专利名称：精确紧固的手持无绳电动工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动工具并且尤其适合于无绳电动工具。
背景技术：
经常期望监测电动工具和其它旋转机器中的扭转。在有绳电动工具的情况下，例如螺母扳手或螺丝刀，所监测的数据允许测量旋转扭矩输出并且由此计算由该工具产生的输出。不过，在实施稳健的、经济的蓄电池供能的(无绳的)电动工具时遇到了严重的技术挑战，尤其是对于精确使用。蓄电池操作的工具电压低并且因此，为了有足够的动力，以高电流和/或高功率密度运行。而且，手持无绳电动工具的紧凑本质，再加上快速改变的高电流和经济成本目标，提出了重大的电路可靠性挑战，包括信号和/或噪声干扰、动态马达控制问题、和热管理挑战。
发明内容
本发明的实施例涉及无绳的、精确手持电动工具，其带有机载闭环动态控制电路，该电路直接测量扭矩并提供准确的电流和马达位置数据以实现精确紧固控制输出。本发明 的实施例采用四线Kelvin电阻器以实现可靠的电流测量。—些实施例涉及无绳电动工具,所述电动工具包括:手枪式壳体,所述壳体具有融合到向下延伸的手柄的上部分；DC马达，其安置在壳体的上部分内，所述DC马达具有驱动输出轴的转子；位于该工具上的扭矩换能器，其与输出轴通信；和动态马达控制电路，其安置在壳体中并与马达和扭矩换能器通信。动态马达控制电路包括与马达通信以测量马达电流的Kelvin电阻器和与马达通信以测量马达速度的数字霍尔开关。马达电流在运行过程中能以至少100A变化。电动工具手柄可具有下部分，该下部分接合可释放的且可再充电的蓄电池组。该工具可包括附接到电动工具的下部分的蓄电池组并且该蓄电池组可以是约36V或更低的低压蓄电池组。Kelvin电阻器是四端子设备，其中两个端子用于电流感测且两个端子用作电流路径。动态马达控制电路被构造成使用在约150A和约-150A之间切换的电流运行该马达。电动工具可包括安置在保持Kelvin电阻器的手柄中的功率电路板(通常是马达控制电路的一部分)。功率电路板还包括至少一个高增益差分电流放大器和多个低电感3节点电容器，所述电容器紧邻高增益放大器功率输入安装(例如在功率电路板上)以阻挡或减少外部EMI和/或其它的信号干扰。
无绳电动工具还可包括:触发电路板，其安置在壳体中的马达的下方；处理器电路板，其安置在手柄的下部分内并与触发电路通信；和功率电路板，其安置在触发电路板和处理器电路板之间并与处理器电路通信。功率电路板可具有比手柄的长度的主要部分更大的长度。功率电路板可包括多个间隔开的位于功率电路板的两个主要表面上的一体散热器，每个一体散热器包括在电路的相应的所限定的填充区域中的一定体积的导热材料。无绳电动工具可包括与马达通信的切换设备，所述切换设备包括切换元件，所述切换元件彼此直接面对地安装到功率电路板的相对的主要表面上，由此减少辐射排放和/或产生的热。无绳电动工具可包括位于手柄内的功率电路板，其中功率电路板具有比手柄的长度的主要部分更大的长度，功率电路板可包括马达驱动电路。该工具可包括冷却空气流动路径，该路径包括紧邻手柄的底部的至少一个空气进气部。空气流动路径可被构造成引导空气在通过在壳体的上部分上的排出端口排出壳体之前流过功率电路板到达工具的顶部部分。无绳电动工具可包括处理器电路板，其位于壳体的下部中并处于基本上与功率板正交的基本上水平的取向。处理器电路包括被布线成从紧邻手柄壳体壁的在功率板的一个主要表面上方的内表面到壳体的上部分的电线。动态马达控制电路可以是闭环控制电路，其被保持在壳体中以提供精确扭矩输出。闭环控制电路可包括与保持在手柄中的马达通信的功率电路板。功率电路板可具有切换设备。马达可具有在约-150A到十150A之间的动态范围并且闭环控制电路可以至少约0.1A的分辨率控制马达电流。电动工具可以是精确紧固电动工具。功率电路板可以是细长的，具有基本上与带有包括蓄电池接口的下部分的手柄的长度相同的高度。功率电路板具有第一和第二主要表面，所述主要表面直立地安置在手柄部分中，在第一和第二主要表面中每一个上带有纵向间隔开的一体金属散热器，并且安装在每个散热器的顶部上的彼此直接面对的相应的切换设备的切换元件。 功率电路板可包括高增益差分电流放大器。功率电路板可包括第一和第二功率切换元件，这些功率切换元件基本上彼此直接面对地安置在功率电路板的相对的主要侧上。功率电路板可以与全部数字电路分开，以由此隔离或减少电流切换噪声与数字电路的相互作用并且功率电路板可包括马达驱动电路，所述马达驱动电路包括功率M0SFET，其带有用于马达的三相中每一相的门驱动器、为工具内部的全部电路板供能的5V电源、和用于门驱动器的12V升压电源。电动工具可包括处理器板、触发板、功率板、显示板和RF载波板，所有这些都在壳体内。处理器板可位于手柄的底部并位于功率板和可释放的蓄电池组之间。处理器板可包括马达控制数字信号处理器、马达位置模拟电路、相电流感测电路、扭矩信号电路和电源。显示板可位于壳体的(上圆柱形部分)的后端部分，并且与外部可视显示器通信，所述显示器具有键盘用户界面。RF载波板可被定位成邻近显示板并用于无线紧固数据传输。无绳功率可包括在壳体中的过电流保护电路。过电流电路可包括一对双比较器，所述比较器监测缩放电流(scaled current)，正的和负的两者。过电流电路将监测的缩放电流与预定的跳闸值(trip value)比较并且被构造成当监测的缩放电流处于或超过预定的跳闸值时引起马达脉宽调制(PWM)信号跳过一个循环由此减少电流需求。该电路允许PWM信号在过电流状况缓解之后恢复正常操作由此在有源紧固操作期间避免出现过电流状况而无需终止紧固。其它的实施例涉及操作精确紧固无绳电动工具的方法。该方法包括:(a)提供无绳的、手持电动工具，其具有可再充电蓄电池电源；(b)使用保持在电动工具中的Kelvin电阻器测量马达电流；(c)基于来自机载换能器的扭矩数据确定电动工具的扭矩输出；(d)使用该无绳电动工具紧固目标工件到限定的扭矩；和(e)在紧固步骤期间使用测量的马达电流和换能器扭矩数据动态地控制马达以利用至少约0.1A的分辨率在至少1-100A之间的电流操作范围上调节马达电流，从而由此精确地控制停止和允许马达输出以实现精确紧固。电流操作范围可以在约-150A到约150A之间。该方法还可包括存储与至少100个单独的紧固操作相关联的紧固值，然后无线地将紧固值中继到远程设备。该方法还可包括使用功率电路板上的填铜区域从在电动工具的手柄内的功率板上的功率开关耗散热。该方法可包括使用监测缩放电流(正的和负的两者)的双比较器监测过电流情况，并且将监测的缩放电流与预定的跳闸值相比较以在监测的缩放电流处于或超过预定的跳闸值时引起马达脉宽调制(PWM)信号跳过一个循环以减少电流需求，然后允许PWM信号在过电流状况缓解之后恢复正常操作以由此在有源紧固操作期间避免出现过电流状况而无需终止紧固。另外其它的实施例涉及用于具有马达的无绳紧固电动工具的计算机程序产品。该计算机程序产品包括非瞬态计算机可读存储介质，其具有在该介质中具体化的计算机可读程序代码。计算机可读程序代码包括:(a)构造成使用保持在电动工具中的Kelvin电阻器测量马达电流的计算机可读 程序代码；(b)构造成基于来自机载换能器的扭矩数据确定电动工具的扭矩输出的计算机可读程序代码；和((3)构造成在紧固操作过程中使用测量的马达电流和换能器扭矩数据动态控制马达以利用至少约0.1A的分辨率在至少1-100A之间的电流操作范围上调节马达电流从而由此精确地控制停止和运行马达输出以实现精确紧固的计算机可读程序代码。电动马达可以是无刷电动马达。精确无线工具可选择性地以(a)利用扭矩监测的角度控制或(b)利用角度监测的扭矩控制运行。本发明的实施例可包括至少一个霍尔基位置传感器以实现角度定位。本发明的实施例可包括工具壳体的最优通风位置。本发明的实施例以三个不同的低扭矩模式运行，包括4Nm、8Nm和12Nm。在一些实施例中，驱动转轴可包括止推轴承和与齿轮传动装置和换能器脱离的输出转轴，并且载荷和冲击可基本上(如果不是完全地的话)通过壳体吸收，而不是换能器。在一些实施例中，工具可包括多个霍尔传感器，所述传感器被保持在马达内部并与马达控制电路通信以允许角度监测或角度定位中的至少一者。一些实施例涉及手持无绳紧固电动工具，其包括:壳体；位于壳体中的马达，所述马达具有驱动输出轴的马达；壳体中的扭矩换能器，其与输出轴通信；动态马达控制电路，其位于壳体中并与马达和扭矩换能器通信，动态马达控制电路包括与马达通信以测量马达电流的Kelvin电阻器；和机载显示器，其由壳体保持并与机载外部可接触用户界面通信，所述用户界面带有安置成紧邻显示器的至少一个输入按钮，其中显示器展示与不同的可选择的设置相关联的被定义的图标，以允许用户能够选择操作参数，这包括软或硬接合部构造以及角度或扭矩监测。在下面公开的说明书中具体地解释了本发明的上述和其它目的和方面。应当注意到的是，参照一个实施例描述的本发明的各方面可包含在不同的实施例中，尽管没有参照该不同的实施例描述这些方面。也即，全部实施例和/或任何实施例的特征可以任何方式和/或组合地被组合。申请人保留改变任何原始提交的权利要求和提交任何新权利要求的权利，因此包括能够修改任何原始提交的权利要求以从属于和/或包含任何其它权利要求的任何特征的权利，尽管最初没有以这种方式提出权利要求。在下面公开的说明书中具体解释本发明的这些和其它目的和/或方面。
图1A是根据本发明实施例的示例性无绳电动工具的侧视立面图。图1B是根据本发 明实施例的图1A中示出的设备的分解图。图2是根据本发明实施例的无绳电动工具的电路的框图。图3是根据本发明实施例的精确扭矩输出的曲线图。图4A是图1A中示出的工具壳体的一半的侧视图，其图示了根据本发明实施例的某些内部电路板部件。图4B是根据本发明实施例的图1A中示出的工具的部分切除的正面侧视立体图。图4C是根据本发明实施例的图1A中示出的工具的显示器/UI部分的后视图。图4D是根据本发明实施例的电路板和电路控制输入和输出的示意图。图5A-5C是根据本发明实施例的由单个工具提供的不同的紧固模式的不同控制设置的扭矩-角度曲线图，所述工具包括利用角度监测的扭矩控制和利用扭矩监测的角度控制。图6A是根据本发明实施例的功率电路板的放大侧视图。图6B是图6A中示出的功率电路板的顶视图，图示了根据本发明实施例的一体散热器。图6C是根据本发明实施例的图6B中示出的功率电路板的后视图。图7是根据本发明实施例的电动工具的框图。图8是根据本发明实施例的电流测量电路的简图。图9是根据本发明实施例的扭矩测量电路的示例的简图。图10是根据本发明实施例的马达驱动电路的示例的简图。图11是根据本发明一些实施例的触发板的示例的简图。图12是根据本发明一些实施例的过电流保护电路的示例的简图。图13A是根据本发明一些实施例的顶级电动工具(例如螺母扳手)电路的示例的电路图。图13B是根据本发明实施例的带有霍尔传感器的马达控制电路的电路图。
图14是根据本发明实施例的可用于控制无绳电动工具的操作的示例的流程图。图15是根据本发明实施例的数据处理系统。图16A根据本发明实施例的与在工作位/工厂内的控制器PCM无线通信的工具的示意图。图16B-16D是根据本发明实施例的精确无绳电动工具无线系统的示意图。图17A-17D是根据本发明实施例的工具的显示屏的屏幕截图。图18是根据本发明实施例的可用于调节工具的参数和/或与工具通信的带有显示器和用户界面的控制输入附件的俯视图。
具体实施例方式现在将参照附图更全面地描述本发明，其中本发明的实施例在附图中被示出。不过，本发明可以许多不同的方式实施并且不应该被理解为限于本文中公开的实施例。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件。在附图中，某些层、部件或特征可能被夸大以清楚显示，并且虚线表示可选的特征或操作，除非另有说明。而且，操作(或步骤)的顺序不限于在附图和/或权利要求中给出的顺序，除非另有明确说明。在附图中，线、层、特征、部件和/或区域的厚度可能被夸大以清楚显示并且虚线表示任选的特征或操作，除非另有说明。本文中使用的技术术语仅是出于描述特定实施例的目的并且不是意在对本发明进行限制。当在本文中使用时，单数形式“一”、“一个”和“该一个”被认为也包括复数形式，除非上下文另有清楚说明。还应该理解的是，术语“包括”、“包含”在用在本申请文件中时，规定了所陈述的特征、区域、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、区域、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或附加。
应该理解的是，当诸如层、区域或基底的特征被称为在另一特征或元件“上”时，它可以直接位于该另一特征或元件上或者还可以存在中间特征和/或元件。相比之下，当元件被称为“直接位于”另一特征或元件上时，就不存在中间元件。还应理解的是，当特征或元件被称为“连接”、“附接”或“联接”到另一特征或元件时，它可以直接连接、附接或联接到该其它元件或者可以存在中间元件。相比之下，当特征或元件被称为“直接连接”、“直接附接”或“直接联接”到另一元件时，就不存在中间元件。尽管参照一个实施例进行描述或图示，但是如此描述或图示的特征可适用于其它实施例。术语“约”指的是小于20%的+ / -变化，通常是+ / 一 10%。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有和本发明所属领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。还应该理解的是，例如那些在常用字典中定义的术语应该被解释为具有与它们在本申请和相关领域的背景下的含义一致的含义，并且不应该在理想化或过于刻板的意义下被解释，除非本文中如此定义。术语“无绳”电动工具指的是不需要插入式有线电连接到外部电源以进行操作的电动工具。相反，无绳电动工具具有电动马达，其由机载蓄电池例如可再充电蓄电池供能。一定范围的蓄电池可适合于一定范围的无绳工具。本发明的实施例特别适合于紧固工具，例如螺丝刀、棘轮和螺母扳手。本发明的实施例可特别适合于精确紧固电动工具，其可被用于期望对所应用的输出的更加准确的控制的应用中。
图1A和IB图示了无绳电动工具10的示例，其包括壳体本体10b、马达15、齿轮箱16和工具输出轴18。如所示，壳体IOb容纳马达15并部分地围绕齿轮箱16。不过，可使用其它的壳体和齿轮箱构造。齿轮箱16围封公知的(未示出的)驱动系。壳体本体IOb可包括耐冲击模制材料例如填充玻璃的尼龙。驱动系可包括耐用金属行星齿轮构造。壳体的下部分可接合和释放可再充电的蓄电池组25 (图1A)。蓄电池组25保持单格电池以限定例如约36V或更低的低压(可再充电)蓄电池，包括24V或更低，例如20V、18V、12V等。在一些实施例中，蓄电池组25是20V锂离子蓄电池单格电池。如在图4B和16B中所示，蓄电池组25可分别被提供为可互换的不同的尺寸25A、25B。不同的蓄电池组可以是5和10单格电池蓄电池组。充电器125 (图16B)可被构造成对这两种尺寸充电。壳体本体IOb可包括外部控制，例如触发器11和带有键盘和显示器40的UI (用户界面)。壳体本体IOb可任选地被提供为两个可配合的壳部件IO1和102，如在图1B中所示。电动工具10可被构造成“手枪”型电动工具，其带有基本上圆柱形或桶形上部分10u，该上部分融合到向下延伸的手柄部分10h。图2图示了闭环电动工具电路IOc的框图。电动工具电路IOc也能直接测量来自与外部输出轴18通信的扭矩换能器180的扭矩。扭矩换能器180可被保持在工具本体内部位于马达输出轴(输出轴18的上游)和驱动系之间，例如紧邻齿圈，例如在PCT/US2011/030653中描述的，该文献的内容通过引用并入本文，如同全文在本文中记载。电动工具电路IOc可包括多个电路板10b。示出的电路板包括功率电路板40、数字处理器电路板60 (其可包括至少一个处理器10p)、显示板70、无线电通信板75和触发板80。无线电通信板75允许工具任选地或选择性地与外部(远程)设备90无线通信。分开的电路板中的一个或多个可被 提供为额外的分开的板上的子划分和/或电路板中的两个或多个可被组合或破开成其它的电路板构造。电路板通常是印刷电路板。术语“电路板”指的是柔性电路板基底和基本上刚性的电路板基底以及它们的组合。如在图2中所示，电路IOc可包括连接到马达15的多个霍尔传感器151 (通常被保持在马达15的内部)。霍尔传感器151可连接到定位成远离工具10内的马达15的数字电路板60。马达霍尔传感器151可允许工具具有角度监测和/或定位控制并且这种控制可以是可选择的工具操作模式。霍尔传感器151可包括至少三个霍尔传感器151，它们可位于马达15的内部(例如，在马达的壳体的内部)(见，例如图13B)。工具可具有无线选项,该选项可允许通过工具和/或远程计算机140上的UI利用输入/输出命令进行过程控制，UI与机载显示器40通信和/或相关联，机载显示器40可允许工人或远程用户利用程序选择多个不同的工具操作中的一种和/或调节某些定义的参数(见，例如图17A-17D)。工具10可被构造用于“现场”归档到数据库、可选择的工具构造切换、多个工具10与公共无线接收器/网关144 (图16B-16D)的通信，通常允许约5 — 20个工具，更通常的是约10个工具，之间的借助接收器144的同时无线通信。单单工具10或者经由外部设备90能够产生预防性维修警报以通知用户、管理人或其它人员(当地的或远程的)预防性维修可能是合适的或者工具需要保养或者检查或者标定。警报可被提供为音频或视频警报，例如机载显示器40上的消息或者图标和/或颜色指示器LED灯(例如，黄颜色或红颜色，闪烁或持续)。图16C和16D图示了带有工具程序员站145的工具监测/控制系统10s。工具程序员站145可被构造成连接通过输入端口 IOp例如在图16C (和图4D)中示出的USB端口插入工具的电绳。图16C和16D图不了工具编程站145包括控制器(例如,至少一个处理器),不出为计算机140，其可与接收器144 (例如，独立的接收器或者集成在控制器/过程控制模块中的接收器)和开关141通信。工具10在单个过程控制模块操作控制模式144s下可以单一1:1 (工具-无线接收器)比例操作或者以多倍工具-接收器比例，例如通过工具过程控制模块或接收器144m，通常为10:1工具-无线接收器比例操作。系统IOs可被构造成具有以太网(局域网或“LAN”)能力、多I/O (通常在5-10之间，例如约8)，现场总线卡、用于条码扫描器和打印机的串行端口和ICS (互联网连接共享兼容)软件。计算机140可以是任何合适的计算机形式，包括固定的或便携的形式，例如台式机、笔记本电脑、电子记事本、电子写字板、智能手机等。图3图示了在一些实施例中无线电动工具10可始终实现在命中输出目标扭矩中的高水平的可重复性。这被定义为工具的能力。能力由业界标准(IS05393)定义并提供了用于描述工具在工具的寿命期间以高度的可重复性实现其目标并且与该目标几乎没有偏差的能力的公共量度。这被定义为六SIGMA除以样本总数的平均(平均值)。为了确定工具的整体能力，在一定范围的扭矩值和接合部刚度的极限范围上提取数个样本，例如约50或100个样本，并且在延续的寿命测试之后重复进行以确保随着时间的一致性。实施这种控制方法的结果是，紧固电动工具能够在额定扭矩输出(和RPM限度)下，例如4Nm、8Nm和12Nm实现低能力，例如约6.25 %或更少、通常约5 %、约4 %、约3 %、约2 %或更少。具有小于5 %能力的工具被认为是“A”级工具，因为标准偏差(SIGMA)减小，如由减少的能力数值所证明地可重复性变好。这种程度的准确性指示了由工具实现优良控制。术语“精确”和其衍生词在本文中被使用时 意思是紧固电动工具的扭矩输出(平均)具有低标准偏差，例如在所定义的目标(预设)输出扭矩值的+ / - 3SIGMA内并且通常在约+ / - 6SIGMA内。SIGMA等级表示实际扭矩输出距离其目标的平均值。它示出了与平均(或平均的)预期值还存在多少变化。低标准偏差指示数据点趋向于非常接近平均值，而高标准偏差指示数据点在大范围值上散开。六SIGMA等级指的是一种紧固过程，其中统计预期约99.99966%的扭矩输出位于标准偏差公差带内(约3.4缺陷每百万)。在一些实施例中，电动马达15可以是无刷电动马达。本发明的实施例以三个不同的低扭矩模式运行，包括4Nm、8Nm和12Nm，分别带有约1500、1150和750转每分钟(RPM)。工具可具有在约10%和约100%之间的可调节速度。如在图4A和4B中所示，无线电板75在壳体的后端部分IOr中与显示板70紧密地间隔开。替换地，无线电板75和显示板70被组成为集成的或单个板(未示出)。仍然参照图4A，触发板80可在手柄IOh的上部分或桶IOu的下部分中位于马达15下面(图4B)。功率板50可位于手柄IOh内。如所不,处理器板60位于处于板和处理器板60下方的手柄IOh的下部分处。电线12可从蓄电池界面25i向上布线通过壳体手柄IOh到达上壳体IOu以为某些电动部件供能和/或提供信号电路连接，在通过壳体手柄IOh过程中隐藏地与功率板50的一个长边缘间隔开，并且在触发板80的一端和壳体从手柄过渡到桶IOu时的壳体的(紧密间隔开的)内壁之间。用于冷却的空气可在手柄IOh的底部附近经过空气入口 IOi进入工具10并且可流过功率板50到工具的顶部10u，之后经过排出端口 IOe从壳体排出。本发明的实施例可包括工具壳体的最优通风位置例如进气通风口 10i，其形式为多个细长的孔，例如基本上水平取向的细长孔，位置紧邻蓄电池组上方的手枪手柄的下端部分(例如，图1B、4B)。蓄电池端子可被定位成在手柄IOh的底部附近，从而允许蓄电池25和功率板50之间的较短的方便的连接。部件保护可由瞬态电压抑制器(TVS)设备提供，该设备可位于功率板50上，在功率板50实现蓄电池端子连接25i。这个附加的TVS设备可保护敏感部件不受由来自马达驱动电路的电感载荷切换引起的电过载影响。工具10可具有换能器180和换能器控制180c，如在图4B中所示。换能器控制180c可提供闭环控制、单数字组合能力、单个工具的多个构造、到NIST的扭矩可追踪性、占优势的扭矩的算法、数据归档、速度控制、软起动、减档、套(Gang)计数、循环计数、并且可以是ICS兼容的。图4C图示了根据本发明实施例的板50、60、70、75和80，它们带有从这些板到其它板和/或其它部件例如马达15和扭矩换能器180的示例性的电路输入和输出(由箭头和实线表示)。例如，无线电板75发出和接收无线电信号以实线无线通信10w。显示板70控制显示器40和来自邻近的机载键盘的输入。功率板50向马达15发出功率。DSP (处理器)板60告诉功率板如何发送功率到马达15。触发板80感测触发器11和反向按钮运动并能够支撑大灯和蜂鸣器部件。图4D图示了机载工具显示器40的示例，其包括可编程的输入按钮40b，该按钮可包括带有箭头选择的弹性体垫40p ；x按钮40x (用于取消选择事项或将动作关闭)以及复选按钮40c (用于允许肯 定的选择或动作)。工具10可包括USB或其它通信界面端口 10p，其可位于工具上的任何位置以与至少一个机载处理器IOp (通常在控制板60上，图2)和显示器40通信。工具10可被构造成显示定义的输出模式和调节，所述模式和调节可基于UI按钮40b选择、取消选择或调节。术语“按钮”广泛地指的是各种UI输入，其中包括触摸屏和触觉按钮。图5A-5C是根据本发明实施例的由工具10允许的示例性紧固方案的曲线图。工具10被构造成使用带有闭合控制环的霍尔效应传感器151和机载扭矩换能器180以带有角度监测的扭矩控制或带有扭矩监测的角度控制运行。工具10可在扭矩控制模式和角度控制模式中以已经定义的高和低扭矩限度和定义的高和低角度限度运行。图5A在曲线图右上侧的方框内图示了目标扭矩。监测在阈值扭矩和目标扭矩之间的角度(Mci )可有助于检测或识别组件和接合部问题。大多数用户不知道要使用什么角度限度并且很少使用这个特征。目标扭矩通常在屈服扭矩的约60-70%之间(+ /-30%的要求载荷分散)。图5B示出了目标角度(Ta )可以从阈值扭矩测量。目标角度通常被选择为产生最终扭矩，该最终扭矩在屈服扭矩的约60-70%之间(+ /-15%的夹紧载荷分散)。图5C图示了多区域协议，其中第一最大切入扭矩和角度在“A”斜坡增大，到在“B”处的占优势区域中的高和低占优势扭矩限度，然后到上紧区域，其中扭矩在区域“C”的端部处增加到最终上紧目标。
工具10可被构造为紧凑的、重量相对轻的工具。壳体本体IOb的紧凑本质限定了小内部包络和/或将电路部件紧密地定位在一起并且能够潜在地弓丨起信号中断和/或可靠性或操作不良。为了克服这些障碍，本发明的实施例通过将处理器板放置在马达15下面和功率板50下面，将数字信号部件与某些模拟部件(开关等)分开。在一些实施例中，紧凑工具10可重约1.5-6磅，例如在约1.5-2.5磅之间，通常约2.00磅(不算蓄电池组)到带蓄电池组约5磅或更少，包括带蓄电池组25约4磅或更少，通常约3.5磅、约3磅或甚至更少。在一些实施例中，功率板50具有占据了比手柄IOh的长度的主要部分还多的长度，并且更通常地基本上是手柄IOh的全部长度。功率板50可以基本上是平坦的并且可与手柄IOh的一个壳体构件IO1或IO2的一个内表面紧邻地间隔开。在其它实施例中，板50可居中地位于手柄IOh的两个面对的内表面之间。在一些实施中，功率板50可从较大的下端501到较小的顶端或上端50u逐渐变窄。热管理对于与机载电路相关联的部件，尤其是那些安装到电路板上的部件的可靠操作和/或寿命是重要的。从半导体设备移出热的典型方法是将散热器附接到它们。图6A和6B图示了，在一些实施例中，功率板50不要求任何分开的单独的散热器，因为电路板50自身被构造成提供空间上分开的(一体)散热器。这种构造要求有导热材料例如铜的填充区域作为分别在板50的顶侧和底侧50t、50b的散热器区域16%、1692、1693以移除热。另外，切换设备188例如推拉开关包括半导体部件，例如带有门驱动器的M0SFET，切换设备可被安装有相应的切换元件188ρ1882、1883，它们彼此直接面对地位于板50的相对侧(主要表面)。电痕损失可被减小或者被最小化，因为其为辐射排放提供机会，从而导致了更少的产生热。这种布置可消除对传统的散热器的需要。本发明的实施例采用用于马达控制的电流测量的电阻感测，但是以与传统(非精确型工具)非常不同的方式进行电阻感测。测量电流的标准方式是在电流路径中使用低值电阻器并且使用差分放大器测量跨过该电阻器的电压降。这对于带有高电流、宽的且动态的操作范围的精确无绳工具来说是不合适的。精确无绳工具10具有非常宽的动态范围要求，通常跨越至少1-100Α，并且在某 些实施例中在约-150Α到+ 150Α之间，具有约0.2Α或更低的分辨率，例如至少约0.1A或者在约0.2-0.1A之间。图7是电动工具10的框图，其图示了电动工具10带有与DC马达15通信用于控制输出轴18的紧固工具输出(例如扭矩)的电流测量电路200。图8是电流测量电路200的电路图，其图示了与马达(在电路的该示例中示出为PhW )通信的Ke IV in电阻器150，其中两个端子用于电流测量并且两个端子处于电流路径中。如在图8中所示，在一些实施例中，电流测量电路200可采用非常小值的电阻器145 (例如，微欧姆至毫欧姆范围或更低，通常在约0.005欧姆以下)，示出为0.001欧姆，其可带来进一步的操作挑战。例如，将电阻器连接到电路板的锡焊接合部可引入与实际测量电阻成比例的显著量的电阻。如在图8中所示，为了克服这种技术障碍，可以使用四端子Kelvin电阻器150(图8)。这种类型的设备提供了用于将电流运载到马达15的两个端子和专用于测量的两个端子。这种布置基本上减小了(如果没有全部移除的话)由锡焊接合部引入的误差电阻。电阻器R23和R24可具有相同或基本相同的值，通常低于100欧姆，并且更通常地约49.9欧姆。R25可具有比R23和R24更大的值，通常是R23和R24的两倍，例如在一些实施例中约100欧姆。另一个问题可能是在存在快速变化高电流的情况下使用如此小信号引起的传导的和辐射的噪音易受影响性。可使用在每个引线上带有输入滤波器170的高增益差分电流放大器160 (图8)。这个高增益放大器160可输出相电流W。术语“高增益”意思是所述的部件能将信号放大至少10X。在一些实施例中，高增益电流放大器能提供约20的增益。另外，电流测量电路200可包括小值电容器146 (示出为C43)，其可被定位成接近放大器160的引脚2和3并且连接到引脚3的Votfset并控制接地。这种电容器146可以是低于10 μΡ,通常在约0.1 μΡ到约I pF之间。对于紧凑的无绳电动工具10，带有小内部包络，用于冷却空气流的机会可能是有限的，因此电路保护可有助于提供安全和操作保护。若干参数可被考虑以用于板放置和/或设计。例如，可能由于正常的马达操作、马达反电动势(bemf)、由于马达停机或电路故障引起的过电压/过电流以及整体热管理而存在电气瞬态。在正常马达操作期间，bemf会出现在每个被驱动线圈两端。线圈节点位于高侧源极和低侧漏极的接合点。当低侧被关闭时，线圈节点立即由bemf的值低驱动,从而使高侧的电压(Vgs)升高相等的量。可能超过切换设备的门到源极的额定电压Vgs，这可能毁坏设备。通常，齐纳(zener) 二极管将被放置成跨过门到源极，其中阴极位于门处作为保护该设备的手段。在大多数情况下，将这个门电压限制在最大额定电压的一或二伏内的二极管就足够了。不过，在非常紧凑的电动无绳工具的情况下，这种适中的保护可能是不足够了。这是因为二极管接通时间可能太慢而不能提供可靠的保护。例如，使用15V齐纳，齐纳额定值和电压(Vgs)额定值之间的至少5V差可被用于解决这个问题。更加保守的齐纳选择开始以比18V 二极管更低的电压接通并因此通过从不允许Vgs接近最大额定水平而实现更稳健水平的保护。图9图示了扭矩测量电路210的示例，其从扭矩换能器180 (图2、13A)获得扭矩信号数据180s。工具控制电路IOc可被构造成使用扭矩数据直接测量扭矩并且动态控制马达输出以实现精确紧固。
图10是马达驱动电路188c的示例。推拉驱动电路188c的故障模式之一(图10)是两个开关(例如一个188ρ 1882、1883、图6A、10)同时处于接通(称作“直通”)的机会，从而引起直接短路电路和几乎某个部件故障。同时，电路IOc的紧凑本质和被切换的高功率可在任何未被保护的电痕上感生电压。为了实现保护，所有的切换设备188都具有保护性电阻器，例如连接在门和源极之间的10 Κ 的下拉电阻器。另外，切换设备188也可具有安全接通电阻器，例如10 ΚΩ电阻器，其可被连接在接地和到每个门驱动器的输入之间，以进一步确保切换设备不会被感生电压接通。作为第三水平的保护，切换电路可包括噪声接通电阻器，例如I ΚΩ的电阻，其可被与每个门驱动器输入串联设置以限制在缆线故障的情况下杂散噪声事件接通开关的机会。这个电阻可在功率板50和处理器(例如DSP)板60之间被基本上相等地划分。在一些实施例中，提供高速制动以实现精确扭矩能力。不过，这可在蓄电池电压顶部产生再生电压瞬态(马达用作发电机)。如果不进行抑制，这些瞬态可能超过蓄电池电压的两倍。这种大小的瞬态有引起供应总线上的全部部件电气过载故障的风险。因此，瞬态电压抑制器可被设置成跨过蓄电池端子以将供应电压限制到安全水平。过电流保护可由过电流检测电路220 (图12)提供，其包括一对双比较器。这些设备盯着缩放电流大小，正的和负的，并且将其与预编程的值比较。它们的输出驱动处理器板60上的数字信号处理器61上的跳闸区域输入。跳闸值或者阈值可由电阻器网络设置。当缩放电流越过预编程的阈值时，比较器的输出被驱动到逻辑零，从而引起对应的马达PWM信号跳过一个循环。这种循环跳过减少了在过量电流开始被从蓄电池抽取时强迫马达惯性滑行的电流需求。在过电流状况已经减轻之后，PWM恢复正常操作。这种设计允许在有源紧固期间安全地处理过电流事件而无需终止紧固。如上所述，电动工具10可包括五个分开的电路板，它们被放置在工具的壳体内，下面将提供对每个板的进一步描述。精确无线工具可选择性地以(a)带有扭矩检测的角度控制或者(b)带有角度检测的扭矩控制操作。如上参照图2所述，在一些实施例中，工具10可包括至少一个霍尔基位置传感器151，用于角度检测和/或定位。图13A图示了霍尔传感器输入缆线151c为84737-缆线-2。这个缆线151c可为霍尔位置传感器提供源自马达15的信号路径，其中霍尔位置传感器151被内部地安装到马达控制电子板，其通常为DSP板60。图13B示出了示例性的马达控制电路10m，其中马达15内的霍尔传感器151通过缆线151c连接到DSP60 (仅示出为具有霍尔基马达控制电路部件)。
功率板5O通常与所有的数字电路分离开以最小化来自影响敏感电路的高电流切换噪声。功率板50包含马达驱动电路188c (图10)，其包括用于三相中每一相的功率M0SFETS和门驱动器、为工具内部的所有板供能的5伏电源和用于门驱动器的12V增压电源。功率供应可以是小而高效的，以更高的频率切换，因此使用更小尺寸的电感器。可以有额外的电路，其监测蓄电池信号并控制来自处理器板60的信号以关闭功率供应并改善或最大化蓄电池寿命并最小化或减小蓄电池放电率。处理器(DSP)板60包含马达控制DSP61、马达位置模拟电路、相电流感测电路、扭矩信号电路、和DSP的功率供应。处理器板60的位置保持其离功率板的来自开关188的高切换信号和工具的马达15足够远。这位置还允许工具的手柄成为用于连接到处理器板60的所有信号线12的导管。图13A是电动工具电路IOc的部件的示例的顶部水平图。触发器板80可被定位在工具的触发器11以上并基本上与其平行。如在图11中所示，触发器板80通常包含三个霍尔效应设备190，所述设备监测触发器的位置:被拉一半1902 =醒来/大灯接通，和完全被拉1903 =马达允许。第三霍尔效应…(^被用于由滑动开关的位置确定的马达方向。触发器板80还包含扬声器，用于警告操作者事件，以及工具的大灯LED，用于照明紧固件周围的工作区域。显示板70通常被定位在工具的背面处，从而在使用中面对操作者。显示板70可以是通向外部世界的工具界面。其具有OLED显示器以观看运行结束上紧数据、设置构造、诊断和故障代码。见例如PCT/US2011/030653，该文献的内容通过引用并入，如同全部记载在本文中。Π可包括键盘，例如按钮键盘，其允许用户滚动屏幕上的菜单、设置上紧策略、和读回运行结束数据。在该板上可有四个LED，黄颜色、绿颜色、红颜色和蓝颜色，它们通过工具的壳体中的LED管照明。这些LED使操作者快速观看工具的状态以及上紧结果。工具的USB端口可被构造用于上传多达1000个紧固操作并用于构造该工具。USB端口可被定位在工具的顶部。USB端口 IOp也可被用于下载新的软件版本、保持工具更新最新的特征。工具10可与远程和/或附件计算机例如⑶I输入附件设备142 (图18)无线地和/或硬接线绳协作以限定操作参数、传递数据或以其它方式通信。显示器40可被构造成展示与不同的可选择的设置相关联的定义的图标以运行用户能够选择操作参数，这包括软或硬接合部构造和角度或扭矩监测、快或慢操作(例如，兔子逃生速度)、用于高和低扭矩限度和高和低角度限度的上和下箭头、上紧控制类型(目标角度或扭矩)等，例如在图17A-17D中示出的。无线电板75 (也称为RF载波板)可以被背驮在显示板70上，无线电板保持无线电模块，例如802.15.4无线电模块。无线电模块无线地将运行结束数据从工具10传出，并且通过外部设备90 (图2)将构造数据传入工具。外部设备90可与若干工具通信并且可被称为过程控制模块或多工具模块。无线电模块可任选地包括内置天线，其直接在无线电板75上，消除了对外部天线的需要。工具和无线电模块之间的数据可在显示板的微处理器中被处理。图14图示了根据本发明实施例的可由无绳电动工具执行的示例性操作。可使用用于电流测量的Kelvin电阻器确定所有相中的马达电流(框300)。Kelvin电阻器的四个端子中的两个端子可被用于电流感测(框304)。可使用来自换能器的数据确定工具轴的扭矩输出(框310)。可使用无绳电动工具将目标工件紧固到定义的扭矩(框320)。在紧固步骤中使用确定的转子位置和换能器数据动态地控制马达以在至少IA到100A的电流操作范围上用至少约0.1A的分辨率调节马达电流，并由此精确地控制停止运行马达输出以实现精确紧固(框330)。本发明的实施例可采用全部软件实施例的形式或者兼具软件和硬件方面的实施例的形式，所有这些在本文中被总称为“电路”或“模块”。而且，本发明可采取在计算机可用存储介质上的计算机程序产品的形式，该介质具有在该介质内具体化的计算机可用程序代码。任何合适的计算机可读介质都可被使用，包括硬盘、⑶-ROM、光学存储设备、例如那些支持互联网或内联网的 传输介质、或者磁存储设备。一些电路、模块或例程可被使用汇编语言写成或者甚至是微代码写成以提高性能和/或内存使用。还应该意识到的是，程序模块的任一个或全部的功能也可使用分开的硬件部件、一个或多个专用集成电路(ASIC)或者编程的数字信号处理器或微控制器实施。本发明的实施例不限于特定的编程语言。用于执行本文讨论的数据处理系统的操作、方法步骤或动作、模块或电路(或它们的一部分)的计算机程序代码可由高级编程语言写成，例如Python、Java、AJAX (异步脚本语言)、C和/或C++，从而为了开发方便。而且，用于执行示例性实施例操作的计算机程序代码也可由其它编程语言写成，例如但不限于，解释语言。一些模块或例程可用汇编语言或甚至是微代码写成以增强性能和/或内存使用。不过，实施例不限于特定的编程语言。还应意识到的是，程序模块的任一个或全部的功能也可使用分开的硬件部件、一个或多个专用集成电路(ASIC)或者编程数字信号处理器或微控制器实施。参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程示和/或框图部分地描述了本发明。应该理解的是，流程示和/或框图的每个框、以及流程示和/或框图中框的组合可由计算机程序指令实施。这些计算机程序指令可被提供到通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得所述指令通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行，所述指令建立实施在流程图和/或框图的一个或多个框中规定的功能/动作的装置。这些计算机程序指令还可被存储在计算机可读存储器中，所述指令可指示计算机或其它可编程数据处理装置以特定的方式运行，使得存储在计算机可读存储器中的指令产生一件制造，其中包括指令装置，该指令装置实施在流程图和/或框图的一个或多个框中规定的功能/动作。计算机程序指令也可被上载到计算机或其它可编程数据处理装置以引起一系列的操作步骤在计算机或其它可编程装置上被执行从而产生计算机实施的过程，使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供了用于实施在流程图和/或框图的一个或多个框中规定的功能/动作的全部或一些的步骤。本文中某些附图中的流程图和框图说明了本发明实施例的可能实施方式的示例性架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框表示模块、节段或代码部分，其包括用于实施规定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应该注意的是，在一些其它的实施例中，框中记载的功能可以不按附图中记载的顺序发生。例如，连续示出的两个框可在实际中基本上同时地被执行或者框可有时以颠倒的顺序被执行或者两个或多个框可被组合，这取决于所涉及的功能。图15是电路或数据处理系统的框图，其能与无绳电动工具10的电动工具电路IOc一起使用。电路和/或数据处理系统可被包含在一个或多个数字信号处理器中。如在图15中所示，至少一个处理器410被保持在无绳电动工具中并且包括通过地址/数据总线448与处理器通信的存储器414。处理器410可以是任何商业上可获得的或定制的微处理器。存储器414代表了全部层级的存储设备，其中包含用于实施数据处理系统的功能的软件和数据。存储器414可包括但不限于下面类型的设备:缓存、R0M、PR0M、EPR0M、EEPR0M、闪存、SRAM 和 DRAM。
图15图示了存储器414可包括用在数据处理系统一操作系统449一中的若干类的软件和数据；应用程序454 ;输入/输出(I/O)设备驱动器458 ;和数据455。数据456可包括用于每个工具的设备(工具专用)操作控制或限度。图15还图示了应用程序454可包括电流测量模块452，和PWM循环跳过过电流模块451。本领域技术人员还应该意识到的是，操作系统449可以是适于与数据处理系统一起使用的任何操作系统，例如OS/2、AIX或来自IBM公司的zOS、Armonk, NY、WindowsCE、WindowsNT> Windows95> Windows98> Windows2000> WindowsXP、WindowsVisa> Windows7>WindowsCE 或来自微软公司的其它 Windows 版本、Redmond、WA > PalmOS、SymbianOS、CiscoIOS、Vxfforks> Unix或Linux、来自苹果计算机的MacOS、LabView、或专有操作系统。1/0设备驱动器458通常包括由应用程序454通过操作系统449访问的软件例程以与诸如1/0数据端口、数据存储器456和某些存储器414部件的设备通信。应用程序454说明了实施数据处理系统的各种特征的程序并可包括至少一个应用，其支持根据本发明实施例的操作。最后，数据455代表由可位于存储器414中的应用程序454、操作系统449、1/O设备驱动器458和其它软件程序使用的静态和动态数据。虽然例如参照作为图15中的应用程序的模块451、452说明了本发明，但是如本领域技术人员所意识到的，在仍然受益于本发明教导的同时也可利用其它构造。例如，模块和/或也可被包含在操作系统449、1/0设备驱动器458或数据处理系统的其它此类逻辑划分中。因此，本发明不应该被理解为受限于图15的构造，其应被认为是覆盖能够实施本文描述操作的任何构造。另外，模块中的一个或多个，即模块451、452，能与其它部件通信或者被全部或部分地包含在其它部件中，例如工具的壳体中的单独或单个处理器或不同的电路。I/O设备驱动器通常包括软件例程，应用程序通过操作系统访问该软件例程从而与诸如I/o数据端口、数据存储器和某些存储部件的设备通信。应用程序说明了实施数据处理系统的各种特征的程序并可包括至少一个应用，其支持根据本发明实施例的操作。数据代表由应用程序、操作系统、I/o设备驱动器等使用的静态和动态数据。在一些实施例中，显示器或远程计算机显示器可被用于限定无线工具操作构造，由此允许单个工具执行若干不同的传统工具的功能。在一些实施例中，工具OLED显示器在紧固循环结束时在过去m秒之后变暗了最大亮度的n%。好处:增加了每蓄电池充电的循环# (数)&延长了 OLED显示模块的寿命。在一些实施例中，PWM可被用于控制LED的亮度以保存蓄电池功率并增加每蓄电池充电的循环# (数)&延长LED的寿命。另外，增加了眼睛的舒适因数。在一些实施例中，可利用控制器PCM实现工具的电子ID配对。这使得工具不能在控制器PCM的范围之外操作，从而实现防盗目的。这还确保工具被用在制造设施内的指定位置。在一些实施例中，OLED显示器可被使用，其提供了低能量使用、鲜亮屏幕数据和宽视角以在工业环境中各易观看。在一些实施例中，在灰背景下的白色文字可在错误状态下被用在工具显示屏上以吸引操作者注意。对于所有其它显示模式，文字颜色可被颠倒。在一些实施 例中，可将加速度计或运动检测器放置在工具中以“叫醒”工具或将工具设置成“睡眠模式”以节省能量并改进响应时间方面的性能。在一些实施例中，应变计可被放置在工具手柄中以有助于改变马达控制算法以增强人体工程学和控制。在一些实施例中，触摸传感器可被集成到工具显示器内或上以实现生物输入，例如，作为用于安全和/或ID目的的指纹扫描器。在一些实施例中，用于系统就绪、以太网和无线通信的单独状态LED可被设置在控制器PCM上。在一些实施例中，可实施独特的识别器，例如通过设施中的位置ID进行的工具识别。控制器PCM可处理来自多于一个工具的工具数据。PLC可被构造成以闭环过程控制设置在工具上选择紧固程序/构造。在主机PC应用由于以太网问题没有连接到控制器PCM的情况下，PCM控制器可继续在当地闪存上记录来自全部工具的紧固循环。当PC应用重新连接时，来自控制器PCM的全部数据可被提出并由PC应用存储在数据库中以归档并永久记录保持。工具可包括工具到工具通信以在控制器PCM当机的情况下保存并传输关键数据。其它可选的特征包括下列特征中的一个或多个。跳频特征，用于找到相当的信道并实时地切换到该信道，在马达控制器DSP上的中间睡眠模式，以保存蓄电池能量。
控制器PCM具有用于下列通信协议中的一个或多个的规定:
接收条码扫描数据的TCP/IP
传输紧固数据的TCP/IP 接收条码数据的系列RS-232 传输紧固数据的系列RS-232 以太网-1P支持 现场总线支持 设备网支持 ModbusRTU 支持 联络母线-S支持 ModbusTCP 支持 工业以太网(Profinet)支持。还没构造成用于跳频的工具可具有它们的跳频构造，该构造随后被PCM初始化，该PCM确实使跳频被激活。这简化了跳频的初始设置。PCM可周期地执行能量扫描以感测在出现需要时所要跳到的最佳信道。对跳频的需要可由通过主无线电对次无线电的工具连接的百分比确定。在一些实施例中，在更多的工具连接到次无线电而非主无线 电时，工具或系统可跳频。工具在它们被接通时可初始地连接到PCM的主或次无线电。当要跳频时PCM可通过广播消息通知所有的工具。在一些实施例中，未立即连接到PCM的工具可在每个允许的RF信道上搜寻它们的PCM并且在找到连接时自动更新连接数据。在一些实施例中，消费者可限制由无线电使用的信道组以改善发现时间并限制其它可能的无线电网络的噪音污染。在一些实施例中，可以有两个(或更多)单独的、独立的无线电模块，每一个都具有它们自己的在控制器PCM上的天线。每个在控制器PCM上的天线可被现场定位以实现工作间的最佳观看。 电动马达可以是无刷电动马达。精确无线工具可选择性地以(a)带有扭矩监测的角度控制或(b)带有角度监测的扭矩控制操作。本发明的实施例可包括霍尔基位置传感器以进行角度定位。本发明的实施例可包括工具壳体的最优通风位置。本发明的实施例以三种不同的低扭矩模式操作，包括约4Nm、约8Nm和约12Nm。在一些实施例中，驱动转轴可包括止推轴承和输出转轴，输出转轴与齿轮传动装置和换能器脱离，并且载荷和冲击可基本上(如果不是全部的话)通过壳体吸收，而不是通过换能器。本发明的实施例提供了用于具有马达的无绳紧固电动工具的计算机程序产品。计算机程序产品包括非瞬态计算机可读存储介质，其具有在该介质中具体化的计算机可读程序代码。计算机可读程序代码包括(a)构造成使用保持在电动工具中的Kelvin电阻器测量马达电流的计算机可读程序代码；(b)构造成基于来自机载换能器的扭矩数据确定电动工具的扭矩输出的计算机可读程序代码；和((3)构造成在紧固操作过程中使用测量的马达电流和换能器扭矩数据动态控制马达以利用至少约0.1A的分辨率在至少1-100A之间的电流操作范围上调节马达电流从而由此精确地控制停止和运行马达输出以实现精确紧固的计算机可读程序代码。本发明的实施例可覆盖由下面的方案中的一个或多个表示的设备。1、一种手持无绳紧固电动工具，包括:
壳体；
位于壳体内的马达，所述马达具有驱动输出轴的转子；
位于壳体内的扭矩换能器，其与输出轴通信；
位于壳体内的动态马达控制电路，其与马达和扭矩换能器通信，动态马达控制电路包括Kelvin电阻器，所述Kelvin电阻器与马达通信以测量马达电流；和
由壳体保持的机载显示器，其与机载外部可接触用户界面通信，所述用户界面带有至少一个安置成紧邻显示器的输入按钮，其中显示器展示与不同的可选择的设置相关联的定义图标，以允许用户能够选择操作参数，其中包括软或硬接合部构造和角度或扭矩监测。2、一种手持无绳紧固电动工具，包括:
具有手枪形状的壳体，其带有融合到向下延伸的手柄的上部分；
位于壳体的上部分内的马达，所述马达具有驱动输出轴的转子；
位于壳体内的扭矩换能器，其与输出轴通信；
位于壳体内的动态马达 控制电路，其与马达和扭矩换能器通信，动态马达控制电路包括Kelvin电阻器和数字霍尔开关，所述Kelvin电阻器与马达通信以测量马达电流，所述数字霍尔开关与马达通信以测量马达速度；和
由壳体保持的机载显示器，其与机载外部可接触用户界面通信，用户界面安置成紧邻显示器以允许用户能够选择多个不同的定义的工具构造中之一和目标扭矩值。3、如方案I或2所述的电动工具，其中机载显示器和用户界面位于壳体的上部分的端部部分上，从而背离输出轴，并且其中用户界面包括至少一个弹性体输入选择按钮，并且其中工具还包括由壳体保持的USB输入端口。4、如前面的方案中任一个所述的电动工具，其中机载显示器展示一系列可视输入选项，所述选项带有定义的图标，所述图标允许用户选择、取消选择和调节不同的定义的参数，其中包括扭矩角度和扭矩速度。5、如前面方案中任一个所述的电动工具，其中用户界面具有多个间隔开的弹性体输入按钮，包括方向导航垫和选择及取消选择按钮。6、一种手持无绳紧固电动工具,包括:
具有手枪形状的壳体，其带有融合到向下延伸的手柄的上部分；
位于壳体的上部分内的马达，所述马达具有驱动输出轴的转子；
位于壳体内的扭矩换能器，其与输出轴通信；
位于壳体内的动态马达控制电路，其与马达和扭矩换能器通信，动态马达控制电路包括Kelvin电阻器和数字霍尔开关，所述Kelvin电阻器与马达通信以测量马达电流，所述数字霍尔开关与马达通信以测量马达速度；和
由壳体保持的机载显示器，其与机载外部可接触用户界面通信，用户界面安置成紧邻显示器以允许用户能够选择多个不同的定义的工具构造中之一和目标扭矩值。
7、如前述方案中任一个所述的电动工具，其中机载显示器和用户界面位于壳体的上部分的端部部分上，从而背离输出轴，并且其中用户界面包括至少一个弹性体输入选择按钮，并且其中工具还包括由壳体保持的USB输入端口。8、如前面的方案中任一个所述的电动工具，其中机载显示器展示一系列可视输入选项，所述选项带有定义的图标，所述图标允许用户选择、取消选择和调节不同的定义的参数，其中包括扭矩角度和扭矩速度。9、如方案I所述的电动工具，其中用户界面具有多个间隔开的弹性体输入按钮，包括方向导航垫和选择及取消选择按钮。10、如前述方案中任一项所述的无绳电动工具，其中马达控制电路包括:
触发器电路板，其在壳体的上部分中水平地安置马达的下面；
处理器电路板，其在手柄的下部分中水平地安置成紧邻蓄电池并与触发器电路通信；
和
功率电路板，其位于触发器电路板和处理器电路板之间并且在它们之间向上延伸，功率电路板与处理器电路通信，其中功率电路板具有比手柄长度的主要部分更大的长度。11、如前述方案中任一项所述的无绳电动工具，其中马达控制电路包括位于手柄中的功率电路板，其中功率电路板具有比手柄长度的主要部分更大的长度，其中功率电路板包括马达驱动电路，并且其中壳体包括冷却空气流动路径，所述路径包括紧邻手柄的底部的多个间隔开的空气进气口，空气流动路径被构造成引导空气流过功率电路板到达工具的顶部部分,之后从壳体排出。12、如前述 方案中任一项所述的无绳电动工具，其中动态马达控制电路是保持在壳体内的闭环控制电路从而提供精确扭矩输出，其中闭环马达控制电路包括小电流测量电阻器，所述小电流测量电阻器与Kelvin电阻器电连通以确定所有相中的精确马达电流，其中闭环控制电路包括与马达通信的功率电路板，功率电路板具有切换设备，并且其中马达具有在约-150A到约+ 150A之间的动态范围并且闭环控制电路可以至少约0.1A的分辨率控制马达电流。13、如前述方案中任一项所述的无绳电动工具，其中壳体具有手枪形状，其带有融合到向下延伸的手柄的上部分，其中电动工具是精确紧固电动工具，其中马达控制电路包括细长的功率电路板，该功率电路板具有基本上与手柄的长度一样的高度，并带有包括蓄电池接口的下部分，其中功率电路板包括第一和第二主要表面，所述主要表面直立地位于手柄部分中，并在第一和第二主要表面中每一个上带有纵向间隔开的一体金属散热器，用于相应的切换设备的切换元件彼此直接面对地安装在每个散热器顶部上。14、如前述方案中任一项所述的无绳电动工具，其中马达控制电路包括处理器板、触发器板、功率板、显示板和RF载波板，全都在壳体内，其中处理器板位于手柄的底部部分处并在功率板和可释放的蓄电池组之间，其中处理器板包括马达控制数字信号处理器，马达位置模拟电路、相电流感测电路、扭矩信号电路、和电源，其中显示板位于壳体的上部分的后端部分处并且与显示器通信，其中RF载波板被定位成邻近显示板以实现无线紧固数据传输。15、一种手持无绳紧固电动工具,包括:
壳体；位于壳体内的马达，马达具有驱动输出轴的转子；
位于壳体内的扭矩换能器，其与输出轴通信；
位于马达内部的多个霍尔传感器；
位于壳体内的动态马达控制电路，其与马达、霍尔传感器和扭矩换能器通信；以及由壳体保持的机载显示器，其与机载外部可接触用户界面通信，所述用户界面带有至少一个安置成紧邻显示器的输入按钮，其中显示器展示与不同的可选择的设置相关联的定义图标，以允许用户能够选择操作参数。前面说明了本发明并不应被理解为限定于此。尽管已经描述了本发明的一些示例性实施例，但是本领域技术人员在不实质上脱离本发明的新颖性教导和优点的情况下，能容易意识到在示例性实施例中可进行许多改进。因此，所有这些改进都被认为被包含在权利要求中限定的本发明的范围中。在权利要求中，如果使用了装置加功能子句，那么应该被认为是覆盖了本文中被描述为执行所述功能的结构，并且不仅是结构上的等同方式，还有等同的结构。因此，应理解的是，前面内容说明了本发明并且不应被理解为限于所公开的具体实施例，并且对所公开的实施例以及其它实施例的改进被认为是包含在所附权利要求的范围内。本发明由下面的权利 要求定义，并且权利要求的等同方式也包含在其内。
权利要求
1.一种手持无绳紧固电动工具，包括: 壳体； 位于壳体内的马达，所述马达具有驱动输出轴的转子； 位于壳体内的扭矩换能器，其与输出轴通信；和 位于壳体内的动态马达控制电路，其与马达和扭矩换能器通信，动态马达控制电路包括Kelvin电阻器和数字霍尔开关，所述Kelvin电阻器与马达通信以测量马达电流，所述数字霍尔开关与马达通信以测量马达速度，其中马达电流在操作过程中可变化至少100A。
2.如权利要求1所述的无绳电动工具，还包括: 可再充电的蓄电池组，其可释放地附接到电动工具的下部分，其中蓄电池组是约36V或更少的低压蓄电池组；以及 多个霍尔传感器，其被保持在马达的内部并与马达控制电路通信，从而允许角度监测或监督定位中的至少一者。
3.如权利要求1所述的无绳电动工具，其中Kelvin电阻器包括四个端子，两个用于电流感测而两个用作电路路径，并且其中动态马达控制电路被构造成使用在约150A和约-150A之间的电流运行马达。
4.如权利要求1所述的无绳电动工具，其中壳体具有手枪形状，其带有融合到向下延伸的手柄的上部分，工具还包括位于手柄中的功率电路板，功率电路板保持Kelvin电阻器，功率电路板还包括安装在功率电路板上的至少一个高增益差分电流放大器和多个低电感3节点电容器。
5.如权利要求1所述的无绳电动工具，其中壳体具有手枪形状，其带有融合到向下延伸的手柄的上部分，并且其中马达控制电路包括: 触发器电路板，其在壳体的上部分中位于马达的下面； 处理器电路板，其位于手柄的下部分中并与触发器电路通信；和 功率电路板，其位于触发器电路板和处理器电路板之间并且与处理器电路通信，其中功率电路板具有比手柄长度的主要部分更大的长度，其中功率电路板包括位于功率电路板的两个主要表面上的多个间隔开的一体散热器，每个一体散热器包括在电路的相应的定义的填充区域中的一定体积的导热材料。
6.如权利要求5所述的无绳电动工具，还包括与马达通信的切换设备，切换设备包括切换元件，所述切换元件被彼此直接面对地安装在功率电路板的相对的主要表面上，以由此减少辐射排放和/或产生的热。
7.如权利要求1所述的无绳电动工具，其中壳体具有手枪形状，其带有融合到向下延伸的手柄的上部分，其中马达控制电路包括位于手柄内的功率电路板，其中功率电路板具有大于手柄的长度的主要部分的长度，其中功率电路板包括马达驱动电路；并且其中壳体包括冷却空气流动路径，所述路径包括紧邻手柄的底部的至少一个空气进气口，所述空气流动路径被构造成引导空气流过功率电路板到达工具的顶部部分，之后通过在壳体的上部分上的排出端口从壳体排出。
8.如权利要求1所述的无绳电动工具，其中壳体具有手枪形状，其带有融合到向下延伸的手柄的上部分，其中马达控制电路包括处理器电路板，所述处理器电路板位于手柄的下部内，并且处于基本上正 交于功率板的基本上水平的取向，其中来自处理器电路的电线被紧邻手柄壳体壁的内表面布线，经过功率板的一个主要表面到达壳体的上部分。
9.如权利要求1所述的无绳电动工具，其中动态马达控制电路是保持在壳体内的闭环控制电路从而提供精确扭矩输出，其中闭环马达控制电路包括小电流测量电阻器，所述小电流测量电阻器与Kelvin电阻器电连通以确定所有相中的精确马达电流，其中闭环控制电路包括与马达通信的功率电路板，功率电路板具有切换设备，并且其中马达具有在约-150A到约+ 150A之间的动态范围并且闭环控制电路可以至少约0.1A的分辨率控制马达电流。
10.如权利要求1所述的无绳电动工具，其中壳体具有手枪形状，其带有融合到向下延伸的手柄的上部分，其中电动工具是精确紧固电动工具，其中马达控制电路包括细长的功率电路板，该功率电路板具有基本上与手柄的长度一样的高度，并带有包括蓄电池接口的下部分，其中功率电路板包括第一和第二主要表面，所述主要表面直立地位于手柄部分中，并在第一和第二主要表面中每一个上带有纵向间隔开的一体金属散热器，用于相应的切换设备的切换元件彼此直接面对地安装在每个散热器顶部上。
11.如权利要求10所述的无绳电动工具，其中功率电路板包括高增益差分电流放大器，并且其中功率电路板包括第一和第二功率切换元件，所述切换元件基本上彼此直接面对地位于功率电路板的相对的主要侧上。
12.如权利要求1所述的无绳电动工具，其中马达控制电路包括功率电路板，所述功率电路板与全部的数字电路分开以由此隔离或减小电流切换噪声与数字电路的相互作用，并且其中功率电路板包括马达驱动电路，所述马达驱动电路包括带有用于马达的三相中每一相的门驱动器的功 率MOSFET、为工具内部的全部电路板供能的5V电源、和用于门驱动器的12V增压电源。
13.如权利要求1所述的无绳电动工具，其中壳体具有手枪形状，其带有融合到向下延伸的手柄的圆柱形上部分，其中马达控制电路包括处理器板、触发器板、功率板、显示板和RF载波板，全都在壳体内，其中处理器板位于手柄的底部部分处并在功率板和可释放的蓄电池组之间，其中处理器板包括马达控制数字信号处理器，马达位置模拟电路、相电流感测电路、扭矩信号电路、和电源，其中显示板位于壳体的圆柱形上部分的后端部分处并且与具有键盘用户界面的外部可视的显示器通信，其中RF载波板被定位成邻近显示板以实现无线紧固数据传输。
14.如权利要求1所述的无绳电动工具，还包括在壳体中的过电流保护电路，过电流电路包括一对双比较器，所述比较器监测缩放电流大小，正的和负的两者，其中过电流电路将监测的缩放电流与预定的跳闸值比较并且被构造成当监测的缩放电流处于或超过预定的跳闸值时引起马达脉宽调制(PWM)信号跳过一个循环由此减少电流需求，然后允许PWM信号在过电流状况缓解之后恢复正常操作以由此在有源紧固操作期间避免出现过电流状况而无需终止紧固。
15.一种操作精确紧固无绳电动工具的方法，包括: 提供无绳手持电动工具，其具有可再充电的蓄电池电源； 使用保持在电动工具内的Kelvin电阻器测量马达电流； 基于来自机载换能器的扭矩数据确定电动工具的扭矩输出； 使用无绳电动工具将目标工具紧固到定义的扭矩；以及在紧固步骤期间使用测量的马达电流和换能器扭矩数据动态控制马达，以在至少1-100A之间的电流操作范围上以至少约0.1A的分辨率调节马达电流，从而由此精确地控制停止和运行马达输出以实现精确紧固。
16.如权利要求15所述的方法，其中电流操作范围在约-150A到约150A之间。
17.如权利要求15所述的方法，还包括存储与至少100个单独的紧固操作相关联的紧固值，然后无线地将紧固值中继到远程设备。
18.如权利要求15所述的方法，还包括使用在功率电路板上的铜填充区域从电动工具的手柄的功率板上的功率开关耗散热。
19.如权利要求15所述的方法，还包括使用监测缩放电流大小的双比较器监测过电流情况，正的和负的，并且将监测的缩放电流与预定的跳闸值比较以在监测的缩放电流处于或超过预定跳闸值时引起马达脉宽调制(PWM)信号跳过一个循环以减少电流需求，然后允许PWM信号在过电流状况缓解之后恢复正常操作以由此在有源紧固操作期间避免出现过电流状况而无需终止紧固。
20.一种手持无绳紧固电动工具,包括: 壳体； 位于壳体内的马达，马达具有驱动输出轴的转子； 位于壳体内的扭矩换能器，其与输出轴通信； 位于马达内部的多个霍尔传感器； 位于壳体内的动态马达控制电路，其与马达和扭矩换能器通信，动态马达控制电路包括Kelvin电阻器，该Kelvin电阻器与马达通信以侧量马达电流；以及 由壳体保持的机载显示器，其与机载外部可接触用户界面通信，所述用户界面带有至少一个安置成紧邻显示器的输入按钮，其中显示器展示与不同的可选择的设置相关联的定义图标，以允许用户能够选择操作参数，其中包括软或硬接合部构造和角度或扭矩监测。
全文摘要
本发明涉及精确紧固手持无绳电动工具。无绳电动工具包括手枪式壳体，其具有融合到向下延伸的手柄的上部分，位于壳体的上部分内的DC马达，DC马达具有驱动输出轴的转子，在工具上机载的扭矩换能器，其与输出轴通信；以及位于壳体内动态马达控制电路 ，其与马达和扭矩换能器通信。动态马达控制电路包括Kelvin电阻器，其与马达通信以测量马达电流，以及包括数字霍尔开关，其与马达通信以测量马达速度。马达电流在操作期间可变化至少100A。
文档编号B25B23/151GK103223655SQ20131002821
公开日2013年7月31日 申请日期2013年1月25日 优先权日2012年1月27日
发明者M.R.伍德, W.M.小鲍尔, C.J.泰勒 申请人:英格索尔-兰德公司