DE102017107075A1

DE102017107075A1 - Elektrowerkzeug und Motortreibersystem davon

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Publication number: DE102017107075A1
Application number: DE102017107075.3A
Authority: DE
Inventors: Hai Bo MA; Yuk Tung LO; Jin Zhou CHEN; Yong Sheng GAO; Jian Xun ZOU; Song Chen
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric International AG
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2017-10-05
Also published as: CN107294466A; US20170288583A1

Abstract

Es wird ein Motortreibersystem vorgeschlagen, das einen Inverter (40) umfasst, der mit zwei Anschlüssen einer Stromversorgung (20) verbunden ist, wobei der Inverter (40) mehrere Halbleiterschalterelemente umfasst und konfiguriert ist für die Umwandlung einer von der Stromversorgung (20) bereitgestellten Spannung in einen Wechselstrom für den Antrieb eines Motors (10); eine Mikrosteuereinheit (30), die mit zwei Anschlüssen der Stromversorgung (20) verbunden ist, wobei die Mikrosteuereinheit (30) über einen Betriebsmodus und einen Ruhemodus verfügt; und einen Drückerschalter (50), von welchem zwei Anschlüsse jeweils mit zwei Anschlüssen der Mikrosteuereinheit verbunden sind, wobei der Drückerschalter (50) konfiguriert ist für die Ausgabe eines Antwortsignals an die Mikrosteuereinheit (30), um die Mikrosteuereinheit (30) nach Maßgabe des Antwortsignals von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus oder von dem Ruhemodus in den Betriebsmodus zu schalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Elektrowerkzeug und insbesondere ein bei dem Elektrowerkzeug anwendbares Motortreibersystem.
HINTERGRUND
Elektrowerkzeuge werden sowohl in der Industrie als auch im alltäglichen Leben häufig verwendet. Der Motor eines Elektrowerkzeugs wird nach derzeitigem Stand abgeschaltet, indem eine Verbindung zwischen einer Mikrosteuereinheit des Elektrowerkzeugs und einer Stromversorgung unterbrochen wird. Wenn der Betrieb des Elektrowerkzeugs jedoch nur ganz kurz gestoppt werden soll, wird die Mikrosteuereinheit hierfür wiederholt zum Anschalten und Abschalten gesteuert, was zu Lasten der Lebensdauer der Mikrosteuereinheit geht. Andererseits wird Energie verschwendet, wenn die Verbindung zwischen der Mikrosteuereinheit und der Stromversorgung nicht unterbrochen wird.
ÜBERSICHT
In Anbetracht der vorstehenden Ausführungen werden erfindungsgemäß ein Motortreibersystem und ein Elektrowerkzeug mit besserer Effizienz vorgeschlagen.
Ein Motortreibersystem umfasst einen Inverter, der mit zwei Enden einer Stromversorgung verbunden ist, wobei der Inverter eine Mehrzahl von Halbleiterschalterelementen umfasst und konfiguriert ist für die Umwandlung einer von der Stromversorgung bereitgestellten Spannung in einen Wechselstrom für den Antrieb eines Motors; eine Mikrosteuereinheit, die mit zwei Enden der Stromversorgung verbunden ist, wobei die Mikrosteuereinheit in einem Betriebsmodus und in einem Ruhemodus arbeitet, wobei die Mikrosteuereinheit konfiguriert ist für die Ausgabe eines Ansteuersignals zum Steuern eines Leistungsmodus der mehrzähligen Halbleiterschaltelemente in dem Inverter im Betriebsmodus und zum Stoppen der Ausgabe des Ansteuersignals an den Inverter im Ruhemodus; und einen Schalterkörper, wobei zwei Anschlüsse des Schalterkörpers jeweils mit der Mikrosteuereinheit verbunden sind, der Schalterkörper für die Ausgabe eines Antwortsignals an die Mikrosteuereinheit konfiguriert ist und die Mikrosteuereinheit konfiguriert ist für das Schalten von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus oder von dem Ruhemodus in den Betriebsmodus entsprechend dem Antwortsignal.
Vorzugsweise gibt der Schalterkörper, wenn dieser geschlossen wird und wenn die Drehung des Motors stoppt, ein Geschlossen-Antwortsignal an die Mikrosteuereinheit aus, und die Mikrosteuereinheit wird zum Schalten von dem Ruhemodus in den Betriebsmodus angesteuert; und wenn der Schalterkörper geöffnet wird, gibt der Schalterkörper ein Geöffnet-Antwortsignal an die Mikrosteuereinheit aus, die Drehung des Motors wird gestoppt und die Mikrosteuereinheit nach Maßgabe des Geöffnet-Antwortsignals zum Schalten von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus angesteuert.
Vorzugsweise gibt der Schalterkörper, wenn er geschlossen wird und die Drehung des Motors stoppt, ein Geschlossen-Antwortsignal an die Mikrosteuerung aus, wobei die Mikrosteuerung entsprechend dem Geschlossen-Antwortsignal zum Schalten von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus angesteuert wird; und wenn der Schalterkörper geöffnet wird, gibt der Schalterkörper ein Geöffnet-Antwortsignal an die Mikrosteuereinheit aus, wobei die Mikrosteuereinheit zum Schalten von dem Ruhemodus in den Betriebsmodus angesteuert wird.
Vorzugsweise ist das Motortreibersystem ferner konfiguriert für die Erfassung einer Magnetpolposition eines Läufers des Motors, wobei die Mikrosteuereinheit von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus schaltet, wenn die Mikrosteuereinheit feststellt, dass die Magnetpolposition des Läufers des Motors konstant ist, und bestimmt, dass der Motorbetrieb stoppt.
Vorzugsweise ist der Inverter ausgebildet zum Veranlassen des Stoppens des Betriebs des Motors, wenn die Mikrosteuereinheit im Betriebsmodus ein Bremssignal ausgibt, um den Leistungsmodus der mehrzähligen Halbleiterschalterelemente in dem Inverter zu steuern, wobei die Mikrosteuereinheit in den Ruhemodus schaltet, wenn der Motorbetrieb stoppt.
Vorzugsweise umfasst der Inverter eine obere Halbbrücke und eine untere Halbbrücke, wobei die obere Halbbrücke und die untere Halbbrücke jeweils wenigstens zwei Halbleiterschalterelemente umfassen, wobei die Mikrosteuereinheit, wenn der Motor gebremst wird, ein Ansteuersignal überträgt, um jeweils zwei der wenigstens zwei Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke zum Anschalten zu steuern und um jeweils zwei der wenigstens zwei Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke zum Anschalten zu steuern, wobei eine Motorständerwicklung und die aktivierten Halbleiterschalterelemente einen Stromkreis bilden.
Vorzugsweise steuert die Mikrosteuereinheit alternierend jeweils zwei der wenigstens zwei Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke des Inverters zum Anschalten während einer ersten Hälfte eines Drehzyklus des Motors und jeweils zwei der wenigstens zwei Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke des Inverters zum Anschalten während einer zweiten Hälfte der Drehzyklus des Motors.
Vorzugweise bestimmt die Mikrosteuereinheit, wenn die Anzahl der Motorständerwicklungen mindestens zwei beträgt und wenn ein Bremsvorgang durchgeführt wird, eine erste Motorständerwicklung mit einer maximalen gegenelektromotorischen Kraft und eine zweite Motorständerwicklung mit einer minimalen gegenelektromotorischen Kraft entsprechend einer Magnetpolposition eines Läufers des Motors und überträgt das Ansteuersignal zum alternierenden Steuern von Halbleiterschalterelementen der oberen Halbbrücke und von Halbleiterschalterelementen der unteren Halbbrücke zum Anschalten, wobei die angeschalteten bzw. aktivierten Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke ein erstes Halbleiterschalterelement umfassen, das die erste Motorständerwicklung steuert, und ein zweites Halbleiterschalterelement, das die zweite Motorständerwicklung steuert, und wobei die aktivierten Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke ein drittes Halbleiterschalterelement umfassen, das die erste Motorständerwicklung steuert, und ein viertes Halbleiterschalterelement, das die zweite Motorständerwicklung steuert, wodurch die erste Motorständerwicklung und die zweite Motorständerwicklung über das aktivierte erste Halbleiterschalterelement und das aktivierte zweite Halbleiterschalterelement miteinander kurzgeschlossen werden oder über das aktivierte dritte Halbleiterschalterelement und das aktivierte vierte Halbleiterschalterelement miteinander kurzgeschlossen werden.
Vorzugsweise ist ein Positionssensor konfiguriert für die Ausgabe eines Hall-Signals entsprechend der Magnetpolposition des Läufers. Die obere Halbbrücke umfasst einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter und einen dritten Schalter, und die untere Halbbrücke umfasst einen vierten Schalter, einen fünften Schalter und einen sechsten Schalter, wobei zwischen dem ersten Schalter und dem vierten Schalter, zwischen dem zweiten Schalter und dem fünften Schalter und zwischen dem dritten Schalter und dem sechsten Schalter jeweils ein Knoten gebildet ist und wobei die Mikrosteuereinheit den fünften Schalter und den sechsten Schalter aktiviert, wenn das von dem Positionssensor ausgegebene Hall-Signal den Wert 101 aufweist, den vierten und den fünften Schalter aktiviert, wenn das von dem Positionssensor ausgegebene Hall-Signal den Wert 100 aufweist, den vierten und den sechsten Schalter aktiviert, wenn das von dem Positionssensor ausgegebene Hall-Signal den Wert 110 aufweist, den zweiten und den dritten Schalter aktiviert, wenn das von dem Positionssensor ausgegebene Hall-Signal den Wert 010 aufweist, den ersten und den zweiten Schalter aktiviert, wenn das von dem Positionssensor ausgegebene Hall-Signal den Wert 011 aufweist, und den ersten Schalter und den dritten Schalter aktiviert, wenn das von dem Positionssensor ausgegebene Hall-Signal den Wert 001 aufweist.
Vorzugsweise überträgt die Mikrosteuereinheit, wenn die Anzahl der Wicklungen des Motorständers eins beträgt und wenn ein Bremsvorgang durchgeführt wird, das Ansteuersignal entsprechend der Magnetpolposition eines Läufers, so dass die wenigstens zwei Halbleiterelemente der oberen Halbbrücke aktiviert werden und die wenigstens zwei Halbleiterelemente der unteren Halbbrücke aktiviert werden, wobei die Wicklung des Motorständers und die aktivierten Halbleiterelemente einen Schaltkreis bilden.
Vorzugsweise ist ein Positionssensor konfiguriert für die Ausgabe eines Hall-Signals entsprechend der Magnetpolposition des Läufers, wobei der Inverter eine obere Halbbrücke und eine untere Halbbrücke umfasst, wobei die obere Halbbrücke einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter und die untere Halbbrücke einen dritten und einen vierten Schalter umfasst, wobei zwischen dem ersten Schalter und dem dritten Schalter und zwischen dem zweiten Schalter und dem vierten Schalter jeweils ein Knoten gebildet ist und wobei die Mikrosteuereinheit den dritten Schalter und den vierten Schalter aktiviert, wenn das von dem Positionssensor ausgegebene Hall-Signal den Wert 10 aufweist, und den ersten und den zweiten Schalter aktiviert, wenn das von dem Positionssensor ausgegebene Hall-Signal den Wert 01 aufweist.
Vorzugsweise kann der Motorantrieb ferner einen Rheostat umfassen, der mit der Mikrosteuereinheit verbunden ist und konfiguriert ist für die Lieferung unterschiedlicher Eingangssignale an die Mikrosteuereinheit durch Verschieben, wobei die Mikrosteuereinheit an den Inverter ein Bremssignal ausgibt, um den Motor zum Stoppen zu steuern, wenn ein Eingangssignal eine erste Bedingung erfüllt.
Vorzugsweise kann der Motorantrieb ferner einen Drücker umfassen. Der Drücker ist ausgebildet zum Treiben des Rheostats und des Schalterkörpers zum Bewegen bei einer manuellen Betätigung durch eine Person, wobei der Drücker, wenn er gedrückt wird, den Rheostat und den Schalterkörper zu einer Bewegung in derselben Richtung treibt, und wenn er losgelassen wird, den Rheostat zu einer Bewegung derart treibt, dass das von dem Rheostat an die Mikrosteuereinheit gelieferte Eingangssignal die Mikrosteuereinheit zur Ausgabe eines Bremssignals ansteuert, wobei der Drücker den Schalterkörper zu einer Bewegung derart treibt, dass der Schalterkörper die Mikrosteuereinheit zum Schalten von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus ansteuert, nachdem der Drücker für eine erste vorgegebene Zeitdauer losgelassen wurde.
Vorzugsweise treibt der Drücker, wenn er gedrückt wird, den Schalterkörper zu einer Bewegung derart an, dass die Mikrosteuereinheit zum Schalten von dem Ruhemodus in den Betriebsmodus angesteuert wird, und treibt den Rheostat zu einer Bewegung derart an, dass die Mikrosteuereinheit ein Tastverhältnis des von der Mikrosteuereinheit ausgegebenen Ansteuersignals entsprechend dem Eingangssignal anpasst, das von dem Rheostat an die Mikrosteuereinheit geliefert wird, um eine Drehzahl des Motors einzustellen.
Vorzugsweise wird beim Drücken des Drückers das von dem Rheostat an die Mikrosteuereinheit gelieferte Eingangssignal entsprechend der auf den Drücker ausgeübten Kraft auf die verschiedenen Spannungswerte eingestellt, wobei die Drehzahl des Motors mit der auf den Drücker ausgeübten Kraft variiert.
Vorzugsweise vergrößert sich das von dem Rheostat an die Mikrosteuereinheit gelieferte Eingangssignal beim Drücken des Drückers allmählich auf einen vorgegebenen Wert, so dass die Drehzahl des Motors allmählich auf einen Einstellwert ansteigt, wenn der Drücker gedrückt wird.
Vorzugsweise steuert der Schalterkörper die Mikrosteuereinheit an, so dass die Mikrosteuereinheit von dem Betriebsmodus in den Schlafmodus schaltet, nachdem das von dem Rheostat an die Mikrosteuereinheit gelieferte Eingangssignal bewirkt hat, dass die Mikrosteuereinheit über eine zweite vorgegebene Zeitdauer ein Bremssignal ausgibt.
Vorzugsweise gibt die Mikrosteuereinheit, wenn das von dem Rheostat an die Mikrosteuereinheit gelieferte Eingangssignal kleiner ist als ein erster vorgegebener Spannungswert, an den Inverter ein Bremssignal aus, um den Motor derart anzusteuern, dass dessen Betrieb gestoppt wird, und wenn das von dem Rheostat an die Mikrosteuereinheit gelieferte Eingangssignal größer ist als der erste vorgegebene Spannungswert, passt die Mikrosteuereinheit ein Tastverhältnis des Ansteuersignals entsprechend dem Eingangssignal an, um ein Drehzahl des Motors anzupassen.
Vorzugsweise umfasst der Rheostat einen ersten feststehenden Kontakt, einen zweiten feststehenden Kontakt und einen beweglichen Kontakt, wobei der erste feststehende Kontakt und der zweite feststehende Kontakt jeweils mit einem Stromanschluss und einem Erdungsanschluss der Mikrosteuereinheit verbunden sind und der bewegliche Kontakt mit einem Eingangsanschluss der Mikrosteuereinheit verbunden ist, wobei von dem Rheostat an die Mikrosteuereinheit unterschiedliche Eingangssignale geliefert werden, indem der bewegliche Kontakt in Richtung auf den ersten feststehenden Kontakt oder den zweiten feststehenden Kontakt verschoben wird, wobei sich das Eingangssignal allmählich vergrößert, wenn sich der bewegliche Kontakt in Richtung auf den ersten feststehenden Kontakt verschiebt, und sich allmählich verkleinert, wenn sich der bewegliche Kontakt in Richtung auf den zweiten feststehenden Kontakt verschiebt.
Ein Elektrowerkzeug umfasst vorzugsweise ein Gehäuse, einen Arbeitskopf, der sich aus dem Gehäuse heraus erstreckt, einen Motor für den Antrieb des Arbeitskopfes und ein Motortreibersystem wie vorstehend beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockdiagramm eines Motortreibersystems gemäß einer Ausführungsform;
2 ist ein Schaltungsdiagramm eines Motortreibersystems gemäß einer Ausführungsform;
3 ist ein Wellenformdiagramm eines Hall-Signals und von gegenelektromotorischen Kräften des Motortreibersystems von 2;
4 zeigt schematisch das Motortreibersystem gemäß der Ausführungsform, das einen Bremsvorgang durchzuführen hat, wenn das Hall-Signal den Wert 101 aufweist;
5 ist ein Schaltungsdiagramm eines Motortreibersystems gemäß einer weiteren Ausführungsform;
6 zeigt schematisch das Motortreibersystem gemäß einer weiteren Ausführungsform, das einen Bremsvorgang durchzuführen hat, wenn das Hall-Signal den Wert 10 aufweist.
7 zeigt in einem Diagramm eine Übereinstimmung zwischen einem Zustand eines Schalterkörpers und einem Eingangssignal;
8 zeigt schematisch ein Elektrowerkzeug, bei welchem das vorstehende Motortreibersystem angewendet wird.
DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die technischen Lösungen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen verständlich und umfassend beschrieben. Dabei dienen die Zeichnungen lediglich Erläuterungszwecken und stellen keine Einschränkung der vorliegenden Erfindung dar. In den Zeichnungen dargestellte Dimensionen sind im Hinblick auf eine klare und verständliche Darstellung gewählt, ohne ein proportionales Verhältnis zu definieren.
Es wird auf 1 Bezug genommen. Ein erfindungsgemäßes Motortreibersystem ist konfiguriert zum Treiben eines Motors für den Betrieb des Motors oder zum Stoppen des Betriebs des Motors. In dieser Ausführungsform ist der Motor 10 ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor), der einen Ständer hat und einen Läufer, der sich relativ zu dem Ständer drehen kann. Der Ständer hat einen Ständerkern und eine auf dem Ständerkern ausgeführte Wicklung. Der Ständerkern kann aus einem weichmagnetischen Material wie Reineisen, Gusseisen, Gussstahl, Elektrostahl und Siliziumstahl hergestellt sein. Der Läufer ist mit einem Permanentmagnet und einem Kühlgebläse versehen.
Eine Stromversorgung 20 versorgt den Motor 10 mit elektrischem Strom. In dieser Ausführungsform kann die Stromversorgung 20 eine Lithium-Ionen-Batterie sein. In anderen Ausführungsformen kann die Stromversorgung 20 Batterien eines anderen Typs entsprechen, zum Beispiel einer Nickel-Metall-Hybridbatterie, einer Lithium-Polymer-Batterie, einer Brennstoffzelle und einer Solarbatterie. Die Stromversorgung 20 kann eine aufladbare Batterie sein, die in einem mit dem Motor 10 versehenen Elektrowerkzeug herausnehmbar befestigt ist. Darüber hinaus kann die Stromversorgung 20 auch die Netzversorgung sein.
Das Motortreibersystem umfasst eine Mikrosteuereinheit 30, einen Inverter 40, einen Drückerschalter 50 und einen Positionssensor 60.
In dieser Ausführungsform ist die Mikrosteuereinheit 30 mit zwei Enden der Stromversorgung 20 verbunden und ist konfiguriert für die Ausgabe eines Signals zum Steuern eines Leistungsmodus des Inverters 40. In anderen Ausführungsformen kann das Motortreibersystem ferner einen Spannungsregler enthalten, der konfiguriert ist für die Abwärtswandlung einer von der Stromversorgung 20 gelieferten Spannung und für deren Bereitstellung an die Mikrosteuereinheit 30, und einen Treiber, der konfiguriert ist für eine Verstärkung oder für die Durchführung einer Stromverstärkung an einem Signal, das von der Mikrosteuereinheit 30 ausgegeben wird, und für dessen Übertragung zu dem Inverter 40.
Die Mikrosteuereinheit 30 kann in einem Betriebsmodus und in einem Ruhemodus arbeiten. Die Mikrosteuereinheit 30 ist konfiguriert für die Ausgabe eines Ansteuersignals an Halbleiterschalterelemente des Inverters 40 im Betriebsmodus, um einen Leistungsmodus des Motors 10 zu steuern und dadurch eine Kommutation und/oder Drehzahlsteuerung des Motors auszuführen. In dieser Ausführungsform gibt die Mikrosteuereinheit 30 das Ansteuersignal im Betriebsmodus aus, um den Leistungsmodus des Motors 10 zu steuern, so dass der Motor 10 für seinen Betrieb oder zum Stoppen seines Betriebs gesteuert wird, und stoppt die Ausgabe des Ansteuersignals an den Inverter 40 im Ruhemodus. In dieser Ausführungsform ist das Ansteuersignal ein PWM-Signal. In dieser Ausführungsform ist das Ansteuersignal ein Bremssignal, wenn eine Bremsung durchgeführt wird. Deshalb gibt die Mikrosteuereinheit 30 bei einem Bremsvorgang das Bremssignal aus, um den Leistungsmodus des Motors 10 dahingehend zu steuern, dass der Betrieb des Motors 10 gestoppt wird.
Der Inverter 40 ist mit zwei Enden der Stromversorgung 20 und mit dem Motor 10 verbunden. Der Inverter 40 hat eine obere Halbbrücke und eine untere Halbbrücke, die jeweils wenigstens zwei Halbleiterschalterelemente aufweisen. In dieser Ausführungsform sind die Halbleiterschalterelemente MOSFETs. Der Inverter 40 ist konfiguriert für die Umwandlung einer von der Stromversorgung 20 bereitgestellten Spannung in einen Wechselstrom für den Antrieb des Motors 10.
In dieser Ausführungsform hat der Drückerschalter 50 einen Drücker 51 (wie in 8 gezeigt), einen Schalterkörper 52 und einen Rheostat 53. Der Drücker 51 ist ausgebildet zum Treiben des Schalterkörpers 52 und des Rheostats 53, so dass sich der Schalterkörper und der Rheostat bewegen, wenn der Drücker von einem Nutzer gedrückt wird.
Zwei Anschlüsse des Schalterkörpers 52 sind mit der Mikrosteuereinheit 30 verbunden. In dieser Ausführungsform gibt der Schalterkörper 52, wenn er geschlossen wird, ein Geschlossen-Antwortsignal an die Mikrosteuereinheit 30 aus. Die Mikrosteuereinheit 30 wird angesteuert zum Schalten von dem Ruhemodus in den Betriebsmodus. Wenn der Schalterkörper 52 geöffnet wird und die Drehung des Motors stoppt, gibt der Schalterkörper 52 ein Geöffnet-Antwortsignal an die Mikrosteuereinheit 30 aus. Das Geöffnet-Antwortsignal steuert die Mikrosteuereinheit 30 zum Schalten von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus.
In dieser Ausführungsform kann der Rheostat 53 ein Schiebe-Rheostat oder ein Potentiometer sein. Der Rheostat 53 ist mit der Mikrosteuereinheit 30 verbunden. Der Rheostat 53 kann einen ersten feststehenden Kontakt 531, einen zweiten feststehenden Kontakt 532 und einen beweglichen Kontakt 533 umfassen. In dieser Ausführungsform sind der erste feststehende Kontakt 531 und der zweite feststehende Kontakt 532 jeweils mit einem Stromversorgungsanschluss VCC und einem Erdungsanschluss GND der Mikrosteuereinheit 30 verbunden, und der bewegliche Kontakt 533 ist mit einem Eingangsanschluss 301 der Mikrosteuereinheit 30 verbunden. Der bewegliche Kontakt 533 ist ausgebildet für die Bereitstellung verschiedener Eingangssignale an die Mikrosteuereinheit 30, indem er in Richtung auf den ersten feststehenden Kontakt 531 oder den zweiten feststehenden Kontakt 532 verschoben wird. In dieser Ausführungsform treibt der Drücker 51, wenn er gedrückt wird, den beweglichen Kontakt, so dass sich der bewegliche Kontakt in Richtung auf den feststehenden Kontakt 531 verschiebt. Wenn der Drücker 51 losgelassen wird, treibt der Drücker 51 den beweglichen Kontakt 533, so dass dieser sich in Richtung auf den zweiten feststehenden Kontakt 532 verschiebt. In dieser Ausführungsform ist jedes der Eingangssignale, das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 geliefert wird, ein Spannungswert. In dieser Ausführungsform gibt die Mikrosteuereinheit 30 das Bremssignal an den Inverter 40 aus, wenn ein von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 geliefertes Signal kleiner ist als ein erster vorgegebener Spannungswert (z.B. 0,5 Volt, 0,8 Volt oder dergleichen). Wenn das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Eingangssignal größer ist als der erste vorgegebene Wert (z.B. 0,5 Volt, 0,8 Volt oder dergleichen), stellt die Mikrosteuereinheit 30 ein Tastverhältnis des von der Mikrosteuereinheit 30 ausgegebenen PWM-Signals entsprechend dem Eingangssignal ein, so dass eine Drehzahl des Motors 10 angepasst wird.
In dieser Ausführungsform steuert der Drücker 51, wenn er gedrückt wird, den Schalterkörper 52 zum Schließen. Unterdessen steuert der Drücker 51, wenn er gedrückt wird, den beweglichen Kontakt 533 des Rheostats 53, so dass sich der bewegliche Kontakt in Richtung auf den ersten feststehenden Kontakt 531 verschiebt. Das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Eingangssignal wird auf Spannungswerte gemäß den verschiedenen Kräften, die auf den Drücker 51 ausgeübt werden, eingestellt, so dass die Drehzahl des Motors 10 mit den auf den Drücker 51 ausgeübten Kräften variiert. Wenn die ausgeübte Kraft beispielsweise 8 Newton beträgt, entspricht das Eingangssignal, das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 geliefert wird, 0,8 Volt, wobei die Drehzahl des Motors 10 gleich 800 U/min betragen kann. Wenn die ausgeübte Kraft von 8 Newton auf 5 Newton eingestellt wird, erfolgt eine Anpassung des Eingangssignals, das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 geliefert wird, von 0,8 Volt auf 0,5 Volt, und ebenso wird die Motordrehzahl 10 von 800 U/min auf 500 U/min eingestellt. Wenn der Drücker 51 losgelassen wird, treibt der Drücker 51 den beweglichen Kontakt 533 des Rheostats 53 derart, dass sich der bewegliche Kontakt in Richtung auf den feststehenden Kontakt 532 verschiebt, und das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Signal nimmt allmählich auf einen voreingestellten Wert (von beispielsweise 0 Volt, 0,2 Volt oder dergleichen) ab. Wenn das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Signal kleiner ist als der erste vorgegebene Spannungswert (z.B. 0,5 Volt, 0,8 Volt oder dergleichen), gibt die Mikrosteuereinheit 30 an den Inverter 40 ein Bremssignal aus. Wenn inzwischen der Drücker 51 losgelassen wird, treibt der Drücker den Schalterkörper 52 derart, dass der Schalterkörper 52 nach dem Loslassen des Drückers 51 für eine erste vorgegebene Zeitdauer (z.B. 7 Sekunden) geöffnet wird. In dieser Ausführungsform kann der Drückerschalter 50 ferner ein Verzögerungsmodul enthalten, das veranlasst, dass der Schalterkörper 52 nach dem Loslassen des Drückers 51 für die erste vorgegebene Zeitdauer (z.B. 7 Sekunden) geöffnet wird.
In dieser Ausführungsform kann der Positionssensor 60 vorzugsweise ein Halleffekt-Sensor sein, der an dem Ständer vorgesehen ist oder an einer Position in dem Ständer in der Nähe des Läufers in dem Motor 10 und der konfiguriert ist für Erfassung einer Magnetpolposition des Läufers. In anderen Ausführungsformen wird die Magnetpolposition des Läufers gegebenenfalls nicht durch die Verwendung des Positionssensors 60, sondern stattdessen ohne einen Positionssensor erfasst. In dieser Ausführungsform ist der Positionssensor 60 mit der Mikrosteuereinheit 30 verbunden.
Die Mikrosteuereinheit 30 gibt entsprechend der durch den Positionssensor 60 erfassten Magnetpolposition des Läufers das PWM-Signal zum Steuern der Aktivierung und Deaktivierung der Halbleiterschalterelemente in dem Inverter 40 aus, für eine Steuerung des Leistungsmodus des Motors 10, so dass der Motor 10 für den Betrieb oder zum Stoppen des Betriebs angesteuert wird. Das Prinzip und das Verfahren der Mikrosteuereinheit 30 zum Steuern des Inverters 40 zum Treiben des Motors 10 entsprechen dem Prinzip und dem Verfahren einer üblichen Mikrosteuereinheit zum Steuern des Inverters 40 zum Treiben des Motors 10 werden an dieser Stelle nicht mehr eigens erläutert. In dieser Ausführungsform überträgt die Mikrosteuereinheit 30 beim Durchführen eines Bremsvorgangs das PWM-Signal, um abwechselnd jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke zum Anschalten zu steuern und um jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke zum Anschalten zu steuern. Die Wicklung des Ständers des Motors und die aktivierten Halbleiterschalterelemente bilden einen Schaltkreis, in dem ein Phasenstrom erzeugt wird. Eine Richtung des Phasenstroms ist die gleiche wie die der gegenelektromotorischen Kraft, die bei der Drehung des Motors 10 durch die Wicklung des Ständers des Motors erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist der Phasenstrom geeignet, die Drehung des Motors 10 zu verhindern, wodurch der Motor 10 gebremst wird. Beim Bremsen werden jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke und jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke alternierend zum Anschalten gesteuert, wodurch ein Ausbrennen der Halbleiterschalterelemente bedingt durch lange Anschaltdauern verhindert wird.
Speziell in dieser Ausführungsform arbeitet die Mikrosteuereinheit 30, die beim Bremsen das PWM-Signal überträgt, um alternierend jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke und jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke zum Anschalten zu steuern, folgendermaßen: die Mikrosteuereinheit 30 steuert alternierend jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke des Inverters 40 zum Anschalten während einer ersten Hälfte eines Drehzyklus des Motors 10 und steuert jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke des Inverters 40 zum Anschalten während einer zweiten Hälfte des Drehzyklus des Motors 10.
In anderen Ausführungsformen arbeitet die Mikrosteuereinheit 30, die beim Bremsen das PWM-Signal überträgt, um alternierend jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke und jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke zum Anschalten zu steuern, folgendermaßen: die Mikrosteuereinheit 30 steuert alternierend jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke des Inverters 40 zum Anschalten während der ersten Hälfte eines Drehzyklus des Motors 10 und steuert jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke des Inverters 40 zum Anschalten während der zweiten Hälfte des Drehzyklus des Motors 10; oder die Mikrosteuereinheit 30 steuert alternierend zwei Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke des Inverters 40 und zwei Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke des Inverters 40 zum Anschalten.
In anderen Ausführungsformen überträgt die Mikrosteuereinheit 30 beim Bremsen das PWM-Signal, um lediglich die Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke zum Anschalten zu steuern, so dass der Phasenstrom erzeugt wird.
Im Folgenden wird das Funktionsprinzip der Motortreiberschaltung beschrieben.
Wenn der Drücker 51 gedrückt wird, treibt dieser den Schalterkörper 52 zum Schließen an. Der Schalterkörper 52 gibt ein Geschlossen-Antwortsignal an die Mikrosteuereinheit 30 aus; die Mikrosteuereinheit 30 wird angesteuert zum Schalten von dem Ruhemodus in den Betriebsmodus. Wenn der Drücker 51 inzwischen gedrückt wird, treibt dieser den beweglichen Kontakt 533 des Rheostats 53, so dass der bewegliche Kontakt in Richtung auf den ersten feststehenden Kontakt 531 verschoben wird, und das Eingangssignal, das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 geliefert wird, wird entsprechend den verschiedenen Kräften, die auf den Drücker 51 ausgeübt werden, auf verschiedene Spannungswerte eingestellt. Wenn das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Eingangssignal größer ist als ein erster vorgegebener Spannungswert, gibt die Mikrosteuereinheit 30 entsprechend dem Eingangssignal und der durch den Positionssensor 60 erfassten Magnetpolposition des Läufers das PWM-Signal aus, um den Inverter 40 derart zu steuern, dass der Motor 10 angetrieben wird.
Wenn der Drücker 51 losgelassen wird, treibt der Drücker 51 den beweglichen Kontakt 533 des Rheostats 53, so dass der bewegliche Kontakt in Richtung auf den zweiten feststehenden Kontakt 532 verschoben wird, und das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Signal wird allmählich schwächer. Wenn das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Signal kleiner ist als der erste vorgegebene Spannungswert, überträgt die Mikrosteuereinheit 30 das PWM-Signal, um alternierend jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der oberen Halbleiterbrücke und jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der untere Halbleiterbrücke zum Anschalten zu steuern. Die Wicklung des Ständers des Motors und die aktivierten Halbleiterschalterelemente bilden einen Schaltkreis, in welchem der Phasenstrom erzeugt wird. Die Richtung des Phasenstroms ist die gleiche wie die der gegenelektromotorischen Kraft, die durch die Wicklung des Ständers des Motors erzeugt wird, wenn sich der Motor 10 dreht. Wenn der Drücker 51 losgelassen wird, treibt der Drücker 51 den Schalterkörper 52, so dass der Schalterkörper 52 nach dem Loslassen des Drückers für eine erste vorgegebene Zeitdauer geöffnet wird. Wenn der Schalterkörper 52 geöffnet wird, überträgt der Schalterkörper 52 das Geöffnet-Antwortsignal zu der Mikrosteuereinheit 30; die Mikrosteuereinheit 30 wird angesteuert zum Schalten von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus. Die Mikrosteuereinheit 30 stoppt die Ausgabe des Signals an den Inverter 40. Die erste vorgegebene Zeitdauer wird von einem Nutzer festgelegt oder ist ein Standardwert des Systems. Nachdem der Drücker 51 losgelassen wurde, stoppt der Motor 10 den Betrieb für eine erste vorgegebene Zeitdauer. Erst dann wird der Schalterkörper 52 geöffnet, und erst dann schaltet die Mikrosteuereinheit 30 von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus und stoppt die Ausgabe des Signals an den Inverter 40, wodurch verhindert wird, dass der Motor 10 bedingt durch Trägheit gegebenenfalls nicht in der Lage ist, schnell zu stoppen.
In einer Ausführungsform beträgt die Anzahl von Wicklungen des Ständers des Motors mindestens zwei. Wenn der Motor 10 bremst, bestimmt die Mikrosteuereinheit 30 entsprechend der Magnetpolposition des Läufers des Motors eine erste Motorständerwicklung mit einer maximalen gegenelektromotorischen Kraft und eine zweite Motorständerwicklung mit einer minimalen gegenelektromotorischen Kraft. Die Mikrosteuereinheit 30 überträgt das PWM-Signal, um alternierend die Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke und die Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke zum Anschalten zu steuern, wobei die aktivierten Halbleiterschaltelemente der oberen Halbbrücke ein erstes Halbleiterschaltelement umfassen, das die erste Motorständerwicklung steuert, und ein zweites Halbleiterschaltelement, das die zweite Motorständerwicklung steuert, und wobei die aktivierten Halbleiterschaltelemente der unteren Halbbrücke ein drittes Halbleiterschalterelement umfassen, das die erste Motorständerwicklung steuert, und ein viertes Halbleiterschalterelement, das die zweite Motorständerwicklung steuert, wobei die erste Motorständerwicklung und die zweite Motorständerwicklung über das erste aktivierte Halbleiterschalterelement und das aktivierte zweite Halbleiterschalterelement miteinander kurzgeschlossen werden oder über das aktivierte dritte Halbleiterschalterelement und das aktivierte vierte Halbleiterschalterelement miteinander kurzgeschlossen werden. Der Phasenstrom wird durch die elektromotorischen Gegenkräfte von der ersten Motorständerwicklung und der zweiten Motorständerwicklung erzeugt. Da die erste Motorständerwicklung mit der maximalen gegenelektromotorischen Kraft und die zweite Motorständerwicklung mit der minimalen gegenelektromotorischen Kraft aktiviert werden, ist eine zwischen der ersten Motorständerwicklung und der zweiten Motorständerwicklung gebildete Spannungsdifferenz maximal. Aus diesem Grund ist der durch die erste Motorständerwicklung und die zweite Motorständerwicklung fließende Phasenstrom maximal, und das erzeugte Bremsmoment ist maximal, so dass der Motor 10 schneller bremsen kann.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Anzahl von Motorständerwicklungen eins. In diesem Fall beträgt die Anzahl der Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke zwei und die Anzahl der Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke zwei. Wenn der Motor 10 bremst, gibt die Mikrosteuereinheit 30 entsprechend der Magnetpolposition des Läufers, die durch den Positionssensor 60 erfasst wird, das PWM-Signal aus, um alternierend die beiden Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke und die beiden Hableiterschalterelemente der unteren Halbbrücke zum Anschalten zu steuern. Die Motorständerwicklung und die aktivierten Halbleiterschalterelemente bilden einen Stromkreis, in welchem der Phasenstrom erzeugt wird. Die Richtung des Phasenstroms ist die gleiche wie die der gegenelektromotorischen Kraft, die von den Motorständerwicklungen erzeugt wird, wenn sich der Motor 10 dreht.
Es wird auf 2 Bezug genommen, die ein Schaltungsdiagramm des Motortreibersystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Inverter 40 ist ein Dreiphasen-Vollbrücken-Inverter, der aus Halbleiterschaltelementen Q1 bis Q6 besteht, wobei die Halbleiterschalterelemente Q1 bis Q3 die obere Halbbrücke und die Halbleiterschalter Q4 bis Q6 die untere Halbbrücke bilden. Ein Strom der ersten Phase wird über einen Knoten zwischen dem Halbleiterschalterelement Q1 und dem Halbleiterschalterelement Q4 an die Motorständerwicklung L1 und ein Strom der zweiten Phase über einen Knoten zwischen dem Halbleiterschalterelement Q2 und dem Halbleiterschalterelement Q5 an die Motorständerwicklung L2 und ein Strom der dritten Phase über einen Knoten zwischen dem Halbleiterschalterelement Q3 und dem Halbleiterschalterelement Q6 an die Motorständerwicklung L3 ausgegeben.
Es wird auch auf 3 Bezug genommen, in der schematisch ein Wellenformdiagramm von Hall-Signalen und der gegenelektromotorischen Kräfte gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt sind. In 3 dreht sich der Motor 10 zum Beispiel vorwärts, die Anzahl von Positionssensoren 60 beträgt drei, und die Positionssensoren 60 sind 120 Grad voneinander entfernt positioniert. Wenn der Motor 10 angetrieben wird, gibt die Mikrosteuereinheit 30 das PWM-Signal entsprechend den von den Positionssensoren 60 ausgegebenen Hall-Signalen aus, um das Anschalten und Abschalten der Halbleiterschalterelemente in dem Inverter 40 und dadurch den Leistungsmodus des Motors 10 zu steuern und den Motor 10 anzutreiben. Das Prinzip und das Verfahren sind identisch mit dem Prinzip und dem Verfahren einer üblichen elektrischen Steuereinheit, so dass deren weitergehende Beschreibung an dieser Stelle entfällt. Die Bezugszeichen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 in 3 bezeichnen jeweils einen Sektor 1, einen Sektor 2, einen Sektor 3, einen Sektor 4, einen Sektor 5 und einen Sektor 6; Hall A, Hall B und Hall C sind Hall-Signale, die jeweils von drei Positionssensoren 60 ausgegeben werden; e_U, e_V und e_W sind gegenelektromotorische Kräfte, die jeweils von der Motorständerwicklung L1, der Motorständerwicklung L2 und der Motorständerwicklung L3 erzeugt werden. Wenn sich der Läufer des Motors in einem bestimmten Sektor befindet, geben die Positionssensoren 60 entsprechende Hall-Signale aus. Aus diesem Grund ist die Entsprechung zwischen den Sektoren und den von den Positionssensoren 60 ausgegebenen Hall-Signalen eins zu eins, und desgleichen ist die Entsprechung zwischen den gegenelektromotorischen Kräften und den Positionen des Läufers des Motors eins zu eins. Ferner geben die von den Positionssensoren 60 ausgegebenen Hall-Signale Positionen des Läufers des Motors an. Deshalb lassen sich die gegenelektromotorischen Kräfte entsprechend den von den Positionssensoren 60 ausgegebenen Hall-Signalen bestimmen.
Die Mikrosteuereinheit 30 führt entsprechend den Hall-Signalen eine PWM-Modulation an der oberen Halbbrücke oder an der unteren Halbbrücke des Inverters 40 durch. Die Entsprechung zwischen den Sektoren, den Hall-Signalen und den aktivierten Halbleiterschalterelementen in dieser Ausführungsform ist in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Sektoren 1 2 3 4 5 6

Hall-Signale 101 100 110 010 011 001

Aktivierte Halbleiterschalterelemente Q5Q6 Q4Q5 Q4Q6 Q2Q3 Q1Q2 Q1Q3
Wenn der Rheostat 53 die Mikrosteuereinheit 30 ansteuert, um einen Bremsvorgang durchzuführen, erfassen die Positionssensoren 60 die Magnetpolposition des Läufers, die in dem Sektor 1 liegt, und geben ein Hall-Signal 101 aus. Die erste Motorständerwicklung in dem Motor mit der maximalen gegenelektromotorischen Kraft ist die Motorständerwicklung L3, und die zweite Motorständerwicklung in dem Motor mit der minimalen gegenelektromotorischen Kraft ist die Motorständerwicklung L2. Zu diesem Zeitpunkt sind das erste Halbleiterschalterelement, das die erste Motorständerwicklung steuert, und das zweite Halbleiterschalterelement, das die zweite Motorständerwicklung steuert, in der unteren Halbbrücke das Halbleiterschalterelement Q6 und das Halbleiterschalterelement Q5. Die Mikrosteuereinheit 30 aktiviert das Halbleiterschalterelement Q6 und das Halbleiterschalterelement Q5. In diesem Fall bilden die Motorständerwicklung L2, die Motorständerwicklung L3, das aktivierte Halbleiterschalterelement Q6 und das aktivierte Halbleiterschalterelement Q5 einen Stromkreis (wie in 4 gezeigt), in welchem der Phasenstrom erzeugt wird. Da e_V < 0, e_W < 0 sind, welche jeweils die minimale gegenelektromotorische Kraft und die maximale gegenelektromotorische Kraft sind, ist die zwischen der Motorständerwicklung L3 und der Motorständerwicklung L2 gebildete Spannungsdifferenz maximal, der erzeugte Phasenstrom ist maximal, und das erzeugte Bremsmoment ist maximal. Die Drehzahl des Motors 10 wird verringert. Wenn sich der Läufer in den Sektor 2 bewegt, geben die Positionssensoren 60 das Hall-Signal 100 aus. Das Verfahren und das Prinzip, nach welchem der Motor bremst, sind identisch mit dem Verfahren und dem Prinzip, nach welchem der Motor bremst, wenn sich der Läufer in dem Sektor 1 befindet. Analog dazu aktiviert der Motor 10 zyklisch die Halbleiterschalterelemente 1 in der in Tabelle 1 angegebenen Reihenfolge, um den Bremsvorgang durchzuführen, bis die Drehung des Motors 10 stoppt.
In dieser Ausführungsform kann sich der Läufer, wenn der Rheostat 53 die Mikrosteuereinheit 30 zum Durchführen eines Bremsvorgangs ansteuert, in anderen Sektoren befinden, zum Beispiel in dem Sektor 2, in welchem die Positionssensoren 60 das diesem Sektor entsprechende Hall-Signal 100 ausgeben und die Mikrosteuereinheit 30 das dem Hall-Signal 100 entsprechende Bremssignal ausgibt. Zu diesem Zeitpunkt aktiviert die Mikrosteuereinheit 30, wenn sich der Motor 10 dreht, zyklisch die Halbleiterschalterelemente, jedoch nicht in der in Tabelle 1 angegebenen Reihenfolge, sondern in der Reihenfolge: Q4Q5, Q4Q6, Q5Q6, Q1Q2, Q1Q3, Q2Q3. In anderen Ausführungsformen aktiviert die Mikrosteuereinheit 30 zyklisch die Halbleiterschalterelemente in der in Tabelle 1 angegebenen Reihenfolge, die zum Beispiel lautet: Q4Q5, Q4Q6, Q2Q3, Q1Q2, Q1Q3, Q5Q6.
In anderen Ausführungsformen steuert die Mikrosteuereinheit 30 gegebenenfalls nicht alternierend jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke des Inverters 40 zum Anschalten während der ersten Hälfte des Drehzyklus des Motors 10 und jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke des Inverters 40 zum Anschalten in der zweiten Hälfte des Drehzyklus des Motors 10. Es ist ebenso möglich, dass die Mikrosteuereinheit 30 jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke und jeweils zwei der Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke zum Anschalten steuert. Zum Beispiel aktiviert die Mikrosteuereinheit 30 zyklisch die Halbleiterschalterelemente in der Reihenfolge: Q5Q6, Q1Q2, Q4Q6, Q2Q3, Q4Q5, Q1Q3.
Es wird auf 5 Bezug genommen, in der ein Schaltungsdiagramm des Motortreibersystems gemäß einer weiteren Ausführungsform dargestellt ist. In dieser Ausführungsform beträgt die Anzahl von Positionssensoren 60 zwei. Der Inverter 40 ist einphasiger Inverter, der aus Halbleiterschalterelementen Q1 bis Q4 besteht, wobei die Halbleiterschalterelemente Q1 und Q2 die obere Halbbrücke und die Halbleiterschalterelemente Q3 und Q4 die untere Halbbrücke bilden. Der Phasenstrom wird über einen Knoten zwischen dem Halbleiterschalterelement Q1 und dem Halbleiterschalterelement Q3 und einen Knoten zwischen dem Halbleiterschalterelement Q2 und dem Halbleiterschalterelement Q4 an die Motorständerwicklung L1 ausgegeben.
Die Mikrosteuereinheit 30 führt entsprechend den Hall-Signalen eine PWM-Modulation an der oberen Halbbrücke oder an der unteren Halbbrücke des Inverters 40 durch, wodurch der Bremsvorgang ausgeführt wird. Die Entsprechung zwischen den Sektoren, den Hall-Signalen und den aktivierten Halbleiterschalterelementen in dieser Ausführungsform ist in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle 2

Sektoren 1 2

Hall-Signale 10 01

Aktivierte Halbleiterschalterelemente Q3Q4 Q1Q2
Wenn der Rheostat 53 die Mikrosteuereinheit 30 zum Durchführen eines Bremsvorgangs ansteuert, erfassen die Positionssensoren 60 die Magnetpolposition des Läufers, die in dem Sektor 1 liegt, und geben das Hall-Signal 10 aus, und die Mikrosteuereinheit 30 aktiviert das Halbleiterschalterelement Q3 und das Halbleiterschalterelement Q4. In diesem Fall bilden die Motorständerwicklung L1, das aktivierte Halbleiterschalterelement Q3 und das aktivierte Halbleiterschalterelement Q4 einen Stromkreis (wie in 6 gezeigt), in welchem der Phasenstrom erzeugt wird und dadurch der Bremsvorgang durchgeführt wird. Die Drehzahl des Motors 10 wird verringert. Wenn sich der Läufer in den Sektor 2 bewegt und die Positionssensoren 60 das Hall-Signal 01 ausgeben, aktiviert die Mikrosteuereinheit 30 das Halbleiterschalterelement Q1 und das Halbleiterschalterelement Q2. Das Verfahren und das Prinzip, nach welchem der Motor 10 bremst, sind identisch mit dem Verfahren und dem Prinzip, nach welchem der Motor 10 bremst, wenn sich der Läufer in dem Sektor 1 befindet. Analog dazu aktiviert der Motor 10 zyklisch die Halbleiterschalterelemente 1 in der in Tabelle 2 angegebenen Reihenfolge, um den Bremsvorgang durchzuführen, bis die Drehung des Motors 10 stoppt.
Praktisch kann sich der Läufer, wenn die Mikrosteuereinheit 30 das Geöffnet-Antwortsignal empfängt, auch in anderen Sektoren befinden, zum Beispiel in dem Sektor 2, wobei die Positionssensoren 60 das diesem Sektor entsprechende Hall-Signal 01 ausgeben und die Mikrosteuereinheit 30 das dem Hall-Signal 01 entsprechende Bremssignal ausgibt. Zu diesem Zeitpunkt aktiviert die Mikrosteuereinheit 30, wenn sich der Motor 10 dreht, zyklisch die Halbleiterschalterelemente in der in Tabelle 2 angegebenen Reihenfolge: Q1Q2, Q3Q4.
In anderen Ausführungsformen kann es sein, dass die Mikrosteuereinheit 30 die während der ersten Hälfte des Drehzyklus des Motors 10 zu aktivierenden Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke des Inverters 40 und die während der zweiten Hälfte des Drehzyklus des Motors 10 zu aktivierenden Halbleiterschalterelement der unteren Halbbrücke des Inverters 40 nicht alternierend steuert. Ebenso kann die Mikrosteuereinheit 30 die beiden zu aktivierenden Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke des Inverters 40 und die beiden zu aktivierenden Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke des Inverters 40 alternierend steuern. Zum Beispiel aktiviert die Mikrosteuereinheit 30 die Halbleiterschalterelemente zyklisch in der Reihenfolge: Q1Q2, Q3Q4.
Das Motortreibersystem ist praktisch nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt. In anderen Ausführungsformen sind die Struktur und das Prinzip des Motortreibersystems identisch mit der Struktur und dem Prinzip des Motortreibersystems in den vorstehenden Ausführungsformen, weshalb nachstehend lediglich die Unterschiede herausgestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform bestimmt die Mikrosteuereinheit 30 auch, ob die Magnetpolposition des Läufers entsprechend der von den Positionssensoren 60 erfassten Magnetpolposition des Läufers eingestellt ist, und bestimmt, dass die Drehung des Motors 10 gestoppt wurde, wenn die Magnetpolposition des Läufers konstant ist. Der Drücker 51 kann, wenn er losgelassen wird, den Schalterkörper 52 zum Öffnen steuern, ohne darauf beschränkt zu sein, dass der Schalterkörper 52 gemäß vorstehender Beschreibung nach dem Loslassen des Drückers 51 für die erste vorgegebene Zeitdauer geöffnet sein muss. Die Mikrosteuereinheit 30 schaltet nicht nur nach Maßgabe des Geöffnet-Antwortsignals, sondern auch infolge der Erfassung, dass der Betrieb des Motors 10 gestoppt wurde, von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus. Solchermaßen stoppt die Mikrosteuereinheit 30 die Signalausgabe an den Inverter 40 erst nach dem Stoppen des Betriebs des Motors 10, wodurch sich vermeiden lässt, dass der Motor 10 bedingt durch Trägheit unter Umständen nicht in der Lage ist, seine Drehung schnell zu stoppen. Die Mikrosteuereinheit 30 tritt in den Ruhemodus ein, nachdem die Drehung des Motors 10 gestoppt wurde, und spart auf diese Weise elektrische Energie.
Anders als in dem vorstehenden Fall, in welchem die Mikrosteuereinheit 30 nach Maßgabe des Geschlossen-Signals von dem Ruhemodus in den Betriebsmodus und nach Maßgabe des Geöffnet-Signals von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus schaltet, schaltet die Mikrosteuereinheit 30 in einer weiteren Ausführungsform nach Maßgabe des Geschlossen-Signals von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus und nach Maßgabe des Geöffnet-Signals von dem Ruhemodus in den Betriebsmodus. In entsprechender Weise treibt der Drücker 51, wenn er gedrückt wird, den Schalterkörper 52 nicht zum Schließen, sondern vielmehr zum Öffnen; und wenn der Drücker 51 losgelassen wird, treibt der Drücker 51 den Schalterkörper 52 nicht zum Öffnen, sondern vielmehr zum Schließen.
Anders als in der vorstehenden Ausführungsform, in welcher der erste feststehende Kontakt 531 und der zweite feststehende Kontakt 532 jeweils mit dem Stromversorgungsanschluss VCC und dem Erdungsanschluss GND der Mikrosteuereinheit 30 verbunden sind, sind der erste feststehende Kontakt 531 und der zweite feststehende Kontakt 532 in einer weiteren Ausführungsform jeweils mit dem Erdungsanschluss GND und dem Stromversorgungsanschluss VCC der Mikrosteuereinheit 30 verbunden. Dementsprechend treibt der Drücker 51, wenn er gedrückt wird, den beweglichen Kontakt 533 zu einer Verschiebung in Richtung auf den zweiten feststehenden Kontakt 532; und wenn der Drücker 51 losgelassen wird, treibt der Drücker 51 den beweglichen Kontakt 533 zu einer Verschiebung in Richtung auf den ersten feststehenden Kontakt 531. Die Mikrosteuereinheit 30 gibt das Bremssignal an den Inverter 40 nicht aus, wenn das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Eingangssignal kleiner ist als der erste vorgegebene Spannungswert (z.B. 0,5 Volt, 0,8 Volt oder dergleichen), gibt das Bremssignal jedoch aus, wenn das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Eingangssignal größer ist ein zweiter vorgegebener Spannungswert (z.B. 4 Volt, 5 Volt oder dergleichen). Außerdem passt die Mikrosteuereinheit 30 das Tastverhältnis des von der Mikrosteuereinheit 30 entsprechend dem Eingangssignal erzeugten PWM-Signals nicht an, wenn das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Eingangssignal größer ist als der erste vorgegebene Spannungswert, passt das Tastverhältnis des PWM-Signals jedoch an, wenn das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Eingangssignal kleiner ist als ein zweiter vorgegebener Wert (z.B. 4 Volt, 5 Volt oder dergleichen).
In einer weiteren Ausführungsform kann der Drücker 51, wenn er losgelassen wird, den Schalterkörper 52 zum Bewegen treiben, so dass der Schalterkörper 52 für eine zweite vorgegebene Zeitdauer t1 (z.B. 5 oder 8 Sekunden oder dergleichen) geöffnet wird, nachdem die Mikrosteuereinheit 30 das Bremssignal ausgegeben hat (wie in 7 gezeigt), ohne darauf beschränkt zu sein, dass der Drücker 51 den Schalterkörper 52 wie vorstehend beschrieben später zum Öffnen für die erste vorgegebene Zeitdauer treibt. In 7 stellt ein Punkt "O" das Eingangssignal dar, das zu einem Zeitpunkt T von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 geliefert wird, wodurch bewirkt wird, dass die Mikrosteuereinheit 30 das Bremssignal an den Inverter 40 ausgibt, wobei der Wert von 0% das Eingangssignal darstellt, das der Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 liefert, wenn der bewegliche Kontakt 533 des Rheostats 53 den ersten feststehenden Kontakt 531 erreicht, wobei der Wert in diesem Fall 0 Volt betragen kann, und der Wert von 100% stellt das Eingangssignal dar, das der Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 liefert, wenn der bewegliche Kontakt 533 des Rheostats 53 den zweiten feststehenden Kontakt 532 erreicht, wobei der Wert in diesem Fall 5 Volt betragen kann. In dieser Ausführungsform ist das Verzögerungsmodul mit der Mikrosteuereinheit 30 verbunden. Das Verzögerungsmodul ermöglicht das Öffnen des Schalterkörpers 52 für die zweite vorgegebene Zeitdauer (z.B. 5 oder 8 Sekunden), nachdem die Mikrosteuereinheit 30 in Reaktion auf das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Eingangssignal das Bremssignal ausgegeben hat. Die zweite vorgegebene Zeitdauer wird von dem Nutzer eingestellt oder ist ein Standardwert des Systems. Der Betrieb des Motors 10 wird nach der zweiten vorgegeben Zeitdauer nach Ausgabe des Bremssignals durch die Mikrosteuereinheit 30 gestoppt. Erst dann wird der Schalterkörper 52 geöffnet, und erst dann schaltet die Mikrosteuereinheit 30 von dem Betriebszustand in den Ruhezustand. Auf diese Weise lässt sich verhindern, dass der Motor 10 bedingt durch Trägheit gegebenenfalls nicht in der Lage ist, schnell zu stoppen. Außerdem tritt die Mikrosteuereinheit nach dem Stoppen der Drehung des Motors 10 in den Ruhezustand ein, wodurch elektrische Energie gespart wird.
Anders als in der vorstehenden Ausführungsform, in welcher das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Eingangssignal entsprechend den unterschiedlichen Kräfte, die auf den Drücker 51 ausgeübt werden, unterschiedliche Spannungswerte erreicht, so dass die Drehzahl des Motors 10 mit den auf den Drücker 51 ausgeübten Kräften variiert, vergrößert sich das von dem Rheostat 53 an die Mikrosteuereinheit 30 gelieferte Eingangssignal in einer weiteren Ausführungsform allmählich auf einen voreingestellten Wert (z.B. 5 Volt), so dass sich die Drehzahl des Motors 10, wenn der Drücker 51 gedrückt wird, allmählich auf einen Einstellwert (z.B. 700 U/min) erhöht.
8 zeigt schematisch ein Elektrowerkzeug, zum Beispiel eine Bohrmaschine, bei welcher das vorstehende Motortreibersystem angewendet wird. Die Bohrmaschine 100 hat ein Gehäuse 110, einen Arbeitskopf 120, der sich aus dem Gehäuse 110 heraus erstreckt, den Motor 10 und das vorstehend beschriebene Motortreibersystem, das in dem Gehäuse 110 vorgesehen ist. Der Drücker 51, der zum Steuern des Anschaltens und Abschaltens des Elektrobohrers ausgebildet ist, ist an einem Griff angeordnet, der sich an einem unteren Teil des Gehäuses 110 befindet, wobei der Drücker von einem Nutzer manuell bedienbar ist. Wird der Drücker 51 gedrückt, wird der Elektrobohrer angeschaltet. Wird der Drücker 51 losgelassen, wird der Elektrobohrer abgeschaltet. Das vorstehende Motortreibersystem ist auch für Elektrowerkzeuge wie beispielsweise einen elektrischen Schraubendreher, eine elektrische Handmühle und eine Elektrosäge geeignet.
Vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, die den Schutzumfang der Erfindung jedoch nicht einschränken sollen. Vielmehr sind innerhalb des Erfindungsgedankens und der Prinzipien der vorliegenden Erfindung Änderungen, äquivalente Substitutionen, Verbesserungen usw. möglich, die sämtlich in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

Motortreibersystem, umfassend: einen Inverter (40), der mit zwei Enden einer Stromversorgung (20) verbunden ist, wobei der Inverter (40) eine Mehrzahl von Halbleiterschalterelementen aufweist und konfiguriert ist für die Umwandlung einer von der Stromversorgung (20) bereitgestellten Spannung in einen Wechselstrom für den Antrieb eines Motors (10); eine Mikrosteuereinheit (30), die mit zwei Enden der Stromversorgung (20) verbunden ist, wobei die Mikrosteuereinheit (30) in einem Betriebsmodus und in einem Ruhemodus arbeitet, wobei die Mikrosteuereinheit (30) konfiguriert ist für die Ausgabe eines Ansteuersignals zum Steuern eines Leistungsmodus der mehrzähligen Halbleiterschalterelemente in dem Inverter (40) im Betriebsmodus und für das Stoppen der Ausgabe des Ansteuersignals an den Inverter (40) im Ruhemodus; und einen Drückerschalter (50), wobei zwei Anschlüsse des Drückerschalters (50) jeweils mit der Mikrosteuereinheit (30) verbunden sind, wobei der Drückerschalter (50) konfiguriert ist für die Ausgabe eines Antwortsignals an die Mikrosteuereinheit (30) und wobei die Mikrosteuereinheit (30) konfiguriert ist für das Schalten von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus und von dem Ruhemodus in den Betriebsmodus nach Maßgabe des Antwortsignals.
Motortreibersystem gemäß Anspruch 1, wobei: wenn der Drückerschalter (50) geschlossen wird, der Drückerschalter (50) ein Geschlossen-Antwortsignal an die Mikrosteuereinheit (30) ausgibt und die Mikrosteuereinheit (30) zum Schalten von dem Ruhemodus in den Betriebsmodus angesteuert wird; und wenn der Drückschalter (50) geöffnet wird, der Drückerschalter (50) ein Geöffnet-Antwortsignal an die Mikrosteuereinheit (30) ausgibt und die Drehung des Motors (10) stoppt und die Mikrosteuereinheit (30) nach Maßgabe des Geöffnet-Antwortsignals zum Schalten von dem Betriebszustand in den Ruhezustand angesteuert wird.
Motortreibersystem gemäß Anspruch 2, wobei: das Motortreibersystem ferner konfiguriert ist für die Erfassung einer Magnetpolposition eines Läufers des Motors (10), wobei die Mikrosteuereinheit (30) von dem Betriebsmodus in den Ruhemodus schaltet, wenn die Mikrosteuereinheit (30) detektiert, dass die Magnetpolposition des Läufers des Motors (10) konstant ist, und bestimmt, dass der Betrieb des Motors (10) stoppt.
Motortreibersystem gemäß Anspruch 1, wobei: der Inverter (40) ausgebildet ist zum Veranlassen des Stoppens des Betriebs des Motors (10), wenn die Mikrosteuereinheit (30) im Betriebsmodus ein Bremssignal ausgibt, um die mehrzähligen Halbleiterschaltelemente in dem Inverter (40) zu steuern, wobei die Mikrosteuereinheit (30) in den Ruhemodus schaltet, wenn der Betrieb des Motors (10) stoppt.
Motortreibersystem gemäß Anspruch 4, wobei: der Inverter (40) eine obere Halbbrücke und eine untere Halbbrücke umfasst, wobei die obere Halbbrücke und die untere Halbbrücke jeweils wenigstens zwei Halbleiterschalterelemente aufweisen, wobei die Mikrosteuereinheit (30), wenn der Motor (10) gebremst wird, ein Ansteuersignal überträgt, um alternierend jeweils zwei der wenigstens zwei Halbleiterschalterelemente der oberen Halbbrücke und jeweils zwei der wenigstens zwei Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke zum Anschalten zu steuern, und wobei eine Motorständerwicklung und die aktivierten Halbleiterschalterelemente einen Stromkreis bilden.
Motortreibersystem gemäß Anspruch 5, wobei: die Mikrosteuereinheit (30) alternierend jeweils zwei der wenigstens zwei Halbleiterschalterelemente der unteren Halbbrücke des Inverters (40) zum Anschalten während einer ersten Hälfte des Drehzyklus des Motors und jeweils zwei der wenigstens zwei Halbleiterschaltelemente der oberen Halbbrücke des Inverters (40) zum Anschalten während einer zweiten Hälfte des Drehzyklus des Motors steuert.
Motortreibersystem gemäß Anspruch 4, wobei der Drückerschalter (50) einen Rheostat (53) umfasst, der mit der Mikrosteuereinheit (30) verbunden ist und konfiguriert ist für die Lieferung unterschiedlicher Eingangssignale an die Mikrosteuereinheit (30) durch Verschiebung, wobei die Mikrosteuereinheit (30) an den Inverter (40) ein Bremssignal ausgibt, um den Motor (10) zum Stoppen des Betriebs zu steuern, wenn ein Eingangssignal eine erste Bedingung erfüllt.
Motortreibersystem gemäß Anspruch 7, wobei der Drückerschalter (50) einen Drücker (51) und einen Schalterkörper (52) umfasst, wobei der Drücker (51) ausgebildet ist zum Treiben des Rheostats und des Schalterkörpers (52) zu einer Bewegung bei manueller Betätigung, wobei der Drücker (51), wenn er gedrückt wird, den Rheostat und den Schalterkörper (52) zu einer Bewegung in der gleichen Richtung treibt und wobei der Drücker (51), wenn er losgelassen wird, den Rheostat zu einer Bewegung derart treibt, dass das von dem Rheostat (53) an die Mikrosteuereinheit (30) gelieferte Eingangssignal die Mikrosteuereinheit (30) zur Ausgabe des Bremssignals ansteuert, und den Schalterkörper (52) zu einer Bewegung derart treibt, dass dieser die Mikrosteuereinheit (30) zum Schalten von dem Betriebszustand in den Ruhezustand ansteuert, nachdem der Drücker für eine erste vorgegebene Zeitdauer losgelassen wurde.
Motortreibersystem nach Anspruch 8, wobei: der Schalterkörper (52) die Mikrosteuereinheit (30) zum Schalten von dem Betriebszustand in den Ruhezustand ansteuert, nachdem das von dem Rheostat an die Mikrosteuereinheit (30) gelieferte Eingangssignal bewirkt hat, dass die Mikrosteuereinheit (30) für ein zweite vorgegebene Zeitdauer ein Bremssignal ausgibt.
Elektrowerkzeug, umfassend: ein Gehäuse (110), einen Arbeitskopf (120) der sich aus dem Gehäuse (110) heraus erstreckt, einen Motor (10) für den Antrieb des Arbeitskopfes (120) und ein Motortreibersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.