Verfahren zur Auswertung von Drehzahl-und Drehlageinformationen eines DC- Motors Technisches Gebiet Im Automobilbau werden heute in zunehmender Zahl elektrische Antriebe eingesetzt, um zum Beispiel die Fahrzeugsitze, Fensterscheiben oder Schiebedächer, seien es geschlossene Schiebedächer, seien es gläserne Schiebedächer, zu bewegen. Zum Antrieb derartig beweg- barer Fahrzeugkomponenten werden Gleichstrommotoren eingesetzt, deren Drehzahl und Lastzustand es zu erfassen gilt, um den elektrischen Antrieb in geeigneter Weise ansteuern zu können. So ist es erforderlich, unterschiedliche Lastzustände der als Gleichstrommotoren ausbildbaren elektrischen Stellmotoren zu erfassen, um die Antriebe und die Benutzer gege- benenfalls durch Abschalten des Motors zu schützen. Derartige Lastzustände sind im stö- rungsfreien Betrieb beispielsweise das Erreichen von Endpositionen des Antriebs und bei störungsbehaftetem Betrieb eine erhöhte Reibung durch Verschleiß oder, Umweltenflüsse oder ein in den Antrieb eingebrachtes Hindernis, wie zum Beispiel Gliedmaßen eines Benut- zers. Derartige Lastzustände müssen zum Schutz sowohl des Benutzers und des elektri- schen Antriebes sicher erkannt werden.

Stand der Technik Aus DE 195 14 257 Cl ist ein Überwachungsverfahren eines Verstellsystems bekannt, wel- ches auch in der Anlaufphase des elektrischen Antriebes einer Binklemmschutzfimktion ge- währleistet. Dabei wird mittels eines Sensors in Gestalt eines Hall-Sensors die Drehzahl bzw. Geschwindigkeit erfasst, ein Periodenwert abgespeichert und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen. Da sich in der Anlaufphase die Motorperiode stark verändert, liegt erst nach etwa drei Motorperioden ein eingeschwungener Zustand, d h. ein gleichmäßiger Motorlauf vor, so dass auch erst dann eine zufriedenstellende Sicherheit gegenüber einer übermäßigen Kraftentfaltung gewährleistet ist. Deshalb wird der anfängliche Perioden- grenzwert während der Motoranlaufphase aufgrund der gespeicherten Bezugswerte von der

vorhergehenden Betätigung des Motors vorausberechnet. Der anfängliche Periodengrenz- wert (PGW) * wird dabei vorzugsweise auf der Basis des letzten Periodenwertes (PWvn) der vorangegangenen Verstellung gemäß der Formel : PGW = 2 PWvn (0,5 + E-"") bestimmt. Dieses Verfahren ist recht komplex und aufwändig und ist vom vorangegangenen Verstellvorgang abhängig. Voraussetzung für ein solches Verfahren ist, dass die Messwerte (Periodenwerte) kontinuierlich abgespeichert und für den nächsten Motorstart zur Verfü- gung gestellt werden können. Außerdem ist dieses Verfahren beschränkt auf die Verwen- dung der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit als Sensorsignal für die Einklemmschutzfunk- tion.

DE 199 08 658 AI bezieht sich auf eine Schließvorrichtung zum Verschieben eines Schließ- körpers, wie etwa einer Fensterscheibe oder einer Dachplatte im Kraftfahrzeug. Ein Sensor erfasst eine auf den Schließkörper wirkende Schließkraft, die von einer Steuerschaltung überwacht und beim Übersteigen eines Grenzwertes der Kraft diese Schließvorrichtung re- versiert wird. Eine in die Steuerschaltung integrierte Auswerteeinheit variiert den Grenzwert in Abhängigkeit von einer zu einem früheren Zeitpunkt gemessenen KrafL Diese Schließ- vorrichtung realisiert einen zuverlässigen, empfindlichen Einklemmschutz für einen stationä- ren Betriebszustand des Antriebsmotors, jedoch ermöglicht sie keinen Einklemmschutz in der Anlaufphase des Motors, da in diesem Bereich die gemessene Schließkraft noch nicht zuverlässig mit vorhergehenden Messwerten verglichen werden kann. Es wird jedoch in zunehmendem Maße auch eine Einhaltung der Schließkraftbegrenzung bei Anlauf des elekt- rischen Antriebs gefordert.

Aus DE 102 24 050 AI ist ein Verfahren zum Öffnen und Schließen einer Öffnung bekannt geworden. Es sind ein Verstellmotor, eine Steuereinheit und eine Bedienvorrichtung vorge- sehen, wobei beim Schließen des beweglichen Teiles ein Hindernis erkannt wird, welches sich im Verstellweg des beweglichen Teiles befindet. Es wird ein Signal an die Steuereinheit weitergeleitet, um die Bewegung des beweglichen Teils zu stoppen oder zu reversieren, wobei beim Betätigen der Bedienvorrichtung zum Schließen der Öffnung das bewegliche Teil zuerst entgegen der Schließrichtung und anschließend das bewegliche Teil in Schließ- richtung bewegt wird.

Die Erfassung eines Betriebszustandes oder einer Änderung eines Betriebszustandes in ei- nem System, in dem mindestens ein auf den Betriebszustand hinweisendes analoges Signal

vorhanden ist, kann wie nachfolgend dargestellt erfolgen : Das analoge Signal oder ein von diesem abhängiges Signal wird abgetastet und daraus ein Abtastsignal generiert. Aus einer Anzahl von Signalwerten des abgetasteten Signals wird ein eine spektrale Verteilung reprä- sentierendes Transformationssignal erzeugt, welches nachfolgend mit einem wenigsten eine spektrale Verteilung repräsentierenden Referenzsignal verglichen wird Das Referenzsignal wurde aus einem einen zu erfassenden Betriebszustand repräsentierenden analogen Refe- renzsignal erzeugt. Das Referenzsignal kann ein anhand vorheriger Abtastwerte erzeugtes Transformationssignal sein. Bei dem eine spektrale Verteilung repräsentierenden Transfor- mationssignal und dem Referenzsignal kann es sich um diskrete Fouriertransformierte (FFT) Signale handeln.

Eine Vorrichtung zur Erfassung des Betriebszustandes oder zur Erfassung der Änderungen des Betriebszustandes eines Systems, in dem mindestens ein auf den Betriebszustand hin- weisendes analoges Signal vorhanden ist, umfasst eine Abtasteinrichtung zum Abtasten des analogen Signales und zum Bereitstellen des Abtastsignals. Ferner ist eine Transforma- tionseinheit vorgesehen, der das Abtastsignal zugeführt wird und die ein Transformations- signal aus einer Anzahl N von Abtastwerten des Abtastsignals generiert. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Vergleicher-Anordnung, der das Transformationssignal zugeführt wird und welche das transformierte Signal mit mindestens einem eine spektrale Verteilung reprä- sentierenden Referenz-Transformationssignal vergleicht und die Vergleicher-Anordnung ein Zustandssignal bereitstellt.] Derzeit werden, an Verstellantrieben, die im Automobilbereich eingesetzt werdenfolgende Verfahren zur Erfassung von Position und Dynamik des Stellantriebes eingesetzt : Es kom- men Hall-Sensoren (HIC) zum Einsatz, die an den Antrieben, so zum Beispiel im Bereich der Motorachse oder am Abtrieb, einem Magneten oder einem Magnetring zugeordnet wer- den. Ein oder mehrere nahe am Magneten oder Magnetring positionierte Hall-Sensoren rea- gieren auf das erzeugte Feld und geben so Aufschluss über Position, Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit des elektrischen Antriebes. Ferner werden Drehgeber eingesetzt, die auf der Motorachse oder einer Abtriebskomponente angeordnet sind und die die relative oder absolute Lage des elektrischen Antriebes zurückgeben. Bei elektrischen Antrieben mit Bürsten wird durch die elektrische Kommutierung ein Stromripple erzeugt, welches über einen Messwiderstand erfasst werden kann. Die Auswertung des Stromripples erlaubt Rückschlüsse auf den relativen Drehwinkel.

Daneben besteht die Möglichkeit, die Nuten eines elektrischen Antriebes über die jeweilige Stromaufnahme zu identifizieren. Passiert eine Nut eine Bürste des elektrischen Antriebes,

wird durch einen internen Kurzschluss ein erhöhter Strom erfasst, welcher durch geeignete Maßnahmen ausgewertet werden kann.

Darstellung der Erfindung Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Drehzahlerfassung bei Gleichstrommotoren (DC- Motoren) vorgeschlagen, welches eine Auswertung der Stromaufnahme des elektrischen Antriebs ermöglicht. Dazu wird die Tatsache ausgenutzt, dass Stromänderungen dadurch erzeugt werden, dass eine Nut eine Bürste des elektrischen Antriebs passiert. Die Auswer- tung des erzeugten Stromripples erfolgt im Zeitbereich. Durch diskrete oder rechnerische Filter wird in einer Schaltung oder durch einen Algorithmus ein diskretes Signal erzeugt, welches das Auftreten einer Nut anzeigt. Die Stromschwankungen sind jedoch relativ schwach ausgeprägt, so dass diese mittels einer Transformation, wie zum Beispiel einer Fast Fourier Transformation (FFT) in den Frequenzbereich transformiert werden können. Die periodisch wiederkehrenden Stromschwankungen aufgrund der Passage der Nuten entlang der Bürsten, können in Form einer Spektrallinie dargestellt werden. Die Position dieser Spektrallinie auf der Frequenzachse steht in direktem Zusammenhang zur Drehzahl des e- lektrischen Antriebes. Durch dieses Auswertungsverfahren lässt sich die durchschnittliche Drehzahl aus den letzten Periodendauem des Signales gewinnen.

Die Auswertung eines über eine FFT-Transformation enthaltenen Frequenzspektrums der Motorspannung bietet gegenüber dem Einsatz bekannter Methoden, wie zum Beispiel Er- fassung durch Hall-Sensoren oder Drehgeber oder Auswertung eines Ripplecounts, mehrere Vereinfachungen und daraus resultierende Kostenvorteile. Es ist keine Sensorik erforder- lich, die relativ zum elektrischen Motor oder einer diesem zugeordneten Abtriebskomponen- te zugeordnet werden muss. Dadurch ergeben sich deutliche Vereinfachungen hinsichtlich der Konstruktion. Da sich weiterhin die Auswerteelektronik nicht notwendigerweise in un- mittelbarer Nähe des Antriebs befinden muss, sind sowohl zentrale als auch dezentrale Aus- legungsmöglichkeiten gegeben. Auch die nachträgliche Erweiterung von Standardmotoren ist möglich.

Es kann eine Überlagerung von Versorgungs-und induzierter Motorspannung vorgenom- men werden. Diese Überlagerung wird zurückgelesen und mittels einer Fast Fourier Trans- formation (FFT) ausgewertet. Anhand der charakteristischen Frequenzen kann auf die Ge- schwindigkeit und Drehrichtung des DC-Motors geschlossen werden. Der elektrische An- trieb wird in der Regel von mechanischen Schaltern, wie zum Beispiel Relais oder Halblei- terschaltem (Feldeffekttransistoren) angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt durch eine Steue- rungslogik, welche die aus der FFT gewonnenen Informationen für verschiedene Anforde-

rungen verwendet. So lässt sich die absolute Position eines Stellers am Motorabtrieb bestimmen. Ferner kann ein Ausgleich von Drehzahlschwankungen vorgenommen werden und daraus ein Einklemmschutz realisiert werden.

Zeichnung Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender erläutert : Es zeigt : Figur 1 ein Blockschaltbild einer Auswerteschaltung zur Drehlage-und Drehzahlerfassung eines elektrischen Antriebes und Figur 2 eine Darstellung der Relais'oder FFT's, mit welchen der elektrische Antrieb angesteuert werden kann.

Ausführungsvarianten Figur 1 ist ein Blockschaltbild entnehmbar, welches die Komponenten einer Auswerteschal- tung zur Auswertung der Drehzahl beziehungsweise der Drehlage eines elektrischen Antrie- bes, wie eines Gleichstrommotors (DC-Motor) darstellt.

Dem in Figur 1 dargestellten Blockschaltbild ist ein elektrischer Antrieb 1 entnehmbar, dem zwei in diesem Falle einander gegenüberliegend positionierte Bürsten 2,3 entnehmbar sind.

Der elektrische Antrieb 1 wird über ein Leistungsteil 4 gesteuert. Das Leistungsteil 4 seiner- seits wird über eine Steuerlogik 7 angesteuert. Die Spannung Ul, U2, welche in den vom Leistungsteil 4 zu den Motorbürsten 2,3 verlaufenden Leitungen 5,6 herrschen, werden abgegriffen und eingangsseitig einer FFT-Stufe 8 zugeführt. Die erfassen Spannungen Ul, U2 in den Leitungen 5,6 zu den Motorbürsten 2,3 werden in der FFT-Stufe 8 in ein erstes Frequenzspektrum sowie ein zweites Frequenzspektrum umgewandelt. Am Ausgang 10 der FFT-Stufe 8 werden die erhaltenen ersten und zweiten Frequenzspektren einer Auswer- tungslogik 11 zugeführt. Die Eingangsseite der FFT-Stufe 8 ist mit Bezugszeichen 9 be- zeichnet.

Der Auswertelogik 11 sind eine Schließkraftbegrenzungsstufe 13 sowie eine Komponen- te 154 zur Erfassung einer Position des elektrischen Antriebes 1 nachgeschaltet. Der Schließkraftbegrenzungsstufe 13 wirdeindn/dt-Signal, dh. einDrehzahländerungssignal 12

zugeführt, während der Komponente 15 (Positionserfassungsstuie) ein Drehrichtungssignal 14 zugeführt wird.

Die in der Schließkraftbegrenzungs-Stufe 13 berechnete Schließkraft beziehungsweise die in der Positionserfassungsstufe 15 berechnete Position des elektrischen Antriebes 1 wird der Steuerlogik 7 für das Leistungsteil 4 eingangsseitig aufgegeben, d. h. an der Eingangsseite 16 der Steuerlogik 7 liegt ein Schließkraftbegrenzungs-Stufensignal 17 an sowie ein Positi- onssignal 18, welches die aktuelle Drehlage des elektrischen Antriebes 1 repräsentiert. Auf- grund dieser der Steuerlogik 7 bekannten Betriebsparameter des elektrischen Antriebes 1 wird das den elektrischen Antrieb 1 steuernde Leistungsteil 4 angesteuert, über welches die in der ersten Leitung 5 beziehungsweise in der zweiten Leitung 6 herrschenden Spannungen beeinflussbar sind.

Das in der Schließkraftbegrenzungs-Stufe 13 gewonnene Schließkraftbegrenzungs- Signal 17 (SKB-Signal) wird der Eingangsseite 16 der Steuerlogik 7 aufgeschaltet. Die Steuerlogik 7 übermittelt dieses Signal an das Leistungsteil 4, so dass die maximal zulässige Schließkraft dort als Betriebsparameter des elektrischen Antriebs 1 bekannt ist. Durch einen in der Schließkraftbegrenzungs-Stufe 13 implementierten Algorithmus werden die dynami- schen Informationen des elektrischen Antriebes 1 ausgewertet.

Aus dem Eingangsparameter dn/dt und der Position wird ein Schließkraftbegrenzungs- Auslöseparameter dn/ds gebildet. In dem implementierten Algorithmus können zusätzliche Eltfimkíionen hinsichtlich der Berücksichtigung einer Schlechtwegstrecke, zur Berück- sichtigung harter Schläge auf Scheibenflächen sowie Alterungserscheinungen berücksichtigt werden, um den Auslöseparameter dn/ds für die Schließkraftbegrenzung zu beeinflussen.

Danach lässt sich die Schließkraftbegrenzung adaptiv anpassen, so dass Alterungserschei- nungen berücksichtigt werden können und eine jeweils bessere Umgebungsbedingungen sowie Alterungsparameter berücksichtigende Schließkraft, die zur Auslösung einer Abschal- tung des elektrischen Antriebs 1 über das Leistungsteil 4 erforderlich sind, dort in jeder Be- triebsposition zur Verfügung stehen.

Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht hervor, dass in den Leitungen 5,6 die Spannung, welche an den Motorbürsten 2,3 des elektrischen Antriebes 1 anliegt, abgegriffen wird. Die Spannungen Ul, U2 werden einer Spannungsmessung Höchststufe 19 zugeführt. Die indu- zierte Versorgungsspannung sowie die induzierte Motorspannung werden zurückgelesen und in einer EFT-Stufe 8 ausgewertet. Das Auswerteergebnis wird der Auswertelogik 11 zugeführt, welche Schalter 20 bzw. 21, die entweder als Relais oder als Feldeffekttransisto-

ren ausgebildet sein können aufgegeben wird. Die Schalter 20 bzw. 21 liegen einerseits an der Versorgungsspannungsquelle 22 und andererseits an Masse 23 an.

Innerhalb der Auswertelogik 11 erfolgt zunächst die Ermittlung des Auslöseparameters für die Schließkraftegrenzung. Positionsabhängige Störgrößen werden mit Hilfe einer adaptiven Messwertanpassung gefiltert. eine weitere Filterung Kann mittels eines Zusatzfil- ters zur Berücksichtigung einer Schlechtwegstrecke vorgenommen werden ; dadurch kann der jeweiligen Fahrsituation des Fahrzeugs Rechnung getragen werden. Die Grenzwertbil- dung innerhalb der Auswertelogik wird in Abhängigkeit von der Batteriespannung Ubat und der kinetischen Energie des elektrischen Antriebs 1 ermittelt. Somit ist dessen dynamisches Verhalten ebenfalls berücksichtigt.

Beim vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich sowohl der Weg als auch die Zeit derart vorgeben, dass der elektrische Antrieb 1 in Schließrichtung seinen stationären Betriebszustand erreicht hat. Dadurch wird unabhängig vom verwendeten Messparameter (Betrag und Welligkeit des Motorstroms, Drehzahl n, Frequenz oder Drehmoment) erreicht, dass die Einklemmschutzmnktion unabhängig von der verwendeten Auswertemethode, ab der Startposition des Schließvorgangs gewährleistet ist. Wird der elektrische Anreib 1 mit- tels Pulsweitenmodulation angesteuert, kann dieser zunächst mit geringer Leistung in Schließrichtung und später, in einer nachfolgenden Betriebsphase mit maximaler Leistung in Schließrichtung angetrieben werden.

Es können auch Einklemmsituationen auftreten, die sich nicht beim Öffnen oder Schließen einer Öffnung ereignen, sondern auch beim Verstellen eines Teils relativ zu einem anderen Teil oder einer Person, z. b. bei einer Sitzverstellung im Fahrzeug.

Dabei können sowohl die vorderen Passagiere bei der Verstellung der Sitze oder von Sitz- teilen gegen das Lenkrad oder das Fahrzugdach, als auch die hinteren Passiere zwischen der Rückbank und dem rückwärts bewegten vorderen Sitzteil eingeklemmt werden.

Der elektrische Antrieb 1 wird mittels einer Steuerlogik 7 angesteuert. Wird durch das ber-oder Unterschreiten eines absoluten oder relativen Grenzwertes ein Einklemmfall er- kannt, gibt die Steuerlogik 7 ein Signal an den elektrischen Antrieb 1. Da in der Motoran- laufphase sich die messwerte sehr stark ändern, ist in dieser Betriebsphase keine zuverlässi- ge Schließkraftbegrenzung gemäß des vorgeschlagenen Verfahrens jedoch, hat das bewegte Teil am Starlpunkt der Schließvorgangs schon den stationären Betriebszustand ereicht, so dass hier schon ein Vergleich der messwerte mit einem absoluten oder relativen Grenzwert der Einklemmschutzfunkdon möglich ist.

Die zu verschließende Öffnung lässt sich in verschiedene Öffnungsbereiche unterteilen, so dass sich ein Einklemmschutzbereich definieren lässt. Befindet sich das bewegte Teil beim Start eines Schließvorgangs außerhalb dieses Bereiches, so wird der elektrische Antreibl sofort in Schließrichtung betätigt.

Es ist auch denkbar, den elektrischen Antrieb 1 zunächst so anzusteuern, dass dieser sich für eine vorgebbare Zeitspanne in Öffnungsrichtung bewegt, bevor ein Reversieren der Bewe- gung des die Öffnung verschließenden Teiles erfolgt. Erst nach Ablauf dieser Zeitspanne wird das bewegte Teil zum Schließen der Öffnung in Schließrichtung angetrieben. auf diese Weise kann auch beim Motoranlauf ein bereits eingeklemmtes Objekt freigegeben werden und die gesetzlichen Anforderungen lassen sich problemlos erfüllen.

Bezugszeichenliste 1 elektrischer Antrieb 2 erste Motorbürste 3 zweite Motorbürste 4 Leistungsteil 5 erste Zuleitung 6 zweite Zuleitung 7 Steuerlogik für Leistungsteil 8 FFT-Stufe 9 Eingangsseite 10 Ausgangsseite (Frequenzspektren) 11 Auswertelogik 12 dn/dt-Signal 13 Schließkraftbegrenzungs-Stufe 14 Drehrichtungssignal 15 Positionserfassungsstufe 16 Eingangsseite Steuerlogik 17 Schließkraftbegrenzungs-Signal (SKB-Signal) 18 Positionssignal 19 Spannungsmessungsstufe 20 erster Schalter 21 zweiter Schalter 22 Versorgungsspannungsquelle 23 Masse