CN101786178B - 电动工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动工具，其包括电机、输出轴、设置在电机和输出轴之间具有不同减速比的齿轮传动机构、用于测量表示输出轴负载的参数的检测组件、以及控制系统。其中控制系统可选择地用于控制工具至少在电子离合器模式和自动变速模式之一或结合的情形下工作。通过这种结构，可实现工具在不同的输出档位之间做自动切换，同时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。

Description

电动工具

技术领域

本发明涉及一种电动工具，尤其涉及一种可根据负载情况而实行相应控制的电动工具。

背景技术

一种电动工具，如电钻、螺丝批和锤钻等，带有变速传动机构可输出不同的转速以适应不同的负载扭矩。电动工具的变速传动机构通常都包括连接电机和输出轴的齿轮传动机构和控制系统，该控制系统通过改变与齿轮传动机构的啮合关系从而改变传动比，使得输出轴输出不同的速度。在现有技术中，美国专利6431289号中介绍到，将行星齿轮机构内的两个内齿圈分别沿轴向可前后移动地设置，从壳体外部用操作部件切换各内齿圈的位置，借此，通过将行星齿轮与行星架一体旋转及单独旋转组合在一起，可选择三种输出轴的旋转速度。但是这种人工操作方法使得操作者不得不时刻关注工具的工作状态、负载变化情况并判断什么时刻应该调节控制系统。这种人工操作对操作者并不友善。并且当操作者控制操作部件轴向移动内齿圈进而来实现行星架与外壳的止转装置卡接的时候，很容易造成内齿圈与外壳止转装置之间的打齿，这样不仅容易造成换档失效，而且会导致变速机构的寿命缩短，影响整个工具的使用寿命。

又如美国专利公告第6824491号揭示的自动变速机构，其控制系统可根据负载扭矩变化自动调整与齿轮传动机构的啮合关系实现不同速度的输出，该控制系统利用带凸轮面的推环旋转推动滑环轴向移动，进而驱动齿轮传动机构中的内齿圈轴向移动与设置在外壳上的止转装置卡接。欧洲专利申请公开第EP0787931A1也公开了一种自动变速机构。上述这些自动变速机构均以机械结构之间的位置关系变化对应输出扭力的变化来实现自动换档，这种机械式变速机构不仅使得齿轮传动机构内部的机械构造更为复杂，而且由于内齿圈在轴向移动的同时也在转动，而外壳是相对固定的，所以当该变速机构在变速的时候，转动中的内齿圈的齿与外壳上的止转装置的齿会相互碰撞而很难啮合，因此无法真正实现自动换档及进行产业化实施的目的。

另外，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钉钻进木板中。不同类型的螺钉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，同一螺钉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，使用者需要将螺钉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，以当螺钉的头部贴近工件的表面时控制电机停转。从而，一方面避免螺钉头部被过深地钻入木板内部，另一方面避免螺钉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，当螺钉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，再进一步钻动螺钉，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

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电动工具，其具有电子控制组件，可实现在不同的输出档位之间做自动切换，同时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。

本发明的技术方案是：

一种电动工具，其包括：

机壳；

电机，设置在机壳内，并输出旋转动力；

输出轴，用于驱动一工作头，以使工作头具有一旋转速度；

齿轮传动机构，设置在电机和输出轴之间，并以至少包括第一齿轮减速比和第二齿轮减速比的若干齿轮减速比中的一个来将电机的旋转输出传递到输出轴上；

检测组件，用于测量表示输出轴负载的参数；

控制系统，可选择地用于控制工具至少在下述模式之一或结合的情形下工作：

电子离合器模式，所述控制系统用于获得所述参数对时间的一阶导数或二阶导数或高阶导数，并根据所述一阶导数或二阶导数或高阶导数生成相应的控制信号以改变所述电机的旋转速度；

自动变速模式，所述控制系统与所述齿轮传动结构配合，并根据所述参数来控制所述齿轮传动机构进行减速比的切换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过电子控制组件对驱动装置施加电流，来驱动内齿圈线性运动，从而改变齿轮传动机构的减速比，进而实现自动变速的目的；另外，通过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，从而通过电子方式来实现离合器功能。

附图说明

图1是本发明具有自动变速功能的电动工具的局部剖视图。

图2是图1中的驱动装置的局部放大示意图。

图3a是本发明电动工具处于高速档位时的齿轮传动机构剖视图。

图3b是本发明电动工具处于低速档位时的齿轮传动机构剖视图。

图4a是本发明电动工具的驱动装置另一实施例的局部剖视图。

图4b是图4中的驱动装置的局部放大示意图。

图5是本发明电动工具的控制系统原理方框图。

图6是本发明电动工具控制系统中控制单元第一实施例的原理方框图。

图7是本发明电动工具控制系统中控制单元第二实施例的原理方框图。

图8是本发明电动工具控制系统中控制单元第三实施例的原理方框图。

图9是本发明电动工具在高速运行和低速运行是的效率曲线图，以说明电动工具的速度切换时机。

图10是本发明电动工具另一实施例的侧视图，其中部分机壳被移除以揭示驱动装置的结构，此时，驱动装置处于高速位置。

图11与图10相似，此时，驱动装置处于高速位置。

图12是沿图11中A-A线方向的剖视示意图。

图13是沿图11中B-B线方向的剖视示意图。

图14是图9和图10中所示电动工具的电磁铁装置的剖视示意图。

图15是本发明电动工具另一实施例的侧视图，其中显示了信号发生装置。

图16是图15电动工具的俯视图，其中还进一步显示出侧手柄以及可选择高速、低速、和自动三种模式的速度模式开关。

图17a是沿图15中C-C线方向的剖视示意图，其中揭示了一种触发开关的形式。

图17b与图17a类似，其中揭示了另一种触发开关的形式。

图18与图16类似，但其中速度模式开关仅具有高速和低速两种档位。

图19与图18类似，但其不具有速度模式开关，仅具有用于显示高速和低速状态的LED灯。

图20是图16所示电动工具的内部电路的简化图。

图21是图20中处理器执行自动速度切换的工作流程图。

图22是图20中处理器执行手动即时速度切换的工作流程图。

图23a和图23b是本发明电动工具另一实施方式中的平面示意图，其中电动工具分别处于高速状态和低速状态。

图24是沿图23a中D-D线方向的剖视示意图。

图25是本发明电动工具的部分立体示意图，其中揭示了驱动装置的另一实施方式。

图26是图25中驱动装置的立体分解图。

图27是现有的电动螺丝刀工作时的电流与时间的关系曲线图。

图28是图27中电流对时间一次求导后的导数曲线图。

图29是图27中电流对时间二次求导后的导数曲线图。

图30是本发明的电动工具电子离合器第一发明原理的工作原理框图。

图31是电动螺钉到工作时的电流与时间的关系曲线图，其中表示了对应两种不同的工作情形时的两个不同电流i1、i2的曲线。

图32是图31中不同电流i1、i2对时间一次求导后的导数曲线图。

图33是根据图32中不同电流i1、i2对时间的一阶导数而得到的控制信号s1、s2的曲线图。

图34是本发明的电动工具基于电子离合器第二发明原理的工作原理框图。

图35与图29相似，是电动螺丝刀的工作电流对时间二次求导后的导数曲线图。

图36是图35中电流对时间三次求导后的导数曲线图。

图37是本发明的电动工具基于电子离合器第三发明原理的工作原理框图。

图38是本发明的电动工具另一实施方式的剖视示意图。

图39是图38中局部放大图。

图40是图39中遮光盘的立体示意图。

图41是图39中遮光盘的另一实施方式的立体示意图。

图42揭示了本发明电动工具结构的具体实施方式，其中电源为电池包，且为清楚显示内部构造，电动工具的半边机壳和电池包的上壳体被移除。

图43是本发明的既具有自动变速功能又具有电子离合器功能的电动工具的工作原理框图。

图44到图47是图43所示的电动工具的工作流程框图。

具体实施方式

图1至图26揭示的是基于本发明自动变速原理的电动工具的具体实施方式。

参照图1至图3b所示，是本发明电动工具控制系统的驱动装置第一实施例的结构示意图。一种电动工具9，包括电机2、电机供电电源1，启动/停止电机的主开关13、输出轴6以及齿轮传动机构4。齿轮传动机构4包括由第一行星轮40与第一行星架组成的第一行星齿轮组、由第二行星轮42及第二行星架43组成的第二行星齿轮组，固定设置于工具壳体上的止转装置44以及可轴向移动的移动件45。驱动装置5设置于齿轮传动机构4上，包括驱动件52及传动件492，本实施例的驱动件是采用一电磁铁装置，包括两个间隔一定距离的永磁铁521、设置于永磁铁中间的铁芯523及线圈522，其中铁芯523上设有一凹槽524。传动件为一弧形推杆4922及与该弧形推杆4922配接的钢丝套4923。所述推杆4922具有设置于凹槽524内的配接部。所述移动件45是一具有内齿4492及端齿452的调速环45，其上设置容纳钢丝套4923的环形槽453。

当电磁铁通电时，线圈铁芯523将产生磁性而与两个永磁铁521的其中一个发生吸引。如果电磁铁的电流反向接通时，铁芯523则会与另一个永磁铁521产生吸引，从而带动推杆4922、钢丝套4923及调速环45一起移动。如图3a所示的高速档状态，此时铁芯523被其中一个永磁铁521吸引，相应的，调速环45的内齿4492同时与第一行星架41及第二行星轮42啮合，此时齿轮传动机构4的输出转速较高；如图3b所示的低速档状态，此时铁芯523被另一个永磁铁521吸引，相应的，调速环45的内齿4492与第二轮42啮合，同时其端齿452与工具壳体上的止转装置44啮合，此时齿轮传动机构4的输出转速较低。

参照图4a及图4b所示，是本发明电动工具控制系统的驱动装置第二实施例的结构示意图。在前面所述的驱动装置第一实施例中采用的电磁铁装置，其目的是通过控制电磁铁的电流方向来改变极性，来驱动调速环45在高低速档位间移动。而本实施例中，改用一伺服电机525来作为驱动件，用一个螺杆4925、带内螺纹的推杆4922及钢丝套4923来作为传动件492，通过伺服电机525的正反转来驱动推杆4922在螺杆4925上的移动，从而带动调速环45一起移动，实现高低速档位的啮合。

请进一步参照图5，是本发明电动工具的控制系统原理方框图。所述控制系统8包括一处理单元3及驱动装置5。其中处理单元3包括处理器30及相关输入/输出电路。一信号发生器35与处理器相连接，而于电动工具主电路电源1与处理器30之间设置有功能开关36。驱动装置5由处理器30输出的控制信号所控制，以便执行自动换档动作，同时，驱动装置会将档位信号反馈给处理器30。在电动工具操作过程中，根据操作者的习惯或者应用场合的实际需要，操作者可以选择将功能开关36闭合，从而启动控制系统8的自动换档控制功能，换言之，该功能开关36提供了电动工具9手动模式与自动模式之间的切换功能。如果操作仅需要其中某一个档位功能时，则可断开功能开关36，用手动模式对电动工具进行换档操作。

当电动工具9处于自动模式时，控制系统8的处理器30检测电动工具的物理参数的变化，与预设值进行比较，判断是否需要开始执行自动换档。本领域技术人员也可用处理器外接运放电路来代替处理器30进行比较运算。这里所述的物理参数，可以是电气参数，比如电机电流、电压，也可以是其他参数，比如电机或输出轴转速、机械零件的应力、扭矩等。在某些使用场合，操作者或许希望能够在自动模式下仍然可以自行决定换档的时间点，也可通过信号发生器35手动输入一个控制信号，使控制系统即时实现自动换档。

在自动换档过程中，控制单元3发出控制信号给驱动装置5，驱动装置5中的驱动件52带动传动件492移动，进而将齿轮传动机构4中的移动件45从高速档位移动至低速档位。此过程中，如果电机2仍在给齿轮传动机构4传递扭矩，即移动件45仍具有一定的转速，而移动之后需要与静止的止转装置44啮合(参图3b)，就会造成移动件45与止转装置44之间发生打齿而无法顺利啮合的问题。本发明为解决这个问题提出了三种解决方案，以下分别进行说明。

参照图6，是本发明电动工具控制系统的控制单元第一实施例原理方框图。其中处理单元3包括处理器30、速度调制电路31、负载检测电路32、驱动装置控制电路33及档位信号反馈电路34。在电动工具9的主电路中，电源与电机之间进一步设置一电器开关10(比如场效应管、可控硅或继电器等)，该电器开关10由速度调制电路31控制通断状态。

当电动工具开机时，处理器30控制电器开关10滞后一段时间(如0.1s)再导通，在此段时间内，首先发出指令给驱动装置控制电路33，给电磁铁反向通电，将驱动装置5复位至高速档位状态。然后电源1供电让电机2启动并处于高速档正常运行。此时输出轴6带动工作头(未图示)开始进行钻孔加工。负载检测电路32以特定频率采集电机的负载电流，处理器30则将负载检测电路32所采集到的电机负载值与预设电流值进行比较。如果电机负载电流出现长时间超出预设电流值的情况，则说明工作头负载大，工具需要换至低速档大扭矩输出状态。此时处理器30先发送指令给速度调制电路31，控制电器开关10切断电源令电机停转，电机电流变为零。此时调速环的速度也会降低至零转速。

之后，处理器发出指令给驱动装置控制电路33，使驱动装置5的电磁铁反向通电，铁芯523带动调速环45发生移动，从而实现高速档位向低速档位的转换。因为在换档之前，调速环45的转速已经为零，在其档位转换至低速档过程中，其端齿452与止转装置44的内齿441均为静止状态，因此可以很顺利的进入啮合位置，而避免打齿问题的发生。

控制单元3中的档位信号反馈电路34在检测到电磁铁的铁芯523与另一个永磁铁521接触时(本领域技术人员也可以设计成检测调速环与齿轮组件之间的啮合位置关系)，则代表调速环45已经成功移动至低速档位，处理器则发出指令给速度调制电路31，使电器开关10导通，电源1恢复给电机2供电，电机进入低速大扭矩输出工作状态。

需要说明的是，电动工具在高速正常运行过程中，往往因某些特殊情况出现电机负载电流短时大负载值出现，为了防止换档动作误启动的情况，可以通过设定处理器的程序来解决，只有当负载检测电路所采集到的电机电流超出预设值一定的时间(比如设计时间为0.5s)时，才开始执行换档控制。当然，也可直接将功能开关36切断来直接选择手动模式，避免不希望自动换档时误启动换档动作。而预设的电流值则根据工具的高速档极限工作电流值来决定，在本实施例中以30安培为预设值。另外，如果操作者希望在某个时刻启动自动换档，即便是电机负载电流还没有超出预设值，也可通过处理器30上的信号发生器35来输入一个控制信号，从而即时开始执行自动换档动作。进一步的，处理器也可以设计成具有学习功能，即，记录操作者每次通过信号发生器输入控制信号时的电机负载电流，作为设定系统预设值的参考。

上述在自动换档之前控制单元3控制电器开关10让电机2短时停机只是其中一种实施方式。在通常情况下，电机2的转速如果降低至很小的程度时，换档过程中调速环45与止转装置44的啮合同样不会出现打齿的问题。参照图7所示，是本发明电动工具控制系统的控制单元第二实施例。在电动工具9的主电路中，电源与电机之间的电器开关10用场效应管11来代替，在需要进行自动换档时，速度调制电路31通过控制场效应管11来提供电机相应的工作电压，以达到降低电机转速的目的，从而使调速环45与止转装置44的速度相互匹配，防止打齿现象的发生。这里所指的速度相互匹配是指调速环45与止转装置44的相对速度达到一个可以使二者顺利进入啮合位置的范围。

同样，如图8所示，是本发明电动工具控制系统的控制单元第三实施例。在电机2与齿轮传动机构4之间设置一离合器12，速度调制电路31控制该离合器12降低电机2传递至齿轮传动机构4的扭矩，也可以实现速度调制的目的，即在调速环45移动至与止转装置44啮合的位置之前，降低调速环45的转速，以防止啮合过程中出现打齿的问题。

综合上述几种速度调制的实施例，可以看出本发明精神主要在于：控制单元3在检测到电机2负载长时间超出预设值时，通过速度调制电路31对移动件45与齿轮组件进行速度调制，在二者的相对速度相互匹配时，再进入下一档位啮合状态，或者说，控制单元先调整电机传递给齿轮传动机构的扭矩，再控制驱动装置实现自动换档，从而有效避免自动换档过程中的打齿问题。

另外值得一提的是，在自动换档动作结束后，电源1恢复给电机2供电，电机2从极低转速甚至是零转速状态瞬时进入低转速大扭矩输出状态，会给操作者造成一个很大的启动扭矩，如果操作者握持不紧，甚至会导致工具从操作者手中松脱而造成危险。为解决此问题，可以通过控制场效应管11(参图7)来实现电机2的软启动。具体而言，在自动换档结束后，恢复电机2供电时，控制单元3在一个设定的时间段内(比如0.6s)，通过定频调宽或定宽调频等方式来控制场效应管，来逐渐增加电机2的负载电压，缓慢恢复电机2至工作电压，从而避免换档后瞬间启动电机给操作者带来的冲击感觉。

应用以上所揭示的结构，本发明的电动工具的变速控制方法是，提供一种电动工具包括电源1、电机2、输出轴6、连接电机和输出轴的齿轮传动机构4，以及控制系统8，其中齿轮传动机构4包括至少一齿轮组件及一移动件，所述移动件与齿轮组件不同的啮合方式可提供输出轴不同的输出档位；控制系统8由控制单元3及驱动装置5组成，这种变速控制方法包括：

1)负载扭矩检测步骤：所述控制系统检测电动工具物理参数，比如检测电机2负载电流、电压或输出轴转速，判断电动工具的工作状态；

2)自动换档步骤：控制齿轮传动机构的移动件移动至另一档位。

所述负载扭矩检测与自动换档步骤之间进一步包括一速度调制步骤，当所述输出轴的负载扭矩变化到预定值时，所述控制单元调整电机传递给齿轮传动机构的扭矩，使移动件与齿轮组件的转速相互匹配，即调速环45与止转装置44的相对速度达到一个可以使二者顺利进入啮合位置的范围。

所述速度调制步骤中，通过降低电机的输入电压来降低电机传递给齿轮传动机构的扭矩。

在自动换档步骤之后，进一步包括移动件档位检测步骤，以确认移动件已经移动至另一挡位。

在速度调制步骤之后，还包括一电机软启动步骤，控制系统在预设的时间范围内逐步加大电机的输入电压，使电机恢复扭矩输出。

以下结合图9对本发明电动工具的自动速度切换的时机进行说明。图9所示的是电动工具的整机输出效率η随输出轴负载扭矩T的变化曲线图。其中整机的输出效率η为输出轴的输出功率与电机的输出功率的比值，η_H曲线为整机在高速运转时的输出效率曲线，η_L曲线为整机在低速运转时的输出效率曲线。由图中可以看出，当整机在高速运转时，随着负载的增加，输出效率开始迅速增大，当达到最高的输出效率点后随即迅速降低；当整机在低速运转时，随着负载的增加，输出效率开始缓慢增大，而当达到最高的输出效率点后即缓慢降低。在负载扭矩值等于Tc时，高速效率曲线η_H和低速效率曲线η_L在此交会，其交点为ηc。而在此之前，整机在高速运转时的输出效率要高于在低速运转时的输出效率；在此之后，则随着负载的继续增加，整机在高速运转时的输出效率要低于在低速运转时的输出效率，所以，当负载扭矩值达到Tc时，将整机的运行速度从高速切换到低速，可以确保变速能够一直保持较高的输出效率。本发明电动工具希望通过确定负载扭矩值达到Tc的时间点，然后执行高速到低速的切换。

如图9所示，在本实施方式中，控制系统会检测通过电机的电流的变化，用来表征输出轴的负载钮矩。其中I_H为输出轴在高速运转时的电流曲线。起初，输出轴工作在高转速，当负载扭矩值达到Tc时，此时，检测到电机的电流值为Ic，在本实施方式中，Ic＝30A(安培)，然后，控制系统控制驱动装置执行从高速到低速的切换。需要说明的是，由于不同类型的电机的特性各不相同，如采用不同的电机，则输出效率的曲线也会有不同，如此对应的Ic值也有可能不同。此外，本实施方式中采用监测电机的电流值来反映输出轴的负载，在其他实施方式中，可以通过检测其他物理参数来反映输出轴的负载。如输出轴的扭矩、输出轴的转速、电机的转速、齿轮传动系统中齿轮的转速或扭矩等，或者在采用直流电源供电时，也可以检测电池端子的电压变化等方式来表征输出轴的负载。

图10-图14所示的是本发明电动工具的另一种实施方式，在本实施方式中，电磁铁装置采用双向保持式电磁铁。所谓双向保持式电磁铁即在不通电的情况下也可以将铁芯保持在行程的始端和终端两个位置。如图14所示，电磁铁装置53包括纵长设置的金属壳体531、设置在金属壳体内沿纵长方向分布的两个线圈532、设置在两个线圈之间的永磁体533、设置在被线圈围绕的区域内并可沿纵长方向线性移动的铁芯534，以及相对于铁芯固定设置并纵长延伸出金属壳体531外的推杆535。其中，推杆535凸伸出金属壳体531的前端部分设有凹槽536。对于本领域普通技术人员可轻易想到的是，推杆531和铁芯534也可一体设置。图14中所示的是推杆535处于后退位置，并由于永磁体533的吸引而可以在不通电的情况下保持在该位置。配合参照图10和图12所示，一传动架54设置在钢丝套4923和推杆535之间，其包括环绕齿轮箱47延伸的半圆形托架541、以及自托架底部向下延伸出并间隔设置的一对侧壁542。其中托架541的两端与钢丝套4923的径向凸伸出减速箱47壳体的两端分别相固定连接，侧壁542的间隔区域内收容有电磁铁装置53，侧壁轴向向后延伸并嵌合在推杆535的凹槽536中而与推杆保持相对固定。如图12所示，传动架54和机壳21之间设有导引机构。其中传动架54的一对侧壁542各侧向延伸出一导引柱543，机壳21的每侧内壁上凸设有一对肋板544，其间形成有导引槽545以相应收容并导引每一导引柱543。

图10中所示的电磁铁装置53中的推杆535处于前进位置，即推杆延伸出金属壳体外较长距离，并由于永磁体的吸引而保持在该位置。此时，齿轮传动机构的减速比较低，电机通过齿轮箱后传递给输出轴转速较高，也就是说，内齿圈45(或称调速环，即本实施方式中的移动件)的内齿与行星轮42的外齿以及邻近的行星架41的外齿同时啮合而确保相对固定(配合参照图3a所示)，从而可随行星架和行星轮一起旋转。配合参照图14，当电磁铁装置53的线圈532内通正向电流后，线圈532产生的磁场在金属壳体531的纵长两端产生不同的磁极，从而驱动铁芯534和推杆535移动到后退位置。如图10所示，推杆535带动传动架54、钢丝套4923和内齿圈45一起移动距离d，到达了如图11所示的位置。配合参照图3b所示，在此过程中，内齿圈45沿轴向移动而与行星架41脱离啮合，但与行星轮42仍保持啮合。当推杆53移动到后退位置时，内齿圈45与止转装置44啮合而与机壳保持相对固定。此时，齿轮传动机构4的减速比增加了一级，从而电机通过齿轮箱后传递给输出轴的转速较低。当线圈532内通反向电流后，线圈形成反向的磁场，如此，推杆535回到如图10所示的后退位置，从而齿轮传动机构4回复到高减速比的输出状态。

图13所示的是功能开关36的一种实施方式。在本实施方式中，该功能开关可称之为速度模式开关。配合参照图16中的速度模式开关36，该开关包括凸露在机壳21外的拨钮361，以及设置在机壳内与其他电子组件连接的导电端子。拨钮361可在机壳21上沿圆周方向在三个位置滑移，分别对应自动模式(A)、高速模式(H)、低速模式(L)。导电端子包括与该三种模式分别对应的第一、第二、第三信号端子362，以及接地端子363。关于速度模式开关与控制系统中其他电子组件的电路连接以及工作流程将会在后续详细描述到。

图15所示的是信号发生装置35的一种实施方式。在本实施方式中，该装置包括设置在机壳21内的速度切换开关，当该开关被按下触发后，控制系统即改变供给电磁铁装置的电流的流向而实现自动换档，即通过电磁铁的驱动实现齿轮传动机构在高减速比和低减速比之间的切换。如图16所示，作为优选的实施方式，该装置35包括两个该速度切换开关，对称设置于机壳21的两侧，按下任何一个开关都可以触发速度的切换，这样，对于左、右手使用者都可以方便地进行操作。图17a和图17b所示的是开关的具体形式。图17a中的开关为按钮开关3492，其通过导线34922与控制系统中的电子元件电性连接(后续将作进一步描述)。机壳上设置有弹性的按压片353，按下按压片，按钮34921也被按下，开关内的触点(未图示)接通，从而速度切换功能被触发。图17b中采用弹片式开关352，同样，按下按压片353，弹片3521与触点3523接通，此时，一电信号将被生成并传递给控制系统，从而控制系统执行速度切换程序(后续将作具体描述)。返回图16，本实施方式中，速度模式开关36和信号发生装置35可结合使用。速度模式开关36的拨钮位于档位A时，即处于自动模式时，速度切换功能被屏蔽，也就是说，按下速度切换开关并不会触发速度切换功能；而当速度模式开关的拨钮位于档位H或L时，即处于高速或低速模式时，自动速度切换的功能被屏蔽，这时，按下速度切换开关就可以触发速度切换功能，从而高速模式会相应切换到低速模式，而低速模式则会相应切换到高速模式。

在本实施方式中，机壳21上还设置有一侧手柄22，在轴向上该侧手柄22距离信号发生装置35的开关按钮的位置具有一特定距离h，该距离可容许使用者的握持恻手柄的手可同时操作开关按钮。例如，当使用者在进行操作时想要切换速度，其可以用握持恻手柄的手的大拇指按压开关按钮，从而获得其想要的速度。当然，对于本领域普通技术人员可轻易想到的是，上述开关按钮也可以靠近主手柄23(图10所示)设置而与主手柄间形成特定距离，从而使用者也可以用握持主手柄的手来同时执行速度切换的操作。

图18和图19揭示的是信号发生装置35应用的其他两种实现方式。图18所示的速度模式开关36不包括自动模式挡位，这样，只要按下速度切换开关，速度切换功能就会被瞬时启动，即从目前高速或低速档位相应切换到低速或高速档位。图19所揭示的实施方式不包括速度模式开关，该实施方式中，电动工具运行在自动模式下，并且机壳21上设有表示工具目前运行速度状态的LED灯，如目前工具处于高速运行，则”H”LED灯371常亮，反之，则”L”LED灯372常亮。本实施方式中，工具开机运行后默认在自动模式下运行，一旦信号发生装置35被触发，则控制系统8中断自动运行模式，同时，控制系统8控制电磁铁装置53切换齿轮传动机构4的减速比，即切换目前的速度运行状态，如由高速切换到低速。如信号发生装置35再被触发，则目前的速度运行状态再次被切换，如又从低速切换到高速。所以，在本实施方式中，一旦速度切换的自动模式被中断，则进入了由信号发生装置控制的手动速度切换模式。当然对于本领域普通技术人员可轻易想到的是，上述信号发生装置及具体的速度切换方式可应用于具有两级以上的减速比切换，如具有高、中、低三速的齿轮传动系统。

图20所示的是本发明电动工具一具体实施方式中的简化的电路图。该实施方式中，电动工具由外部直流电源1提供电力，该外部直流电源为由若干电池组成的电池包。作为优选的实施方式，该电池包可以是锂离子电池包。需要说明的是，这儿所说的锂离子电池是负极材料为锂元素的可充电电池的总称，依据正极材料的不同，其可构成许多体系，如“锂锰”电池，“锂铁”电池等。在本实施方式中，锂离子电池包包括由由五节3.6V(伏)的锂离子电池串联成额定电压为18V的电池组。当然，对于本领域普通技术人员可轻易想到的是，可以视需要而串联更多或更少的电池来组成电池组，如串联四节3.6V(伏)的锂离子电池成额定电压为14.4V的电池组，或串联六节3.6V(伏)的锂离子电池成额定电压为21.6V的电池组。本实施方式中，电池包1内还设有代表该电池包电压的识别电阻386，用来被电动工具识别，从而确定相应的电池包过放保护方式。

如图20所示，同时可配合参照图6所示，本实施方式中，电动工具的变速系统包括处理器30、速度调制电路31、电机负载检测电路32、驱动装置控制电路33、档位信号反馈电路34、信号发生装置35、以及功能开关36。

处理器30可以采用MCU、PLC或者CPU等。在本实施方式中，处理器30为一微电脑控制系统(MCU)，本领域技术人员可易于想到的是，MCU通常包括有中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、数字/模拟转换单元(A/D converter)、计时器(timer)、输入/输出端口(I/Oport)P1-P28等，由于这些单元或功能模块的工作原理都为本领域的普通技术人员所熟识，所以申请人在此不再予以赘述。

如图20所示，主开关13串联在电池包1和主电路之间，可用于控制主电路的通断。当主手柄23上的按钮131(如图10示)被操作者压下时，主电路被接通，通过直流电源转换模块(DC/DC)381，电池包1的电压被转换成一个较低的恒定电压，在本实施方式中为5V，用来为处理器30、及电子电路提供电力。在本实施方式中，处理器的端口P20与直流电源转换模块381连接，端口P19接地，端口P1与直流电源转换模块381通过电阻R5连接，从而在主开关13闭合后，经直流电源转换模块381转换后的电流通过端口P20输入处理器，且处理器从端口P1接收到一个复位信号而执行初始化动作。主开关13不仅可用于控制电路的通断，还进一步可以用于控制电机的转速。本实施方式中，主开关13包括一电位器(potentiometer)，其用来测量按钮在操作者按压的作用下所移动的距离并产生一个与该移动距离成比例的一个电信号，如电压值信号，该电信号通过端口P2传送给处理器30，而后处理器的数字/模拟转换单元将该电信号转换成数字信号并进行处理而生成相应的控制信号。在本实施方式中，该控制信号为脉宽调制(PWM，Pulse WidthModulation)信号，用于控制施加到电机22上的电压，其通过处理器30的端口P12输出给速度调制电路31。速度调制电路31由电阻R19、功率开关驱动器组成。其中功率开关驱动器有若干三极管组成，其用于调节MOSFET的占空比，也就是说，功率开关驱动器根据接收到的PWM信号，来提高或降低单个周期内电压信号的持续输出时间，从而通过功率开关元件10(即电器开关)来控制电机22的运转速度。其中功率开关元件10可以半导体开关，在本实施方式中为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，metallic oxidesemiconductor field effecttransistor)。

处理器30的端口P3可与电池包1连接来采集电池包的工作电压，以便于监测电池包的放电情况，并且在电压过低时采取相应的措施来提醒使用者或切断供给电机的电力。如图20所示，处理器30的端口P18、P17、P16、P15通过电阻R22、R23、R29、R30与发光二极管D2、D3、D4、D5连接。这些发光二极管可以设在机壳上，用来表示电池包1的剩余电量，其中D2、D3、D4发射绿光，而D5发射出红光。当电量充足时，D2、D3、D4均常亮，D5不亮；当电量中等时，D3、D4常亮，D2、D5不亮；当电量低时，D4常亮，D3、D2、D5均不亮；而当电量不足时，D2、D3、D4均不亮，而D5常亮；当电量严重不足时，D2、D3、D4均不亮，而D5闪烁，在此时，为避免电池包过放而发生危险，处理器的端口P12被阻断而无法向电机提供电力。在本实施方式中，对于额定电压Vb＝18V的电池包而言，当12.5V＜Vb≤14.5V时，表示电池包电量不足，从而D2、D3、D4均不亮，而D5常亮；当Vb≤12.5V时，表示电池包电量严重不足，从而D2、D3、D4均不亮，而D5闪烁，同时，处理器30的端口P12被阻断。

为监测电机22的运行状态，处理器会实时检测通过电机的工作电流。如图20所示，一检测电阻383与开关10和电机22串联，一放大器382用于将检测电阻383上产生的压降信号放大并通过端口P4输入到处理器30，以便于处理器30检测通过电机22的电流。另外，电路中还包括过流保护电路37，其包括一比较器384，其通过电阻R18采集R6上的压降信号，并与输入的参考电压信号Vref作比较。当采集到的电压值大于参考电压Vref时，比较器384将初置的高电平状态转换为低电平状态，并通过电阻R24将低电平信号输出给处理器30的端口P21。此外，为避免电机22工作温度过高，可利用热敏电阻385的阻值随温度变化而线性变化的特性来检测电机的温度。热敏电阻385与电阻R10串联组成分压电路，处理器30的端口P5通过导线连接在385与电阻R10之间，来检测热敏电阻385上的电压变化，从而便于处理器30实时监测电机22温度的变化，并在电机温度超过预定值，断开供给电机的电力。

控制系统还包括用于识别电池包1电压的识别电路。在本实施方式中，该识别电路是在电池包1与电动工具连接后由识别电阻386，以及电阻R13和R21组成的分压电路。处理器端口P7通过电阻R21连接在电阻R13和识别电阻386之间，用来感测识别电阻386上的压降，从而确定电池包1的电压，并执行相应的过放保护的程序。

本实施方式中，驱动装置控制电路33为一H桥电路，处理器30通过端口P11、P9、P10、P6分别连接到H桥电路的四个输入口A、B、C、D，该四个输入口分别通过电阻R4、R1、R2、R3与功率开关元件Q4、Q1、Q2、Q3连接，电磁铁装置5连接在功率开关元件Q1和Q2的连接点H以及功率开关元件Q3和Q4的连接点L之间，且H桥电路的一端接电池包电源，另一端接地。在本实施方式中，上述功率开关为半导体开关，且最好为MOSFET。处理器通过通断四个输入口A、B、C、D来控制电磁铁装置53。例如，当输入口A、B接通，而输入口C、D断开时，功率开关元件Q1和Q4接通，此时电流的流向为从连接点H到连接点L，相应地，电磁铁装置53的推杆535带动内齿圈45从如图10所示的高速位置移动到图11所示的低速位置。反之，当输入口A、B断开，而输入口C、D接通时，电磁铁装置53的推杆535带动内齿圈45从低速位置移动到高速位置。

档位信号反馈电路34包括一开关387，以及电阻R25、R26、R27、R28。在本实施方式中，开关387为一单刀双位开关，其包括触点H1和触点L1，其中，触点L1和处理器的端口13连接，触点H1和处理器的端口14连接。对于本领域的普通技术人员可轻易想到的是，具体实施时，触点H1和触点L1可以是设置在机壳上的传动架行程两端的簧片，传动架上则设置有金属片，如铜片，到传动架运动到高速位置时，其金属片与相应的簧片接触而接通触点H1；反之，则接通触点L1。如图20所示，当传动架运动到低速位置时，触点H1被断开而触点L1被接通，此时，端口13会检测到一个低电平信号，端口14会检测到一个高电平信号，从而处理器30判断目前齿轮传动机构在高减速比下工作；反之，当传动架返回到高速位置后，端口14会检测到一个低电平信号，端口13会检测到一个高电平信号。对于本领域普通技术人员可轻易想到的是，金属片和簧片可相应设置在内齿圈和齿轮箱上，或设置在电磁铁装置的推杆和壳体上。

本实施方式中，功能开关36采用的是如图16所示的可切换三种速度模式的速度模式开关，即在高速模式、低速模式、和自动模式之间切换。如图20所示，速度模式开关36是一个单刀三位开关，其具有三个触点L2、H2、A，分别通过电阻R14、R15、R16连接到处理器的端口P26、P25、P24。当速度模式开关36位于如图中所示的位置，即触点A接通，而触点H2和触点L2都断开，此时，处理器30检测到端口P24为低电平信号，而端口P25、P26均为高电平信号，如此，处理器将调用并运行自动换档的程序(后续将对此进行详细描述)。而当触点A断开，触点H2或触点L2接通时，处理器30不会调用并运行自动换档的程序。

信号发生装置35的两个开关S2、S3并联，并通过电阻R17与处理器30的端口P23连接。当开关S2、S3中任一个被压下时，将产生一个电信号并通过端口P23输入处理器30，如此，处理器30将会中断目前正在运行的程序而调用速度切换程序(以下将会作详细描述)。

接下来，配合图21和图22以分别说明处理器的执行自动变速的工作流程以及速度切换的工作流程。

参照图21，同时配合参照图20所示，当主开关13闭合后(步骤711)，处理器端口P1接收到复位信号，从而处理器执行初始化动作(步骤401)。而后，处理器通过端口3采集电池包的电压信号(步骤713)，以判断电池包是否处于可正常应用的状态，即判断电池包电压是否小于12.5V，如果是，表明电池包已经过放，不适于再进行放电，从而可以阻断端口P12输出PWM信号；如果否，表明电池包可正常使用，接下来，检测速度模式开关36目前所选择的模式(步骤714)。如果速度模式开关36选择的是自动模式，则进一步判断电磁铁装置53是否处在高速位置(步骤715)，如果是，则继续下一步骤；如果不是，则处理器接通输入口C、D，并断开输入口A、B，从而给电磁铁装置53通反向电流而驱动推杆移动到高速位置(步骤718)。如果速度模式开关36选择的是高速模式，则进一步判断电磁铁装置是否处在高速位置(步骤716)，如果是，则继续下一步骤；如果不是，则驱动电磁铁装置而促使推杆移动到高速位置(步骤719)。如果速度模式开关36选择的是低速模式，则进一步判断电磁铁装置是否处在低速位置(步骤717)，如果是，则继续下一步骤；如果不是，则处理器断开输入口C、D，并接通输入口A、B，从而给电磁铁装置通正向电流而驱动推杆移动到低速位置(步骤720)。

接下来，通过LED灯D2-D5显示电池包的剩余电量(步骤721)，并在电量严重不足时切断供给电机的电力；实时检测电池包的电压(步骤431)，并在电池包过放时切断供给电机的电力；检测扳机开关的按压深度(步骤723)；根据扳机开关的按压深度来输出相应的PWM信号(步骤724)；检测电机电流(步骤725)。

判断速度模式(步骤726)，如果控制系统目前运行在高速模式或低速模式，则判断电机电流是否持续500ms(毫秒)大于90A(安培)(步骤727、729)，如果是，表明电机有可能发生堵转等异常情形而导致电流过大，因此，为保护电机，断开供给电机的电流(步骤728、730)；如果不是，则返回步骤721。如果控制运行在自动模式，则判断电机电流是否持续300ms(毫秒)大于90A(安培)(步骤731)，如果是，表明电机有可能已发生堵转，则执行自动换档的步骤；如果不是，则继续判断电机电流是否持续500ms(毫秒)大于30A(安培)(步骤491)，如果是，表明工具高速输出的效率即将低于低速输出的效率，如此则执行自动换档的步骤；如果不是，则返回步骤721。

在本实施方式中，自动换档步骤包括步骤733-步骤736。首先，为避免打齿，暂时停止向电机提供电力(步骤733)，即处理器暂时阻断端口P12输出信号，从而使电机以及内齿圈的转速降下来。而后，处理器控制H桥电路给电磁铁装置通正向电流，即处理器接通输入口A、B，并断开输入口C、D，从而使电磁铁装置驱动推杆从高速位置移动到低速位置(步骤734)，并在移动到低速位置时，触发开关S5而使触点L1接通。然后，软启动电机(步骤735)，即处理器通过端口P12输出的PWM信号逐步增加电压信号的脉宽，从而促使电机慢慢地回复到正常的运转速度。再后，处理器根据端口13接收到的低电平信号而设定低速标记(步骤736)，接下来，返回步骤721。需要说明的是，由于内齿圈在推杆的驱动下从高速位置运动到低速位置需要一段时间，所以，在其他实施方式中，也可以是由处理器先驱动电磁铁装置，然后在电机暂停的步骤。在这个过程中，只需要确保在内齿圈和止转装置啮合前，电机驱动力已经不存在，如此，即使内齿圈的速度还没有降到零，但由于其不具有主动旋转的驱动力，所以，可以与止转装置啮合而很快静止下来。

参照图22，并配合参照图20所示，当处理器的端口23接收到一个中断信号时，处理器会停止目前正在运行的程序并调用速度切换程序(步骤7492)。处理器首先通过端口21检测电机电流是否过大(步骤752)，如大于100A(安培)，如果是，表明电机已经堵转，则停止向电机供给电流(步骤753)；如果否，则检测速度模式开关目前处于何种模式(步骤754)。如果是自动模式，则中断返回，即处理器继续执行原程序(步骤767)；如果是高速模式或低速模式，则需要判断电机是否处于空载。由于有负载时相对于空载时电机速度降低地更快，所以相比有负载时，空载时电机电力切断后，需要更长的时间才能使电机停下来。如果是高速模式，判断电机电流是否持续500ms(毫秒)大于30A(安培)(步骤755)，如果是，表明有负载，随后停止供给电机的电力并延迟0.5S(步骤756)；如果不是，则停止供给电机的电力并延迟2S(步骤757)。如果是低速模式，判断电机电流是否持续500ms(毫秒)大于30A(安培)(步骤761)，如果是，表明有负载，随后停止供给电机的电力并延迟0.5S(步骤762)；如果不是，则停止供给电机的电力并延迟2S(步骤763)。在执行停机延迟，接下来处理器驱动电磁铁装置执行从高速到低速或从低速到高速的切换(步骤758、764)，随后启动电机(步骤759、765)，并相应设定低速标记或高速标记(步骤760、766)，而后返回原程序(步骤767)。

图23a、23b、和24揭示了本发明电动工具的另一种实施方式。与之前提到的实施方式的不同之处在于，该实施方式中，驱动装置包括小电机55、和用于传递小电机的旋转输出的一传动机构。本实施方式中该传动机构包括具有一输出轴561的小齿轮传动机构56、固定设置在输出轴561上的一齿轮57，以及可旋转地设置在齿轮箱47外部的一圆形套筒58。上述小电机55和小齿轮传动机构56是指相对于传统的电机和齿轮传动机构，如电机2和齿轮传动机构4，其尺寸大大减小以为满足特殊应用而设计的电机和齿轮传动机构。圆形套筒58具有相对地设置在其圆周壁上的一对导引槽，用来收容并导引钢丝套4923的两相对末端。圆形套筒58还具有设置在其圆周壁外表面上的外齿584，用以和齿轮57配合。每一导引槽包括基本垂直于一轴线(如图23a和23b的虚线所示)的第一、第二段581、583，以及位于第一、二段581、583之间并沿轴线倾斜延伸的一第三段582。

图23a、23b分别表示的是本实施方式中电动工具处于高速和低速状态下。当启动小电机55，相对于输出轴561固定设置的齿轮57获得一旋转速度，并通过与圆形套筒58的外齿584间的配合驱动套筒58旋转。需要注意的是，本实施方式中，钢丝套4923被只能沿轴线方向运动的方式设置在齿轮箱47内。从而，当圆形套筒58旋转时，钢丝套4923被导引槽的第三段582驱使而沿轴向运动，并且移动件45随钢丝套4923一起沿轴向从一速度位置移动到另一速度位置从而实现自动变速。同之前的实施方式，小电机可以连接在一H桥电路中，并由微处理器控制，通过改变施加在H桥电路上的电流方向来改变电机的旋转方向，从而实现高速和低速之间的切换。另外，本领域的普通技术人员可轻易想到的是，如果采用的小电机的输出扭矩足够大的话，可以省去小齿轮传动系统，如此，同样可以达到速度切换的效果。

图25和图26所示的是本发明电动工具的驱动装置的另一实施方式。与上一实施方式类似的是，驱动件仍采用小电机55，但传动机构却不同。如图25所示，在本实施方式中，传动机构包括由小电机55旋转驱动的螺杆565、设置在螺杆565和钢丝套4923之间并可被螺杆565驱动而线形移动的托架575、以及用于导引托架575的导引座586。如图26所示，螺杆565沿轴向延伸设置，其一端套设在小电机55的输出轴(未标示)上，另一端通过一连接套筒566可旋转的设置在导引座586上。位于螺杆565的两端之间的杆体上凸设有连续的螺旋状凸纹56492。导引座586固定设置在齿轮箱47的底部，其形成有沿轴向延伸的导轨587。托架575包括底座576和由底座576两侧向上延伸出的一对侧臂577，每一侧臂的顶部凹设有卡槽5771，可相应收容钢丝套4923的末端。托架575的底座576的顶部形成有导引槽5761，可与导引座586的导轨587配合而沿轴向滑移。底座576的底部凹陷形成有沿轴向延伸的凹槽5762，且凹槽5762的内壁上进一步凹陷形成有与螺杆565的螺旋状凸纹56492相应配合的螺旋槽5763。

小电机55启动后，螺杆565被旋转驱动，继而托架575被螺杆565驱动，由于受到导引座586导轨587的导引，托架575沿轴向线性移动，进一步带动钢丝套4923沿线性移动。从而，通过小电机55的旋转可实现工具在高速和低速之间的切换。如之前所述的实施方式，小电机可以连接在一H桥电路中，并由微处理器控制，通过改变施加在H桥电路上的电流方向来改变电机的旋转方向，从而实现高速和低速之间的切换。

本发明中的齿轮传动机构及其移动件不局限于本实施例揭示的结构，特别是不局限于本实施例中高速挡和低速档时的齿轮啮合关系，在现有技术中的齿轮传动机构各种各样，如美国专利公告第6796921号揭示了多种齿轮传动机构，其高速档和低速档时的啮合关系各不相同，但本领域普通技术人员很容易根据本发明的发明构思将各种齿轮传动机构应用于本发明。

图27到图42揭示的是基于本发明电子离合器原理的电动工具的具体实施方式。

本发明电子离合器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27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20所示，该电动螺丝刀被使用者按压以驱使工作件27，在本实施方式中该工作件为螺钉，钻入一木板28中。使用者的按压力基本上接近一个常量。其中字母t表示螺钉钻入木板的时间及随之螺钉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27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，其表示螺钉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，这表示螺钉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27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钉的头部钻入木板中。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。

当螺钉钻至与拐点部分K对应的位置时，继续钻入过程不仅会使螺钉的头部钻入木板中，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28和图29将解释本实施方式中如何检测拐点部分K。

图28是图27中电流i对时间t求一阶导数di/dt后的曲线图。其中，图27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29是图27中电流i对时间t求二阶导数d²i/dt²后的曲线图。其中，图27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30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，当检测到一阶导数大于一预定的极限值之后即产生控制信号s。

图30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。电动螺丝刀包括工作组件20、电源1、和开关13。其中工作组件20包括电机2，用于驱动一工作头26旋转，以将一螺钉27钻进木板28中。电机2到工作头27之间依次通过一齿轮传动机构4、以及一卡盘25连接。本实施方式中，电源1是直流电源，或者是可充电电池，可在开关13闭合时供给电机2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1和电机2之间连接有电子控制装置80和用于检测电流的传感器86。该电动螺丝刀还包括一第一求导单元82和第二求导单元83。本实施方式中，传感器86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82；而后第一求导单元82根据电流和时间求得如图28所示的一阶导数di/dt，同时生成一个与该一阶导数成一定比例的信号并进一步传递给第二求导单元83；随后，第二求导单元83求得如图29所示的二阶导数，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2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80，而后由电子控制装置80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80内实现，也可以通过单独设置的延迟单元来实现。

图30中的电子控制电路可以包括一个晶体管开关，用来断开供给电机的电流。

在优选的实施方式中，电子控制装置80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。也就是说，整个电子控制装置80可以是一个微处理器。

在其他可选的实施方式中，供给电机2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阶导数di/dt，而后比较这两个一阶导数；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)，即意味着螺钉的头部已到达木板28的表面，接着就会生成前面提到的控制信号s。

上述实施方式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。

图31-34所示的是本发明的实现电子离合器的控制方法和电动工具的第二发明原理，以下会对基于该发明原理的各实施方式作详细阐述。

图31所示的是电机的电流i随时间t的变化曲线图。在本实施方式中，该电机的电流i是一电动螺丝刀在驱动一工作头工作时供给电机的直流电。图中显示了检测到的两根电流曲线A1和A2。与前面的相同，检测以及处理电机的电流是通过时钟脉冲原理进行的，此属于本领域技术人员所熟知的技术，申请人不再赘述。图32所示的是电流曲线A1和A2经一次求导后相应的一阶导数曲线。第一曲线A1与相对较软材质的工件，如木板，或相对较小的螺钉有关；而第二曲线A2与相对硬软材质的工件，或相对较大的螺钉有关。无论哪种情形，对曲线A1和A2的检测和处理都会在控制组件80(图34示)中进行，在本实施方式中，该控制组件还可以包括一微处理器。

在基于第二发明原理的第一实施方式中，在一预先设定的时间点T1，电机电流i1被采集到。在微处理器中，预先存储有一个的极限值，称作第一极限值P1。该第一极限值P1可能是，例如，在T1时间点，P1＝5A(安培)。如果此时i1＜5A，意味着目前电动螺丝刀正在一块较软的木板上打螺钉；如果此时i1＞5A，意味着目前电动螺丝刀正在一块较硬的木板上打螺钉。配合参照图32所示，如果i1＜5A，微处理器将会分派一个第一预设一阶导数值q1；如果i1＜5A，微处理器将会分派一个第二预设一阶导数值q2。上述第一和第二预设一阶导数值q1、q2都被预先存储在微处理器中。第一预设一阶导数值q 1可以是，例如，q1＝0.4A/s；第二预设一阶导数值q2大于第一预设一阶导数值q1，可以是，例如，q2＝1A/s。也就是说，如果在时间点T1时电机电流值i1低于第一极限值P1，第一预设一阶导数值q1会被选择，反之，如果在时间点T1时电机电流值i1高于第一极限值P1，那么第二预设一阶导数值q2会被选择。

在图32中，对应曲线A1和A2的电流经一次求导后相应的一阶导数曲线分别显示为a1和a2。

可以意识到的是，图32中曲线a1和a2的急速上升段对应图31中曲线A1和A2的突变弯曲段，也就是曲线A1和A2的拐点部分K1和K2。前面已提到过，拐点部分K1和K2表示螺钉的头部开始接触到木板的表面。这些拐点部分K1和K2在微处理器中被用于分别生成控制信号s1和s2(如图33所示)。如图32所示，预设一阶导数值q1、q2分别位于曲线a1、a2的急速上升段。

如图33所示，第一预设一阶导数值q1被选择的时候，当电机电流的一阶导数值di/dt达到q1时，此时位于时间点t1的第一控制信号s1会被微处理器生成。如果根据在时间点T1时的检测已经确定选择第二曲线A2，那么当一阶导数值di/dt达到第二预设一阶导数值q2时，位于时间点t2的第二控制信号s2就被生成。

根据生成的第一控制信号s1或第二控制信号s2，电动工具的直流电机的转速就会降低或者甚至停转。

也就是说：在预设时间点T1时，例如在启动电机后的1秒或2秒时，微处理器读取电机电流i。如果工作头是小螺钉以及/或者工件是较软材质的木板，此时的工作电流i相对较小，电流随时间变化的曲线就如同图31中的第一曲线A1。在时间点T1时采集到的电流为第一电流i1，可以是3A左右，微处理器就会选择第一一阶导数值q1(预先储存在其中)来与电流对时间的一阶导数di/dt进行比较。如此，当di/dt的值达到q1时，对应时间点为t1，对应供给电机的电流为11，此时，电机的转速就会被q1所触发的第一控制信号s1控制而降速。如果工作头是大螺钉以及/或者工件是较硬材质的木板，此时电流随时间变化的曲线就如同图31中的第二曲线A2。如此在时间点T1时采集到的第二电流i2会高于第一电流i1，例如，i2＝7A。因此，在预设时间点T1时微处理器就会选择第二一阶导数值q2(预先储存在其中)。当a2曲线上的di/dt值达到q2时，对应时间点为t2，对应供给电机的电流为12，此时，电机的转速就会被生成的第二控制信号s2控制而降速。

在基于第二发明原理的第二实施方式中，在预设时间点T1时的电机电流i同样会被采集到。此时，微处理器会判断在T1时检测到的电流i的值是否会低于预设的第一极限值P1，例如上述实施方式中的电流值i1，或者是否高于预设的第一极限值P1，但低于预设的第二极限值P2，例如上述实施方式中的电流值i2。如果检测到的电流值是i1，则第一曲线A1就会被分派到一个预设一阶导数值q1；如果检测到的电流值是i2，则第二曲线A2就会被分派到一个较大的预设一阶导数值q2。接下来，就如同第一实施方式中所提到的个步骤，位于拐点K1、K2的一阶导数di/dt就会再次被微处理器用到来生成相应的控制信号s1、s2。

需要注意的是，在第一实施方式中只有一个预设极限值P1被使用到，而在第二实施方式中有两个预设极限值P1、P2被使用到。

这同样也可以应用到第二实施方式中：如果工作头是非常大的螺钉以及/或者工件的材质非常硬，微处理器会同样使用到预先设定在其内的第三极限值P3(如图31所示)和第三一阶导数值q3(如图32所示)。需要说明的是，这些极限值P1、P2、P3以及这些一阶导数值q1、q2、q3被预先储存在微处理器内，用于在预设时间点T1时，根据检测到的不同电流值i1、i2、i3而分别被单独地唤醒。当然，可视情形使用更多的极限值P和一阶导数值q。

这些极限值P和一阶导数值q可以是通过一系列的测试(例如，测试不同规格的螺钉在不同材质或规格的工件上进行工作)而获得并预先储存在微处理器中。

图34所示的电动工具，例如电动螺丝刀，使用了上述基于第二发明原理的实施方式进行工作。其中，大多数元件和图30所示的实施方式相同或相近似，所以，对这些元件使用相同的标号。

图34的右侧所示的电动螺丝刀的工作组件20包括直流电机2，用来驱动夹持在工具夹头25上的工作头26。工具夹头25和电机2之间通过一齿轮传动机构4连接。工作头26用于旋转一螺钉27以将其拧入木板28中。电源1是直流电源，可以是可充电电池，可在扳机开关13闭合时供给电机2直流电流i。

电源1和电机2之间连接有电子控制装置80和用于检测电流的传感器86。电流传感器86会实时检测供给电机的电流，同时生成与检测到的电流成一定比例的信号并传递给求导单元82。求导单元82随后生成一个与电流对时间的一阶导数di/dt成一定比例的信号。求导单元82的输出端连接到一个存储与处理单元85的输入端。

存储与处理单元85内储存有，如上述第一实施方式中所述的，单一的极限值P1以及第一和第二一阶导数值q1和q2。在预设时间点T1，如果电流i1低于极限值P1，存储与处理单元85选择第一一阶导数值q1；如果电流i2高于极限值P1，则存储与处理单元85选择第二一阶导数值q2。其中第二一阶导数值q2大于第一一阶导数值q1。当第一导数di/dt达到第一或第二预设一阶导数值q1或q2时，存储与处理单元85相应生成控制信号s1或s2。此时，螺钉头部已经到达木板的表面。存储与处理单元85将控制信号s1或s2传递给电子控制装置80。该电子控制装置80用于减少或者断开供给电机2的电力。也就是说，控制信号s1或s2被用来使供给电机的电流i降低到零或者一个较低的值以使电机停转或转速基本上为零。在本实施方式中，控制信号s通过电子控制电路81来实现这个目的。对电机的降速控制可以在脉冲信号p产生后即时执行，也可以是延后一特定的时间来执行。控制信号s1或s2也可以用来改变电流i的流向，从而使电机迅速停转。

在优选的实施方式中，电子控制装置可以包括一微处理器，上述求导单元82、存储与处理单元85、电子控制电路81、或者用来延迟控制信号s的延迟单元(未图示)都可以通过固化在微处理器内的指令来执行。也就是说，电子控制装置80可以由一个微处理器来取代。

图35-37所示的是本发明的电子离合器的控制方法和电动工具的第三发明原理，其是基于图27-30所示的第一发明原理上延伸出来的，因此，下面仅说明两者的区别之处。第三发明原理使用了电流对时间的第三次求导来降低电动工具的转速。

在具体实施方式中，控制方法会继续图27-29所示的各步骤。图35是电流对时间的二次求导曲线的再现，该曲线已经在图29中显示过了。如图36所示，在二阶导数d²i/dt²的基础上，进一步求出了电流对时间的三阶导数d³i/dt³。当三阶导数曲线的波峰区段出现后，如果检测到三阶导数值d³i/dt³大于预先给出的极限值v1，并且为正值时，控制信号s就被生成了。控制信号s随后被用于降低电动工具的转速。

本领域的技术人员可据此得知，通过检测四阶、五阶或更高阶的导数来实现控制信号s的生成。由于这些都可轻易推断出，申请人在此不在赘述。

参考图11所示的电路，需要注意的是，二次求导单元83输出的信号传递给了三次求导单元84，然后生成三阶导数d³i/dt³。随着第三求导单元输出信号，一个正的脉冲值p1被输入了电子控制电路81，其被视作控制信号s。通过电子控制电路81，控制信号s使得供给电机2的直流电流i被减小或者甚至完全被断开。

需要再次注意的是，电子控制装置80的所有组成单元可以被一个微处理器所取代。

根据之前提到的第二实施方式中，存储与处理单元85可以在其内储存一阶导数值q2，或者可以包含若干一阶导数值q1、q2、q3、......qn以及若干极限值P1、P2、P3、......Pn来进行处理。

图31-34所述的步骤以及保护装置同样具有在螺钉27的头部到达木板28表面后产生快速和可靠的响应。该保护装置全部通过电子方式来实现。

需要注意的是上述各实施方式中提到的一阶导数、二阶导数或更高阶导数并不仅限于纯粹数学意义上的导数定义，还可以包含实际工程应用中基于导数原理进行简单的等效变换。例如，一阶导数也可以表示成连续的时间间隔Δt内的电流变化Δi，即Δi/Δt。为方便工程应用，可将Δt取为一个非常小的等值，如Δt＝10ms，如此，只需要不断的判断电流i的差值就可以实现等效于求一阶导数的运算。例如，在连续的固定时间间隔点检测到电流值为i1、i2、i3、i4、i5......，如此相应的一阶导数为i2-i1、i3-i2、i4-i3、i5-i4......，二阶导数为i3-2i2+i1、i4-2i3+i2、i5-2i4+i3......。并且，通过这种方式，可以不需要预先求得一阶导数而直接获得二阶导数。据此类推，对更高阶导数所作的类似等效变换都包含在本发明中导数的含义内。

以下将讨论基于二阶导数或更高阶导数来生成控制信号的另一实施方式。以二阶导数为例，电动螺丝刀有时在工作时会碰到一些异常情况而导致工作电流发生非正常突变，从而使所获得的二阶导数被干扰。这些异常情况如，当螺钉在拧入木板的过程中遇到木板中的节疤而导致电流突然升高；或者在电机刚启动时电流突然大幅上升并在还未进入平稳期时就进行检测；或者在使用直流电池包作为电源时，电池包因过放而导致电压迅速下降，进而使得电流发生突变；或者使用者在使用过程中手臂发生突然抖动，而导致电流突变。如果上述情况发生时螺钉还未完全拧入木板，根据这时的电流对时间而计算得到的二阶导数就有可能产生干扰，也就是说，此时生成的二阶导数可能也会达到或超过预设极限值v(如图29所示)，而此时控制组件，如图30中所示的电子控制装置80，就会错误地认为螺钉已经完全拧入木板中而切断供给电机的电力，这显然是使用者不愿意看到的。

当遇到上述异常情况时，此时的电流值往往相比螺钉完全拧入木板时的电流值要小，所以为解决上述问题，控制组件可以将二阶导数的值与相应的电流值(即以此电流值为基础而相应计算得到的该二阶导数的值)进行乘积，并为该乘积值预设一个新的极限值，当该二阶导数与相应电流的乘积为正值且数值大于或等于新极限值时生成相应的控制信号来降低电机的速度或停机。显然，新的极限值要比原极限值v大得多，通过这种方式，使得实际想要的二阶导数与产生干扰的二阶导数之间的差距被放大，从而使用更大的极限值来将实际想要的二阶导数筛选出来。当然在其他实施方式中，可以将电流或一阶导数或二阶导数与一个固定常数的乘积，电流或一阶导数或二阶导数的n次方、电流与相应一阶导数的乘积、二阶导数与相应一阶导数的乘积、二阶导数与相应一阶导数以及电流的乘积、一阶或二阶导数加上某个趋近于90的值后再求正切函数值(如tan(89+一阶或二阶导数))、一阶或二阶导数的余切函数值(如ctan(一阶或二阶导数))、或以任意值a为底数且数值1与一阶或二阶导数的差值为真数的对数函数值(如loga(1-一阶或二阶导数))与对应的极限值进行比较，当上述值在数值(即绝对值)上大于或等于其对应的极限值(该极限值为一正数)时，生成控制信号来降低电机的速度或停机。本领域普通技术人员可以轻易想到的是，上述实施方式同样可应用于高阶导数，申请人在此不再予以赘述。此外，本领域普通技术人员可轻易想到的是，与极限值的比较可以有很多形式，如将一个常数减去上述计算值以得到一个差值，只有当这个差值小于或等于特定极限值时才生成控制信号。

上述实施方式中，均以电机的电流作为检测参数来表示输出轴(即图34和图37中位于夹头25和齿轮传动机构4之间的连接轴)的负载，也就是说，当螺钉在拧入木板的过程中，输出轴会受到阻力矩，通过检测电流就可以反映阻力矩的变化，从而判断螺钉是否已完全拧入木板中。当然，本领域技术人员可轻易想到的是，用来表示输出轴负载的参数并不限于电流，还可以是电压，如检测与电机串联的电阻上的压降；或者是转速，如采用霍耳效应检测元件(Hall Sensor)来检测电机或输出轴的转速；或者是电机的效率，如通过计算电机的输出和输入功率比来检测电机的效率。

图38到图41揭示了一种具体的检测方式。如图38所示，在本实施方式中，还是以电动螺丝刀为例，其包括机壳21、设置在机壳内的电机2、输出轴6、连接在电机2和输出轴6之间的齿轮减速机构4、以及设置在输出轴6上的夹头25。在本实施方式中，齿轮减速机构4为三级行星齿轮减速机构，其包括第一、二、三行星架41、43、49，设置在相应行星架上的若干第一、二、三行星轮40、42、48，以及设置在相应若干行星轮外周的第一、二、三齿圈401、431、491。本实施方式中，一扭簧492设置在机壳21和第三齿圈491之间，其中扭簧492的一端和机壳21相对固定设置，另一端和第三齿圈491固定连接。当输出轴6所受的负载发生变化时，第三齿圈491会克服扭簧492的扭力而旋转。传感器组件61同样设置在机壳21和第三齿圈491之间。如图39的放大结构所示，传感器组件61包括固定设置在机壳21上的感测件611，和固定设置在第三齿圈491上的移动件612，本实施方式中，感测件611优选为光电传感器，移动件612优选为环形的遮光盘。配合参见图14所示，遮光盘612包括均匀设置在圆周上的多个通孔6121，此外，参见图15所示，遮光盘612也可以使用透光材料制成，遮光盘612的圆周上均匀设置有多个不透光的条纹6122。

当第三齿圈491产生转动，其会带动遮光盘612相对于光电传感器转动，从而光电传感器发出的光线便会被遮光盘612遮住，或者穿过遮光盘612的通孔6121，光电传感器记录下通过的通孔6121的个数并生成脉冲信号(每个脉冲代表角位移量，即角位移量/脉冲)，该信号传递给控制组件，控制组件经过计算，将脉冲信号换算成相应的角位移量，同时根据扭簧492的刚度(扭矩/角度)与角位移量相乘得到扭簧492所受的扭矩，从而得出输出轴6所受到的负载扭矩的大小。在本实施方式中，通过检测齿圈相对机壳的位移来获得输出轴的负载扭矩，当然在其他实施方式中，也可以通过检测内齿圈作用于机壳的压力(如通过压力传感器)，或者检测行星架的转速(霍耳检测元件)来表示或进一步计算出输出轴负载扭矩的大小。

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。

图42所示的是本发明电动工具结构的具体实施方式，在本实施方式中，电源为电池包1，电池包1可沿图中箭头方向插接到机壳21的底部211。为显示电池包和机壳的内部构造，电动工具的半边机壳和电池包的上壳体被移除。电池包1包括壳体151(由上、下壳体盖合而成)、被电池架152固定在壳体151内的若干电池153和收容在壳体151内靠近工具的机壳21一侧的一第一电路板154。在本实施方式，该电池为锂离子电池，需要说明的是，这儿所说的锂离子电池是负极材料为锂元素的可充电电池的总称，依据正极材料的不同，其可构成许多体系，如“锂锰”电池，“锂铁”电池等。在第一电路板154上设有若干第一导电端子155。一第二电路板212设置在工具的机壳21内靠近电池包1的一侧，在本实施方式中，即机壳21的底部211。第二电路板212上同样设有若干第二导电端子213，这些第二导电端子213可在电池包1插接到机壳底部211后与第一导电端子155接触，从而可以使电池包内的电池153为第一电路板154和第二电路板212提供电力，且进一步地，通过设置在机壳内的与第二电路板连接的导线(未图示)为电机6的运行提供电力。第二电路板212上还设置有由若干电子元器件组成的控制组件(未标示)，其不仅可以用于监测螺钉的拧紧过程并在拧紧时切断电力，还可以用于监测电池包的放电程度，并可在过放时实现相应的控制。这是因为对螺钉工作的监测和对电池包的监测都可以通过对电动工具的同一运行参数的监测来实现，如本实施方式中的电机电流，如此可以大大减少硬件成本。

图43到图45揭示的是同时具有电子离合器功能和自动变速功能的电动工具的具体实施方式。

由于本实施方式中电动工具的基本构成，以及实现电子离合器功能和自动变速功能的基本构成均已在上述实施方式中详细描述过，所以以下仅做简要的描述，并且对于相同的元件，均采用与上述实施方式中相同的标号。如图43所示，该电动工具包括可输出旋转动力的电机2、用于驱动一工作头旋转工作的输出轴6、和设置在电机2和输出轴6之间用来将电机的旋转动力输出给输出轴的齿轮传动机构4。本实施方式中还是以电动螺丝刀为例，其工作头可将螺钉拧入工件(如木板)中。电机2和齿轮传动机构4均收容在一机壳中。齿轮传动机构4为行星齿轮传动机构，其包括行星轮、用于支撑行星轮的行星架、与行星轮和行星架可变地配合的移动件(即内齿圈)、以及相对于机壳固定设置的止转装置。其中移动件可被驱动地在高速位置和低速位置间滑移，在高速位置，移动件同时与行星轮和行星架啮合而使得齿轮传动机构以低减速比输出高转速；在低速位置，移动件同时与行星轮和止转装置啮合而使得齿轮传动机构以高减速比输出低转速。一板机开关13与电机2连接，并可根据被按压的深度的不同来成比例地调节电机输出的转速。在本实施方式中，电源1可以采用如图42所示的电池包，该电池包可插接到机壳上以为电机的运转提供电力，优选地，电池包由若干锂离子电池通过并联或串联而成，电池包内和机壳内相应设有第一、第二电路板，且机壳内的第二电路板上集成有构成控制系统的电子元器件。一电器开关10连接在电机2和控制系统8之间，从而使控制系统8可根据其内置的指令来自动执行对电机速度的控制。作为优选的实施方式，该电器开关10为场效应管，如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，metallic oxide semiconductor fieldeffecttransistor)。在本实施方式中，用于驱动移动件45运动的驱动装置5为电磁铁装置，控制系统8通过给电磁铁装置5施加电流来驱动移动件45线形移动，从而实现高速和低速的切换。当然该驱动装置还可以是小电机驱动装置或螺杆驱动装置等。

本实施方式中，控制系统8包括处理器30，与上述实施方式不同的是，本实施方式中的处理器30整合了电子离合器模块和自动变速模块，其中电子离合器模块包括了第一求导单元和第二求导单元。关于处理器所执行的控制将结合图44到图47的示例进行详细描述。在本实施方式中，一负载检测电路32连接在电机2和处理器30之间，其通过检测电机2的电流来判断输出轴所受负载的状况，并当特定情形出现时执行相应的控制，如判断得知螺钉已完全拧入木板时执行自动停机，或者当判断得知工具在高速运转时的输出效率要低于在低速运转时的输出效率时，会执行高速到低速的自动切换。这些操作会在后面结合图44到图47进行详细的描述。当然，如前所述，负载检测电路32也可通过检测其他用来表示输出轴负载的参数来执行相应的控制，例如输出轴的转速、电机的电压、电机的转速、电机的效率、行星架的转速、齿圈相对机壳的位移、齿圈作用于机壳的压力等等。一速度调制电路31连接在处理器30和电器开关10之间，在本实施方式中其为MOSFET驱动电路，可接收处理器的控制信号来调节电子开关的占空比，从而通过电子开关输出不同脉宽的信号来调节电机的转速，或停止输出信号以令电机停转。一驱动装置控制电路33连接在处理器30和驱动装置5之间，在本实施方式中，其包括一H桥电路，处理器30可通过H桥电路33来改变施加给电磁铁装置5的电流流向，从而驱动移动件45线性移动来切换减速比。另外，处理器30和驱动装置5之间还连接有一档位信号反馈电路34，其可通过识别移动件45的位置来判断目前所处的速度档位位置，并将该位置信号反馈给处理器30。

一模式选择开关39与处理器30连接，其可以采用单刀多位开关的形式，结构上可以类似于功能开关36(如图13所示)，如开关可以是设置在机壳上，并通过电性导线与处理器连接，开关的按钮可以被人为地设置在不同的档位，相应地，不同档位的信号会生成并传递给处理器，从而处理器可根据信号指令执行相应的程序。在本实施方式中，模式选择开关39有四个挡位：电子离合器启动档位、自动变速启动档位、电子离合器和自动变速均启动的档位、以及电子离合器和自动变速均限制的档位。当然，在其他实施方式中，该开关可以仅设置两个档位，一种情形是：电子离合器启动档位、自动变速启动档位，另一种情形是：电子离合器和自动变速均启动档位、电子离合器和自动变速均限制的档位；也可以设置成三个档位，一种情形是：电子离合器启动档位、自动变速启动档位、电子离合器和自动变速均启动的档位，另一种情形是：电子离合器启动档位、自动变速启动档位、电子离合器和自动变速均限制的档位。

以下结合图44至图47说明处理器根据模式选择开关执行相应工作模式的具体实施方式。

如图44所示，处理器在执行初始化(步骤911)后会辨别模式选择开关目前被设置的档位(步骤912)，如果是电子离合器模式启动档位(E)，则执行电子离合器模式的子程序；如果是自动变速模式启动档位(A)，则执行自动变速模式的子程序；如果是电子离合器和自动变速功能均启动的档位(A+E)，则执行电子离合器+自动变速模式的子程序；如果是电子离合器和自动变速均限制的档位(OFF)，则返回模式选择开关的档位检测步骤(步骤912)，且在没有检测到新的档位信号前，电动工具继续原来的工作。

图45所示的是电子离合器模式的子程序。可同时参照图30所示，处理器通过传感器(如与电机串联的电阻)获得连续固定时间间隔内的电流值i(步骤921)，如i1、i2、i3、i4、i5......，并同时计算出相应的一阶导数为i2-i1、i3-i2、i4-i3、i5-i4......，二阶导数为i3-2i2+i1、i4-2i3+i2、i5-2i4+i3......(步骤922)。如前所述，一阶导数的计算并非必要的步骤，也可以省去而直接计算二阶导数i(即前述实施方式中的d²i/dt²)。当发现二阶导数

i在数值上大于或等于第一预设极限值M1时(步骤923)，表明电流曲线已至拐点K(如图27所示)，也就是说，螺钉已经完全拧紧，处理器随后生成一个停机信号来使电器开关断开从而迫使电机停止运转(步骤924)。如前述实施方式所描述，停机信号可以仅根据一阶导数或者更高阶导数来生成；另外，停机信号可以即时生成，也可以在预定的延迟时间后生成；此外，为迫使电机迅速停止下来，可以通过改变供给电机的电流的流向来实现。当然，使电机停转并不是唯一可以采取的措施，也可以通过改变电器开关输出信号的脉宽来使电机工作在一个低速水平。

图46所示的是自动变速模式的子程序。处理器检测目前速度档位开关所处的位置(步骤931)，如位于高速位置(步骤932)，则接下来持续检测通过电机的电流i(步骤934)；如位于低速位置，则微处理器通过H桥电路驱动电磁铁装置切换到高速位置(步骤933)，并持续检测电机电流i(步骤934)。当发现电机电流在数值上大于或等于第二预设极限值M2时(步骤935)，表明工具在高速运转时的输出效率开始等于或将要低于在低速运转时的输出效率，如此，处理器接下来通过H桥电路驱动电磁铁装置切换到低速位置(步骤936)。

图47所示的是自动变速功能和电子离合器功能均启动的模式下的子程序。首先，处理器检测目前速度档位开关所处的位置(步骤941)，如位于高速位置(步骤942)，则接下来检测连续的固定的时间间隔内通过电机的电流i(步骤944)；如位于低速位置，则处理器先驱动电磁铁装置切换到高速位置(步骤943)，然后检测连续的固定的时间间隔内的电机电流i(步骤944)。当发现电机电流值大于或等于第二预设极限值M2时(步骤945)，表明工具在高速运转时的输出效率开始等于或将要低于在低速运转时的输出效率，则微处理器先停机延迟特定时间(步骤946)，然后驱动电磁铁装置切换到低速位置(步骤947)。当然，处理器可以不需要执行停机延迟而直接驱动电磁铁装置执行速度切换的动作。接下来，在延迟特定时间段后(步骤948)软启动电机(步骤949)，即处理器通过速度调制电路逐步调高施加给电机的电压，从而使电机逐步恢复到正常速度的状态。在延迟特定时间段后(步骤950)，继续在连续的固定的时间间隔内检测通过电机的电流i(步骤951)，并计算电流对时间的二阶导数值

i(步骤952)。当二阶导数

i在数值上大于或等于第一预设极限值M1时(步骤953)，表明螺钉已经完全拧紧，处理器控制电机运转(步骤954)，否则，继续检测电流i。

Claims (19)

1.一种电动工具，其特征在于：该工具包括

机壳；

电机，设置在机壳内，并输出旋转动力；

输出轴，用于驱动一工作头，以使工作头具有一旋转速度；

齿轮传动机构，设置在电机和输出轴之间，并以至少包括第一齿轮减速比和第二齿轮减速比的若干齿轮减速比中的一个来将电机的旋转输出传递到输出轴上；

检测组件，用于测量表示输出轴负载的参数；

控制系统，可选择地用于控制工具至少在下述模式之一或结合的情形下工作：

电子离合器模式，所述控制系统用于获得所述参数对时间的一阶导数或二阶导数或高阶导数，并根据所述一阶导数或二阶导数或高阶导数生成相应的控制信号以降低电机的速度或停机，所述控制系统还用于在产生控制信号前预先设定一个极限值，所述控制信号只有在二阶导数与相应一阶导数的乘积值在数值上大于或等于其对应的极限值时才生成；

自动变速模式，所述控制系统与所述齿轮传动机构配合，并根据所述参数来控制所述齿轮传动机构进行减速比的切换。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：所述参数为输出轴转速、流经电机的电流、电机的电压、电机转速、或电机效率中的一个。

3.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：所述齿轮传动机构为行星齿轮传动机构，所述行星齿轮传动机构包括行星架、设置在行星架上的行星轮、环绕行星轮设置的齿圈；所述参数为行星架的转速、齿圈相对机壳的位移、齿圈作用于机壳的压力中的一个。

4.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：在电子离合器模式下，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所述的电动工具，其特征在于：在电子离合器模式下，所述控制系统被用于根据所述控制信号的产生来改变所述电机的电流的流向以使电动工具停转。

6.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：所述齿轮传动机构包括至少一组齿轮系和一移动件，在自动变速模式下，所述移动件可在第一位置和第二位置间移动，且在第一位置和第二位置时，所述移动件与所述齿轮系以不同的方式配合，从而齿轮传动机构以不同的减速比输出电机的转速。

7.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：所述齿轮系包括行星轮系，所述行星轮系包括若干行星轮、以及用于支撑行星轮的行星架。

8.根据权利要求7所述的电动工具，其特征在于：所述移动件包括内齿圈，在第一位置时，所述内齿圈同时与所述行星轮和行星架啮合，齿轮传动机构以第一减速比输出电机的转速；在第二位置时，所述内齿圈仅与所述行星轮啮合，齿轮传动机构以第二减速比输出电机的转速。

9.根据权利要求8所述的电动工具，其特征在于：所述齿轮传动机构包括相对于机壳固定设置的止转装置，在第二位置时，所述移动件与所述止转装置配合而与机壳保持相对固定。

10.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：该工具包括与控制系统和齿轮传动机构配合的驱动装置，所述驱动装置包括电磁铁装置，所述电磁铁装置具有与移动件相对固定配合的推杆；所述控制系统通过给所述电磁铁装置施加电流来促使所述推杆线性移动，从而驱动所述移动件在第一位置和第二位置间运动。

11.根据权利要求10所述的电动工具，其特征在于：所述控制系统还包括H桥电路，可用于改变施加给电磁铁装置的电流流向来改变所述推杆的运动方向。

12.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：所述控制系统还包括位置信号反馈电路，用于在移动件运动到相应位置时确认其已到达。

13.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：所述控制系统还包括电机控制电路，其用于控制一场效应管来输出脉宽调制信号以调节电机的转速。

14.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：所述控制系统包括处理器。

15.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：该电动工具还包括与控制系统连接的模式选择开关，所述模式选择开关可被操作而使控制系统选择在电子离合器模式和自动变速模式两者之一下工作或两者结合的情形下工作。

16.根据权利要求1或15所述的电动工具，其特征在于：所述控制系统还可选择在电子离合器模式和自动变速模式两者都被限制的情形下工作。

17.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：该电动工具还包括安装在机壳上的电池包，所述电池包包括锂离子电池。

18.根据权利要求17所述的电动工具，其特征在于：电池包内设有第一电路板，机壳内设有与所述第一电路板电性连接的第二电路板；且所述第一电路板设置在电池包内靠近机壳的一侧，所述第二电路板设置在机壳内靠近电池包的一侧。

19.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：电动工具还包括扳机开关，所述扳机开关与电机电性连接，所述扳机开关被按压的深度与电机的旋转速度成比例。

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