手持式電動工具防反沖保護功能概述

付彥超，李祥

（ 深圳拓邦股份有限公司，廣東 深圳 518101 ）

0 引言

手持式電動工具在日常生活大規(guī)模應用的同時，也帶來一定數量的人身傷害事件。根據美國職業(yè)安全與健康管理局（Occupational Safety and Health Administration，OSHA）發(fā)布的統計數據，美國一年的勞工致命傷害中，有68 %的事件與電動工具（包含重型設備及手持工具）有關。為減少人身傷害事件發(fā)生，OSHA在工程控制和工具操作過程控制等方面給出了相應建議。其中，特別提出要進行防反沖保護，無論是工具整機或是個人防護用品的佩戴。

1 概述

電動工具的反沖現象也稱為回彈，是指工具在使用過程中因動力部件被卡住，受巨大的反作用力而不受控制向操作者反彈，或不受控制向工件正常加工方向的相反方向運動。反沖現象不僅造成加工件及工具的損傷，更重要的是對操作者造成嚴重的人身傷害。

2 原因分析

通常，因加工件異常（硬度或濕度不均以及工件內部缺陷等）或不當使用方式（加工過程中突然加大用力、用力方向改變或偏移等）致使工具的關鍵結構件，如電圓鋸鋸片、角磨機磨盤、電鉆鉆頭、鏈鋸鏈條等卡住或偏離中心，產生突然的反作用力促使工具不受控制地抬起、脫離工件并反向沖向操作者。

如操作者使用電圓鋸切割木板時，木板材質不均，或受重力作用下垂使切口收攏擠壓鋸片卡住后，電動機的反作用力驅使工具朝向操作者快速回彈；或當操作者對電圓鋸施加一個較大的力度，鋸片扭曲偏離既定切割面，鋸片后邊緣鋸齒切入木板表面，跳出切口并驅使工具朝向操作者快速回彈。嚴重時可切傷操作者的手指、腿部等身體部位，存在較大的人傷風險。又如操作者使用大功率錘鉆在建筑物墻壁鉆孔時，鉆頭觸碰墻內鋼筋引發(fā)堵轉，工具受反作用力后反向旋轉。此時整機雖不會向操作者方向反沖，但突然的反向旋轉可造成操作者手腕、手臂、下顎等承受部位嚴重損傷。

3 抑制措施及檢測方法

預防反沖或回彈現象發(fā)生采用的措施通常從操作者和工具整機兩個方面進行。

針對操作者，一是加強工具正確使用方法的事前培訓，如美國勞工部針對各種電動工具的操作者，都有詳細的工具使用方法及注意事項培訓，如針對不同工件如何選擇合適的工具及其配件、使用工具時雙手握穩(wěn)、定期對工具進行維護以及及時更換工具關鍵配件等；二是通過法規(guī)形式強制操作者在使用工具工作時必須佩戴個人防護用品（PPE），如頭盔、護目鏡等。

針對工具整機，則要求工具制造商在整機中設計實現防反沖功能，目前已在主流電動工具制造商中形成共識，如Bosch的Electronic Rotation Control（ERC）技術，Hilti的Active Torque Control（ATC）技術，Dewalt的Anti-Rotation E-Clutch System等，采用的技術雖不相同，但實現的防反沖效果基本一致。

常用的檢測方法為直接檢測法和間接檢測法。

3.1 直接檢測法

直接檢測法，指在工具整機中加入檢測工具角度或運動加速度的傳感器，根據傳感器輸出信號判斷是否發(fā)生反沖工況并及時做出反應。常用的傳感器為加速度傳感器和陀螺儀。

在工具的適當位置安裝加速度傳感器是直接有效的反沖工況識別方式。美國專利US20140166323A1公示了一種防反沖方法，在工具中加入3軸加速度傳感器，根據其輸出信號，實時檢測工具在任意方向上的反沖，及時做出相應的保護動作，降低潛在的傷害風險程度。采用3軸加速度傳感器，皆因反沖發(fā)生時，工具快速回彈方向并非固定不變，操作者本身及其周邊人等都有可能受到反沖傷害。美國專利US20170361449公式了另一種防反沖方法，在工具中加入陀螺儀或其他類似功能的角度傳感器、角速度傳感器，同樣可實時監(jiān)測工具在任意方向上的反沖，及時做出相應的保護動作。而在美國專利US20190126456公示的防反沖方法中，在工具中同時加入速度傳感器和陀螺儀（或角度傳感器），并根據這兩個傳感器的輸出信號組合，使得工具防反沖功能更加全面且更有針對性。

以錘鉆為例，當微控制器（MCU）檢測到工具設置為電錘工作模式時，不進行反沖工況識別。當檢測到工具設置為電鉆工作模式時，則進行反沖工況識別。陀螺儀輸出信號識別工具工作方向，加速度傳感器輸出信號識別反沖工況是否發(fā)生。

識別為鉆頭向下工作時，此時的工具應用場景多為操作者在地面對鋼板、木板等工件進行鉆孔操作。該工況下發(fā)生反沖，可能傷及操作者手臂和腿部；

識別為鉆頭與地面法向軸垂直時，此時的工具應用場景多為操作者面對墻壁鉆孔或擰螺絲。該工況下發(fā)生反沖，可能傷及操作者手臂和下顎；

識別為鉆頭向上工作時，此時的工具應用場景多為操作者（借助扶梯）對房屋的天花板進行鉆孔操作。該工況下發(fā)生反沖，則可能傷及操作者手臂和頭部，或因反沖發(fā)生時從扶梯跌落而傷及身體其他部位。

使用加速度傳感器和陀螺儀（或角度傳感器）輸出信號的組合，可全面識別反沖發(fā)生時的應用場景，進行有針對性的防反沖保護動作。根據不同的應用場景自動設置反沖工況識別靈敏度及不同的應對方式，如降低輸出功率、自由停機、按一定減速度停機或立即停機等。

直接檢測法的優(yōu)點是反沖工況檢測及時準確，為工具提供快速且工況適應性更廣泛的保護動作。缺點是成本高，整機開發(fā)難度大，既要考慮傳感器安裝位置及方式，又要考慮如何處理傳感器輸出信號，導致產品開發(fā)周期延長，整機潛在失效風險相應增加。

3.2 間接檢測法

間接檢測法，指通過工具整機利用現有傳感器信號，如電機位置傳感器、電流傳感器等，通過算法開發(fā)間接推斷是否發(fā)生反沖工況。其實現原理基于反沖現象并不是瞬間發(fā)生的，而是有一定的過程[1]。在發(fā)生反沖的早期階段，工具負載明顯且迅速增大，恒功率輸入條件下，通過轉速變化可檢測，即在發(fā)生反沖的早期階段，電機轉速明顯且迅速降低。如在使用手持式電動工具對木材（木板或圓木）加工時發(fā)生反沖，工具附件（鋸片或鏈條等）即將被卡死時存在10ms∽200ms的緩沖期，對于電子控制器而言，緩沖期間可及時檢測并做出相應的保護動作。

早期的間接檢測法方案較多采用速度傳感器信號，將速度在短時內急劇下降等同于反沖發(fā)生，如專利US4267914所示的技術方案。基于早期的電動工具采用串勵電機，電機輸出轉矩在勵磁磁通較小時幾乎與電流的平方成正比，隨著飽和的增加，與電流在1與2之間的某次冪成正比[2]。負載增加時，串勵電機轉速出現明顯下降，即其機械特性偏軟。

當前，越來越多的電動工具采用無刷直流電機提供動力，兩相120°導通方波控制驅動。與串勵電機相比，采用方波控制的無刷直流電機機械特性偏硬。負載增加時，轉速雖有下降，但并不如串勵電機轉速下降明顯。因此，僅用轉速下降判斷反沖工況是否發(fā)生欠缺嚴謹。專利US8786220B2所示的技術方案，同時檢測轉矩（無刷直流電機的輸出轉矩與電流成正比，通過檢測電流折算電機轉矩）和轉速，達到準確判定反沖是否真實發(fā)生的目的。

間接檢測法的優(yōu)點是方案實現成本低，無需額外增加傳感器及其外圍硬件電路，僅依靠工具現有傳感器信號即可，具有較強的工程應用性。然而，間接檢測法的缺點也很明顯，即準確率低。同時，因提供動力的電機特性不同，傳感器信號處理方式及靈敏度要求也不相同，信號處理的軟件同樣復雜。

4 保護措施

成功判定反沖工況真實發(fā)生后，需立即實施相應保護。常見防反沖保護為：

1）切斷電機供電電源，電機自由（滑行）停機；

2）降低電機輸出功率，迅速減速，也稱軟剎車；

3）電機迅速停機，或轉速至少降低一個數量級，也稱硬剎車；

4）切斷工具動力傳輸。

針對軟剎車，常用方案為降低電機控制電壓的占空比，如專利US10220500B2所示技術，檢測到反沖工況時，電機控制電壓的占空比在10ms~30ms內由100%降至3%，占空比的降低規(guī)律可為線性、指數型或其他函數形式。

針對硬剎車，常用方案為通過離合器剎車實現，如專利US20210078132A1所示技術；或如專利US10326385B2所示技術，通過電機繞組短路實現。

針對切斷工具動力傳輸，其實現方式可分為機械式和電子式。

在機械式中，一種實現方式是在工具整機中引入防反沖離合器系統，系統由主動離合器片、從動離合器片、凸柱和壓縮彈簧組成。主動離合器片與電機輸出軸相連，從動離合器片與工具動力驅動軸相連。主動離合器片設有多個凸柱，受壓縮彈簧推力嵌入從動離合器片對應凹孔。當工具正常工作時，防反沖離合器系統能夠保證電機輸出軸與工具動力驅動軸的可靠連接，令工具持續(xù)輸出動力對工件進行加工。發(fā)生反沖工況，如電圓鋸的鋸片被卡在木材切割縫隙時，突然增大的負載使從動離合器片上的凹孔內壁推動主動離合器片上的凸柱，克服壓縮彈簧推力，凸柱從凹孔中退出，切斷電機輸出軸與工具動力輸出軸之間的動力連接，從而阻止工具反沖傷及使用者。這種保護僅是切斷電機輸出軸與工具動力驅動軸之間的聯系，并無主動剎車停機，如專利US20090102407A1所示的技術方案。

另一種實現方式通過在工具中置入反沖制動器實現。制動器可在反沖發(fā)生時切斷電機輸出軸和工具動力軸之間聯系，并且對電機進行剎車處理。如專利US5813123中，公布了一種鏈鋸反沖制動器，由剎車鼓、剎車帶、彈簧和防護擋板構成。操作者必須雙手握持工具進行工作，工具正常工作時，防護擋板被設置在待機位置，一旦發(fā)生反沖，工具回彈的過程中防護擋板被操作者手背觸發(fā)，原本被拉伸的彈簧開始收縮，拉緊剎車帶對剎車鼓進行制動，同時切斷電機與電源的連接使其停機。

在電子式切斷動力傳輸的眾多方式中，常見為電子離合器系統，即通過電子控制器判定是否發(fā)生反沖，同時通過控制器實現：或立即切斷電機電源，使其停機；或按照一定規(guī)律降低電機輸出功率直至停機；或使電機抖動，發(fā)出類似于機械棘輪聲后停機。如專利US10850380中所示技術。該方式優(yōu)點在于無論用戶選擇高速模式或低速模式，都可控制整機輸出最大扭力，而傳統的機械式離合器系統僅能在高速模式控制輸出最大扭力。

電子離合器系統缺點在于控制算法實現復雜，理論上電機輸出平均轉矩與流過電機繞組的電流成正比，但考慮到工具整機齒輪箱減速比及齒輪間隙、電池包電壓變化、電機加減速（用戶按下調速開關的力度）、電流RMS值測量精度、負載變化等影響，電機輸出轉矩及流經電機繞組的電流呈一定的非線性，這對電子離合器系統的控制算法開發(fā)提出了較大挑戰(zhàn)。

5 結語

綜上，任何實現切割、打磨、鉆削功能的電動工具，都在一定程度上存在反沖或回彈風險。隨著電芯、半導體技術及制造能力的發(fā)展，手持式電動工具輸出功率不斷增大，帶來工作便利與效率提升的同時，工具反沖帶來的潛在風險也相應增加，這對工具的防反沖保護提出了更高的要求。本文整理和分析現有的防反沖功能檢測原理和保護方式，旨在為后期的大功率電動工具防反沖功能開發(fā)設計帶來一定的啟發(fā)作用。