CN103567349B - 一种锂电拉铆枪控制与保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电拉铆枪控制与保护电路，包括一个拉铆枪主控单片机模块以及与拉铆枪主控单片机模块分别连接的拉铆枪电源控制电路模块、拉铆枪温度检测模块、拉铆枪原位检测模块、拉铆枪刹车模块、拉铆枪电流检测模块；拉铆枪电源控制电路模块通过拉铆枪主控开关与锂电池包正极输出端连接，拉铆枪温度检测模块通过拉铆枪NTC输入端与设置在锂电池包内的NTC输出端连接，拉铆枪刹车模块的另一端通过拉铆枪电机换向开关与拉铆枪执行电动机连接，本发明的目的在于提供一种使用寿命长、更加安全、方便、高效的锂电拉铆枪控制与保护电路。

Description

一种锂电拉铆枪控制与保护电路

技术领域

本发明涉及一种锂电拉铆枪控制与保护电路。

背景技术

电动拉铆枪的运用，大大的方便了室内外的拉铆钉作业，现行业内电动拉铆枪一般采用镍镉与镍氢电池作电源，内部采用简单的继电器与微动开关所组的简单逻辑控制电路，控制电路方面由于采用继电器作控制，其触点的机械与电器寿命非常有限，很容易损坏，电池方面由于环保的要求与重量体积密度的限制，采用此类电池的电动拉铆枪会逐渐退出市场，而采用锂电池的电动拉铆枪由于具有重量轻，使用方便，拉铆钉效率高，每个放电周期拉铆钉的数量多等优点，而深受建筑装修行业工作人员的喜爱。

由于锂离子电池由于自身的特性，在放电使用过程中需要对电池电压、放电电流与温度有严格的要求，超出规格要求，轻则引起电池充放电循环寿命缩短，重则有可能引起着火或爆炸等安全事故的发生，为此在电动具行业内使用锂离子电池的传统的做法是将锂电放电保护功能做在电池包内，而控制电路做在工具内，原理框图如图1所示：

图中1为电池包框图，2为电池组，3保护电路板，4为控制逻辑电路，5为电流取样电阻，6为电子开关，7为电池包正极输出端，8为电池包负极输出端。

9为拉铆枪框图，10为拉铆枪大功率主控开关，11为拉铆枪控制电路板，12为换向开关，13为拉铆枪执行电动机，14为拉铆枪电源输入正极端，15为拉铆枪电源输入负极端。这样的设计方案由于有二块电路板装在不同的地方，所以存在着电路复杂、元件多、可靠性差、成本高，主回路阻抗高，电路自耗电大等缺陷与不足。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种使用寿命长、更加安全、方便、高效的锂电拉铆枪控制与保护电路。

本发明的完整技术方案是，一种锂电拉铆枪控制与保护电路，包括一个拉铆枪主控单片机模块以及与所述拉铆枪主控单片机模块分别连接的拉铆枪电源控制电路模块、拉铆枪温度检测模块、拉铆枪原位检测模块、拉铆枪刹车模块、拉铆枪电流检测模块；

所述拉铆枪电源控制电路模块通过拉铆枪主控开关与所述锂电池包正极输出端连接，所述拉铆枪温度检测模块通过拉铆枪NTC输入端与设置在锂电池包内的NTC输出端连接，所述拉铆枪刹车模块的另一端通过拉铆枪电机换向开关与拉铆枪执行电动机连接。

所述拉铆枪电源控制电路模块包括电路电源控制装置Q3和Q4，所述Q3为PNP三级管或P沟道MOSFET，所述Q4为NPN三级管或N沟道MOSFET，当主控开关按下时，电池电压通过电路给Q4的控制级一个高电平，使Q4与Q3相继导通，V+端输出电池电压，通过一个稳压电路输出＋５V电压，开始对电路板主控MCU及相关电路供电，另一方面电池电压通过分压与限流给MCU的一个IO口作开关检测输入脚PWIN一个高电平，MCU通电工作后通过检测到此高电平，由软件判别为开关按下，整机开始工作，如果电池的电压温度等条件满足工作的要求时，MCU的一个IO口作电源控制输出脚输出一个低频方波信号，通过整流滤波电路供给Q4的控制极一个高电平，使Q3、Q4维持导通，即使开关释放后，只要拉铆钉作业没结束或没有保护时，软件控制仍将维持供电。当主控开关释放后且拉铆钉作业完成，则软件使电源控制输出脚输出低电平，整机断电。

所述锂电池包内部设置有NTC温度检测装置，所述NTC温度检测装置的一端与电池的负极相连，另一端通过电池包上的引出端子通过NTC输入端连接到单片机上的温度检测AD转换口。

所述拉铆枪原位检测模块包括一个检测开关，当开关断开时，通过MCU的内部上拉电阻或外部上拉电阻使其输入到单片机的状态为高电平，而当开关闭合时，其输入状态为低电平，这样可很容易对原位进行判别，假设在原位时，开关输入为高电平，则离开原位后，开关输入即为低电平。

拉铆枪刹车模块根据原位检测的结果，通过MBOUT输出为高、低电平来完成电机的制动动作。

所述拉铆枪主控单片机模块上还连接设置有拉铆枪正向拉钉作业与反向退钉换向开关检测模块。

由上可见，本发明与现在技术相比有如下有益效果：

本技术方案公开了一种动力型锂离子可充电电池用于拉铆枪的控制与保护电路，电池包内仅只有一个温度检测NTC，将所有保护与控制功能全都做在了工具内，各模块之间相互配合，提高了装置的使用寿命，使得使用更加安全、方便、高效。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明现有技术结构示意图；

图2为本发明技术原理框图；

1为电池包，2为电池组，3为NTC，4为电池包正极输出端，5为电池包NTC引出端，6为电池包负极输出端，7为拉铆枪框图，8为拉铆枪电源输入正极端，9为拉铆枪NTC输入端，10为拉铆枪电源输入负极端11为拉铆枪主控开关，12为拉铆枪电源控制电路模块，13为拉铆枪主控单片机模块，14为拉铆枪原位检测模块，15为拉铆枪刹车模块，16为拉铆枪执行电动机，17为拉铆枪电机换向开关，18为拉铆枪电流检测模块，19为拉铆枪电机主控电子开关，20为拉铆枪温度检测模块。

图3为本本发明电路图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

本实施例一种锂电拉铆枪控制与保护电路，包括：

1、拉铆枪的电源控制电路，对于锂电池供电的产品，如果只在需要工作时，才开启电源，不工作时，整机处于完全关断状态，这样可极大的延长电池的使用时间，具体电路实现如下：由Q3（PNP三极管或P沟道MOSFET）与Q4（NPN三极管或N沟道MOSFET）来对电路电源进行控制，当主开关SW1（可以是各种机械开关或电子开关（光电，霍尔等）按下时，一方面电池电压通过R2、D4与R5的串联电路给Q4的控制极一个高电平，使Q4与Q3相继导通，V+端输出电池电压，通过一个稳压电路输出＋５V电压，开始对电路板主控MCU及相关电路供电，另一方面电池电压通过R2与R19的分压与限流给MCU的一个IO口作开关检测输入脚PWIN一个高电平，MCU通电工作后通过检测到此高电平，由软件判别为开关按下，整机开始工作，如果电池的电压温度等条件满足工作的要求时，MCU的一个IO口作电源控制输出脚输出一个低频方波信号，通过R11、C9、R17、D3与C10等组成的整流滤波电路供给Q4的控制极一个高电平，使Q3、Q4维持导通，即使开关释放后，只要拉铆钉作业没结束或没有保护时，软件控制仍将维持供电。当开关SW1释放后且拉铆钉作业完成，则软件使电源控制输出脚输出低电平，整机断电。电源控制输出脚设计成输出一个低频方波的目的，是为了防止由于各路干扰引起单片机U2的程序飞跑时，由于不能输出有符合要求的低频方波，使Q3的控制极上得不到足够的高电平从而使电源供电自动关断，以保护拉铆枪与电池的安全。

2、拉铆枪电机的运转与停止控制电路，拉铆枪的电机控制由电子开关Q1与换向开关S1组成，当单片机U2检测到各种条件符合拉铆作业的必要条件时，由U2输出一个高电平加到Q1的控制极上，使Q1导通，电机根椐换向开关选定的正反向方向开始运接，当满足电机停止的要求时，MCU输出一个低电平，使Q1关断，电机停止。

3、拉铆枪电机的工作电流检测与过电流保护控制电路，由于电机的组装与工具内减速机构的材料及组装工艺的差异，使得电机工作电流会有相对较大的差别，所以对电流的检测精度并不需要太高，为降低电路的内阻并简化电路结构，设计采用了Q1（MOSFET）的内阻来做电机电流的检测电阻，由于Q1关断时，其漏极上的电压可达到电源电压，而MCU的AD转换电压最高只能承受它的工作电压+5V，为避免MCU损坏，采用了由Q２来控制的电流检测输入回路，Q2截止时，输入到MCU的电流检测端IIN通过R7的下Q2的控制极与Q1的控制极并联，使Q２与Q1同步导通与关断，只有当Q1导通时，才会将Q1的DS极电压（对应电机电流）通过由R6、C5组成的低通滤波电路送到MCU的AD采样脚。当MCU通过软件检测到电机电流超出设定值并达到设定时间后，启动过流保护程序，关断放电MOSFET的输出，以达到保护电池与电机的目的。

4、拉铆枪的原位检测与制动（刹车）控制电路：原位检测与精确定位对拉铆枪来说，是非常重要的，如果电动拉铆枪不能精准回到原位，则有可能装不进拉铆钉，给下一次的拉铆作业造成极大的不便，所以要求控制电路检测到原位后，需要立即对电机进行制动停止操作。原位检测是通过原位检测开关SW2来进行的，SW2可以是任何的机械、电子、光电开关，其开关状态可以是常开或常闭，当开关断开时，通过MCU的内部上拉电阻或外部上拉电阻使其输入到单片机U2的状态为高电平，而当开关闭合时，其输入状态为低电平，这样可很容易对原位进行判别，假设在原位时，开关输入为高电平，则离开原位后，开关输入即为低电平。在电机运转拉铆作业过程中，当系统检测到原位时，关断电机控制MOSFET，如果不加控制，则由于机械惯性的作用，则电机停止时，会超出原位而停在非原位置，这将给下次拉铆作业装钉时造成困难，为避免此情况的发生，需要在检测到原位后，关断电机时再对电机进行制动（刹车）以保护停止位的相对精确定位，由Q5，Q6，R20,R21组成电机制动（刹车）电路，当正常运转时，MBOUT输出为高电平，Q6导通，则Q5截止，对电机正常运转没有影响，而由Q5内部DS极间的本体二极管与电机并联作为续流二极管，以吸收电机运转所产生的反电动势，当放电MOSFET关断后，MBOUT立即输出低电平，使Q6截止，Q5导通，即相当于将电机二端直接短接，完成对电机的制动（刹车）动作。

5、拉铆枪正向拉钉作业与反向退钉换向开关检测电路：当正向拉铆作业时，按下电源开关SW1，则开启放电MOSFET，电机开始运转，带动机械结构进行拉铆作业，回到原位时，一次拉铆动作完成，如果铆钉未拉断，则可继续按下电源开关SW1，电机连续运转，继续拉铆作业，直到电源开关SW1释放，则在原位后停止。如在拉铆作业中，拉铆钉未拉断而机械结构处于卡死状态时，过流保护会动作，电机会立即停止运转，以保护工具与电池，如需继续操作，则首先需要进行退钉操作，将换向开关S1推到反向位置，再按下电源开关SW1，则电机反转，到达原位后，不论电源开关是否释放，电机均会停止在原位，以方便再拉一次或人工取出不能拉断铆钉。单片机U2通过D2来测检换向开关的位置，当开关处在正转位置时，D2的阴极电压高于阳极电压，通过MCU的内部上拉，REVIN脚检测为一高电平，而当开关处于反转位置时，由于放电MOSFET管Q2导通，D2的阴极通过MOSFET的内阻接地，而U2内部上拉使D2导通，电压为0.6V，U2的REVIN则会检测到一个低电平，从而判断开关的正反转位置。

6、电池放电超温度范围保护与控制电路：由安装在电池内部的一个NTC作电池包温度检测，NTC一端接电池包负极，另一端接电池包上的引出端子T，供给保护控制板，由R12与NTC的将正５V电压分压后通过一个R13与C8组成的低通滤波电路送到U2的AD转换口作温度检测，通过软件判别当电池包温度满足保护条件时，则会停止电机的运转，以保安全。

7、电池放电低电压保护电路：电池电压经电源开关管Q3（MOSFET或三极管）控制后，经R14-15，C7等组成的分压与低通滤波后送入U2的AD转换端，以检测电池电压，当电池电压低于设定的保护电压后，并适当的延时后关断放电MOSFET，以保护电池电压不会因欠压再放电而造成的损坏。

将充好电的锂电电池包插装到拉铆枪的电池座内，将铆钉的拉杆插入拉铆枪的装钉孔内以装入铆钉，将铆钉对准需要拉铆的孔中插入到位，按下按键开关SW1,Q3与Q4开始导通，电池包的电压经U1稳压IC为本电路提供+5V的电源，单片机U2开始上电工作，通过由R15、16、14与C7组成的分压与低通滤波电路对电池电压进行检测，再通过由R12、13、C8与电池包内的NTC组成的温度感应与低通滤波电路对电池温度进行检测，如果二者均正常进行，单片机会输出一个方波信号通过R11、17，C9、10与D3的整流滤波供给Q3使其导通，以便SW1释放后，仍能维持供电给整机工作，同时开通电子开关Q1,电机通电，通过机械传动装置将电机的旋转运动转变成直线运动，在直线运动的过程中，首先通过铆钉夹头的收紧使拉铆钉被夹头紧紧夹住，当继续向后运动时，铆钉拉杆端部的大圆头部分将拉铆钉的尾部外套向翻转拉开，当铆钉拉到位并拉紧铆钉后，如果再向后运动，则拉杆被拉断，电机继续运转，机械结构使向后运动变为向前运动，回到原点则完成一次拉铆作业。如果按键开关SW1已释放，则回到原点后，电子开关Q1立即关断电机电源，而电子开关Q5经短暂延时后立即导通使电机制动停止，使机械运转机构精准的停在原位点上。为下一次的拉铆作业作好准备。

如果在使用过程中SW1未释放时，则电机回到原点后不会停止，会继续运接直到SW1释放后再回到原点才停止。以方便在选用了太长的铆钉在铆接太薄的板材时，可通过几次连续铆接作业保证铆接质量。

如果拉铆作业中，如果拉铆钉选用不正确，拉铆过程中过流保护起作用，而使铆钉拉不断，出现卡钉的情况时，则按下具有自复位的换向开关，再按下按键开关SW1，控制电路同样会同正常拉铆作业一样对电压温度进行检测，正常则开通电子开关Q1，电机通过换向开关反转退钉，通过D2检测到换向开关处于反向位置时，不管SW1是否释放，在机械结构回到原点时，电机均会自动制动停止在原位。

无论是正转拉铆作业中还是反向退钉作业中，如果出现电池电压低、电池温度超出电池所能工作的高低温范围，或电机电流超出所设定的电流值时，单片机软件检测到这些信息，则会在设定的时间内关断电子开关Q1,使电机停止运转，以保护电池或电机的安全，并通过LED作相应的闪烁显示，以提醒用户注意。

当机械结构停在原点，或系统在任意保护状态下，如果SW1已被释入，则经一定的延时后，单片机会停止控制Q3的方波输出，从而完全关断整机的电源，以节省电池能量。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种锂电拉铆枪控制与保护电路，其特征在于，包括一个拉铆枪主控单片机模块以及与所述拉铆枪主控单片机模块分别连接的拉铆枪电源控制电路模块、拉铆枪温度检测模块、拉铆枪原位检测模块、拉铆枪刹车模块、拉铆枪电流检测模块；

所述拉铆枪电源控制电路模块通过拉铆枪主控开关与锂电池包正极输出端连接，所述拉铆枪温度检测模块通过拉铆枪NTC输入端与设置在锂电池包内的NTC输出端连接，所述拉铆枪刹车模块的另一端通过拉铆枪电机换向开关与拉铆枪执行电动机连接；

所述拉铆枪电源控制电路模块包括电路电源控制装置Q3和Q4，所述Q3为PNP三级管或P沟道MOSFET，所述Q4为NPN三级管或N沟道MOSFET，当主控开关按下时，电池电压通过电路给Q4的控制级一个高电平，使Q4与Q3相继导通，V+端输出电池电压，通过一个稳压电路输出＋５V电压，开始对电路板主控MCU及相关电路供电，另一方面电池电压通过分压与限流给MCU的一个IO口作开关检测输入脚PWIN一个高电平，MCU通电工作后通过检测到此高电平，由软件判别为开关按下，整机开始工作，如果电池的电压温度条件满足工作的要求时，MCU的一个IO口作电源控制输出脚输出一个低频方波信号，通过整流滤波电路供给Q4的控制极一个高电平，使Q3、Q4维持导通，即使开关释放后，只要拉铆钉作业没结束或没有保护时，软件控制仍将维持供电，当主控开关释放后且拉铆钉作业完成，则软件使电源控制输出脚输出低电平，整机断电。

2.根据权利要求1所述的一种锂电拉铆枪控制与保护电路，其特征在于，所述拉铆枪原位检测模块包括一个检测开关，当开关断开时，通过MCU的内部上拉电阻或外部上拉电阻使其输入到单片机的状态为高电平，而当开关闭合时，其输入状态为低电平，这样可很容易对原位进行判别，假设在原位时，开关输入为高电平，则离开原位后，开关输入即为低电平。

3.根据权利要求2所述的一种锂电拉铆枪控制与保护电路，其特征在于，拉铆枪刹车模块根据原位检测的结果，通过MBOUT输出为高、低电平来完成电机的制动动作。

4.根据权利要求1所述的一种锂电拉铆枪控制与保护电路，其特征在于，所述拉铆枪主控单片机模块上还连接设置有拉铆枪正向拉钉作业与反向退钉换向开关检测模块。