CN110809504A

CN110809504A - 冲击式电动工具

Info

Publication number: CN110809504A
Application number: CN201880039647.1A
Authority: CN
Inventors: 米田文生
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-06-16
Filing date: 2018-04-17
Publication date: 2020-02-18
Also published as: EP3639976A1; WO2018230141A1; EP3639976A4; US20200130153A1; JPWO2018230141A1

Abstract

一种冲击式电动工具，具备与电动机连结的敲击机构和控制电动机的动作的控制部，其中，控制部具备速度控制部或电流控制部，所述速度控制部或所述电流控制部对由敲击机构引起的电动机的负荷扭矩的周期性的变动进行补偿，从而将电动机的转速保持固定。速度控制部或电流控制部具备对电动机的负荷扭矩的变动进行补偿的重复补偿器或共振型滤波器，根据有助于电动机的扭矩产生的电流的脉动成分，来获得由敲击机构引起的电动机的负荷扭矩变动的频率或周期。

Description

冲击式电动工具

技术领域

本公开涉及一种冲击式电动工具，该冲击式电动工具例如具备控制电动机的电动机控制部。

背景技术

近年来，在紧固工具中大多使用冲击式电动工具，该冲击式电动工具能够将电动机的旋转变换为锤的敲击，并利用该强冲击力进行紧固作业。与仅使用了减速器的以往的旋转工具相比，该冲击式电动工具具有小型、高效率、高扭矩、低反作用力且对作业人员造成的负担小等特征。

但是，另一方面，存在噪音、振动、敲击机构以及电动机的协调控制等问题。作为该问题解决方法的一例，例如在专利文献1中提出了一种检测电动机的转速的极小值或者电流的极大值来改变PWM占空比的方法，在专利文献2中提出了一种根据电动机的旋转来检测冲击，从而减少对电动机的电力供给的方法。

另外，例如在专利文献3中公开了如下一种冲击式电动工具：切断用于维持冲击式的旋转的不必要的电力，并且具有高冲击式敲击力。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5115904号公报

专利文献2：日本专利第4484447号公报

专利文献3：日本专利第3791229号公报

专利文献4：日本专利第4480696号公报

专利文献5：日本专利第4198162号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，在专利文献1～3所涉及的方法中存在以下问题：在因落位、贯穿等导致负荷扭矩发生骤变的情况下，电动机的转速和电流发生骤变，电动机控制、敲击动作本身变得不稳定，或者由于控制的不协调而发生电动机的失步、停止、敲击机构的破损等。

本公开的目的在于解决以上问题，并提供如下一种冲击式电动工具：能够通过对电动机和敲击机构进行协调控制来使电动机的转速稳定化，能够产生更加有效的敲击和更加稳定的紧固扭矩，从而能够防止电动机的失步、敲击机构的破损。

用于解决问题的方案

本公开的一个方式所涉及的冲击式电动工具具备：电动机、与所述电动机连结的敲击机构以及控制所述电动机的动作的控制部，

所述控制部具备速度控制部或电流控制部，所述速度控制部或所述电流控制部通过对由所述敲击机构引起的所述电动机的负荷扭矩的周期性的变动进行补偿，来将所述电动机的转速保持固定。

发明的效果

根据本公开所涉及的冲击式电动工具，能够对由冲击式电动工具所特有的敲击机构引起的电动机的负荷扭矩的周期性的变动进行补偿，从而能够使电动机的转速更加稳定。因此，能够产生更加有效的敲击和更加稳定的紧固扭矩，除此以外，还能够防止电动机的失步、敲击机构的破损。

附图说明

图1是示出本公开的实施方式1所涉及的冲击式电动工具的结构例的框图。

图2是图1的冲击式电动工具的电动机1的解析模型图。

图3是示出图1的冲击式电动工具的详细结构例的框图。

图4是示出图3的速度控制部17的详细结构例的框图。

图5是示出变形例所涉及的速度控制部17A的详细结构例的框图。

图6是用于说明在图5的速度控制部17A中降低速度变动的原理的曲线图。

图7是示出图5的共振型滤波器54的振幅以及相位的频率特性的曲线图。

图8是示出其它实施方式的电流控制部15的详细结构例的框图。

图9是示出其它实施方式的电流控制部15A的详细结构例的框图。

具体实施方式

以下，参照附图来具体地说明本公开的实施方式。在所参照的各图中，对相同的部分标注相同的附图标记，原则上省略与相同的部分有关的重复的说明。另外，在所参照的各图中，标注有相同的符号(θ、ω等)的要素相同。另外，为了简化说明，有时仅用符号来标记状态量等。也就是说，例如有时将“估计电动机速度ω_e”仅记为“ω_e”，但两者的含义相同。

图1是示出本公开的实施方式1所涉及的冲击式电动工具的结构例的框图。在图1中，实施方式1所涉及的冲击式电动工具例如是冲击式电动螺丝刀、冲击式电动扳手等，构成为具备电动机1、逆变器电路部2、电动机控制部3、主轴4、锤5、砧座(anvil)6以及用户接口部(UI部)7。

在图1中，电动机1例如由在转子(未图示)设置有永磁体、在定子(未图示)设置有电枢绕组的三相永磁体同步电动机构成。在以下的说明中，在简称为电枢绕组和转子的情况下，它们分别指设置于电动机1的定子的电枢绕组和电动机1的转子。电动机1例如是以嵌入磁体型同步电动机(IPMSM)为代表的凸极机(具有凸极性的电动机)，但也可以是非凸极机。在此，电动机1的旋转轴经由主轴4与锤5连结，利用电动机1使主轴4旋转，锤5伴随主轴4的旋转而进行旋转。然后，由旋转的锤5敲击砧座6，由锤5产生的冲击式敲击经由砧座6被传递到例如螺丝刀刀头等被加工构件。因而，主轴4、锤5以及砧座6构成敲击机构。

逆变器电路部2根据电动机1的转子位置向电动机1的电枢绕组供给由U相、V相以及W相构成的三相交流电压。将被供给到电动机1的电枢绕组的电压设为电动机电压(电枢电压)V_a，将从逆变器电路部2供给到电动机1的电枢绕组的电流设为电动机电流(电枢电流)I_a。

电动机控制部3例如具有无位置传感器控制功能，使用电动机电流I_a估计电动机1的转子位置和转速等，并向逆变器电路部2提供用于使电动机1以期望的转速旋转的信号。此外，在用户接口部7中预先设定该期望的转速，与用户操作的触发开关(未图示)连动地向电动机控制部3输出该期望的转速，来作为电动机速度指令值ω^*。

图2是图1的冲击式电动工具的电动机1的解析模型图。在图2中示出了U相、V相、W相的电枢绕组固定轴。在以与构成电动机1的转子的永磁体1a所产生的磁通相同的速度旋转的旋转坐标系中，将永磁体1a所产生的磁通的方向设为d轴，将与d轴对应的控制上的估计轴设为γ轴。另外，虽然未图示，但将从d轴起超前了90度电角的相位设为q轴，将从γ轴起超前了90度电角的相位设为估计轴、即δ轴。将选择d轴和q轴来作为坐标轴的旋转坐标系的坐标轴称为d-q轴(实轴)。控制上的旋转坐标系(估计旋转坐标系)是选择γ轴和δ轴来作为坐标轴的坐标系，将该坐标轴称为γ-δ轴。

d-q轴进行旋转，将其转速(即，电动机1的转子的转速)称为实际电动机速度ω。γ-δ轴也进行旋转，将其转速称为估计电动机速度ω_e。另外，在某个瞬间正在旋转的d-q轴中，以U相的电枢绕组固定轴为基准，利用θ(实际转子位置θ)表示d轴的相位。同样地，在某个瞬间正在旋转的γ-δ轴中，以U相的电枢绕组固定轴为基准，利用θ_e(估计转子位置θ_e)表示γ轴的相位。于是，d轴与γ轴的轴误差Δθ(d-q轴与γ-δ轴的轴误差Δθ)用Δθ＝θ-θ_e表示。此外，参数ω_*、ω以及ω_e用电角速度表示。

在以下的叙述中，分别用γ轴电压v_γ、δ轴电压v_δ、d轴电压v_d以及q轴电压v_q表示电动机电压V_a的γ轴成分、δ轴成分、d轴成分以及q轴成分，分别用γ轴电流i_γ、δ轴电流i_δ、d轴电流i_d以及q轴电流i_q表示电动机电流I_a的γ轴成分、δ轴成分、d轴成分以及q轴成分。

另外，R_a是电动机电阻(电动机1的电枢绕组的电阻值)，L_d、L_q分别是d轴电感(电动机1的电枢绕组的电感的d轴成分)、q轴电感(电动机1的电枢绕组的电感的q轴成分)，Φ_a是由永磁体1a产生的电枢交链磁通。此外，L_d、L_q、R_a以及Φ_a是制造用于冲击式电动工具的电动机驱动系统时所确定的值，这些值在电动机控制部3的运算中使用。

图3是示出图1的冲击式电动工具的详细结构例的框图。在图3中，电动机控制部3构成为具备电流检测器11、坐标变换器12、减法器13、减法器14、电流控制部15、磁通控制部16、速度控制部17、坐标变换器18、减法器19、位置速度估计部20、失步检测部21以及扭矩脉动周期估计部22。

电流检测器11例如由霍尔元件等构成，检测从逆变器电路部2向电动机1供给的电动机电流I_a的U相电流(流过U相的电枢绕组的电流)i_U和V相电流(流过V相的电枢绕组的电流)i_V。此外，也可以通过在逆变器电路部2中组装分流电阻等的各种现有的电流检测方式来检测这些电流。坐标变换器12接收来自电流检测器11的U相电流i_U和V相电流i_V的检测结果，基于来自位置速度估计部20的估计转子位置θ_e并通过下式(1)将它们变换为γ轴电流i_γ(控制电动机的磁通的电流)和δ轴电流i_δ(与电动机的供给扭矩成正比，直接有助于电动机的旋转扭矩的产生的电流)。

[数1]

位置速度估计部20估计并输出估计转子位置θ_e和估计电动机速度ω_e。关于估计转子位置θ_e和估计电动机速度ωe的估计方法，例如能够使用专利文献4所公开的方法。

扭矩脉动周期估计部22根据δ轴电流iδ的脉动成分的频率或周期来确定由冲击式电动工具中的敲击机构引起的电动机的负荷扭矩的周期性的变动的频率或周期，并输出到后述的重复补偿器53和共振型滤波器54。

δ轴电流是与电动机的供给扭矩成正比的、直接有助于电动机的旋转扭矩的产生的电流。因此，通过检测该电流的脉动成分的频率或周期，能够确定由冲击式电动工具中的敲击机构引起的电动机的负荷扭矩的周期性的变动的频率或周期。

此外，关于δ轴电流的脉动成分的频率或周期的检测，例如在利用带通滤波器等对δ轴电流进行滤波处理后，检测该信号的零交叉，并测量该零交叉信号的时间间隔等即可。

减法器19从由用户接口部7提供的电动机速度指令值ω^*减去由位置速度估计部20提供的估计电动机速度ω_e，并输出作为该相减结果的速度误差(ω^*-ω_e)。速度控制部17基于减法器19的相减结果(ω^*-ω_e)，例如使用PI(Proportional Intergral：比例积分)控制器52和重复补偿器53(图4)来生成δ轴电流指令值i_δ ^*。δ轴电流指令值i_δ ^*表示作为电动机电流I_a的δ轴成分的δ轴电流i_δ应追随的电流的值。磁通控制部16输出γ轴电流指令值i_γ ^*。此时，根据需要，参照δ轴电流指令值i_δ ^*和估计电动机速度ω_e。γ轴电流指令值i_γ ^*表示作为电动机电流I_a的γ轴成分的γ轴电流i_γ应追随的电流的值。

减法器13从由磁通控制部16输出的γ轴电流指令值i_γ ^*减去由坐标变换器12输出的γ轴电流i_γ，来计算作为相减结果的电流误差(i_γ ^*-i_γ)。减法器14从由速度控制部17输出的δ轴电流指令值i_δ ^*减去由坐标变换器12输出的δ轴电流i_δ，来计算作为相减结果的电流误差(i_δ ^*-i_δ)。

电流控制部15接收由减法器13和14计算出的各电流误差，以使γ轴电流i_γ追随γ轴电流指令值i_γ ^*且使δ轴电流i_δ追随δ轴电流指令值i_δ ^*的方式计算γ轴电压指令值v_γ ^*和δ轴电压指令值v_δ ^*并输出。

坐标变换器18基于从位置速度估计部20提供的估计转子位置θ_e来进行γ轴电压指令值v_γ ^*和δ轴电压指令值v_δ ^*的逆变换，从而生成由表示电动机电压V_a的U相成分、V相成分以及W相成分的U相电压指令值V_U ^*、V相电压指令值V_V ^*以及W相电压指令值V_W ^*构成的三相的电压指令值，并将它们输出到逆变器电路部2。在该逆变换中使用下式(2)。

[数2]

v_w ^*＝-(v_u ^*+v_v ^*)

逆变器电路部2基于表示要对电动机1施加的电压的三相的电压指令值(v_U ^*、v_v ^*以及v_w ^*)来生成被脉宽调制后的信号，将与该三相的电压指令值(v_U ^*、v_v ^*以及v_w ^*)相应的电动机电流I_a供给到电动机1的电枢绕组来驱动电动机1。

失步检测部21使用与由位置速度估计部20采用的转子的转速的估计方式不同的估计方式(例如，参照专利文献5)来估计转子的转速，在它们的差异大的情况下视为失步，从而使电动机1强制停止。

图4是示出图3的速度控制部17的详细结构例的框图。在图4中，速度控制部17构成为具备加法器51、PI控制器52以及重复补偿器53。

如在现有技术中所说明的那样，由敲击机构引起的负荷扭矩的周期性的变动使电动机的速度控制、电流控制变得不稳定，最终还影响到敲击。因此，如何事先对由该周期性的扭矩变动引起的速度控制的延迟进行补偿成为重点。在本实施方式中，速度控制部17的特征在于，特别是基于与负荷扭矩的变动对应的一个周期前的速度偏差来产生具有重复补偿值ω_erc的重复补偿信号，并对该电动机1的速度指令值与速度估计值之间的速度偏差(ω^*-ω_e)加上该重复补偿信号，由此对所述电动机的负荷扭矩的变动进行补偿。

在图4中，加法器51针对电动机1的速度指令值与速度估计值之间的速度偏差(ω^*-ω_e)产生来自重复补偿器53的具有重复补偿值ω_erc的重复补偿信号，并将该重复补偿信号输出到PI控制器52和重复补偿器53。PI控制器52基于所述速度偏差(ω^*-ω_e)与重复补偿值ω_erc的相加值，例如使用公知的PI(Proportional Intergral)控制方法来生成并输出δ轴电流指令值i_δ*。另外，重复补偿器53使用下式(3)产生具有重复补偿值ω_erc的重复补偿信号，并将该重复补偿信号输出到加法器51。

ω_erc＝ω_er×e^-Ls…(3)

在此，L是扭矩脉动的周期，s是拉普拉斯运算符，e是自然对数的底。

重复补偿控制例如是用于对在机器人的重复动作中出现的周期性的目标信号进行追随或用于去除与在电动机等旋转系统中产生的转速同步的周期性的外部干扰的有效的控制系统，基本的想法是伺服系统所要求的“内部模型原理”，成为在反馈内具有周期信号的发生器的模型的伺服系统。其特征点在于利用了一个周期前的偏差信号，是通过持续进行重复动作来减少速度偏差的学习控制系统的一种。

根据使用了图4的重复补偿的PI控制方法，由于电动机1的转速更加稳定，因此能够产生有效的敲击和稳定的紧固扭矩。另外，除此以外，也能够防止电动机1的失步、敲击机构的破损等。

如以上所说明的那样，在本实施方式中，速度控制部17特别是基于具有与负荷扭矩的偏差对应的速度偏差ω_er的一个周期前的负荷扭矩的偏差信号，产生具有重复补偿值ω_erc的重复补偿信号，并对所述电动机1的速度指令值与速度估计值之间的速度偏差(ω^*-ω_e)加上该重复补偿信号，由此能够对所述电动机1的负荷扭矩的变动进行补偿。

因此，即使电动机的负荷扭矩由于敲击机构而周期性地脉动，也能够将电动机的转速动态地保持固定，例如在冲击式电动工具中能够产生更加有效的敲击和更加稳定的紧固扭矩。除此以外，还能够防止电动机的失步、主轴4过度后退而与障壁碰撞后破损等敲击机构的破损。

图5是示出取代图4的速度控制部17而设置的、变形例所涉及的速度控制部17A的详细结构例的框图。在图5中，速度控制部17A构成为具备PI控制器52、共振型滤波器54以及加法器55。

在图5中，PI控制器52基于所述速度偏差(ω^*-ω_e)，并使用例如公知的PI(Proportional Intergral)控制方法来生成正常的δ轴电流指令值i_δ ^*(S5)，并输出到加法器55。共振型滤波器54基于所述速度偏差(ω^*-ω_e)，例如使用下式(4)来产生对负荷扭矩的周期性的脉动进行补偿的消除值i_qc(S6)，并输出到加法器55。在加法器55中，对正常的δ轴电流指令值i_δ ^*加上消除值i_qc，并作为速度控制部17A的操作量输出到后级。

i_qc＝(ω^*-ω_e)×F(ω_r)…(4)

在此，F(ω_r)是共振型滤波器54的传递函数，用下式(11)表示。

[数3]

在此，ω_r是扭矩脉动的角速度(频率)，b₀和ξ分别是规定的常数，s是拉普拉斯运算符。

图6是用于说明在图5的速度控制部17A中降低速度变动的原理的曲线图，图7是示出图5的共振型滤波器54的振幅以及相位的频率特性的曲线图。

在降低速度变动的图6的原理图中，理想的电流指令值S1和现实的电流指令值S2由于控制的延迟等而产生电流指令值的偏差S3。由于该电流指令值的偏差S3而产生了速度变动S4，但为了降低该速度变动S4，需要产生用于消除电流指令的偏差S3的消除信号S6。

在此，与目标之间的速度偏差S5同消除信号S6的关系是，相对于与目标之间的速度偏差S5，消除信号S6的相位超前了90度。在本方法中，为了生成超前了90度的消除信号S6，使用了具有上述式(11)的传递函数F(ω_r)的共振型滤波器54。

该传递函数F(ω_r)的频率特性如图7那样，能够生成具有一个共振点、仅提取该共振点处的频率成分、并仅使该频率成分的相位超前90度的波形。在图5中，向共振型滤波器54输入速度偏差(ω^*-ω_e)，从共振型滤波器54输出消除值i_qc。由于该消除值i_qc作用在消除速度偏差的方向上，因此电动机1的转速稳定。

根据如上述那样构成的变形例，所述速度控制部17A从所述电动机1的速度指令值与速度估计值之间的速度偏差提取规定的共振频率的成分，将该共振频率的成分作为对所述负荷扭矩的周期性的变动进行补偿的消除值来与所述速度控制部17A的操作量相加，由此能够对所述电动机的负荷扭矩的变动进行补偿。

图8是示出其它实施方式中的电流控制部15的详细结构例的框图。在图8中，电流控制部15构成为具备加法器51、PI控制器52以及重复补偿器53。

在本实施方式中，电流控制部15的特征在于具备重复补偿部，该重复补偿部基于一个周期前的负荷扭矩的电流偏差产生重复补偿值，对所述电动机的电流指令值与电流估计值之间的电流偏差加上该重复补偿值，由此对所述电动机的负荷扭矩的变动进行补偿。

本实施方式的电流控制部15特别是基于具有与负荷扭矩的变动对应的电流偏差的一个周期前的电流偏差信号产生具有重复补偿值的重复补偿信号，对所述电动机1的电流指令值与电流估计值之间的电流偏差加上该重复补偿信号，由此能够对所述电动机1的负荷扭矩的变动进行补偿。

图9是示出其它实施方式中的电流控制部15的变形例所涉及的电流控制部15A的详细结构例的框图。在图9中，电流控制部15A构成为具备PI控制器52、共振型滤波器54以及加法器55。

在本实施方式中，电流控制部15A的特征在于具备共振型滤波器，该共振型滤波器从电动机的电流指令值与电流估计值之间的电流偏差提取规定的共振频率的成分，将该共振频率的成分作为对所述负荷扭矩的周期性的变动进行补偿的消除值来与所述电流控制部的操作量相加，由此对所述电动机的负荷扭矩的变动进行补偿。

本实施方式的电流控制部15A从电动机的速度指令值与速度估计值之间的速度偏差提取规定的共振频率的成分，将该共振频率的成分作为对所述负荷扭矩的周期性的变动进行补偿的消除值来与所述电流控制部15A的操作量相加，由此能够对所述电动机的负荷扭矩的变动进行补偿。

附图标记说明

1：电动机；2：逆变器电路部；3：电动机控制部；4：主轴；5：锤；6：砧座；7：用户接口部(UI部)；11：电流检测器；12：坐标变换器；13、14：减法器；15：电流控制部；16：磁通控制部；17、17A：速度控制部；18：坐标变换器；19：减法器；20：位置速度估计部；21：失步检测部；22：扭矩脉动周期估计部；51：加法器；52：PI控制器；53：重复补偿器；54：共振型滤波器；55：加法器。

Claims

1.一种冲击式电动工具，具备电动机、与所述电动机连结的敲击机构以及控制所述电动机的动作的控制部，所述冲击式电动工具的特征在于，

所述控制部具备速度控制部或电流控制部，所述速度控制部或所述电流控制部通过对由所述敲击机构引起的所述电动机的负荷扭矩的周期性的变动进行补偿来将所述电动机的转速保持固定。

2.根据权利要求1所述的冲击式电动工具，其特征在于，

所述速度控制部具备重复补偿部，所述重复补偿部基于一个周期前的负荷扭矩的速度偏差来产生重复补偿值，对所述电动机的速度指令值与速度估计值之间的速度偏差加上该重复补偿值，由此对所述电动机的负荷扭矩的变动进行补偿。

3.根据权利要求1所述的冲击式电动工具，其特征在于，

所述速度控制部具备共振型滤波器，所述共振型滤波器从所述电动机的速度指令值与速度估计值之间的速度偏差提取规定的共振频率的成分，将该共振频率的成分作为对所述负荷扭矩的周期性的变动进行补偿的消除值来与所述速度控制部的操作量相加，由此对所述电动机的负荷扭矩的变动进行补偿。

4.根据权利要求1所述的冲击式电动工具，其特征在于，

所述电流控制部具备重复补偿部，所述重复补偿部基于一个周期前的负荷扭矩的电流偏差来产生重复补偿值，对所述电动机的电流指令值与电流估计值之间的电流偏差加上该重复补偿值，由此对所述电动机的负荷扭矩的变动进行补偿。

5.根据权利要求1所述的冲击式电动工具，其特征在于，

所述电流控制部具备共振型滤波器，所述共振型滤波器从所述电动机的电流指令值与电流估计值之间的电流偏差提取规定的共振频率的成分，将该共振频率的成分作为对所述负荷扭矩的周期性的变动进行补偿的消除值来与所述电流控制部的操作量相加，由此对所述电动机的负荷扭矩的变动进行补偿。

6.根据权利要求1所述的冲击式电动工具，其特征在于，

根据有助于所述电动机的扭矩产生的电流的脉动成分的频率或周期来获得由所述敲击机构引起的所述电动机的负荷扭矩的周期性的变动的频率或周期。