DE4315637A1 - Verfahren zur Erkennung der Position, der Drehrichtung und/oder der Drehgeschwindigkeit eines drehbar gelagerten Teils - Google Patents

Verfahren zur Erkennung der Position, der Drehrichtung und/oder der Drehgeschwindigkeit eines drehbar gelagerten Teils

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Position, der Dreh­ richtung und/oder der Drehgeschwindigkeit eines drehbar gelagerten Teils, das insbesondere bei der fremdkraftbetätigten Verstellung von Schließteilen in Kraftfahrzeugen, z. B. bei einem elektrisch angetriebenen Fensterheber mit Einklemmschutz angewendet werden kann. Das Verfahren erlaubt die Reduzierung der Anzahl der Bauteile und des Bauraums.
Bekannte Vorrichtungen zur Positions- und Drehrichtungserkennung verwenden 2-kanalige Sensorsysteme, deren Signale phasenverschoben sind und in einer Elektronikeinheit ausgewertet werden. Die verwendeten Sensoren können nach sehr unterschiedlichen physikalischen Prinzipien (z. B.: elektrisch, magne­ tisch, induktiv, optisch) arbeiten.
So verwendet der elektromotorische Antrieb gemäß der EP 0 359 853 B1 bei­ spielsweise zwei zueinander winkelversetzte Hall-Sensoren, die einem auf der Ankerwelle befestigten Ringmagneten zugeordnet sind. Bei Drehung der Ankerwelle entstehen zwei entsprechend phasenverschobene vom Hall-Sensor generierte Signale, die nach Digitalisierung in einer Elektronikeinheit ausgewertet werden und die ausschließliche Grundlage für die Drehrichtungs­ erkennung bilden. Da das entsprechende Signalmuster für jede Drehrichtung charakteristisch (verschieden) ist, lassen sich die Zählimpulse ebenso ein­ deutig einer Drehrichtung zuordnen.
Da die bekannte technische Lösung jedoch nicht mit weniger als zwei Sensorkanälen auskommt, ist sie nur mit einem entsprechend hohen Aufwand an Bauteilen und Leitungen zu realisieren. Auch der dafür freizuhaltende Bau­ raum kann sich negativ auswirken und zwar insbesondere bei Verwendung kleiner Antriebseinheiten mit integrierter Elektronik.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung der Position, der Drehrichtung und/oder der Drehgeschwindigkeit eines drehbar gelagerten Teils, insbesondere einer Motor- oder Getriebe­ welle eines fremdkraftbetätigten Schließteils, z. B. für einen elektrischen Fensterheber mit Einklemmschutz, zu entwickeln, das unter Verwendung nur eines Sensorkanals eine sichere Auswertung gewährleistet. Das Verfahren soll insbesondere in Verbindung mit industriellen Massenprodukten, z. B. für Verstelleinrichtungen in Kraftfahrzeugen einsetzbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flanken des digitalisierten Signals in Abhängigkeit vom Steuerbefehl des Motors ausge­ wertet werden. Dazu werden die Steuerbefehle des Motors der Auswertelogik der Elektronikeinheit zugeführt, wo in Abhängigkeit von Richtung und Dauer des Steuerbefehls darüber entschieden wird, ob die eintreffenden Signal­ flanken der einen bzw. der anderen Drehrichtung zuzuordnen sind. Die Erfin­ dung sieht zwei alternativ verwendbare Varianten vor:
Zum einen werden der einen Drehrichtung ausschließlich die high-Flanken und der anderen Drehrichtung ausschließlich die low-flanken des digitalisierten Signals zugeordnet, während zum anderen ausschließlich die high- oder die low-Flanken der Signalauswertung zugrunde gelegt werden, jedoch in Verbin­ dung mit dem Pegel des digitalisierten Signals zum Zeitpunkt des Motoran­ laufs bzw. der Drehrichtungsumkehr des Motors.
Für den Fall, daß der Motor (rotierender oder linearer Antrieb) unter einer so großen Belastung steht, daß beim Abschalten seiner Speisespannung mit einem sofortigen Stillstand zu rechnen ist, also daß kein Nachlaufen er­ folgt, so liefert die Benutzung der Merkmale des ersten Anspruchs sichere Werte für die Erkennung der Position, der Drehrichtung und/oder der Drehge­ schwindigkeit des entsprechenden Verstellteils. Die meisten technisch relevanten Fälle sind jedoch wegen des Bewegungsimpulses des Motors mit einem Nachlauf verbunden, weshalb gegebenenfalls eine Bewertung der Signal­ flanken nach der Abschaltung des Motors vorgenommen werden muß.
Die in den Unteransprüchen aufgezeigten Signalanalysen und Korrekturmög­ lichkeiten sind besonders vorteilhaft für Antriebe anwendbar, die nach Ab­ schalten der Motorspeisespannung innerhalb weniger Ankerumdrehungen zum Stillstand kommen.
Um eine gesicherte Zuordnung der Signalflanken zu der einen oder der anderen Drehrichtung gewährleisten zu können, müssen neben der Einbeziehung des Zeitpunktes t₁ des Steuerbefehls noch weitere Zeitmarken bzw. Zeitbe­ reiche einbezogen werden welche von den kinematischen Gegebenheiten des Systems (Verstelleinrichtung) abhängig sind und deshalb spezifisch durch Berechnen (unter Zuhilfenahme der festen und variablen Einflußgrößen) und durch Versuch ermittelt werden müssen. Die Zuordnung der Signalflanken er­ folgt demnach in Abhängigkeit einer minimalen Nachlaufzeit Δtmin, in der praktisch keine Drehrichtungsumkehr auftreten kann und in Abhängigkeit einer maximalen Nachlaufzeit Δtmax, nach der spätestens eine Drehrichtungs­ umkehr durch die Logik erkannt sein muß.
Die minimale Nachlaufzeit Δtmin stellt die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt t₁ des Startbefehls und dem vorzugsweise empirisch ermittelten Zeitpunkt t₂ dar, wobei t₂ den Zeitpunkt repräsentiert, zu dem garantiert noch keine Drehrichtungsumkehr erfolgt sein kann. Die maximale Nachlaufzeit tmax repräsentiert die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt t₁ des Steuerbefehls und dem Zeitpunkt t₃, wobei t₃ dem Zeitpunkt der zweiten zu registrierenden Flanke des digitalisierten Signals nach dem Zeitpunkt t₂ entspricht. Der Zeitpunkt t₃ steht somit nicht nur für den spätesten Zeit­ punkt einer Drehrichtungsumkehr, sondern auch für eine Zeitgrenze, nach der die eintreffenden Signalflanken immer der neuen Drehrichtung zugeordnet werden.
Die Signalauswertung muß in Abhängigkeit von der Richtung des neuen Steuer­ befehls und vom Zeitpunkt seines Auftretens sehr differenziert vorgenommen werden.
Tritt beispielsweise ein Steuerbefehl nach dem Zeitpunkt t₃ auf, so werden die Signale so ausgewertet, als handle es sich um einen Neustart nach dem Stillstand des Systems.
Werden zwei Steuerbefehle in sehr kurzer Folge in gleicher Richtung gege­ ben, wobei der zweite Steuerbefehl noch vor dem Zeitpunkt t₃ fällt, so sind die Signalflanken der gleichen Bewegungsrichtung zuzuordnen wie die Signal­ flanken des zuerst gegebenen Steuerbefehls. Beim Auftreten eines Steuerbe­ fehls in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung können hingegen die zwi­ schen den Zeitpunkten t₂ und t₃ registrierten Signalflanken der neuen Bewe­ gungsrichtung zugeordnet, und erforderlichenfalls korregiert werden. Anders verhält es sich mit den Signalflanken, die bis zum Zeitpunkt t₂ bzw. erst nach dem Zeitpunkt t₃ auftreten. Während die Signalflanken der zuerst ge­ nannten Art der letzten Bewegungsrichtung zugeordnet werden, da ja noch keine Bewegungsrichtungsumkehr erfolgt sein kann, werden die zuletzt ge­ nannten komplementären Signalflanken der neuen, also der Gegendrehrichtung zugeordnet.
Ein gegebenenfalls vorhandenes Korrekturbedürfnis des Zählerstandes für die zwischen dem Zeitpunkt t₂ und dem Zeitpunkt t₃ registrierten Signalflanken muß nach zwei verschiedenen Methoden ermittelt werden:
Zum einen wird der Zählerstand der vorherigen Bewegungsrichtung nur dann um eine Zähleinheit korrigiert, wenn die Signalpegel (z. B. high) zum Zeit­ punkt t₂ und einem zweiteren Zeitpunkt t₂₃, der dem Maximalen (tatsächlichen) Nachlauf des Antriebes entspricht, mit der aktuellen Flankenrichtung (high) für die neue (Gegen-) Drehrichtung übereinstimmt und innerhalb dieses Zeitbereichs auch eine zu zählende Flanke erkannt wurde. Zum anderen ist das Korrekturbedürfnis auch durch den Vergleich der Pegeldauer aufeinanderfolgender Pegel ermittelbar. So ist der Zählerstand der vorherigen Drehrichtung nur dann um eine Zähleinheit zu korrigieren, wenn die Pegeldauer nach der ersten aus dem Zeitpunkt t2 folgenden Signal­ flanke kürzer ist als die Pegeldauer des unmittelbar darauf folgenden komplementären Pegels.
Nach einem durch die Steuerlogik, z. B. zum Zwecke der Positionsabschaltung oder von Hand ausgelöstem Stop-Befehl, erfolgt die Signalauswertung derart, daß die Nachlaufzeit des Antriebes bis zum Zeitpunkt t₂₃ ermittelt und beim Erreichen des Zeitpunktes t₂₃ die Flankenerkennung umgeschaltet wird. Eine Überprüfung des Zählerstandes erfolgt durch den Vergleich der Pegeldauer vor dem Stop-Befehl mit der Pegeldauer nach dem Stop-Befehl, also nach dem Zeitpunkt t₁. Ist die Pegeldauer vor dem Stop-Befehl größer als die danach, so wird der Zählerstand um eine Zähleinheit korrigiert, da die Drehrich­ tungsumkehr schon vor dem Zeitpunkt t₂₃ erfolgte. Ergibt die Auswertung jedoch, daß die Pegeldauer vor dem Zeitpunkt t₁, also vor dem Stop-Befehl, kleiner ist als die Pegeldauer danach, so wird der Zählerstand nicht korrigiert, da die Drehrichtungsumkehr erst nach dem Zeitpunkt t23 erfolgte.
Wird die Verstelleinrichtung beispielsweise in einen Anschlag gefahren, so muß trotz des Anliegens eines Steuerbefehls für eine Bewegungsrichtung mit dem Ausbleiben von Sensorsignalen gerechnet werden. Registriert die Auswerteeinheit für eine gewisse (vorgegebene) Zeitspanne keine Sensor­ signale, so wird automatisch ein Stop-Befehl ausgelöst und die Flankener­ kennung umgeschaltet. Ein neuer Steuerbefehl ist erst nach dem Stillstand des Antriebes freigegeben. D. h., daß eine eventuelle gegenläufige, also Rückstellbewegung verursacht, z. B. durch eine abtriebsseitige Belastung oder eine Systemverspannung, zum Stillstand gekommen sein muß.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels für eine elektrischen Fensterheber mit Einklemmschutz für Kraftfahrzeuge, sowie den dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Blockschaltbild einer Verstelleinrichtung mit Kollisionsschutz
Fig. 2a Diagramm eines Eingangssignals Xe (z. B. aus Block 3 des Block­ schaltbildes gemäß Fig. 1)
Fig. 2b Diagramm der aus dem Eingangssignal Xe resultierenden Sprungantwort Xa (z. B. aus Block 4 des Blockschaltbildes gemäß Fig. 1)
Fig. 3 zeitlich abhängige Stromkurve eines Fensterhebermotors, der zum Zeitpunkt t₁ in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung umge­ schaltet wurde
Fig. 4 Ablaufdiagramm für die Positionserkennung eines elektrisch an­ getriebenen Fensterhebersystems mit Einklemmschutz
Fig. 4a Teil des Ablaufdiagramms (Start)
Fig. 4b Teil des Ablaufdiagramms (Heben)
Fig. 4c Teil des Ablaufdiagramms (Senken)
Fig. 4d Teil des Ablaufdiagramms (Einklemmschutz)
Das Blockschaltbild gemäß Fig. 1 zeigt die prinzipielle Verschaltung der einzelnen Funktionsblöcke 1, 2.1, 2.2, 3, 4, 5 der Verstelleinrichtung und somit ihre Wechselwirkung untereinander sowie den Signal- bzw. Infor­ mationsfluß.
Eine von Hand ausgelöste Steueranweisung wird an die Steuerlogik weiterge­ geben und in Abhängigkeit der Signale aus der Auswertelogik verarbeitet.
Die Steuerbefehle werden einerseits der Auswertelogik zugeführt, wo sie mit den Signalen des Sensors gemeinsam verarbeitet werden, und die andererseits auf ein Stellglied (z. B. ein Relais) einwirken. Das Stellglied seinerseits wirkt auf die zu steuernde physikalische Größe (z. B. die Position eines Verstellteils oder den Motorstrom) ein.
Die Fig. 2a und 2b dienen der Verdeutlichung des Verhaltens realer Ver­ stellsysteme, bei denen die Massenträgheit bzw. der Bewegungsimpuls zu einem Nachlaufen des Verstellsystems führen. So zeigt Fig. 2a die Zeit­ dauer des Eingangssignals zwischen t-Start und t-Stop während der bei­ spielsweise ein Motor bestromt wird. Aus der Sprungantwort Xa von Fig. 2b ist ersichtlich, daß die Verstellzeit des Antriebs um den Betrag Δt größer ist als die Dauer des Eingangssignals. Die Zeit Δt entspricht der Nach­ laufzeit des Antriebes.
Im Diagramm gemäß Fig. 3 sind neben der zeitabhängigen Stromkurve eines Fensterhebermotors, der zum Zeitpunkt t₁ in die Gegenrichtung umgesteuert wurde, auch weitere Zeitkonstanten eingetragen, die für die erfindungsge­ mäße Bewertung der Signale von Bedeutung sind. Der Zeitpunkt t₂ stellt danach den Zeitpunkt dar, zu dem praktisch noch keine Drehrichtungsumkehr erfolgen konnte. Er liegt deshalb so nahe wie möglich am Zeitpunkt t₁ des Steuerbefehls. Der Zeitpunkt t₃ repräsentiert hingegen die äußere zeitliche Grenze einer Drehrichtungs- bzw. Bewegungsrichtungsumkehr, jedoch unter der Bedingung, das die Auswertelogik zu diesem Zeitpunkt schon eine Drehrich­ tungsumkehr anhand der analysierten Signale erkennen konnte. Deshalb kann der tatsächliche maximale Nachlauf des Antriebs schon vor dem Zeitpunkt t₃ sein Ende finden. Der tatsächliche (aus technischen Gründen) maximale Nach­ lauf des Antriebs ist vom Zeitpunkt t₂₃ begrenzt.
Alle genannten Zeitkonstanten lassen sich prinzipiell empirisch ermitteln oder mathematisch berechnen. Welche der genannten Methoden zur Anwendung kommen sollte hängt im wesentlichen von den zu betreibenden Aufwand ab. Δtmin wird als Differenz zwischen dem Zeitpunkt t₁ des Steuerbefehls und dem Zeitpunkt t₂ als minimaler Nachlaufzeit und Δtmax als Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt t₁ und dem Zeitpunkt t₃ als maximaler Nachlaufzeit bezeichnet.
Die Abhängigkeit von der Zeit dargestellte Stromkurve stellt den Fall eines Einklemmvorganges eines elektrisch betriebenen Fensterhebersystems mit Kollisionsschutz. Zunächst steigt der Stromverbrauch stark an bis der Kollisionsschutz anspricht und zum Zeitpunkt t₁ des Stellbefehl für die gegenläufige Drehrichtung des Elektromotors ausgegeben wird. Nach einigen Millisekunden fällt das betreffende Relais ab und der Elektromotor befindet sich im Kurzschlußbetrieb. Der Motor läuft nun für eine gewisse Zeit weiterhin im stromlosen Zustand getrieben von seinem Drehimpuls als Generator, wobei er eine Spannung induziert die sich bei Zuschaltung des Relais für die gegenläufige Drehrichtung zur entsprechenden Bordspannung hinzu addiert. Erst mit der Normalisierung des Betriebszustandes des Motors kann sich wieder ein normaler Betriebsstrom einstellen. Dieser Vorgang ist von den verwendeten Relaistypen abhängig. Im beschriebenen Falle ist die Einschaltverzögerung größer als die Ausschaltverzögerung.
In den Fig. 4a bis 4d ist in Form eines Ablaufdiagramms das erfindungs­ gemäße Verfahren zur Positionserkennung nach Alternative a bezogen auf einen elektrischen Fensterheber mit Einklemmschutz zusammengefaßt. Dieses Ablaufdiagramm berücksichtigt alle möglichen auftretenden Betriebszustände eines elektrischen Fensterhebers mit Einklemmschutzerkennung und enthält sämtliche Auswertevorschriften bzw. Entscheidungskriterien gemäß den Patentansprüchen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Erkennung der Position, der Drehrichtung und/oder der Drehgeschwindigkeit eines drehbar gelagerten Teils, insbesondere einer Motor- oder Getriebewelle eines fremdkraftbetätigten Schließteils mit Kollisionsschutz (vorzugsweise für Verstelleinrichtungen in Kraftfahrzeu­ gen), unter Verwendung wenigstens eines Wegsensors (Wegaufnehmer), dessen digitalisierte Signale in einer Auswertelogik der Elektronikeinheit bewer­ tet werden, wobei die Signalflanken der Auswertung zugrunde gelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerbefehle des Motors auch der Auswertelogik zugeführt werden und in Abhängigkeit von der Richtung und der Dauer des Steuerbefehls
  • (a) die high- bzw. low-Flanken des digitalisierten Signals oder
  • (b) eine der high- bzw. low-Flanken in Verbindung mit dem Pegel des Signals zum Zeitpunkt des Motoranlaufs bzw. der Drehrichtungsumkehr des Motors
der einen bzw. der anderen Bewegungsrichtung (Drehrichtung) zugeordnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Signalauswertung ein eventuelles Nachlaufen des Motors infolge seines Bewe­ gungsimpulses (z. B. seines Drehimpulses) berücksichtigt und bei Bedarf eine Korrektur der Position vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnung der Signalflanken zu einer Laufrichtung in Abhängigkeit von einer minimalen Nachlaufzeit Δtmin und einer maximalen Nachlaufzeit Δtmax erfolgt, wobei sich
  • - Δtmin als Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt t₁ des Steuerbefehls und dem vorzugsweise empirisch ermittelten Zeitpunkt t₂ ergibt, wobei t₂ vom Bewegungsimpuls des Motors abhängig ist und so nahe an t₂ liegt, daß bis zum Zeitpunkt t₂ praktisch keine Drehrichtungsumkehr erfolgen kann, und
  • - Δtmax als Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt t₁ des Steuerbefehls und dem Zeitpunkt t₃ ergibt, wobei t₃ dem Zeitpunkt der zweiten zu registrierenden Flanke nach t₂ entspricht und den Zeitraum repräsen­ tiert, nach dem spätestens eine Drehrichtungsumkehr durch die Logik erkannt wurde.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswertung nach einem neuen Steuerbefehl, der nach dem Zeitpunkt t₃ auftritt, so erfolgt, als handle es sich um einen Neustart aus dem Stillstand heraus.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalflanken bei der Auswertung der gleichen Drehrichtung (der Dreh­ richtung des letzten Steuerbefehls) zugeordnet werden, wenn ein neuer Steuerbefehl der gleichen Drehrichtung innerhalb des Zeitraums von t₁ und t₃ auftritt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswertung nach einem neuen Steuerbefehl in die entgegengesetzte Drehrichtung des Systems derart erfolgt, daß
  • - bis zum Zeitpunkt t₂ die Signalflanken (des letzten Steuerbefehls) der letzten (vorangegangenen) Drehrichtung zugeordnet werden,
  • - zwischen t₂ und t₃ die Signalflanken der neuen Drehrichtung zugeord­ net und erforderlichenfalls korrigiert werden, und daß
  • - nach t₃ alle komplementären (entgegengesetzten) Signalflanken der neuen (Gegen-) Drehrichtung zugeordnet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählerstand der vorherigen Drehrichtung erforderlichenfalls um eine Zählereinheit korrigiert wird, wenn die Signalpegel (z. B. high) zu den Zeitpunkten t₂ und t₂₃ der aktuellen Flankenrichtung (high) für die neue (Gegen-) Drehrichtung entsprechen und innerhalb des Zeitbereiches zwischen t₂ und t₂₃ eine zu zählende Flanke erkannt wurde, wobei t₂₃ dem maximalen Nachlauf entspricht und vorzugsweise empirisch ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählerstand der vorherigen Drehrichtung um eine Zähleinheit korrigiert wird, wenn die Pegeldauer nach der ersten zu registrierenden Signalflanke, die auf t₂ folgt, kürzer ist als die Dauer des unmittelbar (in Richtung t₃) folgenden komplementären Pegels.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswertung nach einem durch die Steuerlogik, z. B. zum Zwecke der Positionsabschaltung, oder von Hand ausgelösten Stop-Befehl derart erfolgt, daß
  • - die Nachlaufzeit bis zum Zeitpunkt t₂₃ ermittelt wird,
  • - bei t₂₃ die Flankenerkennung umgeschaltet wird und
  • - der Zählerstand wie folgt überprüft wird:
  • (a) Vergleich der Pegeldauer P₀₁ vor dem Stop-Befehl mit der Pegeldauer P₁₀ (gleichen Zustand, da Nachlauf) nach dem Stop- Befehl und
  • (b) Entscheidung über Korrektur
  • (ba) bei P₀₁ < P₁₀ wird der Zählerstand um eine Einheit korrigiert, da die Drehrichtungsumkehr schon vor t₂₃ erfolgte,
  • (bb) bei P₀₁ < P₁₀ wird der Zählerstand nicht korrigiert, da die Drehrichtungsumkehr nach t₂₃ erfolgte und daß
  • (c) ein neuer Steuerbefehl erst nach Motorstillstand freigegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbleiben von Sensorsignalen für eine vorgegebene Zeitspanne bei an­ liegendem Steuerbefehl für eine Bewegungsrichtung ein Stop-Befehl ausgelöst und die Flankenerkennung umgeschaltet wird und daß ein neuer Steuerbefehl erst nach Motorstillstand freigegeben wird, d. h., daß eine eventuelle ge­ genläufige (Rückstell-) Bewegung, verursacht z. B. durch eine abtriebsei­ tige Belastung oder eine Systemverspannung, zum Stillstand gekommen sein muß.
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