CN102279365B - 电动工具控制电路及其操作方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。

附图说明

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模块图。

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模块图。

图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显示装置。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，其中机身电量指示灯14安装于机身16顶部，电池包电量指示灯13安装于电池包15后侧。该电池包电量指示灯13和机身电量指示灯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LCD显示屏代替。

如图2所示为直流电动工具的多处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，以及光信号发射电路6。第二电路2位于机身，包含光信号接收电路7，以及电量指示电路8。

该多处电量显示电路工作时，在电池包上的第一电路1中，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。优选的，光信号发射电路6为光电信号发射电路，光信号接收电路7为光电信号接收电路。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电路6。光信号发射电路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中的光信号接收电路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所示的光信号发射、接收原理图所示，光信号的发射、接收包含光信号发射电路6和光信号接收显示电路28。光信号发射电路6位于电池包上，光信号接收显示电路28位于机身上，包含光信号接收电路7和电量指示电路8。由于本发明所采用的显示装置为LED灯22和LED灯23，故光信号发射电路6包含的光信号发射管19和光信号发射管20，光信号接收显示电路28包含电源21，该电路中的光信号接收管25和光信号接收管26，分别负责两路光信号的发射和接收，以分别控制LED灯22和LED灯23的工作。位于电池包上的光信号发射电路6的控制端17和控制端18从运算控制电路4接收到两路电平控制信号。当两路控制信号均为高电平时，电路导通，光信号发射管19、20发射光信号，光信号接收显示电路28的光信号接收管25、26接收到光信号，导通，则LED灯22和LED灯23亮；当两路控制信号均为低电平时，光信号接收管25、26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，接收到高电平的光接收管的一路LED灯亮。优选的，光信号发射电路6为光电信号发射电路，光信号接收显示电路28为光电信号接收电路，光信号发射管19、20为光电发射管，光信号接收管25、26为光点接收管，分别用于光电信号的发射和接收。

在另一实施例中，该光信号发射、接收方式为红外发射、接收方式。光信号发射电路6中的光信号发射管19、20为红外发射晶体管，其从运算控制电路4接收到的电平信号，通过光信号发射电路6将电平信号转换为红外光信号，通过红外发射晶体管将该电平信号发射给机身上的第二电路2。第二电路2中的光信号接收显示电路28包含光信号接收管25、26，其为红外接收晶体管，接收到红外光信号后，控制LED灯22和LED灯23的工作，指示电池剩余电量。

在第三实施例中，该光信号发射、接收方式还可用光纤装置实现。在此方式下，电池包上的第一电路1和机身上的第二电路2内不再需要光信号发射、接收显示电路。参考图1，光纤装置(未图示)一端安装于电池包15上，与电池包15上的电池包电量指示灯13对应，另一端安装于机身16上，与机身电量指示灯14对应。机身电量指示灯14内部安装有导光柱。电池包电量指示灯13发出的光线，通过光纤装置传导至机身16，并通过机身16上的导光柱发散，从而使机身电量指示灯14发光，令机身电量指示灯14发出的光线与电池包电量指示灯13发出的光线一致。

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。而使用红外发射接收方式，光电发射接收方式，和光纤传导方式，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4所示为电动工具的剩余电量显示电路模块图，包含开关10，马达11，检测电路3，运算控制电路4，电池12，电量指示电路9。该剩余电量显示电路为在电池包内，对电池包剩余电量进行检测、运算、指示的电路。

该剩余电量显示电路工作时，使用者按下电动工具的开关10，检测电路3开始检测。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和照明和指示电路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5为剩余电量显示的具体电路图，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、电流检测电路30、电池温度检测电路31组成的检测电路。

电源电路32为剩余电量显示电路中除马达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29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。

在电池温度检测电路31中，温度传感器tNTC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。

在电流检测电路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。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Q10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Q10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Q10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6所示为剩余电量显示电路流程图，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，或MCU，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A1，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A1，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，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。此时放电电路处于过流状态，如果马达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，马达工作，同时程序向下运行至电量运算。

在电量运算中，通过电压来测算剩余电量，包含电池电压检测电路，和回路电压测算电路。电池电压电路用于测算电池两端电压V1，回路电压测算电路测算的是电池的放电回路中的电压V2。具体的测算方法为测算放电电流，以及回路电阻，并预设一温度补偿系数T。当回路电压测算电路工作时，回路电压V2为放电电流，回路电阻，温度补偿系数T三者的乘积。电池的测算电压V为回路电压V2与电池两端电压V1的和。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，为了精确该回路电阻的测算，故预设一温度补偿系数T，用于补偿由于温度造成的回路电阻值偏差。该温度补偿系数T为在电池正常工作时的温度下，回路电阻的测算补偿系数。

该电池电量的测算方法，不仅考量了电池放电回路的电压V2，同时考量了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V更接近电池包的实际电压V’，进而令电池剩余电量的显示更为准确。

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LCD，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Q1，大于第二预设电量值Q2，显示橙色。第一预设电量值Q1大于第二预设电量值Q2。优选的，该第一预设电量值Q1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Q1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Q1，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，同时剩余电量的实时检测显示，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。在本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。

Claims (2)

1.一种包含马达的电动工具的控制电路，包含

一与电池包电连接、测量电池包两端的两个测量点之间的电压V’、并检测电池包温度的电池包检测电路，该电池包具有一电池包内阻R_b，在两个所述测量点和所述电池包两端之间具有回路内阻R_c；

一根据电池包检测电路检测到的电池包两端的两个测量点之间的电压值运算得到电池包电量运算结果、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，其中电池包电量运算结果包括电池包开路电压V，所述运算控制电路包括起运算、判断、控制作用的CPU及半导体开关；

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括电池包内部和回路所耗电压；

该电池包开路电压V的计算公式为V=V’+I·R_c+I·R_b·C_t，其中C_t为电池包温度系数；

该电量指示电路包含电量指示装置，所述电量指示装置为红绿双色LED灯，能显示为红色，橙色，以及绿色，通过电池包开路电压V测算电池包剩余电量，当电池包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Q1，大于第二预设电量值Q2，显示橙色，其中第一预设电量值Q1为电池包总电量的50％，第二预设电量值Q2为电池包总电量的10％，绿色表示满电量，使用者能正常使用电动工具；红色表示电量不足，电动工具不能使用，需要充电；橙色表示中间状态，即电量不满，但电动工具还能被使用一段时间。

2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，该电池包温度系数C_t为一恒定常数。