平码五不中公式规律
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电动工具的控制方法及执行该控制方法的电动工具.pdf

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电动工具 控制 方法 执行
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摘要
申请专利号:

CN201610793884.X

申请日:

2016.08.31

公开号:

CN106483846A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

实审

?#34892;?#24615;:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G05B 13/04申请日:20160831|||公开
IPC分类号: G05B13/04 主分类号: G05B13/04
申请人: 苏州宝时得电动工具有限公司
发明人: 万德康; 张传兵
地址: 215123 江苏省苏州市工业园区东旺路18号
优?#28909;ǎ?/td> 2015.09.01 CN 2015105519226
专利代理机构: ?#26412;?#19977;聚阳光知识产权代理有限公司 11250 代理人: 陈博旸;吴黎
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法律状态
申请(专利)号:

CN201610793884.X

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明涉及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,所述控制方法包括: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导数;基于所述导数生?#19978;?#24212;的控制信号;以及根据所述控制信号中断所述电动工具的扭矩输出。本发明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。

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,所述控制方法
包括:
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导数;
基于所述导数生?#19978;?#24212;的控制信号;以及
根据所述控制信号中断所述电动工具的扭矩输出。
2.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:所述获得所述参数对时间的导数,包
括:
获得所述参数对时间的一阶导数。
3.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:所述获得所述参数对时间的导数,包
括:
获得所述参数对时间的一阶导数;
根据所述一阶导数获得所述参数对时间的二阶导数。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的控制方法,其特征在于:所述导数是利用线性回归
法获得的。
5.根据权利要求2或3所述的控制方法,其特征在于:所述获得所述参数对时间的一阶
导数,包括:
根据对相邻的采集时间点采集的所述参数进行比对的结果,对所述参数进行筛选;
根据筛选出的参数利用逐差法计算所述一阶导数,其中,所述筛选出的参数使所述一
阶导数为非负值。
6.根据权利要求3所述的控制方法,其特征在于:所述根据所述一阶导数获得所述参数
对时间的二阶导数,包括:
根据对相邻的计算时间点获取的所述一阶导数进行比对的结果,对所述一阶倒数进行
筛选;
根据筛选出的一阶导数利用逐差法计算所述二阶导数,其中,所述筛选出的一阶倒数
使所述二阶导数为非负值。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述基于所述导数生?#19978;?#24212;的控制信号,
包括:
根据所述参数的大小确定导数阈值和触发条件;
将计算出的N个相邻的所述导数分别与所述导数阈?#21040;?#34892;比较;
判断比较结果是否符合所述触发条件,并当所述比较结果符合所述触发条件时,中断
所述电动工具的扭矩输出。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,当所述参数大于第一负载时,所述导数阈
值为第一导数阈值;当所述参数小于第一负载时,所述导数阈值为第二导数阈值,所述第二
导数阈值小于所述第一导数阈值。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,当所述参数大于第一负载时,所述触发条
件为在所述N个连续的时间点计算出的所述导数均大于所述第一导数阈值。
10.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,当所述参数小于第一负载时,所述触发条
件为在所述N个连续的时间点中的前M个时间点计算出的所述导数均大于所述第二导数阈
值,且后N-M个时间点计算出的所述导数至少部?#20013;?#20110;所述第二导数阈值。
11.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述导数阈值包括至少3种不同的导数阈
值,至少部分不同的导数阈值所对应的所述触发条件不相同。
12.一种电动工具,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;
控制组件,用于获得所述参数对时间的导数,并基于所述导数生?#19978;?#24212;的控制信号以
中断所述电动工具的扭矩输出。
13.根据权利要求12所述的电动工具,其特征在于:所述控制组件用于获得所述参数对
时间的一阶导数,并根据所述一阶导数生?#19978;?#24212;的控制信号以改变所述电动工具的旋转速
度。
14.根据权利要求12所述的电动工具,其特征在于:所述控制组件用于获得所述参数对
时间的一阶导数,并进一步根据所述一阶导数获得所述参数对时间的二阶导数,并根据所
述二阶导数生?#19978;?#24212;的控制信号以改变所述电动工具的旋转速度。
15.根据权利要求12-14中任一项所述的电动工具,其特征在于:所述导数是利用线性
回归法获得的。
16.根据权利要求13或14所述的电动工具,其特征在于:所述控制组件根据对相邻的采
集时间点采集的所述参数进行比对的结果,对所述参数进行筛选;根据筛选出的参数利用
逐差法计算所述一阶导数,其中,所述筛选出的参数使所述一阶导数为非负值。
17.根据权利要求14所述的电动工具,其特征在于:所述控制组件根据对相邻的计算时
间点获取的所述一阶导数进行比对的结果,对所述一阶倒数进行筛选;根据筛选出的一阶
导数利用逐差法计算所述二阶导数,其中,所述筛选出的一阶倒数使所述二阶导数为非负
值。
18.根据权利要求12所述的电动工具,其特征在于:所述控制组件用于根据所述参数的
大小确定导数阈值和触发条件,将计算出的N个相邻的所述导数分别与所述导数阈?#21040;?#34892;
比较,判断比较结果是否符合所述触发条件,并当所述比较结果符合所述触发条件时,中断
所述电动工具的扭矩输出。
19.根据权利要求18所述的电动工具,其特征在于,当所述参数大于第一负载时,所述
导数阈值为第一导数阈值;当所述参数小于第一负载时,所述导数阈值为第二导数阈值,所
述第二导数阈值小于所述第一导数阈值。
20.根据权利要求19所述的电动工具,其特征在于,当所述参数大于第一负载时,所述
触发条件为在所述N个连续的时间点计算出的所述导数均大于所述第一导数阈值。
21.根据权利要求19所述的电动工具,其特征在于,当所述参数小于第一负载时,所述
触发条件为在所述N个连续的时间点中的前M个时间点计算出的所述导数均大于所述第二
导数阈值,且后N-M个时间点计算出的所述导数至少部?#20013;?#20110;所述第二导数阈值。
22.根据权利要求18所述的电动工具,其特征在于,所述导数阈值包括至少3种不同的
导数阈值,至少部分不同的导数阈值所对应的所述触发条件不相同。

说明书

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。

本发明还涉及一种执行上述控制方法的电动工具。

背景技术

现有的电动工具,如电动螺?#24247;叮?#36890;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?#26223;?#20013;。不同类型的螺钉具有不同的主体?#26412;叮?#25110;者具有不
同的头部形状,如此,其钻进同一?#26223;?#20013;的情?#25105;?#21508;不相同。此外,不同的?#26223;?#30001;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?#26223;?#20013;的情况也不尽相同。通常在电
动螺?#24247;?#30340;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?#26223;?#20869;部,另一方面避免螺钉头部被不小心钻进?#26223;?#21518;,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?#24247;?#20063;可以是在其机壳的前?#25628;由?#20986;一
个套管,该套管的前端与电动螺?#24247;?#30340;工作头的前端基本?#21046;健?#36890;过这种设置,当螺钉钻到
的其头部贴到?#26223;?#30340;表面时,套管的前端部也贴到?#26223;?#30340;表面,再进一步钻动螺钉,套管会
受到?#26223;?#30340;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?#24120;?#25104;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?#22266;?#20379;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。

为实现上述目的之一,本发明提供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,所述控制方法包括: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
对时间的导数;基于所述导数生?#19978;?#24212;的控制信号;以及根据所述控制信号中断所述电动
工具的扭矩输出。

优选地,所述获得所述参数对时间的导数,包括:

获得所述参数对时间的一阶导数。

优选地,所述获得所述参数对时间的导数,包括:获得所述参数对时间的一阶导
数;根据所述一阶导数获得所述参数对时间的二阶导数。

优选地,所述导数是利用线性回归法获得的。

优选地,所述获得所述参数对时间的一阶导数,包括:根据对相邻的采集时间点采
集的所述参数进行比对的结果,对所述参数进行筛选;根据筛选出的参数利用逐差法计算
所述一阶导数,其中,所述筛选出的参数使所述一阶导数为非负值。

优选地,所述根据所述一阶导数获得所述参数对时间的二阶导数,包括:根据对相
邻的计算时间点获取的所述一阶导数进行比对的结果,对所述一阶倒数进行筛选;根据筛
选出的一阶导数利用逐差法计算所述二阶导数,其中,所述筛选出的一阶倒数使所述二阶
导数为非负值。

优选地,所述基于所述导数生?#19978;?#24212;的控制信号,包括:根据所述参数的大小确定
导数阈值和触发条件;将计算出的N个相邻的所述导数分别与所述导数阈?#21040;?#34892;比较;判断
比较结果是否符合所述触发条件,并当所述比较结果符合所述触发条件时,中断所述电动
工具的扭矩输出。

优选地,当所述参数大于第一负载时,所述导数阈值为第一导数阈值;当所述参数
小于第一负载时,所述导数阈值为第二导数阈值,所述第二导数阈值小于所述第一导数阈
值。

优选地,当所述参数大于第一负载时,所述触发条件为在所述N个连续的时间点计
算出的所述导数均大于所述第一导数阈值。

优选地,当所述参数小于第一负载时,所述触发条件为在所述N个连续的时间点中
的前M个时间点计算出的所述导数均大于所述第二导数阈值,且后N-M个时间点计算出的所
述导数至少部?#20013;?#20110;所述第二导数阈值。

优选地,所述导数阈值包括至少3种不同的导数阈值,至少部分不同的导数阈值所
对应的所述触发条件不相同。

为实现上述发明目的,本发明?#22266;?#20379;一种电动工具,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;控制组件,用于获得所述参数对
时间的导数,并基于所述导数生?#19978;?#24212;的控制信号以中断所述电动工具的扭矩输出。

优选地,所述控制组件用于获得所述参数对时间的一阶导数,并根据所述一阶导
数生?#19978;?#24212;的控制信号以改变所述电动工具的旋转速度。

优选地,所述控制组件用于获得所述参数对时间的一阶导数,并进一步根据所述
一阶导数获得所述参数对时间的二阶导数,并根据所述二阶导数生?#19978;?#24212;的控制信号以改
变所述电动工具的旋转速度。

优选地,所述导数是利用线性回归法获得的。

优选地,所述控制组件根据对相邻的采集时间点采集的所述参数进行比对的结
果,对所述参数进行筛选;根据筛选出的参数利用逐差法计算所述一阶导数,其中,所述筛
选出的参数使所述一阶导数为非负值。

优选地,所述控制组件根据对相邻的计算时间点获取的所述一阶导数进行比对的
结果,对所述一阶倒数进行筛选;根据筛选出的一阶导数利用逐差法计算所述二阶导数,其
中,所述筛选出的一阶倒数使所述二阶导数为非负值。

优选地,所述控制组件用于根据所述参数的大小确定导数阈值和触发条件,将计
算出的N个相邻的所述导数分别与所述导数阈?#21040;?#34892;比较,判断比较结果是否符合所述触
发条件,并当所述比较结果符合所述触发条件时,中断所述电动工具的扭矩输出。

优选地,当所述参数大于第一负载时,所述导数阈值为第一导数阈值;当所述参数
小于第一负载时,所述导数阈值为第二导数阈值,所述第二导数阈值小于所述第一导数阈
值。

优选地,当所述参数大于第一负载时,所述触发条件为在所述N个连续的时间点计
算出的所述导数均大于所述第一导数阈值。

优选地,当所述参数小于第一负载时,所述触发条件为在所述N个连续的时间点中
的前M个时间点计算出的所述导数均大于所述第二导数阈值,且后N-M个时间点计算出的所
述导数至少部?#20013;?#20110;所述第二导数阈值。

优选地,所述导数阈值包括至少3种不同的导数阈值,至少部分不同的导数阈值所
对应的所述触发条件不相同。

与现有技术相比,本发明通过增加相关的数据处理方法,使得电动工具能更准确
的检测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。

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?#24247;?#24037;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?#24247;?#30340;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是本发明的电动工具基于第三发明原理的工作原理框图。

图12是本发明的电动工具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是根据本发明的一个实施例的电动工具控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施
例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术
人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

此外,下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构
成冲突就可以相互结合。

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?#24247;?#20026;具体
实施方式进行说明。

如图1所示的电动螺?#24247;?#24037;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?#24247;?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?#26223;?br />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?#26223;?#30340;时间及随之螺
钉在?#26223;?#20013;相应的位置。字母i表示提供给电动螺?#24247;?#30340;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?#26223;?#30340;钻进过程,这段上升曲线基本上是线性的,或者
可以稍微?#34892;?#24367;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?#38408;?#30340;突
变,这表示螺钉的头部开始接触到?#26223;?#30340;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?#34892;?#24367;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?#26223;?#20013;。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
?#26223;?#20013;,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?#26469;?#26045;。

实施例1

本发明的一个实施例提供了一种电动工具的控制方法,如图20所示,该方法包括
如下步骤:

S1,测量随时间变化的用来表示输出轴负载的参数,该参数包括多种,例如可以是
电流、电压、转速?#21462;?#27979;量方式可以是以固定周期进行采样。

S2,获得参数对时间的导数,具体可以是一阶导数、二阶导数或者更高阶导数,此
导数?#23548;?#19978;是图1中曲线的斜?#30465;?#35745;算导数的方式有多种,具体将在下文中进行详?#38468;?#32461;。

S3,基于导数生?#19978;?#24212;的控制信号,即可以根据一阶导数、二阶导数或更高阶导数
中的任一种生成控制信号。这些导数可以?#20174;?#30005;动工具电机的负载状态,所以当负载状态
满足某种预设条件时,可以生?#19978;?#24212;的控制信号来改变转速。

S4,根据控制信号中断所述电动工具的扭矩输出。例如当计算出的导数符合某种
预定条件时,可以生成用于中断输出扭矩的控制信号。螺钉达到预定位置时,上述导数的特
征可以通过实验测量获得,并由此可根据将实验数据确定中断扭矩输出的条件。例如根据
实验数据设定阈值范围,或者设定变化趋势。当斜率值(导数)达到设定的阈值范围或者变
化趋?#21697;?#21512;预定变化趋势时,控制电机停止输出扭矩,所谓变化趋势是指,导数随时间?#20013;?br />增大、?#20013;?#20943;小、或者在某一时?#25991;?#20808;增大后减小或者先减小后增大等,或者导数相对导数
阈值的比较结果随时间?#20013;?#22686;大、?#20013;?#20943;小、或者在某一时?#25991;?#20808;增大后减小或者先减小
后增大?#21462;?#22312;一种具体实施方式中,导数相对导数阈值的比较结果如实施例1中记载的内
容。

扭矩可以以一种或多种不同方式被中断,包括但不限于中断到电机的功?#30465;⒔档?br />到电机的功?#30465;⒂行?#21046;动电机或促动设置在电机和输出心轴之间的机械离合器。在一个示
例性实施例中,扭矩通过制动电机被中断,由?#31169;?#32039;固件设置在期望位置。

以下介绍常用的三种根据采集的电流生成一阶导数的预设算法。

第一种根据电流生成一阶导数的预设算法为:根据之前采集的电流值对当前采集
的电流?#21040;?#34892;修正。修正的具体方法为:一旦当前采集到的电流值in与之前采集到的电流
值in-1,满足第一预设规律,则对in进行修正,使得修正后的in与in-1的数?#24503;?#36275;第二预设规
律。反之,当in≧in-1,则保留in本身的数值。以此类推处理所有采集到的电流值。基于修正后
的电流值再计算一阶导数值。优选的,一阶导数的计算方法为di/dt=(in-in-1)/(tn-tn-1),
其中tn为采集in的时刻点,tn-1为采集in-1的时刻点。第一预设规律包括但不限于以下情况:
1)in<in-1;2)in<in-1,且in与in-1之间满足第一预设函数关系,第一预设函数关系包括但不限
于a)in-1-in≧b,b为?#25105;?#25968;值;或b)in≦K1*in-1,K1可以为?#25105;?#25968;值,优选的,K1≦1,更为优选
的,K1为0.5~1之间的?#25105;?#20540;。第二预设规律包括但不限于以下情况:1)将in的值修正为in-1
的值,使得in=in-1;2)修正后的in与in-1之间满足第二预设函数关系,第二预设函数关系包
括但不限于a)in=in-1+b,b为?#25105;?#25968;值;或b)in=K2*in-1,K2可以为?#25105;?#25968;值,优选的,K2为
0.5~1.5之间的?#25105;?#25968;值,更为优选的,K2≧1。上述修正基于的原理是,在整个电动工具工
作的过程中,默认电流只会增大,不会减小。

第二种根据电流生成一阶导数的预设算法为:将采集到的电流进行分组,每一组
至少包括相邻的两个电流值,将每一组内的电流?#21040;?#34892;求平均值以代表该组的电流值,基
于求平均计算后的电流计算一阶导数。求平均值的方法可以是简单算术平均法、或滑动平
均法、或简单算术平均与滑动平均组合的方法。在一种具体的实施例中,将相邻的两个电流
值分为一组,通过简单算术平均进行求平均值。设定第一组电流值为i1,i2,第二组电流值为
i3,i4,第n组电流值为in及in+1。对每一组内的电流求平均得到:i1’=(i1+i2)/2,i2’=(i3+
i4)/2,in’=(in+1+in)/2。随后基于经过求平均修正后的电流值in’计算一阶导数值。本领域
技术人员可以理解的是,第二组电流值也可以为i2,i3,第n组电流值为in-1及in。

第三种根据电流生成一阶导数的预设算法为:根据采集到的电流,借助线性回归
的算法获得电流的一阶导数。在一个示例性实施例中,线性回归分析可用于计算斜?#30465;?#22312;散
布图中,散点数据的最佳拟合线由方程y=a+bx限定,此处最佳拟合线的斜率可以为确定为
b=(∑xy-(∑x∑y)/n)/(∑x2-(∑x)2/n),n为数据点的数量,y为电流值,截距忽略不计。基
于上述公式获得b,使得di/dt=b,从而计算出一阶导数。再根据一阶导数是否满足前述的
预设条件判断是否生成控制信号以改变电动工具的旋转速度。

以下介绍常用的三种根据一阶导数生成二阶导数的预设算法。

第一种根据一阶导数生成二阶导数的预设算法为:根据之前计算得到的一阶导数
值对当前计算得到的一阶导数?#21040;?#34892;修正。修正的具体方法为:一旦当前计算得到的一阶
导数值din/dtn与之前计算得到的一阶导数值din-1/dtn-1,满足第一预设规律,则对din/dtn
进行修正,使得修正后的din/dtn与din-1/dtn-1的数?#24503;?#36275;第二预设规律。反之,当din/dtn≧
din-1/dtn-1,则保留din/dtn本身的数值。以此类推处理所有计算得到的一阶导数值。基于修
正后的一阶导数值再计算二阶导数值。优选的,二阶导数的计算方法为d2i/dt2=(din/dtn-
din-1/dtn-1)/(tn-tn-1)。基于上述修正后的一阶导数,也可以通过另外一种简单的方式计算
二阶导数,即比较两个相邻的一阶导数din/dtn和din-1/dtn-1的大小,当后一个一阶导数值
din/dtn与前一个一阶导数值din-1/dtn-1不同,且din/dtn-din-1/dtn-1>0,则判断二阶导数满
足预设条件,生成控制信号s以改变电动工具的旋转速度。第一预设规律包括但不限于以下
情况:1)din/dtn<din-1/dtn-1;2)din/dtn<din-1/dtn-1,且din/dtn与din-1/dtn-1之间满足第一预
设函数关系,第一预设函数关系包括但不限于a)din-1/dtn-1-din/dtn≧b,b为?#25105;?#25968;值;或b)
din/dtn≦K1*din-1/dtn-1,K1可以为?#25105;?#25968;值,优选的,K1≦1,更为优选的,K1为0.5~1之间的
?#25105;?#20540;。第二预设规律包括但不限于以下情况:1)将din/dtn的值修正为din-1/dtn-1的值,使
得din/dtn=din-1/dtn-1;2)修正后的din/dtn与din-1/dtn-1之间满足第二预设函数关系,第二
预设函数关系包括但不限于a)din/dtn=din-1/dtn-1+b,b为?#25105;?#25968;值;或b)din/dtn=K2*
din-1/dtn-1K2可以为?#25105;?#25968;值,优选的,K2为0.5~1.5之间的?#25105;?#25968;值,更为优选的,K2≧1。
上述修正基于的原理是,在整个电动工具工作的过程中,默认电流只会增大,不会减小。

第二种根据一阶导数生成二阶导数的预设算法为:将计算得到的一阶导数进行分
组,每一组至少包括两个相邻的计算得到的一阶导数,将每一组内的一阶导数进行求平均
值以代表该组的一阶导数值,基于求平均计算后的一阶导数计算二阶导数。求平均值的方
法可以是简单算术平均法、或滑动平均法、或简单算术平均与滑动平均组合的方法。在一种
具体的实施例中,将相邻的两个计算得到的一阶导数分为一组,通过简单算术平均法求平
均值获得二阶导数。设定第一组一阶导数值为di1/dt1,di2/dt2,第二组电流值为di3/dt3,
di4/dt4,第n组电流值为din/dtn,din+1/dtn+1。对每一组内的一阶导数求平均得到:di1’/dt1’
=(di1/dt1+di2/dt2)/2,di2’/dt2’=(di3/dt3+di4/dt4)/2,din’/dtn’=(din+1/dtn+1+din/dtn)/
2。随后基于经过求平均修正后的一阶导数值din’/dtn’计算二阶导数值。本领域技术人员可
以理解的是,第二组电流值也可以为di2/dt2,di3/dt3,第n组电流值为din-1/dtn-1,din/dtn。

第三种根据一阶导数生成二阶导数的预设算法为:根据计算得到的一阶导数值,
借助线性回归的算法获得电流的二阶导数。在一个示例性实施例中,线性回归分析可用于
计算斜?#30465;?#22312;散布图中,散点数据的最佳拟合线由方程y=a+bx限定,此处最佳拟合线的斜
率可以为确定为b=(∑xy-(∑x∑y)/n)/(∑x2-(∑x)2/n),n为数据点的数量,y为一阶导数
值,截距忽略不计。基于上述公式获得b,使得d2i/dt2=b,从而计算出二阶导数。再根据二阶
导数是否满足前述的预设条件判断是否生成控制信号以改变电动工具的旋转速度。

经过前述描述,本领域技术人员可以理解的是,生成二阶导数的方法有多种,方法
一为:根据电流生成一阶导数的第一种预设算法生成一阶导数,随后再根据一阶导数生成
二阶导数的第一种预设算法生成二阶导数;方法二为:根据电流生成一阶导数的第二种预
设算法生成一阶导数,随后再根据一阶导数生成二阶导数的第一种预设算法生成二阶导
数;方法三为:根据电流生成一阶导数的第三种预设算法生成一阶导数,随后再根据一阶导
数生成二阶导数的第一种预设算法生成二阶导数;方法四为:根据采集到的电流直?#30001;?#25104;
一阶导数,随后再根据一阶导数生成二阶导数的第一种预设算法生成二阶导数;方法五为:
根据电流生成一阶导数的第一种预设算法生成一阶导数,随后再根据一阶导数生成二阶导
数的第二种预设算法生成二阶导数;方法六为:根据电流生成一阶导数的第二种预设算法
生成一阶导数,随后再根据一阶导数生成二阶导数的第二种预设算法生成二阶导数;方法
七为:根根据电流生成一阶导数的第三种预设算法生成一阶导数,随后再根据一阶导数生
成二阶导数的第二种预设算法生成二阶导数;方法?#23435;?#26681;据采集到的电流直?#30001;?#25104;一阶
导数,随后再根据一阶导数生成二阶导数的第二种预设算法生成二阶导数;方法九为:根据
电流生成一阶导数的第一种预设算法生成一阶导数,随后再根据一阶导数生成二阶导数的
第三种预设算法生成二阶导数;方法十为:根据电流生成一阶导数的第二种预设算法生成
一阶导数,随后再根据一阶导数生成二阶导数的第三种预设算法生成二阶导数;方法十一
为:根据电流生成一阶导数的第三种预设算法生成一阶导数,随后再根据一阶导数生成二
阶导数的第三种预设算法生成二阶导数;方法十二为:根据采集到的电流直?#30001;?#25104;一阶导
数,随后再根据一阶导数生成二阶导数的第三种预设算法生成二阶导数。

本领域技术人员可以理解的是,二阶导数也可直接基于测量到的电流?#23548;?#31639;得
到。在直接基于测量到的电流?#23548;?#31639;二阶导数值时,需要对采集到的电流进行相应的处理,
处理方式可参考前述根据电流计算一阶导数的三种算法,在此不再赘述。

根据上述一阶导数生成二阶导数的算法,可基于二阶导数生成三阶导数。?#26469;?#31867;
推,可根据N-1阶导数结合前述算法生成N阶导数。还可以直接根据测量到的电流?#23548;?#31639;得
到N阶导数。

在一个具体实施方式中,上述步骤S2具体为获得参数(电流)对时间的一阶导数,
该导数曲线如图2所示。然后在步骤S3中直接利用一阶导数生成控制信号。这种方案响应速
度较快,计算量较小,具有较高的效?#30465;?#19968;阶导数的计算方法可采用本发明提供的?#25105;?#19968;种
算法。

在另一个具体实施方式中,上述步骤S2具体包括:

S21,获得参数对时间的一阶导数;

S22,根据一阶导数获得参数对时间的二阶导数,该导数曲线如图3所示,然后在步
骤S3中则利用二阶导数生成控制信号。这种方案的准确性相比于前一种实施方式进一步被
提高。二阶导数的计算方法可采用本发明提供的?#25105;?#19968;种算法。

在一个具体实施方式中,可以采用线性回归法计算上述一阶导数和二阶导数,即
依据线性回归方程,用最小二乘法求出斜?#30465;?#20855;体地,计算导数k=(∑xy-(∑x∑y)/n)/(∑
x2-(∑x)2/n),n为数据点的数量,y为负载参数或者一阶导数(计算一阶导数时,y为负载参
数;计算二阶导数时,y为一阶导数),截距忽略不计。

在另一个具体实施方式中,可以采用逐差法计算上述一阶导数和二阶导数。具体
地,参数对时间的一阶导数k1=di/dt=(in-in-1)/(tn-tn-1),其中tn和tn-1为两个相邻的采
集参数的时间点,in和in-1分别为在tn和tn-1时采集到的参数;二阶导数k2=dk1/dt=(k1n-
k1n-1)/(tn-tn-1),其中tn和tn-1为两个相邻的计算一阶导数的时间点,k1n和k1n-1分别为在tn
和tn-1时计算出的一阶导数。

在利用上述逐差法计算一阶导数和二阶导数时,还可以对计算过程做进一步优
化,即上述步骤S21可以包括如下步骤:

S211,根据对相邻的采集时间点采集的参数进行比对的结果,对参数进行筛选;

S212,根据筛选出的参数利用逐差法计算一阶导数。下面以一个实例对筛选和计
算过程进行详?#38468;?#32461;:

例如有连续采集的参数i1……in,以及采集时间t1……tn,计算一阶导数时,首先
将相邻两个时间点采集的参数进行比对,如i2和i1进行比较,如果i2大于或等于i1则计算k1
=(i2-i1)/(t2-t1);如果i2小于i1,则舍弃i2,继续获取i3,然后比对i3和i1,如果i3仍小于i1,
则舍弃i3,直至找到大于i1的参数再利用逐差法进行导数计算,使得一阶导数k1为非负值。

上述对逐差法进行优化的过程在本领域中又称为抛点法,即抛弃不符合预设规则
的数据,采用?#34892;?#25968;据进行求导计算。在本发明实施例中,从螺钉接触到?#26223;?#26102;开始,电动
工具的负载参数理论上应当是?#20013;?#25552;高的,只是提高的速率不确定,即in应当大于in-1,k1
大小不确定,但为非负值,而不应当出现in小于in-1的情况,如果出?#33267;?#36825;种情况,则表示当
前采集到的电流异常。造成异常的原因可能有多种,本发明实施例不应将这种参数纳入计
算范围,所以应用这种抛点计算方法抛弃某些不符合规则的参数,使计算出的一阶导数为
非负值,由此提高控制操作的准确性。

同理,计算二阶导数时也可以利用上述抛点计算方式对逐差法进行进一步优化,
即步骤S22可以包括如下步骤:

S221,根据对相邻的计算时间点获取的一阶导数进行比对的结果,对一阶倒数进
行筛选;

S222,根据筛选出的一阶导数利用逐差法计算二阶导数,其中,筛选出的一阶倒数
使二阶导数为非负值。

即抛弃不符合规则的一阶导数k1,使得计算出的二阶导数k2为非负值,由此提高
控制操作的准确性。

在一个较佳实施例中,上述步骤S3可以包括如下子步骤:

S31,根据上述参数(电流值)的大小确定导数阈值和触发条件。根据任一时间点测
量的电流值,可以确定一个导数阈值,此导数阈值需要根据具体求导算法确定,例如,如果
本发明实施例的步骤S2最终计算出的导数是一阶导数,那么此步骤中确定的导数阈值是指
用于与一阶导数进行比对的导数阈值;如果本发明实施例的步骤S2最终计算出的导数是二
阶导数,那么此步骤中确定的导数阈值是指用于与二阶导数进行比对的导数阈值;以此类
推,如果步骤S2中最终计算出的是更高阶导数,则此步骤中确定的导数阈值是指用于与更
高阶导数进行比对的导数阈值。

具体可以通过查表方式进行确定,即预设一个导数阈值对照表,其中不同的负载
参数(电流)范围对应不同的导数阈值,由此则可以根据?#23548;?#24037;况确定一个最合适的导数阈
值,更接近?#23548;?#24037;况,并由此进一步提高停机控制的效?#30465;?br />

本发明所述的触发条件是与斜率值(导数)相关的条件。本领域技术人员可以理
解,改变电动工具转速的触发条件通常不是简单一次的阈?#24403;?#36739;结果,而是连续多次的一
系列比较结果。并且对于不同的工况,触发条件也是不同的。因此在本领域中,触发条件有
多种,与导数阈值相似地,触发条件也是可以根据当前负载参数确定的。

进一步地,当电动工具的负载参数大于第一负载时,确定导数阈值为第一导数阈
值;当电动工具的负载参数小于第一负载时,确定导数阈值为第二导数阈值,其中第二导数
阈值小于第一导数阈值。即负载参数较大时,导数阈?#21040;?#22823;;负载参数较小时,导数阈?#21040;?br />小。

更进一步地,当电动工具的负载参数大于第一负载时,所述触发条件为在所述N个
连续的时间点获得的负载参数均大于所述第一导数阈值。例如在ims、(i+25)ms、(i+75)ms、
(i+100)ms这5个时间点计算出的斜率值(导数)均大于导数阈值,则中断输出扭矩。

当电动工具的负载参数小于第一负载时,所述触发条件为在所述N个连续的时间
点中的前M个时间点计算出的所述导数均大于所述第二导数阈值,且后N-M个时间点计算出
的所述导数至少部?#20013;?#20110;所述第二导数阈值。例如在ims、(i+25)ms、(i+75)ms这3个时间点
计算出的斜率值(导数)均大于导数阈值,且(i+100)ms、(i+125)ms这2个时间点计算出的斜
率值(导数)均小于导数阈值,则中断输出扭矩。

上述优选方案针对不同的工况设定不同的导数阈值和停机触发条件,以适应不同
的工作环?#24120;?#24182;由此提高自动控制操作的准确度和效?#30465;?br />

导数阈值优选为包括至少3种不同的导数阈值,且至少部分不同的导数阈值所对
应的触发条件不相同,例如有3个不同的导数阈值Kx、Ky、Kz其中Kx可以对应第一触发条件,
而Ky和Kz对应第二触发条件。更为优选的,根据不同的工况设定3至9种不同的导数阈值。当
根据负载的大小,设置9种不同的导数阈值K1~K9时,其中K1和K2对应相同的触发条件,K3~
K5对应相同的触发条件,K6,K7,K8,K9分别对应不同的触发条件。当然,也可能是其他对应关
系,在此不再一一列举。

S32,将计算出的N个相邻的所述导数分别与所述导数阈?#21040;?#34892;比较。例如在电机
开始运行后的第ims计算出的导数为40、(i+25)ms时导数为50、(i+50)ms时导数为60、(i+
75)ms时导数为65、(i+100)ms时导数为70,在ims、(i+25)ms、(i+75)ms、(i+100)ms这5个时
间点,分别判断导数与导数阈值的关系,通过上述多个导数可以得知本实施例中计算斜率
值的周期是25ms,即每隔25ms计算一次导数,而在其他的优选方式中,可以根据硬件性能和
?#23548;?#38656;要设定计算周期,例如10ms、50ms等更短或更长的计算周期都是可行的,本发明不对
计算周期进行限定。

S33,判断比较结果是否符合所述触发条件,并当所述比较结果符合所述触发条件
时,中断所述电动工具的扭矩输出。在导数阈值确定后,上述一系列比较中,可能在某些时
间点计算出的导数大于导数阈值、在另一些时间点计算出的导数小于导数阈值,这一系列
比较结果能够形成一个斜率与阈值的对比结果变化趋势,如果这一变化趋?#21697;?#21512;之前确定
的停机条件,则生成用于中断扭矩输出的控制信号。

在一个具体实施例中,可以使用计数器来衡量上述导数与导数阈值的关系的变化
趋势。具体地,在将导数与导数阈?#24403;?#36739;后,可以根据比较结果对计数器数?#21040;?#34892;不同的修
改,即增大或减小计数器的值,同时分别记录上述5个时间点时的计数器数值。

假设第ims计算出的导数为40、(i+25)ms时导数为=50、(i+50)ms时导数为60、(i+
75)ms时导数为65、(i+100)ms时导数为70,导数阈值为50,计数器数值初始为0,且修改规则
是斜率值大于50时加1、小于50时减1,计数器数值为0时不减,则计数器数值在上述5个时间
点时?#26469;?#20026;0、1、2、3、4,可以看出计数器的数值在不断增大,由此可以将计数器数值的变化
走势与预先确定的触发条件进行比较,如果符合触发条件则中断所述电动工具的扭矩输
出。

实施例2

如之前的实施方式所述,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?#38454;?#26631;轴t的直线,而
第二部分K则显示为一急速上升的曲线。

图3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?#24247;?#20026;例
进行说明。电动螺?#24247;?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?#26223;?6中。电机6到工作头14之间?#26469;?#36890;过一机械
式弹簧与离合器系统12、以及一卡盘10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?#24065;?#21487;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?#24247;?#36824;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?#26723;?#30005;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?#26723;?#30005;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?#26223;?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?#24247;?#22312;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?#26223;澹?#25110;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?#24247;?#27491;在一块较软的
?#26223;?#19978;打螺钉;如果此时i1>5A,意味着目前电动螺?#24247;?#27491;在一块较硬的?#26223;?#19978;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?#26223;?#30340;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
?#26723;?#25110;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?#26223;澹?#27492;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?#26223;澹?#27492;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?#19978;?#24212;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?#36873;?#24403;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?#24247;叮?#20351;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?#20063;?#25152;示的电动螺?#24247;?#30340;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系统12连接。工
作头8用于旋转一螺钉14以将其拧入?#26223;?#20013;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?#26223;?#30340;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?#26723;?#21040;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?#30001;?#20986;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?#26723;?#30005;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?#26723;?#30005;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?#26223;?6表面后产生
快速和可靠的响应。该保护装置全?#23458;?#36807;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?#30475;?#25968;学意义上的导数定义,还可以包含?#23548;?#24037;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?#20540;?#25928;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?#21450;?#21547;在本
发明中导数的含义内。

以下将?#33268;?#22522;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?#24247;?#26377;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?#25319;?#36825;些异常情况如,当螺钉在拧入?#26223;?#30340;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?#26412;?#36827;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?#30452;?#21457;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?#26223;澹?#26681;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?#19981;?#36798;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?#26223;?#20013;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?#26223;?#26102;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?#19978;?#24212;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?#23548;?#24819;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?#23548;?#24819;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?#25105;?#20540;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?#21040;?#34892;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?#26723;?br />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
?#21040;?#34892;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?#26723;?#30005;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?#24247;?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?#19978;?#24212;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?#21040;?br />行比较,在不同材质的木料上拧不同?#26412;?#30340;螺钉,能够成功生成控制信号?#26723;?#30005;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?#31034;徒档?#20102;。?#28909;紓?#22312;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?#31034;?#36739;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?#23454;?#30340;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?#21040;?#34892;比较,
控制系统发出控制信号使电机转速被?#26723;?#25110;者停止的成功率明显高于单纯用二阶导数与
预设?#21040;?#34892;判断的成功?#30465;?#36825;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?#30465;?#20855;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?#21040;?#22823;,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?#24403;?#26174;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?#34892;?#30340;分辨螺钉
?#26041;?#35302;木料表面的时刻,?#34892;?#31579;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?#29615;从?#20986;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?#26223;?#20013;。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,?#28909;紓?#20108;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?#21462;?br />

本发明?#22266;?#20379;第十一实施例,本实施例与图4代表的实施例的区别在于,控制信号
s还可以至少部分基于一阶导数产生。至少部分基于一阶导数产生控制信号s包括但不限于
以下几种情形,1)一阶导数大于或等于预设?#23548;?#20135;生控制信号s,2)连续N个一阶导数值均
大于或等于预设值则产生控制信号s,3)连续N个一阶导数值中部?#25191;?#20110;或等于预设值,部
?#20013;?#20110;预设值则产生控制信号s,4)连续N个一阶导数中,后一个一阶导数的数值不小于前
一个一阶导数的数值则产生控制信号s,即连续N个一阶导数的数值逐步增大,5)连续N个一
阶导数值呈抛物线变化,即连续N个一阶导数的数值先增大后减小,则产生控制信号s,6)一
阶导数的函数大于或等于预设值则生成控制信号s,函数为数学学科中存在的任何可能的
函数,7)根据预设时间点上的负载参数大小选择不同的一阶导数的阈值,当一阶导数的数
值相对选择的一阶导数的阈?#24503;?#36275;预设条件时生成控制信号,其中一种典型的情况为一阶
导数的数值大于或等于选择的一阶导数的阈值时生成控制信号,即图7代表的实施例生成
控制信号s的方式,其他的预设条件包括但不限于连续N个一阶导数的数值逐步增大或者连
续N个一阶导数值呈抛物线变化。

本发明?#22266;?#20379;第十二实施例,本实施例是对图4代表的实施例的进一步补充,控制
信号s还可以至少部分基于二阶导数产生。至少部分基于二阶导数产生控制信号s包括但不
限于以下几种情形,1)二阶导数大于或等于预设?#23548;?#20135;生控制信号s,即图4代表的实施例
产生控制信号s的方式,2)连续N个二阶导数值均大于或等于预设值则产生控制信号s,3)连
续N个二阶导数值中部?#25191;?#20110;或等于预设值,部?#20013;?#20110;预设值则产生控制信号s,4)连续N个
二阶导数中,后一个二阶导数的数值不小于前一个二阶导数的数值,即连续N个二阶导数的
数值逐步增大,则产生控制信号s,5)连续N个二阶导数值呈抛物线变化,即连续N个二阶导
数的数值先增大后减小,则产生控制信号s,6)二阶导数的函数大于或等于预设值则生成控
制信号s,函数为数学学科中存在的任何可能的函数,7)根据预设时间点上的负载参数大小
选择不同的二阶导数的阈值,当二阶导数的数值相对选择的二阶导数的阈?#24503;?#36275;预设条件
时生成控制信号,其中一种典型的情况为二阶导数的数值大于或等于选择的二阶导数的阈
值时生成控制信号s,即类似于图7代表的实施例生成控制信号s的方式,其他的预设条件包
括但不限于连续N个二阶导数的数值逐步增大或者连续N个二阶导数值呈抛物线变化。

本发明?#22266;?#20379;第十三实施例,本实施例中,相对图4代表的实施例的区别在于,控
制信号s还可以至少部分基于高阶导数产生。至少部分基于高阶导数产生控制信号s包括但
不限于的情形与第十二实施例包括但不限于的情形类似,在此不再一一列举。

前述各实施例仅说明了生成控制信号s的判断条件为至少部分基于一阶导数、二
阶导数、或高阶导数,但没有说明如何根据采集到的表示输出轴负载的参数生成一阶导数、
二阶导数、或高阶导数。以下以电流作为表示输出轴负载的参数为例,介绍根据采集的电流
?#23548;?#31639;一阶导数、二阶导数、或高阶导数的过程。

电动工具工作过程中,随着负载的增大流经电机的电流整体上逐渐增大。但由于
干扰及电机本身的工作特性会导致控制芯片采集到的电流是很多上下抖动的离散点,即通
常所说的“毛刺”。为避免该“毛刺”对计算一阶导数、二阶导数、高阶导数、以及相关的函数
的数值产生影响,导致电动工具错误判断上述数?#24503;?#36275;预设条件,从而使电动工具改变输
出的转速,因此需要根据预设算法来生成一阶导数、二阶导数、或高阶导数。

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和离合器系统12之间的连接轴)的负载,也就是说,当螺钉在拧入?#26223;?#30340;过程中,
输出轴会受到阻力矩,通过检测电流就可以?#20174;?#38459;力矩的变化,从而判断螺钉是否已完全
拧入?#26223;?#20013;。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(Hall Sensor)来检测电机或输出轴的转速;或者是电机的效?#21097;?#22914;通过计算电机的
输出和输入功?#26102;?#26469;检测电机的效?#30465;?br />

上述以电动螺?#24247;?#20026;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?#20540;取?#30001;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?#36164;?#29616;,所以申请人在此不再予以赘述。

关于本文
本文标题:电动工具的控制方法及执行该控制方法的电动工具.pdf
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