DE19825057A1 - Steuergerät für einen drehzahlveränderlichen Motor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Steuergeräte für drehzahlveränderliche Motoren und im besonderen Steuergeräte zum Steuern der Betriebsdrehzahl von drehzahlverän­ derlichen Motoren des Typs, der mit einer Drehzahl läuft, die mit dem Tastverhältnis einer an ihn angelegten pulsdauermodu­ lierten (PWM) Antriebsspannung und mit der angelegten Last in Verbindung steht.

Drehzahlveränderliche Motoren, die mit einer Drehzahl laufen, die mit dem Tastverhältnis einer pulsdauermodulierten Antriebsspannung in Verbindung steht, werden typischerweise in Hand-Elektrowerkzeugen verwendet. Diese Motoren sind im allgemeinen preiswert, damit die Gesamtkosten der Werkzeuge konkurrenzfähig sein können. Diese Motoren weisen demzufolge ein schlechtes Drehmomentverhalten auf, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen. Während es bekannt ist, einen Tachometer-Rückkopp­ lungskreis zu verwenden, um das gewünschte Betriebsverhalten von diesen Motoren zu erreichen, ist diese Methode nicht praktikabel, weil sie mit zusätzlichen Kosten verbunden wäre, die sich in den Kosten der Werkzeuge widerspiegeln würden.

Steuergeräte, die keines Tachometer-Rückkopplungskreises bedürfen, sind bekannt und werden in erste Linie bei der Steuerung großer Industriemotoren verwendet, die lineare Betriebseigenschaften aufweisen. Diese Steuergeräte sind jedoch nicht dazu angepaßt, Motoren zu steuern, die nichtlineare Betriebseigenschaften aufweisen, wie sie die Motoren in Elektro­ werkzeugen zeigen.

Es ist demgemäß eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Motorsteuergerät zum Erreichen eines gesteigerten Drehmomentverhaltens von drehzahlveränderlichen Motoren bereit zustellen.

Eine andere Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Motorsteuergerät vorzusehen, das in der Herstellung relativ preiswert ist.

Noch eine andere Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Motorsteuergerät vorzusehen, das dazu angepaßt ist, Motoren effektiv zu steuern, die sich schnell verändernden Lastbedingun­ gen ausgesetzt sind.

Andere Aufgaben und Vorteile werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, bei denen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild ist, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung allgemein darstellt;

Fig. 2 ein Stromlaufplan ist, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und

Fig. 3-10 Ablaufpläne sind, die den Betrieb der vorliegenden Erfindung beschreiben.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Steuergerät zum Steuern der Betriebsdrehzahl eines Motors des Typs, der im allgemeinen in Elektrowerkzeugen verwendet wird, gerichtet. Das Steuergerät schließt unter anderem einen Prozessor ein, der an Hand eines Datenspeichers und in einem vorbestimmten Zeitab­ stand, geeignete Pulsdauermodulation-Tastverhältnisse (PWM- Tastverhältnisse) zum Steuern der Betriebsdrehzahl des Motors bestimmt. Signale, die den Pulsdauermodulation-Tastverhältnissen entsprechen, werden in eine Schaltung eingegeben, die eine pulsdauermodulierte Spannung erzeugt, die an den Motor angelegt wird, um die gewünschte Motordrehzahl zu gewinnen und beizube­ halten.

Ganz allgemein ausgedrückt: Die vorliegende Erfindung ist auf ein Steuergerät zum Steuern der Betriebsdrehzahl eines drehzahlveränderlichen Motors des Typs ausgerichtet, der mit einer Drehzahl läuft, die mit dem Tastverhältnis einer an ihn angelegten pulsdauermodulierten Antriebsspannung und mit der angelegten Last in Verbindung steht. Das Steuergerät schließt einen Einstellschalter zum Einstellen der Motorbetriebsdrehzahl und eine Einrichtung zum Messen des dem Motor zugeführten Stroms ein. Es schließt auch einen Datenspeicher zum Speichern von Daten ein, die mehrere unterschiedliche Pulsdauermodulation- Tastverhältnisse darstellen, zum Antreiben des Motors mit verschiedenen gewünschten Motorbetriebsdrehzahlen und mit verschiedenen an den Motor angelegten Lasten. Ein Prozessor ist mit dem Einstellschalter, mit der Strom-Meßeinrichtung und mit dem Datenspeicher operativ verbunden, um Signale zu erzeugen, die ein bestimmtes Tastverhältnis, das einer gewünschten Betriebsdrehzahleinstellung entspricht, und eine angelegte Last darstellen, um zur gewünschten Motordrehzahl zu führen. Der Prozessor erzeugt diese Signale in vorbestimmten Zeitabständen, um die gewünschte Motordrehzahl zu erreichen und beizubehalten. Eine Spannungsanlegungs-Einrichtung ist zum Anlegen der pulsdauermodulierten Spannung, die das bestimmte Tastverhältnis aufweist, an den Motor vorgesehen.

Ein neuartiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß Daten, die die Pulsdauermodulation-Tastverhältnisse darstellen, die zum Betreiben des Motors mit den gewünschten Betriebsdrehzahlen und angelegten Lasten erforderlich sind, im Datenspeicher gespeichert sind. Deshalb kann sofort auf die Pulsdauermodulation-Tastverhältnisse zugegriffen werden, ohne daß umfangreiche algebraische Berechnungen durchgeführt werden müssen. Dies ermöglicht es dem Prozessor, die Pulsdauermodulati­ on-Tastverhältnisse sehr schnell zu gewinnen, wodurch eine schneller ansprechende, stabilere Motorspannungskorrektur bereitgestellt wird, die erforderlich ist, um die Drehzahlsteue­ rung über breite und sich schnell verändernde Lastbedingungen aufrechtzuerhalten.

Nunmehr - unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf die Fig. 1 - wird ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Motorsteuergeräts gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, das allgemein mit 20 bezeichnet wird. Die Grundkonfiguration dieses Systems schließt einen Gleichrichter 22 ein, der eine Eingangswechselspannung 21 in eine Betriebs- oder System-Gleichspannung umwandelt. Die gleichgerichtete Spannung wird einem Filter 24 zugeführt, das jegliche vorhandene Hochfrequenzimpulse entfernt. Eine Strombegrenzungsschaltung 26 ist mit dem Filter 24 stromabwärtig verbunden, um den Hochstrom von der Eingangsspannungsquelle zu begrenzen, wobei das Ausgangssignal dieser Begrenzungsschaltung dann einem Spannungs­ regler 28 zum Regeln von Spannungen zugeführt wird, die einem Prozessor 30 und einer Signaltreiberschaltung 32 zugeführt werden. Die Signaltreiberschaltung 32, die mit dem Prozessor 30 operativ verbunden ist, empfängt Pulsdauermodulationssignale, die vom Prozessor 30 erzeugt werden, und führt diese Signale einer Spannungsanlegungs-Einrichtung 34 zu. Eine pulsdauermodu­ lierte Spannung, die den aus der Signaltreiberschaltung 32 erhaltenen Signalen entspricht, wird dann von der Anlegungs- Einrichtung 34 an einen Motor 36 angelegt.

Auch mit dem Prozessor 30 verbunden ist ein EIN/AUS- Steuerschalter 38, zum Ein- oder Ausschalten des Prozessors, und ein Einstellschalter 40, zum Eingeben der gewünschten Drehzahl des Motors 36. Der Prozessor 30 weist ferner eine mit ihm verbundene Anzeigeeinrichtung 42 zum Anzeigen von Meldungen an einen Bediener auf. Außerdem ist zwischen dem Spannungsregler 28 und dem Prozessor 30 eine Rückstellschaltung 44 zum Zurückstellen des Systems geschaltet. Eine Leistungskurzschluß- Schaltung 45 ist vorgesehen und zwischen einem Punkt, der zur Strombegrenzungsschaltung 26 stromaufwärtig gelegenen ist, und dem Prozessor 30 geschaltet, und sie schließt das Steuergerät 20 kurz, wenn eine Spannungsüberwachungseinrichtung 46 angibt, daß ein Motorhochlauf-Zustand aufgetreten ist.

Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, das mit Prozessor 30 verbunden ist, ist ein Datenspeicher 47, der Daten enthält, die eine Verweistabelle bilden. Der Datenspeicher 47 speichert Pulsdauermodulation-Tastverhältnisse, die Motor­ drehzahlen entsprechen, die durch den Einstellschalter 40 für Spektrum gegebener Lasten eingestellt werden, denen der Motor 36 ausgesetzt wird.

Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig. 2, wird das Motorsteuergerät 20 als Stromlaufplan gezeigt. Der Gleichrichter 22, der mit dem Eingangsanschluß 48 elektrisch verbunden ist, schließt vier Dioden 49 ein, die eine Vollweg- oder Halbweg- Gleichrichtung einer Eingangswechselspannung durchführen. Es sei angemerkt, daß die Wechselstrom-Gleichstrom-Gleichrichtung in jeder allgemein bekannten, dem Fachmann vertrauten Art und Weise durchgeführt werden kann, vorausgesetzt, daß eine Vollweg- Gleichrichtung erreicht wird. Stromabwärtig zum Gleichrichter 22 wird die gleichgerichtete Gleichspannung durch den Filter 24 gefiltert, um jegliche vorhandene Hochfrequenzimpulse zu entfernen, die zu einer Überspannung der Spannungsanlegungs- Einrichtung 34 führen könnten. Während in der vorliegenden Erfindung als die Filterelemente Kondensatoren 50 verwendet werden, wird der Fachmann erkennen, daß andere Filteranordnungen verwendet werden können, die eine ähnliche Funktion erfüllen.

Der gefilterte Strom wird dann über die Spannungsanlegungs- Einrichtungen 34 dem Motor 36 zugeführt, und er wird der Strom­ begrenzungsschaltung 26 zugeführt, die fünf in Reihe geschaltete Widerstände 52 einschließt. Die Strombegrenzungsschaltung 26 begrenzt den Strom aus der gleichgerichteten Eingangsspannung auf einen Pegel, der niedrig genug ist, um dem Spannungsregler 28 zugeführt zu werden. Der Regler 28 schließt zwei Zener-Dioden 54, 56 ein, die circa 10 V liefern, die erforderlich sind, um die Spannungsanlegungs-Einrichtung 34 zu betreiben, bzw. 5 V, die erforderlich sind, um den Prozessor 30 zu betreiben.

Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Signaltreiberschaltung 32, schließt diese einen Transistor 58 ein, und zwar vorzugsweise einen 2N3906 Transistor, der über Widerstände 60, 61 und einen Kondensator 62 mit einem von Anschluß-Stift 24 des Prozessors 30 ausgegebenen 5V-Signal Wechselstrom-gekoppelt ist. Die Transistoren 64, 66, die mit dem Ausgang des Transistors 58 gekoppelt sind, bilden einen Verstärker 68, der den Pegel des Stroms, der vom Transistor 58 geliefert wird, erhöht, so daß die Spannungsanlegungs-Einrichtung 34, die mit dem Ausgang des Verstärkers 68 verbunden ist, korrekt angetrieben werden kann.

Das Wechselstrom-Kopplung-Merkmal ist dazu angepaßt, zu verhindern, daß der Motor außer Kontrolle läuft, indem es den Motor 36 automatisch abschaltet, in dem Fall, daß der Prozessor 30 ausfällt und dadurch bewirkt, daß die Spannungsanlegungs- Einrichtung 34 im Ein-Zustand belassen wird. In einer solchen Situation würde die Spannungsanlegungs-Einrichtung 34 nur circa 3 bis 5 Millisekunden eingeschaltet bleiben, bis der Strom durch Kondensator 62 auf einen Wert abfällt, der zu niedrig ist, um die Anlegungs-Einrichtung 34 anzutreiben. Im normalen Betrieb gibt der Prozessor 30 einen Puls aus, um den Kondensator 62 zurückzustellen, so daß der Motor 36 nicht unbeabsichtigt abgeschaltet wird.

Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Spannungsanlegungs- Einrichtung 34, schließt diese einen Feldeffekttransistor (FET) 70 ein, der mit dem Ausgang des Verstärkers 68 verbunden ist. Eine Diode 72 ist zwischen dem FET 70 und dem Ausgang des Filters 24 geschaltet und stellt eine Gleichstrom-Klemmung für FET 70 bereit, wenn der FET durch die Signaltreiberschaltung 32 ausgeschaltet wird. Die Diode 72 stellt außerdem einen Pfad bereit, damit der Motorstrom weiterhin fließen kann, nachdem sich der FET 70 ausschaltet.

Bei Betrieb wird der FET 70 eingeschaltet, um Spannung an Motor 36 anzulegen, was den Motorstrom erhöht. Der FET 70 wird dann ausgeschaltet, was bewirkt, daß der Motorstrom durch die Diode 72 fließt, was den Motorstrom verringert. Der FET 70 wird mit einer Frequenz von etwa 2.000 mal pro Sekunde mit einem vorbestimmten Tastverhältnis, wie durch den Prozessor 30 bestimmt, ein- und ausgeschaltet. Dieses Tastverhältnis multipliziert mit der Eingangsspannung bestimmt die mittlere an den Motor 36 angelegte Spannung. Mit zunehmender mittlere Spannung an den Motor 36 nimmt die Ausgangsdrehzahl des Motors bei jeder gegebenen Last auch zu.

In der bevorzugten Ausführungsform ist der Prozessor 30 ein Motorola 68HCO5P9 Mikroprozessor. Der Fachmann wird erkennen, daß andere Mikroprozessoren verwendet werden können, die ähnliche Funktionen erfüllen. Der Drehzahleinstellschalter 40 schließt einen Inkrementschalter 73 und einen Dekrementschalter 74 ein, die jeweils mit den Anschluß-Stiften 22 bzw. 19 des Prozessors 30 verbunden sind. Die Rückstellschaltung 44 schließt einen Widerstand 76 und einen Kondensator 78 ein und legt jedes Mal, wenn der Prozessor gestartet wird, eine Rückstellspannung Anschluß-Stift 1 des Prozessors 30 an.

Der EIN/AUS-Steuerschalter 38 ist mit dem Anschluß-Stift 20 des Prozessors 30 sowie mit dem Eingang für die Rückstellschal­ tung 44, Anschluß-Stift 1, verbunden. In vorteilhafter Weise ermöglicht es diese Anordnung dem Prozessor, zwischen einer vom Bediener eingeleiteten EIN/AUS-Sequenz über die Betätigung des EIN/AUS-Steuerschalters 38 und Rückstellungen, die beim Start oder nach einer Fehlfunktion im Prozessor 30 stattfinden, zu unterscheiden. Um zu bestimmen, ob der EIN/AUS-Steuerschalter 38 betätigt wurde, prüft der Prozessor 30 den Zustand des Anschlusses PC2 oder des Anschluß-Stiftes 20 auf einen Logisch- 0-Zustand hin, während er einen Rückstellzustand verläßt, nachdem er ausgeschaltet worden ist. Falls PC2 niedrig ist, dann wurde die Rückstellung durch den Bediener verursacht, und der Prozessor 30 führt seine EIN/AUS-Sequenz durch, d. h. entweder das Einschalten oder das Ausschalten, in Abhängigkeit vom Zustand des Steuerschalters 38. Falls sich jedoch PC2 im Logisch-1- oder Hoch-Zustand befindet, dann wurde diese Rückstellung nicht durch die Betätigung des EIN/AUS- Steuerschalters 38 verursacht, und der Prozessor 30 tritt in einen AUS-Zustand ein, bis eine Rückstellung durch den EIN/AUS- Steuerschalter eingeleitet wird.

Anschluß-Stift 21 des Prozessors 30 ist mit der Leistungs­ kurzschluß-Schaltung 45 verbunden, die vorzugsweise ein Thyri­ stor (SCR = semiconductor controlled rectifier) ist, und Anschluß-Stift 18 ist mit der Spannungsüberwachungs-Einrichtung 46 verbunden, die ein Widerstand ist. Die Kurzschluß-Schaltung 45 schützt gegen einen Motorhochlauf, d. h. wenn der Motor 36 nicht ausgeschaltet werden kann, zum Beispiel weil der FET 70 in der Ein-Position kurzgeschlossen ist. Bei Betrieb liest der Prozessor 30 die Spannung über die Spannungsüberwachungs- Einrichtung 46, um die Spannung über den FET 70 zu bestimmen, nachdem er den FET 70 für eine vorbestimmte Zeit von etwa 500 bis 600 Millisekunden ausschaltet, und zwar bevor er in einen STOP- oder Niedrigleistungs-Modus eintritt. Falls während dieser Zeit die FET-Spannung relativ niedrig ist und dadurch angegeben wird, daß der FET nicht ausgeschaltet wurde, gibt der Prozessor 30 am Anschluß-Stift 21 einen Puls aus, der den Thyristor (SCR) in der Kurzschluß-Schaltung 45 einschaltet, die die gleichge­ richtete Gleichstrom-Energiequelle kurzschließt, wodurch der Motor 36 gestoppt wird.

Die Anzeigeeinrichtung 42 in der vorliegenden Ausführungs­ form ist eine Flüssigkristallanzeige (LCD-Anzeige), aber es können andere Anzeigeeinrichtungen verwendet werden. Die Anzei­ geeinrichtung 42, die mit den Anschluß-Stiften 3-10, 11-13 und 23 des Prozessors 30 verbunden ist, empfängt Signale vom Prozessor, die die Drehzahl des Motors 36 angeben, und sie zeigt die Motordrehzahleinstellung in Umdrehungen pro Minute (RPM) an.

Gemäß einem der Hauptmerkmale der Erfindung speichert der Datenspeicher 47 Pulsdauermodulation-Tastverhältnisse (PWM- Tastverhältnisse), die erforderlich sind, um den Motor 36 mit einer bestimmten Drehzahl und unter bestimmten Lastbedingungen zu betreiben. Der Datenspeicher ist innerhalb des Prozessors 30 (nicht gezeigt) vorgesehen und wird im Grunde als dreidimensio­ nale Verweistabelle dargestellt, die einer bestimmten Nennspan­ nung des Motors 36 entspricht. Die Verweistabelle liefert das Pulsdauermodulation-Tastverhältnis über eine einfache Form von Fuzzy-Logik, die auf der durch den Bediener angeforderten Drehzahl und der Last des Motors, wie durch den Motorstrom angegeben, basiert. Der Motorstrom wird über einen Widerstand 82 gemessen und wird an dem Anschluß-Stift 16 des Prozessors 30 eingegeben.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung behält der Prozessor 30 außerdem die letzte Drehzahleinstellung für den Motor 36 für eine vorbestimmte Zeit, wenn die Eingangswechsel­ stromleistung abgeschaltet wird. Die Leistung, die erforderlich ist, um die Drehzahleinstellung zu erhalten, wird von einem Kondensator 83 zugeführt, der mit der Zener-Diode 54 verbunden ist, und die vorbestimmte Zeit ist daher eine Funktion des Kondensators, die in der vorliegenden Erfindung circa 15 Minuten ist.

Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt der Prozessor 30 ein Merkmal zum Schutz des Motors gegen Überhitzung ein. Der Prozessor 30 schätzt unter Verwendung des über den Widerstand 82 gemessenen Motorstroms und der Betriebsmotordrehzahl RPM die Motortemperatur und reduziert die pulsdauermodulierten Spannungen an den Motor 36, bevor sich der Motor überhitzt. In dem Fall, daß der Motor 36 die Überhitzungstemperatur tatsächlich erreicht, schaltet der Prozessor 30 den Motor automatisch ab.

Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig. 3-10 wird eine detaillierte Beschreibung des Betriebs der Erfindung und insbesondere des Prozessors 30 wird mit Bezug auf die in diesen Figuren dargestellten Ablaufpläne ausgeführt. Bezug nehmend zu Anfang auf Fig. 3: Wenn das Steuergerät 20 mit dem Wechselstro­ meingang 21 verbunden ist, wird der Prozessor 30 in eine Startphase gebracht (Block 84). Der Prozessor 30 wird auch in diese Startphase gebracht, nachdem der Prozessor 30 eine Fehlfunktion seines Systems erfährt, was Rechnerbetriebs­ rückstellung (COP-Rückstellung) genannt wird. Die Fähigkeit, eine Fehlfunktion zu erfassen und die Rechnerbetriebs- Rückstellung durchzuführen, ist ein inhärentes Merkmal von Prozessoren wie dem Motorola 68HC05P9 Mikroprozessor, der in der vorliegenden Erfindung bevorzugt wird.

Ungeachtet der Art, wie der Prozessor 30 in die Startphase gebracht wird (Block 84), wird der Stapelzeiger in dem Direktzugriffspeicher (RAM), der Unterroutinen, Interrupts und ihre Rückkehradressen und Daten enthält, zurückgestellt, und die Anzeigeeinrichtung 42 wird gelöscht (Block 86). Dann bestimmt der Prozessor 30, ob Direktzugriffspeicher-Testwörter intakt sind (Block 88). Der Prozessor 30 ist mit dem Kondensator 83 verbunden, der für eine vorbestimmte Zeit, nachdem die Eingangswechselspannung entfernt wird, eine Ladung behält, um die letzte Drehzahleinstellung des Motors 36 zu behalten. Der Zustand der Testwörter gibt entsprechend den Zustand der letzten im Prozessorspeicher aufgenommenen Drehzahleinstellung an. Falls der Prozessor 30 bestimmt, daß sich die Testwörter in einem nicht akzeptablen Grad abgebaut haben, wird der Direktzu­ griffspeicher gelöscht und die Testwörter zurückgestellt (Block 90). Falls dagegen die Testwörter behalten worden sind, wird die Prozedur des Blocks 90 übersprungen.

Als nächstes wird bestimmt, ob der EIN/AUS-Schalter 38 betätigt wurde (Block 92). Falls nicht, bedeutet dies, daß der Prozessor 30 auf Grund des Startprozesses oder auf Grund des Rechnerbetriebs-Prozesses zurückgestellt worden ist, und der Prozessor schaltet sich ab, bis der EIN/AUS-Steuerschalter 38 den Prozessor zurückstellt (Block 94). Der Prozessor 30 kann auch durch die Start- und die Rechnerbetriebs-Prozedur zurückge­ stellt werden, wie oben beschrieben.

Falls bestimmt wird, daß der EIN/AUS-Steuerschalter 38 betätigt wurde, bedeutet dies, daß die Rückstellung durch den Bediener eingeleitet wurde, um die EIN/AUS-Sequenz zu starten. Zu dieser Zeit wird der Prozessor 30 in den Betriebszustand geschaltet (Block 96), und es wird bestimmt, ob der EIN/AUS- Schalter 38 auf Laufen eingestellt worden ist (Block 98). Falls nicht, schaltet sich der Prozessor 30 ab und wartet auf eine weitere Rückstellung (Block 94). Falls der Schalter 38 auf Laufen eingestellt ist, startet der Prozessor 30 eine Reihe von Initialisierungsprozessen, die das Einstellen der Anschlüsse, das Freigeben von A/D, das Einstellen der Pulsdauermodulation- Flankenzeit, das Löschen von Zeitgeber-Interrupts, das Laden des Zeitgeberzählwerts und das Freigeben von Interrupts umfaßt (Block 100). Die Pulsdauermodulation-Flanke ist der Zeitraum, über den die Motordrehzahl allmählich auf die gewünschte Dreh­ zahleinstellung erhöht wird, um einen plötzlichen Hochdrehzahl­ betrieb des Motors 36 zu vermeiden.

Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig. 4 schreitet nach Vollendung des in Block 100 beschriebenen Initialisierungspro­ zesses der Prozessor 30 zum Hauptprogramm (Block 102) und wartet circa 512 Mikrosekunden auf einen Puls (Block 104), zu welcher Zeit die nächste Pulsdauer berechnet wird und das Rechnerbetriebs-Register zurückgestellt wird (Block 106). Das Rückstellen des Rechnerbetriebs-Registers verhindert, daß die in den Blöcken 84-90 beschriebene Rechnerbetriebs-Rückstellung stattfindet. Diese Schritte werden für 8,2 ms wiederholt (Block 108).

Nachdem 8,2 ms verstrichen sind, wird an der Anzeigeein­ richtung 42 ein Positive-Flüssigkristallanzeige-Vorgang durchge­ führt, was bewirkt, daß die Anzeige schwarz wird, d. h. positives Schreiben auf der Anzeige wird durchgeführt (Block 110). Dann wird bestimmt, ob sich die Pulsdauermodulation- Flankenzeit auf ihrem Maximum befindet (Block 112). Falls nicht, wird die Flankenzeit erhöht (Block 114), und es wird danach eine Kontrolle durchgeführt, um festzustellen, ob die Flankenzeit das Maximum überschritten hat (Block 116). Falls dies nicht zutrifft, wird die Flankenzeit gespeichert (Block 120), aber falls doch, wird die Flankenzeit so eingestellt, daß sie dem Maximum gleich ist (Block 118), und sie wird dann gespeichert (Block 120). Falls sich in Block 112 die Pulsdauermodulation- Flanke am Anfang auf ihrem Maximum befindet, wird sie gespeichert (Block 120), ohne daß Einstellungen durchgeführt werden. Die Zunahme der Betriebsdrehzahl des Motors 36 wird auf die durch die Pulsdauermodulation-Flanke vorgegebene Zunahmege­ schwindigkeit beschränkt, so daß der Motor 36 einen "Sanftan­ lauf" erfährt. Sobald die Pulsdauermodulation-Flankenzeit das Maximum erreicht, wird die Zunahme- und Abnahmegeschwindigkeit der Motorbetriebsdrehzahl nicht durch die Pulsdauermodulation- Flanke begrenzt.

Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig. 5 werden nach Vollendung des Prozesses in Block 120 die in den Blöcken 104-108 beschriebenen Prozesse wiederholt (Block 122, 124, bzw. 126), wonach an der Anzeigeeinrichtung 42 ein Negativ-Flüssigkristal­ lanzeige-Vorgang durchgeführt wird (Block 128), um die Anzeigeeinrichtung in Betrieb zu halten. Dann werden die Direktzugriffspeicher-Testwörter für den Fall aufgefrischt, daß Rauschen im System die Testwörter verändert hat (Block 130). Als nächstes werden die Prozesse in den Blöcken 104-108 noch einmal wiederholt (Block 132, 134 bzw. 136), und ein weiterer Positive- Flüssigkristallanzeige-Vorgang wird an der Anzeigeeinrichtung 42 durchgeführt (Block 138).

Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig. 6 werden die in den Blöcken 104-108 beschriebenen Prozesse wiederholt (Block 140, 142 bzw. 144), und ein weiterer Negativ-Flüssigkristallan­ zeige-Vorgang wird durchgeführt (Bloch 146). Zu diesem Zeitpunkt wird eine Kontrolle des Betriebszustands des Prozessors 30 durchgeführt (Block 148). Falls sich der Prozessor 30 im Laufzu­ stand befindet, dann wird bestimmt, ob der Inkrementschalter 73 aktiviert ist (Block 150). Falls er aktiviert ist, dann wird nach einer Schaltverzögerung, um ein Entprellen zu verhindern (Block 152), die eingestellte Drehzahl inkrementiert (Block 154), und eine Kontrolle wird durchgeführt, ob die eingestellte Drehzahl größer ist als die maximale Drehzahl, mit der der Motor 36 laufen kann (Block 156). Falls sie größer ist, wird die eingestellte Drehzahl reduziert und auf die maximale Drehzahl eingestellt (Block 158). Sonst wird die Drehzahl bei der inkrementierten eingestellten Drehzahl belassen.

Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig. 7 wird dann - falls der Inkrementschalter 73 nicht aktiviert ist - eine Kon­ trolle durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Dekrementschalter 74 aktiviert ist (Block 160). Falls er aktiviert ist, dann wird nach einer Schaltverzögerung (Block 162) die eingestellte Drehzahl dekrementiert (Block 164). Falls bestimmt wird, daß die dekrementierte eingestellte Drehzahl niedriger ist als die niedrigste Drehzahl, mit der der Motor 36 laufen kann, ohne stehenzubleiben (Block 166), wird die dekrementierte eingestell­ te Drehzahl auf die niedrigste Drehzahl zurückgestellt (Block 168).

Mit wiederholtem Bezug auf Block 160 wird - falls der Dekrementschalter 74 nicht aktiviert ist - die Schaltverzögerung zurückgestellt (Block 172), was eine Voreinstellung des mit dem Entprellen in Verbindung stehenden Verzögerungszählers erfor­ dert. In allen in den Blöcken 148-172 beschriebenen oben beschriebenen Prozessen werden, ob direkt oder indirekt, ihre jeweiligen Vorgänge in Block 174 vollendet, bei dem die eingestellte Drehzahl erhalten, skaliert und auf der Anzeigeeinrichtung 42 entsprechend dem Anzeigemuster, das der eingestellten Drehzahl entspricht, angezeigt wird.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 8 und 9 wird die in den Blöcken 106, 124, 134 und 142 erforderliche Unterroutine zum Berechnen der Pulsdauermodulation beschrieben. Zunächst liest, wie in Fig. 8 gezeigt, die Unterroutine zu der Zeit, zu der der Puls durch den FET 70 ausgegeben wird, den Betriebsstrom, der durch den Motor 36 fließt, und klemmt diesen Strom auf die Maximalstärke (Block 174). Der Strom wird zu dieser Zeit außerdem durch ein Verzögerungsfilter gefiltert, um vorhandene Störspitzen oder Rauschen zu entfernen (Block 174). Eine Kontrolle wird durchgeführt, um zu bestimmen, ob sich das System im Laufzustand befindet (Block 176). Falls es sich in dem Laufzustand befindet, werden die eingestellte Drehzahl und der Betriebsstrom erhalten, und auf der Grundlage dieser Variablen wird an Hand der dreidimensionalen Verweistabelle die Pulsdauer­ modulation (PWM) bestimmt (Block 178).

Sobald die Pulsdauermodulation ermittelt worden ist, wird sie eingestellt, um zu verhindern, daß sich der Motor überhitzt. Das heißt, der Betriebsstrompegel wird geprüft, um zu bestimmen, ob er größer ist als der Überlastwert (Block 180). Falls er größer ist, wird ein Lastzählwert inkrementiert (Block 182), und nächsten Schritt wird eine Kontrolle durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Lastzählwert den Maximalzählwert überschritten hat (Block 184). Falls er den Maximalzählwert überschritten hat, wird der Lastzählwert gleich dem Maximalzählwert eingestellt (Block 186), die Pulsdauermodulation wird auf Null eingestellt (Block 188), und die Unterroutine kehrt zum Hauptprogramm zurück (Block 212).

Falls jedoch der Betriebsstrom den Überlastzustand nicht überschritten hat, wird eine Kontrolle durchgeführt, um zu bestimmen, ob der Lastzählwert gleich Null ist (Block 190). Falls er es nicht ist, wird der Lastzählwert dekrementiert (Block 192), und, falls anschließend bestimmt wird, daß der Lastzählwert kleiner als Null ist (Block 194), wird der Lastzählwert so zurückgestellt, daß er gleich Null ist (Block 196).

Im oben beschriebenen Prozeß schreitet, falls das Ergebnis der Bestimmungen, die in den Prozessen der Blöcke 184, 190 und 194 durchgeführt werden, im Gegensatz zum oben gelieferten Ergebnis stehen, die Routine nach jeder Bestimmung direkt zu Block 198 weiter. In Block 198, der in Fig. 9 gezeigt ist, wird der Überlastzählwert, der als Resultat der Prozesse in den Blöcken 180-196 erhalten wird, von dem aus der Verweistabelle 47 erhaltenen Pulsdauermodulationszählwert subtrahiert. Der resultierende Pulsdauermodulationszählwert wird dann geprüft, um zu bestimmen, ob er größer ist als das Minimum (Block 200).

Falls der Pulsdauermodulationszählwert nicht größer ist, dann wird der Pulsdauermodulationszählwert auf die niedrigste Pulsdauermodulation eingestellt (Block 202). Falls er größer ist, wird dieser Prozeß übersprungen. In dieser Weise wird verhindert, daß der Motor 36 infolge der Tatsache, daß der Pulsdauermodulationszählwert zu niedrig ist, stehenbleibt.

Es wird dann bestimmt, ob der Pulsdauermodulationszählwert kleiner gleich der FLANKE ist (Block 204). Falls der Pulsdauermodulationszählwert nicht kleiner oder gleich ist, wird dann die Pulsdauermodulation gleich zur FLANKE eingestellt. Falls nicht, wird dieser Prozeß übersprungen. Es wird dann bestimmt, ob die FLANKE dem Maximum gleich ist (Block 208). Falls sie es nicht ist, schreitet die Unterroutine zum Hauptprogramm zurück (Block 212), aber falls sie es ist, wird ein Maximale-Pulsdauermodulation-Flag eingestellt (Block 210), und zwar bevor das Programm zum Hauptprogramm zurückschreitet (Block 212).

Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig. 10 wird ein Ablaufdiagramm gezeigt, das die Interrupt-Routinen veranschau­ licht, die bei der Erzeugung des Pulsdauermodulation- Ausgangssignals zum Antreiben des Motors 36 verwendet werden, wobei die Interrupt-Routinen eine Funktion des Prozessors 30 sind. In der bevorzugten Ausführungsform findet ein Interrupt circa 2.000 mal pro Sekunde oder alle 512 Mikrosekunden statt. Nach jedem Interrupt wird bestimmt, ob der Motor 36 läuft (Block 214). Falls er nicht läuft, wird dann der interne Zeitgeber des Prozessors 30 (nicht gezeigt) zurückgestellt, so daß die 512 Mikrosekunden durch den Zeitgeber gezählt werden können, um den Interrupt-Zeitraum zu vollenden (Block 216). Nachdem der Zeitgeber zurückgestellt worden ist, wird die Spannung, falls vorhanden, über den FET 70 mittels des Widerstands 46 gelesen, und ihr Wert wird gespeichert (Block 218). Der FET 70 ist mit dem Motor 36 verbunden, und ein Strom wird durch den Motor fließen, wenn die Spannung über den FET 70 niedrig ist und ein oben beschriebener Motorhochlauf-Zustand stattgefunden hat. Das Ausgangssignal des Prozessors 30 wird beim nächsten Interrupt auf niedrig geschaltet (Block 220), und die Routine kehrt vom Interrupt zurück (Block 222).

Falls in Block 214 bestimmt wird, daß der Motor 36 läuft, ist es dann erforderlich zu wissen, ob das Ausgangssignal während des letzten Interrupts auf niedrig oder hoch geschaltet wurde (Block 224). Falls das Ausgangssignal auf niedrig geschaltet wurde, wird beim nächsten Interrupt der Prozessorzeitgeber zurückgestellt (Block 226) und das Ausgangssignal wird auf hoch geschaltet (Block 228), und die Routine kehrt vom Interrupt zurück (Block 230). Nach dem Verstreichen von 512 Mikrosekunden ab dem Zurückstellen des Zeitgebers in Block 226 findet ein weiterer Interrupt statt, wobei das Ausgangssignal auf niedrig geschaltet ist.

Falls in Block 224 bestimmt wird, daß in dem vorherigen Interrupt das Ausgangssignal auf hoch geschaltet wurde, dann wird eine Kontrolle durchgeführt, um festzustellen, ob sich das Pulsdauermodulation-Ausgangssignal auf seinem Maximum befindet (Block 232). Falls es sich nicht auf seinem Maximum befindet, wird der durch den Motor fließende Strom gemessen, und sein Wert wird gespeichert (Block 234). Dann wird der Zeitgeber zurückge­ stellt, und der Pulsdauermodulationszählwert, der dem gemessenen Motorstrom entspricht und die gewünschten Drehzahleinstellung werden aus der Verweistabelle erhalten (Block 236). Danach wird das Ausgangssignal auf niedrig geschaltet, wenn der erhaltene Pulsdauermodulationszählwert abläuft (Block 238). Die Routine kehrt dann von dem Interrupt zurück (Block 240).

Falls sich das Pulsdauermodulation-Ausgangssignal in Block 232 auf seinem Maximum befindet, muß der Ausgangssignalpuls so lange wie möglich hoch bleiben, um den Motor 36 mit der gewünschten maximalen Drehzahl anzutreiben. Der Puls kann jedoch nicht kontinuierlich eingeschaltet bleiben, weil er dann effektiv zum Gleichspannungssignal werden würde und er daher durch den Kondensator 62 in der Signaltreiberschaltung 32 blockiert werden würde. Nachdem der Motorstrom gelesen und gespeichert worden ist (Block 242), wird somit der Prozessorzeitgeber eingestellt, um den Ausgangssignalpuls auf niedrig zu schalten (Block 244), und die Routine verharrt in diesem Zustand, bis Zeit verstreicht und das Ausgangssignal tatsächlich auf niedrig schaltet (auch Block 244). Der Ausgangssignalpuls wird wieder auf hoch geschaltet, nachdem eine kürzeste Zeit, die ausreicht, um zu erlauben, daß der Puls die Signaltreiberschaltung 32 passiert, verstrichen ist (Block 246). Das Programm verharrt in diesem Zustand, bis sich das Ausgangssignal tatsächlich auf hoch schaltet (auch Block 246). Nachdem sich das Ausgangssignal auf hoch schaltet, wird der Zeitgeber zurückgestellt, so daß der Prozessor 36 auf die Vollendung des Verstreichens des Rests der 512 Mikrosekunden wartet (Block 248), bevor er einen weiteren Interrupt ausgibt, und das Programm kehrt von dem Interrupt zurück (Block 250). In dieser Weise bleibt das Pulsausgangssignal hoch, wenn der nächste Interrupt stattfindet.

Auf der Grundlage der vorangehenden Beschreibung sollte der Leser verstehen, daß ein Steuergerät zum Steuern der Betriebs­ drehzahl eines drehzahlveränderlichen Motors gezeigt wurde, das viele Vorteile und wünschenswerte Eigenschaften aufweist. Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, daß das Steuergerät eine Verweistabelle einschließt, die die Pulsdauermodulation-Tastver­ hältnisse (PWM-Tastverhältnisse) aufweist, die zum Betreiben des Motors mit einem breiten Spektrum von eingestellten Drehzahlen und unter einem breiten Spektrum von Motorlasten erforderlich sind. Die Pulsdauermodulation-Tastverhältnisse sind dazu ange­ paßt, einfach gewonnen zu werden, indem auf die Verweistabelle zugegriffen wird, und umfangreiche algebraische Berechnungen sind daher nicht jedes Mal erforderlich, wenn ein Pulsdauermodu­ lation-Tastverhältnis benötigt wird. Infolgedessen können die Pulsdauermodulation-Tastverhältnisse in schnelleren Intervallen erhalten werden, was es dem Prozessor ermöglicht, schneller auf schnell variierende Motorlastbedingungen anzusprechen.

Während verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, sollte der Leser verstehen, daß andere Modifikationen Substitutionen und Alter­ nativen dem Fachmann ersichtlich sind. Solche Modifikationen, Substitutionen und Alternativen können gemacht werden, ohne sich vom Geist und von der Tragweite der Erfindung zu lösen, die an Hand der anliegenden Ansprüchen bestimmt werden sollten.

Verschiedene Merkmale der Erfindung sind in den anliegenden Ansprüchen dargelegt.

Claims (21)

1. Ein Steuergerät zum Steuern der Betriebsdrehzahl eines drehzahlveränderlichen Motors des Typs, der mit einer Drehzahl läuft, die mit dem Tastverhältnis einer an ihn angelegten puls­ dauermodulierten Antriebsspannung und mit der angelegten Last in Verbindung steht, wobei das Steuergerät folgendes umfaßt:
ein Mittel zum Einstellen einer Motorbetriebsdrehzahl;
ein Mittel zum Messen einer an den Motor angelegten Last;
ein Speichermittel zum Speichern von Daten, die eine Mehr­ zahl von unterschiedlichen Pulsdauermodulation-Tastverhältnissen darstellen, zum Antreiben des Motors mit verschiedenen gewünsch­ ten Motorbetriebsdrehzahlen und mit verschiedenen an den Motor angelegten Lasten darstellen;
ein Verarbeitungsmittel, das zum Erzeugen von Signalen, die ein bestimmtes, einer gewünschten Betriebsdrehzahleinstellung und angelegten Last entsprechendes Tastverhältnis darstellen, mit dem Einstellmittel, dem Lastmittel, und dem Speichermittel operativ verbunden ist, um zur gewünschten Motordrehzahl zu führen, wobei das Verarbeitungsmittel die Signale in vorbestimm­ ten Zeitabständen erzeugt, um die gewünschte Motordrehzahl zu erreichen und beizubehalten; und
ein Mittel zum Anlegen der pulsdauermodulierten Spannung, die das bestimmte Tastverhältnis aufweist, an den Motor.

2. Das Steuergerät nach Anspruch 1, bei dem die Tastver­ hältnisdaten in der Form einer Verweistabelle vorliegen, die ein eindeutiges Ausgabesignal für jede einer Mehrzahl von Kombina­ tionen von angelegten Lasten und von Betriebsdrehzahleinstellun­ gen einschließt.

3. Das Steuergerät nach Anspruch 1, bei dem das Einstell­ mittel mindestens einen Schalter einschließt, der von einem Bediener betätigt wird.

4. Das Steuergerät nach Anspruch 1, bei dem das Meßmittel einen Motorbetriebsstrom mißt, um die an den Motor angelegte Last zu bestimmen.

5. Das Steuergerät nach Anspruch 1, bei dem das Verarbei­ tungsmittel ein Mikroprozessor ist.

6. Das Steuergerät nach Anspruch 1, bei dem das Verarbei­ tungsmittel die gewünschte Motordrehzahl für einen vorbestimmte Zeitraum behält, nachdem eine Eingangsleistung an das Steuerge­ rät beendet wird, und die gewünschte Motordrehzahl zurückstellt, wenn die Eingangsleistung dem Steuergerät wieder zugeführt wird.

7. Das Steuergerät nach Anspruch 1, bei dem das Verarbei­ tungsmittel die durch das Anlegemittel an den Motor angelegte Spannung reduziert, wenn sich der Motor einem Überlastzustand nähert, und die Spannung beendet, wenn der Motor den Überlastzu­ stand erreicht.

8. Das Steuergerät nach Anspruch 1, bei dem das Anlegemit­ tel einen Feldeffekttransistor (FET) und eine Diode umfaßt.

9. Das Steuergerät nach Anspruch 1, das ferner ein Signaltreibermittel umfaßt, das zwischen dem Verarbeitungsmittel und dem Anlegemittel operativ verbunden ist, zum Zuführen der vom Verarbeitungsmittel erzeugten Signalen zum Anlegemittel.

10. Das Steuergerät nach Anspruch 9, bei dem das Signaltreibermittel ein Verstärkermittel zum Verstärken der dem Anlegemittel zugeführten Signale einschließt.

11. Das Steuergerät nach Anspruch 9, bei dem das Signal­ treibermittel ein Mittel umfaßt, um im Fall eines Verarbeitungs­ mittelausfalls die Signale von dem Verarbeitungsmittel an das Anlegemittel zu beenden.

12. Das Steuergerät nach Anspruch 11, bei dem das Signalbe­ endungsmittel einen Transistor, einen Kondensator und einen Widerstand zur Wechselstrom-Kopplung der Signale umfaßt.

13. Das Steuergerät nach Anspruch 1, das ferner ein Mittel zum Gleichrichten einer externen Eingangswechselspannung zu einer Betriebsgleichspannung einschließt.

14. Das Steuergerät nach Anspruch 13, das ferner ein Filtermittel, das mit dem Gleichrichtermittel verbunden ist, zum Entfernen unerwünschter Hochfrequenzimpulse einschließt.

15. Das Steuergerät nach Anspruch 13, das ferner ein Regelmittel zum Regeln und Teilen der Betriebsspannung in eine erste Spannung, zum Zuführen an das Anlegemittel und eine zweite Spannung, zum Zuführen an das Verarbeitungsmittel einschließt.

16. Das Steuergerät nach Anspruch 15, bei dem das Regelmittel mindestens einen Widerstand zum Begrenzen des Stroms der gleichgerichteten externen Eingangsspannung, und eine erste Zener-Diode zum Regeln der ersten Spannung und eine zweite Zener-Diode zum Regeln der zweiten Spannung einschließt.

17. Das Steuergerät nach Anspruch 1, das ferner eine Anzei­ geeinrichtung einschließt, die mit dem Verarbeitungsmittel ope­ rativ verbunden ist, zum Anzeigen von durch das Verarbeitungs­ mittel erzeugten Meldungen.

18. Das Steuergerät nach Anspruch 17, bei dem die Anzeige­ einrichtung eine Flüssigkristallanzeige ist.

19. Das Steuergerät nach Anspruch 18, bei dem die Anzeige­ einrichtung eine Drehzahl des Motors anzeigt.

20. Das Steuergerät nach Anspruch 1, das ferner ein Lei­ stungskurzschluß-Mittel einschließt, das mit dem Verarbeitungs­ mittel operativ verbunden ist, zum Kurzschließen der Steuerge­ rätbetriebsspannung, wenn das Anlegemittel ausfällt.

21. Das Steuergerät nach Anspruch 20, bei dem das Leistungskurzschluß-Mittel einen Thyristor umfaßt.