Anordnung und Verfahren zur sensorlosen Positionsbestimmung einer Antriebseinheit

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur sensorlosen Positionsbestimmung einer Antriebseinheit, insbesondere einer Antriebseinheit in einem elektrischen Vers ^¬ tellsystem.

In Fahrzeugen spielt der Fahr- und Bedienkomfort eine immer wichtigere Rolle. So werden heutzutage unterschiedlichste Komfortelektroniken in einem Fahrzeug vorgesehen. Dies können beispielsweise elektrische Verstellsysteme wie Sitzverstel- lungen oder Fensterheber sein. Verstellsysteme haben ein unbewegliches (statisches) Element und ein bewegliches Stell ^¬ element, dessen Position gegenüber dem unbeweglichen Element mittels einer Antriebseinheit verstellbar, also veränderbar ist . Dabei ist es erforderlich, dass die Position der Antriebseinheit bekannt ist.

Die Position der Antriebseinheit kann beispielsweise mittels Sensoren an der Antriebseinheit bestimmt werden. Derartige Lösungen sind jedoch aufgrund der benötigten Sensoren nur aufwändig und kostenintensiv zu realisieren. Daher wurden Verfahren entwickelt, mittels derer die Position der Antriebseinheit ohne den Einsatz von Sensoren bestimmt werden kann (SLP: Sensorlose Positionsbestimmung, engl.: sensorless po- sitioning) . Hierbei wird ein ermittelter Motorstrom oder eine Motorspannung unter Verwendung eines Motormodells sowie adaptiver Algorithmen digital ausgewertet. Spezielle Sensoren für die Positionsbestimmung sowie deren meist aufwändige Verdrahtung sind bei der sensorlosen Positionsbestimmung nicht mehr nötig. Bei Anordnungen mit sensorloser Positionsbestimmung muss die Spannung jedoch möglichst genau gemessen werden, um die Position anschließend genau bestimmen zu können.

Ein Verfahren zur sensorlosen Positionserfassung einer An- triebseinheit ist beispielsweise aus der DE 10 2008 027 720 AI bekannt .

Bei den derzeit bekannten Verfahren zur sensorlosen Positionsbestimmung werden keine teuren Sensoren mehr benötigt, es werden jedoch zur genauen Spannungsmessung auch weiterhin verschiedenste Bauteile benötigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches unter Verwendung möglichst weniger Bauteile und somit möglichst kostengünstig die sensorlose Positionsbestimmung einer Antriebseinheit ermög ^¬ licht .

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen .

Eine erfindungsgemäße Anordnung umfasst eine Antriebseinheit mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, eine

Differenzverstärkereinheit mit einem ersten Eingangsanschluss , einem zweiten Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss , wobei die Differenzverstärkereinheit dazu ausgebildet ist, an dem ersten Eingangsanschluss ein erstes Spannungssignal, welches eine an dem ersten Anschluss der Antriebseinheit gemessene erste Spannung repräsentiert, und an dem zweiten Eingangsanschluss ein zweites Spannungssignal zu empfangen, welches eine an dem zweiten Anschluss der Antriebseinheit gemessene zweite Spannung re ^¬ präsentiert, und ein Spannungsdifferenzsignal auszugeben, welches die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung repräsentiert. Die Anordnung umfasst weiterhin eine Filtereinheit die dazu ausgebildet ist, das Spannungsdiffe ^¬ renzsignal zu empfangen und ein gefiltertes Spannungsdiffe- renzsignal auszugeben und eine Steuereinheit bzw. Control ^¬ lereinheit die dazu ausgebildet ist, das gefilterte Span ^¬ nungsdifferenzsignal zu empfangen und eine Position der An ^¬ triebseinheit anhand eines Modells der Antriebseinheit zu bestimmen .

Eine derartige Anordnung benötigt nur wenige einfache Bauteile, um eine Position der Antriebseinheit zu bestimmen, und ist somit kostengünstig und einfach zu realisieren. Das gefilterte Spannungsdifferenzsignal ist ein analoges Signal. Die Controllereinheit kann daher einen Analog-Digital-Wandler aufweisen, um das analoge gefilterte Spannungsdifferenzsignal in ein digitales Signal zu wandeln. Die Position der Antriebseinheit kann anhand eines Modells der Antriebseinheit und unter Berücksichtigung der ermittelten Spannung der Antriebseinheit bestimmt werden.

Der Differenzverstärkereinheit kann eine Spannung als relativer Nullpunkt bereitgestellt werden. Die Spannung kann jedoch auch eine in der Anordnung gemessene Spannung sein, welche nicht zwangsläufig konstant ist.

Die Filtereinheit kann dazu ausgebildet sein, störende hohe Frequenzen aus dem Spannungsdifferenzsignal herauszufiltern . Hierfür kann die Filtereinheit ein analoges Tiefpassfilter umfassen . Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein erstes Spannungssignal, welches eine an einem ersten Anschluss einer Antriebseinheit gemessene erste Spannung repräsentiert, und ein zweites Spannungssignal bereitgestellt, welches eine an einem zweiten Anschluss der Antriebseinheit gemessene zweite Spannung repräsentiert. Es wird weiterhin ein Spannungsdifferenzsignal bereitgestellt, welches die Differenz zwischen der ersten und der zweiten Spannung repräsentiert. Dieses Spannungsdifferenzsignal wird gefiltert und ein gefiltertes Spannungsdifferenzsignal bereitgestellt. Unter Berücksichtigung des gefilterten Spannungsdifferenzsignals kann dann eine Position der Antriebs ^¬ einheit anhand eines Modells der Antriebseinheit bestimmt werden . Das Spannungsdifferenzsignal kann von einer Differenzver ^¬ stärkereinheit bereitgestellt werden. Um die Position der Antriebseinheit möglichst genau bestimmen zu können, kann eine Offset-Spannung der Differenzverstärkereinheit bestimmt und diese Offset-Spannung bei der Bestimmung der Position der Antriebseinheit mit berücksichtigt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt: in einem Blockdiagramm eine Anordnung zur sensorlosen Bestimmung der Position einer Antriebseinheit; in einem Blockdiagramm eine weitere Anordnung zur sensorlosen Bestimmung der Position einer Antriebseinheit; und Figur 3 in einem Ablaufdiagramm ein Verfahren zur sensorlosen Bestimmung der Position einer Antriebseinheit .

Elektrische Verstellsysteme in Fahrzeugen, wie beispielsweise elektrische Fensterheber, Sitzverstellungen oder elektrisch betriebene Fahrzeugtüren, weisen ein unbewegliches (statisches) Element und ein bewegliches Stellelement auf, dessen Position gegenüber dem unbeweglichen Element mittels einer Antriebseinheit verstellbar ist. In derartigen Verstellsystemen ist es heutzutage meist unerlässlich, die Position der Antriebseinheit zu erfassen. Die Position der Antriebseinheit kann bei ^¬ spielsweise mittels geeigneter Sensoren erfasst werden. Eine solche Lösung ist unter anderem aufgrund der benötigten Sensoren jedoch sehr kostenaufwändig . Daher werden meist sensorlose Anordnungen zur Positionsbestimmung bevorzugt.

In Figur 1 ist ein Blockdiagramm einer Anordnung zur sensorlosen Positionsbestimmung dargestellt. Eine Antriebseinheit 3 wird dabei über eine H-Brücke angesteuert. Die H-Brücke weist eine erste Halbbrücke und eine zweite Halbbrücke auf. Die erste Halbbrücke umfasst einen ersten High-Side-Schalter 11 und einen ersten Low-Side-Schalter 21, welche in Reihe zwischen einen Anschluss für ein positives Potential V+ und einen Anschluss für ein negatives Potential V- geschaltet sind. Die zweite Halbbrücke umfasst einen zweiten High-Side-Schalter 12 und einen zweiten Low-Side-Schalter 22, welche ebenfalls in Reihe zwischen den Anschluss für ein positives Potential V+ und den Anschluss für ein negatives Potential V- geschaltet sind. Die Antriebseinheit 3 weist einen ersten Anschluss 31 und einen zweiten Anschluss 32 auf. Über den ersten Anschluss 31 ist die Antriebseinheit 3 mit einem gemeinsamen Schaltungsknoten des ersten

High-Side-Schalters 11 und des ersten Low-Side-Schalters 21 und über den zweiten Anschluss 32 ist die Antriebseinheit 3 mit einem gemeinsamen Schaltungsknoten des zweiten High-Side-Schalters 21 und des zweiten Low-Side-Schalters 22 verbunden. Die Schalter 11, 12, 21, 22 der H-Brücke können als herkömmliche elektronische Schalter ausgebildet sein, wie beispielsweise als MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) , IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) , JFETs (Sperrschicht-Feldeffekttransistor) oder ähnlichem.

Eine erste Spannung der Antriebseinheit 3 wird an dem ersten Anschluss 31 gemessen. Ein erstes Spannungssignal Sil, welches die erste gemessene Spannung repräsentiert, wird mittels eines ersten Verstärkers 41 der mit dem ersten Anschluss 31 der Antriebseinheit 3 verbunden ist verstärkt. Der erste Verstärker 41 empfängt somit das erste Spannungssignal Sil an einem Eingang und gibt ein erstes verstärktes Spannungssignal S12 an seinem Ausgang aus. Eine zweite Spannung der Antriebseinheit 3 wird an dem zweiten Anschluss 32 gemessen. Ein zweites Spannungssignal S21, welches die zweite gemessene Spannung repräsentiert, wird mittels eines zweiten Verstärkers 42, der mit dem zweiten Anschluss 32 der Antriebseinheit 3 verbunden, ist verstärkt. Der zweite Verstärker 42 empfängt somit das zweite Spannungssignal S21 an einem Eingang und gibt ein zweites verstärktes Span ^¬ nungssignal S22 an seinem Ausgang aus. Die beiden verstärkten Spannungssignale S12, S22, werden anschließend unter Verwendung von Filtereinheiten 51, 52 gefiltert. Eine erste Filtereinheit 51 filtert dabei das erste verstärkte Spannungssignal S12 und eine zweite Filtereinheit 52 filtert das zweite verstärkte Spannungssignal S22, so dass an den Ausgängen der Filtereinheiten 51, 52 entsprechend ein erstes gefiltertes Spannungssignal S13 und ein zweites gefiltertes Spannungssignal S23 bereitgestellt werden .

Die Filtereinheiten 51, 52 können dazu ausgebildet sein, hohe Frequenzen in den verstärkten Spannungssignalen S12, S22 herauszufiltern . Die Filtereinheiten 51, 52 können hierfür beispielsweise analoge Tiefpassfilter umfassen. Die gefilterten Spannungssignale S13, S23 können dann von einem Mikrocontroller 6 als Steuereinheit bzw. Auswerteeinheit weiterverarbeitet werden. Der Mikrocontroller 6 kann beispielsweise einen ersten Analog-Digital-Wandler ADC1 aufweisen, der dazu ausgebildet ist, das erste gefilterte Spannungssignal S13 in ein erstes digitales Signal zu wandeln. Der Mikrocontroller 6 kann weiterhin einen zweiten Analog-Digital-Wandler ADC2 aufweisen, der dazu aus- gebildet ist, das zweite gefilterte Spannungssignal S23 in ein zweites digitales Signal zu wandeln. Der Mikrocontroller 6 kann dann anhand eines Motormodells unter Einbeziehung der digi ^¬ talisierten Spannungssignale eine Position der Antriebseinheit 3 bestimmen. Das Motormodell kann beispielsweise in dem Mik- rocontroller 6 gespeichert sein. Das Motormodell kann ein

Gleichungssystem sein mit mehreren Eingangsgrößen (z.B. Temperatur, Strom, Spannung) und mindestens einer Ausgangsgröße (z.B. Position), welches mathematisch das Verhalten der Antriebseinheit nachbildet.

Um die Position der Antriebseinheit 3 anhand der Motorspannungen zu bestimmen sind bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung jedoch noch verschiedenste Komponenten erforderlich. Um die Anzahl der Komponenten und somit die Kosten einer derartigen Anordnung zur Spannungsmessung zu reduzieren, ist gemäß der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die an den beiden Anschlüssen 31, 32 der Antriebseinheit 3 gemessenen Spannungen nicht wie in der Anordnung in Figur 1 einzeln verstärkt und gefiltert werden. Vielmehr ist in der Anordnung in Figur 2 vorgesehen, die beiden Spannungssignale Sil, S21 einer Differenzverstärkereinheit 43 zuzuführen. Die Dif ^¬ ferenzverstärkereinheit 43 ist dazu ausgebildet, die Differenz der beiden Spannungssignale Sil, S21 die an ihren Eingängen anliegen zu verstärken und ein Spannungsdifferenzsignal S14 an ihrem Ausgang bereitzustellen.

Ein relativer Nullpunkt der Differenzverstärkereinheit 43 kann beispielsweise durch eine konstante Spannung U _x gebildet werden. Diese konstante Spannung U _x kann 5V betragen. Die konstante Spannung U _x kann jedoch auch jeglichen anderen Wert annehmen. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass die Spannung U _x konstant ist. Es ist beispielsweise auch möglich, dass der relative Nullpunkt durch eine beliebige in der Anordnung gemessene Spannung U _x definiert wird, welche nicht zwangsläufig konstant ist. Eine gemessene Spannung U _x kann vielmehr verschiedene Werte über der Zeit annehmen. Das Spannungsdifferenzsignal S14 wird an ^¬ schließend mittels einer Filtereinheit 53 gefiltert und als gefiltertes Spanungsdifferenzsignal S15 dem MikroController 6 bereitgestellt. Die Filtereinheit 53 kann wiederum dazu aus ^¬ gebildet sein, hohe Frequenzen in dem Spannungsdifferenzsignal S14 herauszufiltern . Hierfür kann die Filtereinheit 53 ein analoges Tiefpassfilter umfassen. Mittels eines Ana- log-Digital-Wandlers ADC3 kann das analoge gefilterte Span ^¬ nungsdifferenzsignal S14 in ein digitales Signal gewandelt werden .

Somit werden anders als bei anderen Lösungen für die Positi- onsbestimmung anhand von zwei Spannungssignalen Sil, S21 zwei Verstärker 41, 42, zwei Filter 51, 52 sowie zwei Ana- log-Digital-Wandler ADC1, ADC2 benötigt. Vielmehr werden nur eine Differenzverstärkereinheit 43 zur Erzeugung eines Span ^¬ nungsdifferenzsignals S14, eine Filtereinheit 53 zum Filtern des Spannungsdifferenzsignals S14 und ein Analog-Digital-Wandler ADC3 benötigt. Die Anzahl der für die Spannungsmessung benötigten Hardwarekomponenten kann somit halbiert werden. _

y

Die Spannungsmessung an der Antriebseinheit 3 kann jedoch durch einen Offset der Differenzverstärkereinheit 43 verfälscht werden. Liegen an den Eingängen der Differenzverstärkereinheit 43 identische Spannungen an, sollte die Differenz zwischen diesen Spannungen im Idealfall OV betragen. Dies ist häufig jedoch nicht der Fall. Vielmehr kann in vielen Fällen trotz identischer Eingangsspannungen eine geringe Spannung am Ausgang einer Differenzverstärkereinheit 43 gemessen werden. Diese so genannte Offset-Spannung resultiert aus den Toleranzen der für die Differenzverstärkereinheit 43 benötigten Bauteile. Um einen Offset der Differenzverstärkereinheit 43 berücksichtigen zu können, kann dieser gemessen werden, wenn sich die Differenzverstärkereinheit 43 in einem Ruhezustand befindet. Die Offset-Spannung kann sich über der gesamten Lebensdauer einer Differenzverstärkereinheit 43 verändern . Daher kann eine Messung der Offset-Spannung beispielsweise regelmäßig in bestimmten Zeitabständen erfolgen. Die gemessenen Werte können dann abgespeichert und ausgewertet werden. Wird die Offset-Spannung über einen längeren Zeitraum regelmäßig beobachtet, kann eine Abweichung von einem bestimmten Muster beispielsweise dahingehend gewertet werden, dass die Anordnung nicht ordnungsgemäß arbeitet. In sicherheitskritischen Anwendungen kann das Erkennen einer nicht ordnungsgemäß arbeitenden Anordnung von erheblicher Bedeutung sein.

Figur 3 zeigt in einem Ablaufdiagramm ein Verfahren zur sensorlosen Bestimmung der Position einer Antriebseinheit 3. Zunächst kann dabei eine Offset-Spannung der Differenzverstärkereinheit 43 bestimmt werden. Die Bestimmung der Off- set-Spannung ist dabei jedoch optional, bzw. kann eine Bestimmung der Offset-Spannung zu einem beliebigen anderen Zeitpunkt oder auch zu verschiedenen Zeitpunkten erfolgen. Die Positionsbestimmung kann jedoch genauere Ergebnisse erzielen, wenn die Offset-Spannung mit berücksichtigt wird. Anschließend können die Spannungen an den Anschlüssen 31, 32 der Antriebseinheit 3 gemessen werden. Spannungssignale Sil, S21, welche die gemessenen Spannungen repräsentieren, können der Differenzverstärkereinheit 43 an deren Eingängen bereitgestellt werden. Die Differenzverstärkereinheit 43 bestimmt anhand der Signale Sil, S21 eine Differenz zwischen den an der Antriebseinheit 3 gemessenen Spannungen. Die Differenzverstärkereinheit 43 kann ein Spannungsdifferenzsignal S14 bereit ^¬ stellen, welches die Differenz zwischen den beiden Spannungen repräsentiert. Mittels einer Filtereinheit 53 können an ^¬ schließend störende (hohe) Frequenzen aus dem Spannungsdif ^¬ ferenzsignal S14 herausgefiltert werden.

Das gefilterte Spannungsdifferenzsignal S15, welches von der Filtereinheit 53 bereitgestellt wird, ist ein analoges Signal. Zur Weiterverarbeitung durch einen MikroController 6, wird das analoge gefilterte Spannungsdifferenzsignal in der Regel zu ^¬ nächst in ein digitales Signal gewandelt. Anschließend kann der MikroController 6 anhand eines gespeicherten Modells der An- triebseinheit 3 und unter Berücksichtigung des gefilterten

Spannungsdifferenzsignals S15 die Position der Antriebseinheit 3 bestimmen.

Bezugs zeichenliste

11 erstes Schaltelement

12 zweites Schaltelement

21 drittes Schaltelement

22 viertes Schaltelement

3 Antriebseinheit

31 erster Anschluss der Antriebseinheit

32 zweiter Anschluss der Antriebseinheit

41 erste Verstärkereinheit

42 zweite Verstärkereinheit

43 DifferenzverStärkereinheit

51 erste Filtereinheit

52 zweite Filtereinheit

53 dritte Filtereinheit

6 MikroController

Sil erstes Spannungssignal

S12 erstes verstärktes Spannungssignal

S13 erstes gefiltertes Spannungssignal

S14 Spannungsdifferenzsignal

S15 gefiltertes Spannungsdifferenzsignal

S21 zweites Spannungssignal

S22 zweites verstärktes Spannungssignal

S23 zweites gefiltertes Spannungssignal

U _x Referenzspannung

ADC1 erster Analog-Digital-Wandler

ADC2 zweiter Analog-Digital-Wandler

ADC3 dritter Analog-Digital-Wandler

V+ Anschluss für ein positives Versorgungspotential

V- Anschluss für ein negatives Versorgungspotential