CN204913826U

CN204913826U - 电动工具

Info

Publication number: CN204913826U
Application number: CN201520113304.9U
Authority: CN
Inventors: 河野祥和; 小泉俊彰; 今村隆一; 丰岛祐一
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Machine holding company
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2015-02-16
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2025-02-16
Also published as: JP2015160280A; DE202015100350U1

Abstract

一种电动工具，包括：电机；控制器，其被配置为通过预设的反馈控制来控制电机的转数；和增益设置信息输入装置，其用于将预设的反馈控制的增益设置信息输入到控制器中。

Description

电动工具

技术领域

本发明涉及一种诸如台式圆锯和研磨机等电动工具。

背景技术

关于控制电动工具中电机的转数的方法，即使在负载发生变化时也将电机保持在设定转数的恒定转数控制已为我们所熟知。该恒定转数控制是一种通过转数检测装置检测电机的转数并将检测到的结果与设定的转数之间的差值控制为零的反馈控制。在使用AC电机的电动工具中，检测到的转数与设定转数之间的差值以开关元件(例如双向可控硅)的导通角的变化来反映。导通角表示从一个过零点到下一个过零点的角度范围(0°-180°)中双向可控硅处于导通状态的相位角。在使用DC电机的电动工具中，检测到的转数与设定转数之间的差值以在开关元件(例如FET)上施加的PWM信号的占空比的变化来反映。

[专利文献1]

日本专利申请公开No.2010-012547A

发明内容

根据使用用途，存在多种电动工具。对于每种电动工具来说设定的转数和负载变化的状况是不同的。因此，有必要按照每种电动工具的特性来设置表示反馈控制灵敏度的控制增益。通常在微计算机的程序中设置该控制增益。因此，根据相关技术，需要针对每种工具准备程序，这使得对于程序和控制基板的管理变得复杂。

因此，本发明的目的在于提供一种使得程序和控制基板能被简单地管理的电动工具。

根据本发明的一个方面，提供以下方案：

(1)一种电动工具，包括：

电机；

控制器，其被配置为通过预设的反馈控制来控制电机的转数，和

增益设置信息输入装置，其用于将预设的反馈控制的增益设置信息输入到控制器中。

(2)根据(1)的所述电动工具，其中所述预设的反馈控制是比例控制、积分控制和微分控制中的任何一个或者是其中的两个或更多个控制的组合控制。

(3)根据(1)或(2)的所述电动工具，其中控制器内具有将增益设置信息和对应控制增益的值彼此相关联并进行存储的表格。

(4)根据(1)到(3)的所述电动工具，其中所述增益设置信息输入装置包括至少一个电阻分压电路，并被配置用于将电阻分压电路的输出电压作为增益控制信息输入到控制器中。

(5)根据(4)的所述电动工具，其中增益设置信息输入部包括：用于输入用在作为所述预设的反馈控制的比例控制中的增益设置信息的电阻分压控制电路；用于输入用在作为所述预设的反馈控制的积分控制中的增益设置信息的电阻分压控制电路；和用于输入用在作为所述预设的反馈控制的微分控制中的增益设置信息的电阻分压电路。

(6)根据(1)到(3)的所述电动工具，其中增益设置信息是其电平根据用户操作被切换的信号。

(7)根据(1)到(3)的所述电动工具，其中所述增益设置信息输入装置包括由用户操作来切换控制模式的开关，控制模式包括回声模式、常规模式和高输出模式。

(8)根据(1)到(7)的所述电动工具，进一步包括与电机串联连接的开关元件，

其中所述控制器被配置用于改变开关元件的导通角或施加到开关元件的控制端的PWM信号的占空比，从而控制施加到电机的有效值。

而且，上述构成要素的任意组合和本发明的表达方式向方法、系统的转换等也作为本发明的有效内容。

根据本发明，能够提供使得程序和控制基板能够被简单地管理的电动工具。

附图说明

图1是根据本发明第一示例性实施例的电动工具的电路图。

图2是示出图1的电动工具中的转数控制的流程图。

图3是示出图1的电动工具中的增益设置电压和对应控制增益的表格。

图4是根据本发明第二示例性实施例的电动工具的电路图。

图5是示出图4的电动工具中的转数控制的流程图。

图6是示出图4的电动工具中的控制模式和对应控制增益的表格。

图7示出了图4的电动工具的每个控制模式中的负载幅度、电机3的转数以及双向可控硅24的导通角的时序图。

图8是根据本发明第三示例性实施例的电动工具的电路图。

具体实施方式

以下，将参考附图对本发明的优选示例性实施例进行具体描述。同时，各个附图中相同或等同构成元件、部件以及处理等以相同的附图标记进行标注并且适当地省略重复的描述。而且，所述示例性实施例仅仅是示例性的，不作为本发明的限制，并且示例性实施例中所描述的所有特征及其组合不应看作本发明的实质内容。

第一示例性实施例

图1是根据本发明第一示例性实施例的电动工具的电路图。例如，交流(AC)电源1提供50Hz到60Hz的单相100V电压，并通过开关2实现打开和关闭。转动控制装置4具有配置用于检测电机3的转数的转数传感器6、配置用于放大转数传感器6输出的转数信号的转数信号放大电路5、实现控制器功能的微计算机23、配置用于产生微计算机23和控制电路中的参考电源的电源电路7、配置用于检测AC电源1的交流电压的过零点的过零检测电路8、双向可控硅24(其为用于对提供给电机的电压实现相位控制的半导体器件(开关元件)的一个示例)、配置用于输入双向可控硅24的栅极信号的电阻器25、配置用于设置电机3的转数的电阻26、28以及实现增益设置信息输入装置功能的电阻器29、30、31、32、33、34。

转数信号放大电路5是具有电容器9、15、电阻器10、11、12、14和晶体管13的交流放大器，并被配置用于在0V到-VCC的范围内放大来自转数传感器6的转数信号并将其输出到微计算机23中。微计算机23被配置用于使用该输出的信号检测电机3的转数。

电源电路7是具有二极管16、电阻器17、稳压二极管18和电解电容器19的半波整流电路，并被配置用于将来自AC电源1的AC电压转换为直流(DC)电压(-VCC)并将其提供给微计算机23和其他电路。

过零检测电路8具有电阻器20、21和光耦合器22。来自AC电源1的AC电压首先被电阻器20衰减，然后被输入到光耦合器22的输入部件(发光二极管)。通过将两个发光二极管并联设置以使得其正向彼此相反来配置光耦合器22的输入部件，并将该输入部件配置为在电流以任意方向流动时都发光而只在电压较低的过零点附近截止。光耦合器22的输出部件包括光敏晶体管，并只在输入部件的发光二极管发光时导通。也就是，由于光敏晶体管仅在AC电压的过零点截止而在其他状态中导通，所以只在AC电压的过零点通过电阻21向微计算机23输入0V，并在其他状态下通过光敏电阻向微计算机输出DC电压(-VCC)。由于来自过零检测电路8的输入信号发生变化，因此微计算机23可以获得用于对双向可控硅24进行相位控制的参考信号。

提供电阻器26、28和可变电阻器27以产生目标转数设置电压并将其输入给微计算机23。可变电阻器27是一种能够使得用户按照工作用途通过拨盘从外部自由设置转数的装置，例如，转数设置装置附接到电动工具并以若干级段(例如，拨盘的四个(1到4)级段)设置电机3的转数。

提供电阻器29、30、31、32、33、34以向微计算机23输入由微计算机23执行的反馈控制(将在后面描述)的增益设置信息。具有电阻器29、30的电阻分压电路的输出电压是用于设置比例控制增益KP的增益设置信息。具有电阻器31、32的电阻分压电路的输出电压是用于设置积分控制增益KI的增益设置信息。具有电阻器33、34的电阻分压电路的输出电压是用于设置微分控制增益KD的增益设置信息。每个电阻分压电路被配置来以预设分压比对电源电压-Vcc进行分压。通过提前选择每个电阻器的阻值以获得与每个电动工具特征相应的最佳分压比，这将能在不改变微计算机23的程序的情况下设置合适的控制增益。

微计算机23对电机3的转数控制(反馈控制)是比例控制、积分控制和微分控制中的任意一种或其中两者或更多个控制的组合。以下描述各个控制。

·比例控制(P控制)…是一种使用比例控制增益KP与目标转数跟检测到的转数的偏差的乘积作为双向可控硅24的导通角的变化量(等式如下)的控制。

双向可控硅的导通角的变化量＝比例控制增益KP×偏差N0

·积分控制(I控制)…是一种使用积分控制增益KI与目标转数跟检测到的转数的偏差的累加值的乘积作为双向可控硅24的导通角的变化量(等式如下)的控制。

双向可控硅的导通角的变化量＝积分控制增益KI×(当前时刻的偏差N0+上一时刻的偏差N1+上上一时刻的偏差N2)

·微分控制(D控制)…是一种使用微分控制增益KD与目标转数跟检测到的转数的当前的偏差和其前一时刻的偏差之间的差值的乘积作为双向可控硅24的导通角的变化量(等式如下)的控制。

双向可控硅的导通角的变化量＝微分控制增益KD×(当前时刻的偏差N0-前一时刻的偏差N1)

·比例+积分控制(PI控制)…是比例控制和积分控制的组合控制。将通过比例控制等式和积分控制等式获得的双向可控硅导通角的变化量相加，然后将其与双向可控硅的当前导通角相加或相减。

·比例+积分+微分控制(PID控制)…是比例控制、积分控制和微分控制的组合控制。将通过比例控制、积分控制和微分控制的等式获得的双向可控硅的导通角的变化量相加，然后将其与双向可控硅的当前导通角相加或相减。

积分控制是为了减小相对于目标转数的误差并执行以提高转数的精确度。微分控制是为了提高控制响应度并执行以应对使用电动工具时产生的快速负载变化。对于比例控制增益KP、积分控制增益KI和微分控制增益KD，需要通过测试等提前设置其最优值。

图2是示出图1的电动工具中的转数控制的流程图。当用户在电动工具的AC线缆(未示出)连接到AC电源1的状态下接通开关2时开始该流程图。在开关2接通时，来自AC电源1的AC电压被电源电路7转换为直流恒定电压(-Vcc)，然后提供给微计算机23。而且，将来自AC电源1的AC电压输入到过零检测电路8中。微计算机23测量从过零检测电路8输入的过零信号的时间间隔以检测输入的AC电源的频率(S201)。

接下来，微计算机23检测电阻器29、30的输出电压(比例控制增益设置电压)(S202)并设置比例控制增益KP(S203)。然后，微计算机23检测电阻器31、32的输出电压(积分控制增益设置电压)(S204)并设置积分控制增益KI(S205)。然后，微计算机23检测电阻器33、34的输出电压(微分控制增益设置电压)(S206)并设置微分控制增益KD(S207)。图3示出了比例控制增益KP、积分控制增益KI和微分控制增益KD的具体设置值的示例。通过各个分压电路的分压获得的各个增益设置值和对应的控制增益的值被彼此相关联地并以表的形式提前存储在微计算机23中。

接下来，微计算机23检测由电阻器26、28和可变电阻器27设置的电机3的目标转数设置电压(S208)并设置目标转数(S209)。然后，微计算机23通过PID(比例+积分+微分)控制电机3的转数(S210)。然后，微计算机23前进到步骤S211。在开关2接通时，微计算机23返回步骤S208并控制电机3的转数(PID控制)。在开关2断开时，微计算机23使电机3停止(S212)。

根据该示例性实施例，从外部将增益设置信息输入到微计算机23中并且微计算机23按照增益设置信息设置各个控制增益。因此，通过按照每个电动工具的特征预先确定增益设置信息，可以在不改变微计算机的程序的情况下适当地设置各个控制增益。所以，与相关技术不同，不必针对每个电动工具预置程序，并容易地管理程序和控制基板。而且，例如，可以通过电阻分压电路简单地配置增益设置信息。因此，可以说没有在从微计算机23外部设置增益设置信息时引起的诸如增加成本等缺点。

第二示例性实施例

图4是根据本发明第二示例性实施例的电动工具的电路图。除了省略电阻器29、30、31、32、33、34并添加了电阻器35和模式选择器开关36外，图4所示的电路与图1所示的第一实施示例性实施例中的相同。实现增益设置信息输入装置功能的电阻器35和模式选择器开关36串联连接在电源和地之间，并将电阻35和模式选择器开关36的连接点的电压输入到微计算机23中。模式选择器开关36例如是按钮开关，并在用户按下开关36时变为接通而在用户从该开关上将手拿开后该开关变为断开。模式选择器开关36接通时，地电位(0V)通过模式选择器开关36输入到微计算机23。模式选择器开关36断开时，电源电压(-Vcc)通过电阻器35输入到微计算机23。模式选择器开关36每次从断开切换到接通时，微计算机23都切换电机3的控制模式。也就是，该示例性实施例中，增益设置信息是例如其电平根据用户的操作(模式选择器开关36的开/关)在地电势(0V)和电源电压(-Vcc)之间切换的信号。后面将对控制模式做出描述。

图5是示出图4的电动工具中的转数控制的流程图。与第一示例性实施例相似，对电源频率作出检测(S201)后，微计算机23检查模式选择器开关36是否接通(S301)。在模式选择器开关36接通时，微计算机23切换电机3的控制模式(S302)。然后，微计算机23设置与当前控制模式对应的比例控制增益KP、积分控制增益KI和微分控制增益KD。图6示出了每个控制模式和对应控制增益的示例。图6的示例中，控制模式包括回声模式、常规模式和高输出模式。但是，控制模式的类型可以是两种类型或四种或更多种类型。如图6所示，在高输出模式中将每个控制增益设置为最大，在回声模式中将每个控制增益设置为最小，并在常规模式中将每个控制增益设置为一个中间值。同时，电源处于打开状态时的控制模式可以是上一次的控制模式或预设的控制模式(例如，正常模式，后面将进行描述)。可选地，用户可以设置电源处于打开状态时的控制模式。接下来，与第一示例性实施例相同，微计算机23执行步骤S208以及后续步骤。即使在操作期间也可以切换控制模式，并且微计算机23被配置为即使在操作期间也检测模式选择器开关36的操作。

图7示出了在图4的电动工具的每个控制模式中负载幅度、电机3的转数以及双向可控硅24的导通角的时序图。图7中，除了存在负载(在操作期间)的情况外，所有的控制模式中的其他方面都是共同的。此时，当存在负载时(在操作期间)，电机3的转数和双向可控硅24的导通角随着控制模式改变。具体的，由于在回声模式下每个控制增益都非常小，因此，即使负载发生变化，双向可控硅24的导通角也只发生微小的变化。结果是，电机3的转数随着负载的增加而降低(电机3的转数随着负载的降低而增加)。与此相反，由于在高输出模式下每个控制增益较大，双向可控硅24的导通角快速跟随负载的变化。结果是，电机3的转数基本上保持不变而与负载无关。在正常模式下，针对负载变化的双向可控硅24的导通角的如下属性是处于回声模式和高输出模式之间的中间状态，并且针对负载变化的电机3的转数的变化也是处于回声模式和高输出模式之间的中间状态。

根据该示例性实施例，由于用户可以切换具有不同控制增益的多个控制模式，所以与第一示例性实施例一样，能够适当地设置各个控制增益而无需改变微计算机23的程序并容易地管理程序和控制基板。而且，用户可以按照电动工具的使用情况选择适当的控制模式，这是很方便的。

第三示例性实施例

图8是根据本发明第三示例性实施例的电动工具的电路图。在第一示例性实施例中，电机3是具有AC电刷的电机。然而，在该示例性实施例中，电机3是DC无电刷电机。

例如，在整流电路40(例如二极管桥)中将AC电源1提供的电压转换为全整流波，并以平滑电容器C进行平滑，使其变为DC电压，并随后将其提供给逆变器电路47。电机3是所谓的内转子类型，并具有转子3a、定子和三个位置检测元件42(例如霍尔元件之类的磁检测元件)。转子3a包括具有多组N极和S极(该示例性实施例中有两组)的转子磁体3d。定子包括具有星型连接的三相定子绕组U、V、W的定子线圈3c和定子芯3b。三个位置检测元件42在圆周方向上以预定间隔(例如每隔60°)进行布置以检测转子3a的旋转位置。转子位置检测电路43被配置用于根据来自各位置检测元件42的信号产生旋转位置检测信号，并且微计算机23被配置用于根据旋转位置检测信号来控制定子绕组U、V、W的通电方向和时间，从而使得电机3转动。微计算机23还被配置为根据被配置为由用户操作的速度控制拨盘45的位置来控制速度控制器41，从而控制电机3的速度。增益设置信息输入装置37用于产生输入到微计算机23的增益设置信息，并可以使用例如与第一示例性实施例中相同的电阻分压电路。

逆变器电路47包括以三相桥形式连接的六个开关元件Q1-Q6(例如FET)。六个桥连接的开关元件Q1-Q6的各个栅极与速度控制器41连接，并且六个开关单元Q1-Q6的各个漏极或源极与星型连接的定子绕组U、V、W连接。该六个开关元件被配置以根据从速度控制器41输入的开关元件驱动信号H1-H6执行开关操作，并向所述定子绕组U、V、W提供施加到逆变器电路47的DC电压来作为三相(U相、V相、W相)电压Vu、Vv、Vw。

开关元件驱动信号H1-H6中被施加到低端的开关元件Q4-Q6的栅极的信号H4-H6或者被施加到高端的开关元件Q1-Q3的栅极的信号H1-H3中的至少一个是脉宽调制(PWM)信号。通过改变PWM信号的占空比，能够调整到电机3的供电量(施加到电机3的电压的有效值)，从而控制电机3的启动、停止以及转速。虽未示出，微计算机23包括用于根据处理程序和数据来输出驱动信号的中央处理单元(CPU)、用于在其中存储处理程序和控制数据的ROM、用于在其中临时存储数据的RAM、定时器等。速度控制器41被配置以在微计算机23的控制下根据转子位置检测电路43的输出信号，产生用于交替切换预设的开关元件Q1-Q6的驱动信号。因此轮流对预设的定子绕组U、V、W加电，从而使得转子3a旋转。电流检测电路48测量提供给电机3的电流值(流过检测电阻Rs的电流值)，并将测量到的电流值反馈回微计算机23，从而监测电机3的负载。电压检测电路52被配置用于检测施加到逆变器电路47的电压并将检测到的电压反馈回微计算机23。

该示例性实施例中，电机3的控制流程与第一示例性实施例(图2)的相同。但是，在将图2的流程图应用到该示例性实施例时，由于电机3是DC驱动的类型，所以省略了电源频率的检测(S201)。而且在该示例性实施例中，会实现与第一示例性实施例相同的效果。

虽然已参考示例性实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员能够明白示例性实施例中各个构成要素和各个过程可以在权利要求所定义的范围内进行各种修改。下面描述修改的实施例。

在图1所示的第一示例性实施例中，并非将电阻器29、30、31、32、33、34限制为固定电阻器，其中的至少一部分也可以是可变电阻器。在这种情况下，即使在将每个电阻安装到基板上之后也可以改变增益设置信息。

与第二示例性实施例中相同，如图8所示的第三示例性实施例中的增益设置信息输入装置37可以是电阻器35和模式选择器开关36。

第一和第二示例性实施例可以互相组合。也就是，图4所示的电阻器35和模式选择器开关36可以添加到图1的电路中。在这种情况下，适合每个电动工具的特性的增益设置信息通过电阻器29、30、31、32、33、34输入到微计算机23中，并且用户根据由增益设置信息设置的各个控制增益，与图4所示的模式选择器开关36的操作相应地来调整各个控制增益。相同的修改实施例对于图8所示的第三示例性实施例的增益设置信息输入装置37同样有效。

该电动工具并非限制为由外部AC电源驱动的电动工具，还可以由电池驱动。微计算机23执行的电机3的转数控制并非限制为PID控制，也可以是其他反馈控制，例如PI控制和PD控制。

Claims

1.一种电动工具，包括：

电机；

控制器，其被配置为通过预设的反馈控制来控制所述电机的转数，和

增益设置信息输入装置，其用于将所述预设的反馈控制的增益设置信息输入到所述控制器中。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其中所述增益设置信息输入装置包括至少一个电阻分压电路，并被配置用于将所述电阻分压电路的输出电压作为所述增益设置信息输入到所述控制器中。

3.根据权利要求2所述的电动工具，其中所述增益设置信息输入装置包括：用于输入用在作为所述预设的反馈控制的比例控制中的增益设置信息的电阻分压控制电路；用于输入用在作为所述预设的反馈控制的积分控制中的增益设置信息的电阻分压控制电路；和用于输入用在作为所述预设的反馈控制的微分控制中的增益设置信息的电阻分压电路。

4.根据权利要求1所述的电动工具，其中所述增益设置信息输入装置包括根据用户操作来切换增益设置信息的电平的开关。

5.根据权利要求1所述的电动工具，其中所述增益设置信息输入装置包括要由用户操作来切换控制模式的开关，所述控制模式包括回声模式、常规模式和高输出模式。

6.根据权利要求1所述的电动工具，进一步包括与所述电机串联连接的开关元件，

其中所述控制器被配置用于改变所述开关元件的导通角或施加到所述开关元件的控制端的PWM信号的占空比，从而控制施加到所述电机的有效值。