CN116404918A - 电动工具及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动工具及其控制方法，电动工具，包括：马达，包括转子和多相定子绕组；驱动电路，包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件；位置检测单元，用于检测马达运转过程中的转子位置；控制器，至少与驱动电路和位置检测单元电连接，用于控制驱动电路中的开关元件改变导通状况，以控制马达的工作状态；控制器被配置为：在检测到刹车信号时，获取马达的转子位置；根据转子位置控制驱动电路由驱动状态切换至目标续流状态；在驱动电路处于目标续流状态的过程中，马达转动产生制动电流，能制动马达。

Description

电动工具及其控制方法

技术领域

本发明涉及电动工具领域，具体涉及一种电动工具及其控制方法。

背景技术

电动工具在刹车制动的过程中，通常采用短接马达三相绕组的方式刹车，这种刹车方式产生的刹车力过大，巨大的反向能量倒灌，可能会损坏器件，同时也可能会带来安全隐患。例如，打磨类工具在刹车力过大时，可能会使工具上的附件飞出，造成安全事故。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够缓慢制动刹车的电动工具。

本发明采用如下的技术方案：

一种电动工具，包括：马达，包括转子和多相定子绕组；驱动电路，包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件；位置检测单元，用于检测所述马达运转过程中的转子位置；控制器，至少与所述驱动电路和所述位置检测单元电连接，用于控制所述驱动电路中的开关元件改变导通状况，以控制所述马达的工作状态；所述控制器被配置为：在检测到刹车信号时，获取所述马达的转子位置；根据所述转子位置控制驱动电路由驱动状态切换至目标续流状态；在所述驱动电路处于目标续流状态的过程中，马达转动产生制动电流，能制动所述马达。

可选的，所述控制器被配置为：根据所述转子位置确定滞后换相的两相目标导通绕组；将所述驱动电路由驱动状态切换至短接所述目标导通绕组的目标续流状态。

可选的，所述控制器被配置为：在所述驱动电路处于所述目标续流状态的过程中，根据转子位置的变化调整目标导通绕组。

可选的，所述控制器被配置为：调制PWM信号的占空比，控制所述驱动电路在所述目标续流状态下的续流电路中的两个开关元件中的任意一个或两个以预设频率通断。

可选的，所述控制器被配置为：控制所述驱动电路由所述目标续流状态切换至第一续流状态；所述驱动电路在所述第一续流状态下导通的开关元件为调整后的目标导通绕组连接的开关元件。

可选的，所述驱动电路的每个低侧开关元件分别并联一个第一分压电路，或者所述驱动电路的每个高侧开关元件分别并联一个第一分压电路；所述第一分压电路包括串联连接的第一开关元件和第一电阻。

可选的，所述驱动电路的每个低侧开关元件分别串联一个第二分压电路，或者所述驱动电路的每个高侧开关元件分别串联一个第二分压电路。

可选的，所述第二分压电路包括第二电阻。

可选的，所述第二分压电路包括并联连接的第二开关元件和第三电阻。

一种电动工具控制方法，所述电动工具包括：马达，包括转子和多相定子绕组；驱动电路，包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件；位置检测单元，用于检测所述马达运转过程中的转子位置；控制器，至少与所述驱动电路和所述位置检测单元电连接，用于控制所述驱动电路中的开关元件改变导通状况，以控制所述马达的工作状态；所述方法包括：在检测到刹车信号时，获取所述马达的转子位置；根据所述转子位置控制驱动电路由驱动状态切换至目标续流状态；在所述驱动电路处于目标续流状态的过程中，马达转动产生制动电流，能制动所述马达。

本发明的有益之处在于：实现了一种能够软制动的电动工具。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种电动工具的结构图；

图2是本发明实施例提供的一种电动工具的电路框图；

图3a和图3b是马达绕组三相短接制动的示意图；

图4是本发明实施例提供的马达运转过程中转子位置变化示意图；

图5a、图5b和图5c是本发明实施例提供的马达运转过程中转子位置与绕组反电势的关系示意图；

图6a是本发明实施例提供的马达控制电路正常运转时的示意图；

图6b是一种马达控制电路续流状态的示意图；

图6c是本发明实施例提供的马达控制电路续流状态的示意图；

图6d是本发明实施例提供的马达控制电路制动时的示意图；

图6e是本发明实施例提供的马达控制电路续流状态的示意图；

图7是本发明实施例提供的一种驱动电路的示意图；

图8是本发明实施例提供的一种驱动电路的示意图；

图9是本发明实施例提供的一种驱动电路的示意图；

图10是本发明实施例提供的马达制动过程的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明的技术方案所适用的电动工具包括打磨工具、电钻、电圆锯、往复锯、斜锯、冲击扳手、冲击螺丝批以及锤钻等电动工具，其他类型的电动工具只要能够采用以下披露的技术方案的实质内容即可落在本发明的保护范围内。

在本申请实施例中，参考图1所示的电动工具，电动工具100至少包括机壳 10、壳体内的马达11、电源12、操作开关13、工作头14等。机壳10中内置马达，控制电路板以及传动结构(未示出)。壳体10还形成有供用户握持的握持部 101。其中，操作开关13可被用户操作开关机。

参考图2所示的电动工具的电路框图，马达11的驱动***至少电源12、驱动电路13、控制器14以及位置检测单元15。

在一种实施方式中，马达11为无刷直流马达(BLDC)。在一个实施例中，马达11为无感BLDC。在一个实施例中，马达11为有感BLDC。在本申请中，无刷直流马达可以是内转子马达也可以是外转子马达，马达至少包括三相定子绕组A、 B、C，三相绕组可以是星型连接也可以是三角形连接。

在一种实施方式中，电源12可选择为交流电源，即通过电源接口可以接入 120V或220V的交流市电。在一个实施例中，电源12可选择为电池包，电池包可由一组电池单元组成，例如，可将电池单元串联成单一电源支路，形成1P电池包。电池包输出电压通过具体的电源控制模块，例如DC-DC模块进行电压变化，输出适合驱动电路13、马达11等的供电电压，为其供电。本领域技术人员可理解，DC-DC模块为成熟的电路结构，可根据电动工具具体参数要求而相应选择。

驱动电路13与马达11的定子绕组A、B、C电性连接，用于将来自电源12 的电流传递至定子绕组A、B、C以驱动马达11旋转。在一个实施例中，驱动电路13包括多个开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。每个开关元件的栅极端与控制器14电性连接，用于接收来自控制器14的控制信号，该控制信号可以是 PWM信号。每个开关元件的漏极或源极与马达11的定子绕组A、B、C连接。开关元件Q1-Q6接收来自控制器14的控制信号改变各自的导通状态，从而改变电源12加载在马达11的定子绕组A、B、C上的电流。在一个实施例中，驱动电路13可以是包括六个可控半导体功率器件(例如FET，BJT，IGBT等)的三相桥驱动器电路。可以理解的是，上述开关元件也可以是任何其他类型的固态开关，例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，双极结型晶体管(BJT)等。

为了驱动图2所示的马达11转动，驱动电路13具有多种驱动状态，不同驱动状态下，马达11的转速或者转向可以不同。本申请针对控制器14控制驱动电路13改变不同驱动状态的使马达11获得不同转速或者转向的过程不做详述。

在一种实施方式中，操作开关13被用户按照设定方式触发后，可以输出开机信号或者关机信号或者刹车信号或者减速信号或者增速信号等至控制器14。从而控制器14可以根据接收到的信号控制驱动电路13中开关元件改变导通状态以达到相应的控制目的。

对于控制器14控制驱动电路13切换至制动状态，以制动马达11的方式，常用的是控制马达11的三相绕组短接。以图3a和图3b为例，图中虚线部分表示断开连接，实现部分表示连接。图3a和图3b中驱动电路13的高侧开关元件 Q1、Q3、Q5全导通且低侧开关元件Q2、Q4、Q6全断开，或者是低侧开关元件 Q2、Q4、Q6全导通且高侧开关元件Q1、Q3、Q5全断开。这上述方式下刹车时，马达11具有较大的刹车电流，能获得的刹车力较大，然而在一些工具中刹车力较大会存在一些安全隐患，如打磨类工具会存在磨盘飞出的可能。

为了解决上述问题，采用如下方案：

三相无刷马达在运转过程中，转子位置如图4所示：图4中两相绕组导通换相过程中磁势会发生变化，主要包括转子磁势F_转和定子绕组的定子磁势F_定。转子每转过60度电角度，马达执行一次换相，即每相绕组占有60°的相带，转子在六个不同的相带对应不同的位置信息，控制器14输出的PWM驱动信号可以具有多种不同的信号组合。在一个实施例中，采用信号0代表绕组截止的状态，采用信号1代表绕组导通的状态。另外，图4中虚线表示三相绕组的霍尔位置分别与转子方向平行时形成的霍尔标尺，在该霍尔标尺下，随着转子位置的变化可以确定定子绕组的霍尔位置。具体的，三相绕组的霍尔位置、控制器输出的PWM 信号组合形式及相应定子绕组的导通状态如表1所示：

表1

霍尔位置	PWM信号组合	定子绕组导通状态
			(0，1，0)	(1，0，X)	A+B-
(0，1，1)	(1，X，0)	A+C-
			(0，0，1)	(X，1，0)	B+C-
(1，0，1)	(0，1，X)	B+A-
			(1，0，0)	(0，X，1)	C+A-
(1，1，0)	(X，0，1)	C+B-

表1中霍尔位置下列的0表示对应绕组的霍尔位置落在转子的S极处，霍尔位置下列的1表示对应绕组的霍尔位置落在转子的N级处。表1中PWM信号组合下列的0表示对应绕组的下管导通，PWM信号组合下列的1表示对应绕组的上管导通，PWM信号组合下列的X表示对应绕组的上下管均不导通。

在定子绕组导通状态不同时，各相绕组间的反电势如图5a所示。以A、B 绕组的反电势e_AB说明，在定子绕组A+C-导通以及B+C-导通时，e_AB逐渐减小。若马达制动的过程发生在e_AB减小的区间内，则马达产生的制动力也较小。在 A+B-导通以及B+A-导通时，e_AB最大；若马达制动的过程发生在e_AB最大的区间内，则马达产生的制动力也最大。

本申请可以通过位置检测单元15检测转子的位置。在一种实施方式中，转子位置检测单元15可以包括霍尔传感器，能够检测转子位置。在一种实施方式中，转子位置检测单元15能够检测定子绕组的反电势，并根据反电势确定转子位置。

在一个实施例中，控制器14在检测到刹车信号时，可以通过位置检测单元 15获取马达的转子位置，进而根据马达的转子位置控制驱动电路13由驱动状态切换至目标续流状态。在驱动电路13处于目标续流状态的过程中，马达转动产生制动电流，能制动马达。

示例性的，如图6a所示马达正常驱动状态A+C-导通，若在这个过程中控制器14检测到刹车信号，则控制驱动电路13切换至图6b所示的续流状态，并这个续流状态下，续流结束后转子能够继续转动产生制动电流。而由图5a可知，在A+C-导通区间内e_CA最大，若控制器14控制驱动电路13由图6a所示的驱动状态切换至图6b所示的通过绕组A和C续流的状态，则所产生刹车力较大。由图5a可知，在A+C-导通区间内，e_AB较小，从而控制器14能控制驱动电路13 由图6a所示的驱动状态切换至图6c所示的目标续流状态，即通过绕组A、B续流的状态；在B+C-导通区间内，e_AB较小，控制器14能控制驱动电路13由图 6a所示的驱动状态切换至图6c所示的目标续流状态，即通过绕组A和B续流的状态。可选的，在B+C-导通区间内，e_CA也较小，控制器14也能控制驱动电路由图6a所示的驱动状态切换至通过绕组A、C续流的状态(未示出)。综上可知，目标续流状态下导通的定子绕组滞后与实际换导通的绕组。因此，控制器14可以根据检测到的转子位置确定滞后换相的两相目标导通绕组，从而将驱动电路13由驱动状态切换至短接两相目标导通绕组的目标续流状态。

图5a所示的A+C-和B+C-导通区间内，控制器14均可以控制驱动电路切换至通过绕组A和B续流的目标续流状态。也就是说，转子位置在图5a方框内的目标区间时，均可以切换至以绕组A、B续流的目标续流状态进而制动马达。上述目标区间的范围为120°。在一种可选的实现方式中，图5a所示目标区间也可以前后扩展30°如图5b所示，即目标区间的范围可以是90°至150°。通过扩展目标区间可以满足特别工况下的大制动力的需求。在一种可选的实现方式中，图5a所示目标区间也可以缩小一定范围如图5c所示，即目标区间的范围可以是60°至120°。通过缩小目标区间可以进一步调制刹车力的大小，满足刹车力控制的精确性。

驱动电路13在目标续流状态下续流结束后，马达继续转动能产生与驱动电流或者续流电流方向相反的制动电流如图6d所示，从而能够制动马达。

在驱动电路13处于目标续流状态的过程中，马达转子的位置可能发生了变化。控制器14可以在实时监测马达转子的位置，并根据转子位置调整两相目标导通绕组，从而调整目标续流状态。也就是说，在马达刹车的过程中随着转子位置的变化，产生刹车电流的续流电路也可能变化。

在一个实施例中，驱动电路13处于目标续流状态的过程中，控制器14可以调制PWM信号的占空比，以控制驱动电路13在目标续流状态下的续流电路中的两个开关元件中的任意一个或两个以预设频率通断。也就是说，目标续流状态，续流电路中的开关元件可以预设频率通断，从而能进一步降低制动力，达到缓慢刹车的目的。具体的，预设频率的大小可以根据不同工具的不同刹车力需求进行调整，此处不做限定。在一个实施例中，驱动电路13处于目标续流状态的过程中，控制器14也可以调制PWM信号的PWM频率，也能进一步降低制动力，达到缓慢刹车的目的。可以理解的，控制器14在调制PWM信号占空比时，PWM 频率是不变的，在调制PWM频率时占空比是不变的。可选的，控制器14也可以同时调制占空比和PWM频率。

在一个实施例中，控制器14可以控制驱动电路13由目标续流状态切换至图 6e所示的第一续流状态。在第一续流状态下驱动电路13中开关元件的导通状态可以与图6a所示的驱动电路13中开关元件的导通状态一致，不同之处在于电流的流向。可以理解的，在目标续流状态下，马达转子位置可能发生变化，而马达位置变化后，目标续流状态中的目标导通绕组可能发生了变化，因此图6e所示第一续流状态下驱动电路13中开关元件的导通状态也可以与图6a所示的驱动电路13中开关元件的导通状态不一致。示例性的，如图6e所示，在驱动电路13 处于第一续流状态时，电路中的电流仍为马达输出的感应电流，从马达绕组流向电源侧。如图6e所示马达控制***还包括储能元件16，该储能元件与驱动电路 13并联连接。从而在第一续流状态中，第一续流电路实际由储能元件114、Q1、 Q4以及马达绕组A、B构成，储能元件16能吸收从马达输出的刹车电流。在一个实施例中，储能元件114为电容。

在图6e所示的感应电流续流完之后，若马达未完全刹车，则电源12侧的电流可以通过图6e所示的电路继续驱动马达，并再次依次执行图6a、图6c和图 6d所示的同步续流刹车过程。每次执行上述刹车过程至图6e所示的续流状态后，若马达还未完全停止转动，仍可以继续循环执行上述过程。

在一个实施例中，马达可在图6d所示的目标续流状态下完成刹车，而不继续循环执行图6a、图6c和图6d所示的同步续流刹车过程。

在一种实现方式中，如图7所示驱动电路13的每个低侧开关元件可以分别并联一个第一分压电路。在采用图7所示的驱动电路13执行刹车时，控制器14 由驱动状态切换至目标续流状态的控制过程与图6c和图6d所示的同步续流刹车过程一致，不同之处在控制器14是导通与Q6并联的第一分压电路代替导通Q6 形成图7所示的目标续流状态。可选的，第一分压电路可以包括串联连接的第一开关元件和第一电阻，其中第一开关元件可以与Q1-Q6相同，第一电阻能在目标续流状态下进行能耗制动，在保证软杀车的基础上行也能降低刹车时间。在一种可选实现方式中，也可以在驱动电路13的每个高侧开关元件并联一个第一分压电路，同样能够实现上述效果。

在一个实施例中，如图8所示驱动电路13的每个低侧开关元件可以分别串联一个第二分压电路。可选的，第二分压电路可以串联在低侧开关元件的漏极或源极。可选的，第二分压电路可以是第二电阻。在刹车制动的过程中，目标续流状态下的续流电路比图6c和图6d所示的目标续流状态多了第二电阻，可以在一定程度上减少制动功率。在一种实现方式中，第二分压电路也可以串联在驱动电路13的高侧驱动元件上，同样能够实现上述效果。

在一个可选实现方式中，第二分压电路如图9所示包括并联连接的第二开关元件和第三电阻。在马达正常驱动状态下，控制器14可以控制图9中的第二开关元件导通，从而短接第三电阻，避免影响驱动功率。在检测到刹车信号时，控制器14可以控制第二开关元件断开以接入第三电阻，从而达到减少制动功率的目的。

参考图10，上述电动工具的制动控制方法包括如下步骤：

S101，判断是否有刹车信号。

若是，则转入步骤S102，否则继续检测。其中刹车信号可由用户通过触发操作开关或者其他方式控制工具产生刹车信号。

S102，获取马达的转子位置。

S103，根据转子位置控制驱动电路由驱动状态切换至目标续流状态。

在本实施例中，针对电动工具的控制流程可以参见上述实施方式中的描述，此处不再赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种电动工具，包括：

马达，包括转子和多相定子绕组；

驱动电路，包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件；

位置检测单元，用于检测所述马达运转过程中的转子位置；

控制器，至少与所述驱动电路和所述位置检测单元电连接，用于控制所述驱动电路中的开关元件改变导通状况，以控制所述马达的工作状态；

所述控制器被配置为：

在检测到刹车信号时，获取所述马达的转子位置；

根据所述转子位置控制驱动电路由驱动状态切换至目标续流状态；

在所述驱动电路处于目标续流状态的过程中，马达转动产生制动电流，能制动所述马达。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：

所述控制器被配置为：

根据所述转子位置确定滞后换相的两相目标导通绕组；

将所述驱动电路由驱动状态切换至短接所述目标导通绕组的目标续流状态。

3.根据权利要求2所述的电动工具，其特征在于：

所述控制器被配置为：

在所述驱动电路处于所述目标续流状态的过程中，根据转子位置的变化调整目标导通绕组。

4.根据权利要求2所述的电动工具，其特征在于：

所述控制器被配置为：

调制PWM信号的占空比，控制所述驱动电路在所述目标续流状态下的续流电路中的两个开关元件中的任意一个或两个以预设频率通断。

5.根据权利要求3所述的电动工具，其特征在于：

所述控制器被配置为：

控制所述驱动电路由所述目标续流状态切换至第一续流状态；

所述驱动电路在所述第一续流状态下导通的开关元件为调整后的目标导通绕组连接的开关元件。

6.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：

所述驱动电路的每个低侧开关元件分别并联一个第一分压电路，或者所述驱动电路的每个高侧开关元件分别并联一个第一分压电路；

所述第一分压电路包括串联连接的第一开关元件和第一电阻。

7.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：

所述驱动电路的每个低侧开关元件分别串联一个第二分压电路，或者所述驱动电路的每个高侧开关元件分别串联一个第二分压电路。

8.根据权利要求7所述的电动工具，其特征在于：

所述第二分压电路包括第二电阻。

9.根据权利要求7所述的电动工具，其特征在于：

所述第二分压电路包括并联连接的第二开关元件和第三电阻。

10.一种电动工具控制方法，所述电动工具包括：马达，包括转子和多相定子绕组；驱动电路，包括多个高侧开关元件和多个低侧开关元件；位置检测单元，用于检测所述马达运转过程中的转子位置；控制器，至少与所述驱动电路和所述位置检测单元电连接，用于控制所述驱动电路中的开关元件改变导通状况，以控制所述马达的工作状态；所述方法包括：

在检测到刹车信号时，获取所述马达的转子位置；

根据所述转子位置控制驱动电路由驱动状态切换至目标续流状态；

在所述驱动电路处于目标续流状态的过程中，马达转动产生制动电流，能制动所述马达。

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