CN101911419A - 用于在电动工具中采取安全措施的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在电动工具中采取安全措施的装置(10)，其中该电动工具包括电动机(EM)，具有至少一个磁场绕组和电枢绕组。该装置(10)具有下列特征：传感器单元(12)，它设计成，根据通过电动机(EM)的电动机电流(14)、电枢绕组上的电枢电压(16)、磁场绕组上的电压(18)和/或电枢绕组上的换向频率(20)提供传感器信号(21)；传感器信号-变化识别单元(22)，它设计成，识别传感器信号(21)随时间的变化并且以识别的变化为基础输出相应的变化信号；和安全单元(26)，它设计成，在变化信号(24)值超过或低于一个阈值的时候在电动机上采取安全措施(28)。

Description

用于在电动工具中采取安全措施的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1所述的用于在电动工具中采取安全措施的装置以及一种如权利要求9所述的用于在电动工具中采取安全措施的方法。

背景技术

现代的电动工具需要特殊的安全措施，用于在不可预见的事件时保护电动工具的操作者。这个事件例如可能在工具卡锁或咬紧中产生(这种情况专业人员称为“反冲(Kickback)”)。如果没有安全机构，在这种事件时可能使操作者严重受伤。另一方面规定的安全机构应该是成本有利并且可以简单地实施。

在公开文献DE 10 2004 004 170 A1 20005.08.18中公开了一个用于保护使用者的解决方案，题目是“在卡锁情况下断开电动工具机的方法和电动工具机”。但是对应于这个解决方案识别“反冲情况”局限于评价转速。这仅仅提供一个有限的保护功能，因为这种评价不能灵活地应用于不同的使用环境，并且还由于用于检测转速的大量零部件需求是成本昂贵的。

发明内容

因此本发明的目的是，实现一个用于在电动工具中采取安全措施的更好的方案。

这个目的通过一个具有权利要求1特征的、用于在电动工具中采取安全措施的装置和一种具有权利要求9步骤的、在电动工具中采取安全措施的方法得以实现。本发明的其它扩展结构是从属权利要求的内容。

本发明实现一个用于在电动工具中采取安全措施的装置，其中该电动工具包括一个电动机，它具有至少一个磁场绕组和一个电枢绕组，并且该装置具有下列特征：

-一个传感器单元，设计它，以根据通过电动机的电动机电流、电枢绕组上的电枢电压、磁场绕组上的电压和/或电枢绕组上的换向频率提供一个传感器信号；

-一个传感器信号变化识别单元，设计它来识别传感器信号随时间的变化并且以识别的变化为基础输出相应的变化信号；和

-一个安全单元，设计它，以在变化信号值超过或低于一个阈值的时候在电动机上采取安全措施。

本发明以这种认识为基础，即通过方便地截取电动机特征参数如电动机电流、电枢绕组上的电枢电压、磁场绕组上的电压和/或电枢绕组上的换向频率可以获得电动工具的负载状态。其优点是，无需费事的用于获取电动机轴上的转速的传感器或其它专门电路。此外通过确定传感器信号在不同的工作背景中随时间的变化可以识别止锁或咬紧情况，当超过或低于一个阈值的时候。例如通过这种方式一方面在缓慢的工作速度时，另一方面在高速的工作速度时可以更好地区别工具的咬紧或止锁。这一点由此实现，即只有电动工具负载状态随时间的变化对于释放安全功能是重要的，而不是相应的绝对特征参数是重要的。因此在使用按照本发明的解决方案时一方面通过电动工具的电动机中的简单截取点实现成本有利的实施，另一方面在出现安全临界状态时实现非常精确地释放安全措施。

在一个特殊的实施例中，设计所述传感器信号-变化识别单元和/或安全单元，来执行数字的信号处理。其优点是，已经用于控制电动工具的各种数字电路也可以用于释放安全措施。使用数字元件也提供这种可能性，在电子元器件老化时也非常健壮且可靠地实现释放，同时也可以保证高精度和稳定地释放安全措施。

有利的是设计所述传感器信号-变化识别单元来在识别传感器信号随时间的变化之前执行传感器信号的滤波。其优点是，可以抑制或至少衰减在传感器信号上可能的干扰，由此可以保证在释放安全措施的时候更高的精度。因此避免或至少减少不期望地释放安全措施和与此相关的对于操作者问题的可能性。

也可以设计所述传感器信号-变化识别单元，来线性、非线性和/或加权的函数为基础执行滤波或者执行传感器信号的傅立叶变换。这提供了这种可能性，即在使用数字元器件时保证在分析传感器信号时的高精度。通过使用傅立叶变换也可以将传感器信号分解成其频率分量，它尤其在接收电动机电枢绕组上的换向频率时能够检测快速的频率变化并由此以短的反应时间实现释放。尤其有利的是，与此相关，考虑使用FFT(FFT＝Fast Fourier-Transform＝快速傅立叶变换)，它能够执行非常快速的变换。

按照另一实施例，可以设计所述安全单元，来中断电动工具能量输入，导入电动工具的机械制动，通过机械或电装置导入电动工具的电制动、电动工具的电机制动和/或电动工具止锁。这能够实现快速地制动电动工具并由此可靠地避免操作者受伤。

在另一实施例中，也可以设计所述传感器单元，来根据通过电动机的电动机电流、电枢绕组上的电枢电压、磁场绕组上的电压和/或电枢绕组上的换向频率提供第二传感器信号，它与所述传感器信号不同。此外在这个实施例中还可以设计所述传感器信号-变化识别单元，来识别第二传感器信号随时间的变化并且以识别的变化为基础输出相应的第二变化信号。最后在这个实施例中也可以设计所述安全单元，用于当所述变化信号值超过或低于阈值并且第二变化信号的值也超过或低于第二阈值的时候，在电动机上采取安全措施。这提供了这种可能性，即保证防止误释放安全措施的附加安全性，因为在这种情况下只通过超过或低于两个阈值才实现释放。因此这种实施例对于所述传感器信号或第二传感器信号的干扰更加宽容。

此外在另一实施例中也可以设计所述安全单元，来在采取安全措施时使用取决于传感器信号的阈值或可外部调整的阈值。这提供了这种可能性，一方面可以调整可变化的安全性阈值，它们也考虑机器的过载。此外，通过将阈值与传感器信号耦联例如可以调整较小的释放阈值，用于保证在高运行速度时准时地制动电动工具。也可以设想，当操作者例如在一个特别严格的工作环境中工作时，他可以调整一个专门期望的阈值。总之可以说，通过使用可变化的阈值可以提高对于电动工具操作者的安全性。

在另一实施例中可以设计所述传感器单元来获得电动工具的位置和/或卡紧在电动工具上的工具的卡紧状态，并且可以设计所述安全单元来在采取安全措施时使用取决于获得的电动工具位置和/或卡紧在电动工具上的工具的卡紧状态的阈值。其优点是，在确定阈值时考虑电动工具的不同位置(例如“过顶工作)和/或工具的不同夹紧状态(例如粗的或细的钻头或角磨机的断开的砂轮)。由此再一次附加地提高操作者的安全性，无需操作者为此提供自身的贡献。

在本发明的另一实施例中规定一种用于在电动工具中采取安全措施的方法，其中该电动工具具有电动机，它具有至少一个磁场绕组和电枢绕组，并且该方法具有下列步骤：

-根据通过电动机的电动机电流、电枢绕组上的电枢电压、磁场绕组上的电压和/或电枢绕组上的换向频率提供一个传感器信号；

-识别传感器信号随时间的变化并且以识别的变化为基础输出相应的变化信号；

-在变化信号值超过或低于一个阈值时在电动工具上采取安全措施。

也可以设有一个具有程序编码的计算机程序，用于执行上述的方法，如果该计算机程序在计算机上运行的时候。这能够利用经常已经在电动工具中存在的集成的电路或小的计算机控制采取安全措施，同时也用于控制释放安全措施，因此这起到降低成本的作用。

附图说明

下面借助于附图详细解释本发明。附图中：

图1示出按照本发明的实施例的装置的方框图，

图2示出源自实践示例的转速和转速随时间变化的曲线图，

图3示出按照本发明的实施例的方法流程图。

在下面相同和/或功能相同的部件配有相同的标记符号。在下面给出的绝对值和尺寸比例仅仅是示例值并且本发明不局限于这种尺寸。

具体实施方式

在现代的电动设备或电动工具中使用电子部件，用于实现调节、提高功率、保护功能或附加功能。因此在现代的电动工具中的电子部件经常配备微控制器，借助于它实现这些功能。

在这里介绍的解决方案一方面描述了用于电动工具、电动工具机或电动设备的保护功能，另一方面描述了对于使用者的保护功能。要被保护的设备如电动工具、电动工具机或电动设备在下面简称为“电动设备”。在这里所介绍的解决方案中由一个或多个电动机参数如电动机电流、电枢电压或类似参数产生一个与机器或电动设备的转速或负载成比例的信号。由与转速或电动机负载成比例的信号形成例如导数。它给出例如转速变化速度、负载变化速度或与这些参数成比例的值。例如，当转速变化速度或负载变化速度在给定的时间区间中超过给定的阈值时，在电动设备上带来确定的状态变化。确定的状态变化例如可以是中断能量输入或者通过附加装置有目的地制动或止锁机器。

如果通过在这里所介绍的解决方案例如识别角磨机的倾斜或咬紧并且例如断开电动设备的能量输入，那么得到对于使用者和电动设备的有效保护功能。下面将这种例如由于电动设备倾斜或咬紧触发的情况称为“反冲”，如同上面已经描述过的那样。

在这里所述的解决方案中为了识别反冲情况使用与转速成比例的参数，它例如由电动机参数电动机电流和/或电枢电压或两者的组合获得。备选地有这样的描述，分析与机器的负载成比例的参数，用于识别反冲情况。例如可以由物理的电动机参数电动机电流导出设备的负载。电动机电流例如可以通过分支上的电压降获得并且选择地通过适合的模拟或数字的电路分析。在这里介绍的解决方案还规定，通过适合的模拟或数字的电路处理并相应地分析与机器的负载成比例的参数，例如电动机磁场绕组上的电压降。对于上述方法备选地也可以由电枢的换向频率获得转速。

从功能上看，在这里所介绍的解决方案涉及一个装置，如同按照图1的方框图所示的那样。在此设有一个用于在电动工具中采取安全措施的装置10，其中该电动工具包括电动机EM，它具有至少一个磁场绕组和一个电枢绕组。在此该电动工具可以是钻机、角磨机、电刨或类似工具，但是这个工具机通过电动机驱动。所述装置具有传感器单元，设计它来根据通过电动机EM的电动机电流14、电枢绕组上的电枢电压16、磁场绕组上的电压18和/或电枢绕组上的换向频率20提供传感器信号。这些电动机特征参数通过传感器单元12的在图1中相应的信号输送，或者说传感器单元12通过这些“截取方案”14至20截取各必需的参数。也不必使用所有的参数，而是也可以只分析上述参数中的唯一个参数或者检测、分析并相应地共同说明多于一个的参数。所述传感器单元12然后提供以测得的测量参数为基础输出的传感器信号21。也可以提供包括多个测量参数的信息(例如作为总线信号)的传感器信号。这个传感器信号21输送到传感器信号变化识别单元22，设计它来识别传感器信号21随时间的变化并且以识别的变化为基础输出相应的变化信号24。例如以形成传感器信号的导数为基础可以实现分析随时间的变化特性。当传感器信号变化识别单元22以数字层面执行求导时，是特别有效的，因为在这种情况下通过已经存在的数字信号处理程序能够快速且可靠地计算传感器信号的导数。最后，将变化信号24输送到安全单元26，设计它来在变化信号值超过一个阈值时在电动工具上采取安全措施。这个安全措施例如可以是中断到电动机的能量输入和/或电或机械地制动电动工具，该电动工具可以通过安全单元26的控制信号28控制。如果上述的安全措施中的多个同时或在时间上略微相互错开地出现，则极大地提高安全措施的效果。备选地也可以在安全单元26里面设置制动单元和/或功率开关，用于断开能量输入，由此不需要外部的控制信号28。

与现有的解决方案相比有利地是，不再需要附加的转速发送器如转速计并且不再需要附加的传感器如用于识别和分析反冲情况的脉冲接收器。

在这里所介绍的解决方案描述一个装置，借助于它识别例如由于电动设备咬紧或卡锁引起的快速转速变化或负载变化并且带来电动设备上的状态变化，它们导致保护操作者和电动设备。有利地通过所介绍的解决方案主要在电动设备的结构上或者所需的电动设备上的传感器结构中产生。

产生一个与转速成比例的信号或与电动设备负载成比例的信号。

在本申请人和本发明人的专利申请“电动机特征参数-检测器和用于提供转速检测信号和/或转矩检测信号的方法”中详细描述了获得和分析与转速成比例的信号或与设备负载成比例的信号，该申请已经在与本专利申请同一天递交。因此在本专利申请中全面地详细参阅专利申请“电动机特征参数-检测器和用于提供转速检测信号和/或转矩检测信号的方法”。

例如可以由下面的参数或类似的参数产生与转速或与机器负载成比例的信号：

·电动机电流和/或电枢电压

·电动机电流

·在绕组中或在辅助绕组中的传感器的电压

·分析换向频率的分析

在前面所述的专利申请“电动机特征参数-检测器和用于提供转速检测信号和/或转矩检测信号的方法”中详细地描述了产生与转速或机器负载成比例的信号。在其中所述的解决方案的特征在于，最小需要附加的导线通到电动机的电枢。

在前面所述的专利申请“电动机特征参数-检测器和用于提供转速检测信号和/或转矩检测信号的方法”中详细地描述了产生与机器的负载成比例的信号。对于根据本发明的方法在最简单的情况下不需要通向电动机的导线或替换地需要附加的通向电动机的导线。

对于上述解决方案备选地也可以分析在绕组或辅助绕组中的传感器的电压并由此产生与转速或机器负载成比例的信号。

另一解决方案规定，由电枢的换向频率产生转速。为此接收例如电枢上的换向频率并且例如还通过适合的模拟或数字电路强化。与转速成比例的信号例如借助于傅立叶变换例如通过将获得的信号分解成含有的频率分量获得。通过例如可信性监控或选择性过滤或类似的方法可以产生与转速成比例的信号。

分析取决于转速或负载的信号

如前面所述的专利申请“用于在阻止状态下断开电动工具机的方法和电动工具机”那样，为了识别例如“反冲”分析取决于转速或负载的信号可以通过形成半波与半波的差值实现。如果差值对于离散的时刻t超过一个阈值X，则带来状态变化。

这个解决方案在实践中能够非常容易地转换，但是可以通过其它的数学方法优化。为此如上所述，产生一个与电动设备的转速或与电动设备的负载成比例的信号。当然对于按照这个方法的分析代替与转速成比例的信号也可以使用转速。在实践中经常遇到对与转速成比例的信号的干扰。例如由于电刷火花、电网干扰、其它机器等可能引起干扰。

例如可以通过适合的滤波如显示滤波器

补偿滤波器(Absenzfilter)、带通滤波器、高通和低通滤波器、勃特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、Bessel或汤姆逊滤波器、考尔滤波器、分层结构滤波器(例如最小滤波器、中间滤波器、最大滤波器)、IIR滤波器(无限脉冲响应滤波器)和FIR滤波器(有限脉冲响应滤波器)减小或消除对与转速成比例的信号的干扰。

在这里所介绍的解决方案为了滤波规定所有常见的线性、非线性和加权的滤波功能或类似的数学方法。通过形成信号随时间的变化易于进行评价。在这里借助于实践示例通过双手角磨机详细解释与转速或负载成比例信号的评价。

在图2中所示的信号在双手角磨机上显示。在这个示例中双手角磨机具有约6500转/分钟的空转转速。图2的双手角磨机由于在工件上作功不均匀地加载。在结束试验时角磨机咬紧在工件里面，并且导致“反冲”。与转速成比例的信号在图2中加深地示出。对与转速成比例信号的干扰通过平均值滤波器尽可能消除。

在图2中以浅色带圆地示出转速随时间的变化dN/dt。当转速随时间的变化超过例如-500的数值时，识别反冲。可能带来电动设备上的状态变化。在段落“在识别例如电动设备上的反冲时的可能的状态变化”中描述了电动设备上的可能的状态变化。

用于释放反冲功能的阈值可以根据参数或机器参数变化。

可能的参数或机器参数是：

-转速或与转速成比例的信号

-机器负载或与机器负载成比例的信号

-借助于例如附加的电动设备上的传感器形成的信号。这个信号例如还可以给出关于机器如何保持或夹紧的信息。

-通过操纵部件，它供操作者使用

-通过操作者输入

如果例如识别电动设备上的反冲，则带来电动设备上的确定的状态变化。确定的状态变化例如可以是中断能量输入或者通过附加装置有目的地制动或止锁机器。

可能的状态变化例如是：

-中断电动设备的能量输入

-机械地制动电动设备

-电地制动电动设备

-机电地制动电动设备

-通过机械或电的装置止锁电动设备。

对应于上面的描述也能够以在图3中所示的方法流程图表示按照本发明的解决方案。在此本方法包括步骤：根据通过电动机的电动机电流、电枢绕组上的电枢电压、磁场绕组上的电压和/或电枢绕组上的换向频率提供50传感器信号。此外本方法还包括步骤：识别52传感器信号随时间的变化及输出相应的以识别的变化为基础的变化信号。最后，本方法包括步骤：在变化信号值超过或低于一个上阈值或下阈值时在电动工具上采取54安全措施。

总之要注意，下面的要点通过本发明能够良好地转换：

-当在给定的时间区间上超过给定的阈值时，分析与机器转速或负载成比例的信号和带来的电动设备上的状态变化，

-在确定的时刻t在超过或低于确定的阈值X分析转速变化速度和/或负载变化速度并释放电动设备的状态变化

-没有机器上的附加传感器地获得与转速或与机器负载成比例的信号

-借助于没有的或最小附加的到电动机的导线获得电动机参数电动机电流和/或电枢电压

-通过例如在专利申请“电动机特征参数-检测器和用于提供转速检测信号和/或转矩检测信号的方法”中描述的扫描方法方便地获得电动机参数电枢电压和电枢电流

-由换向频率完成与转速成比例的信号。

Claims (10)

1.用于在电动工具中采取安全措施的装置(10)，其中该电动工具包括具有至少一个磁场绕组和电枢绕组的电动机(EM)，并且该装置(10)具有下列特征：

-传感器单元(12)，设计它来根据通过电动机(EM)的电动机电流(14)、电枢绕组上的电枢电压(16)、磁场绕组上的电压(18)和/或电枢绕组上的换向频率(20)提供传感器信号(21)；

-传感器信号变化识别单元(22)，设计它来识别传感器信号(21)随时间的变化并且以识别的变化为基础输出相应的变化信号(24)；

-安全单元(26)，设计它来根据变化信号(24)值、尤其在变化信号(24)值超过或低于阈值的时候在电动机上采取安全措施(28)。

2.如权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，设计所述传感器信号变化识别单元(22)和/或安全单元(26)来执行数字的信号处理。

3.如权利要求1或2之一所述的装置(10)，其特征在于，设计所述传感器信号变化识别单元(22)来在识别传感器信号随时间的变化之前执行传感器信号(21)的滤波。

4.如权利要求3所述的装置(10)，其特征在于，设计所述传感器信号变化识别单元(22)来以线性、非线性和/或加权的函数为基础执行滤波或者执行传感器信号的傅立叶变换。

5.如权利要求1至4中任一项所述的装置(10)，其特征在于，设计所述安全单元(26)来中断电动工具能量输入，导入电动工具的机械制动，通过机械或电装置导入电动工具的电制动、电动工具的电机制动和/或的电动工具止锁。

6.如权利要求1至5中任一项所述的装置(10)，其特征在于

-设计所述传感器单元(12)来根据通过电动机(EM)的电动机电流(14)、电枢绕组上的电枢电压(16)、磁场绕组上的电压(18)和/或电枢绕组上的换向频率(20)提供第二传感器信号，它与所述传感器信号(21)不同；

-设计所述传感器信号变化识别单元(22)来识别第二传感器信号随时间的变化并且以识别的变化为基础输出相应的第二变化信号；

-设计所述安全单元(26)来当变化信号(24)值超过或低于所述阈值并且第二变化信号的值也超过或低于第二阈值的时候，在电动机上采取安全措施。

7.如上述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，设计所述安全单元(26)来在采取安全措施时使用与传感器信号(21)相关的阈值或外部可调整的阈值。

8.如上述权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于，设计所述传感器单元(12)来获得电动工具的位置和/或卡紧在电动工具上的工具的卡紧状态，并且设计所述安全单元(26)来在采取安全措施时使用与获得的电动工具位置和/或卡紧在电动工具上的工具的卡紧状态的位置相关的阈值。

9.用于在电动工具中采取安全措施的方法，其中该电动工具具有带有至少一个磁场绕组和电枢绕组的电动机(EM)，并且该方法具有下列步骤：

-根据通过电动机(EM)的电动机电流(14)、电枢绕组上的电枢电压(16)、磁场绕组上的电压(18)和/或电枢绕组上的换向频率(20)提供(50)传感器信号(21)；

-识别(52)传感器信号(21)随时间的变化并且以识别的变化为基础输出相应的变化信号(24)；

-在变化信号(24)的值超过或低于阈值时在电动工具上采取(28)安全措施。

10.一个具有程序编码的计算机程序，用于执行如权利要求9所述的方法，如果该计算机程序在计算机上运行的时候。

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