TW202039167A - 電動工具的運轉方法 - Google Patents

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Abstract

本發明的電動工具的運轉方法包括提供輕載觸發條件及目標扭力參數；透過驅動電流觸發電動工具的電動驅動器運轉，以產生運轉信號；監視電動驅動器的運轉信號；在運轉信號滿足輕載觸發條件時，限制驅動電流的最大電流變化率，以使電動驅動器降速運轉；監視電動驅動器的輸出扭力值；及在輸出扭力值滿足目標扭力參數時，停止輸出驅動電流。

Description

電動工具的運轉方法
本發明與電動工具有關，特別是指電動工具的運轉方法。
電動工具透過電動馬達的帶動將螺絲、螺帽或其他螺接元件有效率地鎖緊在被螺接裝置上，電動工具通常是依據設定的目標扭力值來鎖緊螺接元件，且讓電動馬達高速運轉來達到有效率的鎖緊作業，但這種方式讓螺接元件被鎖緊時，電動馬達的主(轉)軸仍處在高速，因此，高速下關閉電動馬達，操作者會明顯感受到電動馬達的主軸回饋的反作用力，且反作用力會讓扭力無法精準地控制。
若為了避免反作用力而限制鎖緊前的電動馬達轉速維持在較低轉速，雖然可以較準確地控制扭力，但因為整個鎖緊行程都是低轉速運轉，所以，電動工具就無法發揮較佳地鎖緊效率。
有鑑於上述缺失，本發明的電動工具的運轉方法可以透過輕載運轉及重載運轉的轉態時間點有效的控制驅動電流，以達成電動馬達的扭力控制且避免電動馬達關閉瞬間產生的反作用力。
為了達成上述目的，本發明的電動工具的運轉方法包括提供輕載觸發條件及目標扭力參數；透過驅動電流觸發電動工具的電動驅動器運轉，以產生運轉信號；監視電動驅動器的運轉信號；在運轉信號滿足輕載觸發條件時，限制驅動電流的最大電流變化率，以使電動驅動器降速運轉；監視電動驅動器的輸出扭力值；及，在輸出扭力值滿足目標扭力參數時，停止輸出驅動電流。
如此，本發明的電動工具的運轉方法可以透過輕載觸發條件來有效監測運轉信號的轉態時間點，且輕載觸發條件可以是預設的或是追蹤運轉信號來建立。在轉態時間點出現後，限制驅動電流的變化率來控制及降低電動驅動器的轉速，使電動驅動器在低轉速時實現輸出扭力值滿足目標扭力值，而達成扭力控制及避免電動驅動器的反作用力。
有關本發明所提供之電動工具的運轉方法的詳細流程、步驟、特點或運作方式，及執行本發明運轉方法的裝置、硬體及電路將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本創作領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本創作所列舉的特定實施例，僅係用於說明本創作，並非用以限制本創作之專利申請範圍
以下，茲配合各圖式列舉對應之較佳實施例來對本發明的電動工具的運轉方法的裝置、電路、流程、步驟及達成功效來作說明。然各圖式中電動工具及其運轉方法的裝置、電路、流程、步驟及外觀僅用來說明本創作的技術特徵，而非對本創作構成限制。
如圖1所示，本發明的電動工具100包括本體110、觸發器130、電動驅動器150、轉接器170、及遠端裝置180。本體110可由多個殼體組合而成，且可以是任意形狀。觸發器130設在本體110上。電動驅動器150設在本體110內，且連接觸發器130。轉接器170連接電動驅動器150，且有連接座171，以供選擇性接收螺接器具190，例如起子頭。其中，觸發器130用以觸發電動驅動器150以帶動轉接器170及螺接器具190，進而將螺接元件(例如螺帽、螺絲等)鎖緊或放鬆。遠端裝置180可以安裝在本體110上或與本體110分離，遠端裝置180耦接電動驅動器150，耦接例如信號線連接或透過無線通訊技術連接。
如圖2所示，電動驅動器150包括電源裝置151、電動馬達153、扭力感測器155及驅動裝置157。電源裝置151連接且供電給電動馬達153及驅動裝置157，電源裝置151可以是電池組或透過電線連接外部電源。電動馬達153的轉軸連接轉接器170，以帶動轉接器170，電動馬達153選用有刷直流馬達、無刷直流馬達或其他交流馬達。扭力感測器155感測電動馬達153輸出扭力變化。驅動裝置157連接電動馬達153且耦接扭力感測器155，以控制電動馬達153運轉，其中，驅動裝置157控制電動馬達153運轉方法隨後詳述。
如圖3所示，本發明的電動工具的運轉方法300包括五個步驟，步驟310是提供輕載觸發條件及目標扭力參數，步驟330是透過驅動電流觸發電動工具的電動驅動器運轉，以產生運轉信號，步驟350是監視電動驅動器的運轉信號；步驟370是在運轉信號滿足輕載觸發條件時，限制驅動電流的最大電流變化率，以使電動驅動器降速運轉；步驟371是監視電動驅動器的輸出扭力值；步驟390是在輸出扭力值滿足目標扭力參數時，停止輸出驅動電流。其他實施例中，步驟的數量可以更多或更少，且順序是可以調整。驅動電流的最大電流變化率是指運轉信號滿足輕載觸發條件以後所產生的電流值。
其中，步驟330中的觸發是透過圖1的觸發器130，但不以此為限。步驟330-350中電動工具的運轉屬於輕載運轉，步驟370-390中電動工具的運轉屬於重載運轉。鎖緊過程中，以螺絲及螺帽為例，輕載運轉是螺絲頭或螺帽的底面還沒接觸被螺接物的表面，但兩者相碰觸後，電動馬達的輸出阻力會增加(轉為重載運轉)，使得驅動電流快速增加而在短時間內完成鎖緊。因此，驅動電流在輕載運轉及重載運轉時的增加斜率是不相同，輕載運轉時驅動電流通常是平緩的漸增，但驅動電流快速增加階段可定義為重載運轉。驅動電流的變化會影響運轉信號的狀態，所以電動驅動器可透過輕載觸發條件監視運轉信號增加速度(斜率)來得到輕載運轉及重載運轉的轉態時間點。本發明的運轉方法300透過輕載運轉時加速轉動螺接元件，但在重載運轉時，緩步降低轉動速度並監視輸出扭力值，如此，運轉方法300可有效地縮短螺接時間，且在低轉速監視扭力值可準確地控制輸出扭力，並能降低電動驅動器的反作用力。
步驟310的目標扭力參數可以透過遠端裝置180提供。在無線通訊部分，本領域之人能理解遠端裝置180可與電動驅動器150構成通訊，來傳輸、接收及顯示扭力參數、扭力值等資訊，因此，驅動裝置157包括未繪示於圖中的通訊單元(例如天線)，以接收遠端裝置傳送的扭力參數，及傳輸扭力值等資訊給遠端裝置。其他實施例中，步驟310中扭力參數可以是內建於驅動裝置157的固定數值，或者是可被寫入或更改的可調扭力參數。
如圖4所示，圖4是透過示波器量測電動驅動器的驅動電流對應運轉信號的波形示意圖。先前技術所述在高速運轉完成鎖緊作業，在接近鎖緊時，驅動電流對應的運轉信號會快速增加，直到鎖緊時，運轉信號被關閉(如圖中粗虛線)，如此，鎖緊時電動馬達是高轉速關閉。但本發明是在輕載時監控驅動信號，並在重載時限制驅動電流的最大電流增加，以讓電動馬達在低轉速時關閉。
輕載觸發條件是驅動裝置157在加速運轉期間內建立多個輕載觸發期間TL1 -TL6 及一對一對應該多個輕載觸發期間TL1 -TL6 的多個輕載觸發參數PL1 -PL6 ，該多個輕載觸發期間TL1 -TL6 是連續的，該多個輕載觸發參數PL1 -PL6 是不相同，且逐漸增加。其他實施例中，輕載觸發條件及輕載觸發參數可以更多或更少，因此，數量不以六個為限。
其他實施例中，輕載觸發條件被建立在驅動裝置157可以是固定(預設)方式或追蹤方式，固定方式例如不論時間變化建立固定的輕載觸發參數，追蹤方式是隨著時間變化調整輕載觸發參數，例如圖4中每一輕載觸發期間TL1 -TL6 是50毫秒建立對應的輕載觸發參數，且輕載觸發參數逐漸增加，但不以50毫秒為限，輕載觸發參數的數值可依據經驗或數據分析來建立。
步驟330是透過觸發器130來進行觸發，以使驅動裝置157供應驅動電流給電動馬達153，而進行電動馬達153運轉，此時，電動馬達153是輕載的快速運轉，也就是轉速越來越快。輕載時，電動馬達153轉動的阻力是平緩增加，因此，驅動電流的上升斜率及對應的運轉信號都是平緩地增加。
步驟350透過驅動裝置157的內建硬體電路或外部裝置來監視其電動馬達153的運轉信號。本實施例中，運轉信號與電動馬達153的驅動(回授)電流有關，其他實施例中，運轉信號可以是對應馬達功率或其他電性訊號。
本實施例中，步驟350的監視步驟包括啟動瞬間延遲一段時間TD 後開始偵測驅動電流，延遲一段時間TD 是為了避開啟動瞬間的大啟動電流的信號。開始偵測驅動電流期間，驅動裝置157在每一輕載觸發期間內計算出驅動電流的平均值，並將平均值加上補償差值來建立下一期間的輕載觸發參數。補償也可以是減掉差值或其他邏輯處理。其他實施例中，補償步驟可以被省略。差值可以是固定或參考前一期間地驅動電流變化來定義差值。
步驟370中驅動裝置157在運轉信號滿足輕載觸發條件是運轉信號到達其中一輕載觸發期間的輕載觸發參數，如圖4所示，到達是運轉信號SD 超過輕載觸發參數PL6 。但其他實施例，到達可以是運轉信號SD 等於輕載觸發參數PL6 。
限制驅動電流的最大電流變化率是要透過控制最大電流方式減緩驅動電流的增加速度，以使電動馬達153以低速運轉，如圖4所示，限制該驅動電流的變化率包括在第一重載觸發期間TH1 內輸出第一重載驅動電流IH1 ，接著在第二(下一)重載觸發期間TH2 內輸出第二重載驅動電流IH2 ，最後在第三重載觸發期間TH3 內輸出第三重載驅動電流IH3 。第一重載驅動電流IH1 、第二重載驅動電流IH2 及第三重載驅動電流IH3 是逐漸增加(變大)，本領域之人能理解各級的重載觸發期間及重載驅動電流的數量可以更多，也就是可以有更多或更少分級的重載觸發期間及重載驅動電流。
步驟371的監視輸出扭力值是透過扭力感測器155，例如機械式扭力感測器(例如離合器跳脫結構)或電子式扭力感測器(例如應變規(strain gauge))，以感測電動馬達153的輸出扭力值(信號)。輸出扭力值(信號)可透過信號線或無線方式傳送給驅動裝置157。其中，機械式扭力感測器或電子式扭力感測器已為業界所週知之技術，於此不再贅述。
當運轉信號未滿足輕載觸發條件時，持續執行步驟330及步驟350。
步驟390是電動馬達153的輸出扭力值符合目標扭力參數時，停止輸出驅動電流，以使電動馬達153停止轉動。請續參照圖4，本實施例在第三重載觸發期間中輸出扭力值滿足目標扭力值，所以停止輸出第三重載驅動電流IH3 ，以使電動馬達153停止轉動。需要注意的是，在步驟370中透過限制驅動電流的最大電流增加速度，而使電動馬達153的轉速被逐步降至極低轉速，所以，電動馬達153被停止的瞬間幾乎沒有反作用力，因此，本發明的運轉方法300是可以更精確控制輸出扭力值，並可更有效率鎖緊螺接元件。
其中，本發明的運作方法300可以透過軟體(程式)或硬體(電路)來執行，軟體(程式)執行是將運作方法300對應的邏輯程式記載於驅動裝置的微處理器，以供微處理器執行。硬體執行部分隨後圖5及圖6舉例敘述。
如圖5所示，驅動裝置157包括微處理器1571、電流傳感器1572、馬達開關1573、放大電路1575、監視電路1577及限電流電路1579。微處理器1571連接扭力感測器155、馬達開關1573、放大電路1575、監視電路1577及限電流電路1579。馬達開關1573連接電動馬達153、電流傳感器1572及限電流電路1579。放大電路1575連接電流傳感器1572。監視電路1577連接放大電路1575及限電流電路1579。扭力感測器155連接微處理器1571的輸入端I3 ，以輸出扭力信號給微處理器1571，即執行步驟371。微處理器1571的輸入端I1 -I3 是用以接收信號，微處理器1571的輸出端O1 -O3 是用以輸出信號，以控制對應的電路。
馬達開關1573可以是一個或多個功率半導體元件搭配馬達驅動器組成，以控制電動馬達153。電流傳感器1572用以感測電動馬達153迴路的運轉信號，本實施例中，電流傳感器1572是電阻器RS ，用以將馬達電流轉換成運轉(電壓)信號。放大電路1575可以是運算放大器組成的放大電路或差壓放大電路，放大電路1575包括第一運算放大器OPA1，第一運算放大器OPA1的正向輸入端及反向輸入端與電流傳感器1572並聯耦接，第一運算放大器OPA1的輸出端耦接微處理器1571的輸入端I1 及監視電路1577，第一運算放大器OPA1將電流傳感器1572感測的運轉信號輸出給監視電路1577及微處理器1571，以使微處理器1571得到運轉信號。其中，電流傳感器1572及放大電路1575是執行步驟350。耦接可以是直接連接或是透過其他電子元件(例如電阻器、電容器或組合)連接。
微處理器1571透過內建的軟體、程式或邏輯判斷運轉信號是否滿足輕載觸發條件，換言之，輕載觸發條件是被建立在微處理器1571內，也就是步驟S370的判斷是否滿足的步驟是由微處理器1571執行。
監視電路1577用以透過運轉信號控制驅動電流，監視電路1577包括第二運算放大器OPA2，第二運算放大器OPA2的正相輸入端耦接放大電路1575，第二運算放大器OPA2的反相輸入端耦接微處理器1571的輸出端O2 ，第二運算放大器OPA2的輸出端耦接限電流電路1579及微處理器1571的輸入端I2 。耦接可以是直接連接或是透過其他電子元件(例如電阻器、電容器或組合)連接。
微處理器1571的輸出端O2 輸出輕載觸發信號及重載觸發信號。第二運算放大器OPA2的反相輸入端接收輕載觸發信號及重載觸發信號，第二運算放大器OPA2的正相輸入端接收運轉信號。執行步驟370中，微處理器1571先出輸出輕載觸發信號，以使第二運算放大器OPA2比較輕載觸發信號及運轉信號，然後，在微處理器1571判斷運轉信號滿足輕載觸發條件時，微處理器1571轉為輸出重載觸發信號，第二運算放大器OPA2比較重載觸發信號及運轉信號，以使微處理器1571控制驅動電流的最大電流增加的變化率，以降低電動驅動器的轉速。控制驅動電流的最大電流變化率是微處理器1571驅使限電流電路1579運作並逐步提高輸出端O2 的電壓值，而執行步驟S370及S390來控制驅動電流的增加直到輸出扭力值滿足目標扭力參數，如圖4重載觸發期間TH1 -TH3 及重載驅動電流IH1 -IH3 。
本實施例中，輕載觸發信號及重載觸發信號是微處理器直接輸出直流電壓準位或者藉由PWM信號經第二運算放大器OPA2的反向輸入端耦接路徑的電阻器及電容器來建立對應的輕載觸發信號及重載觸發信號。
限電流電路1579包括第一電晶體Q1、第二電晶體Q2、及第三電晶體Q3。第一電晶體Q1的基極耦接微處理器1571，第一電晶體Q1的射極耦接接地端，第一電晶體Q1的集極耦接第二電晶體Q2的基極，第二電晶體Q2的射極耦接接地端，第二電晶體Q2的集極耦接第三電晶體Q3的集極及馬達開關1573，第三電晶體Q3的射極耦接接地端，第三電晶體Q3的基極耦接微處理器1571。其中，耦接可以是直接連接或是透過其他電子元件(例如電阻器、電容器或組合)連接。
進入重載運轉時，微處理器1571控制第一電晶體Q1關閉，第二運算放大器OPA2輸出轉態信號控制第二電晶體Q2進行驅動電流的定電流控制，也就是步驟370，限制驅動電流的最大電流增加速度，以透過控制第二電晶體Q2導通及關閉來限制驅動電流供給馬達開關1573，以實現定電流控制直到電動馬達153的輸出扭力值達到目標扭力值時，微處理器1571觸發第三電晶體Q3導通，而停止供應驅動電流至馬達開關1573(即執行步驟S390)。
其他實施例中，判斷運轉信號是否滿足輕載觸發條件也可以透過硬體電路，如圖6所示，圖6相較於圖5的驅動裝置157更包括電流偵測電路1574，電流偵測電路1574包括第三運算放大器OPA3。第三運算放大器OPA3的正向輸入端耦接第一運算放大器OPA1的輸出端，以接收運轉信號。第三運算放大器OPA3的反向輸入端耦接微處理器的輸出端O’2 ，以接收微處理器的輕載觸發信號，因此，相較於圖5的實施例，本實施例的微處理器1571的輸出端O’2 、O2 是分別輸出輕載觸發信號及重載觸發信號。第三運算放大器OPA3的輸出端耦接微處理器的輸入端I’2 ，以輸出輕載觸發信號及運轉信號的比較結果給微處理器，之後，微處理器1571在運轉信號滿足輕載觸發條件時，微處理器1571的輸出端O2 輸出重載觸發信號，這部分與圖5的實施例相同，故不再贅述。耦接可以是直接連接或是透過其他電子元件(例如電阻器、電容器或組合)連接。
第三運算放大器OPA3是比較運轉信號是否滿足輕載觸發條件，也就是其可作為判斷是否脫離輕載的電路。
其他實施例中，當重載期間判斷採用定功率控制方式時，定功率控制方式是微處理器1571輸出PWM信號控制第三電晶體Q3，PWM信號固定週期，因此，圖5及圖6中的監視電路是可以被省略，而由微處理器控制驅動電流的最大電流值。
透過上述說明可知，輕載或重載期間的判斷都可以透過微處理器來執行，因此，本發明的運轉方法不以微處理器搭配硬體電路為限。
如圖7所示，有無線通訊功能的電子式扭力感測器155通常包括電池(圖中未繪示)，電池供應電子式扭力感測器155能與驅動裝置157實現無線通訊(如圖中虛線，表示兩者透過無線通訊)，因此，為了降低電池的耗電，在輕載時，扭力感測器是處在微耗電的休眠(sleep)狀態，並在脫離輕載(步驟S370)後，驅動裝置157透過信號喚醒電子式扭力感測器155，以執行監視輸出扭力值(即步驟S371)直到實現步驟S390後讓電子式扭力感測器155回到休眠狀態，如此，電池的使用時間可以延長，進而延長電子式扭力感測器155的使用時間。
最後，再次強調，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。
100:電動工具110:本體130:觸發器150:電動驅動器151:電源裝置153:電動馬達155:扭力感測器157:驅動裝置1571:微處理器1572:電流傳感器1573:馬達開關1574:電流偵測電路1575:放大電路1577:監視電路1579:限電流電路170:轉接器171:連接座180:遠端裝置190:螺接器具300:運轉方法310-390:步驟OPA1:第一運算放大器OPA2:第二運算放大器OPA3:第三運算放大器Q1:第一電晶體 Q2:第二電晶體Q3:第三電晶體SD:運轉信號TD:時間TL1:-TL6:輕載觸發期間PL1-PL6:輕載觸發參數TH1:第一重載觸發期間IH1:第一重載驅動電流TH2:第二重載觸發期間IH2:第二重載驅動電流TH3:第三重載觸發期間IH3:第三重載驅動電流
圖1是本發明的電動工具的示意圖。 圖2是圖1中電動工具的電動驅動器的實施例的組成示意圖。 圖3是圖1的電動工具執行運轉方法的流程圖。 圖4是透過示波器量測電動驅動器的驅動電流對應運轉信號的信號圖。 圖5是圖2中電動驅動器的實施例的電路圖。 圖6是圖2中電動驅動器的另一實施例的電路圖。 圖7是圖1中電動工具的電動驅動器的另一實施例的組成示意圖。
300:運轉方法
310-390:步驟

Claims (7)

  1. 一種電動工具的運轉方法，包括： 提供一輕載觸發條件及一目標扭力參數； 透過一驅動電流觸發一電動工具的一電動驅動器運轉，以產生一運轉信號； 監視該運轉信號； 在該運轉信號滿足該輕載觸發條件時，限制該驅動電流的最大電流變化率，以使該電動驅動器降速運轉； 監視該電動驅動器的一輸出扭力值；及 在該輸出扭力值滿足該目標扭力參數時，停止輸出該驅動電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電動工具的運轉方法，其中，該輕載觸發條件包括建立多個輕載觸發期間及一對一對應該多個輕載觸發期間的多個輕載觸發參數，該多個輕載觸發期間是連續的，該多個輕載觸發參數是不相同；該運轉信號滿足該輕載觸發條件是該運轉信號等於或超過該多個輕載觸發參數的其中一者。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電動工具的運轉方法，其中，該多個輕載觸發參數與該多個輕載觸發期間的該驅動電流的平均值有關。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電動工具的運轉方法，其中，限制該驅動電流的最大電流變化率包括在一第一重載觸發期間內輸出一第一重載驅動電流，隨後，在一第二重載觸發期間內輸出一第二重載驅動電流，該第二重載驅動電流較該第一重載驅動電流大。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電動工具的運轉方法，其中，監視該電動驅動器的該運轉信號包括啟動瞬間延遲一段時間後開始偵測該驅動電流。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電動工具的運轉方法，其中，監視該電動驅動器的該輸出扭力值包括在該運轉信號滿足該輕載觸發條件時，觸發該電動驅動器的一扭力感測器偵測該輸出扭力值。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的電動工具的運轉方法，其中，提供該目標扭力參數是透過一遠端裝置。
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