WO2014033205A1 - Verfahren zur steuerung des schliessvorgangs von schliessvorrichtungen mit einem elektromotorisch angetriebenen, bewegten element - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for controlling the closing operation of closing devices with an electromotively driven, moving element being provided to ensure anti-pinch detection of a potential obstacle situation of the moving element by evaluating a characteristic of the load of the electric motor, acting as a measured variable motor of the electric motor.
- a measuring resistor shunt
- the latter is usually provided by arranging a multi-pole magnet in the circumferential direction on the armature shaft of the drive motor by detecting the respective polarity with a stationary Hall sensor or with a stationary Hall sensor arrangement.
- the rotational speed can be determined via the time length of a detected polarity, which corresponds to a specific rotational angle amount of the motor rotational movement or a specific motor path. In case of a trapped case the motor current increases or the motor speed decreases because the motor is decelerated by the obstacle.
- the rotational speed or the current of the motor can be compared with a predefined threshold value.
- the size of the threshold is designed so that when a closing movement of the disc under normal conditions, the threshold is not exceeded or exceeded. If the threshold value, for example that for the motor current, exceeded, this indicates a possible Einklemmfall.
- some subsequent measured values of the motor current are also evaluated. If these likewise exceed the threshold value, the actual presence of a trapping case is concluded and the motor is switched over to reverse and thus to lower the disc.
- the method according to the invention can on the one hand make absolutely sure that the required force limit values for a trapping case are met, but on the other hand it also offers an extraordinary robustness against the described malfunctions. In the case of the method according to the invention, this is achieved by limiting the maximum force exerted by the moving element when there is a potential obstacle situation by reducing the maximum torque to be applied by the electric motor.
- the inventive method is characterized over the previously known so in particular by the nature of the reaction to a possible Einklemmfall.
- the resulting pinching force of the blocked motor is composed of two components, namely the engine torque on the one hand, and the system's transformed kinetic energy on the other hand, through braking through the obstacle.
- the methods for detecting the presence of a potential obstacle situation also correspond to those already used so far, for example by comparing the speed or the current of the motor with predefined threshold values.
- the engine characteristic variable of the electric motor acting as the measured variable is the engine speed
- the engine characteristic of the electric motor acting as the measured variable is the motor current
- Evaluation of the motor characteristic variable of the electric motor which is characteristic of the load of the electric motor and takes place as a measured variable advantageously takes place by continuous comparison of the measured variable either with a defined threshold value which applies to the entire adjustment or with threshold values of an adjustment-dependent threshold value curve respectively associated with the current adjustment position ,
- This adjustment-dependent threshold value curve can be generated with an offset value, for example, by preceding measurements of the measured variable with undisturbed adjustments and subjecting the determined values to this.
- the control of the speed can be done by a pulse width modulated control of the motor with its operating voltage.
- the average current is determined by the duty cycle of the drive, which is chosen so that the speed n of the motor corresponds to the target speed nsoii.
- the stationary state of the substantially undisturbed adjustment is represented by the double arrow 1 .1, which reflects the operation of the engine at its nominal speed n So ii with variable energization.
- the window pane is now hindered in its further movement by external mechanical influences, such as a stiffness or even a jammed object, it is counteracted initially by an increase in the current flow of the motor in order to maintain the setpoint speed n So ii.
- the force-speed characteristic F-ioo (n) which determines the relationship between the engine speed n and the window-driving force F-mo, taking into account all electrical and mechanical system parameters and maximum provided energization (100%) of the motor reproduces the hindrance of the movement further, then decreases in the course of the engine speed n, and the force F increases accordingly, as indicated by the arrow 1 .2 on the power-speed Characteristic F 0 o (n) is shown.
- the rotational speed n G is to set as the threshold value at its undershooting processing by the actual measured speed of the presence of a trapping n is probable.
- the force has reached the maximum permissible value F G at this point.
- the control of the drive Upon reaching the speed threshold n G , the control of the drive is changed from the speed control mode to a force limiting mode.
- the maximum torque to be applied by the motor is reduced from this point so that a further increase in force can no longer take place. Since the moment of the electric motor is proportional to its operating current I, this reduction of the moment takes place in that the motor is no longer subjected to the maximum permissible current as hitherto, but a reduction of the current supply is undertaken.
- the motor current I would be reduced in an actual pinching up to 60% of the maximum permissible current value, at any time up to a stop of the disc maximum force F G is exerted by the disc, as indicated by the arrow 2.3 in the diagram becomes.
- the described force limitation is implemented, for example, by the pulse-width-modulated control of the motor described above with its operating voltage, the average current being determined by the clock-pause ratio of the drive, or alternatively by controlling the motor current with the aid of a PID controller.
- the point of overcoming the stiffness is represented as point 3, from which the course of the force-speed relationship no longer proceeds in the direction of the arrow 2.3 but as illustrated by the arrow 3.4.
- the force limitation made up to that point is canceled by the current reduction, and the system is switched back to the speed control mode.
- n So ii in point 4 Upon reaching the setpoint speed n So ii in point 4 is thus again a normal operation of the motor with variable current supply, as provided for the stationary state of substantially undisturbed adjustment and in the diagram by the double arrow 1 .1 is shown.
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Abstract
Ein Verfahren zur Steuerung des Schließvorgangs von Schließvorrichtungen mit einem elektromotorisch angetriebenen, bewegten Element wobei zur Gewährleistung eines Einklemmschutzes eine Erkennung einer potentiellen Hindernissituation des bewegten Elementes durch Auswerten einer für die Belastung des Elektromotors charakteristischen, als Messgröße fungierenden Motorkenngröße des Elektromotors vorgesehen ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen einer potentiellen Hindernissituation eine Begrenzung der durch das bewegte Element maximal ausgeübten Kraft durch eine Reduzierung des durch den Elektromotor maximal aufzubringenden Moments erfolgt.
Description
Verfahren zur Steuerung des Schließvorgangs von Schließvorrichtungen mit einem elektromotorisch angetriebenen, bewegten Element
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Schließvorgangs von Schließvorrichtungen mit einem elektromotorisch angetriebenen, bewegten Element wobei zur Gewährleistung eines Einklemmschutzes eine Erkennung einer potentiellen Hindernissituation des bewegten Elementes durch Auswerten einer für die Belastung des Elektromotors charakteristischen, als Messgröße fungierenden Motorkenngröße des Elektromotors vorgesehen ist.
Zum Betrieb eines elektromotorisch angetriebenen Elementes werden Verfahren eingesetzt, mit denen Hindernissituationen, beispielsweise Einklemmfälle, detektierbar sind. Derartige Verfahren werden beispielsweise zum Betrieb eines Fensterhebermotors zum Schließen einer Fensterscheibe eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Mit dem Verfahren soll sichergestellt werden, dass beim Schließen der Fensterscheibe keine Gegenstände, insbesondere keine Körperteile von Personen, in dem sich schließenden Scheibenspalt eingeklemmt werden. Für die bei solchen, als Einklemmfälle bezeichneten Ereignissen auftretenden Einklemmkräfte, gibt es länderspezifische, gesetzli- che Vorschriften, die die jeweils maximal zulässigen Kraftwerte spezifizieren.
Als für die Belastung des Elektromotors charakteristische, als Messgröße fungierende Motorkenngröße wird dabei z.B. der direkt etwa über einen Messwiderstand (Shunt) zu messende Motorstrom oder die Motordrehzahl benutzt. Letztere wird in aller Regel durch Anordnen eines in Umfangsrich- tung mehrpolig ausgebildeten Magneten auf der Ankerwelle des Antriebsmotors bereitgestellt, indem die jeweilige Polarität mit einem ortsfesten Hall- Sensor bzw. mit einer ortsfesten Hall-Sensoranordnung erfasst wird. Über die zeitliche Länge einer erfassten Polarität, die einem bestimmten Drehwin- kelbetrag der Motordrehbewegung bzw. einem bestimmten Motorweg entspricht, ist die Drehgeschwindigkeit ermittelbar. Bei einem Einklemmfall er-
höht sich der Motorstrom bzw. es verringert sich die Motordrehzahl, da der Motor durch das Hindernis abgebremst wird.
Zur Detektion einer solchen potentiellen Hindernissituation bzw. eines sol- chen möglichen Einklemmfalles kann im einfachsten Fall etwa die Drehzahl oder der Strom des Motors mit einem vordefinierten Schwellwert verglichen werden. Die Größe des Schwellwertes ist dabei so konzipiert, dass bei einer Schließbewegung der Scheibe unter Normalbedingungen der Schwellwert nicht unter- bzw. überschritten wird. Wird der Schwellwert, beispielsweise derjenige für den Motorstrom, überschritten, deutet dies auf einen möglichen Einklemmfall hin. Zur Verifikation, dass bei Überschreiten des Schwellwertes mit größerer Wahrscheinlichkeit ein Einklemmfall tatsächlich gegeben ist, werden einige nachfolgende Messwerte des Motorstroms ebenfalls ausgewertet. Überschreiten diese ebenfalls den Schwellwert, wird auf das tatsäch- liehe Vorliegen eines Einklemmfalles geschlossen und der Motor zum Reversieren und damit zum Absenken der Scheibe umgeschaltet.
Ein besonderes Problem beim Einsatz solcher Verfahren ergibt sich insbesondere bei sogenannten harten Einklemmfällen, bei denen bedingt durch eine geringe Nachgiebigkeit des eingeklemmten Objekts auf einem relativ kurzen Weg bereits ein deutlicher Kraftanstieg erfolgt, so dass nur eine sehr geringe Reaktionszeit für das Ansprechen des Einklemmschutzes zur Verfügung steht. Um auch in solchen Fällen einen sicheren Betrieb der Schließvorrichtung zu gewährleisten, muss der Schwellwert für die Auslösung des Einklemmschutzes, d.h. also für das Umschalten des Motors zum Reversieren und damit zum Absenken der Scheibe, vergleichsweise gering gewählt werden. Dies hat jedoch andererseits zur Folge, dass ein solches System sehr anfällig für sogenannte Fehlauslösungen ist. Damit bezeichnet man die Fälle, in denen insbesondere aufgrund äußerer Einflüsse wie z.B. einer
Schwergängigkeit des angetriebenen, bewegten Elements an einer Stelle seines Verstellweges oder etwa beim Auftreten einer Kraftspitze beim Durchfahren eines Schlagloches ein kurzzeitiges Überschreiten des Schwellwertes und infolge dessen ein unnötiges Ansprechen des Einklemmschutzes erfolgt. Das Reversieren des Motors und damit das Absenken der Scheibe während des Hochlaufbetriebs wird vom Benutzer als eindeutige Fehlfunktion wahrgenommen und muss daher möglichst vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren vermag im Gegensatz zu dem beschrie- benen Stand der Technik einerseits absolut sicher zu stellen, dass die geforderten Kraftgrenzwerte für einen Einklemmfall eingehalten werden, andererseits bietet es jedoch zudem eine außerordentliche Robustheit gegenüber den beschriebenen Fehlfunktionen. Dies gelingt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, dass beim Vorliegen einer potentiellen Hindernissituation eine Begrenzung der durch das bewegte Element maximal ausgeübten Kraft durch eine Reduzierung des durch den Elektromotor maximal aufzubringenden Moments erfolgt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich gegenüber den bisher bekannten also insbesondere durch die Art der Reaktion auf einen möglichen Einklemmfall aus. Anders als das bisher bei einem vermeintlich erkannten Einklemmfall erfolgende, sofortige Reversieren des Motors, wird nämlich die stattdessen in einer Reduzierung des durch diesen aufzubringenden Mo- ments bestehende Reaktion des Systems in einem Fall, in dem tatsächlich kein Einklemmfall vorliegt, weit weniger als Fehlfunktion wahrgenommen, da sie sich für den Benutzer lediglich als Verlangsamung der zunächst jedoch in unveränderter Richtung fortgesetzten Bewegung äußert. Dadurch ist es jedoch möglich, diese Maßnahme bereits bei einem durchaus niedrigeren
Schwellwert vorzunehmen und damit die Funktion im Einklemmfall sogar sicherer zu machen.
Grundsätzlich ist es möglich, das Moment und die kinetische Energie des Motors eines Verstellsystems permanent zu begrenzen, um zu verhindern, dass das Verstellsystem unzulässig hohe Kräfte auf eingeklemmte Körper ausüben kann. Es zeigt sich jedoch, dass die hierfür typischerweise erforderliche Begrenzung des Moments auf ein so niedriges Niveau erfolgen muss, dass ein Verfahren des Systems entweder gar nicht mehr, oder aber nur in- akzeptabel langsam möglich ist. Um dies zu vermeiden, wird im Rahmen der Erfindung also nur unter bestimmten Voraussetzungen, nämlich dem zumindest wahrscheinlichen Vorliegen eines Einklemmfalls, auf eine Begrenzung des Motormoments und damit einhergehend der Begrenzung der kinetischen Energie zurückgegriffen.
Die resultierende Einklemmkraft des blockierten Motors setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, nämlich einerseits dem Motormoment und andererseits der umgewandelten kinetischen Energie des Systems durch Ab- bremsung durch das Hindernis. Durch Begrenzung des Motormoments be- reits vor Erreichen des vollständig blockierten Zustands kann ein Teil der kinetischen Energie bereits durch die Verschiebekraft abgebaut und damit der Anteil der kinetischen Energie auf die resultierende Einklemmkraft begrenzt werden. Die Verfahren zur Erkennung des Vorliegens einer potentiellen Hindernissituation entsprechen den auch bisher schon verwendeten also etwa durch Vergleichen der Drehzahl oder des Stroms des Motors mit vordefinierten Schwellwerten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es deshalb vorgesehen, dass die als Messgröße fungierende Motorkenngröße des Elektromotors die Motordrehzahl ist, während in einer alternativen, ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die als Messgröße fungierende Motorkenngröße des Elektromotors der Motorstrom ist.
Das Auswerten der für die Belastung des Elektromotors charakteristischen, als Messgröße fungierenden Motorkenngröße des Elektromotors erfolgt da- bei vorteilhaft durch fortlaufenden Vergleich der Messgröße entweder mit einem festgelegten Schwellwert, welcher für die gesamte Verstellung gilt, oder mit jeweils der aktuellen Verstellposition zugeordneten Schwellwerten einer verstellwegabhängigen Schwellwertkurve. Diese verstellwegabhängige Schwellwertkurve kann dabei etwa durch vorhergehende Messungen der Messgröße bei ungestörten Verstellungen und Beaufschlagung der dabei ermittelten Werte mit einem Offsetwert erzeugt werden.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur beschrieben, die typische Verläufe der durch den Antriebsmotor aufgebrachten Kraft F als Funktion der Drehzahl n des Antriebsmotors bei unterschiedlichen Betriebszuständen zeigt.
Im Verlaufe einer ungestörten Verstellung des elektromotorisch angetriebenen, bewegten Elements, das im Folgenden ohne Beschränkung der Allge- meinheit als Fensterscheibe bezeichnet wird, erfolgt diese im stationären Zustand drehzahlgeregelt mit einer Solldrehzahl nSoii des Antriebsmotors. Gemessen wird die Drehzahl n des Motors beispielsweise durch einen in Umfangsrichtung mehrpolig ausgebildeten, auf der Ankerwelle des Antriebsmotors angebrachten Magneten, der ein seiner jeweiligen Polarität entspre-
chendes Signal an einem demgegenüber ortsfesten Hall-Sensor hervorruft. Bei jedem durch den Hall-Sensor erfassten Wechsel der Polarität wird die zeitliche Länge der zuvor erfassten Polarität bestimmt, und daraus über den der Polarität entsprechenden Drehwinkelbetrag die aktuelle Drehzahl n ermit- telt. Die Regelung der Drehzahl kann durch eine pulsweitenmodulierte An- steuerung des Motors mit seiner Betriebsspannung erfolgen. Der mittlere Strom wird dabei durch das Takt-Pausen-Verhältnis der Ansteuerung bestimmt, das so gewählt wird, dass die Drehzahl n des Motors der Solldrehzahl nsoii entspricht. In dem dargestellten Diagramm ist der stationäre Zu- stand der im Wesentlichen ungestörten Verstellung durch den Doppelpfeil 1 .1 repräsentiert, der den Betrieb des Motors bei seiner Solldrehzahl nSoii mit variabler Bestromung widerspiegelt.
Wird die Fensterscheibe nun durch äußere mechanische Einflüsse wie etwa eine Schwergängigkeit oder auch einen eingeklemmten Gegenstand in ihrer weiteren Bewegung behindert, so wird dem zunächst zur Beibehaltung der Solldrehzahl nSoii durch eine Erhöhung der Bestromung des Motors entgegengewirkt. Besteht beim Erreichen des Punktes 1 auf der Kraft-Drehzahl- Kennlinie F-ioo(n), die den Zusammenhang zwischen der Drehzahl n des Mo- tors und der die Fensterscheibe antreibenden Kraft F-mo unter Berücksichtigung aller elektrischen und mechanischen Systemparameter und bei der maximal vorgesehenen Bestromung (100%) des Motors wiedergibt die Behinderung der Bewegung weiter fort, so sinkt im weiteren Verlauf die Drehzahl n des Motors ab, und die Kraft F steigt entsprechend an, wie es durch den Pfeil 1 .2 auf der Kraft-Drehzahl-Kennlinie F 0o(n) dargestellt ist. Wenn nun tatsächlich ein Einklemmfall vorliegt, so würde bei fortgesetzt maximaler Bestromung des Motors beim Stillstand der Fensterscheibe (n = 0) durch diese die Kraft FMax = F-ioo(O) auf den eingeklemmten Körper ausgeübt. Der Wert der Einklemmkraft darf jedoch maximal den Wert FG annehmen, so
dass dieser Kraftanstieg auf den deutlich höheren Wert FMax verhindert werden muss.
Die Drehzahl nG ist dazu als Schwellwert festgelegt, bei dessen Unterschrei- tung durch die aktuell gemessene Drehzahl n das Vorliegen eines Einklemmfalls wahrscheinlich ist. Die Kraft hat an diesem Punkt den maximal zulässigen Wert FG erreicht.
Beim Erreichen des Drehzahl-Schwellwerts nG wird die Steuerung des An- triebs von der Drehzahlregelungs- auf eine Kraftbegrenzungs-Betriebsart umgestellt. Das durch den Motor maximal aufzubringende Moment wird von diesem Punkt an so reduziert, dass ein weiterer Kraftanstieg nicht mehr erfolgen kann. Da das Moment des Elektromotors proportional zu seinem Betriebsstrom I ist, erfolgt diese Reduzierung des Moments, indem der Motor nicht mehr wie bis dahin mit dem maximal zulässigen Strom beaufschlagt wird, sondern eine Reduzierung der Bestromung vorgenommen wird.
In dem dargestellten Beispiel würde der Motorstrom I bei einem tatsächlichen Einklemmfall bis auf 60% des maximal zulässigen Stromwertes reduziert, wobei zu jedem Zeitpunkt bis zum Stillstand der Scheibe maximal die Kraft FG durch die Scheibe ausgeübt wird, wie durch den Pfeil 2.3 im Diagramm angezeigt wird. Die dann beim Stillstand der Fensterscheibe (n= 0) durch diese auf den eingeklemmten Körper ausgeübte Kraft entspricht als FG = F6o(0) genau dem festgelegten Grenzwert für die Einklemmkraft. Realisiert wird die beschriebene Kraftbegrenzung etwa durch die bereits zuvor beschriebene pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Motors mit seiner Betriebsspannung, wobei der mittlere Strom durch das Takt-Pausen-Verhältnis der Ansteuerung bestimmt wird, oder alternativ dazu durch eine Regelung des Motorstroms mit Hilfe eines PID-Reglers.
Nach einer bestimmten Stillstandszeit der Fensterscheibe von beispielsweise 100 ms kann mit Sicherheit davon ausgegangen werden, dass tatsächlich ein Einklemmfall vorliegt und es wird erst dann ein Reversieren des Motors und damit eine Bewegung der Fensterscheibe in Öffnungsrichtung vorgenommen. In jedem Falle ist jedoch durch das beschriebene Verfahren sichergestellt, dass zu keinem Zeitpunkt eine Überschreitung der zulässigen Maximalkraft FG erfolgen kann. Falls die Abbremsung der Fensterscheibe nicht, wie gerade beschrieben durch einen Einklemmfall, sondern beispielsweise durch eine Schwergängig- keit verursacht wurde, so wird nach Überwindung dieser Schwergängigkeit trotz bestehender Stromreduzierung wieder eine Beschleunigung der Fensterscheibe und damit ein Anstieg der Motordrehzahl n erfolgen. Im Diagramm ist der Punkt der Überwindung der Schwergängigkeit als Punkt 3 dargestellt, von dem an der Verlauf der des Kraft-Drehzahl-Zusammenhangs nicht mehr weiter in Richtung des Pfeils 2.3 sondern wie durch den Pfeil 3.4 veranschaulicht verläuft. Sobald dabei die aktuelle Motordrehzahl n den Schwellwert nG wieder überschreitet, wird die bis dahin vorgenommene Kraftbegrenzung durch die Stromreduzierung wieder aufgehoben, und es wird wieder auf die Drehzahl- regelungs-Betriebsart umgestellt. Beim Erreichen der Solldrehzahl nSoii im Punkt 4 erfolgt also wieder ein normaler Betrieb des Motors mit variabler Bestromung, wie er für den stationären Zustand der im Wesentlichen ungestörten Verstellung vorgesehen und im Diagramm durch den Doppelpfeil 1 .1 dargestellt ist.
Claims
Verfahren zur Steuerung des Schließvorgangs von Schließvorrichtungen mit einem elektromotorisch angetriebenen, bewegten Element wobei zur Gewährleistung eines Einklemmschutzes eine Erkennung einer potentiellen Hindernissituation des bewegten Elementes durch Auswerten einer für die Belastung des Elektromotors charakteristischen, als Messgröße fungierenden Motorkenngröße des Elektromotors vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen einer potentiellen Hindernissituation eine Begrenzung der durch das bewegte Element maximal ausgeübten Kraft durch eine Reduzierung des durch den Elektromotor maximal aufzubringenden Moments erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die als Messgröße fungierende Motorkenngröße des Elektromotors die Motordrehzahl (n) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die als Messgröße fungierende Motorkenngröße des Elektromotors der Motorstrom ( I) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Auswerten der für die Belastung des Elektromotors charakteristischen, als Messgröße fungierenden Motorkenngröße des Elektromotors durch fortlaufenden Vergleich der Messgröße (n, I) mit einem festgelegten Schwellwert (nG, I G) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn-
zeichnet, dass das Auswerten der für die Belastung des Elektromotors charakteristischen, als Messgröße fungierenden Motorkenngröße des Elektromotors durch fortlaufenden Vergleich der Messgröße (n, I) mit jeweils dem aktuellen Verstellweg zugeordneten Schwellwerten einer verstellwegabhängigen Schwellwertkurve erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des durch den Elektromotor maximal aufzubringenden Moments durch eine Regelung des Motorstroms (I) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Motorstroms (I) mittels einer pulsweitenmodulierten Spannungsversorgung des Motors erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Motorstroms mittels eines PID-Reglers erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Steuerung einer Schließbewegung einer elektromotorisch angetriebenen Fensterscheibe eines Kraftfahrzeuges eingesetzt wird.
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