DE3510619A1

DE3510619A1 - Verfahren zum betreiben eines elektromotors

Info

Publication number: DE3510619A1
Application number: DE19853510619
Authority: DE
Inventors: Robert Randallstown Bradus, Md.
Original assignee: Black And Decker Manufacturing Co Towson Md; Black and Decker Manufacturing Co
Current assignee: Black and Decker Inc
Priority date: 1984-03-23
Filing date: 1985-03-23
Publication date: 1985-09-26
Also published as: GB8506389D0; CA1257645C; JP2852716B2; IT8520020A0; GB2156546B; FR2566977A1; CA1253202A; GB2156546A; AU3971685A; JPS611297A; FR2566977B1; JPH06297298A; AU570385B2; JP2630930B2; IT1222364B

Description

/M.

Anmelder: Stuttgart, den 19.3-1985

Black & Decker P 4657 W/Pi

Manufacturing Comp.

701 East Joppa Road Towson, Maryland

Vereinigte Staaten von Amerika

Vertreter:

Kohler-Schwindling-Späth Patentanwälte Hohentwielstraße 41 7000 Stuttgart 1

Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum insbesondere mikroprozessor-gesteuerten Betreiben eines Elektromotors mittels Phasenanschnittsteuerung innerhalb eines Bereiches des Phasen-Durchlaßwinkels.

Die Erfindung bezieht sich dabei vor allem auf motorisch betriebene Werkzeuge, insbesondere Steuerungen für Elektrowerkzeuge. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf mikroprozessor-gestützte oder mikrocomputer-gestützte Regelschaltungen zum Überwachen und Regeln verschiedener Betriebsparameter des Elektrowerkzeuges. Es ist bekannt, zur Drehzahlregelung von Elektromotoren in Elektrowerkzeugen schaltbare elektronische Leistungsregel-Elemente wie Tyristoren oder Triacs zu verwenden, um dem Elektromotor periodisch elektrische Energie zuzuführen. Viele Elektrowerkzeuge für den Heimgebrauch verwenden Universalmotoren, die in einfacher Weise mit derartigen Bauelementen geregelt werden können.

Allgemein gesprochen arbeiten derartige getaktete Drehzahl-Regelschaltungen in der Weise, daß sie den Motorstrom in periodischen Abständen ein- und ausschalten, und zwar in Bezug auf den Nulldurchgang des Wechselstromes bzw. der Wechselspannung. Diese periodischen Zeitabstände werden synchron zur Wellenform der Wechselspannung eingestellt und als "Durchlaßwinkel" gemessen, und zwar in der Einheit von Winkelgraden. Der "Durchlaßwinkel" bestimmt innerhalb der Wechselspannungs-Wellenform den Bereich, in dem dem Motor elektrische Energie zugeführt wird. So entspricht beispielsweise ein Durchlaßwinkel von 180° pro Halbwelle einem vollständigen Durchlaß, bei dem der gesamte, ununterbrochene Wechselstrom dem Motor zugeführt wird. In entsprechender Weise entspricht ein Durchlaßwinkel von 90° einem Zustand, bei dem dem Motor Spannung beginnend mit der Mitte einer gegebenen Halbwelle zugeführt wird und damit ungefähr der Einspeisung von etwa der halben verfügbaren Energie zum

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Händen eines erfahrenen Handwerkers befindet, kann dieser zwar bei einer Steuerung aus der Abnahme der Motordrehzahl erkennen, welche Leistung gefordert wird und ob ggf. eine schädigende Überhitzung auftritt. Ein Betrieb mit konstanter Drehzahl ist hingegen mit derartigen Werkzeugen nicht möglich.

Im Gegensatz zu Anordnungen mit offener Regelschleife sind auch echte Drehzahl-Regelschaltungen bekannt, die mit geschlossener Regelschleife arbeiten. Bei Regel-Anordnungen sind Mittel vorgesehen, um entweder die Drehzahl des Motors oder den Motorstrom zu erfassen, und daraus ein Rückkoppelsignal abzuleiten, das repräsentativ für den Augenblickswert der Motordrehzahl ist. Das Rückkoppelsignal wird mit einer vom Benutzer vorgewählten gewünschten Drehzahl verglichen und die Abweichung festgestellt. Die Abweichung wird dann dazu herangezogen, um die Drehzahl zu erhöhen oder zu vermindern, so daß eine im wesentlichen konstante Drehzahl erreicht wird. Obwohl es auf diese Weise möglich ist, mit einer Regelung Anordnungen zu schaffen, die einen Motor bei relativ konstanter Drehzahl halten, und zwar in weiten Bereichen unabhängig von der auf den Motor wirkenden Last, sind auch diese Anordnungen nicht ohne Probleme.

Ein wesentliches Problem bei Regelschaltungen ist, daß der Motor möglicherweise bei hoher Last und niedrigen Drehzahlen überhitzt wird. Moderne Elektrowerkzeuge verwenden Kühlgebläse, die vom Motoranker angetrieben werden und die vom Motor erzeugte Hitze abführen. Solche Kühlgebläse vermindern jedoch ihre Wirkung, wenn die Motordrehzahl absinkt, und zwar bis zu einem Punkt, an dem die Überhitzung des Motors ein wichtiges Problem werden kann. Bei einer Regel-Anordnung

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kann ein Elektrowerkzeug leicht überhitzt werden, wenn eine gewünschte Drehzahl eingestellt wird die einer Ankerdrehzahl entspricht, die für eine effiziente Gebläsekühlung (beispielsweise unterhalb 10 000 min ) unzureichend ist.

Insbesondere wird eine Drehzahlregelung bei einem Elektrowerkzeug, das einer hohen Belastung ausgesetzt ist, den Durchlaßwinkel mit der Motorlast erhöhen, um eine konstante Drehzahl einzustellen. Auf diese Weise fließen immer höhere Ströme durch die Motorwindungen und wirken sich als rascher Temperaturanstieg aus. Ohne ausreichende Gebläsekühlung wird das Elektrowerkzeug schnell überhitzt, und es kann permanenter Schaden an den geschmierten Lagern oder anderen Komponenten des Elektrowerkzeuges entstehen.

Selbst in den Händen eines erfahrenen Handwerkers kann der Zustand der Überhitzung nicht erkennbar werden, bevor es tatsächlich zu spät ist. Der Betrieb bei konstanter niedriger Drehzahl kann nämlich den falschen Eindruck vermitteln, daß dem Motor nur eine geringe Leistung zugeführt wird, selbst dann, wenn die Leistung tatsächlich aufgrund der Wirkung der Drehzahlregelung sehr hoch ist. In diesem Zustand kann es sehr schnell zu Überhitzungen und Schäden kommen.

Es sind bereits thermische Schutzschaltungen und Überstromschutzschaltungen bekannt, um das Überhitzungsproblem anzugehen, allerdings muß die Empfindlichkeit derartiger Schaltungen sehr hoch sein, um einen effektiven Schutz zu bieten, und daher kommt es häufig dazu, daß der Motor irrtümlich abgeschaltet wird, wenn der Benutzer das Werkzeug nur kurzzeitig überlastet, ohne daß Irgendein·;; Gefahr einer Dauerschädigung für das Werkzeug b .steht.

Andere bekannte, umfangreicher ausgestattete Elektrowerkzeuge verfügen über eine Drehzahlregelung mit einer sog. "Anti- -Rückschlag"-Punktion (Anti-Kickback), die die Netzspannung vom Werkzeug abschaltet, wenn eine drohende Rückschlag-Situation erkannt wird.

Von einem Rückschlag-Zustand spricht man dann, wenn ein sehr schneller Lastwechsel am Werkzeug stattfindet, beispielsweise dann, wenn das Werkzeug ein Werkstück erfaßt oder sich darin verklemmt, so daß es zu einem Rückstoß auf das Werkstück oder Werkzeug kommt. Rückschlagprobleme treten insbesondere bei Elektrowerkzeugen mit hohem Drehmoment auf.

Es sind bereits verschiedene Anti-Rückschlag-Erkennungsschaltungen vorgeschlagen worden. Eine dieser bekannten Einrichtungen überwacht die Änderung des Motorstromes, während eine andere bekannte Vorrichtung die Änderung der Motordrehzahl überwacht. Ein Beispiel eines bekannten Systems, das die Änderung des Motorstromes auswertet, findet sich in der US-PS 4 249 117 und ein anderes Beispiel, bei dem eine Veränderung der Motordrehzahl erkannnt wird, ist in der US-PS 4 267 914 beschrieben.

Obwohl sich die beiden genannten Rückschlag-Erkennungsschaltungen als nützlich erwiesen haben, hat sich doch gezeigt, daß es schwierig ist, derartige Schaltungen an einen weiten Bereich von Betriebsdrehzahlen anzupassen. Um beispielsweise eine genügende Empfindlichkeit bei hohen Betriebsdrehzahlen zu haben, war es erforderlich, die Rückschlag-Erkennungsschaltungen nach dem Stand der Technik so auszulegen, daß sie u.U. irrtümlich einen Rückschlag bei niedrigen Betriebs-

drehzahlen erkannt haben. Darüber hinaus ist es bislang nicht möglich gewesen, eine bestimmte Rückschlag-Erkennungsschaltung an eine breite Anzahl von Elektrowerkzeugen anzupassen. In diesem Zusammenhang muß man nämlich berücksichtigen, daß Hochlast-Bohrmaschinen mit Halb-Zoll-Bohrern beispielsweise eine hohe Getriebeübersetzung haben und daher ein sehr hohes Drehmoment erzeugen. Bei derartigen Bohrmaschinen ist demzufolge eine sehr hohe Empfindlichkeit bei der Rückschlagerkennung wünschenswert. Im Gegensatz dazu haben Viertel-Zoll-Bohrmaschinen nur eine relativ kleine Getriebeübersetzung und erzeugen weniger Drehmoment, so daß schnelle Geschwindigkeitsänderungen bei Änderung der Last nicht ungewöhnlich sind und daher die Empfindlichkeit der Rückschlag-Erkennung durchaus gering sein sollte. Rückschlag-Erkennungsschaltungen nach dem Stand der Technik können, zusammengefaßt, nicht in einfacher Weise an eine Vielzahl von Anforderungen an die gewünschte Empfindlichkeit für eine Vielzahl von Elektrowerkzeugen angepaßt werden.

Die vorliegende Erfindung stellt, allgemein gesprochen, demgegenüber eine mikroprozessor-gestützte oder mikrocomputer-gestützte Regelschaltung zur Verfügung, die sowohl von den Vorteilen eines Betriebes mit Regelung als auch mit Steuerung Gebrauch macht, um die Motordrehzahl einzustellen, wobei jedoch gleichzeitig die zu diesen Einrichtungen weiter oben jeweils genannten Probleme vermieden werden. Zusätzlich ergibt die vorliegende Erfindung ein Anti-Rückschlag-System, die auf die prozentuale Änderung der Motordrehzahl reagiert und damit eine ausreichende Empfindlichkeit bei hohen Drehzahlen ergibt, ohne bei niedrigen Drehzahlen überempfindlich zu reagieren. Das erfindungsgemäße Anti-Rückschlag-System

kann leicht an unterschiedliche Empfindlichkeitswünsche angepaßt und demzufolge bei einem weiten Bereich von Elektrowerkzeugen angewendet werden.

Erfindungsgemäß werden eine Regeleinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors mittels Phasenanschnittsteuerung innerhalb eines Bereiches des Phasen-Durchlaßwinkels beschrieben. Die Drehzahl-Drehmoment Betriebscharakteristik des Motors wird in unterschiedliche Betriebsbereiche unterteilt, um eine kombinierte Steuerung/Regelung mit offener bzw. geschlossener Regelschleife zu erreichen. Ein erster Betriebsbereich wird definiert, der einem Durchlaßwinkel unterhalb eines vorbestimmten ersten Winkelwertes entspricht. Ein zweiter Betriebsbereich von Durchlaßwinkeln wird definiert, die zwischen dem vorbestimmten ersten Winkelwert und einem vorbestimmten zweiten Winkelwert, der größer als der erste Winkelwert ist, liegen. Ein dritter Betriebsbereich von Durchlaßwinkeln wird definiert, die größer als der vorbestimmte zweite Winkelwert sind. Erfindungsgemäß wird einer der vorgenannten Betriebsbereiche ausgewählt und, je nach ausgewähltem Betriebsbereieh, werden die folgenden Schritte ausgeführt:

Wenn der erste Betriebsbereieh ausgewählt wurde, wird der Motor mit offener Regelschleife gesteuert betrieben. Wenn der zweite Betriebsbereich ausgewählt wird, wird der Motor in einer Hybridanordnung betrieben, wobei der Durchlaßwinkel in Abhängigkeit von der Belastung verändert wird, um eine vorgewählte konstante Drehzahl zu stabilisieren, und zwar so lange wie der dazu jeweils erforderliche Durchlaßwinkel den gewählten Durchlaßwinkel nicht überschreitet. Mit anderen Worten, der Motor wird begrenzt geregelt betrieben, und zwar

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mit ausgewählten Durchlaßwinkeln unterhalb des vorbestimmten zweiten Winkelwertes. Steigt die Belastung weiter an, wird die Motordrehzahl allerdings nicht konstant gehalten, sondern kann vielmehr entsprechend der Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik des Motors (gesteuert) absinken.

Wird der dritte Betriebsbereich gewählt, wird der Motor mit geschlossener Regelschleife geregelt betrieben. In dem dritten Betriebsbereich wird der vorgewählte Durchlaßwinkel als die gewünschte Betriebsdrehzahl interpretiert und der Motor wird bei der gewünschten Drehzahl betrieben, bis die Leistungsgrenze des Motors erreicht ist.

Der Benutzer des Blektrowerkzeuges wählt einen der Betriebsbereich aus (durch Verwendung eines manuell betätigbaren Drückerschalters o.dgl.), in dem ein Analogsignal entsprechend dem vorgewählten Durchlaßwinkel erzeugt wird. Im ersten Betriebsbereich ist der vorgewählte Durchlaßwinkel kleiner als der erste Winkelwert und der Motor wird bei dem vorgewählten Durchlaßwinkel betrieben, der konstant bleibt, während die Motordrehzahl sich in Abhängigkeit von der einwirkenden Last verändern kann. Im zweiten Betriebsbereich ist der vorgewählte Durchlaßwinkel kleiner als der zweite Winkelwert und größer als der erste Winkelwert und der Motor wird bei einer vorbestimmten Drehzahl betrieben, die im wesentlichen der Leerlaufdrehzahl des Motors beim ersten Winkelwert entspricht. In diesem zweiten Bereich wird der Durchlaßwinkel automatisch vergrößert oder verkleinert, um die vorbestimmte Drehzahl zu stabilisieren, und zwar so lange, wie der gewünschte Durchlaßwinkel den vorgewählten Durchlaßwinkel nicht überschreitet. Wenn die Belastung sich so weit erhöht, daß der Durchlaßwinkel den vorgewählten

Durchlaßwinkel erreicht, wird der Durchlaßwinkel gleich dem vorgewählten Durchlaßwinkel gehalten und die Motordrehzahl kann darüber hinaus absinken, wenn die Belastung sich noch weiter erhöht. Im dritten Betriebsbereich ist der vorgewählte Durchlaßwinkel größer als der zweite Winkelwert und wird als gewünschte Drehzahlinformation interpretiert. Diese gewünschte Drehzahl wird konstant gehalten und der Durchlaßwinkel kann sich verändern, um die konstante Drehzahl zu stabilisieren.

Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung ergeben ferner die Möglichkeit, drohende Rückschlag-Zustände dadurch zu erkennen, daß ein erster für die Drehzahl-Periodendauer des Motors in einem ersten Zeitintervall repräsentative Wert bestimmt wird. Ein erster Grenzwert wird bestimmt, der auf einem Prozentsatz des ersten Wertes beruht. Ein zweiter Wert, repräsentativ für die Drehzahl-Periodendauer des Motors in einem zweiten Zeitintervall, wird anschließend bestimmt. Wenn der zweite Wert den ersten Wert um mindestens den ersten Grenzwert übersteigt, wird ein vorbestimmtes Ergebnissignal erzeugt. Insbesondere wird das erste Grenzwertsignal zum ersten Wert hinzuaddiert, um so einen '^w" ersten Prüfwert zu erzeugen und der erste Prüfwert wird mit dem zweiten Wert verglichen. Wenn der zweite Wert den ersten Prüfwert übersteigt, wird das vorbestimmte Ergebnissignal erzeugt. Das vorbestimmte Ergebnissignal führt zu einem Abschalten bzw. Unterbrechen der Leistungszufuhr zum Motor und kann ferner ein Abbremsen bewirken, um die Drehzahl des Motors zu vermindern. Zusätzlich kann erfindungsgemäß eine Sicherheitseinrichtung vorgesehen sein, durch die eine Leitungsunterbrechung im Anti-Rückschlagbetrieb so lange aufrechterhalten wird, bis ein entsprechender Befehl vom

Benutzer erkannt wird. Dieser Befehl kann beispielsweise das Rücksetzen des Drückerschalters in seine Ausschaltstellung sein.

Pur das weitere Verständnis der Erfindung, ihrer Ziele und Vorteile, verglichen mit Motorregelungen nach dem Stand der Technik, werden nachstehend Ausführungsbeispiele anhand von beigefügten Zeichnungen und Plußdiagrammen beschrieben.

Es zeigen:

Pig. 1 einen schematischen Stromlaufplan einer mikrocomputer-gestützten Regelschaltung nach der Erfindung;

Pig. 2 ein Drehzahl-Drehmoment-Diagramm für einen erfindungsgemäß geregelten Motor zur Erläuterung der verschiedenen Betriebsbereiche gemäß der Erfindung;

Pig. 3 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Schritte für eine kombinierte Verwendung einer Steuerung/Regelung zum erfindungsgemäßen Betreiben eines Motors;

Pig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines bevorzugten Verfahrens zum Erhalten eines Analogsignals, das die gewünschten Betriebsparatmeter darstellt und zweckmäßigerweise im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;

Pig. 5 ein Flußdiagramm zur Erläuterung einer Anti-Rückschlag-Erkennung und zum Erzeugen eines Ergebnissignales entsprechend der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Stromlaufplan einer elektronischen Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Regelschaltung umfaßt einen Mikrocomputer 10, der in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung eine MC1 46 80 5F2 Single Chip 8 Bit Mikrocomputereinheit (MCU) sein kann, die auf dem Chip die erforderlichen Elemente enthalten kann, beispielsweise Oszillator, CPU, RAM, ROM, I/O und den Taktgenerator (Timer). Das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet einen Mikrocomputer, es versteht sich jedoch, daß die Lehre der vorstehenden Erfindung auch dann realisiert werden kann, wenn man stattdessen andere Formen digitaler Schaltkreise verwendet, beispielsweise integrierte Schaltkreise in diskreter Logik.

Der Mikrocomputer 10 wird über eine Stromversorgungsschaltung 12 mit Leistung versorgt, die eine 115 bis 120 V oder 220 V-Wechselspannung in ein +5 V-Gleichspannungssignal umwandelt. Ein 800 KHz-Resonator 14 ist mit den Oszillatoranschlüssen (Anschlüsse 4 und 5) verbunden, so daß ein stabiles Taktsignal zum Betrieb des Mikrocomputers 10 zur Verfügung steht.

Der Mikrocomputer 10 verfügt über eine erste Gruppe von acht Eingangs/Ausgangsleitungen, Port A, eine zweite Gruppe von acht Eingangs/Ausgangsleitungen, Port B und eine dritte Gruppe von vier Leitungen, Port C. Der Zustand jeder Leitung Port A und Port B ist programmsteuerbar. Port C ist ein Port mit festliegenden Eingängen. In Fig. 1 sind die die Ports A, B und C umfassenden Leitungen alphanumerisch gekennzeichnet, und zwar als PA5, PBO, PC2 usw., wobei die Zahl der binären Leitungszahl (0 bis 7) und der Buchstabe (A, B oder C) dem jeweiligen Port entspricht.

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Der Mikrocomputer 10 weist ferner einen Rücksetzanschluß mit der Bezeichnung RESET, einen maskierbaren Unterbrechungsanschluß (interrupt request) mit der Bezeichnung IRQ sowie die üblichen Versorgungsanschlüsse mit der Bezeichnung V,^
und Vgg auf. Die mit TIMER und NUM bezeichneten Anschlüsse
sind mit Vgg verbunden, wobei dies eine potentialfreie
Masse 64 ist.

Die Erfindung umfaßt ferner eine Signalverarbeitungsschaltung 20 mit einem Gleichrichter 62, einem Einschalt/Rücksetzkreis 62, einem Zündstrom-Steuerkreis 66 und einem Drehzahlsignal-Verarbeitungskreis 68. Die Signalverarbeitungsschaltung 20, die weiter unten noch ausführlich beschrieben wird, liefert ein Drehzahlsignal an den Unterbrechnungseingang IRQ des Mikrocomputers 10. Die Signalverarbeitungsschaltung 20 erzeugt ferner ein Rücksetzsignal für den RESET-Anschluß des Mikrocomputers 10. Auf der anderen Seite empfängt die Signalverarbeitungsschaltung 20 ein Triac-Zündsignal vom Mikrocomputer 10. Als Antwort auf das Triac-Zündsignal erzeugt die Signalverarbeitungsschaltung 20 ein Schaltsignal auf einem Anschluß 21, der zu einem Triac 22 führt, der seinerseits die Leistungszufuhr zu einem Motor 23 einstellt. Ein Tachometer 24 oder ein entsprechender Motordrehzahl-Sensor bestimmt die Drehzahl oder Drehzahl-Periodendauer des Ankers des Motors 23· Das Tachometer 24 erzeugt ein sinusförmiges Signal, dessen Frequenz ein Maß für die Drehzahl oder Drehzahl-Periodendauer des Motors 23 ist. Dieses Signal wird der Signalverarbeitungßschaltung 20 zugeführt, die das Signal verarbeitet und dem Unterbrechnungseingang IRQ zuführt, von wo ab es dann durch den Mikrocomputer 10 verarbeitet wird, wie weiter unten noch beschrieben wird.

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Die Signalverarbeitungsschaltung 20 umfaßt den Gleichrichter 62, der zwischen einem Knotenpunkt 63 und der potentialfreien Masse 64 angeordnet ist. Der Gleichrichter 62 kann durch eine Diode dargestellt werden, die so geschaltet ist, daß sie Strom in einer Richtung von der Masse 64 zum Knotenpunkt 63 leitet, so daß der Knotenpunkt 63 im wesentlichen auf dem Potential der potentialfreien Masse oder zumindest eine Diodenspannung darunter liegt. Die Signalverarbeitungsschaltung 20 umfaßt ferner den Zündstrom-Steuerkreis 66, der vorzugsweise einen Stromschalter enthält, um ein Stromsignal zum Zünden des Triacs 22 in Abhängigkeit vom Triac-Zündsignal des Mikrocomputers 10 zu erzeugen. Der Zündstrom-Steuerkreis 66 trennt demzufolge den Mikrocomputer 10 vom Triac 22 und liefert den Strom, der zum Zünden des Triacs 22 erforderlich ist.

Die Signalverarbeitungsschaltung 20 umfaßt weiterhin einen Drehzahlsignal-Verarbeitungskreis 68, beispielsweise einen Schmitt-Trigger. Der Schmitt-Trigger wandelt das sinusförmige Signal des Tachometers 24 mit relativ langsamem Anstieg und Abfall in Impulse mit schnellem Anstieg und schnellem Abfall um und führt diese dem Mikrocomputer10 zu.

Die Signalverarbeitungsschaltung 20 umfaßt schließlich den Einschalt/Rücksetzkreis 70, der an den V^-Anschluß der
Stromversorgungsschaltung 12 angeschlossen ist und ein Rücksetzsignal für den Mikrocomputer 10 erzeugt, wenn die gesamte Anordnung in Betrieb genommen wird.

In der Stromversorgungsschaltung 12 ist eine Diode 72 angeordnet, die an den Anschluß PA5 des Mikrocomputers 10 ange-

schlossen ist und ein Nulldurchgang-ErkennungssLgnal liefert. Wenn eine Leitung 74 der Stromversorgungsschaltung 12 positiv im Verhältnis zur entgegengesetzten Seite der Wechselstromversorgungsleitung ist, fließt Strom durch Widerstände 76 und 77 und eine Diode 78. Der Knotenpunkt 63 befindet sich daher um eine Diodenspannung unterhalb der potentialfreien Masse 64 und der Anschluß PA5 nimmt daher einen logischen LO-Zustand an.

Sobald eine Leitung 75 während der nächsten Halbschwingung positiv wird, versperren die Dioden 72 und 78 den Stromdurchfluß. Aus diesem Grunde liegt kein Spannungsabfall mehr über dem Widerstand 76 und der Anschluß PA5 befindet sich auf Vpß-Potential und nimmt einen logischen HI-Zustand an.
Man erkennt, daß der Anschluß PA5 demzufolge alternierend zwischen LO- und HI-Zuständen hin- und hergeschaltet wird, und zwar synchron zu jeder Halbwelle des Wechselspannungssignals, so daß der Anschluß PA5 abgefragt werden kann, um die Nulldurchgänge zu erkennen.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Anordnung zum Regeln der Motordrehzahl zur Verfügung, die mit einer Anzahl unterschiedlicher Arten und Größen von Motoren für einen weiten Anwendungsbereich von Elektrowerkzeugen verwendet werden kann.

Um die Betriebsdaten der Schaltung an vorgegebene Betriebsparameter oder an ein vorbestimmtes Elektrowerkzeug anzupassen, ist zusätzlich eine Schaltbrückeneinheit 26 vorgesehen. Einige der Leitungen von Port A, Port B und Port G können an eine logische LO-Spannung oder eine logische HI-Spannung angeschlossen werden, um eine oder mehrere vorbestiminte

gewünschte Betriebscharakteristiken dem Mikrocomputer 10

mitzuteilen. In Fig. 1 ist beispielsweise eine Schaltbrük-

ke 32 dargestellt, die an den Anschluß PA4 angeschlossen

ist, um ein logisches HI-Signal auf das vierte Bit des Ports A zu schalten.

Es versteht sich, daß die jeweilige Anordnung der Schaltbrücken 32 und die Art, in der der Mikrocomputer 0 die Bitmuster der Schaltbrückeneinheit 26 interpretiert, von der jeweiligen Steuerung des Mikrocomputers 10 abhängt, wie der Durchschnittsfachmann weiß.

Die Schaltbrückeneinheit 26 kann auf verschiedene bekannte Weisen realisiert werden, beispielsweise mit Drahtbrücken, Schaltern oder mit einer gedruckten Leiterplatte, bei der die entsprechenden Leiterbahnen offen oder kurz geschlossen sind.

Die Erfindung umfaßt ferner Mittel zum Erzeugen eines Analogsignales, das dem gewünschten Betriebsparameter des Motors entspricht, der in der Praxis vom Benutzer des Elektrowerkzeuges gewählt wird. Häufig stellt der gewünschte Betriebsparameter eine Motordrehzahl dar oder einen Zündwinkel des Triacs o.dgl. und wird mittels eines manuell betätigbaren Drückerschalters vorgegeben.

Obwohl eine Vielzahl von Systemen denkbar ist, mit denen die erforderlichen Befehle an die Regeleinheit in Abhängigkeit von den Wünschen des Benutzers gegeben werden kann, ist im vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel ein Einstellwiderstand 34 vorgesehen, der als Wandler für die Position des

Drückerschalters dient. Der Einstellwiderstand 34 liegt in Reihe mit einem Kondensator 36, der seinerseits an Masse angeschlossen ist. Durch geeignete Einstellung der Eingangs/Ausgangsleitung PB1 wird der Kondensator 36 abwechselnd über den Einstellwiderstand 34 geladen und entladen. Die Ladezeit ist proportional zum Widerstandswert des Einstellwiderstandes 34, der in Abhängigkeit von der manuell einstellbaren Position des Drückerschalters eingestellt wird. Demzufolge ist die Lade- bzw. Entladezeit ein Maß für die Position des Drückerschalters. Durch geeignete Dimensionierung des Kondensators 36, de3 Einstellwiderstandes 34 und der Zeitsteuerung, wie nachstehend noch geschildert, kann ein Analogsignal erzeugt werden, das den gewünschten Betriebsparameter in Übereinstimmung mit der Position des Drückerschalters darstellt. Dieses Analogsignal kann dann in ein Digitalsignal umgewandelt werden, wie es für den Mikrocomputer 10 benötigt wird.

Vorstehend wurde zwar die Erzeugung und Einspeisung des gewünschten Betriebsparameters bzw. die Auswahl einer gewünschten Drehzahl als Beispiel dargestellt, es können jedoch auch andere Anordnungen verwendet werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Allgemein gesprochen kann eine große Anzahl von digitalen oder analogen Wandlern verwendet werden, die über eine entsprechende Schnittstelle (beispielsweise Analog/Digitalwandler) mit dem Mikrocomputer IO wechselwirken.

Unter Beachtung der vorstehenden Erläuterungen soll n<m anhand der Flußdiagramme der Pig. 3 und 5 und des Diagramms von Pig. 2 die Erfindung und die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter erläutert werden.

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In Pig. 2 sind Drehzahl/Drehmomentverläufe des Motors bei unterschiedlichen Durchlaßwinkeln dargestellt. Eine oberste diagonale Linie 44 stellt den Zustand vollständiger Leitung dar (180°). Die Fläche darunter ist in drei Betriebsbereiche unterteilt, nämlich einen ersten Bereich 46, einen zweiten Bereich 48 und einen dritten Bereich 50.

Der erste Bereich 46 ist nach oben durch eine diagonale Linie 52 begrenzt, die einem Durchlaßwinkel von etwa 70
entspricht.

Der zweite Bereich 48 ist von der diagonalen Linie 52 und einer diagonalen Linie 54 begrenzt, die einen Durchlaßwinkel von etwa 88° darstellt. Der zweite Bereich 48 wird ferner von einer horizontalen Linie 56 begrenzt, die einer konstanten Drehzahl von 10 000 min entspricht. Wie man aus
Fig. 2 entnehmen kann, schneidet die horizontale Linie die Drehzahlachse in einem Punkt A und die diagonale Linie 54 in einem Punkt B.

Der dritte Bereich 50 ist oben durch die oberste diagonale Linie 44 begrenzt und unten durch eine horizontale Linie 58, die einer Motordrehzahl oberhalb 10 000 min" entspricht.

Eine Fläche 60 liegt außerhalb der vorstehend beschriebenen drei Bereiche und stellt den Zustand niedriger Drehzahlen bei hohen Betriebs-Drehmomenten dar, bei dem sich möglicherweise eine unerwünschte Überhitzung einstellen kann.

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Die Einflußgrößen, die die Motortemperatur bestimmen, sind im wesentlichen der Motorstrom und diejenigen Mittel, die zum Abführen der vom Motor erzeugten Hitze vorgesehen sind. Bei den meisten Elektrowerkzeugen ist ein Kühlgebläse vorgesehen, das direkt vom Anker des Motors angetrieben wird. Demzufolge ist bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten die Kühlwirkung, die von dem Gebläse beigetragen wird, nicht ausreichend, um eine Überhitzung zu verhindern. Die Fläche 60 in Fig. 2 stellt demnach die potentielle, gefährliche Überhitzungs-Zone dar, in der die Kühlwirkung, die vom Gebläse beigetragen wird, unzureichend ist, um die Aufheizung zu kompensieren, die von hohen Motorströmen und hohen Drehmomenten verursacht wird.

Im Gegensatz zu Überlast-Schutzanordnungen nach dem Stand der Technik, die lediglich versucht haben, einen Überhitzungszustand zu erkennen und den Motor dann abzuschalten, bevor ein Schaden auftritt, strebt die vorliegende Erfindung darüber hinaus an, eine signifikante Temperaturerhöhung überhaupt dadurch zu vermeiden, daß der Motor möglichst nicht in dem Bereich betrieben wird, in dem die meisten Überhitzungsprobleme auftreten. Wie weiter unten noch ausführlich erläutert werden wird, gestattet es die vorliegende Erfindung, das Elektrowerkzeug in jeder der oben beschriebenen drei Bereiche 46, 48 und 50 zu betreiben, während andererseits sorgfältig vermieden wird, Bedingungen einzustellen, die in die Gefahrenzone der Fläche 60 fallen würden.

Die vorliegende Erfindung verwendet die oben beschriebenen drei Betriebsbereiche, um eine kombinierte Steuerung/Regelung mit offener bzw. geschlossener Regelschleife zu realisieren. In dem ersten Bereich 46 wird der Motor gesteuert

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betrieben, wodurch die Motordrehzahl und das Drehmoment gegensinnig verknüpft werden, wie dies durch die diagonalen Drehzahl/Drehmomentkurven im ersten Bereich 46 illustriert wird. Jede der diagonalen Linien des ersten Bereiches 46 stellt einen individuellen, vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel dar. Wenn beispielsweise der Benutzer einen Durchlaßwinkel von weniger als ungefähr 70° über die Position des Drückerschalters einstellt, wird die Drehzahl des Motors ausschließlich in Abhängigkeit von der einwirkenden Last »w bestimmt.

Im zweiten Bereich 48 wird der Motor kombiniert mit offener/geschlossener Regelschleife betrieben. Liegt der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel zwischen ungefähr 70° (Punkt A) und ungefähr 88° (Punkt B), ist die Regelschaltung so ausgelegt, daß eine nominelle Betriebsdrehzahl von 10 000 min eingestellt wird, unabhängig von dem speziellen Durchlaßwinkel zwischen 70° und 88°, der gerade gewählt wurde. Wird der Motor dann mit einer Last oberhalb der Leerlauflast t_Q belastet, arbeitet die Regelschaltung
zunächst mit geschlossener Regelschleife und versucht, die Motordrehzahl bei 10 000 min" zu stabilisieren, indem der
Durchlaßwinkel bis zum vom Benutzer gewählten Durchlaßwinkel erhöht wird. Sollte allerdings der vom Benutzer gewählte Durchlaßwinkel nicht ausreichend sein, um die Motordrehzahl bei 10 000 min" unter der vorliegenden Belastung aufrechtzuerhalten, kann die Motordrehzahl darüber hinaus mit offenem Regelkreis abfallen. Wenn beispielsweise ein Durchlaßwinkel von 88° vorgewählt wird und eine zunehmende Last auf den Motor wirkt, wird die Motordrehzahl zunächst konstant auf 10 000 min" stabilisiert, während sich der
Durchlaßwinkel vom Leerlauf-Durchlaßwinkel von 70° entlang

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der horizontalen Linie 56 bis zum Punkt B entsprechend der Drehmomentlast t. erhöht. Wenn die Last noch über diesen Punkt hinaus ansteigt, fällt die Motordrehzahl entlang der diagonalen Linie 54 ab, was einer gesteuerten Drehzahl-Drehmomentkurve bei einem Durchlaßwinkel von 88° entspricht.

Im dritten Bereich 50 wird der vom Benutzer gewählte Durchlaßwinkel als gewünschte Drehzahl interpretiert. Demzufolge entsprechen Durchlaßwinkel, die in den dritten Betriebsbereich 50 fallen, im Verhältnis 1:1 gewünschten Betriebsdrehzahlen. Die Drehzahlregelung wird diese konstante Drehzahl durch Erhöhung oder Verminderung des Durchlaßwinkels in Abhängigkeit von der wirksamen Last stabilisieren, bis schließlich eine vollständige Leitung erreicht ist. Eine vollständige Leitung (180°), die durch die oberste diagonale Linie 44 dargestellt wird, stellt die Maxiraalleistung dar, die vom Motor abgegeben werden kann. Arbeitet der Motor im dritten Bereich 50 bei vollständiger Leitung, führt jede weitere Erhöhung der Last auf den Motor zu einer Abnahme der Motordrehzahl entlang der diagonalen Linie 44·

Mit Bezug auf Fig. 3 wird das bevorzugte Verfahren für eine kombinierte Steuerung/Regelung der Drehzahl nachfolgend anhand eines Plußdiagramms erläutert. Nach dem Rücksetzen des Systems werden die Eingang/Ausgang-Ports abgefragt, um die Betriebsparameter für das jeweilige Elektrowerkzeug, bei dem die Erfindung verwendet wird, zu laden. Als nächstes werden eine niedrige Anfangsdrehzahl, ein niedriger Durchlaßwinkel und ein hoher Rückschlag-Test-Grenzwert geladen, um die Anfangsbedingungen auf sichere Werte zu standardisieren. Nachdem die Anfangswerte vorgegeben wurden, wird die Wechselspannungs-Wellenform abgefragt, um zu erkennen,

welche Art Halbschwingung anliegt, und es wird ggf. der gewünschte, vom Benutzer vorgewählte Parameter dadurch eingegeben, daß ein Unterverfahren "Analogeingang" durchgeführt wird, das weiter unten noch ausführlich anhand von Fig. 4 erläutert werden wird.

Allgemein gesprochen fragt das Unterverfahren Analogeingang den manuell betätigbaren Drückerschalter bzw. den Einstellwiderstand 34 ab und erzeugt einen digitalen Wert, der den vom Benutzer gewählten Durchlaßwinkel darstellt. Das Verfahren wartet dann auf einen Nulldurchgang der Netzspannung, um die Zeitsteuerung des Verfahrens mit der Wechselspannungs-Wellenform zu synchronisieren. Sofern der Drückerschalter tatsächlich gedrückt wurde, wird der Augenblickswert der Motordrehzahl bestimmt oder mit Hilfe des Tachometers 24 gemessen. Der Augenblickswert der Motordrehzahl oder der Drehzahl-Periodendauer wird in einen Speicher geladen, der demzufolge den jeweils letzten Augenblickswert der Drehzahl enthält.

Als nächstes prüft das Rückschlag-Erkennungsverfahren, das weiter unten ausführlich zu Fig. 5 noch erläutert wird, ob ein Rückschlag-Zustand droht. Wenn dies der Fall ist, werden Maßnahmen zu dessen Vermeidung ergriffen, wenn dies nicht der Fall ist, wird nach dem Verfahren weiterhin festgestellt, ob die Halbschwingung der Netzspannung gerade oder ungerade ist. Bei einer geraden Halbschwingung verzweigt sich das Verfahren in einen Abschnitt, in dem die gewünschte Drehzahl auf der Grundlage des vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkels bestimmt wird. In einer ungeraden Halbschwingung läuft das Verfahren um die Drehzahlbestimmung herum und zählt stattdessen auf Null herunter, so daß der

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Triac 22 zu einem entsprechenden Zeitpunkt gezündet wird, der aus dem gewünschten Durchlaßwinkel abgeleitet ist.

Das Herunterzählen auf Null umfaßt dabei einen Verfahrensschritt, bei dem geprüft wird, ob der Triac 22 früh oder spät in der Halbschwingung gezündet werden soll. Dies tut man deswegen, weil man die Zeit kompensieren oder ausgleichen will, die benötigt wird, um die Berechnungen für die Drehzahlregelung auszuführen and das Unterverfahren Analo^- eingang abzuarbeiten.

Soll der Triac 22 früh während der Halbschwingung gezündet werden, wird ein Kompensationswert zur Zündzeit hinzuaddiert, um die Zeit zu kompensieren, die zum Ausführen der Berechnungen für die Drehzahlregelung benötigt wird. Dann wird das Herunterzählen auf Null gestartet und der Triac 2;-' gezündet und anschließend wird das Unter-verfahren Analogeingang durchgeführt.

Wenn der Triac 22 spät in der Halbschwingung gezündet wird, wird zunächst das Unterverfahren Analogeingang durchgeführt und nach Abarbeiten dieses Unterverfahrens wird der Wert deü Zündzeitpunktes kompensiert, um die Zeit zu berücksichtigen, die für das Abarbeiten des Unterverfahrens benötigt wurde, abzüglich der Zeit, die die Berechnung für die Drehzahlregelung in Anspruch genommen hat. Schließlich wird das Herunterzählen auf Null gestartet und der Triac 22 gezündet.

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Pur die weitere Betrachtung des Flußdiagramms gemäß Pig. 3 wird davon ausgegangen, daß ein Betrieb in einer geraden Halbschwingung vorliegt, so daß das Verfahren bei der Berechnung für die Drehzahlregelung angekommen ist, die am Punkt D beginnt. Das Verfahren prüft als Nächstes, ob der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel kleiner als 88° ist. Wenn er kleiner als 88° ist, wird die gewünschte Drehzahl automatisch auf 10 000 min" eingestellt. Ist der vom
Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel hingegen größer als 88°, wird der gewünschte Durchlaßwinkel wiederum in eine vom Benutzer gewünschte vorgewählte Drehzahl umgewandelt. Die Umwandlung beruht auf einer linearen Annäherung und verwendet eine Gleichung von der Art y = ax + b, wobei y die Drehzahl, χ den vom Benutzer"vorgewählten Durchlaßwinkel und a sowie b Konstanten bezeichnen, die so gewählt sind, daß bei χ = 88° die Größe y gerade 10 000 min" und bei χ =80^ΰ
die Größe y gerade zur maximal zulässigen Betriebsdrehza! 1 für das jeweilige Elektrowerkzeug wird.

Sobald die gewünschte Drehzahl bestimmt wurde, prüft OUw Schaltung als nächstes, ob die gewünschte Drehzahl eine vorgegebene Maximaldrehzahl überschreitet, die fur dan jeweilige Elektrowerkzeug festgelegt ist. Angenommen, daß die gewünschte Drehzahl unterhalb der maximalen Drehzahl. liegt, wird eine Berechnung durchgeführt, um den jeweiligen Durchlaßwinkel zu bestimmen, der zum Erreichen und Stabilisieren der gewünschten Drehzahl benötigt wird. Beträgt der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel weniger as 38°, bestimmt die Schaltung, ob der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel größer als der für eine volle Rüdckopp¹ m.? benötigte Durchlaßwinkel ist, bei dem die gewünschte i>rei;-zahl stabilisiert wird. Wenn der vom Benutzer vorgewählte

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Durchlaßwinkel größer als der Durchlaßwinkel für volle Rückkopplung ist, so stellt die Schaltung den gewünschten Durchlaßwinkel gleich dem für volle Rückkopplung erforderlichen Durchlaßwinkel ein und es wird auf diese Weise eine Art Regelung mit geschlossener Regelschleife erreicht. Ist jedoch der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel nicht größer als der für volle Rückkopplung erforderliche Durchlaßwinkel, wird der gewünschte Durchlaßwinkel gleich dem vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel eingestellt und die Schaltung arbeitet als Steuerung mit offener Re^elschleife.

Wenn daher beispielsweise der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel gleich 85° ist und nur 75° Durchlaßwinkel benötigt werden, um den Motor bei der gerade auf den Motor wirkenden Last auf einer Drehzahl von 10 000 min" ku
halten, stellt die Regelschaltung gerade 75° Durchlaßwinkel ein. Darüber hinaus wird die Regelschaltung in diesem Fall anstreben, die Motordrehzahl von 10 000 min" zu stabilisieren, indem der Durchlaßwinkel im erforderlichen Ausmaß erhöht wird, und zwar bis zu einem Maximalwert von 85° - dem vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel - bevor bei ansteigender Belastung die Drehzahl des Motors abfallen darf. Wenn andererseits der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel größer als 88° ist, nimmt die Schaltung von selbst den Zustand einer Regelanordnung mit geschlossener Regelschleife ein, und der gewünschte Durchlaßwinkel wird gleich dem Winkel für volle Rückkopplung eingestellt.

Ist der gewünschte Durchlaßwinkel einmal eingestellt, beginnt der Verfahrensschritt des Herunterzählens auf Null und der Triac 22 wird in Abhängigkeit vom gewünschten Durchlaß-

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winkel gezündet. Nach der Zündung des Triacs 22 wird ein neuer Rückschlag-Grenzwert bestimmt, der im Rückschlag-Erkennungsverfahren verwendet wird, das weiter unten noch beschrieben wird.

Unter Bezug auf Fig. 4 soll nun nachfolgend das Unterverfahren "Analogeingang" im einzelnen beschrieben werden. Das Unterverfahren beginnt damit, daß ein Schleifenzähler geladen wird, der dazu dient, ein vorgegebenes Zeitintervall darzustellen, in dem die analoge Position des Drückerschalters abgefragt wird. Es wird ferner ein Schwellwert-Zähler gelöscht, der dazu dient, einen Wert zu speichern, der die Position des Drückerschalters darstellt.

Die Schaltung prüft, ob die Netzspannung sich in einer ungeraden oder einer geraden Halbschwingung befindet. In der ungeraden Halbschwingung wird der Kondensator 36 über den Einstellwiderstand 34 geladen, während die vorbestimmte Zeitsteuer-Schleife abgearbeitet wird, die jedes Mal prüft, ob der Kondensator 36 bereits auf einen Wert oberhalb eines Schwellwertes des Eingang/Ausgang-Ports aufgeladen wurde.

Bei jedem Durchlauf der Schleife bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Kondensator 36 über den Schwellwert hinaus aufgeladen wurde, wird der Schwellwertzähler inkrementiert. Demzu ■ folge ist der vom Schwellwertzähler festgehaltene Wert am Ende der ungeraden Halbschwingung ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der der Kondensator 36 über den Einstellwiderstand 34 aufgeladen wurde. Da die Ladegeschwindigkeit durch die Analogposition des Einstellwiderstandes 34 bestimmt wird, die ihrerseits durch den Benutzer über den Drückerschalter eingestellt wurde, ist der Stand des Schwellwert

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Zählers bzw. dessen "Ladezahl" ein Maß für den gewünschten oder vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel.

In entsprechender Weise wird während jeder geraden Halbschwingung der Kondensator 36 über den Einstellwiderstand 34 entladen, während eine ähnliche Zeit.steuer-Schleife bestimmt, wielange es dauert, um den Kondensator 36 unter die Eingangs-Schwellwertspannung zu entladen. Die "Entladezahl" wird dann mit der vorhergehenden "Ladezahl" gemittelt und der vom Benutzer gewünschte Durchlaßwinkel wird aus dem Mittelwert errechnet, indem man eine lineare Annäherung der Form y = ax + b verwendet, wobei y den vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel darstellt, χ den zuvor bestimmten Mittelwert und wobei ferner a und b Skalierungs-Konstanten sind.

Der in dieser Weise bestimmte, vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel wird dann mit dem zuvor vorgewählten Durchlaßwinkel verglichen, und es wird bestimmt, ob der Absolutwert der Differenz zwischen diesen beiden Werten einen vorbestimmten "Hysterese"-Grenzwert überschreitet.

Ist dies nicht der Fall, kehrt das Unterverfahren in das Hauptverfahren zurück. Überschreitet der Absolutwert hingegen den Hysterese-Grenzwert, ersetzt der neue, in der genannten Weise bestimmte und vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel den zuvor vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel und die Steuerung kehrt in das Hauptverfahren zurück.

Der Zweck dieses Verfahrensschrittes ist es, ein "Zittern" des Elektrowerkzeuges infolge von relativ kleinen Änderungen

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des vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkels zu verhindern, insbesondere im Betrieb des Elektrowerkzeuges mit voller Rückkopplung.

Pig. 5 veranschaulicht das Verfahren zum Vermeiden eines Rückschlages.

Es beginnt am Rücksetz-Eingangspunkt des Hauptverfahrens, das weiter oben in Zusammenhang mit Fig. 3 bereits beschrieben wurde. Nach dem Laden der Speicher und dem Abwarten eines Nulldurchganges der Netzspannung prüft die Schaltung, wie oben beschrieben, ob der Drückerschalter betätigt wird. Wird der Drückerschalter nicht betätigt, kreist die Schaltung durch die anfänglichen Schritte der Vorgabe von Daten, bis schließlich erkannt wird, daß der Drückerschalter vom Benutzer betätigt wurde.

Sobald dies geschehen ist, wird die Drehzahl des Motors mit einer Drehzahlmeßeinrichtung bestimmt, beispielsweise dem Tachometer 24· In dem beschriebenen bevorzugten Ausführungebeispiel wird die Drehzahl allerdings als Zeitintervall geraessen, nämlich als Periodendauer zwischen zwei Impulsen des Drehzahlsensors. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel verwendet den Tachometer 24, und zwar im wesentlichen aus Kostengründen. Allerdings erzeugt ein derartiges Tachometer 24 bei geringen Drehzahlen nur eine für Drehzahlmessungen unzureichende Ausgangsspannung.

Um Fehler zu vermeiden, wird daher im Verfahren festgestellt, ob die gemessene Drehzahl unterhalb dieser Schwelle für einen zuverlässigen Betrieb des Tachmeters 24 liegt.

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-3J.

Hierzu bestimmt das Verfahren, ob die Periodendauer zwischen Tachometerimpulsen nahe oder oberhalb eines Grenzwertes für den jeweiligen Sensor liegt.

Liegt die gemessene Periodendauer in der Nähe oder oberhalb des Grenzwertes, verzweigt sich das Verfahren um die eigentliche Anti-Rückschlag-Erkennung herum und fährt fort, wie dargestellt.

Reicht die gemessene Drehzahl für zuverlässige Ablesungen des Tachometers 24 aus, bestimmt das Verfahren, ob die zuletzt gemessene Drehzahl-Periodendauer größer als der Anti-Rückschlag-Grenzwert ist, der bei einem vorhergehenden Durchgang durch das Verfahren festgelegt wurde. Wenn die zuletzt gemessene Drehzahl-Periodendauer größer ist alt; der Anti-Rückschlag-Grenzwert, wird ein Rückschlag-Zustand erkannt, und das Verfahren verzweigt in eine Fangstelle, die durch eine Endlosschleife dargestellt wird und verhindert, daß der Triac, Thyristor oder sonstige Schalter gesundet werden. Ein Ausweg aus der Endlosschleife ist nur dadurch möglich, daß der Drückerschalter gelöst oder abgeschaltet wird, woraufhin das Verfahren wieder an den Rüeksetzpunkt A in der Nähe des Anfanges des Hauptverfahrens zurückkehrt.

Nach der Anti-Rückschlag-Prüfung fährt das Verfahren fort, indem der Triac oder Thyristor zum jeweiligen Zeitpunkt gezündet wird, wobei allerdings die zur Bestimmung des Durchlaßwinkels benötigte Zeit berücksichtigt wird. Kino genaue Beschreibung dieser Verfahremsschritte findet, rAch oben in der Beschreibung zu Pig. 3-

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Nach dem Zünden und der Auswahl des gewünschten Betriebsbereiohes in Abhängigkeit von dem vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel (vgl. Beschreibung weiter oben zu Fig. ?) bestimmt das Verfahren, ob eine Phasensteuerung mit offener Regelschleife bei niedriger Leistung gewählt wurde oder nicht.

Wenn eine derartige Phasensteuerung gewählt wurde, muß der Betrieb im ersten Betriebsbereich 46 von Fig. 2 erfolgen. Liegt ein Betrieb im ersten Bereich 46 vor, wird ein sehr hoher Anti-Rückschlag-Grenzwert in den entsprechenden Speicher geladen. Auf diese Weise wird die Rückschlag-Funktion praktisch ausgeschaltet, wenn das Elektrowerkzeug bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Motorleistung betrieben wird, weil dann ein Rückschlag kein Problem darstellt.

Findet der Betrieb nicht im ersten Bereich 46 statt, wi I der Kingangs/Ausgangs-Port abgefragt, am den Wert der Anti-Rückschlag-Empfindlickeit zu bestimmen. Dieser Wert kar-n beim Hersteller mittels einer geeigneten Schaltbrücke 32 m der ggf. vorhandenen Schaltbrückeneinheit 26 voreingestellt werden. Ist die Rückschlag-Empfindlichkeit "ohne Grenzwert" gewählt, wird der Anti-RUcksehlag-Grenswert auf einen ü^-h; hohen Wert eingestellt. Ist eine andere als die "ohne Grenzwert" Empfindlichkeit durch die Schaltbrückeneinheit 2o vorgewählt, wird die Ablesmng der am Eingang eingestellten Auswahl vom Eingangsport in einen numerische Ernpfindlichkeitowert umgewandelt.

Die Drehzahl-Periodendauf-T des Motors, die mittels d<- :■ Tachometers 24 festgestellt und im Drehzahlspeicher abi?ele-_:'twurde, wird durch Division durch einen vorbestimmten Wert

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skaliert. In der Praxis wird die Drehzahl-Periodendauer, die als ßinärzahl dargestellt ist, um 5 Digits nach rechtrs verschoben, was einer Division durch die Zahl 32 gleichkommt. Die skalierte Drehzahl-Periodendauer wird dann mit dem Empfindlichkeitswert multipliziert and das Produkt dem Wert der Drehzahl-Periodendauer hinzuaddiert. Dieses Produkt wird dann als neuer Anti-Rückschlag-Grenzwert abgelegt und später gegenüber der nächsten Drehzahl-Periodendauer geprüft, die nach dem nächsten Nulldurchgang der Netzspannung bestimmt wird.

Das Anti-Rückschlag-Verfahren verwendet daher die Augenblickdrehzahl des Motors, um zu bestimmen, ob ein Rückschlag-Zustand vorliegt. Die Grenzwerte werden berechnet, indem eine prozentualen Veränderung herangezogen wird, mit der die augenblickliche Betriebsdrehzahl zum Erkennen eines Rückschlages verliehen wird.

Wird beispielsweise während einer Halbschwingung der Motor bei einer Drehzahl betrieben, deren Periodendauer 100 Zählerschritten von jeweils 40 \isec entspricht und ist der Anti-Rückschlag-Paktor auf 10 $ eingestellt, wird dann ein drohender RUckschlag-Zustand erkannt, wenn in der nächsten Halbschwingung die Periodendauer 110 Zählschritte überschreitet. Beträgt die Periodendauer weniger als 110 Zählschritte, wird als "lernendes System" ein neuer Grenzwert auf der Grundlage der gemessenen Periodendauer errechnet, eingegeben und das Verfahren fortgesetzt.

Im Gegensatz zu Rückschlag-Erkennungsverfahren nach dem Stand der Technik, die versucht haben, den Rückschlag dadurch zu erkennen, daß man die Änderungsgeschwindigkeit detj

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Motorstromes (dl/dt) oder die Änderungsgeschwindigkeit der Motordrehzahl (dn/dt) erkannte, erkennt das vorliegende Verfahren den Rückschlag-Zustand als eine prozentuale Änderung der Motordrehzahl. Die vorliegende Erfindung benötigt daher keine Beschaltung mit Strommeßwiderständen und auch keine Analog/Digitalwandler, wie man sie für die dl/dt-Technik benötigt. Darüber hinaus ist die Technik mit prozentualer Veränderung bei hohen Drehzahlen genauer im Gegensatz zu dn/dt-Methoden nach dem Stand der Technik, die naturgemäß kleine Drehzahlveränderungen bei hohen Drehzahlen schlechter erkennen können.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich nur auf das dargestellte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch abgewandelt werden kann, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung einschließlich der beigefügten Patentansprüche zu verlassen.

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Leerseite -

Claims

351Ö619 Patentansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors (23) mittels Phasenanschnittsteuerung innerhalb einen Bereiches des Phasen-Durchlaßwinkels, gekennzeichnet, durch die Schritte:

- Definieren eines ersten Betriebsbereicheü (46) von Durchlaßwinkeln unterhalb eines vorbestimmten ersten Winkelwertes;

Definieren eines zweiten Betriebsbereiches (48) von Durchlaßwinkeln zwischen dem vorbestimmten ersten Winkelwert und einem vorbestimmten zweiten Winkelwert, der größer als der erste Winkelwert -"

ist; *

Definieren eines dritten Betriebsbereiches (50) von Durchlaßwinkeln, die größer als der vorbestimmte zweite Winkelwert sind;

- Auswählen eines der drei Bereiche (46, 48, 50) und Betreiben des Motors (23)

a) im ersten Betriebsbereich (46) mit offenem Regelkreis,

b) im zweiten Betriebsbereich (48) durch Variation des Durchlaßwinkels in Abhängigkeit zur Last, aber ohne den vorbestimmten zweiten Winkelwert zu überschreiten, um eine vorbestimmte Drehzahl für Durchlaßwinkel kleiner als der vorbestimmte zweite Winkelwert aufrechtzuerhalten,

c) im dritten Betriebsbereich (50) mit geschlo^- ^ senem Regelkreis.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Winkelwert gespeichert werden, daß ein Wert erzeugt wird, der ein Maß für einen gewünschten Betriebspunkt innerhalb der Betriebsbereiche (46, 48, 50) ist und daß der Wert mit dem ersten und zweiten Winkelwert verglichen und in Abhängigkeit von diesem Vergleich einer der Betriebsbereiche (46,-48, 50) ausgewählt wird.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkelwert so festgelegt wird, daß der Betrieb des Motors (23) mit dem ersten Winkelwert eine Leerlaufdrehzahl in der Größenordnung von 10 000 min"¹ ergibt.

4· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkelwert einem Durchlaßwinkel von etwa 70° entspricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Winkelwert einem Durchlaßwinkel von etwa 88° entspricht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verfahrensschritt, bei dem der Motor (23) mit geschlossener Regelschleife betrieben wird, ferner ein Drehzahlsignal mit periodischer Wellenform erzeugt wird, deren Frequenz der Drehzahl des Motors (23) proportional ist, daß die Periodendauer dieses Drehzahlsignals bestimmt wird, daß ein

Abweichungssignal in Abhängigkeit von der Periodendauer erzeugt wird und daß das Abweichungssignal zum Stabilisieren einer vorgegebenen Drehzahl verwendet wird.

7. Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors (23) mittels Phasenanschnittsteuerung innerhalb eines Bereiches des Phasen-Durchlaßwinkels, gekennzeichnet durch die Schritte:

Bestimmen eines ersten Durchlaßwinkels für volle Rückkopplung entsprechend einer vorbestimmten Motordrehzahl;

- Bestimmen eines vom Benutzer vorgewählten zweiten Durchlaßwinkels;

Vergleichen des ersten Durchlaßwinkels mit dem zweiten Durchlaßwinkel und Ausführen eines der folgenden Schritte a) oder b) in Abhängigkeit davon, ob der zweite Durchlaßwinkel größer als der erste Durchlaßwinkel ist oder nicht:

a) wenn der zweite Durchlaßwinkel größer als der erste Durchlaßwinkel ist: Betreiben des Motors (23) mit dem ersten Durchlaßwinkel,

b) wenn der zweite Durchlaßwinkel nicht größer als der erste Durchlaßwinkel ist: Betreiben des Motors (23) mit dem zweiten Durchlaßwinkel.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßwinkel für volle Rückkopplung in Abhängigkeit von dem vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel bestimmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaßwinkel für volle Rückkopplung in Abhängigkeit von einer zuvor bestimmten, gewünschten Drehzahl bestimmt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Drehzahl in Abhängigkeit von dem vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel bestimmt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Drehzahl dadurch bestimmt wird, daß der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel mit einem vorgegebenen Wert verglichen und einer der folgenden Schritte c) oder d) in Abhängigkeit davon ausgeführt wird, ob der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel kleiner oder nicht kleiner als der vorgegebene Wert ist:

c) wenn der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel kleiner als der vorgegebene Wert ist: Bestimmen der gewünschten Drehzahl als vorbestimmte konstante Drehzahl,

d) wenn der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel nicht kleiner als der vorgegebene Wert ist: Bestimmen der gewünschten Drehzahl als Variable in Abhängigkeit mit dem vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Wert ungefähr 88" beträgt.

13· Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte konstante Drehzahl etwa 10 000 min"¹ beträgt.

14-. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß beim Verfahrensschritt d) die gewünschte Drehzahl in linearer Abhängigkeit von dem vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel bestimmt wird.

15· Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors (23) mittels Phasenanschnittsteuerung innerhalb eines Bereiches des Phasen-Durchlaßwinkels, gekennzeichnet durch die Schritte:

- Bestimmen eines vom Benutzer vorgewählten Durch- ,< laßwinkels und eines ersten Winkelwertes in Abhängigkeit von dem vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel;

- Vergleichen des vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkels mit einem vorbestimmten Wert und Ausführen eines der folgenden Schritte a) oder b) in Abhängigkeit davon, ob der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel kleiner oder nicht kleiner als der vorbestimmte Wert ist:

a) wenn der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel kleiner als der vorgegebene Wert und großer als der erste Winkelwert ist: Betreiben des Motors (23) beim ersten Winkelwert, und wenn der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel kleiner als der vorgegebene Wert und nicht

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größer als der erste Winkelwert ist: Betreiben des Motors (23) bei dem vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel,

b) wenn der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel nicht kleiner ist als der vorgegebene Wert: Betreiben des Motors (23) bei dem ersten Winkelwert.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Durchlaßwinkel ein Durchlaßwinkel für volle Rückkopplung ist, der einer vorbestimmten Motordrehzahl entspricht.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkelwert dadurch bestimmt wird, daß man eine gewünschte Drehzahl bestimmt und den ersten Winkelwert in Abhängigkeit von der gewünschten Drehzahl festsetzt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Drehzahl in Abhängigkeit mit dem vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel bestimmt wird.

19· Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Wert ungefähr 88° beträgt.

20. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkelwert dadurch bestimmt wird, daß man den vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel mit dem vorbestimmten Wert vergleicht und einen der fol-

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genden Schritte c) oder d) in Abhängigkeit davon ausführt, ob der vom Benutzer vorgewählte Winkelwert kleiner oder nicht kleiner als der vorbestimmte Wert ist:

c) wenn der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkel kleiner als der vorbestimmte Wert ist: Bestimmen der gewünschten Drehzahl als vorbestimmte konstante Drehzahl,

d) wenn der vom Benutzer vorgewählte Durchlaßwinkei nicht kleiner als der vorbestimmte Wert ist: Bestimmen der gewünschten Drehzahl als Variable in Abhängigkeit von dem vom Benutzer vorgewählten Durchlaßwinkel.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte konstante Drehzahl 10 000 min"
beträgt.

22. Verfahren zum Erkennen eines drohenden RUckschlag-Zustandes bei einem motorisch betriebenen Werkzeug, gekennzeichnet durch die Schritte

a) Bestimmen eines ersten Wertes, der ein Maß für die Drehzahl-Periodendauer des Motors in einem ersten Zeitintervall ist;

b) Bestimmen eines ersten Grenzwertes auf der Grundlage eines vorbestimmten Prozentsatzes des ersten Wertes;

c) Bestimmen eines zweiten Wertes, der ein Mai3 für die Drehzahl-Periodendauer des Motors in einem zweiten Zeitintervall ist; und

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d) Erzeugen eines vorbestimmten Ergebnissignals, wenn der zweite Wert den ersten Wert um mindestens den Grenzwert übersteigt.

23. Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:

Erzeugen eines ersten Prüfwertes durch Addieren des ersten Grenzwertes zum ersten Wert;

- Vergleichen des ersten Prüfwertes mit dem zweiten Wert; und

Erzeugen des Ergebnissignales, wenn der zweite Wert den ersten Prüfwert überschreitet.

24. Verfahren nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:

Bestimmen eines zweiten Prüfwertes durch Bestimmen eines zweiten Grenzwertes auf der Grundlage des vorgegebenen Prozentsatzes des zweiten Wertes und Addieren des zweite Grenzwertes zu dem zweiten Wert.

25· Verfahren nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch die weiteren Verfahrensschritte:

Bestimmen eines dritten Wertes, der ein Maß für die Drehzahl-Periodendauer des Motors (23) während eines dritten Zeitintervalls ist;

- Vergleichen des zweiten Prüfwertes mit dem dritten Wert;

- Erzeugen des vorbestimmten Ergebnissignales, wenn der dritte Wert den zweiten Prüfwert überschreitet.

26. Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:

Vergleichen des ersten Wertes mit einem vorbestimmten Sensor-Grenzwert und Unterdrücken äea vorbestimmten Ergebnissignales, wenn der erste Wert den Sensor-Grenzwert überschreitet.

27· Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:

Anlegen eines Wechselstromes an den Motor (23) in der Form einer Folge von Halbschwingungen mit alternierender Polarität, wobei der erste Wert während einer ersten Halbschwingung und der zweite Wert während einer darauffolgenden zweiten Halbschwingung bestimmt wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens des vorbestimmten Ergebnissignales wenigstens einmal während jeder der aufeinanderfolgenden Halbschwingungen vorgenommen wird.

29. Verfahren nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch den weiteren Verfahrensschritt:

- Bestimmen eines Rückschlag-Empfindlichkeitswertes und Bestimmen des ersten Wertes proportional zum Rückschlag-Empfindlichkeitswert.

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30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückschlag-Empfindlichkeitswert in Abhängigkeit von mindestens einem vorgegebenen Leitfähigkeitspfad festgesetzt wird.

31. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Erzeugung eines vorbestimmten Ergebnissignales die Unterbrechung der Leistungszuführung zum Motor umfaßt.

32. Verfahren nach Anspruch^, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens des vorbestimmten Ergebnissignales weiterhin umfaßt, auf eine Anweisung des Benutzers des Werkzeuges zu warten und die Zuführung von Leistung zum Motor so lange zu unterbrechen, bis die Weisung empfangen wird.