CN106411187A - 电动工具及其无刷电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动工具及其无刷电机的控制方法，电动工具包括：电源模块、电机、控制器、驱动模块和检测模块。电源模块用于提供电动工具所需的电能，电机用于在电能驱动下实现电动工具的具体功能，驱动模块用于驱动电机转动，控制电路用于控制驱动模块，检测模块用于检测电机的电压、电流并向控制电路进行反馈。其中控制方法通过配置电容等相移补偿元件缩小反向电动势过零判断的滞后并且通过对驱动电路控制实现启动、定位和刹车等动作。以上方案能使无刷电机从结构和控制两方面都能适于电动工具的需求，尤其是打磨类的砂光机的需求。

Description

电动工具及其无刷电机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电动工具及其无刷电机的控制方法。

背景技术

无刷电机一般由电机本身和相应驱动电路组成，无刷电机相比有刷电机而言其运转噪音低并且寿命更长。一般而言，按照是否具有检测转子位置的传感器来区分，无刷电机分为有感控制的无刷电机和无感控制的无刷电机。对于无感控制的无刷电机而言如何实现电机的启动、换相和刹车对电机运行十分重要，尤其是在无感控制的无刷电机应用在电动工具时，根据工具的特点，对无刷电机的控制也是不尽相同的。

发明内容

电动工具，包括：电机，包括若干相绕组，若干检测电路，用于检测电机中各相绕组的电压变化；控制器，用于处理检测电路中的电压信号；其中，各个检测电路均连接至中性检测点；检测电路包括：第一电阻，一端连接至电机的其中一相绕组；第二电阻，一端连接至等电位点；第三电阻，一端连接至中性检测点；滤波电容，用于对该检测电路所连接的绕组的电压信号进行滤波；相移电容，用于使中性检测点处的电压信号相位超前于经过滤波电容滤波后的电压信号；第一电阻、第二电阻和第三电阻各自的另一端连接在一起作为该检测电路所连接的绕组的相检测点；滤波电容与第二电阻并联；相移电容与第三电阻并联；控制器分别采集中性检测点的电压信号和各个检测电路中经过各自滤波电容滤波后的电压信号。

进一步地，第一电阻的阻值大于第二电阻的阻值。

进一步地，第一电阻的阻值大于第三电阻的阻值。

进一步地，第二电阻的阻值等于第三电阻的阻值。

进一步地，滤波电容的容值小于相移电容的容值。

进一步地，电动工具为砂光机。

一种无刷电机的控制方法，包括：采集无刷电机各相绕组的电压作为相电压信号；将初始相电压信号进行滤波得到滤波电压信号；将多个滤波电压信号均进行相移补偿后输出至中性检测点，形成相位超前于滤波电压信号的中性点电压信号；对滤波电压信号和中性点电压信号进行运算和比较，在中性点电压信号满足预设条件时开始计时，在满足预设时长后使无刷电机的驱动电路切换至下一个驱动状态。

进一步地，在检测不到满足预设条件的中心性点电压信号时，按照预设的顺序和时间间隔强制切换无刷电机的驱动电路的驱动状态。

进一步地，强制切换无刷电机的驱动电路的驱动状态所依照的顺序与在检测满足预设条件的中心性点电压信号时驱动电路正常切换驱动顺序的相同。

进一步地，使无刷电机的绕组在预设时长内保持在一个驱动状态，然后切换至下一个驱动状态并同样保持预设时长；使无刷电机的绕组所产生的磁场偏转一个预设角度。

进一步地，使无刷电机中其中一相绕组悬空，使其他绕组短路连接。

进一步地，使无刷电机中的绕组交替作为悬空相绕组。

附图说明

图1是本发明的电动工具的优选实施例的示意图；

图2是本发明的电动工具中驱动电路以及电机的一个优选实施例的示意图；

图3是本发明的电动工具中检测电路的一个优选实施例的示意图；

图4是向绕组VU施加电压时，转子位置的示意图；

图5是向绕组VU施加电压时，转子处于另一位置的示意图；

图6使向绕组WU施加电压时，转子位置的示意图。

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。

如照图1所示的电动工具包括：电源模块、电机、控制器、驱动模块和检测模块。作为优选该电动工具具体为由接入电网中的交流电作为电源的砂光机。

其中，电源模块用于提供电动工具所需的电能，电机用于在电能驱动下实现电动工具的具体功能，驱动模块用于驱动电机转动，控制电路用于控制驱动模块，检测模块用于检测电机的电压、电流并向控制电路进行反馈。

作为一种优选方案，电机为无刷电机，更具体而言，为无感控制的无刷电机，即在控制该电机时，仅仅通过所检测电压或电流信号判断换相时机而不是通过传感器直接检测转子的位置。

如图2所示，电机包括若干相绕组，具体而言包括三相绕组，作为优选方案，三相绕组构成星型连接，即三相绕组的一端连接在一起构成中性点O，它们各自的另一端分别定义为相接入端U、V、W,为了方便说明，在以下的说明书中以相接入端名称来区分具体的绕组相，即将三相绕组分别定义为U相绕组、V相绕组和W相绕组。 需要说明的是，绕组既可以作为电机的定子也可以作为电机的转子，以下以绕组作为定子的情况进行说明，以绕组作为转子的情况本领域一般技术人员是可以知悉的。

驱动模块可以包括如图2所示的驱动电路，该驱动电路由6个开关Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23构成六臂全桥电路，相接入端U、V、W分别连接至该驱动电路，通过控制6个开关元件Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23导通和关断的状态，能够通过控制电源模块加载在相接入端U、V、W的电压的状态改变绕组产生的磁场，从而使电机的转子被驱动或被刹车。驱动电路所处的状态与绕组被加载电压的状态是一一对应的，一旦驱动电路所处的状态改变，则绕组被加载的电压情况也就发生改变。将驱动电路在正常驱动电机转动时所处的状态定义为驱动状态，将驱动状态的切换称之为电机的换相。

对于图2所示的方案而言，在正常驱动时，一般包括6个驱动状态，这6个驱动状态均是使其中一相绕组的相接入端悬空，而在另外两相绕组的相接入端施加一个电压；如果我们被施加电压的两个相接入端来表示驱动状态的话，这6个驱动状态是VU、WU、WV、UV、UW、VW,我们将接入电压的两个相接入端中电位较高的一个放在前面，比如VU和UV区别在于前者相接入端V作为高压端、后者相接入端U作为高压端；另外在实际电机启动时，是会根据具体情况选择最先输出的驱动状态的，但是一般而言，驱动状态在正常驱动时的切换次序是一定的。

如图2所示，为了实现电控，驱动电路中的开关元件Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23可以采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管，Insulated Gate Bipolar Transistor)，当然也可以采用MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管，Metallic oxide semiconductor field effect transistor）等具有一个信号控制端和两个开关端的半导体元件。控制器中的MCU芯片可以通过发送控制信号，从该改变开关端的状态从而控制驱动电路的驱动状态。

参照图3所示，检测模块包括多个检测电路，具体而言，检测电路的数目是与电机绕组的相数是相对应的，对于图2所示的电机而言，所需的检测电路的数目为3。检测电路的目的在于使控制器能在电机外部检测出或模拟出电机绕组中相应的电压信号，这样好处在于其能通过分压以及滤波等过程模拟出与电机内部对应且适于控制器采集的电压信号，尤其是在电压被高压驱动（比如电网电压）的状态下，一般的MCU控制并不能采集如此大电压信号。

如图3所示，与相接入端U、V、W分别连接的检测电路均连接至中性检测点，该点用来模拟电机中中性点的信号。

以连接到相接入端U的检测电路为例，其包括：第一电阻R11，第二电阻R12、第三电阻R13、滤波电容C11和相移电容C12。

其中，第一电阻的一端连接至相接入端U，它的另一端连接至U相绕组的相检测点b。第一电阻的作用调整相检测点b的电压信号的幅值。

第二电阻R12一端连接至一个等电位点，；第二电阻R12的另一端也连接至U相绕组的相检测点b。

对于各个检测电路而言，它们的第二电阻R12均连接至该等电位点；对于整个电动工具的电路而言，该电位点可以作为最低电位点，或者称之为接地点，该点的电位往往与电源相关，在采用电池供电时，其与电池负极的电位相同，在采用电网供电时其电位相当于地线的电位。以下为了方便说明，简称该点为接地点。

第三电阻R13的一端连接至中性检测点a，其另一端也连接至U相绕组的相检测点b。

滤波电容C11连接在U相绕组的相检测点b和接地点之间，其作用在于滤除来此绕组的电压信号的纹波和干扰，使在相检测点b处获得滤波之后的电压信号，第二电阻R12作用在于提供滤波电容C11两端通过电路的通路。

相移电容C12的作用在于使中性检测点a的电压信号在相位上超前于相检测点b处的电压信号。第三电阻R13作用在于提供相移电容C12两端通过电路的通路。

对于无感控制的无刷电机而言，一般可以通过反向电动势过零法来判断换相时机，在理想状态下，在检测到反向电动势过零后再等待预设相位（时间）后换相正好能与实际换相位置所对应，这样就能够实现无感控制换相。

在实际检方案中，都是通过对中性点O的电压与相接入端U、V、W的电压进行比较来判断是否发生过零事件。

对应到图3所示的检测电路，为了使MCU芯片能够检测，利用中性检测点a的电压信号替代中性点O的电压信号，用各相的相检测点b、c、d代替各相的电压。

因为滤波造成的滞后，各相的相检测点b、c、d的电压信号相对于相接入端U、V、W的电压信号已经滞后，并且控制都是滞后的如果不采取措施，滞后积累可能会导致控制器判断发生过零事件时，已经过了相应的换相时机，这样即使采用直接跳到下一个驱动状态的方法，也会造成电机驱动“失步”，从而降低电机的能力，并且当电动工具为砂光机等打磨类的电动工具时，这样会电机抖动从而造成危险，因为操作者往往是根据电机转速来调整打磨力度，电机突然地“失步”会使整个电动工具受力发生变化从脱离操作的控制。

因此，采用以上检测电路的方案，能使中性检测点a的电压信号超前一定相位，避免错过对应的换相时机。

更具体而言，作为一种优选方案，在本发明的电动工具中，直接将各个相检测点和中性检测点的电压信号直接输入到控制器中芯片中，然后通过滞后和超前的相位关系（因为一旦电容选定了这些关系是确定的）是可以通过软件运算，比如采用差分的方法来运算出实际的情况，但是如果没有中性检测点的电压信号的超前，那么无法对应实时情况的控制，因为运算再快也需要时间，而中性检测点的电压信号的超前相当于降低了由于运算和控制所带来的滞后。

作为优选方案，第一电阻的阻值大于第二电阻的阻值；第一电阻的阻值大于第三电阻的阻值。

作为优选方案，第二电阻的阻值等于第三电阻的阻值。

作为优选方案，滤波电容比相移电容相小，并且其本身是nF级的，这样好处在于滤波电容相应较快能降低延迟

以下介绍基于以上所介绍的放案无刷电机的控制方法，其中一个方法为判断反向电动势过零的方法，该方法包括：

采集无刷电机各相绕组的电压作为相电压信号；

将初始相电压信号进行滤波得到滤波电压信号；

将多个滤波电压信号均进行相移补偿后输出至中性检测点，形成相位超前于滤波电压信号的中性点电压信号；

对滤波电压信号和中性点电压信号进行运算和比较，在中性点电压信号满足预设条件时开始计时，在满足预设时长后使无刷电机的驱动电路切换至下一个驱动状态。

另外，在电机启动或其他转速不足的情况下，往往检测不到反向电动势或代表反向电动势过零的事件时，具体到以上方案就是检测不到满足预设的判断条件的中性点电压信号时，按照预设的顺序和时间间隔强制切换无刷电机的驱动电路的驱动状态。

作为优选方案，在强制启动的过程中，切换驱动状态的顺序与正常驱动时驱动状态的切换顺序是相同的。

另在，在启动时，即使是强制启动也需要确定转子的位置以确定对应的输出状态，在本发明中采用的是主动定位的方法，如图4所示，使驱动电路处于VU的驱动状态，会产生相应的磁场使转子转动至图4所示的位置，但是如果刚好转子处于图5所示的相差180度的位置则无法转动至图4所示位置，则定位失败，为了解决该问题，本发明采用二次定位的方法，再将驱动状态保持在WU一定时间，此时无论处于任何位置的转子均会转动至图6所示的位置，该方法无刷电机的绕组在预设时长内保持在一个驱动状态，然后切换至下一个驱动状态并同样保持预设时长；使无刷电机的绕组所产生的磁场偏转一个小于180度的预设角度。作为具体的方案，可以按照正常驱动时驱动状态切换次序选取两个相邻的驱动状态，使驱动电路依次保持在这两个驱动状态一定时间，从而实现定位。

另外，在电机进行刹车时，由于电动工具的特殊性，不希望剧烈刹车，因此在进行刹车时，总保持一相绕组悬空而使其余绕组短路连接。

当然，作为优选方案，在刹车过程中并不是一直固定那一相一直作为悬空相，而是通过控制驱动电路不断切换悬空的绕组和短路连接的绕组。比如先使W相绕组悬空，使其余两相绕组短接，在预设时间满足后，再使U相悬空，短接W相绕组和V相绕组，这样好处在于能够兼顾刹车速度和平稳程度。

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 (12)

1.电动工具，包括：

电机，包括若干相绕组，

若干检测电路，用于检测所述电机中各相绕组的电压变化；

控制器，用于处理所述检测电路中的电压信号；

其中，各个检测电路均连接至中性检测点；

所述检测电路包括：

第一电阻，一端连接至所述电机的其中一相绕组；

第二电阻，一端连接至等电位点；

第三电阻，一端连接至所述中性检测点；

滤波电容，用于对该检测电路所连接的绕组的电压信号进行滤波；

相移电容，用于使所述中性检测点处的电压信号相位超前于经过所述滤波电容滤波后的电压信号；

所述第一电阻、第二电阻和第三电阻各自的另一端连接在一起作为该检测电路所连接的绕组的相检测点；所述滤波电容与所述第二电阻并联；所述相移电容与所述第三电阻并联；

所述控制器分别采集所述中性检测点的电压信号和各个所述检测电路中经过各自滤波电容滤波后的电压信号。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述第一电阻的阻值大于所述第二电阻的阻值。

3.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述第一电阻的阻值大于所述第三电阻的阻值。

4.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述第二电阻的阻值等于所述第三电阻的阻值。

5.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述滤波电容的容值小于所述相移电容的容值。

6.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具为砂光机。

7.一种无刷电机的控制方法，包括：

采集无刷电机各相绕组的电压作为相电压信号；

将初始相电压信号进行滤波得到滤波电压信号；

将多个所述滤波电压信号均进行相移补偿后输出至中性检测点，形成中性点电压信号；

对所述滤波电压信号和所述中性点电压信号进行运算和比较，在所述中性点电压信号满足预设条件时开始计时，在满足预设时长后使所述无刷电机的驱动电路切换至下一个驱动状态。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括：

在检测不到满足预设条件的所述中心性点电压信号时，按照预设的顺序和时间间隔强制切换所述无刷电机的驱动电路的驱动状态。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，强制切换所述无刷电机的驱动电路的驱动状态所依照的顺序与在检测满足预设条件的所述中心性点电压信号时驱动电路正常切换驱动顺序的相同。

10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括：

使所述无刷电机的绕组在预设时长内保持在一个驱动状态，然后切换至下一个驱动状态并同样保持预设时长；使所述无刷电机的绕组所产生的磁场偏转一个预设角度。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，还包括：

使所述无刷电机中其中一相绕组悬空，使其他绕组短路连接。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，使所述无刷电机中的绕组交替作为悬空相绕组。