技术领域
[0001] 本
发明涉及电动工具领域，尤其涉及一种电动工具的嵌入式控制系统及控制方法。
背景技术
[0002] 现有的电动工具，如电锤、电钻等，通过加载的电源提供
电流，来驱动
马达转动，由马达驱动
输出轴旋转从而带动
钻头旋转进行锤击、钻孔等工作。
[0003] 1.传统的电动工具对马达采取的控制方式比较简单，没有考虑到用户在使用电动工具时所面对的不同工况环境，不但无法让操作者直观的读取电动工具的工作状态，更无法直观的读取操作者的设定状态及设定状态的运行历史记录，导致电动工具的运行状态和刀具尺寸不能进行精确的匹配，无法达到作业的最高效率及延长机器和刀具的寿命。
[0004] 2.传统的电动工具不具备存储功能及记录导出功能，不能够存储用户使用该电动工具的历史记录，也不能有针对性的对单个电动工具使用者进行有效的管理及培训。
[0005] 3.传统的机器没有对机器异常位移、偏摆进行有效的监测及保护，当机器在钻孔过程中出现偏摆范围过大或者机器异常位移时，会导致钻头的过度损耗甚至威胁到操作人员的人身安全。
发明内容
[0006] 本发明的目的是为了改进目前传统电动工具的现状，让用户能够在更加安全的操作环境下，更加规范、更加精准的操作机器，从而降低使用成本，提高工作效率。
[0007] 为解决上述技术问题本发明采用的的技术方案如下：一种用于电动工具的嵌入式控制系统，包括
信号采集单元、面板控制单元、存储单元、输出执行单元、状态显示及蜂鸣提醒单元和嵌入式控制单元；其特征在于所述信号采集单元、面板控制单元、存储单元的输出端分别与嵌入式控制单元的输入端连接，嵌入式控制单元的输出端分别与输出执行单元、状态显示及蜂鸣提醒单元连接；所述面板控制单元用于设定操作
控制信号，并将操作控制信号发送至所述嵌入式控制单元；所述信号采集单元在输出执行单元动作的过程中进行实时监测，并把监测到的结果反馈给所述嵌入式控制单元进行处理，然后所述嵌入式控制单元输出控制信号对所述输出执行单元的动作状况进行调整；所述输出执行单元接收来自嵌入式控制单元的指令，按照指令的类型完成相应的操作；所述状态显示及蜂鸣提醒单元用于显示嵌入式控制单元输出的信号以及所述信号采集单元的反馈信号，并且执行嵌入式控制单元输出的报警信号。
[0008] 上述技术方案中，进一步地，所述信号采集单元包括
电能计量
传感器、
转子测速传感器、输出轴测速传感器、热敏
电阻温度传感器、
碳刷更换检测模
块、六轴
加速度传感器和磁
力传感器。
[0009] 进一步地，面板控制单元用于设定电动工具工作模式，包括
硅胶按键控制面板、硅胶按键、PCB板及
背光LED发光组件。
[0010] 进一步地，所述存储单元包括记录数据存储单元、移动存储盘和系统参数配置单元。
[0011] 进一步地，所述输出执行单元包括电磁
铁自
锁单元、H桥可控硅驱动
电路和调速可控硅驱动电路。
[0012] 进一步地，所述状态显示及提醒单元包括
液晶显示屏、LED显示灯和蜂鸣器。
[0013] 进一步地，所述转子测速传感器包括套设在马达转子顶部的第一磁环和设置在第一磁环周侧的第一霍尔感应器。
[0014] 进一步地，所述输出轴测速传感器包括套设在电动工具输出轴的第二磁环和设置在第二磁环周侧的第二霍尔感应器，第二磁环采用多对磁极。
[0015] 进一步地，所述六轴加速度传感器由三轴加速传感器和三轴螺旋仪组成的集成芯片，所述六轴加速度传感器安装在电动工具上。
[0016] 进一步地，所述记录数据存储单元可以对电动工具在使用过程中的所有参数进行
整理并且分类保存。
[0017] 进一步地，所述移动存储盘可以通过存储设备对电动工具中历史运行存储的记录数据进行下载。
[0018] 进一步地，所述状态显示及蜂鸣提醒单元可以对机器工作状态、马达运行模式、马达运行参数等技术信息实时显示，并且在机器异常状态时通过蜂鸣器提醒，还能查看历史运行存储状态的记录数据。
[0019] 为实现上述发明目的，本发明还提供另外一种具有上述中任一项所述的嵌入式控制系统的电动工具，所述电动工具包括
机架、固定在机架底部的电
磁铁、收容在机架中的马达、由马达驱动并与工作头配接的输出轴,所述马达包括
定子、可相对所述定子转动的转子、固定至所述转子上的换向器以及与所述换向器配合的碳刷组件，所述定子设有定子绕组，所述碳刷组件包括碳刷座以及安装在所述碳刷座上的碳刷更换检测模块。
[0020] 为解决上述技术问题本发明采用的的技术方案如下：
[0021] 一种用于电动工具的嵌入式控制系统及控制方法，所述控制方法包括：
[0022] 步骤1)：系统上电后，读取配置参数，依次启动电磁铁和马达自检程序，如果都正常，则执行步骤2)，如果发现异常，则执行故障报警程序；在故障报警程序中，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序；
[0023] 步骤2)：通过面板控制单元设置马达转速、
扭矩和正反转；
[0024] 步骤3)：进行打孔操作，继续执行电磁铁和马达自检程序，如果都正常，则执行步骤4)，如果发现异常，则执行故障报警程序；在故障报警程序中，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序；
[0025] 步骤4)：是否结束打孔，如果是，则停止运行，进入待机状态，否则，执行步骤3)。
[0026] 上述的控制方法中，所述电磁铁自检程序包括以下过程：信号采集单元监测电磁铁吸力是否正常，如果电磁铁磁力强度大于等于预设磁力强度，则继续执行电磁铁自检程序，如果电磁铁磁力强度小于预设磁力强度，则执行故障报警程序；在故障报警程序中，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序。
[0027] 上述的控制方法中，所述马达自检程序包括：
[0028] 利用信号采集单元对马达温度进行监测，如果马达温度为正常值，则继续监测马达温度，如果马达温度值异常，则执行故障报警程序，在故障报警程序中，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序；
[0029] 利用信号采集单元对马达加载状态进行监测，如果马达正常加载，则继续监测马达加载状态，如果马达加载异常，则执行故障报警程序，在故障报警程序中，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序；
[0030] 利用信号采集单元对马达平衡状态进行监测，如果马达位移偏摆或者振动的变化范围没有超过设定值，则继续监测马达平衡状态，如果超过设定值，则执行故障报警程序，在故障报警程序中，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序；
[0031] 利用信号采集单元对碳刷长度进行监测，如果碳刷长度正常，则继续监测碳刷长度，如果碳刷长度达到需要更换的长度，则执行故障报警程序，在故障报警程序中，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序。
[0032] 本发明通过信号采集单元采集反馈的信号，由嵌入式控制单元控制输出执行单元执行，并通过状态显示及蜂鸣提醒单元的液晶显示屏进行即时显示，具备直观可读性，如：即时转速、扭矩、运作方向，并且当机器出现磁铁吸力异常、温度过高、负载过大、机器出现异常位移、震动过大时，状态显示及蜂鸣提醒单元会立刻报警停机，这样可以让用户更加精准的了解机器运行状态，更好的引导用户操作机器。
[0033] 本发明通过信号采集单元采集反馈的信号，由嵌入式控制单元进行数据整理，并通过存储单元对机器的历史运行状态进行分类记录存储，该存储内容通过USB下载后，可以对该运行记录进行科学的分析和总结，便于售后人员对用户进行针对性的培训，帮助用户提升效率、节约成本。
[0034] 本发明通过信号采集单元采集反馈的信号，由嵌入式控制单元针对机器的运行情况实行实时监控，当机器出现位移、震动过大时，能够自主的停止机器运行，达到保护机器及刀具的效果，更重要的是可以保护用户的人身安全。
附图说明
[0035] 图1为本发明一种用于电动工具的嵌入式控制系统结构示意
框图；
[0036] 图2为转速监测电路图；
[0038] 图4为位移保护电路图；
[0039] 图5为碳刷监测电路图；
[0040] 图6为液晶显示报警电路图；
[0041] 图7为本发明一种用于电动工具的控制方法
流程图。
[0042] 附图中：
[0043] 1、
单片机 2、液晶显示屏 3、第一磁环[0044] 4、第二磁环 5、第一霍尔传感器 6、第二霍尔传感器[0045] 7、
电压互感器 8、电流互感器 9、电能计量芯片[0046] 10、负温
热敏电阻 11、存储芯片 12、六轴加速度传感器[0047] 13、碳刷 14、隔离光耦
具体实施方式
[0048] 下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0049] 如图1所示，本发明提供了一种用于电动工具的嵌入式控制系统，包括信号采集单元、面板控制单元、存储单元、输出执行单元、状态显示及蜂鸣提醒单元和嵌入式控制单元。
[0050] 所述嵌入式控制单元为单片机，所述单片机采用型号为STM32F207芯片；
[0051] 所述信号采集单元、面板控制单元、存储单元的输出端分别与嵌入式控制单元的输入端连接，嵌入式控制单元的输出端分别与输出执行单元、状态显示及蜂鸣提醒单元连接；
[0052] 所述面板控制单元用于设定操作控制信号，并将操作控制信号发送至所述嵌入式控制单元；
[0053] 所述信号采集单元在输出执行单元动作的过程中进行实时监测，并把监测到的结果反馈给所述嵌入式控制单元进行处理，然后所述嵌入式控制单元输出控制信号对所述输出执行单元的动作状况进行调整；
[0054] 所述输出执行单元接收来自嵌入式控制单元的指令，按照指令的类型完成相应的操作；
[0055] 所述状态显示及蜂鸣提醒单元用于显示嵌入式控制单元输出的信号以及所述信号采集单元的反馈信号，并且执行嵌入式控制单元输出的报警信号；
[0056] 所述信号采集单元包括转子测速传感器、输出轴测速传感器、单相电能计量传感器、热敏电阻温度传感器、碳刷更换检测模块、六轴加速度传感器、磁力传感器。
[0057] 如图2所示，本发明的转子测速传感器包括套设在马达转子顶部的第一磁环3和设置在第一磁环3周侧的第一霍尔感应器5，所述第一霍尔感应器5与单片机相连。所述第一磁环3采用多对磁极，当第一磁环3旋转时，第一磁环N-S磁极交替作用于第一霍尔感应器5，产生方波。转子转速高低变化，方波
频率相对应变化,转子转速对应的不同频率的方波反馈给单片机1,单片机1内部程序对方
波数量进行计算处理，从而得出反馈的转速与需要输出的转速的差值是否在允许范围内，这样形成闭环控制来达到输出转速满足使用要求。单片机1与液晶显示屏2相连，单片机1依据第一霍尔传感器5反馈的转速信号，通过液晶显示屏2界面以文字和图形的方式显示出来。
[0058] 本发明的输出轴测速传感器包括套设在电动工具输出轴的第二磁环4和设置在第二磁环4周侧的第二霍尔感应器6，所述第二霍尔感应器6与单片机相连。所述第二磁环4采用多对磁极，当第二磁环4旋转时，第二磁环N-S磁极交替作用于第二霍尔感应器6，产生方波。输出轴转速高低变化，方波频率相对应变化，输出轴转速对应的不同频率的方波反馈给单片机1，单片机1内部程序对方波数量进行计算处理，然后通过液晶显示屏2实时显示一个数值，表示输出轴即时转速。
[0059] 如图3所示，本发明的单相电能计量传感器包括电压互感器7、电流互感器8和单相电能计量芯片9。电压互感器7输入端与交流电压相连接，输出端并接电阻，然后连接单相电能计量芯片9电压监测输入端口，交流电压通过电压互感器7降压，电阻并接在互感器
输出侧，电阻上产生与交流电压成比例关系的交流信号，该信号反馈给电能计量芯片9，所述单相电能计量芯片9采用ADE7753。所述电流互感器8输出端并接电阻，马达线圈回路
导线穿过电流互感器，当马达运行时，穿过电流互感器8的导线有电流流过，电流互感器8上产生与电流成比例关系的交流信号，该信号反馈给单相电能计量芯片9。电流互感器8采集到的电流反馈信号和电压互感器采集到的电压反馈信号反馈到单相电能计量芯片内部，单相电能计量芯片9将计算后的数据反馈到单片机1，单片机1把接收得到的数据进行处理，可以得出马达运行电流、运行功率及
电网电压。采用带串行
接口和脉冲输出的高
精度有功和视在
能量计量的集成电路的单相电能计量芯片，通过集成的二阶ΣΔADCs、数字记分器、参考电压源，对采集到的电流和电压信号进行电压、电流有效值计算，实现
模数转换，将
数字量传送给单片机。
[0060] 本发明的热敏电阻温度传感器采用负温热敏电阻10，固定在马达定子线包上，温度传感器一端接电路参考地，另一端通过上拉电阻接3.3V并且与单片机1相连，单片机1分别与液晶显示屏2、存储芯片11连接。当定子线包因运行环境和运行状态不同，其表面温度值是
波动的。负温热敏电阻10紧贴定子线包，负温热敏电阻10阻值随着定子表面温度值的波动而变化。因此在负温热敏电阻10两端产生与变化的温度值相对应的一组电压模拟量信号。该电压模拟量信号输送给单片机1，单片机内部程序对该模拟量进行PID计算处理，得出与定子线包表面波动的温度值相对应的一组数据。在该组数据内选择一个数据作为过温判断保护起点。当达温度超过该预设起点时，则认为马达超温，对马达实施停机保护，通过液晶显示屏2显示报警内容及蜂鸣器蜂鸣，并且通过存储芯片11对机器的保护累计次数进行记录存储。
[0061] 如图4所示，本发明的六轴加速度传感器12由三轴加速传感器和三轴螺旋仪组成的集成芯片，该芯片采用MPU6500
陀螺仪芯片，并且与单片机1相连接。六轴加速度传感器12将感测到的电动工具位移或偏摆数据进行计算，以数据形式传送给单片机，单片机依据该数据实现对钻机位移、偏摆幅度适当加以保护。六轴加速度传感器在每次马达启动运行时进行
定位，会读取一个原始
位置三坐标值作为参考值。钻机在运行过程中监测位移或者偏摆幅度值，将这个值与原始位置三坐标参考值相比较，得出以原始位置三坐标参考值为中心正负值的范围。如果监测到的值变化的范围超过预设范围，并且加速度值超过预设值，认为机器不适合继续钻孔，马达会自动停止运行。
[0062] 如图5所示，本发明的碳刷更换检测模块，包括带信号检测线的碳刷13和隔离光耦14，信号检测线一端与隔离光耦14控制输入端相连，隔离光耦14输出端通过上拉电阻接
3.3V并且与单片机1相连，信号检测线另一端头部涂有绝缘层埋在碳刷13内部。当碳刷磨到需要更换的长度时，埋在碳刷内部检测线头部的绝缘层被破坏，这时检测线与碳刷本体连通，驱动隔离光耦14工作，产生方波信号，该方波信号反馈给单片机1，单片机1内部程序依据该方波信号，判断需要更换碳刷，通过液晶显示屏2显示更换碳刷报警提示信息，并且将碳刷累计更换次数存储记录。
[0063] 本发明的磁力传感器采用干簧管，安装在电动工具底部的电磁铁上，并且与单片机相连接，用于实时监控电磁铁的磁力强度。电磁铁磁力强度满足干簧管吸合的条件，则干簧管吸合，产生一个
开关量，该开关量传送给单片机。单片机内部程序依据该该开关量判断磁铁磁力是否异常，如果异常则实施保护停机动作。
[0064] 本发明的面板控制单元用于设定电动工具工作模式，包括硅胶按键控制面板、硅胶按键、PCB板及背光LED发光组件。硅胶按键控制面板由多个按键组成；PCB板包括印刷
电路板和印刷电路板上设置的多个硅胶按键触点，硅胶按键触点可相对于印刷电路板上下移动；背光LED发光组件位于PCB板按键旁边，并与PCB板单片机相连接，硅胶按键触点的移动可使所述LED发光组件开启或关闭。
[0065] 本发明的存储单元包括记录数据存储单元、移动存储盘和系统参数配置单元，所述记录数据存储单元可以对电动工具在使用过程中的所有参数进行整理并且分类保存。所述移动存储盘可以通过存储设备对电动工具中历史运行存储的记录数据进行下载。系统参数配置单元根据用户的需求对本机序列号进行配置，以及删除历史记录数据。所述记录数据存储单元包括存储芯片，所述存储芯片与嵌入式控制单元相互连接。所述存储芯片存储的内容包括：按照功率大小分区间记录不同功率区间累计运行时间；机器使用的电压低于电网额定电压最低偏差值时，机器过载累计保护次数；机器使用的电压在电网额定电压允许偏差范围内时，机器过载累计保护次数；机器马达过温累计保护次数；碳刷更换累计次数；以及机器出厂编码。
[0066] 本发明的输出执行单元包括电磁铁自锁单元、H桥可控硅驱动电路和调速可控硅驱动电路，所述电磁铁自锁单元控制电路与单片机相连接；所述H桥可控硅电路、可控硅调速电路与单片机相连接。
[0067] 如图6所示，本发明的状态显示及蜂鸣提醒单元包括液晶显示屏、
LED灯和蜂鸣器，所述液晶显示屏采用OLED显示屏，液晶显示屏、LED灯和蜂鸣器分别与单片机连接，单片机将所述信号采集单元反馈的
信号处理后通过液晶显示屏对机器工作状态、马达运行模式、马达运行参数等技术信息实时显示，并且在机器异常状态时通过蜂鸣器提醒，还能查看历史运行存储状态的记录数据。所述机器工作状态包括待机、空载、加载和负载，具体实施中，当机器待机时OLED显示屏显示待机画面；当马达空载或者加载时OLED显示屏显示输出轴即时转速；当马达负载时，根据负载波动情况显示的即时转速数值增大或减小，转速条数量增大或减少，LED灯点亮数量和
颜色随着负载波动而变化。所述马达运行模式包括正转和反转，具体实施中，当马达正转时OLED显示屏显示R；当马达反转时OLED显示屏显示L。所述马达运行参数包括转速档位调节参数和扭矩档位调节参数，具体实施中，当转速档位增大时，转速显示条数量增加、转速数值增大并且转速档位调节到最大时OLED显示屏显示F。当转速档位减小时，转速显示条数量减少、转速数值减小。当扭矩档位越高扭矩越大，扭矩档位越小扭矩越小。所述机器异常状态包括磁铁吸力异常、温度过高、负载过大、机器出现异常位移、震动过大和马达碳刷需要更换，具体实施中，当马达功率超载时，OLED显示屏显示马达过载提示内容、LED红灯闪烁、蜂鸣器蜂鸣；当马达过温时，OLED显示屏显示马达过温提示内容、LED红灯闪烁、蜂鸣器蜂鸣；当马达碳刷需要更换时，OLED显示屏显示更换碳刷提示内容、LED红灯闪烁、蜂鸣器蜂鸣；当电磁铁失磁后，OLED显示屏显示磁力异常提示内容、LED红灯闪烁、蜂鸣器蜂鸣；当马达异常发生位移或偏摆幅度过大，OLED显示屏显示马达失去平衡画面提示内容、LED红灯闪烁、蜂鸣器蜂鸣。所述历史运行存储状态包括：马达空载功率累计运行时间；马达介于空载功率和额定功率之间的加载功率累计运行时间；马达介于额定功率和超载额定功率45％之间的加载功率累计运行时间；马达超载额定功率45％以上的加载功率累计运行时间；机器使用的电压低于电网额定电压最低偏差值时，机器过载累计保护次数；机器使用的电压在电网额定电压允许偏差范围内时，机器过载累计保护次数；机器马达过温累计保护次数；碳刷更换累计次数；以及机器出厂编码。
[0068] 本发明提供了一种电动工具，具有上述嵌入式控制系统的电动工具，所述电动工具包括机架、固定在机架底部的电磁铁、收容在机架中的马达、由马达驱动并与工作头配接的输出轴,所述马达包括定子、可相对所述定子转动的转子、固定至所述转子上的换向器以及与所述换向器配合的碳刷组件，所述定子设有定子绕组，所述碳刷组件包括碳刷座以及安装在所述碳刷座上的碳刷更换检测模块。
[0069] 为了更进一步的说明本发明
实施例提供的用于电动工具的嵌入式控制系统，现结合图7详述其控制方法如下：
[0070] 步骤1)：系统上电后，读取配置参数，依次启动电磁铁和马达自检程序，如果都正常，则执行步骤2)，如果发现异常，则执行故障报警程序；在故障报警过程，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序；
[0071] 步骤2)：通过面板控制单元设置马达转速、扭矩和正反转；
[0072] 步骤3)：进行打孔操作，继续执行电磁铁和马达自检程序，如果都正常，则执行步骤4)，如果发现异常，则执行故障报警程序；在故障报警程序中，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序；
[0073] 步骤4)：是否结束打孔，如果是，则按停止键停止运行，进入待机状态，否则，执行步骤3)。
[0074] 上述的控制方法，所述电磁铁自检程序包括以下过程：信号采集单元监测电磁铁吸力是否正常，如果电磁铁磁力强度大于等于预设磁力强度，则继续执行电磁铁自检程序，如果电磁铁磁力强度小于预设磁力强度，则执行故障报警程序；在故障报警程过程，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序。
[0075] 上述的控制方法，所述马达自检程序包括：
[0076] 利用信号采集单元对马达温度进行监测，如果马达温度为正常值，则继续监测马达温度，如果马达温度值异常，则执行故障报警程序；在故障报警程序中，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序；
[0077] 利用信号采集单元对马达加载状态进行监测，如果马达正常加载，则继续监测马达加载状态，如果马达加载异常，则执行故障报警程序；在故障报警程序中，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序；
[0078] 利用信号采集单元对机器平衡状态进行监测，如果机器位移或者偏摆值的变化范围没有超过预设定值，则继续监测机器平衡状态，如果超过设定值，则执行故障报警程序；在故障报警程序中，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序；
[0079] 利用信号采集单元对碳刷长度进行监测，如果碳刷长度正常，则继续监测碳刷长度，如果碳刷长度达到需要更换的长度，则执行故障报警程序；在故障报警程序中，如果故障复位则进入系统待机状态，否则继续执行故障报警程序。
[0080] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于
本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的
权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
