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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Reglerschaltung zum Regeln der
Leistung, die von einer Spannungsquelle an einen Elektromotor angelegt wird,
wobei die Reglerschaltung ein Halbleiterschaltelement, das in Reihe
zu dem Elektromotor und der Spannungsquelle geschaltet ist, um die
dem Elektromotor zugeführte
Leistung zu regeln, eine Steuerschaltung zum Steuern des Halbleiterschaltelementes
und ein erstes Bestätigungselement
aufweist, um die Steuerschaltung mittels eines Betätigungssignals,
das von dem Betätigungselement
erzeugt und der Steuerschaltung zugeleitet wird, zu betätigen.
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Eine
derartige Reglerschaltung ist allgemein als Reglerschaltung in beispielsweise
elektrischen Werkzeugen bekannt. Der Markt erfordert zunehmend größere Funktionalität derartiger
Werkzeuge, wodurch die Steuerung der dem Elektromotor zugeführten Leistung
komplizierter ist. Dies ist nicht nur der Fall bei Elektrowerkzeugen,
sondern auch bei anderen Geräten
und Vorrichtungen, in denen solche Elemente verwendet werden, wie
beispielsweise bei elektrischen Küchengeräten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige Reglerschaltung
zu schaffen, die zur Durchführung
der vorstehend angegebenen Überwachungs-
und Steuerfunktionen besser geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Reglerschaltung gelöst, bei der ein Mikroprozessor
in die Reglerschaltung eingebaut ist. Hierbei ist anzumerken, dass
die Anwesenheit eines Elektromotors, der üblicherweise durch einen Gleichstrommotor
gebildet ist, welcher mit Kohlebürsten
und einem Kommutator arbeitet, sehr viel elektrische Interferenz
verursacht, was für
die Mikroelektronik von Nachteil sein kann. Der Fachmann wird daher
wahrscheinlich keinen Mikroprozessor in einer derartigen Umgebung
anwenden.
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Der
Mikroprozessor kann so ausgebildet sein, dass er zahlreiche Funktionen
innerhalb der Reglerschaltung steuert, insbesondere die Überwachungs-
und Sicherheitsfunktionen. Es ist jedoch auch möglich, dass der Mikroprozessor
so ausgebildet ist, dass er die dem Elektromotor zugeführte Leistung,
welche von einem Betätigungssignal
abhängig ist,
steuern kann. Dies kann sich auf die Durchführung dieser einzelnen Funktion
sowie auch auf die Durchführung
dieser Funktion in Kombination mit den Sicherheitsfunktionen beziehen.
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Gemäß einer
folgenden bevorzugten Ausführungsform
hat der Mikroprozessor einen Speicher, in dem eine Charakteristik
für die
Beziehung zwischen dem Betätigungssignal
und der dem Elektromotor zugeführten
Leistung gespeichert ist. Hierdurch wird es möglich, eine eindeutige Beziehung zwischen
den zwei Größen bereitzustellen.
Es ist auch anzumerken, dass zeit- und verlaufsabhängige Beziehungen,
wie beispielsweise Hysteresefunktionen, hier enthalten sein können. Es
sind genau Mikroprozessoren, die besonders gut für die Implementierung solcher
Funktionen geeignet sind.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform schafft
die Maßnahme,
dass wenigstens zwei Charakteristika in dem Speicher des Mikroprozessors
gespeichert sind und dass der Mikroprozessor. so ausgebildet ist,
dass er die Wahl zwischen den Charakteristika treffen kann. Diese
Variante schafft die Option der Einstellung der Charakteristik der
Beziehung zwischen Eingangssignal und Leistung, die dem Motor entsprechend
der Umstände,
denen er unterliegt, zugeführt
wird.
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Die
Wahl zwischen unterschiedlichen Charakteristika kann durch einen
Wählschalter
durchgeführt
werden. Der Nutzer kann hierdurch zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi
wählen,
beispielsweise für
den Fall einer Bohrmaschine Bohren in Holz oder Bohren in Beton.
Diese Option ermöglicht es,
eine geeignete Charakteristik für
die relevante Situation zu wählen.
Die Wahl zwischen unterschiedlichen Betriebsmodi kann auch durch
die Bedingungen bei der Anwendung selbst bestimmt sein. Es ist somit
möglich,
den Motor mit lastanzeigenden Mitteln zu versehen, wobei die lastanzeigenden
Mittel so ausgebildet sind, dass sie ein Wählsignal erzeugen können. Im
Fall einer drohenden Überlast
des Motors schafft dies die Option des Umschaltens auf eine andere
Charakteristik, die den Motor weniger belastet. Der zunehmende Preisdruck
diktiert, dass die Motoren und anderen Elemente leichter gebaut
werden und somit stärker
belastet werden, wodurch die vorstehende Überwachungsfunktion zunehmend
relevant wird.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
schafft die Maßnahme,
dass die lastanzeigenden Mittel mit Mitteln zum Messen der Größe des Motorstroms
versehen sind. Der Motorstrom ist schließlich ein guter Indikator für die Belastungsbedingung
des Motors.
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Ein
besserer Indikator der Belastungsbedingung des Elektromotors kann
erzielt werden, wenn die lastanzeigenden Mittel so ausgebildet sind,
dass sie die Rotationsgeschwindigkeit des Motors messen. Die besondere
Kombination von Motorumdrehungsgeschwindigkeit und Motorstrom gibt
eine gute Anzeige der Belastung.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform schafft
lastanzeigende Mittel, die mit Mitteln zum Messen der Motortemperatur
versehen sind. Die Motortemperatur ist schließlich ebenfalls ein guter Indikator
für die
Belastungsbedingung des Motors. Die Temperatur an sich ist darüber hinaus
ein kritischer Wert; die Zerstörung
des Motors tritt dann auf, wenn ein bestimmter Grenzwert überschritten
wird.
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Die
vorstehend angegebenen Maßnahmen erzeugen
gute Ergebnisse, insbesondere wenn die Reglerschaltung einen Teil
des elektrischen Werkzeuges bildet; kurze (beispielsweise Bohren)
als auch dauerhafte (beispielsweise Schleifen) Belastung der verschiedenen
Komponenten findet schließlich
hier statt, so dass die Verwendung eines Mikroprozessors viele Vorteile
bereitstellt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Reglerschaltung so ausgebildet, dass sie den Motorstrom
messen kann und die Steuerung des Halbleiterschaltelementes zum
Zweck der Korrektur des Motorstroms einstellen kann. Mit diesen
Maßnahmen
wird eine Rückkopplung
erzielt, so dass der Motorstrom leichter konstant gehalten werden
kann. Die Regelungs- und Steuerfunktionen, die für diesen Zweck notwendig sind,
können
auf einfache Weise durch einen Mikroprozessor ausgeübt werden.
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Das
Messen der Motorstroms dient nicht nur dazu, den Motor oder den
Schalter oder mögliche
andere Komponenten, durch die der Strom fließt, zu schützen, sondern dient auch dazu,
das Drehmoment zu bestimmen, welches vom Motor erzeugt wird. Bei
der verwendeten Motorbauart ist der Motorstrom schließlich proportional
zum Drehmoment. Die Messung des Motorstroms kann somit dazu verwendet
werden, das Drehmoment zu bestimmen. Hierdurch ist es möglich, wenn
der Motorstrom einen Schwellwert überschreitet, diesen abzuschalten,
den Motorstrom zu verringern oder konstant zu halten. Diese Maßnahme ist
insbesondere bei Schraubmaschinen anwendbar.
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Eine ähnliche Überlegung
gilt der Situation, bei der die Steuerung auf der Basis einer Spannung anstatt
des Stromes stattfindet. Eine bevorzugte Ausführungform schafft daher die
Maßnahme,
dass die Reglerschaltung so ausgebildet ist, dass sie die Motorspannung
messen kann, wenn das Halbleiterschaltelement gesperrt ist und die
Steuerung des Halbleiterschaltelementes zum Zweck der Korrektur der
Motorspannung einstellen kann.
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Die
Durchführung
einer Steuerung mit Rückkopplung
auf der Basis der Rotationsgeschwindigkeit ist ebenfalls eine attraktive
Option, insbesondere für den
Fall von Werkzeugen mit einer Rotationsgeschwindigkeit, die so gleichförmig als
möglich
gehalten werden muss. Dies findet den Ausdruck in einer bevorzugten
Ausführungsform,
bei der die Reglerschaltung so ausgebildet ist, dass sie die Motorrotationsgeschwindigkeit
messen kann und die Steuerung des Halbleiterschaltelementes zum
Zweck der Korrektur der Motorrotationsgeschwindigkeit einstellen
kann.
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Die
Anwendung eines Mikroprozessors schafft auch die Option, dass die
Steuerschaltung das Halbleiterschaltelement so steuert, dass der
Motor ein pulsierendes Drehmoment erzeugt, beispielsweise mit einer
Frequenz von ungefähr
3 Hz. Diese Maßnahme
findet insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, bei Schraubmaschinen,
beispielsweise zum Lösen
einer Schraube oder Mutter, die feststeckt, oder beim Anziehen einer
Schraube oder Mutter, ihre Anwendung. Die Anwendung eines Mikroprozessors
macht es möglich,
eine derartige Funktion leicht zu implementieren.
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In
batteriebetriebenen Werkzeugen ist es nicht nur der Motor, der eine
kritisch belastete Komponente ist, sondern auch die Batterie. Insbesondere bei
modernen Arten von Batterien ist es möglich, eine hohe Leistung im
Sinn eines hohen Energiegehalts bei einem kleinen Volumen und Gewicht
zu erzielen, vorausgesetzt, dass die Lade- und Entladeprozesse in
der Batterie exakt gesteuert werden. Zu diesem Zweck schafft eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung die Maßnahme,
dass der Elektromotor für die
Weisung durch eine wiederaufladbare Batterie geeignet ist, dass
die Reglerschaltung so ausgebildet ist, die von der Batterie abgegebene
Leistung zu kontrollieren, und dass die Batterie mit Zustandsanzeigemitteln
versehen ist, die ein Wählsignal
erzeugen können.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Reglerschaltung so ausgebildet, dass sie eine graduelle
Erhöhung
des Drehmomentes beim Einschalten erzeugen können. Besondere Probleme, wie
beispielsweise, dass das Werkzeug beim Einschalten aus der Hand
geschlagen wird, werden dadurch vermieden. Hierbei ist es auch einfacher,
auf eine kontrolliertere Weise zu arbeiten.
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Ein
weitere bevorzugte Ausführungsform schafft
die Maßnahme,
dass die Reglerschaltung so ausgebildet ist, dass sie beim Abschalten
ein graduell vermindertes Drehmoment erzeugt. Dies verhindert, dass
das Werkzeug während
Arbeiten in schweren Materialien dem Benutzer aus der Hand geschlagen wird.
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Um
den Betriebskomfort zu erhöhen,
ist es von Vorteil, dass die Reglerschaltung so ausgebildet ist,
dass sie Einstellwerte speichern kann. Hierdurch ist es möglich, dass
beispielsweise ein Maximaldrehmoment zum Anziehen von Schrauben
in eine bestimmte Art von Holz gespeichert wird.
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Eine
letzte bevorzugte Ausführungsform schafft
die Maßnahme,
dass die Reglerschaltung so ausgebildet ist, dass sie Sicherheitsfunktionen
gegenüber
Diebstahl durchführen
kann. Ein Beispiel hierfür
ist die Durchführung
einer Funktion, die den Betrieb blockiert. Durch Eingeben eines
Codes oder Einsetzen eines Elementes, welches einen Code trägt, wie
beispielsweise einem Schlüssel,
der einen Magnetcode trägt,
ist der Diebstahl eines derartig teuren Werkzeuges schwer. Es ist
auch möglich,
eine kontaktlose Codeübertragung
zu verwenden.
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Hierbei
wird die Aufmerksamkeit auf die Tatsache gerichtet, dass die oben
angegebenen Funktionen insbesondere für die Implementierung durch
einen Mikroprozessor geeignet sind.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der begleitenden
Zeichnungen erläutert,
in welchen zeigt:
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1 ein
Schaltbild einer Ausführungsform der
Erfindung;
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2a–2c verschiedene
Charakteristika der Beziehung zwischen Eingangssignal und Leistung
zum Zweck der Veranschaulichung der Funktionsweise der Erfindung;
und
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3 ein
Schaltbild einer alternativen Ausführungsform.
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1 zeigt
ein Schaltbild einer Reglerschaltung gemäß der Erfindung. Das Schaltbild
zeigt eine Spannungsquelle 1, die in Abhängigkeit
von der gewünschten
Anwendung durch eine Wechselspannungsquelle, wie beispielsweise
die Netzleitung, oder durch eine Gleichspannungsquelle, wie beispielsweise
eine wiederaufladbare Batterie gebildet sein kann. Die Schaltung
steuert die elektrische Leistung, mit der ein Elektromotor 2 gespeist
wird. In der Mehrheit der Fälle
ist dieser Elektromotor 2 durch einen Motor gebildet, der
als Gleichstrommotor bekannt ist, aber er kann auch so ausgebildet
sein, dass er mit einem Wechselstrom als Energie versorgt wird. Zwischen
der Spannungsquelle und dem Motor ist ein Schaltelement 3 angeordnet,
das so ausgebildet ist, dass es Strom für kurze Zeitspannen übertragen kann
und ansonsten den Strom sperrt, um somit die dem Elektromotor 2 zugeleitete
Energie nach Art einer Pulsbreitenmodulation zu regeln.
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Zum
Zweck der Steuerung des Schaltelementes 3 ist eine Steuerschaltung 4 angeordnet.
Diese Steuerschaltung 4 ist mit dem Schaltelement 3 verbunden,
um dieses zu steuern, und die Steuerschaltung 4 ist für die Energieversorgung
mit der Spannungsquelle 1 verbunden. Für den Betrieb der Steuerschaltung 4 ist
ein Betätigungselement,
das durch den Benutzer betätigt
wird, angeordnet, üblicherweise,
jedoch nicht ausschließlich,
in Form eines Auslösers,
der durch den Finger eines Benutzers betätigt werden kann. Insoweit
entspricht die beschriebene Schaltung den Schaltungen gemäß dem Stand der
Technik, wie sie üblicherweise
in elektrischen Werkzeugen verwendet werden.
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Die
Schaltung gemäß der vorliegenden
Erfindung unterscheidet sich von dieser bekannten Schaltung durch
die Anwesenheit eines Mikroprozessors 6 in der Steuerschaltung.
Der niedrige Preis eines derartigen Mikroprozessors 6 ermöglicht es,
dieses Komponenten in einer solchen Reglerschaltung anzuwenden,
wobei der Mikroprozessor 6 es ermöglicht, dass innerhalb der
Steuerschaltung verschiedene Funktionen durchgeführt werden können. Derartige
Funktionen können
in traditionellen Steuerschaltungen, die an ihre besondere Funktion
angepasst sind, im Allgemeinen nicht durchgeführt werden oder nur mit hohen
Kosten durchgeführt
werden.
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Ein
Beispiel einer Funktion, die besonders geeignet für die Durchführung mit
einem Mikroprozessor ist, ist das Umschalten zwischen zwei oder mehr
Charakteristika oder Beziehungen zwischen dem durch das Betätigungselement
erzeugten Betriebssignal und der Ausgangsleistung.
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Es
wird nun auf die 2a bis 2c Bezug genommen. 2a zeigt
eine Charakteristik, die für die
Energieversorgung eines Elektromotors 2 in einem elektrischen
Werkzeug geeignet ist. Um das Starten des Elektromotors 2 zu
erleichtern, wird der Elektromotor 2 unmittelbar, nachdem
ein Auslöseschalter 5 eingedrückt ist,
mit einer bestimmten Schwellleistung gespeist. Nur wenn der Auslöseschalter 5 weiter
gedrückt
ist, steigt die Leistung linear mit dem Drücken des Auslöseschalters 5.
Am Ende des Hubes des Auslöseschalters 5 geht
die Charakteristik diskontinuierlich in die maximale Last über, um
eine übermäßige Belastung
am Schaltelement 3 zu vermeiden. 2b zeigt
eine ähnliche Konfiguration,
bei der der Neigungswinkel der Charakteristik etwas flacher ist.
Zum Vergleich mit der Charakteristik gemäß 2a ist
letztgenannte Charakteristik mit gestrichelter Linie gezeigt. Der
Mikroprozessor 4 ermöglicht
es, dass eine der zwei Charakteristika in Abhängigkeit von der Situation
genutzt wird. Die Charakteristik der 2b ist
somit für
die präzise
Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit des Elektromotors 2 geeigneter.
Es kann ein Wählschalter 7 verwendet
werden, der vom Benutzer betätigt wird,
um die Charakteristik zu wählen.
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2c zeigt
ein letztes Beispiel einer Charakteristik für die Beziehung zwischen dem
Betätigungssignal
und der dem Motor 2 zugeführten Leistung. Es ist klar
zu ersehen, dass die gezeigten Charakteristika nur Beispiele sind
und dass zahlreiche andere Charakteristika in dem Mikroprozessor 4 implementiert
sein können.
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Anstatt
des vom Benutzer zu betätigenden Wählschalters
können
andere Signale zum Wählen der
Charakteristika verwendet werden. 1 zeigt ein
Beispiel eines Temperatursensors 8 des Motors 2.
Der Mikroprozessor kann hierbei so programmiert sein, dass, wenn
die vorbestimmte Motortemperatur erreicht ist, die Steuerung auf
eine Charakteristik umschaltet, die den Motor weniger belastet.
Diese Maßnahme
kann ansonsten auch auf der Basis der Temperatur des Schaltelementes
durchgeführt
werden, welches üblicherweise
in Form eines Halbleiters verkörpert
ist. Zum Speichern der Daten bezüglich
der Charakteristika wird vorzugsweise ein Speicher 9 verwendet,
der vorzugsweise im Mikroprozessor eingebaut ist.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung, die insbesondere für Werkzeuge geeignet ist, die
durch eine wiederaufladbare Batterie gespeist werden. Die Spannungsquelle
ist hierbei durch eine Batterie 1a gebildet, und das Schaltelement
ist durch einen Feldeffekttransistor 3a gebildet. Ein Kurzschlussschalter 11,
der durch die Steuerschaltung 4 steuerbar ist, ist zum
Zweck des Kurzschließens
des Feldeffekttransistors 3a angeordnet. Die Vorrichtung hat
ferner eine Strommessschaltung in Form eines Widerstandes 10 mit
einem niedrigen Wert, der zwischen Batterie 1a und Elektromotor 2 platziert
ist. Die Spannung an diesem Widerstand ist hierbei ein Maß für den Motorstrom.
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In
der vorliegenden Schaltung stellt der Mikroprozessor 6 die
Option zum exakten Steuern der Vorgänge in der Batterie und deren
Ladezustand bereit. Hierbei spielt das Messen des Entladestroms eine
Rolle. Es ist hierdurch möglich,
den geladenen Zustand zu verfolgen, so dass der Hinweis zu dem Moment,
zu welchem die Batterie geladen werden muss, gegeben wird. Das Messen
des Motorstroms schafft darüber
hinaus Information für
die Entscheidungen bezüglich
des Kurzschließens
des Feldeffekttransistors, beispielsweise wenn ein hoher Stromwert
für länger als
eine vorbestimmte Zeitspanne fließt; das Kurzschließen des
Feldeffekttransistors reduziert schließlich die thermische Belastung
desselben beträchtlich.
Eine ähnliche
Maßnahme
kann auch für
den Motor 2 implementiert sein.
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Es
ist klar zu ersehen, dass die Anwendungen des Mikroprozessors zahlreich
sind und dass sie nicht auf die vorstehend angegebenen Anwendungen
begrenzt sind.
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Zusammenfassung
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Die
Erfindung betrifft eine Reglerschaltung zum Steuern der Leistung,
die einem Elektromotor von einer Spannungsquelle zugeleitet wird,
wobei die Reglerschaltung ein Halbleiterschaltelement, das mit dem
Elektromotor und der Spannungsquelle in Reihe geschaltet ist, um
die dem Elektromotor zugeleitete Leistung zu steuern, eine Steuerschaltung
zum Steuern des Halbleiterschaltelementes und ein erstes Betätigungselement
aufweist, um die Steuerschaltung mittels eines Betätigungssignals,
das von dem Betätigungselement
erzeugt wird, und der Steuerschaltung zugeleitet wird, zu betätigen, wobei
ein Mikroprozessor in die Steuerschaltung eingebaut ist. Der Mikroprozessor
kann so ausgebildet sein, dass er zahlreiche Funktionen innerhalb
der Reglerschaltung steuert, insbesondere Überwachungs- und Sicherheitsfunktionen.
Es ist jedoch auch möglich,
dass der Mikroprozessor so ausgebildet ist, dass er die dem Elektromotor
zugeleitete Leistung gemäß dem Betriebssignal
steuert. Dies kann sich auf die Durchführung dieser einzelnen Funktion
sowie auch auf die Durchführung
dieser Funktionenkombination mit Sicherheitsfunktionen beziehen.