一种电流PID控制的电动冲击扳手

摘要

本发明公开了一种电流PID控制的电动冲击扳手，包括电源、驱动电机、行星齿轮减速器、冲击机构和控制系统。扳手通过驱动电机连接行星齿轮减速器带动冲击机构进行螺栓紧固；控制系统包括单片机、电机驱动模块、传感器检测模块和按键控制模块；单片机内置扳手驱动电机电流与输出扭矩的关系模型，利用关系模型和关系曲线将不同扭矩值其对应的电流值预存到数据库中，当预设扭矩值给定后，通过控制电流传感器检测出来电机电流的实测值且使之达到所预存的值，达到预设扭矩值之后停止紧固螺栓作业。本发明通过对电机电流实时监测，同时结合转速和电流的双闭环PID控制，实现电动冲击扳手的定扭矩输出，从而获得更高的装配精度。

权利要求

1.一种电流PID控制的电动冲击扳手，其特征在于：包括无刷直流电机(1)、行星齿轮减速器(2)、主轴(3)、主压力弹簧(4)、主动块(5)、从动块(6)、机壳(7)、电源(8)、显示装置(9)和控制系统(10)；

所述扳手内置的无刷直流电机(1)产生的动能经过行星齿轮减速器(2)一部分转化为带动主动块(5)旋转的动能，一部分转化为主压力弹簧(4)压缩储存的势能，还有一部分能量以热能和机械损耗的形式消失；主压力弹簧(4)压缩储存的势能作用到主动块(5)，一部分转化成主动块(5)的平动动能，一部分转化成主动块(5)旋转的动能，此过程也有一部分消失的能量；主动块(5)的凸肩带动从动块(6)，从而生成冲击扭矩；

所述扳手的输出扭矩是通过套筒传递到螺栓或螺母，使螺栓或螺母旋转一定角度，冲击的循环将持续到螺栓装卸工作完成为止；

所述扳手的电源(8)为可充电蓄电池，为驱动电机和显示装置(9)提供电能，并且可拆卸安装；

所述控制系统(10)电路板包括以下几个模块：单片机微处理器模块，单片机内置了控制驱动电机电流‑输出扭矩的关系模型，根据关系模型将不同扭矩值其对应的电流值预存到单片机数据库中，输入设定扭矩值后，通过控制电流传感器检测出来电机电流的实测值使之达到所预存的值，达到预设扭矩值之后停止紧固螺栓作业；

通讯模块，将扳手工作数据储存在EEPROM中，当连接上位机时，上位机可读取存储的数据，对电动冲击扳手的使用情况进行实时记录和监控；

电机驱动模块，采用驱动芯片和逆变电路实现电机的驱动，单片机微处理器输出6路PWM信号传输到驱动芯片输入引脚，然后由驱动芯片输出引脚输出至MOSFET，从而控制MOSFET的导通和关断；

检测模块，所述检测模块分为电流检测模块和位置检测模块，其中电流检测模块通过电流传感器对驱动电机电流进行采集，采集到的信号输入到单片机微处理器模块中，进行数据处理得到实时的扭矩值，从而进行扭矩的精准控制，位置检测模块通过3个霍尔传感器检测转子位置，单片机微处理器根据霍尔传感器采集到的位置信号来发出相对应的触发信号控制MOSFET通断，最后再通过3个霍尔传感器的高低电平信号计算出电机的转速；

所述转速和电流的双闭环PID控制，用于驱动电机电流信号和转子位置信号的反馈，提高系统的控制精度和降低电机转动超调量，所述控制系统通过监测电机电流控制输出扭矩，系统上电后，单片机微控制器的端口寄存器进行初始化，传感器开始采集数据，显示设备显示所采集的扭矩值和电流值，设定输出扭矩期望值，单片机内部进行计算得到电机电流预存值，控制系统中PWM信号输出，驱动电机转动，电流检测模块开始检测电机电流实际值，电流实际值达到电流预存值后，驱动电机停转，系统进入待机状态。

2.根据权利要求1所述的一种电流PID控制的电动冲击扳手，其特征在于，所述关系模型是根据多项式拟合实验数据样本所得，通过搭建信号采集系统实时采集电动冲击扳手输出扭矩信号与驱动电机电流信号，信号经SG(Savitzky‑Golay)滤波器进行降噪处理，处理后得到的数据作为多项式拟合的数据样本，从而得出电动冲击扳手输出扭矩与驱动电机电流的关系模型和关系曲线；

所述电动冲击扳手输出扭矩与驱动电机电流的关系曲线，能够实现对电动冲击扳手输出扭矩进行预测和控制，达到扳手的定扭矩控制目的。

3.根据权利要求1所述的一种电流PID控制的电动冲击扳手，其特征在于，所述控制系统的双闭环PID控制用于提高控制系统的响应速度和稳定性，驱动电机电流反馈作为内环，转子位置提供速度反馈作为外环，内环用于改善系统稳定性，外环用于降低外界的干扰，结合PID算法提高系统的控制精度。

说明书

一种电流PID控制的电动冲击扳手

技术领域

[0001] 本发明属于电动扭矩扳手技术领域，具体涉及一种电流PID控制的电动冲击扳手。

背景技术

[0002] 冲击型电动扭矩扳手是指具有旋转带切向冲击机构的一类扳手，由于其工效高，反力矩小和能耗低等优点，在螺纹装配方面发挥着重要作用。然而，它的装配力矩通常是由
操作者对持握扳手的手感和对套筒转动的观察来判断是否达到要求力矩，这种情况下装配
力矩存在较大的精度误差。由于电动冲击扳手的工作原理复杂，工作中涉及的部件较多，这
使对其进行原理分析和准确建模变得困难。如何实现电动冲击扳手定扭矩控制是目前待解
决的关键问题。电动冲击扳手在对不同型号的螺栓进行紧固操作时，要避免由于扭矩过大
出现“超拧紧”而造成螺栓发生形变而损坏，或者扭矩过小出现“欠拧紧”而导致螺栓松动脱
落。为了防止上述情况的发生这就要求电动冲击扳手能够实现定扭矩控制。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种电流PID控制的电动冲击扳手，其通过单电机控制系统内置的扳手驱动电机电流与输出扭矩的关系模型，利用
关系模型将不同扭矩值其对应的电流值预存到数据库中，当预设扭矩值给定后，通过控制
电流传感器检测出来电机电流的实测值使之达到所预存的值，达到预设扭矩值之后，再结
合转速和电流的双闭环PID控制，可以实现更高的装配需求，达到更好的控制精度。

[0004] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案是：一种电流PID控制的电动冲击扳手，包括无刷直流电机1、行星齿轮减速器2、主轴3、主压力弹簧4、主动块5、从动块6、机壳7、
电源8、显示装置9和控制系统10；

[0005] 所述扳手内置的无刷直流电机1产生的动能经过行星齿轮减速器2一部分转化为带动主动块5旋转的动能，一部分转化为主压力弹簧4压缩储存的势能，还有一部分能量以
热能和机械损耗的形式消失。主压力弹簧4压缩储存的势能作用到主动块5，一部分转化成
主动块5的平动动能，一部分转化成主动块5旋转的动能，此过程也有一部分消失的能量。主
动块5的凸肩带动从动块6，从而生成冲击扭矩；

[0006] 所述扳手的输出扭矩是通过套筒传递到螺栓或螺母，使螺栓或螺母旋转一定角度，冲击的循环将持续到螺栓装卸工作完成为止；

[0007] 所述扳手的电源8为可充电蓄电池，为驱动电机和显示装置提供电能，并且可拆卸安装；

[0008] 所述控制系统10电路板包括以下几个模块：

[0009] 单片机微处理器模块，单片机内置了控制驱动电机电流‑输出扭矩的关系模型，根据关系模型将不同扭矩值其对应的电流值预存到单片机数据库中，输入设定扭矩值后，通
过控制电流传感器检测出来电机电流的实测值使之达到所预存的值，达到预设扭矩值之后
停止紧固螺栓作业；

[0010] 通讯模块，将扳手工作数据储存在EEPROM中，当连接上位机时，上位机可读取存储的数据，对电动冲击扳手的使用情况进行实时记录和监控；

[0011] 电机驱动模块，采用驱动芯片和逆变电路实现电机的驱动，单片机微处理器输出6路PWM信号传输到驱动芯片输入引脚，然后由驱动芯片输出引脚输出至MOSFET，从而控制
MOSFET的导通和关断；

[0012] 检测模块，所述检测模块分为电流检测模块和位置检测模块，其中电流检测模块通过电流传感器对驱动电机电流进行采集，采集到的信号输入到单片机微处理器模块中，
进行数据处理得到实时的扭矩值，从而进行扭矩的精准控制。位置检测模块通过3个霍尔传
感器检测转子位置，单片机微处理器根据霍尔传感器采集到的位置信号来发出相对应的触
发信号控制MOSFET通断，最后再通过3个霍尔传感器的高低电平信号计算出电机的转速。

[0013] 进一步的，所述关系模型是根据多项式拟合实验数据样本所得，通过搭建信号采集系统实时采集电动冲击扳手输出扭矩信号与驱动电机电流信号，信号经SG滤波器进行降
噪处理，处理后得到的数据作为多项式拟合的数据样本，从而得出电动冲击扳手输出扭矩
与驱动电机电流的关系模型和关系曲线。

[0014] 进一步的，所述电动冲击扳手输出扭矩与驱动电机电流的关系曲线，能够实现对电动冲击扳手输出扭矩进行预测和控制，达到扳手的定扭矩控制目的。

[0015] 进一步的，检测模块的传感器包括电流传感器和霍尔传感器，电流传感器用于采集扳手电机工作时的电流信号，霍尔传感器用于检测转子位置，通过获得的位置信号计算
电机转速。

[0016] 进一步的，所述控制系统通过监测电机电流控制输出扭矩，系统上电后，单片机微控制器的端口寄存器进行初始化，传感器开始采集数据，显示设备开始显示，设定输出扭矩
期望值，单片机内部进行计算得到电机电流预存值，控制系统中PWM信号输出，驱动电机转
动，电流检测模块开始检测电机电流实际值，电流实际值达到电流预存值，驱动电机停转，
系统进入待机状态。

[0017] 进一步的，所述控制系统的双闭环PID控制用于提高控制系统的响应速度和稳定性，驱动电机电流反馈作为内环，转子位置提供速度反馈最为外环，内环用于改善系统稳定
性，外环用于降低外界的干扰，结合PID算法提高系统的控制精度。

[0018] 本申请的技术效果在于：电动冲击扳手在进行紧固螺栓时，通过单片机内置扳手驱动电机电流与输出扭矩的关系模型，利用关系模型和关系曲线将不同扭矩值其对应的电
流值预存到数据库中，当预设扭矩值给定后，通过控制电流传感器检测出来电机电流的实
测值使之达到所预存的值，达到预设扭矩值之后，再结合转速和电流的双闭环PID控制，达
到电动冲击扳手的定扭矩输出，从而获得更高的装配精度。

附图说明

[0019] 图1为电动冲击扳手的剖视图，其中，1‑无刷直流电机，2‑行星齿轮减速器，3‑主轴，4‑主压力弹簧，5‑主动块，6‑从动块，7‑机壳，8‑电源，9‑显示装置，10‑控制系统；

[0020] 图2为电动冲击扳手冲击块的正视图与侧视图，其中，图2(a)为冲击块的正视图与侧视图，图2(b)为冲击块简化后的正视图与侧视图；

[0021] 图3为电动冲击扳手紧固螺栓过程输出扭矩‑电机电流关系曲线图；

[0022] 图4为本发明实施例的电动冲击扳手的结构框图；

[0023] 图5为本发明控制流程图。

具体实施方式

[0024] 为了更好地阐述本发明的技术方案、创新特征，下面根据附图并结合实施例，对本发明做进一步说明。

[0025] 如图1所示，一种电流PID控制的电动冲击扳手，包括无刷直流电机1、行星齿轮减速器2、主轴3、主压力弹簧4、主动块5、从动块6、机壳7、电源8、显示装置9和控制系统10。扳
手内置的无刷直流电机1产生的动能经过行星齿轮减速器2一部分转化为带动主动块5旋转
的动能，一部分转化为主压力弹簧4压缩储存的势能，还有一部分能量以热能和机械损耗的
形式消失。主压力弹簧4压缩储存的势能作用到主动块5，一部分转化成主动块5的平动动
能，一部分转化成主动块5旋转的动能，此过程也有一部分消失的能量。主动块5的凸肩带动
从动块6，从而生成冲击扭矩；扳手的输出扭矩是通过套筒传递到螺栓或螺母，使螺栓或螺
母旋转一定角度，冲击的循环将持续到螺栓装卸工作完成为止；

[0026] 电动冲击扳手的行星齿轮减速器2由一个太阳齿轮、一个圆环和三个行星齿轮组成。太阳齿轮为主动齿轮，三个行星齿轮为从动齿轮，圆环是从动齿轮固定在外壳上的。要
求的行星齿轮传动比确定后，可根据传动比的表达式为电动冲击扳手选择合适的太阳齿
轮、圆环和行星齿轮齿数。

[0027] 行星齿轮减速比计算：

[0028] 其中，i为行星齿轮减速比，n1为太阳齿轮转速，nH为圆环转速，z1为太阳齿轮齿数，z3为圆环齿轮齿数。

[0029] 主压力弹簧平均载荷计算：

[0030] 其中，Fa为主压力弹簧的平均载荷，F1为弹簧的最小载荷，F2为弹簧的最大载荷，k为弹簧常数，s1为最小弹性形变量，s2为最小弹性形变量。

[0031] 如图2所示，扳手的冲击块呈现不规则形状，为了便于计算冲击块的质量m，采取简化后的冲击块进行动态计算。

[0032] 冲击块质量：

[0033] 其中，ρ为冲击块材料密度，α、D0、d1、d2、l1、l2、l3、ls分别为图2(b)中冲击块对应

[0034] 部

[0035] 分的尺寸参数，l3＝ls‑l1‑l2。

[0036] 冲击前冲击块的绝对角速度：ω0＝ωa+ωt

[0037] 其中，w0为冲击块冲击前的绝对角速度，wa为冲击块附加角速度，wt为主轴平均角速度。

[0038] 电动冲击扳手的原理是周期性地储存并释放电机产生的旋转动能，从而连续产生大扭矩的冲击。由于冲击的一瞬间输出扭矩较大，但很快会衰减，最终紧固件得到的残余扭
矩是一个累积的扭矩。

[0039] 在对不同型号的螺栓进行紧固操作时，扳手要避免由于扭矩过大出现“超拧紧”而造成螺栓发生形变而损坏，或者扭矩过小出现“欠拧紧”而导致螺栓松动脱落。为了防止上
述情况的发生这就要求电动冲击扳手能够实现定扭矩控制。

[0040] 由于电动冲击扳手的工作原理复杂，工作中涉及的部件较多，这使对其进行原理分析和准确建模变得困难。如何实现电动冲击扳手定扭矩控制是目前待解决的关键问题。

[0041] 对目前的电动冲击扳手来说，在扳手内部添加传感器会增加扳手的成本与制造难度，并且在扳手使用的过程中会产生较大的冲击振动和噪声，因此很难直接建立扳手输出
扭矩与电机电流的关系模型。

[0042] 但是仅通过分析电动冲击扳手的驱动电机得出其驱动电机电流与电磁转矩的关系模型是不够准确的，因为电动冲击扳手的传动机构较为复杂，且工作过程中包含振动和
噪声等不确定因素，这将直接影响最终扳手输出扭矩的精度，因此在本发明实施过程中，通
过信号采集系统直接对驱动电机的电流信号和扳手输出扭矩信号进行实时采集。

[0043] 由于扳手在采集信号的过程中存在振动与噪声等干扰因素，导致采集到的扭矩信号出现突刺状，若将信号数据化后直接作为扳手输出扭矩与电机电流关系的建模数据样本
会直接影响到模型的准确性。为了能够得到准确的建模数据样本，需要对输出扭矩信号中
的噪声信号通过SG滤波器进行降噪处理。

[0044] 得到有效的数据样本后，通过多项式拟合对电动冲击扳手输出扭矩T与电机电流I的关系进行建模。将降噪处理后的输出扭矩数据和电机电流的原始数据在时域范围内进行
一一对应，选择某一时刻的输出扭矩值与其对应时刻的电机电流值作为一个有效的数据
点，在MATLAB中对选取的数据点进行曲线拟合。

[0045] 拟合曲线表达式：

[0046] 其中，为拟合处理后的输出扭矩预测值，n为多项式拟合的阶数，ak为多项式待定系数，其中k＝0，1，…，n。

[0047] 依据不同阶数多项式拟合的效果与精度，选择三阶多项式拟合表达式作为反映扳手输出扭矩与电机电流之间关系的多项式数学模型。

[0048] 扳手输出扭矩与电机电流关系的数学模型：

[0049] 如图3所示，本申请还提供了电动冲击扳手在紧固螺栓时输出扭矩与电机电流的关系曲线，可分为三个阶段，电机电流在126mA～263mA阶段，扳手带动套筒至恒转速运转，
产生约0.5N·m的输出扭矩值，此阶段扳手还未紧固螺栓；在263mA～794mA阶段，电机电流
不断增大，而扳手输出扭矩缓慢增大，扳手对螺栓进行预紧固动作。电机电流在794mA之后
曲线不断倾斜，扳手进行紧固螺栓动作，输出扭矩不断增大，直至完成螺栓紧固。

[0050] 通过建立的扳手输出扭矩与电机电流的关系数学模型与关系曲线，对不同规格的螺栓紧固下的数据进行整理存储到单片机控制系统中，利用控制系统中电流检测模块实现
对电动冲击扳手输出扭矩进行预测和控制，达到扳手的定扭矩控制目的。

[0051] 如图4所示，本实施例公开了一种电流PID控制的电动冲击扳手。其控制系统单片机微处理器产生6路PWM信号，信号传输给驱动电路，驱动芯片根据PWM控制6个MOSFET的通
断，实现对驱动电机三相绕组转换通电。电流传感器采样电路检测电机电流信号反馈给单
片机微处理器，实时调节电流。霍尔位置传感器检测转子位置，单片机微处理器获取反馈的
脉冲信号，判断出转子正确位置，输出对应PWM信号换相控制，同时计算出转速作为速度反
馈调节转速。键盘电路通过按键控制设定转速和扭矩。显示电路可通过LCD显示屏显示给定
的转速、扭矩和实际的转速、扭矩。

[0052] 电动冲击扳手的电源模块对扳手驱动电机和单片机进行供电，扳手电机经行星齿轮减速器带动扳手冲击机构旋转紧固螺栓。扳手的机械开关与扳手驱动电机连接，用于控
制扳手电机的电源通断，同时也可以通过控制系统对其进行控制。

[0053] 在使用过程中，

[0054] 步骤S1，通过键盘电路的按键控制设定转速和扭矩值，通过单片机内置的扳手输出扭矩‑电机电流的关系模型，可转换出一个对应的电机电流计算值。

[0055] 步骤S2，通过手动开启开关，或利用单片机通过内置的控制程序控制开关接通，使供电电源为扳手的驱动电机供电，从而带动扳手的冲击机构旋转输出扭矩紧固螺栓。

[0056] 步骤S3，电流传感器检测扳手驱动电机的电流信号传递给单片机微处理器，通过单片机内置的控制程序推算实时电流值进行实时调节电流。霍尔位置传感器检测转子位
置，用于计算转速作为速度反馈调节转速。

[0057] 步骤S4，驱动电机电流达到电流计算值时，此时达到预设扭矩值，停止紧固动作；并通过单片机内置的控制程序控制开关断开，或手动关闭开关使电源停止供电。

[0058] 如图5所示，本实施例的电动冲击扳手在使用时，控制系统上电后，单片机微控制器的端口寄存器进行初始化操作，传感器数据采集电路工作，液晶显示屏通电，实时采集的
扳手输出扭矩信号与驱动电机电流信号在液晶显示屏中显示。设定好扭矩值后，通过所得
的扳手输出扭矩与驱动电机电流间的多项式数学模型，微控制器内部开始计算其对应的驱
动电机电流预存值。得到驱动电机电流预存值后，微控制器内部的PWM输出模块开始输出
PWM信号，驱动电机带动主轴旋转。驱动电机转动的过程中电流传感器检测电机电流实际
值，并将驱动电机电流实际值与扳手输出扭矩设定值所对应的驱动电机电流预存值进行比
较。若电流实际值小于电流预存值，将继续执行PWM输出循环；若电流实际值达到电流预存
值，驱动电机停转，扳手停止紧固作业且动作锁定，同时，液晶显示屏锁定，显示跳出循环时
的扳手输出扭矩实时值，系统进入待机状态。

[0059] 通过本实施例的技术方案，电流监控方法比起单一的速度控制方法稳定性好，抗干扰性高，且扭矩输出精度能够控制在≤±10％，同时，扳手采用了转速和电流双闭环PID
控制方式，提高了控制系统的控制精度和鲁棒性。

[0060] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，而不是全部的实施例。凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改或者变更，均属于本发明技术方案的保护范围内。