Beschreibung

Titel Verfahren und Vorrichtung zur Drehrichtungserkennung einer Antriebseinheit

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Drehrich- tungserkennung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Mit der EP 0 603 506 Bl ist ein Verfahren zur Lagebestimmung eines elektrischen Antriebs bekannt geworden, der beispielsweise ein verstellbares Teil im Kraftfahrzeug elektrisch betätigt. Dabei wird ein Elektromotor derart betrieben, dass die Drehrichtung des Elektromotors umschaltbar ist.

Zur Lagebestimmung des elektrisch angetriebenen Teils wird nach dem Abschalten des Antriebsmotors der zeitliche Abstand von Impulsflanken eines inkremen- talen Signals analysiert. Hierzu wird insbesondere der zeitliche Abstand zum Ab- schaltzeitpunkt gemessen und mit einem vorgegebenen Maß verglichen. Bei einer solchen Vorrichtung ist die Unterscheidung zwischen einem Reversiervor- gang des Elektromotors und einem Auslaufvorgang unter Umständen fehlerbehaftet, insbesondere wenn sich der Elektromotor beim Auslaufen unter Last geringfügig zurückdreht.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung nach den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Verwendung des Stromzustandsignals des Elektromotors zusätzlich zu dem einen inkrementalen Sensorsignal die aufeinander abfolgenden Drehrichtungswechsel des Elektromotors zuverlässiger erkannt werden können. Hierzu ist eine qualitative Aussage über die Motorstromrichtung ausreichend, so dass dem Motorstrom ein digitalisiertes Signal zugeordnet werden kann, das der Stromrichtung -1 oder +1, beziehungsweise einen Motorstrom von näherungs-

weise =0 entspricht. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass einerseits nur ein einziges inkrementales Sensorsignal für eine zuverlässige Lage-, beziehungsweise Drehrichtungserkennung notwendig ist und der Aufwand für die Strommessung aufgrund der lediglich qualitativen Auswertung sehr gering gehalten werden kann.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen ausgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale möglich. Da beim Abschalten des Elektromotors in diesem ein Motorstrom in entgegengesetzter Richtung induziert wird, kann ein erster Wechsel des Stromzustandsignals dem Abschaltzeitpunkt des Elektromotors zugeordnet werden.

Kommt es anschließend zu einem zweiten Wechsel der Stromrichtung, was durch einen Wechsel des digitalisierten Stromzustandsignals gemessen wird, ist dies ein Hinweis darauf, dass der Motor nach dem Abschalten zurückdreht. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein Fensterheberantrieb beim Heben der Scheibe abgeschaltet wird.

Zusätzlich kann in Abhängigkeit eines Wechsel des Motorzustandsignals auch die Laufzeit zwischen den Flanken des inkrementalen Sensorsignals gemessen werden, wodurch die Zeitabschnitte während eines konstanten Motorstromzu- standes mit empirischen Werten verglichen werden können, um die Auswertung der Drehrichtung zusätzlich abzusichern. Dabei können die Zeiten zwischen den Flankenwechsel besonders günstig durch eine gleitende Mittelwertbildung ermittelt werden.

Um einen Reversiervorgang des Elektromotors zuverlässiger zu erkennen, können die Zeiten zwischen den Flankenwechseln des inkrementalen Sendersignals vorteilhaft mit zuvor ermittelten Zeiten zwischen den Flankenwechseln bei einer maximalen Drehzahl des Elektromotors verglichen werden. Dadurch kann zuverlässig erkannt werden, ob der Elektromotor abgebremst wird, beschleunigt wird oder seinen normalen Betriebszustand eingenommen hat.

Des Weiteren kann zusätzlich die Anzahl der Flankenwechsel des inkrementalen Sensorsignals nach dem Abschaltzeitpunkt gezählt werden, der durch einen Wechsel des Stromzustandsignals erkannt wird. Die Anzahl der Flankenwechsel kann ebenfalls mit einem empirischen Wert verglichen werden, der beispielswei- se typisch für einen Reversiervorgang des Elektromotors ist.

Zur Generierung des Stromzustandssignals wird beispielsweise die Spannung zwischen den beiden Anschlussklemmen des Elektromotors gemessen und ausgewertet, wobei insbesondere auch bei abgeschaltetem Elektromotor noch ein Motorstrom gemessen werden kann, dessen Vorzeichen zur Bestimmung der

Drehrichtung herangezogen werden kann. Besonders günstig ist es, wenn das abgegriffene Spannungssignal in der Auswerteeinheit einer Verstärkerschaltung zugeführt wird, da dann auch noch sehr kleine Ströme erfasst werden können, die bei abgeschaltetem Elektromotor durch die Kontaktwiderstände der Schalter fließen. Dies hat den Vorteil, dass durch die Nutzung der übergangswiderstände des Schalters auf ein separates Strommess-Shunt verzichtet werden kann, wodurch die Verlustleistung reduziert wird, und die komplette Batteriespannung zum Betreiben des Elektromotors zur Verfügung steht. Durch diesen direkten Abgriff des Spannungssignals an den Motorkontaktklemmen wird gegenüber der Strom- Shunt-Messung auch deutlich der Bauraum auf der Leiterplatte reduziert und der relativ teure Shunt eingespart. Besonders günstig ist es, die Verstärkerschaltung als integraler Bestandteil eines Mikrocontrollers zu realisieren, da dieser gleichzeitig für die Lagebestimmung des zu verstellenden Teils, und gegebenenfalls für eine Einklemmschutzfunktion notwendig ist.

Zur Bestimmung der Drehrichtung des Elektromotors ist es ausreichend, wenn das Signal am Ausgang der Verstärkerschaltung, das ein Maß für den Motorstrom darstellt, digitalisiert wird. Da kein exaktes analoges Messsignal des Motorstroms notwendig ist, spielt es dabei keine Rolle, dass die übergangswider- stände des Schalters unter Umständen gewissen Schwankungen unterworfen sind. Zur Bestimmung der Drehrichtung des Elektromotors werden der Verstärkerschaltung als digitalisiertes Signal die drei Motorstromzustände -1, 0 und +1 zugeordnet. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Ausgangsspannung der Verstärkerspannung in unterschiedliche Bereiche eingeteilt wird, denen der entsprechenden Stromzustand zugeordnet wird. Aufgrund der

- A -

Betriebsspannung des Mikrocontrollers von ca. 5 Volt ist es besonders günstig die Verstärkerschaltung derart zu dimensionieren, dass ohne Stromfluss durch den Motor die Verstärkerschaltung ein Spannungswert von näherungsweise 2,5 Volt liefert. Da die besondere Schwierigkeit der Drehrichtungserfassung im Be- reich kleiner Ströme auftritt, wenn der Elektromotor abgeschaltet oder reversiert wird, kann die Verstärkerschaltung derart dimensioniert werden, dass diese bei großen Strömen, beispielsweise größer als +/- 0,5 Ampere ein verstärktes Signal liefert, wodurch die Verstärkerschaltung auf die Detektion kleiner Motorströme sensibilisiert werden kann.

Zur Erzeugung des inkrementalen Sensorsignals, ist beispielsweise ein Signalgeber auf der Ankerwelle des Elektromotors angeordnet, dessen Signal von einem gehäusefesten Signalaufnehmer detektiert wird. Der Signalgeber ist dabei beispielsweise als mehrpoliger Magnetring ausgebildet.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Drehrichtungsbestimmung in einer Vorrichtung zum Betreiben eines Elektromotors, der mit Relaisschaltern angesteuert wird. Die Verstärkerschaltung an den Motoranschlussklemmen kann dabei direkt in die Ansteuerelektronik des Elektromotors integriert werden. Zusammen mit dem inkrementalen Sensorsignal lässt sich somit eine eindeutige Charakterisierung der Drehbewegung eines Elektromotors erzielen. Treibt der Elektromotor ein zu verstellendes Teil an, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Position des Teils jederzeit exakt erfasst werden und dadurch auch eine Einklemmschutzfunktion realisiert werden, bei dem im Einklemmfall eines Hindernisses, das zu verstellende Teil in der Drehrichtung umgekehrt oder gestoppt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehrichtungsbestimmung eignet sich auch besonders für die Verwendung eines zentralen Steuergeräts, das mehrere Elektromotoren, beispielsweise im Kraftfahrzeug, ansteuert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehrichtungserkennung,

Figur 2 schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines

Stromzustandssignals,

Figur 3 eine Darstellung des Einschalt- und Auslaufverhaltens der Antriebseinheit und

Figur 4 eine Darstellung eines Reversiervorgangs der Antriebseinheit.

Ausführungsform der Erfindung

In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines Elektro- motors 12 dargestellt, der mit einer Spannungsquelle 14 betrieben wird, die beispielsweise als Batterie 16 ausgebildet ist. Die Spannungsquelle 14 ist über Schalter 20 mit dem Elektromotor 12 verbunden, derart dass durch das Ansteuern der Schalter 20 die Drehrichtung des Elektromotors 12 umgekehrt werden kann. Im Ausführungsbeispiel sind die Schalter 20 in einem Relais 18 angeord- net, und werden über ein Steuersignal 22 einer Steuereinheit 24 betätigt werden.

Die Steuersignale 22 werden beispielsweise durch das Betätigen einer nicht näher dargestellten Bedientaste generiert. Ist beispielsweise der linke, obere Relaisschalter 26 und der rechte untere Relaisschalter 27 geschlossen, fließt ein Motorstrom 30 von der mit + gekennzeichneten Motoranschlussklemme 32 zur mit - gekennzeichneten Motoranschlussklemme 34. Sind hingegen die Schalter links unten 28 und rechts oben 29 geschlossen, fließt ein Motorstrom 30 in entgegen gesetzter Richtung von - (34) nach + (32). Soll der Elektromotor 12 gestoppt werden, werden die Relaisschalter 27 und 28 geschlossen, so dass beide Motoranschlussklemmen 32, 34 auf Masse 36 liegen. Sind die Relaisschalter 28, 27 geschlossen (gestrichelt eingezeichnet in Fig. 1) wird der Elektromotor 12 von außen nicht mehr bestromt, jedoch werden durch die Trägheit des Elektromotors 12 für eine gewisse Zeit weiterhin Ströme induziert, die über übergangswiderstände 72 der geschlossenen Schalterkontakte 74 der Schalter 20 abfließen. Zwischen den Motoranschlussklemmen 32, 34 und den jeweiligen Relais 18 sind elektrische Verbindungen 38 zu einer Auswerteeinheit 40 angeordnet, die ein e-

lektrisches Spannungssignal 42 abgreifen, das zwischen den Motoranschlussklemmen 32, 34 anliegt. Die Auswerteeinheit 40 weist eine Verstärkerschaltung 44 auf, die das abgegriffene Spannungssignal 42 beispielsweise entsprechend Figur 2 verstärkt. Dabei kann die Verstärkerschaltung 44 als Teil eines Mikro- Controllers 46 ausgebildet sein. Die Verstärkerschaltung 44 liefert ein Ausgangssignal 48, das eine Bestimmung eines Stromzustandssignals 50 ermöglicht. Des Weiteren ist am Elektromotor 12 ein Drehzahlgeber 52 drehbar angeordnet, der zusammen mit einem ortsfesten Signalaufnehmer 54 ein inkrementales Sensorsignal 56 für die Drehzahl, bzw. Drehgeschwindigkeit liefert. Der Drehzahlgeber kann insbesondere als magnetischer Polring 53 ausgebildet sein, der mit einem magnetischen Hall-Sensor 55 zusammenwirkt. Wird dieses inkrementale Sensorsignal 56 zusammen mit dem Stromzustandssignal 50 ausgewertet, kann hierdurch eindeutig die Lage eines zu verstellenden Teils 62 eines Verstellantriebs 64 bestimmt werden. Für solch eine Verstellvorrichtung 64 kann die Aus- werteeinheit 40 auch als Einklemmschutzelektronik 60 ausgebildet sein, die beim

Auftreten eines Hindernisses 66 im Verstellweg 68 den Elektromotor 12 stoppt oder reversiert.

In einer weiteren nicht dargestellten Ausführung sind die Schalter 20 als Transis- toren oder MOSFETS oder auf andere Weise ausgebildet, wobei zur Ermittlung der Stromrichtung ebenfalls deren übergangswiderstände 72 mittels der Verstärkerschaltung 44 erfasst werden.

In Figur 2 ist in der oberen Bildhälfte der zeitliche Verlauf 31 des Motorstroms 30 und in der unteren Bildhälfte der zeitliche Verlauf 47 des Ausgangssignals 48 der

Verstärkerschaltung 44 dargestellt. Wird beispielsweise zum Zeitpunkt To der E- lektromotor 12, der sich zuvor im normalen Antriebszustand befunden hat, abgeschaltet, indem die beiden (Relais-)schalter 28 und 27 geschlossen werden, sinkt danach der Motorstrom 30 von einem normalen Betriebsstrom innerhalb einer gewissen Zeitspanne 76 ab, bis er den Wert ca. 0,0 Ampere erreicht hat. Für einen Motorstrom über vorgebbaren Schwellen von beispielsweise +0,5 Ampere oder unter -0,5 Ampere liefert die Verstärkerschaltung 44 einen Wert 78 als Ausgangssignal 48 der entweder etwa bei 5V oder 0 Volt liegt. Hierbei befindet sich die Verstärkerschaltung 44 im Sättigungsbereich. Erst nachdem der absolute Strombetrag kleiner als 0,5 Ampere geworden ist, beginnt der eigentliche Ar-

beitsbereich der Verstärkerschaltung 44, wobei das Ausgangssignal 48 sich ausgehend von 5 Volt oder 0 Volt einem mittleren Wert von ungefähr 2,5 Volt annähert, der einem Stromzustand von 0 Ampere entspricht. Zur Bestimmung der Drehrichtung des Elektromotors 12 kann nun einfach unterschieden werden, ob das Ausgangssignal 48 einen Wert größer als dem stromlosen Zustand 0 entsprechenden Wert annimmt, oder einen kleineren Wert. Daher kann der Wertebereich des Ausgangssignals 48 in einen mittleren, einen oberen und einen unteren Bereich 80, 82, 84 eingeteilt werden, denen ein digitales Stromzustandssig- nal 50 mit den Werten 0, +1, -1 zugeordnet werden kann. Somit kann ohne die Verwendung eines zusätzliches elektrischen Bauteils wie eines Mess-Shunts die

Richtung des Motorsstroms 30 bestimmt werden, und daraus gegebenenfalls in Verbindung mit dem inkrementalen Sensorsignal 56 die Drehzahl, bzw. Drehgeschwindigkeit und die Drehrichtung des Elektromotors 12. Damit kann mit nur einem einzigen inkrementalen Sensorsignal 56 (beispielsweise einem einzigen Hall-Sensor 55) eine zuverlässige Positionserfassung und eine Schließkraftbegrenzung für das zu verstellende Teil 62 realisiert werden.

In Fig. 3 ist das Ein- und Ausschaltverhalten des Elektromotors 12 dargestellt, wobei auf der x-Achse die Zeitskala t dargestellt ist, und auf der y-Achse der Messwert 51 für den Motorstrom (punktierte Kurve), das inkrementale Sensorsignal 56 (durchgezogene Kurve) und ein Drehrichtungssignal 86 (gestrichelte Kurve) dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t=0,0 wird der Elektromotor 12 eingeschaltet, wodurch das dem Signal des Motorstroms 51 zugeordnete Stromzustandsignal 50 von 0 auf -1 wechselt, was einen Motorstrom in einer bestimmten Rich- tung entspricht. Das inkrementale Sensorsignal 56 bildet eine schnelle Abfolge von Flankenwechseln 88, die nach einer kurzen Anlaufphase in näherungsweise zeitgleichen Abständen erfolgt. Zum Abschaltzeitpunkt 90 t= ca. 0,19 sec wird der Elektromotor 12 abgeschaltet, wodurch in diesem ein Motorstrom in Gegenrichtung induziert wird, was durch den Wechsel des Stromzustandsignals 50 von -1 auf 1 erkennbar ist. Der Elektromotor 12 läuft nach dem Abschalten noch nach, so dass es auch nach dem Abschaltzeitpunkt 90 noch zu einem Flankenwechsel 91 des inkrementalen Sensorsignals 56 kommt. Durch die Erfassung des ersten Stromzustandwechsels von -1 zu +1 können die Flankenwechsel 91 nach dem Abschaltzeitpunkt 90 des Elektromotors 12 eindeutig dem Nachlaufen des Elektromotors 12 in gleicher Richtung zugeordnet werden. In Fig. 3 kommt

es zum Zeitpunkt t= ca. 0,21 zu einem erneuten Stromzustandswechsel von +1 nach -1, nach dem ein weiterer Flankenwechsel 92 des inkrementalen Sensorsignals 56 folgt. Dieser Flankenwechsel 92 kann aufgrund des zweimaligen Wechsels des Stromzustandsignals 50 als Rücklaufen des Elektromotors 12 er- kannt werden, wodurch als Ergebnis der Signalauswertung das Drehrichtungssignal 86 mit dem Flankenwechsel 92 eine Drehrichtungsänderung, beispielsweise von links (I) nach recht (r) anzeigt. Somit kann durch eine Zuordnung der Flankenwechsel 91, 92 zu einer änderung des Stromzustandsignals 56 die aktuelle Drehrichtung des Elektromotors 12 zuverlässig bestimmt werden.

In Fig. 4 ist ein Reversiervorgang eines Elektromotors 12 mit vergrößerter Zeitskala t dargestellt. In diesem Fall wird zum Zeitpunkt t = ca. 0,465 der elektrische Anschluss des Elektromotors 12 umgepolt, wodurch das Stromzustandsignal 56 von -1 zu +1 wechselt. Der zeitliche Abstand 94 der zwischen den Flankenwech- sein 88 des inkrementalen Sensorsignals 56 nimmt zuerst zu und anschließend wieder ab, bis der zeitliche Abstand 94 näherungsweise wieder den Wert vor dem Umschaltzeitpunkt 93 erreicht. Die Auswerteeinheit 40 erkennt den Reversiervorgang des Elektromotors 12 daran, dass nach einmaligem Stromzustandwechsel von -1 nach +1 zusätzlich der zeitliche Abstand 94 zwischen den Flan- kenwechseln 88 berücksichtigt wird. Der zeitliche Abstand 94 zwischen Flankenwechsel 88 wird beispielsweise mittels einer gleitenden Mittelwertbildung gemessen, so dass in Fig. 4 erkannt wird, dass der zeitliche Abstand 95 zwischen zwei Flankenwechsel kürzer ist, als der zeitliche Abstand des direkt davorliegenden Intervalls 96. Dadurch wird festgestellt, dass mit dem Flankenwechsel 97 zwi- sehen den beiden Zeitintervallen 95 und 96 die Bewegungsrichtung des Elektromotors gewechselt hat, was durch den Wechsel der Drehrichtungssignals 86 von (I ) zu (r) dargestellt ist. Zusätzlich kann der zeitliche Abstand 94, 95, 96 (Zeitintervalle) mit einem zuvor ermittelten und abgespeicherten Wert bei einer maximalen Drehzahl verglichen werden. Dadurch kann identifiziert werden, wann der Elektromotor wieder seinen normalen Betriebszustand mit seiner Solldrehzahl erreicht hat. Des Weiteren kann zuvor empirisch ermittelt werden, wie viele Flankenwechsel 88 nach dem Umschaltzeitpunkt 93 des Reversiervorgangs im normalen Betriebszustand abfolgen. Diese Anzahl kann bei einem einmaligen Wechsel des Stromzustandsignals 50 mit der aktuellen Anzahl der Flankenwech-

sei 88 verglichen werden, um somit das Vorliegen eines Reversiervorgangs des Elektromotors 12 zu überprüfen.

Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung dargestellten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So können beispielsweise die änderungen des Stromzustandssignals 50 mit verschiedenen Auswerteverfahren des inkrementalen Sensorsignals 56 kombiniert werden, wobei dessen Flankenwechsel gezählt und deren Intervalllängen miteinander und/oder mit abgespei- cherten Werten verglichen werden können. Das Auswerteverfahren ist unabhängig von der Ermittlung des digitalen Stromzustandssignals 50, das beispielsweise auch mittels einer direkten Motorstrommessung oder- abschätzung gewonnen werden kann. Die Auswerteeinheit 40 kann mit der Ansteuerelektronik 24 des E- lektromotors 12 kombiniert sein oder als separates Bauteil vorzugsweise auf ei- ner Leiterplatine ausgebildet sein. Dabei kann die Vorrichtung 10 zum Betreiben des Elektromotors 12 örtlich direkt unmittelbar beim Elektromotor 12 oder in einem zentralen Steuergerät angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung 10 sind besonders geeignet, für die Realisierung einer Positionserfassung und/oder eines Einklemmschutzes für Komfortan- triebe im Kraftfahrzeug, wie beispielsweise Fensterheber, Schiebedach- oder

Sitzverstellung. Das Verfahren zur Drehrichtungserkennung kann jedoch auch für Rotationsantriebe, wie Gebläse oder Pumpen verwendet werden.