Beschreibung

Verfahren zur Ermittlung der Drehstellung des Rotors eines mechanisch kommutierten Gleichstrom-Stellmotors

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Drehstellung des Rotors eines mechanisch kommutierten Gleichstrom-Stellmotors, dessen Ankerstrom durch einen Schaltzustand elektromechanisch betätigter Schaltkontakte vorgegeben wird, wobei eine Steuer- und Auswerteeinheit, im Ankerstrom enthaltene, auf die mechanische Kommutierung zurückzuführende, Stromripple auswertet.

Stand der Technik

Bei Stellantrieben, wie sie in Kraftfahrzeugen beispielsweise zum Verstellen von Fensterhebern und Schiebedächern eingesetzt werden, kommen mechanisch kommutierte Gleichstrom- Stellmotoren zum Einsatz. Der Gleichstrom-Stellmotor ist schaltungstechnisch üblicherweise in einem Querzweig einer Brückenschaltung angeordnet, in welchem zwei von einem

Mikrokontroller gesteuerte Schaltkontakte eines Relais die Richtung des Motorstroms vorgeben. Um bei einem Schließvorgang die Schließkraft begrenzen zu können, muss die aktuelle Stellung des Schließteils seitens des Mikrokontrollers bekannt sein.

Es ist bekannt, dass die Rotorposition direkt durch Auswerten von Ankerstromschwankungen ermittelt werden kann, die durch

den mechanischen Kommutierungsvorgang verursacht sind: Wenn eine Bürste über zwei benachbarte Kollektorlamellen hinweg gleitet, ändert sich kurzzeitig der ohmsche Widerstand (Figur 1) . Damit überlagert sich dem Gleichanteil des Ankerstroms ein Wechselanteil. Bei bekannter Polzahl des

Gleichstrommotors kann die Anzahl dieser, auch als Anker- Stromripple oder im Folgenden kurz auch als Stromripple bezeichnete Stromwelligkeit ermittelt und daraus die Drehlage des Rotors bestimmt werden. Die Ermittlung der Anzahl der Stromripple, auch als „ripple-count" bezeichnet, kann durch bekannte Maxima-Minima-Algorithmen im Mikrokontroller durchgeführt werden. Auf diese Weise lässt sich bei einem durchlaufenden Antrieb sehr einfach die aktuelle Rotorposition bzw. aus der Frequenz der Stromripple, die Drehzahl berechnen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 38 24 811 Al bekannt.

In Betriebsphasen, in denen der Gleichstrom-Stellmotor gestartet, gebremst bzw. im Lauf reversiert wird, ist eine Bestimmung der Stromripple aber schwierig, da es beim Umschalten der mechanischen Kontakte zu einem „Kontaktprellen" oder „relay bouncing" kommt. Während eines, im Folgenden als Kontaktprellzeit-Intervall bezeichneten Zeitabschnittes, ist das Ankerstromsignal gestört und eine direkte Auswertung der Stromripple nicht möglich. Dieses

Kontaktvibration-Zeitintervall kann in der Praxis einige ms dauern. Es hängt von verschiedenen Betriebsumständen, u. A. auch von der Alterung des Relais ab. Bei einem elektrisch betriebenen KfZ -Fensterheber oder Schiebedach kann auf Grund dieses Effektes, der sich durch Lose im Antriebsstrang noch verstärkt, die Nullstellung verlaufen. Startet aber ein Schließvorgang eines Fensters oder eines Schiebedachs aus einer Position, die mit einer Unscharfe behaftet ist, so kann

dies im Einklemmfall dazu führen, dass die maximal zulässige Schließkraft überschritten wird. Es kann auf Grund der ungenauen Positionsinformation zu Verletzungen durch Einklemmen von Körperteilen kommen. Will man dies verhindern, muss der Stellantrieb häufig Initialisiert werden, was von Nachteil ist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Drehstellung des Rotors eines mechanisch kommutierten Gleichstrom-Stellmotors anzugeben, bei dem eine Rotorpositionserfassung, die ausschließlich auf eine Auswertung der im Ankerstrom enthaltenen Anker-Stromripple beruht, mit besserer Genauigkeit möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, während eines Zeitintervalls, in welchem eine Auswertung von Stromripple auf Grund von Störungen des Ankerstromsignals nicht möglich ist, nach Maßgabe eines messtechnisch ermittelten

Kontaktprellzeit-Intervalls eine Schätzung von Stromripple durchzuführen. Durch diese Adaption des Schätzvorgangs an die tatsächliche Prellzeit eines Umschaltrelais, lässt sich die Rotorposition mit einer besseren Genauigkeit ermitteln. Bei der Programmierung eines Schätzalgorithmus muss nicht von einer a-priori-Wahrscheinlichkeit einer ungünstigsten (längsten) Prellzeit ausgegangen werden, sondern die Schätzzeit passt sich an die Alterung und an den herrschenden

Betriebszustand des Umschaltrelais an. Mit anderen Worten, die naturgemäß vorhandene Unscharfe eines Schätzvorgangs, kommt erfindungsgemäß nur so lange zur Anwendung, wie dies tatsächlich erforderlich ist. Dadurch verbessert sich die Positioniergenauigkeit.

Bei einem Schließvorgang liegt eine genauere Information über die Position und damit auch über die Startposition des Schließteils vor. Die Wirkung eines Einklemmschutzes eines motorisch betriebenen Schließteils wird dadurch verbessert. Entscheiden wirkt sich dieser Vorteil insbesondere bei einem Fensterheber im Bereich von ca. 4 mm vor Einlauf in die Rahmendichtung aus. Hier kann das Verletzungsrisiko dank der Erfindung weitgehend minimiert werden. Andererseits wird ein sicheres Schließen erzielt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, dass auch bei einem häufigen Wechsel der Drehrichtung und bei Lose im Antriebsstrang der komulative Fehler bei der Positionserfassung geringer ist. Dadurch braucht das Antriebssystem weniger häufig initialisiert werden. Dies hat zur Folge, dass die Verfügbarkeit des Systems höher ist, da nicht wie bislang auf Grund eines sich anhäufenden Fehlers, verschiedene Funktionen, wie beispielsweise der Automatiklauf eines Fensterhebers, eingeschränkt werden müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass von jedem Schaltkontakt einer elektromechanisch betriebenen Schaltvorrichtung, mittels eines Rückführschaltkreises ein, jeweils von einem Schaltkontakt abgeleitetes, Kontaktspannung-Rückführsignal auf die Steuer- und Auswerteeinheit zurückgeführt wird. Aus dieser Information ermittelt die Steuer- und Auswerteeinheit ein Kontaktvibration-Zeitintervall, in welchem störungsbedingt eine Auswertung von Stromripple nicht möglich ist. Nach Maßgabe dieses Kontaktvibration-Zeitintervalls wird von der

Steuer- und Auswerteeinrichtung deshalb während dieser Zeit eine Schätzung von Stromripple durchgeführt.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung durch ein Umschaltrelais mit einem ersten Schaltkontakt und mit einem zweiten Schaltkontakt gebildet wird, wobei vom ersten Schaltkontakt ein erstes Kontaktspannung-Rückführsignal und vom zweiten Schaltkontakt ein zweites Kontaktspannung-Rückführsignal zur Steuer- und Auswerteeinheit zurückgeführt wird. Dadurch kann die Steuer- und Auswerteeinrichtung beim Reversieren eines Motors, bei dem zwei Schaltkontakte im Wesentlichen gleichzeitig geschalten werden, ein unterschiedlich langes Prellen erfassen. Es ist damit sicher gestellt, dass Stromripple erst dann gezählt werden, wenn das

Ankerstromsignal nicht durch Kontaktvibrationen verfälscht ist.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass entweder aus dem ersten Kontaktspannung-Rückführsignal, oder aus dem zweiten Kontaktspannung-Rückführsignal, ein Anfangszeitpunkt und ein Endzeitpunkt des Kontaktvibration-Zeitintervalls ermittelt wird. Dadurch wird im Falle eines Bremsvorgangs oder eines Hochlaufs, bei dem nur ein Schaltkontakt im Brückenzweig geschaltet wird, der Schätzvorgang an die tatsächliche Prellzeit dieses einen Relaiskontaktes adaptiert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass aus einem von der Steuer- und Auswerteeinheit erzeugten und der Schaltvorrichtung zugeführten Steuersignal, ein Anfangszeitpunkt, und aus einem, diesem Steuersignal zugeordneten, ersten oder zweiten Kontaktspannung-

Rückführsignal ein Endzeitpunkt des Kontaktvibration- Zeitintervalls ermittelt wird. Dies hat den Vorteil, dass nur das Ende des Kontaktvibration-Zeitintervalls gemessen zu werden braucht; der Anfang wird steuerungsseitig vorgegeben. Dadurch ist die Auswertung insgesamt einfacher, geht aber auf Kosten der Genauigkeit, da der Schätzvorgang auch während der Ansprechzeit eines Relais zur Anwendung kommt, hier aber eine Auswertung, d.h. Zählen von Stromripple noch möglich wäre.

Hinsichtlich der Realisierung der Erfindung kann es von Vorteil sein, wenn die Steuer- und Auswerteeinheit ein Mikrokontroller oder Mikrorechner ist, der einen Schätzalgorithmus enthält.

Die Genauigkeit der Positionserfassung kann dadurch weiter verbessert werden, indem der Schätzalgorithmus - in Ergänzung eines gespeicherten Antriebsmodells - auch die Drehgeschwindigkeit des Rotors vor der Umschaltung eines Schaltkontaktes berücksichtigt.

Mit Vorteil wird ein Rückführungsschaltkreis verwendet, der oft in bestehenden KfZ-Stellantrieben zur überwachung der Relaiskontakte bereits vorhanden ist. Eine änderung der Hardware ist nicht erforderlich.

Kostengünstig ist insbesondere ein Rückführschaltkreis, der im Wesentlichen durch ohmsche Spannungsteiler gebildet ist.

Kurzdarstellung der Zeichnungen

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im nachfolgenden Teil der Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug genommen aus

denen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung zu Entnehmen sind. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der durch mechanische Kommutierung hervorgerufenen

Anker-Stromripple;

Figur 2 ein vereinfachtes Schaltbild einer Steuerschaltung für einen Stellmotor in einer Brückenschaltung, wobei in der gezeichneten Steuer- und

Auswerteeinheit das erfindungsgemäße Verfahren implementiert ist;

Figur 3 ein Messdiagramm, das im oberen Kurvenverlauf die Spannung am Schaltkontakt des Umschaltrelais der

Figur 3 zeigt und im unteren Kurvenverlauf den Ankerstrom des Kommutatormotors zeigt, der durch eine Kurzschlussbremsung abgebremst wird;

Figur 4 einen digitalisierten Verlauf der Messgrößen gemäß Figur 3;

Figur 5 eine Schaltskizze und ein schematisiertes Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Bremsvorgang;

Figur 6 eine Schaltskizze und ein schematisiertes Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Hochlaufvorgang;

Figur 7 eine Schaltskizze und ein schematisiertes Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einem Reversiervorgang.

Ausführung der Erfindung

Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die Widerstandsverhältnisse bei einem mechanischen Kommutierungsvorgang eines Gleichstrommotors. Der Kollektor 24 besteht aus drei Kollektorlamellen. Die Ankerspulen sind durch drei ohmsche Widerstände gezeichnet. Wie aus der linken Skizze der Figur 1 zu entnehmen ist, liegt zwischen den beiden Bürsten 22, 23 ein ohmscher Widerstand, der aus einer Parallelschaltung gebildet wird: der linke Widerstand liegt parallel zu zwei in Serien geschalteten Widerständen. Bei einer Drehung des Kollektors (Pfeil 21) , die im rechten Teil der Figur 1 skizziert ist, überstreicht die untere Bürste 23 zwei benachbarte Kollektorlamellen. Es kommt kurzzeitig zu einem Kurzschluss zwischen diesen benachbarten Kollektorlamellen. Der ohmsche Widerstand zwischen den beiden Bürsten 22, 23 wird in diesem Zeitaugenblick aus einer Parallelschaltung von zwei Spulenwiderständen gebildet. Mit dieser Widerstandsänderung geht die eingangs erwähnte Ankerstrom-Welligkeit einher, so dass durch Zählen von Stromrippe die Rotorposition ermittelt werden kann.

Die Figur 2 zeigt einen vereinfachten Schaltplan eines Stellantriebs, wie er beispielsweise für elektrisch betriebene Fensterheber oder Schiebedächer bei Kraftfahrzeugen eingesetzt wird. Eine Steuer- und Auswerteeinheit 17, im vorliegenden Fall ein Mikrokontroller, steuert durch die Signale 11, 12 ein Umschaltrelais 6, 7. Je nach Stellung der Schaltkontakte 6 bzw. 7 wird die Richtung des Ankerstroms 2 des Motors 5 im Querzweig der Brückenschaltung vorgegeben. Der Ankerstrom 2 wird von einem

Shunt 8 erfasst. Das am Shunt 8 anfallende Messsignal wird als Stromrückführsignal 18 an den Mikrokontroller 17 zurückgeführt. Im Mikrokontroller 17 ist eine Ripple- Zähleinrichtung 15 implementiert, welche die im Ankerstrom 2 enthaltenen Stromripple auswertet. Im vorliegenden Beispiel erfolgt das Auswerten mittels eines Algorithmus durch Zählen der relativen Maxima beziehungsweise Minima.

Da während der Prellzeit der elektromechanisch betätigten Schaltkontakte 6 bzw. 7 eine Auswertung der Anker-Stromripple 3 nicht möglich ist, ist im Mikrokontroller 17 eine Rippel- Schätzeinrichtung 16 vorgesehen. Diese Rippel- Schätzeinrichtung 16 beinhaltet einen Schätzalgorithmus, der während der Phase des Kontaktprellens eine Schätzung von Stromripple durchführt. Der Schätzalgorithmus verwendet neben Antriebsparametern die zuletzt gültige Drehgeschwindigkeit des Rotors.

Um den durch die Schätzung bedingten Fehler möglichst gering zu halten, wird die Schätzzeit nicht fest vorgegeben, sondern an die tatsächliche Kontaktvibrationsszeit angepasst. Um diese tatsächliche Kontaktvibrationsszeit zu erfassen, dient ein Rückführschaltkreis 20, der im Wesentlichen aus zwei ohmschen Spannungsteilern und aus den Rückführleitungen 9 und 10 besteht. Durch diese Rückführleitungen 9 und 10 wird jeweils das Kontaktspannungssignal der Umschaltkontakte 7 bzw. 6 auf den Mikrokontroller 17 zurückgeführt. Dadurch ist es seitens des Mikrokontrollers 17 möglich, die Prellzeit eines oder beider Kontakte 6,7 zu bestimmen. Auf der Grundlage dieser Information kommt der Schätzalgorithmus nur solange zur Anwendung, wie dies tatsächlich erforderlich ist, das heißt solange, wie die ihm Ankerstromsignal enthaltene Welligkeit nicht verwertbar ist. Bei einer

Kurzschlussbremsung, bei der einer der Kontakte 7, 6 geschaltet wird, dauert die Schätzzeit so lange, bis die Prellzeit des schaltenden Kontakts (entweder 6 oder 7) abgeklungen ist. Bei einem Reversiervorgang, bei dem gleichzeitig beide Kontakte 7,6 geschalten werden, dauert die Schätzzeit solange, bis jeder der Kontakte 7, 6 zur Ruhe gekommen ist. Erst dann erfolgt wieder ein Auswerten der im Ankerstrom 2 enthaltenen Stromripple (siehe Figur 7).

Der Rückführschaltkreis 20 ist in der Praxis oft bei KfZ-

Stellantrieben bereits vorhanden und dient zum überwachen des „Klebens" der Schaltkontakte 6,7. In diesem Fall erfordert die Realisierung der Erfindung ausschließlich eine entsprechende Software (17, 16) des Mikrokontrollers 17.

Die Figur 3 zeigt in einem Messdiagramm die elektrische Spannung 1 am Schaltkontakt 6 und den Ankerstrom 2 als Funktion der Zeit t. Während einer Umschaltphase erfolgt eine Umschaltung des Kontaktes 6 von Batteriespannung auf Masse (Figur 2) . Dies entspricht einer Kurzschlussbremsung des

Motors 5, dessen Ankerstrom zunächst seine Richtung ändert um anschließend abzufallen. Die Messkurve des Ankerstroms 2 zeigt vor der Umschaltphase 4 gut erkennbar, regelmäßig wiederkehrende Anker-Stromripple 3. Auch nach der Umschaltphase 4 ist sehr gut die im Ankerstrom 2 enthaltene Welligkeit 3 erkennbar; hier läuft aber der Motor aus und die Frequenz der Stromripple 3 nimmt mit fortschreitender Zeit ab. Zwischen dem Zeitpunkt T 1 und dem Zeitpunkt T 2, - der Prellzeit des mechanischen Kontakts 6 -, ist der Verlauf des Ankerstroms 2 hinsichtlich der darin enthaltenen Welligkeit kaum auswertbar.

Die Figur 4 zeigt den digitalisierten Verlauf der Umschaltung . Mit dem Bezugszeichen 11 ist der zeitliche Verlauf des Steuersignals bezeichnet, das auf die Relaisspule des Schaltkontaktes 6 wirkt. Darunter ist mit dem Bezugszeichen 19 der digitalisierte Verlauf des

Kontaktspannungs-Rückführsignals 9 gezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 14 ist der digitalisierte Verlauf des Motorstroms 2 bezeichnet. Bis zum Zeitpunkt Tl können die digitalisierten Stromripple 13 von der Ripple-Zähleinrichtung 15 problemlos erkannt werden; auch nach T2 ist ein Zählen der Stromripple gut möglich. Während der übergangsphase 4 sind aber Stromripple nicht erkennbar. Während des Intervalls 4 erfolgt kein Zählen, sondern ein Schätzen der Stromripple. Die Rippel-Schätzeinrichtung 16 schätzt nur so lange, bis das Ende der Prellzeit im Zeitpunkt T 2 erkannt ist. Ab dem Zeitpunkt T 2 erfolgt wieder die Auswertung der digitalisierten Stromripple 13 durch die Ripple- Zähleinrichtung 15. Da der Zeitabschnitt, in welchem der Schätzalgorithmus zur Anwendung kommt, nicht durch die im Datenblatt des Umschaltrelais angegebene maximale Prellzeit vorgegeben werden muss, sondern an die realen Schaltverhältnisse des Umschaltrelais adaptiert ist, lässt sich die Rotorposition mit einer besseren Genauigkeit ermitteln .

In den Zeichnungen der Figur 5, der Figur 6 und der Figur 7 ist das Kontaktvibration-Zeitintervall 4 beim Bremsen, beim Hochlauf und beim Reversieren des Kommutatormotors dargestellt und im Folgenden anhand eines Impulsdiagramms näher erläutert.

Die Figur 5 zeigt eine Kurzschlussbremsung. Wie aus dem Schaltplan der Figur 5 oben zu sehen ist, wird der

Schaltkontakt 6 in Richtung des Pfeils 25 geschalten. Durch diesen Schaltvorgang wird der laufende Gleichstrommotor 5 über den Shunt 8 und den unteren Teil der Halbbrücke kurzgeschlossen. Während des Kontaktvibration-Zeitintervalls 4 ist eine Auswertung der Stromripple am Shunt 8 auf Grund des Prellens des Schaltkontakts 6 nicht möglich. Während des Zeitintervalls 4 wird gemäß der Erfindung der Drehwinkel, den der Rotor in diesem Zeitabschnitt durchläuft, geschätzt. Wie im Impulsdiagramm des Kontaktspannung-Rückführsignals U9 dargestellt, beginnt die Schätzzeit (Kontaktvibration- Zeitintervall 4) um eine Verzögerungszeit tV verzögert nach der abfallenden Flanke der Steuerspannung Uli.

Die Figur 6 zeigt einen Hochlauf des Gleichstrommotors 5. Hier wird der Gleichstrommotor 5 durch Umschalten des Schaltkontaktes 6 (Pfeil 26) aus dem Stillstand an die Versorgungsspannung UB geschalten. Das Kontaktvibration- Zeitintervall 4 folgt auch hier zeitlich um tV verzögert der steigenden Flanke der Steuerspannung Uli.

Die Figur 7 zeigt einen Reversiervorgang. Dabei wird der Motor 5 durch Umschalten der Schaltkontakte 6 und 7 (Pfeil 27, Pfeil 29), aus dem Lauf in einer Drehrichtung in eine entgegen gesetzte Drehrichtung umgesteuert. Bezüglich der fallenden bzw. steigenden Flanke der Steuerspannung U 11 bzw. der Steuerspannung U12 setzt zeitlich verzögert das Prellen des Schaltkontakts 6 (Kontaktspannung-Rückführsignal U 9) bzw. das Prellen des Schaltkontakts 7 (Kontaktspannung- Rückführsignal 10) ein. In diesem Beispiel der Drehrichtungsumkehr wird der Beginn des Kontaktvibration- Zeitintervalls 4 durch die erste Kontaktvibration am Schaltkontakt 6 vorgegeben; das Ende des Kontaktvibration- Zeitintervalls 4 wird aus der letzten Kontaktvibration am

Schaltkontakt 7 ermittelt. Durch Messen des Intervalls 4 ist sichergestellt, dass eine Auswertung der Stromripple nicht während der indifferenten Phase (Zeitintervall Tl bis T2) erfolgt, in welcher entweder der Schaltkontakt 6 oder der Schaltkontakt 7 prellt; „ripple-count" erfolgt erst dann, wenn die Welligkeit im Rotorstrom wieder repräsentativ für die Drehlage ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wir also neben Hochlauf und Bremsen auch beim Reversieren das Risiko einer Fehlzählung verringert und die Genauigkeit der Rotorpositionserfassung erhöht.

Zusammenstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Spannung an einem Umschaltkontakt

2 Ankerstrom

3 Anker-Stromripple, gemessene Kommutierunswelligkeit

4 Kontaktvibration-Zeitintervall

5 Gleichstrommotor 6 Schaltkontakt

7 Schaltkontakt

8 Shunt

9 Kontaktspannungs-Rückführsignal

10 KontaktSpannungs-Rückführsignal 11 Steuersignal

12 Steuersignal

13 Anker-Stromripple, digitalisierte Kommutierunswelligkeit

14 Ankerstrom, digitalisiert 15 Ripple-Zähleinrichtung

16 Rippel-Schätzeinrichtung

17 Steuer und Auswerteeinheit, Mikrokontroller

18 Stromrückführsignal

19 Kontaktspannungs-Rückführsignal, digitalisiert 20 Rückführschaltkreis

21 Pfeil

22 Bürste

23 Bürste

24 Kollektor 25 Pfeil

26 Pfeil

27 Pfeil

28 Schaltvorrichtung, Umschaltrelais

29 Pfei l

U9 zurückgeführte Kontaktspannung UlO zurückgeführte Kontaktspannung; Uli Steuerspannung U12 Steuerspannung Tl Zeitpunkt T2 Zeitpunkt tv Verzögerung (Ansprechzeit des Relais]