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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Elektrowerkzeug, insbesondere Winkelschleifer,
dessen Antriebsmotor in Reihe mit einem Stromventil und einem Stromaufnehmer zwischen
zwei Versorgungsleitungen liegt mit einem Drehzahl-Sollwertpotentiometer, dessen
Ausgangsspannung das Stromventil steuert und mit einem Komparator, dessen Eingänge
mit dem Stromaufnehmer bzw. einem Grenzwertgeber beschaltet sind, wobei der Komparator
zusätzlich auf das Stromventil sperrend einwirkt, wenn das Signal des Stromaufnehmers
den Grenzwert erreicht.
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Allgemein gesprochen betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum
Begrenzen der Energiezufuhr zu einem Verbraucher mit einem Stellglied zwischen dem
Verbraucher und einer Energiequelle, mit einem Regler, dessen Ausgangssignal in
Abhängigkeit von einem Sollwertsignal eines Sollwertgebers das Stellglied betätigt
und mit einem Meßaufnehmer zum Erzeugen eines der zugeführten Energie entsprechenden
Istwertsignales, wobei das Istwertsignal bei Erreichen eines Grenzwertes mittels
eines steuerbaren Abschwächers das Ausgangssignal des Reglers vermindert.
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Ein Elektrowerkzeug und damit auch eine Einrichtung der eingangs
genannten Art sind bekannt.
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So ist es beispielweise. bekannt, einen Elektromotor eines derartigen
Elektrowerkzeuges über einen Triac zu regeln, wobei dem Reglerbaustein ein Drehzahl-Sollwert
über ein Potentiometer zugeführt wird und außerdem eine Stromrückkopplung über einen
Meßwiderstand im Hauptstromkreis des Antriebsmotors erfolgt.
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Der Regler wird dabei in Abhängigkeit vom Signal des Sollwertpotentiometers
so eingestellt, daß sich die gewünschte Drehzahl ergibt, gleichzeitig wird jedoch
in einer überlagerten Regelung der Strom im Hauptstromkreis berücksichtigt, so daß
Überlastungen vermieden werden.
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Man kann bei Erreichen eines vorgegebenen Stromwertes entweder durch
entsprechende Ansteuerung des Triacs die Motorspannung zurücknehmen (sogenannte
Foldback-Schaltung) oder ganz abschalten. Demzufolge wird die Drehzahl zunächst
bis auf Null zurückgenommen und erst bei Entlastung wieder freigegeben.
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Aufgrund dessen kann es Schwierigkeiten bereiten, einen optimalen
Arbeitspunkt kurz vor dem zulässigen Überlastpunkt anzufahren und es ist insbesondere
noch nicht einmal möglich, kurzzeitig über die zulässige Belastung hinauszugehen.
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Die vorstehend genannten Probleme bestehen nicht nur bei Winkelschleifern,
sondern auch bei vielen anderen Elektrowerkzeugen, sie bestehen darüber hinaus aber
auch ganz allgemein bei Maschinen und Antrieben, so daß ganz allgemein das Bedürfnis
besteht, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Elektrowerkzeug
bzw. eine Einrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß
ein Arbeitspunkt kurz unterhalb des Überlastpunktes leicht angefahren werden kann,
wobei auch eine kurzzeitige Überschreitung des Überlastpunktes möglich ist, ohne
daß im zeitlichen Mittel die Grenzdaten überschritten werden.
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Bei einem Elektrowerkzeug der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe
dadurch gelöst, daß die Einwirkung anstiegsverzögert wieder aufgehoben wird.
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Bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe
dadurch gelöst, daß der Abschwächer mit einer anstiegsverzögerten Wiedereinschaltung
versehen ist.
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Die Erfindung löst damit die zugrundeliegende Aufgabe vollkommen,
weil sich infolge der anstiegsverzögerten Wiedereinschaltung ein periodisches Pendeln
der Drehzahl um einen vorgebbaren Punkt ergibt, wobei kurzzeitig auch ein Grenzwert
überschritten werden kann, gleichzeitig aber im zeitlichen Mittel die zulässigen
Grenzdaten der verwendeten Bauteile bzw. Maschinenelemente nicht überschritten werden.
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Durch geeignete Dimensionierung kann das Pendeln zwischen einem Maximal-
und einem Minimalwert derart eingestellt werden, daß der Drehzahlabfall schneller
und der Wiederanstieg langsamer erfolgt.
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Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sich das Erreichen des
Grenzwertes markant durch das periodische Pendeln der Drehzahl bemerkbar macht.
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Schließlich liegt ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, daß bei
einem Elektrowerkzeug handelsübliche integrierte Schaltkreise verwendet werden können,
deren sogenannte "Soft-Start"-Einrichtung leicht so modifiziert werden kann, daß
sich die erfindungsgemäße
Wirkung einstellt. Es kann hierzu beispielsweise
ein integrierter Schaltkreis verwendet werden, wie er unter der Typenbezeichnung
TDA 1185 von der Firma Motorola im Handel ist.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist bei
einem Elektrowerkzeug der Stromaufnehmer als Meßwiderstand ausgebildet.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Stromventil
phasenanschnittgesteuert und der Stromaufnehmer ist eine Stufe zum Vergleich der
Phasenlage des Stromventils mit einer Bezugsphase.
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Diese letztgenannte Maßnahme hat den Vorteil, daß im Hauptstromkreis
kein Meßwiderstand erforderlich ist, der zu Leistungsverlusten führen kann.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung für ein
Elektrowerkzeug, bei der von einem Punkt in der Strecke vom Drehzahl-Sollwertpotentiometer
zum Stromventil ein RC-Glied zu einem Bezugspotential führt, wobei der Kondensator
des RC-Gliedes über den Ausgang des Komparators entladbar ist.
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Diese Ausführungsform der Erfindung ist deswegen besonders vorteilhaft,
weil sich die erfindungsgemäße Wirkung mit nur sehr wenigen zuverlässigen elektronischen
Bauelementen einstellt und als RC-Glied eine sogenannte "Soft-Start"-Einrichtung
verwenden läßt, wie sie bei manchen, im Handel befindlichen integrierten Schaltkreisen
zum Zwecke des weichen Hochlaufens nach Einschalten der Netzspannung ohnehin vorhanden
ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten
Zeichnung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein
Blockschaltbild zur Erläuterung eines allgemeinen Aspektes der Erfindung; Fig. 2
ein Drehzahl-Drehmoment-Diagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der
Erfindung bei einem elektromotorischen Antrieb; Fig. 3 einen vereinfachten Stromlaufplan
zur Erläuterung einer Ausführungsform für ein Elektrowerkzeug.
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In Fig. 1 bezeichnen 10 und 11 eine Energiequelle, beispielsweise
die Klemmen einer Stromversorgung.
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Mit 12 ist ein Verbraucher, beispielsweise ein Elektromotor, mit 13
ein Stellglied, beispielsweise ein Stromventil und mit 14 ein Meßaufnehmer, beispielsweise
ein Meßwiderstand angedeutet.
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Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht nur auf elektrische
Antriebe beschränkt ist, sondern vielmehr auch für allgemeine Einrichtungen zum
geregelten Betreiben eines Verbrauchers aus einer Energiequelle unter Berücksichtigung
eines Grenzwertes der zugeführten Energie verwendbar ist.
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Ein Sollwertgeber 15 wirkt auf einen Regler 16 und dieser auf das
Stellglied 13 ein. Vom Meßaufnehmer 14 führt eine Verbindung zu einem Eingang eines
Komparators 18, dessen anderer Eingang ein Grenzwerteingang 17 ist. Der Ausgang
des Komparators 18 führt über einen Abschwächer 19, auf dessen besondere Eigenheiten
weiter unten noch eingegangen wird, zu einem weiteren Eingang des Reglers 16.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung gemäß Fig. 1 ist wie folgt: In
Abhängigkeit von dem vom Sollwertgeber 15 auf den Regler 16 gegebenen Sollwert stellt
dieser das Stellglied 13 so ein, daß dem Verbraucher 12 eine bestimmte Energie zugeführt
wird, so daß der vorgegebene Sollwert erreicht wird. Gleichzeitig wird über den
Meßaufneh-
mer 14 und den Komparator 18 überwacht, ob der am Grenzwerteingang 17
anliegende Grenzwert erreicht oder gar überschritten wird. Ist dies der Fall, wird
der Abschwächer 19 betätigt, der derart auf den Regler 16 einwirkt, daß die Energiezufuhr
zum Verbraucher 12 vermindert oder abgeschaltet wird.
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Aufgrund der besonderen Eigenheit des Abschwächers 19 wird jedoch
der Einfluß des Reglers 16 nicht lediglich zu einer Abschwächung oder Abschaltung
der Energiezufuhr herangezogen, es wird vielmehr der Regler 16 derart beeinflußt,
daß die Abschwächung anstiegsverzögert wieder aufgehoben wird. Dies bedeutet, daß
zwar bei Erreichen des vorgegebenen Grenzwerts zunächst die Energiezufuhr vermindert,
dann jedoch, wenngleich mit einer vorgegebenen Anstiegsverzögerung, wieder erhöht
wird, so daß sich ein Pendelbetrieb einstellt, weil die Energiezufuhr jeweils bei
Erreichen des Grenzwertes wieder vermindert, anschließend jedoch anstiegsverzögert
wieder erhöht wird.
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Wenn der vorgegebene Grenzwert nicht mehr erreicht wird, weil entweder
der Sollwert am Sollwertgeber 15 vermindert wurde oder ein anderer Einfluß auf das
System sich verändert hat, stellt sich wieder ein kontinuierlicher Betrieb ein.
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Diese allgemeine Erläuterung soll nun anhand des Beispiels eines
Elektromotors näher vernschaulicht werden: Hierzu ist in Fig. 2 ein Drehzahl-Drehmomentdiagramm
eines Elektromotors dargestellt, man erkennt eine übliche Kurve 30, wonach die Drehzahl
mit zunehmendem Drehmoment entlang einer Hyperbel abnimmt.
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Infolge einer üblichen und allgemein bekannten Regelung ergeben sich
die bekannten Abschnitte 31 und 32 der Kennlinie bis zu einem Punkt 33. Nimmt nun
das Drehmoment weiter zu und die Drehzahl entsprechend ab, wird schließlich im Punkt
34 der Überlastpunkt erreicht. Dies kann beispielsweise bei einem Winkelschleifer
dann der Fall sein, wenn die mechanische Belastung auf die Scheibe so groß wird,
daß ein vorgegebener Grenzwert des Ankerstroms überschritten wird.
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In diesem Fall wird bei einer Schaltung gemäß Fig. 1 über den als
Meßwiderstand ausgebildeten Meßaufnehmer 14 und den Komparator 18 das Erreichen
eines Strom-Grenzwertes erkannt und über den Abschwächer 19 der Regler 16 so beeinflußt,
daß ein als Stellglied 13 vorgesehenes Stromventil in Sperrichtung beaufschlagt
wird. In Fig. 2 äußert sich dies durch den Kurvenzug zwischen den Punkten 34, 35
und 33, der eine schraffiert eingezeichnete Fläche 36 umschreibt. Im Punkt 35 ist
die Anstiegsverzögerung des Abschwächers 19 abgelaufen und das als Stellglied 13
wirkende Stromventil wird zunehmend wieder geöffnet.
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Demzufolge stellt sich ein Pendeln des Stromes und der Drehzahl zwischen
den Punkten 33, 34 und 35 ein, was auch vom Benutzer, zum Beispiel eines Winkelschleifers,
sofort erkannt wird.
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Erst wenn das Drehmoment entsprechend vermindert wurde, stellt sich
wieder ein geregelter Betrieb auf den Abschnitten 31 und 32 in Fig. 2 ein.
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Ein praktisches Ausführungsbeispiel einer Schaltung, wie sie im Rahmen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in Fig. 3 dargestellt.
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Man erkennt einen Elektromotor 40, der in Reihe mit einem Triac 41
und einem Meßwiderstand 42 zwischen einer Plusleitung 43 und einer Minusleitung
44 angeordnet ist. Zwischen diesen Leitungen 43 und 44 liegt auch ein Potentiometer
45, das als Drehzahl-Sollwertgeber
dient. Der Abgriff des Potentiometers
45 führt zur Basis eines ersten Transistors 46, dessen Emitter mit der Basis eines
zweiten Transistors 47 verbunden ist. Vom Emitter des zweiten Transistors 47 führt
ein Spannungsteiler 48,49 zur Plusleitung 43. Der Abgriff des Spannungsteilers 48,49
ist mit einem Eingang eines ersten Komparators 50 verbunden, dessen weiterer Eingang
51 mit einem sägezahnförmigen Signal 52 beaufschlagt ist Ferner ist ein zweiter
Komparator 60 vorgesehen, dessen einer Eingang am Verbindungspunkt von Triac 41
und Meßwiderstand 42 liegt und dessen anderer Eingang vom Mittelabgriff eines Spannungsteilers
61, 62 gespeist wird, der zwischen den Leitungen 43, 44 liegt.
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Der Ausgang des zweiten Komparators 60 führt über antiparallel geschaltete
Dioden 64, 65 zur Basis des zweiten Transistors 47, die weiterhin über einen Widerstand
66 mit der Plusleitung 43 verbunden ist. Die gegenüberliegende Elektrode der antiparallel
geschalteten Dioden 64, 65 und damit auch der Ausgang des zweiten Komparators 60
sind über einen Kondensator 63 mit der Minusleitung44 verbunden.
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Die Wirkungsweise der Schaltung gemäß Fig.3 ist wie Folgt: Abgesehen
von den Elementen 60 bis 66 handelt es sich um eine übliche Schaltung zum Regeln
der Drehzahl des Elektromotors 40, weil über das Potentiometer 45 und die Transistoren
46, 47 an den einen Eingang des ersten Komparators 50 eine feste Bezugsspannung
gelegt wird, die ständig mit dem sägezahnförmigen Signal 52 verglichen wird. Je
nach Größe dieser Bezugsspannung schaltet der Komparator 50 bei einer früheren oder
späteren Phasenlage des sägezahnförmigen Signals 52 für ein kürzeres oder längeres
Phasenintervall durch und zündet den Triac 41.
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Die Elemente 63 bis 66 sind an sich ebenfalls bekannt und werden
als "Soft-Start"-Einrichtung bezeichnet. Sie dienen dazu, sicherzustellen, daß nach
Einschalten des Netzes der Elektromotor 40 nicht sofort mit einer endlichen Phase
angesteuert wird, sondern vielmehr langsam hochläuft. Hierzu ist die Reihenschaltung
des Kondensators 63 mit der Diode 64 und dem Widerstand 66 vorgesehen, weil bei
abgeschaltetem Netz der Kondensator 63 zunächst entladen ist und damit den Emitter
des ersten Transistors 46 auf niedrigem Potential festklemmt. Erst nach Ablauf eines
durch die Zeitkonstante der Elemente 63/66 festgelegten Anstiegsintervalls arbeitet
die Schaltung "normal" und die Spannung des Potentiometers 45 wird in der oben beschriebenen
Weise dem ersten Komparator 54 zugeleitet.
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Im Falle eines Abschaltens des Netzes sorgt die Diode 65 für eine
schlagartige Entladung des Kondensators 63, so daß nach erneutem Einschalten des
Netzes in jedem Fall der Motor 40 wieder langsam hochläuft.
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Die Erfindung macht sich nun diese Elemente 63 bis 66 dadurch zunutze,
daß die "Soft-Start"-Einrichtung auch zur Regelung im Falle des Erreichens eines
Grenzwertes benutzt wird.
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Wird nämlich am Meßwiderstand 42 erkannt, daß der Ankerstrom den
durch den Spannungsteiler 61, 62 vorgegebenen Grenzwert erreicht hat, schaltet der
zweite Komparator 60 durch und entlädt den Kondensator 63.
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Hierdurch wird die Drehzahl des Elektromotors 40 schlagartig zurückgenommen,
steigt dann jedoch, verzögert um die Zeitkonstante der Elemente 63/66 wieder langsam
an. Dies ergibt das periodische Pendeln um die in Fig. 2 mit 36 bezeichnete Fläche.
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