Verfahren und Vorrichtung zur Pulsweiten-modulierten Ansteuerung eines elektrischen Antriebsmotors einer Verstelleinrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Pulsweiten-modulierten (PWM-) Ansteuerung eines elektrischen Antriebsmotors einer Verstelleinrichtung auf Basis einer in einem Speicher abgelegten Referenz des mechanischen Systems der Verstelleinrichtung, die eine Beziehung zwischen der Kraft am Motor und dem Verstellweg bzw. der Verstellzeit der Verstelleinrichtung entspricht.

Verstelleinrichtungen, wie sie hier betroffen sind, werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Antrieb von elektrischen Fensterhebern oder Schiebedächern eingesetzt, wobei jedoch auch andere Anwendungen, wie etwa elektrische Heckklappen, Schiebetüren usw., möglich sind. Zur Erhöhung des Bedienungskomforts und der Sicherheit wird im Zusammenhang mit derartigen Verstelleinrichtungen häufig eine

Pulsweiten-modulierte Motoransteuerung eingesetzt, die einen Motorgleichlauf auch dann sicher stellen soll, wenn Schwankungen in der Bordnetzspannung, allgemein in der Versorgungsspannung, auftreten. Eine derartige PWM-Ansteuerung ist auch in Verbindung mit üblichen Einklemmschutzsystemen von Vorteil.

Im Einzelnen wird mit derartige PWM-Ansteuerungen außer dem Sicherstellen eines Motorgleichlaufs bei Schwankungen der Versorgungsspannung auch eine Regelung der

Verstellgeschwindigkeit ermöglicht, um durch langsamere Schließgeschwindigkeiten beispielsweise eine höhere erlaubte Reaktionszeit und ähnliche Vorteile für ein Einklemmschutzsystem vorzusehen. Dies ist insbesondere im 25mm-Bereich der FMVSS 118-Richtlinie relevant, gemäß der Einklemmschutzsysteme mit einer Federrate von 65 N/mm geprüft werden. Insbesondere kann auch beim Schließen etwa eines Schiebedachs die Schließgeschwindigkeit vor Einlauf in die Dichtung reduziert werden, wobei aus dem bewegten mechanischen System Energie genommen wird. Im Idealfall kann auf diese Weise auf ein mechanisches Dämpfungselement verzichtet werden.

Bei den bekannten Techniken werden zu diesem Zweck elektronische Regler eingesetzt, die durch Messung der Bordnetzspannung des Kraftfahrzeugs das notwendige Tastverhältnis ausrechnen, um die gewünschte Motorspannung (z.B. 70% der Bordnetzspannung in bestimmten Zeitintervallen) zur Verfügung zu stellen. Gegebenenfalls kann die Motorspannung noch überprüft, d.h. zurück gemessen werden, so dass sich eine geschlossene Regelschleife ergibt. Auf diese Weise können

Bordnetz-Spannungsschwankungen ausgeregelt werden. Es treten jedoch noch immer Gleichlauf-Schwankungen der jeweiligen Verstelleinrichtung, etwa eines Fensterhebers oder eines

Schiebedachs, auf, wobei sich diese Gleichlauf-Schwankungen durch unterschiedliche mechanische Belastungen ergeben, insbesondere zufolge der verschiedenen Bauteile, die im Zuge einer Verstellbewegung je nach Position (oder Zeit) im mechanischen System eingreifen bzw. ausgeklinkt werden. Diese Gleichlauf-Schwankungen aufgrund variierender mechanischer Kräfte werden bei den bekannten Systemen nicht ausgeregelt, da GleichlaufSchwankungen das Eingangs- bzw. Messsignal des Einklemmschutzalgorithmus darstellen. Dadurch wird der Komfort für den Benutzer reduziert und die Vorteile der PWM-Ansteuerung für das Einklemmschutzsystem werden verringert.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und Gleichlauf-Schwankungen aufgrund variierender mechanischer Belastungen so gut wie möglich auszuschalten, um so den Komfort für die Benutzer zu erhöhen und die Vorteile der PWM-Ansteuerung im Hinblick auf ein Einklemmschutzsystem auch für derartige Fälle variierender mechanischer Belastungen sicher zu stellen.

Die Erfindung basiert dabei darauf, dass üblicherweise, insbesondere im Zusammenhang mit Einklemmschutzsystemen, wie sie regelmäßig bei Fensterhebern, Schiebedächern etc. vorgesehen sind, im Speicher der Steuerelektronik eine Referenz des mechanischen Systems abgespeichert ist (siehe beispielsweise DE 196 33 941 C2 ) . Diese Referenz des mechanischen Systems kann auch als Kennlinie, Referenz-Feld oder mechanische Charakteristik bezeichnet werden und besteht üblicherweise aus einem Datenfeld, wobei Werte für die Kraft am Motor in Abhängigkeit von der Position der Verstelleinrichtung, also beispielsweise insbesondere eines Fensters oder Schiebedachs, bzw. von der Zeit während des Betriebs der Verstelleinrichtung vorgesehen sind. Diese Referenz, nachstehend auch kurz Kennlinie genannt, wird für jedes einzelne mechanische System im Zuge der Initialisierung bei der Fertigung des Kraftfahrzeugs empirisch bestimmt und abgespeichert. Die Erfindung hat nun als zugrunde liegendes Prinzip, dass diese mechanische Kennlinie dazu verwendet werden kann, um die jeweilige PWM-Regelung bzw. PWM-Motoransteuerung vorab so einzustellen, dass eventuelle zu erwartende mechanische Schwankungen nicht zu Motor-Gleichlauf Schwankungen führen.

Die Erfindung sieht demgemäß zur Lösung der gestellten Aufgabe ein Verfahren sowie eine Vorrichtung wie in den unabhängigen Ansprüchen definiert vor. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß der vorliegenden Technik wird somit auf Basis der mechanischen Kennlinie, d.h. der Referenz des mechanischen Systems der Verstelleinrichtung, ein erwarteter zukünftiger Kraftwert ermittelt, und die PWM-Ansteuerung wird unter Benutzung dieses zukünftigen Kraftwerts sodann vorab so eingestellt, dass bei erwarteten mechanischen Schwankungen der Verstelleinrichtung durch die modifizierte PWM-Ansteuerung Motorgleichlauf-Schwankungen vermieden werden. Das kann mit Vorteil einfach dadurch bewerkstelligt werden, dass zu einem Zeitpunkt t eine erwartete zukünftige Kraft F (t+to) , in einem Zeitabstand t ₀ , berechnet und auf Basis der Beziehung U _Mo t= ki*F+k ₂ *ω, wobei U _Mo t die Motorspannung, ω die Motor-Winkelgeschwindigkeit sowie ki und k ₂ empirisch ermittelbare Systemkonstanten sind, eine unter Berücksichtigung der gewünschten Motor-Winkelgeschwindigkeit ω die mit Hilfe der PWM-Ansteuerung einzustellende Motorspannung U _Mo t ermittelt wird. Der Zeitabstand t ₀ entspricht dabei vorteilhafterweise der Totzeit des Regelsystems und beträgt insbesondere 1 bis 5 ms, wobei sich bei Tests Zeitabstände von ca. 2,5 ms als besonders vorteilhaft erwiesen haben. (Im einzelnen wird der Zeitabstand to selbstverständlich vom System abhängig sein) . Es kann dann die Versorgungsspannung, also insbesondere - im Fall von Kraftfahrzeugen - die Bordnetzspannung bzw. Batteriespannung, gemessen und abhängig vom Messwert dieser Versorgungsspannung sowie von der ermittelten einzustellenden Motorspannung das Taktverhältnis, das der PWM-Ansteuerung zugrunde gelegt wird, berechnet werden.

Um ein problemloses Starten zu ermöglichen, ist es auch vorteilhaft, wenn die PWM-Ansteuerung unter Benützung des zukünfigen Kraftwerts erst nach einem Sanftanlauf des Antriebsmotors aktiviert wird.

Eine weniger günstige, dem Stand der Technik entsprechende Alternative wäre es, die Ist-Geschwindigkeit des Motors - welche über die Hall-Sensoren verfügbar ist - zu messen und mit dieser Ist-Geschwindigkeit eine Regelung auf die gewünschte Soll-Geschwindigkeit durchzuführen. Dies hätte aber den Nachteil, dass das Einklemmen eines Objekts, welches ja zu einer Geschwindigkeitsreduktion führt, eine Erhöhung der Motorspannung verursachen würde. Das würde die Klemmkraft am Objekt noch zusätzlich erhöhen, was natürlich nachteilig ist. Die hier vorgeschlagene technische Lösung regelt jedoch in vorteilhafter Weise anstatt mit Hilfe der Ist-Geschwindigkeit mit einer vorher aufgezeichneten mechanischen Charakteristik. Dadurch führt ein eingeklemmtes Objekt nicht zu einer Erhöhung der Motorklemmspannung, wodurch die Klemmkraft am Objekt auch nicht - unnötig - erhöht wird.

Vorzugsweise wird daher die PWM-Motoransteuerung in Verbindung mit einem Einklemmschutzsystem von an sich bekannter

Konfiguration verwendet, wobei durch die vorliegende Technik der Vermeidung von Gleichlauf-Schwankungen zusätzliche Sicherheiten in der Funktion des Einklemmschutzsystems erzielt werden können. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 in einem Diagramm den Verlauf der Kraft F am Motor, der Versorgungsspannung U _ß at und der PWM-Funktion über der Zeit t (bzw. über der Position oder dem Verstellweg s) ; und

Fig 3 in einem Diagramm eine PWM-Funktion sowie eine

Geschwindigkeitskurve v über der Zeit t (bzw. über dem Verstellweg s) , zur Veranschaulichung eines Übergangs von einem Anfahrmodus in den PWM-Ansteuermodus nach der erfindungsgemäßen Technik.

In Fig. 1 ist schematisch in einem Blockschaltbild eine Vorrichtung 1 zur PWM-Ansteuerung eines elektrischen Motors 2 einer im Übrigen nicht weiter dargestellten Verstelleinrichtung dargestellt, wobei zentrale Rechnermittel 3 (CPU 3) als wesentlicher Bestandteil der Vorrichtung 1 vorgesehen sind, um eine PWM-Ansteuerung des Motors 2 über einen PWM-Schalter 4 auszuführen; dieser PWM-Schalter 4 ist in Fig. 1 nur schematisch dargestellt und wird in der Praxis in der Regel z.B. mit Hilfe eines Feldeffekttransistors (FET) realisiert. Der PWM-Schalter 4 legt entsprechend einem durch die Rechnermittel 3 vorgegebenen Tastverhältnis eine Versorgungsspannung U _B at _? die an Klemmen 5, 6 der Vorrichtung 1 liegt, an den Motor 2 an. Die tatsächlich am Motor 2 anliegende Spannung U _Mo t wird optional mit Hilfe von Messmitteln 7 gemessen, wobei die entsprechenden Messwerte den Rechnermitteln 3 zugeführt werden. Weiters ist im gezeigten

Beispiel ein Sensor 8 zur Messung der Drehbewegung, nämlich im Hinblick auf die Erfassung von Position, Geschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit und/oder Kraft des Motors 2 vorgesehen; dieser Sensor 8 kann zusätzlich oder anstatt der Messmittel 7 für die Bildung eines Regelsystems vorgesehen sein, und er kann beispielsweise ein Hallsensor sein. Das Ausgangssignal (Messsignal) des Sensors 8 wird ebenfalls den Rechnermitteln 3 zugeführt. Weiters sind die Rechnermittel 3 mit einem Speicher 9 verbunden, in dem Daten betreffend die mechanische Kennlinie der jeweiligen Verstelleinrichtung bzw. des mechanischen Systems dieser Verstelleinrichtung abgelegt sind. Eine mögliche Kennlinie F(t) ist in Fig. 2 beispielhaft mit der Kurve 10 veranschaulicht, wobei ersichtlich ist, dass sich die Kraft F(t) am Motor abhängig von der Zeit t bzw. von der Position etwa eines Schiebedachs (also vom Verstellweg s) ändert. Diese sich mit dem Verstellweg ändernde Kraft F ist somit der Vorrichtung 1 bekannt.

Aus Fig. 1 ist sodann noch ersichtlich, dass auch Messmittel 11 zur Messung der Versorgungsspannung U _Ba t vorhanden sind, wobei die Messwerte ebenfalls den Rechnermitteln 3 zugeführt werden. Die Rechnermittel 3 realisieren nun in an sich herkömmlicher Weise PWM-Ansteuermittel für den Motor 2, die konkret durch ein PWM-Modul 3A in Fig. 1 in Kombination mit dem PWM-Schalter 4 realisiert sind. In Verbindung damit steht ein durch ein Modul 3B in den Rechnermitteln 3 angedeutetes Einklemmschutzsystem, zu dem auch Schaltrelais 12, 13 gehören, um nach Reduktion der Motorgeschwindigkeit im Fall der Erkennung eines Einklemmens, wie an sich bekannt, auch den Motor 2 reversieren zu können.

Die Schaltrelais 12, 13 sind in Fig. 1 in einer ihrer Normal-Betriebsstellungen gezeigt, wobei sie beim Reversieren des Motors 2 beide die Schaltstellung wechseln. In der (nicht gezeigten) Ruhestellung nehmen beide Schaltrelais 12, 13 ihre gemäß Fig. 1 obere Stellung ein, d.h. sie liegen dann beide an der Klemme 5, wie in Fig. 1 beim Schaltrelais 12 mit gestrichelter Linie angedeutet ist. Der PWM-Schalter 4 ist in der Ruhestellung offen .

In Abwandlung der gezeigten Ausführungsform ist es auch z.B. denkbar, anstatt der Schaltrelais 12, 13 und des PWM-Schalters (FET) 4 eine Vollbrücke mit vier FETs vorzusehen, die von den Rechnermitteln 3 über die (dann kombinierten) Module 3A, 3B angesteuert werden, um einerseits die PWM-Ansteuerung und andererseits die Motor-Reversierung zu realisieren.

Es ergibt sich aus der Darstellung in Fig. 1, dass als vorgegebene Größen die Versorgungsspannung U _B at _? optional die Motorspannung U _Mot und die Motor-Drehzahl ω angesehen werden können, d.h. diese Größen werden gemessen, und es wird darauf reagiert. Diese Reaktion betrifft die PWM-Ansteuerung, wobei mit dem PWM-Modul 3A und dem PWM-Schalter 4 die Motorspannung U _Mo t eingestellt wird.

Im Einzelnen definieren physikalische Gegebenheiten den Zusammenhang zwischen der Spannung U _Mo t am Motor, der Kraft F am Motor und der Winkelgeschwindigkeit ω des Motors wie folgt:

Die statische Motorgleichung

U _Mot = k _ω - ω + R - I

führt zu

_j _ y Mot ^~ k _ω ^•

R

Darin bedeutet: I....Motorstrom (Ankerstrom) des Motors 2 k _ω ...Proportionalitätsfaktor (Motorkonstante) R....Ankerwiderstand.

Wenn eine weitere Motorkonstante k _m als Proportionalitätsfaktor vorgegeben wird, so ist das Drehmoment M des Motors über diese Konstante k _m proportional zum Ankerstrom I:

M = k _m -I = ^{U _Mot -k _ω -ω) K Mit dem Radius r der Seilwicklung des Motors und dem jeweils gegebenen Übersetzungsverhältnis ü ergibt sich die Kraft F am Seilzug und damit am Schiebedach etc. wie folgt:

r r-R

Es ergibt sich somit folgender Zusammenhang zwischen der Motorspannung U _M ot _? der Kraft F und der Winkelgeschwindigkeit

r-R

U _Mot = F + k,. = k _ι -F + k ₂ ü ^■ k

wobei in dieser Gleichung neben den erwähnten Größen nur bekannte Systemkonstanten ki, k ₂ vorkommen.

Mit Hilfe der mechanischen Kennlinie F(t), s. Fig. 2, wird nun die erwartete zukünftige Kraft F(t+t ₀ ) errechnet. Zusammen mit der gewünschten Drehzahl ω ergibt sich die einzustellende Motorspannung U _Mo t daher nach der obigen Gleichung. Der Zeitabstand t ₀ entspricht dabei vorteilhafterweise der Totzeit des Regelsystems.

Mit Hilfe der gemessenen Bordnetz-Spannung U _Ba t kann dann unmittelbar das Taktverhältnis x errechnet werden, mit dem die PWM-Steuerung eingestellt werden muss:

Aus obigem Zusammenhang folgt auch, dass die

Geschwindigkeitsregelung strenggenommen keine Regelung mehr ist, sondern dass die Geschwindigkeit v nur gestellt wird. Die Regelschleife wird erst durch die korrekte Berechnung der erwarteten zukünftigen Kraft

F(t+t ₀ ) geschlossen, in der auch die Berechnung der aktuellen Kraft einfließt, die wiederum auf der aktuellen Drehzahl basiert, da die abgelegten mechanischen Kennlinien nur Differenzkräfte beschreiben.

Aus dieser Tatsache folgt ein weiterer Vorteil des vorliegenden Konzepts: Im Fall eines Einklemmens wird die Drehzahl des Motor fallen, was bei unmittelbarer Regelung zu einer Erhöhung der Motorspannung U _Mo t führen würde. Dies ist jedoch im Einklemmfall höchst unerwünscht, da damit das Einklemmen noch verstärkt würde. Im vorgestellten Konzept wird dies vermieden, da für die Berechnung der zukünftig erwarteten Kraft F(t+t ₀ ) der potentiell aktuell vorliegende Einklemmvorgang nicht einfließt, da dieser in der Kennlinie nicht abgebildet ist.

Die vorliegende Vorrichtung, mit der spezifischen PWM-Ansteuerung, lässt sich somit in besonders vorteilhafter Weise mit an sich sonst herkömmlichen Einklemmschutzsystemen verbinden.

Zur beispielhaften Veranschaulichung sind in dem Diagramm von Fig. 2 zusätzlich zur Kraft-Kennlinie F(t) auch eine Kurve 14 für die Versorgungsspannung U _Ba t(t) sowie eine Kurve 15 für die

PWM-Funktion veranschaulicht . Weiters ist gezeigt, dass zu einem

Zeitpunkt t vorausschauend auf den Zeitpunkt t+t ₀ die Kraft F

(t+t ₀ ) ermittelt wird, und da zu diesem zukünftigen Zeitpunkt t+to die Kraft F doch deutlich verschieden von jener zum

Zeitpunkt t ist, folgt auch eine deutlich modifizierte PWM.

Der Zeitabstand t ₀ beträgt beispielsweise 1 bis 5ms, insbesondere ca. 2,5ms.

In Fig. 3 ist schematisch auch ein Beispiel für die Phase des Anfahrens der vorliegenden Steuerung gezeigt, wobei nach dem Starten bis zu einem Zeitpunkt ti in herkömmlicher Weise die Verstelleinrichtung betrieben wird, wobei sich herkömmliche Rampen 16 bzw. 17 für die Geschwindigkeitskurve v (bzw. die

Motorwinkelgeschwindigkeit ω) und für die PWM-Kurve ergeben. In dieser Phase läuft die PWM-Regelung, die sich aufgrund der vorliegenden Technik ergeben würde, und die in Fig. 3 in einem Kurvenabschnitt 18 gezeigt ist, „leer" mit. Ab dem Übernahme-Zeitpunkt ti wird die vorbeschriebene Technik für die PWM-Ansteuerung eingesetzt, wobei sich beispielsweise die resultierende PWM-Kurve 19 sowie die Geschwindigkeits-Kurve 20 ergeben. Die Geschwindigkeit v steht dabei in direktem

Zusammenhang mit der Motor-Winkelgeschwindigkeit ω bzw. der Motordrehzahl, was in Fig. 3 durch den zusätzlichen Hinweis auf „ω" angedeutet ist.

Wie erwähnt kann die vorliegende Technik mit besonderen Vorteilen beim Antrieb von Schiebedächern, bei Fensterhebern, aber auch bei Schiebetüren, elektrisch betriebenen Heckklappen usw. eingesetzt werden, wobei insbesondere Vorteile erzielt werden, wenn diese bekannten Einrichtungen auch mit einem Einklemmschutzsystem ausgestattet sind.

Die verschiedenen Systemkonstanten werden zweckmäßigerweise einfach empirisch bei der ersten Inbetriebnahme, im Zuge einer Initialisierung des Systems, bestimmt und dann - ebenso wie die mechanische Kennlinie - in Speichermitteln, etwa dem Speicher 9, abgelegt. Es kann aber z.B. auch von einer allgemeinen Kennlinie ausgegangen werden, an die sich das System sukzessive anpasst.