WO2008064956A1 - Pulsweitenmodulations-ansteuerung einer elektrohandwerkzeugmaschine - Google Patents

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WO2008064956A1
WO2008064956A1 PCT/EP2007/061020 EP2007061020W WO2008064956A1 WO 2008064956 A1 WO2008064956 A1 WO 2008064956A1 EP 2007061020 W EP2007061020 W EP 2007061020W WO 2008064956 A1 WO2008064956 A1 WO 2008064956A1
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width modulation
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pusher
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Antoine Vandamme
Hans-Joachim Baur
Christian Bertsch
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Robert Bosch GmbH
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    • H02P1/16—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters
    • H02P1/18—Arrangements for starting electric motors or dynamo-electric converters for starting dynamo-electric motors or dynamo-electric converters for starting an individual DC motor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/20—Arrangements for starting

Definitions

  • the invention relates to a pulse width modulation control of a hand-held electric power tool with battery power supply.
  • the pusher travel of an operator-actuated pusher is converted by means of a potentiometer into a corresponding resistance value.
  • the detected resistance is linearly converted into a pulse width modulation duty cycle of a pulse width modulation circuit for operating an electric motor of the electric power tool.
  • the potentiometer associated with the pusher works with regard to its resistance value proportional to the pusher travel.
  • pulse width modulation drives the ohmic load resistance of
  • the voltage dropping across the internal resistance of the battery is chosen to be equal to or about the same as the voltage across the load, which is composed, in particular, of the voltage dropped across the ohmic motor resistor and the induced voltage of the electric motor .
  • a permissible amperage not too exceed, because too large currents can damage the battery.
  • the allowable current also depends on the length of time during which it occurs. For example, a battery can withstand 50 A for one second, but only 20 A for 5 seconds.
  • the motor current is determined by the respective load case.
  • PWM pulse width modulated
  • Electric motor in conjunction with a DC link capacitor can be achieved that the necessary for the respective load case motor current is applied, but the allowable battery current does not exceed a predetermined limit. If ⁇ is the duty cycle of the pulse width modulation, the battery current is smaller by a factor ⁇ than the motor current of the electric motor. To prevent damage to the battery, for example, the permissible motor current is reduced from 50 A to 20 A after one second, and the duty cycle is adjusted accordingly. Of course, then the speed or the engine torque drops.
  • the case can occur, in particular in the case of high-resistance batteries, that the maximum torque or the maximum rotational speed is not reached when the pusher is fully depressed, but already in an intermediate position of the pusher travel. This behavior does not meet the expectations of the user.
  • the Drückerweg is converted by a pulse width modulation circuit in a pulse width modulation duty cycle for driving an electric motor for driving the electric power tool, the pulse width modulation circuit the Drückerweg below Considering at least one further parameter in the pulse width modulation duty cycle.
  • the parameter is the current motor current of the electric motor. If the current motor current, that is dependent on the respective pusher position, is taken into account as the parameter during the assignment of the pusher travel and pulse width modulation duty cycle, then there is no fixed relationship between the pusher travel and the pulse width modulation, but rather a respective adaptive ratio.
  • the pusher has a potentiometer whose resistance value corresponds to the respective pusher travel.
  • the resistance value accordingly changes as a function of the presser travel, but is not used directly for the generation of the pulse width modulation duty cycle, but is processed taking into account the further parameter, in particular the respective current motor current.
  • the pulse width modulation circuit has at least one microprocessor for taking into account the at least one parameter.
  • the electric hand tool has a microprocessor, which makes the pulse width modulation drive taking into account the Drückerwegs and the at least one parameter.
  • a simplified electrical system model of the electric power tool in particular including the power supply, is stored in the microprocessor. Consequently, the system model is stored in the form of electrical equations in the microprocessor in order to advantageously design the relationship between pusher travel and duty cycle PWM.
  • the implementation is preferably carried out purely by software. Furthermore, it is advantageous if the at least one parameter is taken into account in such a way that at maximum presser travel the electric motor delivers its maximum torque. This corresponds to the expectation of the user.
  • the at least one parameter is taken into account in such a way that the electric motor has its maximum rotational speed when the maximum presser travel.
  • the at least one parameter is taken into account in such a way that a linear increase of the torque of the electric motor with the pusher travel takes place in the case of the blocked electric motor.
  • a “blocked electric motor” is to be understood that the electric motor does not rotate or very slowly, that is, for example, a spindle of the electric power tool is not rotated, for example, if there is a corresponding counter-torque due to a workpiece machining.
  • the at least one parameter is taken into account in such a way that a linear increase of the rotational speed of the electric motor with the trigger travel in the case of the rotating electric motor takes place above its release point.
  • rotating electric motor above its release point is meant that the electric motor rotates, the pusher is depressed so far that this rotation is brought about, so the release point is overcome the electric motor.
  • the invention relates to an electric hand tool machine with a pulse width modulation drive as described above.
  • the invention relates to a method for pulse width modulation
  • the Pusher is converted by a pulse width modulation circuit in a pulse width modulation duty cycle for driving an electric motor for driving the electric power tool, wherein of the Pulse width modulation circuit of the trigger path is converted taking into account at least one further parameter in the pulse width modulation duty cycle.
  • FIG. 1 is a diagram
  • FIG. 2 is a flow chart
  • FIGS. 3 to 7 different diagrams
  • FIG. 8 shows a flow chart
  • the invention relates to a pulse width modulation control of a power tool, such as a cordless screwdriver, with a battery power supply.
  • a power tool such as a cordless screwdriver
  • Such electric hand tools have to operate a pusher, which can be pressed by an operator more or less along a Drückerwegs. The farther the pusher is depressed, the greater the rotational speed of an electric motor of the electric hand tool, which actuates a tool holder, so that the tool is actuated at a correspondingly increasing speed.
  • a cordless screwdriver is the rotation of a tool holder, which can be equipped, for example, with tool bits.
  • Electric hand tool machine is operated by a battery power supply, which drives the electric motor via a pulse width modulation circuit.
  • the pulse width modulation duty cycle (PWM duty cycle) is preset, with which the electric motor is driven.
  • the electric power tool has at least one microprocessor in which a simplified model of the electrical equations of the electrical / electronic assemblies are stored to adjust the relationship between the pusher travel of the pusher and the duty cycle of the pulse width modulation such that when the pusher is fully depressed, the maximum torque of the Electric motor is deployed and / or in fully depressed pusher the maximum speed of the electric motor is present, wherein the blocked electric motor is a linear increase in torque with the Drückerweg and / or given a linear increase in speed with the Drückerweg above the release point in the rotating case of the electric motor is.
  • the blocked case occurs when the tool of the electric hand tool machine stops moving, however, however, the pusher is actuated, but the set torque is insufficient to overcome the counter-torque of the tool.
  • the release point results when, in the course of pressing the pusher, first a pusher travel is overcome before the electric motor starts to move.
  • the point at which the electric motor starts to rotate is called the start point.
  • a motor characteristic of the electric motor with a low-impedance source By low-resistance source is meant a battery power supply having a relatively low resistance. It can be seen that the rotational speed ⁇ decreases as the torque M increases. If there is a high-impedance source, ie a battery power supply which has a higher resistance, then the motor characteristic shown by a solid line results. Here, the speed drops significantly with increasing torque and reaches - at the break point of the curve - the value zero, that is, an increasing torque logically does not lead to a restart of the electric motor.
  • the characteristic curve marked with side lines represents a motor characteristic with inventive pulse width modulation control, wherein as
  • a duty cycle of a pulse width modulation ⁇ is output, which is a pulse width modulation circuit 1 is supplied.
  • the power electronics contained pulse width modulation circuit 1 is connected to the electric motor 2, which drives a load 3 possibly with upstream transmission.
  • the pulse width modulation circuit 1 is connected to a
  • the battery power supply 5 has the battery voltage U b and it adjusts the battery current (average) I b .
  • the pulse width modulation circuit 1 comprises transistors to produce the pulse width modulation signals and thus the pulse width modulation duty cycle.
  • Ipei [A] transistor current (pulsed)
  • U pe i [V] transistor voltage (pulsed)
  • I m [A] motor current (average value, approximately the instantaneous value due to inductance, if the PWM frequency is high enough)
  • R b [ ⁇ ] internal resistance battery c m [Nm / A]: motor constant
  • R M [ ⁇ ] Motor resistance (with proportion of ohmic resistance of electronics)
  • FIG. 3 illustrates the relationship between the motor current I m and the pulse width modulation duty cycle (PWM duty cycle) ⁇ .
  • PWM duty cycle pulse width modulation duty cycle
  • FIG. 4 shows the relationship between the engine speed ⁇ m and the PWM duty ratio ⁇ .
  • the electric motor rotates under the condition ⁇ s tart (lm) -
  • the motor reaches its maximum speed for duty cycle ⁇ ⁇ ma ⁇ (lm) ⁇ 100% (dashed curve in Figure 4).
  • the speed decreases (as can be seen on the right of the dashed line in FIG. 4).
  • the maximum motor current when the motor is blocked should be present at 100% pusher travel (FIG. 5).
  • the relationship between the blocked motor current and the pusher path ⁇ should be linear.
  • the ratio between presser travel ß and the duty cycle ⁇ should fulfill the following conditions:
  • V 2 2 V O " O " u O ⁇ ,. u. V m J - U ° ⁇ 4RbRJ -.
  • Figures 5 and 6 show for the inventive control in the blocked case, the dependence of the motor current from the pusher and the duty cycle from the pusher.
  • 100% pusher travel ß of the user should correspond to the maximum engine speed.
  • the desired relationship between the engine speed and the Drückerweg ß should be linear.
  • ⁇ * corresponds to the instantaneous presser travel, in which the electric motor would just start to rotate due to the currently required torque.
  • OW depends on the power as follows:
  • An improvement in the inventive device and the method according to the invention is carried out by measuring or estimating the time-variable parameters. For example, with known speed information and motor voltage (see above), the motor resistance can be determined via
  • a very simple variant, with which at least the maximum speed CO 1 ⁇ x (Z 1 J and the maximum engine torque can be achieved, is to limit the battery current over the duty cycle as in a battery protection function:
  • relations (2) and (4) are used for I m and ⁇ m , as desired values or as limits, and it is left to a controller (eg: PID) to set these values. This may be beneficial, in particular, because of the neglected dynamics in our simple relationships and possibly inaccurately known parameters.
  • FIG. 9 illustrates the state of the art StdT (linear) in an experimental test setup on the left side and the invention E on the right hand side. It can be seen that in the case according to the invention the maximum motor current I m increases to 20 A, while in the case of FIG State of the art has only 17 A. Accordingly, the torques behave. St indicates the controller.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pulsweitenmodulations-Ansteuerung einer Elektrohandwerkzeugmaschine mit Akkustromversorgung, mit einem von einer Bedienperson betätigbaren Drücker, dessen Drückerweg von einer Pulsweitenmodulations-Schaltung in ein Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis zur Ansteuerung eines Elektromotors zum Antreiben der Elektrohandwerkzeugmaschine umgesetzt wird. Es ist vorgesehen, dass die Pulsweitenmodulations-Schaltung den Drückerweg unter Berücksichtigung mindestens eines weiteren Parameters in das Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis umsetzt.

Description

Beschreibung
Titel Pulsweitenmodulations-Ansteuerung einer Elektrohandwerkzeugmaschine
Die Erfindung betrifft eine Pulsweitenmodulations-Ansteuerung einer Elektrohandwerkzeugmaschine mit Akkustromversorgung.
Stand der Technik
Bei bekannten Pulsweitenmodulations-Ansteuerungen von Elektrohandwerkzeugmaschinen mit Akkustromversorgung wird der Drückerweg eines von einer Bedienperson betätigten Drückers mittels eines Potentiometers in einen entsprechenden Widerstandswert umgesetzt. Der erfasste Widerstand wird linear in ein Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis einer Pulsweitenmodulations-Schaltung zum Betreiben eines Elektromotors der Elektrohandwerkzeugmaschine umgerechnet. Das dem Drücker zugeordnete Potentiometer arbeitet hinsichtlich seines Widerstandswertes proportional zum Drückerweg. Alternativ ist es zur Erzielung eines bestimmten Verhaltens auch bekannt, eine bestimmte Kennlinie des ohmschen Widerstands in Abhängigkeit vom Drückerweg vorzusehen. Diese Beziehung ist dann jedoch fix, das heißt sie kann nicht verändert werden. Ferner ist es bei Pulsweitenmodulations- Ansteuerungen bekannt, den ohmschen Lastwiderstand der
Elektrohandwerkzeugmaschine, also den ohmschen Lastwiderstand des zum Antreiben eines Werkzeugs dienenden Elektromotors, und dem Innenwiderstand der Akkustromversorgung, also der (wiederaufladbaren) Batterie (vorzugsweise einschließlich vorhandener Leitungswiderstände) so aufeinander abzustimmen, dass diese Widerstände etwa gleich groß sind. Insbesondere wird die Spannung, die am Innenwiderstand der Batterie abfällt, so gewählt, dass sie gleich groß oder etwa gleich groß ist wie die Spannung an der Last, die sich insbesondere aus der Spannung, die am ohmschen Motorwiderstand abfällt und der induzierten Spannung des Elektromotors zusammensetzt. Zum Schutz der Batterie (des Akkus) ist bekannt, eine zulässige Stromstärke nicht zu überschreiten, da zu große Ströme die Batterie schädigen können. Der zulässige Strom hängt überdies von der Zeitdauer ab, während der er auftritt. Beispielsweise kann ein Akku eine Sekunde lang 50 A aushalten, 5 Sekunden lang jedoch nur 20 A. Der Motorstrom ist durch den jeweils vorliegenden Lastfall vorgegeben. Bei einer pulsweitenmodulierten (PWM) Ansteuerung des
Elektromotors in Verbindung mit einem Zwischenkreiskondensator kann erreicht werden, dass der für den jeweiligen Lastfall notwendige Motorstrom aufgebracht wird, wobei jedoch der zulässige Batteriestrom eine vorgegebene Grenze nicht überschreitet. Wenn mit α das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation bezeichnet wird, ist der Akkustrom um den Faktor α kleiner als der Motorstrom des Elektromotors. Um eine Schädigung des Akkus zu vermeiden, wird beispielsweise der zulässige Motorstrom nach einer Sekunde von 50 A auf 20 A gesenkt und es wird das Tastverhältnis entsprechend angepasst. Hierbei sinkt dann natürlich die Drehzahl beziehungsweise das Motormoment. Bei den bekannten Elektrohandwerkzeugmaschinen, die wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind, kann insbesondere bei hochohmigen Batterien der Fall auftreten, dass das maximale Moment beziehungsweise die maximale Drehzahl nicht bei voll durchgedrücktem Drücker erreicht wird, sondern bereits in einer Zwischenstellung des Drückerwegs. Dieses Verhalten entspricht nicht den Erwartungen des Anwenders.
Offenbarung der Erfindung
Bei der erfindungsgemäßen Pulsweitenmodulations-Ansteuerung der Elektrohandwerkzeugmaschine mit Akkustromversorgung ist ein von einer Bedienperson betätigbarer Drücker vorgesehen, dessen Drückerweg von einer Pulsweitenmodulations-Schaltung in ein Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis zur Ansteuerung eines Elektromotors zum Antreiben der Elektrohandwerkzeugmaschine umgesetzt wird, wobei die Pulsweitenmodulations-Schaltung den Drückerweg unter Berücksichtigung mindestens eines weiteren Parameters in das Pulsweitenmodulations- Tastverhältnis umsetzt. Aufgrund dieses erfindungsgemäßen Vorgehens, bei dem mindestens ein weiterer Parameter (insbesondere eine Messgröße oder eine Einflussgröße) berücksichtigt wird, lässt sich ein Verhalten realisieren, das der Erwartung des Anwenders entspricht, das heißt, in Abhängigkeit des von der Bedienperson betätigten Drückers, also in Abhängigkeit von dem jeweils aktuell eingestellten Drückerweg, reagiert der Elektromotor des Elektrohandwerkzeugs entsprechend erwartungsgemäß, sodass insbesondere mit größerem Drückerweg auch das Drehmoment und/oder die Drehzahl des Elektromotors ansteigt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Parameter der jeweils aktuelle Motorstrom des Elektromotors ist. Wird bei der Zuordnung von Drückerweg und Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis als Parameter der aktuelle, also von der jeweiligen Drückerposition abhängige Motorstrom berücksichtigt, so liegt keine fixe Beziehung zwischen dem Drückerweg und der Pulsweitenmodulation vor, sondern ein sich jeweils anpassendes Verhältnis.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Drücker ein Potentiometer aufweist, dessen Widerstandswert dem jeweiligen Drückerweg entspricht. Der Widerstandswert verändert sich demgemäß in Abhängigkeit vom Drückerweg, wird jedoch nicht direkt für die Erzeugung des Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis verwendet, sondern unter Berücksichtigung des weiteren Parameters, insbesondere des jeweils aktuellen Motorstroms, verarbeitet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pulsweitenmodulations-Schaltung mindestens einen Mikroprozessor zur Berücksichtigung des mindestens einen Parameters aufweist. Demzufolge weist die Elektrohandwerkzeugmaschine einen Mikroprozessor auf, der unter Berücksichtigung des Drückerwegs und des mindestens einen Parameters die Pulsweitenmodulations-Ansteuerung vornimmt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Mikroprozessor ein vereinfachtes elektrisches Systemmodell der Elektrohandwerkzeugmaschine, insbesondere einschließlich der Stromversorgung, hinterlegt ist. Demzufolge wird das Systemmodell in Form von elektrischen Gleichungen im Mikroprozessor hinterlegt, um die Beziehung zwischen Drückerweg und Tastverhältnis PWM vorteilhaft auszugestalten. Die Realisierung erfolgt vorzugsweise rein durch Software. Ferner ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Parameter derart berücksichtigt wird, dass bei maximalem Drückerweg der Elektromotor sein maximales Drehmoment abgibt. Dies entspricht der Erwartung des Anwenders.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der mindestens eine Parameter derart berücksichtigt wird, dass bei maximalem Drückerweg der Elektromotor seine maximale Drehzahl aufweist.
Ferner ist von Vorteil, wenn der mindestens eine Parameter derart berücksichtigt wird, dass ein linearer Anstieg des Drehmoments des Elektromotors mit dem Drückerweg im Falle des blockierten Elektromotors erfolgt. Unter einem „blockierten Elektromotor" ist zu verstehen, dass sich der Elektromotor nicht beziehungsweise sehr langsam dreht, dass also beispielsweise eine Spindel der Elektrohandwerkzeugmaschine nicht in Drehung versetzt wird, beispielsweise wenn aufgrund einer Werkstückbearbeitung ein entsprechendes Gegenmoment vorliegt.
Ferner ist von Vorteil, wenn der mindestens eine Parameter derart berücksichtigt wird, dass ein linearer Anstieg der Drehzahl des Elektromotors mit dem Drückerweg im Falle des drehenden Elektromotors oberhalb seines Loslaufpunktes erfolgt. Unter „drehenden Elektromotor oberhalb seines Loslaufpunktes" ist zu verstehen, dass sich der Elektromotor dreht, wobei der Drücker derart weit niedergedrückt ist, dass diese Drehung herbeigeführt wird, also der Loslaufpunkt überwunden ist. Beim Niederdrücken bis zum Erreichen des Loslaufpunktes erfolgt noch keine Drehung des Elektromotors.
Ferner betrifft die Erfindung eine Elektrohandwerkzeugmaschine mit einer Pulsweitenmodulations-Ansteuerung wie vorstehend beschrieben.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Pulsweitenmodulations-
Ansteuerung einer Elektrohandwerkzeugmaschine mit Akkustromversorgung, mit einem von einer Bedienperson betätigbaren Drücker, dessen Drückerweg von einer Pulsweitenmodulations-Schaltung in ein Pulsweitenmodulations- Tastverhältnis zur Ansteuerung eines Elektromotors zum Antreiben der Elektrohandwerkzeugmaschine umgesetzt wird, wobei von der Pulsweitenmodulations-Schaltung der Drückerweg unter Berücksichtigung mindestens eines weiteren Parameters in das Pulsweitenmodulations- Tastverhältnis umgesetzt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Zeichnungen veranschaulichen die Erfindung, und zwar zeigt:
Figur 1 ein Diagramm,
Figur 2 ein Flussdiagramm,
Figuren 3 bis 7 verschiedene Diagramme,
Figur 8 ein Flussdiagramm und
Figur 9 verschiedene Diagramme.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Pulsweitenmodulations-Ansteuerung einer Elektrowerkzeugmaschine, beispielsweise eines Akkuschraubers, mit einer Akkustromversorgung. Derartige Elektrohandwerkzeuge weisen zur Bedienung einen Drücker auf, der von einer Bedienperson mehr oder weniger weit entlang eines Drückerwegs eingedrückt werden kann. Je weiter der Drücker niedergedrückt wird, umso größer wird die Drehzahl eines Elektromotors des Elektrohandwerkzeugs, der eine Werkzeugaufnahme betätigt, sodass das Werkzeug mit entsprechend wachsender Geschwindigkeit betätigt wird. Im Falle eines Akkuschraubers handelt es sich um das Drehen einer Werkzeugaufnahme, die beispielsweise mit Werkzeugbits bestückt werden kann. Die
Elektrohandwerkzeugmaschine wird von einer Akkustromversorgung betrieben, die über eine Pulsweitenmodulations-Schaltung den Elektromotor antreibt. In Abhängigkeit vom Drückerweg wird das Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis (PWM-Tastverhältnis) vorgegeben, mit der der Elektromotor angesteuert wird. Die Elektrohandwerkzeugmaschine weist mindestens einen Mikroprozessor auf, in dem ein vereinfachtes Modell der elektrischen Gleichungen der elektrischen/elektronischen Baugruppen abgelegt sind, um die Beziehung zwischen dem Drückerweg des Drückers und dem Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation so einzustellen, dass bei voll durchgedrücktem Drücker das maximale Drehmoment von dem Elektromotor entfaltet wird und/oder bei voll durchgedrücktem Drücker die maximale Drehzahl des Elektromotors vorliegt, wobei beim blockierten Elektromotor ein linearer Anstieg des Drehmoments mit dem Drückerweg vorliegt und/oder ein linearer Anstieg der Drehzahl mit dem Drückerweg oberhalb des Loslaufpunkts im drehenden Fall des Elektromotors gegeben ist. Der blockierte Fall liegt vor, wenn das Werkzeug der Elektrohandwerkzeugmaschine sich nicht mehr bewegt, gleichwohl jedoch der Drücker betätigt ist, jedoch das eingestellte Drehmoment nicht ausreicht, das Gegenmoment des Werkzeugs zu überwinden. Der Loslaufpunkt ergibt sich, wenn im Zuge des Drückens des Drückers zunächst ein Drückerweg überwunden wird, bevor sich der Elektromotor in Bewegung setzt. Der Punkt, ab dem sich der Elektromotor zu drehen beginn, wird als Loslaufpunkt bezeichnet.
Aus dem Diagramm der Figur 1 ist mit gestrichelter Linie eine Motorkennlinie des Elektromotors mit niederohmiger Quelle dargestellt. Unter niederohmiger Quelle ist eine Akkustromversorgung zu verstehen, die einen relativ niedrigen Widerstand aufweist. Es ist erkennbar, dass die Drehzahl ω mit wachsendem Drehmoment M sinkt. Liegt eine hochohmige Quelle vor, also eine Akkustromversorgung die einen höheren Widerstand aufweist, so ergibt sich die mit durchgezogener Linie dargestellte Motorkennlinie. Hier sinkt die Drehzahl mit wachsendem Drehmoment wesentlich stärker und erreicht - im Knickpunkt der Kennlinie - den Wert Null, das heißt, ein steigendes Drehmoment führt logischerweise nicht zu einem Wiederanlaufen des Elektromotors. Die mit Seitenstrichen gekennzeichnete Kennlinie stellt eine Motorkennlinie mit erfindungsgemäßer Pulsweitenmodulations-Ansteuerung dar, wobei als
Akkustromversorgung eine hochohmige Quelle verwendet wird. Es ist erkennbar, dass gegenüber der durchgezogenen Motorkennlinie ein höheres Blockiermoment vorliegt. Natürlich kann bei der Erfindung auch eine niederohmige Quelle verwendet werden. Dann wirken sich allerdings nur die Vorteile eines linearen Anstiegs aus. Gemäß Figur 2 ergibt sich der grundlegende Aufbau der als Akkuschrauber ausgebildeten Elektrohandwerkzeugmaschine. Ein Bediener B kann über den Drückerweg ß einen Drücker D mehr oder weniger weit niederdrücken, wobei der Drücker D ein Potentiometer (Poti) betätigt, mit der Folge, dass als
Ausgangswert ein Tastverhältnis einer Pulsweitenmodulation α ausgegeben wird, der einer Pulsweitenmodulations-Schaltung 1 zugeführt wird. Die eine Leistungselektronik enthaltene Pulsweitenmodulations-Schaltung 1 ist mit dem Elektromotor 2 verbunden, der eine Last 3 eventuell mit vorgeschaltetem Getriebe antreibt. Die Pulsweitenmodulations-Schaltung 1 steht mit einem
Zwischenkreiskondensator 4 in Verbindung, der an eine Akkustromversorgung 5 angeschlossen ist. Hinsichtlich der elektrischen Beziehungen zwischen den einzelnen Elementen der Figur 2 gilt Folgendes: Die Akkustromversorgung 5 weist die Batteriespannung Ub auf und es stellt sich der Batteriestrom (Mittelwert) Ib ein. Es wird davon ausgegangen, dass die Pulsweitenmodulations-Schaltung 1 Transistoren aufweist, um die Pulsweitenmodulations-Signale und damit das Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis zu erstellen. Insofern liegen - gemäß Figur 2 - ein gepulster Transistorstrom lpeι und eine gepulste Transistorspannung Upei vor. Die vorstehend genannten und weitere elektrische und sonstigen Werte ergeben sich aus nachstehender Tabelle:
Ub [V]: Batteriespannung
Ib [A]: Batteriestrom (Mittelwert)
Ipei [A]: Transistorstrom (gepulst) Upei [V]: Transistorspannung (gepulst)
Um [V]: Motorspannung (Mittelwert)
Im [A]: Motorstrom (Mittelwert; entspricht ungefähr dem Momentanwert wegen Induktivität, falls die PWM-Frequenz hoch genug ist)
Mm [Nm]: Motordrehmoment (um [rad/s]: Motordrehzahl ß [-]: normierter Drückerweg (0: gar nicht gedrückt, 1 : voll gedrückt) α [-]: Tastverhältnis PWM (0: ausgeschaltet, 1 : ständig eingeschaltet)
U0 [V]: Spannung unbelasteter Batterie
Rb [Ω]: Innenwiderstand Batterie cm [Nm/A]:Motorkonstante RM [Ω]: Motorwiderstand (mit Anteil ohmscher Widerstand von Elektronik)
Die grundlegenden Beziehungen zwischen den aus der Figur 1 hervorgehenden Komponenten lassen sich unter Vernachlässigung dynamischer Effekte (Induktivitäten, Trägheiten usw.) anhand folgender physikalischer Gleichungen beschreiben:
Ub = U0 - RbIb Ib = alm
Figure imgf000010_0001
Anhand der letzten Gleichung sieht man, dass Motormoment und Motorstrom proportional sind. Die Kombination dieser Gleichungen führt zu folgender Gleichung:
RbImα2 - Uoα + cmωm + RmIm = 0 (GL (I))
Die Figur 3 verdeutlicht die Beziehung zwischen dem Motorstrom lm und dem Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis (PWM-Tastverhältnis) α. Im Falle des blockierten Motors, also ωm = 0. Es gelten dabei die physikalischen Gleichungen:
aU0
Blockiersystem Im
Lage des Maximums (αimax; Im,MAx):
Figure imgf000010_0002
Aus der Figur 3 ist der Fall erkennbar, dass der Innenwiderstand des Elektromotors kleiner ist als der Innenwiderstand der Akkustromversorgung (Batterie), wobei der Elektromotor seinen maximalen Strom erhält beziehungsweise sein maximales Drehmoment liefert für ein Tastverhältnis α < 100 %. Bei der Umsetzung, für die gilt, dass der Drückerweg = Tastverhältnis (p = α) ist, erhält man einen kleineren Stromwert beziehungsweise ein kleineres Drehmoment, wenn der Drückerweg ß den Wert ^Rn I Rb überschreitet. Außerdem steigt der Blockierstrom im Bereich [0, ccimax] nicht linear mit dem Tastverhältnis α an. Die vorstehenden Ausführungen in Bezug auf die Figur 3 stellen den Stand der Technik für den blockierten Fall dar. Auch die nachstehenden Beziehungen zusammen mit der Figur 4 zeigen den Stand der Technik. Hier wird der Fall ωm * 0 gekennzeichnet, also der drehende Fall des Elektromotors. Die Figur 4 zeigt die Beziehung zwischen der Motordrehzahl ωm und dem PWM-Tastverhältnis α. Für einen bestimmten Motorstrom beziehungsweise für ein bestimmtes gefordertes Drehmoment dreht sich der Elektromotor unter der Bedingung α≥αstart(lm)- Bei hohen Motorströmen erreicht der Motor seine maximale Drehzahl für Tastverhältnisse αωmaχ(lm) < 100% (gestrichelte Kurve in der Figur 4). Für Tastverhältnisse α>αωmaχ(lm) sinkt die Drehzahl (wie rechts von der gestrichelten Linie in Figur 4 ersichtlich). Hinsichtlich der Thematik der Figur 4 gelten folgende physikalische Gleichungen:
Nach Gleichung (1 ) gilt:
Figure imgf000011_0001
Figure imgf000011_0002
Figure imgf000012_0001
Es ist somit ersichtlich, dass bei der Umsetzung Drückerweg = Tastverhältnis (α=ß) der Anwender dann eine geringere Drehzahl erhält, wenn sein Wunsch, also der von ihm bewirkte Drückerweg ß, den Wert αωmaχ(lm) überschreitet. Außerdem steigt die Drehzahl des Elektromotors im Bereich [Cw(Im), ocωmax] nicht linear mit dem Drückerweg ß an.
Blockierter Fall:
Nachfolgend wird nunmehr auf die erfindungsgemäße Ausgestaltung für den blockierten Fall (ωm=0) und für den drehenden Fall (ωm≠0) eingegangen:
Erfindungsgemäß soll bei 100 % Drückerweg ß der maximale Motorstrom bei blockiertem Motor vorliegen (Figur 5). Außerdem soll die Beziehung zwischen dem blockierten Motorstrom und dem Drückerweg ß linear sein. Das Verhältnis zwischen Drückerweg ß und dem Tastverhältnis α soll hierzu folgende Bedingungen erfüllen:
Un
/_ = = ß (2)
2JRmRb
RbIma2 - U0OL + RJ1n = 0 (3) (GL(I) ohne Drehzahlanteil)
und Gleichung (3) nach α aufgelöst lautet (nur die kleinere Lösung wird
V 2 2 vO, «O„uOι,. u.V m J - U° ~ 4RbRJ- .
2RbJm
Anhand der Gleichung (2) folgt:
Figure imgf000013_0001
Die Figuren 5 und 6 zeigen für die erfindungsgemäße Ansteuerung im blockierten Fall die Abhängigkeit des Motorstroms vom Drückerweg und des Tastverhältnisses vom Drückerweg.
Lösung beim drehenden Fall (ωm≠0) gemäß Figur 7:
100% Drückerweg ß des Benutzers soll der maximalen Motordrehzahl entsprechen. Außerdem soll die gewünschte Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Drückerweg ß linear sein.
Das Verhältnis zwischen dem Drückerweg ß und dem Tastverhältnis α soll dafür folgende Bedingungen erfüllen:
^Wunsch ^ r ) 1 _ ß * n (4)
RJ.a2 - U„a + cAm→ + RJ, = 0 (5) (nach Gl. (I))
Dabei entspricht ß * dem momentanen Drückerweg, bei dem der Elektromotor aufgrund des aktuell erforderlichen Drehmoments gerade losdrehen würde. OW hängt folgendermaßen vom Strom ab:
F - / m,max
Figure imgf000013_0002
Wird die Gleichung (5) nach α aufgelöst und die kleinere Lösung verwendet, so ergibt sich:
I„ + c„ mωyλJ m , Wunsch α V" m , Wunsch ) ~ „ τ )κ (5)
2RJm Zusammen mit Gleichung (4) liegt dann die gesuchte erfindungsgemäße Beziehung α(ß) vor.
Zur Entscheidung, ob man bei der Erfindung im blockierten Fall oder im drehenden Fall ist, benötigt man eine Drehzahlinformation. Dazu bieten sich folgende Möglichkeiten an:
1. Drehzahlsensor.
2. Nutzung von Drehzahl-Informationen der Kommutierungslogik bei EC- Motoren. 3. Entscheidung nach dem Vorzeichen des berechneten ß - ß* zum
Umschalten zwischen drehenden und blockierten Fall. 4. Wie 3.) aber mit sanftem Übergang zwischen detektiertem „drehendem" und „blockiertem" Fall:
Im Fall der Möglichkeit 4. kann man folgende Steuerungsfunktion verwenden:
UQ - J UQ - 4Rb(RmIm + CmUm)Im
2RbIm unter Verwendung von
- l (l + tanh {k - (ß - ß*))) Im,maxß+l (1 + tanh (fc • (ß - /?*))) Im und
1 ß _ ß*
LOγγi = — (^ l -J- tttnlϊ \ κ ■ [fj p ) ) ) iθγnax~ TCT
mit einem Einstellfaktor k.
Der Vorteil der Erfindung ist im Vergleich der Figuren 4 und 7 deutlich erkennbar.
Nachstehend wird auf Varianten der Erfindung eingegangen:
Bisher werden für Widerstände usw. feste Werte verwendet. Insbesondere der ohmsche Motorwiderstand ist aber temperaturabhängig, was die Ergebnisse verfälscht.
Eine Verbesserung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt durch Messung bzw. Schätzung der zeitveränderlichen Parameter. Z.B. kann bei bekannter Drehzahlinformation und Motorspannung (s.o) der Motorwiderstands bestimmt werden über
D Um ~ Cm^m t^m — ~
J-m
Eine sehr einfache Variante, mit der zumindest die maximale Drehzahl CO1^x (Z1J und das maximale Motormoment erreicht werden kann, ist, den Batteriestrom über das Tastverhältnis so zu beschränken wie bei einer Batterieschutzfunktion:
U0
IB ≤ 2Rb
Das muss vorzugsweise natürlich mit der eigentlichen Batterieschutzfunktion koordiniert werden.
Anstatt einer Steuerung wie oben beschrieben kann man die hergeleiteten Zusammenhänge auch mit einem Regler verbinden. Dabei verwendet man die Beziehungen (2) und (4) für Im und ωm,wunsch als Sollwerte oder als Begrenzung und überlässt es einem Regler (z.B: PID), diese Werte einzustellen. Das kann insbesondere wegen der vernachlässigten Dynamik bei unseren Einfachbeziehungen und der evtl. ungenau bekannten Parameter günstig sein.
Im Betrieb sollen beide Fälle (Blockierung/Drehen) in einem gemeinsamen Steuerungsverfahren abgedeckt werden. Dieses ist im folgenden Zustandsautomaten gemäß Figur 8 zusammengefasst, wobei Blockierung mit Bl und Drehen mit Dr gekennzeichnet ist.
Die Figur 9 verdeutlicht bei einem experimentellen Versuchsaufbau auf der linken Seite den Stand der Technik StdT (linear) und auf der rechten Seite die Erfindung E. Es ist erkennbar, dass im erfindungsgemäßen Fall der maximale Motorstrom Im auf 20 A steigt, während er im Stand der Technik nur 17 A aufweist. Entsprechend verhalten sich die Drehmomente. St kennzeichnet hierbei die Steuerung.

Claims

Ansprüche
1. Pulsweitenmodulations-Ansteuerung einer Elektrohandwerkzeugmaschine mit Akkustromversorgung, mit einem von einer Bedienperson betätigbaren Drücker, dessen Drückerweg von einer Pulsweitenmodulations-Schaltung in ein Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis zur Ansteuerung eines Elektromotors zum Antreiben der Elektrohandwerkzeugmaschine umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweitenmodulations-Schaltung den Drückerweg unter Berücksichtigung mindestens eines weiteren Parameters in das Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis umsetzt.
2. Pulsweitenmodulations-Ansteuerung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter der jeweils aktuelle Motorstrom und/oder die Motordrehzahl des Elektromotors ist.
3. Pulsweitenmodulations-Ansteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drücker ein Potentiometer aufweist, dessen Widerstandswert dem jeweiligen Drückerweg entspricht.
4. Pulsweitenmodulations-Ansteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweitenmodulations- Schaltung mindestens einen Mikroprozessor zur Berücksichtigung des mindestens einen Parameters aufweist.
5. Pulsweitenmodulations-Ansteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Mikroprozessor ein vereinfachtes elektrisches Systemmodell der Elektrohandwerkzeugmaschine, insbesondere einschließlich der Akkustromversorgung, hinterlegt ist.
6. Pulsweitenmodulations-Ansteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter derart berücksichtigt wird, dass bei maximalem Drückerweg der Elektromotor sein maximales Drehmoment abgibt.
7. Pulsweitenmodulations-Ansteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter derart berücksichtigt wird, dass bei maximalem Drückerweg der Elektromotor seine maximale Drehzahl aufweist.
8. Pulsweitenmodulations-Ansteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter derart berücksichtig wird, dass ein linearer Anstieg des Drehmoments des Elektromotors mit dem Drückerweg im Falle des blockierten Elektromotors erfolgt.
9. Pulsweitenmodulations-Ansteuerung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Parameter derart berücksichtigt wird, dass ein linearer Anstieg der Drehzahl des Elektromotors mit dem Drückerweg im Falle des drehenden Elektromotors oberhalb seines Loslaufpunkts erfolgt.
10. Elektrohandwerkzeugmaschine mit einer Pulsweitenmodulations- Ansteuerung, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche.
11. Verfahren zur Pulsweitenmodulations-Ansteuerung einer Elektrohandwerkzeugmaschine mit Akkustromversorgung, mit einem von einer Bedienperson betätigbaren Drücker, dessen Drückerweg von einer Pulsweitenmodulations-Schaltung in ein Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis zur Ansteuerung eines Elektromotors zum Antreiben der
Elektrohandwerkzeugmaschine umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass von der Pulsweitenmodulations-Schaltung der Drückerweg unter Berücksichtigung mindestens eines weiteren Parameters in das Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis umgesetzt wird.
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