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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl eines
elektrischen Antriebs, einen elektrischen Antrieb mit regelbarer
Drehzahl sowie ein damit ausgestattetes Elektrowerkzeug.
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Stand der Technik
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Gattungsgemäße Verfahren,
Antriebe und Elektrowerkzeuge sind aus der Praxis bekannt. Bei der
Regelung elektrischer Antriebe von Elektrowerkzeugen auf eine konstante
Drehzahl auch bei wechselnden Belastungen kann die Messung der Drehzahl
auf unterschiedliche Weise erfolgen.
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Nach
einem üblichen
Vorgehen wird auf einem der rotierenden Bauteile, beispielsweise
auf der Ankerwelle oder im Lüfterrad,
ein mit einer Anzahl von Polpaaren versehener Magnet angeordnet,
wobei die Polpaare gleichmäßig über den
Umfang des rotierenden Bauteils verteilt sind. Ein Sensor erfasst die
Frequenz der durch die Rotation des Bauteils hervor gerufene Änderung
des Magnetfelds. Der Sensor kann beispielsweise eine Spule aufweisen,
in welcher durch das sich ändernde
Magnetfeld der rotierenden Polpaare eine Spannung induziert wird.
Das sinusförmige
und drehzahlproportionale Ausgangssignal der Spule wird nachfolgend
in ein Rechtecksignal umgewandelt. Ein Mikrokontroller wertet diese
Signale im Anschluss aus und ermittelt dabei die Anzahl der Rechteckimpulse
innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls. Zur Festlegung dieser
sogenannten Torzeit wird in der Regel die Wellenlänge der Netzspannung
herangezogen, wobei die Torzeit beispielsweise der Halbwelle der
Netzspannung entsprechen kann. Die innerhalb der Torzeit gemessene Impulszahl
kann dann zur Regelung der Drehzahl herangezogen werden.
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Dieses
vorbekannte Vorgehen weist verschiedene Nachteile auf.
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Da
zur Regelung der Drehzahl eine Anzahl von Ereignissen innerhalb
eines Zeitintervalls dient, kann eine Änderung der Drehzahl erst dann
erfasst werden, wenn mindestens ein Ereignis mehr oder weniger innerhalb
dieses Zeitintervalls auftritt. Die Auflösung des Regelalgorithmus wird
also durch die Zählung
der Ereignisse, in diesem Fall also durch die Anzahl der Polpaare,
beschränkt.
Bei vorbekannten Elektrowerkzeugen werden üblicherweise Magneträder mit
acht Polpaaren eingesetzt. Darüber
hinaus kann auch die Vorgabe der Solldrehzahl nur im Rahmen des
durch die Anzahl der Polpaare vorgegebenen Rasters erfolgen.
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Eine Änderung
der Netzfrequenz beeinflusst darüber
hinaus die Torzeit und erfordert eine Anpassung der für eine gewünschte Drehzahl
erforderlichen Ereignisse je Zeitintervall. Hierdurch werden zusätzliche
Ressourcen an Speicherplatz und Rechenleistung notwendig.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein genaues, einfaches und
netzfrequenzunabhängiges
Verfahren zur Regelung der Solldrehzahl elektrischer Antriebe bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens der eingangs genannten
Art zur Regelung der Drehzahl eines elektrischen Antriebs dadurch
gelöst,
dass ein Drehwinkel eines Rotors des elektrischen Antriebs festgelegt
sowie die Zeit gemessen wird, welche der Rotor zur Drehung um diesen
festgelegten Drehwinkel benötigt
und nachfolgend eine Veränderung
der Drehzahl des Rotors dahingehend erfolgt, dass die zuvor gemessenen
Zeit jener Zeit entspricht, welche zur Drehung des Rotors um den festgelegten
Drehwinkel bei Solldrehzahl erforderlich ist.
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Diese
Drehzahlregelung ist von der Netzfrequenz unabhängig, so dass eine Anpassung
der Sollwerte in Abhängigkeit
von der bestehenden Netzfrequenz einschließlich der hierzu erforderlichen
Routinen entfällt.
Die Regelsoftware ist entsprechend weniger komplex, wodurch der
Speicherplatz und die Rechenzeit zur Umrechnung der Sollwerte reduziert werden.
Gegenüber
dem vorbekannten Vorgehen ist fern die Auflösung der Regelung erheblich
verbessert, da die Diskretisierung der Zeitmessung durch den Mikrokontroller
deutlich kleiner gewählt
werden kann als durch die Anzahl der Polpaare vorgegeben.
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Nach
einem bevorzugten Verfahren wird die gemessene Zeit je festgelegtem
Drehwinkel mit einer bei Solldrehzahl erforderlichen Zeit je festgelegtem Drehwinkel
verglichen und hieraus die Regelabweichung bestimmt. Der vorzugsweise
bereits bei der Systemauslegung festgelegte Drehwinkel beträgt dabei
mit Vorteil 360°,
entspricht also einer vollen Umdrehung des Rotors.
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Grundsätzlich ist
zur Durchführung
der Erfindung die Ermittlung eines Signals je festgelegtem Drehwinkel,
beispielsweise ein Impuls je vollständiger Drehung des Rotors,
ausreichend. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung
ist der festgelegte Drehwinkel jedoch in beispielsweise acht Winkelsegmente
geteilt, deren Durchlauf bei Drehung des Rotors bis zum Erreichen
des festgelegten Drehwinkels gezählt
werden, so dass zur Durchführung
der Erfindung dem Stand der Technik entsprechende Bauteile ohne
konstruktive Änderungen übernommen
werden können.
Dabei wird der Durchlauf der Winkelsegmente vorzugsweise durch verschleißfreie Messung
von Magnetfeldänderungen bei
Drehung des Rotors bestimmt.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens werden die
sinusförmigen
Magnetfeldänderungen
in Rechtecksignale umgewandelt und die Anzahl der Rechtecksignale
bis zum Erreichen des festgelegten Drehwinkels gezählt. Die
Anpassung der gemessenen Drehzahl des Rotors an dessen Solldrehzahl
erfolgt dann mit Vorteil durch Inkrementierung oder Dekrementierung
des Zündwinkels
des Triacs des elektrischen Antriebs.
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Ein
erfindungsgemäß ausgeführter elektrischer
Antrieb mit regelbarer Drehzahl, insbesondere für ein Elektrowerkzeug, weist
einerseits Mittel zur Bestimmung eines festgelegten Drehwinkels
eines Rotors des elektrischen Antriebs und ferner eine Einrichtung
zur Messung der für
die Drehung eines Rotors um den festgelegten Drehwinkel erforderlichen Zeit
auf. Darüber
hinaus ist er mit Mitteln zur Veränderung der Drehzahl dahingehend
ausgestattet, dass die zuvor gemessenen Zeit jener Zeit entspricht,
welche zur Drehung des Rotors um den festgelegten Drehwinkel bei
Solldrehzahl erforderlich ist.
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Die
Mittel zur Bestimmung des Drehwinkels werden dabei nach einer bevorzugten
Ausbildung des Antriebs durch auf dem Rotor angeordnete Magnetpolpaare
und jenseits des Rotors angeordneten Einrichtungen zur Feststellung
von Magnetfeldänderungen,
insbesondere elektrische Spulen, ausgebildet, unterliegen also keinem
Verschleiß und
können gegebenenfalls aus
vorbekannten Antrieben ohne konstruktive Änderungen übernommen werden.
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Mit
besonderem Vorteil ist dem Stand der Technik entsprechend eine Vielzahl,
beispielsweise acht, gleichmäßig auf
dem Umfang des Rotors verteilter Magnetpolpaare vorgesehen, welche
den festgelegten Drehwinkel in Winkelsegmente teilen.
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Der
Antrieb weist nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der
Erfindung eine Einrichtung zur Wandlung des sinusförmigen Signals
der Magnetfeldänderung
in ein Rechtecksignal auf, welches nachfolgend auf einen interruptfähigen Port
gegeben wird.
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Die
Einrichtung zur Messung der für
die Drehung des Rotors um den festgelegten Drehwinkel erforderlichen
Zeit umfasst bevorzugt einen in der elektronischen Antriebssteuerung
vorgesehenen Timer, erfordert also keinen zusätzlich Aufwand an Komponenten.
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Als
Mittel zur Veränderung
der Drehzahl wird vorzugsweise ein üblicher Triac mit variablem
Zündwinkel
eingesetzt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
Figuren stellen beispielhaft und schematisch eine Ausführung der
Erfindung sowie das Vorgehen nach dem Stand der Technik dar. Es
zeigen:
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1 einen
elektrischen Antrieb mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Drehzahlregelung,
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2 eine
Darstellung der gemessenen induzierten Spannung in Abhängigkeit
von der Zeit;
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3 den
Verlauf des durch Umwandlung der induzierten Spannung gewonnenen
Rechtecksignals;
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4 ein
Flussdiagramm der Bestimmung der Zeit, welche der Rotor für eine Umdrehung
benötigt;
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5 eine
Darstellung des Regelungsverfahrens nach dem Stand der Technik.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist
ein elektrischer Antrieb 1 dargestellt, der beispielsweise
als ein mit Netzspannung betriebener Elektromotor ausgebildet sein
kann. Der Elektromotor kann in einer Werkzeugmaschine, wie z. B.
einem Schlaghammer, eingesetzt werden.
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Der
in 1 dargestellte elektrische Antrieb 1 weist
einen scheibenförmigen
Rotor 2 auf bzw. ist mit diesem gekoppelt, wobei der Rotor 2 drehfest
mit einer Antriebsachse 3 verbunden ist. Der Rotor 2 dreht
damit mit der gleichen Drehzahl wie der im Gehäuse 4 des elektrischen
Antriebs 1 verborgene Anker.
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Der
Rotor 2 ist auf seinem Außenumfang mit acht durch Permanentmagnete
gebildeten Magnetpolpaaren 5 versehen, welche sich bei
Drehung des Rotors 2 (Pfeil A) an Mitteln 6 zur
Bestimmung des Drehwinkels des Rotors 2 vorbeibewegen.
Die Mittel 6 sind mit einer elektrischen Spule 7 ausgestattet,
an der sich die Magnetpole bei einer Rotation des Antriebs 1 vorbeibewegen
und in der durch die Bewegung der Magnetpolpaare 5 eine
Spannung UIND induziert wird. Die Anzahl
der Magnetpolpaare 5 ist im Wesentlichen beliebig.
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Da
der Rotor 2 im Ausführungsbeispiel
dem Stand der Technik entsprechend mit acht Magnetpolpaaren 5 versehen
ist, entsprechen acht Recheckimpulse dem zur Regelung des elektrischen
Antriebs zuvor festgelegten Drehwinkels, nämlich einer vollständigen Umdrehung
(360°) des
Rotors 2. Die Magnetpolpaare 5 teilen diesen Drehwinkel
damit in Winkelsegmente von 45°.
Allgemein gilt, dass n Magnetpolpaare 5 Winkelsegmente
von 180°/n
bilden.
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Die
in der Spule 7 erzeugte Spannung UIND hat,
wie aus 2 ersichtlich, einen über die
Zeit t sinusförmigen
Verlauf. Die sinusförmige
Magnetfeldänderung
wird nachfolgend in einer Einrichtung 8 in Rechtecksignale
(Spannung U) gewandelt, die in 3 dargestellt
sind.
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Der
elektrische Antrieb 1 ist darüber hinaus mit einer Einrichtung 9 zur
Messung der zu einer vollständigen
Drehung des Rotors 2 erforderlichen Zeit tist versehen.
Das Flussdiagramm nach 4 zeigt den Ablauf der Zeitmessung
im Einzelnen.
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Die
Einrichtung 9 weist eine Zeitmesseinrichtung (Timer) auf,
welche mit Anlaufen des elektrischen Antriebs 1 gestartet
wird. Die Einrichtung 9 wartet nun (Schritt S1) auf eine
Unterbrechung (Interrupt) der rechteckförmig verlaufenden Spannung
U. Wird ein entsprechender Impuls festgestellt, wird in Schritt
S2 z. B. ein geeigneter (nicht gezeigten) Interrupt-Zählers inkrementiert.
Anschließend
wird in Schritt S3 ermittelt, ob es sich um den achten Interrupt
seit Starten des Timers handelt. Beträgt die Anzahl der Interrupte
noch nicht mehr als acht (Antwort nein), hat der Rotor 2 noch
keine vollständige
Drehung um den festgelegten Drehwinkel von 360° vollzogen. Die Zeitmesseinrichtung
läuft nunmehr
weiter, während
auf den nächsten
Interrupt gewartet wird.
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Hat
die Anzahl der Impulse hingegen die vorgegebene Zahl überschritten
(Antwort ja), wird der Timer angehalten und der Wert der gemessenen
Zeit tist gespeichert (Schritt S4).
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Die
Einrichtung 9 setzt in Schritt S5 den Interrupt-Zähler und
die Zeitmesseinrichtung anschließend zurück und wartet erneut auf einen
Interrupt.
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Die
Anzahl der durch den Zähler
gezählten Interrupts
kann im Wesentlichen beliebig sein. Es ist lediglich erforderlich,
dass der Anzahl der abgewarteten Interrupts ein bekannter Drehwinkel
zugeordnet ist, so dass über
das Verhältnis
von Drehwinkel zu gemessener Zeit auf die Drehzahl geschlossen werden
kann.
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Die
gemessene Zeit tist für den festgelegten Drehwinkel
wird nun von der Einrichtung 9 an einen Regler 10 zum
Regeln der Drehzahl des Antriebs 1 weitergeleitet und dort
mit derjenigen Zeit tsoll verglichen, welche
bei der eingestellten Solldrehzahl für eine Drehung um diesen Drehwinkel
erforderlich ist. Ist die gemessene Zeit tist im
Vergleich mit der Zeit tsoll zu lang, wird
die Drehzahl des elektrischen Antriebs erhöht. Ist die gemessene Zeit
tist im Vergleich mit der Zeit tsoll hingegen zu kurz, muss die Drehzahl
des elektrischen Antriebs hingegen herabgesetzt werden. Das Vergleichen
wird zyklisch durchgeführt.
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Der
Regler 10 ist zu diesem Zweck mit einem nicht dargestellten
Triac wirkverbunden, welcher durch eine Veränderung des Zündwinkels
eine Erhöhung
oder Herabsetzung der tatsächlichen
Drehzahl des elektrischen Antriebs bewirkt. Die Anpassung der Drehzahl
erfolgt also im Rahmen der hohen Genauigkeit der Zeitmessung und
der Verstellcharakteristik des Triacs, also mit außerordentlicher
Feinheit.
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Bei
dem Vorgehen nach dem Stand der Technik hingegen (5)
wird die Zahl der Impulse (1, 2, 3, 4, 5,
.., n) gezählt,
welche innerhalb einer für die
betreffende Drehzahl vorgegebene Torzeit tTor bestimmt
werden. Die Genauigkeit der Regelung hängt damit im Wesentlichen von
der Anzahl der Magnetpolpaare 5 ab.