DE4442171A1 - Verfahren zur Überwachung des Öffnungs- und Schließvorgangs bei einem System mit mindestens einem elektromotorisch bewegten Teil - Google Patents
Verfahren zur Überwachung des Öffnungs- und Schließvorgangs bei einem System mit mindestens einem elektromotorisch bewegten TeilInfo
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Description
Mechanische Systeme mit elektromotorisch bewegten
Teilen sind vielfältig in Gebrauch - beispielsweise
werden in Kraftfahrzeugen mit derartigen Systemen oft
mals die Schließfunktionen von Seitenfenstern und
Schiebedach realisiert. Insbesondere bei automatisch
ablaufenden Schließvorgängen ist jedoch eine Einklemm
gefahr bezüglich der Einklemmung von Körperteilen oder
Gegenständen gegeben; daher sollte aus Sicherheits
gründen ein Einklemmschutz vorhanden sein, wie er
bereits für einige Anwendungsfälle per Verordnung
vorgeschrieben wird.
Die Überwachung des Öffnungs-/Schließvorgangs zur
Gewährleistung eines derartigen Einklemmschutzes kann
beispielsweise mittels optischer Detektoren zur Detek
tion von etwaigen Hindernissen oder durch Bestimmung
und Auswertung der beim Einklemmvorgang entstehenden
Klemmkraft bzw. des zeitlichen Verlaufs der Klemmkraft
erfolgen. Da die direkte Bestimmung der Klemmkraft
(beispielsweise mittels Kraftsensoren oder Drehmoment
sensoren) wegen der benötigten Sensoren recht kostspie
lig ist, wird bei den meisten Überwachungsverfahren die
Klemmkraft bzw. deren zeitlicher Verlauf indirekt durch
Erfassung einer Motorkenngröße bzw. eines Motorparame
ters (beispielsweise der Motordrehzahl) als Meßgröße
ermittelt, diese durch Vergleich mit einer Refe
renzmessung bzw. Referenzmessungen ausgewertet und beim
Überschreiten bestimmter Grenzwerte/Schwellwerte eine
bestimmte Reaktion initiiert (beispielsweise eine
Reversierung des Motorantriebs vorgenommen oder der
Motorstrom abgeschaltet).
Nachteilig bei diesen Verfahren ist die oftmals unzu
reichende Überwachung des Öffnungs-/Schließvorgangs und
der damit verbundene ungenügende Einklemmschutz, da
- - nur ein tendenzieller Zusammenhang zwischen der erfaßten Meßgröße und der daraus abgeleiteten kraftähnlichen Größe gegeben ist, so daß erheb liche Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der realen Klemmkraft auftreten,
- - sich Exemplarstreuungen, Alterungseffekte, Umge bungseinflüsse (Temperatur, Feuchtigkeit etc.) auf die Auswertung (Vergleich mit der bei anderen Bedingungen vorgenommenen Referenzmessung) sehr stark auswirken,
- - wegen der Ortsorientierung bzw. Ortsabhängigkeit (Messung und Auswertung erfolgen in starrer Ab hängigkeit von der Motorposition, d. h. in äqui distanten Schritten bezüglich der Motorumdrehung) die Ansprechzeit beim Auftreten kritischer Ein klemmsituationen oft zu groß ist (durch das mit einer Einklemmung verbundene Absinken der Motor drehzahl wird die zeitliche Auflösung verringert).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben,
das einen wirksamen Einklemmschutz unter allen Umge
bungsbedingungen bzw. Betriebsbedingungen gewährlei
stet.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merk
male im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des
Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Beim vorgestellten Verfahren wird die Klemmkraft aus
dem Betriebszustand des Motors unter Berücksichtigung
aller Motorparameter abgeleitet: die erforderliche
Schließenergie wird nach dem Energieerhaltungssatz aus
der dem Motor zugeführten elektrischen Energie be
stimmt (diese ist von der Versorgungsspannung, dem
Motorstrom und dem Antriebswirkungsgrad abhängig), die
auftretenden Kräfte (Klemmkraft und Reibungskraft) aus
der Schließenergie unter Berücksichtigung der Motor
kenngrößen (Motordrehzahl bzw. Motorperiodendauer und
Übersetzungsverhältnis) ermittelt, eine Einklemm
situation durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs der
Reibungskraft bzw. Klemmkraft detektiert
(beispielsweise durch Vergleich mit einem konstanten
Schwellwert oder durch Auswertung des zeitlichen
Profils) und die Schließenergie beim Überschreiten bzw.
Erreichen vorgegebener Grenzwerte durch Abschalten bzw.
Reversieren des Motorantriebs reduziert. Durch eine
zeitorientierte Verfahrensweise - Abtastung der Ein
gangsgrößen zu den Meßzeitpunkten und Auswertung (die
Ermittlung der momentan wirkenden Klemmkraft) erfolgen
in äquidistanten Zeitschritten mit vorgebbarer Schritt
weite (beispielsweise folgen die Meßzeitpunkte im
Abstand von einer Millisekunde aufeinander) -, kann
eine kontinuierliche Klemmkraftbestimmung mit einer
sehr hohen zeitlichen Auflösung vorgenommen werden. Zur
Bestimmung der Klemmkraft und zur Auswertung des zeit
lichen Kraftverlaufs wird ein Zeitfenster mit vorgeb
barer Fensterbreite herangezogen, die der Zeitdifferenz
zwischen dem aktuellen Meßzeitpunkt und einem Referenz
zeitpunkt entspricht. Die Fensterbreite wird so
gewählt, daß der am langsamsten ablaufende der mögli
chen Einklemmfälle noch sicher detektiert werden kann:
hierzu wird mindestens ein Referenzzeitpunkt auf einen
Zeitpunkt gelegt, an dem noch keine Klemmkraft auftritt
und hieraus die Reibungskraft bestimmt. Bei der Auswer
tung dient das Zeitfenster dazu, einen gewichteten
Mittelwert aus den Meßwerten und Motorkenngrößen des
aktuellen Meßzeitpunkts und des Referenzzeitpunkts zu
bilden. Der Antriebswirkungsgrad wird vorzugsweise
während der Schließbewegung kontinuierlich an Versor
gungsspannung und Betriebstemperatur angepaßt, und
dadurch dessen Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen
eliminiert.
Das vorgestellte Verfahren vereinigt mehrere Vorteile
in sich:
- - da die zur Beurteilung einer Einklemmsituation ermittelte Klemmkraft durch Auswertung aller physikalisch relevanten Betriebsparameter des Motors (Wirkungsgrad, Strom, Spannung, Ankerum drehungszahl bzw. Ankerperiode) und somit in der exakten physikalischen Dimension bestimmt wird, stellt diese ein direktes Abbild der tatsächlich wirkenden Klemmkraft dar; ein Einklemmvorgang kann daher unter allen Betriebsbedingungen sehr sicher und präzise detektiert werden,
- - aufgrund der zeitorientierten Verfahrensweise ist eine kontinuierliche Klemmkraftbestimmung mit sehr hoher zeitlicher Auflösung möglich; dies wirkt sich insbesondere bei abrupten Einklemmvorgängen mit Klemmkörpern hoher Steifigkeit vorteilhaft aus, da hier die Flankensteilheit des Kraftan stiegs sehr große Werte annimmt - somit lassen sich auch sehr rasch verlaufende Einklemmvorgänge sicher detektieren und entsprechende Gegenmaß nahmen ergreifen,
- - es besteht keinerlei Abhängigkeit der Einklemmsi tuation von den äußeren Randbedingungen; eine Ein klemmdetektion kann daher auch bei einer Variation der Umgebungsbedingungen, der Versorgungsspannung, der Steifigkeit des Klemmkörpers bzw. des Antriebs, der Reibungsverhältnisse im Antrieb und der Serienstreuung der Antriebscharakteristik sicher erfolgen,
- - es sind reproduzierbare Klemmkraftgrenzwerte bzw. Mindestkraftgrenzen mit geringer Streuung auch bei Einklemmkörpern unterschiedlicher Steifigkeit bzw. bei unterschiedlich schwergängigen Getriebe-Mecha nik-Anordnungen gegeben.
Das vorgestellte Verfahren soll weiterhin anhand eines
Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Gemäß der Figur wird die dem Motor 1 zugeführte elek
trische Arbeit Wel in Vortriebsarbeit WV für das trans
latorisch bewegte Teil 3 und beim Erreichen des Klemm
körpers 4 (im Einklemmfall) zusätzlich in Verfor
mungsarbeit umgesetzt. Unter Berücksichtigung des
Gesamtwirkungsgrads η von Motor 1 und Getriebe 2 ergibt
sich aus dem Energieerhaltungssatz:
WV = η·Wel (1).
Die dem Motor zugeführte elektrische Arbeit Wel ist wie
folgt definiert:
Wel = U·I·t (2),
wobei U die Betriebsspannung, I der Motorstrom und t
die Zeitdauer ist.
Für die Vortriebsarbeit WV bzw. im Einklemmfall für die
resultierende Verformungsarbeit erhält man unter
Vernachlässigung der bewegten Massen:
WV = FS·s (3),
wobei FS die Gesamtkraft und s der zurückgelegte Weg
des bewegten Teils 3 ist.
Im Einklemmfall setzt sich die vom Motorantrieb aufge
brachte Gesamtkraft bzw. Summenkraft FS aus der Klemm
kraft FK und der Reibkraft FR zusammen:
FS = FK + FR (4).
Für die Klemmkraft FK ergibt sich somit der folgende
Zusammenhang:
Beim gegebenen translatorischen Übersetzungsverhältnis
Ü des Antriebs kann aus der Ankerdrehzahl n des Motors
bzw. der Ankerperiode T des Motors I und der Zeit
dauer t der zurückgelegte Weg s des Teils 3 bestimmt
werden:
Hiermit ergibt sich aus Gleichung (5) für die Klemm
kraft FK:
bzw. für die zeitliche Abhängigkeit der Klemmkraft
FK(t):
Anhand dieser Gleichung wird der zeitliche Verlauf der
Klemmkraft FK(t) bestimmt: Betriebsspannung U, Motor
strom 5 und Periodendauer T der Ankerumdrehung lassen
sich auf meßtechnisch einfache und kostengünstige Art
und Weise erfassen, das translatorische Übersetzungs
verhältnis Ü ist konstruktiv vorgegeben und ändert
sich bei hinreichend stabiler Ausführung des Antriebs
nur geringfügig bei Krafteinwirkung. Der Wirkungsgrad η
stellt eine motorspezifische bzw. getriebespezifische
und von der Versorgungsspannung U abhängige Größe dar;
anhand der Motorkennlinie wird dessen Spannungsab
hängigkeit berücksichtigt und durch Erfassung der
Temperatur kann dessen Temperaturabhängigkeit elimi
niert werden. Die im translatorisch bewegten Teil 3
auftretende und durch Änderungen des Reibungskoeffi
zienten µ infolge von Temperatur-, Verschmutzungs-, und
Alterungseinflüssen extremen Schwankungen unterworfene
und zudem je nach konstruktiver Ausführung der
Antriebslagerung und Führung variierende Reibkraft FR,
wird durch mindestens eine Referenzmessung aus dem
Betriebszustand des Motors 1 unter der Voraussetzung
bestimmt, daß keine Einklemmsituation vorliegt (d. h.
diese Referenzmessung muß zu einem Referenzzeitpunkt tR
erfolgen, zu dem die Klemmkraft FK = 0 ist).
In diesem Fall ergibt sich aus der Gleichung (8) für
den Referenzzeitpunkt tR folgender Zusammenhang (FK
(tR) = 0):
Zum Meßzeitpunkt tM, zu dem eine Einklemmung auftreten
kann, ist die relevante Klemmkraft FK(tM) somit aus den
Gleichungen (8) und (9) durch Differenzbildung bestimm
bar:
Die Indices M und R beschreiben die Abtastzeitpunkte
für den Meßvorgang, wobei der Index M den aktuellen
Zeitpunkt und der Index R den Zeitpunkt einer vorange
gangenen Referenzabtastung angibt, d. h. M < R. Durch
die Differenz tM-tR wird folglich ein diskretes Zeit
fenster als Zeitdifferenz zwischen dem aktuellen Meß
zeitpunkt tM und dem Referenzzeitpunkt tR definiert,
dessen Breite anhand des langsamsten vorkommenden noch
zu detektierenden Einklemmfalls gewählt wird; durch
Wahl des Parameters R wird sichergestellt, daß minde
stens eine Referenzmessung zu einem Zeitpunkt erfolgt,
während dem die Klemmkraft FK = 0 ist.
Die infolge eines Einklemmvorgangs resultierende Ände
rung des Motordrehmoments Md wirkt sich sofort auf den
Motorstrom I aus, während sich die Motordrehzahl n bzw.
die Ankerperiode T wegen der hohen Massenträgheit und
auch die Versorgungsspannung U vergleichsweise nur
langsam ändern. Die Gleichung (10) kann daher folgen
dermaßen vereinfacht werden:
Die Bestimmung der Klemmkraft FK erfolgt zeitäquidi
stant und synchron zur Erfassung der jeweiligen Meß
größen. Hierbei werden gemäß Gleichung (10) für alle
Parameter bzw. Meßgrößen die Werte des Referenz
zeitpunkts tR berücksichtigt; bei der vereinfachten
Gleichung (11) wird nur für den Motorstrom I auch der
Wert zum Referenzzeitpunkt tR herangezogen, während für
alle anderen Parameter lediglich die aktuellen Werte
zum jeweiligen Meßzeitpunkt tM maßgebend sind. Zur
Speicherung der für die Bestimmung der Klemmkraft FK
erforderlichen Meßgrößen bzw. Parameter kann ein glei
tender Pufferspeicher mit einer Speichertiefe von der
Größenordnung der Differenz tM-tR vorgesehen werden.
Um Klemmkörper mit unterschiedlicher Steifigkeit und
damit unterschiedlich schnell verlaufende Einklemmvor
gänge sicher detektieren zu können, erfolgt eine
Abtastung der Meßwerte und deren Auswertung in äqui
distanten Zeitschritten von beispielsweise einer Milli
sekunde, während das Zeitfenster mit einer Breite von
100 ms gewählt wird (tM-tR = 100 ms). Hiermit sind
Einklemmvorgänge der Dauer 100 ms sicher detektierbar,
wobei der Schwellwert bzw. Grenzwert zur Detektion
einer Einklemmsituation beispielsweise bei 60 N ange
setzt wird. Typische Einklemmsituationen zeigen
Kraftanstiegsraten von ca. 1 N/ms und Reibungskräfte FR
in der Größenordnung von 50 . . . 100 N. In diesem Fall
würde 60 ms nach Beginn der Klemmung der Grenzwert
erreicht und der Antrieb bei FK = 60 N abgeschaltet
bzw. reversiert werden.
Zur Unterdrückung von sporadischen Meßfehlern bzw. von
kurzzeitigen Änderungen der Reibungscharakteristik des
Antriebes mit großer Amplitude wird zum Grenzwertver
gleich ein gewichteter Mittelwert aus mindestens zwei
mit Gleichung (10) oder Gleichung (11) bestimmten
Klemmkräften FK herangezogen. Bezüglich Gleichung (11)
kann ein gewichteter Kraftmittelwert durch gewichtete
Mittelwerte der Stromdifferenzwerte I(tM)-I(tR)
gebildet werden.
Claims (4)
1. Verfahren zur Überwachung des öffnungs- und Schließ
vorgangs bei einem System mit mindestens einem elektro
motorisch bewegten Teil (3), mit den Verfahrensschrit
ten:
- - während der Bewegung der Teile (3) werden alle Betriebsparameter des Motors (1) kontinuierlich zu zeitlich äquidistanten Meßzeitpunkten erfaßt,
- - unter Zuhilfenahme der erfaßten Betriebsparameter des Motors (1) wird die sich bei der Bewegung ergebende Energiebilanz gebildet,
- - die aufgrund der Bewegung resultierende Gesamt kraft (FS) wird aus der Energiebilanz und den kon struktiven Parametern von Motor (1) und Getriebe (2) ermittelt,
- - die Klemmkraft (FK) wird aus der Gesamtkraft (FS) zu jedem Meßzeitpunkt (tM) unter Zuhilfenahme eines Zeitfensters bestimmt, dessen Fensterbreite als Zeitdifferenz zwischen dem jeweiligen Meßzeit punkt (tM) und einem jeweiligen Referenzzeitpunkt (tR) so gewählt wird, daß mindestens zu einem Referenzzeitpunkt (tR) noch keine Klemmung (FK = 0) auftritt,
- - der zeitliche Verlauf der Klemmkraft (FK) wird bewertet und beim Überschreiten vorgegebener Grenzwerte bzw. Schwellwerte ein Einklemmfall de tektiert,
- - beim Erkennen eines Einklemmfalls werden bestimmte Reaktionen initiiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß bei der Bestimmung der Klemmkraft (FK) ein gewich
teter Mittelwert aus mindestens zwei, zu unterschiedli
chen Meßzeitpunkten (tM) ermittelten Klemmkräften
(FK (tM)) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß von den Betriebsparametern des Motors (1) zur
Bestimmung der zum Referenzzeitpunkt (tR) vorliegenden
Referenzgröße nur der Wert des Motorstroms (I (tR))
berücksichtigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Bildung des gewichteten Mittelwertes
der Klemmkraft (FK) die gewichteten Mittelwerte minde
stens zweier Stromdifferenzwerte (I(tM)-I(tR)) heran
gezogen werden.
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