Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung einer Rotationsgröße
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Rotationsgröße eines drehbar gelagerten Rotors eines mechanisch kommutierten Elektromotors. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
In Kraftfahrzeugen sind typischerweise elektromotorische Versteilantriebe eingebaut, welche Verstellteile wie beispielsweise Seitenfenster und/oder ein Schiebedach öffnen und schließen können. Des Weiteren weisen Kraftfahrzeuge häufig auch Sitze mit elektromotorischer Sitzverstellung auf. Das jeweilige Verstellteil wird hierbei mittels eines von einem Elektromotor angetriebenen Getriebes bewegt. Das Getriebe ist häufig in Form insbesondere eines Schneckengetriebes mit einer (antriebsseitigen) Schnecke auf einer Motorwelle und mit einem (abtriebssei- tigen) Schneckenrad ausgeführt.
Als Elektromotor wird üblicherweise ein bürstenbehafteter oder mechanisch kom- mutierter Elektromotor verwendet. Derartige Elektromotoren weisen einen Kommutator mit (Kommutator-)Lamellen sowie zumindest zwei Bürstenelemente auf, mittels derer eine Kommutierung und folglich eine elektrische Umpolung von Spulenwicklungen eines Rotors des Elektromotors erfolgt. Die in der Regel aus ge- presstem Kohlestaub hergestellten Bürstenelemente sind um den zentralen Kommutator angeordnet und liegen in korrespondierenden Köchern ein. Die Bürsten werden hierbei federbelastet gegen den Kommutator gepresst, sodass ein elektrischer Gleit- oder Schleifkontakt zwischen den Bürsten und den damit bestrichenen Kommutatorlamellen während des Motorbetriebs gewährleistet ist.
Bei einem Übergang der elektrischen Kontaktierung der Bürstenelemente zu der in Drehrichtung jeweils nachfolgenden Kommutatorlamelle steigt der elektrische (Anker-)Widerstand des Elektromotors an. Infolgedessen sinkt zu diesem Zeitpunkt der durch den Elektromotor fließende elektrische Strom (Motorstrom, Ankerstrom). Dies dauert an, bis die Bürstenelemente aufgrund der Drehung des Kommutators bzw. Rotors erneut lediglich mit jeweils einer einzigen der Kommutatorlamellen elektrisch kontaktiert sind. Diese periodische Erhöhung und Erniedrigung des Widerstandes prägt dem Motorstrom einen Wechselstromanteil auf. Dieser auch als„Stromwelligkeit" oder„Rippeistrom" bezeichnete Wechselstromanteil wird hierbei häufig zur Bestimmung einer Rotationsgröße, wie insbesondere der Rotorposition oder der Rotordrehzahl, des Rotors verwendet. Die Stromwelligkeit wird hierbei in der Regel an einem Shunt-Widerstand erfasst.
Nachteiligerweise ist hierbei die Erfassung der Rotationsgröße (Rotorposition, Rotordrehzahl) abhängig vom Last- bzw. Motorstrom. Mit anderen Worten ist eine Erfassung im nicht bestromten Zustand des Elektromotors nicht möglich. Dadurch ist es beispielsweise notwendig, für Betriebssituationen mit niedrigem Laststrom und/oder entsprechend niedrigen Motordrehzahlen zur sensorlosen Positionsund/oder Drehzahlbestimmung ein Motormodell in einem Controller zu hinterlegen, und anhand dieses Motormodells den Elektromotor zu betreiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren zur Erfassung einer Rotationsgröße eines drehbar gelagerten Rotors eines mechanisch kommutierten Elektromotors anzugeben. Insbesondere soll eine konstruktiv möglichst einfache Ausgestaltung angegeben werden, mittels welcher eine zuverlässige Erfassung der Rotationsgröße auch bei niedrigem Last- oder Motorstrom möglich ist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine für ein derartiges Verfahren geeignete Vorrichtung anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 erfindungsgemäß gelöst. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Vorrichtung übertragbar
und umgekehrt. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Erfassung einer Rotationsgröße eines drehbar gelagerten Rotors eines mechanisch kommutierten, also bürstenbehafteten Elektromotors geeignet und ausgestaltet. Bei dem Elektromotor handelt es sich beispielsweise um einen Versteilantrieb eines Kraftfahrzeugs, mittels welchem ein Verstellteil entlang eines Verstellwegs verbracht wird. Der Elektromotor weist hierbei einen Kommutator sowie Bürstenelemente auf, welche bei einem Motorbetrieb über Kommutatorlamellen des Kommutators streichen. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Elektromotor um einen bürstenbehafteten Kommutatormotor. Die Bürsten oder Bürstenelemente sind hierbei Bestandteil eines Bürstensystems eines Stators, und der Kommutator ist Bestandteil eines Rotors des Elektromotors. Der Rotor ist insbesondere drehbar gegenüber dem Stator gelagert. Der Rotor ist hierbei mit einer Elektromagnetenstruktur mit einer Anzahl von die Elektromagneten bildenden Spulenwicklungen (Ankerwicklung, Rotorwicklung) versehen. Hierbei ist jeweils ein erstes und zweites Spulenende einer jeden Spulenwicklung an zwei Kommutatorlamellen des Kommutators geführt.
Zwischen zwei Bürstenelementen des Elektromotors ist somit ein Motorstrompfad gebildet, welcher über von den Bürstenelementen kontaktierte Kommutatorlamellen und mit diesen elektrisch leitend verbundenen Spulenwicklungen des Rotors geführt ist. Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass durch die Kommutierung die Impedanz oder die Induktivität der Spulenwicklungen geändert wird.
Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass ein oszillierendes Eingangssignal in die Parallelschaltung des Motorstrompfads und des Funkentstörpfads eingespeist wird. Das Eingangssignal wird hierbei beispielsweise als ein Ankerstromsignal in den Motorstrompfad eingespeist. Das Eingangssignal ist hierbei insbesondere ein zusätzliches Stromsignal, welches mit oder alternativ zu dem gleichstromartigen Motor- oder Laststrom in den Motorstrompfad eingespeist wird. In Abhängigkeit des Kommutierungszustands variiert die Impedanz oder Induktivität des Motor-
strompfads. Anhand einer durch die mechanische Kommutierung des Motorpfads bedingten Stromwelligkeit eines resultierenden Ausgangssignals wird die Rotationsgröße bestimmt. Dadurch ist ein besonderes geeignetes Verfahren zur Erfassung einer Rotationsgröße realisiert. Insbesondere ist es durch die Einspeisung des Eingangssignals möglich, die Rotationsgröße, insbesondere die Rotorposition oder Rotordrehzahl, auch im nicht bestromten Zustand des Elektromotors, bei welchem kein oder lediglich ein sehr geringer Motor- bzw. Laststrom fließt, zu bestimmen.
Im Zuge einer Rotordrehung werden abwechselnd eine Kommutatorlamelle und zwei Kommutatorlamellen mittels eines Bürstenelements kontaktiert. Aus dem Stand der Technik ist es hierbei bekannt, die Stromwelligkeit des geführten Lastoder Motorstroms aufgrund des unterschiedlichen Ankerwiderstands zu erfassen. Der Last- oder Motorstrom ist hierbei in der Regel ein Gleichstrom. Mit anderen Worten ist der Elektromotor ein Gleichstrommotor. Im Gegensatz hierzu wird erfindungsgemäß ein oszillierendes Eingangssignal, also ein Wechselstromsignal, in den Motorpfad eingespeist. Die Modulierung des Ausgangssignals erfolgt hierbei nicht lediglich aufgrund eines wechselnden Ankerwiderstandes, sondern insbesondere aufgrund der unterschiedlich bestromten Spulenwicklungen, also einer veränderlichen Induktivität. Erfindungsgemäß wird somit nicht der Last- und/oder Motorstrom zur Erfassung der Rotationsgröße verwendet. Somit ist das Verfahren insbesondere auch bei einem Stillstand oder nicht bestromten Zustand des Elektromotors anwendbar. Aufgrund der zwei unterschiedlichen Impedanz- oder Induktivitätswerte ist es möglich, die Kommutierungszustände, und somit die Rotationsgröße, als Variation der Signalamplitude (Stromwelligkeit, Ripple) des Ausgangssignals zu erfassen.
Der resultierende Strom des Ausgangssignals wird hierbei beispielsweise über einen Widerstand erfasst, wobei die zwei Kommutierungszustände anhand eines unterschiedlichen Spannungsabfalls unterschieden werden. Anhand dieses Spannungsabfalls ist anschließend die Rotationsgröße, also die Rotorposition und/oder Rotordrehzahl, bestimmbar. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird nicht die Stromwelligkeit des Laststroms sondern die des wechselstromartigen
Ausgangssignals ausgewertet. Die Stromwelligkeit des Ausgangssignals ist nachfolgend auch als Hochfrequenz Stromwelligkeit (HF-Stromwelligkeit, HF-Ripple) bezeichnet.
Die Auswertung des Ausgangssignals erfolgt vorzugsweise mittels einer Relativerfassung, also einer Amplitudenmessung zwischen den beiden möglichen Kommu- tierungszuständen. Durch eine solche relative Erfassung werden Effekte und Einflüsse von Bauteiltoleranzen unterdrückt. Dies bedeutet, dass das Verfahren im Wesentlichen unempfindlich gegenüber Bauteiltoleranzen des Elektromotors oder des Antriebs ist. Des Weiteren ist somit beispielsweise eine besonders einfache softwaretechnische Auswertung des Ausgangssignals möglich.
Der Motor- oder Laststrom kann alternativ auch als ein Wechselstrom ausgeführt sein, wobei der Wechselstrom hierbei jedoch im Vergleich zu dem Eingangssignal eine niedrige Wechselstromfrequenz aufweist. So ist es beispielsweise denkbar, dass der Motor- oder Laststrom mittels einer Pulsweitenmodulation erzeugt wird, und eine Frequenz von beispielsweise 20 kHz aufweist, wobei das Eingangssignal eine im Vergleich hierzu Wesentlich größere Messfrequenz im Bereich von etwa 500 kHz aufweist. Wesentlich ist, dass der Motor- oder Laststrom und das Eingangssignal bzw. das Ausgangssignal voneinander unterschiedliche Frequenzen aufweisen, sodass sie im Zuge der Auswertung leicht voneinander unterscheidbar sind.
In einer vorteilhaften Ausführung ist ein Funkentstörpfad mit einer Kapazität zur Reduzierung von Störungen parallel zum Motorstrom pf ad geschaltet. Diese Ausführung geht hierbei von der Erkenntnis aus, dass der Motorstrom pfad und der Funkentstörpfad des Elektromotors einen elektrischen Parallelschwingkreis bilden. Durch das Eingangssignal wird dieser Parallelschwingkreis angeregt, wobei in Abhängigkeit des Kommutierungszustands unterschiedliche Resonanzfrequenzen vorliegen. Aufgrund der zwei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen ist es möglich, die Kommutierungszustände, und somit die Rotationsgröße, als Variation der Signalamplitude (Stromwelligkeit, Ripple) des Ausgangssignals besonders zuverlässig und betriebssicher zu erfassen.
In einer vorteilhaften Ausführung wird das oszillierende Eingangssignal mit einer Messfrequenz erzeugt, bei welcher die Amplitude der Stromwelligkeit des Ausgangssignals am größten ist. Zur Bestimmung der Messfrequenz ist es beispielsweise denkbar, dass in einem Stillstand des Elektromotors Schaltungs- und/oder Messparameter für die Bestimmung der Rotationsgröße optimiert werden. Insbesondere wird hierfür ein phasenmoduliertes Testsignal als Eingangssignal in den Parallelschwingkreis eingespeist. Anhand der Phasenverschiebungen des Eingangs- und/oder Ausgangssignals ist es hierbei möglich, die optimalen Arbeitspunkte festzulegen. Vorzugsweise werden hierbei eine Anzahl von unterschiedlichen Testsignalen mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen sukzessive nacheinander eingespeist, wobei der Arbeitspunkt anhand eines maximalen Amplitudenunterschieds des Ausgangssignals für die unterschiedlichen Kommutie- rungszustände bestimmt wird. Die Messfrequenz des oder jedesTestsignals bzw. des Eingangssignals ist hierbei in einem weiten Frequenzbereich wählbar.
Die Messfrequenz weist zweckmäßigerweise einen Frequenzwert auf, welcher größer ist, als die im Betrieb auftretenden Rotationsfrequenzen des Elektromotors. Insbesondere weist die Messfrequenz einen Frequenzwert auf, welcher um eine, insbesondere zwei Größenordnungen größer ist, als die Motorfrequenz. Beispielsweise weist der Elektromotor während des Motorbetriebs eine Rotationsfrequenz oder Motorfrequenz von etwa 1 kHz auf. Die Messfrequenz ist hierbei geeigneterweise in einem weiten Frequenzbereich, beispielsweise zwischen 350 kHz und 800 kHz, bestimmbar. Beispielsweise ist die Messfrequenz hierbei auf etwa 550 kHz festgelegt. Somit ist die HF-Stromwelligkeit des Ausgangssignals zuverlässig von dem Last- bzw. Motorstrom unterscheidbar.
Zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) des Elektromotors ist es in einer geeigneten Weiterbildung vorgesehen, dass die Messfrequenz im Betrieb eines Elektromotors alternierend zwischen mehreren Frequenzwerten umgeschaltet wird. Die Messfrequenz ist über einen weiten Frequenzbereich wählbar, in welchem die Amplitude der Stromwelligkeit des Ausgangssignals, also der Amplitudenunterschied zwischen den beiden Kommutierungszuständen, etwa
konstant ist. Durch den Wechsel der Frequenzwerte der Messfrequenz ist es daher möglich, ohne wesentliche Beeinflussung der Stromwelligkeit des Ausgangssignals, zur Verbesserung der EMV des Elektromotors umzuschalten.
In einer möglichen Weiterbildungsform ist es beispielsweise denkbar, dass zwischen drei oder vier Frequenzwerten zeitlich getaktet und/oder anhand einer Anzahl von Motorumdrehungen umgeschaltet wird.
In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens wird das Eingangssignal als eine Folge von Messimpulsen erzeugt. Mit anderen Worten ist das Eingangssignal beispielsweise als eine Bitfolge von einzelnen, pulsweitenmodulierten Messimpulsen ausgeführt. Dadurch ist ein besonders geeignetes Verfahren zur Erfassung der Rotationsgröße realisiert.
Ein zusätzlicher oder weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Ausgangssignal zur Bestimmung der Rotationsgröße über einen Hochpassfilter an einen digitalen Pin einer Auswerteeinheit geführt wird. Dadurch ist es nicht notwendig, dass die Auswerteeinheit einen zusätzlichen Analog-Digital-Wandler (analog digital Converter, ADC) aufweist. Das Ausgangssignal beziehungsweise die durch die Rotordrehung aufgeprägten Signalflanken können durch die Einspei- sung in den digitalen Pin somit direkt erkannt und dadurch die Rotationsgröße bestimmt werden. Somit werden die verfügbaren Hardware-Ressourcen besser genutzt und die Qualität der Signalauswertung verbessert.
Unter einem„digitalen Pin" ist hierbei insbesondere ein digitaler Input-Pin, also ein Eingangskontakt oder Kontaktstift der beispielsweise als MikroController ausgeführten Auswerteeinheit zu verstehen, welcher zum Empfang von digitalen Signalen geeignet und eingerichtet ist. Dies bedeutet, dass die Signalflanken des (gefilterten) Ausgangssignals mittels des digitalen Pins direkt in digitale Schaltflanken zur Weiterverarbeitung und Bestimmung der Rotationsgröße umgesetzt werden.
Durch die Verwendung eines digitalen Pins wird die Auswertezeit zur Bestimmung der Rotationsgröße reduziert, wodurch auch Maximalwerte der Rotationsgröße,
insbesondere der Maximalwert der Drehzahl, zuverlässig erkannt werden kann. Vorzugsweise wird hierbei ein interruptfähiger digitaler Pinverwendet, also ein Pin, welcher eine spezielle (Interrupt-)Routine anstößt, sobald sich sein Status ändert, wodurch die Leistungsfähigkeit der Auswerteeinheit verbessert wird.
In einer denkbaren Ausführungsform ist es beispielsweise vorteilhaft, dass bei einem Erreichen oder Unterschreiten eines Schwellwertes der Rotationsgröße, beispielsweise bei einem Unterschreiten einer Drehzahlgrenze, ein vorhandener ADC-Kanal der Auswerteeinheit zur Konvertierung des Ausgangssignals aktiviert wird. Dadurch ist eine besonders zuverlässige Erfassung und Bestimmung der Rotationsgröße auch in einem stromlosen Zustand ermöglicht.
Hierbei ist es möglich, dass der ADC-Kanal auch von mehreren Instanzen von Auswerte- oder Steuereinheiten je nach aktuellem Bedarf der einzelnen Einheiten geteilt wird, wodurch der Bedarf an den meist in geringer Zahl vorhandenen ADC- Kanälen gesenkt wird.
Alternativ oder zusätzlich zu dem Hochpassfilter ist es beispielsweise denkbar, dass zwei oder mehrere digitale Pins zu einem R2R-Netzwerk verschaltet sind, wodurch eine höhere Auflösung des Ausgangssignals ermöglicht ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Erfassung der Rotationsgröße des drehbar gelagerten Rotors des mechanisch kommutierten Elektromotors geeignet und eingerichtet. Die Vorrichtung weist hierzu eine Messschaltung auf, die einen kapazitiv an eines der Bürstenelemente gekoppelten Signalgenerator zur Erzeugung des Eingangssignals und eine kapazitiv an das andere Bürstenelement gekoppelte Auswerteeinheit zur Auswertung des Ausgangssignals aufweist. Die Messschaltung weist weiterhin einen Controller, also ein Steuergerät, auf, welcher/s zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens geeignet und eingerichtet ist.
Der Controller ist hierbei allgemein programm- und/oder schaltungstechnisch zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ein-
gerichtet. Der Controller ist somit konkret dazu eingerichtet, mittels des Signalgenerators ein oszillierendes Eingangssignal mit einer Messfrequenz zu erzeugen, und anhand der HF-Stromwelligkeit des Ausgangssignals mittels der Auswerteeinheit die Rotationsgröße zu bestimmen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Controller zumindest im Kern durch einen Microcontroller mit einem Prozessor und mit einem Datenspeicher gebildet, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form einer Betriebssoftware (Firmware) programmtechnisch implementiert ist, sodass das Verfahren - gegebenenfalls in Interaktion mit einem Kraftfahrzeugnutzer - bei Ausführung der Betriebssoftware in dem Microcontroller automatisch durchgeführt wird.
Der Controller kann im Rahmen der Erfindung alternativ aber auch durch ein nicht programmierbares elektronisches Bauteil, z.B. einen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC), gebildet sein, in dem die Funktionalität zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit schaltungstechnischen Mitteln implementiert ist.
In einer möglichen Ausführungsform ist es beispielsweise denkbar, dass der Controller Teil einer den Elektromotor steuernden und/oder regelnden Motorelektronik ist.
Durch die kapazitive Kopplung des Signalgenerators und der Auswerteeinheit an den Motorstrompfads wird sichergestellt, dass der Wechselstrom des Eingangsbzw. Ausgangssignals zuverlässig von dem Last- bzw. Motorstrom entkoppelt ist. Die kapazitive Kopplung ist hierbei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die vergleichsweise hochfrequenten Wechselströme des Eingangs- und Ausgangssignals im Wesentlichen ungehindert passieren können, und der Gleichstrom des Last- bzw. Motorstroms zuverlässig und betriebssicher blockiert wird. Somit wird sichergestellt, dass von der Auswerteeinheit lediglich das Ausgangssignal erfasst wird. Dadurch wird die Bestimmung der Rotationsgröße verbessert.
In einer geeigneten Ausbildung ist ein Funkentstörpfad mit einer Kapazität zur Reduzierung von Störungen parallel zum Motorstrom pf ad geschaltet. Zweckmäßigerweise ist die Messschaltung im Bereich des somit gebildeten Parallelschwingkreises verschaltet. In einer bevorzugten Ausführung ist die Messschaltung hierbei mittels einer Gleichstromentkopplung von einem an die Bürstenelemente geführten Gleichstromkreis des Elektromotors signaltechnisch entkoppelt. Durch die Gleichstromentkopplung wird verhindert, dass der Wechselstrom des Eingangsbzw. Ausgangssignals in den Gleichstromkreis des Elektromotors eingekoppelt wird. Mit anderen Worten ist der elektrische Wechselstrom des Eingangs- und Ausgangssignals auf die Messschaltung, und somit den Motorstrom pf ad sowie den Funkentstörpfad schaltungstechnisch beschränkt.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist die Gleichstromentkopplung als eine Längsdrossel ausgeführt, welche eine Sperrwirkung im Bereich der Messfrequenz des Eingangssignals aufweist. Mit anderen Worten ist durch die Längsdrossel ein Frequenzfilter gebildet, welcher den gleichstromartigen Motor- oder Laststrom im Wesentlichen ungedämpft passieren lässt und welcher für hochfrequente Stromanteile, insbesondere im Bereich der Messfrequenz des Eingangs- und Ausgangssignals, zuverlässig dämpft.
In einer möglichen Ausführung ist das Ausgangssignal über einen Hochpassfilter an einen digitalen Pin der Auswerteinheit geführt. Dadurch ist eine qualitativ besonders hochwertige und schaltungsreduzierte Auswertung des Ausgangssignals ermöglicht.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in vereinfachten und schematischen Darstellungen:
Fig. 1 einen Versteilantrieb eines Kraftfahrzeugfensters mit einem mechanisch kommutierten Elektromotor,
Fig. 2 ausschnittsweise den Elektromotor mit einem Rotor und mit einem
Stator,
Fig. 3 eine Vorrichtung zur Erfassung einer Rotationsgröße des Rotors und
Fig. 4 ein Frequenz-Amplituden-Diagramm der Vorrichtung.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der Fig. 1 ist in schematischer und vereinfachter Darstellung ein elektrischer Fensterheber 2 mit einer verfahrbaren Fensterscheibe als Verstellteil 4 dargestellt. Der Fensterheber 2 ist hierbei geeigneterweise in einer Fahrzeugtür 6 eines Kraftfahrzeugs integriert. Das Verstellteil 4 wird mittels eines elektromotorischen Ver- stellantriebs 8 entlang eines Verstellweges 10 verstellt.
Der Versteilantrieb 8 weist einen Elektromotor 12, welcher wellenseitig mit einem Schneckengetriebe 14 zusammen wirkt, auf. Durch das Schneckengetriebe 14 wird eine Rotationsbewegung des Elektromotors 12 in eine Translationsbewegung des Verstellteils 4 umgewandelt. Der Elektromotor 12 wird von einer Motorelektronik 16 mit elektrischer Energie versorgt, sobald ein Benutzer des Kraftfahrzeugs eine Verstellbewegung des Verstellteils 4 entlang des Verstellwegs 10 mittels einer Betätigung eines Tasters 18 startet.
In der perspektivischen Darstellung der Fig. 2 ist ausschnittsweise der Elektromotor 12 dargestellt, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als ein Innenläufer ausgeführt ist. Der Elektromotor 12 weist einen Stator 20 mit einer Anzahl von Permanentmagneten 22 auf, von denen in der Fig. 2 beispielhaft zwei dargestellt sind. Die Permanentmagneten 22 des Stators 20 werden hierbei mittels eines nicht näher dargestellten (Stator-)Blechpakets in Position gehalten. Innerhalb des feststehenden Stators 20 ist ein Anker 24 mit einem Rotor 26 und mit einer Rotorwelle 28 angeordnet, an welcher ein nicht gezeigtes Schneckenrad des Schneckengetriebes 14 befestigt ist.
Der Rotor 26 ist mit einer Elektromagnetenstruktur 30 mit einer Anzahl von die jeweiligen Elektromagneten bildenden Spulenwicklungen (Rotorwicklungen, An-
kerwicklungen) 32 versehen. Jede der Spulenwicklungen 32 ist als eine Spule um ein auf der Rotorwelle 28 befestigtes (Rotor-)Blechpaket 34 gewickelt und mit zwei Kommutatorlamellen 36 eines Kommutators 38 elektrisch kontaktiert. Der Kommutator 38 ist drehfest an der Rotorwelle 28 befestigt. Die Kommutatorlamellen 36 unterscheiden sich hierbei lediglich aufgrund deren Anordnung bezüglich der Rotorwelle 28, wobei die Kommutatorlamellen 36 jeweils um einen konstanten Winkel zueinander versetzt am Kommutator 38 angeordnet sind.
Der Kommutator 38 ist mit zwei (Kohle-)Bürsten oder Bürstenelementen 40 elektrisch kontaktiert. Im Betrieb des Elektromotors 12 streichen die Bürstenelemente 40 über die Kommutatorlamellen 36 mittels eines elektrisch leitfähigen Gleitoder Schleifkontakts. Die Bürstenelemente 40 sind hierbei mittels jeweils einer Leitung 42 mit der Motorelektronik 16 elektrisch kontaktiert. Die Motorelektronik 16 umfasst eine Vorrichtung 44 mit einem Controller 46 zur Erfassung einer Rotationsgröße des Rotors 26.
Nachfolgend ist anhand der Fig. 3 und 4 die Vorrichtung 44 sowie ein von der Vorrichtung 44 durchgeführtes Verfahren zur Erfassung der Rotationsgröße näher beschrieben.
Die Motorelektronik 16 des mechanisch kom mutierten Elektromotors 12 weist einen Gleichstromkreis 48 auf, welcher mittels der Leitungen 42 an die Bürstenelemente 40 geführt ist. Der Gleichstromkreis weist einen nicht näher dargestellten DC-DC-Wandler auf, mittels welchem eine elektrische Versorgungsspannung eines Kraftfahrzeug-Bordnetzes in eine Betriebsspannung bzw. in einen Betriebsstrom gewandelt wird. Hierzu weist der Gleichstromkreis 48 zwei Halbbrücken 50 auf, welche an die Vorrichtung 44 angeschlossen sind.
Wie in der schematischen Darstellung der Fig. 4 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, ist zwischen den beiden Bürstenelementen 40 des Elektromotors 12 ein Motorstrom pfad 52 gebildet. Der Motorstrom pfad 52 ist hierbei über von den Bürstenelementen 40 kontaktierten Kommutatorlamellen 36 und mit diesen elektrisch leitend verbundenen Spulenwicklungen 32 geführt.
Der Motorstrompfad 52 weist bürstenseitig jeweils eine Motordrossel 54 auf. Bei einer Drehung des Ankers 24 bzw. des Rotors 26 bezüglich des Stators 20 streichen die Bürstenelemente 40 entlang der Kommutatorlannellen 36. Hierbei treten im Wesentlichen zwei unterschiedliche Kommutatorzustände auf.
Bei einem ersten Kommutatorzustand sind die beiden Bürstenelemente 40 jeweils mit zweien der Kommutatorlamellen 36 elektrisch kontaktiert, sodass hierdurch zwei der Spulen bzw. Spulenwicklungen 32 der Elektromagnetenstruktur 30 bestromt werden. Die Spulenwicklungen 32 sind hierbei zueinander parallel geschaltet. Insbesondere wird hierdurch eine Spulenwicklung 32 mittels eines Bürstenelements 40 elektrisch kurzgeschlossen. Dies bewirkt eine Stromerhöhung über den normalen Stromwert des Last- oder Motorstroms des Gleichstromkreises 48.
Sobald die Bürstenelemente 40 jeweils nur mit einer der Kommutatorlamellen 36 elektrisch kontaktiert sind, tritt ein zweiter Kommutatorzustand auf, welcher durch einen niedrigeren Stromwert charakterisiert ist. Dies bedeutet, dass der Motorstrompfad 52 im Wesentlichen einen veränderlichen ohmschen Ankerwiderstand 56 sowie eine sich ändernde Induktivität aufgrund der unterschiedlichen Anzahl von kontaktierten Spulenwicklungen 32 aufweist.
Den Motorstrompfad 52 ist ein Funkentstörpfad 58 mit einem Widerstand 60 und mit einer Kapazität 62 parallel geschaltet. Die dadurch realisierte Funkentstörschaltung dient der Unterdrückung von Störsignalen, welche aufgrund des Motorbetriebs auftreten können. Wie in der Darstellung der Fig. 3 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, wird durch die Parallelschaltung des Motorstrompfads 52 und des Funkentstörpfads 58 ein elektrischer Parallelschwingkreis 64 gebildet. Insbesondere aufgrund des sich ändernden Induktivitätswerts des Motorstrompfads 52 weist der Parallelschwingkreis 64 im Wesentlichen zwei Resonanzfrequenzen 66 und 68 auf, welche zu den zwei Kommutatorzuständen des Elektromotors 12 korrespondieren.
Die Vorrichtung 44 weist eine Messschaltung 70 auf, welche mittels zweier Gleichstromentkopplungen (DC-Entkopplungen) 72 an jeweils eine der Halbbrücken 50 angeschlossen ist. Die Gleichstromentkopplung 72 ist hierbei insbesondere als jeweils eine Längsdrossel ausgeführt. Die Vorrichtung 44 weist weiterhin einen Signalgenerator 74 auf, welcher mittels eines Kondensators 76 an eine der Leitungen 42 zwischen der Gleichstromentkopplung 72 und dem Parallelschwingkreis 64 verschaltet ist. An die andere Leitung 42 ist zwischen der Parallelschaltung 64 und der Gleichstromentkopplung 72 eine Auswerteeinheit 78 mittels eines Kondensators 80 angeschlossen. Der Signalgenerator 74 sowie die Auswerteeinheit 78 sind hierbei Teil des Controllers 46, oder zumindest von diesem angesteuert.
Verfahrensgemäß erzeugt der Signalgenerator 74 im Betrieb ein oszillierendes Eingangssignal 82. Das Eingangssignal 82 ist hierbei insbesondere ein im Wesentlichen sinusförmiges Wechselstromsignal mit einer Messfrequenz 84. Das Eingangssignal 82 wird über den Kondensator 76 in die Leitung 42 eingespeist. Dies bedeutet, dass das Eingangssignal 82 als ein Ankerstromsignal in den Parallelschwingkreis 64 eingespeist wird. Der Signalgenerator 74 ist somit eine zusätzliche oder alternative Stromquelle neben dem Gleichstromkreis 48.
Mittels des Gleichstromkreises 48 wird im Betrieb des Elektromotors 12 ein gleichstromartiger Last- bzw. Motorstrom zum Antrieb des Ankers 24 bzw. des Rotors 26 eingespeist. Dieser Last- oder Motorstrom wird mit dem Eingangssignal 82 addiert und in den Parallelschwingkreis 64 eingespeist. Dem Last- oder Motorstrom wird hierbei insbesondere aufgrund des sich bei der Drehung des Rotors 26 verändernden Ankerwiderstands 56 eine Stromwelligkeit aufgeprägt. Diese Strom- welligkeit des Last- oder Motorstroms weist eine sogenannte Rippelfrequenz auf, welche im Wesentlichen der Rotationsfrequenz oder Motorfrequenz des rotierenden Ankers 24 entspricht.
Gleichzeitig wird dem wechselstromartigen Eingangssignal, insbesondere aufgrund des sich verändernden Induktivitätswerts des Motorstrompfads 52, und der daraus resultierenden unterschiedlichen Resonanzfrequenzen 66,68, ebenso eine Stromwelligkeit aufgeprägt. Durch die kapazitive Kopplung mittels des Kondensa-
tors 80 wird jedoch lediglich das modulierte Eingangssignal als Ausgangssignal 86 zur Auswerteeinheit 78 geführt. Aufgrund des als zusätzliche Stromquelle wirkenden Signalgenerators 74 ist die Erzeugung des Ausgangssignals 86 unabhängig von dem Last- oder Motorstrom des Elektromotors 12. Insbesondere ist es somit möglich, dass ein Eingangssignal 82 in den Parallelschwingkreis 64 eingespeist wird, auch wenn sich der Elektromotor 12 in einem Stillstand befindet, bei welchem kein Motorstrom fließt.
Das Ausgangssignal 86 ist über den als Koppelkondensator verschalteten Kondensator 80 und über einen Hochpassfilter 87 an einen digitalen Pin 78a der Auswerteeinheit 78 geführt. Der digitale Pin 78a setzt somit die durch die Strom- welligkeit bewirkten Signalflanken des Ausgangssignals 86 in ein digitales Signal zur Bestimmung der Rotationsgröße um. Der zusätzliche Hochpassfilter 87 gewährleistet hierbei konstante Signalpegel für die hohen (HIGH) und niedrigen (LOW) Signalzustände des Ausgangssignals 86, so dass eine zuverlässige Digitalisierung mittels des Pins 78a gewährleistet ist.
In der Fig. 4 ist ein Frequenz-Amplituden-Diagramm dargestellt. Entlang der horizontalen Abszissenachse (X-Achse) ist eine Signalfrequenz f aufgetragen. Entlang der vertikalen Ordinatenachse (Y-Achse) ist eine entsprechende Signalamplitude A des Ausgangssignals 86 aufgetragen. In dem Diagramm der Fig. 4 sind zwei Signalverläufe dargestellt, welche die zwei Kommutierungszustände repräsentieren, und nachfolgend auch anhand der jeweiligen Resonanzfrequenz 66 bzw. 68 bezeichnet sind.
Die Signalverläufe 66 und 68 weisen im Wesentlichen vergleichbare Kurvenverläufe auf. Bei niedrigen Signalfrequenzen des Eingangssignals 82 weist das jeweilige Ausgangssignal 86 der Signalverläufe 66 und 68 eine geringe Signalamplitude A auf, da die kapazitive Ankopplung des Signalgenerators 74 mittels des Kondensators 76 und der Auswerteeinheit 78 mittels des Kondensators 80 eine effektive Signalübertragung erschweren.
Mit zunehmender Signalfrequenz erreichen die Signalverläufe 66 und 68 ein erstes Signalmaximum 88, welches im Wesentlichen einer Hochpasswirkung der Kondensatoren 76 und 80 entspricht. Für weiter zunehmende Signalfrequenzen des Eingangssignals 82 wird die Signalamplitude A des Ausgangssignals 86 reduziert, bis ein Signalminimum 90 erreicht ist. Das Signalminimum 90 tritt hierbei bei der jeweiligen Resonanzfrequenz 66,68 des Parallelschwingkreises 64 des Motorstrompfads 52 und der Funkentstörung 58 auf.
Für höhere Signalfrequenzen des Eingangssignals 82 nehmen die Signalamplituden A der Ausgangssignale 86 kontinuierlich zu, bis ein zweites Signalmaximum 92 erreicht ist. Das Signalmaximum 92 entspricht hierbei einem Resonanzfall der Vorrichtung 44, also des kombinierten Systems aus Motorstrom pf ad 52 und des Funkentstörpfads 58 sowie den Längsdrosseln der Gleichstromentkopplung 72.
Wie in der Darstellung der Fig. 4 vergleichsweise deutlich ersichtlich ist, weisen die Signalverläufe 66 und 68 in dem Frequenzbereich zwischen dem Signalminimum 90 und dem Signalmaximum 92 einen im Wesentlichen konstanten Signalabstand d auf. Dieser Signalabstand d entspricht im Wesentlichen dem Amplitudenunterschied der Ausgangssignale 86 bei einer Anregung des ersten und zweiten Kommutatorzustands.
Zur Erfassung der Rotationsgröße, insbesondere der Rotorposition und/oder der Rotordrehzahl, wird mittels der Auswerteeinheit 78 der Signalabstand d überwacht. Mit anderen Worten erfasst die Auswerteeinheit 78 eine relative Amplitudenänderung des Ausgangssignals 86.
In einer geeigneten Dimensionierung rotiert der Anker 24 bzw. der Rotor 26 im Motorbetrieb mit einer Drehfrequenz von etwa 1 kHz. Die Koppelkondensatoren 76 und 80 sind hierbei derart dimensioniert, dass das erste Signalmaximum 88 ungefähr zwischen 150 kHz und 200 kHz auftritt. Das Signalminimum tritt hierbei geeigneterweise etwa bei 350 kHz auf, wobei das Signalmaximum 92 etwa bei 650 kHz auftritt. Die Messfrequenz 84 zur Erzeugung des Eingangssignals 82
wird hierbei geeigneterweise aus dem Frequenzbereich zwischen dem Signalminimum 90 und dem Signalmaximum 92 gewählt. Geeigneterweise wird hierbei eine Signalfrequenz f gewählt, bei welcher der Signalabstand d einen maximalen Wert aufweist. Dies bedeutet, dass das Eingangssignal 82 bzw. das Ausgangssignal 86 eine Messfrequenz 84 aufweisen, welche sich wesentlich von der durch die Kommutierung erzeugten Frequenz der Stromwelligkeit unterscheidet.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
So ist es beispielsweise denkbar, dass das Eingangssignal 82 nicht als ein kontinuierliches Sinussignal mit der Messfrequenz 84 erzeugt wird, sondern stattdessen eine Bitfolge von pulsweitenmodulierten Messimpulsen, wobei jeder Messimpuls eine Sinusschwingung mit der Messfrequenz 84 aufweist. Zusätzlich oder alternativ ist es beispielsweise ebenso denkbar, dass die Messfrequenz 84 zwischen mehreren Frequenzwerten umgeschaltet wird. Hierbei ist es beispielsweise möglich, dass das Eingangssignal periodisch zwischen mehrere Messfrequenzen 84, beispielsweise zwischen vier unterschiedlichen Messfrequenzwerten, umgeschaltet wird. Dadurch ist ein besonders geeigneter Motorbetrieb hinsichtlich EMV-Anforderungen realisiert.
Bezugszeichenliste
2 Fensterheber
4 Verstellteil
6 Fahrzeugtür
8 Versteilantrieb
10 Verseil weg
12 Elektromotor
14 Schneckengetriebe
16 Motorelektronik
18 Taster
20 Stator
22 Permanentmagnet
24 Anker
26 Rotor
28 Rotorwelle
30 Elektromagnetenstruktur
32 Spulenwicklung
34 Blechpaket
36 Kommutatorlamelle
38 Kommutator
40 Bürstenelement
42 Leitung
44 Vorrichtung
46 Controller
48 Gleichstromkreis
50 Halbbrücke
52 Motorstrom pf ad
54 Motordrossel
56 Ankerwiderstand
58 Funkentstörpfad
60 Widerstand
62 Kapazität
64 Parallelschwingkreis
66 Resonanzfrequenz
68 Resonanzfrequenz
70 Messschaltung
72 Gleichstromentkopplung
74 Signalgenerator
76 Kondensator
78 Auswerteeinheit
78a Pin
80 Kondensator
82 Eingangssignal
84 Messfrequenz
86 Ausgangssignal
87 Hochpassfilter
88 Signalmaxinnunn
90 Signalminimum
92 zweites Signalmaxinnunn
Signalamplitude
Signalabstand
Signalfrequenz