DE102007029709A1

DE102007029709A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Drehrichtungserkennung einer Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102007029709A1
Application number: DE102007029709A
Authority: DE
Inventors: Stefan Heimburger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2009-01-08
Also published as: WO2009000579A2; WO2009000579A3

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Drehrichtungserkennung einer Antriebseinheit, insbesondere eines Verstellantriebs im Kraftfahrzeug, mit einem Elektromotor (12), der mittels Schalter (20) in seiner Drehrichtung umgepolt werden kann, wobei zwischen den Schaltern (20) und den Anschlussklemmen (32, 34) des Elektromotors (12) mindestens ein elektrisches Spannungssignal (42) abgegriffen und einer Auswertedes Motorstroms (30) zu ermittelt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Drehrichtungserkennung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit der DE 198 111 51 A1 ist ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Antriebs bekannt geworden, der beispielsweise ein verstellbares Teil im Kraftfahrzeug elektrisch betätigt. Dabei wird ein Elektromotor mittels ansteuerbarer Schalter (beispielsweise Relais, Transistor, MOSFET) derart betrieben, dass die Drehrichtung des Elektromotors umschaltbar ist. Zur Erfassung der Drehzahlen und Drehrichtung werden bei solchen Antrieben gewöhnlich zwei Hall-Sensoren in Verbindung mit magnetischen Signalgeber verwendet, die zur Positionserkennung zwei inkrementale Hall-Signale liefern. Da hierbei für die Drehzahl und die Drehrichtung jeweils ein Hall-Sensor notwendig ist, ist eine solche Positionserfassung relativ teuer zu realisieren. Des weiteren wird eine Sensorleitung eingespart, was insbesondere bei separat angeordneten Steuergeräten einen Kostenfaktor ist.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung nach den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass die Drehrichtung der Antriebseinheit ohne zusätzlichen zweiten Hall-Sensor erkannt werden kann. Dabei wird 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.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen ausgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale möglich. 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 auch 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 Bauraum auf der Leiterplatte gespart und der relativ teure Shunt eingespart,.
Von Vorteil ist es, die Verstärkerschaltung der Auswerteeinheit direkt mit den Motoranschlussklemmen des Elektromotors zu verbinden, wodurch ein kostengünstigerer Operationsverstärker verwendet werden kann.
Für das Schalten des Elektromotors kann zweckmäßigerweise ein Doppelrelais mit zwei Wechslern verwendet werden, so dass beide Relais in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Die Relais werden dabei über die Bedienschalter der Antriebseinheit gesteuert.
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 Übergangswiderstände des Schalters unter Umständen gewissen Schwankungen unterworfen sind.
Zur Bestimmung der Drehrichtung des Elektromotors ist es ausreichend, wenn dem Ausgangssignal der Verstärkerschaltung als digitalisiertes Signal die drei Motorstromzustände –1, 0 und +1 zugeordnet werden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Ausgangsspannung der Verstärkerspannung in unterschiedliche Bereiche eingeteilt wird, denen der entsprechenden Stromzustand zugeordnet wird. Aufgrund der 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 Bereich 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.
Zusätzlich zu dem digitalisierten Stromzustandssignal kann ein inkrementales Sensorsignal, beispielsweise ein Hall-Sensorsignal aufgenommen werden, so dass eine Kombination dieser beiden Signale eine eindeutige Bestimmung der Drehzahl und Drehrichtung ermöglicht, um so die Position des zu verstellenden Teils zuverlässig zu bestimmen.
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
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehrichtungserkennung und
2 schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Stromzustandssignals.
Ausführungsform und Erfindung
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eines Elektromotors 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 angeordnet, 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 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 Obergangswiderstande 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 elektrisches 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 2 verstärkt. Dabei kann die Verstärkerschaltung 44 als Teil eines Mikrocontrollers 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 Auswerteeinheit 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 Transistoren oder MOSFETS oder auf andere Weise ausgebildet, wobei zur Ermittlung der Stromrichtung ebenfalls deren Übergangswiderstände (72) mittels der Verstärkerschaltung 44 erfasst werden.
In 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 T₀ der Elektromotor 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 5 V 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 Arbeitsbereich 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 Stromzustandssignal 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.
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 Relais 18 als Einzel- oder als Doppelrelais ausgeführt werden oder der Elektromotor 12 mit anderen Schaltern angesteuert werden, die einen entsprechenden Übergangswiderstand 72 aufweisen. Die Verstärkerschaltung 44 kann mit der Ansteuerelektronik 24 des Elektromotors 12 kombiniert sein oder als separates Bauteil vorzugsweise auf einer 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 Komfortantriebe im Kraftfahrzeug, wie beispielsweise Fensterheber, Schiebedach- oder Sitzverstellung. Das Verfahren zur Drehrichtungserkennung kann jedoch auch für Rotationsantriebe, wie Gebläse oder Pumpen verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19811151 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Drehrichtungserkennung einer Antriebseinheit, insbesondere eines Verstellantriebs im Kraftfahrzeug, mit einem Elektromotor (12), der mittels ansteuerbarer Schalter (20) in seiner Drehrichtung umgepolt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schaltern (20) und den Anschlussklemmen (32, 34) des Elektromotors (12) mindestens ein elektrisches Spannungssignal (42) abgegriffen und einer Auswerteeinheit (40) zugeführt wird, um die Stromrichtung des Motorstroms (30) zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40) eine Verstärkerschaltung (44) aufweist, die das mindestens eine Spannungssignal (42) derart verstärkt, dass als Ausgangssignal (48) auch bei abgeschaltetem Elektromotor (12) ein auswertbares Maß für den Stromfluss durch die Übergangswiderstände (72) der Schalterkontakte (74) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (44) an den beiden Anschlussklemmen (32, 34) des Elektromotors (12) angeschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (12) mit Relais (18) als Schalter (20) – insbesondere mittels eines Doppelrelais (18) mit zwei Wechslern – angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (44) als Teil eines Mikrocontrollers (46) ausgebildet ist, der insbesondere zur Positionserfassung des Verstellantriebs (64) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Drehrichtung des Elektromotors (12) das Ausgangssignal (48) nur qualitativ – insbesondere als digitalisiertes Signal – ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (44) derart dimensioniert ist, dass an dieser als Ausgangssignal (48) eine Ausgangsspannung (49) im Bereich zwischen 2 und 3 Volt anliegt, wenn der Motorstrom (30) gleich Null ist (Ruhezustand des Elektromotors (12)).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich des Ausgangssignals (48) in drei Bereiche unterteilt wird, wobei einem mittleren Bereich (80) oder einem Grenzwert ein Stromzustandssignal (50) gleich Null (0), einem oberer Bereich (82) ein positives Stromzustandssignal (50) (+1) und einem unteren Bereich (84) ein negatives Stromzustandssignal (50) (–1) zugeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkerschaltung (44) in einer Sättigung verharrt, wenn der Motorstrom (30) – insbesondere im normalen Betätigungszustand des Elektromotors (12) – einen vorgebbaren absoluten Stromwert, von beispielsweise circa +/- 0,5 A, überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinheit (40) ein inkrementales Sensorsignal (56) zugeführt wird, das die Drehzahl des Elektromotors (12) repräsentiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das inkrementale Sensorsignal (56) mittels eines magnetischen Signalgebers (52) erzeugt wird, der mit einem magnetischen Signalaufnehmer (54) – insbesondere einem Hall-Sensor (55) – zusammenwirkt.
Vorrichtung zum Betreiben eines Elektromotors (12), der mittels Schalter (20) – die beispielsweise als Relais (18) ausgebildet sind – in seiner Drehrichtung um kehrbar ist, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Anschlussklemmen (32, 34) eine Verstärkerschaltung (44) angeordnet ist, der mindestens ein Spannungssignal (42) zugeführt wird, das, ein Maß für den Strom durch die Übergangswiderstände (72) der Schalterkontakte (74) darstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Elektromotor (12) genau ein magnetischer Signalaufnehmer (54) – insbesondere Hallsensor (55) – angeordnet ist, der genau ein inkrementales Sensorsignal (56) der Drehbewegung zur Verfügung stellt.
Verstellantrieb, insbesondere im Kraftfahrzeug, nach einer der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40) Teil einer Einklemmschutzfunktion (60) ist, die ein zu verstellendes Teil (62) stoppt und/oder reversiert, wenn mittels einer Positionserfassung des Teils (62) erkannt wird, dass sich ein Hindernis (66) im Verstellweg (68) befindet.
Verstellantrieb, nach einer der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (40) in einem separaten Steuergerät, räumlich getrennt vom Elektromotor (12) des Verstellantriebs (68) angeordnet ist.