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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Elektromotors einer Handwerkzeugmaschine. Die Erfindung betrifft ferner eine Steuervorrichtung für eine Handwerkzeugmaschine mit einer solchen Vorrichtung sowie eine solche Handwerkzeugmaschine, insbesondere eine elektrische Handwerkzeugmaschine, wie zum Beispiel einen Elektroschrauber oder eine handgehaltene Bohrmaschine.
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Herkömmlicherweise werden Elektromotoren von Handwerkzeugmaschinen oder handgeführten Werkzeugmaschinen mittels pulsweitenmodulierter Signale angesteuert. Die pulsweitenmodulierten Signale haben herkömmlicherweise eine konstante Trägerfrequenz.
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Infolge der Ansteuerung des Elektromotors mit dem pulsweitenmodulierten Signal entsteht eine Störstrahlung. Dabei konzentriert sich die abgestrahlte Störleistung auf die Grundfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals und deren Oberwellen. Im gesamten Störspektrum der Handwerkzeugmaschine sind zumeist diese Frequenzen herausragend und damit kritisch hinsichtlich der Einhaltung gesetzlicher Grenzwerte.
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Demnach ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ansteuerung für einen Elektromotor einer Handwerkzeugmaschine zu schaffen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Demgemäß wird ein Verfahren zum Ansteuern eines Elektromotors einer Handwerkzeugmaschine vorgeschlagen, bei dem der Elektromotor mittels eines pulsweitenmodulierten Signals angesteuert wird, wobei die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine variiert wird.
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Durch das Variieren der Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine konzentriert sich die abgestrahlte Störleistung nicht auf diese eine Trägerfrequenz, sondern verteilt sich in einem bestimmten Frequenzband einer Vielzahl von Frequenzen. Damit wird die Störleistung nicht auf wenigen Frequenzen, sondern auf einer Vielzahl von Frequenzen abgestrahlt. Dadurch reduziert sich das lokale Maximum der abgestrahlten Leistung bei einer bestimmten Frequenz. Folglich können gesetzliche Grenzwerte leichter eingehalten werden.
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Bei einer Ausführungsform wird die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals zur Ansteuerung des Elektromotors während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine fortlaufend, vorzugsweise kontinuierlich, variiert. Es ist jedoch auch möglich, dass die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals zur Ansteuerung des Elektromotors während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine sporadisch, zufällig und/oder unrhythmisch variiert. Durch die kontinuierliche Variation der Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine werden lokale Maxima bei der abgestrahlten Störleistung vermindert bzw. minimiert.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals zur Ansteuerung des Elektromotors während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine moduliert. Die Frequenzmodulation des pulsweitenmodulierten Signals stellt eine einfache technische Variante zur Variation der Trägerfrequenz bereit.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals zur Ansteuerung des Elektromotors während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine mittels eines bestimmten Modulationsverfahrens moduliert. Als bestimmte Modulationsverfahren können eine Vielzahl bekannter Modulationsverfahren eingesetzt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals zur Ansteuerung des Elektromotors während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine derart variiert, dass sich eine infolge der Ansteuerung des Elektromotors mit dem pulsweitenmodulierten Signal entstehende Störstrahlung auf ein bestimmtes Frequenzband um die Trägerfrequenz oder Grundfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals verteilt.
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Durch die Variation des pulsweitenmodulierten Signals kann die abgestrahlte Störleistung auf ein bestimmtes Frequenzband verteilt werden. Insbesondere kann durch die Wahl der Variation auch das bestimmte Frequenzband eingestellt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform werden die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals und das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals derart aufeinander abgestimmt variiert, dass die Drehzahl des Elektromotors konstant gehalten wird.
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Da sich die Drehzahl des Elektromotors bei einer Variation der Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals ändern kann, wird vorzugsweise das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signale abgestimmt auf die Variation der Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals derart variiert, dass die Drehzahl des Elektromotors konstant gehalten wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform werden die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals und das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals derart aufeinander abgestimmt variiert, dass die Drehzahl des Elektromotors bei einer konstanten Betätigung eines durch einen Nutzer betätigbaren Schalters der Handwerkzeugmaschine konstant gehalten wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Elektromotor ein Bürstenmotor.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Elektromotor ein bürstenloser Motor.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals zur Ansteuerung des Elektromotors während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine mit einer vorbestimmten Wiederholungsrate variiert. Die vorbestimmte Wiederholungsrate liegt vorzugsweise zwischen 10 Hz und 200 Hz.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals zur Ansteuerung des Elektromotors während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine jeweils um einen vorbestimmten Wert variiert wird. Der vorbestimmte Wert beträgt vorzugsweise 2% bis 5% der Trägerfrequenz. Die Variation oder Änderung erfolgt insbesondere mittels eines Sägezahnprofils. Es ist jedoch auch möglich, dass die Variation oder Änderung mittels eines Sinus-, Rechteck- oder Stufenkurvenprofils erfolgt.
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Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Ansteuern eines Elektromotors einer Handwerkzeugmaschine vorgeschlagen. Die Vorrichtung hat ein Bereitstellungsmittel, ein Variationsmittel und ein Ansteuermittel. Das Bereitstellungsmittel ist zum Bereitstellen eines pulsweitenmodulierten Signals zum Ansteuern des Elektromotors eingerichtet. Das Variationsmittel ist zum Variieren der Trägerfrequenz des bereitgestellten pulsweitenmodulierten Signals eingerichtet. Das Ansteuermittel ist zum Ansteuern des Elektromotors mit dem variierten pulsweitenmodulierten Signal eingerichtet.
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Das jeweilige Mittel, Bereitstellungsmittel, Variationsmittel und Ansteuermittel, kann hardwaretechnisch und/oder auch software-technisch implementiert sein. Bei einer hardwaretechnischen Implementierung kann das jeweilige Mittel als Vorrichtung oder als Teil einer Vorrichtung, zum Beispiel als Computer oder als Mikroprozessor ausgebildet sein. Bei einer software-technischen Implementierung kann das jeweilige Mittel als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein.
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Außerdem wird eine Steuervorrichtung für eine Handwerkzeugmaschine vorgeschlagen, wobei die Steuervorrichtung die oben beschriebene Vorrichtung zum Ansteuern des Elektromotors der Handwerkzeugmaschine integriert. Die Vorrichtung ist damit Teil der auch als Schalter bezeichneten Steuereinrichtung der Handwerkzeugmaschine.
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Weiterhin wird eine Handwerkzeugmaschine mit einer solchen Vorrichtung vorgeschlagen. Die Handwerkzeugmaschine ist insbesondere eine elektrische Handwerkzeugmaschine, wie zum Beispiel ein Elektroschrauber, eine handgehaltene Bohrmaschine, ein Meißelhammer, ein Kombihammer, ein Akkuschrauber, eine Kreissäge oder eine Säbelsäge.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigt:
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1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern eines Elektromotors einer Handwerkzeugmaschine;
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2 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Ansteuern eines Elektromotors einer Handwerkzeugmaschine;
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3 ein schematisches Blockschaltbild einer Handwerkzeugmaschine;
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4 ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Regelung für einen Elektromotors einer Handwerkzeugmaschine; und
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5 ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Regelung für einen Elektromotors einer Handwerkzeugmaschine..
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Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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In 1 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ansteuern eines Elektromotors 20 einer Handwerkzeugmaschine 30 dargestellt.
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In Schritt 101 wird ein pulsweitenmoduliertes Signal S1 zum Ansteuern des Elektromotors 20 bereitgestellt.
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In Schritt 102 wird die Trägerfrequenz des bereitgestellten pulsweitenmodulierten Signals S1 zur Bereitstellung eines variierten pulsweitenmodulierten Signals S2 variiert.
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Insbesondere wird die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals S2 zur Ansteuerung des Elektromotors 20 während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine 30 kontinuierlich variiert. Eine Möglichkeit der Variation des pulsweitenmodulierten Signals S2 ist eine Frequenzmodulation. Insbesondere wird das pulsweitenmodulierte Signal S2 mittels eines bestimmten Modulationsverfahrens moduliert.
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Die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals S2 zur Ansteuerung des Elektromotors 20 wird während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine 30 vorzugsweise derart variiert, dass sich eine infolge der Ansteuerung des Elektromotors 20 mit dem pulsweitenmodulierten Signal S2 entstehende Störstrahlung auf ein bestimmtes Frequenzband um die Trägerfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals S2 verteilt. Durch die Verteilung der entstehenden Störstrahlung auf die Vielzahl der Frequenzen des Frequenzbandes verringert sich das Maximum der abgestrahlten Störstrahlung. Zum Beispiel ist die Trägerfrequenz 10 kHz und das Frequenzband liegt zwischen 9,5 kHz und 10,5 kHz.
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Da die Variation der Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals S2 eine nicht gewollte Änderung der Drehzahl des Elektromotors 20 verursachen kann, werden die Frequenz des pulsweitenmodulierten Signals S2 und das Tastverhältnis des pulsweitenmodulierten Signals S2 derart aufeinander abgestimmt, dass die Drehzahl des Elektromotors 20 konstant gehalten wird. Dabei wird die Drehzahl des Elektromotors 20 insbesondere bei einer konstanten Betätigung eines durch einen Nutzer betätigbaren Schalters der Handwerkzeugmaschine 30 konstant gehalten.
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In Schritt 103 wird der Elektromotor 20 mit dem variierten pulsweitenmodulierten Signal S2 angesteuert.
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Das vorgeschlagene Verfahren ist beispielsweise auf Handwerkzeugmaschinen 30 mit Kohlebürsten-Motoren anwendbar. Das Verfahren ist weiterhin auf Handwerkzeugmaschinen 30 mit bürstenlosen Motoren anwendbar.
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2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 10 zum Ansteuern eines Elektromotors 20 einer Handwerkzeugmaschine 30.
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Die Vorrichtung 10 hat ein Bereitstellungsmittel 11, ein Variationsmittel 12 und ein Ansteuermittel 13.
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Das Bereitstellungsmittel 11 ist dazu eingerichtet, ein pulsweitenmodulierten Signal S1 zum Ansteuern des Elektromotors 20 bereitzustellen. Das Variationsmittel 12 empfängt das bereitgestellte pulsweitenmodulierte Signal S1 und variiert dessen Trägerfrequenz zur ausgangsseitigen Bereitstellung eines variierten pulsweitenmodulierten Signals S2. Das Ansteuermittel 13 empfängt das variierte pulsweitenmodulierte Signal S2 und steuert damit den Elektromotor 20 an.
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In 3 ist ein Blockschaltbild einer Handwerkzeugmaschine 30 dargestellt, welche die Vorrichtung 10 der 2 und den Elektromotor 20 umfasst, insbesondere integriert. 3 zeigt eine beispielhafte Handwerkzeugmaschine 30, z.B. einen Elektroschrauber. Die Handwerkzeugmaschine hat eine Werkzeugaufnahme 2, in welche ein Werkzeug 3 einsetzbar oder befestigbar ist. Die Werkzeuge sind beispielsweise ein Schrauberbit, einen Bohrer, eine Schleifscheibe und ein Sägeblatt. Ein Elektromotor 20 treibt die Werkzeugaufnahme 2 an, hier beispielhaft um eine Arbeitsachse 4 drehend. Ein Antriebsstrang zwischen der Werkzeugaufnahme 2 und dem Elektromotor 20 kann eine Spindel 5, ein Getriebe 6 und weitere Komponenten, z.B. eine Drehmomentkupplung, ein Exzenterrad enthalten.
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Ein Anwender nimmt die Handwerkzeugmaschine 30 durch Betätigen eines Tasters 7 in Betrieb. Der Taster 7 ist vorzugsweise an einem Handgriff 8 angeordnet, mit welchem der Anwender die Handwerkzeugmaschine 30 halten und führen kann. Eine Steuerung 10 versorgt ansprechend auf das Betätigen den Elektromotor 20 mit Strom. Eine beispielhafte Stromquelle der Handwerkzeugmaschine 30 ist ein Batteriepaket 40 mit mehreren sekundären Batteriezellen 41.
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In 4 ist ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Regelung 50 für einen Elektromotor 20 einer Handwerkzeugmaschine 30 dargestellt.
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Die Regelung 50 der 4 hat einen Drehzahlregler 51, einen Stromregler 52, einen PWM-Generator 53, einen Oszillator 54, einen Modulator 55, einen Frequenzteiler 56 und eine Motorbrückenschaltung 57 zur Ansteuerung des Elektromotors 20.
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Der Drehzahlregler 51 empfängt die Ist-Drehzahl nist des Elektromotors 20 und regelt diese auf eine Solldrehzahl nsoll. Als Stellgröße gibt der Drehzahlregler 51 eine Sollstromstärke Isoll dem Stromregler 52 aus. Daneben empfängt der Stromregler 52 noch die Iststromstärke Iist des Elektromotors 20. Der Stromregler 52 regelt die Iststromgröße Iist auf die Sollstromstärke Isoll. Dazu gibt der Stromregler 52 dem PWM-Generator 53 eine Stellgröße SG aus.
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Der Oszillator 54 gibt ausgangsseitig einen PWM-Takt T1 aus. Der PWM-Takt T1 wird dem Frequenzteiler 56 bereitgestellt. Der Frequenzteiler 56 hat einen einstellbaren Divisor, welcher über ein Einstellsignal E einstellbar ist. Der Modulator 55 stellt ausgangsseitig das Einstellsignal E bereit. Beispielsweise ist der PWM-Takt T1 64 MHz und wird um den Faktor oder Divisor 6400 auf 10 kHz geteilt. Die 10-kHz-PWM-Frequenz wird dann als variierter PWM-Takt T2 ausgangsseitig dem PWM-Generator 53 bereitgestellt. Der PWM-Generator 53 weist eine Vorrichtung 10 zur Generierung des variierten pulsweitenmodulierten Signals S2 auf. Die Vorrichtung 10 ist detailliert in 2 dargestellt. Die Motorbrückenschaltung 57 empfängt das variierte pulsweitenmodulierte Signal S2 und steuert abhängig davon den Elektromotor 20 an.
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5 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Regelung 50. Das zweite Ausführungsbeispiel der Regelung 50 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel der 4 dahingehend, dass nach 5 das Einstellsignal E nicht dem Frequenzteiler 56, sondern schon dem Oszillator 54 bereitgestellt wird.
