CN106737357A - 功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置及方法，装置包括CPU电路、电流真有效值采样电路、电压真有效值采样电路、过零点检测电路、可控硅触发电路、电源电路、扭矩设置电路、LED状态指示电路和控制开关；方法包括功率控制过程和动态电流避峰过程。本发明通过采用功率控制和动态时间避峰相结合的方式，不仅提高了电动定扭矩扳手的扭矩控制精度，增强了电动定扭矩扳手的适应性，而且使电动定扭矩扳手的最小扭矩起控点向下延伸，拓宽了电动定扭矩扳手的扭矩控制范围，同时简化了电动定扭矩扳手控制仪的校调；通过对电压的监控以及电流二次过限控制，使得电动定扭矩扳手在异常情况下得到有效保护，延长了工具的使用寿命。

Description

功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置及方法，属于电动工具螺纹装配技术领域。

背景技术

电动定扭矩扳手，是电动扳手的一种，其最主要特征就是可以设定扭矩，并且扭矩可调，实现对螺栓扭矩的精确控制。电动定扭矩扳手广泛用于预应力螺栓结构桥梁的架设，钢结构厂房的施工、化工、冶金、发电设备的安装，大型机械、起重设备和车辆装配作业，以及对螺纹紧固件的扭矩及轴向拉力有严格要求的场合。

电动定扭矩扳手(以下简称工具)一般由双重绝缘单相串激式电动机(以下简称电机)和减速机构，及控制器构成。传统的控制器通过电流与扭矩的近似线性关系(如图2所示)，用检测电机电流的方法实现对扭矩控制。即在检测到电流到达到图2中对应的扭矩设定值时，控制电机停机，达到电流扭矩控制的目的。目前大多数电动定扭矩扳手，均采用此种控制方式。但这种传统控制方式没有考虑现场电压的影响：在应用现场电源往往不稳定，加之实际使用时，现场的电源接线箱离扳手使用地较远，需要使用较长的电源连接线连接，由于线路电阻的存在，扳手工作时在线路上产生较大的压降，使工具实际获得的电压降低，造成输入功率降低(如图2所示)在电压变化的情况下，如仍按原来的电流曲线控制扭矩，则会造成实际扭矩的降低；另外一种情况是现场电压过高时会造成实际扭矩的升高，直观的实现方法可以采用电压补偿的办法实现：即在电压偏离正常值时对控制电流乘上一个补偿系数K，在电压在正常范围内偿系数K＝1，在电压小于正常值时补偿系数K>1,即取较大的电流控制值，在电压大于正常值时补偿系数K<1,即取较小的电流控制值。而这种方法的本质是功率控制方法，根据电功率定义公式P＝U*I，可知U-I成反比关系，即电压U高时应减小电流I的控制值，即电压U低时应加大电流I的控制值。

单相串激式电动机的启动电流与时间的关系如图3所示，电动机在启动时有大于扭矩电流设定值的启动电流峰值出现，这时的监测电流值大于扭矩电流设定值，如不采用“电流避峰电路”则电机无法正常启动。传统的电流避峰控制方式采用“延时避峰”的方式进行电流避峰，即在启动的时间点T之前检测到的电流值不作为到达扭矩电流判据，经过时间T后峰值电流回落后，检测到的电流才作为到达扭矩电流判据，

再进行电机停机控制，由于不同电机的工作曲线的差异，造成峰值持续时间不一致，如图4所示：图4中A电机的启动避峰时间要短于B电机，如采用传统的“延时避峰”使用T1值作为避峰时间则造成B电机无法正常启动，如采用T2值作为避峰时间则造成B电机虽然能正常启动，但在固定避峰期间里出现扭矩(电流)到达设定值而无法被检测，造成扭矩的超限，使电机A无法进行小扭矩控制，所以固定时间的避峰无法自动适应多种电机，如对每种电机的避峰时间进行补偿，造成控制器校调过程复杂，通用性降低。

综上所述，传统的电动定扭矩扳手存在一些缺陷：

1、保护方式的缺失

传统工具仅实现了电流保护，由于没有电压采样及控制回路，无法实现电压保护。当电压过高或过低时，无法对电机进行保护，这是造成现场工具电机部件损坏的一个重要因素。

2、显示方式不完善

传统工具仅实现了扭矩到达、未到达的LED显示，对于过压、欠压、电机断线、过流等情况的故障的判断缺乏有效直观的指示，造成现场故障判断困难。

3、缺少软启动

传统工具一般采用可控硅全导通的全电压硬启动方式，启动时对工具机械部分冲击较大，同时启动电流大对可控硅的冲击较大，影响可控硅寿命，也容易造成可控硅的损坏。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种基于功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置及方法，其能够有效解决传统的电动定扭矩扳手存在的问题，并在现场应用中取得了良好的效果。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

本发明提供的一种功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置，它包括CPU电路、电流真有效值采样电路、电压真有效值采样电路、过零点检测电路、可控硅触发电路、电源电路、扭矩设置电路、LED状态指示电路和控制开关，所述的电流真有效值采样电路、电压真有效值采样电路、过零点检测电路、扭矩设置电路和控制开关的输出端分别与CPU电路的输入端相连，所述CPU电路的输出端分别与可控硅触发电路和LED状态指示电路的输入端相连，所述可控硅触发电路的输出端与单相串激式电动机的控制端相连，所述电源电路分别与CPU电路、电流真有效值采样电路、电压真有效值采样电路、过零点检测电路、可控硅触发电路、电源电路、扭矩设置电路和LED状态指示电路相连，用以为整个控制装置提供工作电压。

优选地，所述CPU电路采用型号STM32F103C8T6的STM32F系列单片机U1。

优选地，所述电源电路由变压器T1、稳压集成电路U2、二极管D3、电解电容E1、电解电容E2、电容C1、电容C2和电容C3，所述变压器T1的输入侧引脚1和引脚4通过交流接触器220A AC接入220伏市电，变压器T1的输出侧引脚5通过二极管D3与稳压集成电路U2的输入端相连，变压器T1的输出侧引脚7分别与稳压集成电路U2的接地端和电源电路的输出接地端相连，稳压集成电路U2的输出端与电源电路的输出电压端相连，所述的电解电容E1和电容C1并联在稳压集成电路U2的输入端和接地端之间，所述的电解电容E2、电容C2和电容C3并联在稳压集成电路U2的输出端和接地端之间，变压器T1的输出侧引脚2分别与电压真有效值采样电路和过零点检测电路相连，变压器T1的输出侧引脚3接地。

优选地，所述电流真有效值采样电路包括电流互感器CT、电阻R22、电容C21、电阻R21、DC转换器U4、电容C22、电容C23和电容C24，所述DC转换器U4采用型号为AD8436的DC转换器，所述电流互感器CT的一输出端接地，另一输出端经过电容C21与DC转换器U4的引脚5相连，所述DC转换器U4的引脚3和引脚4并联后经过电容C22与DC转换器U4的引脚2相连，DC转换器U4的引脚8和引脚10并联后接地，DC转换器U4的引脚9与STM32F103C8T6单片机的引脚10相连，DC转换器U4的引脚11经过电容C24后接地，DC转换器U4的引脚17与电源电路的输出电压端相连且经过电容C23与DC转换器U4的引脚19相连，所述电阻R21并联在DC转换器U4的引脚5和引脚11之间。

优选地，所述电压真有效值采样电路包括电阻R23、电阻R24、电阻R25、DC转换器U5、电容C25、电容C26、电容C27和电容C28，所述DC转换器U5采用型号为AD8436的DC转换器，所述电阻R23的一端与变压器T1的输出侧引脚2相连，电阻R23的另一端经过电容C25与DC转换器U5的引脚5相连，电阻R23的另一端还经过电阻R24接地，所述DC转换器U5的引脚3和引脚4并联后经过电容C26与DC转换器U5的引脚2相连，DC转换器U5的引脚8和引脚10并联后接地，DC转换器U5的引脚9与STM32F103C8T6单片机的引脚11相连，DC转换器U5的引脚11经过电容C28后接地，DC转换器U5的引脚17与电源电路的输出电压端相连且经过电容C27与DC转换器U5的引脚19相连，所述电阻R25并联在DC转换器U5的引脚5和引脚11之间。

优选地，所述过零点检测电路包括电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、正反馈比较器U6、电容C29和二极管D3，正反馈比较器U6采用型号为LM139的正反馈比较器，所述电阻R26的一端与变压器T1的输出侧引脚2相连，电阻R26的另一端与正反馈比较器U6的正相输入端相连，电阻R26的另一端还分别经过电阻R27、电容C29和二极管D3的并联电路后接地，所述正反馈比较器U6的反相输入端经过电阻R29接地，正反馈比较器U6的输出端与STM32F103C8T6单片机的引脚12相连，所述电阻R25并联在正反馈比较器U6的正相输入端和输出端之间。

优选地，所述可控硅触发电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C4、电容C5、MOC3052光耦和BTA16双向可控硅，所述MOC3052光耦的一输入端与电源电路的输出电压端相连，另一输入端通过电阻R5与STM32F103C8T6单片机的引脚43相连，MOC3052光耦的一输出端与BTA16双向可控硅的门极G相连；所述的电阻R8和电容C5串联在单相串激式电动机的供电线路中，BTA16双向可控硅的两个主端子并联在电阻R8和电容C5的串联电路两端，BTA16双向可控硅的两个主端子中的端口1还与电容C4的一端相连，BTA16双向可控硅的两个主端子中的端口2还与电阻R7的一端相连，所述电阻R7的另一端分别与电阻R6的一端和电容C4的另一端相连，所述电阻R6的另一端与MOC3052光耦的另一输出端相连。

优选地，所述扭矩设置电路包括电位器POT1、电阻R1和电容C16，所述电位器POT1的两个固定端分别与电源电路的输出电压端和输出接地端相连，可移动端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端分别与电容C16的一端和STM32F103C8T6单片机的引脚19相连，所述电容C16的另一端接地；

所述LED状态指示电路包括第一状态指示电路LED1和第二状态指示电路LED2，所述的第一状态指示电路LED1包括LED灯LED_OK和电阻R2，LED灯LED_OK的控制端经过电阻R2与STM32F103C8T6单片机的引脚41相连，所述第二状态指示电路LED2包括LED灯LED_NOOK和电阻R3，LED灯LED_NOOK的控制端经过电阻R3与STM32F103C8T6单片机的引脚42相连；

所述控制开关包括启动开关K1、电阻R4和电容C15，所述启动开关K1的两端分别与电源电路的输出电压端和输出接地端相连，启动开关K1与电源电路的输出电压端相连的一端还与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端分别与电容C15的一端和STM32F103C8T6单片机的引脚18相连，所述电容C15的另一端接地。

本发明提供的一种功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制方法，它包括功率控制过程和动态电流避峰过程，

所述功率控制过程包括以下步骤：

步骤11，在电压过零点时或设定工作时进行采样，每周波(20ms)采样32点，即采样周期为1/(50*32)＝625ms，周波时间为20ms；

步骤12，对采样得到的每8点电流IRMS和电压VRMS值分别进行平均计算得到有效值电流的均值AIRMS和有效值电压的均值AVRMS，同时将电流有效值的均值AIRMS与电压值有效值的均值VRMS相乘得到功率值Ps＝VRMS*IRMS；

步骤13，把得到的功率值Ps与设定功率值进行比较，如果功率值Ps超过设定功率值则控制单相串激式电动机停止工作；

所述动态电流避峰过程为：

步骤21，时间避峰：设定避峰时间值，在设定避峰时间内不进行电流有效值采样，当单相串激式电动机启动时间大于设定避峰时间值进行电流有效值采样；

步骤22，电流二次过限控制：采集得到的电流有效值第一次大于电流过限设定值时保存一次过限时电流有效值，当电流有效值下降到小于电流过限设定值后采集得到的电流有效值大于电流过限设定值的一定比例或者等于一次过限时电流有效值则控制单相串激式电动机停止工作。

优选地，在功率控制过程中，

如果采样得到的电压值大于最大工作电压值则进行超压告警；如果采样得到的电压值小于最小工作电压值则进行欠压告警；

如果采样得到的电流值大于最大工作电流值则进行过流告警并通过可控硅控制单相串激式电动机停止工作；如果采样得到的电流值小于最小工作电流值则进行故障告警。

本发明的有益效果是：本发明不同于以往基于电流控制和固定避峰时间的电动定扭矩扳手控制原理，而是直接采用功率进行扭矩控制，这种功率控制方法保证了电压在200V-250V范围内变化时的扭矩控制精度，增强了电动定扭矩扳手的适应能力；本发明通过在原有时间避峰的基础上监视电流实际值与设定值之间的关系进行电流二次过限控制，实现了电动定扭矩扳手的动态时间避峰。

本发明通过采用功率控制和动态时间避峰相结合的方式，功率控制提高了电动定扭矩扳手的扭矩控制精度，增强了电动定扭矩扳手的适应性；动态避峰技术，使电动定扭矩扳手的最小扭矩起控点向下延伸，拓宽了电动定扭矩扳手的扭矩控制范围，同时简化了电动定扭矩扳手控制仪的校调；通过对电压的监控以及电流二次过限控制，使得电动定扭矩扳手在异常情况下得到有效保护，延长了工具的使用寿命；LED指示使得工具的操作更加直观方便。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为单相串激式电动机的扭矩电流功率关系图；

图3为单相串激式电动机的启动电流与时间的关系图；

图4为单相串激式电动机的传统启动电流避峰曲线图；

图5为本发明电流二次过限控制的电流避峰曲线图；

图6为本发明所述CPU电路的电路图；

图7为本发明所述电源电路的电路图；

图8为本发明所述电流真有效值采样电路的电路图；

图9为本发明所述电压真有效值采样电路的电路图；

图10为本发明所述过零点检测电路的电路图；

图11为本发明所述可控硅触发电路的电路图；

图12为本发明所述扭矩设置电路的电路图；

图13为本发明所述LED状态指示电路的电路图；

图14为本发明所述控制开关的电路图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合其附图对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，本发明的一种功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置，它包括CPU电路、电流真有效值采样电路、电压真有效值采样电路、过零点检测电路、可控硅触发电路、电源电路、扭矩设置电路、LED状态指示电路和控制开关，所述的电流真有效值采样电路、电压真有效值采样电路、过零点检测电路、扭矩设置电路和控制开关的输出端分别与CPU电路的输入端相连，所述CPU电路的输出端分别与可控硅触发电路和LED状态指示电路的输入端相连，所述可控硅触发电路的输出端与单相串激式电动机的控制端相连，所述电源电路分别与CPU电路、电流真有效值采样电路、电压真有效值采样电路、过零点检测电路、可控硅触发电路、电源电路、扭矩设置电路和LED状态指示电路相连，用以为整个控制装置提供工作电压。

优选地，所述CPU电路包括STM32F系列单片机U1，如图6所示，所述CPU电路采用STM32F103C8T6单片机。

优选地，所述电源电路包括变压器T1和稳压集成电路U2，所述变压器T1的输入端与市电相连，变压器T1的输出端与稳压集成电路U2的输入端相连，所述稳压集成电路U2的输出端接电源电路的输出端子，用以为控制装置提供3.3V直流工作电源。

如图7所示，所述电源电路由变压器T1、稳压集成电路U2、二极管D3、电解电容E1、电解电容E2、电容C1、电容C2和电容C3，所述变压器T1的输入侧引脚1和引脚4通过交流接触器220A AC接入220伏市电，变压器T1的输出侧引脚5通过二极管D3与稳压集成电路U2的输入端相连，变压器T1的输出侧引脚7分别与稳压集成电路U2的接地端和电源电路的输出接地端相连，稳压集成电路U2的输出端与电源电路的输出电压端相连，所述的电解电容E1和电容C1并联在稳压集成电路U2的输入端和接地端之间，所述的电解电容E2、电容C2和电容C3并联在稳压集成电路U2的输出端和接地端之间，变压器T1的输出侧引脚2分别与电压真有效值采样电路和过零点检测电路相连，变压器T1的输出侧引脚3接地。

优选地，所述电流真有效值采样电路包括电流互感器CT、电流电压转换电路、低通滤波器和真有效值直流转换电路，所述电流互感器CT的输入端与电流电压转换电路的输入端相连，所述电流电压转换电路的输出端与低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与真有效值直流转换电路的输入端相连，所述真有效值直流转换电路的输入端与STM32F0系列单片机U1的输入端相连。

如图8所示，所述电流真有效值采样电路包括电流互感器CT、电阻R22、电容C21、电阻R21、DC转换器U4、电容C22、电容C23和电容C24，所述DC转换器U4采用型号为AD8436的DC转换器，所述电流互感器CT的一输出端接地，另一输出端经过电容C21与DC转换器U4的引脚5相连，所述DC转换器U4的引脚3和引脚4并联后经过电容C22与DC转换器U4的引脚2相连，DC转换器U4的引脚8和引脚10并联后接地，DC转换器U4的引脚9与STM32F103C8T6单片机的引脚10相连，DC转换器U4的引脚11经过电容C24后接地，DC转换器U4的引脚17与电源电路的输出电压端相连且经过电容C23与DC转换器U4的引脚19相连，所述电阻R21并联在DC转换器U4的引脚5和引脚11之间。

优选地，所述电压真有效值采样电路包括分压电路、低通滤波器和真有效值直流转换电路，所述分压电路的输入端与变压器T1的输出端相连，分压电路的输出端与低通滤波器的输入端相连，所述低通滤波器的输出端与真有效值直流转换电路的输入端相连，所述真有效值直流转换电路的输入端与STM32F0系列单片机U1的输入端相连。

如图9所示，所述电压真有效值采样电路包括电阻R23、电阻R24、电阻R25、DC转换器U5、电容C25、电容C26、电容C27和电容C28，所述DC转换器U5采用型号为AD8436的DC转换器，所述电阻R23的一端与变压器T1的输出侧引脚2相连，电阻R23的另一端经过电容C25与DC转换器U5的引脚5相连，电阻R23的另一端还经过电阻R24接地，所述DC转换器U5的引脚3和引脚4并联后经过电容C26与DC转换器U5的引脚2相连，DC转换器U5的引脚8和引脚10并联后接地，DC转换器U5的引脚9与STM32F103C8T6单片机的引脚11相连，DC转换器U5的引脚11经过电容C28后接地，DC转换器U5的引脚17与电源电路的输出电压端相连且经过电容C27与DC转换器U5的引脚19相连，所述电阻R25并联在DC转换器U5的引脚5和引脚11之间。

优选地，所述过零点检测电路包括分压电路、滤波电路和正反馈比较电路，所述分压电路的输入端与变压器T1的输出端相连，分压电路的输出端与滤波电路的输入端相连，所述滤波电路的输出端与正反馈比较电路的输入端相连，所述正反馈比较电路的输入端与STM32F0系列单片机的输入端相连。

如图10所示，所述过零点检测电路包括电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、正反馈比较器U6、电容C29和二极管D3，正反馈比较器U6采用型号为LM139的正反馈比较器，所述电阻R26的一端与变压器T1的输出侧引脚2相连，电阻R26的另一端与正反馈比较器U6的正相输入端相连，电阻R26的另一端还分别经过电阻R27、电容C29和二极管D3的并联电路后接地，所述正反馈比较器U6的反相输入端经过电阻R29接地，正反馈比较器U6的输出端与STM32F103C8T6单片机的引脚12相连，所述电阻R25并联在正反馈比较器U6的正相输入端和输出端之间。

优选地，所述可控硅触发电路包括可控硅光耦U3和双向可控硅BT1，所述可控硅光耦U的输入端与STM32F0系列单片机U1的信号输出端相连，可控硅光耦U的输出端与双向可控硅BT1的门极相连，双向可控硅BT1的两个主端子设置在单相串激式电动机的供电线路中。

如图11所示，所述可控硅触发电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C4、电容C5、MOC3052光耦和BTA16双向可控硅，所述MOC3052光耦的一输入端与电源电路的输出电压端相连，另一输入端通过电阻R5与STM32F103C8T6单片机的引脚43相连，MOC3052光耦的一输出端与BTA16双向可控硅的门极G相连；所述的电阻R8和电容C5串联在单相串激式电动机的供电线路中，BTA16双向可控硅的两个主端子并联在电阻R8和电容C5的串联电路两端，BTA16双向可控硅的两个主端子中的端口1还与电容C4的一端相连，BTA16双向可控硅的两个主端子中的端口2还与电阻R7的一端相连，所述电阻R7的另一端分别与电阻R6的一端和电容C4的另一端相连，所述电阻R6的另一端与MOC3052光耦的另一输出端相连。

优选地，所述扭矩设置电路包括扭矩设定电位器，所述扭矩设定电位器的输出端与STM32F0系列单片机的输入端相连；所述LED状态指示电路包括第一状态指示电路LED1和第二状态指示电路LED2，所述的第一状态指示电路LED1和第二状态指示电路LED2的输入端分别与STM32F0系列单片机的输出端相连；所述控制开关包括启动开关，所述启动开关与STM32F0系列单片机的输入端相连。

如图12所示，所述扭矩设置电路包括电位器POT1、电阻R1和电容C16，所述电位器POT1的两个固定端分别与电源电路的输出电压端和输出接地端相连，可移动端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端分别与电容C16的一端和STM32F103C8T6单片机的引脚19相连，所述电容C16的另一端接地。

如图13所示，所述LED状态指示电路包括第一状态指示电路LED1和第二状态指示电路LED2，所述的第一状态指示电路LED1包括LED灯LED_OK和电阻R2，LED灯LED_OK的控制端经过电阻R2与STM32F103C8T6单片机的引脚41相连，所述第二状态指示电路LED2包括LED灯LED_NOOK和电阻R3，LED灯LED_NOOK的控制端经过电阻R3与STM32F103C8T6单片机的引脚42相连。

如图14所示，所述控制开关包括启动开关K1、电阻R4和电容C15，所述启动开关K1的两端分别与电源电路的输出电压端和输出接地端相连，启动开关K1与电源电路的输出电压端相连的一端还与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端分别与电容C15的一端和STM32F103C8T6单片机的引脚18相连，所述电容C15的另一端接地。

本发明的一种功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制方法，它包括功率控制过程和动态电流避峰过程，

所述功率控制过程包括以下步骤：

步骤11，在电压过零点时或设定工作时进行采样，每周波(20ms)采样32点，即采样周期为1/(50*32)＝625ms，周波时间为20ms；

步骤12，对采样得到的每8点电流IRMS和电压VRMS值分别进行平均计算得到有效值电流的均值AIRMS和有效值电压的均值AVRMS，同时将电流有效值的均值AIRMS与电压值有效值的均值VRMS相乘得到功率值Ps＝VRMS*IRMS；

步骤13，把得到的功率值Ps与设定功率值进行比较，如果功率值Ps超过设定功率值则控制单相串激式电动机停止工作；

所述动态电流避峰过程为：

步骤21，时间避峰：设定避峰时间值，在设定避峰时间内不进行电流有效值采样，当单相串激式电动机启动时间大于设定避峰时间值进行电流有效值采样；

步骤22，电流二次过限控制：采集得到的电流有效值第一次大于电流过限设定值时保存一次过限时电流有效值，当电流有效值下降到小于电流过限设定值后采集得到的电流有效值大于电流过限设定值的一定比例或者等于一次过限时电流有效值则控制单相串激式电动机停止工作。

优选地，在功率控制过程中，

如果采样得到的电压值大于最大工作电压值则进行超压告警；如果采样得到的电压值小于最小工作电压值则进行欠压告警；

如果采样得到的电流值大于最大工作电流值则进行过流告警并通过可控硅控制单相串激式电动机停止工作；如果采样得到的电流值小于最小工作电流值则进行故障告警。

如图1至图14所示，本发明的控制装置主要由CPU电路、高精度电流真有效值(IRMS)采样电路、高精度电压真有效值(VRMS)采样电路、过零点检测电路、可控硅触发电路及单相串激式电动机、电源电路、扭矩设置电路、LED状态指示电路、启动开关构成。CPU部分使用STM32F0系列32位ARM-cortex体系的单片机作为主控器件，U1分为CPU部分；K1为启动开关，接通时时工具进行紧固操作；LED1(绿色)为正常指示灯，常亮代表螺栓紧固达到设定扭矩，LED2(红色)为异常指示灯，常亮代表螺栓紧固未正常完成；W1为扭矩设定电位器用于扭矩的设定，电位器可输出0-3.3V的电压，进入AD转换器PB0，被转换为对应0％-100％的扭矩设定值对应的功率值；电流电压通道的处理采用了ADI公司的真RMS-TO-DC(有效值—直流)转换芯片AD8436。它可以精确计算交流波形RMS(有效值)的直流等效值，由于采用硬件直接实现的方法，性能和稳定性优于目前常用的基于快速傅里叶变换FFT方式的RMS数字解决方案，无需考虑编程成本或处理器开销。它能在很宽的输入电平和温度范围提供高精度转换结果，性能更是远优于传统的二极管整流加电容滤波方式的RMS转换电路，它在高低幅度时性能均不会受影响。它能够响应<100μV和>3V的输入信号，扩展了动态范围，无需外部调整，并且可以适应严苛的低电平信号条件，支持很宽的超量程而不会箝位。真有效值—直流转换芯片的使用保证了电流、电压、电功率的采集精度，继而保证了控制的精度。具体实现：电流采样使用10A/10mA穿心式(CT)电流互感器，以保证采样的精度和线性。电机的电源线(L)穿过穿心式CT，成为CT的初级，CT的次级进经R22完成I/V(电流电压转换)，之后经C21、R21组成的低通滤波器进入U4(AD8436)C22-24组成的真有效值—直流转换电路将电流信号转换为对应的直流(DC)电压信号，由芯片9脚输出，进入单片机AD转换器PA0；电压采样出于成本和安全性考虑电压互感器(PT)直接用变压器T1的第二组线圈(2,3脚)实现，(第二组线圈不提供能量只提供一个线性的变比，所以变压器的第二组线圈采用初次级固定的匝比方式设计成PT)，PT输出的电压信号经R23、R24分压，之后经C25、R25组成的低通滤波器进入U5(AD8436)C26-28组成的真有效值—直流转换电路将电压信号转换为对应的直流(DC)电压信号，由芯片9脚输出，进入AD转换器PA1；交流过零信号生成部分由U6等构成，当交流电压过零时，经R26、R27分压，C29滤波后进入正反馈比较器U6，产生一同步交流过零点的方波信号，这个信号进入单片机的中断管脚PA2，供单片机控制单相串激式电动机使用；可控硅及触发电路由可控硅光耦U3及双向可控硅BT1组成，在单片机的控制下，完成软启动，全速运转和关机功能，由于光耦的使用使强电弱电分离提高了安全性和电磁兼容性；电源部分由变压器T1和稳压集成电路U2组成，为系统提供3.3V直流工作电源。

本发明CPU在过零点和定时器的控制下每周波(20ms)采样32点，即采样周期为1/(50*32)＝625ms。采样得到的电流(IRMS)电压(VRMS)的有效值，之后每8点的电流IRMS和电压VRMS值分别进行平均计算，得到有效值电流的均值AIRMS和有效值电压的均值AVRMS，以消除干扰提高精度，同时将电流有效值的均值AIRMS与电压值有效值的均值VRMS相乘得到功率值Ps＝VRMS*IRMS，把得到的功率值Ps与设定值进行比较，如超过设定功率就直接关断可控硅。达到扭矩控制的目的。采样得到的电压值为工具提供电压保护，如电压大于250V，则代表超压，为保护工具，这时按下启动开关，工具不启动，红色LED快速闪烁代表超压保护，如电压小于200V，则代表欠压，为保护工具，这时按下启动开关，工具不启动，绿色LED快速闪烁代表欠压保护；同样采样得到的电流值也为工具提供电流保护，如电流大于10A，则代表过流，立即控制可控硅关断，电机断电，红色LED慢速闪烁代表过流保护，如电流小于1A，则代表电机碳刷脱落、或工具内部存在断线，这时绿色LED慢速闪烁。LED指示灯大大方便了用户对工具状态的判断。为了减小启动时对电动定扭矩扳手的冲击，延长使用寿命，设计了软启动电路，通过交流过零信号获得交流电的过零点，控制可控硅触发角从90°到0°的渐进变化过程，改变使电机的电压由110V逐渐加大到220V，实现了工具的软启动过程。软启动完成后可控硅全部导通，进入功率检测阶段；通过连续检测电机实际功率Ps，当功率Ps达到设定值时，工具停机，实现功率扭矩控制的过程。

本发明基于在原有时间避峰的基础上监视电流实际值与设定值之间的关系上提出了“动态时间避峰”方案，如图5所示，电机正常的启动过程是：电机启动后在T0时间，电流会第一次超过设定值(一次过限)，继而到达最大值(峰值)，之后在T1时间附近电机电流会再次下降到小于设定值，随着螺栓由松到紧，紧固螺栓的扭力的反作用力(阻力)在T2时间会使电机电流二次超过设定值(二次过限)，这时可以认为扭矩(电流)到达的设定值，可以控制电机停机，结束扭紧操作。考虑到电流二次回到设定值附近时会有的震荡，应将二次的设定值加上滞回空间，本设计采用电流值先小于设定值的90％，(T1点)之后再次超过设定值(T2点)，作为设定扭矩电流到达停机的判据。这种基于电流二次超过设定值的控制方式称为“电流二次过限控制方式”。电流二次过限控制方式结合传统的固定时间避峰，实现了“电动定扭矩扳手动态电流避峰”。

本发明的动态避峰采用固定时间避峰+电流二次过限的方式实现，通过简单的软件方法实现，具体程序C代码如下：

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置，其特征是，包括CPU电路、电流真有效值采样电路、电压真有效值采样电路、过零点检测电路、可控硅触发电路、电源电路、扭矩设置电路、LED状态指示电路和控制开关，所述的电流真有效值采样电路、电压真有效值采样电路、过零点检测电路、扭矩设置电路和控制开关的输出端分别与CPU电路的输入端相连，所述CPU电路的输出端分别与可控硅触发电路和LED状态指示电路的输入端相连，所述可控硅触发电路的输出端与单相串激式电动机的控制端相连，所述电源电路分别与CPU电路、电流真有效值采样电路、电压真有效值采样电路、过零点检测电路、可控硅触发电路、电源电路、扭矩设置电路和LED状态指示电路相连，用以为整个控制装置提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置，其特征是，所述CPU电路包括STM32F103C8T6单片机。

3.根据权利要求2所述的功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置，其特征是，所述电源电路由变压器T1、稳压集成电路U2、二极管D3、电解电容E1、电解电容E2、电容C1、电容C2和电容C3，所述变压器T1的输入侧引脚1和引脚4通过交流接触器220A AC接入220伏市电，变压器T1的输出侧引脚5通过二极管D3与稳压集成电路U2的输入端相连，变压器T1的输出侧引脚7分别与稳压集成电路U2的接地端和电源电路的输出接地端相连，稳压集成电路U2的输出端与电源电路的输出电压端相连，所述的电解电容E1和电容C1并联在稳压集成电路U2的输入端和接地端之间，所述的电解电容E2、电容C2和电容C3并联在稳压集成电路U2的输出端和接地端之间，变压器T1的输出侧引脚2分别与电压真有效值采样电路和过零点检测电路相连，变压器T1的输出侧引脚3接地。

4.根据权利要求3所述的功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置，其特征是，所述电流真有效值采样电路包括电流互感器CT、电阻R22、电容C21、电阻R21、DC转换器U4、电容C22、电容C23和电容C24，所述DC转换器U4采用型号为AD8436的DC转换器，所述电流互感器CT的一输出端接地，另一输出端经过电容C21与DC转换器U4的引脚5相连，所述DC转换器U4的引脚3和引脚4并联后经过电容C22与DC转换器U4的引脚2相连，DC转换器U4的引脚8和引脚10并联后接地，DC转换器U4的引脚9与STM32F103C8T6单片机的引脚10相连，DC转换器U4的引脚11经过电容C24后接地，DC转换器U4的引脚17与电源电路的输出电压端相连且经过电容C23与DC转换器U4的引脚19相连，所述电阻R21并联在DC转换器U4的引脚5和引脚11之间。

5.根据权利要求3所述的功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置，其特征是，所述电压真有效值采样电路包括电阻R23、电阻R24、电阻R25、DC转换器U5、电容C25、电容C26、电容C27和电容C28，所述DC转换器U5采用型号为AD8436的DC转换器，所述电阻R23的一端与变压器T1的输出侧引脚2相连，电阻R23的另一端经过电容C25与DC转换器U5的引脚5相连，电阻R23的另一端还经过电阻R24接地，所述DC转换器U5的引脚3和引脚4并联后经过电容C26与DC转换器U5的引脚2相连，DC转换器U5的引脚8和引脚10并联后接地，DC转换器U5的引脚9与STM32F103C8T6单片机的引脚11相连，DC转换器U5的引脚11经过电容C28后接地，DC转换器U5的引脚17与电源电路的输出电压端相连且经过电容C27与DC转换器U5的引脚19相连，所述电阻R25并联在DC转换器U5的引脚5和引脚11之间。

6.根据权利要求3所述的功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置，其特征是，所述过零点检测电路包括电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、正反馈比较器U6、电容C29和二极管D3，正反馈比较器U6采用型号为LM139的正反馈比较器，所述电阻R26的一端与变压器T1的输出侧引脚2相连，电阻R26的另一端与正反馈比较器U6的正相输入端相连，电阻R26的另一端还分别经过电阻R27、电容C29和二极管D3的并联电路后接地，所述正反馈比较器U6的反相输入端经过电阻R29接地，正反馈比较器U6的输出端与STM32F103C8T6单片机的引脚12相连，所述电阻R25并联在正反馈比较器U6的正相输入端和输出端之间。

7.根据权利要求3所述的功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置，其特征是，所述可控硅触发电路包括电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C4、电容C5、MOC3052光耦和BTA16双向可控硅，所述MOC3052光耦的一输入端与电源电路的输出电压端相连，另一输入端通过电阻R5与STM32F103C8T6单片机的引脚43相连，MOC3052光耦的一输出端与BTA16双向可控硅的门极G相连；所述的电阻R8和电容C5串联在单相串激式电动机的供电线路中，BTA16双向可控硅的两个主端子并联在电阻R8和电容C5的串联电路两端，BTA16双向可控硅的两个主端子中的端口1还与电容C4的一端相连，BTA16双向可控硅的两个主端子中的端口2还与电阻R7的一端相连，所述电阻R7的另一端分别与电阻R6的一端和电容C4的另一端相连，所述电阻R6的另一端与MOC3052光耦的另一输出端相连。

8.根据权利要求3所述的功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制装置，其特征是，

所述扭矩设置电路包括电位器POT1、电阻R1和电容C16，所述电位器POT1的两个固定端分别与电源电路的输出电压端和输出接地端相连，可移动端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端分别与电容C16的一端和STM32F103C8T6单片机的引脚19相连，所述电容C16的另一端接地；

所述LED状态指示电路包括第一状态指示电路LED1和第二状态指示电路LED2，所述的第一状态指示电路LED1包括LED灯LED_OK和电阻R2，LED灯LED_OK的控制端经过电阻R2与STM32F103C8T6单片机的引脚41相连，所述第二状态指示电路LED2包括LED灯LED_NOOK和电阻R3，LED灯LED_NOOK的控制端经过电阻R3与STM32F103C8T6单片机的引脚42相连；

所述控制开关包括启动开关K1、电阻R4和电容C15，所述启动开关K1的两端分别与电源电路的输出电压端和输出接地端相连，启动开关K1与电源电路的输出电压端相连的一端还与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端分别与电容C15的一端和STM32F103C8T6单片机的引脚18相连，所述电容C15的另一端接地。

9.功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制方法，其特征是，包括功率控制过程和动态电流避峰过程，

所述功率控制过程包括以下步骤：

步骤11，在电压过零点时或设定工作时进行采样，每周波采样32点，即采样周期为1/(50*32)＝625ms，周波时间为20ms；

步骤12，对采样得到的每8点电流IRMS和电压VRMS值分别进行平均计算得到有效值电流的均值AIRMS和有效值电压的均值AVRMS，同时将电流有效值的均值AIRMS与电压值有效值的均值VRMS相乘得到功率值Ps＝VRMS*IRMS；

步骤13，把得到的功率值Ps与设定功率值进行比较，如果功率值Ps超过设定功率值则控制单相串激式电动机停止工作；

所述动态电流避峰过程为：

步骤21，时间避峰：设定避峰时间值，在设定避峰时间内不进行电流有效值采样，当单相串激式电动机启动时间大于设定避峰时间值进行电流有效值采样；

步骤22，电流二次过限控制：采集得到的电流有效值第一次大于电流过限设定值时保存一次过限时电流有效值，当电流有效值下降到小于电流过限设定值后采集得到的电流有效值大于电流过限设定值的一定比例或者等于一次过限时电流有效值则控制单相串激式电动机停止工作。

10.根据权利要求9所述的功率控制和动态避峰的电动定扭矩扳手控制方法，其特征是，在功率控制过程中，

如果采样得到的电压值大于最大工作电压值则进行超压告警；如果采样得到的电压值小于最小工作电压值则进行欠压告警；

如果采样得到的电流值大于最大工作电流值则进行过流告警并通过可控硅控制单相串激式电动机停止工作；如果采样得到的电流值小于最小工作电流值则进行故障告警。