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 Teil

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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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