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Die
Erfindung betrifft eine Leistungssteuerungsvorrichtung eines Elektrowerkzeugs
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Leistungssteuerung bei einem
Elektrowerkzeug gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 8 und ein Elektrowerkzeug mit einer Leistungssteuerungsvorrichtung
gemäß dem Anspruch
9.
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Stand der
Technik
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Leistungssteuerungsvorrichtungen
der gattungsgemäßen Art
sind bekannt. Diese dienen dazu, eine variable Leistung von der
Energiequelle eines Elektrowerkzeugs (zum Beispiel Netzanschluss
oder Akkumulator) einem Elektromotor des Elektrowerkzeugs zuzuführen. Es
ist bekannt, die Steuerung der Leistung mittels einer Pulsweitenmodulation
vorzunehmen, das heißt,
die Leistung der Energiequelle wird nicht permanent, sondern gepulst
an den Elektromotor geliefert. In Abhängigkeit von der Pulsbreite wird
dann dem Elektromotor eine effektive Leistung zur Verfügung gestellt:
Beträgt
die Pulsbreite zum Beispiel 25% der durch die Frequenz der Pulsweitenmodulation
vorgegeben Periode, so werden auch nur ungefähr 25% der maximal möglichen
Leistung von der Energiequelle an den Elektromotor übertragen.
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Der
Betrieb einer Leistungssteuerungsvorrichtung mit einer Pulsweitenmodulation
bei einer Frequenz von zum Beispiel 5 kHz macht sich durch ein hochfrequentes
Geräusch, ähnlich einem
Pfeifen, akustisch bemerkbar. Insbesondere bei niedrigen Drehzahlen
des Elekt romotors, zum Beispiel beim Anfahren des Motors, ist dieses
Geräusch
deutlich hörbar
und wird vom Benutzer des Elektrowerkzeugs als störend wahrgenommen.
Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, die Frequenz der
Pulsweitenmodulation zu erhöhen,
zum Beispiel auf 10 kHz, so dass das Geräusch in einem für das menschliche
Gehör weniger
gut wahrnehmbaren Frequenzbereich liegt und daher als weniger störend wahrgenommen
wird. Die erhöhte
Frequenz führt
jedoch dazu, dass die Verluste im die Pulse der Pulsweitenmodulation
erzeugenden Transistor, zum Beispiel einem MOS-FET, ansteigen. Die unerwünschten,
zusätzlichen
Verluste erfordern zudem einen Transistor mit höheren Leistungsdaten, was wiederum
zu erheblichen Mehrkosten des Transistors und damit der Leistungssteuerungsvorrichtung
führt.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Leistungssteuerungsvorrichtung
eines Elektrowerkzeugs mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen
bietet demgegenüber
den Vorteil, dass das genannte, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen
wahrnehmbare Geräusch bei
geringerem konstruktiven Aufwand vermieden wird. Zudem ergibt sich
ein qualitativ hochwertigerer Eindruck des Elektrowerkzeugs.
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Dadurch,
dass die Leistungssteuerungsvorrichtung einen die Frequenz der Pulsweitenmodulation
in Abhängigkeit
von der angeforderten Leistungsabgabe variierenden Frequenzgeber
aufweist, kann der Betrieb der Leistungssteuerungsvorrichtung für verschiedene
Betriebspunkte oder -bereiche abgestimmt werden, das heißt, es lassen
sich in Abhängigkeit
von der angeforderten Leistungsabgabe Geräuschentwicklung und/oder Leistungsverluste
reduzieren. Beispielsweise wird es dadurch möglich, bei einer geringen Leistungsanforderung,
entsprechend einer niedrigen Drehzahl des Elektromotors, eine hohe
Frequenz der Pulsweitenmodulation zu wählen, da sich dadurch die genannte
Geräuschentwicklung (das
Pfeifen) redu zieren oder vermeiden lässt und dennoch – aufgrund
der kurzen Pulsbreite bei diesem Betriebszustand – keine
größeren Verluste
auftreten. Andererseits lässt
sich bei einer höheren
Leistungsanforderung, entsprechend einer höheren Drehzahl, die Frequenz
der Pulsweitenmodulation reduzieren, um die Verluste des Transistors
(zum Beispiel Ein- und Ausschaltverluste) zu reduzieren. Aufgrund
des bei diesem Betriebszustand entstehenden allgemeinen Betriebsgeräuschs des
Elektrowerkzeugs ist die Unterdrückung
des durch die Pulsweitenmodulation entstehenden Geräuschs lediglich
nachrangig.
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Es
sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der hier verwendete
Begriff der „Leistungssteuerung" sich ursächlich in
dem von dem mittels Pulsweitenmodulation gebildeten Spannungssignal
manifestiert. Durch das Erzeugen von Spannungsimpulsen wird eine
effektive mittlere Spannung generiert, die gemäß dem elektrotechnischen Modell
in Abhängigkeit
von ihrer Höhe
die Drehzahl eines Elektromotors bestimmt. In der technischen Realität ist mit
steigender Spannung auch ein steigender Leistungsbedarf des Elektromotors
zu beobachten; dies allein schon aufgrund der mechanischen und elektrischen parasitären Effekte.
Insbesondere im Arbeitseinsatz des Elektrowerkzeugs (belasteter
Zustand), wenn der Elektromotor mit einem Strom der maximal zulässigen Stromstärke beschickt
wird, besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der mittleren Spannung
und der Leistungsabgabe. Im Interesse einer einheitlichen Begrifflichkeit
wurden für
diese Anmeldung die Begriffe „Leistungsabgabe" und „Leistungssteuerungsvorrichtung" in den Vordergrund
gestellt.
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Dazu
sei insbesondere angemerkt, dass die erfindungsgemäße Leistungssteuerungsvorrichtung auch
als Drehzahlsteuerungsvorrichtung verstanden werden kann, da ein
Zusammenhang zwischen der Leistungsabgabe an den Elektromotor und
der Drehzahl des Elektromotors besteht. Das heißt, für konstante Arbeitsbedingungen
ergibt sich bei steigender Leistungsabgabe eine Steigerung der Drehzahl
des Elektromotors, beziehungsweise bei verringerter Leistungsabgabe ergibt
sich eine Verringerung der Drehzahl. Die Leistungsanforderung beziehungsweise
die Drehzahlanforderung kann sowohl durch den Benutzer des Elektrowerkzeugs
vorgegeben werden, zum Beispiel durch ein manuell zu betätigendes
Bedienelement des Elektrowerkzeugs, als auch durch eine elektronische
Steuerung oder Regelung des Elektrowerkzeugs unterstützt oder übernommen
werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Abhängigkeit
eine mathematisch beschreibbare Funktion, die einer angeforderten
Leistungsabgabe entsprechende Eingabewerte und einer Frequenz der
Pulsweitenmodulation entsprechende Ausgabewerte hat. Damit lässt sich
in determinierter Form das Zusammenspiel zwischen der angeforderten
Leistungsabgabe und der Frequenz der Pulsweitenmodulation beschreiben.
Vorzugsweise wird der Bereich der wählbaren Leistungsabgaben, zum
Beispiel 0 bis 200W, durch einen entsprechenden Bereich von Eingabespannungswerten,
zum Beispiel 0 bis 2V, und der Bereich der zugeordneten Frequenzen,
zum Beispiel 10kHz bis 3kHz, durch einen entsprechenden Bereich
von Ausgabespannungswerten, zum Beispiel 3 bis 1V dargestellt.
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Vorteilhafterweise
ist die Funktion eine Sprungfunktion. Bei einer Sprungfunktion ergibt
sich für
Eingabewerte unterhalb eines Schwelleneingabewerts ein erster Ausgabewert
und oberhalb dieses Schwelleneingabewerts ein zweiter Ausgabewert. Eine
solche Sprungfunktion lässt
sich schaltungstechnisch einfach und kostengünstig realisieren.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Funktion eine
Treppenfunktion. Eine Treppenfunktion weist mehrere Bereiche von
Eingabewerten auf, wobei allen Eingabewerten eines Bereichs ein
fester Ausgabewert zugeordnet ist und sich die Ausgabewerte für zwei angrenzende
Bereiche unterscheiden. Damit lassen sich präzisere Vorgaben definieren,
gemäß derer
für bestimmte
Bereiche der angeforderten Leistungsabgabe bestimmte Frequenzen
für die
Pulsweitenmodulation vorgesehen sind.
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Funktion eine stetige Funktion, insbesondere
eine lineare Funktion ist. Damit lässt sich die Anpassung der
Frequenz stufenlos in Abhängigkeit
von der angeforderten Leistungsabgabe variieren. Dies verhindert
unstetige Übergänge beim
Frequenzwechsel. Dadurch wird ein insgesamt vergleichmäßigter Betrieb
des Elektrowerkzeugs erzielt.
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Vorteilhafterweise
ist die Funktion eine monoton fallende Funktion. Das heißt, dass
mit steigender angeforderter Leistungsabgabe die Frequenz der Pulsweitenmodulation
abgesenkt wird. Somit wird bei niedriger Leistungsanforderung, entsprechend
einer niedrigen Drehzahl, eine hohe Frequenz benutzt, um das von
der Anwendung der Pulsweitenmodulation erzeugte Geräusch zu
minimieren, während
bei höherer
Leistungsanforderung, entsprechend einer höheren Drehzahl, eine niedrigere
Frequenz verwendet wird, um die Verluste des Transistors gering
zu halten.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Zuordnung zwischen
Eingabewerten und Ausgabewerten als mindestens eine Wertetabelle oder
mindestens ein Kennfeld in einem Speicher abgelegt ist oder von
einer Logikvorrichtung bestimmt wird.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Leistungssteuerung bei
einem Elektrowerkzeug, wobei die Leistungsabgabe an einen Elektromotor
des Elektrowerkzeugs mittels eines pulsweitenmodulierenden Vorgehens
gesteuert oder geregelt wird, wobei die Frequenz des pulsweitenmodulierenden
Vorgehens in Abhängigkeit
von der angeforderten Leistungsabgabe variiert wird.
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Schließlich umfasst
die Erfindung auch ein Elektrowerkzeug mit einer Leistungssteuerungsvorrichtung
mit einem oder mehreren der zuvor genannten Merkmale.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein Funktionsschaltbild
einer erfindungsgemäßen Leistungssteuerungsvorrichtung
in einem Elektrowerkzeug und
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2 ein Beispiel einer Abhängigkeit
zwischen angeforderter Leistungsabgabe und resultierendem pulsweitenmodulierten
Signal.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die 1 zeigt eine Leistungssteuerungsvorrichtung 1 in
einem Elektrowerkzeug 2. Die Leistungssteuerungsvorrichtung 1 weist
einen Wandler 3, eine Steuereinrichtung 4, einen
Frequenzgeber 5 und einen Leistungstransistor 6 auf.
Die Eingangsseite des Wandlers 3 ist mit einem Bedienelement 7 des
Elektrowerkzeugs 2 verbunden, mit dem der Benutzer des
Elektrowerkzeugs 2 die Leistungsabgabe des mit dem Leistungstransistor 6 verbundenen
Elektromotors 8 des Elektrowerkzeugs 2, beziehungsweise
dessen Drehzahl, einstellen kann. Der Leistungstransistor 6 ist
ferner an die Energiequelle 9 angeschlossen, die hier als
Akkumulator 10 des Elektrowerkzeugs 2 ausgeführt ist
und die zum Betrieb des Elektromotors 8 erforderliche Leistung
bereitstellt. Es ergibt sich dabei folgende Funktionsweise:
Die
Betätigung
des Bedienelements 7 durch den Benutzer wird vom Wandler 3 aufgenommen.
So wird zum Beispiel bei einem variablen Geschwindigkeitsregler
(Variable Speed Regler) der Drückerweg 11 des
Reglers von einem Wegnehmer erfasst, zum Beispiel in der Ausführung eines
Widerstandspotentiometers. Der Wandler 3 übersetzt
die mechanische Betätigung
des Bedienelements 7 in ein analoges oder digitales Signal 12.
Demnach liegt die angeforderte Leistungsabgabe/Drehzahl nunmehr
als Signal 12 vor und wird an die Steuereinrichtung 4 weitergeleitet.
Hier werden die Parameter der zu erzeugenden Pulse bestimmt, um
die angeforderte Leistungsabgabe vom Akkumulator 10 an
den Elektromotor 8 zu bewirken beziehungsweise um die angeforderte Drehzahl
des Elektromotors 8 einzustellen. Zu den Parametern der
zu erzeugenden Pulse zählen
die Pulsbreite und die Frequenz der Pulse, wobei die Frequenz der
Pulse vom Frequenzgeber 5 mittels der Logikvorrichtung 13 bestimmt
wird. Somit generiert die Steuereinrichtung 4 eine Signalfolge,
mit der der Leistungstransistor 6 ein- und ausgeschaltet
wird, um die pulsweitenmodulierte Ansteuerung des Elektromotors 8 zu
bewirken.
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Weitere
Ausführungsformen
der Leistungssteuerungsvorrichtung 1 können zum Beispiel einen Schalter
zwischen dem Akkumulator 10 und dem Leistungstransistor 6 vorsehen,
der erst geschlossen wird, wenn eine Betätigung des Bedienelements 7 stattfindet.
Dadurch wird das Elektrowerkzeug 2 bei Nichtbetätigung des
Bedienelements 7 abgeschaltet. Des Weiteren kann eine direkte
Verbindung zwischen dem Akkumulator 10 und dem Elektromotor 8 dann geschaltet
werden, wenn durch die Betätigung
des Bedienelements 7 angezeigt wird, zum Beispiel durch
ein maximales Durchdrücken
eines variablen Geschwindigkeitsreglers, dass eine maximale Leistungsabgabe
des Akkumulators 10 an den Elektromotor 8 gewünscht ist.
Somit wird bei maximaler Leistungsanforderung der Leistungstransistor 6 umgangen
und Verluste im Leistungstransistor 6 vermieden. Auch ist
es möglich
einen Speicher 14 vorzusehen, in dem die Abhängigkeit
zwischen angeforderter Leistungsabgabe und Fre quenz der Pulsweitenmodulation
als Wertetabelle oder Kennfeld abgelegt ist.
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2 zeigt das Beispiel des
Zusammenhangs zwischen der Betätigung
des Bedienelements 7 entlang eines Drückerwegs s bis zum Maximalwert smax und den Spannungspulsen P1 bis
P12, jeweils mit der Amplitude UB, die durch das von der Steuereinrichtung 4 bewirkte
Ein- und Ausschalten des Leistungstransistors 6 dem Elektromotor 8 die
angeforderte Leistung zuführen.
Sowohl der Drückerweg
s als auch die Spannung U sind entlang einer Achse der Zeit t abgetragen.
Es findet eine Betätigung
des Bedienelements 7 statt, bei der das Bedienelement 7 bei
fortschreitender Zeit t immer weiter durchgedrückt wird.
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Aus
dem Diagramm der Spannung U ist bei Betrachtung in Richtung zunehmender
Zeit t zu erkennen, dass einerseits die Pulsbreite b1 bis
b12 der Pulse P1 bis
P12 relativ zur Periode a1 bis
a12 der Pulse P1 bis
P12 zunimmt und zudem die Periode a1 bis a12 durch eine
Reduzierung der Frequenz vergrößert wird.
Da die Flächen
der Pulse P1 bis P12 proportional zur
Leistungsabgabe an den Elektromotor 8 sind, ist deutlich
zu erkennen, dass bei fortschreitender Zeit – also fortschreitendem Durchdrücken des
Bedienelements 7 – dem
Elektromotor 8 immer mehr Leistung zugeführt wird.
Es wird dabei zu Beginn eine kleine Periode a1 (also
eine hohe Frequenz) gewählt,
um die Wahrnehmbarkeit des bei der Pulsweitenmodulation entstehenden
Geräuschs
zu reduzieren, während
bei steigender Leistungsanforderung die Periode vergrößert wird
(also die Frequenz abgesenkt wird, zum Beispiel auf 3 kHz), um die
im Leistungstransistor 6 entstehenden Verluste zu reduzieren. Neben
der Reduzierung oder Vermeidung der genannten Geräusche wird
aufgrund der Reduzierung des maximalen Verlustwerts des Leistungstransistors 6 auch
eine Kostenersparnis durch die nunmehr ermöglichte Verwendung eines leistungsschwächeren Leistungstransistors 6 erzielt.