CN101497188A - 具有电机速度监控器的动力工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有电机速度监控器的动力工具。公开了一种包括主体(2)的锤钻，该主体容纳用于驱动锤钻的输出部(6)的电机(4)。振动传感器(12)感测电机产生的振动，并根据感测到的振动产生振动信号。电子模块(10)包括用于控制电机转速的控制器(10a)并包括信号处理器(10b)，该信号处理器用于接收来自振动传感器的振动信号，基于该振动信号确定电机的转速，并向控制器提供输出信号，以使控制器控制电机的转速。

Description

具有电机速度监控器的动力工具
技术领域
本发明涉及便携式动力工具，更具体地涉及一种具有用于检测并控制其电机转速的装置的便携式动力工具。
背景技术
现有技术中公知锤钻之类的动力工具，这些动力工具通常设有用于驱动主轴的电机，该主轴用于接收刀具或刀头(例如钻头或凿头)的柄。这种锤钻包括冲击机构，其用于将来自电机的旋转驱动转换成往复驱动，从而致使活塞在主轴内往复运动。活塞借助于位于活塞与锤体之间的封闭气垫往复驱动锤体，来自锤体的冲击继而传递至锤的刀具或刀头。电机的旋转运动和往复活塞引起具有多种叠加频率的振动，此振动是通过动力工具传递和从动力工具传来的。
此外，现有技术中，刀头的切削速度主要取决于刀头的直径、电机的适当转速以及对具体作业材料产生的锤击频率。因此，现有技术的动力工具公知包括电机速度控制旋钮，其可由操作者手动调节而将电机的速度以及/或者锤击频率设定至针对给定刀头直径和/或作业材料的推荐速度。使用动力工具时，作业材料对刀头切削动作的阻力不定，这可使电机转速产生无法预测的变化，因此影响动力工具的效率。而且，如果刀具遇到过大阻力，电机在操作期间也可能过热。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式动力工具，其具有在操作期间自动确定并控制电机转速的装置。
根据本发明，提供一种动力工具，该动力工具包括：壳体：位于所述壳体内的电机，该电机用于驱动该工具的输出部；振动传感器，该振动传感器用于感测所述电机产生的振动，并根据感测到的振动产生振动信号；控制器，该控制器用于控制所述电机的转速；以及信号处理器，该信号处理器用于接收来自所述振动传感器的振动信号，基于该振动信号确定所述电机的转速，并向所述控制器提供输出信号，以使所述控制器控制所述电机的转速。
通过设置用于接收来自振动传感器的振动信号、基于该振动信号确定电机的转速并向控制器提供输出信号以使控制器控制电机转速的信号处理器，提供了不管操作期间作业材料产生的阻力如何都能使电机的转速相对稳定的优点。这例如使动力工具的切削效率最高，并能使电机免于过热。
所述控制器和所述信号处理器可集成在单个电子模块内。
这提供了节约动力工具的壳体内的空间并降低复杂性和制造成本的优点。
所述信号处理器可适于增强和/或分离由所述电机的旋转所产生的振动信号分量。
这通过改善所关注的振动信号(例如由电机的径向振动产生的信号)的可选性和品质而提供了将错读减至最少的优点。
所述信号处理器可适于生成所感测振动信号的频谱，并适于根据幅值和/或频率选择至少一个已选择的频率分量。
这提供了以下优点，即：例如仅通过(i)选择具有最高幅值的频率分量和/或(ii)选择从手动选择的动力工具的速度设置得知的具体频率范围内的频率分量而利于找出可用于确定电机转速的频率分量的选择过程。
所述信号处理器可适于提供根据所确定的转速与所述电机的预先选定的目标转速之差来确定的输出信号。
所述振动传感器可与所述电机相邻地安装在壳体上。
所述振动传感器可适于检测由所述电机引起的径向振动。
所述振动传感器可包括至少一个压电传感器。
附图说明
以下将参照附图仅以实施例而决非任何限制的方式描述本发明的实施方式，在附图中：
图1表示实施本发明的锤钻的侧剖视图；
图2表示从图1的振动传感器接收到的典型振动信号的曲线图；
图3表示图2中所示的振动信号的傅立叶变换图(幅值对频率)；以及
图4表示由控制器执行的主程序的流程图以及在主程序内执行的软启动及电机控制子程序。
具体实施方式
参照图1，锤钻包括其中安装有电机4的主体或壳体2。电机4通过齿轮箱8旋转驱动用于接收钻头(未示出)的卡盘6。电机4的转速由包括控制器10a和信号处理器10b的电子模块10进行控制，以下将详细描述电子模块10的功能。
在主体或壳体2上安装有振动传感器12，其位于电机4附近但不在电机4的主轴16的旋转轴线14上。振动传感器12可以是任何类型的传感器(例如，压电传感器)，但是必须能检测频率范围内的振动。振动传感器12测量从主轴16的旋转轴线14沿径向由电机4引起的振动的幅值。
图2示出了锤钻操作时由振动传感器12产生的典型振动信号20的曲线图，该曲线图示出了幅值与时间的关系。振动信号20通常表示来自锤钻内的多个源的振动。例如，由于电机4的转子与电机旋转轴线14不完全旋转对称的对齐(imperfectly rotationally symmetrical alignment)而由转子转动产生的振动。通过齿轮8和主轴6的旋转或者通过冲击机构的往复驱动可产生其它振动。然后，可将振动信号20反馈到电子模块10的信号处理器10b内。
图3示出了通过向图2的振动信号20应用傅立叶变换算法以分离出振动信号20的各种频率而由信号处理器10b提供的频谱图(幅值对频率)。例如，由电机4的电枢的不完全对称性旋转引起的振动产生如图3中的曲线图所示的尖峰22(频率分量)，即在特定频率下产生振幅较大的振动。于是在尖峰22的特定频率处所产生的信号被过滤，以增强和/或分离振动信号20的分量(component)，或者至少增强由电机4产生的振动信号20的主分量(majorcomponent)。
由电机4产生的振动频率与电机4的转速成正比。这样，确定频率能够计算出电机4的转速。例如，若电机4的转速增大，振动频率也增大。类似地，若电机4的转速减小，振动频率也减小。因而，通过测量电机4的旋转运动的频率分量，信号处理器10b可确定电机4的转速并可基于所确定的转速与预先选定的目标速度之间的差异向控制器10a提供输出信号以自动调节电机4的转速。
图4示出了在动力工具操作期间由电子模块10执行的主程序的流程图。以下对主程序及其(i)软启动(soft-start)和(ii)电机控制子程序进行详细说明。
在主程序内，操作者首先通过在步骤S10中插上动力工具的插头，并在步骤S20中通过按下接通按钮而手动接通动力工具，借此确保提供动力。然后，控制器10a在步骤S30中根据速度拨盘设定来设置电机4的最大转速，在步骤S40中启动软启动子程序，从而通过逐渐增大电机速度而使电机免受损害，直至达到电机4的目标转速。然后，在步骤S50中通过持续监控并调整电机4的转速而借助电机控制子程序维持电机4的转速，直至在步骤S60中操作者手动断开动力工具。
在步骤S40的软启动子程序中，在步骤S110中增大设置在控制器10a内或者由控制器10a控制的三端双向可控硅开关(未示出)的触发角，并在步骤S120中自动调整处理器10b中的带宽滤波器。在步骤S130中振动传感器12测量电机4的振动，并在步骤S140中将振动信号20提供给信号处理器10b，在此处，例如利用可调带宽滤波器对振动信号20进行过滤。在步骤S150中通过快速傅立叶变换产生振动信号20的频谱，并在步骤S160中根据例如幅值选出由电机4的旋转运动产生的最新频率尖峰，从而确定电机4的瞬时转速，接着在步骤S170中将其与电机4的目标转速进行对比。只要当前转速小于电机4的目标转速，软启动程序就返回到步骤S110，并且利用通过每次迭代增加的三端双向可控硅开关触发角(Triac firing angle)重复该程序。当达到电机4的目标转速时，在步骤S180中软启动程序终止，并在步骤S210中启动步骤S50的电机控制程序。
在电机控制程序内，在步骤S210中根据速度拨盘设定来调节电机4的转速，并且如有必要则在步骤S220中自动调节带宽滤波器系数。在步骤S230中振动传感器12测量电机4的振动，并在步骤S240中向信号处理器10b提供振动信号20，在此处，例如利用可调带宽滤波器对振动信号20进行过滤。在步骤S250中通过快速傅立叶变换产生振动信号20的频谱，并在步骤S260中根据例如幅值选出由电机4的旋转运动产生的最新频率尖峰，从而确定电机4的瞬时转速，接着将其与电机4的目标转速进行对比。然后，如有必要则在步骤S270中调节电机4的转速，并重复电机控制程序直至操作者手动断开动力工具。
本领域技术人员应理解，仅以实施例而决非任何限制的方式描述了以上实施方式，在不背离由所附权利要求限定的本发明范围的情况下可做出各种变更和修改。

Claims (10)

1、一种便携式动力工具，其中，该便携式动力工具包括：
壳体：
位于所述壳体内的电机，该电机用于驱动该工具的输出部；
振动传感器，该振动传感器用于感测所述电机产生的振动，并根据感测到的振动产生振动信号；
控制器，该控制器用于控制所述电机的转速；以及
信号处理器，该信号处理器用于接收来自所述振动传感器的振动信号，基于该振动信号确定所述电机的转速，并向所述控制器提供输出信号，以使所述控制器控制所述电机的转速。
2、根据权利要求1所述的便携式动力工具，其中所述控制器和所述信号处理器集成在单个电子模块内。
3、根据上述权利要求中任一项所述的便携式动力工具，其中所述信号处理器适于增强和/或分离由所述电机的旋转所产生的振动信号分量。
4、根据上述权利要求中任一项所述的便携式动力工具，其中所述信号处理器适于从所述振动信号生成频谱，并适于根据幅值选择至少一个已选择的频率分量。
5、根据上述权利要求中任一项所述的便携式动力工具，其中所述信号处理器适于从所述振动信号生成频谱，并适于根据频率选择至少一个已选择的频率分量。
6、根据权利要求4或5所述的便携式动力工具，其中所述信号处理器适于根据所述至少一个选定的频率分量的频率确定所述电机的所述转速。
7、根据上述权利要求中任一项所述的便携式动力工具，其中所述信号处理器适于提供输出信号，该输出信号是根据所述转速与所述电机的预定的目标转速之差而确定。
8、根据上述权利要求中任一项所述的便携式动力工具，其中所述动力工具为锤钻。
9、根据上述权利要求中任一项所述的便携式动力工具，其中所述振动传感器安装在壳体上并与所述电机相邻。
10、根据上述权利要求中任一项所述的便携式动力工具，其中所述振动传感器包括至少一个压电传感器。
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