CN105656359B - 电动工具以及适用于电机的制动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动工具，包括：电机和制动电路，电机包括：励磁绕组电路和电枢电路，制动电路具有驱动状态和制动状态，其包括：操作开关，用于切换驱动状态和制动状态；第一环流电路，在制动电路处于制动状态时与电枢电路构成一个单向导通的回路，第二环流电路，在制动电路处于制动状态且第一环流电路断开时与励磁绕组电路构成一个单向导通的回路；储能电路，在制动电路处于驱动状态时储存电能而在制动电路处于制动状态时释放电能；控制电路，能根据储能电路的所储存电量控制第一环流电路导通的占空比。本发明的制动电路能够安全可靠的实现电机的快速刹车。

Description

电动工具以及适用于电机的制动电路

技术领域

本发明涉及一种电动工具，具体涉及一种能够实现刹车的制动电路。

背景技术

传统的单相串励换向器电动机的驱动装置通常在励磁绕组两端设置双极双掷开关来切换励磁绕组的连接方向，改变电动机的转矩方向，实现电动机的制动。常态下，电枢绕组和励磁绕组串联连接，再连接至电源。当电枢绕组或励磁绕组被反向连接时，串联连接的电枢绕组和励磁绕组被短路，形成一个电流回路，从而产生与常态下相反方向的转矩，实现制动。在制动过程中，与电动机转速相应的制动电流流过电流回路，因此，在制动开始时，制动电流过大，该过大的制动电流会导致电动机的换向器产生火花、容易损坏，机器产生强烈振动和噪音，缩短了机器的使用寿命以及降低了用户的操作舒适性。

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快速实现刹车的制动电路。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种适用于电机的制动电路，其具有使电机转动的驱动状态和使电机刹车的制动状态，制动电路

包括：

第一电源接入端，用于接入电源的一端；

第二电源接入端，用于接入电源的另一端；

操作开关组，包括：联动的第一切换开关和第二切换开关；

第一切换开关包括：第一开关端、第二开关端和第三开关端，第一切换开关具有使第一开关端与第二开关端连通和使第一开关端与第三开关端连通的两种状态；

第二切换开关包括：第四开关端、第五开关端和第六开关端，第二切换开关具有使第四开关端与第五开关端连通和使第四开关端与第六开关端连通的两种状态；

当第一切换开关由第一开关端与第二开关端连接的状态切换至第一开关端与第三开关端连接的状态时，第二切换开关同时由第四开关端与第五开关端连接的状态切换至第四开关端与第六开关端连接的状态；

处于驱动状态时第一开关端与第二开关端连接、第四开关端与第五开关端连接；

处于制动状态时第一开关端与第三开关端连接、第四开关端与第六开关端连接；

第三开关端连接至第五开关端；

制动电路还包括：

第一环流电路，两端分别连接至第六开关端和第二电源接入端；

第二环流电路，两端分别连接至第三开关端和第六开关端；

储能电路，包括一个电能存储元件；

控制电路，至少与第三开关端和第六开关端分别连接以采集这两处的电压；

其中，

第一环流电路包括：

半导体开关，能使第一环流电路导通或断开；

第一单向导通元件，能使第一环流电路仅由第六开关端向第二电源接入端单向导通；

第二环流电路包括：

第二单向导通元件，能使第二环流电路仅由第六开关端向第三开关端单向导通；

储能电路一端连接至第三开关端，另一端连接至第一单向导通元件使流经储能电路的电流仅能由第三开关端流向第二电源接入端端；

控制电路包括：

控制器，能根据控制电路采集的电压控制半导体开关导通的占空比；

在操作开关组处于驱动状态时，电能存储元件存储电能，控制电路断电，半导体开关断开；

在操作开关组处于制动状态时，电能存储元件释放电能，控制电路通电控制半导体开关导通的占空比，并随着电能存储元件电能的释放逐渐提高半导体开关导通的占空比。

进一步地，制动电路还包括：

供电电路，用于给控制电路供电。

进一步地，供电电路将电能存储元件释放的电能供给控制电路；供电电路连接至第六开关端和电能存储元件负极之间；供电电路至少包括：

一个延时元件，能在制动电路处于制动状态时储存电能并在一预设时长内将电能供给控制电路使其延时断电。

进一步地，半导体开关为一场效应管，其漏极连接至第六开关端，其栅极连接至控制电路，其源极连接至第一单向导通元件的正极端。

进一步地，电能存储元件为一个电容元件，其正极连接至第三开关端，负极连接至半导体开关和第一单向导通元件之间。

本发明还提出一种电动工具，包括：电机和制动电路，电机包括：励磁绕组电路和电枢电路，制动电路具有驱动状态和制动状态，其包括：

操作开关，用于切换驱动状态和制动状态；

在驱动状态时，操作开关使励磁绕组电路与电枢电路同向串联；

在制动状态时，操作开关使励磁绕组电路与电枢电路反向串联；

还包括：

第一环流电路，在制动电路处于制动状态时至少与电枢电路构成一个单向导通的回路；

第二环流电路，在制动电路处于制动状态且第一环流电路断开时至少与励磁绕组电路构成一个单向导通的回路；

控制电路，在制动电路处于制动状态时根据励磁绕组电路或者电枢电路中由于反向电动势产生的电压控制第一环流电路导通的占空比。

进一步地，制动电路还包括：

储能电路，至少在制动电路处于驱动状态时储存电能而在制动电路处于制动状态且第一环流电路导通时释放电能；

供电电路，至少在制动电路处于制动状态且第一环流电路断开时能从储能电路处获取电能并供给控制电路；

供电电路连接至控制电路、第二环流电路和储能电路。

进一步地，供电电路至少包括：

一个延时元件，能在所处操作开关处于制动状态时储存电能并在一预设时长内将电能供给控制电路使其延时断电。

进一步地，储能电路包括：一个极性固定的电容元件；

第一环流电路包括：一个半导体开关；

控制电路采集电容元件正极的电压和半导体开关两端的电压。

进一步地，电容元件在制动电路处于驱动状态时充电，在制动电路处于制动状态时，若第一环流回路导通，则释放电能。

本发明的有益之处在于：本发明的制动电路通过检测储能电路的电压调节半导体开关导通的占空比，使得刹车时间和刹车电流控制在预设范围内，从而能够快速实现制动，安全可靠。

附图说明

图1所示为本发明的电动工具中的电机和制动电路的模块电路图；

图2所示为图1中的电机和制动电路的具体结构图；

图3所示为图2中的电机和制动电路连接图，此时制动电路处于驱动状态；

图4所示为图3中的电机和制动电路连接图，此时制动电路处于制动状态，且第一环流电路导通而第二环流电路断开；

图5所示为图3中的电机和制动电路连接图，此时制动电路处于制动状态，且第一环流电路断开而第二环流电路导通；

图6所示为本发明的制动电路处于驱动状态时的等效电路图；

图7所示为本发明的制动电路中形成第一回路时的等效电路图；

图8所示为本发明的制动电路中形成第二回路时的等效电路图；

图9所示为本发明的控制电路的电路结构图。

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。

本发明提出一种电动工具，该电动工具包括电机和制动电路，其中制动电路能够使得电机快速的实现刹车。

图1所示为本发明的电动工具中的电机和制动电路的模块电路图；图2所示为图1中的电机和制动电路的具体结构图。请一并参照图1和图2，电动工具包括：电机1、制动电路2和电源3，电源3用于给电机1供电使其运转；电机1包括：定子和转子，定子包括：定子铁芯（图未示）和励磁绕组11，转子包括：转子铁芯（图未示）和电枢12、换向器（图未示）。励磁绕组11中包括多个串联的线圈，多个线圈之间串联成励磁绕组电路111，励磁绕组电路111的两端分别为第一端a、第二端b；电枢12具有与励磁绕组电路111串联的电枢电路121，电枢电路121的两端分别为第三端c、第四端d；制动电路2能使电机1快速实现刹车，该制动电路2当然也不仅仅适用于电机1，可以理解的，该制动电路2同样的也适用于其他的带电装置。以下具体介绍本发明的制动电路2的具体结构和工作原理：

图3所示为图2中的电机和制动电路连接图，此时制动电路处于驱动状态；图4所示为图3中的电机和制动电路连接图，此时制动电路处于制动状态，且第一环流电路导通而第二环流电路断开；图5所示为图3中的电机和制动电路连接图，此时制动电路处于制动状态，且第一环流电路断开而第二环流电路导通。请一并参照图1至图5：

制动电路2具有驱动状态（图3所示）和制动状态（图4和图5所示），其中，驱动状态是指电机1在电源3的驱动下正常工作，制动状态是指制动电路2使电机1刹车的过程。具体的，制动电路2包括：操作开关组21、第一环流电路22、第二环流电路23、储能电路24和控制电路25。

操作开关组21使制动电路2在驱动状态和制动状态之间切换，在驱动状态时，操作开关组21使励磁绕组电路111与电枢电路121同向串联；在制动状态时，操作开关组21使励磁绕组电路111与电枢电路121反向串联。这里的同向串联和反向串联指的是励磁绕组电路111和电枢电路121串联，当励磁绕组电路111的第二端b与电枢电路121的第三端c连接时则为同向串联，而当励磁绕组电路111反接时即励磁绕组电路111的第一端a与电枢电路121的第三端c连接时则为反向串联，当然连接方式并不以此为限，只要其中一个在制动状态时相对驱动状态反接即可。

具体的，操作开关组21包括：第一切换开关211和第二切换开关212，第一切换开关211包括：第一开关端e、第二开关端f和第三开关端g，第一切换开关211具有使第一开关端e与第二开关端f连通和使第一开关端e与第三开关端g连通的两种状态；第二切换开关212包括：第四开关端h、第五开关端i和第六开关端j，第二切换开关212具有使第四开关端h与第五开关端i连通和使第四开关端h与第六开关端j连通的两种状态。其中，第三开关端g与第五开关端i连接，第二开关端f还与制动电路2的一个第一电源接入端k连接，该第一电源接入端k用于接入电源3的一端，制动电路2还包括一个第二电源接入端l，该第二电源接入端l用于接入电源3的另一端，第二电源接入端l与电枢电路121的第四端d连接。以上具体结构中，第一切换开关211和第二切换开关212之间为相互联动结构，即当第一切换开关211由第一开关端e与第二开关端f连接的状态切换至第一开关端e与第三开关端g连接的状态时，第二切换开关212同时由第四开关端h与第五开关端i连接的状态切换至第四开关端h与第六开关端j连接的状态，且当第一开关端e与第二开关端f连接、第四开关端h与第五开关端i连接时，制动电路2处于驱动状态；而当第一开关端e与第三开关端g连接、第四开关端h与第六开关端j连接时，制动电路2处于制动状态。

第一环流电路22用于在制动电路2处于制动状态时与电枢电路121构成一个单向导通的回路（如图4和图7中的虚线回路所示），该第一环流电路22的两端分别连接到第六开关端j和第二电源接入端l。具体的，第一环流电路22包括：半导体开关221和第一单向导通元件222。该半导体开关221能使第一环流电路22导通或断开，第一单向导通元件222能使第一环流电路22仅能由第六开关端j向第二电源接入端l单向导通。

第二环流电路23在制动电路2处于制动状态且第一环流电路22断开时与励磁绕组电路111构成一个单向导通的回路（如图5和图8中的虚线回路所示），该第二环流电路23的两端分别连接到第三开关端g和第六开关端j。具体的，第二环流电路23包括：第二单向导通元件231，第二单向导通元件231能使第二环流电路23仅能由第六开关端j向第三开关端g单向导通。

储能电路24在制动电路2处于驱动状态时储存电能而在制动电路2处于制动状态且第一环流电路22导通时释放电能，而在第一环流电路22断开时则由电枢电路121给其充电。具体的，该储能电路24包括一个电能存储元件241，储能电路24的一端连接至第三开关端g，另一端连接至第一单向导通元件222，从而流经储能电路24的电流仅能由第三开关端g流向第二电源接入端l。作为优选方案，该电能存储元件241为一个极性固定的电容元件C1。

控制电路25电连接至储能电路24和第二环流电路23，且在制动电路2处于制动状态时，根据励磁绕组电路111或者电枢电路121中由于反向电动势产生的电压控制第一环流电路22的导通的占空比，进一步的，因而本发明中还设有储能电路24，且储能电路24的正极与电枢电路121的正极连接，本发明中也可以根据储能电路24的所储存电量控制第一环流电路22导通的占空比。具体的，该控制电路25为一单片机（如图9所示），该单片机包括：第一检测端251、第二检测端252和一个控制器253，该第一检测端251、第二检测端252还分别连接第三开关端g和第六开关端j并分别采集第三开关端g处的电压HV（电容元件C1正极电压）和第六开关端j处的电压Braking（半导体开关221两端的电压），控制器253连接半导体开关221，控制器253根据所采集的第三开关端g处的电压HV和第六开关端j处的电压Braking控制半导体开关221导通的占空比，通过调节半导体开关221的导通占空比控制半导体的导通和断开。通过单片机检测电容元件C1的电压来控制半导体开关221导通的占空比，能够控制刹车电流的大小，避免出现烧毁电路的现象，安全可靠。

作为优选方案，本发明的制动电路2中还包括一个供电电路26，该供电电路26用于给控制电路25供电，优选的，在本发明中供电电路26还可以直接将电能存储元件241释放电能供给控制电路25。具体的，供电电路26连接于第六开关端j和电能存储元件241负极之间，该供电电路26至少包括；一个延时元件（图未示），能在制动电路2处于制动状态时并能在一预设时长内将电能供给控制电路25使其延时断电，储能电路24在制动状态时首先给供电电路26供电，供电电路26中的延时元件能够存储电能并给控制电路25供电，当储能电路24停止给供电电路26供电时，延时元件仍然能够将自身所存储的电能供给控制电路25使其延时断电。

作为优选方案，所述半导体开关221为一场效应管Q1，其漏极连接至所述第六开关端j，其栅极连接至控制电路25，其源极连接至第一单向导通元件222的正极端；电能存储元件241为一个电容元件C1，其正极连接至第三开关端g，负极连接至半导体开关221和第一单向导通元件222之间；第一单向导通元件222和第二单向导通元件231分别为二极管D1和D2。

最为优选方案，控制电路25根据检测到的第三开关端g处的电压HV也即是电能存储元件241两端的电压（电容元件C1的电量）调节半导体开关221导通占空比，并且随着电能存储元件241电能的释放逐渐提高半导体开关221导通的占空比，从而能够将刹车时间和刹车电流控制在一个合理的范围内。

以下具体介绍本发明的制动电路2的工作原理：

如图3所示，首先，第一步，操作开关组21使制动电路2处于驱动状态，即第一切换开关211的第一开关端e连接第二开关端f，第二切换开关212的第四开关端h连接第五开关端i，而第三开关端g和第六开关端j处于悬空状态，这时，控制电路25断电，半导体开关221断开，而电源3与励磁绕组电路111、电枢电路121构成驱动回路（如图3和图6所示），电机1正常运转，电动工具处于工作状态，同时因为储能电路24中的电能存储元件241（电容元件C1）的正极连接到励磁绕组电路111和电枢电路121之间，负极连接到电枢电路121的另一端，因此在驱动状态时，电源3还能给储能电路24充电，电能存储元件241能够储能使其满电；第二步，当需要使电动工具停机时，触动操作开关组21使得制动电路2处于制动状态，参见图4，此时第一切换开关211的第一开关端e连接第三开关端g，第二切换开关212的第四开关端h连接第六开关端j，而第二开关端f和第五开关端i处于悬空状态，这时因为储能电路24中的电能存储元件241中存储有电量，而供电电路26电连接控制电路25、第二环流电路23和储能电路24，因而电能存储元件241释放电能，给供电电路26供电，从而供电电路26给控制电路25供电使得控制电路25工作；第三步，控制电路25控制半导体开关221（场效应管Q1）导通的占空比，当其导通时，如图4和图7所示，此时在励磁绕组电路111、第一环流电路22（场效应管Q1和二极管D1）和电枢电路121之间形成第一回路；第三步，当半导体开关221（场效应管Q1）断开时，第一环流电路22断开，如图5和图8所示，此时因为励磁绕组电路111中还积蓄有能量，在励磁绕组电路111和第二环流电路23（二极管D2）之间形成第二回路，同时，电枢电路121还给储能电路24充电；第四步，当控制电路25控制半导体开关221（场效应管Q1）再次导通时，以下重复第二步和第三步的过程，直至实现刹车。

在本发明中，在制动状态时，当形成第一回路时，第一环流电路22导通，第二环流电路23断开，此时励磁绕组电路111与电枢电路121反向串接，使得电枢电路121产生与旋转方向相反的制动转矩，使得电枢12的旋转速度降低，产生制动；当形成第二回路时，第一环流电路22断开，而第二环流电路23导通，此时也可以使得电枢12中产生损耗，降低转速。通过第一回路和第二回路之间的来回切换，最终实现电机1的刹车制动。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种适用于电机的制动电路，其具有使所述电机转动的驱动状态和使所述电机刹车的制动状态，所述制动电路

包括：

第一电源接入端，用于接入电源的一端；

第二电源接入端，用于接入电源的另一端；

操作开关组，包括：联动的第一切换开关和第二切换开关；

所述第一切换开关包括：第一开关端、第二开关端和第三开关端，所述第一切换开关具有使所述第一开关端与所述第二开关端连通和使所述第一开关端与所述第三开关端连通的两种状态；

所述第二切换开关包括：第四开关端、第五开关端和第六开关端，所述第二切换开关具有使所述第四开关端与所述第五开关端连通和使所述第四开关端与所述第六开关端连通的两种状态；

当所述第一切换开关由所述第一开关端与所述第二开关端连接的状态切换至所述第一开关端与所述第三开关端连接的状态时，所述第二切换开关同时由所述第四开关端与所述第五开关端连接的状态切换至所述第四开关端与所述第六开关端连接的状态；

处于所述驱动状态时所述第一开关端与所述第二开关端连接、所述第四开关端与所述第五开关端连接；

处于所述制动状态时所述第一开关端与所述第三开关端连接、所述第四开关端与所述第六开关端连接；

所述第三开关端连接至所述第五开关端；

其特征在于，所述制动电路还包括：

第一环流电路，两端分别连接至所述第六开关端和所述第二电源接入端；

第二环流电路，两端分别连接至所述第三开关端和所述第六开关端；

储能电路，包括一个电能存储元件；

控制电路，至少与所述第三开关端和所述第六开关端分别连接以采集这两处的电压；

其中，

所述第一环流电路包括：

半导体开关，能使所述第一环流电路导通或断开；

第一单向导通元件，能使所述第一环流电路仅由所述第六开关端向所述第二电源接入端单向导通；

所述第二环流电路包括：

第二单向导通元件，能使所述第二环流电路仅由所述第六开关端向所述第三开关端单向导通；

所述储能电路一端连接至所述第三开关端，另一端连接至所述第一单向导通元件使流经所述储能电路的电流仅能由所述第三开关端流向所述第二电源接入端；

所述控制电路包括：

控制器，能根据所述控制电路采集的电压控制所述半导体开关导通的占空比；

在所述操作开关组处于所述驱动状态时，所述电能存储元件存储电能，所述控制电路断电，所述半导体开关断开；

在所述操作开关组处于所述制动状态时，所述电能存储元件释放电能，所述控制电路通电控制所述半导体开关导通的占空比，并随着电能存储元件电能的释放逐渐提高所述半导体开关导通的占空比。

2.根据权利要求1所述的适用于电机的制动电路，其特征在于，还包括：

供电电路，用于给所述控制电路供电。

3.根据权利要求2所述的适用于电机的制动电路，其特征在于，所述供电电路将所述电能存储元件释放的电能供给所述控制电路；所述供电电路连接至所述第六开关端和所述电能存储元件负极之间；所述供电电路至少包括：一个延时元件，能在所述制动电路处于所述制动状态时储存电能并在一预设时长内将电能供给所述控制电路使其延时断电。

4.根据权利要求1所述的适用于电机的制动电路，其特征在于，所述半导体开关为一场效应管，其漏极连接至所述第六开关端，其栅极连接至所述控制电路，其源极连接至所述第一单向导通元件的正极端。

5.根据权利要求1所述的适用于电机的制动电路，其特征在于，所述电能存储元件为一个电容元件，其正极连接至所述第三开关端，负极连接至所述半导体开关和所述第一单向导通元件之间。