CN101247100B - 电动工具的控制方法及应用该控制方法的电动工具 - Google Patents

电动工具的控制方法及应用该控制方法的电动工具 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动工具，其包括电机，用于驱动工作头旋转，其具有一旋转速度；电源，用于供给所述电机电流；传感器，用于测量所述电流；控制组件，用于检测所述电流随时间的变化率，从而生成控制信号来降低所述电机的旋转速度。本发明通过在电动工具内增设相关的电子控制组件来自动检测工作头驱动的工作件是否已到达预定位置，并且在检测到该工作件到达预定位置后执行相应动作，确保其不会进一步越过该预定位置。

Description

电动工具的控制方法及应用该控制方法的电动工具
技术领域
本发明涉及一种电动工具的控制方法，尤其涉及一种用于控制电动螺丝刀的电机转速的方法。
本发明还涉及一种应用上述控制方法的电动工具，尤其涉及一种应用该控制方法的电动螺丝刀。
背景技术
现有的电动工具，如电动螺丝刀，通过加载的电源提供电流，来驱动电机转动，从而使工作头旋转以将螺丝钻进木板中。不同类型的螺丝具有不同的主体直径，或者具有不同的头部形状，如此，其钻进同一木板中的情形也各不相同。此外，不同的木板由于材质不同使得其硬度也不同，如此，同一螺丝钻进不同材质的木板中的情况也不尽相同。通常在电动螺丝刀的使用过程中，使用者需要将螺丝钻至头部贴近工件的表面，如此，使用者需要非常小心地关注钻进过程，以当螺丝的头部贴近工件的表面时控制电机停转。从而，一方面避免螺丝头部被过深地钻入木板内部，另一方面避免螺丝头部被不小心钻进木板后，由于遭受过大阻力而使电机过载。
通常这种电动工具会设有过载保护装置。这种过载保护装置可以是一种机械式离合器，可在上述电流过载的情况下，使电动工具的工作头与电机脱离配合。采用这种过载保护装置的电动工具通常会同时在其机壳的前部设有一个扭力罩，即一个标有若干刻度的可旋转的罩子。这些刻度表示电动工具工作的极限扭力档位。使用者使用时可预先通过旋转扭力罩来设定电动工具工作的极限扭力值，也就是说，当电动工具工作中输出的扭力矩达到或超过该预先设定的极限值时，离合器系统会自动开始工作而使电动工具的工作头和电机脱离配合。此外，采用这种过载保护装置的电动螺丝刀也可以是在其机壳的前端延伸出一个套管，该套管的前端与电动螺丝刀的工作头的前端基本持平。通过这种设置，当螺丝钻到的其头部贴到木板的表面时，套管的前端部也贴到木板的表面，再进一步钻动螺丝，套管会受到木板的抵压而使其触动机壳内的离合器机构，从而使工作头和电机脱离配合。然而上述机械式离合器结构都较为复杂，制造麻烦，成本较高。
发明内容
本发明提供一种电动工具的控制方法，其可自动确保由电动工具的工作头驱动的工作件到达预定位置，并且该工作件不会进一步越过该预定位置。
本发明还提供一种应用上述控制方法的电动工具，其具有电子控制组件，可避免由工作头驱动的工作件在到达预定位置后进一步越过该位置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种电动工具的控制方法，其中电动工具被供给电流来产生一旋转速度，该控制方法包括如下步骤：
测量供给电动工具的随时间(t)变化的电流(i)；
获得所述电流对时间的一次导数(di/dt)或二次导数(d2i/dt2)；
根据所述一次导数或二次导数生成相应的控制信号；以及
根据所述控制信号降低所述电动工具的旋转速度。
一种电动工具，包括：
电机，用于驱动工作头旋转，其具有一旋转速度；
电源，用于供给所述电机电流；
传感器，用于测量所述电流；
控制组件，用于检测所述电流随时间的变化率，从而生成控制信号来降低所述电机的旋转速度。
与现有技术相比，本发明通过在电动工具内增设相关的电子控制组件来自动检测工作头驱动的工作件是否已到达预定位置，并且在检测到该工作件到达预定位置后执行相应动作，确保其不会进一步越过该预定位置。并且，由于没有采用复杂的机械式离合器结构，使制造简单，成本降低。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
图1是现有的电动工具工作时的电流与时间的关系曲线图。
图2是图1中电流对时间一次求导后的导数曲线图。
图3与图1中电流对时间二次求导后的导数曲线图。
图4是本发明的电动工具的工作原理框图。
具体实施方式
本发明的控制方法可应用于多种类型的电动工具，以下主要以电动螺丝刀为具体实施方式进行说明。
如图1所示的电动螺丝刀工作时电流随时间的变化曲线图。配合参照图4所示，该电动螺丝刀2被使用者按压以驱使工作件14，在本实施方式中该工作件为螺丝，钻入一木板16中。使用者的按压力基本上接近一个常量。其中字母t表示螺丝钻入木板的时间及随之螺丝在木板中相应的位置。字母i表示提供给电动螺丝刀的电机的电流以及随之相应加载在电机上的负载或驱动力。
图1中的曲线包括第一部分A，第二部分K，和第三部分B。其中第一部分A是一段上升曲线，其表示螺丝的主体部分钻入木板的钻进过程，这段上升曲线基本上是线性的，或者可以稍微有些弯曲和波折。紧随着第一部分A的第二部分K也可以称作拐点部分(knee)K。该拐点部分K是一个正向的曲线变化，也就是说，拐点部分K相对于第一部分A有向上倾斜的突变，这表示螺丝的头部开始接触到木板的表面。紧随拐点部分K的是第三部分B，其同样是一段基本上是线性的，或者可以稍微有些弯曲和波折的上升曲线。但曲线B要比曲线A陡峭得多。
事实上，图1中的曲线表示的是没有应用本发明的控制方法进行保护的电动工具的工作情况，所以曲线的第三部分B表示此时电动工具会产生非常高的电流而导致将螺丝的头部钻入木板中。因此，有必要在拐点部分K之后采取必要的措施来避免上述产生过高电流的情形发生。
当螺丝钻至与拐点部分K对应的位置时，继续钻入过程不仅会使螺丝的头部钻入木板中，而且也可能会损坏电机。所以，本发明是基于自动检测拐点部分K，然后在检测到以后自动采取相应的预防措施。
图2和图3将解释本实施方式中如何检测拐点部分K.
图2是图1中电流i对时间t求一次导数di/dt后的曲线图。其中，图1中的第一部分A和第二部分B在该图上相应显示为平行于水平坐标轴t的直线，而第二部分K则显示为一急速上升的曲线。
图2是图1中电流i对时间t求二次导数d2i/dt2后的曲线图。其中，图1中的第一部分A和第二部分B经二次求导后数值已变为零，而第二部分K则显示为一开口向下的抛物线，并在抛物线的顶部区域(包含抛物线顶点在内的一个特定区间)形成一峰值信号p。配合参照图4所示，当该峰值信号p形成时，会随之产生一个控制信号s。当然，在优选的实施方式中，可预先设定一个极限值v，该控制信号s仅当峰值信号p为正值并且数值上大于预设的极限值v时产生。对于本领域的普通技术人员可轻易想到的是，该控制信号s也可在电流i对时间t第一次求导后产生，如通过电容器的方式，当检测到一次导数大于一预定的极限值之后即产生控制信号s。
图4所示的是本发明的应用上述控制方法的电动工具，以下仍以电动螺丝刀为例进行说明。电动螺丝刀2包括部分4、电源18、和开关20。其中部分4包括电机6，用于驱动一工作头14旋转，以将一螺丝14钻进木板16中。电机6到工作头14之间依次通过一机械式弹簧与离合器系统12、以及一卡盘10连接。当然在本实施方式中，离合器系统也可省去。本实施方式中，电源18是直流电源，或者是可充电电池，可在开关20闭合时供给电机6直流电。当然，本领域的普通技术人员也可轻易想到，采用交流电源替代本实施方式中的直流电源。
电源18和电机6之间连接有电子控制装置22和用于检测电流的传感器24。该电动螺丝刀还包括一第一求导单元26和第二求导单元28。本实施方式中，传感器24会实时检测供给电机的电流i，同时生成与检测到的电流成一定比例的信号并传递给第一求导单元26；而后第一求导单元26根据电流和时间求得如图2所示的第一导数di/dt，同时生成一个与该第一导数成一定比例的信号并进一步传递给第二求导单元28；随后，第二求导单元28求得如图3所示的第二导数，并在预设条件产生时，如上述提到的当峰值信号p为正值并且数值上大于预设的极限值v时，生成控制信号s。在本实施方式中，该控制信号s被用于降低电机的转速或中断向电机提供电力。也就是说，控制信号s被用于将供给电机的电流i减小到一个较低的水平或减至零，从而来降低电机的转速或使电机停转。当然，该控制信号s也可被用于改变电流i的流向，从而使电机6能迅速的停下来。在本实施方式中，控制信号s会被传递到电子控制装置22，而后由电子控制装置22来执行相应的动作，这些动作可以是在峰值信号p产生后即时产生，也可以是延迟一段时间后产生，该延迟可以在电子控制装置22内实现，也可以通过单独设置的延迟单元来实现。
如前所述，控制信号s也可以由第一求导单元26在一次求导并满足特定条件后直接生成并传递给电子控制装置22来实现相应动作。
在优选的实施方式中，电子控制装置22可以包括一微处理器，上述第一求导单元26、第二求导单元28、或者可能存在的延迟单元等所实现的功能均可以通过固化在微处理器内的指令来执行。
在其他可选的实施方式中，供给电机6的电流i可以在连续的时间间隔Δt内测得，这些连续的时间间隔Δt可以是相同的。检测到的电流i随后被数字化处理，分别求两个连续的时间间隔内的电流对时间的一次导数di/dt，而后比较这两个一次导数；如果比较的结果表明两者基本上不相同(相当于前述实施方式中的二次求导)，即意味着螺丝的头部已到达木板16的表面，接着就会生成前面提到的控制信号s。
本发明通过在电动工具内增设相关的电子控制组件来自动检测工作头驱动的工作件是否已到达预定位置，并且在检测到该工作件到达预定位置后执行相应动作，确保其不会进一步越过该预定位置。
上述以电动螺丝刀为例进行说明，当然，本发明的控制方法也可以应用于其他电动工具，如电钻、电动扳手等。由于这种应用对于本领域的普通技术人员而言，可通过上述实施方式轻易实现，所以申请人在此不再予以赘述。

Claims (14)

1.一种电动工具的控制方法，其中电动工具被供给电流来产生一旋转速度，该控制方法包括如下步骤：
测量供给电动工具的随时间(t)变化的电流(i)；
获得所述电流对时间的一次导数(di/dt)或二次导数(d2i/dt2)；
根据所述一次导数或二次导数生成相应的控制信号；以及
根据所述控制信号降低所述电动工具的旋转速度；
其特征在于：在产生控制信号的步骤前还包括预先设定一个极限值，所述控制信号只有在所述一次导数或二次导数为正值且数值大于所述预定极限值时才生成。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：
在连续的时间间隔内测量所述供给电动工具的电流；
比较两个连续的时间间隔内获得的一次导数；
当所述的两个连续的时间间隔的一次导数不相同时，生成所述控制信号。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述控制信号被延迟生成。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述控制信号被用于将电动工具的旋转速度设定到一个低速水平或零，所述控制信号即时或在预定的延迟时间后产生。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述供给电动工具的电流是直流电流，所述控制信号被用于改变所述直流电流的流向以使电动工具停转。
6.一种电动工具，包括：
电机，用于驱动工作头旋转，其具有一旋转速度；
电源，用于供给所述电机电流；
传感器，用于测量所述电流；
控制组件，用于检测所述电流随时间的变化率，从而生成控制信号来降低所述电机的旋转速度；
其特征在于：所述电流随时间的变化率为电流对时间的一次导数(di/dt)或二次导数(d2i/dt2)，所述控制信号在所述一次导数或二次导数为正值并且数值上大于预先设定的极限值时产生。
7.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：所述控制组件包括微处理器。
8.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：所述控制信号被用于将电机的旋转速度设定到一个低速水平或零，所述控制信号即时或在预定的延迟时间后产生。
9.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：该电动工具进一步包括用于根据所述控制信号关断所述供给电机电流的开关。
10.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：所述控制组件被用于根据所述控制信号的产生来改变所述供给电机的电流的流向以使电动工具停转。
11.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：该电动工具进一步包括延迟单元，用于延迟所述控制信号的发生。
12.根据权利要求11所述的电动工具，其特征在于：所述延迟单元的延迟时间由该电动工具的使用者设定。
13.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：所述电流随时间的变化率为电流对时间的一次导数(di/dt)，当该一次导数大于一预定的极限值时，所述控制信号通过电容方式源自于所述一次导数。
14.一种电动工具，包括：
电机，用于驱动工作头旋转，其具有一旋转速度；
电源，用于供给所述电机电流；
传感器，用于测量所述电流；
控制组件，用于检测所述电流随时间的变化率，从而生成控制信号来降低所述电机的旋转速度；
其特征在于：所述传感器在连续的时间间隔内测量所述电流，其中控制组件用于在每一时间间隔内确定所述电流对时间的一次导数(di/dt)；比较两个连续时间间隔的一次导数；以及如果所述两个连续时间间隔的一次导数不相同，生成所述控制信号。
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Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: POSITEC MACHINERY (CHINA) CO., LTD.

Assignor: Baoshide Electric Tools Co., Ltd., Suzhou

Contract record no.: 2012320010029

Denomination of invention: Electric tool control method and electric tool using the same

Granted publication date: 20120125

License type: Exclusive License

Open date: 20080820

Record date: 20120307