CN216657837U - 电动工具 - Google Patents

Abstract

一种电动工具，包括：壳体，位于壳体内的电机，通过双向可控硅向电机提供操作电力的电源电路，被配置为检测电机速度的速度传感器，速度选择器，以及电子处理器。电子处理器被配置为确定所选择的速度并将双向可控硅的当前导通角设置为对应于所选择的速度的初始导通角。电子处理器还被配置为确定速度是否正在下降，并且在速度正在下降时，确定当前导通角是否小于对应于所选择的速度的最大导通角。电子处理器还被配置为当当前导通角小于对应于所选择的速度的最大导通角时，增加当前导通角；以及当当前导通角等于或大于最大导通角时，将当前导通角保持为对应于所选择的速度的最大导通角。

Description

电动工具

技术领域

本实用新型涉及电动工具，且具体地涉及控制电动工具上的过载状况。

背景技术

电动工具一般用于执行工作操作。在某些操作中，电动工具可能会过载，这可能会造成安全问题。

实用新型内容

在交流(AC)电力供电的电动工具中，可以通过双向可控硅向电机提供电力。改变双向可控硅的导通角以改变提供给电机的电力量。在电动工具的变速控制期间，负载的变化可能导致电机速度的增加或减少。例如，当电机上的负载增加时，电机的速度可能会下降。为了补偿电机速度的这种下降，可以增加双向可控硅的导通角以稳定速度。

在较高的电机速度下，由电机驱动的风扇产生的气流有助于减少或分散由于负载增加导致流经电机的电流增加而产生的热量。因此，即使当电动工具上的负载增加时，电动工具也可以以高速操作较长的时间段。然而，在较低的电机速度下，由风扇产生的气流可能不足以减少由于负载增加导致流过电机的电流增加而产生的热量。因此，在低速高负载操作期间，热量可能比在高速高负载操作期间更快地积聚。

本实用新型的电动工具包括壳体、位于壳体内的电机、通过双向可控硅向电机提供操作电力的电源电路、被配置为检测电机的速度的速度传感器、速度选择器和联接到电机、双向可控硅、速度传感器和速度选择器的电子处理器。电子处理器被配置为从速度选择器确定所选择的速度并将双向可控硅的当前导通角设置为对应于所选择的速度的初始导通角。电子处理器还被配置为确定速度是否正在下降，并且在速度正在下降时，确定当前导通角是否小于对应于所选择的速度的最大导通角。电子处理器还被配置为当当前导通角小于对应于所选择的速度的最大导通角时，增加当前导通角；以及当当前导通角等于或大于最大导通角时，将当前导通角保持为对应于所选择的速度的最大导通角。

可选地，电动工具还包括连接到壳体以接收交流电力的电源线。

可选地，电动工具还包括工具头，速度由于工具头与工件的相互作用而下降。

可选地，速度被增加以保持所选择的速度。

可选地，电动工具还包括温度传感器和温度估计器中的一个，以向电子处理器提供温度指示，并且电子处理器还被配置为：当温度指示指示电动工具的温度高于预定温度阈值时，关闭电机。

可选地，电子处理器还被配置为：确定电机电流；以及当电机电流超过过载电流阈值时，关闭电机。

可选地，电动工具还包括风扇，风扇联接到电机的输出轴并与其一起旋转，并且被配置为向电机和电动工具的其他部件提供冷却气流。

可选地，电动工具还包括存储器，其存储查找表，查找表具有多个可选择的速度与多个初始导通角和多个最大导通角之间的映射，并且对应于多个可选择的速度中的第一可选择的速度的第一最大导通角小于对应于多个可选择的速度中的第二可选择的速度的第二最大导通角。

可选地，电子处理器被配置为即使在负载正在增加并且速度正在下降的情况下，逐步增加当前导通角直到电机的速度稳定到所选择的速度，同时将当前导通角限制到对应于所选择的速度的最大导通角。

可选地，一旦达到最大导通角，则速度下降直到基于检测到电机的锁定状态而关闭电动工具。

本文描述的方法用于电动工具的过载控制。该方法包括使用电子处理器确定电动工具的所选择的速度，以及使用电子处理器将电动工具的双向可控硅的当前导通角设置为对应于所选择的速度的初始导通角。该方法还包括使用电子处理器确定速度是否正在下降，以及当速度正在下降时，使用电子处理器确定当前导通角是否小于对应于所选择的速度的最大导通角。该方法还包括：当当前导通角小于对应于所选择的速度的最大导通角时，使用电子处理器增加当前导通角；以及当当前导通角等于或大于最大导通角时，使用电子处理器将当前导通角保持为对应于所选择的速度的最大导通角。

在详细解释本实用新型的任何实施例之前，应当理解，本实用新型的实施例的应用不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的构造细节和部件布置。本实用新型的实施例能够以各种方式实践或实施。此外，应当理解，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被认为是限制性的。“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加的项目。除非另有说明或限制，否则术语“安装”，“连接”，“支撑”和“联接”及其变型被广义地使用，并且涵盖直接和间接的安装，连接，支撑和联接。

此外，应当理解，本实用新型的实施例可以包括硬件、软件和电子部件或模块，为了讨论的目的，可能将这些硬件、软件和电子部件或模块示出并描述为好像大多数部件仅在硬件中实现。然而，本领域普通技术人员基于对本详细描述的阅读将认识到，在至少一个实施例中，基于电子的方面可以用软件实现(例如，存储在非暂时性计算机可读介质上)，该软件可由一个或多个处理单元(例如微处理器和/或专用集成电路(“ASIC”))执行。因此，应当注意，可以利用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同的结构部件来实现本实用新型的实施例。例如，说明书中描述的“服务器”、“计算装置”、“控制器”、“处理器”等可以包括一个或多个处理单元、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出接口，以及连接多个部件的不同连接器(例如，系统总线)。

与数量或条件结合使用的相对性术语(例如“约”、“大约”、“大体上”等)将被本领域普通技术人员理解为包括所述的值并且具有上下文规定的含义(例如，该术语至少包括与测量精确度相关的误差程度，与特定值相关的公差[例如制造、组装、使用等]等)。此类术语也应被视为公开了由两个端点的绝对值限定的范围。例如，表述“约2至约4”也公开了“2至4”的范围。相对性术语可以指在特定的值上加或减一定百分比(例如，1％、5％、10％或更多)。

应当理解，虽然某些附图示出了硬件和软件位于特定装置中，但是这些图示仅用于说明的目的。在本文中被描述为由一个部件执行的功能可以由多个部件以分布式方式执行。同样，由多个部件执行的功能可以合并并由单个部件执行。在一些实施例中，所示的部件可以组合或划分为单独的软件、固件和/或硬件。例如，逻辑和处理可以分布在多个电子处理器之间，而不是位于单个电子处理器内并由单个电子处理器执行。不管它们如何组合或划分，硬件和软件部件可以位于同一计算装置上或者可以分布在通过一个或多个网络或其他合适的通信链路连接的不同计算装置之间。类似地，被描述为执行特定功能的部件也可以执行本文中未描述的额外的功能。例如，以某种方式“配置”的装置或结构至少以这种方式配置，但也可能以未明确列出的方式配置。

通过考虑详细描述和附图，本实用新型的实施例的其他方面将变得显而易见。

附图说明

图1示出了根据一些实施例的电动工具的透视图。

图2示出了根据一些实施例的图1的电动工具的框图。

图3示出了提供给图1的电动工具的电机的示例电流波形。

图4是示出图1的电动工具的温度条件的曲线图。

图5是示出根据一些实施例的图1的电动工具的过载控制方法的流程图。

图6是示出根据一些实施例的在图1的电动工具中限制导通角的效果的曲线图。

具体实施方式

图1示出了根据一些实施例的示例电动工具100。在所示的示例中，电动工具100是交流(AC)磨机，其包括具有手柄部分120的壳体110以及设置在壳体110内的电机130。电机例如是无刷电机，其包括定子线圈，定子线圈被选择性地通电以驱动永磁转子。电动工具100从电源线140接收操作电力。速度选择器150设置在壳体110上以用于选择电动工具100的操作速度。

图2示出了根据一些实施例的电动工具100的简化框图。在所示的示例中，电动工具100包括电子处理器210、存储器220、电源电路230(例如，来自电源线140的交流电力)、双向可控硅(TRIAC)240、电机130、速度传感器250和用户输入控件260。存储器220包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、其他非暂时性计算机可读介质或其组合。电子处理器210被配置为与存储器220通信以存储数据和获取已存储的数据。电子处理器210被配置为从存储器220接收指令和数据并且执行该指令等。具体地，电子处理器210执行存储在存储器220中的指令以执行本文描述的方法。

电源电路230被配置为接收和供应例如通过电源线140从壁装插座接收的AC电力(例如，120V/60Hz)。来自电源电路230的电力通过双向可控硅240提供给电机130。提供给电机130的电力量根据双向可控硅240的导通角而变化。导通角可以百分比来表示并且表示提供给电机130的可用电力的百分比(例如，在正弦AC波形的一个周期或半个周期期间启用双向可控硅240的百分比)。图3示出了提供给电机130的示例电流波形300。在所示的示例中，双向可控硅240的导通角被设置为80％。导通角由电子处理器210控制。这里，电子处理器210在A点处启用双向可控硅240并在B 点处禁用双向可控硅240。当双向可控硅240被启用时，双向可控硅240将电力从电源电路230传导到电机130，而当双向可控硅240被禁用时，双向可控硅240切断从电源电路230到电机130的电力。可以通过改变双向可控硅240的导通角来改变电机130的速度。

再次参考图2，速度传感器250输出电机速度的指示。速度传感器250 与电机130和电子处理器210联接或关联。在一些实施例中，速度传感器250 可以包括例如霍尔效应传感器、旋转编码器、电感式传感器等。在速度传感器250为霍尔效应传感器的实施例中，每当转子的磁体旋转经过与转子轴向地相邻设置的传感器的表面时，速度传感器250产生输出信号(例如，脉冲)。基于来自速度传感器250的电机反馈信息，电子处理器210可以直接确定转子的位置、速率(即速度)和加速度。

用户输入控件260包括例如速度选择器150和/或其他致动器(例如，变速触发器/拨杆、电力开关等)，以控制电动工具100的操作。电子处理器 210从用户输入控件260接收用户控制信号，例如触发器或电力开关的按下、来自速度选择器150的速度选择信号等。响应于电机反馈信息和用户控制，电子处理器210发送控制信号以控制双向可控硅240驱动电机130。通过控制双向可控硅240的导通角，来自电源电路230的电力被选择性地施加到电机130的定子线圈以引起电机130的转子的旋转。

尽管图1和图2中所示的电动工具100是交流磨机，但本描述也适用于具有电机的其他电动工具，例如冲击扳手、锤钻、冲击孔锯、冲击起子、电钻、往复锯等。本描述还适用于有刷和无刷电机和控制器。本描述还适用于以交流电力供电的电动工具以及以直流(DC)电力(例如，使用电动工具电池组)操作的那些电动工具。

例如，DC电动工具100可以包括电池组，其作为向电机130提供DC 电力的电源电路230。双向可控硅240可以由逆变桥代替，其中逆变桥包括由电子处理器210控制的多个场效应晶体管(FET)。电子处理器210可以响应于来自速度传感器250的电机反馈信号和来自用户输入控件260的用户控制信号来控制FET。电子处理器210控制提供给FET的脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比以控制电机130。例如，80％的占空比向电机130提供约80％的可用电力。对于本文描述的实施例，关于AC工具的导通角的描述和对其施加的限制类似地应用于包括DC工具的实施例的PWM占空比。

返回到图2，电子处理器210从用户输入控件260接收输入，该输入指示由速度选择器150选择的速度。电子处理器210将双向可控硅240的初始导通角设置为对应于所选择的速度。电机130上的负载基于电动工具的工具头所遇到的工件的硬度等因素而变化。随着电机130上的负载增加，由于切割工件所需的功增加，因此电机130的速度下降。电子处理器210使用速度传感器250监测电机130的速度。当电子处理器210检测到速度在下降时，电子处理器210增加双向可控硅240的导通角以维持所选择的速度。类似地，当电机130上的负载随后减小时，电机130的速度增加到超过所选择的速度。电子处理器210检测速度的增加并减小双向可控硅240的导通角以保持所选择的速度。

图4是示出电动工具100的温度条件的曲线图400。曲线图400包括为负载的X轴以及为速度的Y轴。从曲线图400可以看出，即使负载增加，速度也保持恒定。温度曲线410是电动工具100的温度极限。长时间在温度曲线410下方所示的区域420中操作电动工具100可能导致电动工具100的电气部件损坏。通常，当电动工具100达到由温度曲线410指示的温度极限时，电机130被关闭。电动工具100包括向电子处理器210提供温度指示的温度传感器或温度估计器。当温度指示指示温度高于预定阈值时，则电子处理器210关闭电机130。

电机130包括风扇，其联接到电机130的输出轴并与其一起旋转并且向电机130和电动工具100的其他部件提供冷却气流。在高速操作期间，风扇产生更多气流以减少电机130和电动工具100中的热量。因此，即使当电机130上的负载增加时，电机130可以在电动工具100达到温度极限之前以高速操作较长的时间段。在低速操作期间，风扇可能无法产生足够的气流来为电机130提供冷却以延长电机130的操作。因此，当电机130上的负载增加时，电机130可能在电动工具100达到温度极限之前操作较短的时间段。

如上所述，当温度达到温度极限时，电子处理器210关闭电机130，并保持电机130关闭，直到温度回到温度极限以下。然而，这种关闭可能是不理想的，因为不能使用电动工具100，导致工作减慢。

图5是根据一些实施例的用于电动工具100中的过载控制的方法500 的流程图。在所示的示例中，方法500包括使用电子处理器210确定所选择的速度(在块510)。电子处理器210从速度选择器150接收由用户选择的速度的指示。在一些实施例中，电动工具100可以包括用于变速控制的触发器并且速度选择器150被结合到触发器中。来自(结合的)速度选择器150 的指示触发器被拉动的量的信号被提供给电子处理器210。电子处理器210 基于从触发器接收的信号确定所选择的速度。从速度选择器150选择的速度的指示可以是由电位计、霍尔效应传感器等产生的模拟或数字信号的形式，感测速度选择器150的移动(例如，拨盘或触发器)，等等。

方法500还包括使用电子处理器210将双向可控硅240的当前导通角设置为对应于所选择的速度的初始导通角(在块520)。存储器220可存储具有多个所选择的速度与多个初始导通角之间的映射的查找表。电子处理器 210确定与所选择的速度对应的初始导通角并将双向可控硅240设置为该初始导通角。方法500包括使用电子处理器210确定速度是否正在下降(在块530)。电子处理器210从速度传感器250接收指示电机130的速度的电机反馈。如上所述，随着电机130上的负载增加，电机130的速度下降。电子处理器210基于来自速度传感器250的电机反馈确定速度正在下降。例如，为了确定电机速度是否正在下降，电子处理器210存储由速度传感器250感测到的一个或多个电机速度的近期历史，并将来自所存储的近期历史的上一个电机速度与由速度传感器250指示的当前电机速度进行比较。

当速度正在下降时，方法500还包括使用电子处理器210确定双向可控硅240的当前导通角是否小于对应于所选择的速度的最大导通角(在框 540)。存储器220可以存储具有多个可选择的速度和多个最大导通角之间的映射的查找表。例如，每个可选择的速度可以与特定的最大导通角相关联，以使得例如第一所选择的速度与第二所选择的速度具有不同的最大导通角。在一些实施例中，所选择的速度越低，最大导通角就越小。电子处理器210将双向可控硅240的当前导通角与所选择的速度的最大导通角进行比较，以确定当前导通角是否小于最大导通角。

当当前导通角小于所选择的速度的最大导通角时，方法500包括使用电子处理器210增加当前导通角(在块550)。当当前导通角等于或大于最大导通角时，方法500包括将当前导通角保持在最大导通角(在框560)。通过循环通过块530、块540和块550，电子处理器210可以实现导通角的逐步增加，直到电机的速度稳定到所选择的速度。然而，通过块540和块560，即使在负载正在增加而速度正在下降时，电子处理器210也将导通角限制到对应于所选择的速度的最大导通角。方法500在工具操作期间重复，以连续地控制导通角从而降低工具关闭的可能性。

图6是示出了如关于图5的方法500所描述的限制导通角的效果的曲线图600。曲线图600示出了关于六种可选择的速度(速度1到速度5)的工具输出速度与负载(工具输出扭矩[牛顿米])的关系。如图6所示，速度在每个所选择的速度下保持恒定，直到对于速度1、2、3和4，在点605a-605d 处，导通角达到对应于所选择的速度的最大导通角。导通角不会增加超过对应于所选择的速度的最大导通角。一旦达到最大导通角，则电机速度下降(随着负载增加)直到基于检测到电机130的锁定状态或检测到过载状况(尽管导通角受限)而关闭工具。在所示的实施例中，速度5没有最大导通角(或其最大导通角为100％)，因为一般来说，电机速度在这些速度下足够高以利用电机驱动的风扇产生足够的冷却气流。

如上所述，虽然本文参考AC工具和导通角描述了实施例，但是类似的技术适用于包括DC工具的实施例，其中PWM占空比而不是导通角受限。例如，图5的方法类似地适用于DC工具，但是在块520中初始设置PWM 占空比，在块540中将当前PWM占空比与最大PWM占空比进行比较，并且在块550中和块560中分别增加和保持PWM占空比。

如上文参考图6所述，当导通角受限且增加或正在增加的负载保持存在时，电机130继续使速度下降(参见例如在图6中在点605a-605d之后的所选择的速度1、2、3和4的电机速度)。在一些实施例中，受限的导通角和正在下降的速度一直持续，直到确定电机130处于锁定状态，此时电子处理器210停止驱动电机(例如，导通角设置为零)。例如，在块520和块530 之间的块(未示出)中，电子处理器210在块550和560之后循环返回执行该块(未示出)，电子处理器210基于来自速度传感器250的输出确定电机速度。当电子处理器210基于来自速度传感器250的输出确定电机速度已经达到零或接近零时(例如，由霍尔效应传感器在一定时间内缺乏脉冲来确定)，电子处理器210停止驱动电机130。

虽然上述技术通过限制导通角来减少过载状况的发生，但某些情况仍可能引起过载状况。因此，在一些实施例中，工具100包括另外的过载检测和缓解特征。例如，在一些实施例中，上述电机锁定状态检测和电机关闭是过载检测和缓解的一种形式。在一些实施例中，实现了其他过载检测和缓解技术。例如，在一些实施例中，在块520、块540、块550和块560的每个执行循环期间，电子处理器210确定通过电机的电流，将电流与过载电流阈值进行比较，并且当电流超过过载电流阈值确定过载状况。在一些实施例中，在块520、块540、块550和块560的每个执行循环期间，电子处理器210 使用温度传感器确定电动工具100内的温度，将温度与过载温度阈值进行比较，并当温度超过过载温度阈值时确定过载状况。

在其他实施例中，电子处理器210基于电机测得的速度来检测过载状况，并且当累积值超过累加器阈值时中断到电机130的电力(例如，关闭电机130)。以下提供该技术的简要描述；但是，更详细的描述可以在于2016 年12月14日提交的申请号为15/378,757号的美国专利申请中获得，该申请通过引用并入本文。当电机130进入过载状况时，如上所述，由于电机130 上的负载增加。因此电机速度下降。因此，电子处理器210监测电机速度的下降以检测电机130何时处于过载状况。电子处理器210还使用测得的电机速度和目标速度之间的差来确定何时关闭电机130，以保护电机130免受损坏同时最大化电动工具100的可用输出电力。在一些实施例中，电动工具100 监测电机速度以及负载电流两者以检测电动工具100的过载状况并对电动工具100的过载状况作出响应，如上文所述和下文更详细描述的。

当电子处理器210确定电机130的测得的速度低于目标速度时，电子处理器210产生加权速度数据(例如，加权量)并将加权量添加到累加器270 (图2)。当电子处理器210确定累加器值达到或超过预定累加器阈值时，电子处理器210通过中断到电机130的电力来关闭电动工具100以保护电动工具100。低于目标速度指示电机130上的过载状况和/或增加的负载。例如，目标速度为由电子处理器210设置的导通角下的预期速度。加权速度数据是基于测得的电机速度和目标电机速度之间的差的，使得当测得的电机速度仅略低于目标速度时，将较小的量被添加到累加器270，但当测得的电机速度明显低于目标速度时，较多的量被添加到累加器270。

例如，加权速度数据是基于乘数与测量速度与目标速度之间的差值的乘积(即，加权速度数据可以对应于乘数乘以测量速度与目标速度之间的差值))。直接测量电机速度偏差(即，感测到的电机速度和目标速度之间的差)而不是例如提供给电机130的电流，提供了对过载状况的更准确的测量和检测。在一些实施例中，当测得的电机速度返回更接近目标速度时，累加器被递减。这种用于检测过载的基于速度的累加器技术在过载状况下提供对电动工具100的动态控制。该技术通过在电动工具100上的过载显着时施加快速停机时间来确保电动工具100受到保护(通过在速度明显低于目标时向累加器增加较大的量)，并且电动工具100提供改进了的电力输出和对用户的可用性(通过减少过度敏感的过载检测)。

因此，本文描述的不同实施例用于避免、检测以及缓解电动工具上的过载状况。在权利要求中阐述了各种特征和优点。

Claims (10)

1.一种电动工具，其特征在于，所述电动工具包括：

壳体；

位于所述壳体内的电机；

通过双向可控硅向所述电机提供操作电力的电源电路；

被配置为检测所述电机的速度的速度传感器；

速度选择器；以及

电子处理器，其与所述电机、所述双向可控硅、所述速度传感器和所述速度选择器电联接，并且被配置为

从所述速度选择器确定所选择的速度，

将所述双向可控硅的当前导通角设置为对应于所述所选择的速度的初始导通角，

确定所述速度是否正在下降，

在所述速度正在下降时，确定所述当前导通角是否小于对应于所述所选择的速度的最大导通角，

当所述当前导通角小于对应于所述所选择的速度的所述最大导通角时，增加所述当前导通角，以及

当所述当前导通角等于或大于所述最大导通角时，将所述当前导通角保持为对应于所述所选择的速度的所述最大导通角。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具还包括连接到所述壳体以接收交流电力的电源线。

3.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具还包括工具头，其中所述速度由于所述工具头与工件的相互作用而下降。

4.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述速度被增加以保持所述所选择的速度。

5.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具还包括温度传感器和温度估计器中的一个，以向所述电子处理器提供温度指示，其中所述电子处理器还被配置为：

当所述温度指示指示所述电动工具的温度高于预定温度阈值时，关闭所述电机。

6.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述电子处理器还被配置为：

确定电机电流；以及

当所述电机电流超过过载电流阈值时，关闭所述电机。

7.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具还包括风扇，所述风扇联接到所述电机的输出轴并与其一起旋转，并且被配置为向所述电机和所述电动工具的其他部件提供冷却气流。

8.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具还包括存储器，其存储查找表，所述查找表具有多个可选择的速度与多个初始导通角和多个最大导通角之间的映射，其中对应于所述多个可选择的速度中的第一可选择的速度的第一最大导通角小于对应于所述多个可选择的速度中的第二可选择的速度的第二最大导通角。

9.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述电子处理器被配置为即使在负载正在增加并且速度正在下降的情况下，逐步增加所述当前导通角直到所述电机的速度稳定到所述所选择的速度，同时将所述当前导通角限制到对应于所述所选择的速度的最大导通角。

10.根据权利要求9所述的电动工具，其特征在于，一旦达到所述最大导通角，则所述速度下降直到基于检测到所述电机的锁定状态而关闭所述电动工具。

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