专利名称：手持电动工具机的脉宽调制触发装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及蓄电池供电的手持电动工具机的脉宽调制触发装置。
背景技术：
在蓄电池供电的手持电动工具机已知的脉宽调制触发装置中，由操作者操作的按钮的按钮行程借助于一个电位器转变为相应的电阻值。把测得的电阻线性地换算成脉宽调制电路的脉宽调制占空比，用以驱动该手持电动工具机的电动机。与该按钮相关的电位器在其电阻值方面与按钮行程成正比地工作。作为替代方案，为了达到一个确定的行为，已知预先设置一个欧姆电阻随按钮行程而变的确定的特性曲线。然而，这时这个关系是固定的，就是说，它们不能改变。另外，在脉宽调制触发装置上已知，该手持电动工具机的负载电阻是欧姆型的，因此用来驱动一个工具的电动机的负载电阻是欧姆型的，而且蓄电池供电的内阻，因而该(可充电的)蓄电池(最好包括现有的导线电阻)这样彼此协调，使得这些电阻大致相等。特别是降落在电池内阻上的电压这样选择，使之等于或者大致等于该负载上的电压，它具体地是由降落在马达电阻上的电压和电动机的感应电压组成。为了保护电池(蓄电池)，已知不能超过允许的电流强度，因为电流太大会损伤电池。此外，该允许电流还取决于它出现的持续时间。例如一个蓄电池可以承受50A一秒长，然而5秒长只能承受20A。该电动机电流是由当前实际的负载情况预先给定的。进行电动机脉宽调制(PWM)控制时，与中间回路电容结合可以达到，获得实际负载情况所需要的电动机电流，然而其中该允许的电池电流不超过一个预先给定的极限。当用α表示脉宽调制的占空比时，该蓄电池电流比电动机电流小一个因数α。为了防止蓄电池损坏，例如，该电动机的允许电流从50A一秒降低到20A，而且该占空比相应地适应。这时，这里该电动机转速或者转矩自然会降低。对已知的手持电动工具机，正如上述形成的手持电动工具机，特别是在高电阻蓄电池时可能出现这样的情况，即不在按钮完全压下时，而是处于按钮行程的中间状态时达到最大转矩或者最大转速。这种行为不符合用户的期望。
发明内容
对按照本发明的蓄电池供电的手持电动工具机的脉宽调制触发装置，设置一个操作者可操作的按钮，它的按钮行程由脉宽调制电路转变为脉宽调制占空比，用以触发驱动手持电动工具机用的电动机，其中该脉宽调制电路在考虑到至少另一个参数的情况下把按钮行程转换为脉宽调制占空比。由于按照本发明考虑到至少另一个参数(特别是被测量或者影响量)，可以实现一种符合用户期望的特性，就是说，根据操作者所操作的按钮，即分别根据当时实际上被调节的按钮行程，手持电动工具机的电动机就象期待中的那样作出反应，使得特别是随着按钮行程增大，电动机的转矩和/或转速也上升。
按照本发明一个改进方案，该参数设置为电动机的相应的实际的电流。若在分配按钮行程和脉宽调制占空比时，作为参数考虑电动机的实际的，即与相应的按钮位置相关的电动机电流，则在按钮行程和脉宽调制之间不存在固定的关系，而是一个当时适合的关率。
另外有利的是，该按钮具有一个电位器，其电阻值与当时的按钮行程对应。据此该电阻值随着按钮行程而改变，然而它不直接用来产生脉宽调制占空比，而是在考虑到另一个参数，特别是电动机当时实际的电流的情况下进行处理。
按照本发明一个改进方案，规定该脉宽调制电路至少具有一个微处理器，用来考虑该至少一个参数。所以该手持电动工具机具有微处理器，它在考虑按钮行程和至少一个参数的情况下进行脉宽调制触发触发。
按照本发明一个改进方案，在该微处理器中保存一个特别是包括电源的电机的简化电的系统模型。所以，该系统模型以电的方程式的形式保存在微处理器中，以便有利地安排按钮行程和占空比PWM之间的关系。该实现最好纯粹通过软件进行。
另外有利的是，这样地考虑该至少一个参数，即在最大的按钮行程时该电动机给出最大的转矩。这符合用户的期望。
最好这样地考虑该至少一个参数，即在最大按钮行程时该电动机具有它的最大转速。
另外有利的是，这样地考虑该至少一个参数，即在电动机被卡住的情况下电动机的转矩随着按钮行程而线性上升。“电动机被卡住”是指该电动机不转动或者非常缓慢地转动，即例如，手持电动工具机的主轴不旋转，例如由于加工工件而出现相应的反力矩时。
另外有利的是，这样地考虑该至少一个参数，即在电动机在超过它的松运行点(Loslaufpunktes)而旋转的情况下，该电动机的转速随着按钮行程而线性上升。“电动机超过其松运行死点而旋转”是指该电动机转动，其中该按钮被下压到这样的程度，使之从而旋转即克服松运行而旋转。在下压直到达松运行点时，电动机仍旧不旋转。
另外，本发明还涉及带有上述脉宽调制触发装置的手持电动工具机。
最后本发明涉及蓄电池供电的手持电动工具机的一种脉宽调制触发方法，带有操作者可操作的按钮，它的按钮行程由一个脉宽调制电路转变为触发用于驱动该手持电动工具机的电动机的脉宽调制占空比，其中该脉宽调制电路在考虑至少另一个参数的情况下把按钮行程转换为脉宽调制占空比。
这些附图阐明本发明，更确切地说 图1是一个示意图； 图2是一个流程图； 图3至7是不同的示意图； 图8是一个流程图；而 图9是不同的示意图。
具体实施例方式 本发明涉及蓄电池供电的手持电动工具机例如蓄电池螺旋丝刀的脉宽调制触发装置。这样的手持电动工具机具有一个操纵用的按钮，操作者可以或多或少地沿着按钮行程将按钮压入。按钮向下压得越多，手持电动工具机的操作工具接纳器(Werkzeugaufnahme)的电动机转速就越大，使得该工具相应地以增大的速度运行。蓄电池螺丝刀涉及工具接纳器的旋转，例如，它可以装有工具头(Werkeugbits)。手持电动工具机用蓄电池供电运行，它通过脉宽调制电路驱动电动机。根据按钮行程给定脉宽调制的占空比(PWM-占空比)，以此触发该电动机。
该手持电动工具机至少有一个微处理器，其中设置一个电气/电子部件的电方程式的简化模型，以便这样地调整按钮的按钮行程和脉宽调制占空比之间的关系，使得按钮完全压下时电动机达到它的最大转矩和/或按钮完全压下时电动机转速最大，其中电动机被卡住时转矩随着按钮行程而线性上升和/或在电动机旋转情况下超过松运行点转速随着按钮行程线性上升。尽管操作按钮，但调节后的转矩仍不足以克服工具的反力矩，因而手持电动工具机的工具不再运动时，出现被卡住的情况。在按钮压下的过程中首先要超过一个按钮行程，然后电动机才会运动，从而产生松运行点(Loslaufpunkt)。电动机开始旋转的一点，称为松运行点。
从图1示意图可以看出，用虚线表示带有低阻电源的电动机的电机特性。低阻电源指的是电阻相对较低的蓄电池电源。可以看出，转速ω随着转矩M增大而降低。若存在高阻电源，即蓄电池电源具有一个较高的电阻，则给出实线画出的电机特性。这里转速明显更急剧地随着转矩增大而下降，并(在特性曲线的折点)达到零值，就是说，上升的转矩逻辑上并不导致电动机重新启动。侧面打点的特性曲线表示具有按照本发明的脉宽调制触发装置的电机特性曲线，其中作为蓄电池电源使用一个高阻电源。可以看出，与实线电机特性曲线相比，存在一个较高的卡住力矩。本发明自然也可以使用低阻电源。但是，这时只有线性上升的优点起作用。
按照图2给出做成蓄电池螺丝刀的手持电动工具机的基本结构。操纵者B可以或多或少地以按钮行程β按压按钮D，其中按钮D操作一个电位器(Poti)，其结果是作为输出值给出脉宽调制的一个占空比α，其被引入脉宽调制电路1。包含一个功率电路的脉宽调制电路1与电动机2连接，它驱动或许带有接在前面的传动装置的负载3。脉宽调制电路1与中间回路电容4连接，后者接在蓄电池电源5上。在图2的单个元件之间的电气关系方面蓄电池电源5具有电池电压Ub并出现电池电流(平均值)Ib。出发点是，脉宽调制电路1具有晶体管，以便形成脉冲调制信号，从而形成脉宽调制占空比。就此而言，按照图2，存在脉动的晶体管电流Ipel以及脉动的晶体管电压Upel。下表给出上述和其他电气和其他值 Ub[V]电池电压 Ib[A]电池电流(平均值) Ipel[A]晶体管电流(以脉冲方式) Upel[V]晶体管电压(以脉冲方式) Um[V]电动机电压(平均值) Im[A]电动机电流(平均值；若PWM频率足够高，则由于电感大约对应于瞬间值) Mm[Nm]电动机转矩 ωm[rad/s]电动机转速 β[-]归一化按钮行程(0完全未受压，1完全压下) α[-]PWM占空比(0关断，1接通) U0[V]无负载的电池的电压 Rb[Ω]电池内阻 cm[Nm/A]电动机常数 RM[Ω]电动机电阻(包括电子电路欧姆电阻分量) 在忽略动态作用(电感、惯性等等)的情况下，图1表示的组件之间的基本关系可以用下列物理方程式描述 Ub＝U0-RbIb Ib＝αIm Um＝αUb Mm＝cmIm 根据最后一个方程式人们看到，电动机的转矩与电动机电流成正比。结合这些方程式得出下列方程式 RbImα2-U0α+cmωm+RmIm＝0(方程式.(1)) 图3说明电动机电流Im和脉宽调制占空比(PWM-占空比)α之间的关系。在电动机被卡住的情况下，ωm＝0。这时，以下物理方程式有效 制动系统 最大值的位置(αImax；Im，MAX) 从图3可以看出这样的情况电动机的内阻小于蓄电池电源(电池)的内阻，其中对于占空比α＜100％，该电动机获得它的最大电流或者它提供最大的转矩。在按钮行程＝占空比(p＝α)时，当按钮行程β超过数值
时，人们获得一个较小的电流值，更确切地说，较小的转矩。此外，制动电流在范围
内随着占空比α非线性地上升。与图3有关的上述的实施例表示现有技术的被卡住的情况。后面关系与图4也表示现有技术。这里表示ωm≠0的情况，亦即电动机旋转的情况。图4表示电动机转速ωm和PWM-占空比α之间的关系。对于一个确定的电动机电流，更确切地说，对于一定的要求转矩，该电动机在α≥αstart(Im)的条件下旋转。在高的电动机电流情况下，对于占空比αωmax(Im)＜100％，该电动机达到它的最大转速(图4中的虚线)。对于占空比α＞αωmax(Im)，该转速下降(如图4右侧虚线所示)。在图4主题方面，下列物理方程式有效 按照方程式(1)，下式有效 对于 对于 因此，可以看出，在按钮行程＝占空比(α＝β)时这时用户获得一个较小的转速，当其希望即由其产生的按钮行程β超过数值αωmax(Im)时。此外，电动机的转速在范围[αωmax(Im)，αωmax]内与按钮行程β不呈线性。
被卡住的情况 现讨论在按照本发明的配置下，被卡住的情况(ωm＝0)和旋转的情况(ωm≠0) 按照本发明，在100％按钮行程β下电动机被卡住时出现电动机的最大电流(图5)。此外，被卡住的电动机电流和按钮行程β的关系应该是线性的。此外，按钮行程β和占空比α之间的关系应满足下列条件 (没有转速分量的方程式(1)) 和按α解出之后方程式(3)为(只采用较小的解) 根据方程式(2)得 图5和6表示，按照本发明的触发装置在被卡住的情况下，电动机电流与按钮行程的关系和占空比与按钮行程的关系。
按照图7旋转情况(ωm≠0)的解 用户100％按钮行程β应该对应于电动机的最大转速。此外，电动机转速和按钮行程β之间希望的关系是线性的。
按钮行程β和占空比α之间的关系为此应该满足下列条件
(按方程式(1)) 这时，β*对应于该电动机由于实际要求的转矩本来刚松转动(losdrehen)时的瞬间按钮行程。ωmax如下取决于电流 若按照α解出方程式(5)，并采用较小的解，则得出
这时与方程式(4)一起求出所求的按照本发明的关系α(β)。
为了判断在本发明下是被卡住的情况，还是旋转的情况，人们需要一个转速信息。为此提供下列可能性 1.转速传感器 2.利用EC-电动机情况下换向逻辑的转速信息。
3.按照算出的β-β*的符号判断旋转和被卡住的情况之间切换。
4.和3.一样，但是在检测到“旋转的”和“被卡住的”情况之间进行平缓的过渡 在可能性4的情况下人们可以使用下列控制函数 使用下式时 和 采用调整因数k. 把图4和图7加以比较可以明显地看出本发明的优点。下面研究本发明的方案 至今对于电阻等使用固定值。特别是欧姆型电动机电阻，但是与温度有关，这使结果出现误差。
按照本发明的装置和按照本发明的方法，通过测量或估算这个随时间而改变的参数加以改善。例如，在转速信息和电动机电压(见上)已知时，用下式确定电动机电阻 一个非常简单的方案利用它可达到至少最大转速ωmax(Im)和电动机最大转矩)是像对于保护电池的作用那样通过占空比限制电池电流 其必须最好自然地与电池保护功能本身进行协调。
不用如上所述的控制装置，人们可以用求出的关系与调节器相联系。这时，人们使用Im和ωm，希望的关系(2)和(4)作为理论值或者作为限制值，让调节器(例如PID)调整这个值。特别是由于在我们的简单关系中忽略了的动态性和或许不准确已知的参数，这可能是有利的。
在运行中这两种情况(卡住/旋转)用一个共同的控制方法满足。下面按照图8的状态将其结合起来，其中卡住和旋转用Bl和Dr标示。
图9自动机在一个试验研究结构中，在左侧示出现有技术StdT(线性)和在右侧示出本发明E。可以看出，在按照本发明的情况下电动机的最大电流上升至20A，而同时在现有技术中只有17A。转矩也有相应的表现。这里St标示控制。
权利要求
1.带有蓄电池电源的手持电动工具机的脉宽调制触发装置，其带有操作者可操作的按钮，它的按钮行程由脉宽调制电路转变为脉宽调制占空比，用以触发驱动该手持电动工具机的电动机，其特征在于，该脉宽调制电路在考虑另外的至少一个参数的情况下把按钮行程转换为脉宽调制占空比。
2.按照权利要求1的脉宽调制触发装置，其特征在于，该参数是电动机当时实际的电动机电流和/或电动机转速。
3.按照上述权利要求中任一项的脉宽调制触发装置，其特征在于，该按钮具有电位器，其电阻值与相应的按钮行程对应。
4.按照上述权利要求中任一项的脉宽调制触发装置，其特征在于，该脉宽调制电路具有至少一个微处理器，用以考虑该至少一个参数。
5.按照上述权利要求中任一项的脉宽调制触发装置，其特征在于，在该微处理器中保存特别是包括蓄电池电源的手持电动工具机的简化电气系统模型。
6.按照上述权利要求中任一项的脉宽调制触发装置，其特征在于，考虑该至少一个参数，使得在最大按钮行程情况下该电动机给出其最大转矩。
7.按照上述权利要求中任一项的脉宽调制触发装置，其特征在于，考虑该至少一个参数，使得在最大按钮行程情况下该电动机具有它的最大转速。
8.按照上述权利要求中任一项的脉宽调制触发装置，其特征在于，考虑该至少一个参数，使得在电动机被卡住的情况下电动机的转矩随着按钮行程线性上升。
9.按照上述权利要求中任一项的脉宽调制触发装置，其特征在于，考虑该至少一个参数，使得在超过它的松运行点后在电动机旋转的情况下，电动机的转速随着按钮行程线性上升。
10.带有特别是按照上述权利要求中一项或多项的脉宽调制触发装置的手持电动工具机。
11.带有蓄电池电源的手持电动工具机的脉宽调制触发装置用的方法，其带有操作者可操作的按钮，它的按钮行程由脉宽调制电路转变为脉宽调制占空比，用以触发驱动该手持电动工具机的电动机，其特征在于，该脉宽调制电路在考虑至少另一个参数的情况下把该按钮行程转变为脉宽调制占空比。
全文摘要
本发明涉及蓄电池供电的手持电动工具机的脉宽调制触发装置，带有一个操作者可操作的按钮，其按钮行程由一个脉宽调制电路转换为脉宽调制的占空比，用以控制驱动该手持电动工具机的电动机。它规定，该脉宽调制电路在考虑到至少另一个参数的情况下把按钮行程转换为脉宽调制占空比。
文档编号H02P6/20GK101611539SQ200780044195
公开日2009年12月23日 申请日期2007年10月16日 优先权日2006年12月1日
发明者A·范达姆, H·-J·鲍尔, C·伯特希 申请人:罗伯特·博世有限公司