CN108326802B - 一种电动工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动工具，包括壳体、位于壳体内的电机、传动装置、输出轴、控制单元和开关，电机通过传动装置驱动输出轴旋转，控制单元根据开关状态控制电机运行，控制单元包括电流检测单元、存储单元和判定单元，电流检测单元用于检测实时电机电流值I，存储单元用于存储最大电流值I_max；电机反向转动时，当判定单元判定当前电机电流值I小于等于存储最大电流值I_max的K倍时，控制单元切断电机电流，所述K的取值范围为0.3至0.7。本发明提供的技术方案可实现工具反转自停功能，防止螺栓与螺母完全脱离掉落的风险。

Description

一种电动工具

[技术领域]

本发明涉及一种电动工具，特别涉及一种可自动停机的电动工具。

[背景技术]

目前，常见的电动工具，如螺丝批、冲击扳手等都是通过电机驱动输出轴转动将螺钉、螺栓等紧固件拧紧或卸除。卸除紧固件时，由于电动工具转速很高，在很短时间内，就可以将紧固件卸除，容易造成紧固件在卸除后脱落的问题，为解决这一问题，中国发明专利公告第CN104656549B号，提出了一种技术方案，通过检测电机电流值，将电机电流值与预设的阈值比较，若小于或等于预设阈值，则改变电机转速或停机。但是在实际情况下，随着电动工具使用时间变长后，电机的永磁体会发生不同程度的退化,从而使得在相同的电流驱动下，电机的输出扭矩下降，如果采用固定的预设电流阈值作为停机判断的标准，在电动工具经过长时间使用后，会出现螺钉被过度松脱的现象。

[发明内容]

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够解决在电机工作参数变化情况下能实现自停的电动工具。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种电动工具，包括：壳体、位于壳体内的电机、传动装置、输出轴、控制单元和开关，电机驱动传动装置带动输出轴做正向与反向旋转运动，且控制单元根据开关状态控制电机运行，控制单元包括检测单元、存储单元和判定单元，检测单元用于检测电机的实时电流值I，并通过存储单元存储最大电流值I_max；当电机反向转动时，在判定单元判定当前电机电流值I小于或等于存储最大电流值I_max的K倍时，控制单元切断电机电流，K的取值范围为0.3至0.7。

进一步地，电流检测单元通过由电阻元件和滤波电路组成的电流检测电路获取电机电流值I。

进一步地，当判定单元判定当前电机电流值I小于等于存储最大电流值I_max的K倍，且经过预设时长T后，控制单元切断电机电流，预设时长T的取值范围为30ms至300ms。

进一步地，检测单元通过周期性采样获取电机电流值I，其采样周期小于预设时长T。

进一步地，滤波电路为一阶滞后滤波电路。

进一步地，最大电流值I_max的获取方法为：电机反转启动结束后，存储单元将检测单元检测到的第一个电流值存储作为最大电流值I_max。

进一步地，最大电流值I_max的获取方法还包括：控制单元周期性的将存储单元内存储的最大电流值I_max与实时检测到的电流值I进行比较，若存储单元内存储的最大电流值I_max大于等于实时检测到的电流值I，则最大电流值I_max不变，否则将新检测到的电机电流值I设定为最大电流值I_max。

进一步地，电机反转启动时间为预设的固定值。

进一步地，电动工具为无刷冲击扳手。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：在电池电压下降或因永磁体退化造成电机工作性能下降时，依然可以实现准确的反转自动停机，防止紧固件脱落。

[附图说明]

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明:

图1是本发明电动工具示意图；

图2是本发明电动工具电路逻辑图；

图3是本发明电动工具反转卸除紧固件时的电流曲线示意图；

图4是本发明电动工具在空载状态下，反转时的电流曲线示意图；

图5是本发明电动工具电路原理图；

图6-1是本发明电动工具在K为0.3时带载电流曲线图；

图6-2是本发明电动工具在K为0.3时空载电流曲线图；

图6-3是本发明电动工具在K为0.5时带载电流曲线图；

图6-4是本发明电动工具在K为0.5时空载电流曲线图；

图6-5是本发明电动工具在K为0.7时带载电流曲线图；

图6-6是本发明电动工具在K为0.7时空载电流曲线图；

[具体实施方式]

以下结合附图，对本发明的实施方式做具体的说明。

参考附图1和2所示的电动工具及电路逻辑图，该电动工具，例如冲击扳手，主要包括壳体1、位于壳体内的电机(图中未示出)，由电机通过传动装置驱动输出轴2转动，在本实施方式中采用的电机为无刷电机，与工具主体连接的作为电源的电池包3，控制电机启动/停止的主开关SW1和控制单元MCU4，控制单元MCU4包括：检测单元、判定单元和存储单元，控制单元MCU4接收主开关SW1、换向开关SW2和电流检测电路5的输入信号，并据此控制电机执行相应的动作。

参考附图3所示的电流曲线示意图，当用户操作换向开关SW2将冲击扳手切换到反转模式时，输出轴2端的工作头与紧固件抵触，按下主开关SW1，电机启动，电机启动时间是一预设固定值，本实施方式中启动时间设定为100ms。在启动阶段，电机电流I快速变大，在启动阶段完成时电机电流I达到了最大值。在启动阶段完成时，即主开关SW1触发100ms后，控制单元MCU4通过电流检测电路5开始采集电机电流值I，控制单元MCU4的存储单元将第一次采集的电机电流值I作为最大电流值I_max存储。控制单元MCU4的检测单元实时从电流检测电路5获得电机电流值I，控制单元MCU4的判断单元则将实时检测到的电流值I与存储单元内的最大电流值I_max进行比对，若实时检测到的电流值I小于最大电流值I_max的K倍时，即停机判断条件为I<K*I_max，则控制单元MCU4发出切断电机电源的信号，电机驱动电流I变为零，实现冲击扳手的反转自动停机。停机判断值不可以过小也不可以过大，若停机判断条件为小于最大电流值I_max的0.1倍时，由于该电流值与冲击扳手的空载电流值接近，并不能实现防止紧固件松脱的目的，但是如果停机判断条件过大则导致紧固件无法顺利分离的目的。附图6-1为在K为0.3时，电动工具带载时的电流曲线图，电机反转启动后电流开始增大，对紧固件周期性的冲击导致电流波形呈周期性变化，当紧固件松开后，电流下降，在实时电流值I达到最大电流值的0.3倍时，电流中断变为零，停机。图6-2为K在0.3时，空载时，电机反转时的电流曲线图，同样在实时电流值I达到最大电流值的0.3倍时，停机。图6-3为K在0.5时，电动工具带载时的电流曲线图，其电流曲线与K为0.3时基本相同，在实时电流值I达到最大电流值的0.5倍时，电流中断变为零，停机。图6-4为K在0.5时，空载时，电机反转时的电流曲线图，同样在实时电流值I达到最大电流值的0.5倍时，停机。图6-5为K在0.7时，电动工具带载时的电流曲线图，其电流曲线与K为0.3时基本相同，在实时电流值I达到最大电流值的0.7倍时，电流中断变为零，停机。图6-6为K在0.7时，空载时，电机反转时的电流曲线图，同样在实时电流值I达到最大电流值的0.7倍时，停机。经多次试验认为停机判断条件定为最大电流值I_max的0.3至0.7倍为宜。

为了防止因电机电流抖动等原因导致检测单元检测到的实时电流值I过小，造成误判停机，在另外的实施方式中：停机判断条件为实时电流值I持续地小于最大电流值I_max的0.4倍，且持续时间不少于30ms，持续时间不可以太短也不可以太长，持续时间过短不能防止误判，持续时间过长则容易延误停机时间，造成紧固件松脱掉落，持续时间取30ms至300ms为宜，控制单元MCU4发出切断电机电源的信号，工具停机。

此外，由于启动时间为预设固定值，但是由于实际工况复杂，在启动阶段结束后，电机电流值I可能并未达到最大值，或者在冲击阶段可能出现电机电流值超过启动阶段结束时的电流值的情况，在另外的实施方式中，检测单元从启动阶段结束时周期性的，即每隔50ms，从电流检测电路5采集电机电流值I，并将采集到的电流值I与存储单元内存储的最大电流值I_max比较，若存储单元内存储的最大电流值I_max小于最新采集到的电流值I，则将原来存储在存储单元内的电流值替换为最新采集到的电流值I，作为最大电流值I_max。

电机输出扭矩T＝K_t*I，其中K_t为转矩系数，与电机特性相关，I为电机电流值，一般认为K_t为常数，电机型号固定后，通过电流值I即可计算获得其输出扭矩。但是因物理环境、机器自然损耗等因素的影响，无刷电机的永磁体磁性会变弱，导致电机特性下降，转矩系数K_t变小，因此在转矩系数K_t变小后，面对相同的负载，电机输出电流I就会变大。如果采用现有技术中的固定电流阈值判断方式，实际的停机时间就会延后，从而有紧固件过度松开掉落的风险，采用本实施方式中的技术方案，转矩系数K_t变小后，在负载不变的情况下，存储单元内存储的最大电流值I_max会变大，实际的停机判断条件——最大电流值I_max的K倍，K的取值范围为0.3至0.7,也会成比例的变大，实际的停机时刻与电机特性下降之前是相同的。即采用本实施方式中的技术方案，可以更准确的监测实际负载的变化情况，消除电机特性变化对工具造成的不利影响。

参考附图4所示的电流曲线示意图，在空载状态下即输出轴2末端的工作头并未与紧固件接触时，在反转模式下触发主开关SW1启动。电机启动时间仍然为100ms，电机电流值I在启动阶段迅速变大，在启动阶段结束后电机电流值I达到最大值，但因工作头端不存在实际负载，因此电机电流I开始逐渐下降，最终电流值I会稳定在一个较低的水平值处，即电机空载电流，通常电机空载电流值为电机最大电流值的0.1倍至0.3倍。在空载状态下，控制单元MCU4的检测单元在启动阶段结束后开始采集电机电流值I，存储单元将第一次采集到的电机电流值I作为最大电流值I_max存储，当判定单元判定电机驱动电流值I下降到最大电流值I_max的0.4倍时，控制单元MCU4发出切断电机电源的信号，即控制单元MCU4在空载状态下的控制逻辑与反转松螺钉模式下的相同，空载反转时，冲击扳手也会自动停机。

参考附图5所示的电路原理图，由于实际工况中，电机驱动电流是存在很多毛刺和抖动的，为了更好的采集电机电流值I，电流检测电路5是由电阻6、电容7构成的一阶滞后滤波电路和电阻R1构成，通过一阶滞后滤波电路可以消除电机驱动电流的毛刺和部分抖动，从而使检测单元获得的电流信号更平滑。在另外的实施方式中，也可以采用其他电路对电机电流值I进行采样滤波，比如平均值电路、滑动窗口滤波电路、线性回归电路等。

以上实施方式不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电动工具，包括壳体、位于壳体内的电机、传动装置、输出轴、控制单元和开关，电机驱动传动装置带动输出轴做正向与反向旋转运动，且控制单元根据开关状态控制电机运行，其特征在于：

所述控制单元包括检测单元、存储单元和判定单元，所述检测单元用于检测电机的实时电流值I，并通过存储单元存储最大电流值I_max；

当电机空载反向转动时，所述最大电流值I_max的获取方法为：电机反转启动结束后，存储单元将检测单元检测到的第一个电流值存储作为最大电流值I_max；在判定单元判定当前电机电流值小于或等于存储单元I内的最大电流值I_max的0.4倍时，控制单元切断电机电流;

当电机带载反向转动时，所述最大电流值I_max的获取方法包括：控制单元周期性的将存储单元内存储的最大电流值I_max与实时检测到的电流值I进行比较，若存储单元内存储的最大电流值I_max大于等于实时检测到的电流值I，则最大电流值I_max不变，否则将新检测到的电机电流值Ｉ设定为最大电流值I_max；

在判定单元判定当前电机电流值I小于或等于存储单元内的最大电流值I_max的K倍时，控制单元切断电机电流，所述K的取值范围为0.3至0.7。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：所述检测单元通过由电阻元件和滤波电路组成的电流检测电路获取电机电流值I。

3.根据权利要求2所述的电动工具，其特征在于：当判定单元判定当前电机电流值I小于或等于存储最大电流值I_max的K倍，且经过预设时长T后，控制单元切断电机电流，所述预设时长T的取值范围为30ms至300ms。

4.根据权利要求3所述的电动工具，其特征在于：所述检测单元通过周期性采样获取电机电流值I，其采样周期小于所述预设时长T。

5.根据权利要求4所述的电动工具，其特征在于：所述滤波电路为一阶滞后滤波电路。

6.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：电机反转启动时间为预设的固定值。

7.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：所述电动工具为无刷冲击扳手。