CN111525513A - 一种电动工具的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动工具的控制方法，其中电动工具包括电机和由电机旋转驱动的输出轴，所述输出轴用于输出旋转扭矩来驱动一工作头在一工件上工作，所述控制方法包括：测量随时间变化的用来表示输出轴负载的参数；获得所述参数对时间的导数；判断所述导数是否大于导数阈值；当所述导数大于所述导数阈值时，根据参数值和时间值计算截距，并根据所述截距、所述导数阈值、时间值计算参数阈值；当测量的参数值与所述参数阈值之间满足触发条件时，生成控制信号；根据所述控制信号中断所述电动工具的扭矩输出，自动确保由电动工具的工作头驱动的工作件到达预定位置，并且该工作件不会进一步越过该预定位置。

Description

一种电动工具的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动工具产品领域，具体为一种电动工具的控制方法。

背景技术

不同类型的螺钉具有不同的主体直径，或者具有不同的头部形状，如此，其钻进同一木板中的情形也各不相同。此外，不同的木板由于材质不同使得其硬度也不同，如此，同一螺钉钻进不同材质的木板中的情况也不尽相同。通常在电动螺丝刀的使用过程中，使用者需要将螺钉钻至头部贴近工件的表面，如此，使用者需要非常小心地关注钻进过程，以当螺钉的头部贴近工件的表面时控制电机停转。从而，一方面避免螺钉头部被过深地钻入木板内部，另一方面避免螺钉头部被不小心钻进木板后，由于遭受过大阻力而使电机过载。

通常这种电动工具会设有过载保护装置。这种过载保护装置可以是一种机械式离合器，可在上述电流过载的情况下，使电动工具的工作头与电机脱离配合。采用这种过载保护装置的电动工具通常会同时在其机壳的前部设有一个扭力罩，即一个标有若干刻度的可旋转的罩子。这些刻度表示电动工具工作的极限扭力档位。使用者使用时可预先通过旋转扭力罩来设定电动工具工作的极限扭力值，也就是说，当电动工具工作中输出的扭力矩达到或超过该预先设定的阀值时，离合器系统会自动开始工作而使电动工具的工作头和电机脱离配合。此外，采用这种过载保护装置的电动螺丝刀也可以是在其机壳的前端延伸出一个套管，该套管的前端与电动螺丝刀的工作头的前端基本持平。通过这种设置，当螺钉钻到的其头部贴到木板的表面时，套管的前端部也贴到木板的表面，再进一步钻动螺钉，套管会受到木板的抵压而使其触动机壳内的离合器机构，从而使工作头和电机脱离配合。然而上述机械式离合器结构都较为复杂，制造麻烦，成本较高。

发明内容

本发明提供一种电动工具的控制方法，其可自动确保由电动工具的工作头驱动的工作件到达预定位置，并且该工作件不会进一步越过该预定位置。

为实现上述目的之一，本发明提供一种电动工具的控制方法，其中电动工具包括电机和由电机旋转驱动的输出轴，所述输出轴用于输出旋转扭矩来驱动一工作头在一工件上工作，所述控制方法包括：测量随时间变化的用来表示输出轴负载的参数；获得所述参数对时间的导数；判断所述导数是否大于导数阈值；

当所述导数大于所述导数阈值时，根据参数值和时间值计算截距，并根据所述截距、所述导数阈值、时间值计算参数阈值；

当测量的参数值与所述参数阈值之间满足触发条件时，生成控制信号；根据所述控制信号中断所述电动工具的扭矩输出。

与现有技术相比，本发明通过增加相关的数据处理方法，使得电动工具能更准确的检测工作件是否已到达预定位置，并且在检测到该工作件到达预定位置后执行相应动作，确保其不会进一步越过该预定位置。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

图1是现有的电动螺丝刀工作时的电流与时间的关系曲线图。

图2是图1中电流对时间求导后的导数曲线图。

图3是本发明的电动工具基于第一发明原理的工作原理框图。

图4是电动螺钉到工作时的电流与时间的关系曲线图，其中表示了对应两种不同的工作情形时的两个不同电流i1、i2的曲线。

图5是图4中不同电流i1、i2对时间求导后的导数曲线图。

图6是根据图5中不同电流i1、i2对时间的导数而得到的控制信号s1、s2的曲线图。

图7是本发明的电动工具基于第二发明原理的工作原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明的控制方法可应用于多种类型的电动工具，以下主要以电动螺丝刀为具体实施方式进行说明。

如图1所示的电动螺丝刀工作时电流随时间的变化曲线图。配合参照图3所示，该电动螺丝刀2被使用者按压以驱使工作件14，在本实施方式中该工作件为螺钉，钻入一木板16中。使用者的按压力基本上接近一个常量。其中字母t表示螺钉钻入木板的时间及随之螺钉在木板中相应的位置。字母i表示提供给电动螺丝刀的电机的电流以及随之相应加载在电机上的负载或驱动力。

图1中的曲线包括第一部分A，第二部分K，和第三部分B。其中第一部分A是一段上升曲线，其表示螺钉的主体部分钻入木板的钻进过程，这段上升曲线基本上是线性的，或者可以稍微有些弯曲和波折。紧随着第一部分A的第二部分K也可以称作拐点部分(knee)K。该拐点部分K是一个正向的曲线变化，也就是说，拐点部分K相对于第一部分A有向上倾斜的突变，这表示螺钉的头部开始接触到木板的表面。紧随拐点部分K的是第三部分B，其同样是一段基本上是线性的，或者可以稍微有些弯曲和波折的上升曲线。但曲线B要比曲线A陡峭得多。

事实上，图1中的曲线表示的是没有应用本发明的控制方法进行保护的电动工具的工作情况，所以曲线的第三部分B表示此时电动工具会产生非常高的电流而导致将螺钉的头部钻入木板中。因此，有必要在拐点部分K之后采取必要的措施来避免上述产生过高电流的情形发生。

当螺钉钻至与拐点部分K对应的位置时，继续钻入过程不仅会使螺钉的头部钻入木板中，而且也可能会损坏电机。所以，本发明是基于自动检测拐点部分K，然后在检测到以后自动采取相应的预防措施。

实施例

本发明的一个实施例提供了一种电动工具的控制方法，如图6所示，该方法包括如下步骤：

S1,测量随时间变化的用来表示输出轴负载的参数，该参数包括多种，例如可以是电流、电压、转速等。测量方式可以是以固定周期进行采样。

S2,获得参数对时间的导数，此导数实际上是图1中曲线的斜率。计算导数的方式有多种，具体将在下文中进行详细介绍。

S3,判断获得的导数是否大于导数阈值，该导数阈值可以是预先确定并存储的数值，导数阈值可以是一个或多个。当获得的导数大于导数阈值时执行步骤S4，否则随着运行时间持续计算导数。

S4,根据参数值和时间计算截距。具体地，将时间作为横坐标、参数值作为纵坐标可以确定一条直线，该直线可以采用一阶线性方程来表示,方程中的截距b＝∑Y/N-∑x/N，Y为参数值、x为时间、N为采样点数量，由此当获得了某一时间值和对应的参数值时，即可根据此公式计算出截距b。

随后根据计算出的截距、导数阈值和某一时刻的时间值计算参数阈值Y0，Y0＝k0x+b，其中x为时间值、k0为导数阈值、b为计算出的截距。

作为一个优选的实施方式，本实施例采用当前时刻的参数值和当前时刻的时间值计算截距b，并根据截距、导数阈值和下一时刻的时间值计算参数阈值。

例如在步骤S1、S2中采集到电流I 1 ……I n ，所用时间(采样时段/周期)为T1，并据此计算出斜率K 1 ；如果K1大于斜率阈值K0，步骤S4则根据电流I 1 ……I n 和对应的采样时间t 1 ……t n 计算截距b，并利用截距b、斜率阈值K0、下一时刻t n+1 计算出参数阈值I 0 。

S5，当测量的参数值与参数阈值之间满足触发条件时，生成控制信号。具体地，可以将至少一个时刻测量的参数与计算出的参数阈值进行比对，以确定二者间的差距。测量的实际参数值和参数阈值的差距可以反映电动工具电机的负载状态，当负载状态满足某种预设条件时，可以生成相应的控制信号来改变转速。

S6,根据控制信号中断电动工具的扭矩输出。例如当计算出的参数值符合某种预定条件时，可以生成用于中断输出扭矩的控制信号。螺钉达到预定位置时，上述导数的特征可以通过实验测量获得，并由此可根据将实验数据确定中断扭矩输出的条件。例如根据实验数据设定阈值范围，或者设定变化趋势。当计算出的参数值达到设定的阈值范围或者变化趋势符合预定变化趋势时，控制电机停止输出扭矩，所谓变化趋势是指，计算出的参数值随时间持续增大、持续减小、或者在某一时段内先增大后减小或者先减小后增大等，或者计算出的参数值相对测量得到的参数值的比较结果随时间持续增大、持续减小、或者在某一时段内先增大后减小或者先减小后增大等。

扭矩可以以一种或多种不同方式被中断，包括但不限于中断到电机的功率、降低到电机的功率、有效制动电机或促动设置在电机和输出心轴之间的机械离合器。在一个示例性实施例中，扭矩通过制动电机被中断，由此将紧固件设置在期望位置。

以下介绍常用的三种根据采集的电流生成一阶导数的预设算法。

第一种根据电流生成一阶导数的预设算法为：根据之前采集的电流值对当前采集的电流值进行修正。修正的具体方法为：一旦当前采集到的电流值i n 与之前采集到的电流值i n-1 ，满足第一预设规律，则对i n 进行修正，使得修正后的i n 与i n-1 的数值满足第二预设规律。反之，当i n ≧i n-1 ，则保留i n 本身的数值。以此类推处理所有采集到的电流值。基于修正后的电流值再计算一阶导数值。优选的，一阶导数的计算方法为di/dt＝(i n -i n-1 )/(t n -t n-1 )，其中t n 为采集i n 的时刻点，t n-1 为采集i n-1的时刻点。第一预设规律包括但不限于以下情况：1)i n <i n-1 ；2)i n <i n-1 ，且i n与i n-1 之间满足第一预设函数关系，第一预设函数关系包括但不限于a)i n-1 -i n ≧b,b为任意数值；或b)i n ≦K 1 *i n-1 ,K 1 可以为任意数值，优选的，K 1 ≦1，更为优选的，K 1 为0.5～1之间的任意值。第二预设规律包括但不限于以下情况：1)将i n 的值修正为i n-1 的值，使得i n ＝i n-1 ；2)修正后的i n 与i n-1 之间满足第二预设函数关系，第二预设函数关系包括但不限于a)i n ＝i n-1 +b,b为任意数值；或b)i n ＝K 2 *in-1 ，K 2 可以为任意数值，优选的，K 2 为0.5～1.5之间的任意数值，更为优选的，K 2 ≧1。上述修正基于的原理是，在整个电动工具工作的过程中，默认电流只会增大，不会减小。

第二种根据电流生成一阶导数的预设算法为：将采集到的电流进行分组，每一组至少包括相邻的两个电流值，将每一组内的电流值进行求平均值以代表该组的电流值，基于求平均计算后的电流计算一阶导数。求平均值的方法可以是简单算术平均法、或滑动平均法、或简单算术平均与滑动平均组合的方法。在一种具体的实施例中，将相邻的两个电流值分为一组，通过简单算术平均进行求平均值。设定第一组电流值为i 1 ,i 2 ,第二组电流值为i3,i4，第n组电流值为i n 及i n+1 。对每一组内的电流求平均得到：i 1’ ＝(i 1+i 2 )/2，i 2’ ＝(i 3 +i 4 )/2，i n’ ＝(i n+1 +i n )/2。随后基于经过求平均修正后的电流值i n’ 计算一阶导数值。本领域技术人员可以理解的是，第二组电流值也可以为i2,i3，第n组电流值为i n-1 及i n 。

第三种根据电流生成一阶导数的预设算法为：根据采集到的电流，借助线性回归的算法获得电流的一阶导数。在一个示例性实施例中，线性回归分析可用于计算斜率。在散布图中，散点数据的最佳拟合线由方程y＝a+bx限定，此处最佳拟合线的斜率可以为确定为k＝(∑xy-(∑x∑y)/n)/(∑x 2 -(∑x) 2 /n)，n为数据点的数量，y为电流值，截距bn＝∑y/n-∑x/n。基于上述公式获得k，使得di/dt＝k，从而计算出一阶导数。再根据一阶导数是否满足前述的预设条件判断是否执行步骤S4。

在一个具体实施方式中，可以采用线性回归法计算上述导数，即依据线性回归方程，用最小二乘法求出斜率。具体地，计算导数k＝(∑xy-(∑x∑y)/n)/(∑x 2 -(∑x) 2 /n)，n为数据点的数量，y为负载参数，截距bn＝∑y/n-∑x/n。

在另一个具体实施方式中，可以采用逐差法计算上述导数。具体地，参数对时间的一阶导数k1＝di/dt＝(i n -i n-1 )/(t n -t n-1 ),其中t n 和t n-1 为两个相邻的采集参数的时间点，i n 和i n-1 分别为在t n 和t n-1 时采集到的参数。

在利用上述逐差法计算导数时，还可以对计算过程做进一步优化，即上述步骤S2可以包括如下步骤：

S21，根据对相邻的采集时间点采集的参数进行比对的结果，对参数进行筛选；

S22，根据筛选出的参数利用逐差法计算导数。下面以一个实例对筛选和计算过程进行详细介绍：

例如有连续采集的参数i 1 ……i n ，以及采集时间t 1 ……t n ，计算导数时，首先将相邻两个时间点采集的参数进行比对，如i 2 和i 1 进行比较，如果i 2 大于或等于i 1则计算k1＝(i 2 -i 1 )/(t 2 -t 1 )；如果i 2 小于i 1 ，则舍弃i 2 ，继续获取i 3 ，然后比对i 3 和i 1 ，如果i 3 仍小于i 1 ，则舍弃i 3 ，直至找到大于i 1 的参数再利用逐差法进行导数计算，使得导数k1为非负值。

上述对逐差法进行优化的过程在本领域中又称为抛点法，即抛弃不符合预设规则的数据，采用有效数据进行求导计算。在本发明实施例中，从螺钉接触到木板时开始，电动工具的负载参数理论上应当是持续提高的，只是提高的速率不确定，即i n 应当大于i n-1，k1大小不确定，但为非负值，而不应当出现i n 小于i n-1 的情况，如果出现了这种情况，则表示当前采集到的电流异常。造成异常的原因可能有多种，本发明实施例不应将这种参数纳入计算范围，所以应用这种抛点计算方法抛弃某些不符合规则的参数，使计算出的导数为非负值，由此提高控制操作的准确性。

在一个较佳实施例中，在上述步骤S3之前还可以执行如下步骤：

S0，根据测量的参数值(测量的电流值)确定导数阈值和触发条件。根据任一时间点计算的电流值，可以确定一个导数阈值。

具体可以通过查表方式进行确定，即预设一个导数阈值对照表，其中不同的负载参数(电流)范围对应不同的导数阈值，由此则可以根据实际工况确定一个最合适的导数阈值，更接近实际工况，并由此进一步提高停机控制的效率。

本发明所述的触发条件是与参数相关的条件。本领域技术人员可以理解，改变电动工具转速的触发条件通常不是简单一次的阈值比较结果，而是连续多次的一系列比较结果。并且对于不同的工况，触发条件也是不同的。因此在本领域中，触发条件有多种，与导数阈值相似地，触发条件也是可以根据当前测量到的负载参数确定的。

进一步地，当测量的负载参数大于第一负载时，确定导数阈值为第一导数阈值；当测量的负载参数小于第一负载时，确定导数阈值为第二参数阈值，其中第二导数阈值小于第一导数阈值。即计算出的负载参数较大时，导数阈值较大；计算出的负载参数较小时，导数阈值较小。

更进一步地，当测量的负载参数大于第一负载时，上述触发条件可以是在N个连续的时间点测量的参数值均大于所述参数阈值。例如在ims、(i+25)ms、(i+75)ms、(i+100)ms这5个时间点测量的参数值均大于计算出的参数阈值，则中断输出扭矩。

当测量的负载参数小于第一负载时，触发条件可以是在N个连续的时间点中的前M个时间点测量的参数值均大于参数阈值，且后N-M个时间点测量的参数值至少部分小于参数阈值。例如在ims、(i+25)ms、(i+75)ms这3个时间点测量的参数值均大于计算出的参数阈值，且(i+100)ms、(i+125)ms这2个时间点测量的参数值均小于计算出的参数阈值，则中断输出扭矩。

上述优选方案针对不同的工况设定不同的导数阈值和停机触发条件，以适应不同的工作环境，并由此提高自动控制操作的准确度和效率。

导数阈值优选为包括至少3种不同的导数阈值，且至少部分不同的导数阈值所对应的触发条件不相同，例如有3个不同的导数阈值K x 、K y 、K z 其中I x 可以对应第一触发条件，而K y 和K z 对应第二触发条件。更为优选的，根据不同的工况设定3至9种不同的导数阈值。当根据负载的大小，设置9种不同的导数阈值K 1 ～K 9 时，其中K 1 和K 2对应相同的触发条件，K 3 ～K 5 对应相同的触发条件，K 6 ～K 9 分别对应不同的触发条件。当然，也可能是其他对应关系，在此不再一一列举。

进一步地，上述步骤S5可以包括如下步骤：

S51，分别将随时间测量的N个相邻的参数值与参数阈值进行比较。例如在电机开始运行后的第ims计算出参数阈值，并且第ims测量的参数为40、(i+25)ms测量的参数为50、(i+50)ms测量的参数为60、(i+75)ms测量的参数为65、(i+100)ms测量的参数为70，在ims、(i+25)ms、(i+75)ms、(i+100)ms这5个时间点，分别判断测量的参数值与计算出的参数阈值的关系。

S52，判断比较结果是否符合所述触发条件，并当比较结果符合触发条件时，中断所述电动工具的扭矩输出。在导数阈值确定后，上述一系列比较中，可能在某些时间点测量的参数大于计算出的参数阈值、在另一些时间点测量的参数小于计算出的参数阈值，这一系列比较结果能够形成一个参数对比结果变化趋势，如果这一变化趋势符合之前确定的停机条件，则生成用于中断扭矩输出的控制信号。

在一个具体实施例中，可以使用计数器来衡量上述参数对比关系的变化趋势。具体地，在将计算的参数阈值与测量的参数比较后，可以根据比较结果对计数器数值进行不同的修改，即增大或减小计数器的值，同时分别记录上述5个时间点时的计数器数值。

假设计数器数值初始为0，且修改规则是测量的参数大于计算出的参数阈值时加1、反之减1，计数器数值为0时不减，则计数器数值在上述5个时间点时依次为0、1、2、3、4，可以看出计数器的数值在不断增大，由此可以将计数器数值的变化走势与预先确定的触发条件进行比较，如果符合触发条件则中断所述电动工具的扭矩输出。

上述实施方式中，以电机的电流作为检测参数来表示输出轴(即图7中位于夹头10和离合器系统12之间的连接轴)的负载，也就是说，当螺钉在拧入木板的过程中，输出轴会受到阻力矩，通过检测电流就可以反映阻力矩的变化，从而判断螺钉是否已完全拧入木板中。当然，本领域技术人员可轻易想到的是，用来表示输出轴负载的参数并不限于电流，还可以是电压，如检测与电机串联的电阻上的压降；或者是转速，如采用霍耳效应检测元件(Hall Sensor)来检测电机或输出轴的转速；或者是电机的效率，如通过计算电机的输出和输入功率比来检测电机的效率。

上述以电动螺丝刀为例进行说明，当然，本发明的控制方法也可以应用于其他电动工具，如电钻、电动扳手等。由于这种应用对于本领域的普通技术人员而言，可通过上述实施方式轻易实现，所以申请人在此不再予以赘述。

Claims (10)

1.一种电动工具的控制方法，其中电动工具包括电机和由电机旋转驱动的输出轴，所述输出轴用于输出旋转扭矩来驱动一工作头在一工件上工作，其特征在于，所述控制方法包括： 测量随时间变化的用来表示输出轴负载的参数； 获得所述参数对时间的导数； 判断所述导数是否大于导数阈值； 当所述导数大于所述导数阈值时，根据参数值和时间值计算截距，并根据所述截距、所述导数阈值、时间值计算参数阈值； 当测量的参数值与所述参数阈值之间满足触发条件时，生成控制信号； 根据所述控制信号中断所述电动工具的扭矩输出。

2.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于：所述获得所述参数对时间的导数，包括： 获得测量的参数的平均值； 利用所述平均值计算所述参数对时间的导数。

3.根据权利要求2所述的控制方法,其特征在于：所述根据参数值和时间值计算截距，并根据所述截距、所述导数阈值、时间值计算参数阈值的步骤为：根据当前时刻的参数值和当前时刻的时间值计算截距，并根据所述截距、所述导数阈值、下一时刻的时间值计算参数阈值。

4.根据权利要求3所述的控制方法,其特征在于：所述平均值是根据复合平均算法计算得到的，所述复合平均算法包括至少两种平均算法的组合。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述复合平均算法为算术平均算法与滑动平均算法的组合。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述获得所述参数的平均值的步骤，包括： 运用算术平均算法计算所述参数的平均参数； 运用滑动平均算法计算平均参数的平均值。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述运用滑动平均算法计算平均参数的平均值的步骤具体为，运用滑动平均算法迭代N次计算平均参数的平均值，其中N≥2，迭代的具体操作为将前一次平均运算的结果作为下一次平均运算的数据源，所述导数是利用线性回归法获得的。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述当测量的参数值与所述参数阈值之间满足触发条件时，生成控制信号的步骤，包括： 分别将随时间测量的N个相邻的参数值与所述参数阈值进行比较； 判断比较结果是否符合所述触发条件，并当所述比较结果符合所述触发条件时，成相应的控制信号。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当测量的参数值大于第一负载时，所述导数阈值为第一导数阈值；当所述参数的值小于第一负载时，所述导数阈值为第二导数阈值，所述第二导数阈值小于所述第一导数阈值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当测量的参数值大于第一负载时，所述触发条件为在所述N个连续的时间点测量的参数值均大于所述参数阈值，当测量的参数值小于第一负载时，所述触发条件为在所述N个连续的时间点中的前M个时间点测量的参数值均大于所述参数阈值，且后N-M个时间点测量的参数值至少部分小于所述参数阈值，所述导数阈值包括至少2种不同的导数阈值，至少部分不同的导数阈值所对应的所述触发条件不相同。

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