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Dokumentenidentifikation DE10247904A1 06.05.2004
Titel Verfahren zur Erkennung der Drehrichtung eines Stellantriebes
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Thierbach, Peter, 71634 Ludwigsburg, DE
Vertreter Patentanwälte Bardehle, Pagenberg, Dost, Altenburg, Geissler, Isenbruck, 68165 Mannheim
DE-Anmeldedatum 14.10.2002
DE-Aktenzeichen 10247904
Offenlegungstag 06.05.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.05.2004
IPC-Hauptklasse H02P 5/00
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der Drehrichtung eines elektrischen Antriebes (1), dem ein Drehzahlgeber (2) zugeordnet ist. Der Drehzahlgeber (2) liefert ein asymmetrisches, der Drehrichtung des elektrischen Antriebes (1) entsprechendes Drehzahlsignal (3, 30, 50). Das Drehzahlsignal (3, 30, 50) wird einer Differentiation unterzogen. Anhand der Ermittlung eines Über-/Unterschreitens von Triggerpegeln (35, 36) durch das differenzierte Drehzahlsignal (37, 57) wird auf die erste Drehrichtung oder die zweite Drehrichtung des elektrischen Antriebes (1) geschlossen.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

In Kraftfahrzeugen kommen heute zunehmend elektrische Fensterheber und elektrisch betätigte Hub-/Schiebedächer zum Einsatz. Deren Stellantriebe sind in der Regel als elektrische Antriebe ausgebildet und werden über das Bordnetz eines Kraftfahrzeuges mit Spannung versorgt. Zur Vermeidung des Einklemmens gefährdeter Körperteile wie Hals, Kopf, Finger etc. von Fahrzeuginsassen werden Vorrichtungen zum Einklemmschutz eingesetzt, die bei Erkennung eines Hindernisses im Verfahrweg der zu bewegenden Fensterscheibe oder im Verfahrweg des zu bewegenden Schiebedaches ein Abschalten des betreffenden Stellantriebes bewirken. Dazu kann beispielsweise ein beim Einklemmvorgang auftretender Stromanstieg im betreffenden elektrischen Antrieb herangezogen werden.

Stand der Technik

Bei bisher eingesetzten Vorrichtungen zur Realisierung eines Einklemmschutzes einer elektrisch betätigten Fensterscheibe oder eines elektrisch betätigten Hub-/Schiebedaches wird als Abschaltkriterium der Stromantrieb des elektrischen Antriebes herangezogen. Das Problem der Strommessung am elektrischen Antrieb sind jedoch die vielen sich ändernden Größen, die den Strom selbst beeinflussen. Zu den sich permanent ändernden Größen sind zum Beispiel die schwankende Versorgungsspannung innerhalb des Bordnetzes eines Kraftfahrzeuges zu zählen sowie die sich in Abhängigkeit von der Eigenerwärmung des Motors ändernde Stromaufnahme. Ferner ist zu berücksichtigen, daß sich durch die Krümmung beispielsweise einer Fensterscheibe die Belastung eines als Fensterheberantrieb dienenden elektrischen Antriebes ändert, was Auswirkungen auf die Stromaufnahme des betreffenden elektrischen Antriebes hat. Die jeweilige Position der elektrisch betätigten Fensterscheibe bzw. des elektrisch betätigten Hub-/Schiebedaches ist in der Regel unbekannt, so daß durch den Stromanstieg nicht unterschieden werden kann, ob gefährdete Körperteile eingeklemmt werden oder ob das Fenster lediglich in seine es umschließende Gummidichtung einfährt und seine Schließlage erreicht.

Aus EP 0 047 812 A2 ist ein Verfahren zur elektronischen Betätigung und Überwachung des Öffnungs- und Schließzyklus von elektrisch betätigbaren Aggregaten wie Fensterheber und elektrisch betätigten Schiebedächern, insbesondere von Kraftfahrzeugen bekannt geworden. Der an das gleichspannungsgespeiste Bordnetz angeschlossene elektrische Stellantrieb ist über elektrische Schalter, insbesondere Tastschalter betätigbar. Beim Öffnen des Aggregates wird gemäß der Lösung nach EP 0 047 812 A2 der zurückgelegte Weg elektronisch erfaßt und beim Schließen des Aggregates der zuvor erfaßte Öffnungsweg mit dem jeweils zurückgelegten Schließweg elektronisch verglichen. Ferner wird beim Schließen die Drehzahl des elektronischen Stellantriebes erfaßt und mit einem konstanten Richtwert elektronisch verglichen, wobei bei einer Verminderung der Drehzahl des elektrischen Stellantriebes während des Schließvorganges der Stellantrieb abgeschaltet wird. Das vorgeschlagene Verfahren wird an einer elektrischen Schaltungsanordnung durchgeführt, an welcher zwischen einem mittels Schalter betätigbaren elektrischen Antrieb und zwischen dem jeweiligen Öffnungs- bzw. Schließschalter ein Relais angeschlossen ist. Zwischen den Schaltern und dem Relais ist ein vom Bordnetz gespeister Mikrocomputer in den elektrischen Stromkreis integriert, der eingangsseitig von einem Taktgeber mit konstanter Impulsfrequenz angesteuert wird. Weiterhin ist dieser eingangsseitig vom Öffungs- und Schließschalter und von einem Sensor angesteuert, der zudem ausgangsseitig die Relais des Stell-antriebes ansteuert. Der Sensor ist als Erfassungselement für die Geschwindigkeit des Motors, des Stellantriebes bzw. des zu verstellenden Aggregates ausgebildet, wobei die vom Sensor erfaßten Impulse dem Mikrocomputer zugeführt werden. Von diesem werden sowohl zur Überwachung der Gleichmäßigkeit der Aggregatgeschwindigkeit Impulse mit den Taktimpulsen des Taktgebers verglichen, zur Erfassung des Stellweges abgespeichert und je nach Richtung der Bewegung, ausgehend vom normierten Zustand, addiert oder subtrahiert.

Darstellung der Erfindung

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, nur noch eine sensitive Anordnung einzusetzen, mit deren Hilfe die Drehrichtung eines elektrischen Stellantriebes erkannt werden kann. Durch den Einsatz nur einer sensitiven Anordnung läßt sich eine erhebliche Vereinfachung und Verbilligung einer Vorrichtung zur Drehrichtungserkennung realisieren. Um dies zu erreichen, wird ein asymmetrisches Signal eines Drehzahlgebers in einer Differentiationsstufe differenziert. Aus dem Ergebnis der Differentiation des asymmetrischen Signals wird auf die Drehrichtung des entsprechenden Stellantriebes geschlossen.

Bei Betrachtung eines Zeitintervalles von 0 bis 360 Zeiteinheiten liefert die Differentiation des asymmetrischen Signals eines Drehzahlgebers, dem eine Fensterscheibe bzw. ein Schiebedach zugeordnet ist, in einem Zeitintervall 0 < t < 300 eine positive kleine Steigung. In dem aus der Asymmetrie des Signals des Drehzahlgebers resultierenden Zeitbereich 300 < t < 360 liefert die Differentiation eine negative große Steigung. Dies gilt für eine erste Drehrichtung des Stellantriebes, zum Beispiel die positive Drehrichtung. Bei negativer Drehrichtung des elektrischen Stellantriebes resultiert aus der Differentiation des asymmetrischen Signals des Drehzahlgebers in einem Zeitbereich 0 < t < 300 eine negative kleine Steigung, während im Zeitbereich 300 < t < 360 eine positive große Steigung ermittelt wird.

Aus einer schaltungstechnischen Auswertung oder einer Auswertung des erhaltenen differenzierten Signals des Drehzahlgebers mit Triggerschwellen, kann das Über- oder Unterschreiten der Triggerschwellen bewertet werden. Wird eine negative Triggerschwelle unterschritten (hinsichtlich des Betrages demnach überschritten), so handelt es sich wn die positive Drehrichtung des elektrischen Stellantriebes, während bei Überschreitung einer positiven Triggerschwelle auf eine negative Drehrichtung des elektrischen Stellantriebes zum Antrieb einer Fensterscheibe bzw. eines Schiebedaches geschlossen werden kann.

Zur Auswertung ist ein asymmetrisches Drehzahlsignal erforderlich, was zum Beispiel als ein sägezahnförmig ausgebildetes Signal vorliegen kann, wobei ein exakt sägezahnförmig verlaufendes Signal nicht zwingend erforderlich ist. Es reicht vielmehr aus, daß innerhalb einer Periode um einen ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt das differenzierte Drehzahlfühlersignal zwei deutlich unterschiedliche Werte aufweist, anhand derer in der zuvor beschriebenen Art und Weise auf die Drehrichtung des elektrischen Stellantriebes zum Antrieb einer Fensterscheibe bzw. zum Antrieb eines Schiebedaches geschlossen werden kann.

Innerhalb einer Auswerteschaltung erfolgt die Auswertung von Drehzahlfühlersignalen, die drehzahlunabhängig sind. Eine diese verarbeitende sensortechnische Anordnung ist zum Beispiel dadurch gegeben, daß eine Drehwinkelmessung durch ein Hall-Element erfolgt, welches von einem zum Zentrum versetzt angeordneten Magneten umkreist wird. Bei Einsatz passiver induktiver Drehzahlsensoren, d.h. Drehzahlfühlersignalen, die drehzahlabhängig sind, werden die Triggerpegel auf die Amplituden des differenzierten Drehzahlfühlersignals abgestimmt. Bei der Auslegung der Triggerstufen sind die Triggerpegel so zu bestimmen, dass bei langsamen Drehzahl und somit niedrigen Amplituden auch die beiden Triggerpegel entsprechend niedrig gehalten werden, so dass die Aufnahme von Signalen möglich ist.

Es können Liifterräder, die beispielsweise in Anbauaggregaten einer Verbrennungskraftmaschine im Kraftfahrzeug eingesetzt werden und die schräggestellte Flügel enthalten, zur Signalerzeugung herangezogen werden. Werden die einzelnen Flügel , eines Lüfterrades beispielsweise aus einem magnetisch leitfähigen Material gefertigt oder mit diesen an geeigneten abtastbaren Stellen beschichtet, kann mit einem Magnet/Hall-Sensor-System – etwa in axialer Anordnung – die erforderliche Kurvenform, d.h. ein asymmetrisch über die Zeit verlaufendes Signal erzeugt werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt:

1 eine mögliche Auswerteschaltung zur Auswertung eines differenzierten Drehzahlsignals,

1a, 1b Ausführungsformen von Sensorelementen zur Erzeugung asymmetrischer Drehzahlsignale,

2 eine Schaltskizze für eine Auswerteschaltung mit zwei Triggerstufen,

3 einen Signalverlauf eines asymmetrischen Drehzahlsignals für eine erste Drehrichtung,

4 einen Signalverlauf eines asymmetrischen Drehzahlsignals für eine zweite Drehrichtung,

5 die Verläufe des Drehzahlfühlersignales, des Triggerpegels und des differenzierten Drehzahlfühlersignales für eine erste Drehrichtung eines elektrischen Antriebes und

6 die Verläufe von Drehzahlfühlersignal, Triggerpegel und differenziertem Drehzahlfühlersignal, jeweils aufgetragen über die Zeitachse für eine zweite Drehrichtung des elektrischen Stellantriebes,

7 eine Lüfterradanordnung in perspektivischer Anordnung und

8 die Darstellung eines Zahnrades mit sägezahnförmig ausgebildeten Zähnen.

Ausführungsvarianten

1 ist eine mögliche Ausführungsvariante einer Auswerteschaltung zur Auswertung eines differenzierten Drehzahlsignals zu entnehmen.

Aus der Darstellung gemäß 1 geht in schematischer Form ein elektrischer Antrieb hervor, der beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Betätigung einer Fensterscheibe oder zur Bewegung eines Hub-/Schiebedaches eingesetzt werden kann. Der elektrische Stellantrieb 1 ist mit dem Versorgungsspannungsnetz eines Kraftfahrzeuges verbunden und dreht in eine erste als auch in eine zweite Drehrichtung. Dem elektrischen Stellantrieb 1 ist ein Drehzahlgeber 2 zugeordnet, der abhängig von der Drehrichtung des elektrischen Stellantriebes 1 ein asymmetrisches Drehzahlsignal 3 ermittelt. Dabei kann es sich um ein erstes asymmetrisches Drehzahlsignal 30 oder um ein zweites asymmetrisch verlaufendes Drehzahlsignal 50 handeln. Diese sind in 1 als etwa sägezahnförmig ausgebildete Signalverläufe dargestellt. Die vom Drehgeber 2 erfaßten asymmetrischen Drehzahlsignale 30, 50 des elektrischen Stellantriebes 1 werden in einer dem Drehzahlgeber 2 nachgeschalteten Differentiationsstufe 4 differenziert.

Der dem elektrischen Antrieb 1 für einen Fensterheber oder für ein Hub-/Schiebedach innerhalb eines Kraftfahrzeuges zugeordnete Drehzahlgeber 2, kann zum Beispiel gemäß 1a scheibenförmig ausgebildet werden. Die Scheibe 7 des Drehzahlgebers 2 rotiert um eine Rotationsachse 8 und weist ein Hall-Element 5 auf. In einem Abstand 9 zum an der Scheibe 7 aufgenommenen Hall-Element 5 ist ein Magnet 6 angeordnet, der das Hall-Element 5 umkreist. Mit dieser aktiven sensitiven Anordnung läßt sich ein asymmetrisches Drehzahlsignal, so zum Beispiel die in 1 angedeuteten asymmetrischen Drehzahlsignale 30 bzw. 50 erzeugen, die einer dem Drehzahlgeber 2 nachgeschalteten Differentiationsstufe 4 zugeleitet werden können. 1b zeigt einen Hallsensor 5, der exzentrisch zur Rotationsachse 8 eines Magneten 6 angeordnet ist. Der Magnet 6 bewegt sich um die Rotationsachse 8, wodurch sich aufgrund der exzentrischen Anordnung des Hallsensors 5 ein asymmetrisches Drehzahlsignal ergibt.

2 zeigt eine Schaltskizze für eine Auswerteschaltung mit zwei Triggerstufen.

Vom Sensorelement, welches beispielsweise als ein Hall-Sensor 5 (vgl. 1a) ausgestaltet sein kann, wird eine Sensorspannung 24 geliefert, welcher zwei voneinander getrennte Triggerstufen 11 bzw. 18 aufgegeben wird.

Die Schaltschwelle der ersten Triggerstufe 11 wird durch den Spannungsteiler, der durch die Widerstände R3 (Bezugszeichen 14) und R4 (Bezugszeichen 13) gebildet wird, bestimmt. Die Schalthysterese der ersten Triggerstufe 11 wird durch das Widerstandspaar R1 (Bezugszeichen 12) und R2 (Bezugszeichen 13) bestimmt. Je größer der Widerstand R2 gewählt wird, desto kleiner fällt die sich einstellende Hysterese aus. Die erste Triggerstufe 11 schaltet von "low" auf "high", wenn die Sensorspannung 24 (USense) einen Wert erreicht, der der Spannung am Spannungsteiler R3/R4 zuzüglich der Hysterese bzw. abzüglich der Hysterese erreicht.

Analog zur Schaltung der ersten Triggerstufe 11 ist die zweite Triggerstufe 18 beschaltet. Die Schaltschwelle der zweiten Triggerstufe 18 wird durch den Spannungsteiler bestimmt, der durch die Widerstände R7 (Bezugszeichen 21) und R8 (Bezugszeichen 22) gebildet wird, bestimmt. Die Schalthysterese der zweiten Triggerstufe wird durch die Widerstände RS (Bezugszeichen 19) und R6 (Bezugszeichen 20) bestimmt. Je größer der Widerstand R6 gewählt wird, desto kleiner fällt die sich einstellende Hysterese aus. Die zweite Triggerstufe 18 schaltet von "low" auf "high", sobald die Sensorspannung 24 (USense) einen Wert erreicht, der der Spannung am Spannungsteiler R7/R8 zuzüglich bzw. abzüglich der Hysterese entspricht. Die Hysterese ist gegenüber der Differenz der beiden Trigger-Schaltschwellen, d.h. der Differenz der Schaltschwelle des zweiten Triggers 18 abzüglich der Schaltschwelle der ersten Triggerstufe 11 vernachlässigbar klein.

3 ist der Signalverlauf eines ersten asymmetrischen Drehzahlsignals für eine erste Drehrichtung zu entnehmen.

Der Signalverlauf eines zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50 ist durch eine ansteigende Signalflanke 52 und eine abfallende Signalflanke 51 gekennzeichnet, wobei der Scheitelpunkt des asymmetrischen Drehzahlsignals 50 mit Bezugszeichen 53 identifiziert ist.

Die Zeitpunkte, zu denen das asymmetrische Drehzahlsignal 50 die Triggerschwelle der ersten Triggerstufe 11 bzw. die Triggerschwelle der zweiten Triggerstufe 18 überschreitet, sind auf der Zeitachse durch tA, tB, tC und tD gekennzeichnet. Dies gilt in analoger Weise für das in 4 dargestellte asymmetrische Drehzahlsignal 30, welches einer zweiten Drehrichtung entspricht.

Die Drehrichtungsbestimmung erfolgt gemäß der nachfolgend skizzierten Vorgehensweise.

Nachdem die erste Triggerstufe 11 zum Zeitpunkt tA auf den "High"-Pegel 16 schaltet, wird die Zeit gemessen, die vergeht, bis die zweite Triggerstufe 18 zu einem Zeitpunkt tB ebenfalls auf den "High"-Pegel 16 schaltet. Die Zeit, die zwischen den Schaltvorgängen der ersten Triggerstufe 11 bzw. der zweiten Triggerstufe 18 auf den "High"-Pegel 16 vergeht, wird durch Differenzbildung zwischen den Schaltzeitpunkten tB – tA ermittelt. Zum Zeitpunkt tC schaltet die zweite Triggerstufe 18 wieder zurück auf den "Low"-Pegel 17 und es erfolgt die Messung der Zeitspanne, die vergeht, bis die erste Triggerstufe 11 ebenfalls wieder auf den "Low"-Pegel 17 schaltet, was zum Zeitpunkt tD erfolgt. Die Ermittlung der Zeitspanne zwischen den Schaltvorgängen der auf den "Low"-Pegel 17 der ersten Triggerstufe 11 bzw. der zweiten Triggerstufe 18 erfolgt durch Differenzermittlung zwischen den Schaltzeitpunkten tD – tC.

Aus der Darstellung gemäß 4 geht ein weiterer Signalverlauf eines asymmetrischen Drehzahlsignals für eine zur ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung näher hervor.

Eine ansteigende Signalflanke 31 eines asymmetrischen Drehzahlsignals 30 überschreitet die Triggerschwelle der ersten Triggerstufe 11 zu einem Zeitpunkt tA und die Triggerschwelle der zweiten Triggerstufe 18 zu einem Zeitpunkt tB bei ansteigendem Signalflankenverlauf 31. Hat das asymmetrische Drehzahlsignal 30 seinen Scheitelpunkt 33 erreicht, erfolgt das Unterschreiten der Triggerschwelle der zweiten Triggerstufe 18 durch die abfallende Signalflanke 32 zu einem Zeitpunkt tC, während die Triggerschwelle der ersten Triggerstufe 11 durch die abfallende Signalflanke 32 des asymmetrischen Drehzahlsignals 30 zu einem Zeitpunkt tD unterschritten wird.

Überschreitet gemäß des in 3 dargestellten Signalverlaufs die Zeitspanne DT2, die sich aus der Differenz von tD – tC ergibt, die Differenz DT1, die sich aus der Differenz zwischen tB – tA ergibt, dreht sich das System zum Beispiel in eine erste Drehrichtung gemäß der Darstellung in 3.

Falls jedoch die Differenz DT2, die sich aus der Differenz der Schaltzeitpunkte tD – tC ergibt, die Differenz DT1, die sich wiederum aus der Differenz der Schaltzeitpunkte tB – tA ergibt, unterschreitet, so wird auf ein in eine umgekehrte Drehrichtung rotierendes System erkannt.

5 zeigt die Verläufe von Drehzahlsignal, Triggersignal, Triggerpegel und differenziertem Drehzahlsignal für eine erste Drehrichtung des elektrischen Antriebes, aufgetragen über die Zeitachse.

Die Zykluszeit eines ersten asymmetrischen Drehzahlsignales eines Drehzahlgebers 2 ist mit t1 bezeichnet und erstreckt sich gemäß der Darstellung in 2 von 0 bis 360 Zeiteinheiten. Auch wenn das in 2 dargestellte erste asymmetrische Drehzahlsignal 30 einen sägezahnförmigen Verlauf aufweist, ist dies nicht zwingend erforderlich. Es reicht vielmehr aus, daß innerhalb einer Periode von 0 bis 360 Zeiteinheiten aus dem ersten asymmetrischen Drehzahlsignal ein differenziertes Drehzahlsignal 37 erhalten wird, welches zwei (in Amplitude und in Pulsdauer) deutlich unterschiedliche Werte 43 bzw. 44 aufweist. Das in 2 dargestellte erste asymmetrische, sägezahnförmig verlaufende Drehzahlsignal 30 entspricht einer ersten Drehrichtung des in 1 schematisch angedeuteten elektrischen Antriebes 1.

Das erste asymmetrische Drehzahlsignal 30 erstreckt sich über eine Zykluszeit t1, 0 ≤ t ≤ 360 Zeiteinheiten. Innerhalb eines ersten Zeitbereiches t11, 0 ≤ t ≤ 300 Zeiteinheiten, weist das erste asymmetrische Drehzahlsignal 30 gemäß der Darstellung in 2 eine ansteigende Signalflanke 31 bis zu einem Scheitelpunkt 33 des ersten asymmetrischen Drehzahlsignals 30 auf. Ab dem Scheitelpunkt 33 verläuft das erste asymmetrische Drehzahlsignal 30 mit einer abfallenden Signalflanke 32 während des zweiten Zeitbereiches t12 300 <_ t ≤ 360 Zeiteinheiten. Die ansteigende Signalflanke 31 des ersten asymmetrischen Drehzahlsignals 30 weist eine erste Steigung 34 auf, die betragsmäßig geringer ist als eine Steigung 35 der abfallenden Signalflanke 32 des ersten asymmetrischen Drehzahlsignals 30. Der erste Zeitbereich t11 ist deutlich kleiner als der zweite Zeitbereich t12.

Eine Differentiation des ersten asymmetrischen Drehzahlsignals 30, welches durch beispielsweise ein stationäres Hall-Element, das von einem Magneten umkreist wird, aufweisenden Drehzahlgeber 2 generiert wird, ergibt nach Differentiation in einer in 1 schematisch wiedergegeben Differentiationsstufe 4 ein differenziertes Drehzahlsignal 37. Aufgrund der unterschiedlichen Steigungen 34 bzw. 35 der ansteigenden Signalflanke 31 und der abfallenden Signalflanke 32 des ersten asymmetrischen Drehzahlsignals 30 weist das differenzierte Drehzahlsignal 34 ein erstes Niveau 43 sowie ein von diesem abweisendes, betragsmäßig deutlich unterschiedliches Niveau 44 auf.

Das aus der Differentiation des ersten aymmetrischen Drehzahlsignals 30 resultierende differenzierte Drehzahlsignal 37 wird gemäß der Darstellung in 2 mit einem negativen Triggerpegel 36, bezogen auf das O-Niveau verglichen. Der erste Triggerpegel 36 liegt um einen Betrag 40 unterhalb des O-Niveaus des ersten aymmetrischen Drehzahlsignals 30 gemäß der Darstellung in 2. Wird der erste Triggerpegel 36 durch das differenzierte Drehzahlsignal 37 unterschritten, d.h. betragsmäßig überschritten, so wird auf die erste Drehrichtung des elektrischen Stellantriebes 1 gemäß 1 erkannt. Die Unterschreitung des negativen ersten Triggerpegels 36 ist in den Signalverläufen gemäß 2 durch Bezugszeichen 42 gekennzeichnet. Um diesen Betrag 42 liegt das zweite Niveau 44 des differenzierten Drehzahlsignals 37 unterhalb des konstant über die Zeitachse t verlaufenden Triggerpegels 36. Mit Bezugszeichen 41 ist die Unterschreitung des 0-Niveaus durch das zweite Niveau 44 des differenzierten Drehzahlsignals 37 in 2 bezeichnet. Ein auf das erste asymmetrische Drehzahlsignal 30 folgendes, weiteres asymmetrisches Drehzahlsignal liegt über eine weitere Zykluszeit an, die sich von 360 bis 720 Zeiteinheiten erstreckt. Die innerhalb dieser zweiten Zykluszeit t2, 360 ≤ t ≤ 720 Zeiteinheiten, liegt analog zur ersten Zykluszeit t1 des ersten asymmetrischen Drehzahlsignals 30 während eines längeren Zeitbereiches eine ansteigende Signalflanke 31 an. Ab einem Scheitelpunkt 33 des weiteren asymmetrischen Drehzahlsignals 30 schließt sich an die ansteigende Signalflanke 31 eine mit stärkerer Steigung abfallende Signalflanke 32 an. Im Unterschied zur ansteigenden Signalflanke 31, die in einer ersten Steigung 34 verläuft, weist die abfallende Signalflanke 32 eine stärkere, zweite Steigung 35 auf. Folglich resultiert aus der Differentiation auch des weiteren aymmetrischen Drehzahlsignals 30 ein differenziertes Drehzahlsignal 37 mit einem ersten Niveau 43 und einem zweiten Niveau 44. Das zweite Niveau 44 des differenzierten Drehzahlsignals 37 unterschreitet ebenfalls den negativen ersten Triggerpegel 36 um einen Betrag 42, so daß auch aus der Auswertung des zweiten, weiteren asymmetrischen Drehzahlsignals 30 auf die erste Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 zum Antrieb einer Fensterscheibe bzw. eines Hub-/Schiebedaches in einem Kraftfahrzeug geschlossen werden kann.

6 gibt die Verläufe von Drehzahl über Signal, Triggerpegel und differenziertem Drehzahlgebersignal, jeweils aufgetragen über die Zeitachse für eine zweite Drehrichtung des elektrischen Antriebes wieder.

Die in 3 wiedergegebene Darstellung eines zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50 entspricht der zweiten Drehrichtung des in 1 schematisch angedeuteten elektrischen Antriebes 1 für eine Fensterscheibe oder ein Hub-/Schiebedach an einem Kraftfahrzeug. Der in 1 dargestellte aktive Drehzahlgeber 2, der ein stationär angeordnetes Hall-Element 5 umfaßt, welches von einem in einem Abstand 9 zu diesem versetzt angeordneten Magneten 6 umkreist wird, generiert das in 3 ebenfalls als sägezahnförmiges Signal ausgebildete zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50. Das zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50 erstreckt sich über eine Zykluszeit t3 von 0 bis 360 Zeiteinheiten. Innerhalb eines ersten Zeitbereiches t31, 0 ≤ t ≤ 300 Zeiteinheiten ist das zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50 durch eine mit einer ersten Steigung 54 stark abfallenden Signalflanke 51 geprägt. Während einer sich an den ersten Zeitbereich t31 anschließenden zweiten Zeitbereiches t32 300 ≤ t ≤ 360 ist das zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50 durch eine mit einer zweiten Steigung 55 ansteigenden Signalflanke 52 geprägt. Das in 3 dargestellte zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50 ist innerhalb der Zykluszeit t3 von spiegelbildlicher Form, verglichen mit dem ersten asymmetrischen Drehzahlsignal 30 innerhalb der Zykluszeit t1 (vgl. Darstellung gemäß 2).

Aus der Differentiation des zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50 innerhalb der Zykluszeit t3 folgt das in gestricheltem Linienzug in das Diagramm gemäß 3 eingetragene differenzierte Drehzahlsignal 57. Aufgrund der konstanten ersten Steigung 54, mit der die abfallende Signalflanke 51 des zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50 verläuft, wird ein dem ersten Zeitbereich t31 entsprechendes differenziertes Drehzahlsignal 57 erhalten, welches innerhalb des angesprochenen Zeitbereiches t31 ein erstes Niveau 63 aufweist. Aufgrund des konstanten Steigungsverlaufes während des ersten Zeitbereiches t31 hat das erste Niveau 63 des differenzierten Drehzahlsignals 57 innerhalb dieses Zeitbereiches den Verlauf einer Geraden bis zum Wendepunkt des Verlaufes des zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50 am Ende des ersten Zeitbereiches t31 bei t = 300 Zeiteinheiten.

Die Differentiation des zweiten Abschnittes des zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50, d.h. der ansteigenden Signalflanke 52, ergibt ein differenziertes Drehzahlsignal 57, welches innerhalb des zweiten Zeitbereiches t32, 300 ≤ t ≤ 360 ein zweites Niveau 64 aufweist, welches erheblich über dem ersten Niveau 63 des differenzierten Drehzahlsignals 57 innerhalb des ersten Zeitbereiches t31 liegt. Das Zeitintervall t32 ist deutlich kleiner als das Zeitintervall t31 Innerhalb der Auswerteschaltung gemäß der 2 oder innerhalb eines Mikrocomputers erfolgt eine Auswertung des differenzierten Drehzahlsignals 57 dahingehend, ob der zur Erkennung der zweiten Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 dargestellte zweite Triggerpegel 56 überschritten wird. Bei Überschreitung des in 3 eingezeichneten positiven zweiten Triggerpegels 56 wird auf das Vorliegen der zweiten Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 erkannt. In Bezug auf das 0-Niveau liegt der zweite Triggerpegel r um einen Betrag 60 im positiven Bereich oberhalb des 0-Niveaus. Aufgrund der zweiten Steigung 55 der ansteigenden Signalflanke 52 des zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50 liegt eine Überschreitung des zweiten Triggerpegels 56 um einen Betrag 62 vor. Das zweite Niveau 64 des differenzierten Drehzahlsignals 57 liegt um einen Betrag 61 oberhalb des 0-Niveaus und überschreitet den zweiten Triggerpegel 56 um einen Betrag 62. Aufgrund des Überschreitens des zweiten Triggerpegels 56 wird auf das Vorliegen der zweiten Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 gemäß der Darstellung in 1 erkannt.

An das zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50 schließt sich ein weiteres asymmetrisches Drehzahlsignal an, welches über eine folgende Zykluszeit t4 ansteht. Das in der Darstellung gemäß 3 nur teilweise wiedergegebene zweite folgende asymmetrische Drehzahlsignal ist analog zum zweiten asymmetrischen Drehzahlsignal 50 innerhalb eines Zeitbereiches 360 ≤ t ≤ 660 durch eine mit der ersten Steigung 54 abfallenden Signalflanke 51 gekennzeichnet, die an einem Wendepunkt bei t = 660 Zeiteinheiten in eine ansteigende Signalflanke 52, mit einer zweiten, die erste Steigung 54 übersteigenden Steigung 55 übergeht. Die Differentiation der abfallenden Signalflanke 51 des folgenden asymmetrischen Drehzahlsignals ergibt ein differenziertes Drehzahlsignal 57 eines ersten Niveaus 63 analog zum Verlauf des differenzierten Drehzahlsignals 57, welches aus der Differentiation der abfallenden Signalflanke 51 des zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50 innerhalb des ersten Zeitbereiches t3 0 ≤ t ≤ 300 resultiert. Die Differentiation der ansteigenden Signalflanke 52 des folgenden asymmetrischen Drehzahlsignals führt zu einem differenzierten Drehzahlsignal 57 eines zweiten Niveaus 64, welches jedoch in 3 nur teilweise dargestellt ist und sich analog zum zeitlichen Verlauf des differenzierten Drehzahlsignals 57 innerhalb des zweiten Zeitbereiches t32 mit einem zweiten Niveau 64 des zweiten asymmetrischen Drehzahlsignals 50 verhält.

Obwohl in den Darstellungen gemäß der 5 und 6 das erste asymmetrische Drehzahlsignal 30 sowie das zweite asymmetrische Drehzahlsignal 50 und die diesen folgenden asymmetrischen Drehzahlsignalen (ohne Bezugszeichen) sägezahnförmig konfiguriert sind, ist dies nicht zwingend erforderlich. Es ist durchaus ausreichend, innerhalb einer Periode, d.h. der Zykluszeit entsprechend, aus einem asymmetrischen Drehzahlsignal ein differenziertes Drehzahlsignal zu erhalten, welches zwei deutlich voneinander unterschiedliche Werte aufweist, die aus den unterschiedlichen Steigungen der asymmetrischen Drehzahlsignale durch die Differentiation in der Differentiationsstufe 4 gemäß der Darstellung in 1 gewonnen werden können.

Zur Auswertung der differenzierten Drehzahlsignale 30 bzw. 50 gemäß den Darstellungen in 5 und 6 werden durch den Drehzahlgeber 2 Signale generiert, deren Amplituden drehzahlunabhängig sind. Mittels eines in 1 als Detail herausgezeichneten Sensors lassen sich diese durch einen Sensor erfassen, dessen stationär angeordnetes Hall-Element 5 von einem in einem Abstand zu diesem angeordneten kreisförmig bewegbaren Magneten 6 umkreist wird. Eine zur Auswertung geeignete Kurvenform, d.h. ein asymmetrisch verlaufendes Drehzahlsignal läßt sich auch dadurch gewinnen, daß ein Lüfterrad, dessen schräggestellte Flügel, die ein magnetisch leitfähiges Material enthalten, mit einem Magnet/Hall-System abgetastet werden. Bei dieser Anordnung ist das ein stationäres Hall-Element 5 und einen relativ zu diesem kreisförmig bewegbaren Magneten 6 aufweisende Sensorelement axial in Bezug auf das Lüfterrad angeordnet. 7 zeigt eine Lüfterradanordnung in perspektivischer Draufsicht.

Ein Lüfterrad 65 umfasst eine Nabe 66, die auf einer in 7 nicht näher dargestellten Welle angeordnet ist. Die Welle wird von einem ebenfalls nicht dargestellten im allgemeinen elektrisch ausgebildeten Antrieb angetrieben. An der Nabe 66. des Lüfterrades 65 sind eine Anzahl von Flügeln 67 angeordnet, die im Falle des in 7 dargestellten Lüfterrades in bezug auf die Nabe schräggestellt sind. Jeder der Flügel 67 des Lüfterrades 65 umfasst eine erste Flügelkante 68 sowie eine zweite Flügelkante 69. Die Schrägstellung der einzelnen Flügel 67 des Lüfterrades 65, d.h. die unterschiedlichen Rotationsebenen der ersten Flügelkante 68 bzw. der zweiten Flügelkante 69 der Flügel 67 bewirkt die Erzeugung eines asymmetrischen Drehzahlsignales, welches mittels des Sensorelementes 2 in Endbereich 71 der Flügelflächen 70 der jeweiligen Flügeln 67 des Lüfterrades 65 aufgenommen werden kann. Die Flügelflächen 70 der einzelnen Flügel 67 können stellenweise mit einem magnetisch leitfähigen Material beschichtet sein, so dass die durch ein Sensorelement 2 beispielsweise aufgrund des sich bei der Rotation des Lüfterrades 65 relativ zum Sensorelement 2 einstellenden Magnet-Hall-Effektes.

Anstelle von in 1 im Detail dargestellten aktiven Drehzahlsensoren können bei Ermittlung der Drehzahlsignale auch passive induktive Drehzahlsensoren eingesetzt werden. Beim Einsatz passiver induktiver Drehzahlsensoren ist es erforderlich, die jeweiligen Triggerpegel 36 bzw. 56 (vgl. Darstellung gemäß der 2 und 3) des differenzierten Drehzahlsignals 37, 57 abzustimmen. Bei der Auslegung der Triggerstufen sind die Triggerpegel so zu bestimmen, dass auch bei langsamen Drehzahlen und somit niedrigen Amplituden auch die beiden Triggerpegel entsprechend niedrig gehalten werden können, so dass die Aufnahme eines aussagekräftigen Signals möglich ist. Danach kann eine Auswertung der Amplitudenwerte dahingehend erfolgen, mit welchem Vorzeichen die größere Amplitude des jeweiligen differenzierten Signals behaftet ist. Dieses Vorzeichen entspräche dann der detektierten Drehrichtung, sei es die erste Drehrichtung, sei es die zweite Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 gemäß der Darstellung in 1. Werden zur Erfassung der Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 passive Drehzahlfühler eingesetzt, kann in einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens die erforderliche Signalform der asymmetrischen Drehzahlsignale 30 bzw. 50 dadurch erreicht werden, daß die Zähne eines Zahnrades des elektrischen Antriebes 1 gemäß 1 nicht symmetrisch, sondern beispielsweise sägezahnförmig ausgebildet werden. 8 zeigt die Darstellung eines Zahnrades mit sägezahnförmig ausgebildeten Zähnen.

Ein um die Rotationsachse 8 rotierendes Zahnrad 72 umfasst an seinem Außenumfang eine Vielzahl von Zähnen 73. Der Außenumfangsfläche des Zahnrades 72 ist das Sensorelement 2 zugeordnet, welches in einem Abstand 74 zur Spitze eines jeweiligen dieses passierenden Zahnes angeordnet ist. Asymmetrische Drehzahlsignale werden mittels eines solchermaßen konfigurierten Zahnrades 72 dadurch enthalten, das jeder der Einzelzähne 73 eine erste Flanke 75 und eine zweite Flanke 76 aufweist. Im Ausführungsbeispiel eines Zahnrades gemäß 8 ist die vorlaufende Flanke in Bezug auf die Anordnung des Sensorelementes 2 zu dieser senkrecht ausgebildet, während die nachlaufende, d.h. im vorliegenden Ausführungsbeispiel die zweite Flanke 76 allmählich abfällt. Auf diese Weise lässt sich bei Rotation des Zahnrades 72 ein asymmetrisches Drehzahlsignal erzeugen, was durch das die Außenumfangsfläche des Zahnrades 72 abtastenden Sensor 2 aufgenommen werden kann.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erlaubt eine intelligente Signalauswertung hinsichtlich der Erkennung der Drehrichtung eines elektrischen Antriebes, wenn nur ein Drehzahlsignal zur Verfügung steht. Mit Hilfe einer sensitiven Anordnung wie im Detail gemäß 1 schematisch dargestellt, kann die Drehrichtung zweifelsfrei erkannt werden, wobei ein asymmetrisches Drehzahlsignal erzeugt wird, was Signalbereiche aufweist, die mit unterschiedlichen Steigungen 34, 35; 54, 55 behaftet ist. Aus der Differentiation der Signalbereiche 31, 32; 51 bzw. 52 in eine Differentiationsstufe 4 folgt ein differenziertes Drehzahlsignal 37 bzw. 57, welches durch unterschiedliche Niveaus 43, 44 bzw. 63, 64 gekennzeichnet ist. Aus der Über- bzw. Unterschreitung (bei negativem Triggersignal betragsmäßiges Überschreiten) kann auf die jeweilige Drehrichtung des elektrischen Antriebes 1 geschlossen werden, ohne daß es einer zweiten sensitiven Anordnung bedarf. Dabei können sowohl aktive Drehzahlsensoren eingesetzt werden, wie der erwähnte Hall-Element/Magnetsensor, bei dem der Magnet 6 das stationär angeordnete Hall-Element 5 umkreist als auch passive induktive Drehzahlsensoren, bei denen innerhalb einer Auswerteschaltung die differenzierten Drehzahlfühlersignale abgestimmt werden und die vier möglichen Amplitudenwerte (2 pro Richtung) gegenseitig in Relation zueinander gesetzt werden.

1 elektrischer Antrieb 2 Drehzahlgeber 3 Drehzahlsignal 4 Differentiationsstufe 5 Hall-Element 6 Magnet 7 Kreisbahn 8 Rotationsachse 9 Versatz 10 Drehrichtung 11 erste Triggerstufe 12 13 Widerstände erste Triggerstufe 11 14 15 16 "High"-Pegel 17 "Low"-Pegel 18 zweite Triggerstufe 19 20 21 Widerstände zweite Triggerstufe 18 22 23 Masse 24 Sensorspannung (USensor) tA Schaltzeitpunkt High-Level erste Triggerstufe tB Schaltzeitpunkt High zweite Triggerstufe tC Schaltzeitpunkt Low zweite Triggerstufe tD Schaltzeitpunkt Low erste Triggerstufe t1 Zykluszeit (0 ≤ t ≤ 360) t11 erster Zeitbereich (0 ≤ t ≤ 300) t12 zweiter Zeitbereich (300 ≤ t ≤ 360) t2 folgende Zykluszeit (360 ≤ t ≤ 720 Zeiteinheiten) 30 erstes asymmetrisches Drehzahlsignal 31 ansteigende Signalflanke 32 abfallende Signalflanke 33 Scheitelpunkt 34 erste Steigung 35 zweite Steigung 36 erster Triggerpegel (negativ) 37 differenziertes Drehzahlsignal erste Drehrichtung 38 39 40 Betrag erster Triggerpegel 41 Überschreitung (Betrag) 42 Unterschreitung erster Triggerpegel 36 43 erstes Niveau 44 zweites Niveau t3 Zykluszeit (0 ≤ t ≤ 360) t31 erster Zeitbereich (0 ≤ t ≤ 300) t32 zweiter Zeitbereich (300 ≤ t ≤ 360 Zeiteinheiten) t4 folgende Zykluszeit 50 zweites asymmetrisches Drehzahlsignal 51 abfallende Signalflanke 52 ansteigende Signalflanke 53 Scheitelpunkt (Wendepunkt) 54 erste Steigung 55 zweite Steigung 56 zweiter Triggerpegel (positiv) 57 differenziertes Drehzahlsignal (zweite Drehrichtung) 60 Betrag erster Triggerpegel 61 Überschreitung (Betrag) 62 Überschreitung zweiter Triggerpegel 63 erstes Niveau 64 zweites Niveau 65 Lüfterrad 66 Nabe 67 Flügel 68 1. Flügelkante 69 2. Flügelkante 70 Flügelfläche 71 Flügelendbereich 72 Zahnrad 73 Zahn 74 Abstand 75 1. Flanke 76 2. Flanke

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Ermittlung der Drehrichtung eines elektrischen Antriebes (1), dem ein Drehzahlgeber (2) zugeordnet ist mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a

    ) der Drehzahlgeber (2) liefert ein asymmetrisches, einer Drehrichtung des elektrischen Antriebes (1) entsprechendes Drehzahlsignal (3, 30, 50),

    b) das Drehzahlsignal (3, 30, 50) wird einer Differentiation unterzogen,

    c) anhand einer Ermittlung des Über-/Unterschreitens von Triggerpegeln (36, 56) durch das differenzierte Drehzahlsignal (37, 57) wird auf die erste Drehrichtung oder die zweite Drehrichtung des elektrischen Antriebes (1) geschlossen.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das asymmetrische Drehzahlsignal (3, 30, 50) ansteigende und abfallende Signalflanken (31, 32; 51, 52) aufweist, die in unterschiedlichen Steigungen (34, 35; 54, 55) verlaufen.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den asymmetrischen Drehzahlsignalen (3, 30, 50) gewonnenen differenzierten Drehzahlsignale (37, 57) zu den Steigungsverläufen (35, 54; 54, 55) korrespondierende Abschnitte aufweisen, die mit einem ersten Triggerpegel (36) und einem zweiten Triggerpegel (56) verglichen werden.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einer ersten Drehrichtung entsprechendes asymmetrisches Drehzahlsignal (30) eine während eines ersten Zeitbereiches t11 ansteigende Flanke (31) und eine ab einem Wendepunkt (33) abfallend verlaufende Signalflanke (32) während eines zweiten Zeitbereiches t12 aufweist.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein einer zweiten Drehrichtung entsprechendes asymmetrisches Drehzahlsignal (50) eine während eines ersten Zeitbereiches t31 abfallende Flanke (51) und eine ab einem Wendepunkt (53) ansteigend verlaufende Signalflanke (52) während eines zweiten Zeitbereiches t32 aufweist.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrischen Drehzahlsignale (3, 30, 50) sägezahnförmig verlaufen.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei betragsmäßiger Überschreitung (41) des ersten Triggerpegels (36) durch das differenzierte Drehzahlsignal (37) auf die erste Drehrichtung des elektrischen Antriebes (1) geschlossen wird.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei betragsmäßiger Überschreitung (61) des zweiten Triggerpegels (56) durch das differenzierte Drehzahlsignal (57) auf die zweite Drehrichtung des elektrischen Antriebes (1) geschlossen wird.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das differenzierte Drehzahlsignal (37, 57) zwei deutlich voneinander verschiedene Niveaus (43, 44; 63, 64) aufweist.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei drehzahlabhängigen Amplituden differenzierter Drehzahlsignale (3, 30, 50) die Triggerpegel (36, 56) auf die Amplituden des differenzierten Drehzahlsignals (37, 57) abgestimmt werden.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die vier möglichen Amplitudenwerte (pro Drehrichtung des elektrischen Antriebes zwei) miteinander verglichen werden und ausgewertet wird, welches Vorzeichen die jeweils größere Amplitude des differenzierten Drehzahlsignals (37, 57) aufweist.
  12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 mit einem Drehzahlgeber (2), dem eine Differentiationsstufe (4) nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlgeber (2) ein stationäres Hall-Element (5) aufweist, welches von einem zu diesem in einem Versatz (9) angeordneten Magneten (6) umkreist wird.
  13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 10 mit passiven Drehzahlsensoren, die dem elektrischen Antrieb (1) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Zahnrad Zähne vorgesehen sind, die sägezahnförmig ausgebildet sind.
  14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 mit einem Drehzahlgeber (2) und einer Differentiationsstufe (4), dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrischen Drehzahlsignale (3, 30, 50) durch schräggestellte Flügel eines Lüfterrades erzeugt werden, die ein magnetisierbares Material enthalten, und axial zur Lüfterradachse ein Drehzahlgeber (2) aufgenommen ist, welcher ein stationäres Hall-Element (5) aufweist, welches von einem Magneten (6) umkreist wird, der zum Hall-Element (5) in einem Versatz (9) angeordnet ist.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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