CN101959650A - 电动旋转工具、控制方法及程序 - Google Patents

Abstract

本发明利用了简单的装置对紧固力矩进行适当地管理。电动旋转工具(40)包括无刷DC电机(2)、变换电路部件(3)、和控制电路部件(4)。控制电路(4)具有检测电机电流(I)的电流检测电路(18)、检测电机转数(N)的转数检测电路(17)、和基于电机电流(I)的检测信息计算第一紧固力矩(T1)以及基于电机转数(N)计算第二紧固力矩(T2)的计算部件(19)。计算部件(19)基于第一紧固力矩(T1)或第二紧固力矩(T2)的估计值来估计紧固力矩(Tave)。计算部件(19)在所估计的紧固力矩(Tave)超过设定值(Tset)时停止驱动电机(2)。

Description

电动旋转工具、控制方法及程序

技术领域

本发明涉及需要进行紧固力矩设置的电动旋转工具，诸如对螺栓、螺母等进行旋紧的扳手、冲击式扳手、或起子钻，更具体地，涉及拥有力矩检测技术来对从驱动源(诸如电机)的输出轴传输至末端工具的紧固力矩进行检测的电动旋转工具。

背景技术

在紧固诸如螺栓、螺母、或螺丝钉之类的紧固件的操作中，通常使用诸如冲击式扳手或起子钻之类的电动旋转工具。在电动旋转工具中，为了对从电机传输至末端工具(诸如改锥)的旋紧所需的紧固力矩适当地进行调节，当末端工具的紧固力矩超过设定值时，停止驱动源(包括电机)的操作，或机械断开从驱动源到末端工具的动能传输。

为了以上述方式对紧固力矩进行管理，电动旋转工具需要力矩检测装置或力矩估计装置，所述装置检测或估计电机的输出轴或动能输出轴的紧固力矩。因此，传统上，公开了一种通过提供力矩测量装置来实际测量紧固力矩并控制电机的电动旋转工具，其中，力矩测量装置在驱动机构部件(包括电机)的转动输出轴上具有力矩检测传感器，且还具有控制电路装置，其基于力矩测量装置的力矩检测信号来驱动/控制电机(例如，见专利文献1)。

[专利文献1]未审查日本专利申请公开No.H11-138459。

发明内容

在电动旋转工具中，当在驱动机构部件的转动输出轴上提供有力矩测量装置时，可以对紧固力矩进行精确检测。然而，在力矩测量装置中，其中所包括的驱动输出轴的机构部件较大，因此，会不可避免地增加电动旋转工具的总长度或末端工具侧的外围，并且总重量增大。当电动旋转工具的尺寸和重量增加时，就降低了电动旋转工具的可用性或可操作性。此外，由于需要特殊的力矩检测器和检测电路装置来检测力矩，因此还增加了电动旋转工具的制造成本。

为了解决上述传统技术中的问题而完成了本发明，且本发明的一个目的在于提供能够利用简单的装置对紧固力矩进行适当管理的电动旋转工具、控制方法及程序。

本发明的另一个目的在于提供具有电子离合器功能的电动旋转工具、控制方法及程序，其中该电子离合器在紧固力矩超过设定力矩时使作为驱动源的电机停止。

下面将说明本申请公开的用于实现本发明上述目的的典型发明特征。

根据本发明第一个方面的电动旋转工具包括：

操作部件；

电源部件；

电机，其具有转子和定子线圈；

变换电路部件，其具有插入在电源部件和定子线圈之间的半导体开关元件；

电流检测部件，其用于检测流经定子线圈的驱动电流，并输出对应于检测结果的信号；

转数检测部件，其检测转子的转数并输出对应于该检测结果的信号；

力矩设定部件，其设定紧固力矩的目标值；

控制部件，其基于操作部件的操作程度、电流检测部件的检测信号、以及转数检测部件的检测信号来产生并输出PWM信号来驱动变换电路部件的半导体开关元件；以及

力矩估计部件，其至少基于由电流检测部件检测到的驱动电流和由转数检测部件检测到的转数中的任意一个来估计紧固力矩，

其中，控制部件在所估计的紧固力矩超过目标值时停止驱动所述电机。

根据本发明的另一特征，力矩估计部件基于检测到的驱动电流计算第一紧固力矩，基于检测到的转数计算第二紧固力矩，以及基于第一紧固力矩和第二紧固力矩计算最终紧固力矩的估计值。

根据本发明的另一特征，力矩估计部件计算第一紧固力矩和第二紧固力矩的平均值，作为紧固力矩的估计值。

根据本发明的另一特征，控制部件通过调整PWM信号的PWM占空比来调整流经定子线圈的电流以及转子的转动。

根据本发明的另一特征，控制部件在将PWM占空比与对应于由力矩设定部件设定的紧固力矩的目标值的PWM信号的PWM占空比进行比较的同时调整PWM占空比。

根据本发明的另一特征，控制部件通过将PWM占空比与对应于由力矩设定部件设定的紧固力矩的目标值的PWM信号的PWM占空比进行比较，同时改变PWM占空比的大小来控制紧固力矩。

根据本发明的另一特征，控制部件根据操作部件的操作程度来改变PWM信号的PWM占空比。

根据本发明的另一特征，电动旋转工具是起子钻、电钻、冲击式扳手、扳手、或盘磨机。

根据本发明的另一特征，电池组具有蓄电池。

根据本发明的另一特征，电池组具有锂离子蓄电池。

根据本发明第二方面的控制方法是电动旋转工具的控制方法，其中该电动旋转工具包括：操作部件；电源部件；具有转子和定子线圈的电机；具有插入在电源部件和定子线圈之间的半导体开关元件的变换电路部件；产生并输出PWM信号来驱动变换电路部件的半导体开关元件的控制部件，所述控制方法的特征在于其包括以下步骤：

第一步骤，设定紧固力矩的目标值；

第二步骤，检测流经定子线圈的驱动电流；

第三步骤，检测转子转数；

第四步骤，至少基于检测到的驱动电流和检测到的转数中的任意一个来估计紧固力矩；以及

第五步骤，当估计的紧固力矩超过目标值时，使控制部件停止驱动电机。

根据本发明第三方面的程序是使计算机对电动旋转工具进行控制的程序，所述电动旋转工具包括：操作部件；电源部件；具有转子和定子线圈的电机；具有插入在电源部件和定子线圈之间的半导体开关元件的变换电路部件；产生并输出PWM信号来驱动变换部件的半导体开关元件的控制部件，其中该程序使计算机执行以下进程：

第一进程，设定紧固力矩的目标值；

第二进程，检测流经定子线圈的驱动电流；

第三进程，检测转子转数；

第四进程，至少基于检测到的驱动电流和检测到的转数中的任意一个来估计紧固力矩；以及

第五进程，当估计的紧固力矩超过目标值时，使控制部件停止驱动电机。

根据上述发明，至少根据由电流检测部件检测到的流经定子线圈的电流和由转数检测部件检测到的转子的转数中的任意一个来估计紧固力矩；因此，在未附有实际检测紧固力矩的力矩检测装置的情况下就可以控制紧固力矩。更具体地，根据本发明，基于流经定子线圈的电流或转子的转数来估计紧固力矩；而且当估计值超过目标值时，中断向末端工具的输出轴传动电机的转动力矩(紧固力矩)，从而实现了电子离合器功能。

根据本发明的上述另一构造，基于检测到的流经定子线圈的电流计算第一紧固力矩，以及基于检测到的转子的转数计算第二紧固力矩。然后，基于第一紧固力矩和第二紧固力矩确定紧固力矩。因此，实际的紧固力矩可以由紧固力矩的估计值来近似。

根据本发明的上述再一构造，通过调整PWM信号的PWM占空比来控制流经定子线圈的电流和转子的转数；因此，可以容易地对紧固力矩进行控制。尤其是，本发明适用于这样的电动旋转工具，在该电动旋转工具中，能够通过改变PWM占空比来控制宽范围的转速的无刷DC电机被用作驱动动力源。

此外，根据上述本发明，电机可以由处于不会使电机烧毁的范围内的紧固力矩来驱动；因此，可以减少电池组由于中断操作而造成的功耗。

此外，根据上述发明，根据负载状态或PWM信号的PWM占空比来利用紧固力矩进行力矩管理；因此，可以改善电池组每次充电的工作效率。

本发明的其他目的和本发明的其他新颖性特征将进一步通过下面的说明书和附图来进行说明。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的起子钻的总体结构图；

图2是电机沿图1的线A-A的截面图；

图3是图1的起子钻的功能框图；

图4是示出图1所示的起子钻中开关触发器的压下距离与PWM占空比之间关系的特性示意图；

图5是根据图3所示本发明实施例的电动旋转工具的控制流程图；

图6是示出电机电流和第一紧固力矩的估计值之间的关系的特性图；以及

图7是示出电机的转数与第二紧固力矩的估计值之间的关系的特性图。

具体实施方式

下文中，将基于附图来详细描述本发明的一个实施例。应该注意，在用于说明该实施例的所有附图中，以相同的参考标号表示具有相同功能的元件，并将省略其重复的描述。

图1是根据本发明一个实施例的无绳型起子钻的总体结构图。

图2是起子钻的电机沿图1的线A-A的截面图。此外，图3是示出图1所示的起子钻的总体的功能框图。

[电动旋转工具的装配构造]

如图1所示，电机2位于起子钻40的机壳部件1a中。诸如改锥或钻头的末端工具(未示出)通过动力传动部件25连接至电机2。动力传动部件25将电机2的驱动力传动至诸如改锥或钻头的末端工具(未示出)。电机2由变换电路部件(电路板)3驱动。变换电路部件3位于机壳部件1a中左侧端部(电机2的左侧)。

下面将更详细地描述动力传动部件25。动力传动部件25具有减速机构部件26和传动机构部件27。电机2的转动输出轴2e连接至减速机构部件26。减速机构部件26沿转动输出轴2e的方向传动电机2的转动力，并减少其转数。减速机构部件26位于机壳部件1a的中部。

传动机构部件27连接至减速机构部件26。传动机构部件27将在减速机构部件26的输出轴处产生的转动力矩传动至主轴27a。传动机构部件27位于机壳部件1a的右侧端。应该注意，可以在传动结构部件27处设置标准压紧机构部件。

主轴27a是连接至传动机构部件27的输出轴。卡盘28连接至主轴27a。末端工具由卡盘28可拆卸地保持。由驱动变换电路部件3的驱动而产生的电机2的转动力通过减速机构部件26、传动机构部件27、主轴27a、和卡盘28施加到末端工具。

力矩设定转盘5a设置在机壳部件1a的右端部。力矩设定转盘5a被配置为电设定紧固力矩。如图3所示，设定检测电压被输入至力矩设定电路5。力矩设定电路5的输出被输入到计算部件19(稍后描述)，并在计算部件19中被用作例如电机2的转数的控制信号。例如，力矩设定转盘5a可以设定对应于负载力矩的大小的十级紧固力矩，并输出对应于所设定的紧固力矩的十级电信号。力矩设定转盘5a包括(例如)电位计。在本实施例中，力矩转盘5a安装在机壳部件1a的右端部；然而，其可以安装在手持壳体部件1b中的控制电路部件4附近。

如果将等于或大于由力矩设定转盘5a设定的紧固力矩的负载力矩施加至主轴27a，如稍后描述的，则流向电机2和变换电路部件3的电机电流被停止，并且停止包括减速机构部件26的动力传动部件(旋转驱动部件)25的操作。因此，可以防止电机2和变换电路部件3由于过载而烧毁。电子离合器功能的一个主要目的最初在于执行渐进的力矩控制，然而，由根据本实施例的起子钻40实现的电子离合器功能被提供用于防止过载电流。

减速机构部件26具有例如两级行星齿轮减速机构(变速齿轮箱)(未示出)，其与电机2的转动输出轴2e的行星小齿轮啮合。

电机2和变换电路部件3构成三相无刷DC电机。如图2所示，电机2具有定子2c、转子(磁转子)2a、和定子线圈(电枢线圈)2d。定子2c具有圆柱形外形，从而形成定子磁轭。在定子2c的内圆周侧表面上，设置有齿部2h。

转子2a同心地设置在定子2c的齿部2h的内圆周部分中。转子2a是内部磁布局类型的旋转体，在该转子中嵌入有沿转子输出轴2e的方向延伸的北极和南极永磁体(磁体)2b。

定子线圈2d是三相线圈U、V、和W。下文中，还将定子线圈2d称为定子线圈2d(U、V、W)。定子线圈2d(U、V、W)借助包含树脂材料的绝缘层2f缠绕在间隙2g中，进而包围定子2c的齿部2h。定子线圈2d(U、V、W)为星形连接。

在转子2a的附近，为了检测转子2a的转动位置，沿转动方向以60°的间隔设置三个转动位置检测元件(霍尔IC)10、11和12(图3)。

转动位置检测元件10、11和12的位置检测信号输出至控制电路部件4。控制电路部件4基于所输入的位置检测信号控制变换电路部件3。作为该控制的结果，被控制在120°电角度的电能分布范围内的电流被施加至定子线圈2d(U、V、W)。

应该注意，利用霍尔IC以电磁耦合方式来检测转动位置的元件被用作转动位置检测元件10、11、和12。然而，作为转动位置检测元件10、11、和12，还可以采用通过滤波器提取定子线圈2d(U、V、W)的感应电压(反电势)作为逻辑信号来检测转子位置的无传感器型元件。

如图1所示，机壳部件1a包括合成树脂材料且与手持壳体部件1b整体形成。机壳部件1a和手持壳体部件1b被垂直平面(图1的局部截面图中的截面)沿电机2的转动轴分成两部分。换言之，各自具有半圆截面形状的一对部件被制备作为整体形成的机壳部件1a和手持壳体部件1b。在将壳中的物体(诸如电机2的转子转动轴2e和定子2c)与一侧的机壳部件1a和手持壳体部件1b结合在一起后，将另一侧的机壳部件1a和手持壳体部件1b叠加于其上，然后利用螺丝紧固使二者接合在一起等，从而，完成了起子钻的装配。

在该对机壳部件1a和手持壳体部件1b的接合体(完成体)中，定子2c的外周表面为与机壳部件1a整体形成的多个定子保持部(肋部)所保持或夹置。

在电机2的右侧端设置有冷却风扇24。尽管未示出，但是在冷却风扇24附近的机壳部件1a上形成有排风口(通风口)。同时，在机壳部件1a的左端形成有进风口(通风口)21。形成为从进风口21到形成在冷却风扇24附近的排风口的路径23是冷却空气的流通路径。路径23抑制了变换电路部件3中的半导体开关元件3a的温度升高以及电机2中的定子线圈2d的温度升高。特别地，在改锥模式或钻头模式中，根据电机2的负载状态会有大电流流向半导体开关元件3a，且半导体开关元件3a的热量值变得很大，因此，变换电路部件3需要由冷却风扇24进行强制冷却。

应该注意，变换电路部件3包括环形电路板，且完全覆盖电机2的定子2c的一侧端。同时，在定子2c的另一侧端设置有防尘盖22。与变换电路部件3一样，防尘盖22覆盖定子2c的另一侧端表面。变换电路部件3和防尘盖22二者都具有将定子2c和转子2a一起封住或密封的防尘结构(密封结构)。因此，可防止灰尘进入电极2。

用作电机2的驱动电源的电池组8可拆卸地连接至手持壳体部件1b的下端部。电池组8的上部设置有沿纸面横向延伸的用于控制变换电路部件3的控制电路部件(电路板)4。

开关触发器7设置在手持壳体部件1b的上端部。开关触发器7的触发器操作部件7a以借助弹簧力偏置的状态从手持壳体部件1b突出。当操作者逆着弹簧力沿手持壳体1b的向内方向握住触发器操作部件7a时，就调整了触发器压下距离(操作程度)。电机2的转数受触发器压下距离的控制。根据该实施例，根据触发器压下距离来改变驱动变换电路部件3的半导体开关元件3a的PWM信号的脉宽调制占空比(PWM占空比)；因此，开关触发器7和所应用的电压设定电路14(见图3)(稍后描述)彼此电连接。

为了向开关触发器7、控制电路部件4和变换电路部件3提供驱动能量，将它们与电池组8电连接。蓄电池被用作电池组8的电池。例如，将锂离子电池用作蓄电池。锂离子电池的电源电压被设置为例如14.4V。锂离子电池的优点在于与镍镉电池或镍氢电池相比具有高约3倍的能量密度，且该电池体积小重量轻。从而，可以降低将电池组8容纳在手持壳体部件1b中所需的空间。因此，不需要将电池组8容纳在手持壳体部件1b的手握部分中，因此，相比于使用其他类型的电池的情形，可以将手握部分的外周的长度形成得更短。从而，可以使得手握部分的形状成为可以容易握住的手持形状。

[电动旋转工具的电路构造]

下面将参照图3来描述电机2、变换电路部件3、和控制电路部件4的电路构造。

变换电路部件(功率变换器)3具有六个以三相桥接方法连接的半导体开关元件3a。作为半导体开关元件3a，可以使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)。这六个半导体开关元件3a也称作晶体管Q1至Q6。

晶体管Q1和Q4的组合、晶体管Q2和Q5的组合、晶体管Q3和Q6的组合在电池组(DC电源)8的正电极和负电极之间三相桥接。晶体管Q1至Q6的集电极或发射极连接至电机2的以星形连接的定子线圈2d(U、V、W)。

晶体管Q1至Q6的栅极连接至控制电路部件4。控制电路部件4向六个晶体管Q1至Q6的栅极输出相应的PWM信号H1至H6。通过PWM信号H1至H6来执行六个晶体管Q1至Q6的切换操作。施加至变换电路部件3的电池组8的DC电压通过切换操作变换为三相(U相、V相、和W相)的驱动电压Vu、Vv、和Vw。这三相(U相、V相、和W相)的驱动电压Vu、Vv、和Vw分别施加给电机2的定子线圈2d(U、V、W)。

控制电路部件4驱动变换电路部件3。控制电路部件4具有转子位置检测部件16、转数检测电路17、电流检测电路18、电压检测电路20、施加电压设定电路14、转动方向设定电路15、力矩设定电路5、计算部件19、以及控制信号输出电路13。

转子位置检测电路16基于转动位置检测元件10、11和12的输出信号来检测转子2a相对于定子2c的定子线圈2d(U、V、W)的转动位置。检测到的转子2a的转动位置输出至计算部件19。

转数检测电路17基于从转动位置检测元件10、11和12输出的信号的时间间隔来检测电机2(转子)的转数。检测到的电机2的转数输出至计算部件19。

电流检测电路18总是检测电机2的驱动电流(流经定子线圈2d的电流)。检测到的电流值输出至计算部件19。

电压检测电路20总是检测从电池组8提供至电机2的定子线圈2d的电源电压。

施加电压设定电路14根据利用开关触发器7的触发器操作部件7a得到的触发器压下距离来设定与从开关触发器7输出的控制信号对应的PWM信号的脉宽的占空比(以下称为“PWM占空比”)。

转动方向设定电路15检测由正向/反向开关杆9(见图1)设置的电机2(转子2a)的转动方向是正向还是反向，以及基于检测结果设定电机2(转子2a)的转动方向。转动方向设定电路15将包括设定的转动方向的信息的转动方向设定信号输出至计算部件19。

力矩设定电路5输入上述力矩设定转盘5a的检测信号，并将紧固力矩的设定值输出至计算部件19。

基于电流检测电路18、电压检测电路20、施加电压设定电路14的输出信息，计算部件19产生驱动信号(即，用于变换电路部件3的开关元件Q1至Q6的PWM信号)，并输出这些信号，以控制施加至电机2的电压Vu、Vv、和Vw。

并且，计算部件19基于从转动方向设定电路15和转子位置检测电路16输出的信息以预定顺序切换预定的开关元件Q1至Q6。于是，所施加的电压Vu、Vv、和Vw以预定顺序提供给定子线圈2d(U、V、W)，因此电机2以设定的旋转方向旋转。

此外，计算部件19基于力矩设定电路5的输出信息来控制对电机2的驱动的启动或停止。

计算部件19是微计算机，且具有ROM、CPU、RAM、各种定时器等(这些都未示出)。ROM存储执行稍后描述的控制流程的处理程序和控制数据。CPU执行上述处理程序并产生上述驱动信号。RAM临时存储数据。所述定时器进行计时。

计算部件19使用输入至所述六个半导体开关元件3a(Q1至Q6)的栅极的驱动信号(三相信号)中输入至负电源侧的半导体开关元件Q4、Q5和Q6的栅极的驱动信号作为脉宽调制信号(PWM信号)H4、H5和H6。然后，计算部件19基于与开关触发器7的触发器操作部件7a的触发器压下距离(见图1)相对应的施加电压设定电路14的输出信号来改变PWM信号的PWM占空比，从而调整电机2的功率以进行电机2的启动和速度控制。

开关触发器7的触发器操作部件7a的触发器压下距离与PWM占空比(PWM占空比)之间的关系的实例如图4所示。

应该注意，代替使用输入至负电源侧的半导体开关元件Q4、Q5和Q6的栅极的驱动信号作为PWM信号，可以使用输入至正电源侧的半导体开关元件Q1、Q2和Q3的栅极的驱动信号作为PWM信号。从而，即使在这种情况中，电池组8的DC电压也可以转换成提供至定子线圈2d(U、V、W)的施加电压Vu、Vv、和Vw。

控制信号输出电路13将从计算部件19输出的驱动信号变换成实际输入至开关元件Q1至Q6的栅极的控制信号(电压信号)，并输出这些信号。

控制电路部件4利用上述构造基于从转动方向设定电路15输出的转动方向设定信号、从定子位置检测电路16输出的转动位置检测信号、从转数检测电路17输出的转数检测信号、从电流检测电路18输出的电机电流检测信号、从电压检测电路20输出的电源电压检测信号、从施加电压设定电路14输出的PWM占空比设定信号来产生驱动信号H1至H6。

这些控制信号控制半导体开关元件Q1至Q6的切换操作，且三相AC电压被施加给电机2的定子线圈2d(U、V、W)。

电机2通过控制电路部件4的这种控制进行启动或停止。此外，控制电路部件4调整驱动信号H1至H6中驱动信号部分的PWM占空比，从而控制电机电流和电机的转数(转速)。

[电动旋转工具的紧固力矩检测的控制流程]

下面将参照图5说明由电动旋转工具40执行的例如螺栓或螺母的旋紧操作情况的控制流程。

首先，当通过力矩设定转盘5a设定与例如螺栓或螺母的旋紧力矩的幅度(负载状态)对应的期望紧固力矩(Tset)时，力矩设定转盘5a的输出被输入至力矩设定电路5，且该设定值被存储到计算部件19的存储部件(RAM)中(步骤300)。

接下来，计算部件19进行等待，直到操作者扳动开关触发器7(触发器操作部件7a)从而接通开关触发器(步骤301)。直到该点，重复设定了紧固力矩的目标值Tset。当开关触发器7接通(步骤301中的是)时，计算部件19启动电机2(步骤302)。

接下来，计算部件19基于开关触发器7的触发器操作部件7a的触发器操作程度(触发器扳动程度)来设定PWM驱动信号(H1至H6)中每一个的PWM占空比(PWM_DUTY)的目标值(PWM_DUTYset)(步骤303)。PWM占空比的目标值PWM_DUTYset根据紧固力矩的目标值Tset(其在上述步骤300中设定)进行设定。应该注意，PWM占空比的目标值PWM_DUTYset的值本身由开关触发器7的操作部件的操作程度确定，且其设定与上述目标紧固力矩Tset无关。

接下来，计算部件19执行PWM占空比的相加，从而检测到的PWM驱动信号的PWM占空比(PWM_DUTY)变为PWM占空比的设定目标值PWM_DUTYset(步骤304)。在该相加过程中，增加了相对于当前PWM_DUTY(下文中简称为“PWM_DUTY”)的某一比率(例如B％(B是大于1且小于100的实数)。

计算部件19基于触发器操作部件7a的触发器操作程度(触发器扳动程度)确定PWM占空比(PWM_DUTY)是否已经超过PWM占空比的目标值PWM_DUTYset(步骤305)。当PWM_DUTY超过目标值PWM_DUTYset(步骤305中的是)时，计算部件19将PWM_DUTY更新为PWM_DUTYset(步骤306)。

当PWM_DUTY被更新为PWM_DUTYset(步骤306)或PWM_DUTY被确定为小于PWM_DUTYset(步骤305中的否)时，计算部件19检测电机电流I(步骤307)。

随后，计算部件19基于检测到的电机2(定子线圈2d)的电机电流I计算第一紧固力矩T1的估计值(步骤308)。通过将电机电流I乘以电机的力矩特征常数K1、并从乘积值(K1×I)中减去损耗力矩T0计算得到第一紧固力矩T1。计算公式如下所示：

T1＝K1×I-T0       (1)

图6示出了电机电流I和估计的第一紧固力矩T1之间的关系。该关系预先存储在计算部件19的存储部件(ROM)中。

随后，计算部件19通过转数检测电路17检测电机2的转数N(步骤309)。

接下来，计算部件19通过电压检测电路20检测从电池组8提供至电机2的电源电压V(步骤310)，并基于检测到的电压V和PWM_DUTY利用下面的公式来计算施加至电机2(定子线圈2d)的电机施加电压E(步骤311)：

E＝V×PWM_DUTY     (2)

此外，计算部件19基于检测到的转数N和计算得到的电机施加电压E计算第二紧固力矩的估计值T2(步骤312)。第二紧固力矩的估计值T2是通过从电机施加电压E与力矩特征常数K2相乘得到的值减去转数N与力矩特征常数K3相乘得到的值、再减去损耗力矩T0而计算得到的。其计算公式如下所示：

T2＝K2×E-K3×N-T0 (3)

图7示出了电机转数N和估计的第二紧固力矩T2之间的关系。该关系与第一紧固力矩T1一样也预先存储在计算部件19的存储部件(ROM)中。

接下来，计算部件19利用下面的公式得到上述第一紧固力矩的估计值T1和上述第二紧固力矩T2的平均值Tave(步骤313)。

Tave＝(T1+T2)/2     (4)

接下来，计算部件19确定上述紧固力矩Tave是否已经超过初始设定的紧固力矩Tset(设定的目标值PWM_DUTYset)(步骤314)。当已经超过目标值(步骤314中的是)时，计算部件19停止驱动电机2(步骤315)。因此，在相对于待紧固元件而旋紧诸如螺栓或螺母的过程中，可以防止螺钉损毁以及出现过紧。当未超过目标值Tset(步骤314中的否)时，计算部件19返回步骤303。此后，重复上述操作，直到返回预定的紧固力矩。

根据上述实施例，紧固力矩通过基于电机电流I计算得到的第一紧固力矩T1和基于电机转数N计算得到的第二紧固力矩T2的平均值(T1+T2)/2估计得到。因此，实际的紧固力矩可以由该估计值近似。该估计的紧固力矩是逐渐变化的。

此外，在上述实施例中，上述基于电机电流I计算得到的第一紧固力矩T1和上述基于电机转数N计算得到的第二紧固力矩T2中的任意一个都可以被直接看作是紧固力矩，以与预先设定的紧固力矩的目标值Tset进行比较。然而，当上述第一紧固力矩T1和上述第二紧固力矩T2与它们的平均值Tave进行比较时，它们会大大偏离实际的紧固力矩。因此，当设定的紧固力矩Tset相当大且上述偏离可以被忽略时可以实际使用上述方法。

此外，根据上述实施例，紧固力矩是基于流经电机2的定子线圈2a且由电流检测电路18检测到的电流I、和由转数检测电路17检测到的电机2的转子2a的转数(N)估计得到的。因此，可以在未附有实际检测紧固力矩的力矩检测装置的条件下控制紧固力矩。

此外，根据上述实施例，根据电机2的PWM信号的PWM占空比(PWM_DUTY)来控制紧固力矩。此外，由于通过改变PWM占空比来控制电机电流(流经定子线圈2d的电流)和电机转数(转子2a的转数)，因此可以对紧固力矩进行适当的控制。具体地，本实施例适用于其中将能够通过改变PWM占空比来控制宽范围的转速的无刷DC电机用作驱动动力源的电动旋转工具。

此外，根据上述实施例，当设定了处于不会引起电机2烧毁范围内的紧固力矩时，对电机2进行驱动；因此，可以减小由中断操作引起的电池组8的功耗。此外，根据上述实施例，由于紧固力矩是根据负载状态或PWM信号的PWM占空比进行控制的，因此可以提高电池组8每次充电的工作效率。

应该注意，在上述实施例中，已经说明了其中将三相无刷DC电机用作电机2的情形，然而，还可以使用除了三相无刷DC电机以外的无刷DC电机。此外，除了在上述实施例中说明了的起子钻40以外，本发明还可以应用于其他的电动旋转工具，诸如电钻、改锥、冲击式扳手、盘磨机。此外，尽管可以将锂离子电池用作电动旋转工具的电池组8的电池(蓄电池)，但是还可以使用诸如镍镉电池的蓄电池。然而，在使用了锂离子电池时，可以减小电池组的尺寸，减轻其重量，提高电动旋转工具的工作效率、并且可以期望由于减小的尺寸以及减轻的重量而改善操作性。

已经基于上述实施例对本发明进行了说明，然而，本发明不限于上述实施例，并且在不背离本发明要旨的条件下可以进行各种改进。

本申请基于与2008年2月29日提交的第2008-049540号日本专利申请。其公开的说明书、权利要求书、和附图全部结合到本文中。

Claims (12)

1.一种电动旋转工具，包括：

操作部件；

电源部件；

电机，其具有转子和定子线圈；

变换电路部件，其具有插入在所述电源部件和所述定子线圈之间的半导体开关元件；

电流检测部件，其用于检测流经所述定子线圈的驱动电流，并输出对应于检测结果的信号；

转数检测部件，其检测所述转子的转数并输出对应于检测结果的信号；

力矩设定部件，其设定紧固力矩的目标值；

控制部件，其基于所述操作部件的操作程度、所述电流检测部件的检测信号、以及所述转数检测部件的检测信号来产生并输出PWM信号来驱动所述变换电路部件的半导体开关元件；以及

力矩估计部件，其至少基于由所述电流检测部件检测到的驱动电流和由所述转数检测部件检测到的转数中的任意一个来估计紧固力矩；其中，

所述控制部件在所估计的紧固力矩超过目标值时停止驱动所述电机。

2.根据权利要求1所述的电动旋转工具，其特征在于，所述力矩估计部件基于检测到的驱动电流计算第一紧固力矩，基于检测到的转数计算第二紧固力矩，以及基于所述第一紧固力矩和所述第二紧固力矩计算紧固力矩的估计值。

3.根据权利要求2所述的电动旋转工具，其特征在于，所述力矩估计部件计算所述第一紧固力矩和所述第二紧固力矩的平均值来作为紧固力矩的估计值。

4.根据权利要求1所述的电动旋转工具，其特征在于，所述控制部件通过调整PWM信号的PWM占空比来调整流经所述定子线圈的电流以及转子的转动。

5.根据权利要求4所述的电动旋转工具，其特征在于，所述控制部件在将PWM占空比与对应于由所述力矩设定部件设定的紧固力矩的目标值的PWM信号的PWM占空比进行比较的同时调整PWM占空比。

6.根据权利要求4所述的电动旋转工具，其特征在于，所述控制部件通过在将PWM占空比与对应于由所述力矩设定部件设定的紧固力矩的目标值的PWM信号的PWM占空比进行比较的同时改变PWM占空比的大小来控制紧固力矩。

7.根据权利要求4所述的电动旋转工具，其特征在于，所述控制部件根据所述操作部件的操作程度来改变PWM信号的PWM占空比。

8.根据权利要求1所述的电动旋转工具，其特征在于，所述电动旋转工具是起子钻、电钻、冲击式扳手、扳手、或盘磨机。

9.根据权利要求1所述的电动旋转工具，其特征在于，电池组具有蓄电池。

10.根据权利要求1所述的电动旋转工具，其特征在于，所述电池组包括锂离子蓄电池。

11.一种电动旋转工具的控制方法，所述电动旋转工具包括：操作部件；电源部件；具有转子和定子线圈的电机；具有插入在所述电源部件和所述定子线圈之间的半导体开关元件的变换电路部件；产生并输出PWM信号来用于驱动所述变换部件的半导体开关元件的控制部件，所述控制方法步骤：

第一步骤，设定紧固力矩的目标值；

第二步骤，检测流经所述定子线圈的驱动电流；

第三步骤，检测转子转数；

第四步骤，至少基于所检测到的驱动电流和所检测到的转数中的任意一个来估计紧固力矩；以及

第五步骤，当估计的紧固力矩超过目标值时，使所述控制部件停止驱动电机。

12.一种使计算机对电动旋转工具进行控制的程序，所述电动旋转工具包括：操作部件；电源部件；具有转子和定子线圈的电机；具有插入在电源部件和定子线圈之间的半导体开关元件的变换电路部件；产生并输出PWM信号来用于驱动所述变换部件的半导体开关元件的控制部件，其中所述程序使计算机执行以下进程：

第一进程，设定紧固力矩的目标值；

第二进程，检测流经定子线圈的驱动电流；

第三进程，检测转子转数；

第四进程，至少基于检测到的驱动电流和检测到的转数中的任意一个来估计紧固力矩；以及

第五进程，当估计的紧固力矩超过目标值时，使所述控制部件停止驱动所述电机。

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