电动螺丝刀.pdf

提出一种电动螺丝刀(10)，其具有：电动机(12)和控制电路(22)，在达到调节好的转矩给定值(Md_Soll)时，该控制电路利用切断信号(s_Stop)使得电动机(12)被切断；以及支撑臂(18)，其吸收在旋拧过程中的能量。设置有一种电压限制电路(46)，其将作为发电机工作的与驱动方向相逆地旋转的电动机(12)的电动机电压(u_Mot)限制到预先给定的限制电压(u_Lim)，所述电动机电压在存储于支撑臂(18)中的能量释放时在电动机(12)上产生。限制电压(u_Lim)如下确定：一方面电动机(12)在作为发电机工作时在没有反转矩情况下与驱动方向相逆地旋转，另一方面不会产生不允许的过电压。

1.  一种电动螺丝刀，具有：电动机(12)和控制电路(22)，在达到调节好的转矩给定值(Md_Soll)时，该控制电路利用切断信号(s_Stop)使得电动机(12)被切断；以及支撑臂(18)，该支撑臂吸收在旋拧过程中的能量，其特征在于，设置有一种电压限制电路(46)，该电压限制电路将作为发电机工作的与驱动方向相逆地旋转的电动机(12)的电动机电压(u_Mot)限制到预先给定的限制电压(u_Lim)，所述电动机电压在存储于支撑臂(18)中的能量释放时在电动机(12)上产生。

2.  如权利要求1所述的电动螺丝刀，其特征在于，限制电压(u_Lim)至少等于电动机(12)的额定电压。

3.  如权利要求1所述的电动螺丝刀，其特征在于，限制电压(u_Lim)最多等于保护特低电压。

4.  如权利要求1所述的电动螺丝刀，其特征在于，电压限制电路(46)含有两个串联连接的极性相对的齐纳二极管(50、52)。

5.  如权利要求1所述的电动螺丝刀，其特征在于，电压限制电路(46)含有双极的限制齐纳二极管(54)。

6.  如权利要求1所述的电动螺丝刀，其特征在于，电压限制电路(46)含有变阻器(56)。

7.  如权利要求1所述的电动螺丝刀，其特征在于，电压限制电路(46)含有电子负载(58)。

8.  如权利要求1所述的电动螺丝刀，其特征在于，在达到调节好的转矩给定值(Md_Soll)时，控制电路(22)通过对由电动机电流(i_Mot)求得的转矩实际值(md_Ist、mdm_Ist)与转矩给定值(Md_Soll)的比较，提供切断信号(s_Stop)。

9.  如权利要求1所述的电动螺丝刀，其特征在于，作为电动机(12)的能量源，设置有蓄电池(20)。

10.  如权利要求9所述的电动螺丝刀，其特征在于，作为蓄电池(20)，设置有基于锂的蓄电池(Li离子蓄电池、Li聚合物蓄电池)。

11.  如权利要求9或10所述的电动螺丝刀，其特征在于，设置有蓄电池电压下降补偿电路(44)，其补偿下降的工作电压(u_Batt)对达到调节好的转矩给定值(Md_Soll)的影响。

12.  如权利要求9和11所述的电动螺丝刀，其特征在于，在供电电压(u_Batt)下降时，蓄电池电压下降补偿电路(44)提高为了达到调节好的转矩给定值(Md_Soll)而预先给定的转矩给定值(Md_Soll)。

13.  如权利要求9和11所述的电动螺丝刀，其特征在于，在供电电压(u_Batt)下降时，蓄电池电压下降补偿电路(44)减小为了达到调节好的转矩给定值(Md_Soll)而检测的转矩实际值(md_Ist、mdm_Ist)。

电动螺丝刀
本发明涉及一种根据独立权利要求所述类型的电动螺丝刀(Kraftschrauber)。
背景技术
在DE 23 26 027 A中记载了一种靠电源电压工作的螺丝刀，其提供预定的转矩给定值。螺丝刀所施加的转矩间接地通过流经电动机的电流来检测。由于连接着电源，电动机的工作电压被认为是始终相同且恒定。只要尚未达到转矩给定值，螺丝刀就以最大可能的转速旋转，该转速取决于有待施加的转矩给定值。由于螺丝刀的旋转部件如电动机特别是传动机构的惯性，在达到转矩给定值之后，旋拧连接部件基于惯性运动(Nachlauf)还要继续旋转。
DE 103 41 975 A1考虑到了在DE 23 26 027 A1中由于在达到转矩给定值时螺丝刀的继续旋转而出现的问题。其中记载了一种用于例如在靠蓄电池工作的螺丝刀中所使用的电动机的电子的转矩限制装置。电子的转矩限制部件基于如下做法：将流经电动机的电流考虑用作转矩的量度。这种做法已表明并不精确，因为特别是在转速较高情况下，在切断电动机之后由于旋转部件的动能，会出现惯性运动，结果表明，旋拧连接部件的转矩高于预定的转矩给定值。为了避免基于传动机构的惯性或动力特性的转矩峰值，提出：根据电动机的转速来确定允许的电动机电流的最大值。根据一实施例，所确定的转矩给定值被换算成电动机电流的最大值。电动机电流的最大值被设定得越大，电动机的最大转速就越低。
在EP 0 187 353 A2中记载了一种螺丝刀，其电动机由交流电压源供电。根据一种认识，电动机在负载下在静止状态下提供最大的一定的转矩，其中该转矩取决于所提供的电压，或者取决于负载电流，负载电流相应于相应的电动机特性曲线。电动机的平均工作电压利用开关部件来进行调节，该开关部件例如被实现为触发三极管(Triac)。电动机平均工作电压或负载电流利用电位计来调节，由此可改变或可调节电动机静止时或电动机转速较低时的最大转矩。旋拧机构的转矩给定值在转速较小时或者甚至在螺丝刀静止时就达到了，从而避免了由于惯性运动而超过转矩给定值。
另外设有一种补偿电路，该补偿电路能够补偿电源电压的波动，以便消除对转矩实际值的影响。当供电电压下降时，触发三极管控制器的相位角增大，从而在电动机上施加较高的平均电压。
在DE 196 26 731 A1中记载了一种靠蓄电池工作的小型螺丝刀，其含有开关部件，该开关部件通过短路来切断电动机。开关部件受深度限制器(Tiefenanschlag)操纵。通过对电动机的突然制动，避免了超调()。但在此需要考虑到，只有当有待输出的转矩比较小例如至多为100Nm且电动机功率较小时，才可以使得电动机如此短路，因为即使对于功率较小的电动机而言，在高速旋转的电动机被短路的情况下，也必须考虑到显著的短路电流和与此相关的电磁干扰。短路电流既会使得被实现为直流电动机的电动机的换向器(Kollktor)显著加载，又会使得用于将电动机短路的开关部件显著加载。
在DE 103 45 135 A1中记载了一种小型的靠蓄电池工作的螺丝刀，该螺丝刀为了供应能量而含有锂离子蓄电池。
在现有技术中通常已知的是，与电动机并联地设置有空转部件，该空转部件能够实现在电动机被切断之后使得存储在电动机感应部件中的感应能量放电。空转回路例如可以被实现为接通的空转回路，其中在切断电源的同时，例如接通与电动机并联地连接的MOS场效应晶体管，进而跨接电动机，从而能够使得电动机放电。在最简单的情况下，空转回路通过与电动机并联连接的空转二极管来实现。这种空转回路只能实现在切断电源之后电动机电流的继续流动，其中在电动机上产生的电压在空转回路起作用情况下未被限定，而是取决于所使用的带电压的空转部件的导通电压，导通电压很大程度上取决于温度，特别是取决于空转电流的大小。
在DE 201 13 184 U1中，例如在DE 196 47 813 A1中说明了一种被设计成手持式工具的电动地工作的螺丝刀，其分别具有支撑臂，支撑臂用于在旋拧连接部件被拧紧或松开时提供反转矩。
这种螺丝刀称为电动螺丝刀，因为所提供的转矩最多例如可以为10,000Nm，所述转矩在没有支撑臂的情况下不可能由电动螺丝刀的操作人员施加。在旋拧过程中随着转矩的增加，支撑臂弹性地变形，由此使得支撑臂吸收能量。在旋拧过程中，支撑臂将螺丝刀夹紧在旋拧连接部件上。支撑臂通过变形不仅吸收在旋拧过程中产生的能量，而且吸收在切断电动螺丝刀之后在旋转的部件例如电动机特别是传动机构中仍然存在的旋转能量。
所述夹紧例如可以通过滑动耦联机构来解除，在达到转矩给定值时，该滑动耦联机构机械地脱开。特别是当转矩给定值较小时，驱动单元可以通过预设限定的功率来解除夹紧。对于这两种方法而言，旋转的驱动单元相对于传动机构质量的明显不同的质量比对传动机构和电动机产生不利的影响。
对于能提供很高的转矩的螺丝刀特别是电动螺丝刀而言，必需的是，存储在支撑臂中的能量能够受控地释放，以便能够将电动螺丝刀从旋拧连接部件拆下。由于传动机构的传动比通常很高，所以无法避免电动机由于存储在支撑臂中的能量而开始与驱动方向相逆地旋转。
本发明的目的在于，提出一种电动螺丝刀，特别是靠蓄电池工作的电动螺丝刀，其能够实现毫无危险地释放在切断电动螺丝刀之后存储在支撑臂中的能量。
该目的通过在独立权利要求中所述的特征得以实现。
发明内容
本发明的电动螺丝刀具有电动机和控制电路，在达到调节好的转矩给定值时，该控制电路利用切断信号使得电动机被电子地切断。另外设置有支撑臂，该支撑臂吸收在旋拧过程中的能量。本发明的电动螺丝刀的特征在于一种电压限制电路，该电压限制电路将作为发电机工作的与驱动方向相逆地旋转的电动机的电动机电压限制到预先给定的限制电压，所述电动机电压在存储于支撑臂中的能量释放时在电动机上产生。
根据本发明设置的电压限制电路首先确保，在达到转矩给定值而切断电动机之后，在旋拧过程中存储在支撑臂中的能量，可以通过在作为发电机工作时经由传动机构对电动机的驱动来消耗掉，其中电动机在预先给定的限制电压以下，在较宽的转速范围内，并不会建立起显著的反转矩。
根据本发明设置的电压限制电路特别是保护控制电路免于遭受不允许高的电压，相应于在作为发电机工作时电动机的高转速，在达到转矩给定值而切断电动机之后，在支撑臂中存储了大量能量的情况下会产生所述不允许高的电压。
本发明的电动螺丝刀的有利的改进和设计可由从属权利要求得到。
根据一种设计，限制电压的大小至少等于电动机的额定电压。由此一方面在作为发电机工作时产生足够大的转速范围，而不会产生在达到限制电压时才会出现的电流。另一方面，可以使用具有比较低的允许最大工作电压的部件，因为在电动机工作期间出现的全部的电动机电压的大小被限制到电动机的额定工作电压。
根据另一种设计，限制电压最多等于电动设备的允许的保护直流电压。本发明意义下的保护特低电压相应于法律上允许的电压，而无需为了电绝缘而采取特定的防护措施。保护特低电压例如为42伏特。
其它设计涉及电压限制电路的实现。第一种实现方案规定了两个串联连接的极性相对的齐纳二极管。另一种实现方案规定了一个双极的限制齐纳二极管。
另一种实现方案规定了一个变阻器。
另一种实现方案规定使用一种含有电子负载的电压限制电路。
而通过二极管和晶体管实现的电压限制电路则具有高的响应速度，变速器可以短时间地吸收比较高的功率和将其热释放。
不同部件的组合可以实现对不同要求的优化。
本发明的电动螺丝刀的一种有利的改进规定，在达到调节好的转矩给定值时，控制电路通过对转矩给定值与由电动机电流求得的转矩实际值的比较，提供切断信号。可以利用简单的电路技术上的机构来对被考虑用作由螺丝刀提供的转矩的量度的基础的电动机电流进行检测，因而比机械的解决方案例如滑动耦联机构明显成本低廉。
本发明的电动螺丝刀的另一种有利的改进规定，作为电动机的能量源，使用基于锂的蓄电池，因为其能量密度比较高。例如可以使用锂离子蓄电池(Li离子蓄电池)，或者例如可以使用锂聚合物蓄电池(Li聚合物蓄电池)。
由于在放电过程中蓄电池电压下降而在电动螺丝刀工作期间下降的电源电压有利地由蓄电池电压下降补偿电路来补偿，从而下降的工作电压不会影响达到调节好的转矩给定值。
代替干预电子控制机构的功率部分，根据一种设计规定，蓄电池电压下降补偿电路在蓄电池电压下降时要么提高预先给定的转矩给定值，要么减小间接地基于电动机电流检测的转矩实际值。由此实际上使得电动机的特性曲线发生移动。
本发明的电动螺丝刀的其它有利的设计和改进可由下述说明得到。附图中示出了本发明的电动螺丝刀的实施例，下面对这些实施例予以详细说明。
图中示出：
图1为本发明的电动螺丝刀的草图；
图2为本发明的电动螺丝刀的控制电路的方框图；和
图3a-3d示出了不同设计的电压限制电路。
图1为含有电动机12的电动螺丝刀10的草图，该电动机通过传动机构14驱动插接座(Stecknuss)16。电动螺丝刀10含有支撑臂18，在旋拧过程中，该支撑臂提供反转矩。在所示实施例中，电动螺丝刀10靠蓄电池工作，其含有安装在电池部分22中的蓄电池20。利用开关24使得电动螺丝刀10开始工作。为了控制电动机12，设置有控制电路26。
在所示实施例中，直流电动机12优选通过经脉冲宽度调制的信号来控制，该信号确定了电动机12的平均工作电压。
图2中示出了脉冲宽度调制器30，其提供经脉冲宽度调制的信号s_PWM，该信号使得开关元件32例如MOS场效应晶体管要么完全断开，要么完全闭合。经脉冲宽度调制的信号s_PWM的周期持续时间和/或脉冲持续时间可以改变。
经脉冲宽度调制的信号s_PWM的占空系数反映了接通持续时间与周期持续时间的比例，该占空系数确定了电动机12的平均工作电压，由此实现对提供给电动机12的功率施加影响，或者对电动机12的转速施加影响。
在开关24闭合之后，电动机电流i_Mot的流动就取决于经脉冲宽度调制的信号s_PWM的占空系数、供电电压u_Batt和电动机12的负载。
电动机电流i_Mot被考虑用作由电动机12施加的转矩的量度，进而被考虑用作由电动螺丝刀10在插接座16上提供的转矩的量度。在所示实施例中，电动机电流i_Mot使用分流器34来检测，该分流器被实现为例如0.01欧姆的低欧姆电阻。作为电动机电流i_Mot的量度而在分流器34上产生的电压降u_Sens在传感器信号处理部件36中被增强，并作为转矩实际值md_Ist的量度被输送给信号平滑部件38，该信号平滑部件将经平滑处理的转矩实际值mdm_Ist提供给螺丝刀切断部件40。
传感器信号处理部件36例如含有被布线成差分放大器的OpAmp。信号平滑部件38例如被实现为电阻-电容组合部件，其具有低通滤波功能或积分特性，积分特性导致平滑的求平均。
在必要时设置的信号平滑部件38在很大程度上抑制了会导致电动螺丝刀10错误地切断的干扰信号和电流尖峰。
螺丝刀切断部件40例如通过被布线成比较器的OpAmp来实现，经平滑处理的转矩实际值mdm_Ist或转矩实际值md_Ist和转矩给定值Md_Soll被提供给所述OpAmp，所述转矩给定值Md_Soll由转矩给定值预设部件42提供。转矩给定值预设部件42优选是电位计，其调节轮可由电动螺丝刀10的操作人员够到，且标有不同的有待预先给定的转矩给定值。
一旦经平滑处理的转矩实际值mdm_Ist或转矩实际值md_Ist与转矩给定值Md_Soll一致，螺丝刀切断部件40就提供停止信号s_Stop，该停止信号s_Stop被提供给脉冲宽度调制器30。在达到预先给定的转矩给定值Md_Soll而产生停止信号s_Stop时，脉冲宽度调制器30终止提供经脉冲宽度调制的信号s_PWM，由此使得开关元件32保持闭合，并切断电动机12或电动螺丝刀10。
在所示实施例中，为了给电动机12供应能量，设置有蓄电池20，该蓄电池20优选被实现成基于锂的蓄电池20，基于锂的蓄电池的特点是能量密度高。例如可以使用锂离子蓄电池，或者例如可以使用锂聚合物蓄电池。蓄电池20提供供电电压u_Batt。蓄电池的、特别是基于锂的蓄电池的放电特性曲线尽管相对平整，但如果电动机电流i_Mot被考虑用作转矩实际值md_Ist、mdm_Ist的量度，则即使很小的电压降也会直接影响达到预先给定的转矩给定值Md_Soll，因为在供电电压u_Batt下降时会产生较小的电动机电流i_Mot。
因而设置有蓄电池电压下降补偿电路44，其能够补偿下降的供电电压u_Batt对达到已调节好的转矩给定值Md_Soll的影响。
原则上，供电电压u_Batt可以被立即稳定和保持恒定，然而需要功率半导体部件，这些功率半导体部件一方面相对成本高昂，另一方面由于所希望的电流比较大例如高达100A而体积庞大，以至于不能安装在电动螺丝刀10中。
蓄电池电压下降补偿电路44因此优选以补偿信号s_Batt_Komp干预螺丝刀切断部件40，其中在供电电压u_Batt下降时，要么转矩给定值Md_Soll增大，要么转矩实际值md_Ist、mdm_Ist减小。
蓄电池电压下降补偿电路44例如含有基准电压源，供电电压u_Batt与该基准电压源相比较。随着基准电压和供电电压u_Batt之间的差在蓄电池20的放电过程中变小，补偿信号s_Batt_Komp持续增大，这种增大相当于电动机电流i_Mot实际上减小，以便在供电电压u_Batt下降情况下在信号评估时补偿实际减小的电动机电流i_Mot。
在电动螺丝刀10工作期间，支撑臂18提供所需要的相对于由插接座16传递到旋拧机构上的转矩的反转矩。为了准备旋拧过程，将支撑臂18固定在合适的支撑机构上。在旋拧过程中，取决于增加的转矩，支撑臂18出现相应增大的变形，这种变形相当于存储能量。在达到预先给定的转矩给定值Md_Soll而切断螺丝刀10之后，存储在支撑臂18中的能量具有最大值。
通过支撑臂18的变形，插接座16，进而整个电动螺丝刀10，在旋拧连接部件上被夹紧。在利用由螺丝刀切断部件40提供的切断信号s_Stop切断电动螺丝刀10之后，存储在支撑臂18中的能量引起电动机12从插接座16起，向后通过传动机构14被驱动，其中电动机12沿着与驱动方向相反的方向开始旋转。
因此，当存储在支撑臂18中的能量释放时，电动机12作为发电机工作。为了使得存储在支撑臂18中的能量快速、容易地释放，电动机12应能够自由旋转，而不会施加反转矩，该反转矩会妨碍和延长所述释放过程。因此，在该工作状态下，电动机12不应被短路或者用小电阻连接，其中在发电机电压较小时就已经产生了较大的电动机电流i_Mot，较大的电动机电流i_Mot相应于较大的反转矩。在此需要考虑到，在作为发电机工作时，由于旋转方向不同，电动机电压u_Mot极性相反，电动机电流i_Mot因而反向流动，只要提供有电流电路。
特别地，试验已表明，在作为发电机工作时，会产生显著的明显高于电动机12的额定工作电压的电动机电压u_Mot。对于额定电压例如为28伏特的电动机12而言，已表明，电压峰值高达200伏特，脉冲持续时间为几百ns。这种高能量的过电压会导致控制电路22的部件损毁，特别是会导致开关部件32损毁。
根据本发明，因此设置有电压限制电路46，该电压限制电路46将作为发电机工作的与驱动方向相逆地旋转的电动机12的电动机电压u_Mot限制到预先给定的限制电压u_Lim，所述电动机电压u_Mot在存储于支撑臂18中的能量释放时在电动机12上产生。
电压限制电路46不可与空转部件(Freilauf)相比，空转部件基本上仅仅使得电动机12短路。电压限制电路46可以实现目标明确地预先给定限制电压u_Lim，从而电动机12在作为发电机工作期间，在存储于支撑臂18中的能量释放时不产生反转矩，至少直到达到限制电压u_Lim。与通常的工作相比，在该工作状态下，只有当在发电机工作模式下电动机电压u_Mot试图超过限制电压u_Lim时，才会出现反向的电动机电流i_Mot。
但电压限制电路46可以承担空转部件的功能，其中在空转期间，电动机电流i_Mot并不换向，限制电压u_Lim作为电动机电压u_Mot产生。必要时，可以设置有未详细示出的接通的空转部件，该空转部件受经脉冲宽度调制的信号s_PWM的控制。
电压限制电路46可以采用不同的方式来实现。根据图3a中所示的实施例，电压限制电路46含有两个串联连接的极性相对的齐纳二极管50、52。它们的击穿电压优选相等。除了二极管50、52的沿着导通方向的导通电压外，所述击穿电压也至少近似地无论在正向上还是在反向上都相应于限制电压u_Lim。原则上，可以通过根据极性对齐纳二极管50、52的击穿电压的相应选择来预先给定不同的限制电压。
根据图3b中所示的实施例，电压限制电路46含有双极的电压限制齐纳二极管54，其也称为TVS(瞬态电压抑制器)。电压限制齐纳二极管54含有两个集成在一个唯一的部件中的齐纳二极管50、52，该唯一的部件因而比分立的齐纳二极管成本低廉，特别是能够以较小的代价装配在印制电路板上，从而在批量生产中产生进一步的成本优势。
根据图3c中所示的实施例，电压限制电路46含有变阻器56。
图3d中所示的实施例基于具有模拟的电子负载件58的电压限制部件。电子负载件58可以通过晶体管60来实现，该晶体管60与损耗电阻62串联连接。为了控制晶体管60，设置有比较器64，该比较器将作为测量电压u_Mess的电动机电压u_Mot与预先给定的限制电压u_Lim相比较，并根据比较使得晶体管60或多或少地开启。由此将电压限制电路46上的电压调节到、进而限制到限制电压u_Lim。
而在电压限制电路46中所使用的部件-齐纳二极管50、52、电压限制齐纳二极管54以及晶体管60-能够实现对电压脉冲做出非常快速的反应，变阻器56能够至少短时间地吸收和释放较高的能量。因此可以根据要求组合地设置二极管或晶体管50、52、54、60以及变阻器60。
限制电压u_Lim首先被设定成的值应使得在电动机12的正常驱动工作中不会对电动机电压u_Mot产生限制。因此对于28伏特的电动机12而言，将限制电压u_Lim设定成至少28伏特的值。因为在电动机12作为发电机工作时电动机电压u_Mot换向，所以在极性相反的情况下，电压限制电路46必须提供特别是用于电动机电压u_Mot的限制电压u_Lim。根据所示实施例，该实施例具有图2中所示的供电电压u_Batt的极性，在电动机12作为发电机工作时，在开关部件32上产生电动机电压u_Mot的正电位，而在蓄电池20上施加了负电位。
最好为电动机电压u_Mot的两个极性设置相同大小的限制电压u_Lim，该限制电压u_Lim的大小至少等于电动机12的额定电压的大小。
根据另一种设计，至少将在电动机12作为发电机工作时起作用的限制电压u_Lim设定成根据法律确定的所谓的保护特低电压(Schutz-Kleinspannung)的值。在这种意义下的保护特低电压应采用如下方式来确定：在电设备上，在当前情况下为在电动螺丝刀10上，可能被接触的带电压的部件不允许超过保护特低电压。只要情况如此，就要采取用于防止接触的特定防护措施。保护特低电压例如可以为42伏特。被确定为保护特低电压的限制电压u_Lim针对电动机电压u_Mot的两个极性优选也被设定成大小相同。