CN106103004A - 电动工具 - Google Patents

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Abstract

一种电动工具包括：电机，其被构造为通过使用电源由半导体开关元件的PWM控制进行驱动；动力传输机构，其被构造为向前端工具传输电机的旋转；以及控制器，其被构造为通过PWM信号的占空比来控制电机的旋转，其中控制器被构造为：当施加到电动工具的电源的电压在包括电动工具的额定电压的预定范围内时，将占空比设置为小于100％的参考占空比，并且其中控制器被构造为：当施加到电动工具的电源的电压低于预定范围时，通过将占空比设置为高于参考占空比来驱动电机。

Description

电动工具
技术领域
本发明的各方面涉及使用电动电机作为动力源的电动工具。更具体地，本发明的各方面涉及即使在来自AC电源的输入电压变化时也可以预定旋转数和力矩来操作电机的改进的电动工具。
背景技术
作为用于驱动前端工具的电动工具的驱动源，使用AC电力的电动电机被广泛使用，如JP-A-2011-148069中所公开。对于使用AC电力的电动电机的情况，相比使用具有电池的DC电机的电动工具，输出较高，并且进一步地，长时间操作是可能的。在另一方面，当使用AC电力时，要求将电源线连接至插座。因此，相比具有电池的便携式电动工具，可用的位置可能是受限的。当在无插座的位置中使用AC电力的电动工具时，经常使用缠绕在卷线盘103上的延长线104来从插座105向电动工具101供电，如图10所示。在此情况下，卷线盘103被放置在能够连接从电动工具101延伸的电源线102的范围内。当观察实际使用场所时，经常使用了长度约100m或更长的延长线104。
发明内容
技术问题
当电源线102如现有技术中那样通过长延长线104连接至插座105时，除供应给插座105的商业电源电压的不稳定性之外，由于延长线104的电压降而导致的影响也不能忽略。因此，存在电动工具101的电机的力矩或转数变得低于额定输出的问题。例如，在使用230V的商业电源并且使用横截面积为2mm2且AC导体电阻为11.8Ω/km的100m延长线104的情况下，当电流为10A时导致的电压降约为11.8V。因此，输入至电动工具101的电压比额定电压230V降低了多于5％。随着所使用的电源线的长度变得更长，由延长线104导致的电压降进一步增大。此外，在商业电源本身不稳定的情况下电动工具101的输出变化会增大。甚至在电池不直接连接至电动工具而通过电线连接至电动工具的配置下，电动工具也会受到由于电线的电压降的影响。
本发明的各方面考虑到上述情况而形成，其目的在于提供一种电动工具，其甚至在输入至电动工具的电力在一定程度上发生电压变化的时候也能够维持额定输出。
另一目的是提供一种电动工具，其通过在输入额定功率时将电机的占空比控制为小于100％的值，能够甚至在由于使用延长线而发生电压降时也按照额定输出工作。
本发明的另一目的是提供一种电动工具，其能够在不增加制造成本的前提下实现不易受到电力的输入电压变化影响的电机控制。
问题的解决方案
本发明的各方面如下：
根据本发明的一方面，提供了一种电动工具，包括：电机，其被构造为通过使用电源由半导体开关元件的PWM控制进行驱动；动力传输机构，其被构造为向前端工具传输电机的旋转以驱动前端工具；以及控制器，其被构造为通过PWM控制的PWM信号的占空比来控制电机的旋转，其中控制器被构造为：当施加到电动工具的电源的电压处于包括电动工具的额定电压的预定范围内时，将占空比设置为小于100％的参考占空比，并且其中控制器被构造为：当施加到电动工具的电源的电压低于包括额定电压的预定范围时，通过将占空比设置为高于参考占空比来驱动电机。
在上述电动工具中，电源可以是通过电源线从外部供应的AC电源，被构造为对AC电源进行整流的整流器电路可设置在电动工具的外壳中，并且被构造为通过使用逆变器电路来驱动的无刷DC电机可被用作所述电机。
在上述电动工具中，参考占空比可小于90％，并且当施加到电动工具的电源的电压低于额定电压时，控制器可通过增大占空比来驱动电机，增大的占空比的上限为100％。
在上述电动工具中，当电机启动前施加到电动工具的电源的第一电压与电机启动后施加到电动工具的电源的第二电压之间的电势差变大时，控制器可将占空比设置为高于参考占空比。
在上述电动工具中，控制器可根据在紧随用于旋转电机的开关的触发器被拉动之后的预定时间内的第二电压来确定占空比。
在上述电动工具中，当第二电压在电机旋转期间减小时，控制器可通过增大占空比来驱动电机。
在上述电动工具中，控制器可以以占空比固定的状态来驱动电机，直到触发器返回为止，其中被固定的占空比是通过使用紧随拉动触发器之后的第二电压来确定的。
上述电动工具还可包括转数设置单元，其被构造为将电机的最大转数设置为多个等级，并且可将占空比设置为在介于0与参考占空比之间的范围内的多个阶段，与所设置的转数的等级成比例。
根据本发明的另一方面，提供了一种电动工具，包括：电机，其被构造为通过使用电源由半导体开关元件的PWM控制进行驱动；动力传输机构，其被构造为向前端工具传输电机的旋转以驱动前端工具；以及控制器，其被构造为通过PWM控制的PWM信号的占空比来控制电机的旋转，其中控制器被构造为：将电机启动前的占空比设置为小于100％，并且其中控制器被构造为：当施加到电动工具的电源的电压在电机启动后变得低于电动工具的额定电压时，增大占空比。
根据本发明的另一方面，提供了一种电动工具，包括：电机，其被构造为通过使用电源由半导体开关元件的PWM控制进行驱动；动力传输机构，其被构造为向前端工具传输电机的旋转以驱动前端工具；以及控制器，其被构造为通过PWM控制的PWM信号的占空比来控制电机的旋转，其中控制器被构造为：将电机启动前的占空比设置为小于100％，并且其中控制器被构造为：当电机启动后施加到电动工具的电源的电压变得低于电机启动前的电源的电压时，以高于先前占空比的占空比来驱动电机。
在上述电动工具中，电源的电压可通过电源线施加到电动工具，并且启动前的电机的状态可以是指电流流过电机前的状态，启动后的电机的状态可以是指电流流过电机的状态。
发明的有益效果
根据本发明，可以实现一种电动工具，其中即使在电源不稳定因而发生电压变化时，或者即使在由于使用卷线盘或电力电缆等而发送电压降时，也可以抑制电机的力矩和转数的下降并且可以执行稳定的操作。
根据下面的详细描述和附图，本发明的前述及其它目的和特征将变得清楚。
附图说明
图1是根据本发明的示意性实施例的冲击扳手的纵向截面图；
图2是根据本发明的示意性实施例的冲击扳手的侧视图；
图3是根据本发明的示意性实施例的冲击扳手的部分后视图；
图4是示出根据本发明的示意性实施例的冲击扳手中的电机3的驱动控制系统的电路构造的框图；
图5A和图5B是用于说明设置占空比与无负载输入电压V0和负载电压V1之间的关系的示图；
图6是用于说明根据本发明的示意性实施例的电机的旋转控制程序的流程图；
图7是用于说明根据本发明的第二实施例的电机的旋转控制程序的流程图；
图8是用于说明根据本发明的第三实施例的电机的旋转控制程序的流程图；
图9是用于说明根据本发明的第四实施例的电机的旋转控制程序的流程图；
图10是用于说明使用电动工具的示例的示图。
具体实施方式
[第一实施例]
在下文中，将参照附图来描述本发明的示意性实施例。在下面的附图中，将冲击扳手用作电动工具的示例，相同的部件由相同的附图标记来表示并且省略对其的重复描述。此外，如在本文中使用的那样，将上下方向、左右方向和前后方向描述为图中所示方向。
如图1所示，冲击扳手1包括外壳2、电机3、减速机构4、锤5、砧6、灯8、控制单元7和电源线9。将前端工具(未示出)安装至作为输出轴的砧6。图1示出了可以将六角插座作为前端工具安装至其上的安装部分14。然而，代替安装部分14，可设置安装孔和安装机构，其上可以一触式(in a one-touch method)安装六角截面的转换接头或者其它前端工具。冲击扳手1的广义上的外壳被构造为树脂外壳2和金属锤盒22。锤盒22被树脂盖21覆盖。减速机构4和打击机构被容纳在锤盒22的内部。砧6的前端从位于锤盒22的前端侧的通孔暴露在外部。外壳2被构造为包括主体部分2a、手柄部分2b和板容纳部分2c的三个部分。主体部分2a具有大体上圆柱形的形状。手柄部分2b形成为在大体上垂直的方向上从主体部分2a延伸。板容纳部分2c形成在手柄部分2b的下端部分(远离主体部分2a的一侧)。电机3、减速机构4、锤5和砧6在转轴方向上串联排列。电机3的旋转通过减速机构4以及具有锤5和砧6的打击机构传输至前端工具。在本实施例中，将包括动力传输机构的冲击扳手示意性地描述为电动工具的示例。动力传输机构由减速机构4和打击机构组成。然而，动力传输机构不限于此，并且电动工具可使用其它动力传输机构或者其它前端工具。
手柄部分2b设置有触发器26。触发器26连接至容纳在手柄部分2b中以设置电机3转速的触发器开关27。正向/反向切换开关28(正向/方向切换杠杆10)设置在触发器26的紧上方。正向/反向切换开关28是手柄部分2b与主体部分2a的连接部分，并且切换电机3的旋转方向。灯8是LED(发光二极管)。在按压灯按钮(未示出)或触发器26时，灯8被开启。灯8照射前端工具及其周围环境。这样，工人通过使用灯8的亮光甚至在暗处也能进行工作。
控制单元7容纳在板容纳部分2c中，并且控制电机3的旋转。电源线9在板容纳部分2c的下侧延伸并且供应来自外部的电力。操作面板70设置在板容纳部分2c的上侧，并且以多个等级设置电机的最大转数。工人能通过按下操作面板70上的按钮(未示出)以低级、中级和高级这三个等级设置电机的转数。控制单元7包括控制电路板71和电源电路板72，其主要容纳在板容纳部分2c中。控制单元7通过根据触发器26的操作量调节供应给电机3的电力量来控制电机3的转速。二极管桥(未示出)安装在电源电路板72上。二极管桥对商业电源进行整流并将其转换成DC电流(例如，将AC 100V转换成DC 140V)。
电机3是无刷DC电机。电机3包括在纵向方向上延伸的输出轴31、固定至输出轴31并且具有多个磁体32a的转子32、以及布置为包围转子32并且具有多个线圈(定子线圈)33的定子34。本实施例的电机3是3相4极6槽电机。然而，极数和槽数不限于此。可使用其它极数和槽数的无刷DC电机。冷却风扇35设置在电机3和输出轴31的前侧并且在电机3与减速机构4之间。冷却风扇35通过与电机3同步旋转来从进气口23a(见图2)接收空气。冷却风扇35允许空气通过电机3的每个部分，从而冷却每个部分。然后，冷却风扇35允许空气从稍后描述的排气口23b(见图2)向外部排出。电路板40设置在电机3的轴向上的后侧。电路板40设置为用于在大体上垂直于输出轴31的轴向的方向上安装逆变器。电路板40是大体上圆形的双面板。电路板40的轮廓大体上与电机3的轮廓相同。由诸如FET(场效应晶体管)的半导体制成的开关元件42或诸如霍尔IC的位置检测元件(未示出)安装在电路板上。
减速机构4被构造为具有多个齿轮的行星齿轮机构。减速机构4允许输出轴31的旋转以预定减速比减速并且传输至主轴53。这里，主轴53和锤5通过凸轮机构彼此相连。凸轮机构被构造为形成在主轴53的外周表面中的V形主轴凸轮沟槽、形成在锤5的内周表面中的锤凸轮沟槽、和与这些凸轮沟槽接合的球54。锤5通过主轴53旋转并且在其前端设置有碰撞部分51。碰撞部分51以凸形形状轴向地向前突出。砧6在其后端设置有被碰撞部分61。被碰撞部分61以凹形形状径向地延伸。随着锤5旋转，碰撞部分51在旋转方向上与被碰撞部分61进行碰撞。碰撞部分51和被碰撞部分61对称地形成在彼此相对的锤5和砧6的旋转平面上的两个位置处。锤5始终被弹簧52向前推进。在锤的停止期间，球54与凸轮沟槽的接合允许锤5位于与砧6的被碰撞部分61的端面分离开间隙的位置处。
当主轴53被旋转驱动时，主轴53的旋转通过凸轮机构传输至锤5。直到锤5旋转半圈，锤5的碰撞部分51与砧6的被碰撞部分61接合以使砧6旋转。当通过当时的接合反作用力而发生主轴53和锤5的相对旋转时，锤5开始向电机3后退，同时沿着凸轮机构的主轴凸轮沟槽压缩弹簧52。此外，锤5的后退移动允许锤5的碰撞部分51离开砧6的被碰撞部分61，因此锤5与砧6之间的接合被解除。在此情况下，锤5在弹簧52的推力作用下移动，同时在凸轮机构和积聚在弹簧52中的弹性能量、以及主轴53的旋转力的作用下在旋转方向上和前向上快速地加速。锤5的碰撞部分51与砧6的被碰撞部分61再次接合，从而开始与之一体地旋转。此时，强旋转打击力施加到砧6上。因此，强旋转打击力传输至安装在位于砧6的前端处的安装部分14上的前端工具(未示出)。此后，重复相同的操作，以使得旋转打击力间歇地、重复地传输至前端工具的螺栓等。通过这种方式，将螺栓等旋紧。
图2是示出根据本发明的示意性实施例的冲击扳手1的外观的侧视图。外壳2被构造为可设置在纵向方向上的左右两侧的两个分裂外壳。左右外壳2通过多个螺丝24彼此固定。用于吸收外部空气的多个进气口23a形成在主体部分2a的后端表面。用于排出吸进外壳2中的外部空气的排气口23b形成在主体部分2a的左右两侧以及冷却风扇35的外周附近(见图1)。
图3是根据本发明的示意性实施例的冲击扳手1的后视图。设置在主体部分2a的后侧的进气口23a分别设置在左右外壳2上。进气口23a可以是相对大的开口，以吸收足够量的外部空气。外壳2的主体部分2a的形状是圆柱形，其内壁大体上与电机3的外直径相适合。在主体部分2a下方，设置了直径小于主体部分2a的手柄部分2b以向下延伸。
接下来，将参照图4来描述电机3的驱动控制系统的构造和操作。图4是示出电机的驱动控制系统的构造的框图。在本实施例中，电机3被构造为三相无刷DC电机。电机3是所谓内转子式的并且包括转子32、三个位置检测元件43和定子34。通过将具有一对N极和S极的磁体32a(永久磁体)嵌入其中来构造转子32。位置检测元件43以每隔60°的角度排列，以检测转子32的旋转位置。定子34由星形连接的三相绕组U、V、W组成。三相绕组U、V、W基于来自位置检测元件43的位置检测信号以120°电角度的电流通电间隔进行控制。
安装在电路板40上的逆变器电路41主要由六个FET(在下文中，简称为“晶体管”)Q1至Q6和续流二极管(未示出)构造。六个FET Q1至Q6以三相桥状连接。作为逆变器电路41的输入电源，本实施例使用从作为二极管桥的整流器电路73供应的直流，在整流器电路73中采用AC电源90。通常，滤波电容器等被用在整流器电路73中，以减少包括在输出波形中的波纹。然而，在本实施例中，整流器电路73的输出在不插入电容器的情况下直接供应给逆变器电路41。当然，可使用滤波电容器。桥状连接的六个晶体管Q1至Q6的每个栅极连接至控制信号输出电路82。此外，六个晶体管Q1至Q6的源极或漏极连接至星形连接的电枢绕组U、V、W。从而，六个晶体管Q1至Q6通过从控制信号输出电路82输出的切换元件驱动信号来执行切换操作。六个晶体管Q1至Q6通过使用施加到逆变器电路41上的DC电压作为三相(U相、V相、W相)AC电压VU、VV、VW来向电枢绕组U、V、W供电。
控制电路(控制器)安装在控制电路板71上。控制电路被构造为操作单元81、电流检测电路86、电压检测电路87、施加电压设置电路25、旋转方向设置电路29、转子位置检测电路85和控制信号输出电路82等。操作单元81包括基于处理程序和数据输出驱动信号的CPU 84a、用于存储控制数据或对应于流程图(将稍后描述)的程序的ROM 84b、用于临时存储数据的RAM 84c以及定时器84d等。例如，操作单元81可通过使用并入上述部件的微计算机来实现。电流检测电路86是用于通过测量分流电阻74两端的电压来检测输入至逆变器电路41的电流的电流检测装置。所检测的电流输入至操作单元81。这样，操作单元81可监控流过电机3的电流的值。在本实施例中，分流电阻74设置在整流器电路73与逆变器电路41之间，从而检测流过半导体开关元件的电流的值。然而，分流电阻74可设置在逆变器电路41与电机3之间，从而直接检测流过电机3的电流。
施加电压设置电路25响应于触发器26的移动动作向操作单元81输入预定电压。操作单元81根据预定电压来设置施加至电机3的电压，即，PWM信号的占空比。旋转方向设置电路29是用于通过检测电机3的正向/反向切换杠杆10(正向/反向切换开关28)的正向旋转操作或反向旋转操作来设置电机3的旋转方向的电路。转子位置检测电路85是用于基于三个位置检测元件43的输出信号来检测转子32与定子34的电枢绕组U、V、W之间的位置关系的电路。控制信号输出电路82基于来自操作单元81的输出向晶体管Q1至Q6供应PWM信号。通过对PWM信号的脉宽的控制来调节供应给电枢绕组U、V、W中每一个的电力，从而可以控制电机3在旋转方向上的转数设置。虽然未在图4中示出，但是电机3的旋转设置开关的输出信号被输入至操作单元81并且适用于切换力矩值(或者电机的转数)。操作单元81作为用于根据输出信号来设置电机3的最大转数的转速设置单元。这涉及以下控制方法。具体地，在初始占空比D0设置为86％的情况下，在“高级”转数期间电机3的占空比被控制在0至86％，在“中级”转数期间电机3的占空比被控制在0至66％，并且在“低级”转数期间电机3的占空比被控制在0至46％。此外，虽然未在图4中示出，但是照明电路连接至操作单元81以通过用于照射前端工具附近的LED等来控制灯8的照明。
接下来，将参照图5A、图5B和图6来描述根据本发明的示意性实施例的电机3的旋转控制程序。本实施例的最基本的特征是能够实现比所要求的额定输出更高的转数和力矩的高输出电机被用作电机3，并且在电源电压为额定值的情况下，甚至在电动工具的最大输出设置下，以抑制高输出电机的输出的状态执行操作。图5A和图5B是用于说明占空比(参考占空比)与无负载输入电压V0和负载电压V1之间的关系的示图。设置占空比并用于电机3的旋转控制。操作单元81通过使用电压检测电路87，分别测量在拉动触发器26之前瞬间(或者，从拉动触发器26至启动电机3)的无负载输入电压V0和电机3启动后的负载电压V1。图5A是示出无负载输入电压V0与初始占空比D0之间的关系的示图。这里，“占空比”是指PWM(脉宽调制)控制中的脉宽波形周期与脉宽之比。PWM控制通过改变供应给电机3的脉宽波形的占空比来执行调制。正常地，占空比D可用D＝τ/T(这里，τ：脉宽，T：周期)来表示。在通用电动工具中，当通过使用额定AC电源以最大输出操作电动工具时，以100％的占空比驱动电机3，即，无脉冲调制地操作电机3。因此，将要使用的电机3的类型选择为适合额定电源和所要求的额定输出。然而，在本实施例中，要使用的电机3具有电机在额定电压期间以约86％的参考占空比D操作的特性。这意味着当电机3在额定电压下以100％的占空比D驱动时电机变得超速并且不能承受热量。为了实现这种电机特性，减少电机3的线圈的绕组并且使用厚绕组以允许大电流是足够的。因此，不会导致电机3本身的大尺寸和成本的增加。
在本实施例中，如图5A所示，在额定电压交流230V(60Hz)的冲击扳手1中，当所测量的无负载输入电压V0等于或大于225V时将初始设置中的占空比(初始占空比)D0设置为86％。当无负载输入电压V0小于225V时将初始设置中的占空比(初始占空比)D0设置为88％。这样，电机3启动。当电机3启动时大电流流过电机3。因此，当使用如图10所示的延长线104时或者当电源电压不稳定时会发生电压降。在本实施例中，测量电机3启动后的电源电压(负载电压V1)并且根据负载电压V1来调节旋转期间的占空比D1。图5B示出了其示例。当负载电压V1等于或大于225V时，占空比D1仍然是86％。当负载电压V1等于或大于220V但小于225V时，占空比D1变成88％。当负载电压V1小于220V时，占空比D1变成90％。为了按照此方法根据无负载输入电压V0和负载电压V1来改变占空比D0、D1，将其组合事先作为参数存储在操作单元81的ROM 84b中，并且通过使用这些参数来控制电机3，从而可以补偿冲击扳手1由于AC电压的变化而导致的输出降低。这里，可基于包括额定电压230V的预定范围来设置225V。在本实施例中，基于额定电压230V±5V的范围来确定负载电压是否等于或大于225V。然而，可适当设置参考电压的值。
图6是用于说明根据本发明的示意性实施例的电机的旋转控制程序的流程图。该流程图在冲击扳手1的电源线9连接至插座105或卷线盘103并且由此激活包括在操作单元81中的微计算机时开始。由CPU 84a执行事先存储在ROM 84b中的计算机程序，从而可通过软件实现图6所示的一系列步骤。首先，作为导通电源后的初始设置，操作单元81将初始占空比D0和负载占空比D1的值设置为86％(步骤601)。随后，操作单元81从电压检测电路87的输出中检测无负载输入电压V0(步骤602)。随后，操作单元81确定测量的无负载输入电压V0是否等于或大于225V(步骤603)。这里，当确定无负载输入电压V0等于或大于225V时，操作单元81通过使用存储在图5A的表中的值将初始设置中的占空比D0设置为86％(步骤604)。当确定无负载输入电压V0小于225V时，操作单元81将初始设置中的占空比D0设置为88％(步骤605)。随后，操作单元81检测工人是否拉动触发器26(步骤606)。当检测到未拉动触发器26时，程序返回至步骤602。当在步骤606中检测到触发器26被拉动时，电机3开始旋转(步骤611)。在本实施例的触发器开关27中，使用了可变开关并且与触发器的拉动量成比例地改变电机3的转数。因此，当触发器26被拉动至最大时设置的占空比D0具有一个值(最大值)。当触发器26的拉动量较小时，例如，当触发器26被拉动约一半时，操作单元81根据触发器的拉动状态设置占空比。例如，操作单元81在0至86％范围内调节占空比。同时，对于在触发器26不是可变电容开关而是ON/OFF开关的电动工具的情况，在触发器开关被开启时以设置的占空比D0驱动电动工具。
接下来，一旦电机3被激活，操作单元81就从电压检测电路87的输出中检测当时的负载电压V1(步骤612)。随后，操作单元81确定检测到的负载电压V1是否等于或大于225V(步骤613)。当确定负载电压V1等于或大于225V时，操作单元81将旋转期间的占空比D1重置为86％，并且程序进行至步骤616(步骤617)。当在步骤613中确定负载电压V1小于225V时，操作单元81确定负载电压V1是否等于或大于220V(步骤614)。当确定负载电压V1等于或大于220V时，操作单元81将旋转期间的占空比D1重置为88％，并且程序进行至步骤616(步骤618)。当在步骤614中确定负载电压V1小于220V时，操作单元81将旋转期间的占空比D1重置为90％，并且程序进行至步骤616(步骤615)。操作单元81将占空比D1切换至重置值并且继续对电机的旋转控制(步骤616)。当触发器开关27仍然开启时，程序返回至步骤613(步骤619)。当触发器开关27关闭时，电机停止并且程序返回至步骤601(步骤620)。
通过上述程序，操作单元81在占空比的最大值的86％至90％的范围内执行对电机3的旋转控制。甚至在供应给冲击扳手1的AC电源降低至额定值之下时，通过按照此方法执行控制，也可以通过增大要控制的电机3的占空比来补偿输出，因此可以确保冲击扳手1的额定输出。在本实施例中，占空比的最大值在86％至90％的范围内变化。然而，将该范围控制在86％至100％的范围内的情况下，即使在要供应的电压降低至约200V时也可以维持额定输出。此外，不是在调节通过使用紧随拉动触发器26后测量的电压V1确定的占空比D1的同时驱动电机3直到触发器26归位，而是可将操作单元81构造为：程序在步骤619中不返回至步骤613，而是处于待机状态。这样，占空比D0在操作电动工具时不会被切换。
[第二实施例]
接下来，将参照图7的流程图来描述根据本发明的第二实施例的电机的旋转控制程序。第二实施例中的基本控制程序与第一实施例中的相同。然而，第二实施例中的对无负载输入电压V0的测量程序不同于第一实施例。也就是说，不是在连接电源电压时周期性地测量无负载输入电压V0，而是在紧随拉动触发器后且在电机3的旋转启动前的短时间里测量无负载输入电压V0。这里，电机3的启动前的状态是指电流流过电机3之前的状态，并且电机3的启动后的状态是指电流流过电机3的状态。首先，冲击扳手1的电源线9连接至插座105或卷线盘103，从而使包括在操作单元81中的微计算机启动。此外，作为初始设置，将初始占空比D0和负载占空比D1的值设置为86％(步骤701)。此外，将用于测量抽样次数的计数器n的值清零。随后，操作单元81确定触发器开关27是否开启。当确定触发器开关开启时，程序进行到步骤703。当确定触发器开关未开启时，程序处于待机状态(步骤702)。在步骤703中，确定在触发器开关27开启之后或者自先前测量的时刻起是否流逝了抽样时间T1。程序处于待机状态直到流逝了抽样时间T1(步骤703)。当流逝了抽样时间T1时，操作单元81测量无负载输入电压V0并且增大计数器n的值(步骤704)。随后，操作单元81确定抽样次数n是否达到预定值。当确定抽样次数n未达到预定值时，程序返回到步骤703(步骤705)。当在步骤705中抽样次数n等于N时，操作单元81计算无负载输入电压V0在测量N次后的平均值(步骤706)。因此，在第二实施例中，以预定的抽样次数测量无负载输入电压V0，然后计算平均电压。这样，可以有效地防止电压变化或噪声等的影响，从而可以改善测量准确度。另外，使用峰值电压(最高值)的方法可被用作计算无负载输入电压V0的方法。可使用根据将最高值和最低值排除在外的数据计算平均值的方法或者可使用其它计算方法。
接下来，操作单元81确定所测量的无负载输入电压V0是否等于或大于225V(步骤707)。当确定无负载输入电压V0等于或大于225V时，操作单元81通过使用存储在图5A的表中的值来将初始设置中的占空比D0设置为86％(步骤708)。当确定无负载输入电压V0小于225V时，操作单元81将初始设置中的占空比D0设置为88％(步骤709)。随后的程序与图6所示的步骤组610(步骤611至步骤620)相同，并因此省略对其的重复描述。根据第二实施例，紧接拉动触发器之后以及在电机启动之前测量无负载输入电压V0，从而可以准确地执行电压测量。此外，可以以适当的占空比来启动电机3，并且可以防止过电压施加到电机3。
[第三实施例]
接下来，将参照图8的流程图来描述根据本发明的第三实施例的电机的旋转控制程序。如步骤组700所示，第三实施例中的电机启动前的控制与第二实施例中的相同。然而，在第三实施例的步骤701’中，执行将0.118(Ω)指定给Z的操作，作为用于计算延长线的电压降的阻抗值Z0。该值可事先存储在操作单元81的ROM 84b中。其它步骤与第二实施例中的步骤702至步骤706相同，并因此省略对其的重复描述。当通过步骤组700计算拉动触发器后抽样N次的无负载输入电压V0的平均值时，通过使用公式(1)来计算占空比D0(％)(步骤801)。
D0＝230/(平均V0值)×86 (公式1)
(这里，当占空比D0的计算值超过100时，D0＝100)
由于这样通过公式计算占空比，可精细地响应电压变化。因此，相比第一实施例和第二实施例，可以以最优占空比D0启动电机3。
接下来，随着工人拉动触发器26，电机3的旋转启动(步骤811)。随后，当电机3被激活时，操作单元81从电压检测电路87的输出中检测当时的负载电压V1。然而，为了在自电机的启动流逝了预定时间T2时的时刻执行检测，操作单元81处于待机状态直到流逝预定时间T2(步骤812)。例如，预定时间T2可以是约10ms。当自电机3的启动流逝了预定时间T2时，操作单元81从电压检测电路87的输出中检测当时的负载电压V1，并且同时从电流检测电路86的输出中检测当时的电流Iin(步骤813)。随后，操作单元81通过使用公式(2)计算施加到电动工具的期望工具施加电压V2(步骤814)。
V2＝(平均V0值)-Iin×Z0 (公式2)
随后，操作单元81通过公式(3)使用所计算的V2来计算占空比D1(步骤815)。
D1＝V2/V1×D0 (公式3)
操作单元81将占空比切换至通过计算获得的占空比D1，以连续地执行对电机的旋转控制(步骤816)。当触发器开关27仍然开启时，操作单元81使程序返回至步骤813(步骤817)。当触发器开关27关闭时，操作单元81停止电机，然后使程序返回至步骤701’(步骤818)。
根据第三实施例，在紧随拉动触发器之后以及在电机启动之前测量无负载输入电压V0，从而可以准确地执行电压测量。因此，可以适当的占空比启动电机3。此外，在紧随电机3启动之后，考虑到电源线的电压降情况而计算期望工具施加电压V2。然后，基于期望工具施加电压V2设置最优占空比D1。甚至在电压降较大的恶劣环境下，电机3也可被最优地控制并且以恒定的输出操作。
在步骤815中，可通过使用传输函数G来执行PID控制。在此情况下，比例增益Kp等于V2/V1并且根据以下公式(4)计算传输函数G。
G＝Kp(1+1/Tis+Tds) (公式4)
这里，Tis(秒)：积分时间
Tds(秒)：微分时间
这里，积分时间和微分时间是参数，并且设置为适合电机的实际操作。然后，根据D1＝G×D0来计算D1，并且执行电机控制。
[第四实施例]
接下来，将参照图9的流程图来描述根据本发明的第四实施例的电机的旋转控制程序。第四实施例中的电机3启动后的各步骤(步骤组810)的控制与第三实施例中的相同。然而，第四实施例中的电机3启动前的控制不同于第三实施例中的控制。首先，冲击扳手1的电源线9连接至插座105或卷线盘103，从而使包括在操作单元81中的微计算机启动。此外，作为初始设置，将初始占空比D0和负载占空比D1的值设置为86％。同时，作为用于计算延长线的电压降的阻抗值Z0，将0.118(Ω)指定给Z(步骤901)。这些参数的初始值可事先存储在操作单元81的ROM 84b中。随后，为了测量在自微计算机启动流逝了预定时间T1的时刻的无负载输入电压V0，操作单元81处于待机状态直到已经过去了预定时间T1(步骤902)。随后，当已经过去了预定时间T1时，操作单元81从电压检测电路87的输出中检测当时的无负载输入电压V0(步骤903)。然后，操作单元81根据公式(5)计算初始设置中的占空比D0(步骤904)。
D0＝230/V0×86(公式5)
当完成计算时，操作单元81检测触发器开关27是否开启。当确定触发器开关27开启时，程序进行到步骤组810。当确定触发器开关27仍然关闭时，程序返回至步骤903。步骤组810中的控制程序与图8所示的第三实施例中的相同，因此省略对其的重复描述。
因此，在第四实施例中，相比第三实施例简化了无负载输入电压V0的测量程序。此外，在电机3启动后的控制中，精细地控制了占空比D1。因此，即使在电源电压不稳定并且电压变化较大的环境中，也可在稳定的状态下稳定地使用诸如冲击扳手的电动工具。
在上文中，已经参照示意性实施例描述了本发明。然而，本发明不限于上述示意性实施例，而是可在不脱离本发明的精神的前提下进行各种修改。例如，在上述示意性实施例中，示意性地描述了通过电源线从外部供应商业电源的电动工具。然而，本发明可类似地应用于从外部或电池供应直流电源的电动工具。此外，在上述示意性实施例的电动工具中，示意性地描述了冲击扳手。然而，本发明不限于冲击扳手，而是可类似地应用于冲击式起子、起子电钻、电动圆锯、锤钻或者使用电机作为动力源的任何其它电动工具。
本申请要求于2014年3月28日提交的日本专利申请号2014-070587的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。
工业可应用性
根据本发明的一方面，提供了一种电动工具，其甚至在输入至电动工具的电力在一定程度上发生电压变化的情况下，也能够维持额定输出。

Claims (11)

1.一种电动工具，包括：
电机，其被构造为通过使用电源由半导体开关元件的PWM控制进行驱动；
动力传输机构，其被构造为向前端工具传输电机的旋转以驱动所述前端工具；以及
控制器，其被构造为通过PWM控制的PWM信号的占空比来控制所述电机的旋转，
其中，所述控制器被构造为：当施加到所述电动工具的电源的电压在包括所述电动工具的额定电压的预定范围内时，将占空比设置为小于100％的参考占空比，并且
其中，所述控制器被构造为：当施加到所述电动工具的电源的电压低于包括额定电压的预定范围时，通过将占空比设置为高于参考占空比来驱动电机。
2.根据权利要求1所述的电动工具，
其中所述电源是通过电源线从外部供应的AC电源，
其中被构造为对AC电源进行整流的整流器电路设置在所述电动工具的外壳中，并且
其中被构造为通过使用逆变器电路来驱动的无刷DC电机被用作所述电机。
3.根据权利要求1或2所述的电动工具，
其中所述参考占空比小于90％，并且
其中，当施加到所述电动工具的电源的电压低于额定电压时，所述控制器通过增大占空比来驱动所述电机，所增大的占空比的上限为100％。
4.根据权利要求3所述的电动工具，
其中，当所述电机启动前施加到所述电动工具的电源的第一电压与所述电机启动后施加到所述电动工具的电源的第二电压之间的电势差变大时，所述控制器将占空比设置为高于所述参考占空比。
5.根据权利要求4所述的电动工具，
其中所述控制器根据紧随用于旋转电机的开关的触发器被拉动之后的预定时间内的第二电压来确定占空比。
6.根据权利要求5所述的电动工具，
其中，当第二电压在所述电机旋转期间减小时，所述控制器通过增大占空比来驱动所述电机。
7.根据权利要求5所述的电动工具，
其中所述控制器以占空比固定的状态来驱动所述电机，直到触发器返回为止，其中固定的占空比通过使用紧随拉动触发器之后的第二电压来确定。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电动工具，还包括转数设置单元，其被构造为将所述电机的最大转数设置为多个等级，
其中所述占空比被设置为在介于0与所述参考占空比之间的范围内的多个阶段，与所设置的转数的等级成比例。
9.一种电动工具，包括：
电机，其被构造为通过使用电源由半导体开关元件的PWM控制进行驱动；
动力传输机构，其被构造为向前端工具传输所述电机的旋转以驱动所述前端工具；以及
控制器，其被构造为通过PWM控制的PWM信号的占空比来控制所述电机的旋转，
其中所述控制器被构造为：将所述电机启动前的占空比设置为小于100％，并且
其中所述控制器被构造为：当施加到所述电动工具的电源的电压在所述电机启动后变得低于所述电动工具的额定电压时，增大占空比。
10.一种电动工具，包括：
电机，其被构造为通过使用电源由半导体开关元件的PWM控制进行驱动；
动力传输机构，其被构造为向前端工具传输所述电机的旋转以驱动所述前端工具；以及
控制器，其被构造为通过PWM控制的PWM信号的占空比来控制所述电机的旋转，
其中所述控制器被构造为：将所述电机启动前的占空比设置为小于100％，并且
其中所述控制器被构造为：当所述电机启动后施加到所述电动工具的电源的电压变得低于所述电机启动前的电源的电压时，以高于先前占空比的占空比来驱动所述电机。
11.根据权利要求9或10所述的电动工具，
其中所述电源的电压通过电源线施加到所述电动工具，并且
其中启动前的电机的状态是指电流流过电机前的状态，启动后的电机的状态是指电流流过电机的状态。
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