CN110125857A - 一种用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置、扳手及控制方法，包括处理器模块、无刷直流电机、伺服控制模块和电流感应模块，所述电流感应模块分别与无刷直流电机和处理器模块连接，用于实时采集无刷直流电机的电流并传输给处理器模块；所述处理器模块通过伺服控制模块与无刷直流电机通信连接，用于根据预设转速、扭矩、转角和接收到的电机电流实现无刷直流电机的转速、方向、转角和扭矩的自适应控制以及实现定扭矩控制和/或定转角控制时的扭矩和转角感知，实现了精确的定扭矩和定转角控制，采用统计学原理进行数据处理，极大的提高了扳手的质控能力。
Description
技术领域
本公开涉及电动工具螺纹装配技术领域，特别涉及一种用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置、扳手及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
对于现代桥梁等钢结构施工，一般使用高强度螺栓组来连接不同的钢结构，通过对高强度螺栓的扭紧，使高强螺栓轴内很大的拧紧预拉力(轴力)，轴力乘以连接板间的摩擦系数，产生巨大的摩擦力把钢结构连接在一起。
在施工过程中，螺栓的紧固大多使用电动定扭矩扳手，采用“初扭”和“终扭”两步进行。即首先对钢结构螺栓组的全部螺栓进行初扭，待初扭全部完成后，对螺栓组的全部螺栓进行终扭。初扭的过程是先对螺栓组施加比较小的扭矩，将钢结构连接在一起，使连接接触面密贴，使螺栓具备一定的轴力，一般的初扭扭矩在200-300N.M之间。终扭是在对螺栓组中的所有螺栓进行初扭后，进行的二次扭紧，其作用是：以一定的终扭扭矩或者终扭转角完成螺栓的最终扭紧过程，使其产生规定的轴力，之后利用钢结构间的摩擦力，将钢结构永久性的连接固定。常用的扭紧工艺是：“初扭定扭矩控制+终扭定扭矩控制”控制方式的(定扭矩)紧固法和“初扭定扭矩控制+终扭扭定转角控制”控制方式的(定转角)紧固法。目前螺栓施工普遍采用“初扭+终扭”的工艺方式。经初扭后的螺栓具备了一定的轴力，在初扭的基础上再进行终扭时，螺栓转过的角度，对轴力有着重要的影响。
本公开发明人在研究中发现，(1)目前传统的定扭矩扳手在终扭作业时，无论使用定扭矩工艺还是定转角工艺，只是对扭矩或转角的单一环节进行了控制，而没有对“定扭矩”工艺中的终扭转角；或“定转角”工艺中的终扭扭矩进行多维测量，因此无法获知施工中终扭的“扭矩-转角系数”分布，对螺栓组的施工而言，施工过程控制不够精细化，无法在施工中及时发现螺栓的质量缺陷，施工中留有质量隐患，不利于施工质量的提升；(2)传统的定扭矩扳手一般采用有刷式串激电机，或有刷直流永磁式电机，由于换向器的存在，电机有火花干扰，不利于扳手等工具寿命的提高，同时也不易做到高精度，无法保证控制和测量感知的高精度。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置、扳手及方法，通过采用直流永磁无刷电机(BLDC)作为动力，能够满足定扭矩扭紧和定转角扭紧两种工作方式，在两种扭紧过程中，通过计算扭矩转角系数，并利用统计学原理和边缘计算获得施工中螺栓的质控数据，这些数据自动纪录并在班后上传到相应的数据库存储，为大数据云计算提供基础质控数据支持，利用边缘计算和云计算，大大提高了施工中的质控能力，实现了施工中对螺栓质量的动态监控，保证了工程的施工质量。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，本公开提供了一种用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置；
一种用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置，包括处理器模块、无刷直流电机、伺服控制模块和电流感应模块，所述电流感应模块分别与无刷直流电机和处理器模块连接，用于实时采集无刷直流电机的电流并传输给处理器模块；所述处理器模块通过伺服控制模块与无刷直流电机通信连接，用于根据预设转速、扭矩、转角和接收到的电机电流实现无刷直流电机的转速、方向、转角和扭矩的自适应控制以及实现定扭矩控制和/或定转角控制时的扭矩和转角感知。
作为可能的一些实现方式，所述伺服控制模块包括无刷直流电动机预驱动器和六只NMOS场效应管，所述无刷直流电动机预驱动器分别与处理器模块和六只NMOS场效应管通信连接，用于根据处理器模块的指令给六只NMOS场效应管组成的三相桥提供大电流门极驱动输出，六只NMOS场效应管组成的三相桥与无刷直流电机连接，用于实现无刷直流电动机的三相驱动控制。
作为进一步的限定，六只NMOS场效应管共用一只铝制散热器，所述铝制散热器上设有NTC热敏电阻，所述热敏电阻与处理器模块通信连接，用于实时监控NMOS场效应管的温度，并实现温度异常时的报警停机控制。
作为更进一步的限定，还包括三个霍尔元件输入端，分别为HA、HB和HC，用于连接电机的霍尔位置传感器，分别用于整流控制的定序器、固定停机时间脉冲宽度调制(PWM)电流控制和锁定转子检测。
作为可能的一些实现方式，还包括充电电池，所述充电电池用于给直流电机供电，在有电源的环境也能够使用电源适配器将交流市电转化为低压大电流直接对工具供电。
作为进一步的限定，还包括充电电池管理模块，所述充电电池管理模块与处理器模块通信连接，用于实时的将电池电量、电压和温度数据传输给处理器模块，当电池电量即将耗尽和电压减低时，或者电池超温时，禁止无刷直流电机的工作。
作为更进一步的限定，还包括显示模块，所述显示模块与处理器模块通信连接，用于实时显示扳手的工作状态。
作为更进一步的限定，还包括物联网蓝牙传输模块，所述物联网蓝牙传输模块与处理器模块通信连接，用于将扭矩数据和/或扳手工作状态和/或配置信息和/或充电电池状态实时传输给其他电子设备。
作为可能的一些实现方式，所述电流感应模块为霍尔效应直流电流传感器，用于实现无刷直流电机电流的准确采集。
作为可能的一些实现方式，还包括三个软功能开关和船型正反转开关，三个软功能开关分别定义为：F(功能)、“+”和“-”功能，并与处理器模块通信连接，用于扭矩值或转角值的设定、终扭状态、终扭定扭矩定转角工艺方式的选择、工作次数的清零和存储数据的清零，所述船型正反转开关用于实现无刷直流电机的正反转控制。
作为可能的一些实现方式，还包括电机电流采样电阻，处理器模块实时采集电机电流采样电阻上的电压值，当电机电流采样电阻上电压由于电机过流而升高到过流门槛时，电机自动关断；
作为可能的一些实现方式，所述无刷直流电机为永磁霍尔传感器无刷式直流电机。
第二方面，本公开提供了一种电动定扭矩扳手，包括扳手本体和本公开所述的用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置。
第三方面，本公开提供了一种用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制方法；
一种用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制方法，步骤如下：
建立转速和扭矩之间、转速和转角之间以及扭矩值和电流值之间的关系曲线，预设转速值、扭矩值和/或转角值；
按下启动开关，电机启动后在未达到预设转速前自适应避峰；
转速逐步升高至设定扭矩值所对应的转速，实时监控电机的电流值、旋转角度和电压值，当电流值达到预设扭矩对应的电流值或旋转角度达到预设转角时，关闭电机，完成螺栓紧固。
作为可能的一些实现方式，电机速度由FG1管脚输出，电机每旋转一圈FG1上输出一个脉冲信号，处理器模块内部设有计数器和定时器，通过对FG1信号计数可以获得工具的转角值，通过测量FG1管脚的频率可以测得电机的转速。
作为可能的一些实现方式，实时感知并采集直流电机的电流值和旋转角度，根据采集到的直流电机的电流值计算终扭扭矩值以及终扭的转角值，并计算扭矩转角系数，用于衡量螺栓组的紧固质量，所述扭矩转角系数的计算方式为：
扭矩转角系数＝终扭扭矩值/终扭转角值，其中扭矩转角系数仅对终扭作业有实际意义，扳手工作与初扭状态时不计算扭矩转角系数。
作为可能的一些实现方式，通过对扭矩转角系数的平均值、方差和标准差进行计算，对三个标准差以外的数据进行报警，具体为：
当没有历史数据时，在施工过程中边缘计算每只螺栓的扭矩转角系数，同时利用统计学原理进行数据积累，当有一定数量的数据时，得到正常的标准差统计输出，如超出预设范围，则进行报警；
当有历史数据时，直接通过扭矩转角系数历史数据对扭矩转角系数的平均值、方差和标准差进行计算，如超出预设范围，则进行报警。
作为可能的一些实现方式，对大扭矩采用大转速进行扭紧，对小扭矩采用小转速进行扭紧；当处理器模块的DIR管脚上为高电平时电机正转，反之DIR管脚上为低电平时电机反转。
处理器模块的PWM端的输出频率为25KHz，占空比为0％-100％，可变占空比信号，通过改变占空比改变直流电机上的电压，根据直流电机调速特性，实现电机转速的自适应伺服控制。
作为可能的一些实现方式，当螺栓紧固完成时，发出电机停止信号，设PWM端为高电平，同时，制动控制端BRAKEZ设为低电平，吸电流的三只NMOS场效应管导通，通过电动机的惯性旋转使电机变为发电机，将电能输送给以吸电流的三只NMOS场效应管的内阻形成的制动电阻，将电能以热能形式消耗掉，从而使电动机迅速停止运转，减小了机械过冲，提高了扭矩控制精度，在未到达设定扭矩时的停机不启用停机功能以减少发热。
作为可能的一些实现方式，实时采集和保存扳手的转速、扭矩、电压、电流、转角和状态数据以及配置信息，并将采集到的数据传输到其他电子设备。
作为可能的一些实现方式，通过设置显示模块，并与处理器模块通信连接，用于实时显示扳手工作状态和预设参数，包括扭矩或转角设定值、转速设定值、扭紧完成情况、超温报警、过流报警、工作计次、电池电压及容量信息。
作为可能的一些实现方式，启动时电机使用低转速，随时间逐步升高至设定转速，使电机的启动电流峰值降低，同时大扭矩对应的扭矩电流值大，采用较短的缓启动时间和较高的转速判断避峰结束；小扭矩对应的扭矩电流值小，采用较长的缓启动时间和较低的转速判断避峰结束，实现大小扭矩的避峰的自适应控制。
作为可能的一些实现方式，在启动避峰时如检测到电流大于预设扭矩电流，电机不停机，如电流继续升高至大于保护电流值的电流时则保护停机。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开所述的内容对扭矩转角系数数据使用统计学原理进行处理，监控施工质量，在实际使用中其精度可以达到扭矩传感器型扳手的精度和稳定性，而整体成本却低于扭矩传感器型工具，物联网技术和扭紧数据的存储，及统计学原理的应用，使扳手的质控能力大幅度提高，也符合“万物互联”、“大数据”的时代趋势，本公开是电动定扭矩扳手的又一次革命性突破，具有里程碑式的意义。
本公开所述的内容采用新型的直流无刷电机(BLDC)，没有换向器，工作中不产生火花，也没有换向器磨损，提高了工具寿命，大大拓展了扳手的应用范围。
本公开所述的内容具有灵活的控制方式，能够适用于定扭矩和定转角扭紧等多种螺纹装配工艺，扭紧过程中对扭矩、转角、进行多维控制感知，有着良好的质控能力。
本公开所述的内容不同于以往的电动扳手，本公开所述的扳手控制装饰使得电动工具摆脱了电源的束缚，适用于一些像电力杆塔、通讯杆塔等高空、野外无法获得交流电源的场所，大大拓展了扳手的应用范围，综合运用扭矩转速自适应伺服、BLDC电动机电子制动、缓启动技术加自适应转速避峰技术，大大提高了宽温度条件下的扳手的扭矩适应范围和扭矩控制精度，有效的避免了电机和机械减速部分的惯性过冲。
本公开所述的装置通过设置保护电路模块，实现了对过流、欠压、超压和超温等异常信号的实时监控和保护控制，实现了电流、温度、电压等多维多级保护，提高了工具的可靠性，有效的保护了装置和使用者的安全。
本公开所述的内容通过设置显示模块代替传统的LED指示灯，可以显示各种工况状态，对每次螺栓扭紧到达扭矩后进行计次，全程纪录生产过程，实现质控追溯，防止漏拧螺栓。
本公开所述的装置为了防止在施工过程中误操作扭矩设定，在班前通过蓝牙直接设定扭矩值，此时K1、K2、K3三只软功能键的扭矩设置功能被禁止，从而防止误操作和人为篡改扭矩设定值，进一步保证了施工质量。
本公开所述的装置内设有蓝牙模块通过无线方式将本身纪录的扭矩数据实时上传到对应的手机或其他移动终端设备，便于质控人员实时监控自己无法到达区域(如杆塔顶端)的关键点螺栓紧固质量，实现数据存储分析，同时装置的工况信息、及配置信息也可以通过此蓝牙接口连接至后台计算机进行显示配置。
附图说明
图1为本公开实施例1所述的用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置结构示意图。
图2为本公开实施例1所述的处理器模块电路连接示意图。
图3为本公开实施例1所述的永磁无刷式直流电机伺服控制模块连接示意图。
图4为本公开实施例1所述的NTC热敏电阻电路连接示意图。
图5为本公开实施例1所述的稳压电路连接示意图。
图6为本公开实施例1所述的OLED显示模块电路连接示意图。
图7为本公开实施例1所述的蓝牙模块电路连接示意图。
图8为本公开实施例1所述的电流采集模块电路连接示意图。
图9为本公开实施例1所述的软开关电路连接示意图。
图10为本公开实施例1所述的船型正反转开关电路连接示意图。
图11为本公开实施例1所述的BLDC电机的转速-电流特性图。
图12为本公开实施例3所述的用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制方法流程示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1：
如图1所示，本公开实施例1提供了一种用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置，包括处理器模块、无刷直流电机、伺服控制模块和电流感应模块，所述电流感应模块分别与无刷直流电机和处理器模块连接，用于实时采集无刷直流电机的电流并传输给处理器模块；所述处理器模块通过伺服控制模块与无刷直流电机通信连接，用于根据预设转速、扭矩、转角和接收到的电机电流实现无刷直流电机的转速、方向、转角和扭矩的自适应控制以及实现定扭矩控制和/或定转角控制时的扭矩和转角感知。
本实施例所述的装置完成扭矩控制是根据直流电机的两个特性来实现控制的：
(1)扭矩控制：直流电动机扭矩与输入电流成正比，公式：fm＝K*I，fm为电机产生的扭矩，单位为牛顿·米(N·m)，K是机械常数，I为电流值单位安培(A)，在电压为恒定状态时，电流与扭矩成线性关系，通过测量电流，可以实现对扭矩的控制。通过测量电流，可以推算扭矩，在“定转角”工艺终扭施工时，终扭扭矩使用这种方法进行推算的，这时本发明的一大特色。
(2)转速控制：直流电动机转速和输入电压成正比。
具体的公式：n＝K*U，n为转速值，U为电压值，可见转速与电压成正比，调节电压可以改变转速。
如图2所示，本实施例所述的处理器模块采用STM32F103C8T6的STM32F系列单片机作为系统的主控芯片，用于完成电机的驱动调速与保护、正反转控制、扭矩、转角及其他参数的设置、OLED显示的驱动、电流、驱动器温度的采集等功能。
如图3所示，本实施例所述伺服控制模块包括Allegro公司的三相无刷直流电动机预驱动器芯片A4938和和六只大功率NMOS场效应管，A4938是完整的三相无刷直流(BLDC)电动机预驱动器，可使用“PWM-ENABLE”、“方向控制-DIR”和“制动控制-BRAKEZ”端口输入控制电动机速度、转向和制动命令，A4938分别与处理器模块和六只NMOS场效应管通信连接，用于根据处理器模块的指令给六只NMOS场效应管组成的三相桥提供大电流门极驱动输出，六只NMOS场效应管组成的三相桥与无刷直流电机连接，用于实现无刷直流电动机的三相驱动控制。同时，A4938的同步整流功能都可以在电流衰减过程中打开相应的NMOS场效应管，以减少功率耗散。
电机速度由FG1管脚输出，电机每旋转一圈FG1上输出一个脉冲信号，处理器模块内部设有计数器和定时器，通过对FG1信号计数可以获得电动扳手的转角值，通过测量FG1管脚的频率可以测得电机的转速，进而用于“转速避峰”。
本实施例还进行了驱动电路过热保护，因为BLDC电机工作电压低，工作电流非常大，导致六只H桥驱动NMOS场效应管在长时间连续工作时会产生较大的温升，如温升超过85℃，应停止电机工作，直到温度恢复正常工作，从而有效地保护电机正常运转。
在电路板上六只MOFETS驱动功率管公用一片铝制散热器，在此散热器上安装了NTC热敏电阻来测量功率器件的温升，如图4所示。NTC热敏电阻是电阻值随温度增大而减小的一种传感器电阻，具体电路实现是：R25与NTC电阻R24组成分压电路，分压后的电压经C24滤波后，进入处理器模块-10脚ADC-IN0采样，计算出NTC电阻的阻值，通过查表得方法计算出温度值。连续监控温度值，当温度值超过85℃，禁止扳手工作，并在OLED屏幕上显示超温报警信息，之后一直连续监测温度，当温度下降到80℃以下，电机正常工作，这一“滞回”温度控制特性，保证了电机不会频繁进出温度保护状态。
还包括三个霍尔元件输入端，分别为HA、HB和HC，用于连接电机的霍尔位置传感器，分别用于整流控制的定序器、固定停机时间脉冲宽度调制(PWM)电流控制和锁定转子检测。
如图5所示，还包括有稳压模块，采用LT1117芯片，用于将输入电压转换成3.3V单片机适用电压给单片机供电。
还包括显示模块，如图6所示，所述显示模块与处理器模块通信连接，用于实时显示扳手的工作状态，所述显示模块为OLED有机发光半导体显示模块，通过SPI口连接到处理器模块的SPI-2端口，所述扳手的工作状态包括但不限于扭矩或转角设定值、转速设定值、扭紧完成情况、超温报警、过流报警、工作计次、电池电压及容量信息。
还包括充电电池，所述充电电池用于给直流电机供电，在有电源的环境也能够使用电源适配器将交流市电转化为低压大电流直接对工具供电。
还包括充电锂电池管理模块，所述充电锂电池管理模块与处理器模块通信连接，用于实时的将锂电池电量、电压和温度数据传输给处理器模块，当锂电池电量即将耗尽和电压减低时，或者锂电池超温时，禁止无刷直流电机的工作。锂电池组提供IIC协议的电池状态报告，包括：电池电量、电池电压和电池温度等数据，这些数据可以通过IIC总线连接到处理器模块-21-SCL、处理器模块-22-SDA的IIC接口，被处理器模块直接读取，处理器模块获得此数据后，可以在OLED上显示电池的电量、电压等数据，当电量即将耗尽和电压减低时，或者电池超温时，禁止工具工作，以保护电池
还包括物联网蓝牙传输模块，如图7所示，所述物联网蓝牙传输模块与处理器模块通信连接，用于将扭矩数据和/或扳手工作状态和/或配置信息和/或充电电池状态实时传输给其他电子设备。
物联网蓝牙传输模块U5-BLE101的通过串行口RX、TX与处理器模块-U1的RX、TX连接，复位端Reset连接到处理器模块-U1的PA8管脚实现模块的复位，每次扭紧完成后，蓝牙模块通过无线方式将本身纪录的扭矩数据实时上传到对应的手机，或其他移动终端设备，便于质控人员实时监控自己无法到达区域(如杆塔顶端)的关键点螺栓紧固质量。同时数据存储在处理器模块内部的FLASH存储器中，掉电时数据不丢失，实现数据存储功能，同时装置的工况信息、及配置信息也可以通过此蓝牙接口连接至后台计算机进行显示配置，每班的存储信息上传备份后，可以在后台软件的配合下删除，也可用软键盘删除。
本实施例所述的控制装置采用了高精度电流采样技术，为了保证电流采集的精度，摒弃了传统的康铜电阻式电流传感器，使用了数字式高精度、低偏移、宽温度、线性霍尔效应直流电流传感器，如图8所示。其原理是：在晶片表面附近设有铜传导通路，电流通过此通路时，产生磁场通过霍尔效应，可被集成霍尔IC感应并转化为成比例电压，经芯片内AD转换后通过SPI口将数据发送至处理器模块。具体芯片选用英飞凌公司的TLI4970数字霍尔传感器，这款芯片具有±55A的电流采集能力，电流采集端(初级)串联在6只MOSFET管的供电端，且初级电流采样端与次级处理器模块-SPI接口没有电气连接，通过其SPI输出数字化的电流数据到U1处理器模块的SPI-1端口，实现了电气隔离，减小了干扰。TLI4970数字霍尔传感器对电机电流进行精确测量，并且使用片内的数字低通滤波器对PWM波形进行积分滤波得到平滑的电流值，根据扭矩与电流的线性关系完成扭矩控制，大大提高了电流的采集精度、温度适应性和稳定性，从而保证了工具的总体性能。
还包括三个软功能开关(图9)和船型正反转开关(图10)，分别与处理器模块通信连接，三个软功能开关K1、K2和K3分别分别定义为：F(功能)、“+”和“-”功能，分别用于扭矩值或转角值的设定、终扭状态、终扭定扭矩定转角工艺方式的选择以及工作次数的清零和存储数据的清零。
为了防止在施工过程中误操作扭矩设定或者转角设定，可以在班前通过蓝牙直接设定扭矩值或者转角值，此时K1、K2和K3三只软功能键的扭矩设置功能和转角设置功能被禁止，防止误操作和人为篡改扭矩设定值和转角值，进一步保证了施工质量。
所述船型正反转开关用于实现无刷直流电机的正反转控制，按下上半部1-1接通，按下下半部1-2接通选择反转，未按下则无动作。
还包括有控制开关，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。
还包括电机电流采样电阻Rs，处理器模块实时采集电机电流采样电阻Rs上的电压值，当电机电流采样电阻Rs上电压由于电机过流而升高到过流门槛时，电机自动关断，实现直流电机的过流保护。
所述无刷直流电机为永磁霍尔传感器无刷式直流电机。
本实施例所述的控制装置采用转速避峰技术，由BLDC电机的转速-电流特性图(图11)可以看出：直流电机在启动的最初几秒钟内，转速未到达额定转速时，会出现超过扭矩设定电流值的启动电流，造成工具未达到扭矩停机，所以电流控制型扳手都具有“避峰电路”，一般采用时间避峰实现，其原理是：设定避峰时间值，在设定的避峰时间内不进行电流判断，当电动机启动时间大于设定避峰时间时进行电流判断，这一时间通常为固定值，这样会造成小扭矩时避峰时间太长产生过冲，大扭矩高速时避峰时间太短工具无法正常启动，限制了扳手的扭矩范围，这是传统工具的缺陷，因此，本实施例所述的控制装置采用的是缓启动技术加自适应转速避峰方式来解决上述问题，具体为：
缓启动技术：启动时电机使用低转速，随时间逐步升高至设定转速，这样使电机的启动电流峰值降低，使小扭矩的扭紧精度得到保证，同时减小了对工具的机械冲击。
自适应转速避峰：BLDC电机的转速-电流特性图可以看出：在电机启动时，其启动电流为正常电流的几倍到几十倍，启动时电磁转矩非常大，可以很快启动，随着转子的加速，电枢电流迅速减小，当转速接近正常设定转速时，电流恢复为正常电流，正常电流可以被用于扭矩控制，这样通过对转子的转速信号FG的频率进行测量，在接近设定的正常转速频率时，开始进行扭矩判断，这是BLDC电机不同于其他电机，独有的转速避峰技术。
本实施例所述的控制装置，其大扭矩对应的扭矩电流值大，可以用较短的缓启动时间和较高的转速判断避峰结束；小扭矩对应的扭矩电流值小，可以用较长的缓启动时间和较低的转速判断避峰结束，这样自适应了大小扭矩的避峰。
在启动避峰时如检测到大于设定扭矩电流，电机不停机，如电流继续升高至大于保护电流值的电流时则电机保护停机，并在OLED上显示“过流保护”，出现这种情况的原因一般是电机转子或定子短路，或者机械部分出现卡转，这样的异常处理有效保护了电路和机械装置，并及时发出预警，避免工具进一步损坏，将异常情况下的损失降到最低，这是完整的缓启动技术加自适应转速避峰技术方案。
基于统计学边缘计算质控数据，质控数据主要包括：扭紧计次、扭矩值、转角值、扭矩转角系数，通过对完成终扭螺栓的“扭矩转角系数”的平均值μ，方差、标准差σ进行计算，对三个标准差(3σ)以外的数据报警，所述扭矩转角系数的计算方式为：扭矩转角系数＝终扭扭矩值/终扭转角值。
质控数据可以有两种办法获得，在没有历史数据的情况下，可由工具通过在施工过程中边缘计算每只螺栓的“扭矩转角系数”，同时利用统计学原理获得平均值、方差等统计数据进行积累当有一定数量的数据时，可得到正常的统计输出；另一种情况是有历史数据的情况下，可以直接通过键盘或蓝牙模块，输入相应的扭矩转角系数数据，如超出范围，则直接在OLED上输出报警信息。后台云计算可以用复杂的数据库配以专用软件完成，也可以使用简单的EXCEL电子表格完成计算，根据具体情况选择即可。统计数据可以通过蓝牙模块或软键盘进行清除或置零。
本实施例所述的电动定扭矩扳手对的螺栓紧固过程可分为以下几步：
(1)按下启动开关，电机缓启动，启动前1-3秒的时间内自适应避峰；
(2)转速逐步升高至设定扭矩规定之转速，连续监视电流、电压，当达到设定扭矩电流时(定扭矩方式)，或达到设定的旋转角度时(定转角方式)，关闭电机完成螺栓紧固；
(3)记录“电流-扭矩-转角”数据，记录完成扭紧的次数。同时各步骤之状态和最后是否到达扭矩(转角)，显示在OLED屏幕之上，并一直保持到下次启动为止，再将最后电流值代表的扭矩值和转角值、及本地边缘计算的统计数据通过蓝牙模块送至PC等终端设备，对扭紧数据进行存储分析，用大数据分析的方法提高质控水平
本实施例所述的控制装置不同于以往的电动定扭矩扳手控制装置，本实施例所述的控制装置使得电动工具可以摆脱了电源的束缚，同时采用新型的直流无刷电机，没有换向器，工作中不产生火花，也没有换向器磨损，提高了工具寿命，大大拓展了扳手的应用范围，综合运用扭矩转速自适应伺服、BLDC电动机电子制动、缓启动技术加自适应转速避峰技术，高精度电流采样技术，大大提高了宽温度条件下的扳手的扭矩适应范围，和扭矩控制精度。电流、温度、电压等多维多级保护，提高了工具的可靠性。灵活的控制方式适用于定扭矩和定转角扭紧等多种螺纹装配工艺，扭紧过程中对扭矩、转角、进行多维控制感知，有着良好的质控能力。对“扭矩转角系数”数据使用统计学原理进行处理，监控施工质量。在实际使用中此款工具的精度可以达到扭矩传感器型扳手的精度和稳定性，而整体成本却低于扭矩传感器型工具，物联网技术和扭紧数据的存储，及统计学原理的应用，使扳手的质控能力大幅度提高，也符合万物互联和大数据的时代趋势。本发明是电动定扭矩扳手的又一次革命性突破，具有里程碑式的意义。
实施例2；
本公开实施例2提供了一种电动定扭矩扳手，包括扳手本体和本公开实施例1所述的用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置。
实施例3：
如图12所示，本公开实施例3提供了一种用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制方法，利用本公开实施例1所述的扳手控制装置，步骤如下：
建立转速和扭矩之间、转速和转角之间以及扭矩值和电流值之间的关系曲线，预设转速值、扭矩值和/或转角值、自适应避峰转速；
按下启动开关，电机启动后在预设转速内自适应避峰；
转速逐步升高至设定扭矩值对应的转速，实时监控电机的电流值、旋转角度和电压值，当电流值达到预设扭矩对应的电流值或旋转角度达到预设转角时，关闭电机，完成螺栓紧固。
电机速度由FG1管脚输出，电机每旋转一圈FG1上输出一个脉冲信号，处理器模块内部设有计数器和定时器，通过对FG1信号计数可以获得工具的转角值，通过测量FG1管脚的频率可以测得电机的转速。
实时感知并采集直流电机的电流值和旋转角度，根据采集到的直流电机的电流值计算终扭扭矩值以及终扭转角值，并计算扭矩转角系数，用于衡量螺栓组的紧固质量，所述扭矩转角系数的计算方式为：扭矩转角系数＝终扭扭矩值/终扭转角值。
通过对扭矩转角系数的平均值、方差和标准差进行计算，对三个标准差以外的数据进行报警，具体为：
当没有历史数据时，在施工过程中边缘计算每只螺栓的扭矩转角系数，同时利用统计学原理进行数据积累，当有一定数量的数据时，得到正常的标准差统计输出，如超出预设范围，则进行报警；
当有历史数据时，直接通过扭矩转角系数历史数据对扭矩转角系数的平均值、方差和标准差进行计算，如超出预设范围，则进行报警。
对大扭矩采用大转速进行扭紧，对小扭矩采用小转速进行扭紧，这样有效的避免了小扭矩的过冲，实现电机转速的自适应伺服；当处理器模块的DIR管脚上为高电平时电机正转，反之DIR管脚上为低电平时电机反转。
处理器模块的PWM端的输出频率为25KHz，占空比为0％-100％，可变占空比信号，通过改变占空比改变直流电机上的电压，根据直流电机调速特性，实现电机转速的自适应伺服控制。
当螺栓紧固完成时，发出电机停止信号，设PWM端为高电平，同时，制动控制端BRAKEZ设为低电平，吸电流的三只NMOS场效应管导通，通过电动机的惯性旋转使电机变为发电机，将电能输送给以吸电流的三只NMOS场效应管的内阻形成的制动电阻，将电能以热能形式消耗掉，从而使电动机迅速停止运转，减小了机械过冲，提高了扭矩控制精度。进一步的为了减少发热，在未到达设定扭矩时的停机不启用停机功能
实时采集和保存扳手的转速、扭矩、电压、电流、转角和状态数据以及配置信息，并将采集到的数据传输到其他电子设备。
通过设置显示模块，并与处理器模块通信连接，用于实时显示扳手工作状态和预设参数，包括扭矩或转角设定值、转速设定值、扭紧完成情况、超温报警、过流报警、工作计次、电池电压及容量信息。
启动时电机使用低转速，随时间逐步升高至设定转速，使电机的启动电流峰值降低，同时大扭矩对应的扭矩电流值大，采用较短的缓启动时间和较高的转速判断避峰结束；小扭矩对应的扭矩电流值小，采用较长的缓启动时间和较低的转速判断避峰结束，实现大扭矩和小扭矩的避峰的自适应控制。
作为可能的一些实现方式，在启动避峰时如检测到电流大于预设扭矩电流，电机不停机，如电流继续升高至大于保护电流值的电流时则保护停机。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置，其特征在于，包括处理器模块、无刷直流电机、伺服控制模块和电流感应模块，所述电流感应模块分别与无刷直流电机和处理器模块连接，用于实时采集无刷直流电机的电流并传输给处理器模块；所述处理器模块通过伺服控制模块与无刷直流电机通信连接，用于根据预设转速、扭矩、转角和接收到的电机电流实现无刷直流电机的转速、方向、转角和扭矩的自适应控制以及实现定扭矩控制和/或定转角控制时的扭矩和转角感知。
2.如权利要求1所述的用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置，其特征在于，所述伺服控制模块包括无刷直流电动机预驱动器和六只NMOS场效应管，所述无刷直流电动机预驱动器分别与处理器模块和六只NMOS场效应管通信连接，用于根据处理器模块的指令给六只NMOS场效应管组成的三相桥提供大电流门极驱动输出，六只NMOS场效应管组成的三相桥与无刷直流电机连接，用于实现无刷直流电动机的三相驱动控制；
进一步的，六只NMOS场效应管共用一只铝制散热器，所述铝制散热器上设有热敏电阻，所述热敏电阻与处理器模块通信连接，用于实时监控NMOS场效应管的温度，并实现温度异常时的报警停机。
3.如权利要求1所述的用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置，其特征在于，还包括充电电池，所述充电电池用于给直流电机供电；
进一步的，还包括充电电池管理模块，所述充电电池管理模块与处理器模块通信连接，用于实时的将电池电量、电压和温度数据传输给处理器模块，当电池电量即将耗尽和电压减低时，或者电池超温时，禁止无刷直流电机的工作。
进一步的，还包括显示模块，所述显示模块与处理器模块通信连接，用于实时显示扳手的工作状态；
进一步的，还包括物联网蓝牙传输模块，所述物联网蓝牙传输模块与处理器模块通信连接，用于将扭矩数据和/或扳手工作状态和/或配置信息和/或充电电池状态实时传输给其他电子设备。
4.如权利要求1所述的用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置，其特征在于，所述电流感应模块为霍尔效应直流电流传感器，用于实现无刷直流电机电流的准确采集；
或，还包括三个软功能开关和船型正反转开关，分别与处理器模块通信连接，三个软功能开关用于扭矩值或转角值的设定、终扭状态、终扭定扭矩定转角工艺方式的选择、工作次数的清零和存储数据的清零，所述船型正反转开关用于实现无刷直流电机的正反转控制；
或，还包括电机电流采样电阻，处理器模块实时采集电机电流采样电阻上的电压值，当电机电流采样电阻上电压由于电机过流而升高到过流门槛时，电机自动关断；
或，所述无刷直流电机为永磁霍尔传感器无刷式直流电机。
5.一种电动定扭矩扳手，其特征在于，包括扳手本体和权利要求1-4任一项所述的用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制装置。
6.一种用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制方法，其特征在于，步骤如下：
建立转速和扭矩之间、转速和转角之间以及扭矩值和电流值之间的关系曲线，预设转速值、扭矩值和/或转角值；
电机启动后在未达到预设转速前自适应避峰；
转速逐步升高至设定扭矩值对应的转速，实时监控电机的电流值、旋转角度和电压值，当电流值达到预设扭矩对应的电流值或旋转角度达到预设转角时，关闭电机，完成螺栓紧固。
7.如权利要求6所述的用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制方法，其特征在于，实时感知并采集直流电机的电流值和旋转角度，根据采集到的直流电机的电流值计算终扭扭矩值以及终扭转角值，并计算扭矩转角系数，用于衡量螺栓组的紧固质量，所述扭矩转角系数的计算方式为：扭矩转角系数＝终扭扭矩值/终扭转角值。
8.如权利要求7所述的用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制方法，其特征在于，通过对扭矩转角系数的平均值、方差和标准差进行计算，对三个标准差以外的数据进行报警，具体为：
当没有历史数据时，在施工过程中边缘计算每只螺栓的扭矩转角系数，同时利用统计学原理进行数据积累，当有一定数量的数据时，得到正常的标准差统计输出，如超出预设范围，则进行报警；
当有历史数据时，直接通过扭矩转角系数历史数据对扭矩转角系数的平均值、方差和标准差进行计算，如超出预设范围，则进行报警。
9.如权利要求6所述的用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制方法，其特征在于，对大扭矩采用大转速进行扭紧，对小扭矩采用小转速进行扭紧，当处理器模块的DIR管脚上为高电平时电机正转，反之DIR管脚上为低电平时电机反转；处理器模块的PWM端的输出频率为25KHz，占空比为0％-100％，可变占空比信号，通过改变占空比改变直流电机上的电压，根据直流电机调速特性，实现电机转速的自适应伺服控制；
或，当螺栓紧固完成时，发出电机停止信号，设PWM端为高电平，同时，制动控制端BRAKEZ设为低电平，吸电流的三只NMOS场效应管导通，通过电动机的惯性旋转使电机变为发电机，将电能输送给以吸电流的三只NMOS场效应管的内阻形成的制动电阻，将电能以热能形式消耗掉，从而使电动机迅速停止运转，在未到达设定扭矩时的停机不启用停机功能以减少发热。
10.如权利要求6所述的用于电动扳手的扭矩转角多维感知控制方法，其特征在于，实时采集和保存扳手的转速、扭矩、电压、电流、转角和状态数据以及配置信息，并将采集到的数据传输到其他电子设备；
或，通过设置显示模块，并与处理器模块通信连接，用于实时显示扳手工作状态和预设参数，包括扭矩或转角设定值、转速设定值、扭紧完成情况、超温报警、过流报警、工作计次、电池电压及容量信息；
或，启动时电机使用低转速，随时间逐步升高至设定转速，使电机的启动电流峰值降低，同时大扭矩对应的扭矩电流值大，采用较短的缓启动时间和较高的转速判断避峰结束；小扭矩对应的扭矩电流值小，采用较长的缓启动时间和较低的转速判断避峰结束，实现大扭矩和小扭矩避峰的自适应控制；
或，在启动避峰时如检测到电流大于预设扭矩电流，电机不停机，如电流继续升高至大于保护电流值的电流时则保护停机。
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