DE4135873C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Position und Drehrichtung und/oder zur Erfassung dynamischer Kenngrößen von fremdkraftbetätigten Verstellungen eines Verstellobjektes - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Position und Drehrichtung und/oder zur Erfassung dynamischer Kenngrößen von fremdkraftbetätigten Verstellungen eines VerstellobjektesInfo
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- DE4135873C2 DE4135873C2 DE4135873A DE4135873A DE4135873C2 DE 4135873 C2 DE4135873 C2 DE 4135873C2 DE 4135873 A DE4135873 A DE 4135873A DE 4135873 A DE4135873 A DE 4135873A DE 4135873 C2 DE4135873 C2 DE 4135873C2
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der
Position und Drehrichtung und/oder der Erfassung dynami
scher Kenngrößen von fremdkraftbetätigten Verstellungen
eines Verstellobjektes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erfassung dynamischer Kenngrößen betrifft beispielswei
se die Erfassung von Geschwindigkeits- oder Beschleunigungs
werten.
Die bekannten Verfahren der obengenannten Gattung zeichnen
sich durch den Einsatz von Sensor- und/oder Geberelementen
und einen damit verbundenen hohen Herstellungsaufwand aus.
Aus der DE 30 34 118 C2 ist ein Verfahren zur elektroni
schen Überwachung des Öffnungs- und Schließvorganges von
elektronisch betriebenen Aggregaten, insbesondere von
Fensterhebern und Schiebedächern in Kraftfahrzeugen, be
kannt. Bei diesem Verfahren wird die Geschwindigkeit eines
an ein gleichspannungsgespeistes Bordnetz angeschlossenes
elektrisches Stellorgan des Aggregates gemessen und aus dem
erhaltenen Meßwert ein Grenzwert gebildet, der anschließend
mit allen nachfolgenden Meßwerten verglichen wird. Die
Geschwindigkeitsmessung erfolgt dabei mittels einer Loch
scheibe und lichtelektrischen Elementen oder ähnlicher
Sensorteile, die mit dem Aggregat verbunden sind.
Zur Durchführung des bekannten Verfahrens sind zur Erfas
sung der Position und der Bewegungsrichtung der bewegten
Teile des Aggregates mindestens zwei Sensoren erforderlich.
Die EP 0 306 795 A1 beschreibt eine Antriebsanordnung zur
Betätigung von Fenstern, Schiebedächern und dergleichen mit
einem Kommutatormotor, der im Stillstand-Kurzschlußfall
schnell über einen Betätigungsschalter abgeschaltet werden
kann. Der Betätigungsschalter ist dabei in Schaltabhängig
keit von der bei laufendem Kommutatormotor induzierten Wech
selspannung gestellt, die durch einen Kondensator von der
Grundgleichspannung getrennt wird. Diese bekannte Vorrich
tung nutzt die systembedingten Eigenschaften des Kommutator
motors zum Schalten eines Betätigungsschalters.
In der DE 33 05 770 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum Ein-
und Ausschalten eines elektromotorischen Antriebes be
schrieben. Dabei ist ein Antriebsmotor vorgesehen, der über
einen nachgeschalteten Antennenantrieb eine Teleskopantenne
betätigt. Ein Mikroprozessor erfasst die Welligkeit des Mo
torstroms und gibt bei Überschreiten bzw. Unterschreiten
eines vorgegebenen oberen bzw. unteren Grenzwertes der Wel
ligkeitsfrequenz ein Signal zum Einschalten eines Relais
ab. Das Auflösevermögen ist beschränkt auf die Welligkeit
des Motorstroms.
Die US 4744041 betrifft ein Verfahren zum Überprüfen
einer elektromagnetischen Antriebseinheit, bei dem bei
einem zu testenden Gleichstrommotor aus einer Frequenzanaly
se des Motorstroms im Gleichlaufzustand (steady state) die
Motorgeschwindigkeit im Gleichlauf bestimmt wird. Über eine
Fourier-Transformation wird die stärkste Frequenzkomponente
bestimmt, aus der sich die Geschwindigkeit des Motors
erkennen lässt.
Die US 3663877 beschreibt eine elektromotorische
Antriebseinheit, bei der zum einen die Signale zweier Hall
sensoren einer Auswerteinheit zugeführt werden. Die beiden
Hallsensoren erfassen jeweils die gleiche Grundperiodizi
tät. Zum anderen wird der Auswerteinheit ein Signal zuge
führt, das von einem Drehzahlmesser stammt, der die Umdre
hungen der Motorachse misst. Nachteilig sind mehrere Senso
ren erforderlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Position
und Drehrichtung sowie gegebenenfalls dynamischer Kenngrö
ßen von fremdkraftbetätigten Verstellungen eines Verstellob
jektes der eingangs genannten Gattung anzugeben, die bei
hohem Auflösungsvermögen der zu messenden Größen ohne
zusätzliche Sensor- oder Geberelemente und somit einem nur
geringen Herstellungsaufwand auskommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein
an der Antriebseinheit und/oder an der Energieübertragungs
strecke und/oder dem Verstellobjekt meßbares, eine system
charakteristische Grundperiodizität aufweisendes Signal und
mindestens ein dieser Grundperiodizität überlagertes Signal
ausgewertet werden. Das der Grundperiodizität überlagerte
Signal ist ein immanentes systemcharakteristisches Signal
oder wird durch gezielte Änderung der Systemcharakteristik
gewonnen.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine Positions- und
eine Drehrichtungserkennung sowie die Erfassung dynamischer
Kenngrößen von Verstellungen eines fremdkraftbetätigten
Verstellobjektes. Durch Auswertung der systemcharakteristi
schen Eigenschaften werden zusätzliche Sensor- oder Geber
elemente überflüssig.
Es wird der Strom durch die Antriebseinheit gemessen und in
einer Signalauswerteeinheit ausgewertet. Das Stromsignal
durch die Antriebseinheit setzt sich aus der Überlagerung
der systemcharakteristischen Signale der Antriebseinheit,
der Energieübertragungsstrecke und des Verstellobjektes zusammen.
Auch sekundäre Signale, wie zum Beispiel der Span
nungsabfall, können einer entsprechenden Auswertung unterzo
gen werden.
Durch Überlagerung einer systemcharakteristischen Grundpe
riodizität mit zumindest einem dieser Grundperiodizität
überlagerten Signal wird eine hochgenaue Auflösung der
Bewegung des Verstellobjektes bzw. der zu messenden Größe
ermöglicht. Die Bewegungsmessung des Verstellobjektes wird
durch Auswertung des zusammengesetzten Signals sehr fein un
terteilt. Dies führt zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit
in Bezug auf eine Erfassung der Position, Bewegungsrichtung
sowie dynamischer Kenngrößen von Verstellungen des Verstell
objektes und damit zu einer Erhöhung der Funktions- und Be
triebssicherheit des Verstellobjektes.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist das überlagerte Signal
ein nichtperiodisches, analoges Signal oder besitzt eine
von der Grundperiodizität abweichende Amplitude und/oder
Periode. Die Verwendung eines überlagerten Signals mit
separaten Eigenschaften dient einer möglichst feinen Unter
teilung der Bewegung der Antriebseinheit.
Ein nichtperiodisches, analoges Signal liegt beispielsweise
im Falle eines Band-Fensterhebers vor, bei dem die Fenster
scheibe über einen Mitnehmer mit einer Band-Wickelvorrich
tung verbunden ist, die das Transportband spiralförmig
aufwickelt, so daß beim Aufwickeln des Transportbandes der
Wickeldurchmesser zunimmt und beim Abwickeln des Transport
bandes abnimmt.
Dementsprechend ändern sich die Momenten- und Stromverhält
nisse, da bei wachsendem Wickeldurchmesser die aufzubringen
de Kraft bzw. das aufzubringende Drehmoment anwächst und
bei abnehmendem Wickeldurchmesser abnimmt.
Dies entspricht aber bei einem Aufwickel- oder Abwickelvor
gang der Abgabe eines Signals, das ein nichtperiodisches,
analoges Verhalten zeigt und damit als Überlagerungssignal
verwendet werden kann, das der systemcharakteristischen
Grundperiodizität überlagert werden kann.
Bei der Verwendung eines Kommutatormotors als Antriebsein
heit wird mit Vorteil als systemcharakteristische Grundpe
riodizität dessen Strom-Welligkeit verwendet. Die Motor
stromwelligkeit wird durch die Kommutierung zwischen den
einzelnen Motorwicklungen verursacht und ermöglicht damit
eine Unterteilung einer Umdrehung des Rotors des Elektromo
tors in eine der Anzahl der Kommutierungen entsprechende
Anzahl Teilumdrehungen, so daß beispielsweise bei sechs
Segmenten des Kommutators sechs Strom-Welligkeitsmaxima
auftreten.
Es besteht eine feste Relation zwischen den Umdrehungen des
Rotors des Kommutatormotors und der Position des Verstellob
jektes. Durch Überlagerung der Grundperiodizität des Kom
mutators mit mindestens einem weiteren Signal wird eine
verfeinerte Unterteilung einer Umdrehung des Rotors des
Elektromotors erreicht. Dies führt zu einer Erhöhung der
Funktions- und Betriebssicherheit in Bezug auf das Verstell
objekt.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfah
rens unter Verwendung eines Kommutatormotors als Antriebs
einheit sind in den Unteransprüchen 2, 3, 4 und 5 gekennzeich
net.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist als Antriebseinheit eine pulsierende Hydraulikpumpe
gewählt. Durch Aufmodulieren von zusätzlichen Druckschwan
kungen an der Hydraulikpumpe oder durch eine zusätzliche
Druckkammer, die mit einem periodischen Anregesignal beauf
schlagt wird, wird eine Überlagerung der systembedingten
Welligkeit mit einem zusätzlichen, künstlich erzeugten
Welligkeitssignals (systemfremde Erregung) erreicht.
Weiter kann in Form von Viskositätsänderungen des Öls eine
periodische Modulation des Strömungsverhaltens und damit
ebenfalls Druckschwankungen erreicht werden.
Neben der Überlagerung der Grundperiodizität mit Signalen,
die sich aus der Systemcharakteristik der Antriebseinheit
ergeben, wird als überlagertes Signal ein Signal verwendet,
das seine Ursache in mechanisch bedingten Welligkeiten der
Energieübertragungsstrecke oder des Verstellobjektes hat.
Eine solche Ursache kann beispielsweise in Riffelungen der
Scheibenkante bei Fensterhebern, in einer Rasterung des
Scharniers oder der Zahnfühligkeit von Getriebeteilen
liegen.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus
einer Antriebseinheit, einer Energieübertragungsstrecke,
einem Verstellobjekt und einer elektrischen Signalauswer
teinheit. Die Signalauswerteeinheit erfaßt ein an der Antriebseinheit
und/oder an der Energieübertragungstrecke
und/oder dem Verstellobjekt meßbares Signal, welches eine
systemcharakteristische Grundperiodizität aufweist sowie
mindestens ein dieser Grundperiodizität überlagertes Signal
und erstellt eine Korrelation beider Signale, aus der die
Position, die Drehrichtung und/oder dynamische Kenngrößen
des Verstellobjektes ermittelbar sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung für einen Kommutatormotor als Antriebseinheit
sind die Kommutatorsegmente asymmetrisch angeordnet. Da
durch wird die Strom-Welligkeit des Kommutatormotors in
ihrem zeitlichen Verlauf entsprechend gedehnt bzw.
gestaucht. Dies ermöglicht insbesondere eine Drehrichtungs
erkennung.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemä
ßen Vorrichtung bei Verwendung eines Kommutatormotors als
Antriebseinheit sind in den Unteransprüchen 9 bis 27
gekennzeichnet.
Die Unteransprüche 28 bis 30 kennzeichnen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen als Antriebs
einheit eine pulsierende Hydraulikpumpe verwendet wird.
Die verbleibenden Unteransprüche beziehen sich auf vorteil
hafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in Bezug auf die Energieübertragungsstrecke und das Ver
stellobjekt.
Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Figur der Zeichnung an zahlreichen Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild des erfin
dungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2-Fig. 28 Beispiele für elektrische Welligkeitsursachen
bei einem Kommutatormotor;
Fig. 29-Fig. 38 Beispiele für magnetische Welligkeitsursachen
bei einem Kommutatormotor;
Fig. 39-Fig. 47 Beispiele für mechanische Welligkeitsursachen
bei einem Kommutatormotor;
Fig. 48 Beispiele für hydraulische Welligkeiten bei
Verwendung einer Hydraulikpumpe als Antriebsein
heit;
Fig. 49 Beispiele für hydraulische Welligkeiten bei
Verwendung eines Zahnradantriebes;
Fig. 50-Fig. 68 Beispiele für mechanische Welligkeitsursachen
bei einem Fensterheber;
Fig. 69-Fig. 72 Beispiele für mechanische Welligkeitsursachen
bei einer Seitenscheibe.
Das schematische Blockschaltbild der Fig. 1 zeigt eine An
triebseinheit 1, eine Energieübertragungsstrecke 2, ein Ver
stellobjekt 3 und eine Signalauswerteeinheit 4. Das der Sig
nalauswerteeinheit 4 zugeführte Signal 5 entsteht aus der
Überlagerung der systemcharakteristischen Signale der An
triebseinheit 1, der Energieübertragungsstrecke 2 und des
Verstellobjektes 3. Die Signalauswerteeinheit 4 analysiert
das Signal 5 und ermittelt daraus ein den Energiefluß 6 in
die Antriebseinheit 1 regelndes Antwortsignal 8. Die von
dem Antwortsignal 8 gesteuerte Regelung des Energieflusses
6 erfolgt durch den Regler 7.
Am Beispiel eines Kommutatormotors als Antriebseinheit 1
werden in den Fig. 2 bis 47 verschiedene Ursachen für
die Strom-Welligkeit eines Kommutatormotors 9 illustriert.
Fig. 2 zeigt einen Kommutator 9 mit sechs Kommutatorsegmen
ten 10, die mit der Rotorwicklung des Elektromotors verbun
den sind und auf denen zwei Kohlen 11 und 12 schleifen.
Eine Meßeinheit 13 mißt den Strom durch den Kommutatormo
tor. Eine Gleichspannungsquelle 14 sorgt für eine konstante
am Elektromotor anliegende Spannung. Der Winkel zwischen
den einzelnen Kommutatorsegmenten 10 ist konstant.
In Fig. 3 ist die bekannte Grundperiodizität des Motor
stroms dargestellt (Grundwelligkeit), wie sie sich in einem
Strom-Zeit Diagramm darstellt. Auf der Y-Koordinate ist der
Strom I durch die Meßeinheit 13 in Fig. 2 aufgetragen, auf
der X-Koordinate die Zeit t.
Durch eine wie in Fig. 4 gezeigte asymmetrische Kommutator
unterteilung wird die dazugehörige mit der Meßeinheit 13
gemessene Strom-Welligkeit entsprechend gedehnt bzw. ge
staucht (Fig. 5). Durch eine derartige, codiert asymmetri
sche Unterteilung der Lamellen des Kommutators ist insbeson
dere eine Drehrichtungserkennung möglich.
Durch Anwendung eines zusätzlichen, von den Kohlen 11, 12
teilweise überdeckten Schleifrings 15, dessen Lamellen
mindestens zwei Lamellen des eigentlichen Kommutators
überdecken und der eine ohmsche Last RL aufweist, wird eine
zusätzliche Welligkeit erzeugt (Fig. 6). Diese ist in
Fig. 7 in zeitlicher Abhängigkeit dargestellt. Der Grundpe
riodizität des Kommutators wird eine Rechteckspannung über
lagert.
Eine weitere Möglichkeit, eine zusätzliche Welligkeit zu
erzeugen, besteht in einer periodischen Veränderung der
Kohlenanpreßkraft und damit des Übergangswiderstandes. Eine
derartige periodische Veränderung kann etwa eine mechani
sche Ursache wie beispielsweise einen elliptischen Kommuta
tor haben (Fig. 8).
Fig. 9 zeigt das zu der in Fig. 8 dargestellten Anordnung
gehörige Strom-Zeit Diagramm.
In Fig. 10 ist den Kommutatorsegmenten 10 eine dritte
Kohle 17 zugeordnet. An zwei Meßeinheiten 13 und 16 werden
die entsprechenden Ströme I1 und I2 gemessen. Fig. 11
zeigt den zeitlichen Verlauf der beiden Ströme. Bei Anwen
dung des Superpositionsprinzips wird das Auflösungsvermögen
der beiden Welligkeitssignale vergrößert. Es liegt im
Rahmen der Erfindung, die charakteristischen Elemente der
Fig. 10 und 4 zu kombinieren.
Ein weiteres Beispiel für die Erzeugung einer zusätzlichen
Welligkeit durch entsprechende Anordnung der Kohlen ist in
Fig. 12 dargestellt. Hier sind die beiden Kohlen 11, 12
asymmetrisch, also in einem Winkel ungleich 180° angeord
net. Mit zunehmender Asymmetrie der Kohlenanordnung zeigt
das entsprechende Strom-Zeit Diagramm die Überlagerung der
in Fig. 3 dargestellten Grundperiodizität mit einer Säge
zahnfunktion. Dadurch ist insbesondere eine Drehrichtungser
kennung möglich.
Eine gezielt kippbar steuerbare Kohlenbürste 20 mit in Um
fangsrichtung inhomogener Leitfähigkeit ändert je nach
Motordrehrichtung den elektrischen Übergangswiderstand
(Fig. 14). Die Kohlen kippen dabei je nach Drehrichtung.
Der Stromverlauf ist in Fig. 15 für die beiden möglichen
Drehrichtungen 18 und 19 in Abhängigkeit von der Zeit
aufgetragen. Die Inhomogenität der Leitfähigkeit der Kohlen
bürste 20 ist kontinuierlich, etwa durch unterschiedliche
Graphitanteile, oder mehrteilig. Die inhomogene Leitfähig
keit der Kohlenbürste 20 ermöglicht insbesondere eine
Drehrichtungserkennung.
Die Fig. 17 bis 24 geben Beispiele für Schaltungen, in
denen Parallelkapazitäten Cp als Teile eines LC-Oszillators
eine Verstärkung des Welligkeitssignals durch Resonanzanre
gung im Resonanzbereich der jeweiligen Schwingkreise ermögli
chen. Die Entstördrosseln 21 und 22 sind in Reihe mit dem
Elektromotor 23 geschaltet. Entsprechend der Anzahl der
parallelgeschalteten Kondensatoren gibt es ein, zwei oder
drei Resonanzfrequenzen. Das auszuwertende Signal wird an
der Meßstelle 24 gewonnen.
Eine Variation der Motorwicklung 25 um eine oder mehr Win
dungen (Fig. 25) moduliert die vorhandene Grundwelligkeit
wie in Fig. 26 dargestellt.
Wickeltechnisch bedingte verschiedene Teillängen der Motor
wicklung 25 (Fig. 27) nach innen oder außen verursachen im
dargestellten Fall eine Überlagerung des Welligkeitssignals
mit einer Sägezahnfunktion (Fig. 28).
Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Welligkeiten
beruht auf der Verwendung magnetischer Welligkeitsursachen:
Fig. 29 zeigt einen asymmetrischen Permanentmagneten mit unterbrochenen Polteilen N1, N2 bzw. S1 und S2. Die Grund welligkeit des Kommutatormotors wird mit dem durch zwei magnetische Rastmomente MM modulierten Stromverlauf I überlagert. Der Stromverlauf I ist in Fig. 30 gestrichelt, das magnetische Moment MM durchgehend gezeichnet.
Fig. 29 zeigt einen asymmetrischen Permanentmagneten mit unterbrochenen Polteilen N1, N2 bzw. S1 und S2. Die Grund welligkeit des Kommutatormotors wird mit dem durch zwei magnetische Rastmomente MM modulierten Stromverlauf I überlagert. Der Stromverlauf I ist in Fig. 30 gestrichelt, das magnetische Moment MM durchgehend gezeichnet.
Entsprechend entsteht eine Überlagerung der Grundwelligkeit
des Kommutatormotors mit einem durch ein magnetisches
Rastmoment moduliertem Stromverlauf durch ein anisotropes
Magnetmaterial mit radial stetig veränderter magnetischer
Induktion B (Fig. 31 und 32). Der sich ergebende säge
zahnförmige Verlauf des Meßsignals ist zur Drehrichtungser
kennung bestimmt und geeignet.
Durch Verkippen der Permanentmagnete wird der Verlauf des
magnetischen Flusses in zwei Komponenten B1 und B2 aufge
teilt, die eine zweifache, unterschiedlich starke magneti
sche Rasterung bewirken (Fig. 33 und 34).
Weiter wird eine Strommodulation durch ein asymmetrisches
Ankerblechprofil erreicht, das in Abhängigkeit der Winkel
stellung unterschiedliche magnetische Widerstände aufweist
(Fig. 35 und 36).
Eine Vormagnetisierung B bewirkt ein zusätzliches magneti
sches Moment und moduliert ebenfalls den Motorstrom (
Fig. 37 und 38).
Die Fig. 39 bis 47 zeigen Beispiele für mechanische Wel
ligkeitsursachen und deren Nutzbarmachung für eine Positi
ons- und/oder Drehrichtungserkennung:
Durch eine künstlich erzeugte radiale Unwucht der Ankerwel le 26 entsteht ein zusätzliches, dem Abtriebsmoment überla gertes, periodisches Lastmoment MM (Fig. 39 und 40). Ein überlagertes periodisches Reibmoment wird sowohl durch eine ungleiche Schneckensteigung der Schnecke der Ankerwelle 26 (Fig. 41 und 42), eine ungleiche Schneckenradsteigung als auch durch eine radiale Unwucht oder ein ungleichmäßiges Modul 28 des Abtriebritzels (Fig. 47) erzielt.
Durch eine künstlich erzeugte radiale Unwucht der Ankerwel le 26 entsteht ein zusätzliches, dem Abtriebsmoment überla gertes, periodisches Lastmoment MM (Fig. 39 und 40). Ein überlagertes periodisches Reibmoment wird sowohl durch eine ungleiche Schneckensteigung der Schnecke der Ankerwelle 26 (Fig. 41 und 42), eine ungleiche Schneckenradsteigung als auch durch eine radiale Unwucht oder ein ungleichmäßiges Modul 28 des Abtriebritzels (Fig. 47) erzielt.
Wie die Fig. 43 und 44 zeigen, bewirkt eine wellenförmige
Rasterung des Kunststoffpilzes zur Lagerung bzw. Abstützung
der Welle eine Längsschwingung des Ankers und damit eine
Modulation des Reibübertragungsverhaltens zwischen Schnecke
und Schneckenrad und damit des Stromverlaufes.
Auch durch unterschiedliche Reibwerte RW1 und RW2 am Umfang
des Ankerwellenlagers 29 wird ein zusätzliches, periodi
sches Reibmoment dem Abtriebsmoment aufmoduliert (Fig. 45
und 46).
In Fig. 48 ist als Antriebseinheit für ein hydraulisches
Verstellsystem 35 eine pulsierende Hydraulikpumpe 30 ge
wählt. Durch Aufmodulieren von zusätzlichen Druckschwankun
gen 31 an der Hydraulikpumpe, die etwa mechanisch erzeugt
werden, oder durch eine zusätzliche Druckkammer 32, die mit
einem periodischen Anregesignal beaufschlagt wird, wird
eine Überlagerung der systembedingten Welligkeit mit einem
zusätzlichen, künstlich erzeugten Welligkeitssignals (sy
stemfremde Erregung) erreicht.
Weiter kann in Form von elektrostatischen Viskositätsände
rungen 33 oder magnetischen Viskositätsänderungen 34 des
Öls eine periodische Modulation des Strömungsverhaltens und
damit Druckschwankungen erreicht werden.
Bei Ausführung des Hydraulikantriebsaggregates in Form
einer durch ein Zahnrad, das von einem Motor M angetrieben
wird, angetriebenen Zahnstange entsteht durch die Zahnfüh
ligkeit 36 beim Kraftübergang Zahnrad - Zahnstange ein
zusätzliches, periodisches Welligkeitssignal. Unter gewis
sen Vorraussetzungen tritt an der Reibfläche Kolben -
Zylinder 37 der "Stick-Slip" Effekt auf, der aus dem Wech
sel von Haft- und Gleitreibung entsteht (Fig. 49). Damit
erzeugen zwei mechanische Welligkeiten durch Überlagerung
in das hydraulische System hinein eine hydraulische Wellig
keit.
Die verbleibenden Figuren geben Beispiele für mechanische
Welligkeitsursachen in der Energieübertragungstrecke, etwa
einem Fensterheber, oder im Verstellobjekt, etwa einer
Fensterscheibe.
Fig. 50 zeigt einen Kreuzarm-Fensterheber 38, bestehend
unter anderem aus einem Ritzel 39, einem mit diesem in
Eingriff stehenden Zahnsegment 40 und einem Mitnehmer 41,
auf dem die Fensterscheibe 42 aufliegt.
Durch die Ritzel-Segment-Zahnfühligkeit entstehen Wellig
keitssignale wie sie in Fig. 51 dargestellt sind, und
welche sich der Kommutatorwelligkeit überlagern. Dabei sind
auf der X-Achse die Umdrehungen U des Ritzels 39 und auf
der Y-Achse das Reibmoment M aufgetragen. Der Strecke 43
entspricht ein kompletter Scheibenhub.
Fig. 52 zeigt den entsprechenden Stromverlauf, wobei der
dargestellten Periode ein Zahn des Ritzels entspricht.
Einem Zahn des Ritzels entsprechen beispielsweise 6 Umdre
hungen des Elektromotors und 60 Welligkeitssignale des Kom
mutators für einen 10-lamelligen Kommutator. Dessen Wellig
keitssignal ist der in Fig. 52 dargestellten Periode als
kleine Schwankungen überlagert.
Durch periodische Schwergängigkeit des Ritzels entsteht
eine weitere Überlagerung der Kommutatorwelligkeit. In
Fig. 53 zeigt die kurze Periode 44 die Zahnfühligkeit und
die lange Periode 45 die Exzentrizität des Fensterhebers
an.
Weiter entsteht eine Überlagerung der Kommutatorwelligkeit
durch eine Scharnier-Rasterung 46, wie sie in Fig. 54 dar
gestellt ist. In den Fig. 55 und 56 sind das entsprechen
de Reibmoment M sowie der Strom I dargestellt, wobei den
Schwankungen in Fig. 56 die Kommutatorwelligkeit
entspricht.
Bei einem Fensterheber mit Führungsschiene 47, wie in Fig.
57 dargestellt, kann durch Rasterung 49 der Führungsschiene
47 mit dem Gleitelement 48 eine zusätzliche Welligkeit
erzeugt werden. Fig. 59 zeigt das Reibmoment M. Gleiches
gilt für ein Seil mit Riffelung 50 (Fig. 60 und 61).
In Fig. 62 ist die Seiltrommel 51 unrund (achteckig) ausge
bildet bzw. in Fig. 65 die Seiltrommel 52 exzentrisch um
Δx verlagert. Die Fig. 63 und 64 zeigen den entsprechen
den Verlauf des Reibmomentes M bzw. des Stromes I und Fig.
66 den zu Fig. 65 gehörenden Verlauf des Lastmomentes ML.
Der zu Fig. 66 gehörende Stromverlauf ist analog zur Kurve
des Lastmomentes ML, jedoch von den Welligkeitssignalen we
sentlich kürzerer Periode der Kommutatorwelligkeit überla
gert.
In Fig. 67 ist die Umlenkrolle 53 unrund, indem sie bei
spielsweise polygonal - im vorliegenden Ausführungsbeispiel
achteckig - ausgeführt ist oder indem sie analog zur Ausfüh
rungsform gemäß Fig. 65 exzentrisch um Δx gegenüber der
Rollenmitte verlagert ist.
Fig. 68 zeigt das Reibmoment M bei vier Umdrehungen der
Umlenkrolle für einen Scheibenhub, wobei bei dieser Anord
nung zusätzliche 64 Signalwechsel entstehen. Die entspre
chend ausgebildete Stromkurve weist die überlagerte Kommuta
torwelligkeit auf, d. h. ca. 30 Wechsel innerhalb der Peri
ode a gemäß Fig. 68.
Bei den in den Fig. 69 und 71 gegebenen Anordnungen
liegt die Ursache in der zusätzlichen Welligkeit des Sig
nals in mechanischen Welligkeiten (Riffelungen 54) der
Scheibenkante 55 gemäß Fig. 69 bzw. in Riffelungen der Tür
dichtung 56 gemäß Fig. 71. In beiden Anordnungen werden
entsprechend der Rasterung auf der Scheibe bzw. der Türdich
tung zusätzliche Signalwechsel gewonnen.
Die Fig. 70 und 72 zeigen die entsprechenden Reibmomente
M über der Wegstrecke der Scheibe, d. h. über einen Scheiben
hub. Den analogen Stromkurven ist zusätzlich die Kommutator
welligkeit, beispielsweise 1800 Wechsel pro Scheibenhub,
überlagert.
Claims (38)
1. Verfahren zur Erfassung der Position und Bewegungsrich
tung sowie zur Erfassung dynamischer Kenngrößen von fremd
kraftbetätigten Verstellungen eines Verstellobjektes unter
Verwendung einer Antriebseinheit, einer nachgeschalteten
Energieübertragungsstrecke und eines Verstellobjektes sowie
einer elektrischen Signalauswerteeinheit, die mindestens
ein mit einer systemcharakteristischen Grundperiodizität
ausgestattetes, von der Antriebseinheit und/oder der Ener
gieübertragungsstrecke und/oder dem Verstellobjekt abgegebe
nes Signal analysiert,
dadurch gekennzeichnet,
dass das an der Antriebseinheit und/oder an der Energieüber
tragungsstrecke und/oder dem Verstellobjekt messbare und
die Grundperiodizität aufweisende Signal und mindestens ein
dieser Grundperiodizität überlagertes Signal der
Antriebseinheit und/oder der Energieübertragungsstrecke
und/oder des Verstellobjektes ausgewertet werden, wobei das
überlagerte Signal entweder ein nichtperiodisches, analoges
Signal ist oder das überlagerte Signal eine von der Grundpe
riodizität abweichende Periode und/oder Amplitude besitzt.
2. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche für
einen Kommutatormotor als Antriebseinheit, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Strom-Welligkeit des Kommutatormotors als
systemcharakteristische Grundperiodizität ausgewertet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zusätzlich zur Grundperiodizität eine Periodizität ausgewer
tet wird, die durch die aufgrund der Fertigung systembeding
ten Unterschiede benachbarter Wicklungen des Kommutatormo
tors entsteht.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich
net, daß zusätzlich zur Grundperiodizität eine gezielt
erzeugte Amplitudenmodulation der Grundperiodizität ausge
wertet wird, die durch Veränderung der Impedanz von wenig
stens einer Kommutatorwicklung entsteht.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Grundperiodizität
eine gezielt erzeugte Pulsweitenmodulation ausgewertet
wird, die durch eine asymmetrische Unterteilung der Kommuta
torlamellen entsteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1 für ein Hydraulikaggregat als
Antriebseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundpe
riodizität einer pulsierenden Hydraulikpumpe und zusätzlich
mindestens eine weitere systembedingte und/oder gezielt
erzeugte Welligkeit ausgewertet werden, die von Druckschwan
kungen des hydraulischen Systems hervorge
rufen werden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das der Grundperiodizität überla
gerte Signal auf mechanisch bedingten Welligkeiten der Ener
gieübertragungsstrecke oder des Verstellobjektes, wie Riffe
lungen einer Scheibenkante, Rasterung eines Scharniers oder
der Zahnfühligkeit von Getriebeteilen, beruht.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An
spruch 1 bestehend aus einer Antriebseinheit, einer Energie
übertragungsstrecke, einem Verstellobjekt und einer elektri
schen Signalauswerteeinheit,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Signalauswerteeinheit (4) ein an der Antriebsein
heit (1) und/oder an der Energieübertragungsstrecke (2)
und/oder dem Verstellobjekt (3) meßbares, eine systemcharak
teristische Grundperiodizität aufweisendes Signal und
mindestens ein dieser Grundperiodizität überlagertes Signal
erfasst, wobei dieses überlagerte Signal entweder ein
nichtperiodisches, analoges Signal oder ein in Periode
und/oder Amplitude abweichendes Signal ist, und die Signal
auswerteeinheit (4) eine Korrelation beider Signale er
stellt, aus der die Position, die Drehrichtung und dynami
sche Kenngrößen ermittelbar sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 für einen Kommutatormotor
als Antriebseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Kom
mutatorsegmente (10) asymmetrisch angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass am Kommutator ein zusätzlicher, von zwei
Kohlen (11, 12) teilweise überdeckter Schleifring (15)
vorhanden ist, dessen Lamellen mindestens zwei Lamellen des
eigentlichen Kommutators überdecken und der eine ohmsche
Last aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Kommutator eine Exzentrizität aufweist.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kommutatorsegmenten
(10) eine dritte Kohle (17) angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kohlen (11, 12)
des Kommutatormotors (9) in einem Winkel von 180° zueinan
der angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Kohle (20)
kippbar gelagert ist und gleichzeitig in Umfangsrichtung
eine inhomogene Leitfähigkeit aufweist.
15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Kapazitä
ten parallel zum Kommutatormotor (9) und/oder zu
Entstördrosseln (21, 22) geschaltet sind, wobei die Entstör
drosseln (21, 22) in Reihe mit dem Kommutatormotor (9)
geschaltet sind.
16. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
15, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorwicklung (25) des
Kommutatormotors (9) um eine oder mehrere Windungen vari
iert.
17. Vorrichtung nach mindestens einem er Ansprüche 9 bis
16, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorwicklung (25) des
Kommutatormotors (9) durch die Lage der Wicklungen bedingt
verschiedene Teillängen besitzt.
18. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
17, dadurch gekennzeichnet, daß für den Kommutatormotor (9)
asymmetrische Permanentmagnete verwendet werden.
19. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
1$, dadurch gekennzeichnet, daß für die Permanentmagnete
des Kommutatormotors (9) ein Magnetmaterial mit radial
stetig veränderter magnetischer Induktion B verwendet wird.
20. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
19, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete des
Kommutatormotors (9) gekippt eingebaut sind, so daß sich
die Breite des Luftspalts in Umfangsrichtung stetig verän
dert.
21. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
20, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker des Kommutatormo
tors (9) ein Ankerblechprofil aufweist, das in Abhängigkeit
der Winkelstellung unterschiedliche magnetische Widerstände
aufweist.
22. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
21, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker des Kommutatormo
tors (9) in einer Vorzugsrichtung vormagnetisiert ist.
23. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
22, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerwelle (26) des
Kommutatormotors (9) eine radiale Unwucht aufweist.
24. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
23, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke der Ankerwelle
(26) des Kommutatormotors (9) eine ungleiche Schneckenstei
gung und/oder das Schneckenrad eine ungleiche Steigung
aufweist.
25. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
24, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffpilz zur Lage
rung bzw. Abstützung der Welle des Kommutatormotors (9)
eine wellenförmige Rasterung aufweist.
26. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
25, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Reibwerte
am Umfang des Ankerwellenlagers (29) des Kommutatormotors
(9) erzeugt werden.
27. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis
26, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsritzel eine
radiale Unwucht und/oder ein ungleichmäßiges Modul (28)
aufweist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 8 für eine pulsierende Hydrau
likpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass hinter der Hydraulik
pumpe (30) in der hydraulischen Leitung eine
Druckkammer (32) angeordnet ist, die mit einem periodischen
Druckanregungssignal beaufschlagt wird.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fluid des hydraulischen Systems, das eine elek
trorheologische Flüssigkeit oder ein Ferro-Fluid ist,
gezielt von einem periodisch schwankenden elektrischen
und/oder magnetischen Feld durchsetzt wird.
30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Hydraulikantriebsaggregat in Form einer
durch ein Zahnrad angetriebenen Zahnstange ausgeführt ist.
31. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis
30, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieübertragungs
strecke als Fensterheber (38) mit Ritzel (39), Zahnsegment
(40) und Scharnier (46) ausgeführt ist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet,
daß der Eingriff zwischen Ritzel (39) und Zahnsegment (40)
mit charakteristischer Zahnfühligkeit ausgebildet ist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet,
daß das Scharnier (46) eine Rasterung aufweist.
34. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis
30, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieübertragungs
strecke als Fensterheber mit Seiltrommel, Seil, Umlenkrolle
(53) und Führungsschiene (47) ausgebildet ist.
35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet,
daß die Seiltrommel unrund (51) und/oder exzentrisch verla
gert (52) ist.
36. Vorrichtung nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Führungsschiene (47) gerastert und/oder
das Seil geriffelt ist (50).
37. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 34 bis
36, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkrolle (53) unrund
und/oder exzentrisch verlagert ist.
38. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis
37, für eine Fensterscheibe als Verstellobjekt, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Scheibenkante (55) der Fensterscheibe
und/oder die Türdichtung (56) Riffelungen aufweisen.
Priority Applications (2)
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DE4135873A DE4135873C2 (de) | 1991-10-26 | 1991-10-26 | Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung der Position und Drehrichtung und/oder zur Erfassung dynamischer Kenngrößen von fremdkraftbetätigten Verstellungen eines Verstellobjektes |
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