CN111164881A - 电动工具的控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动工具的控制电路，是具备永磁同步电动机、多个开关元件以及驱动永磁同步电动机的PWM逆变器电路的电动工具的控制电路，该控制电路具备检测在PWM逆变器电路中流动的电流的电流检测单元，该控制电路在永磁同步电动机的制动时，将在永磁同步电动机和PWM逆变器电路的各开关元件中流动的电流限制为规定的电流限制值。另外，同时，通过使PWM逆变器电路的低电压侧或高电压侧的开关元件进行开关动作，来使永磁同步电动机的感应电压升压，在电池中再生。

Description

电动工具的控制电路
技术领域
本发明涉及一种例如使用了永磁同步电动机的电动工具的控制电路及控制方法以及电动工具。
背景技术
一般，钻头驱动器、冲击工具等电动工具在停止时进行制动，由此实现操作性、响应性的改善。
作为其一例，在专利文献1中，提出了一种在将三相无刷电动机作为驱动源的电动工具中，在使三相无刷电动机的旋转下降或停止时，通过将三相无刷电动机的各端子间短路来产生制动力的所谓短路制动器(短路制动)。
另外，在专利文献2中，提出了一种电动工具的制动装置，其特征在于：能够经由与开关元件并联设置的二极管使所述制动器电流流动，而且，在所述开关元件中流动的制动器电流处于减少方向的定时将所述开关元件从接通状态向断开状态切换。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公平6-104000号公报
专利文献2：日本专利第6155175号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，在上述的专利文献1和专利文献2的方法中，存在如下述那样的问题点。
(1)无法控制在制动时在开关元件中流动的电流，导致元件损坏。
(2)需要与在制动时流动的最大电流相匹配的额定电流大的元件。
(3)主要仅通过电动机绕组的电阻来消耗工具旋转时的惯性能量，因此在制动上花费时间。另外，电动机的发热大。
(4)无法控制制动力、制动时间等。
本发明的目的在于解决以上的问题点，并提供一种与以往技术相比较更便宜且可靠性高的电动工具的控制电路及控制方法以及电动工具。
用于解决问题的方案
第一发明所涉及的电动工具的控制电路是具备永磁同步电动机、多个开关元件以及驱动所述永磁同步电动机的PWM(Pulse width modulation：脉冲宽度调制)逆变器电路的电动工具的控制电路，该电动工具的控制电路的特征在于，所述控制电路具备电流检测单元，该电流检测单元检测在所述PWM逆变器电路中流动的电流，所述控制电路在所述永磁同步电动机的制动时，将在所述永磁同步电动机和所述PWM逆变器电路中流动的电流限制为规定的电流限制值。
在所述电动工具的控制电路中，特征在于，所述PWM逆变器电路设置在所述永磁同步电动机与电池之间，所述控制电路在所述永磁同步电动机的制动时，通过使所述PWM逆变器电路的低电压侧或高电压侧的开关元件进行开关动作，来使所述永磁同步电动机的感应电压升压，在所述电池中再生。
另外，在所述电动工具的控制电路中，特征在于，所述控制电路根据所述电动工具的动作模式，使所述电流限制值变化。
第二发明所涉及的电动工具的控制方法通过具备永磁同步电动机、多个开关元件以及驱动所述永磁同步电动机的PWM逆变器电路的电动工具的控制电路来执行，该电动工具的控制方法的特征在于，包括：电流检测步骤，所述控制电路检测在所述PWM逆变器电路中流动的电流；以及电流限制步骤，所述控制电路在所述永磁同步电动机的制动时，将在所述永磁同步电动机和所述PWM逆变器电路中流动的电流限制为规定的电流限制值。
第三发明所涉及的电动工具是具备电池、永磁同步电动机、多个开关元件以及驱动所述永磁同步电动机的PWM逆变器电路的电动工具，该电动工具的特征在于，具备所述电动工具的控制电路。
发明的效果
因而，根据本发明所涉及的电动工具的控制电路及控制方法等，通过控制为在制动时限制元件电流，来实现元件成本降低和工具的可靠性提高。另外，通过使惯性能量在可充电电池5中再生，能够缩短制动时间。除此以外，实现电动机的发热减少，也使工具的连续使用时间延长。
附图说明
图1是示出本发明的一个实施方式所涉及的电动工具的结构例的框图。
图2是示出图1的PWM逆变器电路2的详细结构例1的框图。
图3是示出图1的PWM逆变器电路2的详细结构例2的框图。
图4是示出图1的电动机控制装置10的通常动作模式及制动动作模式中的针对PWM逆变器电路2的换流图案例1的表。
图5是示出图1的电动机控制装置10的通常动作模式及制动动作模式中的针对PWM逆变器电路2的换流图案例2的表。
图6是图1的电动工具的仿真结果，是(a)栅极控制信号、(b)电动机转速、(c)电动机电流的检测值Imval及电池再生电流Ib、(d)电动机电流Iu、Iv、Iw以及(e)电池电压Vdc的时序图。
具体实施方式
图1是示出本发明的一个实施方式所涉及的电动工具的结构例的框图。在图1中，实施方式所涉及的电动工具例如构成为具备作为永磁同步电动机的电动机1、PWM逆变器电路2、齿轮3、卡盘4、可充电电池5、电容器6以及电动机控制装置10。在此，电动机控制装置10构成为具备电流检测部11、电流计算部12、过电流检测部51、速度控制部52、电流控制部53以及栅极控制部20。
图2是示出图1的PWM逆变器电路2的详细结构例1的框图。在图2中，PWM逆变器电路2例如由MOSFET等开关元件Q1～Q6 6个和电流检测电阻7A、7B、7C(具有电阻值Rx、Ry、Rz)3个构成。电流检测电阻7A、7B、7C的电压向图1的电流检测部11输入，变换为在PWM逆变器电路各相中流动的电流值。另外，向各开关元件Q1～Q6的栅极施加来自图1的栅极控制部20的栅极控制信号G1～G6。与各开关元件Q1～Q6反向并联连接的二极管D1～D6是各开关元件Q1～Q6的寄生二极管等。
此外，图2的PWM逆变器电路2的实施方式是所谓3个分流器的三相PWM桥电路，但是本发明不限于此，如图3所示的由1个电流检测电阻来检测直流侧的电流的1个分流器的三相PWM桥电路的PWM逆变器电路2也能够应用。在图3的详细结构例2中，当检测在电流检测电阻7A中流动的电流的峰值时能够获得开关元件的元件电流，当检测在电流检测电阻7A中流动的电流的平均值时能够获得电池电流。
在本实施方式所涉及的电动机控制装置10中，检测向PWM逆变器电路2供给的电流的瞬时电流和规定的计算电流，进行开关元件Q1～Q6、电路及可充电电池5的保护。具体详情后述。
在图1中，来自可充电电池5的DC电压经由电容器6向PWM逆变器电路2供给。PWM逆变器电路2以来自栅极控制部20的6个的栅极驱动信号G1～G6对被供给的DC电压进行PWM调制，将该DC电压变换为交流的电压来向电动机1输出。在此，电动机1的旋转经由齿轮3向电动工具的卡盘4传递。栅极控制部20基于来自设置于电动机1的霍尔元件41～43的电动机旋转位置信号Hu、Hv、Hw、来自电流控制部53的PWM信号以及来自过电流检测部51的栅极阻塞(gate block)信号，来生成速度检测值和栅极驱动信号G1～G6。
由电流检测电阻7A、7B、7C检测出的电压被输出到电流检测部11，电流检测部11将该电压变换为对应的电流值并向比较器13的非反相输入端子和电流计算部12输出。在电流计算部12中，例如对在PWM逆变器电路的各相中流动的电流Ix、Iy、Iz的峰值附近进行平滑，并向减法器25输出。
过电流检测部51构成为具备比较器13和最大电流信号生成器14。比较器13对来自电流检测部11的瞬时电流信号与来自最大电流信号生成器14的最大电流值进行比较，根据该比较结果来产生栅极阻塞信号，并将该栅极阻塞信号向栅极控制部20输出。在瞬时电流超过最大电流值的情况下，栅极控制部20马上停止PWM逆变器电路2的驱动，从而保护开关元件。
速度控制部52构成为具备绝对值运算器30、速度目标值生成器21、减法器22、针对电动机速度进行比例积分控制的PI控制器23以及电流限制器24。绝对值运算器30运算来自栅极控制部20的速度检测值的绝对值并向减法器22输出。减法器22从来自速度目标值生成器21的速度目标值减去速度检测值的绝对值，并将该相减结果向PI控制器23输出。PI控制器23基于被输入的相减结果，针对电动机速度进行比例积分控制，将用于进行该控制的电流目标值经由电流限制器24向减法器25输出。在此，电流限制器24将与速度目标值相对应的电流目标值限制在规定值以内，由此来事先预防过电流，保护电路及可充电电池5。
电流控制部53构成为具备减法器25、PI控制器26、限制器27、比较器28以及三角波生成器29。减法器25通过从表示电流目标值的电流目标值信号减去来自电流计算部12的平均电流信号，来将作为相减结果的电流控制值的信号向PI控制器26输出。PI控制器26针对电流控制值进行比例积分控制，将该控制信号经由限制器27向比较器28的非反相输入端子输出。在此，限制器27用于将比较器28输出的PWM信号的振幅值控制在规定值以内。比较器28通过将来自限制器27的控制信号和来自三角波生成器29的三角波进行比较，来产生用于通过PWM调制驱动电动机1的PWM信号并向栅极控制部20输出。
栅极控制部20基于来自霍尔元件的电动机旋转位置信号、PWM信号、栅极阻塞信号，来产生6个栅极驱动信号G1～G6并向PWM逆变器电路2输出，由此控制PWM逆变器电路2的动作。
图4是示出图1的电动机控制装置10的通常动作模式及制动动作模式中的针对PWM逆变器电路2的换流图案例1的表。
在图4中，在通常动作模式中，栅极控制部20按照顺序选择性地接通开关元件Q2、Q4、Q6，并且与其同步地以半个周期的延迟对向开关元件Q1、Q3、Q5的栅极控制信号G1、G3、G5进行PWM调制，由此使电动机1以规定的速度旋转。
另一方面，例如在用户通过还原触发杆等的操作使电动机通常停止的情况下，从触发杆60向栅极控制部20输出停止信号。此时，栅极控制部20立即从通常动作模式向制动动作模式转移，将高电压侧的开关元件Q1、Q3、Q5断开，对向低电压侧的开关元件Q2、Q4、Q6的栅极控制信号G2、G4、G6进行PWM调制，由此使电动机1制动，并以规定的速度减速从而停止。另外，以同时将在电动机1和开关元件Q2、Q4、Q6中流动的电流限制为规定的限制值的方式对向低电压侧的开关元件Q2、Q4、Q6的栅极控制信号G2、G4、G6进行PWM调制，由此能够抑制在制动时在开关元件中流动的电流。
在本实施方式中，检测PWM逆变器电路2的低电压侧的各开关元件Q2、Q4、Q6的电流，控制为在制动时将流过电动机1和开关元件Q2、Q4、Q6的电流限制为规定的限制电流值。在制动时，通过使低电压侧的各开关元件Q2、Q4、Q6进行开关动作，来使电动机1的感应电压升压，在可充电电池5再生。因而，如图4所示，根据电动工具的使用状况，来切换开关元件的换流图案。
此外，图4所示的换流图案是1例，本发明不限于此，例如，也可以如图5所示的换流图案例2那样，调换低电压侧和高电压侧的开关元件的换流图案，在制动动作模式中断开低电压侧的开关元件，对高电压侧的开关元件进行PWM控制。
图6是图1的电动工具的仿真结果，是(a)栅极控制信号、(b)电动机转速、(c)电动机电流的检测值Imval及电池再生电流Ib、(d)电动机电流Iu、Iv、Iw以及(e)电池电压Vdc的时序图。在图6中，为了便于图示，通过阴影来表示波形进行复杂变化的部分。
根据图6可知，在通常动作时进行固定旋转的电动机1在制动时以固定速度减速从而停止。电动机电流的检测值Imval在制动时被限制为规定的电流限制值Imref。电池电压Vdc在制动时上升，再生电流Ib向可充电电池5流动，惯性能量被再生。
如以上说明的那样，根据本实施方式，具有以下的特有效果。
(1)通过控制并限制开关元件的电流，实现元件成本减低和工具的可靠性提高。
(2)通过使惯性能量在可充电电池5再生，能够缩短制动时间。另外，也实现电动机1的发热减少，并且也使工具的连续使用时间延长。
(3)根据电动工具的动作状况使电流限制值Imref变化，由此实现工具保护和操作性改善。
在以上的实施方式中，例如对钻头驱动器的旋转式电动工具进行了说明，但是本发明不限于此，也能够应用于冲击式电动工具。
在以上的实施方式中，电动机控制装置10是以硬件为主体构成的，也可以是以软件为主体构成的。
附图标记说明
1：电动机；2：PWM逆变器电路；3：齿轮；4：卡盘；5：可充电电池；6：电容器；7A、7B、7C：电流检测电阻；10：电动机控制装置；11：电流检测部；12：电流计算部；13：比较器；14：最大电流信号生成器；20：栅极控制部；21：速度目标值生成器；22：减法器；23：PI控制器；24：电流限制器；25：减法器；26：PI控制器；27：限制器；28：比较器；29：三角波生成器；30：绝对值运算器；41～43：霍尔元件；51：过电流检测部；52：速度控制部；53：电流控制部；60：触发杆；D1～D6：阻止逆流用二极管；G1～G6：栅极控制信号；Ix、Iy、Iz：检测电流值；Q1～Q6：开关元件。

Claims (5)

1.一种电动工具的控制电路，该电动工具具备永磁同步电动机、多个开关元件以及驱动所述永磁同步电动机的脉冲宽度调制逆变器电路，该电动工具的控制电路的特征在于，
所述控制电路具备电流检测单元，该电流检测单元检测在所述脉冲宽度调制逆变器电路中流动的电流，
所述控制电路在所述永磁同步电动机的制动时，将所述永磁同步电动机和所述脉冲宽度调制逆变器电路中流动的电流限制为规定的电流限制值。
2.根据权利要求1所述的电动工具的控制电路，其特征在于，
所述脉冲宽度调制逆变器电路设置于所述永磁同步电动机与电池之间，
所述控制电路在所述永磁同步电动机的制动时，使所述脉冲宽度调制逆变器电路的低电压侧或高电压侧的开关元件进行开关动作，来使所述永磁同步电动机的感应电压升压，在所述电池中再生。
3.根据权利要求1或2所述的电动工具的控制电路，其特征在于，
所述控制电路根据所述电动工具的动作模式，来使所述电流限制值变化。
4.一种电动工具的控制方法，通过电动工具的控制电路来执行，该电动工具具备永磁同步电动机、多个开关元件以及驱动所述永磁同步电动机的脉冲宽度调制逆变器电路，该电动工具的控制方法的特征在于，包括：
电流检测步骤，所述控制电路检测在所述脉冲宽度调制逆变器电路中流动的电流；以及
电流限制步骤，所述控制电路在所述永磁同步电动机的制动时，将所述永磁同步电动机和所述脉冲宽度调制逆变器电路的各开关元件中流动的电流限制为规定的电流限制值。
5.一种电动工具，其具备电池、永磁同步电动机、多个开关元件以及驱动所述永磁同步电动机的脉冲宽度调制逆变器电路，该电动工具的特征在于，
具备根据权利要求1～3中的任一项所述的电动工具的控制电路。
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