WO2002029951A1 - Vorrichtung und verfahren zur detektion einer einklemmsituation bei bewegten flächen am kraftfahrzeug - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur detektion einer einklemmsituation bei bewegten flächen am kraftfahrzeug Download PDF

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Definitions

  • the electric drives are therefore equipped with an anti-trap device. Tightening legal regulations state that the drive must be reversed before a preselectable maximum force occurs when pinching in order to release the pinched body again.
  • DC motors are usually used to move the windows or sunroofs on worm gear.
  • the rotational speed is determined as the time which elapses between two changes in the signal of a sensor working as a Hall element.
  • the direction of rotation of the drive motor and the drive shaft results from the sequence of the edges of the pulses of the further sensor element.
  • the increased scanning can also lead to numerical problems, which are due to the number representation of finite word length in electronic computers.
  • gearwheels Another option for generating and scanning signals would be the use of gearwheels, but the space available is generally not sufficient for their installation.
  • analog sensors which is followed by a simple signal evaluation by means of two differentiations with direct decision-making via a comparison operation.
  • analog sensors that take up little installation space, such as analog magnetic resistors, means that digitally operating Hall sensors, which have only a limited resolution, can be dispensed with.
  • Analog sensors such as magnetic resistors, for example, have better temperature stability and also deliver a larger output signal.
  • the higher sensitivity results in an achievable accuracy which has a resolution of the angular positions of a drive element - be it a drive motor or a drive shaft - of ⁇ ⁇ 1 °. Such a resolution is to be regarded as completely sufficient for the detection of a pinching situation.
  • the motor angle or the drive shaft angle ⁇ can be measured extremely inexpensively, from whose two differentiations the rotational acceleration can be determined. This avoids a considerably more complex and expensive direct measurement of the rotational speed or the rotational acceleration of the drive shaft and drive motor.
  • the adapted comparison value is preferably determined taking into account the input signal ⁇ , the motor temperature ⁇ -, the window or roof position x and the applied voltage U A. The comparison value thus bears both the operating parameters on the drive motor as well as environmental influences such as the outside temperature.
  • the input signal ⁇ is recorded by means of analog sensors before the input signal ⁇ is present in digital form after an analog / digital conversion and is subjected to signal processing in which the input signal ⁇ undergoes two differentiations.
  • the rotational acceleration obtained in this way is compared with an adapted comparison value. If the rotational acceleration obtained is less than the comparison value, there is a pinching situation, so that the respective drive motor is reversed and the pinching situation is eliminated.
  • Fig. 1 the drive and control components for moving Fenst ER 'and roof surfaces of a motor vehicle
  • Fig. 3 shows a signal processing for determining the rotational acceleration from a
  • Fig. 4 is a quantized angle measurement
  • Fig. 5 shows a digital signal processing using quantized angle measurement.
  • FIG. 1 shows the drive and control components that are used for moving window surfaces and sunroofs in motor vehicles.
  • a drive motor 1 is connected via a drive shaft 3 to a gear 2, which can be designed, for example, as a self-locking worm gear.
  • the transmission 2 transmits the rotary movement of the drive motor 1 to the respective window pane or the respective sunroof, which then moves in a translatory manner.
  • the signals detected by the sensors 5, 6 are fed to a signal processing system which consists of an evaluation unit 7 and electronics 8 connected downstream thereof.
  • the sensor element 5 serves to determine the rotational speed, while the direction of rotation of the drive components, such as drive shaft 3 and drive motor 1, can be detected by means of the further sensor element 6.
  • a signal processing according to the Invention is shown, in which the rotational acceleration from an input signal 13, the angle of rotation ⁇ is determined. Since neither the rotational acceleration nor the rotational speed of drive components such as drive shaft 3 and drive motor 1 can be directly measured inexpensively, the angle of rotation ⁇ is measured according to the invention.
  • the input signal 13 rotation angle ⁇ is compared after two differentiations 18, 19 as rotational acceleration 24 in a comparison unit with an adapted threshold value 23.
  • the formation of this threshold value 23 takes into account the input signal 13, namely the rotation angle ⁇ , the engine temperature ⁇ and the applied one Voltage U A , designated by reference reference numeral 21.
  • the adapted comparison value 23, formed taking into account the variables mentioned above, is regarded as a fixed comparison value 23 with an ideally accurate angle measurement and ideally continuous signal processing as sufficiently precise.
  • FIG. 4 shows the typical profile of the applied voltage 21 U A , plotted against the angle of rotation ⁇ of the drive motor 1, for an analog magnetic resistance, which according to the invention can be directly assigned to the drive shaft under the drive motor 1 as sensor element 5, 6.
  • the quantized angle measurement that can be implemented with such analog sensors 5, 6 permits a resolution of less than 1 °, that is, ⁇ ⁇ 1 °.
  • the magnetic resistors used as sensor elements 5, 6 have, in addition to a resolution of less than 1 °, better temperature stability and a greater resolution. Furthermore, a better resolution is given by a lower dependence on the air gap between sensors 5, 6 and the magnet 4 on the respective drive component 1 or 3.
  • the resolution of ⁇ ⁇ 1 ° which can be achieved by means of the magnetic resistance used as sensor elements 5, 6 is sufficient for reliable detection of a pinching situation, provided that the angle signal 13, namely ⁇ , has a suitable band limitation due to a low-pass filter.
  • the accuracy that can be determined by a sensor 5, 6 by output signal ⁇ d there is a linear relationship between the accuracy that can be determined by a sensor 5, 6 by output signal ⁇ d , taking into account the quantization ⁇ d of an A / D converter 14, which is supplied with the analog input signal 13 ⁇ and the sampling time 17 which can be set on the sample / hold element 15.
  • the bandwidth decreases, which in turn increases the available sampling time.
  • the relationship between the resolution at the sensor 5, 6 and the sampling time 17 can best be illustrated using the following comparison:
  • the input signal 13, namely the angle of rotation ⁇ is quantized from analog to digital in an A / D converter 14,... From which the digital signal 16 is sent to a first differentiation stage 18 and can also be supplied to a comparison unit 23, which determines an adapted comparison value 23 with which the rotational acceleration 24 resulting from repeated differentiation 19 is compared.
  • the comparison unit 23 the temperature ⁇ . as well as the applied motor voltage U A , which permit a determination of a respectively adapted comparison value 23 with which the digital signal 24 resulting from the two differentiations 18, 19 representing the rotational acceleration ' can be compared.

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Window Of Vehicle (AREA)
  • Power-Operated Mechanisms For Wings (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion einer Einklemmsituation an mittels Antrieben (1) bewegbaren Flächen an Fahrzeugen, wobei Antriebselemente (1, 3) Sensorelemente (5, 6) zugeordnet sind, die Drehzahl und Drehrichtung der Antriebselemente (1, 3) erfassen und Signale an eine Auswerteeinheit (7, 8) übermitteln. Die Sensorelemente (5, 6) sind als analoge Sensoren ausgeführt, deren Winkelsignale (13) nach zweimaliger Differenziation (18, 19) mit einem adaptierten Vergleichswert (23) verglichen werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Detektion einer Einklemmsituation bei bewegten Flächen am Kraftfahrzeug
Technisches Gebiet:
Beim Schließen von Fenstern oder Schiebedächern in Kraftfahrzeugen kann es zum versehentlichen Einklemmen kommen. Daher sind die elektrischen Antriebe mit einem Einklemmschutz ausgestattet. Sich verschärfende gesetzliche Vorschriften besagen, daß vor Erreichen einer beim Einklemmen auftretenden vorgebbaren Höchstkraft ein Reversieren des Antriebes zu erfolgen hat, um den eingeklemmten Körper wieder freizugeben.
Stand der Technik:
Bei heute typischerweise eingesetzten Antrieben für Fensterscheiben und ' Schiebedächern an Kraftfahrzeugen werden meist Gleichstrommotoren eingesetzt, die über Schneckengetriebe die Fensterscheiben bzw. die Schiebedächer bewegen. Auf der Antriebswelle zwischen Antriebsmotor und Getriebe - beispielsweise ausgeführt als ein selbsthemmendes Schneckengetriebe - befindet sich ein zweipoliger Ringmagnet, ferner wird mittels eines - digital arbeitenden Hallelementes die Drehzahl des Antriebsmotors ermittelt und mittels eines weiteren digital arbeitenden Hallelementes dessen Drehrichtung. Zur Bestimmung der Drehzahl wird in der Regel die Zeit ermittelt, die zwischen zwei Flahkenwechseln eines Signales eines als Hallelement arbeitenden Sensors vergeht. Aus der Abfolge der Flanken der Impulse des weiteren Sensorelementes ergibt sich die Drehrichtung des Antriebsmotors und der Antriebswelle. Mit dieser Anordnung wird ein Einklemmen üblicherweise durch den Vergleich mit einem typischen Verlauf eines Drehzahleinbruches Δn detektiert, woraufhin ein Reversieren des Antriebsmotors erfolgt.
Eine Steigerung der gesetzlichen Anforderungen an einen Einklemmschutz gemäß der vorstehend aus dem Stande der Technik bekannten Antriebs- und
Auswerteanordnung hat den Nachteil zur Folge, daß zur Detektion einer
Einklemmsituation und zum Einleiten eines Reversiervorganges am
Antriebsmotor bei steifster Testfederauslegung und typischer Auslegung des
Fensterhebers lediglich eine halbe bis eine ganze Antriebsmotorumdrehung zur Verfügung steht. Eine Verwendung höherpoliger Ringmagnete würde zwar die
Auflösung steigern, ginge jedoch mit dem Nachteil einher, daß der notwendige
Rechenaufwand etwa linear mit der Anzahl der Pole des Ringmagneten ansteigt, was sich direkt auf den bereitzustellenden Aufwand und die Kosten auswirkt und den Vorteil der höheren Auflösungsmöglichkeiten wieder aufwiegt.
Durch die gesteigerte Abtastung kann es darüber hinaus zu numerischen Problemen kommen, die ihre Ursache in der Zahlendarstellung endlicher Wortlänge in elektronischen Rechnern haben.
Eine andere Möglichkeit, Signale zu erzeugen und abzutasten, böte die Verwendung von Zahnrädern, doch reicht der zur Verfügung stehende Bauraum in der Regel für deren Einbau nicht aus.
Darstellung der Erfindung:
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erfolgt eine hoch auflösende Positionserfassung von Antriebselementen mittels analog arbeitender Sensoren, an die sich eine einfache Signalauswertung durch zweimalige Differenzierung mit direkter Entscheidungsfindung über eine Vergleichsoperation anschließt. Der Einsatz von nur wenig Bauraum beanspruchenden analogen Sensoren wie beispielsweise analogen magnetischen Widerständen, erlaubt den Verzicht auf digital arbeitende Hallsensoren, die nur ein beschränktes Auflösungsvermögen aufweisen. So weisen analog arbeitende Sensoren wie beispielsweise magnetische Widerstände, eine bessere Temperaturstabilität auf, sie liefern ferner ein größeres Ausgangssignal. Durch die bei magnetischen Widerständen geringere Abhängigkeit des erzeugbaren Signales vom Luftspalt zwischen Sensor und Ringmagnet folgt aus der höheren Empfindlichkeit eine erzielbare Genauigkeit, die ein Auflösungsvermögen der W-inkelpositionen eines Antriebselementes - sei es ein Antriebsmotor oder eine Antriebswelle - von Δφ < 1°. Für die Detektion einer Einklemmsituation ist ein solches Auflösungsvermögen als völlig ausreichend anzusehen.
Mittels analoger Sensoren wie beispielsweise der magnetischen Widerstände, die mit geringpoligen Ringmagneten zusammenarbeiten., läßt sich extrem preisgünstig der Motorwinkel oder der Antriebswellenwinkel φ messen, aus dessen zweimaliger Differenziation die Drehbeschleunigung ermittelt werden kann. So wird eine erheblich aufwendigere und teurere direkte Messung der Drehgeschwindigkeit oder der Drehbeschleunigung von Antriebswelle und Antriebsmotor vermieden.
Die mittels einer gestuft ablaufenden Differenziation erzielten Ergebnisse, die die aus dem Eingangssignal φ ermittelten Drehbesclileunigungswerte liefern, erlaubt ein Vergleich der erhaltenen Drehbeschleunigungswerte mit einem adaptierten Vergleichswert im Rahmen einer sich an die kontinuierliche Signalaufbereitung anschließenden Vergleichsoperation. Der adaptierte Vergleichswert wird bevorzugt unter Berücksichtigung des Eingangssignales φ, der Motortemperatur θ-, der Fenster oder Dachposition x sowie der anliegenden Spannung UA bestimmt. Damit trägt der Vergleichswert sowohl den Betriebsparametern am Antriebsmotor als auch Umgebungseinflüssen wie beispielsweise der Außentemperatur, Rechnung.
Gemäß des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens zur Detektion einer Einl lemmsituation erfolgt eine Erfassung, des Eingangssignales φ mittels analoger Sensoren, bevor das Eingangssignal φ nach einer Analog/Digitalwandlung in digitaler Form vorliegt und einer Signalweiterverarbeitung unterworfen wird, in der das Eingangssignal φ eine zweimalige Differenziation erfährt. Die auf solche Art erhaltene Drehbeschleunigung wird mit einem adaptierten Vergleichswert verglichen. Ist die erhaltene Drehbeschleunigung kleiner als der Vergleichswert, so liegt eine Einldemmsituation vor, so daß der jeweilige Antriebsmotor reversiert wird und die Einklemmsituation aufgehoben wird.
Zeichnung:
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 Die Antriebs- und Steuerungskomponenten zur Bewegung von Fenst'er- und Dachflächen an einem Kraftfahrzeug,
Fig. 2 mittels digitaler Hallsensoren aufgenommene Impulse und Impulsflankenabfolgen für Drehzahl, Rechts- und Linkslauf,
Fig. 3 eine Signalverarbeitung zur Ermittlung der Drehbeschleunigung aus einer
Winkelmessung,
Fig. 4 eine quantisierte Winkelmessung und
Fig. 5 eine digitale Si nal Verarbeitung mittels quantisierter Winkelmessung. Ausführungsvarianten:
Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt die Antriebs- und Steuerungskomponenten, die zur Bewegung von Fensterflächen und Schiebedächern in Kraftfahrzeugen Verwendung finden.
Ein Antriebsmotor 1 ist über eine Antriebswelle 3 mit einem Getriebe 2 verbunden, welches beispielsweise als selbst hemmendes Schneckengetriebe ausgeführt sein kann. Mittels des Getriebes 2 erfolgt die Übertragung der Drehbewegung des Antriebsmotors 1 an die jeweilige Fensterscheibe oder das jeweilige Schiebedach, welches sich daraufhin translatorisch bewegt. Auf der Antriebswelle 3 befinden sich einerseits ein Ringmagnet 4, andererseits sind dieser Sensorelemente 5, 6 zugeordnet, von denen eines die aktuelle Drehzahl, das andere die Drehrichtung der Antriebskomponenten Antriebsmotor 1 und Antriebswelle 3 detektiert.
Die von den Sensoren 5, 6 erfaßten Signale werden einer Signal Verarbeitung zugeführt, die aus einer Auswerteeinlieit 7 und einer dieser nachgeschalteten Elektronik 8 bestehen.
Werden als Sensorelemente 5, 6 digitale Hallsensoren verwendet, so ergeben sich für die beiden, den Antriebskomponenten 1, 3 jeweils zugeordneten Sensoren die in Fig. 2 dargestellten Impulsabfolgen, sowohl die Drehzahl als auch die Drehrichtung der Antriebskomponenten 1, 3 betreffend. Aus der Beziehung n = 1/ΔT wird die Zeit ermittelt, welche zwischen zwei Flankenwechseln 11, 12 eines Impulses 10 vergeht; zur Bestimmung der Drehzahl dient das Sensorelement 5, während mittels des weiteren Sensorelementes 6 die Drehrichtung der Antriebskomponenten wie beispielsweise Antriebswelle 3 und Antriebsmotor 1 detektierbar ist.
Gemäß Fig. 3 wird eine erfindungs gemäße Signalverarbeitung dargestellt, bei der die Drehbeschleunigung aus einem Eingangssignal 13, dem Drehwinkel φ ermittelt wird. Da weder die Drehbeschleunigung noch die Drehgeschwindigkeit von Antriebskomponenten wie Antriebswelle 3 und Antriebsmotor 1 kostengünstig direkt meßbar sind, wird erfindungsgemäß der Drehwinkel φ gemessen. Das Eingangssignal 13 Drehwi kel φ wird nach zweimaliger Differenziation 18, 19 als Drehbeschleunigimg 24 in einer Vergleichseinheit mit einem adaptierten Schwellwert 23 verglichen.. Die Bildung dieses Schwellwertes 23 erfolgt unter Berücksichtigung des Eingangssignales 13, nämlich des Drehwinkels φ, der Motortemperatur θ sowie der angelegten Spannung UA, bezeichnet mit Referenz-Bezugszeichen 21. Der adaptierte Vergleichswert 23, gebildet unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Größen, wird als fester Vergleichswert 23 bei einer ideal genauen Winkelmessung und einer ideal kontinuierlichen Signalverarbeitung als ausreichend genau angesehen.
Fig. 4 zeigt den typischen Verlauf der angelegten Spannung 21 UA, aufgetragen über dem Drehwinkel φ des Antriebsmotors 1, für einen analog arbeitenden magnetischen Widerstand, der erfindungsgemäß als Sensorelement 5, 6 der Antriebswelle unter dem Antriebsmotor 1 unmittelbar zugeordnet werden kann. Die mit solchen analogen Sensoren 5, 6 realisierbare quantisierte Winkelmessung läßt ein Auflösungsvermögen von weniger als 1°, also Δφ < 1°, zu. Die verwendeten magnetischen Widerstände als Sensorelemente 5, 6 eingesetzt, weisen neben einem Auflösungsvermögen von weniger als 1° eine besserer Temperaturstabilität sowie ein größeres Auflösungsvermögen auf. Ferner ist ein besseres Auflösungsvermögen durch eine geringerer Abhängigkeit vom Luftspalt zwischen Sensor 5, 6 und dem Magneten 4 auf der jeweiligen Antriebskomponente 1 bzw. 3 gegeben. Die mittels des eingesetzten magnetischen Widerstandes als Sensorelemente 5, 6 erzielbare Auflösung von Δφ < 1° reicht für eine sichere Detektion einer Einklemmsituation aus, sofern das Winkelsignal 13, nämlich φ eine geeignete Bandbegrenzung durch einen Tiefpaß besitzt. Bei einer gemäß Fig. 5 erfolgenden digitalen Verwirklichung einer Signalverarbeitungsstrecke, die einer Tiefpaßfilterung entspricht - ist ein linearer Zusammenhang zwischen der durch einen Sensor 5, 6 per Ausgangssignal φd ermittelbaren Genauigkeit, unter Berücksichtigung der Quantisierung φd eines A/D-Wandlers 14, dem das analoge Eingangssignal 13 φ zugeführt wird und der am Abtast-/Halteglied 15 einstellbaren Abtastzeit 17 besteht. Wenn die Auflösung sinkt, nimmt auch die Bandweite ab, wodurch wiederum die verfügbare Abtastzeit steigt. Der Zusammenhang zwischen Auflösung am Sensor 5, 6 und der Abtastzeit 17 läßt sich am besten anhand folgender Gegenüberstellung verdeutlichen:
Figure imgf000008_0001
Gemäß des Signalflußplanes, wie in Fig. 5 dargestellt, erfolgt die Quantisierung des Eingangssignales 13, nämlich des Drehwinkels φ, von analoger in digitaler Form in einem A/D- Wandler 14, ..von dem das digitale Signal 16 sowohl einer ersten Differenziationsstufe 18 als auch einer Vergleichseinheit 23 zugeführt werden kann, die einen adaptierten Vergleichswert 23 ermittelt, mit dem die aus nochmaliger Differenziation 19 hervorgehende Drehbeschleunigung 24 resultiert, verglichen wird. Neben dem Eingangssignal 13, nämlich des Dreh winkeis φ wird der Vergleichseinheit 23 die Temperatur θ. sowie die angelegte Motorspannung UA zugeführt, die eine Bestimmung eines jeweils adaptierten Vergleichswertes 23 zulassen, mit dem das aus der zweimaligen Differenziation 18, 19 hervorgegangene digitale Signal 24 die Drehbeschleunigung' repräsentierend, verglichen werden kann. B ezugszeichenliste
1 Antriebsmotor
2 Getriebe
3 Antriebswelle
3.1 Rechtslauf
3.2 Linkslauf
4 Ringmagnet
5 Sensorelement (Drehzahl)
6 Sensorelement (Drehrichtung)
7 Auswerte einheit
8 Elektronik
9 Zeitspanne
10 Impuls
11 ansteigende Flanke
12 abnehmende Flanke
13 Eingangssignal φ
14 A/D-Wandler
15 Abtast-Halteglied
16 quantisiertes Signal φa
17 einstellbare Abtastzeit
18 erste Differenzierungsstufe
19 zweite Differenzierungsstufe
20 Motortemperatur θ
21 angelegte Spannung UA
22 adaptierter Vergleichswert
23 Vergleichseinheiten
24 Drehbeschleunigung

Claims

Patentansprüche
1. Vonichtung zur Detektion einer Einklemmsituation an mittels Antrieben (1) bewegbaren Flächen am Kraftfahrzeiig, wobei Antriebselementen (1, 3), Sensorelemente (5, 6) zugeordnet sind, die Drehzahl und Drehrichtung der Antriebselemente (1, 3) erfassen und Signale an eine Auswerteeinheit (7, 8) übermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (5, 6) als analoge Sensoren ausgeführt sind, deren Signale (13) nach Differenziation (18, 19) mit einem adaptierten Vergleichswert (23) verglichen werden.
2. Vonichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Sensoren (5, 6) als magnetische Widerstände ausgebildet sind.
3. Vonichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den analogen Sensoren (5, 6) geringpolige Ringmagneten (4) zugeordnet sind.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch- 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal (13) .φ zweimal differenziert wird, bevor die erhaltene Drehbeschleunigung (24) in einer Vergleichsoperation mit dem adaptierten Schwellwert (23) verglichen wird.
5. Vonichtung gemäß Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichswert (23) als Funktion des Eingangssignales (13) φ, der Motortemperatur (20) θ und der angelegten Spannung (21) UA ermittelt wird.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswertung des Eingangssignales (13) φ hinter dem Abtast-Halteglied
(15) in digital arbeitenden Differenziationsstufen (18, 19) erfolgt.
7. Verfahren zur Detektion einer Einklemmsituation mit nachfolgenden Nerfahrensschritten:
» ein Eingangssignal (13) φ wird mittels analoger Sensoren (5, 6) erfaßt, * das Eingangssignal (13) φ wird digitalisiert, bevor aus einer digitalen
Differentiation (18, 19) eine Drehbeschleunigung (24) erhalten wird, β die Drehbeschleunigung (24) wird mit einem adaptierten Nergleichswert (23) verglichen, der als Funktion von Eingangssignal (13) φ, der Temperatur (20) θ eines Antriebes (1) und der angelegten Spannung UA (21) ermittelt wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastzeit (17) TA am Abtast-/Halteglied vorgebbar ist.
9. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des adaptierten Vergleichswertes (23) unter Berücksichtigung der aktuellen Position von bewegbaren Dach- bzw. Fensterflächen erfolgt.
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