DE3215734A1 - Schaltungsanordnung zur drehmomentbegrenzung von universalmotoren - Google Patents

Description

Black & Decker Inc. Case 4253

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Schaltungsanordnung zur Drehmomentbegrenzung von Universalmotoren

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Drehmomentbegrenzung von Universalmotoren, insbesondere · Motoren für Elektrowerkzeuge, mit einer Schaltung zur Erfassung und Begrenzung des Motorstroms.

Bei Universalmotoren, also Kollektormotoren, die mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben werden können, tritt häufig die Forderung auf, den Maximalstrom oder das dazu proportionale Drehmoment begrenzen zu können. Das gilt zum einen zur Verhinderung von Überlastungen, zum anderen aber auch dann, wenn beispielsweise bei einer elektrischen Bohrmaschine, die als Schrauber verwendet wird, ein bestimmtes Anzugsmoment für die Schrauben nicht überschritten werden soll.

Neben einer direkten Erfassung des Drehmoments mittels eines Sensors, der beispielsweise die Abstützkraft des Motorständers mißt und über eine Steuerschaltung begrenzt, ist es bekannt, im Hauptstromkreis des Motors einen Shunt, d.h. einen kleinen ohmschen Widerstand anzuordnen, an dem eine dem Motorstrom proportionale Spannung abgegriffen werden kann. Diese Spannung wird nach Verstärkung und Gleichrichtung mit einer einstellbaren Referenzspannung verglichen. Bei Übersteigen der Referenzspannung kann der dem Motor zugeführte Strom verringert werden, beispielsweise mittels eines steuerbaren Halbleiterschalters, derart, daß ein maximaler Strom und damit ein maximales Drehmoment nicht überschritten wird. Statt einer Begrenzung kann auch eine vollständige Abschaltung erfolgen.

Der Einsatz eines Drehmomentsensors mit nachgeschalteter Steuerschaltung bedingt einen verhältnismäßig hohen Aufwand. Das gilt auch für die Strommessung mittels eines

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Shunt, da dessen Verlustleistung bei üblichen Motorströmen im Bereich bis 1OA groß wird. Das bedingt ein verhältnismäßig hohes Volumen und einen hohen Preis. Außerdem treten Schwierigkeiten bei der Unterbringung und Wärmeabfuhr beispielsweise in einer elektrischen Handbohrmaschine auf und es muß für sichere Anschlüsse gesorgt werden, damit schwankende Kontaktwiderstände nicht zu einer Verfälschung führen.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, bei einem elektrischen Universalmotor eine Begrenzung oder Einstellung des Maximalstroms und damit des maximalen Drehmoments ohne direkte Messung des Drehmoments oder Verwendung eines Shuntwiderstandes zur Strommessung zu schaffen.

Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist die Lösung der Aufgabe gekennzeichnet durch eine Schaltung, die ein die Motordrehzahl angebendes Signal ableitet, ferner eine Schaltung, die ein die Effektivspannung am Motor darstellendes Signal liefert, und eine Verknüpfungsschaltung, die abhängig von den die Drehzahl und die Effektivspannung darstellenden Signalen sowie dem Kennlinienfeld des Motors ein den Motorstrom angebendes Signal erzeugt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß für einen gegebenen Motor die Zuordnung Drehzahl-Motorspannung-Motordrehmoment bzw. Motorstrom eindeutig ist. Für eine vorgegebene Drehzahl ist demgemäß die Effektivspannung, die notwendig ist, um den Motor bei gegebener Belastung auf diese Drehzahl zu bringen, ein direktes Maß für das dem Motor abverlangte Drehmoment und damit den Motorstrom. Bei bekannter Drehzahl und bekannter Motorkennlinie kann daher die dem Motor zugeführte Effektivspannung statt des fließenden Stroms gemessen werden, so daß kein Shunt erforderlich ist. Ist die Drehzahl nicht konstant, so kann auf einfache Weise anhand der Drehzahl

und der Effektivspannung unter Verwendung des Kennlinienfeldes für den Motor der Motorstrom bestimmt und begrenzt oder auch abgeschaltet werden. Die vorstehenden Zusammenhänge gelten streng nur für konstanten Magnetfluß. Diese Voraussetzung ist aber bei kleinen Universalmotoren erfüllt, da eine Sättigung schon bei etwa 20% des Kennstroras eintritt.

Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. So läßt sich das die Effektivspannung darstellende Signal aus dem Zündzeitpunkt für einen im Motorstromkreis liegenden, im Phasenanschnitt betriebenen Thyristor oder Triac ableiten. Bei bekannten Schaltkreisen zur Steuerung von Universalmotoren im Phasenanschnitt wird ein solches Signal bereits zur Verfügung gestellt, so daß kein zusätzlicher Aufwand erforderlich ist.

Die Verknüpfungsschaltung läßt sich auf digitale oder analoge Weise verwirklichen. Im digitalen Fall wird zweckmäßig ein Mikroprozessor eingesetzt, der gleichzeitig dann auch alle anderen Steuer- oder Regelfunktionen einschließlich einer Anzeige von Soll- und Istwerten ausführen kann.

Wird in bekannter Weise zur Steuerung eines Thyristors oder Triacs ein integrierter Schaltkreis verwendet, der einen synchron mit der Netzwechselspannung laufenden Sägezahngenerator aufweist, dessen linear ansteigende Spannung mit einer einstellbaren Referenzspannung verglichen wird und bei Übereinstimmung einen Zündimpuls liefert, so kann die Referenzspannung als das die Effektivspannung darstellende Signal verwendet werden. Für einen auf konstante Drehzahl geregelten Motor läßt sich die Verknüpfungsschaltung dann auf besonders einfache Weise dadurch verwirklichen, daß die Referenzspannung zusammen mit einer einstellbaren Steuerepannung an einen Komparator angelegt ist, der bei Übereinstimiaung der beiden anliegenden Spannungen eine Abschalt- oder Begrenzungsspannung an

Schaltkreis liefert.

Eine zweckmäßige analoge Rechenschaltimg ist in einem weiteren Unteranspruch gekennzeichnet.

Nachfolgend wird die Erfindimg anhand von Ausführungs-Beispielen in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Abhängigkeit zwischen der Motorspannung und dem Drehmoment bei verschiedenen Drehzahlen für einen Universalmotor; Fig. 2 ein Kurvendiagramm mit den Spannungsformen,

die bei der Leistungsregelung eines Univerealmotors im Phasenanschnitt auftreten;

Fig. 3 das prinzipielle Schaltbild einer Steuerschaltung für einen Universalmotor mit einem integrierten Schaltkreis bekannter Art;

Fig. 4 eine Komparatorschaltung, die in Verbindung mit der Steuerschaltung nach Fig. 3 zur Verwirklichung einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung benutzt werden kann; Fig. 5 die Abhängigkeit der Drehzahl von der Effektivspannung für einen Universalmotor mit dem Motorstrom als Parameter;

Fig. 6 eine analoge Rechenschaltung, deren Eingangsund Ausgangsgrößen aus dem Kennlinienfeld gemäß Fig. 5 abgeleitet sind;

Fig. 7 das Blockschaltbild einer digitalen Verwirklichung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung unter Verwendung eines Mikroprozessors.

In dem Kennlinienfeld gemäß Fig. 1 ist die an einem als Beispiel gewählten Universalmotor anliegende Effektivspannung abhängig vom gelieferten Drehmoment M für drei Drehzahlen η dargestellt. Man erkennt, daß bei jeweils konstanter Drehzahl eine im wesentlichen lineare Abhängig-

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keit zwischen der am Motor anliegenden Effektivspannung und dem vom Motor gelieferten Drehmoment besteht. Da das Drehmoment wiederum im wesentlichen dem Motorstrom direkt proportional ist, gilt die gleiche Abhängigkeit auch für den Motorstrom. Man kann demgemäß bei bekannter Drehzahl den Motorstrom oder auch das Drehmoment aus der am Motor anliegenden Spannung bestimmen.

Anhand der Figuren 2, 3 und 4 wird ein erstes, auf analoge Weise verwirklichtes Ausführungsbeispiel beschrieben. Figur 3 zeigt eine bekannte Steuerschaltung für ein Elektrowerkzeug, beispielsweise eine elektrische Handbohrmaschine mit einem Universalmotor 20. Dieser liegt in Reihe mit einem Triac 21 an den Anschlüssen 22, 23 eines Wechselstromnetzes. Die Leistungsregelung für den Motor 20 erfolgt mittels eines integrierten Schaltkreises 24 bekannter Art, wobei eine typische Beschaltung unter Weglassung aller im vorliegenden Zusammenhang nicht wichtigen Bestandteile dargestellt ist. Der Schaltkreis 24 ist im vorliegenden Fall eine integrierte Schaltung vom Typ U 211 B. Die wesentlichen Bausteine des Schaltkreises 24 sind eine Phasenanschnitt-Steuerschaltung 25, deren Ausgangssignal über einen Impulsverstärker 26 und einen Widerstand 27 den Triac 21 steuert. Neben der Betriebsspannung, die aus der Netzspannung über eine Diode 28, einen Widerstand 29, einen Kondensator 30, eine Begrenzungsschaltung 31 und eine Überwachungsschaltung 32 abgeleitet und zugeführt wird, erhält die Phasenanschnitt-Steuerschaltung 25 am Anschluß 17 des Schaltkreises 24 über einen Widerstand 33 eine Information bezüglich der Netzspannung und ferner über einen Regelverstärker 34 ein Signal in Form einer Bezugsspannung für die Leistungsregelung des Motors 20.

In Fig. 2 ist genauer dargestellt, wie die Leistungsregelung erfolgt. Die Phasenanschnitt-Steuerschaltung 25 erzeugt in bekannter Weise eine Sägezahnspannung (mittlere Zeile der Fig. 2), die synchron mit der Netzspan-

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nung (obere Zeile) läuft und bei jedem Nulldurchgang startet. Die Sägezahnspannung wird in der Phasenanschnitt-Steuer schaltung mit einer Bezugsspannung (mittlere Zeile) verglichen. Bei Übereinstimmung der beiden Spannungen erfolgt die Zündung des Triac 21 über den Verstärker 26, Dem Motor 20 wird dann eine Spannung zugeführt, die in der unteren Zeile der Fig. 2 dargestellt ist. Die Leistungsregelung erfolgt dadurch, daß die Bezugsspannung gegenüber dem als Beispiel in der mittleren Zeile gewählten Wert zu größeren oder kleineren Vierten verschoben wird, wie die beiden Pfeile andeuten. Bei kleinerer Bezugsspannung zündet demgemäß der Triac 21 früher, so daß der Effektivwert detf Motorspannung größer wird und umgekehrt.

Der Schaltkreis 24 erzeugt die Bezugsspannung für den Vergleich mit dem Sägezahn am Ausgang des Regelverstärkers 34, an dessen nichtinvertierenden Eingang (Anschluß 11) eine Sollwertinformation anliegt, die mittels eines Potentiometers 35 mit Vorwiderstand 36 einstellbar ist. Der Istwert wird über einen Tachogenerator 37 abgeleitet, tier entsprechend der gestrichelten Verbindung 38 mit der Motorwelle gekoppelt ist. Ein Frequenz-Spannungswandler 39 liefert am Ausgang eine Spannung an den invertierenden Eingang des Regelverstäi*kers 34, die die Drehzahl des Motors 20 wiedergibt. Mit dem Potentiometer 35 kann demgemäß eine gewünschte Drehzahl eingestellt werden, die durch die Phasenanschnitt-Steuerschaltung im Rahmen der Leistungsgrenzen konstant gehalten wird. Sinkt die Drehzahl wegen höherer Belastung,; so wird dem Motor durch Verschieben der Bezugsspannung z.u nie drigeren Werten eine höhere Effektivspannung zugeführt.

Die am Anschluß 12 des Schaltkreises 24 anstehende, vom Ausgang des Regelverstärkers 34 gelieferte Bezugsspannung U_ref gibt, wie anhand von Fig. 2 erläutert, die an Motor 20 anliegende Effektivspannung wieder. Bei kon-

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stanter Drehzahl ist demgemäß die Spannung U_ref gleichzeitig ein Maß für den dem Motor 20 zugeführten Strom und damit für das Drehmoment. Führt man die Spannung ^üref ^einem einfachen Komparator gemäß Fig. 4 dar, so läßt sich ein Signal U_a + gewinnen, das bei Anlegen an den Anschluß 18 des Schaltkreises 24 für eine Stromabschaltung sorgt. Der Komparator gemäß Fig. 2 weist zwei Transistoren 40, 41 mit einem gemeinsamen Emitterwiderstand 42 auf. Die Spannung U_ref wird der Basis des Transistors 40 über einen Begrenzungswiderstand 43 zugeführt. An der Basis des Transistors 41 liegt als Vergleichspannung über einen Widerstand 44 eine einstellbare Steuerspannung, die über ein Potentiometer 45 aus der Betriebsspannung U„_ abgeleitet ist. Mit dem Po-

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tentiometer 45 kann demgemäß das gewünschte maximale Drehmoment des Motors 20 eingestellt werden.

Anhand der Figuren 5 und 6 soll schematisch ein weiteres, in analoger Technjk verwirklichtes Ausführungsbeispiel skizziert werden. Figur 5 zeigt die Abhängigkeit der Motordrehzahl η von der effektiven Motorspannung U^ für konstanten Strom. Die Steigung der Kennlinie ~~ hängt von der Motorgröße ab und der Abszissenabschnitt b vom Strom I. Für den auf der eingezeichneten Kennlinie I = const liegenden Punkt P3 liegt für die Drehzahl n_Q eine Effektivspannung U3 am Motor an. Eine Verschiebung der Kennlinie I=const nach links ergibt dann beispielsweise für den Punkt P1 eine kleinere Leistung bei einer Effektivspannung U1 und eine Verschiebung nach rechts beispielsweise zum Punkt P2 bei der gleichen Drehzahl n_Q eine größere Leistung mit anliegender Effektivspannung U2. Die dargestellte Kennlinie I=const stellt einen idealisierten Fall dar. In der Praxis verläuft die Kennlinie entsprechend der gestrichelten Linie. Aus dem Kennlinienfeld läßt sich folgende Gleichung (1) ableiten:

ⁿ - ÄS · ^Ueff-^b « * 0

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FUr den gestrichelten Bereich A links von der Kennlinie I=const, der den zulässigen Leistungsbereich wiedergibt, erhält man folgende Ungleichung:

^A - £§ ^{v U}eff- ⁿ * * ^{n Z} °

Ist diese Ungleichung, die die Fläche A beschreibt, erfüllt, so ist für alle Drehzahlen η der Strom I kleiner als der durch die Größe b vorgegebene Maximalwert.

Die Gleichung (1) wird durch die analogen Rechenverstärker entsprechend der Schaltung in Fig. 6 nachgebildet.

Einem ersten Operationsverstärker 46 wird zur Bildung der Differenz in Gleichung (1) am invertierenden Eingang eine die Drehzahl η darstellende Spannung U_n und am nicht-Invertierenden Eingang die Spannung U_eif zugeführt. Einstellwiderstände 47, 48 sowie ein Gegenkopplungswiderstand 49 und ein zusammen mit dem Einstellwiderstand 48 einen Spannungsteiler bildender Widerstand 50 ermöglichen die Berücksichtigung von Korkstantwerten zur Anpassung an

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den Motor. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 46 wird über einen Widerstand 51 dem invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 52 zugeführt, an dessen nichtinvertieitendera Eingang eine mittels eines Potentiometers 53 einstellbare Spannung über einen Widerstand 54 angelegt ist. Mit dem Potentiometer kann die Schaltschwelle und demgemäß der Maximalstrora entsprechend dem Wert b in Fig. 5 eingestellt werden. Der Ausgang A des Operationsverstärkers 52 hat im Normalfall niedriges Potential. Sobald der Motorstrom den Maximalwert übersteigt, springt der Ausgang A auf hohes Potential. Das Signal am Ausgang kann dann benutzt werden, um den Motor auszuschalten oder auch um die Stromaufnahme zu reduzieren.

Will man die Temperaturabhängigkeit der Kennlinie gemäß Fig. 5 berücksichtigen, so besteht die Möglichkeit, ei-

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nen NTC-Widerstand zum Widerstand 48 hinzuzuschalten.

In Fig. 7 1st anhand eines Blockschaltbildes ein digital verwirklichtes Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines Mikroprozessors gezeigt. Der Mikroprozessor 55, beispielsweise ein 8-Bit-Wikroprozessor vom Typ MK 3870 erhält über ein Tastenfeld 56 die gewünschten Eingabedaten. Eine Anzeige 57 versorgt den Benutzer über einen Treiber 58 mit Angaben bezüglich der Drehzahl, des Drehmomentes und weiterer gewünschter Werte. Ein Tastschalter 59 gibt den Einschaltbefehl und der Mikroprozessor 55 steuert dann entsprechend einem eingegebenen Programm über einen Triac den Motor beispielsweise eines Elektrowerkzeugs. Der Triac und der Motor sind nur schematisch in Form eines Bausteins 60 dargestellt. Die Leistungsregelung erfolgt im Phasenanschnitt. Dazu erhält der Mikroprozessor 55 eine aus der Netzspannung abgeleitete Synchronisationsinformation. Die Information bezüglich der Drehzahl η wird von einem Tachogenerator 61 Über einen Impulsformer 62 zugeführt, der am Ausgang Rechteckimpulse liefert, deren Frequenz die Motordrehzahl darstellt. Die Stromversorgung der Schaltungsanordnung ist nur schematisch anhand eines Blocks 63 angedeutet.

Der Mikroprozessor 55 vergleicht die gemessene Drehzahl η mit der über das Tastenfeld 56 vorgegebenen Solldrehzahl und steuert die dem Motor zugeführte Effektivspannung derart, daß bei einer zu kleinen Drehzahl der Zündzeitpunkt des Triacs näher zum Nulldurchgang der Netzspannung rückt und umgekehrt. Der Zündzeitpunkt erfolgt durch eine Zeitzählung im Mikroprozessor 55 mit jeweiligem Start beim Nulldurchgang der Netzspannung. Die Zeit ist dabei ein Maß für die am Motor anliegende Effektivspannung. Es braucht dann nur diese Zeit mit einem vorgegebenen Viert verglichen zu v/erden, um das vom Motor abgegebene Drehmoment zu ermitteln und zu begrenzen.

Die Temperaturabhängigkeit des Motor-Kennlinienfeldes

läßt sich zusätzlich berücksichtigen, wie in Fig. 7 gestrichelt dargestellt. Ober einen Verstärker 64 wird dazu dem Mikroprozessor nach Analog-Digitalwandlung in der Schaltung 65 eine Information bezüglich der Wicklungstemperatur zugeführt.

Wie dem Kennlinienfeld in Fig. 1 zu entnehmen ist, beeinflußt die jeweils eingestellte Konstantdrehzahl den "Meßbereich" für das Drehmoment. Eine kleinere Drehzahl bedeutet bei gleicher Motorspannung ein höheres Drehmoment. Das führt dann dazu, daß beim Anlaufen des Motors ein höheres Maximaldrehmoment möglich ist. Dieses Verhalten ist bei Anwendung auf einen Schrauber insofern vorteilhaft, als beim Andrehen der Schrauben das zum Überwinden der Haftreibung notwendige höhere Moment nicht zum Abschalten des Motors führt. Besonders wichtig ist dieses Verhalten, wenn eine Schraube schon halb eingedreht ist und dann weiter eingedreht werden soll.

Leerseite

Claims (7)

1. Patentconsult Radeckestraße 4J 8000 München 60 Telefon (089) 383603/86ιό04 Telex 05-212313 Telegramme Palenlconsult Pateniconsull Sonnenberger Straße 43 62C0 Wiesbaden Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsul!

   Black & Decker Inc. Case 4253

   Newark, Del. 19771, USA

   Patentansprüche

   / Λ·) Schaltungsanordnung zur Drehmomentbegrenzung von ^■Universalmotoren, insbesondere Motoren für Elektrowerkzeuge, mit einer Schaltung zur Erfassung und Begrenzung des Motorstroms,
   gekennzeichnet durch eine Schaltung (37, 39; 61, 62), die ein die Motordrehzahl angebendes Signal ableitet,

   eine Schaltung (34), die ein die Iffektivspannung am Motor (20) darstellendes Signal liefert, und eine Verknüpfungsschaltung (40, 41; 46, 52; 55), die abhängig von den die Drehzahl und die Effektivspannung darstellenden Signalen sowie dem Kennlinienfeld des Motors ein den Ilotorstrom angebendes Signal erzeugt .
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß das die Effektivspannung am Motor (20) darstellendes Signal aus dem Zündzeitpunkt für einen im MotorStromkreis liegenden, im Phasenanschnitt betriebenen Thyristor oder Triac (21) abgeleitet ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungsschaltung einen Mikroprozessor (55) enthält.
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verknüpfungsschaltung eine analoge Rechenschaltung (46, 52) enthält.
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 und 4 mit

   einem integrierten Schaltkreis (24) zur Steuerung des Thyristors oder Triacs (21), wobei der Schaltkreis (24) einen synchron mit der Netzwechselspannung laufenden Sägezahngenerator aufweist, dessen linear ansteigende Spannung mit einer einstellbaren Bezugsspannung verglichen wird und bei Übereinstimmung ein Zündimpuls geliefert wird,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung als das die Effektivspannung darstellende Signal verwendet wird*
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 für einen auf eine konstante Drehzahl geregelten Motor (20), dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung (U_ref) zusammen mit einer einstellbaren Steuerspannung (45) an einen Komparator (Fig. 4) angelegt ist, der bei Übereinstimmung der beiden anliegenden Spannungen eine Abschalt- oder Begrenzungsspannung (U_reset) an den Schaltkreis (24) liefert.
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Rechenschaltung einen ersten Operationsverstärker (46) aufweist, an dessen invertierenden Eingang eine die Drehzahl wiedergebende Spannung (U) und an dessen nichtinvertierenden Eingang eine die effektive Motorspannung (U_ei>_f) wiedergebende Spannung liegt, und daß der Ausgang des ersten Operationsverstärkers mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers (52) verbunden ist, dessen nichtinvertierender Eingang an einer einstellbaren Bezugsspannung liegt, derart, daß dessen Ausgang (A) bei Überschreiten eines wählbaren, maximalen Motorstroras ein Signal zur Reduzierung oder Abschaltung des Motorstromn liefert.