NL1029587C2

NL1029587C2 - Van een microprocessor voorziene regelschakeling voor een elektromotor.

Info

Publication number: NL1029587C2
Application number: NL1029587A
Authority: NL
Inventors: Heino Marten Burema; Gerardus Elisabeth Joseph Pas
Original assignee: Electrische App Nfabriek Capax
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2007-01-23
Also published as: DE112006001932T5; WO2007037692A2; WO2007037692A3; US20090190905A1

Description

. »

Van een microprocessor voorziene regelschakeling voor een elektromotor.

De onderhavige uitvinding betreft een regelschakeling voor het regelen van het vanuit een spanningsbron aan een elektromotor toegevoerde vermogen, waarbij de 5 regelschakeling een in serie met de elektromotor en de spanningsbron geschakeld halfgeleiderschakelelement voor het regelen van het aan de elektromotor toegevoerde vermogen, een besturingsschakeling voor het besturen van het halfgeleiderschakelelement en een eerste bedieningselement voor het bedienen van de besturingsschakeling door middel van een door het bedieningselement opgewekt, aan de 10 besturingsschakeling toegevoerd bedieningssignaal omvat.

Een dergelijke regelschakeling is algemeen bekend als regelschakeling voor bijvoorbeeld elektrisch handgereedschap. De markt eist van dergelijke gereedschappen een steeds grotere functionaliteit, hetgeen de besturing van het aan de elektromotor toe 15 te voeren vermogen gecompliceerder maakt. Dit geldt niet alleen voor elektrisch handgereedschap, maar tevens voor andere toestellen en inrichtingen waarin dergelijke elementen voorkomen, zoals elektrische keukenapparatuur.

De doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een dergelijke 20 regelschakeling die beter geschikt is voor het uitvoeren van de hierboven genoemde bewakings- en besturingsfunctie.

Dit doel wordt bereikt door een dergelijke regelschakeling, waarbij in de besturingsschakeling een microprocessor is opgenomen. Hierbij wordt opgemerkt dat de 25 aanwezigheid van een elektromotor, welke veelal door een met koolborstels en een collector werkende gelijkstroommotor wordt gevormd, veel elektrische storing veroorzaakt, welke nadelig voor microelektronica kan zijn. De vakman zal dan ook niet genegen zijn in een dergelijke omgeving microprocessoren toe te passen.

30 De microprocessor kan ingericht zijn voor het regelen van talloze functies binnen de regelschakeling, in het bijzonder bewakings- en beveiligingsfucnties. Het is ephter eveneens mogelijk dat de microprocessor is ingericht voor het besturen van het aan de elektromotor toegevoerde vermogen in afhankelijkheid van het bedieningssignaal. Dit 1 029587

. I

2 kan zowel het uitvoeren van deze enkele functie betreffen als het uitvoeren van deze functie in combinatie met beveiligingsfuncties.

Volgens een volgende voorkeursuitvoeringsvorm omvat de microprocessor een 5 geheugen waarin een karakteristiek voor de relatie tussen het bedieningssignaal en het aan de elektromotor toegevoerde vermogen is opgenomen. Hiermede wordt het mogelijk een eenduidige relatie tussen beide grootheden te verschaffen. Terzijde wordt opgemerkt dat hierbij ook tijd- en historie-afhankelijke relaties kunnen worden begrepen, zoals hysteresisfuncties. Juist microprocessoren lenen zich bijzonder goed 10 voor het implementeren van dergelijke functies.

Weer en andere voorkeursuitvoeringsvorm verschaft de maatregel dat in het geheugen van de microprocessor tenminste twee karakteristieken zijn opgeslagen en dat de microprocessor is ingericht voor het uitvoeren van een keuze tussen de karakteristieken. 15 Deze variant biedt de mogelijkheid de karakteristiek van de relatie tussen ingangssignaal en aan de motor toe te voeren vermogen aan te passen in afhankelijkheid van omstandigheden.

De keuze tussen de verschillende karakteristieken kan worden uitgevoerd door een 20 keuzeschakelaar. Hiermede kan de gebruiker kiezen tussen verschillende bedrijftoestanden, bijvoorbeeld bij een boormachine het boren in hout of het boren in een betonnen muur. Deze keuzemogelijkheid maakt het mogelijk voor de betreffende situatie een geschikte karakteristiek te kiezen.

25 De keuze tussen de verschillende bedrijfstoestanden kan ook worden bepaald door de toestanden in het apparaat zelf. Zo is het mogelijk de motor van belastingsindicatiemiddelen te voorzien, waarbij de belastingsindicatiemiddelen zijn ingericht voor het opwekken van een keuzesignaal. Hiermede wordt de mogelijkheid geboden bij dreigende overbelasting van de motor naar een andere, de motor minder 30 belastende karakteristiek om te schakelen. De toenemende prijsdruk dicteert dat de motoren en andere elementen lichter worden gedimensioneerd en aldus zwaar,der worden belast, waardoor de hierboven genoemde bewakingsfunctie in toenemende mate relevanter wordt.

1029587 3 * 1

Een voorkeursuitvoeringsvorm verschaft de maatregel dat de belastingsindicatiemiddelen zijn voorzien van een middelen voor het meten van de grootte van de motorstroom. De motorstroom is immers een goede indicatie voor het belastingstoestand van de motor.

5

Een betere indicatie van de belastingstoestand van de elektromotor kan worden verkregen wanneer de belastingsindicatiemiddelen zijn ingericht voor het meten van het motortoerental. In het bijzonder de combinatie van motortoerental een motorstroom geeft een goede indicatie van de belasting.

10

Weer een andere voorkeursuitvoeringsvorm verschaft belastingsindicatiemiddelen die zijn voorzien van een middelen voor het meten van de motortemperatuur. De i motortemperatuur is immers eveneens een goede indicatie voorde belastingstoestand j van de motor. Bovendien is de temperatuur op zichzelf een kritische waarde; bij 15 overschrijding van de bepaalde grenswaarde treedt schade aan de motor op.

De hierboven genoemde maatregelen leveren in het bijzonder goede resultaten wanneer de regelschakeling een onderdeel vormt van een elektrische handgereedschap; hier immers vinden zowel kortstondige (bijvoorbeeld boren) als langdurige (bijvoorbeeld 20 schuren) belastingen plaats van de diverse componenten, zodat het gebruik van een microprocessor veel voordelen oplevert.

Volgens weer een andere voorkeursuitvoeringsvorm is .de regelschakeling ingericht voor het meten van de motorstroom en voor het aanpassen van de besturing van het 25 halfgeleiderschakelelement ter correctie van de motorstroom. Met deze maatregelen wordt een terugkoppeling verkregen opdat de motorstroom gemakkelijker constant gehouden kan worden. De hiertoe noodzakelijke regel- en besturingsfuncties kunnen gemakkelijk worden uitgevoerd door een microprocessor.

30 Het meten van de motorstroom dient niet alleen voor het beveiligen van de motor of de schakelaar of eventuele andere door de stroom doorlopen componenten, maar .tevens voor het bepalen van het door de motor geleverde koppel. De motorstroom is immers bij het gebezigde type motor evenredig met het koppel. Aldus kan de meting van de motorstroom worden gebruikt voor het bepalen van het koppel. Hiermede is het 1029587 . 1 4 mogelijk bij het overschrijden van de een drempelwaarde door de motorstroom de motorstroom af te breken, te verkleinen of constant te houden. Deze maatregel is in het bijzonder voor schroefmachines van toepassing.

5 Een soortgelijke overweging geldt voor de situatie waarin in plaats van op stroom, op spanning wordt geregeld. Een desbetreffende voorkeursuitvoeringsvorm verschaft dan ook de maatregel dat de regelschakeling is ingericht voor het meten van de motorspanning wanneer het halfgeleiderschakelelement spert en voor het aanpassen van de besturing van het halfgeleiderschakelelement ter correctie van de motorspanning.

10

Ook het uitvoeren van een regeling met terugkoppeling op basis van toerental is een aantrekkelijke mogelijkheid, in het bijzonder bij gereedschappen waarvan het toerental zo gelijkmatig mogelijk moet worden gehouden. Dit komt tot uitdrukking in een voorkeursuitvoeringsvorm, waarbij de regelschakeling is ingericht voor het meten van 15 het motortoerental en voor het aanpassen van de besturing van het halfgeleiderschakelelement ter correctie van het motortoerental.

De toepassing van een microprocessor biedt tevens de mogelijkheid dat de besturingsschakeling het hallfgeleiderschakelelement zodanig bestuurt dat de motor een 20 pulserend koppel afgeeft, bijvoorbeeld met een frequentie van ongeveer 3Hz. Deze maatregel vindt in het bijzonder, maar niet uitsluitend toepassing bij schroefmachines, bijvoorbeeld voor het losdraaien van een vast zittende schroef of moer, of het aandraaien van een schroef of moer. De toepassing van een microprocessor maakt het mogelijk een dergelijke functie gemakkelijk te implementeren.

25

Bij door een batterij gevoede gereedschap is niet alleen de motor een kritisch belaste component, maar tevens de accu. In het bijzonder bij moderne accusoorten zijn hoge j prestaties in de zin van een grote energie-inhoud bij een klein volume en gewicht bereikbaar, mist de laad- en ontlaadprocessen in de accu goed worden beheerst. Hiertoe 30 verschaft een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding de maatregel dat de elektromotor geschikt is voor voeding door een oplaadbare batterij, dat de regelschakeling is ingericht voor het regelen van het door de batterij geleverde vermogen en dat de batterij van toestandindicatiemiddelen is voorzien, die zijn ingericht voor het opwekken van een keuzesignaal.

i 1029587 • « 5

Volgens een verdere voorkeursuitvoeringsvorm is de regelschakeling ingericht voor het bij inschakelen opwekken van een geleidelijk toenemend koppel. Hiermede worden praktische problemen zoals het uit de handen slaan van het gereedschap bij het inschakelen. Tevens is het hiermede gemakkelijker beheerster te werken.

5

Een andere voorkeursuitvoeringsvorm verschaft de maatregel dat de regelschakeling is ingericht voor het bij het uitschakelen opwekken van een geleidelijk afnemend koppel. Bij bewerkingen in zware materialen wordt hier mee voorkomen dat het gereedschap uit dc hand van de gebruiker wordt geslagen.

10 . Voor het vergroten van het gebruikersgemak is het aantrekkelijk dat de regelschakeling is ingericht voor het opslaan van instelwaarden. Hiermede is het bijvoorbeeld mogelijk een maximaal koppel voor het indraaien van schroeven in een bepaalde houtsoort op te slaan.

15

Een laatste voorkeursuitvoeringsvorm verschaft de maatregel dat de regelschakeling is ingericht voor het uitvoeren van beveilingsftmcties tegen diefstal. Een voorbeeld hiervan is het uitvoeren van een blokkeerfunctie voor de bediening. Door het intoetsen van een code of het invoeren van een een code dragend element, zoals een van een 20 magnetische code voorzien sleutel wordt dit diefstal van dergelijk kostbaar gereedschap bemoeilijkt. Tevens is het mogelijk gebruik te maken van contactloze codeoverdracht.

Hierbij wordt gewezen op het feit dat de hierboven genoemde functie in het bijzonder geschikt zijn om door een microprocessor te worden geïmplementeerd.

25

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen, waarin voorstellen:

Figuur 1: een schakelschema van een uitvoeringsvorm van de uitvinding;

Figuur 2a-c: diverse karakteristieken van het verband tussen ingangssignaal en 30 vermogen ter illustratie van de werking van uitvinding; en

Figuur 3: een schakelschema van een alternatieve uitvoeringsvorm.

In figuur 1 is een schakelschema weergegeven van een regelschakeling volgens de uitvinding. Het schema toont een spanningsbron 1, die in afhankelijkheid van de 1 0295 87 9 r 6 gewenste toepassing kan worden gevormd door een wisselspanningsbron, zoals het openbare net, of door een gelijkspanningsbron, zoals een oplaadbare batterij. De schakeling regelt dat elektrische vermogen dat aan een elektromotor 2 wordt toegevoerd. Deze elektromotor 2 wordt in het overgrote deel van de gevallen gevormd 5 door het type motor dat bekend staat als een gelijkstroommotor, maar die echter wel kan zijn ingericht voor voeding door wisselstroom. Tussen de spanningsbron en de motor is een schakelelement 3 geplaatst dat is ingericht voor het gedurende korte perioden doorlaten van stroom en het overigen sperren van de stroom, om aldus, op de wijze van pulsbreedtemodulatie het aan de elektromotor 2 toegevoerde vermogen te regelen.

10

Voor het besturen van het schakelelement 3 is een besturingsschakeling 4 aangebracht.

Deze besturingsschakeling 4 is verbonden met het schakelelement 3 voor het besturen ervan, en de besturingsschakeling 4 is voor zijn voeding verbonden met de spanningsbron 1. Voor het bedienen van de besturingsschakeling 4 is een door de 15 gebruiker te bedienen bedieningselement 5 aangebracht, veelal, doch niet uitsluitend in de vorm van een door een vinger van de gebruiker bedienbare trekkerknop. Tot zover komt de beschreven schakeling overeen met tot de stand van de techniek bekende schakelingen, zoals deze veelal worden toegepast in elektrisch handgereedschap.

20 De schakeling volgens de onderhavige uitvinding onderscheidt zich van deze bekende schakeling door de aanwezigheid van een microprocessor 6 in de besturingsschakeling.

De De lage prijs van dergelijke microprocessoren 6 maakt het mogelijk deze componenten toe te passen binnen dergelijke regelschakelingen waarbij de microprocessor 6 het uitvoeren van diverse functies binnen de besturingsschakeling 5 25 mogelijk maakt. Veelal zijn dergelijke functies niet of slecht tegen hoge kosten uitvoerbaar in klassieke, op hun functie toegesneden besturingsschakelingen.

Een voorbeeld van een functie die zich uitstekend leent om door een microprocessor te worden uitgevoerd is het wisselen tussen twee of meer karakteristieken of relaties 30 tussen het door het bedieningselement opgewekte bedieningssignaal en het uitgangsvermogen.

Hiervoor wordt verwezen naar de figuren 2a-2c. Figuur 2a toont een karakteristiek die geschikt is voor het voeden van een elektromotor 2 in een elektrisch handgereedschap.

i j 1029587 7 • t

Om het aanlopen van de elektromotor 2 te vergemakkelijken, wordt, bij het indrukken van de trekkerschakelaar 5 direct een bepaald drempelvermogen aan de elektromotor 2 toegevoerd. Pas bij het verder indrukken van de trekkerschakelaar 5 neemt het vermogen lineair toe met de indrukking van de trekkerschakelaar 5. Aan het einde van 5 de slag van trekkerschakelaar 5 gaat de karakteristiek sprongsgewijs over naar het maximale vermogen om het schakelelement 3 niet overmatig te belasten. In figuur 2b is een soortgelijke configuratie afgebeeld waarbij de hellingshoek van de karakteristiek wat vlakker is. Ter vergelijking met de karakteristiek volgens figuur 2a, is deze laatste karakteristiek met stippellijnen weergegeven. De microprocessor 4 maakt het mogelijk 10 in afhankelijkheid van de situatie gebruik te maken van een van beide karakteristieken. Zo leent de karakteristiek van figuur 2b zich beter voor het nauwkeurig regelen van het toerental van de elektromotor 2. Voor het kiezen van de karakteristiek kan gebruik worden gemaakt van een keuzeschakelaar 7, die door de gebruiker bedienbaar is.

15 In figuur 2c is een laatste voorbeeld getoond van een karakteristiek voor de relatie tussen bedieningssignaal en het aan de motor 2 toegevoerd vermogen. Het zal duidelijk zijn dat de getoonde karakteristieken slechts voorbeelden betreffen en dat talloze andere karakteristieken kunnen worden geïmplementeerd in de microprocessor 4.

20 In plaats van de door de gebruiker te bedienen keuzeschakelaar, kan gebruik worden gemaakt van andere signalen voor het kiezen van de karakteristiek. In figuur 1 is een voorbeeld weergeven van een temperatuursensor 8 van de motor 2. De microprocessor kan hierbij zodanig zijn geprogrammeerd dat bij het bereiken van een vooraf bepaalde motortemperatuur de besturing overschakelt van naar een de motor minder belastende 25 karakteristiek. Deze maatregel kan overigens tevens worden uitgevoerd op basis van de temperatuur van het veelal in de vorm van een halfgeleider uitgevoerde schakelelement. Voor het opslaan van de gegevens betreffende de karakteristieken, wordt bij voorkeur gebruik gemaakt van een geheugen 9 dat bij voorkeur in de microprocessor is opgenomen.

30

In figuur 3 is een tweede uitvoeringsvorm van de uitvinding getoond, die in het bijzonder geschikt is voor door een oplaadbare batterij gevoed gereedschap.

Hierbij wordt de spanningsbron gevormd door een batterij la en wordt het schakelelement gevormd door een veldeffecttransistor 3a. Voor het kortsluiten van de 1 0295 87 4 i 8 veldeffecttransistor 3a is een door de besturingsschakeling 4 bestuurbare kortsluitschakelaar 11 aangebracht. De inrichting omvat voorts een stroommeetschakeling in de vorm van een weerstand 10 met een kleine waarde die tussen de batterij la en de elektromotor 2 is geplaatst. De spanning over deze weerstand 5 is hiermede een maat voor de motorstroom.

De microprocessor 6 biedt in de onderhavige schakeling de mogelijkheid de processen in en de laadtoestand van de batterij goed te beheersen. Hierin speelt de het meten van de ontlaadstroom een rol. Hiermede kan de laadtoestand goed worden bijgehouden 10 zodat een advies kan worden gegeven voor het moment waarop de batterij moet worden herladen. Het meten van de motorstroom geeft bovendien informatie voor het nemen van beslissingen omtrent het kortsluiten van de veldeffecttransistor, bijvoorbeeld wanneer een grote stroomwaarde langer aanhoudt dan een voorafbepaalde periode; het kortsluiten van de veldeffecttransistor vermindert de thermische belasting ervan immers 15 in aanzienlijke mate. Een soortgelijke maatregel kan overigens worden geïmplementeerd voor de motor 2.

Het zal duidelijk zijn dat de genoemde toepassingen voor de microprocessor talrijk zijn en dat zij niet beperkt zijn tot de hierboven genoemde toepassingen.

20 1029587

Claims

1. Regelschakeling voor het regelen van het vanuit een spanningsbron aan een elektromotor toegevoerde vermogen, waarbij de regelschakeling omvat: 5. een in serie met de elektromotor en de spanningsbron geschakeld halfgeleiderschakelelement voor het regelen van het aan de elektromotor toegevoerde vermogen; - een besturingsschakeling voor het besturen van het halfgeleiderschakelelement; - een eerste bedieningselement voor het bedienen van de besturingsschakeling door 10 middel van een door het bedieningselement opgewekt, aan de besturingsschakeling toegevoerd bedieningssignaal, met het kenmerk, dat in de besturingsschakeling een microprocessor is opgenomen.

2. Regelschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de microprocessor 15 is ingericht voor het besturen van het aan de elektromotor toegevoerde vermogen in afhankelijkheid van het bedieningssignaal.

3. Regelschakeling volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de microprocessor een geheugen omvat waarin een karakteristiek voor de relatie tussen het 20 bedieningssignaal en het aan de elektromotor toegevoerde vermogen is opgenomen.

4. Regelschakeling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat in het geheugen van de microprocessor tenminste twee karakteristieken zijn opgeslagen en dat de microprocessor is ingericht voor het uitvoeren van een keuze tussen de karakteristieken. 25

5. Regelschakeling volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de regelschakeling voorzien is van een schakelaar voor het opwekken van een keuzesignaal.

6. Regelschakeling volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de motor van 30 een belastingsindicatiemiddelen is voorzien en dat de belastingsindicatiemiddelen zijn ingericht voor het opwekken van een keuzesignaal. 1029587 f I

7. Regelschakeling volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de belastingsindicatiemiddelen zijn voorzien van een middelen voor het meten van de grootte van de motorstroom.

8. Regelschakeling volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de belastingsindicatiemiddelen zijn ingericht voor het meten van het motortoerental.

9. Regelschakeling volgens conclusie 6, 7 of 8, met het kenmerk, dat de belastingsindicatiemiddelen zijn voorzien van een middelen voor het meten van de 10 motortemperatuur.

10. Regelschakeling volgens conclusie 1,2 of 3, met het kenmerk, dat de schakeling is opgenomen in een elektrisch handgereedschap.

11. Regelschakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de regelschakeling is ingericht voor het meten van de motorstroom en voor het aanpassen van de besturing van het halfgeleiderschakelelement ter correctie van de motorstroom.

12. Regelschakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de regelschakeling is ingericht voor het meten van de motorspanning wanneer het halfgeleiderschakelelement spert en voor het aanpassen van de besturing van het halfgeleiderschakelelement ter correctie van de motorspanning.

13. Regelschakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de regelschakeling is ingericht voor het meten van het motortoerental en voor het aanpassen van de besturing van het halfgeleiderschakelelement ter correctie van het motortoerental.

14. Regelschakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de regelschakeling is ingericht voor het opwekken van een pulserend koppel door de elektromotor. 1029587

15. Regelschakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de elektromotor geschikt is voor voeding door een oplaadbare batterij, dat de regelschakeling is ingericht voor het regelen van het door de batterij geleverde vermogen en dat de batterij van toestandindicatiemiddelen is voorzien, die zijn ingericht 5 voor het opwekken van een keuzesignaal. i

16. Regelschakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de regelschakeling is ingericht voor het bij inschakelen opwekken van een geleidelijk toenemend koppel. 1°

17. Regelschakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de regelschakeling is ingericht voor het bij het uitschakelen opwekken van een geleidelijk afnemend koppel.

18. Regelschakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de regelschakeling is ingericht voor het opslaan van instelwaarden.

19. Regelschakeling volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de regelschakeling is ingericht voor het uitvoeren van 20 beveiligingsfuncties tegen diefstal. i 1029587