WO2010075820A1 - 电动工具的控制方法及执行该控制方法的电动工具 - Google Patents

电动工具的控制方法及执行该控制方法的电动工具 Download PDF

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唐向阳
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苏州宝时得电动工具有限公司
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Definitions

  • the present invention relates to a method of controlling a power tool, and more particularly to a method for controlling the rotational speed of a motor of an electric screwdriver.
  • the present invention also relates to a power tool for performing the above control method, and more particularly to an electric screwdriver for performing the control method.
  • the overload protection device can be a mechanical clutch that disengages the working head of the power tool from the motor in the event of the above current overload.
  • a power tool using such an overload protection device is usually provided with a torsion cover at the front of the casing, that is, a rotatable cover marked with a plurality of scales. These scales indicate the extreme torque position at which the power tool operates.
  • the present invention provides a control method of a power tool that automatically ensures that a work piece driven by a work head of the power tool reaches a predetermined position, and that the work piece does not further pass the predetermined position.
  • the present invention also provides a power tool for performing the above control method, which has an electronic control unit that prevents a workpiece driven by the work head from further passing the position after reaching a predetermined position.
  • a control method of a power tool wherein the power tool comprises a motor and an output shaft rotatably driven by the motor, the output shaft is for outputting a rotational torque to drive a working head to work on a workpiece
  • the control method comprising the steps of: measuring a parameter for representing an output shaft load as a function of time; obtaining a second derivative or a higher derivative of the parameter versus time; generating a corresponding control signal according to the second derivative or higher derivative; and according to the control signal Changing the rotational speed of the power tool.
  • the technical solution of the present invention may also be:
  • a power tool comprising: an output shaft for driving a working head to have a rotational speed of the working head; a motor for rotationally driving the output shaft; a power source for supplying power to the motor; and a sensor for Measuring a parameter indicative of an output shaft load; a control component for obtaining a second derivative or a higher derivative of the parameter versus time; generating a corresponding control signal to change a rotation of the motor based on the second derivative or higher derivative speed.
  • the present invention automatically detects whether the work piece driven by the work head has reached a predetermined position by adding an associated electronic control component in the power tool, and performs a corresponding action after detecting that the work piece reaches the predetermined position, Make sure it does not go further past the predetermined location. Moreover, since the complicated mechanical clutch structure is not employed, the manufacturing is simple and the cost is reduced.
  • Figure 1 is a graph showing the current versus time for an existing electric screwdriver.
  • Figure 2 is a derivative plot of the current versus time in Figure 1.
  • Figure 3 is a derivative plot of the current versus time twice in Figure 1.
  • Figure 8 is a block diagram showing the operation of the power tool of the present invention based on the second inventive principle.
  • Figure 9 is similar to Figure 3 and is a derivative curve of the operating current of the electric screwdriver after the second derivation of time.
  • Figure 10 is a derivative plot of the current versus time three times in Figure 9.
  • Figure 11 is a block diagram showing the working principle of the power tool of the present invention based on the third inventive principle.
  • Figure 12 is a schematic cross-sectional view showing another embodiment of the power tool of the present invention.
  • Figure 1 3 is a partial enlarged view of Figure 12.
  • Figure 14 is a perspective view of the hood in Figure 13.
  • Fig. 15 is a perspective view showing another embodiment of the light shielding disk of Fig. 13.
  • Figure 16 is a table of experimental data for two specific embodiments of the present invention.
  • Fig. 17 is a graph showing current changes obtained in a sampling period of 42 ms in an embodiment of the present invention.
  • Fig. 18 is a graph showing the product of the second derivative of the current and the first derivative of the current in the case of the current change shown in Fig. 17.
  • Figure 19 is a graph showing the variation of the product of the second derivative of the current and the current in the case of the current change shown in Figure 17.
  • control method of the present invention can be applied to various types of power tools, and the following mainly describes an electric screwdriver as a specific embodiment.
  • Figure 1 shows the current versus time curve of an electric screwdriver as shown in Figure 1.
  • the electric screwdriver 2 is pressed by the user to drive the work piece 14 which, in the present embodiment, is a screw and is drilled into a wooden board 16.
  • the user's pressing force is substantially close to a constant.
  • the letter t indicates the time the screw was drilled into the board and the corresponding position of the screw in the board.
  • the letter ⁇ indicates the current supplied to the motor of the electric screwdriver and the corresponding load or driving force applied to the motor.
  • the curve in Figure 1 consists of a first part ⁇ , a second part ⁇ , and a third part ⁇ .
  • the first part of ⁇ is a rising curve, which indicates the drilling process of the main part of the screw drilled into the board.
  • the rising curve is basically linear, or it may be slightly curved and twisted.
  • the second part K following the first part A can also be referred to as the inflection point part (k n ee ) K.
  • the inflection point portion ⁇ is a positive curve change, that is, the inflection point portion ⁇ has an upward sloping abrupt change with respect to the first portion, which indicates that the head of the screw comes into contact with the surface of the board.
  • the third part B which is also a substantially linear one, or a slightly curved and wave-shaped rising curve. But curve B is much steeper than curve A.
  • the curve in Figure 1 represents the electricity that is not protected by the control method of the present invention.
  • the working condition of the moving tool, so the third part B of the curve indicates that the power tool will generate a very high current at this time, causing the head of the screw to be drilled into the board. Therefore, it is necessary to take necessary measures after the inflection point K to avoid the occurrence of the above-mentioned excessive current.
  • the present invention is based on the automatic detection of the inflection point K, and then automatically takes appropriate precautions after detection.
  • Figure 2 is a graph of the current ⁇ in Figure 1 after the first derivative d ⁇ /dt for time t.
  • the first part A and the second part B in Fig. 1 are correspondingly shown as straight lines parallel to the horizontal coordinate axis t, and the second part K is shown as a sharp rising curve.
  • Figure 2 is a graph of the current ⁇ in Figure 1 after the second derivative d 2 ⁇ /dt 2 is obtained for time t.
  • the first part A and the second part B in Fig. 1 have become zero after the second derivation, and the second part K is shown as an open parabola, and in the top region of the parabola (including the parabola A specific interval, including the vertices, forms a peak signal.
  • a threshold v can be set in advance, which is generated only when the peak signal p is positive and numerically greater than a predetermined threshold V.
  • control signal s can also be generated after the current ⁇ is first derived from the time t, as in the case of a capacitor, when a first derivative is detected that is greater than a predetermined valve.
  • the control signal s is generated after the value.
  • Fig. 4 shows a power tool according to the present invention to which the above control method is applied.
  • the electric screwdriver 2 includes a working component 4, a power source 18, and a switch 20.
  • the working component 4 includes a motor 6 for driving a working head 8 to rotate a screw 1 4 into the wooden board 16 .
  • the motor 6 to the working head 14 are sequentially connected to the clutch system 1 2 and a chuck 10 by a mechanical spring.
  • the clutch system can also be omitted.
  • the power source 18 is a direct current power source or a rechargeable battery, and the motor 6 can be supplied with direct current when the switch 20 is closed.
  • those skilled in the art can easily think of replacing the direct power source in the embodiment with an alternating current power source.
  • the electric screwdriver further includes a first derivation unit 26 and a second derivation unit 28.
  • the sensor 24 detects the current ⁇ supplied to the motor in real time, and generates a signal proportional to the detected current and transmits it to the first derivation unit 26; then the first derivation unit 26 obtains the current and time according to the current and time.
  • the first derivative d ⁇ /dt shown in Figure 2 is generated, and a signal proportional to the first derivative is generated.
  • the second derivation unit 28 obtains the second derivative as shown in FIG.
  • control signal s is generated when the value is numerically greater than the preset threshold V.
  • the control signal s is used to reduce the rotational speed of the motor or to interrupt the supply of power to the motor. That is, the control signal s is used to reduce the current ⁇ supplied to the motor to a lower level or to zero, thereby reducing the speed of the motor or stopping the motor.
  • the control signal s can also be used to change the flow of the current ⁇ so that the motor 6 can be quickly stopped.
  • control signal s is transmitted to the electronic control device 22, and then the electronic control device 22 performs corresponding actions, which may be generated immediately after the peak signal ⁇ is generated, or may be delayed after a period of time.
  • the delay can be implemented in the electronic control unit 22 or can be implemented by a separately provided delay unit.
  • the electronic control circuit of Figure 4 can include a transistor switch to disconnect the current supplied to the motor.
  • the electronic control unit 22 may include a microprocessor, and the functions implemented by the first derivation unit 26, the second derivation unit 28, or the delay unit that may exist may be cured. Instructions within the processor are executed. That is, the entire electronic control unit 22 can be a microprocessor.
  • Figure 5 shows the current ⁇ of the motor as a function of time t.
  • the current ⁇ of the motor is a direct current supplied to the motor by an electric screwdriver when driving a working head.
  • the figure shows the two current curves ⁇ 1 and ⁇ 2 detected.
  • the current for detecting and processing the motor is performed by the principle of the clock pulse, which is a technique well known to those skilled in the art, and will not be described again.
  • Figure 6 shows the corresponding first derivative of the current curves ⁇ 1 and ⁇ 2 after one derivation.
  • the first if? line ⁇ 1 is a relatively soft material workpiece, such as a wood board, or a relatively small screw light; and the second curve A2 is related to a relatively hard material workpiece, or a relatively large screw.
  • control component 22 shown in Figure 8
  • FIG. 8 the detection and processing of curves A1 and A2 is performed in control component 22 (shown in Figure 8), which in the present embodiment may also include a microprocessor.
  • the motor current ⁇ 1 is collected at a predetermined time point T1.
  • a threshold value is stored in advance, called the first threshold ⁇ 1.
  • the first and second predetermined first-order derivative values q1, q2 described above are all pre-stored in the microprocessor.
  • the motor current value ⁇ 1 is lower than the first threshold value ⁇ 1 at the time point T1 at the time point T1
  • the first preset first-order derivative value q1 is selected, and conversely, if the motor current value ⁇ 1 is high at the time point T1 At the first threshold ⁇ 1, then the second predetermined first derivative value q2 is selected.
  • Fig. 6 the corresponding first-order derivative curves of the currents corresponding to the curves A1 and A2 are shown as a1 and a2, respectively.
  • the rotational speed of the DC motor of the power tool is reduced or even stopped.
  • the microprocessor reads the motor current ⁇ . If the work head is a small screw and / or the workpiece is a softer material, , , , , , ⁇ . , . organize , , L ,. , L ,. The work of f on this day is relatively small, and the curve of current changes with time is like the first curve of 13 ⁇ 4 5
  • the current collected at time T1 is the first current M, which can be about 3A.
  • the microprocessor selects the first-order derivative value q1 (pre-stored therein) to the first derivative of current versus time di/ Dt for comparison.
  • the motor speed is controlled by the first control signal s1 triggered by q1 to slow down. . If the work head is a large screw and/or the workpiece is a harder material, the current changes with time as the second curve A2 in Figure 5.
  • the microprocessor selects the second derivative value q2 (pre-stored in it) at the preset time point ⁇ 1.
  • the di/dt value on the a2 curve reaches q2
  • the corresponding time point is t2
  • the current corresponding to the supplied motor is 12.
  • the motor speed is controlled by the generated second control signal s2 to slow down.
  • the motor current ⁇ at the preset time point T1 is also collected.
  • the microprocessor determines whether the value of the current ⁇ detected at ⁇ 1 is lower than the preset first threshold ⁇ 1, such as the current value ⁇ 1 in the above embodiment, or whether it is higher than the preset first The threshold ⁇ 1, but lower than the preset second threshold ⁇ 2, such as the current value ⁇ 2 in the above embodiment. If the detected current value is ⁇ 1, the first curve ⁇ 1 is assigned to a preset first-order derivative value q1; if the detected current value is ⁇ 2, the second curve ⁇ 2 is assigned to a larger one. The preset first-order derivative value q2.
  • the first derivative di/dt at the inflection points K1, ⁇ 2 is again used by the microprocessor to generate the corresponding control signals s1, s2o.
  • the first embodiment only one preset threshold P1 is used, and in the second embodiment, two preset thresholds P1, P2 are used.
  • the microprocessor will also use the third threshold P3 preset in it (eg Figure 5) and the third first derivative value q3 (as shown in Figure 6). It should be noted that these thresholds P1, P2, P3 and the first derivative values q1, q2, q3 are pre-stored in the microprocessor for different current values detected at the preset time point T1. ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3 are individually awake. Of course, more thresholds and first derivative values q can be used depending on the situation.
  • thresholds P and first-order derivative values q can be obtained and pre-stored in the microprocessor through a series of tests (for example, testing different gauge screws on workpieces of different materials or specifications).
  • the electric power tool 2 shown in Fig. 8 such as an electric screwdriver, operates using the above-described embodiment based on the second inventive principle.
  • most of the components are the same as or similar to the embodiment shown in FIG. repet , , ⁇ ⁇ , ... , paragraph
  • the working assembly 4 of the electric screwdriver shown on the right side of Fig. 8 includes a DC motor 6 for driving the work head 8 held on the tool chuck 10.
  • the tool chuck 10 and the motor 6 are coupled to the clutch system 12 by a mechanical spring.
  • the working head 8 is used to rotate a screw 14 to screw it into the board 16 .
  • the power source 18 is a DC power source and can be a rechargeable battery that can be supplied to the motor 6 when the trigger switch 20 is closed.
  • An electronic control unit 22 and a sensor 24 for detecting current are connected between the power source 18 and the motor 6.
  • the current sensor 24 detects the current supplied to the motor in real time, and generates a signal proportional to the detected current and transmits it to the derivation unit 26.
  • the derivation unit 26 then generates a signal that is proportional to the first derivative of the current versus time di/dt.
  • the output of the derivation unit 26 is coupled to an input of a storage and processing unit 32.
  • the storage and processing unit 32 stores therein, as described in the first embodiment above, a single threshold P1 and first and second first derivative values q1 and q2. At the preset time point T1, if the current ⁇ is lower than the threshold ⁇ 1, the storage and processing unit 32 selects the first-order derivative value q1; if the current ⁇ 2 is higher than the threshold ⁇ 1, the storage and processing unit 32 selects the second one.
  • the order value is q2.
  • the second derivative value q2 is greater than the first-order derivative value q1.
  • the storage and processing unit 32 generates a control signal s1 or s2.
  • the storage and processing unit 32 communicates the control signal s1 or s2 to the electronic control unit 22.
  • the electronic control unit 22 is for reducing or turning off the power supplied to the motor 6. That is, the control signal s1 or s2 is used to reduce the current supplied to the motor to zero or a lower value to cause the motor to stall or the speed to be substantially zero.
  • the control signal s is achieved by the electronic control circuit 30 for this purpose.
  • the speed reduction control of the motor can be performed immediately after the generation of the pulse signal ⁇ , or it can be performed after a specific time delay.
  • the control signal s1 or s2 can also be used to change the direction of current ⁇ so that the motor stops quickly.
  • the electronic control device may comprise a microprocessor, the derivation unit 26, the storage and processing unit 32, the electronic control circuit 30, or a delay unit (not shown) for delaying the control signal s.
  • This can be performed by instructions that are solidified within the microprocessor. That is, the electronic control unit 22 can be replaced by a microprocessor.
  • FIG-11 shows the third inventive principle of the control method and the power tool of the present invention, which is based on the principle of the first invention shown in Figs. 1-4, and therefore, only the differences between the two are explained below.
  • the third inventive principle uses a third derivation of current versus time to reduce the rotational speed of the power tool 2.
  • the control method continues with the steps shown in Figures 1-3.
  • Figure 9 is the current pair , L , . , , ⁇ L ,. , ⁇ ⁇ ⁇ resort ⁇
  • the curve has been shown in Figure 3.
  • the third derivative d 3 i/dt 3 of current versus time is further obtained.
  • the control signal s is generated. The control signal s is then used to reduce the rotational speed of the power tool 2.
  • the signal output by the secondary derivation unit 28 is passed to the third derivation unit 34, and then the third derivative d 3 i/dt 3 is generated.
  • the third derivation unit outputs a signal
  • a positive pulse value p1 is input to the electronic control circuit 30, which is regarded as the control signal s.
  • the control signal s causes the direct current ⁇ supplied to the motor 6 to be reduced or even completely turned off.
  • the storage and processing unit 32 may store the first derivative value q2 therein, or may include a number of first derivative values q1, q2, q3, ... qn and a plurality of thresholds P1. P2, P3, and Pn are processed.
  • the steps illustrated in Figures 5-8 and the protective device also have a fast and reliable response after the head of the screw 14 reaches the surface of the board 16.
  • the protection device is all realized electronically.
  • the first derivative, the second derivative or the higher derivative mentioned in the above embodiments are not limited to the derivative definition in purely mathematical sense, but may also include a simple equivalent based on the derivative principle in practical engineering applications.
  • the current values are detected at successive fixed time intervals, ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, ⁇ 4, i5, so that the corresponding first derivative is i2-i ⁇ ⁇ 3_ ⁇ 2, ⁇ 4_ ⁇ 3, i 5-i 4 , and the second derivative is ⁇ 3_2 ⁇ 2 + ⁇ 1, i4-2i3+i2, i5-2i4+i3.
  • the second derivative can be directly obtained without first obtaining the first derivative.
  • the electric screwdriver sometimes encounters some abnormal conditions during operation and causes an abnormal mutation of the working current, so that the obtained second derivative is disturbed.
  • These abnormal conditions are like
  • the nail encounters thrift in the board during screwing into the board and causes a sudden increase in current; or the current suddenly rises sharply when the motor is started and detects when it has not entered the plateau; or when using a DC battery pack
  • the battery pack drops rapidly due to over-discharge, which causes a sudden change in current; or the user suddenly shakes the arm during use, causing a sudden change in current.
  • the second derivative calculated according to the current at this time may cause interference, that is, the second derivative generated at this time may also reach or exceed The preset threshold V (shown in FIG. 3), and at this time the control assembly, such as the electronic control unit 22 shown in FIG. 4, mistakenly believes that the screw has been completely screwed into the board to cut off the power supplied to the motor. This is obviously what users are not willing to see.
  • the new threshold is much larger than the original threshold V, in such a way that the difference between the actual desired second derivative and the second derivative that produces the interference is amplified, thus using a larger threshold.
  • the current or the product of the first or second derivative and a fixed constant, the current or the nth power of the first or second derivative, the product of the current and the corresponding first derivative, second order The product of the derivative and the corresponding first derivative, the product of the second derivative and the corresponding first derivative and current, the first or second derivative plus a value close to 90, and then the tangent function value (such as ta n (89 +- or second-order derivative)), the cotangent function value of the first or second derivative (such as ct an (- or second derivative)), or the base of any value a and the value 1 and first or second
  • the difference between the derivative of the order derivative is the logarithm of the true number (such as l oga (1 - order or second derivative)
  • control component compares the value of the function of the second derivative of the current with a predetermined threshold.
  • the control component issues a control signal to lower the motor. Speed or downtime.
  • Figures 1 2 through 15 disclose a specific method of detection.
  • the electric screwdriver 2 is taken as an example, which includes a casing 5, a motor 6 disposed in the casing, an output shaft 9, and is connected between the motor 6 and the output shaft 9.
  • the gear reduction mechanism 7 is a three-stage planetary gear reduction mechanism including first, second, and third planet carriers 71, 72, 73, and a plurality of first, second, and third planetary gears disposed on the corresponding planet carrier.
  • a torsion spring 51 is disposed between the casing 5 and the third ring gear 732, wherein one end of the torsion spring 51 and the casing 5 are relatively fixedly disposed, and the other end is fixedly connected to the third ring gear 732.
  • the third ring gear 732 rotates against the torsion of the torsion spring 51.
  • the sensor assembly 24 is also disposed between the housing 5 and the third ring gear 732. As shown in the enlarged structure of FIG.
  • the sensor assembly 24 includes a sensing member 241 fixedly disposed on the casing 5, and a moving member 242 fixedly disposed on the third ring gear 732.
  • the sensing member 241 is preferably a photosensor
  • the moving member 242 is preferably a ring-shaped shutter.
  • the light shielding plate 242 includes a plurality of through holes 2421 both disposed on the circumference. Further, as shown in FIG. 15 , the light shielding plate 242 can also be made of a light transmissive material, and the circumference of the light shielding plate 242 . A plurality of opaque stripes 2422 are uniformly disposed on the upper surface.
  • the third ring gear 732 When the third ring gear 732 rotates, it will drive the light shielding plate 242 to rotate relative to the photoelectric sensor 241, so that the light emitted by the photoelectric sensor 241 will be blocked by the light shielding plate 242 or pass through the through hole 2421 of the light shielding plate 242.
  • the sensor 241 records the number of through holes 2421 passing through and generates a pulse signal (each pulse represents an angular displacement amount, that is, an angular displacement amount/pulse), and the signal is transmitted to the control unit, and the control unit calculates the pulse signal into
  • the corresponding angular displacement amount is obtained by multiplying the stiffness (torque/angle) of the torsion spring 51 by the angular displacement amount to obtain the torque received by the torsion spring 51, thereby obtaining the magnitude of the load torque received by the output shaft 9.
  • the load torque of the output shaft is obtained by detecting the displacement of the ring gear relative to the casing.
  • the pressure applied to the casing by the ring gear can also be detected (eg, by a pressure sensor). Or detect the speed of the planet carrier (Hall detection element) to indicate or further calculate the magnitude of the output shaft load torque.
  • the test comparison of the above scheme shows that by using the second derivative of current to compare with the preset value, screwing screws of different diameters on wood of different materials can successfully generate control signals to reduce motor speed or stop.
  • the ratios vary.
  • the success rate of the D5X50 screw on different woods can be as high as 100% when the output shaft speed is low. However, in the case of a high output shaft speed, The success rate of screwing on different woods is reduced.
  • the D5X50 screw on the domestic white pine is judged by the second derivative, the preset threshold is 3800, and the success rate of the high speed state is 70%.
  • the product of the second derivative and the first derivative is used for judging.
  • the preset threshold is 600, and the success rate of the high speed state is 100%. That is to say, in the case where the output shaft speed is high, the success rate of judging by the second derivative is low. With the function of the second derivative, the success rate is greatly improved. Can be seen, whether it is The output shaft is in a high speed or low speed state. Different sizes of screws are used on wood of different textures.
  • the product of the second derivative and the first derivative is compared with a preset value, and the control system sends a control signal to lower or stop the motor speed.
  • the success rate is significantly higher than the success rate of simply using the second derivative and the preset value.
  • the function of the second derivative referred to herein is based on the second derivative obtained by the parameter of the detected load characterizing the output shaft, and the detected parameter characterizing the output shaft or the parameter The result of the operation of the function.
  • Figure 17 is a graph of the current variation obtained by the control component at a sampling period of 42 ms.
  • the value of motor current is large. After a period of normal operation, it gradually rises. When a large load is encountered, the motor current will rise rapidly.
  • Fig. 19 is a graph showing the numerical value obtained by a function of the product of the second derivative of the current and the current in the case of the current change shown in Fig. 17.
  • the broken line indicates the curve of the current
  • the solid line indicates the curve of the product of the second derivative of the current and the current.
  • the current change can be amplified by the function operation.
  • the product of the second derivative of the current and the current can reflect the expected inflection point.
  • the control component needs to preset a number of The threshold is used to eliminate these interference points and determine if the screw is fully screwed into the board.
  • the function threshold can be a number of fixed values.
  • the load of the motor is used as the detection parameter to indicate the load of the output shaft (ie, the connecting shaft between the chuck 10 and the clutch system 12 in FIGS. 8 and 11), that is, when When the screw is screwed into the board, the output shaft will be subjected to a resisting torque, which can reflect the resistance by detecting the current. The change in the moment to determine if the screw is fully screwed into the board.

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Description

电动工具的控制方法及执行该控制方法的电动工具 技术领域
本发明涉及一种电动工具的控制方法， 尤其涉及一种用于控制电动螺丝刀 的电机转速的方法。
本发明还涉及一种执行上述控制方法的电动工具， 尤其涉及一种执行该控 制方法的电动螺丝刀。
背景技术
现有的电动工具， 如电动螺丝刀， 通过加载的电源提供电流， 来驱动电机 转动， 从而使工作头旋转以将螺钉钻进木板中。 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 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。
本发明还提供一种执行上述控制方法的电动工具， 其具有电子控制組件， 可避免由工作头驱动的工作件在到达预定位置后进一步越过该位置。
为实现上述目的之一， 本发明的技术方案是：
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， 该控制 方法包括如下步骤： 测量随时间变化的用来表示输出轴负载的参数； 获得所述 参数对时间的二阶导数或高阶导数； 根据所述二阶导数或高阶导数生成相应的 控制信号； 以及根据所述控制信号改变所述电动工具的旋转速度。
为实现上述目的之一， 本发明的技术方案还可以是：
一种电动工具， 其包括： 输出轴， 用于驱动一工作头， 以使工作头具有一 旋转速度； 电机， 旋转驱动所述输出轴； 电源， 用于供给所述电机电力； 传感 器， 用于测量表示输出轴负载的参数； 控制組件， 用于获得所述参数对时间的 二阶导数或高阶导数； 根据所述二阶导数或高阶导数生成相应的控制信号以改 变所述电机的旋转速度。
与现有技术相比， 本发明通过在电动工具内增设相关的电子控制組件来自 动检测工作头驱动的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。 并且， 由于没 有采用复杂的机械式离合器结构， 使制造简单， 成本降低。
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 中电流对时间一次求导后的导数曲线图。
图 3是图 1 中电流对时间二次求导后的导数曲线图。
图 4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 5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 i 1、 ί 2的曲线。
图 6是图 5 中不同电流 ί 1、 ί 2对时间一次求导后的导数曲线图。
图 7是根据图 6 中不同电流 Μ、 ί 2 对时间的一阶导数而得到的控制信号 s 1、 s 2的曲线图。
图 8是本发明的电动工具基于第二发明原理的工作原理框图。 图 9与图 3相似， 是电动螺丝刀的工作电流对时间二次求导后的导数曲线 图。
图 1 0是图 9 中电流对时间三次求导后的导数曲线图。
图 1 1 是本发明的电动工具基于第三发明原理的工作原理框图。
图 1 2是本发明的电动工具另一实施方式的剖视示意图。
图 1 3是图 1 2 中局部放大图。
图 1 4是图 1 3 中遮光盘的立体示意图。
图 1 5是图 1 3 中遮光盘的另一实施方式的立体示意图。
图 1 6是本发明的两个具体实施方式的实验数据表格。
图 1 7是本发明的一个具体实施方式在以 42ms为采样周期获得的电流变化 曲线图。
图 1 8是图 1 7所示的电流变化情况下， 电流的二阶导数与电流的一阶导数 的乘积的变化曲线图。
图 1 9是图 1 7所示的电流变化情况下， 电流的二阶导数与电流的乘积的变 化曲线图。
具体实施方式
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 4 所示， 该电动螺丝刀 2被使用者按压以驱使工作件 1 4， 在本实施方式中该工作 件为螺钉， 钻入一木板 1 6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 ί 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 Α， 第二部分 Κ， 和第三部分 Β。 其中第一部分 Α 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 （k n ee ) K。 该拐点部分 Κ是一个正向的曲线变化， 也就是说， 拐点部分 Κ相对于第一部分 Α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。
图 2和图 3将解释本实施方式中如何检测拐点部分 Κ。
图 2是图 1 中电流 ί 对时间 t求一阶导数 d ί /dt后的曲线图。 其中， 图 1 中的第一部分 A和第二部分 B在该图上相应显示为平行于水平坐标轴 t的直线， 而第二部分 K则显示为一急速上升的曲线。
图 2是图 1 中电流 ί 对时间 t求二阶导数 d2 ί /dt2后的曲线图。 其中， 图 1 中的第一部分 A和第二部分 B经二次求导后数值已变为零， 而第二部分 K则显 示为一开口向下的抛物线， 并在抛物线的顶部区域 （包含抛物线顶点在内的一 个特定区间） 形成一峰值信号 。 配合参照图 4所示， 当该峰值信号 p形成时， 会随之产生一个控制信号 s。 当然， 在优选的实施方式中， 可预先设定一个阀 值 v， 该控制信号 s仅当峰值信号 p 为正值并且数值上大于预设的阀值 V 时产 生。 对于本领域的普通技术人员可轻易想到的是， 该控制信号 s 也可在电流 ί 对时间 t 第一次求导后产生， 如通过电容器的方式， 当检测到一阶导数大于一 预定的阀值之后即产生控制信号 s。
图 4所示的是本发明的应用上述控制方法的电动工具， 以下仍以电动螺丝 刀为例进行说明。 电动螺丝刀 2包括工作組件 4、 电源 1 8、 和开关 20。 其中工 作組件 4 包括电机 6， 用于驱动一工作头 8 旋转， 以将一螺钉 1 4钻进木板 1 6 中。 电机 6到工作头 1 4之间依次通过一机械式弹簧与离合器系统 1 2、 以及一 卡盘 1 0连接。 当然在本实施方式中， 离合器系统也可省去。 本实施方式中， 电 源 1 8是直流电源， 或者是可充电电池， 可在开关 20闭合时供给电机 6直流电。 当然， 本领域的普通技术人员也可轻易想到， 采用交流电源替代本实施方式中 的直 电源。
电源 1 8和电机 6之间连接有电子控制装置 22和用于检测电流的传感器 24。 该电动螺丝刀还包括一第一求导单元 26和第二求导单元 28。 本实施方式中， 传感器 24会实时检测供给电机的电流 ί， 同时生成与检测到的电流成一定比例 的信号并传递给第一求导单元 26 ; 而后第一求导单元 26根据电流和时间求得 如图 2 所示的一阶导数 d ί /dt， 同时生成一个与该一阶导数成一定比例的信号 并进一步传递给第二求导单元 28 ; 随后， 第二求导单元 28 求得如图 3所示的 二阶导数， 并在预设条件产生时， 如上述提到的当峰值信号 p为正值并且数值 上大于预设的阀值 V 时， 生成控制信号 s。 在本实施方式中， 该控制信号 s被 用于降低电机的转速或中断向电机提供电力。 也就是说， 控制信号 s被用于将 供给电机的电流 ί 减小到一个较低的水平或减至零， 从而来降低电机的转速或 使电机停转。 当然， 该控制信号 s也可被用于改变电流 ί 的流向， 从而使电机 6能迅速的停下来。在本实施方式中， 控制信号 s会被传递到电子控制装置 22， 而后由电子控制装置 22来执行相应的动作，这些动作可以是在峰值信号 ρ产生 后即时产生， 也可以是延迟一段时间后产生， 该延迟可以在电子控制装置 22 内实现， 也可以通过单独设置的延迟单元来实现。
图 4中的电子控制电路可以包括一个晶体管开关， 用来断开供给电机的电 流
在优选的实施方式中， 电子控制装置 22可以包括一微处理器， 上述第一求 导单元 26、 第二求导单元 28、 或者可能存在的延迟单元等所实现的功能均可以 通过固化在微处理器内的指令来执行。 也就是说， 整个电子控制装置 22可以是 一个微处理器。
在其他可选的实施方式中，供给电机 6的电流 ί 可以在连续的时间间隔□ t 内测得， 这些连续的时间间隔 可以是相同的。 检测到的电流 ί 随后被数字 化处理， 分別求两个连续的时间间隔内的电流对时间的一阶导数 d i /dt， 而后 比较这两个一阶导数； 如果比较的结果表明两者基本上不相同 （相当于前述实 施方式中的二次求导）， 即意味着螺钉的头部已到达木板 1 6的表面， 接着就会 生成前面提到的控制信号 s。
上述实施方式通过在电动工具内增设相关的电子控制組件来自动检测工作 头驱动的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。
图 5-8所示的是本发明的控制方法和电动工具的第二发明原理， 以下会对 基于该发明原理的各实施方式作详细阐述。
图 5所示的是电机的电流 ί 随时间 t的变化曲线图。 在本实施方式中， 该 电机的电流 ί 是一电动螺丝刀在驱动一工作头工作时供给电机的直流电。 图中 显示了检测到的两根电流曲线 Α1 和 Α2。 与前面的相同， 检测以及处理电机的 电流是通过时钟脉冲原理进行的， 此属于本领域技术人员所熟知的技术， 申请 人不再赘述。 图 6所示的是电流曲线 Α1 和 Α2经一次求导后相应的一阶导数曲 ^ , , χ. 1( , , ^ ,, ,, , , , . ， ，工
线。 第一 if?线 Α1 与相对较软材质的工件， 如木板， 或相对较小的螺灯 矢； 而 第二曲线 A2与相对硬软材质的工件， 或相对较大的螺钉有关。 无论哪种情形， 对曲线 A1 和 A2的检测和处理都会在控制組件 22 (图 8示） 中进行， 在本实施 方式中， 该控制組件还可以包括一微处理器。
在基于第二发明原理的第一实施方式中， 在一预先设定的时间点 T1， 电机 电流 ί 1 被采集到。 在微处理器中， 预先存储有一个的阀值， 称作第一阀值 Ρ1。 该第一阀值 Ρ1 可能是， 例如， 在 Τ1 时间点， Ρ1=5Α (安培）。 如果此时 ί 1〈5Α， 意味着目前电动螺丝刀正在一块较软的木板上打螺钉； 如果此时 Μ>5Α， 意味 着目前电动螺丝刀正在一块较硬的木板上打螺钉。 配合参照图 6 所示， 如果 ΪΚ5Α, 微处理器将会分派一个第一预设一阶导数值 q1； 如果 ί 1〈5Α， 微处理器 将会分派一个第二预设一阶导数值 q2。上述第一和第二预设一阶导数值 q1、 q2 都被预先存储在微处理器中。第一预设一阶导数值 q1 可以是，例如， q1=0.4A/s; 第二预设一阶导数值 q2 大于第一预设一阶导数值 q1， 可以是， 例如， q2 = 1A/s。 也就是说， 如果在时间点 T1 时电机电流值 ί 1 低于第一阀值 Ρ1， 第一预设一阶 导数值 q1 会被选择， 反之， 如果在时间点 T1 时电机电流值 ί 1 高于第一阀值 Ρ1 , 那么第二预设一阶导数值 q2会被选择。
在图 6中， 对应曲线 A1 和 A2的电流经一次求导后相应的一阶导数曲线分 別显示为 a1 和 a2。
可以意识到的是， 图 6 中曲线 a1 和 a2 的急速上升段对应图 5 中曲线 A1 和 A2的突变弯曲段，也就是曲线 A1 和 A2的拐点部分 K1 和 K2。前面已提到过， 拐点部分 K1 和 K2 表示螺钉的头部开始接触到木板的表面。 这些拐点部分 K1 和 K2在微处理器中被用于分別生成控制信号 s1 和 s2 (如图 7所示）。 如图 6 所示， 预设一阶导数值 q1、 q2分別位于曲线 a1、 a2的急速上升段。
如图 7所示， 第一预设一阶导数值 q1 被选择的时候， 当电机电流的一阶导 数值 di/dt达到 q1 时，此时位于时间点 t1 的第一控制信号 s1 会被微处理器生 成。 如果根据在时间点 T1 时的检测已经确定选择第二曲线 A2， 那么当一阶导 数值 di/dt达到第二预设一阶导数值 q2时， 位于时间点 t2的第二控制信号 s2 就被生成。
根据生成的第一控制信号 s1 或第二控制信号 s2， 电动工具的直流电机的 转速就会降低或者甚至停转。
也就是说： 在预设时间点 T1 时， 例如在启动电机后的 1 秒或 2秒时， 微处 理器读取电机电流 ί。 如果工作头是小螺钉以及 /或者工件是较软材质的木板， , , ,工， ， ^ . , . „ ,, L ,. , L ,. 此日 f的工作 ¾ i 相对较小， 电流随时间变化的曲线就如同 1¾ 5 甲的第一曲线
A1。 在时间点 T1 时采集到的电流为第一电流 M， 可以是 3A左右， 微处理器就 会选择第——阶导数值 q1 (预先储存在其中）来与电流对时间的一阶导数 di/dt 进行比较。 如此， 当 di/dt 的值达到 q1 时， 对应时间点为 1:1， 对应供给电机 的电流为 11， 此时， 电机的转速就会被 q1 所触发的第一控制信号 s1 控制而降 速。如果工作头是大螺钉以及 /或者工件是较硬材质的木板， 此时电流随时间变 化的曲线就如同图 5 中的第二曲线 A2。 如此在时间点 T1 时采集到的第二电流 ί2会高于第一电流 Μ， 例如， ί2 = 7Α。 因此， 在预设时间点 Τ1 时微处理器就会 选择第二一阶导数值 q2 (预先储存在其中）。 当 a2 曲线上的 di/dt 值达到 q2 时， 对应时间点为 t2， 对应供给电机的电流为 12， 此时， 电机的转速就会被生 成的第二控制信号 s2控制而降速。
在基于第二发明原理的第二实施方式中， 在预设时间点 T1 时的电机电流 ί 同样会被采集到。 此时， 微处理器会判断在 Τ1 时检测到的电流 ί 的值是否会低 于预设的第一阀值 Ρ1， 例如上述实施方式中的电流值 ί1， 或者是否高于预设的 第一阀值 Ρ1， 但低于预设的第二阀值 Ρ2， 例如上述实施方式中的电流值 ί 2。 如果检测到的电流值是 ί1， 则第一曲线 Α1 就会被分派到一个预设一阶导数值 q1； 如果检测到的电流值是 ί2， 则第二曲线 Α2 就会被分派到一个较大的预设 一阶导数值 q2。接下来，就如同第一实施方式中所提到的个步骤，位于拐点 K1、 Κ2的一阶导数 di/dt就会再次被微处理器用到来生成相应的控制信号 s1、 s2o 需要注意的是， 在第一实施方式中只有一个预设阀值 P1 被使用到， 而在第 二实施方式中有两个预设阀值 P1、 P2被使用到。
这同样也可以应用到第二实施方式中： 如果工作头是非常大的螺钉以及 / 或者工件的材质非常硬， 微处理器会同样使用到预先设定在其内的第三阀值 P3 (如图 5所示） 和第三一阶导数值 q3 (如图 6所示）。 需要说明的是， 这些阀 值 P1、 P2、 P3 以及这些一阶导数值 q1、 q2、 q3被预先储存在微处理器内， 用 于在预设时间点 T1 时， 根据检测到的不同电流值 ί1、 ί2、 ί3而分別被单独地 唤醒。 当然， 可视情形使用更多的阀值 Ρ和一阶导数值 q。
这些阀值 P和一阶导数值 q可以是通过一系列的测试 （例如， 测试不同规 格的螺钉在不同材质或规格的工件上进行工作） 而获得并预先储存在微处理器 中。
图 8 所示的电动工具 2， 例如电动螺丝刀， 使用了上述基于第二发明原理 的实施方式进行工作。其中， 大多数元件和图 4所示的实施方式相同或相近似， „ ,, ^ ^ , … ， „
所以， 对 件使用相同的标号。
图 8 的右侧所示的电动螺丝刀的工作組件 4包括直流电机 6， 用来驱动夹 持在工具夹头 10上的工作头 8。 工具夹头 10和电机 6之间通过一机械式弹簧 与离合器系统 12连接。 工作头 8用于旋转一螺钉 14以将其拧入木板中 16。 电 源 18是直流电源， 可以是可充电电池， 可在扳机开关 20闭合时供给电机 6直 流电流 i
电源 18和电机 6之间连接有电子控制装置 22和用于检测电流的传感器 24。 电流传感器 24会实时检测供给电机的电流，同时生成与检测到的电流成一定比 例的信号并传递给求导单元 26。 求导单元 26 随后生成一个与电流对时间的一 阶导数 di/dt成一定比例的信号。求导单元 26的输出端连接到一个存储与处理 单元 32的输入端。
存储与处理单元 32 内储存有， 如上述第一实施方式中所述的， 单一的阀值 P1 以及第一和第二一阶导数值 q1 和 q2。 在预设时间点 T1， 如果电流 Μ 低于 阀值 Ρ1， 存储与处理单元 32选择第——阶导数值 q1； 如果电流 ί 2 高于阀值 Ρ1 , 则存储与处理单元 32选择第二一阶导数值 q2。 其中第二一阶导数值 q2 大 于第——阶导数值 q1。 当第一导数 di/dt 达到第一或第二预设一阶导数值 q1 或 q2 时， 存储与处理单元 32相应生成控制信号 s1 或 s2。 此时， 螺钉头部已 经到达木板的表面。存储与处理单元 32将控制信号 s1 或 s2传递给电子控制装 置 22。 该电子控制装置 22 用于减少或者断开供给电机 6的电力。 也就是说， 控制信号 s1 或 s2被用来使供给电机的电流 ί 降低到零或者一个较低的值以使 电机停转或转速基本上为零。 在本实施方式中， 控制信号 s通过电子控制电路 30来实现这个目的。 对电机的降速控制可以在脉冲信号 ρ产生后即时执行， 也 可以是延后一特定的时间来执行。 控制信号 s1 或 s2也可以用来改变电流 ί 的 流向， 从而使电机迅速停转。
在优选的实施方式中， 电子控制装置可以包括一微处理器， 上述求导单元 26、 存储与处理单元 32、 电子控制电路 30、 或者用来延迟控制信号 s的延迟单 元 （未图示） 都可以通过固化在微处理器内的指令来执行。 也就是说， 电子控 制装置 22可以由一个微处理器来取代。
图 9-11 所示的是本发明的控制方法和电动工具的第三发明原理， 其是基于 图 1-4所示的第一发明原理上延伸出来的， 因此， 下面仅说明两者的区別之处。 第三发明原理使用了电流对时间的第三次求导来降低电动工具 2的转速。
在具体实施方式中， 控制方法会继续图 1-3所示的各步骤。 图 9 是电流对 , L ,. ,, ^ L ,. , ^ ^ ^ „ ^ 时 |ι¾的二次氷导曲线的再现， 该曲线已经在图 3 中显示过了。 如 1¾ 10所示， 在 二阶导数 d2i/dt2的基础上， 进一步求出了电流对时间的三阶导数 d3i/dt3。 当 三阶导数曲线的波峰区段出现后，如果检测到三阶导数值 d3 ί /dt3大于预先给出 的阀值 v1， 并且为正值时， 控制信号 s就被生成了。 控制信号 s随后被用于降 低电动工具 2的转速。
本领域的技术人员可据次得知， 通过检测四阶、 五阶或更高阶的导数来实 现控制信号 s的生成。 由于这些都可轻易推断出， 申请人在此不在赘述。
参考图 11 所示的电路， 需要注意的是， 二次求导单元 28 输出的信号传递 给了三次求导单元 34， 然后生成三阶导数 d3i/dt3。 随着第三求导单元输出信 号， 一个正的脉冲值 p1 被输入了电子控制电路 30， 其被视作控制信号 s。 通过 电子控制电路 30， 控制信号 s使得供给电机 6的直流电流 ί 被减小或者甚至完 全被断开。
需要再次注意的是， 电子控制装置 22的所有組成单元可以被一个微处理器 所取代。
根据之前提到的第二实施方式中， 存储与处理单元 32可以在其内储存一阶 导数值 q2， 或者可以包含若干一阶导数值 q1、 q2、 q3、 …… qn 以及若干阀值 P1、 P2、 P3、 Pn来进行处理。
图 5-8所述的步骤以及保护装置同样具有在螺钉 14的头部到达木板 16表 面后产生快速和可靠的响应。 该保护装置全部通过电子方式来实现。
需要注意的是上述各实施方式中提到的一阶导数、 二阶导数或更高阶导数 并不仅限于纯粹数学意义上的导数定义， 还可以包含实际工程应用中基于导数 原理进行简单的等效变换。 例如， 一阶导数也可以表示成连续的时间间隔□ t 内的电流变化□ ;， 即 为方便工程应用， 可将 取为一个非常小的 等值， 如 Dt =10ms， 如此， 只需要不断的判断电流 ί 的差值就可以实现等效于 求一阶导数的运算。 例如， 在连续的固定时间间隔点检测到电流值为 ί1、 ί2、 ί3、 ί4、 i5 ， 如此相应的一阶导数为 i2-i Κ ί3_ί2、 ί4_ί3、 i 5- i 4 ， 二阶导数为 ί3_2ί2+ί1、 i4-2i3+i2, i5-2i4+i3 。 并且， 通过这种方式， 可以不需要预先求得一阶导数而直接获得二阶导数。 据此类推， 对更高阶导数 所作的类似等效变换都包含在本发明中导数的含义内。
以下将讨论基于二阶导数或更高阶导数来生成控制信号的另一实施方式。 以二阶导数为例， 电动螺丝刀有时在工作时会碰到一些异常情况而导致工作电 流发生非正常突变， 从而使所获得的二阶导数被干扰。 这些异常情况如， 当螺 钉在拧入木板的过程中遇到木板中的节疤而导致电流突然升高； 或者在电机刚 启动时电流突然大幅上升并在还未进入平稳期时就进行检测； 或者在使用直流 电池包作为电源时， 电池包因过放而导致电压迅速下降， 进而使得电流发生突 变； 或者使用者在使用过程中手臂发生突然抖动， 而导致电流突变。 如果上述 情况发生时螺钉还未完全拧入木板， 根据这时的电流对时间而计算得到的二阶 导数就有可能产生干扰， 也就是说， 此时生成的二阶导数可能也会达到或超过 预设阀值 V (如图 3所示）， 而此时控制組件，如图 4中所示的电子控制装置 22， 就会错误地认为螺钉已经完全拧入木板中而切断供给电机的电力， 这显然是使 用者不愿意看到的。
当遇到上述异常情况时， 此时的电流值往往相比螺钉完全拧入木板时的电 流值要小， 所以为解决上述问题， 控制組件可以将二阶导数的值与相应的电流 值 （即以此电流值为基础而相应计算得到的该二阶导数的值） 进行乘积， 并为 该乘积值预设一个新的阀值， 当该二阶导数与相应电流的乘积为正值且数值大 于或等于新阀值时生成相应的控制信号来降低电机的速度或停机。 显然， 新的 阀值要比原阀值 V 大得多， 通过这种方式， 使得实际想要的二阶导数与产生干 扰的二阶导数之间的差距被放大， 从而使用更大的阀值来将实际想要的二阶导 数筛选出来。 当然在其他实施方式中， 可以将电流或一阶导数或二阶导数与一 个固定常数的乘积， 电流或一阶导数或二阶导数的 n次方、 电流与相应一阶导 数的乘积、 二阶导数与相应一阶导数的乘积、 二阶导数与相应一阶导数以及电 流的乘积、 一阶或二阶导数加上某个趋近于 90 的值后再求正切函数值 （如 ta n (89+—阶或二阶导数））、 一阶或二阶导数的余切函数值（如 ct an (—阶或二 阶导数））、 或以任意值 a为底数且数值 1 与一阶或二阶导数的差值为真数的对 数函数值 （如 l oga (1 -—阶或二阶导数）） 与对应的阀值进行比较， 当上述值在 数值 （即绝对值） 上大于或等于其对应的阀值 （该阀值为一正数） 时， 生成控 制信号来降低电机的速度或停机。 也就是说， 控制組件将电流的二阶导数的函 数的数值与一个预定的阀值进行比较， 当二阶导数的函数数值大于或者等于该 预定的阀值时， 控制組件发出控制信号来降低电机的速度或者停机。 本领域普 通技术人员可以轻易想到的时， 上述实施方式同样可应用于高阶导数， 申请人 在此不再予以赘述。
图 1 2到图 1 5揭示了一种具体的检测方式。如图 1 2所示，在本实施方式中， 还是以电动螺丝刀 2为例， 其包括机壳 5、 设置在机壳内的电机 6、 输出轴 9、 连接在电机 6和输出轴 9之间的齿轮减速机构 7、 以及设置在输出轴 9上的夹 头 1 0。 在本实施方式中， 齿轮减速机构 7为三级行星齿轮减速机构， 其包括第 一、 二、 三行星架 71、 72、 73， 设置在相应行星架上的若干第一、 二、 三行星 轮 71 1、 721、 731 , 以及设置在相应若干行星轮外周的第一、 二、 三齿圈 71 2、 722、 732。 本实施方式中， 一扭簧 51 设置在机壳 5和第三齿圈 732之间， 其中 扭簧 51 的一端和机壳 5相对固定设置， 另一端和第三齿圈 732 固定连接。 当输 出轴 9所受的负载发生变化时， 第三齿圈 732会克服扭簧 51 的扭力而旋转。传 感器組件 24同样设置在机壳 5和第三齿圈 732之间。如图 1 3的放大结构所示， 传感器組件 24包括固定设置在机壳 5上的感测件 241， 和固定设置在第三齿圈 732 上的移动件 242， 本实施方式中， 感测件 241 优选为光电传感器， 移动件 242优选为环形的遮光盘。 配合参见图 1 4所示， 遮光盘 242包括均 设置在圓 周上的多个通孔 2421， 此外， 参见图 1 5所示， 遮光盘 242也可以使用透光材 料制成， 遮光盘 242的圓周上均匀设置有多个不透光的条紋 2422。
当第三齿圈 732产生转动， 其会带动遮光盘 242相对于光电传感器 241 转 动， 从而光电传感器 241 发出的光线便会被遮光盘 242遮住， 或者穿过遮光盘 242的通孔 2421，光电传感器 241 记录下通过的通孔 2421 的个数并生成脉冲信 号 （每个脉冲代表角位移量， 即角位移量 /脉冲）， 该信号传递给控制組件， 控 制組件经过计算， 将脉冲信号换算成相应的角位移量， 同时根据扭簧 51 的刚度 (扭矩 /角度） 与角位移量相乘得到扭簧 51 所受的扭矩， 从而得出输出轴 9所 受到的负载扭矩的大小。 在本实施方式中， 通过检测齿圈相对机壳的位移来获 得输出轴的负载扭矩， 当然在其他实施方式中， 也可以通过检测内齿圈作用于 机壳的压力 （如通过压力传感器）， 或者检测行星架的转速 （霍耳检测元件） 来 表示或进一步计算出输出轴负载扭矩的大小。
参见附图 1 6， 针对上述方案进行测试比较可知， 利用电流的二阶导数与预 设值进行比较， 在不同材质的木料上拧不同直径的螺钉， 能够成功生成控制信 号降低电机速度或者停机的比率有所不同。 利用二阶导数进行判断时， 在输出 轴转速较低的情况下， 在不同的木料上打 D5X50 的螺钉的成功率可基本达到 1 00% , 但是， 在输出轴转速较高的情况下， 在不同的木料上打螺钉的判断成功 率就降低了。 比如， 在国产白松上打 D5X50的螺钉， 利用二阶导数进行判断， 预设阀值为 3800， 高速状态的成功率为 70%。 而同样条件下利用二阶导数与一 阶导数的乘积进行判断， 预设阀值为 600， 高速状态的成功率为 1 00%。 也就是 说， 在输出轴转速较高的情况下， 利用二阶导数进行判断的成功率就较低。 而 利用二阶导数的函数进行判断， 成功率有很大程度的提升。 可以看到， 无论是 输出轴处于高速还是低速状态， 在不同质地的木料上打不同尺寸的螺钉， 利用 二阶导数与一阶导数的乘积与预设值进行比较， 控制系统发出控制信号使电机 转速被降低或者停止的成功率明显高于单纯用二阶导数与预设值进行判断的成 功率。 这里的所指的二阶导数的函数， 是指以检测到的表征输出轴的负载的参 数进行计算获得的二阶导数为基础， 与检测到的表征输出轴的负载的参数或者 与该参数的函数进行运算的结果。
下面， 结合附图 1 7- 1 9所示的电流以及电流的二阶导数、 电流的二阶导数 与一阶导数的乘积来说明运用不同的控制方法， 可以获得不同的判断成功率。 具体来讲， 图 1 7是控制組件在以 42ms为采样周期获得的电流变化曲线图。 在 电机启动初期电机电流的值较大， 正常运行一段时间后， 逐步上升， 当遇到较 大负载时， 电机电流会急速上升。
图 1 8是在图 1 7所示的电流变化情况下， 电流的二阶导数与电流的一阶导 数的乘积的函数运算获得的数值的变化曲线图。 其中， 虚线表示电流的变化曲 线， 实线表示电流的二阶导数与电流的一阶导数的乘积的变化曲线。 从图中可 以看到， 电流的急速变化通过采用二阶导数与一阶导数相乘的函数运算后， 数 值的变化， 特別是螺钉头部接触木料表面时的数值被显著放大。 通过这种函数 运算， 配合预设一定的函数阀值， 可以比较有效的分辨螺钉头接触木料表面的 时刻， 有效筛选和过滤掉大部分的干扰点， 从而使控制組件对电机的控制的成 功率提升。 在合适的条件下， 函数阀值可以是一个固定的数值。
图 1 9是在图 1 7所示的电流变化情况下， 采用电流的二阶导数与电流的乘 积的函数运算获得的数值变化曲线图。 其中， 虚线表示电流的变化曲线， 实线 表示电流的二阶导数与电流的乘积的变化曲线。 同样的， 电流的变化情况可以 被函数运算放大， 电流的二阶导数与电流的乘积能够反映出预期拐点， 只是在 此拐点之前有若干较大的干扰点， 鉴于此， 控制組件需要预设若干阀值以排除 这些干扰点， 判断螺钉是否已经完全拧入木板中。 此时， 函数阀值可以是多个 固定的数值。
这里仅列出了两个二阶导数的函数， 本领域技术人员应该知道， 其他的与 二阶导数相关的函数也可以应用于此， 比如， 二阶导数与一阶导数以及电流的 乘积， 或者二阶导数的平方， 二阶导数的开方运算等等。
上述实施方式中， 均以电机的电流作为检测参数来表示输出轴 （即图 8和 图 1 1 中位于夹头 1 0和离合器系统 1 2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 （Ha l l Se ns o r ) 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

权 利 要 求 书
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， 该控制方法包括如下步骤：
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二阶导数或高阶导数；
根据所述二阶导数或高阶导数生成相应的控制信号； 以及
根据所述控制信号改变所述电动工具的旋转速度。
2.根据权利要求 1 所述的控制方法，其特征在于：所述参数为供给电动工具 的电流。
3.根据权利要求 1 所述的控制方法，其特征在于： 所述参数为输出轴转速、 电机的电压、 电机转速、 或电机效率中的一个。
4.根据权利要求 1 所述的控制方法，其特征在于：所述电动工具还包括机壳 和收容在机壳内的行星齿轮传动机构， 所述行星齿轮传动机构包括行星架、 设 置在行星架上的行星轮、 环绕行星轮设置的齿圈； 所述参数为行星架的转速、 齿圈相对机壳的位移、 齿圈作用于机壳的压力中的一个。
5.根据权利要求 2所述的控制方法，其特征在于：在产生控制信号的步骤前 还包括预先设定一个阀值。
6.根据权利要求 5所述的控制方法，其特征在于：所述控制信号只有在所述 二阶导数或高阶导数的函数数值大于或等于所述预设阀值时才生成。
7.根据权利要求 6所述的控制方法， 其特征在于： 所述函数包含二阶导数 与一阶导数的乘积的函数因子。
8. 根据权利要求 7所述的控制方法，其特征在于： 所述控制信号只有在所 述二阶导数或高阶导数与电流的一阶导数的乘积的绝对值大于或等于所述预设 阀值时才生成。
9.根据权利要求 6所述的控制方法，其特征在于：所述控制信号只有在所述 二阶导数或高阶导数与电流的乘积的绝对值大于或等于所述预设阀值时才生 成
1 0.根据权利要求 1 所述的控制方法，其特征在于： 所述控制信号被用于将 电动工具的旋转速度设定到一个低速水平或零， 所述控制信号即时或在预定的 延迟时间后产生。 WO 2010/075820 , „ ^ τ 1 , ^ ^ ^ , „ ^ , PCT/CN2010/070014
1 1 . 一 ^ ¾动工具， 其特征在于， 该电动工具包括：
输出轴， 用于驱动一工作头， 以使工作头具有一旋转速度；
电机， 旋转驱动所述输出轴；
电源， 用于供给所述电机电力；
传感器， 用于测量表示输出轴负载的参数；
控制組件， 用于
获得所述参数对时间的二阶导数或高阶导数；
根据所述二阶导数或高阶导数生成相应的控制信号以改变所述电机的旋 转速度。
1 2. 根据权利要求 9所述的电动工具， 其特征在于： 所述参数为电流； 所 述控制組件还用于预先设定一个阀值， 所述控制信号只有在所述二阶导数或高 阶导数的函数数值大于或等于所述预设阀值时才生成。
1 3. 根据权利要求 1 0所述的电动工具， 其特征在于： 所述控制信号只有在 所述二阶导数或高阶导数与所述电流的乘积的绝对值大于或等于所述预设阀值 时才生成。
1 4. 根据权利要求 1 0所述的电动工具， 其特征在于： 所述控制信号只有在 所述二阶导数或高阶导数与所述电流的一阶导数的乘积的绝对值大于或等于所 述预设阀值时才生成。
1 5. 根据权利要求 1 3所述的电动工具， 其特征在于： 所述控制信号被用于 将电机的旋转速度设定到一个低速水平或零， 所述控制信号即时或在预定的延 迟时间后产生。
1 6.根据权利要求 1 0所述的电动工具， 其特征在于： 所述参数为所述参数 为输出轴转速、 电机的电压、 电机转速、 或电机效率中的一个。
1 7.根据权利要求 1 0所述的电动工具，其特征在于：所述电动工具还包括机 壳和收容在机壳内的行星齿轮传动机构， 所述行星齿轮传动机构包括行星架、 设置在行星架上的行星轮、环绕行星轮设置的齿圈； 所述参数为行星架的转速、 齿圈相对机壳的位移、 齿圈作用于机壳的压力中的一个。
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