DE102006000436B4

DE102006000436B4 - Verfahren zur Begrenzung einer Motorspannung

Info

Publication number: DE102006000436B4
Application number: DE102006000436.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Müller; Rainer Happach; Rory Britz; Rainer Ontl
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2016-03-24
Anticipated expiration: 2026-09-02
Also published as: FR2908566B1; FR2908566A1; DE102006000436A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung eines durch einen Akku (12) angetriebenen Motors (4), der ein spannungsabhängiges Drehzahlverhalten (LDV) aufweist, bei dem in einem ersten Schritt ein aktueller Wert einer Ausgangsspannung (UA) des Akkus (12) ermittelt und mit einem vorbestimmten Schwellenwert (SW) verglichen wird, der einen unteren Spannungsbereich (LBu) begrenzt, über den hinweg ein Drehzahl-Spannungs-Verhältnis einer Motordrehzahl (dM) des Motors (4) zu der am Akku (12) abgreifbaren Ausgangsspannung (UA) von einem unteren Referenzwert (RWu) der Ausgangsspannung (UA) des Akkus (12) bis zum Schwellenwert (SW) eine erste mittlere Steigung aufweist, und bei einer detektierten Überschreitung des Schwellenwertes (SW) durch den aktuellen Wert in einem zweiten Schritt das Drehzahl-Spannungs-Verhältnis auf eine zweite mittlere Steigung zwischen dem Schwellwert (SW) und einem oberen Referenzwert (RWo) der Ausgangsspannung (UA) des Akkus (12) eingestellt wird, die kleiner als die erste mittlere Steigung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mittlere Steigung grösser Null ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines durch einen Akku angetriebenen Motors sowie ein Werkzeuggerät mit einer Steuereinrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei der Motor ein spannungsabhängiges Drehzahlverhalten aufweist. Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt ein aktueller Wert der Ausgangsspannung des Akkus kontinuierlich oder zyklisch ermittelt und mit einem vorbestimmten Schwellenwert verglichen. Dieser Schwellenwert begrenzt einen unteren Spannungsbereich der Akkuspannung, der von einem unteren Referenzwert der Ausgangsspannung des Akkus bis zu besagtem Schwellenwert reicht. Der untere Referenzwert kann dabei beispielsweise durch einen Aktivierungswert eines Tiefentladeschutzes definiert oder frei gewählt sein. Über den Spannungsbereich hinweg weist ein Verhältnis einer Motordrehzahl des Motors zu einer am Akku abgreifbaren Ausgangsspannung, das als Drehzahl-Spannungs-Verhältnis bezeichnet ist und einer Funktion der Motordrehzahl über der Ausgangsspannung des Akkus entspricht, eine erste mittlere Steigung auf. Bei einer detektierten Überschreitung des Schwellenwertes durch den aktuellen Wert der Ausgangsspannung des Akkus wird in einem zweiten Schritt das Drehzahl-Spannungs-Verhältnis auf eine zweite mittlere Steigung eingestellt, die sich zwischen dem Schwellwert und einem oberen Referenzwert der Ausgangsspannung des Akkus ergibt. Das heisst die Motordrehzahl wird in Abhängigkeit des jeweilig ermittelten aktuellen Wertes der Ausgangsspannung des Akkus gesteuert. Dabei ist die zweite mittlere Steigung des Drehzahl-Spannungs-Verhältnisses kleiner als die erste mittlere Steigung.
Mit einem derartigen Verfahren kann sichergestellt werden, dass die Drehzahl des Motors jederzeit unterhalb eines kritischen Wertes liegt, bis zu dem das Handwerkzeuggerät zuverlässig arbeitet, wie beispielsweise das elektropneumatische Schlagwerk eines Bohrhammers.
DE 38 12 771 A1 beschreibt eine Motorsteuerung, mit der beispielsweise die maximale Drehzahl eines Schraubgerätes eingestellt werden kann. Hierzu sind mehrere maximale Drehzahlen für verschiedene Betriebsmodi absolut tabelliert. Durch Drücken kodierter Tasten wird über einen Digital-Analog-Wandler eine maximale Spannung an Drückerpotentiometer geliefert. Ein Spannungsabgriff vom Schleifer des Drückerpotentiometers wirkt auf eine Regelelektronik und kann maximal die voreingestellte maximale Spannung erreichen.
Nachteilig an den bekannten Verfahren ist, dass unabhängig von der zur Verfügung stehenden Ausgangsspannung für verschiedene vorgesehene Betriebsmodi jeweils ein absolutes Maximum für die Drehzahl festgelegt wird, das zudem durch die Drehzahl im Leerlauf bestimmt ist.
Somit steht bei einer derartigen Drehzahlbegrenzung auch unter Last lediglich eine limitierte Leistung zur Verfügung. Zudem fehlt einem Benutzer das gewohnte Verhalten des rein gesteuerten Werkzeuggerätes, das bei einem vollen Akku beziehungsweise geringerer Belastung eine höhere Drehzahl aufweist als bei einem teilweise entladenen Akku beziehungsweise einer höheren Last. Dies kann zu einem Fehlverhalten des Benutzers führen, wie beispielsweise einem regelmässigen zu frühen Wiederaufladen des Akkus. Aus diesen verfrühten Aufladevorgängen resultiert wiederum ein unnötiger Zeitverlust sowie die Gefahr von Beschädigungen am Akku durch zu häufige Ladevorgänge.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Werkzeuggerät die genannten Nachteile zu vermeiden und auch bei einer Drehzahlbegrenzung ein gewohntes spannungsabhängiges Drehzahlverhalten des Werkzeuggerätes zu vermitteln.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die zweite mittlere Steigung grösser Null ist. Auf diese Weise erhält man trotz der Drehzahlbegrenzung auch oberhalb des Schwellwertes ein spannungsabhängiges Drehzahlverhalten, bei dem die Drehzahl bei einem voll geladenen Akku höher liegt als bei einem teilweise entladenen Akku und bei dem bei geringerer Last eine höhere Drehzahl herrscht. Hierdurch bleibt für den Benutzer der vollgeladene Zustand des Akkus weiterhin erkennbar, so dass er zu keinem verfrühten Ladevorgang veranlasst wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die zweite mittlere Steigung 0,1 bis 0,5 der ersten mittleren Steigung. Hierdurch ist die Steigung über einen oberen Spannungsbereich, der nach unten durch den Schwellenwert begrenzt ist, ausreichend flach, um die Motorspannung beziehungsweise die Drehzahl wirksam unter einen kritischen Wert begrenzen zu können. Andererseits ist bei dieser Steigung im oberen Spannungsbereich bei gleich bleibender Betriebsart die Drehzahländerung in Folge einer unterschiedlichen Akkuspannung ausreichend deutlich vom Benutzer erkennbar.
Vorteilhafterweise ist der untere Referenzwert wenigstens 10% kleiner als der Schwellenwert, wodurch die erste mittlere Steigung relativ unabhängig von betriebsbedingten Toleranzen des Drehzahl-Spannungs-Verhältnisses festgelegt werden kann.
Bevorzugterweise ist der obere Referenzwert durch eine maximal mögliche Ausgangsspannung des Akkus definiert, wodurch auch die zweite mittlere Steigung relativ unabhängig von den betriebsbedingten Toleranzen des Drehzahl-Spannungs-Verhältnisses festgelegt werden kann. Alternativ hierzu kann der Referenzwert auch durch eine nominale Nennspannung des Akkus definiert sein.
Vorteilhaft ist es, wenn der Schwellenwert höchstens 30% kleiner als eine nominelle Nennspannung des Akkus ist. Hierbei kann beispielsweise bei Verwendung mehrerer Akkutypen der Schwellenwert relativ nahe an der Nennspannung des Akkus mit der niedrigsten Spannungslage liegen, um dadurch auch mit diesem Akku eine hohe Leistung abrufen zu können.
Vorteilhafterweise steigt das spannungsabhängige Drehzahlverhalten vom Schwellenwert zum oberen Referenzwert monoton, wodurch das spannungsabhängige Drehzahlverhalten für den Benutzer über den gesamten oberen Spannungsbereich hinweg gleich gut zu erkennen ist.
Ferner ist es besonders günstig, wenn der Schwellenwert verstellbar ist, um das Werkzeuggerät an verschiedene Betriebsbedingungen anpassen zu können.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Einstellung der Motordrehzahl auf die zweite mittlere Steigung mittels Pulsweitenmodulation, wodurch eine besonders exakte Steuerung der Drehzahl möglich ist.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Werkzeuggerät mit einer Steuereinrichtung gelöst, die eine Elektronikeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens in den genannten Varianten aufweist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Aufbau einer Steuereinrichtung eines Werkzeuggerätes zur Durchführung eines erfindungsgemässen Steuerungsverfahrens für einen zum Antrieb eines Schlagwerkes vorgesehenen Motor und
2 einen beispielhaften Verlauf eines spannungsabhängigen Drehzahlverhaltens bei Verwendung des erfindungsgemässen Steuerungsverfahrens.
1 zeigt ein Werkzeuggerät 2 in Form eines akkubetriebenen Bohrhammers mit einem Motor 4, über den ein elektropneumatisches Schlagwerk 6 antreibbar ist. Hierzu wird an dem Motor 4 eine Motorspannung UM angelegt, die jeweils einer Motordrehzahl dM entspricht. Der Motor 4 ist mittels eines Schalters 8 einer insgesamt mit 10 bezeichneten Steuereinrichtung ein- und ausschaltbar. Darüber hinaus wird der Motor 4 über eine Potentiometerfunktion angesteuert, die aus Gründen der einfacheren Darstellung nicht gezeigt ist. Dabei fällt in einer eingeschalteten Position des Schalters 8 in Abhängigkeit von einem aktuellen Wert einer Ausgangsspannung UA eines Akkus 12 eine Vergleichsspannung über einem Spannungsteiler 14 ab.
Die Steuereinrichtung 10 weist eine Elektronikeinrichtung 16 auf, die eine Schutzdiode 18, einen elektronischen Leistungsschalter 20 und eine Steuerungseinheit 22 umfasst. Mittels der Elektronikeinrichtung 16 wird im Betrieb kontinuierlich oder zyklisch der aktuelle Wert der Vergleichsspannung ermittelt. In Abhängigkeit von diesem Wert kann über die Steuerungseinheit 22 und den elektronischen Leistungsschalter 20 mittels Pulsweitenmodulation die Motorspannung UM und damit die Motordrehzahl dM gesteuert werden, um den Motor 4 vor einer Überlastung zu schützen beziehungsweise um die Motordrehzahl dM auf einen Wert zu begrenzen, bei dem das Schlagwerk 6 noch zuverlässig arbeitet.
In 2 ist beispielhaft ein spannungsabhängiges Drehzahlverhalten LDV des Motors 4 gezeigt, das mit der Steuerrungseinrichtung 10 in einem bestimmten Betriebsfall, wie beispielsweise einem Leerlauf oder einem kontinuierlichen Lastfall, und bei einer gleich bleibenden Position des Schalters 8 eingestellt wird.
Wie hieraus zu entnehmen ist, gibt das ladezustandabhängige Drehzahlverhalten LDV den Verlauf eines Drehzahl-Spannungs-Verhältnisses der Motordrehzahl dM über der Ausgangsspannung UA des Akkus 12 wieder. Hierbei weist das spannungsabhängige Drehzahlverhalten LDV über einen unteren Spannungsbereich LBu hinweg, eine erste mittlere Steigung auf. Der untere Spannungsbereich LBu ist dabei durch den Bereich zwischen einem unteren Referenzwert RWu und einem vorbestimmten Schwellenwert SW definiert. Hierbei kann der untere Referenzwert RWu beispielsweise durch einen Wert definiert sein, bei dessen Unterschreitung ein Tiefentladeschutz aktiviert wird. In jedem Fall ist der untere Referenzwert RWu jedoch wenigstens 10% kleiner als der Schwellenwert SW. Der Schwellenwert SW kann beispielsweise bis zu 30% kleiner als eine nominale Nennspannung des Akkus 12 betragen.
Oberhalb des Schwellenwertes SW weist das spannungsabhängige Drehzahlverhalten LDV über einen oberen Spannungsbereich LBo hinweg, eine zweite mittlere Steigung auf. Der obere Spannungsbereich LBo ist dabei durch den Bereich zwischen dem vorbestimmten Schwellenwert SW und einem oberen Referenzwert RWo definiert. Hierbei kann der obere Referenzwert RWo beispielsweise durch eine maximal mögliche Ausgangsspannung oder eine Nennspannung des Akkus 12 definiert sein. In jedem Fall ist der obere Referenzwert RWo jedoch wenigstens 20% grösser als der Schwellenwert SW.
Die zweite mittlere Steigung liegt in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 der ersten mittleren Steigung. Dabei weist das Drehzahl-Spannungs-Verhältnis über beide Spannungsbereiche LBu, LBo einen monoton steigenden Verlauf auf.
Um den Motor 4 besonders gut an verschiedene Betriebarten anpassen zu können, kann auch eine Verstellbarkeit des Schwellenwertes SW vorgesehen werden, durch den die beiden Spannungsbereiche LBu, LBo veränderbar sind.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines durch einen Akku (12) angetriebenen Motors (4), der ein spannungsabhängiges Drehzahlverhalten (LDV) aufweist, bei dem in einem ersten Schritt ein aktueller Wert einer Ausgangsspannung (UA) des Akkus (12) ermittelt und mit einem vorbestimmten Schwellenwert (SW) verglichen wird, der einen unteren Spannungsbereich (LBu) begrenzt, über den hinweg ein Drehzahl-Spannungs-Verhältnis einer Motordrehzahl (dM) des Motors (4) zu der am Akku (12) abgreifbaren Ausgangsspannung (UA) von einem unteren Referenzwert (RWu) der Ausgangsspannung (UA) des Akkus (12) bis zum Schwellenwert (SW) eine erste mittlere Steigung aufweist, und bei einer detektierten Überschreitung des Schwellenwertes (SW) durch den aktuellen Wert in einem zweiten Schritt das Drehzahl-Spannungs-Verhältnis auf eine zweite mittlere Steigung zwischen dem Schwellwert (SW) und einem oberen Referenzwert (RWo) der Ausgangsspannung (UA) des Akkus (12) eingestellt wird, die kleiner als die erste mittlere Steigung ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mittlere Steigung grösser Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite mittlere Steigung 0,1 bis 0,5 der ersten mittleren Steigung beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Referenzwert (RWu) wenigstens 10% unterhalb des Schwellenwertes (SW) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Referenzwert (RWo) durch eine maximal mögliche Ausgangsspannung (UA) des Akkus (12) definiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert (SW) höchstens 30% kleiner als eine nominelle Nennspannung des Akkus (12) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das spannungsabhängige Drehzahlverhalten (LDV) vom Schwellenwert (SW) zum oberen Referenzwert (RWo) monoton steigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellenwert (SW) verstellbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Motordrehzahl (dM) auf die zweite mittlere Steigung mittels Pulsweitenmodulation erfolgt.
Werkzeuggerät mit einer Steuereinrichtung, das eine Elektronikeinrichtung (6) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.