DE3536416A1 - Steuereinrichtung fuer den einem gleichstrommotor, insbesondere eines werkzeuges, wie eines schraubendrehers oder einer kartuschenpistole zuzufuehrenden strom - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung für den einem Gleichstrommotor, insbesondere eines Schrauben­ drehers, aus einer Gleichstromquelle mit kleiner Betriebsspannung in Form von Rechteckimpulsen zuzuführenden Strom, bestehend aus einer zwischen dem Motor und der Stromquelle geschalteten Leistungsstufe und einer einen Sägezahn- generator aufweisenden Steuerstufe, deren Ausgang über einen Komparator mit dem Eingang der Leistungsstufe verbunden ist, wobei das Tastverhältnis der von der Steuer­ stufe an die Leistungsstufe gelieferten Rechteckimpulse an dem Komparator einstellbar ist.

Für den Antrieb von Werkzeugen, z.B. Schraubendreher, werden elektrische Antriebe mit stufenloser Drehzahlein­ stellung verlangt. Dazu eignen sich Gleichstrom-Permanent­ magnetmotore, die mit einer vergleichsweise geringen Be­ triebsspannung ab etwa 1,5 Volt auskommen. Als Gleich­ stromquelle kommen deshalb Block- und Stabbatterien in Betracht.

Problematisch bei solchen Antrieben ist der Anlauf. Sofern nämlich das Tastverhältnis der Steuerstufe auf niedrige Drehzahl eingestellt ist, ist die Energiezufuhr für den immer einen höheren Strom benötigenden Anlauf zu klein. Eine Veränderung des Tastverhältnisses nur für den Anlauf ist zwar theoretisch möglich, praktisch aber nicht geeignet, weil unmittelbar nach dem Anlauf der Motor dann mit einer nicht gewünschten zu hohen Drehzahl laufen würde.

Bei einer bekannten Steuereinrichtung (DE-AS 14 38 792) wird einem Gleichstrommotor zum Zwecke des besseren Anlaufens kurzzeitig ein höherer Strom zugeführt, als für den späteren stationären Betrieb notwendig ist. Bei dieser Steuereinrichtung erfolgt die Stromzufuhr zu dem Gleichstrommotor über einen elektronischen Schalter, der von einem Zweipunktregler gesteuert wird. Der Regler erhält einen aus der Summe von einem vorgegebenen Grundsollwert und einem Zusatzsollwert gebildeten Sollwert. Der Zusatzsollwert wird gebildet in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Grundsollwert und einer am elektronischen Schalter anstehenden Spannung derart, daß das Schaltelement auch bei erhöhtem Anfahrstrom nicht überlastet wird. Durch die Abhängigkeit des Zusatzsollwertes von dem Spannungsmittelwert am elektronischen Schaltelement wird die angestrebte lastabhängige Stromregelung des Motors erreicht, bei der der Zusatzsollwert automatisch auf den Grundsollwert zurück­ geführt wird. Diese Art der Regelung wirkt also nicht zeitabhängig, sondern ausschließlich lastabhängig.

Bei einem anderen bekannten Antrieb für einen elektromotorisch angetriebenen Handschrauber oder Handbohrer mit elektronischer Drehzahleinstellung ist keine "Anlaufhilfe" vorgesehen (DE-OS 3 14 435). Bei diesem Antrieb erhält der Motor über einen elek­ tronischen Schalter, der von einem Oszillator angesteuert wird, Rechteckimpulse. Über das Tastverhältnis dieser Rechteckimpulse läßt sich die Drehzahl einstellen.

Darüber hinaus besteht auch häufig, zum Beispiel bei einem Schraubendreher oder einer Kartuschenpistole, die Forderung, nach Anlauf des Motors ihn für eine gewisse Zeit mit maximaler Geschwindigkeit laufenzulassen und erst dann auf die gewünschte Drehzahl herunterzuschalten. Man will auf diese Art und Weise schnell die Phase durchfahren, in der der Motor nicht oder nur geringfügig belastet ist. Bei einem Schraubendreher ist das die Phase bis zum festen Anziehen der Schraube und bei einer Kartuschenpistole die Phase, bis der Druck- stempel den Kartuschenboden erreicht.

Beim Hauptpatent wird das sichere Anlaufen des Motors und das Laufen des Motors mit erhöhter Drehzahl für eine vorgegebene Zeit unmittelbar nach dem Anlaufen dadurch erreicht, daß der Komparator von einem an der Stromquelle über ein Zeitglied angeschlossenen Signalgeber für eine vom Zeitglied abhängige Zeit unmittelbar nach Anschluß an die Stromquelle ein Signal erhält, durch das der Komparator die Leistungsstufe für die Dauer des Signals auf ein Tastverhältnis für maximale Leistungsaufnahme einstellt.

Bei dieser Steuereinrichtung wird also für die Zeit des Anlaufs die Ansteuerung der Leistungsstufe durch die Steuerstufe überspielt von der Ansteuerung der Leistungsstufe durch den Signalgeber. Die Zeitkonstante des Zeitgliedes wird so eingestellt, daß in jedem Fall ein sicherer Anlauf ohne Überhöhung der Drehzahl gegenüber der eingestellten Drehzahl gewährleistet ist. Es ist möglich, für die Zeit des Anlaufs den Motor ohne Pausen an die Stromquelle anzuschließen.

Über die Einstellung der Zeitkonstante des Zeitgliedes ist es im Bedarfsfall aber auch möglich, nicht nur den Motor anlaufen zu lassen, sondern ihn für eine bestimmte Zeit mit höherer Drehzahl laufen zu lassen. Diese Forderung kann - wie bereits ausgeführt - bestehen, wenn der Motor für einen Vorschubantrieb benötigt wird und ein dem Arbeitshub vorgeschalteter Leerhub durchfahren werden soll.

Beim Gegenstand des Hauptpatentes ist es erforderlich, die Zeit des schnellen Vorlaufes am Zeitglied einzustellen. Dies bedeutet, daß die Bedienungsperson abschätzen muß, wieviel Zeit für den schnellen Vorlauf benötigt wird. Sowohl die Abschätzung als auch die Einstellung der Zeit am Zeitglied ist exakt kaum möglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Gegenstand des Hauptpatentes dahingehend weiterzubilden, daß nicht nur ein sicherer Anlauf gewährleistet ist, sondern daß die Phase der geringen Motorbelastung automatisch mit höherer Drehzahl durchfahren wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Signalgeber, dessen Eingang ein vom Motorstrom abhängiges Signal erhält, nach Anschluß an die Stromquelle bis zum Erreichen eines bestimmten Motorstrompegels an den Komparator oder an die ihm nachgeschaltete Leistungsstufe ein Signal liefert, durch das der Komparator mit der nachgeschalteten Leistungsstufe oder nur die Leistungsstufe auf ein Tastverhältnis für maximale Leistung ein­ gestellt wird.

Wie beim Gegenstand des Hauptpatentes wird auch beim Gegenstand des Zusatzpatentes nach Anschluß der Steuereinrichtung an die Stromquelle die Ansteuerung des Motors von der Steuerstufe aus mit Impulsen blockiert und statt dessen dem Motor ein konstanter Strom zugeführt. Während beim Gegenstand des Hauptpatentes die Zeit für die Anlaufphase und schnelle Vorlaufphase von der Einstellung des Zeitgliedes abhängt, paßt sie sich beim Gegen­ stand des Zusatzpatentes an die Stromaufnahme des Motors an. Erst wenn der Motor belastet wird, was in einer erhöhten Stromaufnahme sich bemerkbar macht, wird der Signalgeber umgesteuert und läßt die Steuerstufe wieder wirksam werden, so daß der Motor mit mehr oder weniger langen Stromimpulsen versorgt wird.

Vorzugsweise weist wie beim Gegenstand des Hauptpatentes der Signalgeber einen Komparator auf, an dessen einem Eingang eine konstante Spannung und an dessen anderem Eingang eine vom Motorstrom abhängige Spannung anliegt. Zwischen dem Eingang des der Leistungsstufe vorgeschalteten Komparators oder dem Eingang der Leistungsstufe einerseits und dem Ausgang des Signalgebers andererseits kann ein Schalter, insbesondere ein Transistor liegen, über den für die Zeit eines kleinen Stromes nach Anschluß an die Stromquelle ein konstantes Eingangssignal erzeugt wird. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird mit einfachen Mitteln die Ansteuerung der Leistungsstufe durch die Steuerstufe überspielt.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Ausgang des Signalgebers einen Thyristor auf, der erst bei Erreichen des bestimmten Motorstrompegels gezündet wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht auf einfache Art und Weise nach Erreichen des Motorstrompegels die Beibehaltung der Ansteuerung der Leistungs­ stufe ausschließlich durch die Steuerstufe auch dann, wenn der Motorstrom wieder unter den bestimmten Pegel fällt. Nach dem Anlaufen und schnellen Vorlauf wird also durch den Signalgeber die übrige Steuereinrichtung in ihrer Funktion nicht mehr einge­ schränkt.

Damit beim Einsatz eines Thyristors dieser nicht bereits bei der erhöhten Stromaufnahme beim Anlaufen gezündet wird und den schnellen Vorlauf dann nicht mehr erlaubt, ist weiter vorgesehen, am Gate des Thyristors ein RC-Glied zur Unterdrückung von kurzen Steuerimpulsen anzuschließen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild der Steuereinrichtung und

Fig. 2 ein Diagramm mit den Signalen an verschiedenen markanten Punkten der Steuereinrichtung.

An den Polen O,+U _B einer Gleichstromquelle ist ein Sägezahngenerator 1, eine Steuerstufe 2, eine Leistungsstufe 3 mit einem Gleichstrompermanentmagnetmotor 4 und ein Signalgeber 5 angeschlossen. Der Gleichstrompermanentmagnetmotor 4 erhält rechteckförmige Stromimpulse, deren Tastverhältnis zur Einstellung der Drehzahl des Motors 4 einstellbar ist.

Der Sägezahngenerator 1 weist zwei NPN-Operationsverstärker OP 1 und OP 2 auf, von denen der eine Operationsverstärker OP 1 als Integrator und der andere Operationsverstärker OP 2 als Komparator geschaltet sind. Die Frequenz der am Ausgang des Operationsver­ stärkers OP 1 anstehenden Sägezahnspannung hängt von der Größe des zwischen diesem Ausgang und dem Minuseingang des Operationsver­ stärkers OP 1 geschalteten Kondensators C 1 ab. Als geeignet für den Betrieb eines Gleichstrompermanentmagnetmotors 4 hat sich eine Frequenz zwischen 3000 und 4000 Hertz erwiesen.

Die Sägezahnspannung des Sägezahngenerators 1, deren Zähne eine ansteigende und abfallende Flanke haben, wie das Diagramm a in Fig. 2 zeigt, wird auf den Minuseingang eines als Komparator geschalteten Operationsverstärkers OP 3 gegeben. Am Pluseingang liegt eine im Spannungspegel einstellbare Spannung, die durch Abgriff an einem an den Polen der Stromquelle angeschlossenen Spannungsteiler P 1 gewonnen wird. Der als Komparator arbeitende Operationsverstärker OP 3 liefert Rechteckimpulse konstanter Amplitude aber unterschiedlicher Dauer. In Abhängigkeit von dem am Spannungsabgriff P 1 eingestellten Spannungspegel haben die Rechteckimpulse kurze oder lange Dauer, wie die Diagramme b und c der Fig. 2 zeigen.

Für die Dauer eines positiven Ausgangssignals des Operations­ verstärkers OP 3 wird der Transistor T 1 durchgeschaltet. Gleich­ zeitig werden auch der Verstärkungstransistor T 2 durchgeschaltet und der Leistungstransistor T 3. Der Gleichstrompermanentmotor 4 wird dann mit einem Gleichstromimpuls versorgt. Die zum Motor 4 antiparallel geschaltete Diode D 1 dient zum Schutz vor Überspannungen beim Abschalten des Stromes am Ende eines jeden Impulses. Über Veränderung des Spannungspegels am Abgriff P 1 läßt sich bei konstanter Frequenz somit das Tastverhältnis der Rechteckimpulse und damit auch die dem Motor 4 zugeführte Leistung verändern, um eine gewünschte Drehzahl zu erhalten.

Damit der Motor 4 auch bei einem für eine kleine Drehzahl einge­ stellten kleinen Tastverhältnis den für den Anlauf und für einen schnellen Vorlauf bei geringer Motorbelastung erforderlichen Strom ohne Änderung der Einstellung des Spannungspegels am Abgriff P 1 erhält, wird von einem Signalgeber 5 der Transistor T 2 der Leistungsstufe 3 ganz durchgeschaltet. Die an seinem Eingang an­ stehenden Steuerimpulse werden auf diese Art und Weise überspielt. Dies geschieht dadurch, daß der Eingang des Transistors T 2 durch einen Transistor T 4 auf Massepotential gelegt wird.

Der Transistor T 4 ist mit dem Ausgang des Signalgebers 5 verbunden. Der Signalgeber 5 weist einen als Komparator geschal­ teten Operationsverstärker OP 4 auf, an dessem Minuseingang eine konstante Spannung liegt, die an einem an den Polen +U _B und O der Stromquelle angeschlossenen Spannungsteiler R 1, R 2 abgegriffen wird. An dem Pluseingang des Operationsverstärkers OP 4 liegt eine veränderliche Spannung an, die am Basisemitterswiderstand R 3 des im Motorstromkreis liegenden Leistungstransistors T 3 abgegriffen wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP 4 ist über einen Vorwiderstand R 4 mit dem Gate eines Thyristors TH verbunden, der in Reihe mit einem Widerstand R 5 an den Polen +U _B , O der Stromquelle liegt. Am Gate des Thyristors TH ist ein RC-Glied angeschlossen, das kurzzeitige Spannungsimpulse des Operationsverstärkers OP vom Gate fernhält.

Der Signalgeber arbeitet auf folgende Art und Weise:
Nach dem Einschalten und in der Vorlaufphase zieht der Motor 4 einen kleinen Strom. Der Spannungsabfall am Emitterwiderstand R 3 ist entsprechend klein. Der Wert des Widerstandes R 3 ist so ge­ wählt, daß in dieser Phase das auf dem Pluseingang des Operations­ verstärkers OP 4 geleitete Signal kleiner als das am Minuseingang anliegende Signal ist. Der Operationsverstärker OP 4 liefert deshalb kein Ausgangssignal. Das bedeutet, daß der Thyrister TH nicht stromleitend ist und das Signal an der Basis des Transistors T 4 den Transistor T 4 durchgeschaltet hält. Erst wenn der Motor belastet wird und einen derart großen Strom zieht, daß das Signal am Pluseingang des Operationsverstärkers OP 4 größer als das Signal am Minuseingang wird, erhält der Thyristor TH vom Operations­ verstärker OP 4 einen Steuerimpuls. Nach Durchschalten des Thyristors TH springt das Signal an der Basis des Transistors T 4 auf einen positiven Wert, so daß der Transistor T 4 gesperrt wird. Von diesem Zeitpunkt an wird die Basis des Transistors T 2 wieder mit den von der Steuerstufe T 2 gelieferten Impulsen versorgt. Selbst wenn jetzt der vom Motor 4 gezogene Strom abfällt, hat das keinen Einfluß auf die Ansteuerung des Transistors T 4, denn der einmal gezündete Thyristor TH bleibt unabhängig von seinem Eingangssignal durchgeschaltet.

Damit unmittelbar nach Anschluß des Motors an die Stromquelle, wenn also der Motor einen erhöhten Strom zieht, der Thyristor TH nicht gezündet wird, ist am Gate des Thyristors TH eine RC-Kombination angeschlossen, die einen ersten Steuerimpuls des Operations­ verstärkers OP 4 unterdrückt. Das bedeutet, daß nur bei länger andauerndem Ausgangssignal des Operationsverstärkers OP 4 der Thyristor TH gezündet wird.

Claims (5)

1. Steuereinrichtung für den einem Gleichstrommotor, insbesondere eines Schraubendrehers, aus einer Gleichstrom­ quelle mit kleiner Betriebsspannung in Form von Rechteck­ impulsen zuzuführenden Stromes, bestehend aus einer zwischen dem Motor und der Stromquelle geschalteten Leistungsstufe und einer Steuerstufe mit einem Komparator, der eingangs­ seitig mit einem Sägezahngenerator und ausgangsseitig mit der Leistungsstufe verbunden ist, wobei das Tastverhältnis der von der Steuerstufe an die Leistungsstufe gelieferten Rechteckimpulse an dem Komparator einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signalgeber (5) dessen Eingang ein vom Motorstrom abhängiges Signal erhält, nach Anschluß an die Stromquelle (+U _B , O) bis zum Erreichen eines bestimmten Motorstrompegels an den Komparator (OP 3) oder die ihm nachgeschaltete Leistungs­ stufe 3 ein Signal liefert, durch das der Komparator (OP 3) mit der nachgeschalteten Leistungsstufe 3 oder nur die Leistungsstufe 3 auf ein Tastverhältnis für maximale Leistung eingestellt wird.

2. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber (5) einen Komparator (OP 4) aufweist, an dessen einem Eingang eine konstante Spannung und an dessen anderem Eingang eine vom Motorstrom abhängige Spannung anliegt.

3. Steuereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Eingang des der Leistungsstufe 3 vorgeschalteten Komparators (OP 3) oder dem Eingang der Leistungsstufe 3 einerseits und dem Ausgang des Signalgebers (5) andererseits ein Schalter (T 4) liegt, über den für die Zeit eines kleinen Stromes nach Anschluß an die Stromquelle (+U _B , O) ein konstantes Eingangssignal erzeugt wird.

4. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Signalgebers (5) einen Thyrister (TH) aufweist, der erst bei Erreichen des bestimmten Motorstrompegels gezündet wird.

5. Steuereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gate des Thyristors (TH) ein RC-Glied (RC) zur Unterdrückung von kurzen Steuerimpulsen angeschlossen ist.