DE4100611A1 - Regeleinrichtung zur regelung der motordrehzahl und der schneidefadennachfuehrung eines rasentrimmers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung zur Regelung der Motordrehzahl und der Schneidefadennachführung eines Rasen­ trimmers, bei dem ein elektrischer Antriebsmotor, ein rotieren­ des Schneidewerkzeug antreibt, welches durch seine Rotation einen an seiner Peripherie austretenden Schneidefaden strafft und rotieren läßt, wobei die Länge des Schneidefadens, bedingt durch Abnutzung seines freien Endes nachgeführt wird.

Bei solchen bekannten Rasentrimmern ist es bislang üblich ge­ wesen die Motordrehzahl einerseits und die Länge des Schneide­ fadens andererseits von Hand einzustellen.

Zum Antrieb eines solchen Rasentrimmers werden bevorzugt netz­ gespeiste Asynchronmotoren eingesetzt, bei denen sich die Motor­ drehzahl über den Motorstrom einstellen läßt.

Um die Lärmbelastung für die Umwelt möglichst gering zu halten ist es wünschenswert, die maximale Drehzahl nach oben bei z. B. 6000 Umdrehungen pro Minute zu begrenzen.

Damit bei der begrenzten Drehzahl die Leistung des Antriebs­ motors nicht unerwünscht absinkt, ist es erwünscht, die Motor­ leistung bei dieser Solldrehzahl zu regeln.

Ferner ist es wünschenswert, die Länge des Schneidefadens, der sich durch Abnutzung verkürzt, automatisch konstant zu halten oder auf eine Länge zu regeln, die in einer definierten Ab­ hängigkeit von der Motordrehzahl steht.

Da eine kombinierte Regeleinrichtung für die Schneidfadenlänge und die Motordrehzahl in einem Rasentrimmer eingebaut werden soll, ist es wünschenswert, daß diese Regeleinrichtung platz­ sparend und kostengünstig ausgeführt werden kann.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine Regeleinrichtung zur Regelung der Motordrehzahl und der Schneidfadennachführung eines Rasentrimmers so zu ermöglichen, daß eine platzsparende, kostengünstige und auf die Einsatzbedingungen eines Rasentrim­ mers angepaßte Schaltung ermöglicht wird.

Insbesondere soll auch ein mehrstufiger Motorbetrieb, d. h. mit mehreren geregelten Drehzahlstufen möglich sein.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch
eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines der Istmotor­ stromstärke entsprechenden Signals;
einen ersten Regelkreis, der abhängig von dem erfaßten Signal, wenn dieses eine erste vorgegebene Bedingung erfüllt, die Motor­ drehzahl bei einem gewünschten Sollwert konstant hält, und
einen zweiten Regelkreis, der ebenfalls abhängig von dem er­ faßten Signal, wenn dieses die erste vorgegebene Bedingung nicht erfüllt, eine Fadenspule zur Nachführung des Schneide­ fadens veranlaßt.

Dieser Lösung liegt folgendes Prinzip zugrunde: Der Antriebsmotor nimmt bei einer gewünschten Drehzahl, rich­ tiger Schneidefadenlänge und gegebener Belastung einen defi­ nierten Strom auf, beispielsweise im Leerlauf die Leerlauf­ stromstärke. Wird der Motor durch Schneidearbeit belastet, so steigt der Strom an.

Drehmoment, Motorstrom und Drehzahl stehen bei üblichen netz­ gespeisten Antriebsmotoren in definierter Abhängigkeit. Der bei Motorbelastung bewirkte Stromanstieg wird zur Regelung der Drehzahl genutzt.

Umgekehrt fällt der Motorstrom bei Abnutzung der Schneidefaden­ länge bei definierter Belastung des Antriebmotors ab. Dieser Abfall wird zur Auslösung der Nachführautomatik für die Schnei­ defadennachführung genutzt. Dieses Prinzip hat den Vorteil, daß an einem einzigen Meßfühler, der z. B. ein Shunt-Widerstand sein kann, der Istwert für beide Regelkreise abgreifbar ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vorbestimmte Drehzahl­ stufen vor.

In diesem Fall ändert sich natürlich der Schwellwert der für die Regelung auf die jeweilige Drehzahl maßgeblichen Motor­ stromstärke in einer von den jeweiligen Motorparametern ab­ hängenden Weise.

Bevorzugt ist der erste Regelkreis parallel zum zweiten Regel­ kreis ausgeführt.

Die Schneidefadenlänge kann entweder unabhängig von der Drehzahl auf einen konstanten Sollwert nachgeführt werden oder abhängig von der Drehzahl des Antriebmotors.

In einer vorteilhaften Ausbildungsform der Erfindung speichert ein zu einem Mikroprozessor gehörender Festwertspeicher Kenn­ felder, welche die Abhängigkeit der Motordrehzahl und des Motor­ stroms vom Drehmoment an der Motorwelle angeben. In dem Falle, wo die Schneidefadenlänge von der Motordrehzahl abhängig ge­ regelt werden soll, speichert der genannte Festwertspeicher auch eine Charakteristik dieser Abhängigkeit. Die erfindungs­ gemäße Regeleinrichtung ist bevorzugt als eine digitale Regel­ einrichtung ausgeführt, welche die dem Motorstromistwert ent­ sprechende Größe als digitales Signal I erhält.

Eine solche, auf Kennfeldern basierende Regelung führt die Regelung der Drehzahl des Motors sowie der Schneidefadennach­ führung auf der Grundlage des erfaßten Motorstroms nur in vor­ gegebenen Zeitabschnitten oder Zeitpunkten durch, während zu allen übrigen Zeiten die Regelung auf der Basis der gespeicher­ ten Kennfelder erfolgt.

Die zuletzt genannte Ausführungsart stellt eine besonders flexi­ ble Regeleinrichtung dar, da die im Festwertspeicher gespeicher­ ten Kennfelder abhängig von den Betriebsgrößen des Rasentrimmers sind und sich an verschiedene Rasentrimmertypen anpassen lassen, indem einfach der Festwertspeicher mit den darin enthaltenen Kennfeldern ausgetauscht wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Strom-Drehzahl-Kennlinien eines Asynchronmotors ab­ hängig vom Motordrehmoment M;

Fig. 2 die erfindungsgemäße Regeleinrichtung in einer ersten Ausführungsart;

Fig. 3 die erfindungsgemäße Regeleinrichtung in einer zweiten Ausführungsart;

Fig. 4 beispielhaft die Abhängigkeit der Schneidefadenlänge von der Motordrehzahl;

Fig. 5 die erfindungsgemäße Regeleinrichtung in einer dritten Ausführungsart;

Bevor nun anhand der Fig. 2 bis 5 verschiedene Ausführungs­ arten der Erfindung beschrieben werden, wird das Erfindung zugrunde liegende Prinzip anhand der Fig. 1 erläutert.

Fig. 1 zeigt Drehzahl-Drehmoment und Motorstrom-Drehmoment­ kennlinien eines üblichen als Antriebsmotor verwendeten Asyn­ chronmotors. Es sind beispielhaft die n-, I_m-, M-Kennlinien eines Asynchronmotors bei Ständerspannungssteuerung dargestellt.

Bei definierter Belastung, beispielsweise, wenn der Rasentrimmer im Leerlaufzustand ist, liegt ein bestimmtes Lastdrehmoment M₀ vor. Bei diesem Leerlauflastmoment M₀ und bei gegebener Dreh­ zahl n₀ fließt ein bestimmter Motorstrom Im₀. Bei Belastung des Motors steigt der Motorstrom I_m entlang der Stromkurve A auf einen Wert Im₁ an. Gleichzeitig sinkt die Drehzahl n auf einen Wert n₁ längs der Kurve L ab.

Die Stromvergrößerung auf Im₁ wird für den Einsatz der Dreh­ zahlregelung beispielsweise durch eine Erhöhung der Ständer­ spannung verwendet. Danach ergibt sich ein neuer Arbeitspunkt beim Schnittpunkt der Kurven B und L′, bei der der Antriebsmotor das Drehmoment M¹ aufbringen kann. Wenn sich nun die Schneide­ fadenlänge durch Abnutzung wiederum im Leerlaufzustand, also bei den Parametern M₀, I₀ und N₀ verkürzt, fällt der Motorstrom ab, da sich das Drehmoment verringert. Wenn eine solche Ver­ ringerung des Motorstroms bei einem bestimmten Arbeitspunkt, beispielsweise im Leerlaufzustand erfaßt wird, wird die Nach­ führautomatik für den Schneidefaden ausgelöst.

Dieses Prinzip kann vorteilhafterweise noch dahingehend abge­ wandelt werden, daß eine stufenweise Einstellung von Drehzahlen, d. h. definierten Arbeitspunkten im n-, Im und M-Feld vorgesehen wird. Für jeden dieser Arbeitspunkte liegt dann ein definierter Schnittpunkt der n- und Im-Kennlinien vor.

Nun wird anhand der Fig. 2 eine erste Ausführungsart der Er­ findung erläutert. Zwischen Netzspeiseklemmen E₁ und E₂ liegt der Motorstromkreis, der einen Antriebsmotor M, einen Strom­ steller 11 und einen Meßwiderstand 12 umfaßt. Der Motor M ist beispielsweise ein herkömmlicher, für Kleinmaschinenantriebe verwendeter Asynchronmotor. Der Stromsteller 11 enthält bei­ spielsweise einen Steuertriac. Am Meßwiderstand 12 wird der Istwert I_m ist des Motorstroms abgegriffen, in einem Verstärker 13 verstärkt und jeweils einem Regler 14 und 15, letzterem über einen Vergleicher 20 zugeführt. Ferner erhalten die Regler 14 und 15 jeweils Sollwertsignale S₁ und S₂, die Solldrehzahl und die Sollschneidefadenlänge betreffend. Der Regler 14 er­ mittelt eine Soll-Istwertdifferenz zwischen dem Istwertsignal I und dem Drehzahlsollwert S₁ und erzeugt ein der Regelabwei­ chung entsprechendes Signal, welches einem Impulsgenerator 16 eingegeben wird, der Steuerimpulse zum Ansteuern des Strom­ stellers 11 erzeugt.

Das Istwertsignal I wird in dem Vergleicher 20 mit einem dem vorgegebenen Stromschwellenwert I₀ entsprechenden Referenzwert verglichen, und beim Unterschreiten dieses Referenzwerts dem zweiten Regler 15 zugeführt; dieser erzeugt zwischen diesem zugeführten Wert und dem Sollwert S₂ eine Regelabweichung, die einem Stellglied 17 zur Ansteuerung einer Schneidefadennachführ­ automatik 19 eingegeben wird.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsart der erfindungs­ gemäßen Regeleinrichtung ist jeweils ein Drehzahlsollwert S₁ und getrennt davon ein Sollwert S₂ für die Schneidefadenlänge vorgebbar.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ermöglicht die Vorgabe von mehreren, insbesondere zwei Drehzahlsollwerten S₁′ und S₂′. Diese werden einem mit 30 bezeichneten Mehrfach-Ver­ gleicher eingespeist, welcher zwei Ausgangssignale liefert, welche jeweils den Reglern 24 und 25 zugeführt werden.

Die Fig. 4 zeigt eine definierte Abhängigkeit der Schneide­ fadenlänge F von der Drehzahl n. Hier ist die Schneidefadenlänge F in einem bestimmten Längenbereich umgekehrt proportional zur Motordrehzahl n zwischen den Drehzahlwerten n′ und n′′.

Eine solche funktionale Abhängigkeit der Schneidefadenlänge F von der Motordrehzahl n läßt sich durch die Vergleichscharak­ teristik des Mehrfachvergleichers 30 gemäß Fig. 3 berücksich­ tigen.

Die Komponenten des Motorstromkreises zwischen den Netzspeise­ klemmen E1 und E2 sowie die sonstigen Komponenten des Drehzahl­ regelkreises sowie des Schneidefadennachführregelkreises sind dieselben wie in Fig. 2 und mit denselben Bezugsziffern be­ zeichnet. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen werden diese Komponenten und ihre Funktion nicht noch einmal erläutert.

Fig. 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsart der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung. Das dem gemessenen Motor­ strom Istwert I_m ist entsprechende Signal wird durch einen Ana­ log/Digital-Wandler 41 in ein entsprechendes Digitalsignal I′ umgesetzt. Das digitale Istwert Signal I′ wird einem Mikro­ prozessor 40 über eine Schnittstelle INT 1 eingegeben. Über dieselbe Schnittstelle erhält der Mikroprozessor 40 verschiedene digitale Sollwert Signale S′₁, S′₂, S′₃ durch einen Sollwert­ steller 42.

Der Mikroprozessor weist einen Festwertspeicher ROM auf, in dem Kennfelder gespeichert sind, die Motorkennlinien gemäß Fig. 1, die Regelkennwerte sowie gegebenenfalls die funktionale Abhängigkeit der Schneidefadenlänge F von der Motordrehzahl n angeben.

Die Erfassung des Istwerts I_m ist des Motorstroms I_m erfolgt in z. B. regelmäßigen Zeitintervallen. Der vom Mikroprozessor aufgenommene, diesem Strom Istwert I_m ist entsprechende digitale Wert I′ wird in der CPU des Mikroprozessors mit jeweiligen Referenzwerten entsprechend I₀ und I₁ sowie mit vorangegangenen Meßwerten verglichen und eine schnelle Interpolation des wei­ teren Verlaufs der Iststromstärke des Motorstroms berechnet. Mit diesen jeweils interpolierten Stromwerten werden die ge­ speicherten Kennfelder angesteuert um eine Kennfeldregelung auf der Basis dieser gespeicherten Kennfelder durchzuführen. Der Mikroprozessor 40 gibt entsprechende Stellsignale zur Ein­ stellung der Drehzahl und der Schneidefadenlänge über ein Aus­ gabe-Interface INT 2 aus.

Die in Fig. 5 gezeigte und zuletzt beschriebene Ausführungsart hat den besonderen Vorteil, daß sie eine weitgehend flexible Regeleinrichtung ermöglicht, bei der durch Auswechseln des Festwertspeichers ROM die zugrundeliegenden Kennfelder und die Regelcharakteristika austauschbar und an jeweilige Betriebs­ parameter anpaßbar sind.

Obwohl bei allen beschriebenen Ausführungsarten der Erfindung beispielhaft eine Ständerspannungssteuerung eines netzgespeisten Asynchronmotors zugrundegelegt wurde, ist die vorliegende Er­ findung nicht darauf beschränkt.

Je nach verwendetem Antriebsmotor läßt sich die Regelung der Motordrehzahl auch über eine Frequenzsteuerung mittels eines Thyristorstromrichters durchführen. Diese Steuerungsart arbeitet vorteilhafterweise im U/f = const-Bereich und ermöglicht eine besonders verlustarme Steuerung.

In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Stromsteller 11 über eine Pulsdauermodulationseinrichtung angesteuert wird.

Claims (11)

1. Regeleinrichtung zur Regelung der Motordrehzahl und der Schneidefadennachführung eines Rasentrimmers, bei dem ein elektrischer Antriebsmotor (M) ein rotierendes Schneide­ werkzeug antreibt, welches durch seine Rotation einen an seiner Peripherie austretenden Schneidefaden (F) strafft und rotieren läßt, wobei die Länge des Schneidefadens (F), bedingt durch Abnutzung seines freien Endes nachge­ führt wird, gekennzeichnet durch

• - eine Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines dem Ist- Motorstrom (I_m ist) entsprechenden Signals,
• - einen ersten Regelkreis, der abhängig von dem erfaßten Signal (I, I′), wenn dieses eine erste vorgegebene Be­ dingung erfüllt, die Motordrehzahl (n) bei einem gewünsch­ ten Sollwert (n₀, n₁) konstant hält, und
• - einen zweiten Regelkreis (13, 15, 17), der ebenfalls ab­ hängig von dem erfaßten Signal (I, I′), wenn dieses die erste vorgegebene Bedingung nicht erfüllt, eine Fadenspule (19) zur Nachführung des Schneidefadens veranlaßt.

2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorgegebene Bedingung dem Überschreiten eines ersten Stromschwellenwerts (I₀) des Motorstroms entspricht.

3. Regeleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste vorgegebene Bedingung erfüllt ist, wenn der Motorstrom in einem ersten Wertebereich liegt.

4. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regelkreis parallel zum zweiten Regelkreis aus­ geführt ist.

5. Regeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regelkreis die Schneidefadenlänge auf einen konstanten Sollwert regelt.

6. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regelkreis die Schneidefadenlänge auf einen Wert regelt, der in einer definierten Abhängigkeit von der Motorsollstrichdrehzahl steht.

7. Regeleinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regelkreis die Schneidefadennachführung immer dann initiiert, wenn das erfaßte Signal (I, I′) eine zweite vorgegebene Bedingung erfüllt.

8. Regeleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite vorgegebene Bedingung der Leerlaufstromstärke des Motors entspricht.

9. Regeleinrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (M) ein Asynchronmotor ist, und ein Thyristorstromsteller (11) zur Drehzahleinstellung vorgesehen ist, dem vom ersten Regelkreis über einen Im­ pulsgenerator (16) Stellimpulse zugeführt werden.

10. Regeleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristorstromsteller (11) mit Stellimpulsen von einer Pulsdauermodulationseinrichtung versorgt wird.

11. Regeleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
eine digitale Regeleinrichtung mit
einem Mikroprozessor (40), dem das erfaßte Signal (I′) über einen Analog/Digitalwandler (49) zugeführt wird, wobei
der Mikroprozessor (40) einen Festwertspeicher (44) auf­ weist, der Kennfelder speichert, die die funktionalen Abhängigkeiten von Motorstrom (I_M), Motordrehzahl (n), Schneidefadenlänge (F) und Motorlast betreffen, wobei die digitale Regelung von Motordrehzahl (n) und Schneidefaden­ länge (F) auf der Basis des erfaßten Signals (I′) nur in vorgegebenen Zeitintervallen und in allen anderen Zeiten auf der Basis der gespeicherten Kennfelder durchgeführt wird.