TWM579071U - Electric drill with speed control - Google Patents

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唐永俊
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賈永睿
廖亞毓
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正峰新能源股份有限公司
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
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Abstract

一種具有轉速控制功能的電鑽，主要是以無刷馬達控制系統控制鑽頭的速度，無刷馬達控制系統中包含輸入單元、偵測單元、處理單元、模式設定單元、模式設定單元與控制單元，輸入單元中包含開關元件，透過改變開關元件的狀態，並藉由本創作無刷馬達控制系統的處理，電鑽能自動切換成多種預設運轉模式，此外更能根據鑽頭的負載，而自動調整扭力呈預定扭力值，因此不論鑽頭所鑽入的工件硬度，由於馬達轉速是固定，搭配預設扭力值，因此電鑽更容易操作，尤其更能掌握鑽入的深度，有助於提供施作品質及施工效率。

Description

具有轉速控制功能的電鑽
一種電鑽，尤其是一種具有轉速控制功能的電鑽。
馬達主要能將電能轉換為機械能，藉以驅動機械作旋轉、振動或直線運動，而廣被運用於自動控制與機電整合領域，在生活上更有許多的家電產品，都需要運用到馬達來進行相關的運作，相對的馬達的類型與工作運用也愈來愈多樣化。
雖然馬達的種類很多，依照驅動電流之不同，大致可以分為直流馬達和交流馬達，且對於基本結構來說，主要由定子(Stator)和轉子(Rotor)所構成；其中，交流馬達雖然結構簡單價格低廉，但早期因為變速控制較為困難，過去主要應用於定轉速或多段變速的應用場合。
由於交流馬達在實際運轉時，其轉速係與輸入的電流頻率成正比，原則上頻率越高轉速越快，隨著變頻器應用於交流馬達之變速控制在工業上已有相當的時日，加上近年來大型積體電路的快速發展，功率電子元件的進步，複雜的控制法則得以藉微處理器為基礎的軟體予以實現，使交流馬達的變速控制可藉由數位式變頻器驅動系統而達成，進而廣泛的應用於各種領域。
一般直流馬達之轉子係為電磁鐵(以漆包線繞成)，定子則為永久磁鐵，以永久磁鐵為周圍的磁場，線圈繞成的電磁鐵為中間轉子，主要透過適時改變電流方向方式，達到使轉子能依同一方向持續旋轉之目的；例如，有刷直流馬達係靠電流流經電刷再經電樞轉動，其垂直磁場的產生採用在轉子上增加多組的線匯繞組，經由電刷(brush)與換相(commuttor)的調整，使流入電樞的電流，能控制轉子磁場保持在磁場垂直的方向上。
至於，無刷直流馬達主要解決有刷直流馬達之電刷與換相器維護問題，其動作原理與有刷式直流馬達最大不同之處，在於無刷直流馬達係改以電子式的換相，達到使轉子與定子磁場保持在預定相位差之目的。
然而，既有習用的無刷直流馬達欲進行轉速調整時，雖可透過改變電電壓的方式達成，相形之下會感覺較為簡單容易，但若馬達加上負載時，將嚴重造成扭力不足的問題，必須選擇較大功率的電源方可讓馬達從靜止狀態啟動運轉，如此不但造成無刷直流馬達可供使用電源之限制，且在無刷直流馬達全時運轉過程中亦相對較耗費電能。
本創作的主要目的在於提供一種具有轉速控制功能的電鑽，電鑽的使用是為了在不同材質的工件做鑽孔作業，比如對於木板或金屬板，電鑽的鑽入速度會有各種轉速的需求，甚至輸出不同扭力值的需求，因此本創作提供多個預設運轉模式需求，讓使用者能透過切換開關元件，使電鑽的轉速直接預定成高、低轉速，若需更高的轉速或更低的轉速，透過加速或加速鍵再去選擇，因此使用者能簡易快速的設定出更快或更慢的轉速。
尤其本創作還提供扭力隨轉速一起調整的功能，也就是當設定成更高轉速，但是因為工件的材質較硬，造成到達更高轉速的時間較久，這段期間中則透過脈衝寬度調變訊號的方式，來逐漸提高脈衝寬度，使轉速與扭力同步上升或下降到達一預定扭力值，因此能有效提高施工效率及鑽孔品質。
為達上述目的，本創作的具體技術手段包含具有轉速控制功能的電鑽，包含設置於電鑽內的無刷馬達控制系統，該無刷馬達控制系統包含包含輸入單元、偵測單元、處理單元、模式設定單元、控制單元及無刷馬達。
輸入單元包含一開關元件與一啟動開關，該開關元件與該啟動開關是設置於該電鑽的外表面上；偵測單元與該開關元件構成電性連接，藉以偵測該開關元件的開關狀態並以電子訊號的形式傳送出去；處理單元與偵測單元構成電性連接，藉以接收該偵測單元所傳來的電子訊號並作判別處理以產生一設定模式訊號並傳送出去；模式設定單元與處理單元構成電性連接，藉以接收一設定模式訊號並產生對應的一處理訊息，該處理訊息被傳回該處理單元做運算處理以產生一控制指令並傳送出去；控制單元與該處理單元構成電性連接，以接收該控制指令，當該啟動開關被觸發時則根據該控制指令驅動一無刷馬達；其中，當開關元件被切換時，該無刷馬達的轉速會在不同預定轉速或不同轉向之間做切換。
此外更更進一步設置有一顯示單元，且該輸入單元中更包含一加速鍵與一減速鍵，該顯示單元是連接於該處理單元，以將該處理單元的訊息轉換成可辨識的資訊，其中 當按下該加速鍵或該減速鍵之一，該偵測單元則產生一增速觸發訊號或一減速觸發訊號並傳送給該處理單元，該處理單元則將該增速觸發訊號或該減速觸發訊號傳給該模式設定單元，該模式設定單元據以產生一調速處理訊息並傳給該處理單元，該處理單元經運算處理後會產生一速度調變控制指令給該控制單元，該控制單元則根據該速度調變控制指令以脈衝寬度調變訊號的方式使轉速從當前轉速調整到到達設定轉速。
控制單元並以霍爾效應感測器即時偵測該無刷馬達的轉速，以得知該無刷馬達的轉速是否已到達至該設定轉速，進而據以調整脈衝寬度調變訊號的工作週期；當該無刷馬達之鑽頭承受負載越大，則該無刷馬達到達該預定轉速時間則越久，則脈衝寬度調變訊號的工作週期亦會逐漸加大，直到到達該設定轉速且該馬達的扭力也上升一預定扭力值。
以下配合圖示及元件符號對本創作之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
圖1為本創作之無刷馬達控制系統的功能方塊圖。本創作的具有轉速控制功能的電鑽至少包含設置於電鑽（圖未示）內的無刷馬達控制系統100，本創作的無刷馬達控制系統100至少包含輸入單元10、偵測單元20、處理單元30、模式設定單元40、控制單元50及無刷馬達60。
偵測單元20是電性連接於輸入單元10與處理單元30之間，以偵測輸入單元10的狀態並將狀態以電子訊號方式傳送給處理單元30；處理單元30分別與模式設定單元40與控制單元50做電性連接，控制單元50則連接於處理單元30與無刷馬達60之間。
處理單元30是對偵測到的訊號做判別處理，模式設定單元40則根據判別處理後的訊號輸出處理訊息給處理單元30，處理單元30並根據處理訊息演算出控制指令，根據預設條件再將控制指令傳到無刷馬達60，以驅動無刷馬達60並使無刷馬達60依照預設運轉模式轉動。
輸入單元10至少包含啟動開關11、一個或多個開關元件。在此實施例中，雖然是用兩開關元件作為示範說明，但是單開關元件也為本創作所能涵蓋的範圍，因為從下列的雙開關元件的實施說明中，就能了解單開關元件的實施方式，因此單開關元件的實施方式請參以下說明。
兩開關元件包含了代表正反轉切換的第一切換開關12與代表段速切換的第二切換開關13，第一切換開關12與第二切換開關13是設置在電鑽的外表面上，也就是能被操作的部分至少應外露於電鑽的外表面上；第一切換開關12與第二切換開關13是可以是撥動開關或按鍵開關等可切換狀態的各種開關元件形式；其中透過切換第一切換開關12可將無刷馬達60設定成正轉（順時針）及反轉（逆時針）的兩種不同的預定轉向狀態，透過切換第二切換開關則能將馬達設定成高、低轉速運轉的兩種不同的預定轉速狀態。
第一切換開關12與第二切換開關13是電性連接於偵測單元20，其中偵測單元20是即時偵測第一切換開關12與第二切換開關13的目前狀態，並且即時回傳給處理單元30作後續處理。
在本實施例中，是使用兩個開關，由於每個開關又能切換成兩種狀態，因此開關組合總共會有4種，即：正轉與高轉速運轉、正轉與低轉速運轉、反轉與高轉速運轉與反轉與低轉速運轉。
因此根據不同開關組合預先在處理單元30建立比對資料庫，在此比對資料庫中，已預設各種開關組合所對應的設定模式訊號；因此當電鑽一通電時，處理單元30能根據偵測單元20傳來的一開關組合而比對出對應的設定模式訊號並傳送給模式設定單元40作後續處理。
其中，在電鑽使用之前，模式設定單元40也須做預先設定，也就是事先依據不同設定模式訊號設定出不同處理訊息，其中每 一處理訊息會同時包含轉速處理訊息及轉向處理訊息；因此，模式設定單元能根據所接收到的設定模式訊號後而產生對應的處理訊息，以供處理單元做運算處理，經運算處理後，處理單元30會產生控制指令並傳給傳給控制單元50，其中控制指令會同時包含轉速控制指令與轉向控制指令；若是單一開關，則控制指令就是轉速控制指令或轉向控制指令之一，比如控制指令是轉速控制指令的情形時，轉向控制指令已被預訂成正轉或反轉而無法被切換。
此時若啟動開關11上未按下時則無刷馬達60不作動，比如使控制指令不傳送給無刷馬達60；當啟動開關11按下後，則使控制指令傳送給無刷馬達60，以驅動無刷馬達根據控制指令而運轉，其運轉結果包含以下四種預設運轉模式：高轉速正轉、低轉速正轉、高轉速反轉或低轉速反轉，至於高轉速與低轉速的具體轉速值則由使用者視實際需求而自行定義。
實際上，如配置兩個開關（正反轉切換開關與段速切換開關時），則總共有4種開關組合：高轉速與正轉、低轉速與正轉、高轉速與反轉與低轉速與反轉；偵測單元會將4種不同開關的組合狀態對應轉換成能供處理單元的4個電子訊號，透過事先在處理單元跟模式設定單元所作的預設處理，進而產生控制指令。
具體而言，當開關組合是正轉與高轉速，模式設定單元40將傳出轉向為正的轉向處理訊息與轉速為高的轉速處理訊息給處理單元運算，所謂的運算處理是，通常電鑽的轉速是指鑽頭的轉速，而本案主要控制是無刷馬達的轉速，而無刷馬達到鑽頭之間會配置一系列的傳動機構，因此須根據所搭配的傳動機構而決定無刷馬達的轉速，因此需經處理單元的演算處理，來決定無刷馬達的應有轉速，以產生正確的鑽頭轉速度。
經過處理單元30的演算處理後，處理單元30傳送轉速控制指令與轉向的控制指令並傳給控制單元50，藉以預設無刷馬達60的轉速及轉向，當啟動開關11被觸發時，則依轉速控制指令與轉向控制指令驅動無刷馬達60正轉且以預定的高轉速運轉。
參閱圖2，本創作無刷馬達控制系統之較佳實施例的功能方塊圖。如圖2所示，本創作的輸入單元10更包含加速鍵14與減速鍵15，本創作更包含顯示單元70，顯示單元70是連接於處理單元30，以將處理單元30所接收的訊息轉換成資訊（如文字、數字或圖像符號）顯示，顯示單元70主要是顯示當前的轉速或設定轉速； 當按下加速鍵14或減速鍵15之一，顯示單元70則即時顯示設定轉速，偵測單元20則產生增速觸發訊號或減速觸發訊號並傳送給處理單元30，處理單元30則將增速觸發訊號或減速觸發訊號傳給模式設定單元20；顯示單元60是液晶面板或是其他具有顯示功能的組件。
在電鑽使用之前，模式設定單元40須預先做好段速的設定，因此能依照 收到增速觸發訊號或減速觸發訊號而產生調速處理訊息並傳給處理單元30，處理單元30經運算處理後會產生速度調變控制指令給該控制單元50，控制單元50則根據速度調變控制指令以脈衝寬度調變（PWM）訊號的方式使轉速從當前轉速調整到到達設定轉速，同時扭力隨轉速一起上升。
上段提到的設定轉速是預設轉速加上增（減）速後的速度，也就是若第一切換開關是切到正轉位置，而第二切換開關是切到高轉速位置，則預定轉速就是高轉速正轉，為了方便說明，在此假設高轉速是被預設在1500rpm；而模式設定單元中是設定以100rpm的轉速增加或減少，當然也可以設定成線性增加或設定成200rpm、500rpm或更大幅度的增減，也就是按一次加速鍵，轉速就會作一次調整，因此所謂的設定轉速就是預設轉速1500rpm加上100rpm。
承上，模式設定單40元產生調速處理訊息給處理單元30作後續處理。
其中控制單元50並會透過霍爾效應感測器去即時偵測無刷馬達的轉速，以調變PWM的工作週期，當負載越大同時扭力也調高，最大可調高至預定扭力值；上述的負載是指電鑽的鑽頭所鑽入的工件，如水泥牆面或木板或金屬板的工件，如工件硬度越高，則從預定轉速到達所設定轉速需要更久時間，其中PWM的工作週期已被預設成自動調大工作週期，因此轉速會逐漸提高，由於轉速跟扭力呈正比，因此扭力更能逐漸提高到無刷馬達的最大扭力，由於已達到無刷馬達的最大扭力，因此轉速可下降但維持於最大扭力的輸出並持續一段期間；為了精確得知無刷馬達的轉子速度，可使用霍爾效應感測器獲得轉速資訊並回授給控制單元50，進而供控制單元50做PWM訊號調變處理。
以上所述者僅為用以解釋本創作之較佳實施例，並非企圖據以對本創作做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之創作精神下所作有關本創作之任何修飾或變更，皆仍應包括在本創作意圖保護之範疇。
100‧‧‧無刷馬達控制系統
10‧‧‧輸入單元
11‧‧‧啟動開關
12‧‧‧第一切換開關
13‧‧‧第二切換開關
14‧‧‧加速鍵
15‧‧‧減速鍵
20‧‧‧偵測單元
30‧‧‧處理單元
40‧‧‧模式設定單元
50‧‧‧控制單元
60‧‧‧無刷馬達
70‧‧‧顯示單元
圖1為本創作之無刷馬達控制系統的功能方塊圖。 圖2為本創作無刷馬達控制系統之較佳實施例的功能方塊圖。

Claims (7)

  1. 一種具有轉速控制功能的電鑽，包含設置於一電鑽內的一無刷馬達控制系統，該無刷馬達控制系統包含： 一輸入單元，包含一開關元件與一啟動開關，該開關元件與該啟動開關是設置於該電鑽的外表面上； 一偵測單元，與該開關元件構成電性連接，藉以偵測該開關元件的開關狀態並以電子訊號的形式傳送出去； 一處理單元， 與該偵測單元構成電性連接，藉以接收該偵測單元所傳來的電子訊號並作判別處理以產生一設定模式訊號並傳送出去； 一模式設定單元，與該處理單元構成電性連接，藉以接收一設定模式訊號並產生對應的一處理訊息，該處理訊息被傳回該處理單元做運算處理以產生一控制指令並傳送出去；以及 一控制單元，與該處理單元構成電性連接，以接收該控制指令，當該啟動開關被觸發時則根據該控制指令驅動一無刷馬達； 其中，當開關元件被切換時，該無刷馬達的轉速會在不同預定轉速或不同轉向之間做切換。
  2. 如請求項1所述之具有轉速控制功能的電鑽，該輸入單元包含有複數開關，該偵測單元根據一開關組合而對應轉換成能供該處理單元處理一電子訊號，且透過事先在該處理單元跟該模式設定單元所作的預設處理，進而產生一控制指令，其中該控制指令包含有轉速控制指令與轉向控制指令，藉以預設該無刷馬達的轉速及轉向，當該啟動開關被觸發時，則根據該控制指令中的轉速控制指令與轉向控制指令驅動該無刷馬達。
  3. 如請求項2所述之具有轉速控制功能的電鑽，其中，更進一步設置有一顯示單元，且該輸入單元中更包含一加速鍵與一減速鍵，該顯示單元是連接於該處理單元，以將該處理單元的訊息轉換成可辨識的資訊，其中 當按下該加速鍵或該減速鍵之一，該偵測單元則產生一增速觸發訊號或一減速觸發訊號並傳送給該處理單元，該處理單元則將該增速觸發訊號或該減速觸發訊號傳給該模式設定單元，該模式設定單元據以產生一調速處理訊息並傳給該處理單元，該處理單元經運算處理後會產生一速度調變控制指令給該控制單元，該控制單元則根據該速度調變控制指令以脈衝寬度調變訊號的方式使轉速從當前轉速調整到到達設定轉速。
  4. 如請求項3所述之具有轉速控制功能的電鑽，其中，該控制單元並以霍爾效應感測器即時偵測該無刷馬達的轉速，以得知該無刷馬達的轉速是否已到達至該設定轉速，進而據以調整脈衝寬度調變訊號的工作週期。
  5. 如請求項4所述之具有轉速控制功能的電鑽，其中，當該無刷馬達之鑽頭承受負載越大，則該無刷馬達到達該預定轉速時間則越久，則脈衝寬度調變訊號的工作週期亦會逐漸加大，直到到達該設定轉速且該馬達的扭力也上升一預定扭力值。
  6. 如請求項5所述之具有轉速控制功能的電鑽，其中，該預定扭力值為該無刷馬達的最大扭力值，且持續輸出一期間。
  7. 如請求項3所述之具有轉速控制功能的電鑽，其中，該顯示單元是液晶面板。
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