手持式电动工具防反冲保护功能概述

付彦超，李祥

（ 深圳拓邦股份有限公司，广东 深圳 518101 ）

0 引言

手持式电动工具在日常生活大规模应用的同时，也带来一定数量的人身伤害事件。根据美国职业安全与健康管理局（Occupational Safety and Health Administration，OSHA）发布的统计数据，美国一年的劳工致命伤害中，有68 %的事件与电动工具（包含重型设备及手持工具）有关。为减少人身伤害事件发生，OSHA在工程控制和工具操作过程控制等方面给出了相应建议。其中，特别提出要进行防反冲保护，无论是工具整机或是个人防护用品的佩戴。

1 概述

电动工具的反冲现象也称为回弹，是指工具在使用过程中因动力部件被卡住，受巨大的反作用力而不受控制向操作者反弹，或不受控制向工件正常加工方向的相反方向运动。反冲现象不仅造成加工件及工具的损伤，更重要的是对操作者造成严重的人身伤害。

2 原因分析

通常，因加工件异常（硬度或湿度不均以及工件内部缺陷等）或不当使用方式（加工过程中突然加大用力、用力方向改变或偏移等）致使工具的关键结构件，如电圆锯锯片、角磨机磨盘、电钻钻头、链锯链条等卡住或偏离中心，产生突然的反作用力促使工具不受控制地抬起、脱离工件并反向冲向操作者。

如操作者使用电圆锯切割木板时，木板材质不均，或受重力作用下垂使切口收拢挤压锯片卡住后，电动机的反作用力驱使工具朝向操作者快速回弹；或当操作者对电圆锯施加一个较大的力度，锯片扭曲偏离既定切割面，锯片后边缘锯齿切入木板表面，跳出切口并驱使工具朝向操作者快速回弹。严重时可切伤操作者的手指、腿部等身体部位，存在较大的人伤风险。又如操作者使用大功率锤钻在建筑物墙壁钻孔时，钻头触碰墙内钢筋引发堵转，工具受反作用力后反向旋转。此时整机虽不会向操作者方向反冲，但突然的反向旋转可造成操作者手腕、手臂、下颚等承受部位严重损伤。

3 抑制措施及检测方法

预防反冲或回弹现象发生采用的措施通常从操作者和工具整机两个方面进行。

针对操作者，一是加强工具正确使用方法的事前培训，如美国劳工部针对各种电动工具的操作者，都有详细的工具使用方法及注意事项培训，如针对不同工件如何选择合适的工具及其配件、使用工具时双手握稳、定期对工具进行维护以及及时更换工具关键配件等；二是通过法规形式强制操作者在使用工具工作时必须佩戴个人防护用品（PPE），如头盔、护目镜等。

针对工具整机，则要求工具制造商在整机中设计实现防反冲功能，目前已在主流电动工具制造商中形成共识，如Bosch的Electronic Rotation Control（ERC）技术，Hilti的Active Torque Control（ATC）技术，Dewalt的Anti-Rotation E-Clutch System等，采用的技术虽不相同，但实现的防反冲效果基本一致。

常用的检测方法为直接检测法和间接检测法。

3.1 直接检测法

直接检测法，指在工具整机中加入检测工具角度或运动加速度的传感器，根据传感器输出信号判断是否发生反冲工况并及时做出反应。常用的传感器为加速度传感器和陀螺仪。

在工具的适当位置安装加速度传感器是直接有效的反冲工况识别方式。美国专利US20140166323A1公示了一种防反冲方法，在工具中加入3轴加速度传感器，根据其输出信号，实时检测工具在任意方向上的反冲，及时做出相应的保护动作，降低潜在的伤害风险程度。采用3轴加速度传感器，皆因反冲发生时，工具快速回弹方向并非固定不变，操作者本身及其周边人等都有可能受到反冲伤害。美国专利US20170361449公式了另一种防反冲方法，在工具中加入陀螺仪或其他类似功能的角度传感器、角速度传感器，同样可实时监测工具在任意方向上的反冲，及时做出相应的保护动作。而在美国专利US20190126456公示的防反冲方法中，在工具中同时加入速度传感器和陀螺仪（或角度传感器），并根据这两个传感器的输出信号组合，使得工具防反冲功能更加全面且更有针对性。

以锤钻为例，当微控制器（MCU）检测到工具设置为电锤工作模式时，不进行反冲工况识别。当检测到工具设置为电钻工作模式时，则进行反冲工况识别。陀螺仪输出信号识别工具工作方向，加速度传感器输出信号识别反冲工况是否发生。

识别为钻头向下工作时，此时的工具应用场景多为操作者在地面对钢板、木板等工件进行钻孔操作。该工况下发生反冲，可能伤及操作者手臂和腿部；

识别为钻头与地面法向轴垂直时，此时的工具应用场景多为操作者面对墙壁钻孔或拧螺丝。该工况下发生反冲，可能伤及操作者手臂和下颚；

识别为钻头向上工作时，此时的工具应用场景多为操作者（借助扶梯）对房屋的天花板进行钻孔操作。该工况下发生反冲，则可能伤及操作者手臂和头部，或因反冲发生时从扶梯跌落而伤及身体其他部位。

使用加速度传感器和陀螺仪（或角度传感器）输出信号的组合，可全面识别反冲发生时的应用场景，进行有针对性的防反冲保护动作。根据不同的应用场景自动设置反冲工况识别灵敏度及不同的应对方式，如降低输出功率、自由停机、按一定减速度停机或立即停机等。

直接检测法的优点是反冲工况检测及时准确，为工具提供快速且工况适应性更广泛的保护动作。缺点是成本高，整机开发难度大，既要考虑传感器安装位置及方式，又要考虑如何处理传感器输出信号，导致产品开发周期延长，整机潜在失效风险相应增加。

3.2 间接检测法

间接检测法，指通过工具整机利用现有传感器信号，如电机位置传感器、电流传感器等，通过算法开发间接推断是否发生反冲工况。其实现原理基于反冲现象并不是瞬间发生的，而是有一定的过程[1]。在发生反冲的早期阶段，工具负载明显且迅速增大，恒功率输入条件下，通过转速变化可检测，即在发生反冲的早期阶段，电机转速明显且迅速降低。如在使用手持式电动工具对木材（木板或圆木）加工时发生反冲，工具附件（锯片或链条等）即将被卡死时存在10ms∽200ms的缓冲期，对于电子控制器而言，缓冲期间可及时检测并做出相应的保护动作。

早期的间接检测法方案较多采用速度传感器信号，将速度在短时内急剧下降等同于反冲发生，如专利US4267914所示的技术方案。基于早期的电动工具采用串励电机，电机输出转矩在励磁磁通较小时几乎与电流的平方成正比，随着饱和的增加，与电流在1与2之间的某次幂成正比[2]。负载增加时，串励电机转速出现明显下降，即其机械特性偏软。

当前，越来越多的电动工具采用无刷直流电机提供动力，两相120°导通方波控制驱动。与串励电机相比，采用方波控制的无刷直流电机机械特性偏硬。负载增加时，转速虽有下降，但并不如串励电机转速下降明显。因此，仅用转速下降判断反冲工况是否发生欠缺严谨。专利US8786220B2所示的技术方案，同时检测转矩（无刷直流电机的输出转矩与电流成正比，通过检测电流折算电机转矩）和转速，达到准确判定反冲是否真实发生的目的。

间接检测法的优点是方案实现成本低，无需额外增加传感器及其外围硬件电路，仅依靠工具现有传感器信号即可，具有较强的工程应用性。然而，间接检测法的缺点也很明显，即准确率低。同时，因提供动力的电机特性不同，传感器信号处理方式及灵敏度要求也不相同，信号处理的软件同样复杂。

4 保护措施

成功判定反冲工况真实发生后，需立即实施相应保护。常见防反冲保护为：

1）切断电机供电电源，电机自由（滑行）停机；

2）降低电机输出功率，迅速减速，也称软刹车；

3）电机迅速停机，或转速至少降低一个数量级，也称硬刹车；

4）切断工具动力传输。

针对软刹车，常用方案为降低电机控制电压的占空比，如专利US10220500B2所示技术，检测到反冲工况时，电机控制电压的占空比在10ms~30ms内由100%降至3%，占空比的降低规律可为线性、指数型或其他函数形式。

针对硬刹车，常用方案为通过离合器刹车实现，如专利US20210078132A1所示技术；或如专利US10326385B2所示技术，通过电机绕组短路实现。

针对切断工具动力传输，其实现方式可分为机械式和电子式。

在机械式中，一种实现方式是在工具整机中引入防反冲离合器系统，系统由主动离合器片、从动离合器片、凸柱和压缩弹簧组成。主动离合器片与电机输出轴相连，从动离合器片与工具动力驱动轴相连。主动离合器片设有多个凸柱，受压缩弹簧推力嵌入从动离合器片对应凹孔。当工具正常工作时，防反冲离合器系统能够保证电机输出轴与工具动力驱动轴的可靠连接，令工具持续输出动力对工件进行加工。发生反冲工况，如电圆锯的锯片被卡在木材切割缝隙时，突然增大的负载使从动离合器片上的凹孔内壁推动主动离合器片上的凸柱，克服压缩弹簧推力，凸柱从凹孔中退出，切断电机输出轴与工具动力输出轴之间的动力连接，从而阻止工具反冲伤及使用者。这种保护仅是切断电机输出轴与工具动力驱动轴之间的联系，并无主动刹车停机，如专利US20090102407A1所示的技术方案。

另一种实现方式通过在工具中置入反冲制动器实现。制动器可在反冲发生时切断电机输出轴和工具动力轴之间联系，并且对电机进行刹车处理。如专利US5813123中，公布了一种链锯反冲制动器，由刹车鼓、刹车带、弹簧和防护挡板构成。操作者必须双手握持工具进行工作，工具正常工作时，防护挡板被设置在待机位置，一旦发生反冲，工具回弹的过程中防护挡板被操作者手背触发，原本被拉伸的弹簧开始收缩，拉紧刹车带对刹车鼓进行制动，同时切断电机与电源的连接使其停机。

在电子式切断动力传输的众多方式中，常见为电子离合器系统，即通过电子控制器判定是否发生反冲，同时通过控制器实现：或立即切断电机电源，使其停机；或按照一定规律降低电机输出功率直至停机；或使电机抖动，发出类似于机械棘轮声后停机。如专利US10850380中所示技术。该方式优点在于无论用户选择高速模式或低速模式，都可控制整机输出最大扭力，而传统的机械式离合器系统仅能在高速模式控制输出最大扭力。

电子离合器系统缺点在于控制算法实现复杂，理论上电机输出平均转矩与流过电机绕组的电流成正比，但考虑到工具整机齿轮箱减速比及齿轮间隙、电池包电压变化、电机加减速（用户按下调速开关的力度）、电流RMS值测量精度、负载变化等影响，电机输出转矩及流经电机绕组的电流呈一定的非线性，这对电子离合器系统的控制算法开发提出了较大挑战。

5 结语

综上，任何实现切割、打磨、钻削功能的电动工具，都在一定程度上存在反冲或回弹风险。随着电芯、半导体技术及制造能力的发展，手持式电动工具输出功率不断增大，带来工作便利与效率提升的同时，工具反冲带来的潜在风险也相应增加，这对工具的防反冲保护提出了更高的要求。本文整理和分析现有的防反冲功能检测原理和保护方式，旨在为后期的大功率电动工具防反冲功能开发设计带来一定的启发作用。