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(a) Technisches Umfeld der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Elektromotoren, insbesondere
eine Drehmoment-Steuerschaltung für einen Elektromotor eines Handwerkzeuges.
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(b) Beschreibung der bekannten Ausführungsart
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Elektrische
Handwerkzeuge, wie z. B. Schraubendreher und Schraubenschlüssel, sind üblicherweise
mit einem eingebauten Direktstrom-Elektromotor (GS) aufgebaut, mit
dem eine Drehkraft auf eine Schraube oder Mutter ausgeübt wird.
Zum Festziehen der Schraube oder Mutter muss mit dem Handwerkzeug
in der Endphase ein bestimmtes Drehmoment ausgeübt werden, um diese Schraube oder
Mutter richtig und sicher festzuziehen, ohne dass diese dabei gleichzeitig
zu locker oder zu fest festgezogen ist.
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Beim
Auftreffen auf einen Widerstand während dem Betrieb des Elektromotors
wird ihre Rotiergeschwindigkeit verlangsamt. Eine herkömmliche Methode
besteht daher darin, dass das Abtriebsdrehmoment des Elektromotors
an die beobachtete Rotiergeschwindigkeit des Elektromotors angepaßt wird.
Diese Methode weist mehrere Nachteile auf, so dass sowohl die Auflösung (Genauigkeit)
als auch die Rechtzeitigkeit beim Messen der Rotiergeschwindigkeit
unzureichend sind.
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Beim
Auftreffen auf einen Widerstand und wenn daher die Rotiergeschwindigkeit
des Elektromotors verlangsamt wird weist dies darauf hin, dass eine
gleichwertige interne Impedanz des Elektromotors reduziert ist,
während
der durch den Motor fließende
Strom und daher die Eingangsleistung erhöht sind. Im Gegensatz zur Rotiergeschwindigkeit
ist die Leistung des Elektromotors ein überlegener Kandidat zum Steuern
des Abtriebsdrehmoments des Elektromotors. Falls die Spannung, mit
der der Elektromotor versorgt wird, daher theoretisch konstant ist
und die Wirkung der Betriebstemperatur des Elektromotors ignoriert
wird steht die Eingangsleistung im direkten Zusammenhang mit dem
Eingangsstrom, wobei das Abtriebsdrehmoment des Elektromotors daher
ebenfalls durch Beobachten des Stroms, der zum Elektromotor zugeführt wird,
kontrolliert werden muss. Eine große Anzahl von kommerziellen
Produkten als solche sind zum Beobachten des Stroms, der durch den Elektromotor
fließt,
mit einer Linearschaltung ausgerüstet.
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In
Wirklichkeit ist die Spannung, mit der der Elektromotor versorgt
wird, jedoch nicht konstant, insbesondere wenn der Elektromotor
mit einer Batterie betrieben wird. Die Ausgangsspannung und der Strom
z. B. einer Li-Batterie weisen eine entsprechende Kurvenlinie auf,
wobei der zum Elektromotor zugeführte
beobachtete Strom alleine den Leistungseingang zum Elektromotor
nicht präzise
wiedergibt. Außerdem
spielt die Betriebstemperatur des Elektromotors tatsächlich eine
wichtige Rolle. Bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen sind
unterschiedliche entsprechende Kurvenlinien zwischen dem Abtriebsdrehmoment
des Elektromotors und dem Strom festzustellen. Wegen diesen Faktoren
ist das Beobachten des Stroms, das zum Steuern des Drehmomentes
durch den Elektromotor fließt,
ziemlich ungenau.
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Die
optimalere Methode zum Steuern des Abtriebsdrehmoments des Elektromotors
durch dessen Eingangsleistung ist das konstante Messen sowohl der
Spannung als auch des Stroms, mit denen der Elektromotor versorgt
wird, um danach die Eingangsleistung in Echtzeit zu berechnen. Dies
ist jedoch viel komplizierter zu erreichen, wenn dazu nur Linearschaltungen
verwendet werden. Eine wirksamere Methode wäre die Anwendung von Logikschaltungen
mit einer Einzelchip-Steuereinheit.
Leider ist eine Logikschaltung, die um einen Elektromotor betrieben
wird, starken Geräuschen
ausgesetzt. Um diese Geräusche
zu vermeiden, die zu Fehleinschätzungen
führen,
muss ein komplexer Filter eingebaut werden, was bei der Steuerung
des Drehmoments unweigerlich zu Zeitverzögerungen führt. Zusammen mit der Zeit,
die zum Berechnen der richtigen Drehmomentstufen erforderlich ist,
wird die Rechtzeitigkeit deutlich beeinträchtigt.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Das
erste Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer
neuartigen Drehmoment-Steuerschaltung, um die oben genannten Nachteile
der herkömmlichen
Ausführungsarten
zu umgehen.
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Der
Entwurf der vorliegenden Erfindung soll nachstehend beschrieben
werden. Die Funktion des Elektromotors eines Handwerkzeuges besteht
im Umwandeln der Eingangsleistung in eine Drehkraft, die auf eine
Schraube oder Mutter ausgeübt
wird. Die Festigkeit einer Schraube oder Mutter steht im Zusammenhang
mit der durchschnittlichen Ausgangsleistung in der Endphase des
Festziehvorgangs.
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Die
Durchschnittsleistung in der Endphase ist ein Integral über die
Zeit der Spannung, die mit der Spannung multipliziert wird. Falls
die Spannung nicht konstant ist würde die Durchschnittsleistung
je nach der Spannung verändert.
Um den Einfluss der Spannung zu vermeiden soll mit der vorliegenden
Erfindung die folgende Methode angenommen werden. In der Endphase
des Betriebsvorgangs und wenn der Strom ein vorbestimmtes Niveau
erreicht hat wird der Strom mit einer konstanten Stromschaltung
der Drehmoment-Steuerschaltung über
eine bestimmte Zeitdauer auf diesem Niveau gehalten. Während dieser
Zeitdauer wird die Drehung des Elektromotors auf eine sehr niedrige
Geschwindigkeit verlangsamt, wobei die gleichwertige interne Impedanz
des Elektromotors beinahe eine Konstante wäre. Die Durchschnittsleistung – die ebenfalls
als das Quadrat des Stroms, multipliziert mit der Impedanz, berechnet werden
kann – wäre daher
eine Konstante, ungeachtet der Spannung, d. h. die Festigkeit der
Schraube oder Mutter wäre
in Übereinstimmung
mit dem Strom, der in der Endphase durch den Elektromotor fließt.
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Da
der Strom ein Kandidat zur Steuerung ist, würde eine Linearschaltung für diesen
Zweck ausreichen und das Problem der Erzeugung von starken Geräuschen durch
den Elektromotor wird beseitigt.
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Hinsichtlich
der Auswirkung der Temperatur, die die entsprechende Kurvenlinie
zwischen dem Strom des Drehmoments des Elektromotors beeinträchtigt,
soll mit der vorliegenden Erfindung ein Mikroprozessor als das Herzstück der Drehmoment-Steuerschaltung verwendet
werden, um rechtzeitig eine günstige
Kurvenlinie für
die konstante Stromsteuerung auszuwählen.
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Die
Kombination der konstanten Stromschaltung mit dem Mikroprozessor
kann einen zusätzlichen
Vorteil zum Schutz gegen eine Überentladung der
Batterie schaffen. Basierend auf die überwachste Spannung kann mit
dem Mikroprozessor der höchst zulässige Strom,
der von der Batterie geliefert wird, bestimmt werden, um zu vermeiden,
dass die Batterie übermäßig entladen
wird.
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Laut
der oben stehenden Beschreibung wendet die vorliegende Erfindung
eine Linearschaltung zum dynamischen Erkennen und Steuern des Elektromotors
sowie einen Mikroprozessor zum Einstellen der Parameter dieser Linearschaltung
an. Daher kann mit der vorliegenden Erfindung eine bessere und präzise Drehmomentsteuerung
mit einer deutlich vereinfachten sowie rentablen Steuerschaltung
verwirklicht werden.
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Die
oben genannten Ziele und Zusammenfassung sollen lediglich eine Kurzeinführung der
vorliegenden Erfindung darlegen. Für ein umfassendes Verständnis dieser
und weiterer Ziele der vorliegenden Erfindung sowie der Erfindung
selber, die den Fachleuten auf diesem Gebiet offensichtlich werden, sollte
die nachstehende detaillierte Beschreibung der Erfindung und der
Schutzansprüche
unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen gelesen werden.
Die Bezugsziffern in der Beschreibung beziehen sich auf die Ziffern
auf den Zeichnungen zum Kennzeichnen von identischen oder ähnlichen
Komponenten.
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Vielerlei
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten
auf diesem Gebiet bei der Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung
und auf die beigelegten Zeichnungen, mit denen der Aufbau einer
bevorzugten Ausführungsart
mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung anhand eines veranschaulichten
Beispiels dargestellt wird, offensichtlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 stellt
ein Blockdiagramm einer Drehmoment-Steuerschaltung nach einer ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsart
dar.
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2 stellt
einen Schaltplan der Durchführung
des in der 1 dargestellten Blockdiagramms dar.
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3 stellt
ein Blockdiagramm einer Drehmoment-Steuerschaltung nach einer zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsart
dar.
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4 stellt
einen Schaltplan der Durchführung
des in der 3 dargestellten Blockdiagramms dar.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSARTEN
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Mit
den nachfolgenden Beschreibungen sollen die Ausführungsarten lediglich als Beispiel
dargelegt werden. Diese Bschreibungen sollen den Umfang, die Anwendbarkeit
oder die Konfiguration der Erfindung auf keine Weise einschränken. Die
untenstehende Beschreibung soll vielmehr die Durchführung der
als Beispiel dargestellten Ausführungsarten der
Erfindung auf eine praktische Weise offenlegen. Dabei können unterschiedliche
Abänderungen
und Modifizierungen der Funktion und Anordnung der beschriebenen
Komponenten vorgenommen werden, ohne dabei von dem in den anschließenden Schutzansprüchen beschriebenen
Umfang der Erfindung abzuweichen.
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In
der 1 ist ein Blockdiagramm einer Drehmoment-Steuerschaltung
nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsart
dargestellt. Wie hier gezeigt ist, ist die hier dargestellte Ausführungsart
grundsätzlich
aus einer Motorenantriebsschaltung 1, einer Stromerkennungsschaltung 2,
einer Bezugsspannungserzeugerschaltung 3, einer Strombegrenzungsschaltung 4 und
aus einer Drehmomentkonfigurationsschaltung 5 aufgebaut.
Mit der Motorenantriebsschaltung 1 wird ein Motor 10 angetrieben.
Dabei ist diese Motorenantriebsschaltung 1 dieser Reihe
nach mit dem Stromerkennungsschaltung 2 und der Erdung
serienverbunden. Die Strombegrenzungsschaltung 4 weist
zwei Eingänge
auf; einer ersten Eingangsklemme, die mit der Verbindungsstelle zwischen
der Motorenantriebsschaltung 1 und der Stromerkennungsschaltung 2 verbunden
ist, und einer zweiten Eingangsklemme, die mit der Bezugsspannungserzeugerschaltung 3 und
der Drehmomentkonfigurationsschaltung 5 (zum Empfangen
einer Bezungsspannung) verbunden ist. Eine Ausgangsklemme der Strombegrenzungsschaltung 4 ist mit
einer Steuerungsklemme der Motorenantriebsschaltung 1 (zum
Ein- oder Ausschalten dieser Motorenantriebsschaltung 1)
verbunden.
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In
der 1 ist ein Schaltplan der Durchführung des
in der 1 dargestellten Blockdiagramms dargestellt. Wie
hier gezeigt ist, besteht die Motorenantriebsschaltung 1 aus
einer Diode 11 und aus einem Halbleiter-Stromelement 12 (z. B. ein
MOSFET-Transistor oder ein bipolarer Transistor). Ein Stromwender
dieses Halbleiter-Stromelements 12 ist an einer zweiten
Anschlußklemme
des Motors 10 angeschlossen, während eine Emissionselektrode
des Halbleiter-Stromelements 12 mit dem Stromerkennungsschaltung 2 verbunden
ist, und ein Gate des Halbleiter-Stromelements 12 (d. h.
die Steuerungsklemme der Motorenantriebsschaltung 1) mit
der Ausgangsklemme der Strombegrenzungsschaltung 4 verbunden
ist. Die Diode 11 ist mit dem Motor 10 parallelverbunden,
wobei dessen Anode mit der zweiten Anschlußklemme des Motors 10 (oder
auch mit dem Stromwender des Halbleiter-Stromelements 12)
und dessen Kathode mit einer ersten Anschlußklemme des Motors 10 verbunden
ist.
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Die
Stromerkennungsschaltung 2 ist ein Niedrigohm-Hochlastwiderstand
Rs. Beim Fließen des
Stroms durch die Motorenantriebsschaltung 1 und durch diesen
Niedrigohm-Hochlastwiderstand Rs wird eine Abtastspannung Vs in Übereinstimmung mit
dem Strom erzeugt.
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Die
Bezugsspannungserzeugerschaltung 3 und die Drehmomentkonfigurationsschaltung 5 werden
zusammen von einem Widerstand R14 und einem variablen Widerstand
R15, die in dieser Reihe zwischen einer Systemspannung Vcc der Drehmomentsteuerschaltung
und der Erdung serienverbunden sind, genutzt. Eine Verbindungsstelle
zwischen dem Widerstand R14 und dem variablen Widerstand R15 ist
mit der zweiten Eingangsklemme der Strombegrenzungsschaltung 4 verbunden.
Ei Justierelement des variablen Widerstands R15 ist außen am Handwerkzeug
freigelegt und nimmt diese Drehmoment-Steuerschaltung für ein einfaches
Justieren auf. Durch Justieren dieses variablen Widerstands R15
wird eine Bezugsspannung Vref in Übereinstimmung mit einem gewünschten
Drehmomentniveau erzeugt und zur zweiten Eingangsklemme der Strombegrenzungsschaltung 4 übertragen.
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Diese
Strombegrenzungsschaltung 4 ist aus einer ersten Rechenverstärkerschaltung 41 und zweiten
Rechenverstärkerschaltung 42 aufgebaut. Die
erste Rechenverstärkerschaltung 41 besteht hauptsächlich aus
einem Rechenverstärker
OP1, dessen negative Eingangsklemme geerdet ist, während dessen
positive Eingangsklemme mit der ersten Eingangsklemme der Strombegrenzungsschaltung 4 (und
mit der Verbindungsstelle zwischen der Motorenantriebsschaltung 1 und
der Stromerkennungsschaltung 2) über einen Widerstand R1 verbunden ist.
Die erste Rechenverstärkerschaltung 41 besteht weiter
aus einem Widerstand R2 und aus einem Kondensator C1, der zwischen
der positiven Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme des Rechenverstärkers OP1
parallelverbunden ist, wobei der Rechenverstärker OP1 wiederum über den
serienverbundenen Widerstand R3 und den Kondensator C2 in dieser
Reihe geerdet ist.
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Die
zweite Rechenverstärkerschaltung 42 ist hauptsächlich aus
einem Rechenverstärker
OP2 aufgebaut, dessen positive Eingangsklemme mit der Verbindungsstelle
zwischen dem Widerstand R3 und dem Kondensator C2 verbunden ist.
In dieser Konfiguration wird die Abtastspannung Vs in Übereinstimmung
mit dem Strom, der durch den Elektromotor 10 fließt, mit
der ersten Rechenverstärkerschaltung 41 verstärkt und
gefiltert, um ihn in eine zu vergleichende Spannung V1 umzuwandeln.
Eine negative Eingangsklemme des Rechenverstärkers OP2 ist mit der Verbindungsstelle
zwischen dem Widerstand R14 und dem variablen Widerstand R15 verbunden und
empfängt
die Bezugsspannung Vref. Eine Ausgangsklemme des Rechenverstärkers OP2
ist mit einer Basis eines Transistors Q2 verbunden, dessen Emissionselektrode
geerdet ist und dessen Stromwender mit dem Gate des Halbleiter-Stromelements 12 (d.
h. mit der Steuerungsklemme der Motorenantriebsschaltung 1)
verbunden ist. In dieser Konfiguration wird die Spannung V1 mit
der Bezugsspannung Vref verglichen. Falls diese Spannung V1 niedriger ist
als die Bezugsspannung Vref wird eine Niedrigausgangsspannung auf
das Gate des Transistors Q2 aufgetragen, der daher ausgeschaltet
wird. Die Spannung von einer Batterie (nicht gekennzeichnet) oder
einer anderen elektrischen Stromquelle wird direkt auf das Gate
des Halbleiter-Stromelements 12 aufgetragen,
wobei letzteres den Strom durch den Elektromotor 10 fließen läßt. Ist
jedoch die Spannung V1 höher
als die Bezugsspannung Vref wird eine Hochausgangsspannung auf das
Gate des Transistors Q2 aufgetragen, der somit eingeschaltet wird.
Da das Gate des Halbleiter-Stromelements 12 durch die Leitung
des Transistors Q2 grundsätzlich
geerdet ist, fließt
kein Strom durch den Elektromotor 10. Der Elektromotor 10 wird
in diesem Fall jedoch nicht angehalten. Wie in der Zusammenfassung
der vorliegenden Erfindung beschrieben, wird der Strom mit der Strombegrenzungsschaltung 4 über eine
bestimmte Zeitdauer auf dem Niveau gehalten, wenn der durch den
Elektromotor 10 fließende
Strom dieses vorbestimmte Niveau erreicht hat. Auf diese Weise kann
der negative Effekt, der durch das plötzliche Anhalten des Elektromotors 10 verursacht
würde, vermieden
werden.
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In
der 3 ist ein Blockdiagramm einer Drehmoment-Steuerschaltung
nach einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsart
dargestellt. Wie hier gezeigt ist, ist die hier dargestellte Ausführungsart ähnlich wie
die vorherige Ausführungsart
ebenfalls aus der Motorenantriebsschaltung 1, der Stromerkennungsschaltung 2,
der Bezugsspannungserzeugerschaltung 3, der Strombegrenzungsschaltung 4 und
der Drehmomentkonfigurationsschaltung 5 aufgebaut. Zusätzlich ist
diese zweite bevorzugte Ausführungsart
mit einer Anzeigeschaltung 6, einer Spannungsreglerschaltung 7,
einer Steuerschaltung 9 und aus einer Temperatursensorschaltung 8 aufgebaut.
Man beachtet, dass die Temperatursensorschaltung 8 in einigen
Ausführungsarten
ausgelassen werden kann.
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Die
Steuerschaltung 9 ist hauptsächlich aus einer Steuereinheits-IS
mit mehreren Eingangs- und Ausgangsklemmen aufgebaut. Die Ausgänge der Bezugsspannungserzeugerschaltung 3,
die Strombegrenzungsschaltung 4, die Drehmomentkonfigurationsschaltung 5 und
die Temperatursensorschaltung 8 sind an die jeweils passenden
Eingangsklemmen der Steuerschaltung 9 angeschlossen. Die
Steuerschaltung 9 sendet dann die Steuersignale über die entsprechenden
Ausgangsklemmen zur Steuerungsklemme der Motorenantriebsschaltung 1 und
zur Bezugsspannungserzeugerschaltung 3 und zeigt mit der
Anzeigeschaltung 6 den gegenwärtigen Drehmomentwert des Elektromotors 10 an.
Dieser wird üblicherweise
auf einem Displaybildschirm dieser Anzeigeschaltung 6 angezeigt.
Die Motorenantriebsschaltung 1 ist mit einer Antriebsschaltung
eines Elektromotors eines Elektromotors 10 verbunden, während eine
Eingangsklemme der Strombegrenzungsschaltung 4 mit einer
Verbindungsstelle zwischen der Stromerkennungsschaltung 2 und
der Motorenantriebsschaltung 1, und eine weitere Ausgangsklemme
der Strombegrenzungsschaltung 4 – im Gegensatz zu jener, die
mit dem integrierten Schaltkreis verbunden ist – mit einer Gate-Steuerungsklemme
der Motorenantriebsschaltung 1 verbunden ist. Die Bezugsspannungsausgangsklemme
der Bezugsspannungserzeugerschaltung 3 ist mit der Strombegrenzungsschaltung 4 verbunden.
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Die
Motorenantriebsschaltung 1 ist auch hier mit einer Diode 11,
die über
einen Elektromotor 10 angeschlossen ist, und aus einem
Halbleiter-Stromelement 12 (z. B. einem MOSFET-Transistor
oder einem bipolaren Transistor), die zwischen dem Elektromotor 10 und
der Stromerkennungsschaltung 2 angeordnet ist, aufgebaut.
Ein Gate des Halbleiter-Stromelements 12 ist mit der Steuerungsklemme
der Motorenantriebsschaltung 1 (und daher mit einer Ausgangsklemme
der Strombegrenzungsschaltung 4 and mit einer entsprechenden
Ausgangsklemme der Steuerschaltung 9) verbunden.
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Beim
Schließen
eines Schalters SW1 des Handwerkzeuges wird die Spannung von der
Batterie oder einer anderen elektrischen Stromquelle mit der Spannungsreglerschaltung 7 geregelt,
wobei die Drehmoment-Steuerschaltung (wie z. B. eine Spannungsklemme
der Steuerschaltung 9) mit einer stabilen Spannung versorgt
wird. In diesem Augenblick wird die Halbleiter-Stromelement 12 durch
die Steuerschaltung 9 in einem ausgeschalteten Status gehalten,
um den Elektromotor 10 ausgeschaltet zu halten. Gleichzeitig
empfängt
die Steuerschaltung 9 von der Drehmomentkonfigurationsschaltung 5 ein
gewünschtes
Drehmomentniveau, wobei diese Drehmomentkonfigurationsschaltung 5 hauptsächlich aus einem
variablen Widerstand mit einem Justierelement aufgebaut ist, wobei
letzteres außen
auf dem Handwerkzeug freigelegt ist. Dieses gewünschte Drehmomentniveau wird
mit der Anzeigeschaltung 6 angezeigt. Über die Temperatursensorschaltung 8 wird
der Steuerschaltung 9 ebenfalls eine gegenwärtige Temperatur
des Elektromotors 10 übertragen. Von
einer internen Abbildungstabelle (hinsichtlich des Verhältnisses
zwischen der Temperatur, Spannung, des Drehmoments und des Stroms)
kann die Steuerschaltung 9 dann einen entsprechenden und passenden
Bezugsspannungswert ermitteln. Die Steuerschaltung 9 weist
danach die Bezugsspannungserzeugerschaltung 3 an, die Bezugsspannung für die Strombegrenzungsschaltung 4 zu
erzeugen.
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Mit
der Steuerschaltung 9 wird danach das Halbleiter-Stromelement 9 eingeschaltet,
um die Motorenantriebsschaltung 1 anzuleiten und um so
den Elektromotor 10 in Betrieb zu nehmen. Beim Festziehen
einer Schraube oder Mutter mit dem Elektromotor 10 nimmt
der Widerstand zu, die Rotiergeschwindigkeit des Elektromotors 10 wird
verlangsamt und der durch den Elektromotor 10 fließende Strom
wird ebenfalls erhöht.
Beim Fließen
des Stroms durch die Stromerkennungsschaltung 2 wird eine
entsprechende Spannung erzeugt und von der Strombegrenzungsschaltung 4 aufgenommen.
Wnen die entsprechende Spannung die Bezugsspannung noch nicht erreicht
hat bleibt das Halbleiter-Stromelement 12 eingeschaltet
und der Elektromotor 10 wird weiter betrieben. Übersteigt
die von der Stromerkennungsschaltung 2 erhaltene entsprechende
Spannung die Bezugsspannung wird das Halbleiter-Stromelement 12 durch
die Strombegrenzungsschaltung 4 ausgeschaltet. Daher wird
der durch den Elektromotor 10 fließende Strom ausgeschaltet.
Andererseits erzeugt die Stromerkennungsschaltung 2 keine
entsprechende Spannung und die Strombegrenzungsschaltung 4 schaltet
das Halbleiter-Stromelement 12 wiederum ein und der Elektromotor 10 wird
ebenfalls eingeschaltet. Sofort wird die Stromerkennungsschaltung 2 durch
den erhöhten
Widerstand und den Strom dazu gebracht, eine entsprechende Spannung
zu erzeugen, die wiederum höher
als die Bezugsspannung ist. Der durch den Elektromotor 10 fließende Strom
wird wiederum ausgeschaltet. Auf diese Weise wird das Halbleiter-Stromelement 12 wiederholt
ein- und ausgeschaltet,
wobei dadurch der durch den Elektromotor 10 fließende Strom
durchschnittlich auf einem vorbestimmten Niveau gehalten wird.
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Wenn
der durchschnittliche Stromwert das vorbestimmte Niveau erreicht
and dies durch die Steuerschaltung 9 festgestellt wird,
schaltet die Steuerschaltung 9 das Halbleiter-Stromelement 12 nach einiger
Zeit aus (d. h. der durchschnittliche Stromwert wird über einie
bestimmte Zeitdauer auf dem vorbestimmten Niveau gehalten). Das
Ausschalten des Halbleiter-Stromelements 12 mit der Steuerschaltung 9 kann
durch eine mit der Impulsbreite modulierte Rechteckwelle erfolgen,
dessen Breite allmählich verschmälert wird,
um den negativen Effekt und den Aufschlag des Impulses des Elektromotors 10 möglichst
gering zu halten, wenn der Elektromotor 10 angehalten wird.
Beim vollständigen
Anhalten des Elektromotors 10 würde dessen interne Impedanz
auf einer Konstante gehalten, wobei die durchschnittliche Ausgangsleistung
des Elektromotors 10 allgemein eine Konstante darstellen
würde,
wenn sich der durchschnittliche Stromwert ebenfalls auf einem vorbestimmten
Niveau befindet. Auf diese Weise wird die Schraube oder Mutter mit
einer gewünschten Festigkeit
festgezogen.
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Die
Steuerschaltung 9 bildet daher das Herzstück der vorliegenden
Ausführungsart.
Diese kann daher weitere zusätzliche
Merkmale anbieten. Beispielsweise kann sie über die Anzeigeschaltung 6 das
vorbestimmte Drehmomentniveau, das gewünschte Drehmomentniveau nach
dem Justieren, das zuletzt erreichte Drehmomentniveau oder die Durchschnittsleistung
anzeigen. Die Steuerschaltung 9 kann die Batterie des Handwerkzeuges
weiter schonen. Wenn beispielsweise die Spannung der Batterie auf
ein bestimmtes Niveau abfällt
oder die Temperatur einen bestimmten Wert übersteigt kann mit der Steuerschaltung 9 verhindert
werden, dass die Einstellwerte des gewünschten Drehmomentniveaus ein
angemessenes Niveau übersteigen.
Um die Genauigkeit des erzeugten Drehmoments unter dem Einfluss
von unterschiedlichen Variierungen der Teile zu erreichen kann die
zuvor erwähnte
Abbildungstabelle der Steuerschaltung 9 nach dem Zusammensetzen
des Handwerkzeuges fein eingestellt werden (d. h. durch das sogenannte
In-ckt-Programmieren).
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Die 3 zeigt
weiter eine zweite Ausführungsart
der Drehmoment-Steuerschaltung für
einen Elektromotor eines Handwerkzeuges nach der vorliegenden Erfindung.
Die Elemente und Effekte der dritten Ausführungsart sind dieselben wie
die der ersten Ausführungsart
und sollen hier daher nicht weiter beschrieben werden. Es sollen
lediglich die Unterschiede erläutert
werden. Wenn die Vergleichsspannung einen gewünschten Wert erreicht wird
das Halbleiter-Stromelement 12 durch die Steuerschaltung 9 dazu
gebracht, auf der Schaltung des Elektromotors 10 zu leiten,
um den Elektromotor 10 zum Rotieren zu bringen. Der Ausgang
des Elektromotors 10. Wegen dem Festziehen einer Schraube
oder Mutter unterliegt der Ausgang des Elektromotors 10 einer
erhöhten
Impedanz, wodurch die Rotiergeschwindigkeit verlangsamt und der
Strom erhöht
wird. Der durch die Stromerkennungsschaltung 2 fließende Strom
wird in eine Spannung umgewandelt, die zur Strombegrenzungsschaltung 4 geleitet
wird. In dem Moment, wenn der Strom den Wert der Bezugsspannung
nicht erreicht hat behält
das Halbleiter-Stromelement 12 die Aktivierung der Leitung
der Schaltung des Elektromotors 10 bei, so dass der Elektromotor 10 kontinuierlich
rotiert wird. Zu der Zeit, wenn die Spannung, die dem Strom entspricht,
mit der Bezugsspannung übereinstimmt
oder diese übersteigt, sendet
die Strombegrenzungsschaltung 4 ein Ausschaltsignal an
das Gate des Halbleiter-Stromelements 12, um somit den
Elektromotor 10 unverzüglich
auszuschalten und so dass der durch diesen Elektromotor 10 fließende Strom
reduziert oder ganz ausgeschaltet wird. Die Steuerschaltung 9 empfängt daraufhin
die Nachricht, dass der Strom den voreingestellten Wert erreicht
und so das Halbleiter-Stromelement 12 ebenfalls unverzüglich zum
Ausschalten der Schaltung des Elektromotors 10 veranlaßt wird,
so dass der erkannte Wert der Spannung mit dem Strom unterhalb der
Bezugsspannung in Übereinstimmung
gebracht wird. Die Strombegrenzungsschaltung 4 sendet wiederum
ein Signal zum Aktivieren des Halbleiter-Stromelements 12 aus,
um den Elektromotor 10 einzuschalten und um somit die Drehung
des Elektromotors 10 erneut zu starten. Kurz danach steigt
der Strom wegen der Impedanz und der Spannung wieder an, wobei diese
Spannung wiederum der entspricht, die die Bezugsspannung erneut übersteigt,
um den Betrieb des Elektromotors 10 anzuhalten. Auf diese
Weise wird der Betrieb des Elektromotors 10 wegen der Steuerung
durch den Bezugsspannungswert schnell und abwechselnd ein- und ausgeschaltet,
so dass die höchste
Betriebsspannung, die durch den Elektromotor 10 fließt, auf einem
voreingestellten Wert gehalten wird. Außerdem kann der Betrieb der
Steuerschaltung 9, der das Halbleiter-Stromelement 12 zum
Ausschalten der Motorenantriebsschaltung 1 anregt, abwechselnd
mit den Methoden der Impulsbreitenmodulation (PWM) durchgeführt werden,
um ein Abbrennen des Elektromotors 10 während einem Vollspannungsbetrieb
wegen einer Höchstbetriebsspannung
zu vermeiden, wenn mehrere Batterien verwendet werden.
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Während einem
Aufschlag beim Festziehen der Schraube/Mutter kann die Steuerschaltung 9 beim
Empfangen einer Variierung des Erkennungsstromverhältnisses
vom Ausgang der Strombegrenzungsschaltung 4 und der Stromerkennungsschaltung 2 feststellen,
ob die Aufschlagkraft einen voreingestellten Wert erreicht. Wenn
dabei festgestellt wird, dass der voreingestellte Wert erreicht
wird beginnt die Steuerschaltung 9 automatisch mit dem
Zählen der
Zeit. Nach einer kurzen voreingestellten Wartezeit (wobei diese
Wartezeit dem Zählen
des Aufschlages entspricht und einen gespeicherten Zeitzählwert darstellt,
der zum bedingten Starten in die Steuerschaltung 9 eingegeben
wird) wird ein Ausschaltsignal zum Halbleiter-Stromelement 12 ausgegeben,
um den Betrieb des Elektromotors 10 anzuhalten. Da die
Impedanz fest ist und da der Strom ebenfalls auf einen bestimmten
Wert fixiert ist, ist dieses Mal die endgültige durchschnittliche Ausgangsleistung
vom Elektromotor 10 beinahe konstant, um die Schraube/Mutter
schließlich
mit dem gewünschten
Aufschlag-Festziehdrehmoment festzuziehen. Durch das Justieren des
in der Steuerschaltung 9 eingestellten Zeitzählwertes
kann der Drehmomentwert durch Feineinstellen und Steuern präziser eingestellt
werden.
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In
der 4 ist ein Schaltplan der Durchführung des
in der 3 dargestellten Blockdiagramms dargestellt. Wie
hier gezeigt, dient hier ein Niedrigohm-Stromwiderstand Rs als eine Stromerkennungsschaltung 2.
Beim Fließen
des Stroms durch die Motorenantriebsschaltung 1 und danach
durch den Niedrigohm-Stromwiderstand
Rs wird eine Abtastspannung Vs, die mit dem Strom übereinstimmt,
erzeugt.
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Die
Bezugsspannungserzeugerschaltung 3 ist hauptsächlich aus
einem Kondensator Q1 aufgebaut, dessen Basis über einen Widerstand R6 mit
einer Ausgangsklemme der Steuerschaltung 9 verbunden und über einen
Widerstand R7 geerdet ist. Die Emissionselektrode des Kondensators
Q1 ist geerdet, während
der Stromwender über
einen Widerstand R5 mit einer zweiten Eingangsklemme der Strombegrenzungsschaltung 4 verbunden
ist. Diese zweite Eingangsklemme der Strombegrenzungsschaltung 4 wird über einen
Kondensator C3 ebenfalls geerdet, über einen Widerstand R4 mit
der Systemspannung Vcc und mit einer Eingangsklemme der Steuerschaltung 9 verbunden.
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Die
Strombegrenzungsschaltung 4 ist aus einer ersten Rechenverstärkerschaltung 41 und
aus einer zweiten Rechenverstärkerschaltung 42 aufgebaut.
Die erste Rechenverstärkerschaltung 41 besteht
hauptsächlich
aus einem Rechenverstärker OP1,
dessen negative Eingangsklemme geerdet ist, während dessen positive Eingangsklemme
mit der ersten Eingangsklemme der Strombegrenzungsschaltung 4 (und
mit der Verbindungsstelle zwischen der Motorenantriebsschaltung 1 und
der Stromerkennungsschaltung 2) über einen Widerstand R1 verbunden
ist. Die erste Rechenverstärkerschaltung 41 besteht
weiter aus einem Widerstand R2 und aus einem Kondensator C1, der
zwischen der positiven Eingangsklemme und einer Ausgangsklemme des Rechenverstärkers OP1
parallelverbunden ist.
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Die
zweite Rechenverstärkerschaltung 42 ist hauptsächlich aus
einem Rechenverstärker
OP2 aufgebaut, dessen positive Eingangsklemme über einen Widerstand R3 mit
der Ausgangsklemme des Rechenverstärkers OP1 verbunden und über einen Kondensator
C2 ebenfalls geerdet ist. In dieser Konfiguration wird die Abtastspannung
Vs in Übereinstimmung
mit dem Strom, der durch den Elektromotor 10 fließt, mit
der ersten Rechenverstärkerschaltung 41 verstärkt und
gefiltert, um ihn in eine zu vergleichende Spannung V1 umzuwandeln.
Eine negative Eingangsklemme des Rechenverstärkers OP2 ist mit der zweiten
Eingangsklemme der Strombegrenzungsschaltung 4 verbunden
und empfängt
die Bezugsspannung Vref von der Bezugsspannungserzeugerschaltung 3.
Eine Ausgangsklemme des Rechenverstärkers OP2 ist über einen
Widerstand R8 mit einer Eingangsklemme der Steuerschaltung 9 verbunden,
wobei dieser wiederum über
einen Widerstand R9 mit einer Basis eines Transistors Q2 verbunden
ist. Die Basis dieses Transistors Q2 ist über einen Widerstand R10 ebenfalls
geerdet, die Emissionselektrode ist geerdet, und der Stromwender
ist mit dem Gate des Halbleiter-Stromelements 12 verbunden.
In dieser Konfiguration wird die Spannung V1 mit der Bezugsspannung
Vref verglichen. Falls diese Spannung V1 niedriger ist als die Bezugsspannung Vref
wird eine Niedrigausgangsspannung auf die Basis des Transistors
Q2 aufgetragen, der daher ausgeschaltet wird. Das Halbleiter-Stromelement 12 läßt den Strom
durch den Elektromotor 10 fließen. Ist jedoch die Spannung
V1 höher
als die Bezugsspannung Vref wird eine Hochausgangsspannung auf die Basis
des Transistors Q2 aufgetragen, der somit eingeschaltet wird. Da
das Gate des Halbleiter-Stromelements 12 durch die Leitung
des Transistors Q2 grundsätzlich
geerdet ist, fließt
kein Strom durch den Elektromotor 10. Der Elektromotor 10 wird
in diesem Fall jedoch nicht sofort angehalten. Wie oben beschrieben,
wird der Strom mit der Strombegrenzungsschaltung 4 über eine
bestimmte Zeitdauer auf dem Niveau gehalten, wenn der durch den
Elektromotor 10 fließende
Strom dieses vorbestimmte Niveau erreicht hat. Wie bereits oben
erwähnt,
kann die Steuerschaltung 9 mit der Rechteckwelle, die mit
der Impulsbreite moduliert wird, die pulse-width-modulated square
wave anwenden, um das Halbleiter-Stromelement 12 allmählich auszuschalten,
um den negativen Effekt, der durch das plötzliche Anhalten des Elektromotors 10 verursacht
wird, vermieden werden.
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Die
Drehmomentkonfigurationsschaltung 5 ist aus einem Widerstand
R14 und aus einem variablen Widerstand R15 aufgebaut, die in dieser
Reihe zwischen der Systemspannung Vcc und der Erde serienverbunden
sind. Die Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand R14 und dem
variablen Widerstand R15 ist mit einer Eingangsklemme der Steuerschaltung 9 verbunden.
Ein Justierelement (z. B. ein Drehknauf oder ein Hebel) des variablen
Widerstands R15 ist für
ein leichtes Justieren außen
am Handwerkzeug freigelegt. Zusammen mit der Anzeigeschaltung 6 kann
mit dem Justierelement ein gewünschtes Drehmomentniveau
eingestellt oder eine Kalibrierung vorgenommen werden.
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Die
Anzeigeschaltung 6 kann aus einem Flüssigkristall-Anzeigefeld aufgebaut
sein, das mit einer Anzahl von Antriebstransistoren betrieben wird, wobei
letztere über
eine Schnittstelle mit der Steuerschaltung 9 verbunden
sind. Dies ist jedoch bereits aus vorherigen bekannten Ausführungsarten
bekannt und soll hier ausgelassen werden.
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Die
Spannungsreglerschaltung besteht aus einem Widerstand R16, dessen
ein Ende mit einem Schalter SW1 des Handwerkzeuges und dessen anderes
Ende über
einen parallelverbundenen Kondensator C4 und einer Zener-Diode ZD1
(deren Anode geerdet ist) geerdet und ebenfalls mit einer Stromversorgungsklemme
der Steuerschaltung 9 verbunden ist.
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Die
Temperatursensorschaltung 8 ist aus einem Widerstand R13
und aus einem Thermistor Rth aufgebaut, wobei diese dieser Reihe
nach zwischen der Systemspannung Vcc und der Erde serienverbunden
sind. Die Verbindungsstelle zwischen den Widerständen R13 und dem Thermistor
Rth ist mit einer Eingangsklemme der Steuerschaltung 9 verbunden.
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In
anderen Ausführungsarten
können
die Drehmomentkonfigurationsschaltung 5, die Anzeigeschaltung 6 und
die Steuerschaltung 9 auf einer einzigen Steuerplatine
des Handwerkeugs einstückig miteinander
ausgeführt
sein. Die Drehmomentkonfigurationsschaltung 5 ist nicht
nur auf die Anwendung mit dem variablen Widerstand und mit Drehknäufen eingeschränkt. In
einigen Ausführungsarten
besteht die Anzeigeschaltung 6 aus einem Tastfeld zum Eingeben
des gewünschten
Drehmomentniveaus, während
dieses Drehmomentniveau digital mit einer Digitallogikschaltung
gesteuert wird.
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Der
Schalter SW1 kann als einen üblichen EIN-/AUS-Schalter
oder als einen VSR-Schalter
gebildet sein. Einige Ausführungsarten
sind mit einem zusätzlichen
Schalter ausgestattet, mit dem die Drehrichtung des Elektromotors 10 bestimmt
wird. Diese Komponenten sind bereits aus anderen Ausführungsarten
bekannt, so dass auf deren Beschreibung hier verzichtet werden soll.
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Es
ist selbstverständlich,
dass jedes der oben beschriebenen Elemente, oder zwei oder mehr kombiniert,
ebenfalls für
Methoden angewendet werden können,
die sich von der oben beschriebenen Ausführungsart unterscheiden.