
Solche erhöhten Einklemmkräfte können beispielsweise dann auftreten, wenn der Fensterheber ein Stück geöffnet wird, ein Einklemmkörper mit Kontakt sowohl zum Türrahmen als auch zur Scheibenkante eingebracht wird, und das Fenster dann geschlossen wird. Dabei wirkt, direkt nachdem die Scheibe in Bewegung gesetzt wird, eine Einklemmkraft auf den Körper.
Um auch in solchen Situationen ein Reagieren des Einklemmschutzes schon bei Einklemmkräften in etwa wie bei einem kontinuierlichen Lauf zu gewährleisten, ist es daher notwendig, die Dauer der Einklemmschutzdeaktivierung bei einem Motoranlauf aus Gegenrichtung so zu wählen, dass einerseits eine Fehlinterpretation des Anlauf-Drehzahlverlaufs vermieden wird, andererseits ein zusätzlicher Einklemmfall direkt nachdem die Kraft auf den Körper wirkt, detektiert wird.
Dies gelingt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, dass die Länge eines zwischen der Ansteuerung des Elektromotors und dem Erreichen eines ersten Schwellwertes der Änderungsrate der Motorkenngröße als Funktion des Motorweges zurückgelegten Beschleunigungsabschnitts des Motorweges bestimmt wird, dass nachfolgend ein mit dem Erreichen eines zweiten Schwellwertes der Änderungsrate der Motorkenngröße erreichter Startpunkt eines Abbremsabschnitts des Motorweges bestimmt wird, und dass der Aktivierungswegpunkt zur Aktivierung des Einklemmschutzes als der Punkt des Motorweges vorausberechnet wird, der mit dem Zurücklegen eines der mit einem konstanten Faktor multiplizierten Länge des Beschleunigungsabschnitts entsprechenden Weges, gemessen vom Startpunkt des Abbremsabschnitts an erreicht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass der zur Skalierung der Länge des Beschleunigungsabschnitts vorgesehene konstante Faktor gleich Eins gewählt wird.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur beschreiben, die als durchgezogene Kurve einen typischen Verlauf der Drehzahl N eines Antriebsmotors als Funktion des bei der Verstellung zurückgelegten Motorweges s bei Motoranlauf aus Gegenrichtung, sowie als gestrichelte Kurve die Änderungsrate dieser Drehzahl, also die erste Ableitung der Drehzahl nach dem Weg dN/ds zeigt.
Im Verlaufe der Verstellung wird beispielsweise durch einen in Umfangsrichtung mehrpolig ausgebildeten, auf der Ankerwelle des Antriebsmotors angebrachten Magneten ein seiner jeweiligen Polarität entsprechendes Signal an einem demgegenüber ortsfesten Hall-Sensor hervorgerufen. Bei jedem durch den Hall-Sensor erfassten Wechsel der Polarität wird die zeitliche Länge der zuvor erfassten Polarität bestimmt, und daraus über den der Polarität entsprechenden Drehwinkelbetrag die aktuelle Drehzahl N ermittelt. Der aktuelle Motorweg s wird dabei durch Zählung der Anzahl der Polaritätswechsel vom Beginn der Verstellung an ermittelt. Die Drehzahl N ist in dem gezeigten Diagramm gegen den Motorweg s aufgetragen.
In dem dargestellten Drehzahlverlauf N(s) bei einem Anlauf aus Gegenrichtung entspricht der Weg s_acc der Beschleunigungsphase, d. h. von der Aktivierung des Motors bei s = 0 und N = 0 bis zum Erreichen der Leerlaufdrehzahl N₀, näherungsweise dem Weg s_dec der Abbremsphase, d. h. bis zum Erreichen der Lastdrehzahl N_L.
Dieser Umstand lässt sich erklären durch eine Betrachtung der Geschwindigkeitsfunktionen der zeitlich versetzt zueinander beginnenden Vorgänge Beschleunigung und Abbremsung.
In der Beschleunigungsphase des beim Zeitpunkt t = 0 gestarteten Elektromotors folgt die Drehzahlkurve N(t) einer Exponentialfunktion von der Drehzahl 0 auf die Leerlaufdrehzahl N₀. N_acc(t) = N₀ – (N₀·e^–t/τ)
In der Abbremsphase eines ohne Last mit Leerlaufdrehzahl laufenden Motors nach Zuschalten der Last zum Zeitpunkt t = 0 folgt die Drehzahlkurve N(t) einer Exponentialfunktion von der Leerlaufdrehzahl N₀ auf die Lastdrehzahl N_L. N_dec(t) = N_L – ((N_L – N₀)·e^–t/τ)
Diese Vorgänge sind bei dem tatsächlichen Anlauf überlagert und zeitlich gegeneinander verschoben, so dass sich für das Gesamt-Drehzahlsignal des beim Zeitpunkt t = 0 gestarteten und zum Zeitpunkt t = tb mit der Last beaufschlagten Elektromotors ergibt: N_dec(t) = N_L – ((N_L – N_acc(tb))·e^–(t-tb)/τ)
Die charakteristische Konstante τ und damit im Umkehrschluss die benötigte Zeit wird im wesentlichen durch das Trägheitsmoment des Motorankers bestimmt. Die zusätzlich eingebrachte Last durch das Fensterhebersystem ist durch die hohe Getriebeuntersetzung und die geringen Massen demgegenüber vernachlässigbar. Weiterhin sind Weg und Zeit in dem relevanten Arbeitsbereich näherungsweise proportional so dass alternativ auch eine Weginformation genutzt werden kann. Im folgenden wird beispielhaft die Bezugsgröße Weg genutzt, für die Bezugsgröße Zeit gilt näherungsweise das gleiche. Eine zusätzliche Abbremsung nach diesem Weg kann vollständig einem Einklemmfall durch einen zusätzlich eingebrachten Einklemmkörper zugeordnet werden. Diese Gesetzmäßigkeit, die Gültigkeit der Näherungen sowie die Vernachlässigbarkeit des typischen Messrauschens und der typischen Messwertungenauigkeiten wurde anhand von Messdaten an zahlreichen Fahrzeug-Türen verschiedener Hersteller unter verschiedenen Betriebsbedingungen verifiziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren startet mit einem deaktivierten Einklemmschutz bei Motorstart, misst den Weg der Beschleunigungsphase, detektiert den Anfang der Abbremsphase und reaktiviert und initialisiert den Einklemmschutz nachdem ab diesem Wegpunkt zusätzlich der Weg der Beschleunigungsphase zurückgelegt wurde.
Die Position der Ansteuerung des Motors beim Motorweg s = 0 wird als Beginn der Beschleunigungsphase definiert. Als Kriterium für das Ende der Beschleunigungsphase wird das Erreichen bzw. Unterschreiten eines ersten Schwellwertes (limit accelerate, l. a.; waagerechte, punktierte Linie) der Drehzahländerungsrate, d. h. mathematisch ausgedrückt der 1. Ableitung dN/ds der Drehzahl N nach dem Motorweg s verwendet. Der Weg Δs_acc für die Beschleunigungsphase ergibt sich als Differenz aus dieser Positionen (senkrechte, punktierte Linie) und s = 0. Als Kriterium für den Beginn der Abbremsphase wird das Erreichen bzw. Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes (limit decelerate, l. d.; waagerechte, strichpunktierte Linie) der Drehzahländerungsrate dN/ds verwendet. Der Weg zwischen dem Ende der Beschleunigungsphase und dem Beginn s_B der Abbremsphase (senkrechte, strichpunktierte Linie) wird im wesentlichen durch die aktuelle Seillose (Systemlose, Umkehrspiel) bestimmt. Die Länge des Weges Δs_dec der Abbremsphase ist, wie weiter oben erläutert, identisch mit der Länge des Weges Δs_acc der Beschleunigungsphase.
Die Position des Endes der Abbremsphase und somit die Position s_Act zur Reaktivierung des Einklemmschutzes ergibt sich als Summe aus der Position s_B des Beginns der Abbremsphase und des Weges Δs_acc der Beschleunigungsphase, d. h. s_Act = s_B + Δs_acc.
Wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber vorbekannten Verfahren des Standes der Technik ist, dass zum einen immer exakt die Gegebenheiten des individuellen Systems und die aktuellen Betriebsbedingungen berücksichtigt werden, und zum anderen der Einklemmschutz-Algorithmus den reinen, vollständigen Einklemmfall und nicht zusätzlich Teile des Abbremsvorgangs oder nur einen Bruchteil des Einklemmfalls detektiert.

Claims

Verfahren zur Steuerung des Schließvorgangs von Schließvorrichtungen mit einem elektromotorisch angetriebenen, bewegten Element wobei zur Gewährleistung eines Einklemmschutzes eine Erkennung einer Hindernissituation des bewegten Elementes durch Auswerten einer für die Belastung des Elektromotors charakteristischen, als Messgröße fungierenden Motorkenngröße (N) des Elektromotors vorgesehen ist, und wobei eine Aktivierung des Einklemmschutzes erst an einem nach Beendigung einer unmittelbar nach der Ansteuerung des Elektromotors beginnenden Anlaufphase der Schließvorrichtung erreichten Aktivierungswegpunkt (s_Act) auf dem während der Verstellung zurückgelegten Motorweg (s) des Elektromotors erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (Δs_acc) eines zwischen der Ansteuerung des Elektromotors und dem Erreichen eines ersten Schwellwertes (l. a.) der Änderungsrate (dN/ds) der Motorkenngröße (N) als Funktion des Motorweges (s) zurückgelegten Beschleunigungsabschnitts des Motorweges bestimmt wird, dass nachfolgend ein mit dem Erreichen eines zweiten Schwellwertes (l. d.) der Änderungsrate der Motorkenngröße erreichter Startpunkt (s_B) eines Abbremsabschnitts des Motorweges bestimmt wird, und dass der Aktivierungswegpunkt (s_Act) zur Aktivierung des Einklemmschutzes als der Punkt des Motorweges vorausberechnet wird, der mit dem Zurücklegen eines der mit einem konstanten Faktor (k) multiplizierten Länge (Δs_acc) des Beschleunigungsabschnitts entsprechenden Weges, gemessen vom Startpunkt (s_B) des Abbremsabschnitts an erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die als Messgröße fungierende Motorkenngröße (N) des Elektromotors die Motordrehzahl ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Faktor (k) gleich Eins ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Steuerung einer Schließbewegung einer elektromotorisch angetriebenen Scheibe eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird.