DE102013106818A1

DE102013106818A1 - Verfahren zur Berechnung des Drehwinkels einer Welle, Verwendung eines Verfahrens und Scheibenwischermotor

Info

Publication number: DE102013106818A1
Application number: DE102013106818.9A
Authority: DE
Inventors: Rainer Siedler
Original assignee: Valeo Systemes dEssuyage SAS
Current assignee: Valeo Systemes dEssuyage SAS
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-12-31
Also published as: WO2014206904A1; EP3014221A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung des Drehwinkels (α) einer Welle (1), insbesondere der Welle (1) eines Scheibenwischermotors (10), mit einer Sensoreinrichtung (15), die ein Sensorelement (16) zur Erfassung der Winkelposition der Welle (1) aufweist, wobei die Sensoreinrichtung (15) den Drehwinkel (α) anhand des von dem Sensorelement (16) erfassten Messwerts α(mess) berechnet, wobei der berechnete Drehwinkel (α) einer Steuereinrichtung (25) zumindest mittelbar als Eingangswert zugeführt wird, und wobei die Sensoreinrichtung (15) eine Auswerteeinrichtung (20) mit einem Algorithmus (22) zur Berechnung des Drehwinkels (α) der Welle (1) auf Grundlage des Messwerts α(mess) des Sensorelements (16) umfasst.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung des Drehwinkels einer Welle, insbesondere der Welle eines Scheibenwischermotors, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einen Scheibenwischermotor, der dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Praxis bereits bei Scheibenwischermotoren bekannt und dient insbesondere dazu, den Scheibenwischermotor bedarfsgerecht zu stoppen, damit dieser die gewünschten Umkehrpunkte bei der Hin- und Herbewegung der von dem Scheibenwischermotor bewegten Wischblätter möglichst genau erreicht. Darüber hinaus ist die genaue Kenntnis des (absoluten) Drehwinkels der Welle bei einem Scheibenwischermotor beispielsweise erforderlich, um bei Wischblättern, an deren Längsseite Sprühöffnungen zum Aufbringen einer Waschflüssigkeit auf die Fahrzeugscheibe vorhanden sind, die Sprühöffnungen durch eine entsprechende Ansteuerung beispielsweise einer Waschflüssigkeitspumpe für die Sprühöffnungen anzusteuern. Die aus dem Stand der Technik bekannten Sensoreinrichtungen zur Erfassung des Drehwinkels einer Welle sind insbesondere als berührungslos messende Sensoreinrichtungen unter Verwendung von Hallsensoren als Sensorelemente ausgebildet. Die ortsfest im Bereich der Welle angeordneten Hallsensoren reagieren auf die Änderung eines Magnetfeldes durch an der Welle angeordnete und mit dieser sich drehende Permanentmagnetelemente. Die Signale des Sensorelements werden in einer Auswerteeinrichtung der Sensoreinrichtung mittels eines Algorithmus verarbeitet und anschließend beispielsweise einem Prozessor der Steuereinrichtung des Scheibenwischermotors, z.B. über eine serielle Schnittstelle, eine Pulsweitenmodulation oder eine Analogspannung als Eingangswert zugeführt. Zwischen der Erfassung des Drehwinkels durch das Sensorelement und der Weiterleitung eines aufbereiteten Werts an die Steuereinrichtung ergeben sich Zeitzögerungen, sodass der von der Auswerteeinrichtung errechnete Wert nicht mit dem tatsächlichen Wert übereinstimmt, der zum Zeitpunkt der Erfassung durch das Sensorelement vorhanden ist. Ungeachtet, auf welchem Weg eine Datenübertragung entsteht, kommt es somit zur Verzögerung zwischen der Erfassung der Winkelposition einer Welle und der Bereitstellung des von der Auswerteeinrichtung berechneten Werts für den Drehwinkel der Welle. Diese Abweichung zwischen dem berechneten und dem erfassten Wert ist umso größer, je größer die Winkelgeschwindigkeit der Welle ist.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Berechnung des Drehwinkels einer Welle, insbesondere der Welle eines Scheibenwischermotors, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass der oben erläuterte Zeitverzug zwischen der Erfassung des Winkelwerts durch das Sensorelement und der Weiterleitung des Ergebnisses für den Drehwinkel an die Steuereinrichtung durch die Auswerteeinrichtung kompensiert wird. Damit soll erreicht werden, dass der von der Auswerteeinrichtung ermittelte Wert für den Drehwinkel der Welle stets dem tatsächlichen Drehwinkel zum Zeitpunkt der Erfassung durch das Sensorelement entspricht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren zur Berechnung des Drehwinkels einer Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Algorithmus einen Korrekturwert enthält, der eine Drehwinkelabweichung, verursacht durch den zeitlichen Verzug zwischen der Erfassung des Drehwinkels durch das Sensorelement und der Weiterleitung des von der Auswerteeinrichtung berechneten Werts für den Drehwinkel an die Steuereinrichtung berücksichtigt.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
In konkreter Ausgestaltung zur Berechnung des Drehwinkels wird vorgeschlagen, dass der Korrekturwert sich aus dem Produkt einer maximal auftretenden Drehwinkelabweichung, multipliziert mit dem Quotienten aus der Winkelgeschwindigkeit der Welle zum Zeitpunkt der Erfassung der Winkelposition durch das Sensorelement und der maximalen Winkelgeschwindigkeit der Welle berechnet. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass der Algorithmus unter Berücksichtigung der Winkelgeschwindigkeit der Welle einen Korrekturwert derart modifiziert, dass unabhängig von der Drehgeschwindigkeit der Welle von der Auswerteeinrichtung stets ein Messwert erzeugt bzw. ausgegeben wird, der der tatsächlichen Position der Welle zum Messzeitpunkt entspricht. Dabei wird sich die Erkenntnis zunutze gemacht, dass die Drehwinkelabweichung zumindest näherungsweise proportional zur Drehgeschwindigkeit der Welle ist. Ist die Verzögerung im Rahmen der Datenübertragung in erster Annäherung konstant, so lässt sich die zeitliche Verzögerung durch den entsprechenden Korrekturwert kompensieren.
Zur Bereitstellung der Korrekturwerte ist es erforderlich, insbesondere die maximal auftretende Drehwinkelabweichung zu kennen bzw. diesen in der Auswerteeinrichtung abzuspeichern. Hierzu ist es vorgesehen, dass die maximal auftretende Drehwinkelabweichung anhand von Versuchen ermittelt wird, und dass bei den Versuchen der Drehwinkel der Welle mittels der Sensoreinrichtung und zusätzlich mittels einer weiteren Einrichtung erfasst wird, wobei die weitere Einrichtung dazu ausgebildet ist, den tatsächlichen Drehwinkel der Welle zum Zeitpunkt der Erfassung des Drehwinkels durch das Sensorelement der Sensoreinrichtung zu erfassen.
Zur Kompensation ggf. unterschiedlicher maximaler Drehwinkelabweichungen bei unterschiedlichen Drehrichtungen der Welle kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass bei den Versuchen die Welle in beide Drehrichtungen bewegt wird, und dass die Drehwinkelabweichungen für beide Drehrichtungen berücksichtigt werden.
Bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Bestimmung des Drehwinkels einer Welle in einem Scheibenwischermotor vorgesehen.
Zuletzt umfasst die Erfindung auch einen Scheibenwischermotor, der eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung des Drehwinkels einer Welle aufweist, wobei die Auswerteeinrichtung einen Algorithmus umfasst, der dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt in:
1 einen Scheibenwischermotor in stark vereinfachter Darstellung und
2 ein Diagramm zur Darstellung eines auftretenden Winkelfehlers beim Drehen einer Welle des Scheibenwischermotors gemäß 1.
In der 1 ist in stark vereinfachter Darstellung ein Scheibenwischermotor 10 mit einer vorzugsweise eine Antriebswelle ausbildenden Welle 1 dargestellt. Bei der Welle 1 handelt es sich insbesondere, jedoch nicht einschränkend, um die Ankerwelle des als Elektromotors ausgebildeten Antriebsmotors des Scheibenwischermotors 10. Je nach Bestromung des Scheibenwischermotors 10 dreht sich die Welle 1 entsprechend des Doppelpfeils 11 in unterschiedliche Richtungen. Der Scheibenwischermotor 10 bzw. die Welle 1 dient der Betätigung von nicht dargestellten Scheibenwischern zur Reinigung einer Fahrzeugscheibe eines Kraftfahrzeugs.
Zur bedarfsgerechten Ansteuerung bzw. Betätigung des Scheibenwischermotors 10 ist es erforderlich, die Winkelstellung der Welle 1, insbesondere deren absoluten Drehwinkel α in Bezug zu einer Referenzstellung der Welle 1 zu kennen. Hierzu umfasst der Scheibenwischermotor 10 eine Sensoreinrichtung 15, die als berührungslos messende Sensoreinrichtung 15 wenigstens ein Hallsensorelement 16 umfasst, das dazu ausgebildet ist, die Vorbeibewegung von am Umfang der Welle 1 angeordneten Permanentmagnetelementen 17 zu erfassen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind vier, um jeweils 90° zueinander versetzt angeordnete Permanentmagnetelemente 17 an der Welle 1 vorgesehen. Das bedeutet, dass bei einer Drehung der Welle 1 in eine Richtung des Doppelpfeils 11 mittels des Hallsensorelements 16 ein Drehwinkel α der Welle 1 von 90°, 180°, 270°, 360° usw. erfasst werden kann. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, zum Zwecke einer höheren bzw. genaueren Erkennung des Drehwinkels der Welle 1, insbesondere auch zur Erfassung der Drehrichtung der Welle 1, mehr als ein Hallsensorelement 16 bzw. eine andere Anzahl von Permanentmagnetelementen 17 vorzusehen, wie dies aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist.
Die von dem Hallsensorelement 16 erfasste Änderung des Magnetfelds beim Vorbeibewegen des Permanentmagnetelements 17 erzeugt beispielsweise ein Spannungssignal, das beispielhaft über eine Leitung 18 einer Auswerteeinrichtung 20 zugeführt wird. Die Auswerteeinrichtung 20 ist im Regelfall ein Bestandteil der Sensoreinrichtung 15. Die Auswerteeinrichtung 20 berechnet den Drehwinkel α der Welle 1 und leitet diesen beispielsweise zu einem Prozessor 21 der Steuereinrichtung 25 des Scheibenwischermotors 10 weiter. Die Übertragung des Messwerts erfolgt z.B. über eine serielle Schnittstelle 19, in Form einer Pulsweitenmodulation oder in Form einer Analogspannung.
Zwischen dem Zeitpunkt der Erfassung eines Permanentmagnetelements 17 durch das Hallsensorelement 16 und der Übermittlung eines durch die Auswerteeinrichtung 20 berechneten Messwerts für den Drehwinkel α der Welle 1 an der Prozessor 21 der Steuereinrichtung 25 ist ein physikalisch bedingter Zeitverzug ∆t vorhanden. Dieser Zeitverzug ∆t entspricht einer Drehwinkelabweichung ∆α, um den die Welle 1 zum Zeitpunkt der Übermittlung des Messwerts für den Drehwinkel α an den Prozessor 21 gegenüber dem Zeitpunkt bei der Erfassung des Drehwinkels α durch das Permanentmagnetelement 17 weitergedreht ist. Unter der Annahme, dass der Zeitverzug ∆t einen konstanten Wert einnimmt, ist die Drehwinkelabweichung ∆α proportional zur Drehwinkelgeschwindigkeit ш der Welle 1.
Zur Kompensation der Drehwinkelabweichung ∆α weist die Auswerteeinrichtung 20 einen Algorithmus 22 auf, der eine Berücksichtigung der augenblicklichen Drehwinkelgeschwindigkeit ш der Welle 1 umfasst. Die Drehwinkelgeschwindigkeit ш der Welle 1 lässt sich zum Beispiel ebenfalls mittels der Sensoreinrichtung 15 aus dem zeitlichen Abstand zweier durch die Permanentmagnetelemente 17 hervorgerufener, aufeinanderfolgender Signale am Hallsensorelement 16 ermitteln.
In vorab durchgeführten (Labor-)Versuchen wird eine maximal mögliche Drehwinkelabweichung ∆α bei der maximal möglichen Drehwinkelgeschwindigkeit ш der Welle 1 mittels der Sensoreinrichtung 15 und mittels einer zusätzlichen Einrichtung, die den (tatsächlichen) Drehwinkel α zum Messzeitpunkt durch das Hallsensorelement 16 erfasst, ermittelt. Hierzu wird nachfolgend auf die 2 verwiesen: 2 zeigt – jeweils über der Zeit t – den Drehwinkel α der Welle 1 für unterschiedliche Drehrichtungen der Welle 1, was durch die Kurve A dargestellt ist. Die Kurve B stellt die Drehwinkelabweichung ∆α während der Drehung der Welle 1 dar. Man erkennt, dass die maximale Drehwinkelabweichung ∆α, in Abhängigkeit von der Drehrichtung der Welle 1, beispielsweise einen Wert von –3° bzw. +3° erreicht. In dem mittleren Abschnitt der Kurve A, während die Welle 1 stillsteht, kann auch keine Drehwinkelabweichung ∆α vorhanden sein, so dass die Drehwinkelabweichung ∆α Null beträgt.
Der Algorithmus 22 der Auswerteeinrichtung 20 berechnet nun einen Messwert bzw. einen Drehwinkel α der Welle 1, der an den Prozessor 21 als Eingangswert zugeführt wird, nach der Formel α = α(mess) + k, wobei
α(mess) den Messwert des Drehwinkels α zum Zeitpunkt der Erfassung eines Permanentmagnetelements 17 durch das Hallsensorelement 16 bezeichnet, und k einen Korrekturwert bedeutet.
Der Korrekturwert k wird in Abhängigkeit der tatsächlich vorhandenen Drehwinkelgeschwindigkeit ш der Welle 1 zum Messzeitpunkt ermittelt durch die Formel k = ∆α(max) × ш/ш(max), wobei
∆α(max) die maximale Drehwinkelabweichung des Drehwinkels α bei maximaler Drehwinkelgeschwindigkeit ш der Welle 1 bedeutet, wie dieser wie zuvor anhand der 2 erläutert, bestimmt wurde. Der Quotient ш/ш(max) drückt das Verhältnis zwischen der augenblicklichen Drehwinkelgeschwindigkeit ш der Welle 1 und der maximalen Drehwinkelgeschwindigkeit ш der Welle 1 aus.
Bei dem in der 2 dargestellten Beispiel beträgt die maximale Drehwinkelabweichung ∆α(max) des Drehwinkels α drei Grad. Ergänzend wird erwähnt, dass die maximale Drehwinkelabweichung ∆α(max) normalerweise drehrichtungsunabhängig ist. Sollte dies ausnahmsweise nicht der Fall sein, so muss auch die Drehrichtung der Welle 1 berücksichtigt werden.
Das soweit beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zur Berechnung der Winkelposition der Welle 1 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in der Verwendung eines Korrekturwerts k, der den zeitlichen Verzug zwischen der Erfassung eines Messsignals durch eine Sensoreinrichtung 15 und der Übermittlung eines entsprechenden Messsignals für den Drehwinkel α an eine nachgeordnete Einheit, beispielsweise einen Prozessor 21, berücksichtigt. So ist es insbesondere auch denkbar und soll als durch die Erfindung umfasst angesehen werden, wenn anstelle eines Korrekturwert k ein Korrekturwert k_mod ermittelt wird, der ein anderes mathematisches Berechnungsverfahren für den Drehwinkel α der Welle 1 ermöglicht, indem beispielsweise der Messwert α (mess) des Drehwinkels α mit einem Korrekturwert k_mod multipliziert wird und nicht addiert, wie oben beschrieben.
Bezugszeichenliste

1: Welle
10: Scheibenwischermotor
11: Doppelpfeil
15: Drehwinkelbestimmungseinrichtung
16: Hallsensorelement
17: Permanentmagnetelement
18: Leitung
19: Schnittstelle
20: Auswerteeinrichtung
21: Prozessor
22: Algorithmus
25: Steuereinrichtung
α: Drehwinkel
∆α: Drehwinkelabweichung
ш: Drehwinkelgeschwindigkeit
∆t: Zeitverzug
A: Kurve
B: Kurve
k: Korrekturwert
k_mod: Korrekturwert

Claims

Verfahren zur Berechnung eines Drehwinkels (α) einer Welle (1), insbesondere der Welle (1) eines Scheibenwischermotors (10), mit einer Drehwinkelbestimmungseinrichtung (15), die ein Sensorelement (16) zur Erfassung des Drehwinkels (α) der Welle (1) aufweist, wobei die Drehwinkelbestimmungseinrichtung (15) den Drehwinkel (α) anhand des von dem Sensorelement (16) erfassten Messwerts α(mess) für den Drehwinkel (α) berechnet, wobei der berechnete Drehwinkel (α) einer Steuereinrichtung (25) zumindest mittelbar zugeführt wird, und wobei die Drehwinkelbestimmungseinrichtung (15) eine Auswerteeinrichtung (20) mit einem Algorithmus (22) zur Berechnung des Drehwinkels (α) der Welle (1) auf Grundlage des Messwerts α(mess) des Drehwinkels (α) des Sensorelements (16) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Algorithmus (22) einen Korrekturwert (k, k_mod) enthält, der eine Drehwinkelabweichung (∆α), verursacht durch einen zeitlichen Verzug zwischen der Erfassung des Drehwinkels (α) durch das Sensorelement (16) und der Weiterleitung des von der Auswerteeinrichtung (20) der Drehwinkelbestimmungseinrichtung (15) berechneten Werts des Drehwinkels (α) an die Steuereinrichtung (25) berücksichtigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Drehwinkel (α) durch den Algorithmus (22) durch die Formel Drehwinkel (α) = α(mess) + k berechnet, wobei α(mess) den von dem Sensorelement (16) erfassten Drehwinkel (α) und k den Korrekturwert (k) bedeuten.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturwert (k) sich aus dem Produkt einer maximal auftretenden Drehwinkelabweichung (∆α(max)), multipliziert mit dem Quotienten aus der Winkelgeschwindigkeit (ш) der Welle (1) zum Zeitpunkt der Erfassung des Drehwinkels (α) durch das Sensorelement (16) und der maximalen Winkelgeschwindigkeit (ш(max)) der Welle (1) berechnet.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal auftretende Drehwinkelabweichung (∆α(max)) anhand von Versuchen ermittelt wird, und dass bei den Versuchen der Drehwinkel (α) der Welle (1) mittels der Sensoreinrichtung (15) und zusätzlich mittels einer weiteren Einrichtung erfasst wird, wobei die weitere Einrichtung dazu ausgebildet ist, den tatsächlichen Drehwinkel (α) der Welle (1) zum Zeitpunkt der Erfassung des Drehwinkels (α) durch das Sensorelement (16) zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Versuchen die Welle (1) in beide Drehrichtungen bewegt wird, und dass die auftretenden Drehwinkelabweichungen (∆α(max)) für beide Drehrichtungen berücksichtigt werden.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Bestimmung des Drehwinkels (α) der Welle (1) in einem Scheibenwischermotor (10).
Scheibenwischermotor (10), mit einer Welle (1) und einer Drehwinkelbestimmungseinrichtung (15) zur Bestimmung eines Drehwinkels (α) der Welle (1), wobei die Drehwinkelbestimmungseinrichtung (15) ein Sensorelement (16) zur Erfassung des Drehwinkels (α) der Welle (1) aufweist, und wobei die Drehwinkelbestimmungseinrichtung (15) zusätzlich Berechnungsmittel mit einem Algorithmus (22) zur Berechnung des Drehwinkels (α) der Welle (1) auf Grundlage eines erfassten Messwerts α(mess) für den Drehwinkel (α) umfasst, und wobei die Berechnungsmittel ausgebildet sind, auf den erfassten Drehwinkel (α) der Welle (1) einen Korrekturwert (k) anzuwenden.