CN103124065B - 电动工具及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动工具及其控制方法，所述电动工具包括被供给能量的马达，所述马达驱动工作头工作，所述控制方法包括如下步骤：施加与设定的电动工具的工作状态相对应的能量至马达；检测所述马达的速度；计算所述马达的速度的变化率；当所述马达的速度的变化率为负值且其绝对值大于第一预设变化率时，判断所述马达过载，并生成相应的控制信号，根据所述控制信号减少施加至马达的能量。本发明提供的电动工具及其控制方法克服了通过电流作为判断条件带来的响应过于灵敏、容易误判断的不足，同时相对通过速度作为判断条件，又提高了电动工具响应负载变化的速度。

Description

电动工具及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动工具。

本发明还涉及一种电动工具的控制方法，尤其是一种电动工具过载保护的控制方法。

背景技术

电动工具在工作过程中，随着工况的改变，电动工具的负载随之发生改变，电动工具的输出扭矩也发生相应的改变，当负载突然增大至某一较大负载时，若不对电动工具进行控制，则电动工具也会输出相应的较大扭矩并超过操作者对电动工具的握持力，此时电动工具继续正向旋转而操作者的握持力不足以克服电动工具输出的较大扭矩，由此电动工具对操作者手腕产生反向的冲击，引起操作者手腕的扭伤。因此非常有必要增设扭矩限制功能，限制扭矩的最大输出，防止对操作者手腕的伤害。

现有技术设置过载保护装置的方式有两种，一种是机械式离合器，可在电动工具输出过大扭矩的情况下，使电动工具的工作头与电机脱离配合，机械式离合器结构都较为复杂，制造麻烦，成本较高；另一种是电子脱扣的方式，通过检测代表电动工具输出扭矩的参数，判断电动工具的输出扭矩是否过大，当电动工具的输出扭矩过大时，通过电子开关中断至马达的能量提供，从而限制电动工具输出过大的扭矩。

现有技术中，主要有以下两种电子方式。第一种方式，检测流过电动工具的马达的电流，判断流过马达的电流是否大于预设电流值，当流过马达的电流大于预设电流值时，判定电动工具的输出扭矩过大，此情况下通过控制电子开关断开至马达的能量提供。第一种方式存在以下问题：1)扭矩的任何变化均可快速反应到流过马达的电流的变化上，当扭矩出现任何意外干扰而变大时会导致电流的变大，或者由于电动工具的输入电源的异常变动也可能导致电流的突然增大，从而引起错误判断；2)检测流过马达的电流一般通过在电路中串联采样电阻的方式实现，串联在电路中的电阻必然消耗电能，造成电能的不必要浪费，特别是当电动工具由电池包提供能量时，采样电阻的存在加快了对电池包电能的消耗，缩短了电池包的使用时间；同时由于采样电阻一般要求精度高、功率大，因此采样电阻的成本高，导致电路成本较高；3)采集电流的传感器输出的信号一般为模拟信号，在其将采集到的电流信号传递给控制器时，控制器需要进一步将接收到的信号转换为数字信号才能识别出具体的电流值，与对数字信号的识别相比较，模拟信号的识别更为复杂；为克服第一种方式中存在的问题，提出了第二种方式：检测电动工具的马达的速度，判断马达的速度是否降低至预设速度值，当马达的速度低于预设速度值时，判定电动工具的输出扭矩过大，此情况下通过控制电子开关断开至马达的能量提供。由于速度是对电流的响应，速度相对电流具有惯性，可以平滑电流的突然变化，因此可以克服以电流作为判断条件带来的容易误判断的不足；同时，速度的采集不会消耗电路的电能，有效降低了电路对电能的消耗；此外，对速度进行采集的传感器传递的信号为数字信号，便于控制器对信号的接收与识别。因此采用第二种方式克服了第一种方式存在的多种问题，但在使用过程中发现，第二种方式仍存在问题，由于第二种方式必须等到速度降低到预设速度值时，控制器才对电动工具进行过载保护，但实际情况为负载突然增大在先，而速度降低到预设速度值则需要经过一段时间，因此过载保护在过载发生一段时间后才起作用，此时突然增大的负载已经作用于操作者的手腕，已经造成了伤害。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明所要解决的技术问题为：提供一种对负载变化响应快、抗干扰能力强的电动工具的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电动工具的控制方法，所述电动工具包括被供给能量的马达，所述马达驱动工作头工作，所述控制方法包括如下步骤：施加与设定的电动工具的工作状态相对应的能量至马达；检测所述马达的速度；计算所述马达的速度的变化率；当所述马达的速度的变化率为负值且其绝对值大于第一预设变化率时，判断所述马达过载，并生成相应的控制信号，根据所述控制信号减少施加至马达的能量。

优选地，计算所述马达的速度的变化率之前，判断所述马达的速度是否大于预设上限速度值，当所述马达的速度大于预设上限速度时，计算所述马达的速度的变化率。

优选地，减少施加至马达的能量时，将马达的速度限制在预设下限速度值以下。

优选地，当马达的速度限制在所述预设下限速度值以下时，判断所述马达过载是否消除，当所述马达过载消除时，恢复施加至马达的能量。

优选地，当所述马达的速度的变化率为正值且大于第二预设变化率时，判断所述马达过载消除。

优选地，当所述马达的速度达到预设下限速度值，且马达的速度的变化率为正值且大于第二预设变化率时，判断所述马达过载消除。

优选地，当马达的速度限制在所述预设下限速度值以下时，判断所述马达过载是否持续，当所述马达过载持续时，中断施加至马达的能量。

优选地，当所述马达的速度为零时，判断所述马达过载持续。

优选地，当马达的速度维持在预设速度下限值以下的累计时间长度达到预设的时间长度时，判断所述马达过载持续。

本发明还提供了一种电动工具，所述电动工具包括：马达，接收供给能量并旋转驱动工作头工作；速度检测单元，检测马达的速度；开关模块，具有断开和闭合两种状态，当所述开关模块断开时中断至马达的供给能量，当所述开关模块闭合时维持至马达的供给能量，所述开关模块断开与闭合的时间比例不同，马达接收的供给能量不同；操作元件，用于设定电动工具的工作状态；主控单元，与速度检测单元和操作元件电性连接，计算马达的速度的变化率，并控制所述开关模块断开与闭合的时间比例使马达接收的供给能量与设定的电动工具的工作状态相适应；当所述马达的速度的变化率为负值且其绝对值大于第一预设变化率时，主控单元通过控制开关模块断开与闭合的时间比例降低至马达的供给能量。

由于本发明通过采集速度进一步判断速度的变化率来实现过载保护，因此本发明相对采集电流的方式可以有效降低对电能的消耗，并简化控制器对传感器传递的信号的识别，更为重要的是，本发明的过载保护条件为速度的变化率达到设定值，因此本发明响应负载的变化的速度更快，无需等到速度降低到预设速度值，同时又可以克服通过电流作为判断条件带来的响应过于灵敏、容易误判断的不足。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是一较佳实施例的电动工具结构示意图；

图2是图1所示电动工具的模块框图；

图3是图1所示电动工具的工作流程图。

其中：

10马达24线路板

12开关模块100电动工具

14电源110壳体

16主控单元120操作元件

20速度检测单元

具体实施方式

有关本发明的详细说明和技术内容，配合附图说明如下，所附附图仅提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。

图1所示电动工具100包含壳体110、收容在壳体110内的马达10、给马达10供电的电源线26、设置在马达10与电源线26之间的印刷线路板24、以及设置在壳体110上供操作者操作电动工具100的操作元件120。印刷线路板24接收操作元件120的信号，并根据操作元件120传递的信号控制经电源线26提供至马达10的供给能量。图1所示电动工具100为交流电动工具，通过电源线从外部交流电源获取能量供给至马达10，驱动马达10旋转。本领域技术人员可以理解的是，电动工具100也可以为交流电动工具，此时为马达10供给能量的电源可以为电池包、超级电容等多种形式。

图2示出了电动工具100的电路框图，其中，速度检测单元20用于检测马达10的速度；开关模块12可选择地处于断开状态或闭合状态，当开关模块12处于断开状态时，马达10无法从电源14获得能量，反之，当开关模块12处于闭合状态时，马达10由电源14获得能量而旋转产生速度；开关模块12断开与闭合的时间比例不同，马达10接收的供给能量不同；操作元件120由用户操作，用于设定电动工具100的工作状态，根据不同的用户操作传递相应的信号给主控单元16；主控单元16接收速度检测单元20及操作元件120传递的信号，并根据接收到的信号控制开关模块12断开与闭合的时间比例，调整电源14提供至马达10的供给能量。速度检测单元20可以为光电式转速传感器、电容式转速传感器、电感式传感器等，本发明采用的是电感式的Hall传感器。开关模块12可以为MOS管、可控硅等。操作元件12可以由用户设定电动工具100的工作状态，即设定电动工具100的输出参数。操作元件12可以为常用的扳机开关、压力感应开关、数字输入方式的用户交互界面等，本发明中为调速开关。主控单元16由模拟电路或数字电路组成，优选为微控器MCU，微控器MCU内包含计时器T用于时间累计。主控单元16接收操作元件12，根据接收到的信号控制开关模块12的工作状态使施加至马达10的能量与操作者设定的电动工具100工作状态相适应，同时，主控单元16还接收速度检测单元20传递的信号，并根据速度检测单元20传递的信号计算马达的速度的变化率，当所述速度的变化率为负值且其绝对值大于第一预设变化率a1时，主控单元16通过控制开关模块12降低对马达10的能量提供。

图3示出了电动工具100的工作流程图，当电源14与电动工具100电性连接，且操作者触发操作元件120时，进入步骤S0对程序进行初始化；随后进入步骤S4，主控单元16根据操作元件120传递的信号相应地控制开关模块12断开与闭合的时间比例，从而控制电源14输出至马达10的供给能量，使施加至马达10的供给能量适应于操作者设定的电动工具100的工作状态。进入步骤S8，通过速度检测单元20检测马达10的速度，主控单元16接收到速度检测单元20传递的信号后，进入步骤S10判断马达10当前的速度是否大于预设上限速度值V1。若判断结果为否，则返回步骤S8，继续通过速度检测单元20检测马达10的速度；若判断结果为否，则进入步骤S12。步骤S12中，主控单元16根据速度检测单元10传递的信号，计算与马达10的速度相对应的时间点上的马达10的速度的变化率。随后，进入步骤S14，主控单元16判断马达10的速度的变化率是否为负值且其绝对值单元大于第一预设变化率a1。若判断结果为否，则表明马达10遇到的负载较小，马达10继续正常工作，进入步骤S8继续检测马达10的速度。反之，若马达10的速度的变化率为负值且其绝对值单元大于第一预设变化率a1，则表明马达10出现过载。马达10出现过载时必须对电动工具10的输出参数加以限制，而不能使其输出继续适应于操作者设定的电动工具工作状态，否则会因负载增大导致电动工具10输出的扭矩增大，使得电动工具10输出的扭矩超过操作者的握持力，而对操作者手腕产生反向的冲击，引起操作者手腕的扭伤。因此，当在步骤S14中的判断结果为是时，进入步骤S16。步骤S16中，通过主控单元16发送相应的控制信号给开关模块12降低至马达10的供给能量，从而避免对操作者的手腕造成伤害，优选地，将马达10的转速限制在预设下限速度值V2以下。在步骤S16之后，进入步骤S18，即启动位于主控单元16内的计时器T计算电动工具100处于能量限制状态下的累计时间长度。随后进入步骤S20，主控单元16通过速度检测单元20检测马达10当前的速度。进入步骤S21，主控单元16判断马达10的当前速度是否为零。若判断结果为是，则进入步骤S30，若步骤S21的判断结果为否，则转入步骤S22。其中，步骤S30中，主控单元16控制开关模块12切断至马达10的供给能量，马达10停止旋转；步骤S22中，主控单元16判断马达10的当前速度是否达到预设下限速度值V2。步骤S22中，若判断结果为否，则转入步骤S20；反之，若判断结果为是，即主控单元16判断马达10的当前速度达到预设下限速度值V2时，转入步骤S24。步骤S24中，主控单元16根据速度检测单元20传递的信号计算马达10的速度的变化率。进入步骤S26，主控单元16判断马达10的速度的变化率是否为正值且大于第二预设变化率a2。若判断结果为否，则表明马达10遇到的负载仍然较大，需继续限制对马达10的供给能量，此时进入步骤S28；反之，若判断结果为是，表明马达10遇到的过载已经消除，对操作者手腕造成伤害的可能性已经不存在，返回步骤S4。其中，返回步骤S4，即施加与操作着设定的电动工具100的工作状态相适应的供给能量至马达10，亦即提供至马达10的供给能量恢复至正常工作状态下的能量值，随后根据马达10的速度及速度变化率执行相应的下步动作。步骤S28中，主控单元16判断计时器T的累积时间是否达到预设的时间长度T。若判断结果为否，则返回步骤S20，若判断结果为是，则表明马达10处于过载的累积时间长度达到预设的时间长度T，电动工具10的工作流程进入步骤S30。步骤S30中，主控单元16控制开关模块12切断至马达10的能量提供，马达10停止旋转。从而有效避免马达10长期处于过载状态，引起马达10烧机。

前述的第一实施例中，在降低至马达10的供给能量之前，要满足两个条件，条件一：马达10当前的速度大于预设上限速度值V1；条件二：马达10的速度的变化率为负值且绝对值大于第一预设变化率，两个条件同时满足，进入步骤S16主控16控制开关模块20断开和闭合的时间比例，降低至马达10的供给能量。之所以设置两个条件是因为电动工具10在过载时，其输出扭矩大，若与此同时其旋转速度高，则更容易对操作者的手腕造成伤害，此种情况下最为危险。

当然，在低速情况下，若电动工具10突然遇到大负载，其输出的扭矩突然增大也存在对操作者手腕造成伤害的可能性，为解决此种情况下对操作者手腕造成伤害，在此示出第二实施例。第二实施例中，在进入步骤S16之前，即减少供给至马达10的能量之前仅判断一个条件，该条件为：马达10的速度的变化率为负值且绝对值大于第一预设变化率。若该条件满足，则进入步骤S16。即本实施例中，步骤S8与步骤S16之间，省略了步骤S10，仅保留步骤S12及步骤S14。省略步骤S10是本实施例与第一实施例的不同之处，本实施例的其他步骤与第一实施例相同，在此不再赘述。

前述第一实施例和第二实施例中，判断马达10的过载消除的条件有两个，条件一：马达10当前的速度达到预设下限速度值V2；条件二：马达10的速度的变化率为正值且大于第二预设变化率a2。该两个条件同时满足，则表明马达10的过载已经消除，此时进入步骤S4。步骤S4中恢复至马达10的供给能量。

采用第一实施例和第二实施例中判断马达10的过载是否消除的方式，可以准确地判定马达10的过载是否消除，但存在响应速度慢的问题。因为过载一旦消除，马达10受到的力会急剧增加，马达10会产生一个较大的加速度，导致马达10的速度的变化率为正值且大于第二预设变化率a2的条件很快就会被检测到。但马达10的速度达到预设下限速度值V2则必须要经历一段时间之后才能被检测到。因为当马达10过载时，马达10的速度处于较低水平，即使在过载消除时，其速度会以一个较大的加速度增加，直至其达到预设下限速度值V2，但其毕竟存在一个速度逐渐增加的过程，从而增加了主控单元16判断马达10的过载消除所需要的时间。

为加快主控单元16对马达10的过载消除的响应速度，可以将判断马达10的过载消除的条件设置为一个，即马达10的速度的变化率为正值且大于第二预设变化率a2。一旦马达10的速度的变化率为正值且大于第二预设变化率a2，则判断马达10的过载消除，恢复至马达10的供给能量，从而不必等待马达10的速度上升至预设下限速度值V2。为加快主控单元16对马达10的过载消除的响应速度，在此示出第三实施例和第四实施例中。

第三实施例中，步骤S0至步骤S21，以及步骤S28至步骤S30与第一实施例相同，差异仅在于：第三实施例中，步骤S21至步骤S28之间省略步骤S22。本实施例中，省略步骤S22意味着，判断马达10的过载消除的条件仅有一个，该条件为：马达10的速度的变化率为正值且大于第二预设变化率a2。若该条件满足，则表明马达10的过载消除，进入步骤S4。步骤S4中施加于操作者设定的电动工具100工作状态相适应的供给能量至马达10。从而不必等待马达10的速度上升至预设下限速度值V2，主控单元16即可判断马达10的过载已经消除，恢复至马达10的供给能量，从而加快了主控单元16对马达10的过载消除的响应速度。

第四实施例中，步骤S0至步骤S21，以及步骤S28至步骤S30与第二实施例相同，差异仅在于：第四实施例中，步骤S21至步骤S28之间省略步骤S22。本实施例中，省略步骤S22意味着，判断马达10的过载消除的条件仅有一个，该条件为：马达10的速度的变化率为正值且大于第二预设变化率a2。若该条件满足，则表明马达10的过载消除，进入步骤S4。步骤S4中施加于操作者设定的电动工具100工作状态相适应的供给能量至马达10。从而不必等待马达10的速度上升至预设下限速度值V2，主控单元16即可判断马达10的过载已经消除，恢复至马达10的供给能量，从而加快了主控单元16对马达10的过载消除的响应速度。

本发明的四个实施例中，第一预设变化率a1与第二预设变化率a2可以相同，也可以不同。

前述四个实施例中，判断马达10的过载持续，进而切断至马达10的供给能量的判断条件有两个，条件1：步骤S21中判断马达10的速度为零；条件2：步骤S28中判断马达10的速度维持在预设速度下限值V2以下的累计时间长度T达到预设的时间长度T1；上述两个条件为并列选择关系，任意一个条件满足，则认为马达10的过载持续，进入步骤S30切断至马达10的供给能量。作为对前述四个实施例的变形，仅设置一个判断马达10的过载是否持续的条件，该条件可以为上述两个条件中的任意一个。在此需要说明的是，当设置的条件为条件2时，即步骤S28中判断马达10的速度维持在预设速度下限值V2以下的累计时间长度T达到预设的时间长度T1，其包含了如下方案，马达10的速度维持在预设速度下限值V2以下期间内，即使马达10的速度为零也不会终止对马达10的供给能量。该方案带来的优势在于：在马达10过载的条件下仍然保持对马达10的能量供给，一旦用户手动将过载去除，则马达10可迅速恢复工作状态，而无需用户重新对电动工具100进行操作，带来更好的用户体验。

本发明的电动工具可以为电钻、电锤、打草机、吹吸机等手持电动工具，特别适合没有辅助操作手柄的电锤，因为一般电锤容易遇到大负载，电锤也因此输出大扭矩，在没有辅助操作手柄的情况下，操作者很难单独通过握持主手柄而克服电锤突然输出的大扭矩，因此而导致电锤继续正向旋转而操作者的握持力不足以克服电动工具输出的大扭矩，由此电锤对操作者手腕产生反向的冲击，引起操作者手腕的扭伤。

Claims (9)

1.一种电动工具的控制方法，所述电动工具包括被供给能量的马达，所述马达驱动工作头工作，所述控制方法包括如下步骤：

施加与设定的电动工具的工作状态相对应的能量至马达；

检测所述马达的速度；

计算所述马达的速度的变化率；

其特征在于：计算所述马达的速度的变化率之前，判断所述马达的速度是否大于预设上限速度值，当所述马达的速度大于预设上限速度时，计算所述马达的速度的变化率,当所述马达的速度的变化率为负值且其绝对值大于第一预设变化率时，判断所述马达过载，并生成相应的控制信号，根据所述控制信号减少施加至马达的能量。

2.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于：减少施加至马达的能量时，将马达的速度限制在预设下限速度值以下。

3.根据权利要求2所述的控制方法,其特征在于：当马达的速度限制在所述预设下限速度值以下时，判断所述马达过载是否消除，当所述马达过载消除时，恢复施加至马达的能量。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：当所述马达的速度的变化率为正值且大于第二预设变化率时，判断所述马达过载消除。

5.根据权利要求3所述的控制方法,其特征在于：当所述马达的速度达到预设下限速度值，且马达的速度的变化率为正值且大于第二预设变化率时，判断所述马达过载消除。

6.根据权利要求2所述的控制方法,其特征在于：当马达的速度限制在所述预设下限速度值以下时，判断所述马达过载是否持续，当所述马达过载持续时，中断施加至马达的能量。

7.根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于：当所述马达的速度为零时，判断所述马达过载持续。

8.根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于：当马达的速度维持在预设速度下限值以下的累计时间长度达到预设的时间长度时，判断所述马达过载持续。

9.一种电动工具，所述电动工具包括：

马达，接收供给能量并旋转驱动工作头工作；

速度检测单元，检测马达的速度；

开关模块，具有断开和闭合两种状态，当所述开关模块断开时中断至马达的供给能量，当所述开关模块闭合时维持至马达的供给能量，所述开关模块断开与闭合的时间比例不同，马达接收的供给能量不同；

操作元件，用于设定电动工具的工作状态；

主控单元，与速度检测单元和操作元件电性连接，计算马达的速度的变化率，并控制所述开关模块断开与闭合的时间比例使马达接收的供给能量与设定的电动工具的工作状态相适应；

其特征在于：计算所述马达的速度的变化率之前，判断所述马达的速度是否大于预设上限速度值，当所述马达的速度大于预设上限速度时，计算所述马达的速度的变化率，当所述马达的速度的变化率为负值且其绝对值大于第一预设变化率时，主控单元通过控制开关模块断开与闭合的时间比例降低至马达的供给能量。