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Technisches
Gebiet
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In Kraftfahrzeugen kommen heute zunehmend
elektrische Fensterheber und elektrisch betätigte Hub-/Schiebedächer zum
Einsatz. Deren Stellantriebe sind in der Regel als elektrische Antriebe ausgebildet
und werden über
das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit Spannung versorgt. Zur Vermeidung
des Einklemmens gefährdeter
Körperteile
wie Hals, Kopf, Finger etc. von Fahrzeuginsassen werden Vorrichtungen
zum Einklemmschutz eingesetzt, die bei Erkennung eines Hindernisses
im Verfahrweg der zu bewegenden Fensterscheibe oder im Verfahrweg
des zu bewegenden Schiebedaches ein Abschalten des betreffenden
Stellantriebes bewirken. Dazu kann beispielsweise ein beim Einklemmvorgang
auftretender Stromanstieg im betreffenden elektrischen Antrieb herangezogen
werden.
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Stand der
Technik
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Bei bisher eingesetzten Vorrichtungen
zur Realisierung eines Einklemmschutzes einer elektrisch betätigten Fensterscheibe
oder eines elektrisch betätigten
Hub-/Schiebedaches wird als Abschaltkriterium der Stromantrieb des
elektrischen Antriebes herangezogen. Das Problem der Strommessung
am elektrischen Antrieb sind jedoch die vielen sich ändernden
Größen, die
den Strom selbst beeinflussen. Zu den sich permanent ändernden
Größen sind
zum Beispiel die schwankende Versorgungsspannung innerhalb des Bordnetzes
eines Kraftfahrzeuges zu zählen
sowie die sich in Abhängigkeit
von der Eigenerwärmung
des Motors ändernde
Stromaufnahme. Ferner ist zu berücksichtigen,
daß sich durch
die Krümmung
beispielsweise einer Fensterscheibe die Belastung eines als Fensterheberantrieb dienenden
elektrischen Antriebes ändert,
was Auswirkungen auf die Stromaufnahme des betreffenden elektrischen
Antriebes hat. Die jeweilige Position der elektrisch betätigten Fensterscheibe
bzw. des elektrisch betätigten
Hub-/Schiebedaches ist in der Regel unbekannt, so daß durch
den Stromanstieg nicht unterschieden werden kann, ob gefährdete Körperteile eingeklemmt
werden oder ob das Fenster lediglich in seine es umschließende Gummidichtung
einfährt und
seine Schließlage
erreicht.
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Aus
EP 0 047 812 A2 ist ein Verfahren zur elektronischen
Betätigung
und Überwachung
des Öffnungs-
und Schließzyklus
von elektrisch betätigbaren
Aggregaten wie Fensterheber und elektrisch betätigten Schiebedächern, insbesondere
von Kraftfahrzeugen bekannt geworden. Der an das gleichspannungsgespeiste
Bordnetz angeschlossene elektrische Stellantrieb ist über elektrische
Schalter, insbesondere Tastschalter betätigbar. Beim Öffnen des Aggregates
wird gemäß der Lösung nach
EP 0 047 812 A2 der
zurückgelegte
Weg elektronisch erfaßt und
beim Schließen
des Aggregates der zuvor erfaßte Öffnungsweg
mit dem jeweils zurückgelegten Schließweg elektronisch
verglichen. Ferner wird beim Schließen die Drehzahl des elektronischen Stellantriebes
erfaßt
und mit einem konstanten Richtwert elektronisch verglichen, wobei
bei einer Verminderung der Drehzahl des elektrischen Stellantriebes während des
Schließvorganges
der Stellantrieb abgeschaltet wird. Das vorgeschlagene Verfahren
wird an einer elektrischen Schaltungsanordnung durchgeführt, an
welcher zwischen einem mittels Schalter betätigbaren elektrischen Antrieb
und zwischen dem jeweiligen Öffnungs-
bzw. Schließschalter
ein Relais angeschlossen ist. Zwischen den Schaltern und dem Relais
ist ein vom Bordnetz gespeister Mikrocomputer in den elektrischen
Stromkreis integriert, der eingangsseitig von einem Taktgeber mit
konstanter Impulsfrequenz angesteuert wird. Weiterhin ist dieser eingangsseitig
vom Öffungs-
und Schließschalter und
von einem Sensor angesteuert, der zudem ausgangsseitig die Relais
des Stell-antriebes ansteuert. Der Sensor ist als Erfassungselement
für die
Geschwindigkeit des Motors, des Stellantriebes bzw. des zu verstellenden
Aggregates ausgebildet, wobei die vom Sensor erfaßten Impulse
dem Mikrocomputer zugeführt
werden. Von diesem werden sowohl zur Überwachung der Gleichmäßigkeit
der Aggregatgeschwindigkeit Impulse mit den Taktimpulsen des Taktgebers
verglichen, zur Erfassung des Stellweges abgespeichert und je nach
Richtung der Bewegung, ausgehend vom normierten Zustand, addiert
oder subtrahiert.
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Darstellung der Erfindung
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Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren
ist es möglich,
nur noch eine sensitive Anordnung einzusetzen, mit deren Hilfe die
Drehrichtung eines elektrischen Stellantriebes erkannt werden kann.
Durch den Einsatz nur einer sensitiven Anordnung läßt sich
eine erhebliche Vereinfachung und Verbilligung einer Vorrichtung
zur Drehrichtungserkennung realisieren. Um dies zu erreichen, wird
ein asymmetrisches Signal eines Drehzahlgebers in einer Differentiationsstufe
differenziert. Aus dem Ergebnis der Differentia tion des asymmetrischen
Signals wird auf die Drehrichtung des entsprechenden Stellantriebes
geschlossen.
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Bei Betrachtung eines Zeitintervalles
von 0 bis 360 Zeiteinheiten liefert die Differentiation des asymmetrischen
Signals eines Drehzahlgebers, dem eine Fensterscheibe bzw. ein Schiebedach
zugeordnet ist, in einem Zeitintervall 0 < t < 300
eine positive kleine Steigung. In dem aus der Asymmetrie des Signals
des Drehzahlgebers resultierenden Zeitbereich 300 < t < 360 liefert die
Differentiation eine negative große Steigung. Dies gilt für eine erste
Drehrichtung des Stellantriebes, zum Beispiel die positive Drehrichtung.
Bei negativer Drehrichtung des elektrischen Stellantriebes resultiert
aus der Differentiation des asymmetrischen Signals des Drehzahlgebers
in einem Zeitbereich 0 < t < 300 eine negative
kleine Steigung, während
im Zeitbereich 300 < t < 360 eine positive
große
Steigung ermittelt wird.
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Aus einer schaltungstechnischen Auswertung
oder einer Auswertung des erhaltenen differenzierten Signals des
Drehzahlgebers mit Triggerschwellen, kann das Über- oder Unterschreiten der Triggerschwellen
bewertet werden. Wird eine negative Triggerschwelle unterschritten
(hinsichtlich des Betrages demnach überschritten), so handelt es
sich wn die positive Drehrichtung des elektrischen Stellantriebes,
während
bei Überschreitung
einer positiven Triggerschwelle auf eine negative Drehrichtung des
elektrischen Stellantriebes zum Antrieb einer Fensterscheibe bzw.
eines Schiebedaches geschlossen werden kann.
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Zur Auswertung ist ein asymmetrisches Drehzahlsignal
erforderlich, was zum Beispiel als ein sägezahnförmig ausgebildetes Signal vorliegen kann,
wobei ein exakt sägezahnförmig verlaufendes Signal
nicht zwingend erforderlich ist. Es reicht vielmehr aus, daß innerhalb
einer Periode um einen ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt
das differenzierte Drehzahlfühlersignal
zwei deutlich unterschiedliche Werte aufweist, anhand derer in der
zuvor beschriebenen Art und Weise auf die Drehrichtung des elektrischen
Stellantriebes zum Antrieb einer Fensterscheibe bzw. zum Antrieb
eines Schiebedaches geschlossen werden kann.
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Innerhalb einer Auswerteschaltung
erfolgt die Auswertung von Drehzahlfühlersignalen, die drehzahlunabhängig sind.
Eine diese verarbeitende sensortechnische Anordnung ist zum Beispiel
dadurch gegeben, daß eine
Drehwinkelmessung durch ein Hall-Element erfolgt, welches von einem
zum Zentrum versetzt angeordneten Magneten umkreist wird. Bei Einsatz
passiver induktiver Drehzahlsensoren, d.h. Drehzahlfühlersignalen,
die drehzahlabhängig
sind, werden die Triggerpegel auf die Amplituden des differenzierten
Drehzahlfühlersignals
abgestimmt. Bei der Auslegung der Triggerstufen sind die Triggerpegel
so zu bestimmen, dass bei langsamen Drehzahl und somit niedrigen
Amplituden auch die beiden Triggerpegel entsprechend niedrig gehalten werden,
so dass die Aufnahme von Signalen möglich ist.
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Es können Liifterräder, die
beispielsweise in Anbauaggregaten einer Verbrennungskraftmaschine im
Kraftfahrzeug eingesetzt werden und die schräggestellte Flügel enthalten,
zur Signalerzeugung herangezogen werden. Werden die einzelnen Flügel , eines
Lüfterrades
beispielsweise aus einem magnetisch leitfähigen Material gefertigt oder
mit diesen an geeigneten abtastbaren Stellen beschichtet, kann mit einem
Magnet/Hall-Sensor-System – etwa
in axialer Anordnung – die
erforderliche Kurvenform, d.h. ein asymmetrisch über die Zeit verlaufendes Signal
erzeugt werden.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend
eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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1 eine
mögliche
Auswerteschaltung zur Auswertung eines differenzierten Drehzahlsignals,
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1a, 1b Ausführungsformen von Sensorelementen
zur Erzeugung asymmetrischer Drehzahlsignale,
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2 eine
Schaltskizze für
eine Auswerteschaltung mit zwei Triggerstufen,
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3 einen
Signalverlauf eines asymmetrischen Drehzahlsignals für eine erste
Drehrichtung,
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4 einen
Signalverlauf eines asymmetrischen Drehzahlsignals für eine zweite
Drehrichtung,
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5 die
Verläufe
des Drehzahlfühlersignales,
des Triggerpegels und des differenzierten Drehzahlfühlersignales
für eine
erste Drehrichtung eines elektrischen Antriebes und
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6 die
Verläufe
von Drehzahlfühlersignal, Triggerpegel
und differenziertem Drehzahlfühlersignal,
jeweils aufgetragen über
die Zeitachse für
eine zweite Drehrichtung des elektrischen Stellantriebes,
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7 eine
Lüfterradanordnung
in perspektivischer Anordnung und
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8 die
Darstellung eines Zahnrades mit sägezahnförmig ausgebildeten Zähnen.
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Ausführungsvarianten
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1 ist
eine mögliche
Ausführungsvariante einer
Auswerteschaltung zur Auswertung eines differenzierten Drehzahlsignals
zu entnehmen.
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Aus der Darstellung gemäß 1 geht in schematischer
Form ein elektrischer Antrieb hervor, der beispielsweise in Kraftfahrzeugen
zur Betätigung einer
Fensterscheibe oder zur Bewegung eines Hub-/Schiebedaches eingesetzt
werden kann. Der elektrische Stellantrieb 1 ist mit dem
Versorgungsspannungsnetz eines Kraftfahrzeuges verbunden und dreht
in eine erste als auch in eine zweite Drehrichtung. Dem elektrischen
Stellantrieb 1 ist ein Drehzahlgeber 2 zugeordnet,
der abhängig
von der Drehrichtung des elektrischen Stellantriebes 1 ein
asymmetrisches Drehzahlsignal 3 ermittelt. Dabei kann es sich
um ein erstes asymmetrisches Drehzahlsignal 30 oder um
ein zweites asymmetrisch verlaufendes Drehzahlsignal 50 handeln.
Diese sind in 1 als etwa
sägezahnförmig ausgebildete
Signalverläufe dargestellt.
Die vom Drehgeber 2 erfaßten asymmetrischen Drehzahlsignale 30, 50 des
elektrischen Stellantriebes 1 werden in einer dem Drehzahlgeber 2 nachgeschalteten
Differentiationsstufe 4 differenziert.
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Der dem elektrischen Antrieb 1 für einen Fensterheber
oder für
ein Hub-/Schiebedach innerhalb eines Kraftfahrzeuges zugeordnete
Drehzahlgeber 2, kann zum Beispiel gemäß 1a scheibenförmig ausgebildet werden. Die
Scheibe 7 des Drehzahlgebers 2 rotiert um eine
Rotationsachse 8 und weist ein Hall-Element 5 auf.
In einem Abstand 9 zum an der Scheibe 7 aufgenommenen Hall-Element 5 ist ein
Magnet 6 angeordnet, der das Hall-Element 5 umkreist. Mit dieser
aktiven sensitiven Anordnung läßt sich
ein asymmetrisches Drehzahlsignal, so zum Beispiel die in 1 angedeuteten asymmetrischen Drehzahlsignale 30 bzw.
50 erzeugen, die einer dem Drehzahlgeber 2 nachgeschalteten
Differentiationsstufe 4 zugeleitet werden können. 1b zeigt einen Hallsensor 5,
der exzentrisch zur Rotationsachse 8 eines Magneten 6 angeordnet
ist. Der Magnet 6 bewegt sich um die Ro tationsachse 8,
wodurch sich aufgrund der exzentrischen Anordnung des Hallsensors 5 ein
asymmetrisches Drehzahlsignal ergibt.
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2 zeigt
eine Schaltskizze für
eine Auswerteschaltung mit zwei Triggerstufen.
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Vom Sensorelement, welches beispielsweise
als ein Hall-Sensor 5 (vgl. 1a)
ausgestaltet sein kann, wird eine Sensorspannung 24 geliefert, welcher
zwei voneinander getrennte Triggerstufen 11 bzw. 18 aufgegeben
wird.
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Die Schaltschwelle der ersten Triggerstufe 11 wird
durch den Spannungsteiler, der durch die Widerstände R3 (Bezugszeichen 14)
und R4 (Bezugszeichen 13) gebildet wird, bestimmt. Die
Schalthysterese der ersten Triggerstufe 11 wird durch das
Widerstandspaar R1 (Bezugszeichen 12) und R2 (Bezugszeichen 13)
bestimmt. Je größer der
Widerstand R2 gewählt
wird, desto kleiner fällt
die sich einstellende Hysterese aus. Die erste Triggerstufe 11 schaltet
von "low" auf "high", wenn die Sensorspannung 24 (USense) einen Wert erreicht, der der Spannung
am Spannungsteiler R3/R4 zuzüglich
der Hysterese bzw. abzüglich
der Hysterese erreicht.
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Analog zur Schaltung der ersten Triggerstufe 11 ist
die zweite Triggerstufe 18 beschaltet. Die Schaltschwelle
der zweiten Triggerstufe 18 wird durch den Spannungsteiler
bestimmt, der durch die Widerstände
R7 (Bezugszeichen 21) und R8 (Bezugszeichen 22)
gebildet wird, bestimmt. Die Schalthysterese der zweiten Triggerstufe
wird durch die Widerstände
RS (Bezugszeichen 19) und R6 (Bezugszeichen 20)
bestimmt. Je größer der
Widerstand R6 gewählt
wird, desto kleiner fällt
die sich einstellende Hysterese aus. Die zweite Triggerstufe 18 schaltet von "low" auf "high", sobald die Sensorspannung 24 (USense) einen Wert erreicht, der der Spannung
am Spannungsteiler R7/R8 zuzüglich
bzw. abzüglich
der Hysterese entspricht. Die Hysterese ist gegenüber der
Differenz der beiden Trigger-Schaltschwellen, d.h.
der Differenz der Schaltschwelle des zweiten Triggers 18 abzüglich der
Schaltschwelle der ersten Triggerstufe 11 vernachlässigbar
klein.
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3 ist
der Signalverlauf eines ersten asymmetrischen Drehzahlsignals für eine erste
Drehrichtung zu entnehmen.
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Der Signalverlauf eines zweiten asymmetrischen
Drehzahlsignals 50 ist durch eine ansteigende Signalflanke 52 und
eine abfallende Signalflanke 51 gekennzeichnet, wobei der
Scheitelpunkt des asymmetrischen Drehzahlsignals 50 mit
Bezugszeichen 53 identifiziert ist.
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Die Zeitpunkte, zu denen das asymmetrische
Drehzahlsignal 50 die Triggerschwelle der ersten Triggerstufe 11 bzw.
die Triggerschwelle der zweiten Triggerstufe 18 überschreitet,
sind auf der Zeitachse durch tA, tB, tC und tD gekennzeichnet. Dies gilt in analoger Weise
für das
in 4 dargestellte asymmetrische
Drehzahlsignal 30, welches einer zweiten Drehrichtung entspricht.
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Die Drehrichtungsbestimmung erfolgt
gemäß der nachfolgend
skizzierten Vorgehensweise.
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Nachdem die erste Triggerstufe 11
zum Zeitpunkt tA auf den "High"-Pegel 16 schaltet,
wird die Zeit gemessen, die vergeht, bis die zweite Triggerstufe 18 zu
einem Zeitpunkt tB ebenfalls auf den "High"-Pegel 16 schaltet.
Die Zeit, die zwischen den Schaltvorgängen der ersten Triggerstufe 11 bzw.
der zweiten Triggerstufe 18 auf den "High"-Pegel
16 vergeht, wird durch Differenzbildung zwischen den Schaltzeitpunkten
tB – tA ermittelt. Zum Zeitpunkt tC schaltet
die zweite Triggerstufe 18 wieder zurück auf den "Low"-Pegel
17 und es erfolgt die Messung der Zeitspanne, die vergeht, bis die
erste Triggerstufe 11 ebenfalls wieder auf den "Low"-Pegel 17 schaltet, was
zum Zeitpunkt tD erfolgt. Die Ermittlung
der Zeitspanne zwischen den Schaltvorgängen der auf den "Low"-Pegel 17 der ersten
Triggerstufe 11 bzw. der zweiten Triggerstufe 18 erfolgt
durch Differenzermittlung zwischen den Schaltzeitpunkten tD – tC.
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Aus der Darstellung gemäß 4 geht ein weiterer Signalverlauf
eines asymmetrischen Drehzahlsignals für eine zur ersten Drehrichtung
entgegengesetzte zweite Drehrichtung näher hervor.
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Eine ansteigende Signalflanke 31 eines asymmetrischen
Drehzahlsignals 30 überschreitet die
Triggerschwelle der ersten Triggerstufe 11 zu einem Zeitpunkt
tA und die Triggerschwelle der zweiten Triggerstufe 18 zu
einem Zeitpunkt tB bei ansteigendem Signalflankenverlauf 31.
Hat das asymmetrische Drehzahlsignal 30 seinen Scheitelpunkt 33 erreicht,
erfolgt das Unterschreiten der Triggerschwelle der zweiten Triggerstufe 18 durch
die abfallende Signalflanke 32 zu einem Zeitpunkt tC, während
die Triggerschwelle der ersten Triggerstufe 11 durch die
abfallende Signalflanke 32 des asymmetrischen Drehzahlsignals 30 zu
einem Zeitpunkt tD unterschritten wird.
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Überschreitet
gemäß des in 3 dargestellten Signalverlaufs
die Zeitspanne DT2, die sich aus der Differenz von tD – tC ergibt, die Differenz DT1, die sich aus
der Differenz zwischen tB – tA ergibt, dreht sich das System zum Beispiel
in eine erste Drehrichtung gemäß der Darstellung
in 3.
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Falls jedoch die Differenz DT2, die
sich aus der Differenz der Schaltzeitpunkte tD – tC ergibt, die Differenz DT1, die sich wiederum
aus der Differenz der Schaltzeitpunkte tB – tA ergibt, unterschreitet, so wird auf ein
in eine umgekehrte Drehrichtung rotierendes System erkannt.
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5 zeigt
die Verläufe
von Drehzahlsignal, Triggersignal, Triggerpegel und differenziertem
Drehzahlsignal für
eine erste Drehrichtung des elektrischen Antriebes, aufgetragen über die
Zeitachse.
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Die Zykluszeit eines ersten asymmetrischen Drehzahlsignales
eines Drehzahlgebers 2 ist mit t1 bezeichnet
und erstreckt sich gemäß der Darstellung in 2 von 0 bis 360 Zeiteinheiten.
Auch wenn das in 2 dargestellte
erste asymmetrische Drehzahlsignal 30 einen sägezahnförmigen Verlauf
aufweist, ist dies nicht zwingend erforderlich. Es reicht vielmehr
aus, daß innerhalb
einer Periode von 0 bis 360 Zeiteinheiten aus dem ersten asymmetrischen
Drehzahlsignal ein differenziertes Drehzahlsignal 37 erhalten
wird, welches zwei (in Amplitude und in Pulsdauer) deutlich unterschiedliche
Werte 43 bzw. 44 aufweist. Das in 2 dargestellte erste asymmetrische, sägezahnförmig verlaufende
Drehzahlsignal 30 entspricht einer ersten Drehrichtung
des in 1 schematisch
angedeuteten elektrischen Antriebes 1.
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Das erste asymmetrische Drehzahlsignal 30 erstreckt
sich über
eine Zykluszeit t1, 0 ≤ t ≤ 360 Zeiteinheiten. Innerhalb
eines ersten Zeitbereiches t11, 0 ≤ t ≤ 300 Zeiteinheiten,
weist das erste asymmetrische Drehzahlsignal 30 gemäß der Darstellung
in 2 eine ansteigende
Signalflanke 31 bis zu einem Scheitelpunkt 33 des
ersten asymmetrischen Drehzahlsignals 30 auf. Ab dem Scheitelpunkt 33 verläuft das
erste asymmetrische Drehzahlsignal 30 mit einer abfallenden
Signalflanke 32 während
des zweiten Zeitbereiches t12 300 <_ t ≤ 360 Zeiteinheiten.
Die ansteigende Signalflanke 31 des ersten asymmetrischen
Drehzahlsignals 30 weist eine erste Steigung 34 auf,
die betragsmäßig geringer
ist als eine Steigung 35 der abfallenden Signalflanke 32 des
ersten asymmetrischen Drehzahlsignals 30. Der erste Zeitbereich
t11 ist deutlich kleiner als der zweite
Zeitbereich t12.
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Eine Differentiation des ersten asymmetrischen
Drehzahlsignals 30, welches durch beispielsweise ein stationäres Hall-Element,
das von einem Magneten umkreist wird, aufweisenden Drehzahlgeber 2 generiert
wird, ergibt nach Differentiation in einer in 1 schematisch wiedergegeben Differentiationsstufe 4 ein
differenziertes Drehzahlsignal 37. Aufgrund der unterschiedlichen
Steigungen 34 bzw. 35 der ansteigenden Signalflanke 31 und
der abfallenden Signalflanke 32 des ersten asymmetrischen Drehzahlsignals 30 weist das
differenzierte Drehzahlsignal 34 ein erstes Niveau 43 sowie
ein von diesem abweisendes, betragsmäßig deutlich unterschiedliches
Niveau 44 auf.
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Das aus der Differentiation des ersten
aymmetrischen Drehzahlsignals 30 resultierende differenzierte
Drehzahlsignal 37 wird gemäß der Darstellung in 2 mit einem negativen Triggerpegel 36, bezogen
auf das O-Niveau verglichen. Der erste Triggerpegel 36 liegt
um einen Betrag 40 unterhalb des O-Niveaus des ersten aymmetrischen
Drehzahlsignals 30 gemäß der Darstellung
in 2. Wird der erste
Triggerpegel 36 durch das differenzierte Drehzahlsignal 37 unterschritten,
d.h. betragsmäßig überschritten,
so wird auf die erste Drehrichtung des elektrischen Stellantriebes 1 gemäß 1 erkannt. Die Unterschreitung
des negativen ersten Triggerpegels 36 ist in den Signalverläufen gemäß 2 durch Bezugszeichen 42 gekennzeichnet.
Um diesen Betrag 42 liegt das zweite Niveau 44 des
differenzierten Drehzahlsignals 37 unterhalb des konstant über die Zeitachse
t verlaufenden Triggerpegels 36. Mit Bezugszeichen 41 ist
die Unterschreitung des 0-Niveaus durch das zweite Niveau 44 des
differenzierten Drehzahlsignals 37 in 2 bezeichnet. Ein auf das erste asymmetrische
Drehzahlsignal 30 folgendes, weiteres asymmetrisches Drehzahlsignal
liegt über eine
weitere Zykluszeit an, die sich von 360 bis 720 Zeiteinheiten erstreckt.
Die innerhalb dieser zweiten Zykluszeit t2,
360 ≤ t ≤ 720 Zeiteinheiten,
liegt analog zur ersten Zykluszeit t1 des
ersten asymmetrischen Drehzahlsignals 30 während eines
längeren
Zeitbereiches eine ansteigende Signalflanke 31 an. Ab einem
Scheitelpunkt 33 des weiteren asymmetrischen Drehzahlsignals 30 schließt sich
an die ansteigende Signalflanke 31 eine mit stärkerer Steigung
abfallende Signalflanke 32 an. Im Unterschied zur ansteigenden
Signalflanke 31, die in einer ersten Steigung 34 verläuft, weist
die abfallende Signalflanke 32 eine stärkere, zweite Steigung 35 auf.
Folglich resultiert aus der Differentiation auch des weiteren aymmetrischen
Drehzahlsignals 30 ein differenziertes Drehzahlsignal 37 mit
einem ersten Niveau 43 und einem zweiten Niveau 44.
Das zweite Niveau 44 des differenzierten Drehzahlsignals 37 unterschreitet
ebenfalls den negativen ersten Triggerpegel 36 um einen Betrag 42,
so daß auch
aus der Auswertung des zweiten, weiteren asymmetrischen Drehzahlsignals 30 auf
die erste Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 zum Antrieb
einer Fensterscheibe bzw. eines Hub-/Schiebedaches in einem Kraftfahrzeug
geschlossen werden kann.
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6 gibt
die Verläufe
von Drehzahl über
Signal, Triggerpegel und differenziertem Drehzahlgebersignal, jeweils
aufgetragen über
die Zeitachse für eine
zweite Drehrichtung des elektrischen Antriebes wieder.
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Die in 3 wiedergegebene
Darstellung eines zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50 entspricht
der zweiten Drehrichtung des in 1 schematisch
angedeuteten elektri schen Antriebes 1 für eine Fensterscheibe oder
ein Hub-/Schiebedach an einem Kraftfahrzeug. Der in 1 dargestellte aktive Drehzahlgeber 2,
der ein stationär
angeordnetes Hall-Element 5 umfaßt, welches von einem in einem Abstand 9 zu
diesem versetzt angeordneten Magneten 6 umkreist wird,
generiert das in 3 ebenfalls als
sägezahnförmiges Signal
ausgebildete zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50. Das
zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50 erstreckt sich über eine Zykluszeit
t3 von 0 bis 360 Zeiteinheiten. Innerhalb
eines ersten Zeitbereiches t31, 0 ≤ t ≤ 300 Zeiteinheiten ist
das zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50 durch eine mit
einer ersten Steigung 54 stark abfallenden Signalflanke 51 geprägt. Während einer
sich an den ersten Zeitbereich t31 anschließenden zweiten Zeitbereiches
t32 300 ≤ t ≤ 360 ist das
zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50 durch eine mit einer zweiten
Steigung 55 ansteigenden Signalflanke 52 geprägt. Das
in 3 dargestellte zweite
asymmetrische Drehzahlsignal 50 ist innerhalb der Zykluszeit
t3 von spiegelbildlicher Form, verglichen
mit dem ersten asymmetrischen Drehzahlsignal 30 innerhalb
der Zykluszeit t1 (vgl. Darstellung gemäß 2).
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Aus der Differentiation des zweiten
asymmetrischen Drehzahlsignals 50 innerhalb der Zykluszeit t3 folgt das in gestricheltem Linienzug in
das Diagramm gemäß 3 eingetragene differenzierte Drehzahlsignal 57.
Aufgrund der konstanten ersten Steigung 54, mit der die
abfallende Signalflanke 51 des zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50 verläuft, wird
ein dem ersten Zeitbereich t31 entsprechendes
differenziertes Drehzahlsignal 57 erhalten, welches innerhalb
des angesprochenen Zeitbereiches t31 ein
erstes Niveau 63 aufweist. Aufgrund des konstanten Steigungsverlaufes
während
des ersten Zeitbereiches t31 hat das erste
Niveau 63 des differenzierten Drehzahlsignals 57 innerhalb
dieses Zeitbereiches den Verlauf einer Geraden bis zum Wendepunkt
des Verlaufes des zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50 am Ende
des ersten Zeitbereiches t31 bei t = 300
Zeiteinheiten.
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Die Differentiation des zweiten Abschnittes des
zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50, d.h. der ansteigenden
Signalflanke 52, ergibt ein differenziertes Drehzahlsignal 57,
welches innerhalb des zweiten Zeitbereiches t32,
300 ≤ t ≤ 360 ein zweites
Niveau 64 aufweist, welches erheblich über dem ersten Niveau 63 des
differenzierten Drehzahlsignals 57 innerhalb des ersten
Zeitbereiches t31 liegt. Das Zeitintervall
t32 ist deutlich kleiner als das Zeitintervall t31 Innerhalb der Auswerteschaltung gemäß der 2 oder innerhalb eines Mikrocomputers
erfolgt eine Auswertung des differenzierten Drehzahlsignals 57 dahingehend,
ob der zur Erkennung der zweiten Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 dargestellte
zweite Trig gerpegel 56 überschritten
wird. Bei Überschreitung
des in 3 eingezeichneten
positiven zweiten Triggerpegels 56 wird auf das Vorliegen der
zweiten Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 erkannt.
In Bezug auf das 0-Niveau liegt der zweite Triggerpegel r um
einen Betrag 60 im positiven Bereich oberhalb des 0-Niveaus. Aufgrund
der zweiten Steigung 55 der ansteigenden Signalflanke 52 des zweiten
asymmetrischen Drehzahlsignals 50 liegt eine Überschreitung
des zweiten Triggerpegels 56 um einen Betrag 62 vor. Das
zweite Niveau 64 des differenzierten Drehzahlsignals 57 liegt
um einen Betrag 61 oberhalb des 0-Niveaus und überschreitet den
zweiten Triggerpegel 56 um einen Betrag 62. Aufgrund des Überschreitens
des zweiten Triggerpegels 56 wird auf das Vorliegen der
zweiten Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 gemäß der Darstellung
in 1 erkannt.
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An das zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50 schließt sich
ein weiteres asymmetrisches Drehzahlsignal an, welches über eine
folgende Zykluszeit t4 ansteht. Das in der
Darstellung gemäß 3 nur teilweise wiedergegebene
zweite folgende asymmetrische Drehzahlsignal ist analog zum zweiten
asymmetrischen Drehzahlsignal 50 innerhalb eines Zeitbereiches
360 ≤ t ≤ 660 durch
eine mit der ersten Steigung 54 abfallenden Signalflanke 51 gekennzeichnet,
die an einem Wendepunkt bei t = 660 Zeiteinheiten in eine ansteigende
Signalflanke 52, mit einer zweiten, die erste Steigung 54 übersteigenden
Steigung 55 übergeht.
Die Differentiation der abfallenden Signalflanke 51 des
folgenden asymmetrischen Drehzahlsignals ergibt ein differenziertes Drehzahlsignal 57 eines
ersten Niveaus 63 analog zum Verlauf des differenzierten
Drehzahlsignals 57, welches aus der Differentiation der
abfallenden Signalflanke 51 des zweiten asymmetrischen
Drehzahlsignals 50 innerhalb des ersten Zeitbereiches t3 0 ≤ t ≤ 300 resultiert.
Die Differentiation der ansteigenden Signalflanke 52 des
folgenden asymmetrischen Drehzahlsignals führt zu einem differenzierten
Drehzahlsignal 57 eines zweiten Niveaus 64, welches
jedoch in 3 nur teilweise
dargestellt ist und sich analog zum zeitlichen Verlauf des differenzierten Drehzahlsignals 57 innerhalb
des zweiten Zeitbereiches t32 mit einem
zweiten Niveau 64 des zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50 verhält.
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Obwohl in den Darstellungen gemäß der 5 und 6 das erste asymmetrische Drehzahlsignal
30 sowie das zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50 und
die diesen folgenden asymmetrischen Drehzahlsignalen (ohne Bezugszeichen)
sägezahnförmig konfiguriert
sind, ist dies nicht zwingend erforderlich. Es ist durchaus ausreichend,
innerhalb einer Periode, d.h. der Zykluszeit entsprechend, aus einem asymmetrischen
Drehzahlsignal ein differenziertes Drehzahlsignal zu erhalten, welches
zwei deutlich voneinander unterschiedliche Werte aufweist, die aus
den unterschiedlichen Steigungen der asymmetrischen Drehzahlsignale
durch die Differentiation in der Differentiationsstufe 4 gemäß der Darstellung
in 1 gewonnen werden
können.
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Zur Auswertung der differenzierten
Drehzahlsignale 30 bzw. 50 gemäß den Darstellungen in 5 und 6 werden durch den Drehzahlgeber 2 Signale
generiert, deren Amplituden drehzahlunabhängig sind. Mittels eines in 1 als Detail herausgezeichneten
Sensors lassen sich diese durch einen Sensor erfassen, dessen stationär angeordnetes Hall-Element 5 von
einem in einem Abstand zu diesem angeordneten kreisförmig bewegbaren
Magneten 6 umkreist wird. Eine zur Auswertung geeignete Kurvenform,
d.h. ein asymmetrisch verlaufendes Drehzahlsignal läßt sich
auch dadurch gewinnen, daß ein
Lüfterrad,
dessen schräggestellte
Flügel,
die ein magnetisch leitfähiges
Material enthalten, mit einem Magnet/Hall-System abgetastet werden.
Bei dieser Anordnung ist das ein stationäres Hall-Element 5 und einen relativ
zu diesem kreisförmig
bewegbaren Magneten 6 aufweisende Sensorelement axial in
Bezug auf das Lüfterrad
angeordnet. 7 zeigt
eine Lüfterradanordnung
in perspektivischer Draufsicht.
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Ein Lüfterrad 65 umfasst
eine Nabe 66, die auf einer in 7 nicht näher dargestellten Welle angeordnet
ist. Die Welle wird von einem ebenfalls nicht dargestellten im allgemeinen
elektrisch ausgebildeten Antrieb angetrieben. An der Nabe 66.
des Lüfterrades 65 sind
eine Anzahl von Flügeln 67 angeordnet,
die im Falle des in 7 dargestellten
Lüfterrades
in bezug auf die Nabe schräggestellt
sind. Jeder der Flügel 67 des
Lüfterrades 65 umfasst
eine erste Flügelkante 68 sowie
eine zweite Flügelkante 69.
Die Schrägstellung
der einzelnen Flügel 67 des
Lüfterrades 65,
d.h. die unterschiedlichen Rotationsebenen der ersten Flügelkante 68 bzw.
der zweiten Flügelkante 69 der
Flügel 67 bewirkt
die Erzeugung eines asymmetrischen Drehzahlsignales, welches mittels des
Sensorelementes 2 in Endbereich 71 der Flügelflächen 70 der
jeweiligen Flügeln 67 des
Lüfterrades 65 aufgenommen
werden kann. Die Flügelflächen 70 der
einzelnen Flügel 67 können stellenweise
mit einem magnetisch leitfähigen
Material beschichtet sein, so dass die durch ein Sensorelement 2 beispielsweise
aufgrund des sich bei der Rotation des Lüfterrades 65 relativ
zum Sensorelement 2 einstellenden Magnet-Hall-Effektes.
-
Anstelle von in 1 im Detail dargestellten aktiven Drehzahlsensoren
können
bei Ermittlung der Drehzahlsignale auch passive induktive Drehzahlsensoren
eingesetzt werden. Beim Einsatz passiver induktiver Drehzahlsensoren
ist es erforderlich, die jeweiligen Triggerpegel 36 bzw.
56 (vgl. Darstellung gemäß der 2 und 3) des differenzierten Drehzahlsignals 37, 57 abzustimmen.
Bei der Auslegung der Triggerstufen sind die Triggerpegel so zu bestimmen,
dass auch bei langsamen Drehzahlen und somit niedrigen Amplituden
auch die beiden Triggerpegel entsprechend niedrig gehalten werden
können,
so dass die Aufnahme eines aussagekräftigen Signals möglich ist.
Danach kann eine Auswertung der Amplitudenwerte dahingehend erfolgen,
mit welchem Vorzeichen die größere Amplitude
des jeweiligen differenzierten Signals behaftet ist. Dieses Vorzeichen
entspräche
dann der detektierten Drehrichtung, sei es die erste Drehrichtung,
sei es die zweite Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 gemäß der Darstellung
in 1. Werden zur Erfassung
der Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 passive Drehzahlfühler eingesetzt,
kann in einer weiteren Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Verfahrens
die erforderliche Signalform der asymmetrischen Drehzahlsignale 30 bzw.
50 dadurch erreicht werden, daß die
Zähne eines
Zahnrades des elektrischen Antriebes 1 gemäß 1 nicht symmetrisch, sondern
beispielsweise sägezahnförmig ausgebildet werden. 8 zeigt die Darstellung
eines Zahnrades mit sägezahnförmig ausgebildeten
Zähnen.
-
Ein um die Rotationsachse 8 rotierendes Zahnrad 72 umfasst
an seinem Außenumfang
eine Vielzahl von Zähnen 73.
Der Außenumfangsfläche des
Zahnrades 72 ist das Sensorelement 2 zugeordnet,
welches in einem Abstand 74 zur Spitze eines jeweiligen
dieses passierenden Zahnes angeordnet ist. Asymmetrische Drehzahlsignale
werden mittels eines solchermaßen
konfigurierten Zahnrades 72 dadurch enthalten, das jeder
der Einzelzähne 73 eine erste
Flanke 75 und eine zweite Flanke 76 aufweist. Im
Ausführungsbeispiel
eines Zahnrades gemäß 8 ist die vorlaufende Flanke
in Bezug auf die Anordnung des Sensorelementes 2 zu dieser
senkrecht ausgebildet, während
die nachlaufende, d.h. im vorliegenden Ausführungsbeispiel die zweite Flanke 76 allmählich abfällt. Auf
diese Weise lässt
sich bei Rotation des Zahnrades 72 ein asymmetrisches Drehzahlsignal
erzeugen, was durch das die Außenumfangsfläche des
Zahnrades 72 abtastenden Sensor 2 aufgenommen
werden kann.
-
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erlaubt
eine intelligente Signalauswertung hinsichtlich der Erkennung der
Drehrichtung eines elektrischen Antriebes, wenn nur ein Drehzahlsignal
zur Verfügung
steht. Mit Hilfe einer sensitiven Anordnung wie im Detail gemäß 1 schematisch dargestellt, kann
die Drehrichtung zweifelsfrei erkannt werden, wobei ein asymmetrisches
Drehzahlsignal erzeugt wird, was Signalbereiche aufweist, die mit
unterschiedlichen Steigungen 34, 35; 54, 55 behaftet
ist. Aus der Differentiation der Signalbereiche 31, 32; 51 bzw.
52 in eine Differentiationsstufe 4 folgt ein differenziertes
Drehzahlsignal 37 bzw. 57, welches durch unterschiedliche
Niveaus 43, 44 bzw. 63, 64 gekennzeichnet ist.
Aus der Über-
bzw. Unterschreitung (bei negativem Triggersignal betragsmäßiges Überschreiten)
kann auf die jeweilige Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 geschlossen
werden, ohne daß es
einer zweiten sensitiven Anordnung bedarf. Dabei können sowohl
aktive Drehzahlsensoren eingesetzt werden, wie der erwähnte Hall-Element/Magnetsensor,
bei dem der Magnet 6 das stationär angeordnete Hall-Element 5 umkreist
als auch passive induktive Drehzahlsensoren, bei denen innerhalb
einer Auswerteschaltung die differenzierten Drehzahlfühlersignale
abgestimmt werden und die vier möglichen Amplitudenwerte
(2 pro Richtung) gegenseitig in Relation zueinander gesetzt
werden.
-
- 1
- elektrischer
Antrieb
- 2
- Drehzahlgeber
- 3
- Drehzahlsignal
- 4
- Differentiationsstufe
- 5
- Hall-Element
- 6
- Magnet
- 7
- Kreisbahn
- 8
- Rotationsachse
- 9
- Versatz
- 10
- Drehrichtung
- 11
- erste
Triggerstufe
- 12
-
- 13
- Widerstände erste
Triggerstufe 11
- 14
-
- 15
-
- 16
- "High"-Pegel
- 17
- "Low"-Pegel
- 18
- zweite
Triggerstufe
- 19
-
- 20
-
- 21
- Widerstände zweite
Triggerstufe 18
- 22
-
- 23
- Masse
- 24
- Sensorspannung
(USensor)
- tA
- Schaltzeitpunkt
High-Level erste Triggerstufe
- tB
- Schaltzeitpunkt
High zweite Triggerstufe
- tC
- Schaltzeitpunkt
Low zweite Triggerstufe
- tD
- Schaltzeitpunkt
Low erste Triggerstufe
- t1
- Zykluszeit
(0 ≤ t ≤ 360)
- t11
- erster
Zeitbereich (0 ≤ t ≤ 300)
- t12
- zweiter
Zeitbereich (300 ≤ t ≤ 360)
- t2
- folgende
Zykluszeit (360 ≤ t ≤ 720 Zeiteinheiten)
- 30
- erstes
asymmetrisches Drehzahlsignal
- 31
- ansteigende
Signalflanke
- 32
- abfallende
Signalflanke
- 33
- Scheitelpunkt
- 34
- erste
Steigung
- 35
- zweite
Steigung
- 36
- erster
Triggerpegel (negativ)
- 37
- differenziertes
Drehzahlsignal erste Drehrichtung
- 38
-
- 39
-
- 40
- Betrag
erster Triggerpegel
- 41
- Überschreitung
(Betrag)
- 42
- Unterschreitung
erster Triggerpegel 36
- 43
- erstes
Niveau
- 44
- zweites
Niveau
- t3
- Zykluszeit
(0 ≤ t ≤ 360)
-
t31
- erster
Zeitbereich (0 ≤ t ≤ 300)
- t32
- zweiter
Zeitbereich (300 ≤ t ≤ 360 Zeiteinheiten)
- t4
- folgende
Zykluszeit
- 50
- zweites
asymmetrisches Drehzahlsignal
- 51
- abfallende
Signalflanke
- 52
- ansteigende
Signalflanke
- 53
- Scheitelpunkt
(Wendepunkt)
- 54
- erste
Steigung
- 55
- zweite
Steigung
- 56
- zweiter
Triggerpegel (positiv)
- 57
- differenziertes
Drehzahlsignal (zweite Drehrichtung)
- 60
- Betrag
erster Triggerpegel
- 61
- Überschreitung
(Betrag)
- 62
- Überschreitung
zweiter Triggerpegel
- 63
- erstes
Niveau
- 64
- zweites
Niveau
- 65
- Lüfterrad
- 66
- Nabe
- 67
- Flügel
- 68
- 1.
Flügelkante
- 69
- 2.
Flügelkante
- 70
- Flügelfläche
- 71
- Flügelendbereich
- 72
- Zahnrad
- 73
- Zahn
- 74
- Abstand
- 75
- 1.
Flanke
- 76
- 2.
Flanke