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Die
Erfindung geht aus von einem Kraftschrauber nach der Gattung des
unabhängigen
Anspruchs.
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Stand der
Technik
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In
der
DE 23 26 027 A ist
ein netzspannungsbetriebener Schrauber beschrieben, der einen vorgegebenen
Drehmoment-Sollwert bereitstellt. Das vom Schrauber aufgebrachte
Drehmoment wird mittelbar anhand des durch den Elektromotor fließenden Stroms
erfasst. Ausgegangen wird aufgrund des Netzanschlusses von einer
Betriebsspannung des Elektromotors, die stets gleich und konstant
ist. Sofern der Drehmoment-Sollwert noch nicht erreicht ist, dreht
der Schrauber mit der maximal möglichen Drehzahl,
welche vom aufzubringenden Drehmoment-Sollwert abhängt. Aufgrund
der Massenträgheit der
drehenden Teile des Schraubers, wie Elektromotor und insbesondere
Getriebe, wird die Schraubverbindung in Abhängigkeit vom Nachlauf nach
dem Erreichen des Drehmoment-Sollwerts noch weitergedreht.
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Die
in der
DE 23 26 027
A1 auftretende Problematik aufgrund des Weiterdrehens des
Schraubers beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts wird von der
DE 103 41 975 A1 aufgegriffen.
Beschrieben ist eine elektronische Drehmoment-Begrenzungseinrichtung für einen
beispielsweise in einem akkubetriebenen Schrauber eingesetzten Elektromotor.
Ausgegangen wird von einer elektronischen Drehmoment-Begrenzung,
bei welcher der durch den Elektromotor fließende Strom als Maß für das Drehmoment
herangezogen wird. Eine solche Vorgehensweise wird als ungenau bezeichnet,
weil insbesondere bei hohen Drehzahlen nach dem Abschalten des Elektromotors
durch die kinetische Energie der rotierenden Massen ein Nachlauf
auftreten kann mit der Folge, dass eine Schraubverbindung mit einem
höheren
Drehmoment als der vorgegebene Drehmoment-Sollwert angezogen wird.
Zur Vermeidung der auf der Massenträgheit beziehungsweise der Dynamik
des Getriebes beruhenden Drehmomentspitze wird vorgeschlagen, den
maximalen Wert des zulässigen
Elektromotorstroms in Abhängigkeit
von der Drehzahl des Elektromotors festzulegen. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
kann ein Drehmoment-Sollwert festgelegt werden, welcher in einen Maximalwert
des Elektromotorstroms umgerechnet wird. Je höher der Maximalwert des Elektromotorstroms
vorgegeben wird, desto niedriger darf die maximale Drehzahl des
Elektromotors werden.
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In
der
EP 0 187 353 A2 ist
ein Schrauber beschrieben, dessen Elektromotor vom Wechselspannungsnetz
versorgt wird. Ausgegangen wird von der Erkenntnis, dass der Elektromotor
ein maximales und bestimmtes Drehmoment unter Last bei Stillstand
bereitstellt, wobei dieses Drehmoment von der zur Verfügung gestellten
Spannung beziehungsweise dem Laststrom entsprechend der jeweiligen
Motorkennlinie abhängt.
Die Einstellung der mittleren Betriebsspannung des Elektromotors
erfolgt mit einem Schaltelement, das beispielsweise als Triac realisiert
ist. Die mittlere Betriebsspannung des Elektromotors oder der Laststrom
sind mit einem Potentiometer einstellbar, wodurch das maximale Drehmoment
bei Motorstillstand beziehungsweise bei kleinen Motordrehzahlen
veränderbar
und einstellbar wird. Der Drehmoment-Sollwert der Verschraubung
wird bei einer geringen Drehzahl oder sogar bei Stillstand des Schraubers
erreicht, sodass ein Überschwingen des
Drehmoment-Sollwerts durch einen Nachlauf vermieden wird.
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Vorhanden
ist weiterhin eine Kompensationsschaltung, welche in der Lage ist,
Schwankungen der Netzspannung auszugleichen, um den Einfluss auf
den Drehmoment-Istwert zu eliminieren. Bei absinkender Versorgungsspannung
wird der Phasenanschnittswinkel in der Triac-Ansteuerung vergrößert, so
dass eine höhere
mittlere Spannung am Elektromotor anliegt.
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In
der
DE 196 26 731
A1 ist ein akkubetriebener Kleinschrauber beschrieben,
der ein Schaltelement enthält,
welches den Elektromotor durch Kurzschließen abschaltet. Das Schaltelement
wird von einem Tiefenanschlag betätigt. Durch das abrupte Abbremsen
des Elektromotors wird ein Überschwingen vermindert.
Zu berücksichtigen
hierbei ist jedoch, dass ein derartiges Kurzschließen des
Elektromotors nur bei vergleichsweise geringen abzugebenden Drehmomenten
bis beispielsweise 100 Nm und bei leistungsschwachen Elektromotoren
möglich
ist, da selbst bei leistungsschwachen Elektromotoren im Falle eines
Kurzschließen
eines mit hoher Drehzahl drehenden Elektromotors mit einem erheblichen Kurzschlussstrom
und den damit verbundenen elektromagnetischen Störungen gerechnet werden muss. Der
Kurzschlussstrom belastet sowohl einen Kollektor eines als Gleichstrommotor
realisierten Elektromotors als auch das verwendete Schaltelement
zum Kurzschließen
des Elektromotors in erheblichem Maße.
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In
der
DE 103 45 135
A1 ist ein kleiner akkubetriebener Schrauber beschrieben,
der zur Energieversorgung einen Lithium-Ionen-Akku enthält.
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Allgemein
bekannter Stand der Technik ist es, parallel zu einem Elektromotor
einen Freilaufkreis vorzusehen, welcher den Stromabbau der im induktiven
Anteil des Elektromotors gespeicherten induktiven Energie nach dem
Abschalten des Elektromotors ermöglicht.
Der Freilaufkreis kann beispielsweise als geschalteter Freilaufkreis
realisiert sein, bei dem beispielsweise ein parallel zum Elektromotor
geschalteter MOS-Feldeffekttransistor gleichzeitig mit dem Abschalten
der Stromversorgung eingeschaltet wird und damit den Elektromotor überbrückt, sodass
sich der Motorstrom abbauen kann. Im einfachsten Fall wird der Freilaufkreis
mit einer parallel zum Elektromotor geschalteten Freilaufdiode realisiert.
Ein derartiger Freilaufkreis ermöglicht
lediglich das Weiterfließen
des Motorstroms nach dem Abschalten der Stromversorgung, wobei die
am Motor sich einstellende Spannung bei aktivem Freilaufkreis nicht
definiert ist, sondern von der Durchlassspannung des verwendeten
stromführenden
Freilauf- Bauelements abhängt,
die stark temperaturabhängig
ist und insbesondere vom Betrag des Freilaufstroms abhängt.
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In
der
DE 201 13 184
U1 und beispielsweise der
DE 196 47 813 A1 sind als Handwerkzeugmaschinen
ausgestaltete elektromotorisch betriebene Schrauber angegeben, die
jeweils einen Stützarm zur
Bereitstellung eines Gegendrehmoments beim Anziehen oder Lösen von
Schraubverbindungen aufweisen.
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Derartige
Schrauber werden als Kraftschrauber bezeichnet, weil das zur Verfügung gestellte Drehmoment
bis beispielsweise 10.000 Nm betragen kann, das ohne den Stützarm von
einer Bedienperson des Kraftschraubers nicht aufgebracht werden könnte. Mit
zunehmendem Drehmoment beim Schraubvorgang verformt sich der Stützarm elastisch,
wodurch der Stützarm
Energie aufnimmt. Während
des Schraubvorgangs verspannt der Stützarm den Schrauber auf der
Schraubverbindung. Der Stützarm
nimmt nicht nur die während
des Schraubvorgangs auftretende Energie, sondern auch die nach dem
Abschalten des Kraftschraubers noch in den rotierenden Massen wie
beispielsweise dem Elektromotor und insbesondere dem Getriebe vorhandene
Rotationsenergie durch ein Verformen auf.
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Die
Verspannung kann beispielsweise durch eine Rutschkupplung gelöst werden,
welche beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts mechanisch ausrastet.
Insbesondere bei niedrigen Drehmoment-Sollwerten kann die Antriebseinheit
die Spannung durch Vorgabe einer definierten Leistung lösen. Bei
beiden Methoden wirkt sich das stark unterschiedliche Massenverhältnis der
rotierenden Antriebseinheit gegenüber der Getriebemasse negativ
auf das Getriebe und den Elektromotor aus.
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Bei
Schraubern, insbesondere bei Kraftschraubern, die ein sehr hohes
Drehmoment bereitstellen können,
ist es unbedingt erforderlich, dass sich die im Stützarm gespeicherte
Energie kontrolliert abbauen kann, damit der Kraftschrauben von
der Schraubverbindung abgenommen werden kann. Aufgrund des im allgemeinen
hohen Untersetzungsverhältnisses
des Getriebes kann nicht ausgeschlossen werden, dass der Elektromotor
aufgrund der im Stützarm
gespeicherten Energie beginnt, sich entgegen der Antriebsrichtung
zu drehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftschrauber, insbesondere
einen akkubetriebenen Kraftschrauber anzugeben, der einen gefahrlosen
Abbau der im Stützarm
nach dem Abschalten des Kraftschraubers gespeicherten Energie ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch
angegebenen Merkmale gelöst.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Kraftschrauber
weist einen Elektromotor und eine Ansteuerschaltung auf, welche
den Elektromotor beim Erreichen eines eingestellten Drehmoment-Sollwerts
mit einem Abschaltsignal elektronisch abschaltet. Weiterhin ist
ein Stützarm
vorgesehen, welcher Energie beim Schraubvorgang aufnimmt. Der erfindungsgemäße Kraftschrauber
zeichnet sich durch eine Spannungsbegrenzer-Schaltung aus, welche
die am Elektromotor auftretende Motorspannung des beim Abbau der im
Stützarm
gespeicherten Energie als Generator betriebenen, entgegen der Antriebsrichtung
drehenden Elektromotors auf eine vorgegebene Begrenzungsspannung
begrenzt.
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Die
erfindungsgemäß vorgesehene
Spannungsbegrenzer-Schaltung stellt zunächst sicher, dass die im Stützarm beim
Schraubvorgang gespeicherte Energie nach dem Abschalten des Elektromotors
beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts durch ein Antreiben des
Elektromotors über
das Getriebe im Generatorbetrieb verbraucht werden kann, wobei der
Elektromotor unterhalb der vorgegebenen Begrenzungsspannung in einem
weiten Drehzahlbereich kein nennenswertes Gegenmoment aufbaut.
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Insbesondere
schützt
die erfindungsgemäß vorgesehene
Spannungsbegrenzer-Schaltung
die Ansteuerschaltung gegenüber
unzulässig
hohen Spannungen, die bei einer hohen im Stützarm gespeicherten Energie
nach dem Abschalten des Elektromotors beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts,
entsprechend einer hohen Drehzahl des Elektromotors im Generatorbetrieb
auftreten könnte.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kraftschraubers
ergeben sich aus abhängigen
Ansprüchen.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Begrenzungsspannung betragsmäßig mindestens
der Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors entspricht. Dadurch
ergibt sich einerseits ein ausreichender Drehzahlbereich während des
Generatorbetriebs, ohne dass ein Stromfluss auftritt, der erst beim Erreichen
der Begrenzungsspannung auftreten kann. Andererseits können Bauteile
mit vergleichsweise niedrigen zulässigen maximalen Betriebspannungen verwendet
werden, da die insgesamt während
des Betriebs des Elektromotors auftretenden Motorspannungen betragsmäßig auf
die Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors begrenzt ist.
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Eine
andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Begrenzungsspannung höchstens
der zulässigen Schutz-Gleichspannung
für Elektrogeräte entspricht. Die
Schutz-Kleinspannung
im Sinne der vorliegenden Anmeldung entspricht derjenigen Spannung,
die gesetzlich zugelassen ist, ohne dass besondere Vorkehrungen
zur elektrischen Isolation erfüllt
werden müssen.
Die Schutz-Kleinspannung beträgt
beispielsweise 42 Volt.
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Weitere
Ausgestaltungen betreffen die Realisierung der Spannungsbegrenzer-Schaltung. Eine erste
Realisierungsmöglichkeit
sieht zwei in Serie geschaltete, gegeneinander gepolte Zenerdioden
vor. Eine andere Realisierungsmöglichkeit
sieht eine bipolare Begrenzerdiode vor.
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Eine
andere Realisierungsmöglichkeit
sieht einen Varistor vor.
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Eine
weitere Realisierungsmöglichkeit
sieht den Einsatz einer Spannungsbegrenzer-Schaltung vor, die eine
elektronische Last enthält.
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Während die
mit Dioden und Transistoren realisierten Spannungsbegrenzer-Schaltungen eine hohe
Ansprechgeschwindigkeit aufweisen, kann der Varistor kurzzeitig
eine vergleichsweise hohe Leistung aufnehmen und thermisch abführen.
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Eine
Kombination von verschiedenen Bauelementen ermöglicht eine Optimierung hinsichtlich verschiedener
Anforderungen.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftschraubers sieht vor,
dass die Ansteuerschaltung das Abschaltsignal beim Erreichen des
eingestellten Drehmoment-Sollwerts anhand eines Vergleichs des Drehmoment-Sollwerts mit
einem aus dem Elektromotorstrom gewonnenen Drehmoment-Istwert bereitstellt.
Die Erfassung des Elektromotorstroms, der als Grundlage für ein Maß für das vom
Schrauber bereitgestellte Drehmoment herangezogen wird, kann mit
einfachen schaltungstechnischen Mitteln erfolgen und ist deshalb
erheblich preiswerter als eine mechanische Lösung wie beispielsweise eine
Rutschkupplung.
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Eine
andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftschraubers sieht als
Energiequelle für den
Elektromotor einen lithiumbasierten Akkumulator aufgrund dessen
vergleichsweise hohen Energiedichte vor. Eingesetzt werden kann
beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion-Akku) oder beispielsweise
ein Lithium-Polymer-Akku (Li-Polymer-Akku).
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Die
während
des Betriebs des Kraftschraubers sinkende Versorgungsspannung aufgrund
der absinkenden Akkuspannung während
des Entladevorgangs wird vorteilhafterweise von einer Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung
kompensiert, sodass die sinkende Betriebsspannung keinen Einfluss
auf das Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts hat.
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Anstelle
eines Eingriffs in den Leistungsteil der Ansteuerelektronik ist
gemäß einer
Ausgestaltung vorgesehen, dass die Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung
bei sinkender Akkuspannung entweder den vorgegebenen Drehmoment-Sollwert
erhöht
oder den mittelbar auf der Grundlage des Elektromotorstroms erfassten
Drehmoment-Istwert verringert. Damit wird die Kennlinie des Elektromotors
virtuell verschoben.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftschraubers
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Kraftschraubers
sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Skizze eines erfindungsgemäßen Kraftschraubers,
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2 ein
Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung des erfindungsgemäßen Kraftschraubers und
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die 3a–3d unterschiedliche
Ausgestaltungen einer Spannungsbegrenzer-Schaltung.
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1 zeigt
eine Skizze eines Kraftschraubers 10, der einen Elektromotor 12 enthält, welcher über ein
Getriebe 14 eine Stecknuss 16 antreibt. Der Kraftschrauber 10 enthält einen
Stützarm 18 welcher während des
Schraubvorgangs ein Gegenmoment bereitstellt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
wird von einem akkubetriebenen Kraftschrauber 10 ausgegangen,
der einen Akkumulator 20 enthält, der in einem Batterieteil 22 untergebracht
ist. Die Inbetriebnahme des Kraftschraubers 10 erfolgt
mit einem Schalter 24. Zur Steuerung des Elektromotors 12 ist eine
Ansteuerschaltung 26 vorgesehen.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
wird von einem Gleichstrommotor 12 ausgegangen, der vorzugsweise
mit einem impulsbreitenmodulierten Signal angesteuert wird, welches
die mittlere Betriebsspannung des Elektromotors 12 festlegt.
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In 2 ist
ein Impulsbreitenmodulator 30 gezeigt, der ein impulsbreitenmoduliertes
Signal s_PWM bereitstellt, welches ein Schaltelement 32, beispielsweise
einen MOS-Feldeffekttransistor, entweder vollständig öffnet oder vollständig schließt. Die Periodendauer
und/oder die Impulsdauer des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM
können
variabel sein.
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Das
Tastverhältnis
des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM, welches das Verhältnis von Einschaltdauer
zu Periodendauer widerspiegelt, legt die mittlere Betriebsspannung
des Elektromotors 12 fest ermöglicht dadurch eine Beeinflussung
der dem Elektromotor 12 zur Verfügung gestellte Leistung beziehungsweise
der Drehzahl des Elektromotors 12.
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Nach
dem Schließen
des Schalters 24 fließt ein
Motorstrom i_Mot in Abhängigkeit
vom Tastverhältnis
des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM, in Abhängigkeit
von der Versorgungsspannung u_Batt und in Abhängigkeit von der Last des Elektromotors 12.
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Der
Motorstrom i_Mot wird als Maß für das vom
Elektromotor 12 aufgebrachte Drehmoment und somit als Maß für das vom
Kraftschrauber 10 an der Stecknuss 16 bereitgestellte
Drehmoment herangezogen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Motorstrom
i_Mot mit einem Shunt 34 erfasst, der als niederohmiger
Widerstand von beispielsweise 0,01 Ohm realisiert ist. Der als Maß für den Motorstrom i_Mot
am Shunt 34 auftretende Spannungsabfall u_Sens wird in
einer Sensorsignal-Aufbereitung 36 verstärkt und
als Maß für den Drehmoment-Istwert md_Ist
einer Signalglättung 38 zugeführt, die
einen geglätteten
Drehmoment-Istwert
mdm_Ist einer Schrauber-Abschaltung 40 zur Verfügung stellt.
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Die
Sensorsignal-Aufbereitung 36 enthält beispielsweise einen als
Differenzverstärker
beschalteten OpAmp. Die Signalglättung 38 ist
beispielsweise als eine Widerstands-Kondensator-Kombination realisiert,
welche eine Tiefpassfilterfunktion beziehungsweise eine integrierende
Eigenschaft aufweist, die zu einer gleitenden Mittelwertbildung
führt.
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Die
gegebenenfalls vorgesehene Signalglättung 38 unterdrückt weitgehend
Störsignale
und Stromspitzen, die zu einem irrtümlichen Abschalten des Kraftschraubers 10 führen können.
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Die
Schrauber-Abschaltung 40 ist beispielsweise mit einem als
Komparator beschalteten OpAmp realisiert, welchem der geglättete Drehmoment-Istwert
mdm_Ist oder der Drehmoment-Istwert md_Ist und ein von einer Drehmoment-Sollwertvorgabe 42 bereitgestellter
Drehmoment-Sollwert Md_Soll zur Verfügung gestellt wird. Die Drehmoment-Sollwertvorgabe 42 ist
vorzugsweise ein Potentiometer, dessen Einstellrad, das einer Bedienperson des
Kraftschraubers 10 zugänglich
ist, mit den unterschiedlichen vorzugebenden Drehmoment-Sollwerten
beschriftet ist.
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Sobald
der geglättete
Drehmoment-Istwert mdm_Ist beziehungsweise der Drehmoment-Istwert md_Ist
mit dem Drehmoment-Sollwert Md_Soll übereinstimmt, stellt die Schrauber-Abschaltung 40 ein Stoppsignal
s_Stop bereit, welches dem Impulsbreitenmodulator 30 zur
Verfügung
gestellt wird. Mit dem Auftreten des Stoppsignals s_Stop beim Erreichen des
vorgegebenen Drehmoment-Sollwerts Md_Soll beendet der Impulsbreitenmodulator 30 die
Bereitstellung des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM, wodurch
das Schaltelement 32 bleibend geschlossen und der Elektromotor 12 beziehungsweise der
Kraftschrauber 10 abgeschaltet wird.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
wird davon ausgegangen, dass zur Energieversorgung des Elektromotors 12 der
Akku 20 vorgesehen ist, der vorzugsweise als lithiumbasierter
Akku 20 realisiert ist, welcher sich durch eine hohe Energiedichte
auszeichnet. Eingesetzt werden kann beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku
oder beispielsweise ein Lithium-Polymer-Akku. Der Akku 20 stellt
die Versorgungsspannung u_Batt bereit. Die Entlade-Kennlinie eines
Akkus, insbesondere eines lithiumbasierten Akkus verläuft zwar
relativ flach, jedoch hat selbst ein geringer Spannungsabfall unmittelbar
eine Auswirkung auf das Erreichen des vorgegebenen Drehmoment-Sollwerts
Md_Soll, wenn als Maß für den Drehmoment-Istwert
md_Ist, mdm_Ist der Motorstrom i_Mot herangezogen wird, da sich
bei sinkender Versorgungsspannung u_Batt ein geringerer Motorstrom i_Mot
einstellt.
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Vorgesehen
ist deshalb eine Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung 44,
welche den Einfluss einer sinkenden Versorgungsspannung u_Batt auf
das Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts Md_Soll kompensiert.
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Prinzipiell
könnte
die Versorgungsspannung u_Batt unmittelbar stabilisiert und konstant
gehalten werden, wobei jedoch Leistungs-Halbleiterbauelemente erforderlich
wären,
die zum einen relativ kostspielig sind und zum anderen aufgrund
der hohen erwarteten Ströme
bis beispielsweise 100 A zu voluminös sind, um in Kraftschrauber 10 untergebracht
werden zu können.
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Die
Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung 44 greift deshalb
vorzugsweise mit einem Kompensationssignal s_Batt_Komp in die Schrauber-Abschaltung 40 ein,
wobei bei sinkender Versorgungsspannung u_Batt entweder der Drehmoment-Sollwert Md_Soll
erhöht
oder der Drehmoment-Istwert md_Ist, mdm_Ist verringert wird.
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Die
Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung 44 kann beispielsweise
eine Referenzspannungsquelle enthalten, mit welcher die Versorgungsspannung
u_Batt verglichen wird. Mit kleiner werdender Differenz zwischen
der Referenzspannung und der Versorgungsspannung u_Batt während des
Entladevorgangs des Akkus 20 wird das Kompensationssignal
s_Batt_Komp ständig
erhöht,
wobei die Erhöhung einer
virtuellen Verringerung des Motorstroms i_Mot entspricht, um den
tatsächlich
geringeren Motorstrom i_Mot bei sinkender Versorgungsspannung u_Batt
bei der Signalbewertung auszugleichen.
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Während des
Betriebs des Kraftschraubers 10 stellt der Stützarm 18 das
erforderliche Gegenmoment zu dem von der Stecknuss 16 auf
die Verschraubung übertragene
Drehmoment bereit. Der Stützarm 18 ist
zur Vorbereitung des Schraubvorgangs an einer geeigneten Abstützung zu
fixieren. Während
des Schraubvorgangs tritt in Abhängigkeit vom
zunehmenden Drehmoment eine entsprechend zunehmende Verformung des
Stützarms 18 auf,
die einer Speicherung von Energie entspricht. Die im Stützarm 18 gespeicherte
Energie weist nach dem Abschalten des Schraubers 10 beim
Erreichen des vorgegebenen Drehmoment-Sollwerts Md_Soll den maximalen
Wert auf.
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Durch
die Verformung des Stützarms 18 wird die
Stecknuss 16 und damit der gesamte Kraftschrauber 10 auf
der Schraubverbindung verspannt. Nach dem Abschalten des Kraftschraubers 10 durch das
von der Schrauber-Abschaltung 40 bereitgestellte Abschaltsignal
s_Stop bewirkt die im Stützarm 18 gespeicherte
Energie, dass der Elektromotor 12, ausgehend von der Stecknuss 16,
rückwärts über das
Getriebe 14 angetrieben wird, wobei der Elektromotor 12 in
der zur Antriebsrichtung entgegengesetzten Richtung zu drehen beginnt.
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Der
Elektromotor 12 wird daher beim Abbau der im Stützarm 18 gespeicherten
Energie als Generator betrieben. Zum raschen und einfachen Abbau der
im Stützarm 18 gespeicherten
Energie sollte der Elektromotor 12 frei drehen können, ohne
ein Gegenmoment aufzubringen, welches den Entlastungsvorgang erschweren
und verlängern
würde.
Der Elektromotor 12 sollte deshalb in diesem Betriebszustand nicht
kurzgeschlossen oder niederohmig überbrückt werden, wobei bereits bei
einer geringen Generatorspannung ein hoher Motorstrom i_Mot, entsprechend einem
hohem Gegenmoment auftreten würde.
Zu berücksichtigen
ist hierbei, dass sich im Generatorbetrieb die Motorspannung u_Mot
aufgrund der anderen Drehrichtung umpolt und der Motorstrom i_Mot daher
in umgekehrter Richtung fließt,
sofern der Strompfad zur Verfügung
steht.
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Insbesondere
hat sich anhand von Versuchen ausgestellt, dass im Generatorbetrieb
erhebliche Motorspannungen u_Mot auftreten können, die wesentlich über der
Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors 12 liegen. Bei
einem Elektromotor 12 mit einer Nenn-Betriebsspannung von
beispielsweise 28 Volt wurden Spannungsspitzen bis über 200
Volt mit einer Impulsdauer von mehreren 100 ns nachgewiesen. Derartige
energiereiche Überspannungen können zur
Zerstörung
von Komponenten der Ansteuerschaltung 22, insbesondere
zur Zerstörung des
Schaltelements 32 führen.
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Erfindungsgemäß ist deshalb
die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 vorgesehen, welche die
am Elektromotor 12 auftretende Motorspannung u_Mot des
beim Abbau der im Stützarm 18 gespeicherten
Energie als Generator betriebenen, entgegen der Antriebsrichtung
drehenden Elektromotors 12 auf eine vorgegebene Begrenzungsspannung u_Lim
begrenzt.
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Die
Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 ist nicht mit einem Freilauf
vergleichbar, der lediglich den Elektromotor 12 im Wesentlichen
kurzschließt. Die
Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 ermöglicht das gezielte Vorgeben
der Begrenzungsspannung u_Lim, damit der Elektromotor 12 während des
Generatorbetriebs bei der Vernichtung der im Stützarm 18 gespeicherten
Energie zumindest bis zum Erreichen der Begrenzungsspannung u_Lim
kein Gegenmoment erzeugt. In diesem Betriebszustand tritt ein Motorstrom
i_Mot in umgekehrter Richtung im Vergleich zum normalen Betrieb
nur auf, wenn die Motorspannung u_Mot im Generatorbetrieb die Begrenzungsspannung
u_Lim versucht, zu überschreiten.
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Die
Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 kann allerdings die Funktion
eines Freilaufs übernehmen,
wobei während
des Freilaufs, bei welchem sich die Richtung des Motorstroms i_Mot
nicht umdreht, die Begrenzungsspannung u_Lim als Motorspannung u_Mot
auftritt. Gegebenenfalls kann ein nicht näher gezeigter geschalteter
Freilauf vorgesehen sein, welcher vom impulsbreitenmodulierten Signal s_PWM
angesteuert wird.
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Die
Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 kann auf unterschiedliche
Art und Weise realisiert werden. Bei dem in 3a gezeigten
Ausführungsbeispiel
enthält
die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 zwei in Serie geschaltete,
gegeneinander gepolte Zenerdioden 50, 52. Die
Durchbruchspannungen werden vorzugsweise gleich groß festgelegt.
Abgesehen von den Durchlass-Spannungen der Dioden 50, 52 in
Durchlassrichtung, entsprechen die Durchbruchspannungen wenigstens
näherungsweise
der Begrenzungsspannung u_Lim sowohl in positiver als auch in negativer
Richtung. Prinzipiell können
unterschiedliche Begrenzungsspannungen durch eine entsprechende
Auswahl der Durchbruchspannungen der Zenerdioden 50, 52 in
Abhängigkeit
von der Polarität
vorgegeben werden.
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Bei
dem in 3b gezeigten Ausführungsbeispiel
enthält
die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 eine bipolare Spannungsbegrenzerdiode 54,
die auch als TVS (Transient Voltage Suppressor) bezeichnet wird.
Die Spannungsbegrenzerdiode 54 enthält die beiden Zenerdioden 50, 52 integriert
in einem einzigen Bauelement, das somit kostengünstiger ist als einzelne Zenerdioden
und insbesondere mit geringerem Aufwand auf einer Leiterplatte bestückt werden
kann, sodass sich weitere Kostenvorteile in der Serienproduktion
ergeben.
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Bei
dem in 3c gezeigten Ausführungsbeispiel
enthält
die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 einen Varistor 56.
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Das
in 3d gezeigte Ausführungsbeispiel beruht auf einer
Spannungsbegrenzung mit einer analogen elektronischen Last 58.
Die elektronische Last 58 kann mit einem Transistor 60 realisiert
werden, der in Serie mit einem Verlustwiderstand 62 geschaltet
ist. Zur Ansteuerung des Transistors 60 ist ein Komparator 64 vorgesehen,
der die Motorspannung u_Mot als Messspannung u_Mess mit der vorgegebenen
Begrenzungsspannung u_Lim vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleich den
Transistor 60 mehr oder weniger öffnet. Dadurch wird die Spannung
an der Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 auf die Begrenzungsspannung
u_Lim geregelt und somit begrenzt.
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Während die
in den Spannungsbegrenzer-Schaltungen 46 eingesetzten Bauelemente – die Zenerdioden 50, 52,
die Spannungsbegrenzerdiode 54 sowie der Transistor 60 – eine sehr
schnelle Reaktion auf Spannungsimpulse ermöglichen, kann der Varistor 56 eine
höhere
Energie zumindest kurzfristig aufnehmen und ableiten. In Abhängigkeit
von den Anforderungen kann deshalb eine Kombination von Dioden beziehungsweise
Transistoren 50, 52, 54, 60 sowie
einem Varistor 60 vorgesehen sein.
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Die
Begrenzungsspannung u_Lim wird zunächst auf einen Wert festgelegt,
bei welchem im normalen Antriebsbetrieb des Elektromotors 12 keine Begrenzung
der Motorspannung u_Mot auftreten kann. Die Begrenzungsspannung
u_Lim wird demnach bei einem 28-Volt-Elektromotor 12 auf
einen Wert von mindestens 28 Volt festgelegt. Da sich im Generatorbetrieb
des Elektromotors 12 die Motorspannung u_Mot umkehrt, muss
die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 die Begrenzungsspannung u_Lim
insbesondere für
die Motorspannung u_Mot bei umgekehrter Polarität bereitstellen, da insbesondere
im Generatorbetrieb die Gefahr einer Überspannung besteht. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel
mit der in 2 eingetragenen Polarität der Versorgungsspannung
u_Batt tritt im Generatorbetrieb des Elektromotors 12 das
positive Potenzial der Motorspannung u_Mot am Schaltelement 32 auf,
während das
negative Potenzial am Akku 20 anliegt.
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Zweckmäßigerweise
wird für
beide Polaritäten
der Motorspannung u_Mot derselbe Betrag der Begrenzungsspannung
u_Lim vorgegeben, der mindestens dem Betrag der Nenn-Betriebsspannung des
Elektromotors 12 entspricht.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung wird zumindest die im Generatorbetrieb des
Elektromotors 12 wirksame Begrenzungsspannung u_Lim auf den
Wert einer sogenannten Schutz-Kleinspannung festgelegt, die gesetzlich
festgelegt sein kann. Eine Schutz-Kleinspannung in diesem Sinn soll
dadurch definiert sein, dass an einem elektrischen Gerät, im vorliegenden
Fall dem Kraftschrauber 10, spannungsführende Teile, die berührt werden
können,
die Schutz-Kleinspannung nicht übersteigen
dürfen.
Sofern dies der Fall sein könnte,
sind spezielle Maßnahmen
zum Berührungsschutz
zu treffen. Die Schutz-Kleinspannung liegt beispielsweise bei 42 Volt.
Vorzugsweise wird auch die auf die Schutz-Kleinspannung festgelegte Begrenzungsspannung
u_Lim für
beide Polaritäten
der Motorspannung u_Mot auf denselben Betrag festgelegt.