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Schaltungsanordnung zur Drehzahl-
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steuerung einer Handwerkzeugmaschine Die Erfindung betrifft eine
Schaltungsanordnung zur Drehzahlsteuerung einer durch einen Elektromotor angetriebenen
Handwerkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Bei elektromotorisch angetriebenen Handwerkzeugmaschinen ist es bekannt,
die Drehzahl während des Betriebs durch eine Drehzahlregelungsschaltung konstant
zu halten. Dadurch wird ein Absinken der Drehzahl bei zunehmender Belastung während
des Arbeitsvorganges verhindert. Weiter ist es bekannt, bei solchen Handwerkzeugmaschinen
zwei oder mehrere Solldrehzahlwerte für die Drehzahlregelung vorzusehen.
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Die Drehzahl kann zwischen diesen Solldrehzahlwerten umgeschaltet
werden, um z.B. die Drehzahl dem zu bearbeitenden Material anzupassen oder um bei
einer Bohrmaschine zwischen dem Betrieb als Bohrmaschine und als Schraubendreher
umzuschalten. Das Umschalten zwischen den verschiedenen Solldrehzahlwerten erfolgt
bei den bekannten Handwerkzeugmaschinen manuell durch Betätigung von Tasten oder
Schaltern.
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Die bei den meisten Handwerkzeugmaschinen für das Arbeiten erforderlichen
hohen Drehzahlen haben eine starke und lästige Geräuscherzeugung zur Folge.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese starke Geräuscherzeugung
bei einer Handwerkzeugmaschine zumindest während der Arbeitspausen zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird mit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten
Gattung erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des
Patentanspruches 1.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Handwerkzeugmaschine weist eine Drehzahlregelungsschaltung
auf, die zwischen zwei Solldrehzahlwerten umschaltbar ist. Eine dieser Solldrehzahlen
entspricht der herkömmlichen Arbeitsdrehzahl.
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Die andere Solldrehzahl ist eine niedrige Bereitstellungsdrehzahl.
Mit dieser Bereitstellungsdrehzahl läuft die Maschine außerhalb der eigentlichen
Arbeitszeiten, d.h. vor und nach dem Bearbeitungsvorgang und in den Arbeitspausen.
Aufgrund der niedrigen Bereitstellungsdrehzahl erzeugt die Maschine außerhalb der
eigentlichen Arbeitszeiten nur ein erheblich reduziertes und wenig lästiges Geräusch.
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Das Umschalten von der niedrigen Bereitstellungsdrehzahl auf die hohe
Arbeitsdrehzahl erfolgt automatisch jeweils zu Beginn des Arbeitsvorganges. Der
Beginn des Arbeitsvorganges wird elektronisch festgestellt, indem die bei Belastung
der Maschine ansteigende Stromaufnahme des Elektromotors durch einen Stromsensor
bestimmt wird.
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Der Stromsensor schaltet die Solldrehzahl der Drehzahlregelungsschaltung
auf die höhere Arbeitsdrehzahl. Wenn die Belastung der Maschine am Ende des Arbeitsvorganges
nachläßt und der Stromsensor wieder die Leerlaufstromstärke feststellt, schaltet
die Maschine nach einer gewissen Nachlaufzeit wieder in die niedrigere Bereitstellungsdrehzahl
zurück. Durch diese zeitliche Verzögerung des Zurückschaltens in die Bereitstellungsdrehzahl
wird erreicht, daß die Drehzahl nicht bei jedem kurzzeitigen
Absetzen
der Maschine in die niedrigere Drehzahl umschaltet und beim anschließenden Weiterarbeiten
sofort wieder in die hohe Arbeitsdrehzahl hochfahren muß.
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Da der Elektromotor der Maschine bei der hohen Arbeitsdrehzahl auch
ohne Belastung eine höhere Stromaufnahme hat, wird der Stromstärkeschwellenwert,
bei dem der Stromsensor anspricht, während der Zeit, in welcher die Maschine mit
der Arbeitsdrehzahl läuft, heraufgesetzt.
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Dadurch wird erreicht, daß die den Nachlauf bewirkende Zeitstufe nur
dann wieder getriggert wird, wenn die Stromaufnahme des Motors während der Nachlaufzeit
bei Beginn eines neuen Arbeitsvorganges über den Stromstärkewert ansteigt, der der
Stromaufnahme im Leerlauf der Maschine bei der Arbeitsdrehzahl entspricht.
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Wenn die Handwerkzeugmaschine beim Einschalten auf die Bereitstellungsdrehzahl
anläuft, steigt die Stromaufnahme des Elektromotors ebenfalls über den Stromstärkeschwellenwert
des Stromsensors. Um zu verhindern, daß die Maschine beim Einschalten aus diesem
Grund sofort in die Arbeitsdrehzahl hochfährt, ist eine Einschaltverzögerung vorgesehen,
die ein Umschalten in die Arbeitsdrehzahl erst dann zuläßt, wenn die Maschine nach
dem Einschalten die Bereitstellungsdrehzahl erreicht hat.
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Die Drehzahlregelungsschaltung ist an sich bekannter Art. Ein mit
der Maschinenwelle verbundener Tachometergenerator erzeugt eine der Ist-Drehzahl
entsprechende Spannung, die mit dem jeweils in der erfindungsgemäßen Weise eingeschalteten
Solldrehzahlwert verglichen wird.
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Aus diesem Vergleich wird ein Regelsignal abgeleitet, das beispielsweise
über eine Phasenanschnittssteuerung die Ist-Drehzahl nachregelt.
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Selbstverständlich können auch zwei oder mehr verschiedene Arbeitsdrehzahlen
vorgegeben sein, die beispielsweise unterschiedlichen Bearbeitungsvorgängen oder
unterschiedlichen zu bearbeitenden Materialien entsprechen. Die Auswahl zwischen
diesen verschiedenen Arbeitsdrehzahlen kann in bekannter Weise manuell durch Tasten
oder Schalter erfolgen. Erfindungsgemäß schaltet die Maschine den automatisch bei
Belastung in die jeweils ausgewählte Arbeitsdrehzahl um.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Blockschaltbild einer
Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,
Figur 2 einen Schaltplan
dieser Schaltungsanordnung und Figur 3 ein Drehzahl-Zeit-Diagramm.
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In der Prinzipschaltung der Figur 1 liegt die Netz-Versorgungsspannung
U an dem Elektromotor M der Handwerkzeugmaschine über eine Drehzahlregelungsschaltung
10 und einen Stromsensor 12 an. Auf der Welle des Elektromotors M sitzt ein Tachogenerator
G, der ein der Ist-Dreh zahl des Elektromotors M entsprechendes Signal der Drehzahlregelungsschaltung
10 zuführt. Die Drehzahlregelungsschaltung 10 steuert den dem Elektromotor M zugeführten
Strom z.B. über eine bekannte Phasenanschnittssteuerung in der Weise, daß die Ist-Drehzahl
einem der Drehzahlregelungsschaltung 10 vorgegebenen Soll-Drehzahlwert nachgeregelt
wird.
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Der Stromsensor 12 bestimmt den jeweils momentan von dem Elektromotor
M aufgenommenen Strom. Überschreitet die vom Stromsensor 12 festgestellte Stromstärke
einen vorgegebenen Schwellenwert, so triggert der Stromsensor 12 eine Zeitstufe
14. Der Zeitstufe 14 ist eine Drehzahlumschaltung 16 nachgeschaltet. Die Drehzahlumschaltung
16 gibt der Drehzahlregelungsschaltung 10 den Solldrehzahlwert vor. Befindet sich
die Zeitstufe 14
nicht in ihrem getriggerten Zustand, so gibt die
Drehzahlumschaltung 16 einen niedrigen Solldrehzahlwert vor, der der Bereitstellungsdrehzahl
entspricht. Solange sich die Zeitstufe 14 in ihrem getriggerten Zustand befindet,
gibt die Drehzahlumschaltung 16 einen höheren Solldrehzahlwert vor, der der Arbeitsdrehzahl
der Handwerkzeugmaschine entspricht.
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Die Zeitstufe 14 weist eine Nachlaufzeit auf, so daß sie auch nach
dem Ende des vom Stromsensor 12 kommenden Triggersignals noch für eine gewisse Zeitspanne
in ihrem getriggerten Zustand verharrt und die Drehzahlumschaltung 16 den hohen
Solldrehzahlwert vorgibt. Weiter ist die Zeitstufe 14 retriggerbar, so daß die Nachlaufzeit
mit jedem vom Stromsensor 12 kommenden Triggersignal neu zu laufen beginnt.
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Durch die Zeitstufe 14 wird weiter eine Schwellenwertumschaltung 18
angesteuert. Im getriggerten Zustand der Zeitstufe 14 wird durch die Schwellenwertumschaltung
18 der Stromstärkeschwellenwert des Stromsensors 12 heraufgesetzt. Der Stromsensor
12 gibt dann ein Triggersignal an die Zeitstufe 14 nur, wenn die vom Elektromotor
M aufgenommene Stromstärke den Leerlaufstrom des Elektromotors M in der hohen Arbeitsdrehzahl
überschreitet.
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Weiter ist eine Einschaltverzögerung 20 vorgesehen. Die Einschaltverzögerung
20 blockiert die Zeitstufe 14 für eine vorgegebene Zeitspanne nach dem Einschalten
der Versorgungsspannung U. Diese Zeitspanne der Einschaltverzögerung 20 ist so gewählt,
daß die Zeitstufe 14 erst dann durch den Stromsensor 12 getriggert werden kann,
wenn die Drehzahl des Elektromotors M nach dem Einschalten der Versorgungsspannung
U auf die niedrige Bereitstellungsdrehzahl gestiegen ist. Durch die Einschaltverzögerung
20 wird verhindert, daß durch die hohe Stromaufnahme des Elektromotors M beim Anlaufen
die Zeitstufe 14 getriggert wird und die Drehzahlregelungsschaltung 10 sofort auf
die hohe Arbeitsdrehzahl umgeschaltet wird.
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In Figur 2 ist ein Auführungsbeispiel der in Figur 1 im Prinzip dargestellten
Schaltungsanordnung im Detail gezeigt.
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Der Elektromotor M der Handwerkzeugmaschine wird von der Netz-Versorgungsspannung
U gespeist. Die dem Elektromotor M zugeführte Leistung wird durch die Drehzahlregelungsschaltung
10 gesteuert. Diese besteht aus einer als integrierte Schaltung 22 ausgebildeten
herkömmlichen Regelungsschaltung, die einen in Reihe mit dem Elektromotor M geschalteten
Triac 24 zur Phasenanschnittssteuerung schaltet. Der integrierten Schaltung 22 wird
die Ausgangsspannung des Tachogenerators G als Ist-Drehzahlwert zugeführt. Die den
jeweiligen
Soll-Drehzahlwert darstellende Spannung wird in später
beschriebener Weise der integrierten Schaltung 22 zugeführt.
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Der vom Elektromotor M aufgenommene Strom wird durch den in folgender
Weise aufgebauten Stromsensor 12 bestimmt. Durch die negative Betriebsspannung -UB
wird über den ohmschen Widerstand R17, das Potentiometer P1 und den ohmschen Widerstand
R6 eine Gleichspannung erzeugt, die an dem Potentiometer P1 abgegriffen wird.
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Der Widerstand R6 ist mit dem Elektromotor M in Reihe geschaltet,
so daß der Spannungsabfall über diesen Widerstand R6 und damit die an dem Potentiometer
P1 abgegriffene Spannung von dem von dem Elektromotor M auf genommenen Strom abhängt.
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Die von dem Potentiometer P1 abgegriffene Gleichspannung wird über
eine Diode D4 an die Basis eines Transistors T1 angelegt. Das Potentiometer P1 wird
so eingestellt, daß im Leerlauf der Werkzeugmaschine bei einer niedrigen Bereitstellungsdrehzahl
die an dem Transistor T1 anliegende Gleichspannung diesen Transistor sperrt.
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Steigt die Stromaufnahme des Elektromotors M bei Belastung der Handwerkzeugmaschine
an, so entsteht ein größerer Spannungsabfall am Widerstand R6, die am Potentiometer
P1 abgegriffene Gleichspannung steigt an und der Transistor T1 schaltet durch. Zwischen
die Diode D4 und den Transistor T1 sind zwei Integrationsglieder aus Widerstand
R18 und Kondensator Cll und aus
Widerstand R20 und Kondensator
C12 geschaltet, die ein Durchschalten des Transistors T1 durch Störspannungsspitzen
verhindern.
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Durch das Durchschalten des Transistors T1 wird die nachfolgend beschriebene
Zeitstufe 14 getriggert. Der Schwellenwert der Stromaufnahme des Elektromotors M,
bei welchem der Transistor T1 durchgeschaltet und die nachfolgende Zeitstufe 14
getriggert wird, ist mittels.
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des Potentiometers P1 einstellbar.
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Mit dem Transistor T1 ist ein Kondensator C9 in Reihe geschaltet,
der beim Durchschalten des Transistors T1 über einen Reihenwiderstand R 14 aufgeladen
wird. Die Aufladezeitkonstante ist dabei sehr kurz gewählt und beträgt ca. 10 ms.
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Solange die Handwerkzeugmaschine belastet ist, d.h. die Stromaufnahme
des Elektromotors M über dem vorgegebenen Schwellenwert liegt, bleibt der Transistor
T1 durchgeschaltet und hält den Kondensator C9 aufgeladen. Endet die Belastung der
Handwerkzeugmaschine und sinkt die Stromaufnahme des Elektromotors M dementsprechend
unter den vorgegebenen Schwellenwert ab, sperrt der Transistor T1 wieder. Der Kondensator
C9 wird über einen Widerstand R15 entladen. Die durch den Kondensator C9 und den
Widerstand R15 bestimmte Zeitkonstante legt die Nachlaufzeit bzw. Verharrzeit der
Zeitstufe 14 fest.
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Jede erneute Belastung der Handwerkzeugmaschine während dieser Nachlauf
zeit führt zu einem erneuten Durchschalten des Transistors T1 und einem Wiederaufladen
des Kondensators C9. Die Nachlaufzeit beginnt somit erneut, d.h. die Zeitstufe 14
ist retriggerbar.
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Durch die Zeitstufe 14 wird die Drehzahlumschaltung 16 gesteuert.
Die am Eingang 22a der integrierten Schaltung 22 anliegende Spannung bestimmt den
Solldrehzahlwert der Drehzahlregelungsschaltung 10. Dieser Eingang 22a liegt einerseits
an einem von den ohmschen Widerständen R8 und R7 gebildeten Spannungsteiler und
ist andererseits mit dem Kondensator C9 über eine Reihenschaltung von zwei Invertern
25b und 25c, einem ohmschen Widerstand R12 und einer Diode D2 verbunden.
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Ist die Handwerkzeugmaschine nicht belastet und der Kondensator C9
entladen, so liegt die negative Betriebsspannung -UB am Ausgang des Inverters 25c,
so daß der Widerstand R12 über die Diode D2 parallel zu dem Widerstand R8 geschaltet
ist. Die Spannung am Eingang 22a der integrierten Schaltung 22 ist somit stärker
negativ und die Drehzahlregelungsschaltung 10 hält die Drehzahl des Elektromotors
M auf einer niedrigen Bereitstellungsdrehzahl. Bei Belastung der Handwerkzeugmaschine
wird der Kondensator C9 aufgeladen, so daß die Spannung am Ausgang des Inverters
25c stärker positiv wird und die Diode D2 sperrt. Die Spannung am Eingang 22a
wird
daher nur noch durch das Spannungsteilerverhältnis der Widerstände R7 und R8 bestimmt
und steigt auf einen höheren Wert an. Entsprechend dieser höheren Spannung am Eingang
22a regelt die Drehzahlregelungsschaltung 10 die Drehzahl des Elektromotors M auf
die höhere Arbeitsdrehzahl. Nach Beendigung der Belastung schaltet die Drehzahl
wieder auf die niedrigere Betriebsdrehzahl um, sobald nach der Nachlaufzeit der
Zeitstufe 14 die Spannung am Kondensator C9 soweit abgefallen ist, daß die Diode
D2 wieder leitet.
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Der Verbindungspunkt zwischen dem Inverter 25b und dem Inverter 25c
liegt über ein aus einem Widerstand R13 und einem Kondensator C13 bestehendes Integrationsglied
und hintereinandergeschaltete Inverter 25b und 25c sowie einen Widerstand R22 an
der Steuerbasis eines Transistors T2. Der Transistor T2 liegt in einer Reihenschaltung
mit einem Widerstand R21 an der Basis des Transistors T1.
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Dadurch wird die Schwellenwertumschaltung 18 gebildet, die in folgender
Weise arbeitet. Im unbelasteten Zustand der Handwerkzeugmaschine und bei entladenem
Kondensator C9 liegt der Ausgang des Inverters 25b auf dem positiven Potential und
dementsprechend liegt auch der
Ausgang des Inverters 25d auf positivem
Potential, so daß der Transistor T2 sperrt. Ist dagegen bei getriggerter Zeitstufe
14 der Kondensator C9 aufgeladen, so liegt der Ausgang des Inverters 25b auf negativem
Potential und der Ausgang des Inverters 25d nimmt ebenfalls negatives Potential
an, so daß der Transistor T2 durchschaltet. Der Widerstand R21 wird damit wirksam
und bildet mit dem Widerstand R20 einen Spannungsteiler für die von dem Potentiometer
P1 kommende Spannung.
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Aufgrund dieses Spannungsteilers muß ein höherer Spannungsabfall vom
Widerstand R6 eingekoppelt werden, um den Transistor T1 durchzuschalten. Dies bedeutet,
daß der Stromstärkeschwellenwert des Stromsensors 12 heraufgesetzt ist.
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Das Spannungsteilerverhältnis der Widerstände R20 und R21 ist so gewählt,
daß der Transistor T1 nicht durchschaltet, wenn der Spannungsabfall am Widerstand
R6 der Stromaufnahme des Elektromotors M im unbelasteten Leerlauf bei der hohen
Arbeitsdrehzahl entspricht. Ein Durchschalten des Transistors T1 erfolgt nur, wenn
die Stromaufnahme bei Belastung über den Schwellenwert des Leerlaufes bei der hohen
Arbeitsdrehzahl ansteigt. Ein Retriggern der Zeitstufe 14 erfolgt somit während
der Nachlaufzeit nur bei einer erneuten Belastung der Maschine.
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Durch das Integrationsglied aus dem Widerstand R13 und dem Kondensator
C13 wird bewirkt, daß die Schwellenwertumschaltung erst mit einer zeitlichen Verzögerung
nach
dem Triggern der Zeitstufe 14 erfolgt, die durch die Zeitkonstante von Widerstand
R13 und Kondensator C13 bestimmt ist. Die Ansprechempfindlichkeit des Stromsensors
12 wird daher erst zuriickgenommen, wenn der Elektromotor M auf die Arbeitsdrehzahl
beschleunigt ist. Dadurch werden Regelschwingungen ausgeschlossen.
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Um zu verhindern, daß der hohe Einschaltstrom des Elektromotors M
ein sofortiges Beschleunigen auf die Arbeitsdrehzahl verursacht, ist die folgende
Einschaltverzögerung 20 vorgesehen. Der Kondensator C9 der Zeitstufe 14 ist durch
die Reihenschaltung einer Diode D3, eines Inverters 25a und eines aus einem Widerstand
R16 und einem Kondensator C10-bestehenden Integrationsgliedes überbrückt. Beim Einschalten
der Betriebsspannung -UB wird der Kondensator C9 über die zunächst leitende Diode
D3 kurzgeschlossen, so daß er durch den Transistor T1 nicht aufgeladen werden kann.
Erst wenn der Kondensator C10 nach einer durch diesen und den Widerstand R16 bestimmten
Zeitkonstanten aufgeladen ist, sperrt die Diode D3 und der Kondensator C9 kann aufgeladen
werden, d.h. die Zeitstufe 14 kann getriggert werden. Solange die Betriebsspannung
-UB anliegt, bleibt dann der Kondensator ClO aufgeladen und die Diode D3 gesperrt.
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In dem Diagramm der Figur 3 ist die Drehzahl n als Funktion der Zeit
t zur Erläuterung der Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt.
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Zur Zeitpunkt t0 wird die Handwerkzeugmaschine, beispielsweise eine
Kreissäge, eingeschaltet. Der Elektromotor M läuft an und beschleunigt bis zur Zeit
tl auf dir niedrige Bereitstellungsdrehzahl von beispielsweise 22(0 bis 2300 U/min.
Während der Zeitspanne t0 bis tl ist die Einschaltverzögerung 20 wirksam, so daß
die hohle Stromaufnahme des Elektromotors M beim Anlaufen nicht zu einem Triggern
der Zeitstufe 14 führt. Die Hardwerkzeugmaschine läuft nun mit der niedrigen neieitstellungsdrehzahl,
bis die Maschine zum Zeitpunkt t2 zum Arbeiten angesetzt wird. Aufgrund der Belastung
steigt die Stromaufnahme des Elektromotors M stark an, so daß die Zeitstufe 14 innerhalb
von ca. 10 ms getriggert wird und die Drehzahlumschaltung 16 die Drehzahlreoelungsschaltung
10 auf die höhere Arbeitsdrehzahl umschaltet. Der Elektromotor M läuft nun innerhalb
von etwa 0,5 s auf die hohe Arbeitsdrehzahl von etwa 3.800 bis 4.000 U/min. hoch,
die zur Zeit t3 erreicht ist.
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Diese hohe Arbeitsdrehzahl wird durch die Drehzahlregelurgsschaltung
10 während der gesamten Arbeitsdauer bis zur Zeit t4 aufrechterhalten. Nach Beendigung
des Arkeitsvorganges zum Zeitpunkt t4 wird die Arbeitsdrehzahl noch bis zum Zeitpunkt
t5, d.h. für z.B. ca. 5 s entsprechend der Nachlaufzeit der Zeitstufe 14 aufrechterhalten.
Wenn innerhalb der Nachlaufzeit t4 bis t5 kein neuer Arbeitsvorgang begonnen wird,
der zu einem Retriggern der Zeitstufe 14 führt, schaltet die Drehzahlumschaltung
16 zur Zeit t5 wieder auf den niedringen Solldrehzahlwert und die Drehzahl des Elektromotors
M fällt wieder auf die Bereitstellungsdrehzahl ab, die zum Zeitpunkt t6 erreicht
wird. In dieser niedrigen
Bereitstellungsdrehzahl mit geringer
Geräuschentwicklung läuft die Handwerkzeugmaschine nun bis zum Beginn des nächsten
Arbeitsganges zum Zeitpunkt t7.