VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES ELEKTRISCHEN ANTRIEBS, VORZUGSWEISE EINES GEBLÄSES UND/ODER EINER BÜRSTE EINES STAUBSAUGERS ODER EINES STAUBSAUGROBOTERS

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs (A), vorzugsweise eines Gebläses und/oder einer Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters,
wobei der elektrische Antrieb (A)
• eine Spannungsquelle (Q),
• einen Elektromotor (M) und
• eine Steuerungseinheit (S)
aufweist,
das Verfahren mit wenigstens den Schritten:
• Betreiben (100) des Elektromotors (M) seitens der Steuerungseinheit (S) mit einer vorbestimmten Drehzahl mittels einer pulsweitenmodulierten Spannung (Uq) der Spannungsquelle (Q) mit einem vorbestimmten Tastgrad,
• Erfassen (200) der Spannung (Uq) der Spannungsquelle (Q),
• Bestimmen (300) der effektiv am Elektromotor (M) anliegenden Spannung (Ueff) durch Multiplizieren des Tastgrads mit der Spannung (Uq) der Spannungsquelle (Q),
• Bestimmen (400) der induzierten Spannung (Ui) des Elektromotors (M), und
• Bestimmen (500) eines Lastindikators des Elektromotors (M) durch Subtrahieren der induzierten Spannung (Ui) des Elektromotors (M) von der effektiv am Elektromotor (M) anliegenden Spannung (Ueff).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs, vorzugsweise eines Gebläses und bzw. oder einer Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters, nach Patentanspruch 1 sowie ein Haushaltsgerät, vorzugsweise einen Staubsauger und bzw. oder einen Staubsaugroboter, nach Patentanspruch 12.

[0002] Auf dem Gebiet der Haushaltsgeräte sind Staubsauger bekannt, welche dem Reinigen von Flächen dienen.

[0003] Ein Staubsauger ist ein Reinigungsgerät, das mit einem Gebläse ausgerüstet ist, welches einen Unterdruck erzeugt. An der Saugseite des Staubsaugers ist eine Ansaugöffnung vorgesehen, welche vom Anwender gezielt über die zu reinigenden Flächen geführt werden kann. Die vom Gebläse angesaugte Luft fließt üblicherweise durch mehrere Filter; welche Bestandteile wie Staub, meist Hausstaub, sowie kleinere Schmutzteilchen aus dem Luftstrom herausfiltern können. Die Luft verlässt den Staubsauger weitaus sauberer, als sie in ihn hineingeströmt ist. Um die Reinigungswirkung der zu reinigenden Flächen zu verbessern, weist die Ansaugöffnung üblicherweise eine rotierbare Bürste auf, welche die Bestandteile von der zu reinigenden Fläche in den Luftstrom hinein aufwirbeln kann. Das Gebläse weist einen elektrischen Gebläsemotor und die Bürste einen elektrischen Bürstenmotor auf.

[0004] Nachteilig bei bekannten Staubsaugern ist, dass eine Bedieneingabe durch den Benutzer erforderlich ist, um eine Betriebsart von Gebläse und Bürste einzustellen. Dies kann als lästig empfunden werden. Auch kann dies vergessen werden, so dass der Staubsauger sehr wahrscheinlich mit einer nicht-optimalen Reinigungseinstellung betrieben wird.

[0005] Nachteilig ist ferner, dass es von der Wahl der Betriebsart durch den Benutzer abhängt, ob bzw. wie sehr eine für die zu reinigende Fläche optimale Reinigungseinstellung tatsächlich gefunden wird. Dies kann sehr leicht zu Fehleinstellungen führen, gerade bei sich ändernden und insbesondere bei sich häufig ändernden Arten von zu reinigenden Flächen.

[0006] Der Erfindung stellt sich somit das Problem, ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs, vorzugsweise eines Gebläses und bzw. oder einer Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters, bereitzustellen, so dass der elektrische Antrieb selbsttätig auf unterschiedliche Lastzustände, insbesondere auf unterschiedliche zu reinigende Flächen, mit einem jeweils möglichst optimalen Betriebspunkt eingestellt werden kann. Dies soll besser und bzw. oder einfacher, vorzugsweise mit weniger oder sogar ganz ohne Sensoren, als bisher bekannt erfolgen. Vorzugsweise soll dies möglichst energieeffizient, d.h. mit möglichst geringer Eingangsleistung des elektrischen Gebläsemotors und bzw. oder des elektrischen Bürstenmotors, erfolgen.

[0007] Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Steuerungseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 sowie ein Haushaltsgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.

[0008] Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs, vorzugsweise eines Gebläses und bzw. oder einer Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters, wobei der elektrische Antrieb eine Spannungsquelle, einen Elektromotor und eine Steuerungseinheit aufweist. Das Verfahren weist wenigstens die Schritte auf:

• Betreiben des Elektromotors seitens der Steuerungseinheit mit einer vorbestimmten Drehzahl mittels einer pulsweitenmodulierten Spannung der Spannungsquelle mit einem vorbestimmten Tastgrad,
• Erfassen der Spannung der Spannungsquelle,
• Bestimmen der effektiv am Elektromotor anliegenden Spannung durch Multiplizieren des Tastgrads mit der Spannung der Spannungsquelle,
• Bestimmen der induzierten Spannung des Elektromotors, und
• Bestimmen eines Lastindikators des Elektromotors durch Subtrahieren der induzierten Spannung des Elektromotors von der effektiv am Elektromotor anliegenden Spannung.

[0009] Die Spannungsquelle ist vorzugsweise eine Gleichspannungsquelle. Die Spannungsquelle kann ein Stromversorgungsnetz sein. Vorzugsweise ist die Spannungsquelle jedoch eine Batterie oder ein wiederaufladbarer Akkumulator. Der Tastgrad, auch Aussteuergrad genannt, gibt für eine periodische Folge von Impulsen wie hier die Spannungspulse das Verhältnis der Impulsdauer zur Periodendauer an.

[0010] Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass auf diese Art und Weise ein Lastindikator eines Elektromotors bestimmt werden kann, um eine Aussage über die aktuell am Elektromotor anliegende äußere Last treffen zu können. Hierdurch können auch verschiedene Lastzustände voneinander unterschieden werden. Auf zusätzliche Sensorik kann verzichtet werden.

[0011] Die Kenntnis der erfindungsgemäß bestimmten aktuellen Last des Elektromotors kann dazu verwendet werden, die Leistung des Elektromotors zu steuern oder zu regeln. So kann die Leistung des Elektromotors der anliegenden Last möglichst optimal angepasst werden. Wird das erfindungsgemäße Verfahren auf einen Elektromotor oder auf mehrere Elektromotoren eines Gebläses bzw. einer Bürste eines Staubsaugers bzw. eines Staubsaugroboters angewendet, kann erfindungsgemäß die optimale Drehzahl oder die optimale Leistung der Bodenbürste und bzw. oder die optimale Drehzahl oder die optimale Leistung des Gebläses erreicht werden.

[0012] Dies kann zum einen den Vorteil haben, dass der Elektromotor energieeffizient betrieben werden kann. Dies kann den Verbrauch elektrischer Energie so gering wie möglich bei gleichzeitig der anliegenden Last angemessener Leistung halten. Hierdurch kann z.B. bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen elektrischen Antrieb eines Gebläses und bzw. oder einer Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters eine gute Staubaufnahme bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch erreicht werden. Wird ein batterie- bzw. akkumulatorbetriebenes Gerät verwendet, kann die Laufzeit verlängert werden. Mit anderen Worten kann ein optimales Verhältnis der Staubaufnahme zur Eingangsleistung erreicht werden.

[0013] Vorteilhaft ist auch, dass durch einen lastabhängigen Betrieb des Elektromotors dessen Lebensdauer verlängert werden kann, da unnötig leistungsstarke Betriebszustände vermieden werden können. Dies kann sich bei einem akkumulatorbetriebenen Gerät ebenso positiv auf die Lebensdauer des Akkumulators auswirken. Mit anderen Worten kann durch eine möglichst geringe Eingangsleistung des Elektromotors eine Schonung des Elektromotors und ggfs. des Akkumulators erreicht werden.

[0014] Vorteilhaft ist auch bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein akkumulatorbetriebenes Gerät, dass im Falle einer zukünftigen Regulierung für akkumulatorbetriebene Geräte Grenzwerte der elektrischen Leistung eingehalten werden können, da die anliegende Last erfindungsgemäß bestimmt und die hierfür zur Verfügung stehende maximale elektrische Leistung, welche dem Akkumulator entnommen werden darf, vorgegeben werden kann.

[0015] Vorteilhaft ist ferner, dass über die bestimmte Last des Elektromotors eine Erkennung einer Überlastung des Elektromotors erfolgen kann. In diesem Fall kann der Elektromotor mit einer geringeren und zulässigen Leistung betrieben oder ggfs. ausgeschaltet werden, um eine Beschädigung des Elektromotors zu vermeiden.

[0016] Allgemein lässt sich noch anmerken, dass die Antriebe in Staubsaugern oder in Staubsaugrobotern sich im Allgemeinen nur recht aufwendig regeln lassen, da sowohl die Last als auch die Eingangsparameter wie insbesondere die Motorspannung während der Laufzeit stark variieren. Der letztendlich zur Verfügung gestellte Unterdruck und der mittelbare Volumenstrom hängen von mehreren äußeren Faktoren ab, die nur schlecht zu kombinieren sind. Ein wesentlicher Ansatz zur einfachen Regelung und insbesondere Saugleistungs-Regelung von Staubsaugerantrieben liegt erfindungsgemäß in der Kenntnis der Drehzahl des Motors sowie dessen abgegebenen Moments, welches proportional zum Strom ist. Durch den Einsatz von PMDC-Motoren (Englisch: Permanent magnet direct current electric motor; Deutsch: permanenterregter Gleichstrommotor) mit ihren elektrischen Besonderheiten eröffnen sich gegenüber normalen RSM-Maschinen (Reihenschlussmotoren) vereinfachte Sensierungs- und damit Regelungsmöglichkeiten.

[0017] Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist das Verfahren wenigstens den weiteren Schritt auf:

• Bestimmen des Drehmoments und bzw. oder des Stroms des Elektromotors durch Multiplizieren des Lastindikators mit einem vorbestimmten Faktor.

[0018] Diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Lastindikator des Elektromotors sowohl proportional zum Drehmoment als auch proportional zum Strom des Elektromotors ist. Somit kann der Lastindikator durch Multiplikation in das Drehmoment bzw. in den Strom des Elektromotors umgerechnet werden, um z.B. hierauf direkt zu regeln. Ebenso können die zuvor beschriebenen Erkenntnisse auch auf das bestimmte Drehmoment bzw. auf den bestimmten Strom angewendet werden.

[0019] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der elektrische Antrieb ferner einen Freilauf auf, welcher parallel zum Elektromotor angeordnet ist. Ferner weist das Bestimmen der induzierten Spannung des Elektromotors wenigstens die Schritte auf:

• Unterbrechen der pulsweitenmodulierten Spannung der Spannungsquelle am Elektromotor,
• zu einem ersten Messzeitpunkt, während dem ein Strom durch den Freilauf fließt, Erfassen der Spannung der Spannungsquelle,
• zu einem zweiten Messzeitpunkt, während dem kein Strom mehr durch den Freilauf fließt, Erfassen einer überlagerten Spannung des Elektromotors, und
• Bestimmen der induzierten Spannung des Elektromotors durch Subtrahieren der überlagerten Spannung des Elektromotors von der Spannung der Spannungsquelle.

[0020] Auf diese Art und Weise kann erfindungsgemäß die induzierte Spannung des Elektromotors bestimmt werden, ohne dass diese durch zusätzliche Maßnahmen gemessen werden muss. Hierzu kann der eigentliche pulsweitenmodulierte Betrieb des Elektromotors derart kurzzeitig unterbrochen werden, z.B. alle 100 ms für ca. 0,5 ms, dass dies für den Benutzer nicht wahrnehmbar ist. Während dieser kurzzeitigen Betriebsunterbrechung wird anfänglich, solange ein Strom durch den Freilauf fließt, die Spannung der Spannungsquelle erfasst. Nach Abklingen des Stroms wird dann eine überlagerte Spannung des Elektromotors erfasst. Anschließend kann der normale Betrieb des Elektromotors wieder aufgenommen werden.

[0021] Aus diesen beiden Spannungen lässt sich die induzierte Spannung des Elektromotors durch Subtrahieren bestimmen. Diese kann, wie zuvor beschrieben, zur Bestimmung des Lastindikators verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die bestimmte induzierte Spannung des Elektromotors auch für andere Zwecke verwendet werden.

[0022] Der Freilauf kann als passiver Freilauf mittels einer Diode ausgeführt werden. Dieser Freilauf kann sehr einfach und kostengünstig realisiert werden, besitzt durch den Spannungsabfall in Durchlassrichtung jedoch eine nicht zu vernachlässigende Verlustleistung.

[0023] Bevorzugt kann der Freilauf daher alternativ als aktiver Freilauf, z.B. mittels eines entsprechend angesteuerten MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ausgeführt sein. Hier ist zwar die Realisierung aufwendiger, unter anderem, da eine Ansteuerung zu den passenden Zeitpunkten erforderlich ist, allerdings ist die Verlustleistung gegenüber einem Diodenfreilauf deutlich verringert.

[0024] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Verfahren wenigstens den weiteren Schritt auf:

• Bestimmen der Drehzahl des Elektromotors durch Multiplizieren der induzierten Spannung des Elektromotors mit einem vorbestimmten Faktor.

[0025] Diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die induzierte Spannung des Elektromotors proportional zur Drehzahl des Elektromotors ist. Somit kann die Drehzahl des Elektromotors aus dessen induzierter Spannung gewonnen werden. Die Drehzahl kann z.B. für eine Drehzahlregelung des Elektromotors verwendet werden, ohne dass hierzu ein separater Drehzahlsensor verwendet werden muss.

[0026] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Verfahren wenigstens die weiteren Schritte auf:

• für den Fall, dass der Elektromotor ausgebildet ist, ein Gebläse oder eine Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters anzutreiben, Vergleichen des Lastindikators und bzw. oder des Drehmoments und bzw. oder des Stroms des Elektromotors mit wenigstens einem Referenzwert und bzw. oder mit wenigstens einem Schwellenwert, welcher einer Art eines Untergrunds entspricht, und
• Betreiben des Elektromotors seitens der Steuerungseinheit in Abhängigkeit der erkannten Art des Untergrunds.

[0027] Auf diese Art und Weise kann der erfindungsgemäß bestimmte Lastindikator bzw. das hieraus gewonnene Drehmoment und bzw. oder der hieraus gewonnene Strom des Elektromotors dazu verwendet werden, bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ein Gebläse oder auf eine Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters die Art des zu reinigenden Untergrunds zu erkennen. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Steuerungseinheit des Elektromotors Daten vorgegeben sind, welche verschiedenen Untergründen entsprechen, so dass durch Vergleichen der vorliegende Untergrund aus den hinterlegten Untergründen ausgewählt und hierdurch erkannt werden kann. Hierzu können die Daten als Referenzwerte bzw. als Schwellwerte angegeben sein.

[0028] Hierdurch kann es erfindungsgemäß erreicht werden, dass ein Staubsauger bzw. ein Staubsaugroboter den zu reinigenden Untergrund identifizieren und sich hinsichtlich der Leistung seines Gebläses und bzw. oder seiner Bürste auf den Untergrund selbsttätig einstellen kann. Dies kann somit sensorlos erfolgen.

[0029] Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass auf Hartböden die Bürste relativ wenig zum Saugergebnis beiträgt, die Saugleistung des Gebläses hingegen schon. Auf Teppich ist es eher umgekehrt. Daher kann auf diese Art und Weise eine optimale Reinigungswirkung bei gleichzeitig möglichst hoher Energieeffizienz erreicht werden. Bei einem batterie- oder akkumulatorbetriebenen Gerät kann hierdurch die Laufdauer verlängert werden. Auch kann eine Schonung des zu reinigenden Untergrunds durch eine angepasste und damit nicht unnötig starke Gebläseleistung bzw. Bürstenaktivität erreicht werden.

[0030] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist für den Fall, dass der Elektromotor ausgebildet ist, eine Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters anzutreiben, ein Referenzwert und bzw. oder ein Schwellenwert vorbestimmt, so dass durch das Vergleichen zwischen der Abwesenheit und der Anwesenheit der Bürste unterschieden werden kann. Mit anderen Worten kann die Abwesenheit der Bürste, deren Elektromotor sich in diesem Zustand quasi im Leerlauf befindet, zu einer derart geringen Last des Elektromotors führen, dass dieser Lastzustand des Elektromotors von den übrigen Lastzuständen des Elektromotors unterschieden und hierdurch erkannt werden kann. In diesem Fall kann vorzugsweise der Elektromotor der Bürste abschalten, um Beschädigungen des Elektromotors selbst, des Staubsaugers bzw. des Staubsaugroboters sowie des Untergrunds zu vermeiden. Ferner kann hierdurch elektrische Energie gespart werden, welche mangels vorhandener Bürste nicht zum Reinigungsergebnis beitragen würde.

[0031] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt das Betreiben des Elektromotors seitens der Steuerungseinheit drehzahlgeregelt. Hierdurch kann ein drehzahlgeregelter Betrieb des Elektromotors erreicht werden, wie zuvor bereits beschrieben. Dies kann ohne zusätzlichen Drehzahlsensor erfolgen.

[0032] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt für den Fall, dass ein vergleichsweise hoher Teppich als Untergrund erkannt wird (etwa durch eine vorher definierte Drehmoment-Obergrenze) und der Elektromotor ausgebildet ist, eine Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters anzutreiben, das Betreiben des Elektromotors seitens der Steuerungseinheit mit einer vergleichsweise geringen Drehzahl. Diesem Aspekt der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein vergleichsweise hoher Teppich durch die Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters strapaziert werden kann. Daher kann, falls ein derartiger Teppich erfindungsgemäß erkannt wird, die Leistung der Bürste des Staubsaugers oder des Staubsaugroboters zur Schonung des Teppichs geringer als bei einem anderen Untergrund eingestellt werden.

[0033] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt das Bestimmen der induzierten Spannung des Elektromotors und bzw. oder das Erfassen der überlagerten Spannung des Elektromotors über einen Spannungsteiler, welcher in Reihe mit dem Elektromotor und parallel zu der Steuerungseinheit angeordnet ist. Hierdurch kann das Erfassen der jeweiligen Spannung einfach und zuverlässig innerhalb des Antriebs umgesetzt werden.

[0034] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung erfolgt das Erfassen der Spannung der Spannungsquelle zu dem ersten Messzeitpunkt und bzw. oder zu dem zweiten Messzeitpunkt mittels eines Erfassens über einen vorbestimmten Messzeitraum mit anschließender Mittelwertbildung. Hierdurch können Schwankungen des Messsignals ebenso wie ein Messrauschen ausgeglichen und damit reduziert werden. Dies kann die Qualität der Messung und damit die Zuverlässigkeit der hierauf basierenden Schlussfolgerungen erhöhen.

[0035] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Elektromotor ein Elektromotor eines Gebläses oder ein Elektromotor einer Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters. Auf diese Art und Weise können die zuvor beschriebenen Eigenschaften und Vorteile bei derartigen Geräten genutzt werden, was insbesondere für den Fall von batterie- oder akkumulatorbetriebenen Geräten hinsichtlich der Energieeffizienz vorteilhaft sein kann. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Steuerungseinheit zum Betrieb eines elektrischen Antriebs, vorzugsweise eines Gebläses und/oder einer Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters, wobei die Steuerungseinheit ausgebildet ist, ein Verfahren wie vorstehend beschrieben auszuführen.

[0036] Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Haushaltsgerät, vorzugsweise einen Staubsauger und bzw. oder einen Staubsaugroboter, vorzugsweise akkumulatorbetrieben, mit wenigstens einem elektrischen Antrieb, wenigstens einer Spannungsquelle, wenigstens einem Elektromotor und wenigstens einer Steuerungseinheit, wobei die Steuerungseinheit ausgebildet ist, ein Verfahren wie vorstehend beschrieben auszuführen. Auf diese Art und Weise können die zuvor beschriebenen Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bei derartigen Geräten genutzt werden, was insbesondere für den Fall von batterie- oder akkumulatorbetriebenen Geräten hinsichtlich der Energieeffizienz vorteilhaft sein kann.

[0037] Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Erkenntnis, dass aufgrund des erfindungsgemäß drehzahl- bzw. belastungsgeregelten Betriebs des Elektromotors, welcher die effektiv anliegende Spannung des Elektromotors berücksichtigt, beim Einsatz eines Akkumulators als Spannungsquelle eine höhere Anzahl von Akkumulatorzellen als bisher bekannt verwendet werden kann, da der Betrieb des Elektromotors unabhängig von der Spannung der Spannungsquelle erfolgt. Somit kann die Laufzeit des Gerätes, welches den erfindungsgemäß betriebenen Elektromotor aufweist, durch die höhere Anzahl von Akkumulatorzellen vergrößert werden.

[0038] Die vorliegende Erfindung umfasst ferner die Erkenntnis, dass eine sinkende Spannung der Spannungsquelle, z.B. aufgrund einer schwächer werdenden Batterie bzw. eines schwächer werdenden Akkumulators, durch eine Anpassung des Tastgrads der pulsweitenmodulierten Spannung wieder ausgeglichen werden kann. Somit kann der Betrieb des elektrischen Antriebs auch in diesem Fall unvermindert fortgesetzt werden. Aus den gleichen Gründen können auch verschiedene Typen von Batterien sowie von Akkumulatoren von verschiedenen Herstellern mit ggfs. unterschiedlicher Spannung verwendet werden. Ferner besteht die Möglichkeit, einen Akkumulator mit einer größeren Anzahl von Zellen, welche zu einer höheren Spannung führen, mit längeren Laufzeiten anzubieten. Auch dies kann durch die pulsweitenmodulierte Spannung ausgeglichen werden.

[0039] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

Figur 1

ein Schaltbild eines elektrischen Antriebs;

Figur 2

ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb des elektrischen Antriebs der Figur 1;

Figur 3

ein Messdiagramm eines Betriebs des elektrischen Antriebs der Figur 1; und

Figur 4

ein Messdiagramm von verschiedenen Proportionalitäten des elektrischen Antriebs der Figur 1.

[0040] Figur 1 zeigt ein Schaltbild eines elektrischen Antriebs A. Der elektrische Antrieb A weist eine Spannungsquelle Q in Form eines Akkumulators Q auf, welche eine Spannung U_q bzw. eine Akkumulatorspannung U_q mit 24 V bereitstellt. Es ist ein Elektromotor M vorhanden, zu dem parallel eine Diode D₁ angeordnet ist, welche von einem Diodenstrom I_D1 durchflossen werden kann. Der Elektromotor M und die Diode D₁ sind gemeinsam in Reihe zum Akkumulator Q geschaltet. Der hier gezeigte und im Folgenden beschriebene passive Diodenfreilauf ist lediglich beispielhaft zu verstehen, die Funktion kann alternativ auch durch einen aktiven Freilauf, etwa durch einen entsprechend angesteuerten MOSFET gewährleistet werden.

[0041] Weiter in Reihe geschaltet ist auch eine Steuerungseinheit S mit einem Spannungsteiler, welcher durch einen ersten ohmschen Widerstand R1 und durch einen zweiten ohmschen Widerstand R2 gebildet wird. Über den Spannungsteiler kann eine erste Spannung U₁, welche über den ersten ohmschen Widerstand R₁ abfällt, erfasst werden. Die Steuerungseinheit S ist als Mikrocontroller S ausgeführt. Hierüber schließt sich der Stromkreis zum Akkumulator Q hin.

[0042] Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der elektrische Antrieb A bei einem Staubsauger zum Antreiben der Bodenbürste eingesetzt. Anhand dieses Ausführungsbeispiels sollen verschiedene Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens näher betrachtet werden.

[0043] Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb des elektrischen Antriebs der Figur 1.

[0044] In einem ersten Schritt 100 wird der Elektromotor M seitens der Steuerungseinheit S mit einer vorbestimmten Drehzahl mittels einer pulsweitenmodulierten Akkumulatorspannung U_q mit einem vorbestimmten Tastgrad betrieben, siehe im Diagramm der Figur 3 links vor einem ersten Messzeitpunkt T₁. In dieser Zeit wird in einem zweiten Schritt 200 die Akkumulatorspannung U_q erfasst. Ferner wird in dieser Zeit in einem dritten Schritt 300 die effektiv am Elektromotor M anliegende Spannung U_eff durch Multiplizieren des Tastgrads mit der Akkumulatorspannung U_q bestimmt.

[0045] Anschließend erfolgt in einem vierten Schritt 400 ein Bestimmen der induzierten Spannung U_i des Elektromotors M. Hierzu wird in einem ersten Teilschritt 410 die pulsweitenmodulierte Akkumulatorspannung U_q am Elektromotor M unterbrochen. Während unmittelbar nach dem Unterbrechen die Akkumulatorspannung U_q durch den Diodenstrom I_D1 der Diode D₁ noch aufrechterhalten wird, erfolgt zu dem ersten Messzeitpunkt T₁ in einem zweiten Teilschritt 420 ein Erfassen der Akkumulatorspannung U_q, siehe Figur 3. Ist der Diodenstrom I_D1 der Diode D₁ abgeklungen, so erfolgt zu einem zweiten Messzeitpunkt T₂ in einem dritten Teilschritt 430 ein Erfassen einer überlagerten Spannung U_k des Elektromotors M, siehe ebenfalls Figur 3. Anschließend kann die pulsweitenmodulierte Akkumulatorspannung U_q am Elektromotor M wieder anliegen, so dass das Betreiben des Elektromotors M wie zuvor wieder aufgenommen werden kann. Unabhängig hiervon erfolgt in einem vierten Teilschritt 440 das Bestimmen der induzierten Spannung U_i des Elektromotors M durch Subtrahieren der überlagerten Spannung U_k des Elektromotors M von der Akkumulatorspannung U_q, so dass nun die induzierte Spannung U_i des Elektromotors M zur Verfügung steht.

[0046] In einem fünften Schritt 500 erfolgt dann ein Bestimmen eines Lastindikators des Elektromotors M durch Subtrahieren der induzierten Spannung U_i des Elektromotors M von der effektiv am Elektromotor M anliegenden Spannung U_eff. Anschließend wird in einem ersten sechsten Teilschritt 600a das Drehmoment und bzw. oder der Strom des Elektromotors M durch Multiplizieren des Lastindikators mit einem vorbestimmten Faktor bestimmt. Parallel wird in einem zweiten sechsten Teilschritt 600b die Drehzahl des Elektromotors M durch Multiplizieren der induzierten Spannung U_i des Elektromotors M mit einem vorbestimmten Faktor bestimmt.

[0047] Anschließend erfolgt in einem siebten Schritt 700 ein Vergleichen des Lastindikators und bzw. oder des Drehmoments und bzw. oder des Stroms des Elektromotors M mit wenigstens einem Referenzwert und bzw. oder mit wenigstens einem Schwellenwert, welcher einer Art eines Untergrunds entspricht. In einem achten Schritt 800 erfolgt dann ein Betreiben des Elektromotors M seitens der Steuerungseinheit S in Abhängigkeit der erkannten Art des Untergrunds.

[0048] Hierauf basierend kann nun die Leistung der Bodenbürste geregelt werden. Neben der Erkennung des Untergrunds kann auch die Anwesenheit oder Abwesenheit der Bodenbürste erkannt werden. Ferner kann die Drehzahl des Elektromotors M sensorlos bestimmt und z.B. für eine Drehzahlregelung genutzt werden.

[0049] Diese jeweiligen Proportionalitäten, welche die vorbestimmten Faktoren zur Bestimmung des Drehmoments bzw. des Stroms bzw. der Drehzahl des Elektromotors M verwendet werden können, sind beispielhaft der Figur 4 zu entnehmen.

Bezugszeichenliste (Bestandteil der Beschreibung)

[0050] 

A

elektrischer Antrieb

D₁

Diode

I_D1

Diodenstrom

M

Elektromotor

Q

Spannungsquelle; Akkumulator

R₁

erster ohmscher Widerstand

R₂

zweiter ohmscher Widerstand

S

Steuerungseinheit; Mikrocontroller

t

Zeit

T₁

erster Messzeitpunkt bzw. Messzeitraum

T₂

zweiter Messzeitpunkt bzw. Messzeitraum

U₁

elektrische Spannung über ersten ohmschen Widerstand R₁

U_eff

effektive Spannung des Elektromotors M

U_i

induzierte Spannung des Elektromotors M

U_k

überlagerte Spannung des Elektromotors M

U_q

Spannung der Spannungsquelle Q; Quellenspannung; Akkumulatorspannung

V

Messsignal

100

Betreiben des Elektromotors M mit pulsweitenmodulierter Spannung U_q

200

Erfassen der Spannung U_q der Spannungsquelle Q

300

Bestimmen der effektiv am Elektromotor M anliegenden Spannung U_eff

400

Bestimmen der induzierten Spannung U_i des Elektromotors M

410

Unterbrechen der pulsweitenmodulierten Spannung U_q am Elektromotor M

420

Erfassen der Spannung U_q zu einem ersten Messzeitpunkt T₁

430

Erfassen einer überlagerten Spannung U_k des Elektromotors M zu einem zweiten Messzeitpunkt T₂

440

Bestimmen der induzierten Spannung U_i des Elektromotors M durch Subtrahieren

500

Bestimmen eines Lastindikators des Elektromotors M durch Subtrahieren

600a

Bestimmen des Drehmoments und/oder des Stroms des Elektromotors M

600b

Bestimmen der Drehzahl des Elektromotors M durch Multiplizieren

700

Vergleichen des Lastindikators und/oder des Drehmoments und/oder des Stroms des Elektromotors M

800

Betreiben des Elektromotors M in Abhängigkeit der erkannten Art des Untergrunds

Ansprüche

1. Verfahren zum Betrieb eines elektrischen Antriebs (A), vorzugsweise eines Gebläses und/oder einer Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters,
wobei der elektrische Antrieb (A) eine Spannungsquelle (Q), einen Elektromotor (M) und eine Steuerungseinheit (S) aufweist,
das Verfahren mit wenigstens den Schritten:

Betreiben (100) des Elektromotors (M) seitens der Steuerungseinheit (S) mit einer vorbestimmten Drehzahl mittels einer pulsweitenmodulierten Spannung (U_q) der Spannungsquelle (Q) mit einem vorbestimmten Tastgrad,

Erfassen (200) der Spannung (U_q) der Spannungsquelle (Q),

Bestimmen (300) der effektiv am Elektromotor (M) anliegenden Spannung (U_eff) durch Multiplizieren des Tastgrads mit der Spannung (U_q) der Spannungsquelle (Q),

Bestimmen (400) der induzierten Spannung (U_i) des Elektromotors (M), und

Bestimmen (500) eines Lastindikators des Elektromotors (M) durch Subtrahieren der induzierten Spannung (U_i) des Elektromotors (M) von der effektiv am Elektromotor (M) anliegenden Spannung (U_eff).

2. Verfahren nach Anspruch 1, mit wenigstens dem weiteren Schritt:

Bestimmen (600a) des Drehmoments und/oder des Stroms des Elektromotors (M) durch Multiplizieren des Lastindikators mit einem vorbestimmten Faktor.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der elektrische Antrieb (A) ferner einen Freilauf (D₁) aufweist, welcher parallel zum Elektromotor (M) angeordnet ist,
wobei das Bestimmen (400) der induzierten Spannung (U_i) des Elektromotors (M) wenigstens die Schritte aufweist:

Unterbrechen (410) der pulsweitenmodulierten Spannung (U_q) der Spannungsquelle (Q) am Elektromotor (M),

zu einem ersten Messzeitpunkt (T₁), während dem ein Strom (I_D1) durch den Freilauf (Di) fließt, Erfassen (420) der Spannung (U_q) der Spannungsquelle (Q),

zu einem zweiten Messzeitpunkt (T₂), während dem kein Strom (I_D1) mehr durch den Freilauf (D₁) fließt, Erfassen (430) einer überlagerten Spannung (U_k) des Elektromotors (M), und

Bestimmen (440) der induzierten Spannung (U_i) des Elektromotors (M) durch Subtrahieren der überlagerten Spannung (U_k) des Elektromotors (M) von der Spannung (U_q) der Spannungsquelle (Q).

4. Verfahren nach Anspruch 3, mit wenigstens dem weiteren Schritt:

Bestimmen (600b) der Drehzahl des Elektromotors (M) durch Multiplizieren der induzierten Spannung (U_i) des Elektromotors (M) mit einem vorbestimmten Faktor.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, mit wenigstens den weiteren Schritten:

für den Fall, dass der Elektromotor (M) ausgebildet ist, ein Gebläse oder eine Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters anzutreiben, Vergleichen (700) des Lastindikators und/oder des Drehmoments und/oder des Stroms des Elektromotors (M) mit wenigstens einem Referenzwert und/oder mit wenigstens einem Schwellenwert, welcher einer Art eines Untergrunds entspricht, und

Betreiben (800) des Elektromotors (M) seitens der Steuerungseinheit (S) in Abhängigkeit der erkannten Art des Untergrunds.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
für den Fall, dass der Elektromotor (M) ausgebildet ist, eine Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters anzutreiben, ein Referenzwert und/oder ein Schwellenwert vorbestimmt ist, so dass durch das Vergleichen (700) zwischen der Abwesenheit und der Anwesenheit der Bürste unterschieden werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
das Betreiben (800) des Elektromotors (M) seitens der Steuerungseinheit (S) drehzahlgeregelt erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
für den Fall, dass ein vergleichsweise hoher Teppich als Untergrund erkannt wird und der Elektromotor (M) ausgebildet ist, eine Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters anzutreiben, das Betreiben (800) des Elektromotors (M) seitens der Steuerungseinheit (S) mit einer vergleichsweise geringen Drehzahl erfolgt.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen (400) der induzierten Spannung (U_i) des Elektromotors (M) und/oder das Erfassen (430) der überlagerten Spannung (U_k) des Elektromotors (M)
über einen Spannungsteiler (R₁, R₂) erfolgt, welcher in Reihe mit dem Elektromotor (M) und parallel zu der Steuerungseinheit (S) angeordnet ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
das Erfassen (430; 440) der Spannung (U_q) der Spannungsquelle (Q) zu dem ersten Messzeitpunkt (T₁) und/oder zu dem zweiten Messzeitpunkt (T₂) mittels eines Erfassens (430; 440) über einen vorbestimmten Messzeitraum (T₁; T₂) mit anschließender Mittelwertbildung erfolgt.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (M) ein Elektromotor (M) eines Gebläses oder ein Elektromotor (M) einer Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters ist.

12. Steuerungseinheit (S) zum Betrieb eines elektrischen Antriebs (A), vorzugsweise eines Gebläses und/oder einer Bürste eines Staubsaugers oder eines Staubsaugroboters, wobei die Steuerungseinheit (S) ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 auszuführen.

13. Haushaltsgerät, vorzugsweise Staubsauger und/oder Staubsaugroboter, vorzugsweise akkumulatorbetrieben, mit
wenigstens einem elektrischen Antrieb (A),
wenigstens einer Spannungsquelle (Q),
wenigstens einem Elektromotor (M) und
wenigstens einer Steuerungseinheit (S) nach Anspruch 12.

Zeichnung