专利名称：电动工具控制电路及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动工具的控制电路及其操作方法。
背景技术：
通常情况下，使用电池包的直流电动工具都具有检测和指示电池包剩余电量的功能。一般情况下，显示的电池剩余电量，均为通过直接测量电池两端电压得到，当电池包由于放电而温度升高时内阻也随之变化，此时的测量电压不能精准的反映电池实际能为马达提供的电能，造成剩余电量的显示有偏差。同时，这种检测和指示均在电池包驱动马达开始工作之前进行，当马达开始工作后，电量指示装置就熄灭，同时对电池包的检测也不再进行。这种检测和指示方式造成电动工具一旦开始工作后，使用者便无法了解电池包的电量剩余情况，同时由于对电池包其他参数的不再监控，电池包一旦过流或过温，无法及时报警和停止工作，给使用者带来危险。
发明内容
为了克服现有技术中的不足和缺陷，本发明提供了一种改进这些问题的电动工具控制电路，及其操作方法。为达到以上目的，本发明揭示的适用于电动工具的控制电路，包含与电池包电连接、包含测量电池包两端的两个测量点之间的电压V’、并检测电池温度的电池包检测电路， 根据检测电路检测到的电池包两端电压值运算得到电池电量运算结果、并至少结合电池包温度来控制对马达的供电的运算控制电路，其中电池电量运算结果为电池包开路电压V，用于显示该电量运算结果的电量指示电路，用于测算流经马达的电流I的电流测算电路，该运算控制电路的电量运算结果还包含电池包内部和回路所耗电压。该控制电路考量了电池放电回路的电压和由于电池放电温度升高，给电池放电回路电阻测算带来的偏差，使电池包的测算电压更接近电池包的实际电压，进而令电池剩余电量的显示更为准确。同时，本发明还提供一种改进这些问题的操作电动工具的方法。本发明揭示的操作电动工具的方法包含按下开关，以使马达和电池电连接，测量电池的参数，并由此控制马达的运行或停止，马达运行后，进行电量运算，将电量运算结果在电量指示装置上显示。在马达开始工作之前，对电池的各项参数进行检测判断，可避免因电池的不正常状况对马达造成的影响，以及危险情况的出现。在马达开始工作后进行电池剩余电量的运算和显示，并循环进行电池各项参数的检测判断，以及剩余电量的运算和显示，可在电池工作过程中实时监控电池的工作情况，令电池的放电工作更为安全，同时剩余电量的实时检测显示，令剩余电量的指示更为准确。
下面结合附图对本发明作进一步说明。图1是本发明的的电动工具立体图。图2是本发明的电动工具电量显示电路�？橥�。图3是本发明的电动工具光电信号发射、接收原理图。图4是本发明的电动工具光纤装置结构图。图5是本发明的电动工具控制电路�？橥肌Ｍ�6是本发明的电动工具控制电路电路图。图7是本发明的电动工具控制电路流程图。图8是本发明的电动工具电量运算电路图。
具体实施方案下面结合附图及具体实施例对本发明详细说明。直流电动工具，在通常工作情况下，包含安装在机壳内的马达，开关，以及含有多节可充电电池的电池包。在机身和电池包上，均安装有对电池包电量情况进行显示的电量指示装置。以电钻为例，如图1所示，该电钻的机身16和电池包15均带有电量指示装置， 其中机身电量指示装置14安装于机身16顶部，电池包电量指示装置13安装于电池包15 后侧。该电池包电量指示装置13和机身电量指示装置14优选的为红绿双色LED灯，可显示三种颜色，当红色LED灯亮时指示灯显示红色，绿色LED灯亮时指示灯显示绿色，当红绿两盏LED同时亮时指示灯显示橙色。在本发明中，绿灯表示电池包剩余电量为“满”状态， 橙灯表示电池包剩余电量为“中间”状态，红灯表示电池包剩余电量为“低”状态。LED指示灯也可由IXD显示屏代替。如图2所示为直流电动工具的电量显示电路电路图，包含第一电路1和第二电路 2。其中，第一电路1位于电池包，包含电池包检测电路3，运算控制电路4，电量指示电路9， 以及光信号发射装置6。第二电路2位于机身，包含光信号接收装置7，以及电量指示电路 8。该电量显示电路工作时，在电池包上的第一电路1中，电池包检测电路3对电池电压，电池温度，电池放电电流分别进行检测，并将检测结果反馈至运算控制电路4，运算控制电路4对检测结果进行运算和判断，并将运算结果反馈给包含电量指示装置的电量指示电路9，以进行剩余电量的显示。具体的检测和运算方法将在下文详述。光信号发射装置6将运算控制电路4的电量信号发送至位于机身的光信号接收装置7。光信号接收装置7将接收到得电量信号反馈给机身上的电量指示电路8，以在机身上显示剩余电量。优选的，光信号发射装置6为光电信号发射电路，光信号接收装置7为光电元件。 运算控制电路4产生的运算结果，以高低电平的形式提供给光信号发射装置6。光信号发射装置6将接收到的电平信号通过光电发射方式发送给机身上的第二电路2。第二电路2中的光信号接收装置7用于接收电池包上的第一电路1发送的光电信号，提供给电量指示电路8，电量指示电路8包含电量指示装置，此处为双色LED灯，根据不同的电平信号控制双色LED灯显示不同的颜色，或以数字、柱状图灯等方式在LCD显示屏上显示，以指示电池的剩余电量。如图3所示的光电信号发射、接收原理图所示，光电信号的发射、接收包含位于电池包上的光电信号发射电路39，和位于机身上的光电信号接收显示电路观。光电信号发射电路39包含光电元件19、20，用于将电信号转换为光信号，然后发射光信号。光电信号接收显示电路观包含光电元件40，用于接收光信号，然后将接收到得光信号转换为电信号，并通过电量指示电路8进行显示。上述光电元件可为光敏电阻、红外光发射和接收元件、PIN 二极管等，此处优选的为红外光发射元件和红外光接收元件。本发明所采用的光电信号发射电路39包含红外光发射管19和红外光发射管20，光电信号接收显示电路观包含电量指示电路8和红外光电元件40，其中电量指示电路8包含电源21，电量指示装置，红外光电元件40包含红外光接收管25和红外光接收管26。电量指示电路8中的电量指示装置为LED 灯22和LED灯23。红外光接收管25和红外光接收管沈分别负责两路红外信号的接收，以分别控制LED灯22和LED灯23的工作。当光电信号发射电路39和光电信号接收显示电路28工作时，光电信号发射电路 39的控制端17和控制端18从运算控制电路4接收两路电平控制信号，光电信号发射电路 39将其转换为光信号，然后发射，光电信号接收显示电路W接收到光信号后，将其转换为电平信号，控制显示装置显示对应的结果。当光电信号发射电路39接收到的两路控制信号均为高电平时，电路导通，红外光发射管19、20发射红外光信号，光电信号接收显示电路观的红外光接收管25 J6接收到红外光信号，导通，则LED灯22和LED灯23亮；当两路控制信号均为低电平时，红外光发射管19、20不发射红外光信号，红外光接收管25 J6断开，LED 灯22和LED灯23不亮。当两路控制信号为一路高电平，一路低电平时，接收到高电平的红外光接收管的一路LED灯亮，未接收到高电平的红外接收管的一路LED灯不亮。在另一实施例中，该光信号发射、接收方式还可用光纤装置实现。如图4所示为光纤装置结构图，在此方式下，光纤装置包含位于电池包15内、作为光信号发射装置的第一导光元件36，和位于机身16内、作为光信号接收装置的第二导光元件37。其中，第一导光元件36包含导光光纤36c和导光柱36b，导光光纤36c的一端具有靠近机身16的第一导光面36a，另一端与导光柱36b相连。第二导光元件37包含导光光纤37c和导光柱37b，导光光纤37c的一端具有靠近电池包15的第二导光面37a，另一端与导光柱37b相连。第一导光元件36的导光柱36b与电池包电量指示装置13相对，用于增强电池包电量指示灯的光信号，便于导光光纤36c、37c传导。第二导光元件37的导光柱37b与机身电量指示装置 14相对，用于将导光光纤37c传导来的光信号增强，便于机身电量指示装置14显示。此处电池包电量指示装置13和机身电量指示装置14为双色LED灯。当电池包15被安装到电动工具的机身16后，第一导光元件36的第一导光面36a 与第二导光元件37的第二导光面37a相对，光信号可顺畅的在导光光纤36c、37c之间传导。电池包电量指示装置13发出的光信号，经导光柱36b增强后通过导光光纤36c、37c传导至机身16，并通过机身16上的导光柱37b增强，从而使机身电量指示装置14发光，令机身电量指示装置14发出的光线与电池包电量指示装置13发出的光信号一致。由此，电池包上和机身上均安装有电量指示装置，可令使用者在操作工具时在任一角度均可方便的看到剩余电量指示装置，以及时了解电池包剩余电量的情况。同时，电池包和机身上的电量指示装置，显示的为同一电池包检测电路和运算控制电路的输出结果， 两者的信号具有较高的统一性。使用光电发射接收方式或光纤传导方式，较传统的通信方式更不易受干扰，信号稳定度和准确度高，同时，上述信号发射、接收方式在装置成本上较传统的通信发射接收装置更低。如图5所示为电动工具控制电路模块图，包含开关10，马达11，电池包检测电路3， 运算控制电路4，电池12，电量指示电路9。该控制电路为在电池包内，对电池包剩余电量进行检测、运算、指示，并控制马达工作的电路。该电动工具控制电路工作时，使用者按下电动工具的开关10，电池包检测电路3 开始检测。电池包检测电路3包含对电池12的电压、电流、电池温度的检测，完成检测后将检测结果反馈给运算控制电路4。运算控制电路4包含起运算、判断、控制作用的CPU及半导体开关。此处CPU也可由MCU或ARM等微控制器代替，半导体开关也可由MOSFET代替。 其中，CPU对电池包检测电路3检测到的电压、电流、电池温度等数据分别与预设电压值、预设电流值、预设电池温度值进行比较、运算、判断。然后将判断和运算后的控制信号反馈给马达11、电量指示电路9及照明和指示电路5，以控制马达11是否工作，电量指示电路9的显示情况，以及照明灯的工作情况。具体的比较、运算、判断过程将在下文详述。如图6为电动工具控制电路的具体电路图，包含电池包33，开关10，马达11，运算控制电路4，电量指示电路9，照明和指示电路5，电源电路32，以及由电压检测电路29、电流测算电路30、电池温度检测电路31组成的电池包检测电路。电源电路32为电动工具控制电路中除马达11及照明和指示电路5以外的各电路部分提供工作的电能。其中，基准电压源U3和三极管Q6配合，形成固定电压，电阻R32，R33 和R30将加在除马达11及照明和指示电路5以外的各电路部分两端的电压调整至需要的稳定电压值。通常的，电池包33提供的电压为8. 1-12. 4V之间不稳定的电压，经电源电路 32的降压和稳压后，调整为稳定的3. 3V电压。在电压检测电路四中，当开关10闭合后，a点为高电平，三极管Q7B饱和导通，从而令三极管Q7A饱和导通，电池包33电压加至b点，经R34和C16分压后，CPU的管脚11测得c点电压，从而CPU计算得b点电压，即电池包33电压值。此处电压检测电路四检测的电压为电池包33以及引出接线、开关等两端的电压。在电池温度检测电路31中，温度传感器tNTe为热敏电阻，贴于电池包外壁上，tNTC 与R47分压后，CPU的11脚测得g点电压，得到电池温度。如电池包过温，则温度传感器tNTC 阻值降低。CPU通过g点电压值判断电池包是否过温。在电流测算电路30中，CPU的12脚通过测h点电压，通过R50，R51的分压关系得到Q9两端e，f的电压，已知Q9的导通阻值，CPU计算得电池包电流值I。当CPU比较电池包33电压值、温度值和电流值均满足马达11启动条件后，由CPU的管脚2输出低电平，三极管Q8截止，d点电压加至场管Q9的1脚，使Q9饱和导通，马达11工作。在其他实施例中，电流测算电路30也可与电池包检测电路独立。在照明和指示电路5中，控制信号由CPU的管脚9提供，当控制信号为持续高电平时，三极管QlO导通，照明指示灯34亮；当控制信号为低电平，或无控制信号时，三极管QlO 截止，照明指示灯34不亮；当控制信号为高低电平交替时，三极管QlO交替的导通和截止， 照明指示灯34闪烁。其中，照明指示灯34为白色LED灯，通常情况下为电动工具提供照明光源，在电工工具的状态异常时，照明指示灯34闪烁，提供报警信号。如图7所示为电动工具控制电路流程图，当剩余电量显示电路开始工作后，程序先初始化负责运算的CPU，然后进行电池电压的判断。如电池电压低于预设总电池电压值 Al，则CPU输出低电平信号给半导体开关，半导体开关关断，马达不转。同时发送判断信号至电量指示电路9，红色LED灯亮，显示电池欠压。进一步的，CPU将测得的电压值除以电池单元数，得到单节电池的电压，如单节电池电压低于单节电池电压预设值A2，则红色LED灯熄灭；如单节电池电压大于等于单节电池电压预设值A2，则红色LED灯持续亮，同时循环进行对单节电池电压的比对判断。如电压大于等于预设总电池电压值Al，则CPU输出高电平信号给半导体开关，半导体开关导通，程序向下运行至对电池放电温度的判断。如电池温度大于等于预设值C，则CPU输出低电平信号给半导体开关，半导体开关关断，马达不工作。同时CPU发送判断信号至照明和指示电路5，照明指示灯34不断闪烁， 起报警作用。此时电池处于过温状态，照明灯的报警可令使用者注意该过温状况，以避免电池包因温度过高造成危险。如电池温度小于预设值C，则CPU输出高电平信号给半导体开关，半导体开关导通，马达运行。同时程序向下运行至对电池放电电流的判断。如电池放电电流大于等于预设放电电流值B，则CPU输出低电平信号给半导体开关，半导体开关关断，马达停止工作。同时CPU发送判断信号至照明和指示电路5，照明指示灯34不断闪烁，起报警作用。当放电电路处于过流状态，如果马达继续工作可能造成马达烧坏等故障。照明灯的报警可令使用者注意该过流状态，以避免马达故障。如电池放电电流小于预设放电电流值B，则CPU输出高电平信号给半导体开关，半导体开关导通，马达继续工作，同时程序向下运行至电量运算。在电量运算中，电量的运算以电压为参数计算。通常情况下，电池包的放电回路中具有多个内阻，如电池包内阻、接片内阻、接线内阻、回路内阻等。在本发明中，接线内阻、接片内阻以及PCB板上的铜箔内阻综合表示为R。，电池包内阻表示为Rb。参考如图8所示的电量运算电路图，包含开关10，电池包33，马达11，半导体开关35，及回路内阻R。。其中电池包33包含电池38和电池包内阻Rb，半导体开关35包含MOS管Q9和半导体开关内阻Rm。s。 由于在不同的温度下，相同电阻会表现出不同的电阻测算值，为了精确该电池包内阻Rb的测算，预设一温度补偿系数Ct，用于补偿由于温度造成的电池包内阻阻值偏差。该温度补偿系数Ct为在电池正常工作时的温度下，电池包内阻的测算补偿系数。当电压检测电路四进行电压检测时，测量到的检测电压V’为m、η两点之间的电压，即m点对地的电压。半导体开关35两端电压即m’、n两点之间电压*Vm。s。整个回路的电流，由如前所述的电流测算电路30测得m’、n两点之间电压Vm。s，除以已知的半导体开关 35内阻Rnros得到回路的电流值I。在电量运算电路中，电池包33两端的电压Vb，与回路内阻R。两端的电压V。、检测电压V’之间的关系如下Vb = Vc+V'而当电动工具工作时，马达11可用电量由电池包33除去为电池包内阻Rb、回路内阻R。、半导体开关35提供的电能以外的电能。故电量指示装置所显示的电池剩余电量由电池38开路电压V决定，电池38开路电压V为电池包33内部除内阻Rb两端电压VKb外的电压。电池包33内部的电压关系如下Vb = V-VEb结合上述两个电压关系式，得到显示电压即电池38开路电压V的计算式如下V = V' +Vc+VEb显示电压即电池38开路电压V为检测电压V’、电池包内阻Rb两端电压VKb、回路内阻R。两端电压V。之和。由于电量运算电路中电流相同，电流值即为电流测算电路30中测算得到的电流值I，代入上式可得到V = V，+1 · Rc+I · Rb · Ct该电池电量的测算方法，不仅考量了电池包内阻Rb和回路内阻R。消耗的电压，同时考量了由于电池放电温度升高，给电池内阻测算带来的偏差，使电池38的开路电压V更准确，进而令实际可供马达11使用电量的显示更为精准。程序继续运行至电量指示。在电量指示中，通过电量指示装置，如LED或IXD，或蜂鸣装置将电量运算中得到的电池剩余电量的情况向使用者指示。此处优选的为多色LED 灯。在本实施例中为红绿双色LED灯，可显示为红色，橙色，以及绿色。当电量运算中得到的电池剩余电量值大于等于第一预设电量值Q1，显示绿色；当剩余电量值小于等于第二预设电量值Q2，显示红色；当剩余电量值小于第一预设电量值Ql，大于第二预设电量值Q2，显示橙色。第一预设电量值Ql大于第二预设电量值Q2。优选的，该第一预设电量值Ql为电池总电量的50%，第二预设电量Q2为电池总电量的10%。如此，不同的显示灯颜色对应不同的电池剩余电量，可清楚的向使用者指示电池的剩余电量情况。绿色表示满电量，使用者正常使用工具；红色表示电量不足，工具不能使用，需要充电；橙色表示中间状态，即电量不满，但工具还可被使用一段时间。此后，程序回到对电池电压的判断，如此循环进行。不同颜色的电量指示灯可向使用者清楚的指示电池的剩余电量情况，了解工具是否可以工作，以及可工作的时间。在另一实施例中，该多色LED灯还可由多盏同色LED灯代替，如三盏绿色的LED 灯。在剩余电量大于等于第一预设电量值Ql时，三盏全亮，表示电量满；当剩余电量小于等于第二预设电量值Q2时，只亮一盏，表示电量不足；当剩余电量小于第一剩余电量Ql，大于第二预设电量Q2时，两盏灯亮，表示电量处于中间状态。该电池剩余电量的测算、显示流程，在马达开始工作之前，对电池的各项参数进行检测判断，以判断电池情况是否适合支持马达开始工作，可避免因电池的不正常状况对马达造成的影响，以及危险情况的出现。在马达开始工作后进行电池剩余电量的运算和显示， 并循环进行电池各项参数的检测判断，以及剩余电量的运算和显示，可在电池工作过程中实时监控电池的工作情况，令电池的放电工作更为安全，同时实际可供马达使用电量的显示，令剩余电量的指示更为准确。本发明揭示的电动工具的剩余电量显示电路并不局限于以上实施例所述的内容以及附图所表示的结构。在发明的基础上对其中元器件所做的显而易见地改变、替代或者修改，都在本发明要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种电动工具控制电路，包含一与电池包电连接、包含测量电池包两端的两个测量点之间的电压V’、并检测电池温度的电池包检测电路，一根据检测电路检测到的电池包两端电压值运算得到电池电量运算结果、并至少结合电池包温度来控制对马达的供电的运算控制电路，其中电池电量运算结果为电池包开路电压V，该电动工具控制电路还包含一用于显示该电量运算结果的电量指示电路，一用于测算流经马达的电流I的电流测算电路，其特征在于，该运算控制电路的电量运算结果还包含电池包内部和回路所耗电压。
2.如权利要求1所述的电动工具控制电路，其特征在于，该电量运算结果与一电池包温度系数Ct成正比。
3.如权利要求2所述的电动工具控制电路，其特征在于，该电池包温度系数Ct为一恒定常数。
4.如权利要求1所述的电动工具控制电路，其特征在于，该电池包具有一电池包内阻 Rb,在两测量点和电池包两端之间具有回路内阻R。。
5.如权利要求2所述的电动工具控制电路，其特征在于，该电池包开路电压V的计算式为 V = V，+1 · Rc+I . Rb . CtO
6.如权利要求1所述的电动工具电量控制电路，其特征在于，该运算控制电路包含用于进行运算的CPU。
7.如权利要求1所述的电动工具电量控制电路，其特征在于，该运算控制电路包含用于进行运算的MCU。
8.如权利要求1所述的电动工具电量控制电路，其特征在于，该电量指示电路包含电量指示装置。
9.如权利要求8所述的电动工具电量控制电路，其特征在于，该电量指示装置为多色 LED 灯。
10.一种操作电动工具的方法，该电动工具包括支撑着马达的机壳，开关，以及电量指示装置，该方法包含以下步骤按下开关，以使马达和电池电连接； 测量电池的参数，并由此控制马达的运行或停止； 马达运行后，进行电量运算； 将电量运算结果在电量指示装置上显示。
11.如权利要求10所述的操作电动工具的方法，其特征在于，该电量运算结果包含代表电池剩余电量状况信号；
12.如权利要求10所述的操作电动工具的方法，其特征在于，在马达运行期间，该电量指示装置上显示当前的电量运算结果。
13.如权利要求10所述的操作电动工具的方法，其特征在于，该方法还包含在电池过流时发出警告。
14.如权利要求10所述的操作电动工具的方法，其特征在于，该方法还包含在电池过温时发出警告。
15.如权利要求13或14所述的操作电动工具的方法，其特征在于，该发出警告包含促动照明指示灯。
16.如权利要求10所述的操作电动工具的方法，其特征在于，该方法还包含在电池电压过低时使马达停止。
17.如权利要求10所述的操作电动工具的方法，其特征在于，该电量指示装置为多色 LED 灯。
全文摘要
一种电动工具的控制电路，及其操作方法。电动工具控制电路包含电池包检测电路，运算控制电路，用于显示电量运算结果的电量指示电路，用于测算流经马达的电流I的电流测算电路，其中运算控制电路的电量运算结果还包含电池包内部和回路所耗电压。操作电动工具的方法包含按下开关，以使马达和电池电连接，测量电池的参数，并由此控制马达的运行或停止，马达运行后，进行电量运算，将电量运算结果在电量指示装置上显示。
文档编号G01R31/36GK102279367SQ20101026997
公开日2011年12月14日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者杨德中, 耿正 申请人:南京德朔实业有限公司
专业数控铣床产品供应商
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