CN103386665A - 电动工具的控制方法及执行该控制方法的电动工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动工具及其控制方法。电动工具包括输出轴，驱动一工作头；电机，旋转驱动所述输出轴；电池包，供给所述电机电力；检测装置，测量表征输出轴负载的参数及表征电池包状态的参数，将测量结果传递出去；控制组件，接收检测装置传递的信号，根据电池包的参数设定预设阀值，获得输出轴负载的参数对时间的一阶导数或二阶导数或高阶导数，当所述一阶导数或二阶导数或高阶导数的绝对值大于或等于预设阀值时，生成相应的控制信号以改变所述电机的旋转速度。本发明通过在电动工具内增设相关的电子控制组件来自动检测工作头驱动的工作件是否已到达预定位置，在检测到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。

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工具的电机转速的方法。

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工具。

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扭力值，也就是说，当电动工具工作中输出的扭力矩达到或超过该预先设定的阀值时，离合器***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，且精度低。

发明内容

本发明提供一种电动工具的控制方法，其可自动且准确地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，其具有电子控制组件，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，且准确度高。

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，其中电动工具由电池包供给电力产生旋转速度，该控制方法包括如下步骤：测量表征电动工具的输出负载的参数及表征电池包状态的参数；根据电池包的参数设定预设阀值；获得所述输出负载的参数对时间的一阶导数或二阶导数或高阶导数；当所述一阶导数或二阶导数或高阶导数的绝对值大于或等于预设阀值时；生成相应的控制信号以改变电动工具的旋转速度。

优选地，根据电池包的当前参数实时设定所述预设阀值。

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，驱动工作头，以使工作头具有旋转速度；电机，旋转驱动所述输出轴；电池包，包括至少一个电池单元，供给所述电机电力；检测装置，测量表征输出轴负载的参数及表征电池包状态的参数，将测量结果传递出去；控制组件，与检测装置电性连接，根据电池包的参数设定预设阀值，获得输出轴负载的参数对时间的一阶导数或二阶导数或高阶导数，当所述一阶导数或二阶导数或高阶导数的绝对值大于或等于预设阀值时，生成相应的控制信号以改变所述电机的旋转速度。

优选地，所述控制组件根据电池包的当前参数实时设定所述预设阀值。

优选地，所述控制组件根据电池包的初始参数设定所述预设阀值。

优选地，所述电池包的参数至少包括电池包的放电电流、电池包的电压、电池包的剩余容量、电池包的温度中的一个。

优选地，所述电池包的电压至少包括电池包的整包电压或电池包内的至少一个电池单元的电压中的一个。

优选地，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，所述控制组件生成所述控制信号。

优选地，所述二阶导数或高阶导数与一阶导数的乘积的绝对值大于或等于所述预设阀值时，所述控制组件生成所述控制信号。

优选地，所述二阶导数或高阶导数与输出轴负载的参数的乘积的绝对值大于或等于所述预设阀值时，所述控制组件生成所述控制信号。

与现有技术相比，本发明通过电池包的参数对预设阀值进行修正，使得电池包的能量情况可以反应到预设阀值上，从而使得控制信号的产生结合了电池包的能量情况，避免了电池包能量状态的波动对电动工具的工作状态的影响，提高电动工具产生控制信号的准确度。

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i1、i2的曲线。

图6是图5中不同电流i1、i2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i1、i2对时间的一阶导数而得到的控制信号s1、s2的曲线图。

图8是本发明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10是图9中电流对时间三次求导后的导数曲线图。

图11是本发明基于第三发明原理的工作原理框图。

图12是本发明的另一实施方式的剖视示意图。

图13是图12中局部放大图。

图14是图13中遮光盘的立体示意图。

图15是图13中遮光盘的另一实施方式的立体示意图。

图16是本发明的两个具体实施方式的实验数据表格。

图17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18是图17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19是图17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。

图20是本发明基于第四发明原理的工作原理框图。

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14，在本实施方式中该工作件为螺钉，钻入一木板16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i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A，第二部分K，和第三部分B。其中第一部分A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(knee)K。该拐点部分K是一个正向的曲线变化，也就是说，拐点部分K相对于第一部分A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K。

图2是图1中电流i对时间t求一阶导数di/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i对时间t求二阶导数d²i/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p。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i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包括工作组件4、电源18、和开关20。其中工作组件4包括电机6，用于驱动一工作头8旋转，以将一螺钉14钻进木板16中。电机6到工作头14之间依次通过一机械式弹簧与离合器***12、以及一卡盘10连接。当然在本实施方式中，离合器***也可省去。本实施方式中，电源18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流电源。

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。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i，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di/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i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i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p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i可以在连续的时间间隔Δt内测得，这些连续的时间间隔Δt可以是相同的。检测到的电流i随后被数字化处理，分别求两个连续的时间间隔内的电流对时间的一阶导数di/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16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组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i随时间t的变化曲线图。在本实施方式中，该电机的电流i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A1和A2。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A1和A2经一次求导后相应的一阶导数曲线。第一曲线A1与相对较软材质的工件，如木板，或相对较小的螺钉有关；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组件22(图8示)中进行，在本实施方式中，该控制组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i1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P1。该第一阀值P1可能是，例如，在T1时间点，P1=5A(安培)。如果此时i1<5A，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i1>5A，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i1<5A，微处理器将会分派一个第一预设一阶导数值q1；如果i1<5A，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i1低于第一阀值P1，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i1高于第一阀值P1，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别显示为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别生成控制信号s1和s2(如图7所示)。如图6所示，预设一阶导数值q1、q2分别位于曲线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i。如果工作头是小螺钉以及/或者工件是较软材质的木板，此时的工作电流i相对较小，电流随时间变化的曲线就如同图5中的第一曲线A1。在时间点T1时采集到的电流为第一电流i1，可以是3A左右，微处理器就会选择第一一阶导数值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t1，对应供给电机的电流为l1，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i2会高于第一电流i1，例如，i2=7A。因此，在预设时间点T1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l2，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i同样会被采集到。此时，微处理器会判断在T1时检测到的电流i的值是否会低于预设的第一阀值P1，例如上述实施方式中的电流值i1，或者是否高于预设的第一阀值P1，但低于预设的第二阀值P2，例如上述实施方式中的电流值i2。如果检测到的电流值是i1，则第一曲线A1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i2，则第二曲线A2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、K2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、s2。

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i1、i2、i3而分别被单独地唤醒。当然，可视情形使用更多的阀值P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，对这些元件使用相同的标号。

图8的右侧所示的电动螺丝刀的工作组件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***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i1低于阀值P1，存储与处理单元32选择第一一阶导数值q1；如果电流i2高于阀值P1，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大于第一一阶导数值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i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p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i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别之处。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是电流对时间的二次求导曲线的再现，该曲线已经在图3中显示过了。如图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d³i/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此得知，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i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的所有组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Δt内的电流变化Δi，即Δi/Δt。为方便工程应用，可将Δt取为一个非常小的等值，如Δt=10ms，如此，只需要不断的判断电流i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i1、i2、i3、i4、i5……，如此相应的一阶导数为i2-i1、i3-i2、i4-i3、i5-i4……，二阶导数为i3-2i2+i1、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)，而此时控制组件，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，控制组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tan(89+一阶或二阶导数))、一阶或二阶导数的余切函数值(如ctan(一阶或二阶导数))、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loga(1-一阶或二阶导数))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，控制组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，控制组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12到图15揭示了一种具体的检测方式。如图12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10。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711、721、731，以及设置在相应若干行星轮外周的第一、二、三齿圈712、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。传感器组件24同样设置在机壳5和第三齿圈732之间。如图13的放大结构所示，传感器组件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14所示，遮光盘242包括均匀设置在圆周上的多个通孔2421，此外，参见图15所示，遮光盘242也可以使用透光材料制成，遮光盘242的圆周上均匀设置有多个不透光的条纹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)，该信号传递给控制组件，控制组件经过计算，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16，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100％，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100％。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***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17-19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17是控制组件在以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18是在图17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，特别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，从而使控制组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19是在图17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，控制组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11中位于夹头10和离合器***12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(HallSensor)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。

前述实施方式中，作为与输出轴负载的参数的一阶导数、二阶导数、或高阶导数比较的预设阀值是一个相对固定的值。为进一步提高电动工具工作的准确度，本发明还提供了一种基于电池包的参数设定预设阀值的实施方式。该实施方式的有益效果在于通过电池包的参数对预设阀值进行修正，使得电池包的能量情况可以反应到预设阀值上，从而使得控制信号的产生结合了电池包的能量情况，避免了电池包能量状态的波动对电动工具的工作状态的影响，提高电动工具产生控制信号的准确度。在本实施方式中，可以是根据输出轴负载的一阶导数、二阶导数、或高阶导数中的一个的绝对值是否大于或等于预设阀值，确定是否产生相应的控制信号，改变电机的旋转速度。在此仅以输出轴负载的三阶导数为例，结合图20介绍本实施方式。基于三阶导数的实施方式，本领域技术人员可以得到一阶导数、或二阶导数、或四阶导数等高阶导数的实施方式。

图20中显示了电动工具的工作原理框图，包括控制组件22、输出轴8、工作头14、电机6、电池包18、以及检测装置。输出轴8，驱动工作头14，以使工作头14具有一旋转速度；电机16，旋转驱动输出轴8；电池包18，包括至少一个电池单元，供给电机16电力；检测装置，测量输出轴负载的参数及电池包的参数，将测量结果以信号的形式传递给控制组件22。控制组件22，与检测装置电性连接，接收检测装置传递的信号，根据电池包的参数设定预设阀值，并获得输出轴负载的参数对时间的一阶导数或二阶导数或高阶导数，当所述一阶导数或二阶导数或高阶导数的绝对值大于或等于预设阀值时，生成相应的控制信号以改变所述电机6的旋转速度。检测装置进一步包括对输出轴负载的参数进行检测的传感器24和对电池包的参数进行检测的传感器25。控制组件22进一步包括第一求导单元26、第二求导单元28、第三求导单元34及电子控制电路30。

对电池包的参数进行检测的传感器25可以设置为检测电池包18的温度的温度传感器，也可以设置为检测电池包18放电电流的电流传感器，也可以设置为检测电池包18的整包电压的电压传感器，还可以设置为检测电池包18包含的每一节电池单元的电压或某一节电池单元的电压的单节电压传感器，还可以设置为检测电池包18剩余容量的容量传感器。传感器25可以是上述温度传感器、电流传感器、电压传感器、单节电压传感器、容量传感器中的一个，也可以是上述几个传感器的组合。基于传感器25的设置，传感器25检测电池包18的参数包括电池包的温度、电池包的放电电流、电池包的整包电压、电池包内至少一个电池单元的电压、电池包的剩余容量。

对输出轴负载的参数进行检测的传感器24可以为如前述实施方式揭示的检测电池包18至电机6之间的电流、输出轴8的转速、电机6的电压、电机6的转速、电机6的效率、第一、第二、第三行星架71、72、73的转速、第三齿圈732相对机壳5的位移、第三齿圈732作用于机壳5的压力中的一个。也可以根据需要将对输出轴负载的参数进行检测的传感器24设置为检测上述输出轴负载参数中的至少两个。

在电动工具工作的整个过程中，传感器24持续检测输出轴8负载的参数并将其传递给控制组件22的第一求导单元26，传感器25持续检测电池包18的参数并将其传递给控制组件22的电子控制电路30。电子控制电路30接收到传感器25传递的信号后，根据信号代表的电池包18的参数对应地设定预设阀值。电子控制电路30可以根据传感器24在电动工具启动工作时检测的电池包18的初始参数设置预设阀值，也可以根据电动工具工作过程中，传感器24实时传递的电池包18的实时参数对预设阀值进行实时设定。根据电池包18的实时参数对预设阀值进行实时设定的优势在于，电池包18的状态能更及时地反应给电子控制电路30，使得预设阀值的设定更为准确。第一求导单元26接收到传感器24传递的信号后，获得输出轴负载的参数对时间的一阶导数，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。第二求导单元28接收到第一求导单元26传递的信号后，获得输出轴负载的参数对时间的二阶导数，同时生成一个与该二阶导数成一定比例的信号并进一步传递给第三求导单元34。第三求导单元34接收到第二求导单元28传递的信号后，获得输出轴负载的参数对时间的三阶导数，同时生成一个与该三阶导数成一定比例的信号传递给电子控制电路30。电子控制电路30将三阶导数的绝对值与预设阀值进行比较，当三阶导数的绝对值大于或等于预设阀值时，电子控制电路30生成控制信号s，使得供给电机6的电力被减小或者甚至完全被断开，从而改变电机6的旋转速度。

为更为详细地说明本实施方式，以电池包的参数为放电电流、电池包的整包电压为例，示例性地说明如何根据电池包18的参数设定预设阀值。当电子控制电路30根据传感器25检测到电池包18的放电电流较大时，说明当前电动工具遇到的负载较大，此状态下，输出轴负载的变化更为陡峭，相应地输出轴负载的一阶导数、二阶导数以及高阶导数的绝对值均会增大，此时将预设阀值相应地设置为较大的值，可以有效防止电子控制电路30提前生成控制信号s，导致供给电机6的电力被提前减小或者甚至完全被断开，影响用户的操作体验。当电子控制电路30根据传感器25检测到电池包18的整包电压较小时，说明当前电池包18的供电能力较弱，在外界负载一定的情况下，输出轴负载的变化较小，相应地输出轴负载的一阶导数、二阶导数以及高阶导数的绝对值均会减小，此时将预设阀值相应地设置为较小的值，可以有效防止电子控制电路30滞后生成控制信号s，导致工作头14越过工作表面16，影响电动工具的工作质量。当电池包的参数为电池单元的电压、剩余容量、电池包的温度等其他参数或上述五个电池包参数的任意组合时，预设阀值的设定原理与电池包的参数为放电电流或电池包的整包电压相类似，在此不再赘述。

电子控制电路30还可以根据二阶导数或高阶导数的函数数值是否大于或等于所述预设阀值，判定是否生成控制信号。具体为，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，电子控制电路30生成所述控制信号。此时预设阀值仍由电子控制电路30根据电池包18的参数进行设定。二阶导数或高阶导数的函数数值的获得方法及二阶导数或高阶导数的函数的各种变形可参考前述各种实施方式，特别是图5至图19所示的实施方式，在此对二阶导数或高阶导数的函数数值的获得方法及函数的各种变形不再赘述。电子控制电路30获得二阶导数或高阶导数的函数数值及预设阀值后，将二阶导数或高阶导数的函数数值与预设阀值进行比较，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，电子控制电路30生成所述控制信号。

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 (10)

1.一种电动工具，其特征在于，该电动工具包括：

输出轴，驱动工作头，以使工作头具有旋转速度；

电机，旋转驱动所述输出轴；

电池包，包括至少一个电池单元，供给所述电机电力；

检测装置，测量表征输出轴负载的参数及表征电池包状态的参数，将测量结果传递出去；

控制组件，与检测装置电性连接，根据电池包的参数设定预设阀值，获得输出轴负载的参数对时间的一阶导数或二阶导数或高阶导数，当所述一阶导数或二阶导数或高阶导数的绝对值大于或等于预设阀值时，生成相应的控制信号以改变所述电机的旋转速度。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：所述控制组件根据电池包的当前参数实时设定所述预设阀值。

3.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：所述控制组件根据电池包的初始参数设定所述预设阀值。

4.根据权利要求2或3所述的电动工具，其特征在于：所述电池包的参数至少包括电池包的放电电流、电池包的电压、电池包的剩余容量、电池包的温度中的一个。

5.根据权利要求4所述的电动工具,其特征在于：所述电池包的电压至少包括电池包的整包电压或电池包内的至少一个电池单元的电压中的一个。

6.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：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，所述控制组件生成所述控制信号。

7.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：所述二阶导数或高阶导数与一阶导数的乘积的绝对值大于或等于所述预设阀值时，所述控制组件生成所述控制信号。

8.根据权利要求6所述的电动工具，其特征在于：所述二阶导数或高阶导数与输出轴负载的参数的乘积的绝对值大于或等于所述预设阀值时，所述控制组件生成所述控制信号。

9.一种电动工具的控制方法，其中电动工具由电池包供给电力产生一旋转速度，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：

测量表征电动工具的输出负载的参数及表征电池包状态的参数；

根据电池包的参数设定预设阀值；

获得所述输出负载的参数对时间的一阶导数或二阶导数或高阶导数；

当所述一阶导数或二阶导数或高阶导数的绝对值大于或等于预设阀值时；生成相应的控制信号以改变电动工具的旋转速度。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：根据电池包的当前参数实时设定所述预设阀值。

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