EP4348823A1 - Elektrische antriebseinheit für eine handwerkzeugmaschine - Google Patents

Elektrische antriebseinheit für eine handwerkzeugmaschine

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EP4348823A1
EP4348823A1 EP22732408.4A EP22732408A EP4348823A1 EP 4348823 A1 EP4348823 A1 EP 4348823A1 EP 22732408 A EP22732408 A EP 22732408A EP 4348823 A1 EP4348823 A1 EP 4348823A1
Authority
EP
European Patent Office
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motor
drive unit
hall
control unit
interrupts
Prior art date
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Pending
Application number
EP22732408.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Engler
Michael Herzig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilti AG
Original Assignee
Hilti AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hilti AG filed Critical Hilti AG
Publication of EP4348823A1 publication Critical patent/EP4348823A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/17—Circuit arrangements for detecting position and for generating speed information
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0077—Characterised by the use of a particular software algorithm
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/14—Estimation or adaptation of motor parameters, e.g. rotor time constant, flux, speed, current or voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25F—COMBINATION OR MULTI-PURPOSE TOOLS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DETAILS OR COMPONENTS OF PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS NOT PARTICULARLY RELATED TO THE OPERATIONS PERFORMED AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B25F5/00—Details or components of portable power-driven tools not particularly related to the operations performed and not otherwise provided for

Definitions

  • the present invention relates to an electric drive unit with a brushless DC motor and with a switching bridge for sensor-controlled commutation of the DC motor by means of at least one Hall sensor included in the DC motor, the Hall sensor being connected to the switching bridge and set up to detect a rotation angle of the DC motor.
  • the drive unit also has a control unit which is connected to the switching bridge and by means of which a setpoint speed for the DC motor can be specified.
  • the present invention also relates to a method for determining the actual speed of a brushless DC motor of an electric drive unit, the drive unit being equipped with a brushless DC motor and with a switching bridge for sensor-controlled commutation of the DC motor by means of at least one Hall sensor included in the DC motor, the Hall sensor having connected to the switching bridge and set up to detect an angle of rotation of the DC motor, and wherein the drive unit also has a control unit connected to the switching bridge, by means of which a target speed for the DC motor can be specified.
  • Brushless DC motors are typically referred to as BLDC motors and are commutated using a jumper. As part of the sensor-controlled commutation, this is done using at least one Hall sensor whose signal controls the switching bridge.
  • the object is achieved in that the control unit is set up to process Hall interrupts that are dependent on the angle of rotation and are caused by the at least one Hall sensor, and on the basis of time interrupts that are independent of the angle of rotation and the Hall interrupts that are dependent on the angle of rotation determine the DC motor.
  • the DC motor is designed as a 3-phase DC motor with 3 Hall sensors.
  • the invention includes the knowledge that a precise determination of the actual speed of DC motors, in particular with regard to electric handheld power tools, has not yet been satisfactorily solved in the prior art.
  • the electric drive unit according to the invention creates a basis for such a precise determination of the actual speed, in particular at low speeds of the DC motor.
  • control unit is designed to count how many Hall interrupts occur in a clock period that is defined by two consecutive time interrupts. It has proven to be advantageous if the determined actual speed of the DC motor corresponds to the quotient of counted Hall interrupts, which represent the angle of rotation, and the clock period.
  • control unit is designed to determine an offset time period between that Hall interrupt which immediately follows a time interrupt in terms of time and this time interrupt.
  • control unit can be designed to determine an offset time period between that Hall interrupt which immediately precedes a time interrupt and this time interrupt.
  • control unit is designed to correct the timing of the clock period using the offset period. It has turned out to be advantageous if the control unit is designed to additionally correct the clock period by means of the respectively preceding offset period.
  • a corrected clock period may be referred to as a reference period. It has proven to be advantageous if the offset period and/or the previous offset period can be stored in the control unit and/or can be read out from the control unit.
  • control unit is designed to set the determined speed of the DC motor as a quotient of a constant motor-specific sector angle and the offset period if the respective clock period is free of a Hall interrupt.
  • the time interrupt has a constant clock frequency.
  • the clock frequency of the time interrupt is between 0.5 kHz and 1.5 kHz. It turned out to be advantageous if the Clock frequency of the time interrupt is 1 kHz, ie a time interrupt is generated in the control unit every millisecond.
  • control unit is designed to first measure and/or correct the offset period and then to process the Hall interrupts that are dependent on the angle of rotation.
  • all interrupts are deactivated during a memory read operation, for example for reading out an offset time period and/or a preceding offset time period from the control unit.
  • a Hall interrupt that occurs is given a higher priority than the memory read operation. It has proven to be advantageous if a Hall interrupt that occurs interrupts the memory reading process.
  • the control unit is designed to measure and/or compensate for a delay which arises as a result of a Hall interrupt which interrupts the memory reading process.
  • the control unit is designed to use a memory register assigned to the Hall interrupts to detect any unconsidered switching operation in the switching bridge and, if necessary, to repeat and/or compensate for a determination of the offset period.
  • control unit is designed for block commutation of the DC motor.
  • the control unit can be provided as an integrated chip, for example as an ASIC or the like. It has proven to be advantageous if the drive unit is provided as a cordless screwdriver, rotary hammer or combination hammer.
  • the object is achieved in that the actual speed of the DC motor is determined on the basis of time interrupts that are independent of the angle of rotation and Hall interrupts that are dependent on the angle of rotation, the control unit being set up to cause Hall interrupts that are dependent on the angle of rotation and caused by at least one Hall sensor become to process.
  • the method according to the invention can be further developed in a corresponding manner by the feature described with reference to the drive unit, and vice versa. For example, if it is described with regard to the drive unit that the control unit is designed to correct the clock period using the offset period, a corresponding method feature is correcting the clock period using the offset period using the control unit.
  • FIG. 1 shows a preferred exemplary embodiment of an electric drive unit
  • FIG. 2 shows a first diagram which represents the function of the control unit
  • FIG. 3 shows a second diagram which represents the function of the control unit; and
  • FIG. 4 shows a third diagram which represents the function of the control unit.
  • Fig. 1 shows, in a highly schematic form, a preferred embodiment of an electric drive unit 100 according to the invention.
  • the drive unit 100 is equipped with a brushless DC motor 10, present in the form of a 3-phase DC motor with 3 pairs of motor poles and three Hall sensors 1, 2, 3.
  • the DC motor 10 has a constant motor specific sector angle SW (angle between adjacent stator elements) of 60 degrees.
  • the drive unit 100 is also equipped with a switching bridge 20 for sensor-controlled commutation of the DC motor 10.
  • the switching bridge 20 is electrically connected to the Hall sensors 1, 2, 3, as a result of which the DC motor 10 can be commutated depending on the angle of rotation DW.
  • the drive unit 100 is also equipped with a control unit 30, by means of which a setpoint speed for the DC motor 10 can be specified.
  • a typical setpoint speed for an electric drive unit 100 of an electric handheld power tool, not shown here, is over 5,000 rpm in normal operation, in particular over 6,000 rpm, particularly preferably over 8,000 rpm.
  • the control unit 30 is set up to process Hall interrupts H1 . .. Z3 (cf. Fig. 2 - 4) and the angle of rotation-dependent Hall interrupts H1 ... H3 to determine an actual speed of the DC motor 10.
  • FIGS. 2-4 each of which shows a diagram explaining the function of the control unit 30 of FIG. 2 symbolizes the function of the control unit 30 at an actual speed of the DC motor 10 of well over 5000 rpm
  • FIG 4 shows the function of the control unit 30 at an actual speed of the DC motor 10 of well below 5000 rpm.
  • the control unit 30 is set up, for example, to generate the time interrupts Z1 . . . Z3 with a constant clock frequency of 1 kHz, ie a new time interrupt is generated every millisecond.
  • the time interrupts Z1 . Interrupt Z2 and the first time interrupt Z1 is spanned, and the second clock period TZ2, is spanned by the third time interrupt Z3 and the second time interrupt Z2, each of equal size.
  • FIG. 2 symbolizes the function of the control unit 30 at an actual speed of the DC motor 10 of well over 5000 rpm.
  • the Hall interrupts H1...H3 occur with high frequency, since the mechanical rotation of the DC motor 10 is higher in one millisecond than the "electrical rotation" (for each 60 degrees of mechanical rotation, one of the Hall sensors 1, 2, 3 its switching status).
  • the control unit 30 is designed to first count how many Hall interrupts H1 . . . H3 occur in a respective clock period TZ1, TZ2. In the example in FIG. 2, these are exactly three Hall interrupts H1...H3 in the first clock period TZ1 and exactly three Hall interrupts H1...H3 in the second clock period TZ2.
  • the actual speed of the DC motor 10 corresponds to the quotient of counted Hall interrupts H1 . . . H3, which represent the angle of rotation DW, and a respective clock period TZ1, TZ2.
  • control unit 30 is designed to correct the timing of the clock period TZ1 by an offset period DT1.
  • the offset time period is the time period between that Hall interrupt which immediately follows a time interrupt in time and this time interrupt itself.
  • Three offset time periods DT1...DT3 are accordingly determined in the time profile of FIG.
  • a first offset period DT1 is spanned between the first time interrupt Z1 and the Hall interrupt H3 which is immediately thereafter
  • a second offset time period DT2 is spanned between the second time interrupt Z2 and the Hall interrupt H3' which is immediately thereafter
  • a third offset time period DT3 between the third time interrupt Z3 and the third Hall interrupt H3 which is immediately behind.
  • the control unit 30 is also designed to additionally correct the clock period using the respectively preceding offset period.
  • the current third offset period DT3 i.e. furthest to the right in the diagram in FIG. 2
  • the second offset period DT2 preceding it are taken into account for the correction of the current, second clock period TZ2.
  • a current reference period BZ for the clock period TZ2 is calculated by the formula:
  • the actual speed DZ of the DC motor 10 can be calculated using the formula:
  • DW H1...H3
  • the three Hall interrupts H1 . . . H3 correspond to an angle of rotation DW of 180 degrees in relation to the exemplary embodiment in FIG. 1 (this corresponds to a triple sector angle of the DC motor of 60 degrees).
  • a first offset period DT1 is spanned between the first time interrupt Z1 and the Hall interrupt H1 which is immediately behind in terms of time, a second offset period DT2 between the second time interrupt Z2 and the Hall interrupt HT which is immediately behind in terms of time, and a third offset period DT3 between the third time interrupt Z3 and the Hall interrupt H2 which is immediately behind in terms of time.
  • a current reference period BZ for the clock period TZ2 is calculated using the formula:
  • the current reference period BZ is calculated again, with the current (here third) offset period DT3 being stored as the preceding value.
  • the following calculation rule results for the first cycle time period TZ1, which precedes the second cycle time period TZ2:
  • the actual speed DZ of the DC motor 10 can be calculated using the formula:
  • DZ DW (H1...H2) / BZ, Where DW (H1 . . . H2) corresponds to that angle of rotation which is represented by the one Hall interrupt H1' in the first clock period TZ1 or by the two Hall interrupts H1", H2 in the clock period TZ2.
  • the Hall interrupt HT corresponds to a rotation angle DW of 60 degrees.
  • the Hall interrupts H1", H2 correspond to an angle of rotation DW of 120 degrees (this corresponds to twice the sector angle of the DC motor of 60 degrees).
  • control unit 30 is advantageously designed to set the determined actual speed of the DC motor as a quotient of a constant motor-specific sector angle SW and the offset period DT1 if the respective clock period (clock period DT1 in Fig. 4) is free of a Hall interrupt is.
  • the actual speed DZ of the DC motor 10 in the clock period TZ1 can be calculated using the formula:
  • the sector angle SW of the DC motor is 60 degrees.
  • the actual speed DZ of the DC motor 10 in the clock period TZ1 can be calculated using the formula:
  • the Hall interrupt HT corresponds to a rotation angle DW of 60 degrees.
  • a current reference period BZ for the clock period TZ2 is calculated by the formula:

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Abstract

Elektrische Antriebseinheit mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor und mit einer Schaltbrücke zur sensorgesteuerten Kommutierung des Gleichstrommotors mittels wenigstens eines vom Gleichstrommotor umfassten Hallsensors, wobei der Hallsensor mit der Schaltbrücke verbunden und eingerichtet ist, einen Drehwinkel des Gleichstrommotors zu erfassen, und wobei die Antriebseinheit weiter eine mit der Schaltbrücke verbundene Steuereinheit aufweist, mittels der eine Soll-Drehzahl für den Gleichstrommotor vorgegeben werden kann, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, drehwinkelabhängige Hall-Interrupts, die durch den wenigsten einen Hallsensor bewirkt werden, zu verarbeiten und auf Basis von drehwinkelunabhängigen Zeit-Interrupts und den drehwinkelabhängigen Hall-Interrupts eine Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors zu ermitteln

Description

Elektrische Antriebseinheit für eine Handwerkzeugmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor und mit einer Schaltbrücke zur sensorgesteuerten Kommutierung des Gleichstrommotors mittels wenigstens eines vom Gleichstrommotor umfassten Hallsensors, wobei der Hallsensor mit der Schaltbrücke verbunden und eingerichtet ist, einen Drehwinkel des Gleichstrommotors zu erfassen. Die Antriebseinheit weist weiter eine mit der Schaltbrücke verbundene Steuereinheit aufweist, mittels der eine Soll-Drehzahl für den Gleichstrommotor vorgegeben werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Bestimmen der Ist-Drehzahl eines bürstenlosen Gleichstrommotors einer elektrischen Antriebseinheit, wobei die Antriebseinheit ausgestattet ist mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor und mit einer Schaltbrücke zur sensorgesteuerten Kommutierung des Gleichstrommotors mittels wenigstens eines vom Gleichstrommotor umfassten Hallsensors, wobei der Hallsensor mit der Schaltbrücke verbunden und eingerichtet ist, einen Drehwinkel des Gleichstrommotors zu erfassen, und wobei die Antriebseinheit weiter eine mit der Schaltbrücke verbundene Steuereinheit aufweist, mittels der eine Soll-Drehzahl für den Gleichstrommotor vorgegeben werden kann.
Antriebseinheiten der eingangs genannter Art sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, und kommen beispielsweise in elektrischen Handwerkzeugmaschinen, beispielsweise Akkuschraubern, Bohrhämmern, oder Kombihämmern zum Einsatz. Bürstenlose Gleichstrommotoren werden typischerweise als BLDC-Motoren bezeichnet und mittels einer Schaltbrücke kommutiert. Im Rahmen der sensorgesteuerten Kommutierung erfolgt dies unter Verwendung wenigstens eines Hallsensors, dessen Signal die Schaltbrücke steuert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Antriebseinheit anzugeben, die eine Grundlage für eine präzise Drehzahlregelung des bürstenlosen Gleichstrommotor schafft.
Bezüglich der Antriebseinheit wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, drehwinkelabhängige Hall-Interrupts, die durch den wenigstens einen Hallsensor bewirkt werden, zu verarbeiten und auf Basis von drehwinkelunabhängigen Zeit-Interrupts und den drehwinkelabhängigen Hall-Interrupts eine Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors zu ermitteln. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Gleichstrommotor als 3-phasiger Gleichstrommotor mit 3 Hallsensoren ausgebildet.
Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, dass eine präzise Ermittlung der Ist-Drehzahl von Gleichstrommotoren, insbesondere im Bezug auf elektrische Handwerkzeugmaschinen, im Stand der Technik noch nicht zufriedenstellend gelöst ist. Die erfindungsgemäße elektrische Antriebseinheit schafft eine Grundlage für eine solche präzise Ermittlung der Ist-Drehzahl, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen des Gleichstrommotors.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit ausgebildet, zu zählen, wie viele der Hall-Interrupts in einem Takt-Zeitraum, der durch zwei aufeinander folgende Zeit-Interrupts definiert ist, auftreten. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die ermittelte Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors dem Quotienten aus gezählten Hall-Interrupts, die den Drehwinkel repräsentieren, und dem Takt-Zeitraum entspricht.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit ausgebildet, jeweils einen Offset-Zeitraum zwischen demjenigen Hall-Interrupt, der einem Zeit-Interrupt unmittelbar zeitlich nacheilt, und diesem Zeit-Interrupt zu bestimmen. Alternativ kann die Steuereinheit ausgebildet sein, jeweils einen Offset-Zeitraum zwischen demjenigen Hall- Interrupt, der einem Zeit-Interrupt unmittelbar zeitlich vorauseilt, und diesem Zeit-Interrupt zu bestimmen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit ausgebildet ist, den Takt- Zeitraum durch den Offset-Zeitraum zeitlich zu korrigieren. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Steuereinheit ausgebildet ist, den Takt-Zeitraum zusätzlich durch den jeweils vorangehenden Offset-Zeitraum zu korrigieren. Ein korrigierter Takt-Zeitraum kann als Bezugszeitraum bezeichnet werden. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Offset- Zeitraum und/oder der vorangehenden Offset-Zeitraum in der Steuereinheit eingespeichert und/oder aus der Steuereinheit ausgelesen werden kann.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit ausgebildet ist, die ermittelte Drehzahl des Gleichstrommotors als Quotient von einem konstanten motorspezifischen Sektorwinkel und dem Offset -Zeitraum festzulegen, falls der jeweilige Takt- Zeitraum frei von einem Hall-Interrupt ist.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Zeit-Interrupt eine konstante Taktfrequenz aufweist. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung liegt die Taktfrequenz des Zeit- Interrupts zwischen 0,5 kHz und 1 ,5 kHz. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Taktfrequenz des Zeit-Interrupts 1 kHz beträgt, d.h. dass in dem Steuergerät jede Millisekunde ein Zeit-Interrupt erzeugt wird.
Es hat sich ebenfalls als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Steuereinheit ausgebildet ist, zunächst Offset-Zeitraum zu messen und/oder zu korrigieren und danach die drehwinkelabhängigen Hall-Interrupts zu verarbeiten. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass alle Interrupts während eines Speicherlesevorgangs, beispielsweise zum Auslesen eines Offset-Zeitraums und/oder eines vorangehenden Offset- Zeitraums aus der Steuereinheit, deaktiviert sind.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein auftretender Hall-Interrupt höher priorisiert wird als der Speicherlesevorgang. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn auftretender Hall-Interrupt den Speicherlesevorgang unterbricht. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit ausgebildet, eine Verzögerung, die durch einen den Speicherlesevorgang unterbrechenden Hall-Interrupt entsteht, zu messen und/oder zu kompensieren. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit ausgebildet, mittels eines den Hall-Interrupts zugeordneten Speicherregister einen etwaig unberücksichtigten Schaltvorgang in der Schaltbrücke zu detektieren und bedarfsweise eine Bestimmung des Offset-Zeitraums zu wiederholen und/oder zu kompensieren.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit zur Blockkommutierung des Gleichstrommotors ausgebildet. Die Steuereinheit kann als Integrierter Chip, beispielsweise als ASIC oder dergleichen bereitgestellt sein. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Antriebseinheit als Akkuschrauber, Bohrhammer oder Kombihammer bereitgestellt ist.
Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors auf Basis von drehwinkelunabhängigen Zeit-Interrupts und drehwinkelabhängigen Hall-Interrupts ermittelt wird, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die drehwinkelabhängige Hall-Interrupts, die durch den wenigsten einen Hallsensor bewirkt werden, zu verarbeiten. Das Erfindungsgemäße Verfahren kann durch die mit Bezug auf die Antriebseinheit beschriebenen Merkmal in entsprechender Weise weitergebildet sein, und umgekehrt. Ist beispielsweise bezüglich der Antriebseinheit beschrieben, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, den Takt-Zeitraum durch den Offset-Zeitraum zeitlich zu korrigieren, so ist ein entsprechendes Verfahrensmerkmal ein Korrigieren des Takt-Zeitraums durch den Offset- Zeitraum mittels der Steuereinheit. Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung. In den Figuren sind verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
In den Figuren sind gleiche und gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Es zeigen:
Figur 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Antriebseinheit;
Figur 2 ein erstes Diagramm, welches die Funktion der Steuereinheit repräsentiert;
Figur 3 ein zweites Diagramm, welches die Funktion der Steuereinheit repräsentiert; und Figur 4 ein drittes Diagramm, welches die Funktion der Steuereinheit repräsentiert.
Ausführunqsbeispiele:
Fig. 1 zeigt, in stark schematisierter Form, ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Antriebseinheit 100. Die Antriebseinheit 100 ist ausgestattet mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor 10, vorliegend in Form eines 3-phasigen Gleichstrommotors mit 3 Motorpolpaaren und drei Hallsensoren 1 , 2, 3. Der Gleichstrommotor 10 weist einen konstanten motorspezifischen Sektorwinkel SW (Winkel zwischen benachbarten Stator-Elementen) von 60 Grad auf. Die Antriebseinheit 100 ist weiterhin ausgestattet mit einer Schaltbrücke 20 zur sensorgesteuerten Kommutierung des Gleichstrommotors 10. Die Schaltbrücke 20 ist mit den Hallsensoren 1, 2, 3 elektrisch verbunden, wodurch der Gleichstrommotor 10, in Abhängigkeit vom Drehwinkel DW, kommutiert werden kann. Bei einer vollen Umdrehung des Gleichstrommotors 10 um einen Drehwinkel DW von 360 Grad (eine mechanische Rotation), werden zwei elektrische Zyklen durchlaufen, in denen die hier nicht dargestellten sechs Schalter der Schaltbrücke 20 sechsmal schalten, d.h. es erfolgt für jede 30 Grad mechanische Rotation eine Schaltzustandsänderung in der Schaltbrücke 20. Für jede 60 Grad mechanische Rotation ändert einer der Hallsensoren 1 , 2, 3 seinen Schaltzustand.
Die Antriebseinheit 100 ist weiterhin ausgestattet mit einer Steuereinheit 30, mittels der eine Soll-Drehzahl für den Gleichstrommotor 10 vorgegeben werden kann. Eine typische Soll- Drehzahl für eine elektrische Antriebseinheit 100 einer hier nicht dargestellten elektrischen Handwerkzeugmaschine liegt im Normalbetrieb bei über 5.000 U/min, insbesondere über 6.000 U/min, besonders bevorzugt über 8.000 U/min.
Die Steuereinheit 30 ist eingerichtet, drehwinkelabhängige Hall-Interrupts H1...H3 (vgl. Fig. 2 - 4), die durch die drei Hallsensoren 1 , 2, 3 bewirkt werden, zu verarbeiten und auf Basis von drehwinkelunabhängigen Zeit-Interrupts Z1...Z3 (vgl. Fig. 2 - 4) und den drehwinkelabhängigen Hall-Interrupts H1 ...H3 eine Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors 10 zu ermitteln.
Dies soll beispielhaft mit Bezug auf die Fig. 2 - 4 erläutert werden, die jeweils ein die Funktion der Steuereinheit 30 der Fig. 1 erläuterndes Diagramm zeigen. Dabei symbolisiert Fig. 2 die Funktion der Steuereinheit 30 bei einer Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors 10 von deutlich über 5000 U/min, Fig. 3 die Funktion der Steuereinheit 30 bei einer Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors 10 von etwa 5000 U/min, und die Fig. 4 die Funktion der Steuereinheit 30 bei einer Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors 10 von deutlich unter 5000 U/min. Die Steuereinheit 30 ist beispielhaft eingerichtet, die Zeit-Interrupts Z1 ...Z3 mit einer konstanten Taktfrequenz von 1 kHz zu erzeugen, d.h. jede Millisekunde wir ein neuer Zeit- Interrupt erzeugt. Die Zeit-Interrupts Z1...Z3 sind drehwinkelunabhängig, d.h. nicht abhängig von der Ist-Drehzahl und/oder von dem Drehwinkel des Gleichstrommotors 10. Daher ist in allen Fig. 2 - 4 der erste Taktzeitraum TZ1, der durch den zweiten Zeit- Interrupt Z2 und den ersten Zeit-Interrupt Z1 aufgespannt ist, sowie der zweite Taktzeitraum TZ2, durch den dritten Zeit-Interrupt Z3 und den zweiten Zeit-Interrupt Z2 aufgespannt ist, jeweils gleich groß.
Wie bereits erwähnt symbolisiert Fig. 2 die Funktion der Steuereinheit 30 bei einer Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors 10 von deutlich über 5000 U/min. Die Hall-Interrupts H1...H3 treten mit hoher Frequenz auf, da die mechanische Rotation des Gleichstrommotors 10 in einer Millisekunde höher ist, als die „elektrische Rotation“ (für jede 60 Grad mechanische Rotation ändert einer der Hallsensoren 1 , 2, 3 seinen Schaltzustand).
Die Steuereinheit 30 ist ausgebildet, zunächst zu zählen, wie viele der Hall-Interrupts H1...H3 in einem jeweiligen Takt-Zeitraum TZ1 , TZ2 auftreten. Im Bespiel der Fig. 2 sind dies genau drei Hall-Interrupts H1...H3 im ersten Takt-Zeitraum TZ1 und genau drei Hall-Interrupts H1...H3 im zweiten Takt-Zeitraum TZ2. Dabei entspricht die Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors 10 dem Quotienten aus gezählten Hall-Interrupts H1...H3, die den Drehwinkel DW repräsentieren, und einem jeweiligen Takt-Zeitraum TZ1 , TZ2.
Zusätzlich ist die Steuereinheit 30 ausgebildet, den Takt-Zeitraum TZ1 durch einen Offset- Zeitraum DT1 zeitlich zu korrigieren. Offset-Zeitraum ist der Zeitraum zwischen demjenigen Hall- Interrupt, der einem Zeit-Interrupt unmittelbar zeitlich nacheilt, und diesem Zeit-Interrupt selbst. Im zeitlichen Verlauf der Fig. 2 werden demnach drei Offset-Zeiträume DT1...DT3 bestimmt. Ein erster Offset-Zeitraum DT1 ist aufgespannt zwischen dem ersten Zeit-Interrupt Z1 und dem zeitlich unmittelbar nacheilenden Hall-Interrupt H3, ein zweiter Offset-Zeitraum DT2 zwischen dem zweiten Zeit-Interrupt Z2 und dem zeitlich unmittelbar nacheilenden Hall-Interrupt H3‘, und ein dritter Offset-Zeitraum DT3 zwischen dem dritten Zeit- Interrupt Z3 und dem zeitlich unmittelbar nacheilenden dritten Hall-Interrupt H3“.
Die Steuereinheit 30 ist weiterhin ausgebildet ist, den Takt-Zeitraum zusätzlich durch den jeweils vorangehenden Offset-Zeitraum zu korrigieren. Im konkreten Beispiel der Fig. 2 wird der aktuelle (d.h. im Diagramm der Fig. 2 am weitesten rechtsstehende) dritte Offset-Zeitraum DT3, und der diesem vorangehende zweite Offset-Zeitraum DT2 für die Korrektur des aktuellen, zweiten Takt- Zeitraum TZ2 berücksichtigt. Ein aktueller Bezugszeitraum BZ für den Takt-Zeitraum TZ2 wird berechnet durch die Formel:
BZ = TZ2 + DT2 - DT3. In jedem Takt-Zeitraum wird also der jeweils aktuelle Bezugszeitraum BZ erneut berechnet, wobei der aktuelle (hier dritte) Offset-Zeitraum DT3 als vorangehender Wert abgespeichert wird. Bezogen auf den Zeitlichen Verlauf der Fig. 2 ergibt sich somit folgende Berechnungsvorschrift für den ersten Takt-Zeitraum TZ1 , der dem zweiten Takt-Zeitraum TZ2 vorangeht:
BZ = TZ1 + DT1 - DT2.
Die Ist-Drehzahl DZ des Gleichstrommotors 10 kann berechnet werden durch die Formel:
DZ = DW (H1...H3) / BZ,
Wobei DW (H1...H3) demjenigen Drehwinkel entspricht, der durch die drei Hall-Interrupts H1...H3 im jeweiligen Takt-Zeitraum repräsentiert wird. Die drei Hall-Interrupts H1...H3 entsprechen, bezogen auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 , einem Drehwinkel DW von 180 Grad (dies entspricht einem dreifachen Sektorwinkel des Gleichstrommotors von 60 Grad).
Fig. 3 symbolisiert die Funktion der Steuereinheit 30 bei einer Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors 10 von etwa 5000 U/min. Bei dieser Drehzahl entspricht die Frequenz der Hall-Interrupts etwa der Frequenz der Zeit-Interrupts. Mit anderen Worten tritt in einem Takt- Zeitraum unter Umständen nur ein Hall-Interrupt auf, wie beispielsweise der einzige Hall- Interrupt HT im ersten Takt-Zeitraum TZ1. Die mit Bezug auf Fig. 2 beschriebene Berechnungsvorschrift kann ebenfalls zum Einsatz kommen.
Ein erster Offset-Zeitraum DT1 ist aufgespannt zwischen dem ersten Zeit-Interrupt Z1 und dem zeitlich unmittelbar nacheilenden Hall-Interrupt H1 , ein zweiter Offset-Zeitraum DT2 zwischen dem zweiten Zeit-Interrupt Z2 und dem zeitlich unmittelbar nacheilenden Hall-Interrupt HT, und ein dritter Offset-Zeitraum DT3 zwischen dem dritten Zeit- Interrupt Z3 und dem zeitlich unmittelbar nacheilenden Hall-Interrupt H2. Ein aktueller Bezugszeitraum BZ für den Takt- Zeitraum TZ2 wird berechnet durch die Formel:
BZ = TZ2 + DT2 - DT3.
In jedem Takt-Zeitraum wird also der jeweils aktuelle Bezugszeitraum BZ erneut berechnet, wobei der aktuelle (hier dritte) Offset-Zeitraum DT3 als vorangehender Wert abgespeichert wird. Bezogen auf den Zeitlichen Verlauf der Fig. 3 ergibt sich somit folgende Berechnungsvorschrift für den ersten Takt-Zeitraum TZ1 , der dem zweiten Takt-Zeitraum TZ2 vorangeht:
BZ = TZ1 + DT1 - DT2.
Die Ist-Drehzahl DZ des Gleichstrommotors 10 kann berechnet werden durch die Formel:
DZ = DW (H1...H2) / BZ, Wobei DW (H1...H2) demjenigen Drehwinkel entspricht, der durch den einen Hall-Interrupt H 1 ‘ im ersten Takt-Zeitraum TZ1 bzw. durch die zwei Hall-Interrupts H1“, H2 im Taktzeitraum TZ2 repräsentiert wird. Der Hall-Interrupt HT entspricht, bezogen auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 , einem Drehwinkel DW von 60 Grad. Die Hall-Interrupts H 1 ", H2 entsprechen, bezogen auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 , einem Drehwinkel DW von 120 Grad (dies entspricht einem doppelten Sektorwinkel des Gleichstrommotors von 60 Grad).
Fig. 4 symbolisiert die Funktion der Steuereinheit 30 bei einer Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors 10 von deutlich unter 5000 U/min. Bei dieser Drehzahl ist die Frequenz der Hall-Interrupts deutlich geringer als die Frequenz der Zeit-Interrupts. Mit anderen Worten tritt in einem Takt-Zeitraum unter Umständen kein Hall-Interrupt auf, wie beispielsweise im ersten Takt- Zeitraum TZ1. Die mit Bezug auf Fig. 2 und 3 beschriebene Berechnungsvorschrift kann daher für ersten Takt-Zeitraum TZ1 nicht zum Einsatz kommen.
Demensprechend ist die Steuereinheit 30 vorteilhafterweise ausgebildet, die ermittelte Ist- Drehzahl des Gleichstrommotors als Quotient von einem konstanten motorspezifischen Sektorwinkel SW und dem Offset-Zeitraum DT1 festzulegen, falls der jeweilige Takt-Zeitraum (Takt-Zeitraum DT1 in Fig. 4) frei von einem Hall-Interrupt ist.
Die Ist-Drehzahl DZ des Gleichstrommotors 10 im Takt-Zeitraum TZ1 kann berechnet werden durch die Formel:
DZ = SW/DT1.
Bezogen auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 beträgt der Sektorwinkel SW des Gleichstrommotors 60 Grad).
Die Ist-Drehzahl DZ des Gleichstrommotors 10 im Takt-Zeitraum TZ1 kann berechnet werden durch die Formel:
DZ = DW(H1) /BZ
Der Hall-Interrupt HT entspricht, bezogen auf das Ausführungsbeispiel der Fig. 1, einem Drehwinkel DW von 60 Grad. Ein aktueller Bezugszeitraum BZ für den Takt-Zeitraum TZ2 wird berechnet durch die Formel:
BZ = TZ2 + DT2 - DT3. Bezuqszeichenliste
1 , 2, 3 Hallsensor
10 Gleichstrommotor
20 Schaltbrücke 30 Steuereinheit
100 Elektrische Antriebseinheit
BZ Bezugszeitraum
DW Drehwinkel DT1...DT3 Offset-Zeitraum
DZ Ist-Drehzahl
H1...H3 Hall-Interrupts
SW Sektorwinkel
TZ1 , TZ2 Takt-Zeitraum Z1...Z3 Zeit-Interrupt

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Antriebseinheit (100) mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor (10) und mit einer Schaltbrücke (20) zur sensorgesteuerten Kommutierung des Gleichstrommotors (10) mittels wenigstens eines vom Gleichstrommotor (10) umfassten Hallsensors (1), wobei der Hallsensor (1) mit der Schaltbrücke (20) verbunden und eingerichtet ist, einen Drehwinkel (DW) des Gleichstrommotors (10) zu erfassen, und wobei die Antriebseinheit (100) weiter eine mit der Schaltbrücke (20) verbundene Steuereinheit (30) aufweist, mittels der eine Soll-Drehzahl für den Gleichstrommotor (10) vorgegeben werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) eingerichtet ist, drehwinkelabhängige Hall-Interrupts (H1...H3), die durch den wenigsten einen Hallsensor (1) bewirkt werden, zu verarbeiten und auf Basis von drehwinkelunabhängigen Zeit- Interrupts (Z1...Z3) und den drehwinkelabhängigen Hall- Interrupts (H1...H3) eine Ist- Drehzahl (DZ) des Gleichstrommotors (10) zu ermitteln.
2. Antriebseinheit (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, zu zählen, wie viele der Hall-Interrupts (H1...H3) in einem Takt-Zeitraum (TZ1; TZ2), der durch zwei aufeinander folgende Zeit-Interrupts (Z1, Z2; Z2, Z3) definiert ist, auftreten, wobei die ermittelte Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors (10) dem Quotienten aus gezählten Hall- Interrupts (H1...H3), die den Drehwinkel (DW) repräsentieren, und dem Takt-Zeitraum (TZ1 ; TZ2) entspricht.
3. Antriebseinheit (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, jeweils einen Offset-Zeitraum (DT1) zwischen demjenigen Hall-Interrupt (H3), der einem Zeit-Interrupt (Z1) unmittelbar zeitlich nacheilt, und diesem Zeit-Interrupt (Z1) zu bestimmen.
4. Antriebseinheit (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, den Takt-Zeitraum (TZ1) durch den Offset-Zeitraum (DT1) zeitlich zu korrigieren.
5. Antriebseinheit (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, den Takt-Zeitraum (TZ1) zusätzlich durch den jeweils vorangehenden Offset-Zeitraum (DT2) zu korrigieren.
6. Antriebseinheit (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (30) ausgebildet ist, die ermittelte Ist- Drehzahl (DZ) des Gleichstrommotors (10) als Quotient von einem konstanten motorspezifischen Sektorwinkel (SW) und dem Offset-Zeitraum (DT1) festzulegen, falls der Takt-Zeitraum (DT2) frei von einem Hall-Interrupt ist.
7. Antriebseinheit (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeit-Interrupt (Z1...Z3) eine konstante Taktfrequenz aufweist.
8. Antriebseinheit (100) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz zwischen 0,5 kHz und 1,5 kHz liegt und bevorzugt 1 kHz beträgt.
9. Antriebseinheit (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltbrücke (20) zur Blockkommutierung des Gleichstrommotors (10) ausgebildet ist.
10. Antriebseinheit (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (100) Teil einer elektrischen Handwerkzeugmaschine, insbesondere eines Akkuschraubers, eines Bohrhammers, oder eines Kombihammers ist.
11. Verfahren zum Bestimmen der Ist-Drehzahl eines bürstenlosen Gleichstrommotors einer elektrischen Antriebseinheit, wobei die Antriebseinheit ausgestattet ist mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor, einer Schaltbrücke zur sensorgesteuerten Kommutierung des Gleichstrommotors mittels wenigstens eines vom Gleichstrommotor umfassten Hallsensors, wobei der Hallsensor mit der Schaltbrücke verbunden und eingerichtet ist, einen Drehwinkel des Gleichstrommotors zu erfassen, und wobei die Antriebseinheit weiter eine mit der Schaltbrücke verbundene Steuereinheit aufweist, mittels der eine Soll- Drehzahl für den Gleichstrommotor vorgegeben werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Drehzahl des Gleichstrommotors auf Basis von drehwinkelunabhängigen Zeit-Interrupts und drehwinkelabhängigen Hall-Interrupts ermittelt wird, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die drehwinkelabhängige Hall-
Interrupts, die durch den wenigsten einen Hallsensor bewirkt werden, zu verarbeiten.
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