SE461138B

SE461138B - Electrically operated hammering machine

Info

Publication number: SE461138B
Application number: SE8205433A
Authority: SE
Inventors: C S M Hartwig; S H Johansson; E A Ljung
Original assignee: Berema Ab
Priority date: 1982-09-22
Filing date: 1982-09-22
Publication date: 1990-01-15
Also published as: SE8205433D0; SE8205433L

Abstract

Electrically operated hammering machine comprising a drive piston 103 and a hammering piston 104 which forms part of the striking mechanism of the machine and is driven by the drive piston through the use of a compressed-gas cushion 106. A brushless alternating- current motor 101 drives the drive piston through the use of a crank mechanism 105. A semiconductor inverter 107 feeds power of variable amplitude and frequency to the motor 101. A handle-assigned starter 109,131 comprises a number of magnetically controlled changeover switches 144,145,146 which, for collaring-realization purposes, transmits a direct-current signal, which is variable from zero to maximum value, to a control unit 19,10 for the semiconductor inverter 107. In relation to this signal, the amplitude and frequency of electrical energy supplied to the motor 101 is controlled during collaring. <IMAGE>

Description

461 138 förbunden med motoraxeln. Kylluftsflödet drivs därefter över slagverket och lämnar maskinen vid dess botten. Motorn 101 förses med drivkraft med variabel amplitud och frekvens genom ledningar 110 förbunden med invertern 107. Invertern, som är en halvledarinverter, är placerad i effektmatningsledningen 102. Enligt ett alternativ används en inverter 116 belägen utanför maskinen. Ledningen 117 är ansluten till nätet. Ma- skinen är dessutom försedd med handtag 108 och en arm 109 för styrning av motorns hastighet. 461 138 connected to the motor shaft. The cooling air flow is then driven over the percussion and leaves the machine at its bottom. The motor 101 is supplied with variable amplitude and frequency driving power through lines 110 connected to the inverter 107. The inverter, which is a semiconductor inverter, is located in the power supply line 102. According to an alternative, an inverter 116 located outside the machine is used. Line 117 is connected to the mains. The machine is also equipped with a handle 108 and an arm 109 for controlling the engine speed.

Maskinen innefattar ett pådrag 131 innefattande ett yttre rör 131 i vilket en magnet 133 i en magnethållare 132 är axiellt rörlig över ett antal magnetiskt påverkade omkopp- lare 144, 145 och 146. Magnethållaren har ett hål 134 i vil- ket en tråd 130 är instucken. Tråden är dessutom förbunden med armen 109 så att magnetens 133 läge bestäms av armens 109 läge. Omkopplarna l44,145,146 är via motstånd l41,142,143 anslutna till en spänningskälla 140 och till en utgång 147.The machine comprises a tension 131 comprising an outer tube 131 in which a magnet 133 in a magnet holder 132 is axially movable over a number of magnetically actuated switches 144, 145 and 146. The magnet holder has a hole 134 in which a wire 130 is inserted . The wire is also connected to the arm 109 so that the position of the magnet 133 is determined by the position of the arm 109. The switches 144,145,146 are connected via resistors 141,142,143 to a voltage source 140 and to an output 147.

Varje omkopplare innefattar en Hall-sensor, en Schmitt- trigger och en switchtransistor. Detta innebär att omkopp- laren kan befinna sig i ettdera av två tillstånd. Den är i ett ledande tillstånd när den utsätts för ett magnetfält vars styrka överskrider ett förutbestämt värde och annars i ett icke ledande tillstånd. Utgångsspänningen på utgången 147 bestäms av motstånden 14l,142,143 och antalet omkopplare som befinner sig i ledande tillstånd. Med magneten i det i fig. 2 visade läget är ingen omkopplare ledande. Utgångsspänningen är därför lika med matningsspänningen vid 140. Detta motsva- rar maximal hastighet hos maskinen. När magneten är i sitt andra extremläge leder alla omkopplarna så att utgångsspän- ningen är lika med noll. I detta tillstånd har maskinen stop- pats. Utgången 147 är förbunden med ingången 19 på styrenhe- ten 10.Each switch includes a Hall sensor, a Schmitt trigger and a switch transistor. This means that the switch can be in one of two states. It is in a conductive state when exposed to a magnetic field whose strength exceeds a predetermined value and otherwise in a non-conductive state. The output voltage of output 147 is determined by the resistors 141, 142, 143 and the number of switches which are in the conducting state. With the magnet in the position shown in Fig. 2, no switch is conductive. The output voltage is therefore equal to the supply voltage at 140. This corresponds to the maximum speed of the machine. When the magnet is in its second extreme position, all the switches conduct so that the output voltage is equal to zero. In this condition, the machine has stopped. The output 147 is connected to the input 19 of the control unit 10.

Drivsystemet som visas i fig. 4 innefattar en tre- faslikriktare 22 som är ansluten till ett standardnät med fast frekvens. Likriktaren levererar likström med i huvudsak konstant spänning till ledningar 24, 25, som utgör en posi- tiv, 24 och en negativ, 25, pol i en likströmskälla för en inverter. Invertern innefattar sex switchelement 31-36 för att efter varandra förbinda anslutningarna 28, 29, 30 på en 8205433-9 461 138 borstlös växelströmsmotor 23 till den positiva polen 24 och den negativa polen 25 på likströmskällan. Switchelementen visas på ritningen som transistorer men skulle naturligtvis kunna var kombinationer av tyristorer eller andra element. En diod 27 är antiparallellt placerad över var och en av tran- sistorerna för att ta hand om reaktiva strömmar vid avstäng- ning av transistorn. För att styra invertern tillförs styr- signaler från utgångarna ll-16 på styrenheten 10 såsom visat i fig. 5. Dessa styrsignaler tillförs via förstärkare 26 till basen på respektive transistor. Styrenheten 10 är försedd med ingångar 17,18 medelst vilka likströmen i ledningen 24 av- känns. Styrenheten 10 är dessutom försedd med en utgång 39 och ingångar 19, 20, 21. Utgången 39 används endast om det under drift är önskvärt att ändra motorns rotationsriktning.The drive system shown in Fig. 4 comprises a three-phase rectifier 22 which is connected to a standard fixed frequency network. The rectifier supplies direct current with substantially constant voltage to lines 24, 25, which constitute a positive, 24 and a negative, 25, pole in a direct current source for an inverter. The inverter comprises six switch elements 31-36 for successively connecting the connections 28, 29, 30 of a brushless AC motor 23 to the positive pole 24 and the negative pole 25 of the direct current source. The switching elements are shown in the drawing as transistors but could of course be combinations of thyristors or other elements. A diode 27 is placed antiparallel over each of the transistors to handle reactive currents when the transistor is turned off. To control the inverter, control signals are supplied from the outputs 11-16 of the control unit 10 as shown in Fig. 5. These control signals are applied via amplifier 26 to the base of the respective transistor. The control unit 10 is provided with inputs 17, 18 by means of which the direct current in the line 24 is sensed. The control unit 10 is also provided with an output 39 and inputs 19, 20, 21. The output 39 is only used if during operation it is desirable to change the direction of rotation of the motor.

Rotationsriktningen väljs genom att tillföra en logisk signal till ingången 21. Om rotation i endast en riktning önskas förbinds ingången 21 antingen med en positiv spänning eller jord. Motorns 23 hastighet kan ändras genom ändring av en spänning som tillförs ingången 19. Om, såsom exempelvis i en slipmaskin, det är önskvärt att driva motorn med en viss has- tighet, ansluts ingången 19 till en lämplig spänning som mot- svarar den önskade hastigheten. Ingången 20 är avsedd för att ta emot en start/stoppsignal medelst vilken rotation eller icke rotation väljs. Om start/stopp väljs medelst spänningen som tillförs ingång 19, ansluts ingång 20 till en spänning som motsvarar rotation hos motorn.The direction of rotation is selected by applying a logic signal to the input 21. If rotation in only one direction is desired, the input 21 is connected to either a positive voltage or ground. The speed of the motor 23 can be changed by changing a voltage supplied to the input 19. If, as for example in a grinding machine, it is desirable to drive the motor at a certain speed, the input 19 is connected to a suitable voltage corresponding to the desired speed . The input 20 is intended to receive a start / stop signal by means of which rotation or non-rotation is selected. If start / stop is selected by means of the voltage supplied to input 19, input 20 is connected to a voltage corresponding to rotation of the motor.

Styrenheten 10, som visas mer i detalj i fig. 5, innefattar en avkänningsanordning 40 för avkänning av lik- strömmen i ledningen 24. denna ström presenteras som en spän- ning mellan ingångarna 17 och 18. Utgångsignalen från avkän- ningsanordningen 40 tillförs till en första toppvärdesavkän- nare 41, ett lågpassfilter 42, en andra toppvärdesavkännare 43 och en komparator 49. Toppvärdesavkännarna 41 och 43 inne- fattar dioder för att regera på positiva och negativa signa- ler respektive. Toppvärdesavkännarna innefattar dessutom låg- passfilter. Den först toppvärdesavkännaren 41 har företrädes- vis en tidskonstant på c:a 4/f där f är den maximala grund- - tonsfrekvensen hos strömmen som matas till motorn 23. övre gränsfrekvensen , -3dB, för toppvärdesavkännaren 41 är 8205433-9 461 138 företrädesvis cza 0,1 f. Lågpassfiltret 42 har företrädesvis ungefär samma övre gränsfrekvens. Den andra toppvärdesavkän- naren 43 har företrädesvis en tidskonstant på c:a 1/f och en övre gränsfrekvens på c:a 0,5 f.The control unit 10, shown in more detail in Fig. 5, comprises a sensing device 40 for sensing the direct current in the line 24. this current is presented as a voltage between the inputs 17 and 18. The output signal from the sensing device 40 is applied to a first peak value sensor 41, a low pass filter 42, a second peak value sensor 43 and a comparator 49. The peak value sensors 41 and 43 comprise diodes for controlling positive and negative signals, respectively. The peak value sensors also include low-pass filters. The first peak sensor 41 preferably has a time constant of about 4 / f where f is the maximum fundamental frequency of the current supplied to the motor 23. The upper limit frequency, -3dB, for the peak sensor 41 is preferably 8205433-9 461 138 cza 0.1 f. The low pass filter 42 preferably has approximately the same upper cutoff frequency. The second peak value sensor 43 preferably has a time constant of about 1 / f and an upper cut-off frequency of about 0.5 f.

Toppvärdessignalen från toppvärdesavkännaren 41 tillförs en första regulator 45, som visas mer i detalj i fig. 6. Ingångssignaler från ingångarna 19 och 20 tillförs medel 44 i form av en rampgenerator. Rampgeneratorn 44 inne- fattar en eller två operationsförstärkare kopplade som inte- gratorer för att förse regulatorn 44 med en ökande rampspän- ning vid accelerationen vid motorstart och en avtagande ramp- spänning vid bromsning vid motorstopp, På detta sätt är de möjligt att undvika att strömmen vid normal hastighet och full last överskrids när motorn startas eller stoppas. En ändring av hastighetbörsignalen vid ingången 19 integreras också av rampgeneratorn 44. Det tar således lite tid innan utgången på rampgeneratorn blir anpassad till ingångssigna- lerna. t Toppvärdessignalen från den första toppvärdesavkän- naren 41 tillförs en av ingångarna på operationsförstärkaren 75 via motståndet 72. Denna signal jämförs med en referens- signal som förinställts på det variabla motståndet 73 och matas till förstärkaren via motståndet 74. Förstärkaren är försedd med ett återkopplingsmotstånd 76. Utgångssignalen från förstärkaren 75 tillförs via ett motstånd 77 till dioden 79. Utgångsignalen från rampgeneratorn 44 tillförs via mot- ståndet 78 en av ingångarna på operationsförstärkaren 91.The peak value signal from the peak value sensor 41 is applied to a first controller 45, which is shown in more detail in Fig. 6. Input signals from the inputs 19 and 20 are applied to means 44 in the form of a ramp generator. The ramp generator 44 comprises one or two operational amplifiers connected as integrators to supply the regulator 44 with an increasing ramp voltage at the acceleration at engine start and a decreasing ramp voltage at braking at engine stop. In this way they are possible to avoid the current at normal speed and full load is exceeded when the engine is started or stopped. A change of the speed exchange signal at the input 19 is also integrated by the ramp generator 44. It thus takes some time before the output of the ramp generator is adapted to the input signals. The peak value signal from the first peak value sensor 41 is applied to one of the inputs of the operational amplifier 75 via the resistor 72. This signal is compared with a reference signal preset on the variable resistor 73 and fed to the amplifier via the resistor 74. The amplifier is provided with a feedback resistor 76 The output signal from the amplifier 75 is applied via a resistor 77 to the diode 79. The output signal from the ramp generator 44 is applied via the resistor 78 to one of the inputs of the operational amplifier 91.

Förstärkaren 91 är försedd med ett första återkopplingsmots- tånd 92 och ett andra återkopplingsmotstånd 93 i serie med dioden 79. Motståndet 93 har mycket lägre resistans än mot- ståndet 92. Företrädesvis är förhållandet ungefär 1/20. Om utgångssignalen från förstärkaren 75, mätt vid dioden 79, är mer negativ än utgångssignalen från förstärkaren 91, mätt vid dioden 79, är positiv, är dioden 79 backspänd. Förstärkarens 91 återkopplade förstärkning är då hög. Regulatorn 45 arbe- tar då enligt linjen 94 i fig. 7, varvid antages att signalen från rampgeneratorn 44 är konstant. Om signalen från den första toppvärdesavkännaren 41 ökar, blir utgångssignalen från förstärkaren 75 mindre negativ och vid en viss signal- 8205433-9 5 461 158 nivå, nivå 95 i fig. 7, som är förinställd på motståndet 73, blir dioden 79 ledande. Förstärkarens 91 återkopplade för- stärkning reduceras nu drastiskt så att den först regulatorn 45 avger en frekvensstyrningssignal enligt linjen 96 i fig. 7. Denna signal blir noll vid ungefär 120 % av signalen vid nivå 95. Frekvensstyrningssignalen från utgången på förstär- karen 9l tillförs en spänningsstyrd oscillator 47, utgången 39 och en analog divisionskrets 46, exempelvis Analog Dﬁvices AD 534. Den spänningsstyrda oscillatorn avger en utgångssig- nal var frekvens är proportionell mot ingångsspänningen.The amplifier 91 is provided with a first feedback resistor 92 and a second feedback resistor 93 in series with the diode 79. The resistor 93 has a much lower resistance than the resistor 92. Preferably, the ratio is approximately 1/20. If the output signal from the amplifier 75, measured at the diode 79, is more negative than the output signal from the amplifier 91, measured at the diode 79, is positive, the diode 79 is reverse voltage. The feedback of the amplifier 91 is then high. The controller 45 then operates along line 94 in Fig. 7, assuming that the signal from the ramp generator 44 is constant. If the signal from the first peak value sensor 41 increases, the output signal from the amplifier 75 becomes less negative and at a certain signal level, level 95 in Fig. 7, which is preset on the resistor 73, the diode 79 becomes conductive. The feedback of the amplifier 91 is now drastically reduced so that the first controller 45 emits a frequency control signal along the line 96 in Fig. 7. This signal becomes zero at about 120% of the signal at level 95. The frequency control signal from the output of the amplifier 91 is applied to a voltage controlled oscillator 47, output 39 and an analog division circuit 46, for example Analog Devices AD 534. The voltage controlled oscillator emits an output signal whose frequency is proportional to the input voltage.

Den likriktade medelvärdessignal som erhålles från lågpassfiltret 42 motsvarar effekten som tillförs motorn 23 eftersom spänningen på likströmskällan 24,25 är i huvudsak konstant. Denna signal tillförs divisionskretsen 46 där den divideras med frekvensstyrningssignalen, som är börvärdessig- nal för motorns 23 rotationshastighet. Utgångssignalen från divisionskreten 46 motsvarar således momentkravet från motorn 23. Denna utgångssignal, första spänningsstyrningssignal, tillförs en andra regulator 48. Den negativa toppvärdessigna- len , andra spänningsstyrningssignal, som erhålles från den andra toppvärdesavkännaren 43 tillförs också regulatorn 48 så att ugångssignalen från regulatorn 48 blir proportionell mot skillnaden mellan den första och den andra spänningsstyr- ningssignalen. Den negativa toppvärdessignalen från toppvär- desavkännaren 43 motsvara graden av magnetisering av motorn 23. Denna signal erhålles från negativa pulser som matas tillbaka till likströmskällan när transistorerna 31-36 stängs av. Genom att styra nivån på dessa negativa pulser är det möjligt att erhålla en förutbestämd magnetiseringsnivå på motorn vilket tillåter ett högt förhållande mellan effekt och vikt och undvikandet av övermättning, vilket skulle ge oacceptabla förluster.The rectified average value signal obtained from the low-pass filter 42 corresponds to the power supplied to the motor 23 since the voltage at the direct current source 24,25 is substantially constant. This signal is applied to the division circuit 46 where it is divided by the frequency control signal, which is the setpoint signal for the rotational speed of the motor 23. The output signal from the division circuit 46 thus corresponds to the torque requirement from the motor 23. This output signal, first voltage control signal, is applied to a second controller 48. The negative peak value signal, second voltage control signal obtained from the second peak value sensor 43 is also applied to the controller 48. proportional to the difference between the first and second voltage control signals. The negative peak value signal from the peak value sensor 43 corresponds to the degree of magnetization of the motor 23. This signal is obtained from negative pulses which are fed back to the direct current source when the transistors 31-36 are turned off. By controlling the level of these negative pulses, it is possible to obtain a predetermined level of excitation on the motor which allows a high ratio of power to weight and the avoidance of supersaturation, which would give unacceptable losses.

Om signalen från avkänningsmedlet 40 överskrider en förutbestämd nivå blir utgången från komparatorn 49 låg. Som resultat blir OCH-grindarnas 82, 84 och 86 utgångar 12, 14 och 16 låga. Detta innebär att de undre transistorerna 32, 34 och 36 i invertern stängs av så att motoranslutningarna 28, 29 och 30 avskiljs från likströmskällans negativa pol 25.If the signal from the sensing means 40 exceeds a predetermined level, the output of the comparator 49 becomes low. As a result, the outputs 12, 14 and 16 of the AND gates 82, 84 and 86 become low. This means that the lower transistors 32, 34 and 36 in the inverter are switched off so that the motor connections 28, 29 and 30 are separated from the negative pole 25 of the direct current source.

Denna frånskiljning fungerar således som transientströmskydd 8205433-9 6 46¥ü1 oscillatorn 47 tillförs en timer 51, företrädesvis en indu- striell timer av standardtyp 555, och till en divisionskrets šåêertern. Utgångssignalen från den spänningsstyrda 50. Divisionskreten 50 är företrädesvis en programerbar räk- nar som avger ett pulståg som har en frekvens som är lika med frekvensen hos ingångssignalen dividerad med en vald kon- stant. Timern 51 avger ett pulståg vars frekvens är lika med frekvensen på utgångssignalen från den spänningsstyrda oscil- latorn 47. Pulsbredden styrs av utgångssignalen från den an- dra regulatorn 48. Detta pulståg tillförs OCH-grindarna 81, 83 och 85. Pulstâget från divisionskreten 50 tillförs som klocksignal ringräknaren 42. I ringräknaren lagras en etta och fem nollor. Ettan skiftas runt av pulståget från utgången 53 till utgången 58 och tillbaka till 53. Detta utgör en pe- riod för grundtonsfrekvensen på strömmen som tillförs motorn 23. Utgångarna 53-58 på ringräknaren 52 avkodas medelst ELLER-grindarna 59, 60 och 61. Utgången på var och en av des- sa grindar är hög hälften av tiden och låg hälften av tiden.This disconnect thus acts as a transient current shield. The oscillator 47 is supplied with a timer 51, preferably an industrial timer of standard type 555, and to a division circuit šåêtertern. The output signal from the voltage controlled 50. The division circuit 50 is preferably a programmable counter which emits a pulse train having a frequency equal to the frequency of the input signal divided by a selected constant. The timer 51 emits a pulse train whose frequency is equal to the frequency of the output signal from the voltage controlled oscillator 47. The pulse width is controlled by the output signal from the other controller 48. This pulse train is applied to AND gates 81, 83 and 85. The pulse train from the division circuit 50 is supplied as a clock signal the ring counter 42. In the ring counter one and five zeros are stored. One is shifted around by the pulse train from output 53 to output 58 and back to 53. This is a period for the fundamental frequency of the current supplied to the motor 23. Outputs 53-58 of the ring counter 52 are decoded by OR gates 59, 60 and 61. The output on each of these gates is high half the time and low half the time.

En inverterare 62 och NAND-grindar 63-68 finns till hands för att välja rotationsriktning på motorn 23. Utgångssignalerna från grindarna 59, 60 och 61 tillförs OCH-grindarna 81-86 för att styra switchtransistorerna 31-36 i invertern. Ingångarna på grindarna 81,84 och 86 är försedda med inverterare 71, 70 och 69.An inverter 62 and NAND gates 63-68 are available to select the direction of rotation of the motor 23. The output signals from gates 59, 60 and 61 are applied to AND gates 81-86 to control the switch transistors 31-36 in the inverter. The inputs on gates 81.84 and 86 are provided with inverters 71, 70 and 69.

,Eftersom pulsbredden på pulserna som lämnar timern 51 förblir konstant oberoende av frekvensen om signalen från regulatorn 48 är konstant, komer medelvärdet över en halvpe- riod av grundtonen hos den spänning som tillförs godtycklig motoranslutning att ändras simultant med frekvensen i enlig- het med grundläggande elektromagnetiska lagar. Tilläggsstyr- ning av medelvärdesspänningen erhålles genom att variera pulsbredden, som styrs av regulatorn 48.Since the pulse width of the pulses leaving the timer 51 remains constant regardless of the frequency if the signal from the controller 48 is constant, the average value over a half period of the fundamental tone of the voltage applied to any motor connection will change simultaneously with the frequency according to basic electromagnetic laws. Additional control of the average voltage is obtained by varying the pulse width, which is controlled by the regulator 48.

Claims

461 158 PATENT CLAIMS

1. 1. Electrically driven hammer machine, with a handle-mounted actuation (109,131), a brushless AC motor (101) provided with wires (110) for supplying electrical energy, a percussion instrument in which a drive piston (103) and a hammer piston (104) is included, the drive piston (103) being connected to the motor (101) via a crank mechanism (105) and the hammer piston (104) being driven in a reciprocating motion of the drive piston (103) via elastic means (106), characterized in that a semiconductor inverter (107) is connected to the supply lines of the motor (101) for supplying the motor with electrical energy of variable amplitude and frequency, that the actuator (109, 131) comprises a number of magnetically controlled switches (144, 145, 146) for outputting a DC signal variable from zero to maximum value to a control unit (19,10) which is connected to the semiconductor inverter (107) and arranged to control the full power supply by means of the hammer machine and subsequent work with full energy supply. amp the voltage and frequency of the electrical energy supplied from the inverter (107) to the motor (101) in relation to the direct current signal supplied to the control unit (10).

2. Hammer machine according to claim 1, characterized in that the control unit (10) and the semiconductor inverter (107) are built into the hammer machine.