DE102010005008A1

DE102010005008A1 - Elektrowerkzeug

Info

Publication number: DE102010005008A1
Application number: DE102010005008A
Authority: DE
Inventors: Yoshikazu Hitachinaka-shi Kawano; Nobuhiro Hitachinaka-shi Takano; Eiji Hitachinaka-shi Nakayama; Kenro Hitachinaka-shi Ishimaru; Kazumi Hitachinaka-shi Tanaka; Masahiro Hitachinaka-shi Isono
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2010-09-16
Also published as: US8686675B2; US20110148332A1; CN101789748B; CN101789748A

Abstract

Das erfindungsgemäße Elektrowerkzeug umfasst einen Wechselstrommotor (3; 1003), eine Schalteinrichtung (27; 1027), die entsprechend einem Leitungswinkel die an den Motor angelegte Wechselspannung schaltet, eine Drehzahl-Einstelleinheit (31, 32, 33; 1es Motors, eine Drehzahl-Erfassungseinheit (5, 6; 1005, 1006) zum Erfassen der Istdrehzahl des Motors und eine Steuerung (23; 1023), die aufgrund eines Vergleichs von Ist- und Solldrehzahl den Leitungswinkel ermittelt und die Schalteinrichtung (27; 1027) unter Verwendung des Leitungswinkels aufgrund eines entsprechend der Solldrehzahl festgelegten maximalen Leitungswinkels steuert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrowerkzeug mit einem Wechselstrommotor. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Elektrowerkzeug mit einem Wechselstrommotor und einer Regelung zum Regeln der Drehzahl des Motors mittels des Phasenanschnittwinkels.
Bei einem Elektrowerkzeug soll die Drehzahl des Antriebsmotors konstant bleiben, auch wenn sich die auf den Motor einwirkende Last ändert. Aus diesem Grund wird die Drehzahl des Motors von einer Drehzahlerfassungseinrichtung erfasst und der Unterschied zwischen dem Ergebnis der Erfassung und einer festgelegten Solldrehzahl überwacht und damit eine Drehzahlregelung ausgeführt. Zum Beispiel wird gemäß der JP-2004-194422-A als Motor für das Elektrowerkzeug ein Wechselstrommotor verwendet und das von einer Drehzahlerfassungseinrichtung ausgegebene Signal zum Festlegen des Phasenanschnittwinkels eines Triacs verwendet, um eine Konstantdrehzahlregelung zum Aufrechterhalten der Drehzahl des Motors auszuführen.
Um die Drehzahl eines Wechselstrommotors zu erhöhen oder herabzusetzen, wird im allgemeinen der Leitungswinkel einer Phasenanschnitt-Halbleitervorrichtung wie eines Triacs verändert, wie es zum Beispiel in der erwähnten JP-2004-194422-A beschrieben ist. Der Leitungswinkel wird in Prozent des Winkelbereichs zwischen dem Phasenwinkel, an dem der Triac durchschaltet, bis zum nächsten Nulldurchgangspunkt ausgedrückt. 100% entsprechen dabei dem vollen Winkelbereich von 0° bis 180° einer Halbwelle des Wechselstroms. Zum Schutz des Motors wird außerdem der zum Motor fließende Strom überwacht und der Strom unterbrochen, wenn ein voreingestellter Wert für einen Überstrom erreicht ist.
Anhand der 5 der Zeichnung wird eine herkömmliche Drehzahlregelschaltung für einen Wechselstrommotor erläutert.
Bei der Schaltung der 5 umfasst die Stromversorgung zum Beispiel eine einphasige Wechselstromquelle 101 mit 100 V und einer Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz, an die über einen Schalter 102 zum Ein- und Ausschalten ein Motor 103 angeschlossen ist. Die Drehzahl des Motors 103 wird von einem Triac 127 mittels einer Phasenanschnittsteuerung gesteuert. Zum Erfassen des durch den Motor 103 fließenden Stroms ist ein Nebenwiderstand 140 eingefügt, wobei ein anwendungsspezifischer IC 123 den Spannungsabfall am Nebenwiderstand 140 misst und damit den Stromwert feststellt. Der anwendungsspezifische IC 123 beinhaltet eine Überstrom-Erfassungsschaltung, die nicht dargestellt ist. Wenn festgestellt wird, dass zum Motor 103 ein Überstrom fließt, wird die Stromzufuhr zum Motor 103 unterbrochen. Eine Diode 116, ein Widerstand 117 und ein Elektrolytkondensator 119 bilden einen Halbwellengleichrichter. Der erzeugte Gleichstrom wird dem anwendungsspezifischen IC 123 zugeführt.
Mittels der Widerstandswerte eines Widerstands 131 und variabler Widerstände 132 und 133 wird die Drehzahl des Motors 103 eingestellt. Die am variablen Widerstand 132 eingestellte Spannung (Sollspannung) wird am positiven Anschluss eines Komparators 123a im anwendungsspezifischen IC 123 eingegeben. Der Motor 103 ist mit einem Drehzahlsensor 106 versehen, der die Drehzahl erfasst. Das Ausgangssignal des Drehzahlsensors 106, die Rückkoppel- oder Istspannung, liegt am negativen Anschluss des Komparators 123a an. Der Komparator 123a erzeugt auf der Basis des Unterschieds zwischen der eingestellten Sollspannung und der Rückkoppelspannung ein Triggersignal, das über einen Widerstand 128 dem Triac 127 zugeführt wird, um den Leitungswinkel des Triacs 127 zu steuern und damit die am Motor 103 anliegende Spannung zu regeln.
Um bei dieser herkömmlichen Schaltung einen Überstrom erfassen zu können, ist es erforderlich, in den Stromkreis zum Motor 103 den Nebenwiderstand 140 einzufügen. Der Gesamt-Stromverbrauch der Anordnung erhöht sich dadurch. Außerdem muss der anwendungsspezifische IC 123 eine Schaltung zum Erfassen des Spannungsabfalls am Nebenwiderstand 140 und zum Feststellen, ob ein Überstrom fließt oder nicht, enthalten.
Bei einem Elektrowerkzeug ist es wichtig, die Drehzahl des Motors so zu regeln, dass sie sich auch dann nicht ändert, wenn die am Motor anliegende Last schwankt. Es erfolgt daher eine Erfassung der Drehzahl des Motors durch eine Drehzahl-Erfassungseinheit, und der Unterschied zwischen dem Ergebnis der Erfassung und einer eingestellten Solldrehzahl wird mittels einer Regelung überwacht. Bei einem Elektrowerkzeug mit einem Wechselstrommotor wird eine Abweichung von der eingestellten Solldrehzahl durch eine Änderung im Leitungswinkel eines Triacs derart ausgeglichen, dass die Drehzahl auf einem konstanten Wert bleibt. Der Leitungswinkel wird in Prozent (%) des Winkelbereichs zwischen dem Phasenwinkel, bei dem der Triac durchschaltet, bis zum nächsten Nulldurchgangspunkt im Verhältnis zum vollen Winkelbereich von 0° bis 180° ausgedrückt. Bei einem Elektrowerkzeug wird der Motor in der Regel häufig ein- und ausgeschaltet. Es ist daher wichtig, dass der Motor schnell und stabil hochfährt.
Die JP-H06-254440 beschreibt ein Verfahren zum Hochfahren eines Wechselstrommotors ohne Überschwingen oder Unterschwingen durch Erzeugen des Einstellzustands nach dem Starten. Das Verfahren dient zur Drehzahlsteuerung des Rotors eines Zentrifugalseparators und ist nicht für die Steuerung eines Elektrowerkzeugs vorgesehen.
Das oben beschriebene herkömmliche Verfahren zum Steuern eines Elektrowerkzeugs, bei dem der Unterschied zwischen der Solldrehzahl eines Wechselstrom motors und der tatsächlichen Istdrehzahl zur Steuerung des Leitungswinkels eines Triacs verwendet wird, kann gut auf eine Regelung der Drehzahl eines Motors zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Drehzahl angewendet werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Regelung in der Hochlaufphase des Motors die im folgenden beschriebenen Probleme aufwirft.
Diese Probleme werden anhand der 8 der Zeichnung erläutert. Die 8 zeigt die Hochlaufeigenschaften eines Wechselstrommotors. An der Ordinate ist die Drehzahl des Motors (in Umdrehungen pro Minute) angetragen und an der Abszisse die Zeit (in Sekunden). Die durchgezogene Linie zeigt die ideale Beschleunigungssituation vom Start des Motors bis zur vorgesehenen Solldrehzahl. Wenn der Leitungswinkel des ansteuernden Triacs etwas groß eingestellt wird, um eine Verzögerung im Ansprechen des Motors beim Startvorgang zu vermeiden, schießt beim Hochlaufen des Motors nach dem Start durch die hohe Beschleunigung die Drehzahl zuerst einmal über die Solldrehzahl hinaus, wie es mit der oberen gestrichelten Kurve dargestellt ist, und die Solldrehzahl wird erst nach mehrmaligem Über- und Unterschwingen erreicht. Um das Über- und Unterschwingen zu vermeiden, kann das Ansprechverhalten der Drehzahlregelung so eingestellt werden, dass die Regelung langsamer ist als der Motor. Dadurch wird dann zwar ein Überschwingen verhindert, aber die Beschleunigung des Motors ist gering, wie es bei der unteren gestrichelten Kurve in der 8 dargestellt ist. Es liegt dann ein sogenannter langsamer Start vor, und für das Hochlaufen benötigt der Motor eine lange Zeit.
Bei der Technik, die in der oben erwähnten JP-H06-254440 beschrieben ist, wird ein Über- oder Unterschwingen dadurch vermieden, dass der Einstellzustand erst nach dem Start erzeugt wird. Der dabei verwendete Wechselstrommotor ist jedoch ein Induktionsmotor, und der Motorstrom wird durch Steuern des Zündwinkels einer Phasensteuervorrichtung zum Steuern des dem Induktionsmotor zugeführten Stroms in einer Motoransteuerschaltung gesteuert. Bei der in der JP-H06-254440 beschriebenen Technik werden sowohl die Schlupffrequenz als auch die Synchronisationsfrequenz des Wechselstroms zur Ausführung der Steuerung beim Startvorgang herangezogen und der Zündwinkel entsprechend verändert. Die Vorgehensweise unterscheidet sich grundlegend von der beim Starten und Hochfahren eines Wechselstrommotors ohne Änderung der Frequenz, etwa eines Kommutator-Wechselstrommotors, und beim Ausführen einer Steuerung mit lediglich einer Änderung des Leitungswinkels eines Triacs. Die in der JP-H06-254440 beschriebene Technik kann somit nicht ohne weiteres auf die Steuerung oder Regelung eines Kommutator-Wechselstrommotors übertragen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Durchbrennen des Motors eines Elektrowerkzeugs zuverlässig ohne Erhöhung des Stromverbrauchs zu verhindern.
Es soll somit ein Elektrowerkzeug geschaffen werden, bei dem ein durch den Motor fließender Überstrom ohne die Verwendung eines Nebenwiderstands erfasst werden kann.
Die Steuerung und Regelung der Drehzahl des Wechselstrommotors soll dabei sicher und zuverlässig mittels eines Mikrocomputers erfolgen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Elektrowerkzeug gemäß Patentanspruch 1 bzw. Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugs sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der Anordnung nach Anspruch 1 bis 9 stellt die Steuerung einen Überstromzustand auf der Basis eines maximalen Leitungswinkels für die vorgegebene Drehzahl fest. Ein Überstromzustand am Motor kann demnach mit einem einfachen Aufbau und ohne die Verwendung eines Nebenwiderstands zum Erfassen des Stroms festgestellt werden.
Die Steuerung kann den Überstromzustand feststellen, wenn der Leitungswinkel der Halbleitervorrichtung den maximalen Leitungswinkel für die vorgegebene Drehzahl übersteigt. Der Überstromzustand kann somit zuverlässig festgestellt werden, so dass ein Durchbrennen des Motors sicher verhindert wird.
Die Steuerung umfasst vorzugsweise eine Speichereinheit, in der die Beziehungen zwischen der eingestellten Solldrehzahl für den Motor und dem maximalen Leitungswinkel für einen Überstromzustand gespeichert sind. Die Steuerung kann damit immer sofort auf den maximalen Leitungswinkel zugreifen.
Die Beziehung zwischen der eingestellten Drehzahl und dem maximalen Leitungswinkel kann in Abhängigkeit von der Frequenz der Eingangs-Wechselspannung festgelegt werden. Damit kann eine einzige Steuervorrichtung für eine Vielzahl von Motortypen vorgesehen werden.
Die Drehzahl-Einstelleinheit ist vorzugsweise ein Wählschalter. Der maximale Leitungswinkel kann dann von der Steuerung entsprechend der Stellung des Wählschalters festgelegt werden. Damit lässt sich ein Überstrom entsprechend der eingestellten Drehzahl mit hoher Genauigkeit feststellen.
Die Steuerung hält vorzugsweise den Motor an, wenn ein Überstromzustand festgestellt wird. Ein Durchbrennen des Motors wird so sicher verhindert.
Die Steuerung kann jedoch auch die Solldrehzahl des Motors herabsetzen, wenn ein Überstromzustand festgestellt wird. Damit kann die Arbeit mit dem Elektrowerkzeug vorgesetzt werden, und gleichzeitig ist der Motor gegen Durchbrennen geschützt.
Die Steuerung kann darüberhinaus zur Verringerung der Drehzahl den Leitungswinkel für die Halbleitervorrichtung herabsetzen. Ein Überstromzustand lässt sich so sicher vermeiden.
Wenn die Steuerung den Leitungswinkel durch Vergleichen des Erfassungssignals für die tatsächliche Drehzahl mit dem Drehzahl-Einstellsignal berechnet und dann, wenn der berechnete Leitungswinkel größer ist als der maximale Leitungswinkel, einen regulierten Leitungswinkel ausgibt, der dem maximalen Leitungswinkel entspricht, kann das Entstehen eines Überstromzustands sicher vermieden werden.
Bei einem Elektrowerkzeug mit einem Wechselstrommotor kann die Drehzahl des Wechselstroms mittels zum Beispiel eines Triacs so gesteuert und geregelt werden, dass beim Einschalten des Motors dieser schnell und ohne Überschießen über die eingestellte Drehzahl beschleunigt, so dass die für den Startvorgang benötigte Zeit geringer ist.
Die Drehzahlsteuerung, insbesondere beim Startvorgang, kann wirkungsvoll von einem Mikrocomputer ausgeführt werden.
Bei der Anordnung nach Anspruch 10 bis 17 wird der Leitungswinkel der Halbleitervorrichtung so gesteuert, dass vom Beginn des Startvorgangs des Motors bis zu einem ersten vorgegebenen Zeitpunkt der erste maximale Leitungswinkel nicht überschritten wird, und der Leitungswinkel der Halbleitervorrichtung wird außerdem so gesteuert, dass der zweite maximale Leitungswinkel, der kleiner ist als der erste maximale Leitungswinkel, zwischen dem ersten vorgegebenen Zeitpunkt und einem zweiten vorgegebenen Zeitpunkt nicht überschritten wird. Es ist damit möglich, die für den Startvorgang erforderliche Zeit zu verkürzen, ohne dass beim Hochfahren des Motors die Drehzahl über den vorgegebenen Sollwert hinausschießt.
Die Beziehung zwischen dem ersten maximalen Leitungswinkel und dem zweiten maximalen Leitungswinkel für die vorgegebene Drehzahl des Motors kann in einer Speichereinheit der Steuerung gespeichert werden. Die Steuerung kann damit immer sofort auf den maximalen Leitungswinkel zugreifen.
Die Steuerung vergleicht das von der Drehzahl-Erfassungseinheit ausgegebene Erfassungssignal mit der an der Drehzahl-Einstelleinheit eingestellten Drehzahl und erhöht/erniedrigt den Leitungswinkel entsprechend. Es ist damit möglich, den Motor entsprechend der eingestellten Drehzahl mit hoher Genauigkeit zu starten.
Für den ersten maximalen Leitungswinkel und den zweiten maximalen Leitungswinkel für die vorgegebene Drehzahl können jeweils eine Anzahl Sätze erstellt und in der Speichereinheit gespeichert werden. Es ist damit möglich, die Drehzahl in jedem Drehzahlbereich des Motors genau zu steuern.
Die Beziehungen zwischen dem ersten maximalen Leitungswinkel und dem zweiten maximalen Leitungswinkel für die eingestellte Drehzahl können in Abhängigkeit von der Frequenz der Eingangs-Wechselspannung festgelegt werden. Mit einer einzigen Steuervorrichtung kann damit einer Anzahl von Motortypen entsprochen werden.
Bei einer Erhöhung der eingestellten Drehzahl wird das Verhältnis vom ersten maximalen Leitungswinkel zum zweiten maximalen Leitungswinkel, die beide in der Speichereinheit gespeichert sind, erhöht oder erniedrigt. Es kann damit die Drehzahl in jedem Drehzahlbereich des Motors genau gesteuert werden. Insbesondere kann die Steuerung so ausgeführt werden, dass im Bereich niedriger Motordrehzahlen ein ausreichendes Drehmoment erzeugt wird.
Das Zeitintervall bis zum ersten vorgegebenen Zeitpunkt beginnt mit dem Einschalten des Motors und endet, bevor eine konstante Drehzahl erreicht ist, und der zweite vorgegebene Zeitpunkt beendet das Zeitintervall vom ersten vorgegebenen Zeitpunkt zu einem Zeitpunkt, an dem eine konstante Drehzahl erreicht ist. Damit kann die Steuerung vom Einschalten des Motors bis zum Erreichen einer konstanten Drehzahl auf der Basis von separaten Steuerparametern genau gesteuert werden.
Die Rückkopplung ist vorzugsweise beim Einschalten und Beschleunigen des Motors größer als im Betrieb mit konstanter Drehzahl. Damit können Schwankungen der Drehzahl im Bereich konstanter Drehzahlen vermieden werden.
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Elektrowerkzeugs werden im folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Schaltung für eine erste Ausführungsform einer Drehzahlsteuerung für einen Wechselstrommotor;
2 die Arbeitsweise der Drehzahlsteuerung der ersten Ausführungsform;
3 eine Darstellung der Strom-Drehzahl-Kennlinie eines Motors 3;
4 eine Tabelle für ein maximales Leitungswinkelverhältnis bei der ersten Ausführungsform;
5 eine herkömmliche Schaltung für eine Motor-Drehzahlsteuerung;
6 eine Schaltung für eine zweite Ausführungsform einer Drehzahlsteuerung für einen Wechselstrommotor;
7 die Arbeitsweise der Drehzahlsteuerung der zweiten Ausführungsform;
8 die Hochlaufeigenschaften eines Motors 1003;
9 eine Tabelle für den maximalen Leitungswinkel bei der zweiten Ausführungsform;
10 eine Darstellung des von einer Drehzahlsignal-Verstärkungsschaltung 1005 an einem Mikrocomputer 1023 ausgegebenen Signals;
11 die Beziehungen zwischen der dem Motor 1003 zugeführten Spannungs-Wellenform und dem Leitungswinkel;
12 die Beziehungen zwischen einer Schwankung der Drehzahl des Motors 1003 und einer Rückkopplung;
13 eine weiteres Beispiel für die eingestellten Werte von Solldrehzahlen für den Motor 1003 und dem maximalen Leitungswinkel beim Einschalten und Beschleunigen des Motors; und
14 die Beziehungen zwischen einer Abweichung von der Solldrehzahl des Motors 1003 und dem Ausmaß der Rückkopplung.
Erste Ausführungsform:
Anhand der 1 wird eine erste Ausführungsform einer Schaltung für die Drehzahlsteuerung eines Wechselstrommotors für ein Elektrowerkzeug beschrieben. Die Schaltung umfasst eine einphasige Wechselstromversorgung mit einer Wechselstromquelle 101 mit zum Beispiel 100 V bei 50 Hz oder 60 Hz. Die Stromzufuhr zu einem Motor 3 kann an einem Schalter 2 ein- und ausgeschaltet werden. Eine Drehzahlsteuervorrichtung 4 umfasst einen Drehzahlsensor 6 zum Erfassen der Drehzahl des Motors 3, eine Drehzahlsignal-Verstärkungsschaltung 5 zum Verstärken des Drehzahlsignals, das vom Drehzahlsensor 6 ausgegeben wird, einen Mikrocomputer 23, eine Versorgungsschaltung 7 zum Erzeugen einer Bezugsspannung für den Mikrocomputer 23 und eine Steuerschaltung, eine Nulldurchgangs-Erfassungsschaltung 8 zum Erfassen des Nulldurchgangs der Wechselspannung, eine Diode 24 und Widerstände 25 und 26 zum Erfassen des Ein/Aus-Zustandes des Schalters 2 und zum Übertragen eines Schalter-Ein/Aus-Signals zum Mikrocomputer 23, einen Triac 27 (eine Halbleitervorrichtung) zum Steuern der Phase der an den Motor 3 angelegten Spannung, einen Widerstand 28 zum Anlegen eines Gatesignals an den Triac 27, Widerstände 29 und 30 zum Festlegen des maximalen Leitungswinkels in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Motors 3, sowie einen Widerstand 31 und variable Widerstände 32 und 33 zum Einstellen der Drehzahl des Motors 3.
Die Drehzahlsignal-Verstärkungsschaltung 5 ist ein Wechselspannungsverstärker mit Kondensatoren 9 und 15, Widerständen 10, 11, 12 und 14 und einem Transistor 13. Sie verstärkt das vom Drehzahlsensor 6 ausgegebene Drehzahlsignal innerhalb des Bereichs von 0 V bis –Vcc und gibt das verstärkte Signal an den Mikrocomputer 23 aus. Der Mikrocomputer 23 verwendete das Signal zum Erfassen der Drehzahl des Motors 3.
Die Versorgungsschaltung 7 ist eine Halbwellen-Gleichrichterschaltung mit einer Diode 16, einem Widerstand 17, einer Zenerdiode 18 und einem Elektrolytkondensator 19. Sie wandelt die zugeführte Wechselspannung in eine Gleichspannung um und gibt die Gleichspannung an den Mikrocomputer 23 aus sowie an eine Schaltung des Elektrowerkzeugs, die nicht dargestellt ist.
Die Nulldurchgangs-Erfassungsschaltung 8 umfasst Widerstände 20 und 21 und einen Optokoppler 22. Die Wechselspannung wird zuerst am Widerstand 20 abgeschwächt und dann zum Eingang (LED) des Optokopplers 22 geführt. Am Eingang des Optokopplers 22 sind zwei LEDs so gegeneinandergeschaltet, dass die LEDs unabhängig von der Richtung des durchfließenden Stroms Licht aussenden und nur am Nulldurchgangspunkt, das heißt bei kleiner Spannung, aus sind. Am Ausgang des Optokopplers 22 befindet sich ein Phototransistor, der nur dann eingeschaltet ist, wenn eine der LEDs am Eingang Licht aussendet. Mit anderen Worten ist der Phototransistor nur am Nulldurchgangspunkt aus bzw. nichtleitend; in allen anderen Bereichen der Wechselspannung ist der Phototransistor ein bzw. leitend. Über den Widerstand 21 liegen daher nur am Nulldurchgangspunkt 0 V am Mikrocomputer 23 an, in allen anderen Bereichen wird eine Spannung von –Vcc eingegeben. Durch die Änderung des eingegebenen Signals erhält der Mikrocomputer 23 ein Bezugssignal zum Steuern der Phase des Triacs 27.
Anhand des Flussdiagramms der 2 wird nun die Arbeitsweise der Drehzahlsteuervorrichtung 4 erläutert. Sobald das (nicht gezeigte) Netzkabel des Elektrowerkzeugs mit der Wechselstromquelle 101 verbunden wird, erzeugt die Versorgungsschaltung 7 eine konstante Gleichspannung und führt sie dem Mikrocomputer 23 zu. Außerdem liegt die Wechselspannung der Wechselstromquelle 101 an der Nulldurchgangs-Erfassungsschaltung 8 an. Der Mikrocomputer 23 misst die Zeitintervalle zwischen den Nulldurchgangssignalen von der Nulldurchgangs-Erfassungsschaltung 8 und stellt die Frequenz der Eingangs-Wechselspannung fest (Schritt 201).
Dann nimmt der Mikrocomputer 23 die am Widerstand 31 und den variablen Widerständen 32 und 33 eingestellte Solldrehzahl-Einstellspannung für den Motor 3 auf und legt die Solldrehzahl fest (Schritt 202). Der variable Widerstand 32 wird vom Nutzer dabei mittels einer Wählscheibe betätigt, um eine Drehzahl vorzugeben, wobei der variable Widerstand 32 eine Einstelleinheit zum Einstellen der Drehzahl des Motors 3 in mehreren Stufen (zum Beispiel den Stufen 1 bis 4 der Wählscheibe) darstellt. Der variable Widerstand 33 dient dazu, Änderungen in der Steuerschaltung auszugleichen.
Danach legt der Mikrocomputer 23 den maximalen Leitungswinkel für den Triac 27 fest (Schritt 203). Anhand der 3 wird dazu die Strom-Drehzahl-Kennlinie des Motors 3 erläutert. Im allgemeinen nimmt die Drehzahl des Motors 3 ab, wenn die Last (der Strom) am Motor zunimmt. Deshalb wird zur Regelung für eine konstante Drehzahl der Leitungswinkel des Triacs 27 so verändert, dass die Drehzahl des Motors 3 auch bei schwankender Last immer einer vorgegebenen Solldrehzahl entspricht. Die Drehzahl des Motors 3 kann damit konstant gehalten werden, bis der Leitungswinkel des Triacs 27 100% erreicht. Der maximale Leitungswinkel stellt den Leitungswinkel für den Triac 27 dar, bei dem ein Überstromzustand erreicht wird, in dem der Motor 3 durchbrennen kann. Das maximale Leitungswinkelverhältnis stellt das Verhältnis des maximalen Leitungswinkels zu einem Leitungswinkel von 100% dar. Wenn der Wert des Überstroms, bei dem der Motor 3 durchbrennt, immer gleich ist, ist das maximale Leitungswinkelverhältnis von der festgelegten Solldrehzahl abhängig und nimmt mit einer Erhöhung der Solldrehzahl zu.
Die 4 zeigt eine Tabelle für ein beispielhaftes maximales Leitungswinkelverhältnis. In der 4 sind zwei Einstellwerttabellen A und B für zwei Motortypen vorgesehen (Motoren für verschiedene Elektrowerkzeuge oder für gleiche Werkzeuge mit unterschiedlichen Leistungen). Welche der Einstellwerttabellen A und B der Mikrocomputer 23 verwendet, wird durch die Auswahl der Widerstände 29 und 30 bestimmt. Wenn nur der Widerstand 29 angeschlossen ist, wird die Einstellwerttabelle A ausgewählt. Wenn nur der Widerstand 30 angeschlossen ist, wird die Einstellwerttabelle B ausgewählt. Die Auswahl der Widerstände 29 und 30 kann zum Beispiel bei der Herstellung der Schaltung erfolgen. Der Mikrocomputer 23 führt die zeitliche Einstellung für den Leitungswinkel derart aus, dass der vorgegebene maximale Leitungswinkel erhalten wird, der der Frequenz des Eingangs-Wechselstroms entspricht, die im Schritt 201 festgestellt wurde.
Zurück zum Flussdiagramm der 2. Wenn der maximale Leitungswinkel im Schritt 203 festgelegt wurde und der Schalter 2 auf Ein geschaltet wird, erhält der Mikrocomputer 23 über den von der Diode 24 und den Widerständen 25 und 26 gebildeten Spannungsteiler ein Schalter-Ein-Signal. Daraufhin gibt der Mikrocomputer 23 über den Widerstand 28 ein Gatesignal an den Gateanschluss des Triacs 27. Der Triac 27 schaltet dann durch, so dass ein Strom durch den Motor 3 fließt und der Motor 3 sich zu drehen beginnt (Schritt 204).
Dabei wird ein Sanftanlaufbetrieb ausgeführt, bei dem der Leitungswinkel bei 0% beginnt und allmählich zunimmt, bis die Drehzahl des Motors 3 in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Zeit für das Hochlaufen des Motors 3 die vom Widerstand 31 und den variablen Widerständen 32 und 33 vorgegebene Solldrehzahl erreicht. Als Bezugspunkte dienen dabei die von der Nulldurchgangs-Erfassungsschaltung 8 erfassten Nulldurchgänge der Wechselspannung. Durch Überwachen der Drehzahl des Motors 3 mittels des Drehzahlsensors 6 und der Drehzahlsignal-Verstärkungsschaltung 5 und Steuern des Gatesignals für den Triac 27 führt dann der Mikrocomputer 23 eine Phasenanschnittsteuerung aus, um die Drehzahl des Motors 3 konstant zu halten. Wenn die Drehzahl des Motors 3 unter die Solldrehzahl abfällt, vergrößert der Mikrocomputer 23 den Leitungswinkel für den Triac 27, und wenn die Drehzahl des Motors 3 über die Solldrehzahl ansteigt, verkleinert der Mikrocomputer 23 den Leitungswinkel für den Triac 27 (Schritt 205).
Der Mikrocomputer 23 überwacht dabei, ob der gegenwärtige Leitungswinkel für den Triac 27 den im Schritt 203 festgelegten maximalen Leitungswinkel übersteigt (Schritt 206). Wenn der Leitungswinkel für den Triac 27 den im Schritt 203 festgelegten maximalen Leitungswinkel für eine bestimmte Zeitspanne übersteigt, wird kein Gate signal mehr an den Triac 27 ausgegeben, oder der Leitungswinkel wird stark reduziert, um den Motor 3 zu schützen (Schritt 207).
Wenn der Leitungswinkel für den Triac 27 den im Schritt 203 festgelegten maximalen Leitungswinkel nicht übersteigt, kehrt der Prozess zum Schritt 202 zurück, um die Konstantdrehzahlsteuerung für den Motor 3 und das Überwachen des Leitungswinkels für den Triac 27 fortzuführen.
Wie beschrieben wird bei der vorliegenden ersten Ausführungsform dann festgestellt, dass ein Überstromzustand vorliegt, wenn der Leitungswinkel des Triacs den maximalen Leitungswinkel für eine bestimmte Zeitspanne übersteigt, woraufhin der Motor gestoppt oder die Drehzahl verringert wird. Es lässt sich somit mit einem einfachen Aufbau ein Durchbrennen des Motors verhindern, wobei kein Nebenwiderstand zum Erfassen des Stroms erforderlich ist. Der maximale Leitungswinkel wird entsprechend der Frequenz der Eingangs-Wechselspannung festgelegt. Schwankungen im Betriebspunkt für den Überstromschutz aufgrund von verschiedenen Frequenzen der Wechselspannung können so vermieden werden.
Der maximale Leitungswinkel wird aus wenigstens zwei Einstellwerttabellen für den maximalen Leitungswinkel ausgewählt. Mit einer einzigen Steuervorrichtung können damit mehrere Motortypen gesteuert werden.
Die beschriebene Ausführungsform kann auf verschiedene Weise abgewandelt werden. Zum Beispiel kann im Schritt 205 der 2 bereits dann festgestellt werden, dass ein Überstrom auftritt, wenn der zum Aufrechterhalten der Drehzahl bestimmte Leitungswinkel den im Schritt 203 festgelegten maximalen Leitungswinkel übersteigt, und der tatsächlich am Triac 27 eingestellte Leitungswinkel auf dem Wert für den maximalen Leitungswinkel gehalten werden, damit kein Überstrom auftritt.
Zweite Ausführungsform:
Anhand der 6 wird nun eine zweite Ausführungsform einer Schaltung für die Drehzahlsteuerung eines Wechselstrommotors für ein Elektrowerkzeug beschrieben. Die Schaltung umfasst eine Wechselstromversorgung mit einer einphasigen Wechselstromquelle 1101 mit zum Beispiel 100 V bei 50 Hz oder 60 Hz. Die Stromzufuhr zu einem Motor 1003 kann an einem Schalter 1002 ein- und ausgeschaltet werden. Eine Drehzahlsteuervorrichtung 1004 umfasst einen Drehzahlsensor 1006 zum Erfassen der Drehzahl des Motors 1003, eine Drehzahlsignal-Verstärkungsschaltung 1005 zum Verstärken des Drehzahlsignals, das vom Drehzahlsensor 1006 ausgegeben wird, einen Mikrocomputer 1023, eine Versorgungsschaltung 1007 zum Erzeugen einer Bezugsspannung für den Mikrocomputer 1023 und eine Steuerschaltung, eine Nulldurchgangs-Erfassungsschaltung 1008 zum Erfassen des Nulldurchgangs der Wechselspannung, eine Diode 1024 und Widerstände 1025 und 1026 zum Erfassen des Ein/Aus-Zustandes des Schalters 1002 und zum Übertragen eines Schalter-Ein/Aus-Signals zum Mikrocomputer 1023, einen Triac 1027 (eine Halbleitervorrichtung) zum Steuern der Phase der an den Motor 1003 angelegten Spannung, einen Widerstand 1028 zum Anlegen eines Gatesignals an den Triac 1027, sowie einen Widerstand 1031 und variable Widerstände 1032 und 1033 zum Einstellen der Drehzahl des Motors 1003.
Die Drehzahlsignal-Verstärkungsschaltung 1005 ist ein Wechselspannungsverstärker mit Kondensatoren 1009 und 1015, Widerständen 1010, 1011, 1012 und 1014 und einem Transistor 1013. Sie verstärkt das vom Drehzahlsensor 1006 ausgegebene Drehzahlsignal innerhalb des Bereichs von 0 V bis –Vcc und gibt das verstärkte Signal an den Mikrocomputer 1023 aus. Der Mikrocomputer 1023 verwendete das Signal zum Erfassen der Drehzahl des Motors 1003.
Manchmal ist dem Ausgangssignal der Drehzahlsignal-Verstärkungsschaltung 1005 jedoch ein Störimpuls überlagert, zum Beispiel aufgrund von Leitungsrauschen. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden daher von den vier Impulsen des Drehzahl-Erfassungssignals, die einer Umdrehung des Motors 1003 entsprechen, jeweils die zwei ausgewählt, deren Impulsbreiten am größten sind, um auf der Basis dieser beiden Impulse dann die Drehzahl zu bestimmen. Das Prinzip dieser Drehzahlbestimmung wird anhand der 10 erläutert.
Die 10 zeigt das Signal, das von der Drehzahlsignal-Verstärkungsschaltung 1005 an den Mikrocomputer 1023 gegeben wird. Die 10(1) zeigt das Drehzahl-Erfassungssignal im normalen Zustand ohne überlagertes Rauschen. Wenn der Motor 1003 eine Umdrehung ausführt, werden als Drehzahl-Erfassungssignal die vier Impulse mit den Impulsabschnitten A bis D übertragen. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden diejenigen zwei der vier einer Umdrehung des Motors entsprechenden Impulse, die eine größere Impulsbreite haben, ausgewählt, und die Impulsbreite wird dazu verwendet, die Drehzahl des Motors 1003 zu berechnen. In der 10(1) können zwei beliebige Impulse aus den Impulsabschnitten A bis D ausgewählt werden, um aus der jeweiligen Impulsbreite die Drehzahl des Motors 1003 zu berechnen.
Die 10(2) zeigt demgegenüber ein Drehzahl-Erfassungssignal mit überlagertem Rauschen. In einem Impulsabschnitt befindet sich ein Störimpuls mit einem kurzen Signalanstieg von –Vcc auf 0 V. Der Signalanstieg des Störimpulses wird als Ende des Impulsabschnitts C interpretiert. Als Folge davon werden die Impulsabschnitte C und D nicht korrekt erfasst. Da jedoch bei der vorliegenden Ausführungsform nur die beiden Impulse in den Impulsabschnitten A und B mit den größeren Impulsbreiten zum Bestimmen der Drehzahl des Motors 1003 verwendet werden, wird der Störimpuls auf dem Drehzahl-Erfassungssignal ausgeblendet, so dass die Rauschfestigkeit des Elektrowerkzeugs erheblich zunimmt.
Zurück zur 6. Die Versorgungsschaltung 1007 ist eine Halbwellen-Gleichrichterschaltung mit einer Diode 1016, einem Widerstand 1017, einer Zenerdiode 1018 und einem Elektrolytkondensator 1019. Sie wandelt die zugeführte Wechselspannung in eine Gleichspannung um und gibt die Gleichspannung an den Mikrocomputer 1023 aus sowie an eine Schaltung des Elektrowerkzeugs, die nicht dargestellt ist.
Die Nulldurchgangs-Erfassungsschaltung 1008 umfasst Widerstände 1020 und 1021 und einen Optokoppler 1022. Die Wechselspannung wird zuerst am Widerstand 1020 abgeschwächt und dann zum Eingang (LED) des Optokopplers 1022 geführt. Am Eingang des Optokopplers 1022 sind zwei LEDs so gegeneinandergeschaltet, dass die LEDs unabhängig von der Richtung des durchfließenden Stroms Licht aussenden und nur am Nulldurchgangspunkt, das heißt bei kleiner Spannung, aus sind. Am Ausgang des Optokopplers 1022 befindet sich ein Phototransistor, der nur dann eingeschaltet ist, wenn eine der LEDs am Eingang Licht aussendet. Mit anderen Worten ist der Phototransistor nur am Nulldurchgangspunkt aus bzw. nichtleitend; in allen anderen Bereichen der Wechselspannung ist der Phototransistor ein bzw. leitend. Über den Widerstand 1021 liegen daher nur am Nulldurchgangspunkt 0 V am Mikrocomputer 1023 an, in allen anderen Bereichen wird eine Spannung von –Vcc eingegeben. Durch die Änderung des eingegebenen Signals erhält der Mikrocomputer 1023 ein Bezugssignal zum Steuern der Phase des Triacs 1027.
Anhand des Flussdiagramms der 7 wird nun die Arbeitsweise der Drehzahlsteuervorrichtung 1004 erläutert. Sobald das (nicht gezeigte) Netzkabel des Elektrowerkzeugs mit der Wechselstromquelle 1101 verbunden wird, erzeugt die Versorgungsschaltung 1007 eine konstante Gleichspannung und führt sie dem Mikrocomputer 1023 und der Steuerschaltung zu, so dass sich das Elektrowerkzeug im Standby-Zustand befindet. Die Wechselspannung der Wechselstromquelle 1101 liegt auch an der Nulldurchgangs-Erfassungsschaltung 1008 an. Der Mikrocomputer 1023 misst die Zeitintervalle zwischen den Nulldurchgangssignalen von der Nulldurchgangs-Erfassungsschaltung 1008 und stellt die Frequenz der Eingangs-Wechselspannung fest (Schritt 1201).
Dann nimmt der Mikrocomputer 1023 die am Widerstand 1031 und den variablen Widerständen 1032 und 1033 eingestellte Solldrehzahl-Einstellspannung für den Motor 1003 auf und legt die Solldrehzahl fest (Schritt 1202). Der variable Widerstand 1032 wird vom Nutzer dabei mittels einer Wählscheibe betätigt, um eine Drehzahl vorzugeben, wobei der variable Widerstand 1032 eine Einstelleinheit zum Einstellen der Drehzahl des Motors 1003 in mehreren Stufen (zum Beispiel den Stufen 1 bis 4 der Wählscheibe) darstellt. Der variable Widerstand 1033 dient dazu, Änderungen in der Steuerschaltung auszugleichen.
Danach legt der Mikrocomputer 1023 den maximalen Leitungswinkel für den Triac 1027 beim Startvorgang des Motors 1003 fest (Schritt 1203). Dabei werden nicht nur einer, sondern zwei maximale Leitungswinkel festgelegt. Der erste maximale Leitungswinkel wird vom Einschalten des Motors 1003 bis zu einem ersten vorgegebenen Zeitpunkt verwendet und der zweite maximale Leitungswinkel vom ersten vorgegebenen Zeitpunkt bis zu einem zweiten vorgegebenen Zeitpunkt. Vorzugsweise ist der zweite maximale Leitungswinkel kleiner als der erste maximale Leitungswinkel.
Da bezüglich des Ansprechverhaltens die Drehzahlsteuerung in der Regel schneller reagiert als der Motor 1003, wird beim Einschalten des Motors 1003 der Leitungswinkel für den Triac 1027 von der Drehzahlsteuerung wegen der Verzögerung im Ansprechverhalten des Motors 1003 sehr stark erhöht. Beim Hochfahren neigt der Motor 1003 deshalb dazu, über die Solldrehzahl hinauszuschießen. Auf diesen ersten Überschwinger folgen dann mehrere Unter- und Überschwinger, so dass die Drehzahl den in der oberen gestrichelten Kurve der 8 dargestellten Verlauf aufweist. Das Überschießen kann zwar dadurch verhindert werden, dass das Ansprechverhalten der Drehzahlsteuerung so eingestellt wird, dass sie langsamer reagiert als der Motor 1003. Die für das Hochlaufen des Motors 1003 erforderliche Zeit nimmt dabei jedoch beträchtlich zu. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden daher zwei Werte für den maximalen Leitungswinkel des Triacs 1027 verwendet, um das Überschießen der Drehzahl beim Startvorgang des Motors 1003 zu verhindern. Die maximalen Leitungswinkel werden im Schritt 1023 festgelegt.
Die 9 zeigt eine Tabelle für beispielhafte maximale Leitungswinkel. Für eine gegebene Zeit (zum Beispiel zwischen 0 und 0,5 Sekunden) vom Einschalten des Motors 1003 an wird ein erster maximaler Leitungswinkel festgelegt und für eine gegebene Zeit (zum Beispiel 0,5 bis 1 Sekunde) im Anschluss an die Zeit für den ersten maximalen Leitungswinkel wird ein zweiter maximaler Leitungswinkel festgelegt. Für einen schnellen Motorstart ist der erste maximale Leitungswinkel größer als der zweite maximale Leitungswinkel. Der zweite maximale Leitungswinkel wird so gewählt, dass eine gute Annäherung an die Solldrehzahl erhalten wird. Die optimalen Werte für die Leitungswinkel und die Zeiten dafür können zum Beispiel vorab durch ein Experiment bestimmt werden. Die Werte werden dann in einer Speichereinheit des Mikrocomputers 1023 gespeichert. Vorzugsweise wird eine Anzahl von Einstellwerttabellen vorbereitet, zum Beispiel eine Einstellwerttabelle für eine Netzfrequenz von 50 Hz und eine Einstellwerttabelle für eine Netzfrequenz von 60 Hz. Die Tabellen werden dann entsprechend der im Schritt 1201 festgestellten Frequenz der Eingangs-Wechselspannung herangezogen. Der Mikrocomputer 1023 verwendet in Abhängigkeit von der Zeit den jeweiligen maximalen Leitungswinkel aus der entsprechenden Einstellwerttabelle.
Zurück zum Flussdiagramm der 7. Der Mikrocomputer 1023 überwacht den Zustand des Schalters 1002 mittels des Schalter-Ein-Signals, das ihm über den Spannungsteiler aus der Diode 1024 und den Widerständen 1025 und 1026 zugeführt wird (Schritt 1204). Wenn der Schalter 1002 auf Ein gestellt wird, gibt der Mikrocomputer 1023 über den Widerstand 1028 ein Gatesignal an den Gateanschluss des Triacs 1027 aus. Der Triac 1027 schaltet daraufhin durch, so dass ein Strom zum Motor 1003 fließt, woraufhin sich der Motor 1003 zu drehen beginnt (Schritt 1204). Der Mikrocomputer 1023 steuert dabei zu Beginn des Startvorgangs die Drehzahl des Motors 1003 für eine Zeitspanne von 0,5 Sekunden im Bereich des ersten maximalen Leitungswinkels, der im Schritt 1203 festgelegt wurde (Schritt 1206). Nach Ablauf der 0,5 Sekunden steuert der Mikrocomputer 1023 die Drehzahl des Motors 1003 für eine Zeitspanne von weiteren 0,5 Sekunden (das heißt bis zu 1 Sekunde nach Beginn des Startvorgangs) im Bereich des zweiten maximalen Leitungswinkels, der im Schritt 1203 festgelegt wurde (Schritte 1207 und 1208). Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Länge der einzelnen Zeitabschnitte so gewählt, dass der Motor 1003 die Solldrehzahl erreicht, wenn die Zeitspanne für den zweiten maximalen Leitungswinkel endet. Die Zeitintervalle für die einzelnen Abschnitte der Steuerung können vorab auf der Basis der Eigenschaften des Motors, der Art des Elektrowerkzeugs oder der Art der Stromversorgung eingestellt und im Mikrocomputer 1023 gespeichert werden.
Der Mikrocomputer 1023 führt dann eine Konstantdrehzahlsteuerung derart aus, dass die Drehzahl des Motors 1003 die am Widerstand 1031 und den variablen Widerständen 1032 und 1033 eingestellte Solldrehzahl erreicht. Durch Überwachen der Drehzahl des Motors 1003 mittels des Drehzahlsensors 1006 und der Drehzahlsignal-Verstärkungsschaltung 1005 und Steuern des Gatesignals für den Triac 1027 führt der Mikrocomputer 1023 eine Phasenanschnittsteuerung aus, um die Drehzahl des Motors 1003 konstant zu halten. Wenn die Drehzahl des Motors 1003 unter die Solldrehzahl abfällt, vergrößert der Mikrocomputer 1023 den Leitungswinkel für den Triac 1027, und wenn die Drehzahl des Motors 1003 über die Solldrehzahl ansteigt, verkleinert der Mikrocomputer 1023 den Leitungswinkel für den Triac 1027 (Schritt 1209).
Der Mikrocomputer 1023 überwacht dann den weiteren Zustand des Schalters 1002 (Schritt 1210). Wenn der Schalter 1002 im Ein-Zustand bleibt, kehrt der Prozess zum Schritt 1209 zurück, und es erfolgt die Konstantdrehzahlsteuerung. Wenn der Schalter 1002 in den Aus-Zustand gebracht wird, wird der Motor 1003 angehalten (Schritt 1211), und der Prozess kehrt zum Schritt 1202 zurück, um das Elektrowerkzeug wieder in den Standby-Zustand vor dem Betätigen des Schalters 1002 auf Ein zu bringen.
Anhand der 11 wird nun die Konstantdrehzahlsteuerung erläutert. Die 11 zeigt die Beziehungen zwischen der Wellenform der an den Motor 1003 angelegten Spannung und dem Leitungswinkel. Es wird angenommen, dass im Zyklus 1 der Leitungswinkel α angepasst wird und der Mikrocomputer 1023 durch Vergleichen des von der Drehzahl-Erfassungseinheit ausgegebenen Erfassungssignals mit dem an der Drehzahl-Einstelleinheit eingestellten Drehzahl-Einstellsignal feststellt, dass der Leitungswinkel α um den Wert Δ zu erhöhen ist. Bei der herkömmlichen Drehzahlsteuerung, die in der 11(1) dargestellt ist, wird die Anweisung des Mikrocomputers 1023 unmittelbar bei der Steuerung der späteren Zyklen (dem Zyklus 2 und den folgenden Zyklen) umgesetzt, so dass der Triac 1027 sofort mit dem Leitungswinkel (α + Δ) betrieben wird. Wenn sich der Leitungswinkel dabei im nächsten Zyklus 2 plötzlich stark ändert, schwankt die Drehzahl des Motors 1003 beträchtlich, und das Elektrowerkzeug kann einen Rückschlag ausüben, wenn zum Beispiel das daran angebrachte Werkzeug angesetzt wird. Dieser Zustand ist als Steuerzustand 1 in der gestrichelten Linie der 12 dargestellt. Wenn die Drehzahl des Motors 1003 auf den Punkt ”a” in der 12 abfällt, stellt der Mikrocomputer 1023 den Abfall fest und leitet eine Rückkehr zu der eingestellten Drehzahl ein. Bei der herkömmlichen Steuerung kann, da die Änderung des Leitungswinkels groß ist, die Drehzahl des Motors 1003 stark überschwingen, wie es mit der gestrichelten Linie in der 12 dargestellt ist.
Bei der vorliegenden Ausführungsform dagegen wird, wenn der Mikrocomputer 1023 in einem bestimmten Zyklus (zum Beispiel dem Zyklus 1 der 11(2)) feststellt, dass der Leitungswinkel zu erhöhen ist (+Δ), die Erhöhung Δ nicht unmittelbar im nächsten Zyklus 2 vollständig ausgeführt, sondern die Erhöhung erfolgt in nächsten Zyklus 2 zuerst mit einer bestimmten Rate (zum Beispiel mit dem Faktor 1/2) und wird erst im darauf folgenden Zyklus 3 vollständig durchgeführt. Dadurch wird der Leitungswinkel nicht sofort im nächsten Zyklus auf den höheren Wert gebracht, sondern allmählich angehoben, so dass eine sanfte Steuerung erfolgt. Die ausgezogene Linie 2 der 12 zeigt die Drehzahlzustände des Motors bei dieser Steuerung. Nach dem Abfall der Drehzahl auf den Punkt ”a” kehrt die Drehzahl durch die allmähliche Änderung des Leitungswinkels langsamer, aber ohne Überschwingen zu der Solldrehzahl zurück. Der Anstieg der Drehzahl erfolgt damit weicher und ohne Rückschlaggefahr.
Eine solche verzögerte Ansteuerung ist bei einer herkömmlichen analogen Regelung der Drehzahl nur schwer umzusetzen. Bei der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Steuerung jedoch digital durch den Mikrocomputer 1023, so dass die verzögerte Ansteuerung relativ leicht ausgeführt werden kann. Dabei ist die Steuerung nicht auf die beschriebene Änderung des Leitungswinkels in zwei gleichen Stufen beschränkt. Zum Beispiel kann in der Stufe 2 auch ein Anheben des Leitungsfaktors um +2Δ/3 erfolgen, und die Anhebung um den vollen Wert von Δ kann im Zyklus 3 oder später erfolgen. Das heißt, die Änderung des Leitungswinkels kann in drei oder mehr Stufen erfolgen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform erfolgt die Steuerung des Leitungswinkels der Halbleitervorrichtung derart, dass vom Beginn des Startvorgangs für den Motor bis zu einem ersten vorgegebenen Zeitpunkt der erste maximale Leitungswinkel nicht überschritten wird und dass vom ersten vorgegebenen Zeitpunkt bis zu einem zweiten vorgegebenen Zeitpunkt der zweite maximale Leitungswinkel nicht überschritten wird, wobei der zweite maximale Leitungswinkel kleiner ist als der erste maximale Leitungswinkel. Der Motor kann damit ideal gestartet und beschleunigt werden, ohne dass ein Überschwingen erfolgt, und die Zeit für den Startvorgang kann verkürzt werden.
Die vorliegende Ausführungsform kann in vielerlei Hinsicht abgeändert werden. In der Einstellwerttabelle der 9 ist das Verhältnis des ersten maximalen Leitungswinkels zum zweiten maximalen Leitungswinkel konstant. Bei der ersten Wählscheibenstellung beträgt in der 9 das Verhältnis 15%:10% = 3:2 und in der vierten Wählscheibenstellung 60%:40% = 3:2. Das Verhältnis braucht aber nicht immer gleich zu sein. In der Einstellwerttabelle der 9 sind darüberhinaus Prozentwerte gespeichert, es können jedoch auch entsprechende Zeitwerte gespeichert sein (zum Beispiel sind 15% bei 50 Hz gleich 1/50 Sekunde × 15% = 0,003 Sekunden), die dann zum Ausführen der Steuerung verwendet werden.
Anhand der 13 wird ein weiteres Beispiel für eine Einstellwerttabelle erläutert. Die Tabelle der 13 stellt ein weiteres Beispiel für Solldrehzahlen des Motors 1003 und den jeweiligen maximalen Leitungswinkel zu Beginn des Starts und beim Hochfahren dar. Die Wählscheibe hat dabei nicht vier Stufen, sondern zwölf Stufen. In der 13 ist das Verhältnis des ersten maximalen Leitungswinkels zum zweiten maximalen Leitungswinkel bei der kleinsten Solldrehzahl (Wählscheibenstellung 1) gleich 10%:5% = 2:1, und bei der höchsten Solldrehzahl (Wählscheibenstellung 12) ist das Verhältnis gleich 65%:43% = etwa 3:2. Mit anderen Worten ändert sich das Verhältnis des ersten maximalen Leitungswinkels zum zweiten maximalen Leitungswinkel in Abhängigkeit von der Wählscheibenstellung von 2:1 auf 3:2. Durch Anheben des Verhältnisses des ersten maximalen Leitungswinkels zum zweiten maximalen Leitungswinkel bei geringen Drehzahlen ist es möglich, ein Herabsetzen des Startdrehmoments zu vermeiden, so dass sich ausgezeichnete Starteigenschaften ergeben.
Die Regelung der Motordrehzahl wird anhand der 14 erläutert. Die 14 zeigt die Beziehung zwischen der Abweichung von der Solldrehzahl des Motors 1003 und dem Ausmaß der Rückkopplung. Bei dieser Ausführungsform ist das Ausmaß der Rückkopplung beim Starten und Beschleunigen des Motors größer als bei einer gleichmäßigen Drehung des Motors. Das Ausmaß der Rückkopplung ist in Abhängigkeit vom Drehzahlbereich der Solldrehzahl in 16 Stufen unterteilt, und das Ausmaß der Rückkopplung beim Startvorgang (einem Sanftstart) unterscheidet sich vom Ausmaß der Rückkopplung bei einer gleichmäßigen Drehzahl. Beim Starten ist das Ausmaß der Rückkopplung erhöht, um die zum Hochfahren des Motors erforderliche Zeit zu verkürzen. Bei einer gleichmäßigen Drehzahl ist das Ausmaß der Rückkopplung kleiner, um Schwankungen der Drehzahl des Motors so weit wie möglich zu unterdrücken. Durch diese Anpassung der Rückkopplung an den Betriebszustand des Motors lässt sich ein Elektrowerkzeug schaffen, das vom Nutzer einfach zu handhaben ist.
Wenn für den maximalen Leitungswinkel des Triacs 1027 beim Startvorgang für den Motor 1003 nicht nur zwei Stufen, sondern drei oder mehr Stufen vorgesehen werden, kann der Startvorgang mit höherer Genauigkeit ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2004-194422- A [0002]
- JP 2004-194422 A [0003]
- JP 06-254440 [0009, 0012, 0012, 0012]

Claims

Elektrowerkzeug mit einem Wechselstrommotor (3; 1003), einer Schalteinrichtung (27; 1027) zum Schalten der an den Motor angelegten Wechselspannung in Abhängigkeit von einem Leitungswinkel, einer Drehzahl-Einstelleinheit (31, 32, 33; 1031, 1032, 1033) zum Vorgeben einer Solldrehzahl des Motors, einer Drehzahl-Erfassungseinheit (5, 6; 1005, 1006) zum Erfassen der Istdrehzahl des Motors und einer Steuerung (23; 1023), die durch Vergleich von ist- und Solldrehzahl den Leitungswinkel ermittelt und die Schalteinrichtung (27; 1027) unter Verwendung des Leitungswinkels aufgrund eines entsprechend der Solldrehzahl festgelegten maximalen Leitungswinkels steuert.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (23; 1023) dann einen Überstromzustand feststellt, wenn der Leitungswinkel den maximalen Leitungswinkel übersteigt.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (23; 1023) eine Speichereinheit umfasst, in der eine Beziehung zwischen der Solldrehzahl und dem maximalen Leitungswinkel, bei dem ein Überstrom auftritt, gespeichert ist.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 3, wobei die Beziehung zwischen der Solldrehzahl und dem maximalen Leitungswinkel für jede Frequenz der Eingangs-Wechselspannung festgelegt ist.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Drehzahl-Einstelleinheit einen Wählschalter umfasst und der maximale Leitungswinkel entsprechend der Betätigung des Wählschalters festgelegt wird.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (23; 1023) den Motor aufgrund des maximalen Leitungswinkels anhält.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (23; 1023) die Solldrehzahl des Motors aufgrund des maximalen Leitungswinkels herabsetzt.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (23; 1023) die Istrehzahl durch Herabsetzen des Leitungswinkels aufgrund des maximalen Leitungswinkels verringert.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuerung (23; 1023) den Leitungswinkel durch Vergleich von ist- und Solldrehzahl berechnet und dann, wenn der berechnete Leitungswinkel den maximalen Leitungswinkel überschreitet, an die Schalteinrichtung (27; 1027) einen regulierten Leitungswinkel ausgibt, der genau so groß ist wie der maximale Leitungswinkel.
Elektrowerkzeug mit einem Wechselstrommotor (3; 1003), einer Schalteinrichtung (27; 1027) zum Schalten der an den Motor angelegten Wechselspannung in Abhängigkeit von einem Leitungswinkel, und einer Steuerung (23; 1023) zum Steuern des Leitungswinkels und damit der Istdrehzahl des Motors, wobei beim Einschalten des Motors die Steuerung (23; 1023) den Leitungswinkel während einer ersten Zeitspanne innerhalb eines Bereichs eines ersten maximalen Leitungswinkels und während einer zweiten Zeitspanne innerhalb eines Bereichs eines zweiten maximalen Leitungswinkels, der kleiner ist als der erste maximale Leitungswinkel steuert, wobei die erste Zeitspanne mit dem Einschalten des Motors beginnt und die zweite Zeitspanne sich an die ersten Zeitspanne anschließt.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 10, wobei die Steuerung (23; 1023) eine Speichereinheit umfasst, in der der erste und der zweite maximale Leitungswinkel gespeichert sind.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 10, mit ferner einer Drehzahl-Einstelleinheit (31, 32, 33; 1031, 1032, 1033) zum Vorgeben einer Solldrehzahl des Motors und einer Drehzahl-Erfassungseinheit (5, 6; 1005, 1006) zum Erfassen der Istrehzahl des Motors, wobei die Steuerung (23; 1023) den Leitungswinkel durch Vergleich von ist- und Solldrehzahl ermittelt.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 11, wobei in der Speichereinheit für jede Solldrehzahl mehrere Sätze von ersten und zweiten maximalen Leitungswinkeln gespeichert sind.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 13, wobei in der Speichereinheit für jede Frequenz der Eingangs-Wechselspannung eine Beziehung zwischen dem ersten und dem zweiten maximalen Leitungswinkel gespeichert ist.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 13, wobei in der Speichereinheit für jede Solldrehzahl das Verhältnis des ersten maximalen Leitungswinkels zu dem zweiten maximalen Leitungswinkel gespeichert ist.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 10, wobei die erste Zeitspanne als die Zeit vom Einschalten des Motors bis zum Erreichen eines gegebenen Zeitpunkts definiert ist, und die zweite Zeitspanne als die Zeit von einem Zeitpunkt, zu dem der Motor noch keine konstante Drehzahl erreicht hat, bis zu einem Zeitpunkt definiert ist, zu dem der Motor die konstante Drehzahl erreicht hat.
Elektrowerkzeug nach Anspruch 16, wobei die Steuerung (23; 1023) eine Abweichung der Istdrehzahl von der Solldrehzahl durch ein Proportionalelement rückkoppelt und das die Rückkopplung des Motors so gesteuert ist, dass sie beim Einschalten und Beschleunigen des Motors größer ist als bei konstanter Drehzahl.