CN108370152A - 电动工具中的过载检测 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动工具，包括：马达、联结到马达的电源电路，和速度传感器，所述速度传感器联结到所述马达。电源电路用于向马达提供电力。速度传感器用于检测所述马达的位置。电动工具还包括联结到所述马达和所述速度传感器的电子处理器，所述电子处理器被配置为：在第一时间从速度传感器接收表示马达的测量速度的输出信号，基于所测量的马达的速度来确定累计值，并且当累计值超过累加器阈值时，中断从电源电路向马达供电。

Description

电动工具中的过载检测

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2015年12月14日递交的美国临时专利申请号62/267,098的优先权。该专利申请的全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种检测电动工具的过载情况。

背景技术

每个电动工具可以包括专门针对由电动工具完成的任务来选择的不同马达。每个马达都有一组不同的运行参数，并能够在不同的负载水平下运行。当马达在其预定的最大过载水平以上运行时，马达可能因为通过马达部件的过量电流而造成损坏或烧毁。为防止损坏电动工具，当检测到过载情况时，电动工具通常会被关闭。例如，在一些电动工具中，监测负载电流以检测过载状况，并且当负载电流超过电流阈值超过预定持续时间阈值时，电动工具被自动关闭。通常，这样的持续时间阈值很小，并导致电动工具过早关闭。通过过早关闭电动工具，用户不能充分利用电动工具的能量。

发明内容

在一个示例性实施方式中，本发明提供了一种电动工具，包括：马达；联结到马达的电源电路，用于向马达提供电力；以及速度传感器，其联结到所述马达，以用于检测所述马达的位置。电动工具还包括联结到所述马达和所述速度传感器的电子处理器。所述电子处理器被配置为：从速度传感器接收表示马达在第一时间的测量速度的输出信号，基于马达的测量速度来确定累计值，并且当累计值超过累加器阈值时，中断从电源电路向马达供电。

在另一示例性实施方式中，本发明提供了一种操作电动工具的方法。所述方法包括：为电动工具的马达供电；用速度传感器检测电动工具的马达的位置；在电子处理器处从速度传感器接收表示马达在第一时间的测量速度的输出信号。所述方法该包括基于马达的测量来速度确定累计值；以及当累计值超过累加器阈值时，中断对马达供电。

本发明的另一示例性实施方式提供了一种操作电动工具的方法，所述方法包括：给电动工具的马达供电；用传感器检测马达的速度。所述方法还包括在电子处理器处从传感器接收马达的测量速度；基于马达的测量速度，利用电子处理器来检测马达的过载状况；以及基于马达的测量速度，经由电子处理器生成累计值。最后，所述方法包括在维持马达的运行不变的同时，将累计值保持小于累加器阈值。

本发明的多个方面将通过详尽的具体描述和所附附图而变得明显。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施方式的电动工具；

图2示出了电动工具的示意图；

图3示出了一种检测电动工具的过载情况的方法的流程图；

图4A示出了当速度差是大约5000转/分钟(RPM)时的累加器值相对于时间的示例性曲线图；

图4B示出了当速度差是大约2000RPMs时的累加器值相对于时间的另一示例图；

图4C示出了当速度差是大约1000RPMs时的累加器值相对于时间的另一示例图。

图5示出了速度差相对于关闭电动工具的时间的示例性曲线图。

在详细解释本发明的任何实施方式之前，应该理解的是，本发明的应用并不限于以下描述中阐述的或下面的附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或执行。

应该注意的是，可以利用多个基于硬件和软件的设备、以及多个不同的结构组件来实现本发明。此外，并且如在随后的段落中所描述的，附图中示出的具体配置旨在示例本发明的实施方式，并且其他替代配置是可能的。除非另有说明，术语“处理器”、“中央处理单元”和“CPU”是可互换的。在使用术语“处理器”或“中央处理单元”或“CPU”来标识执行特定功能的单元的情况下，除非另有说明，应该理解这些功能可以由单个处理器或以任何形式布置的多个处理器执行，包括并行处理器、串行处理器、串联处理器或云处理/云计算配置。

具体实施方式

图1示出了具有马达15的电动工具10。在电动工具中，例如图1所示的电动工具10，开关元件通过来自电子处理器135(图2)的控制信号被选择性地启用和禁用，以选择性地施加来自电源(例如，诸如壁式插座的AC电源)的电力，以驱动马达。在所示的实施方式中，电动工具10是具有壳体20的研磨机，壳体20具有手柄部分25。电动工具10还包括触发器55或类似的致动器、电源电路115(图2)和防护装置(guard)65。尽管图2中所示的电动工具10是AC磨床，本说明书也适用于具有马达的其它电动工具，例如冲击扳手、锤钻、冲击孔锯、冲击起子、钻头、往复锯等等。本说明书也适用于有刷和无刷马达和控制器。本说明书也适用于以AC(交流)电力供电的电动工具、以及以DC(直流电)电力(例如，电池组)操作的那些电动工具。

图2示出了电动工具10的简化框图110，电动工具10包括电源电路115、电源开关装置120(例如，包括场效应晶体管(FET)、双向可控硅和/或其他电子开关等)、马达15、至少一个速度传感器125、电子处理器135、用户输入控制器140和辅助部件145(例如，工作灯(LED)、电流/电压传感器、指示器等等)。例如，电源电路115可以包括整流器、降压控制器、滤波器等。电源电路115调节从外部电源接收到的电力，并且给电动工具10的电子器件提供适当的水平的电力。在一些实施方式中，外部电源可以是可再充电的电动工具电池组，并且例如使用锂离子电池技术。在一些情况下，电源电路115可以从联结到标准壁式插座的工具插头接收AC电力(例如，120V/60Hz)。在这样的情况下，电源电路115然后过滤、调节和整流所接收的电力以输出DC电力。尽管未示出，但电动工具10的电子处理器135和其他组件电联结到电力电路115，使得电力电路115向其供电。

速度传感器125输出马达速度的指示。速度传感器125联结到马达15和电子处理器135。在一些实施方式中，速度传感器125可以包括例如霍尔效应传感器、旋转编码器、电感传感器等。当转子的磁体在传感器的面上旋转时，速度传感器125产生输出信号(例如，脉冲)。基于来自速度传感器125的马达反馈信息，电子处理器135可以直接确定马达的位置、速度(即速度)和加速度。

用户输入控件140例如包括触发器55和/或其他致动器，以改变电动工具10的操作。电子处理器135从用户输入控件140接收用户控制信号，诸如触发器55(或类似的用户致动器)的压下。响应于马达反馈信息和用户控制，电子处理器135发送控制信号，以控制电源开关装置120以驱动马达15。通过选择性地启用和禁用电源开关装置120，来自电源电路115的电力被选择性地施加到马达15的定子线圈，以引起马达转子的旋转。

在所示实施方式中，电子处理器135由微处理器或微控制器实现。在其他实施方式中，电子处理器135可以包括例如专用集成电路等。在一些实施方式中，实施电子处理器135的处理器还控制电动工具10的其他方面，诸如例如油量表(例如电池充电水平指示器)、记录使用数据、与外部装置的通信等等。

电子处理器135检测马达15何时在过载状态下操作并何时关闭电动工具10以保护电动工具10。例如当马达15驱动对于马达来说太大的过载时发生过载状况。在延长的时间段内，在过载状态下操作电动工具10可能充其量使得操作效率低下，并且最坏的情况下损坏电动工具10。通常，当电动工具10的负载电流超过电流阈值的时间长于持续时间阈值，则电动工具检测到过载情况。选择足够的阈值以应用于多种电动工具可具有难度，因为不同的电动工具在不同的情况下运行。例如，房主可以使用一台磨床，并且由于误用而在过载条件下运行，而另一台磨床则可能由专业承包商使用，该专业承包商需要在过载条件下暂时运行以克服特定障碍。为了保护电动工具10并延长其寿命，一旦检测到过载状况，一些电动工具就停止马达15的操作。然而，在一些情况下，过载状况可能被过早地指示(例如，过载状况的持续时间阈值可能太小)，并且电动工具10可能不必要地关闭。马达的这种立即关闭防止电动工具10运行通过临时的高过载的障碍。在其他情况下，过载状况的持续时间阈值可能太高，由此使电动工具10有电动工具损坏的风险。

一些电动工具可通过使用加权电流方法、简单电流阈值或其组合来监控例如提供给马达15的电流，以检测过载状况并且响应于检测到过载状况而关闭电动工具10，来尝试缓解持续时间阈值的影响。

相反，在所示的实施方式中，电子处理器135基于所测量的马达的速度来检测过载状况，并且当累计值超过累加器阈值时，中断给马达15供电(例如，关闭马达15)。当马达15进入过载状态时，由于马达15上的负载增加，马达速度降低。因此，电子处理器135监测马达速度的降低，以检测马达15何时处于过载状态。电子处理器135还使用马达的测量速度与目标速度之间的差异来确定何时切断马达15以保护马达15免受损坏，同时，最大化电动工具10的可用输出功率。在一些实施方式中，电动工具10监测如上所述和下面更详细描述的马达速度，以及用于检测和响应电动工具10的过载状况的负载电流。

当电子处理器135确定马达15的测量速度低于目标速度时，电子处理器135生成加权速度数据(例如，加权量)，并且将加权量加到累加器200。目标速度表示马达15上的过载条件和/或增大的负载。加权的速度数据基于测量的马达速度和目标马达速度之间的差异，使得当测量的马达速度仅略低于目标速度时，向累加器200添加更小的量，但是当测量的马达速度明显低于目标速度时，向累加器200添加更大的量。例如，加权速度数据基于乘数的乘积和测得的速度与目标速度之间的差值(即，加权的速度数据可以对应于乘数乘以测得的速度与目标速度之间的差值)。直接测量马达速度偏差(即，当前马达速度与目标速度之间的差值)，而不是例如提供给马达15电流，提供更准确地测量和检测过载状况。

图3示出了由电子处理器135实现的过载检测过程。基于通过具体确定马达的测量速度和目标速度之间的差异的马达速度，图3示出的过载检测过程有效地改变持续时间阈值。首先，电子处理器135等待来自触发器55的触发信号(步骤300)。当电子处理器135接收到指示电动工具操作开始的触发信号时，电子处理器135开始软启动模式。软启动模式允许电动工具10的马达15以受控方式从最小速度加速到期望速度，以延长马达15的使用寿命。期望速度可基于例如按下触发器的量、电动工具10的具体操作模式(例如，快、慢、中等)等等。电子处理器135然后确定电动工具10是否已退出软启动模式(步骤305)。在一些实施方式中，当马达达到期望速度时和/或软启动计时器停止计时时，电子处理器135可以确定软启动模式已经结束。当电子处理器135确定电动工具10还没有退出软启动模式时，电子处理器135继续监测电动工具10。

电子处理器135还实现过载计时器。过载计时器为马达15提供足够的时间，以达到表示过载状态的目标速度。电子处理器135然后确定过载计时器是否已经停止计时，以及马达15是否已经达到目标速度(步骤310)。当电子处理器135确定马达速度未达到目标速度时，或当电子处理器135确定过载计时器尚未停止计时时，电子处理器135继续监测马达速度和过载计时器。

一旦电子处理器135确定过载计时器已经停止计时或者马达15已经达到目标速度，电子处理器135启动用于方法318的动作，以检测电动工具10的过载状况。电子处理器135确定测量的马达速度是否低于目标速度(步骤315)。当电子处理器135确定从速度传感器125接收的、测量的马达速度低于目标速度时，向累加器200添加加权量(例如，加权速度数据)(步骤320)。如上所述，基于乘数和测量的马达速度与目标速度之间的差(例如，速度差或速度增量)来对加到累加器200的量进行加权。以这种方式，当马达15显著过载并且因此测量的马达速度显著低于目标速度时，向累加器200添加更大的量。电子处理器135然后将累加器值(例如，累加值)增加到预定的累加器阈值(步骤325)。该预定的累加器阈值对应于马达15的过载状况可能永久损坏电动工具10的阈值。

当电子处理器135确定累加器值(例如，累计值)保持低于预定累加器阈值时，电子处理器135继续监测马达速度并返回到步骤315。换句话说，电子处理器135保持马达的操作不变，而累加器值保持低于预定的累加器阈值。电子处理器135继续监测马达速度，并且因此可以接收在不同时刻检测到的马达的额外测量速度(例如，马达在第二时间时的第二测量速度)。

另一方面，当电子处理器135确定累加器值达到或超过预定累加器阈值时，电子处理器135通过中断对马达15供电以关闭电动工具10，以保护电动工具10(步骤330)。在一些实施方式中，当目标速度和马达的测量速度之间的差值超过最大增量阈值(或者测得的速度低于最小速度)时，电子处理器135将最大量添加到累加器200。在所示实施方式中，所添加的最大量对应于预定的累加器阈值，使得累加器200的值变得大于或等于累加器阈值。当所测量的马达速度与目标速度之间的差值超过最大增量阈值时，电子处理器135接着立即中断对马达15供电。

回到步骤315，当电子处理器135确定当前马达速度不低于目标速度时，电子处理器135继续确定累加器值是否大于预定的较低值(例如，最小值阈值)(步骤335)。最小值阈值为累加器建立基线，并且在一些情况下限制对电动工具10的恢复效果。例如，如果电动工具10在过载条件下操作一段时间，然后恢复(即，马达速度维持在目标速度或高于目标速度)，电子处理器135响应于电动工具10的恢复而减小累加器200的值。然后，电子处理器135继续减小累加器值，同时保持马达速度高于目标速度，直到达到最小值阈值。当最小值阈值较低时，电动工具10的恢复时段可以恢复或抵消电动工具10在过载状态中花费的时间。另一方面，当最小值阈值较高时，电动工具10的恢复时段可能不会完全恢复或抵消电动工具10在过载状态中花费的时间。在这样的实施方式中，如果电动工具10之前在过载状态下操作，则累加器200更快地达到其累加器阈值。换句话说，当最小值阈值较高时，累加器值受前面时间的影响，而在前面时间期间，电动工具10在过载状态下操作，而不管这些情况之间所经过的时间。在所示实施方式中，预定较低值是1，但不同实施方式将具有不同的预定较低值。当电子处理器135确定累加器值小于预定的较低值时，在步骤315，电子处理器135继续比较马达的测量速度与目标速度。

然而，当电子处理器135确定累加器值等于或大于预定的较低值时，电子处理器135进行使得累加器值递减(即，减小)(步骤340)。累加器值递减的量在不同的实施方式中变化。在一些实施方式中，每当测量速度超过目标速度时，电子处理器135从累加器200以固定值递减，并且在其他实施方式中，电子处理器135再次基于马达15的目标速度与测量速度之间的差值，将累加器200的值以加权值递减。在累加器值递减之后，电子处理器135再次继续监测并比较马达15的当前速度与目标速度(步骤315)。

图4A-4C是示出累加器值随着时间如何增加的示例性曲线图，图5是示出累加器值的增加速率如何影响关闭时间(例如，在检测到过载状况之后电动工具10继续运行的时间)的示例性曲线图。在图4A-4C和图5的示例性曲线中，预定的累加器阈值是50，并且最大增量阈值是大约4100RPM(每分钟转数)。如图4A所示，当测量的马达速度与目标速度(例如速度增量)之间的差大约为5000转/分(RPM)时，累加器值自动增加至预定的累加器阈值。在图4A所示的实施方式中，一毫秒大约是电子处理器135确定测量速度小于目标速度时和电子处理器135增加累加器值时之间的时间。在其他实施方式中，例如，根据执行该算法的硬件和/或该算法的特定软件实现，图4A所示的时间变化。无论如何，该时间接近零秒。累加器值自动(例如立即)增加到预定的累加器阈值导致几乎立即关闭时间。在图5中，A部分示出当速度增量超过最大增量阈值(例如，在所示实施方式中大约4100RPM)时，累加器200几乎立即达到其最大值(即，累加器阈值)，并且关闭时间几乎是立即的(图5中所示的0秒)。

图4B示出了当速度增量近似2000RPM时累加器值的逐渐增加。如图4B所示，累加器200在大约35秒之后达到预定的累加器阈值。图5的B部分示出当速度增量保持在大约2000RPM时，电动工具10继续运行大约35秒，之后，中断马达15的动力并关闭电动工具10。

图4C示出了当速度增量约为1000RPM时，累加器值的较慢增加。如图4C所示，累加器200在大约两分钟和10秒(即130秒)之后达到预定的累加器阈值。图5的C部分说明当速度增量保持在大约1000RPM时，电动工具10继续运行大约两分钟，此后，中断对马达15供电并且电动工具10关闭。

如图4A-4C和图5所示，随着速度增量减小，关闭时间增加(即电动工具10继续运转的时间)。关闭时间的这种增加允许在电子处理器135中断对马达15的供电并且电动工具10关闭之前，电动工具10在较长的时间段内以较低的过载水平运行。同时，当速度增量增加时减少关闭时间会保护电动工具10免于在过载状态下过度地操作电动工具10造成的潜在损害。

如上所述的过载状况检测和控制提供了对在过载状态下的电动工具10的动态控制，并且确保当电动工具10上的过载是显著时，通过施加快速关闭时间来保护电动工具10，并且电动工具10为用户提供最大的功率输出和可用性。

Claims (20)

1.一种电动工具，包括：

马达；

联结到所述马达的电源电路，用于向所述马达提供电力；

速度传感器，其联结到所述马达，以用于检测所述马达的位置；以及

联结到所述马达和所述速度传感器的电子处理器，所述电子处理器被配置为：

从所述速度传感器接收表示所述马达在第一时间的测量速度的输出信号，

基于所测量的马达的速度来确定累计值，并且

当所述累计值超过累加器阈值时，中断从所述电源电路向所述马达供电。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其中，所述累计值基于所测量的马达的速度与目标速度之间的差值。

3.根据权利要求2所述的电动工具，其中，所述目标速度对应于表示过载状况的马达速度。

4.根据权利要求1所述的电动工具，其中，所述电子处理器被配置为当所述测量的速度低于目标速度时增加所述累计值，并且当所述测量的速度超过所述目标速度时减小所述累计值。

5.根据权利要求4所述的电动工具，其中，所述电子处理器被配置为将所述累计值增加加权量，所述加权量基于乘数和对应于所述马达的测量速度与所述目标之间的差的速度差。

6.根据权利要求5所述的电动工具，其中，当所述乘数乘以速度差并且当速度差大于最大量时，所述乘数产生加权量，使得加权量大于或等于累加器阈值。

7.根据权利要求1所述的电动工具，其中，所述输出信号是第一输出信号并且所述测量速度是第一测量速度，并且其中，所述电子处理器还被配置为从所述速度传感器接收表示所述马达的在第二时间的第二测量速度的第二输出信号；并且其中所述累计值基于所述第一测量速度和所述第二测量速度。

8.根据权利要求1所述的电动工具，其中，所述电子处理器被配置成：

确定所述测量速度是否低于最小速度；

当所述测量速度低于最小速度时，将所述累计值增加最大量，所述最大量对应于大于或等于累加器阈值的值。

9.一种操作电动工具的方法，所述方法包括：

为电动工具的马达供电；

用速度传感器检测电动工具的马达的位置；

在电子处理器处，从所述速度传感器接收表示所述马达在第一时间的测量速度的输出信号；

利用所述电子处理器，基于所述马达的所述测量速度确定累计值；以及

当所述累计值超过累加器阈值时，中断对所述马达供电。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括当所述测量速度低于目标速度时，利用所述电子处理器检测过载状况。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括：

当所述测量速度低于目标速度时，利用所述电子处理器增加累计值；以及

当所述测量速度超过所述目标速度时，利用所述电子处理器减小累计值。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，增加所述累计值包括：将所述累计值增加加权量，所述加权量基于乘数和对应于所述马达的所述测量速度与所述目标速度之间的差的速度差。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：当所述速度差大于最大量时，利用所述电子处理器产生所述加权量，所述加权量大于或等于所述累加器阈值。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述输出信号是第一输出信号，并且所测量速度是第一测量速度，并且还包括在所述电子处理器处从所述速度传感器接收表示所述马达在第二时间的第二测量速度的第二输出信号；并且其中，确定所述累计值包括基于所述第一测量速度和所述第二测量速度确定所述累计值。

15.根据权利要求9所述的方法，还包括：

利用所述电子处理器确定所述测量速度是否低于最小速度；以及

当所述测量速度低于所述最小速度时，将累计值增加最大量，所述最大量对应于大于或等于所述累加器阈值的值。

16.一种操作电动工具的方法，所述方法包括：

给电动工具的马达供电；

用传感器检测所述马达的速度；

在电子处理器处从传感器接收所述马达的测量速度；

基于所述马达的所述测量速度，利用所述电子处理器来检测所述马达的过载状况；

基于所述马达的所述测量速度，经由所述电子处理器生成累计值；以及

在维持所述马达的运行不变的同时，将所述累计值保持小于累加器阈值。

17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括在所述电子处理器处，从所述传感器接收在第二时间的第二测量速度，并且其中，产生所述累计值包括基于所述第一测量速度和所述第二测量速度产生所述累计值。

18.如权利要求16所述的方法，还包括：

基于乘数和所述测量速度与目标速度之间的差来生成加权量；以及

在检测到过载检测时，利用电子处理器将所述累计值增加加权量。

19.如权利要求16所述的方法，还包括：

利用所述电子处理器确定所述测量速度是否大于或等于目标速度；以及

当所述测量速度大于或等于所述目标速度时，利用所述电子处理器减小所述累计值。

20.如权利要求16所述的方法，还包括当所述累计值超过所述累加器阈值时，中断给所述马达供电。