CN107294438A - 电动工具及其电机驱动系统 - Google Patents

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罗育东
陈金舟
高永生
邹建勋
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Abstract

一种电机驱动系统，包括：逆变器，包括上半桥和下半桥，该上半桥和该下半桥分别包括至少两个半导体开关元件，该逆变器用于将电源提供的电压转换为交流电以驱动电机；微控制器，在电机制动时，发送驱动信号交替控制该逆变器的上半桥的半导体开关元件两两导通及该逆变器的下半桥的半导体开关元件两两导通，使得电机绕组与导通的半导体开关元件形成回路；及电容，当电机制动时，该电容为该微控制器供电。本发明还提供一种电动工具，在制动过程中，通过电容为微控制器供电，进而达到省电之效果。

Description

电动工具及其电机驱动系统
技术领域
本发明涉及一种电动工具，尤其涉及一种可应用于该电动工具的电机驱动系统。
背景技术
电动工具，被广泛应用于人们生产生活中。目前，电机的制动可通过将上半桥或下半桥的半导体开关元件两两导通或三三导通，来驱动电机停止运转，然而在制动过程中需要电源持续为微控制器供电，以使微控制器输出制动信号至上半桥开关或下半桥开关。但是如此，造成了电源的浪费。
发明内容
本发明提供一种电动工具和电机驱动系统，在制动过程中，通过电容为微控制器供电，进而达到省电之效果。
本发明的实施例提供一种电机驱动系统，包括：
逆变器，包括上半桥和下半桥，该上半桥和该下半桥分别包括至少两个半导体开关元件，该逆变器用于将电源提供的电压转换为交流电以驱动电机；
微控制器，在电机制动时，发送驱动信号交替控制该逆变器的上半桥的半导体开关元件两两导通及该逆变器的下半桥的半导体开关元件两两导通，使得电机绕组与导通的半导体开关元件形成回路；及
电容，当电机制动时，该电容为该微控制器供电。
较佳的，该上半桥和该下半桥还分别包括并联在每个半导体开关元件两端的续流二极管；当电机转速大于一第一预定值且小于一第二预定值，该微控制器在电机制动过程中，且当该电容的电压值低于一预定值时，该微控制器还发送驱动信号控制该导通的两半导体开关元件中的一半导体开关元件断开，电机绕组通过该导通的半导体开关元件，及并联在与该断开的半导体开关元件上下同侧的另一半导体开关元件两端的续流二极管，为该电容充电。
较佳的，该电机驱动系统还包括二极管，该二极管的阳极与该微控制器、该电容及该逆变器连接，该二极管的阴极与该电源连接，当电机转速大于该第二预定值时，该电机绕阻同时为该电容及该电源充电。
较佳的，该电机定子绕组的数量为至少两个，当该微控制器在制动时，依据电机转子磁极位置，确定产生最大反电动势的第一电机绕组和产生最小反电动势的第二电机绕组，并发送驱动信号交替控制上半桥中半导体开关元件和下半桥中半导体开关元件导通，其中，该导通的上半桥半导体开关元件为上半桥中分别控制该第一电机绕组和该第二电机绕组的第一半导体开关元件和第二半导体开关元件，该导通的下半桥半导体开关元件为下半桥中分别控制该第一电机绕组和该第二电机绕组的第三半导体开关元件和第四半导体开关元件，该第一电机绕组和该第二电机绕组通过导通的第一半导体开关元件和导通的第二半导体开关元件或通过导通的第三半导体开关元件和导通的第四半导体开关元件短接。
较佳的，该上半桥和该下半桥还分别包括并联在每个半导体开关元件两端的续流二极管；该微控制器还在上半桥的第一半导体开关元件和第二半导体开关元件导通，且当该电容的电压低于一预定值时，控制对应控制该第二电机绕组的第二半导体开关元件截止，该第一电机绕组和该第二电机绕组通过导通的第一半导体开关元件，及并联在与该第二半导体开关元件上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管为该电容充电；在下半桥的第三半导体开关元件和第四半导体开关元件导通，且当该电容的电压低于该预定值时，控制对应控制该第一电机绕组的下半桥的第三半导体开关元件截止，该第一电机绕组和该第二电机绕组通过导通的第四半导体开关元件，及并联在与第三半导体开关元件上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管为该电容充电。
较佳的，该电机驱动系统还包括位置传感器，该位置传感器根据转子磁极位置输出霍尔信号，该逆变器包括上半桥和下半桥，该上半桥包括第一开关、第二开关及第三开关，该下半桥包括第四开关、第五开关及第六开关，其中，第一开关与第四开关之间形成节点，第二开关与第五开关之间形成节点，第三开关与第六开关之间形成节点，当位置传感器输出的霍尔信号为101时，该微控制器导通第五开关和第六开关，当位置传感器输出的霍尔信号为100时，该微控制器导通第四开关和第五开关，当位置传感器输出的霍尔信号为110时，该微控制器导通第四开关和第六开关，当位置传感器输出的霍尔信号为010时，该微控制器导通第二开关和第三开关，当位置传感器输出的霍尔信号为011时，该微控制器导通第一开关和第二开关，当位置传感器输出的霍尔信号为001时，该微控制器导通第一开关和第三开关。
较佳的，在制动时，当位置传感器输出的霍尔信号为101，且当该电容的电压低于一预定值时，该微控制器还截止该导通的第六开关，当位置传感器输出的霍尔信号为100时，且当该电容的电压低于该预定值时，该微控制器还截止该导通的第四开关，当位置传感器输出的霍尔信号为110，且当该电容的电压低于该预定值时，该微控制器还截止该导通的第四开关，当位置传感器输出的霍尔信号为010，且当该电容的电压低于该预定值时，该微控制器还截止该导通的第二开关，当位置传感器输出的霍尔信号为011时，且当该电容的电压低于该预定值时，该微控制器还截止该导通的第二开关，当位置传感器输出的霍尔信号为001时，且当该电容的电压低于该预定值时，该微控制器还截止该导通的第三开关。
较佳的，该电机定子绕组的数量为一个，该微控制器在制动时，根据转子磁极位置发送PWM信号交替控制上半桥的半导体开关元件导通及下半桥的半导体开关元件导通，该电机定子绕组与导通的半导体开关元件形成回路。
较佳的，该上半桥和该下半桥还分别包括并联在每个半导体开关元件两端的续流二极管；该微控制器还在上半桥的半导体开关元件导通，且当该电容的电压低于一预定值时，控制引导相电流流进电机绕组的半导体开关元件截止，该电机绕组通过导通的半导体开关元件，及并联在与该上半桥截止的半导体开关元件上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管，来给电容充电；并在下半桥的半导体开关元件导通，且当该电容的电压低于该预定值时，控制引导相电流流出电机绕组的半导体开关元件截止，该电机绕组通过导通的半导体开关元件，及并联在与该下半桥截止的半导体开关元件上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管，来给电容充电。
较佳的，该电机驱动系统还包括位置传感器，该位置传感器根据转子磁极位置输出霍尔信号，该逆变器包括上半桥和下半桥，该上半桥包括第一开关及第二开关，该下半桥包括第三开关及第四开关，其中，第一开关与第三开关之间形成节点，第二开关与第四开关之间形成节点，当位置传感器输出的霍尔信号为10时，该微控制器导通第三开关和第四开关，当位置传感器输出的霍尔信号为01时，该微控制器导通第一开关和第二开关。
较佳的，在制动时，当位置传感器输出的霍尔信号为10，且当该电容的电压低于一预定值时，该微控制器还截止该导通的第三开关，当位置传感器输出的霍尔信号为01，且当该电容的电压低于该预定值时，该微控制器还截止该导通的第一开关。
较佳的，在制动过程中，如果电机转速小于该第一预定值，该电容直接给该微控制器供电。
较佳的，该电机驱动系统还包括开关，该开关并联在该电源与该微控制器之间，当该开关闭合时，该电源通过该开关为该微控制器供电，当该开关断开时，该开关发送断开信号至该微控制器，使得该微控制器发送制动信号至该逆变器控制该电机停止运转，当该开关断开时，该电源停止为该微控制器供电。
本发明的实施例还提供一种电动工具，包括：壳体、伸出壳体的工作头、用于驱动工作头的电机及如上任意一项所述的电机驱动系统。
上述电动工具，在电机制动时，通过电容为微控制器供电，而无需电源为微控制器供电进而达到省电之效果，进一步，当电机的转速超过一预定值时，电机线圈反向为电源充电延长了电源的使用时间。
附图说明
附图中：
图1是本发明一实施例的电机驱动系统的模块示意图。
图2是本发明电机制动过程中电机转子转速变化示意图。
图3是本发明第一实施方式的电机驱动系统的具体电路图。
图4是本发明第一实施方式的电机驱动系统的霍尔信号波形图与反电动势波形图。
图5是本发明第一实施方式的电机驱动系统在霍尔信号为101时制动示意图。
图6是本发明第一实施方式的电机驱动系统在霍尔信号为010时制动示意图。
图7是本发明第一实施方式的电机驱动系统在霍尔信号为101时，对电容充电的示意图。
图8是本发明第一实施方式的电机驱动系统在霍尔信号为010时，对电容充电的示意图。
图9是本发明第二实施方式的电机驱动系统的具体电路图。
图10是本发明第二实施方式的电机驱动系统在霍尔信号为10时制动示意图。
图11是本发明第二实施方式的电机驱动系统在霍尔信号为01时制动示意图。
图12是本发明第二实施方式的电机驱动系统在霍尔信号为10时，对电容充电的示意图。
图13是本发明第二实施方式的电机驱动系统在霍尔信号为01时，对电容充电的示意图。
图14为应用上述电机驱动系统的电动工具示意图。
主要元件符号说明
具体实施方式
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其他有益效果显而易见。可以理解，附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的尺寸仅仅是为便于清晰描述，而并不限定比例关系。
请参考图1，本发明电机驱动系统用于驱动电机运转或者控制电机停止运转，本实施方式中，该电机10为无刷直流电机(Brushless Direct CurrentMotor,BLDC)，包括定子和可相对定子旋转的转子，定子具有定子铁心及绕设于定子铁心上的电机绕组。定子铁心可由纯铁、铸铁、铸钢、电工钢、硅钢等软磁材料制成。转子具有永磁铁和散热风扇。
电源20为该电机10提供电力，本实施方式中，该电源20也可为充电电池，该电池以可拆卸的方式安装在设有该电机10的电动工具内。
该电机驱动系统包括微控制器30、位置传感器40、逆变器50、电容60及开关电路70。
该微控制器30用于输出信号控制该逆变器50的通电方式。在其他实施方式中，该电机驱动系统还可包括电压调节器及驱动器。该电压调节器用于将该电源20提供的电压进行降压处理来提供给微控制器30。该驱动器用于将微控制器30输出的信号进行升压或者电流放大处理后传送给该逆变器50。在本实施方式中，该输出信号为PWM信号。
该位置传感器40与该微控制器30连接。该位置传感器40用于检测该电机转子磁极位置及检测电机转子转速。在本实施方式中，该位置传感器40为霍尔元件。可以理解，在其他实施方式中，该位置传感器40可被替换为通过无位置传感器方式来检测该电机转子磁极位置及检测电机转子转速。
该逆变器50连接在该微控制器30及该电机10之间。该逆变器50可为三相逆变器，包括上半桥和下半桥。该上半桥和下半桥分别包括多个半导体开关元件及并联在每个半导体开关元件两端的续流二极管，在本实施方式中，该半导体开关元件为MOSFET管。该逆变器50用于将电源20提供的电压转换为交流电以驱动电机10。
该电容60与该逆变器50并联在该开关电路70及该电源20两端。该电容60用于滤波及存储电能。
该开关电路70包括开关71。当该开关71闭合时，该电源20通过该开关71为该微控制器30及该逆变器50提供电能同时为该电容60充电。当该开关71断开时，该开关71输出断开信号至该微控制器30，使得该微控制器30输出制动信号至该逆变器50，此时，该电容60为该微控制器30供电，从而该逆变器50控制该电机10停止运转。当该开关71断开时，该电源20停止为该微控制器30及该逆变器50供电。
下面具体说明该电机驱动系统的操作过程：
当该开关71闭合时，该电源20通过该开关71为该微控制器30供电，同时，该电源20通过该开关71为该电容60充电。该微控制器30根据该位置传感器40所检测的转子磁极位置驱动该逆变器50控制该电机10运转。
当该开关71断开时，该开关71输出断开信号至该微控制器30，该微控制器30响应该断开信号发送PWM信号交替控制上半桥的半导体开关元件两两导通及下半桥的半导体开关元件两两导通。该些电机绕组与导通的半导体开关元件形成回路，产生相电流，其中，该相电流方向与该些电机绕组在电机10旋转时产生的反电动势方向相同。因此，该相电流能阻碍该电机10的旋转，实现了该电机10制动的目的。
同时，当该开关71断开时，该电源20停止为该微控制器30供电。当该位置传感器40所侦测的电机转子转速小于一第一预定值(如55转/秒)时，该电容60直接为该微控制器30供电。此时，由于电机转子转速小于该第一预定值，则电机10制动所需时间较短，因此该电容60所提供的电能足以驱动该微控制器30使得该逆变器50控制该电机10停止运转。
当该位置传感器40所侦测的电机转子转速大于该第一预定值(如55转/秒)且小于一第二预定值(如80转/秒)时，电机10制动所需时间较长，该电容60所提供的电能不足以驱动该微控制器30使得该逆变器50控制该电机10停止运转。因此，此时需要为该电容60充电。当该位置传感器40所侦测的电机转子转速大于该第一预定值(如55转/秒)，该微控制器30在制动过程中，且当该电容60的电压值低于一预定值时，该微控制器30还发送PWM信号控制该导通的两半导体开关元件中的一半导体开关元件断开。该电机绕组与导通的半导体开关元件，并联在与该断开的半导体开关元件上下同侧的另一半导体开关元件两端的续流二极管，及该电容60形成通路而给该电容60充电。从而，在制动时，当该电机转子转速大于该第一预定值(如55转/秒)且小于该第二预定值(如80转/秒)时，该电机10在制动过程中还产生电能为该电容60充电，并通过该电容60该微控制器30供电。
在本实施方式中，该开关电路70还包括二极管72。该二极管72的阳极与该微控制器30、该电容60及该逆变器50连接，该二极管72的阴极与该电源20连接。该开关71与该二极管72并联。在制动时，当该位置传感器40所侦测的电机转子转速大于第二预定值(如80转/秒)，该电机10在制动过程中所产生的电能较大，使得该电机10两端的电压高于该电源20的电压，该二极管72导通，该电机10通过该二极管72为该电源20充电。
如此，制动时，当该电机转子的转速小于该第一预定值时，该电容60直接为该微控制器30供电。当该电机转子的转速大于该第一预定值而小于该第二预定值时，该电机10为该电容60充电，且该电容60给该微控制器30供电。当该电机转子转速大于该第二预定值时，该电机10通过该电容60给该微控制器30供电的同时还给该电源20充电。
其中，在本实施方式中，该微控制器30在制动时，发送PWM信号交替控制上半桥的半导体开关元件两两导通及下半桥的半导体开关元件两两导通具体为：
该微控制器30交替在电机10转动的前半周中控制该逆变器50的下半桥的半导体开关元件两两导通，并在电机10转动的后半周中控制该逆变器50的上半桥的半导体开关元件两两导通。
在其他实施方式中，该微控制器30在制动时，发送PWM信号交替控制上半桥的半导体开关元件两两导通及下半桥的半导体开关元件两两导通具体为：
该微控制器30交替在电机10转动的前半周中控制该逆变器50的上半桥的半导体开关元件两两导通，并在电机10转动的后半周中控制该逆变器50的下半桥的半导体开关元件两两导通。或者为该微控制器30交替控制该逆变器50的上半桥的两半导体开关元件导通及下半桥的两半导体开关元件导通。
在本发明的第一实施方式中，该电机绕组的数量为至少两个(请参考图3)。该电机10在制动时，该微控制器30根据该电机转子磁极位置确定产生最大反电动势的第一定子绕组和产生最小反电动势的第二定子绕组。该微控制器30发送PWM信号交替控制上半桥中半导体开关元件和下半桥中半导体开关元件导通，其中，该导通的上半桥半导体开关元件为上半桥中分别控制该第一电机绕组和该第二电机绕组的第一半导体开关元件和第二半导体开关元件，该导通的下半桥半导体开关元件为下半桥中分别控制该第一电机绕组和该第二电机绕组的第三半导体开关元件和第四半导体开关元件，从而该第一定子绕组和第二定子绕组通过导通的第一半导体开关元件和导通的第二半导体开关元件或通过导通的第三半导体开关元件和第四半导体开关元件短接，并在第一定子绕组和第二定子绕组所产生的反电动势作用下产生相电流。由于导通的是产生最大反电动势的第一定子绕组和产生最小反电动势的第二定子绕组，则该第一定子绕组和第二定子绕组之间所形成的电压差最大。因此，流经该第一定子绕组和该第二定子绕组的相电流最大，产生的制动力矩最大，从而，该电机10能更快的制动。
在本实施方式中，当该位置传感器40所侦测的电机转子转速大于该第一预定值(如55转/秒)时，该微控制器30还在上半桥的第一半导体开关元件和第二半导体开关元件导通，且当该电容60的电压值低于该预定值时，该微控制器30控制对应控制该第二电机绕组的第二半导体开关元件截止，该第一电机绕组和该第二电机绕组通过导通的第一半导体开关元件，及并联在与该第二半导体开关元件上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管，来给电容60充电；并在下半桥的第三半导体开关元件和第四半导体开关元件导通，且当该电容60的电压值低于该预定值时，该微控制器30控制对应控制该第一电机绕组的下半桥的第三半导体开关元件截止，该第一电机绕组和该第二电机绕组通过导通的第四半导体开关元件，及并联在与该第三半导体开关元件上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管来给电容60充电。由于流经该第一电机绕组和该第二电机绕组的相电流最大，则制动过程中所产生的电能最大，所提供给电容60的电能最大。
在本发明的第二实施方式中，该电机绕组的数量为一个(请参考图9)，此时，上半桥的半导体开关元件的数量为两个，下半桥的半导体开关元件的数量为两个。该电机10在制动时，该微控制器30根据该位置传感器40检测的转子磁极位置发送PWM信号交替控制上半桥的两半导体开关元件导通及下半桥的两半导体开关元件导通。该定子绕组与导通的半导体开关元件形成回路，产生相电流。该相电流的方向与该定子绕组在电机10旋转时产生的反电动势方向相同，从而该电机10能制动。
在本实施方式中，当该位置传感器40所侦测的电机转子转速大于该第一预定值(如55转/秒)时，该微控制器30还在上半桥的半导体开关元件导通时，当电容60的电压值低于预定值时，控制引导相电流流进电机绕组的半导体开关元件截止，该电机绕组通过导通的半导体开关元件，及并联在与该上半桥截止的半导体开关元件上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管，来给电容60充电；并在下半桥的半导体开关元件导通时，当电容60的电压值低于预定值时，控制引导相电流流出电机绕组的半导体开关元件截止，该电机绕组通过导通的半导体开关元件，及并联在与该下半桥截止的半导体开关元件上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管来给电容60充电。
请参考图2，为本发明电机驱动系统电机制动过程电机转子转速变化示意图。其中，横轴t表示时间，纵轴v表示电机转子转速。在电机制动过程中，t1及t3为电机制动时间，此时，微控制器30发送PWM信号控制上半桥的半导体开关元件两两导通或下半桥的半导体开关元件两两导通。t2及t4为电机10为该电源20及/或电容60充电时间，此时，微控制器30发送PWM信号控制导通的半导体开关元件中的一半导体开关元件断开。tn为电机10自然制动时间，其中，当电容60的电量不足以驱动该微控制t器30输出信号时，该电机10进入自然制动状态。在本实施方式中，tn为0，即该电机10自然制动时间为0。如此，该电机10在制动过程中，反复制动，并反复为该电容60充电，直至该电机10停止运转。在其他实施方式中，tn大于0，此时，该电机10自然制动直至该电机10停止运转。
请参考图3，为本发明第一实施方式的电机驱动系统的具体电路图。该逆变器50采用由半导体开关元件Q1-Q6构成的三相全桥逆变器。该逆变器50的输入端与电容60并联。其中，半导体开关元件Q1-Q3构成上半桥，半导体开关元件Q4-Q6构成下半桥。半导体开关元件Q1与Q4之间的节点输出第一相电流给电机绕组L1，半导体开关元件Q2与Q5之间的节点输出第二相电流给电机绕组L2，半导体开关元件Q3与Q6之间的节点输出第三相电流给电机绕组L3。续流二极管D1-D6分别并联在对应的半导体开关元件Q1-Q6两端。
请同时参考图4，为本发明的霍尔信号波形图与反电动势波形图。其中，图4以电机10正转，位置传感器40的数量为3个，且各位置传感器40互成120度为例。在驱动该电机10运转时，该微控制器30根据该霍尔信号来输出PWM信号控制该逆变器50中的半导体开关元件的通断，以控制该电机10的通电方式，来驱动该电机10运转。此原理和过程与传统的电动控制器所执行操作的原理和过程相似，在此不进行详述。其中，图4中，1、2、3、4、5及6分别为扇区1、扇区2、扇区3、扇区4、扇区5及扇区6，其中，在本实施方式中，1-3分别表示电机10转动的前半周时电机转子所转到的扇区，4-6分别表示电机10转动的后半周时电机转子所转到的扇区，Hall A、Hall B和Hall C为3个位置传感器40所输出的霍尔信号，eU、eV和eW分别为电机绕组L1、电机绕组L2和电机绕组L3的反电动势。电机转子转到某一扇区，位置传感器40检测对应的霍尔信号，则扇区与位置传感器40检测的霍尔信号一一对应。反电动势与电机转子位置一一对应，而位置传感器40检测的霍尔信号反映电机转子的位置，因此可以根据位置传感器40检测的霍尔信号来确定反电动势。
该微控制器30根据霍尔信号对逆变器50的上半桥或下半桥进行PWM调制来实现制动。在本实施方式中，相应的扇区与霍尔信号和导通的半导体开关元件如表1所示。
表1
扇区 1 2 3 4 5 6
霍尔信号 101 100 110 010 011 001
导通的半导体开关元件 Q5Q6 Q4Q5 Q4Q6 Q2Q3 Q1Q2 Q1Q3
在制动时，该微控制器30获取该位置传感器40所检测的电机转子转速。当该位置传感器40检测该电机转子转速小于该第一预定值时，该电容60为该微控制器30供电，使得该微控制器30可驱动该逆变器50。下面以制动时霍尔信号为101为例对本发明进行说明：
当该微控制器30接收到该断开信号，该位置传感器40感测转子转到扇区1，输出霍尔信号为101时，产生最大反电动势的第一电机绕组为电机绕组L3，产生最小反电动势的第二电机绕组为电机绕组L2。此时下半桥中分别控制第一电机绕组和第二电机绕组的第三半导体开关元件和第四半导体开关元件为半导体开关元件Q6和半导体开关元件Q5，该微控制器30导通半导体开关元件Q6和半导体开关元件Q5，则电机绕组L2、电机绕组L3、导通的半导体开关元件Q5和导通的半导体开关元件Q6构成回路(如图5所示)，形成相电流。由于eV<0，eW>0，且为最小反电动势和最大反电动势，则电机绕组L3与电机绕组L2之间所形成的电压差最大，产生的相电流最大，所产生的制动力矩最大。电机10转速下降，当电机10继续转动使得电机的转子从扇区1转至扇区2，位置传感器40输出霍尔信号100时，此时，电机10的制动原理如同电机的转子转到1扇区时的制动原理，依次类推，当电机10继续转动使得电机转子转动至3扇区，位置传感器40输出霍尔信号110时，电机10的制动原理如同电机的转子转到1扇区时的制动原理。
当电机10继续旋转使得电机转子转动至扇区4时，位置传感器40输出霍尔信号为010，产生最大反电动势的第一电机绕组为电机绕组L2，产生最小反电动势的第二电机绕组为电机绕组L3。此时上半桥中分别控制第一电机绕组和第二电机绕组的第一半导体开关元件和第二半导体开关元件为半导体开关元件Q2和半导体开关元件Q3，该微控制器30导通半导体开关元件Q2和半导体开关元件Q3，则电机绕组L2、电机绕组L3、导通的半导体开关元件Q2和导通的半导体开关元件Q3构成回路(如图6所示)，形成相电流。由于eV>0，eW<0，且为最大反电动势和最小反电动势，则电机绕组L2与电机绕组L3之间所形成的电压差最大，产生的相电流最大，所产生的制动力矩最大。当电机10继续旋转使得电机转子转动至扇区5，该微控制器30继续制动，当电机10继续旋转使得电机转子转动至扇区6，该微控制器30继续制动，依次类推，从扇区1到扇区6循环制动，直至该电机10停止运转。
当该位置传感器40检测该电机转子转速位于该第一预定值及该第二预定值之间时，且当该电容60的电压值低于预定时，电机10在制动过程中通过该电容60给该微控制器30供电。
该微控制器30在制动过程中，当霍尔信号为101时，该微控制器30导通该半导体开关元件Q5和半导体开关元件Q6，其工作原理如上所述，在此不进行详述。其中，该微控制器30还控制对应控制该电机绕组L3的半导体开关元件Q6截止。此时，并联在与半导体开关元件Q6上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管为D3，该电机绕组L2及该电机绕组L3依次通过并联在Q3两端的续流二极管D3、电容60及导通的半导体开关元件Q5来给该电容60充电(如图7所示)。该电容60为该微控制器30供电，从而当该电机10继续旋转，使得该电机转子旋转至电机10转动的前半周的其他扇区中时，该微控制器30可驱动该逆变器50来制动，并在制动过程中继续为该电容60充电。此时，为该电容60充电的原理和过程与霍尔信号为101时制动过程中为该电容60充电的原理和过程相同。
当电机10继续运转，使得电机转子转到扇区4时，该位置传感器40输出霍尔信号为010，该微控制器30导通该半导体开关元件Q2和半导体开关元件Q3来使得该电机10制动。其工作原理如上所述，在此不进行详述。该微控制器30还控制对应控制该电机绕组L3的半导体开关元件Q3截止。此时，并联在与半导体开关元件Q3上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管为D6，该电机绕组L2及电机绕组L3依次通过并联在Q6两端的续流二极管D6、电容60及导通的半导体开关元件Q2来给该电容60充电(如图8所示)。该电容60为该微控制器30供电，从而当该电机10继续旋转，使得该电机转子旋转至电机10转动的后半周的其他扇区中时，该微控制器30可驱动该逆变器50制动，并在制动过程中继续为该电容60充电。此时，为电容60充电的原理和过程与霍尔信号为010时制动过程中为电容60充电的原理和过程相同。依次类推，从扇区1到扇区6，在循环制动的过程中循环通过该电容60为该微控制器30供电，直至该电机10停止运转。
显然，当该微控制器30接收到该断开信号时，该转子还可为转到其他扇区，如扇区2，该位置传感器40输出与扇区对应的霍尔信号100，该微控制器30根据该霍尔信号100相应的输出制动信号。此时，该微控制器30在电机10转动时导通半导体开关元件的顺序不是依照Q4Q5、Q4Q6、Q2Q3、Q1Q2、Q1Q3、Q5Q6循环，该微控制器30导通半导体开关元件的顺序为依照Q4Q5、Q4Q6、Q5Q6、Q1Q2、Q1Q3、Q2Q3循环。在其他实施方式中，该微控制器30依照表1的顺序循环导通半导体开关元件，如该微控制器30导通半导体开关元件的顺序按照Q4Q5、Q4Q6、Q2Q3、Q1Q2、Q1Q3、Q5Q6循环。
在另一实施方式中，该微控制器30不一定交替在电机10转动的前半周中控制该逆变器50的下半桥的半导体开关元件两两导通，并在电机10转动的后半周中控制该逆变器50的上半桥的半导体开关元件两两导通，该微控制器30还可交替控制该逆变器50的上半桥的两半导体开关元件导通及下半桥的两半导体开关元件导通，如该微控制器30导通半导体开关元件的顺序为依照Q5Q6、Q1Q2、Q4Q6、Q2Q3、Q4Q5、Q1Q3循环。在其他实施方式中，该微控制器30依照表1的顺序依次导通半导体开关元件，如该微控制器30导通半导体开关元件的顺序按照Q4Q5、Q4Q6、Q2Q3、Q1Q2、Q1Q3、Q5Q6循环。
当该位置传感器40检测该电机转子转速高于该第二预定值时，电机10在制动过程中通过该电容60给该微控制器30供电的同时还给该电源20充电。
请参考图9，为本发明第二实施方式的电机驱动系统的具体电路图。在本发明的第二实施方式中，位置传感器40的数量为2个。该逆变器50采用由半导体开关元件Q1-Q4构成的单相逆变器。其中，半导体开关元件Q1-Q2构成上半桥，半导体开关元件Q3-Q4构成下半桥。半导体开关元件Q1与Q3之间的节点及半导体开关元件Q2与Q4之间的节点输出相电流给定子绕组L1。续流二极管D1-D4分别并联在对应的半导体开关元件Q1-Q4两端。
由于，反电动势与电机转子位置一一对应，而位置传感器40检测的霍尔信号反映电机转子的位置，因此可以根据位置传感器40检测的霍尔信号来确定反电动势。当霍尔信号为10时，反电动势e>0，当霍尔信号为01时，反电动势e<0。
该微控制器30根据霍尔信号对该逆变器50的上半桥或下半桥进行PWM调制来实现制动。在本实施方式中，相应的扇区、霍尔信号和导通半导体开关元件如表2所示。
表2
扇区 1 2
霍尔信号 10 01
导通半导体开关元件 Q3Q4 Q1Q2
在制动时，该微控制器30获取该位置传感器40所检测的电机转子转速。当该位置传感器40检测该电机转子转速小于该第一预定值时，该电容60为该微控制器30供电，使得该微控制器30可驱动该逆变器50。下面以制动时霍尔信号为10为例对本发明进行说明：
当该微控制器30接收到该断开信号，该位置传感器40感测转子的磁极位置在扇区1，输出霍尔信号为10时，该微控制器30导通半导体开关元件Q3和半导体开关元件Q4，则定子绕组L1、导通的半导体开关元件Q3和导通的半导体开关元件Q4构成回路(如图10所示)，形成相电流，从而来制动。
该电机10转速下降，当电机10继续旋转使得电机转子转动至扇区2时，位置传感器40输出霍尔信号为01，该微控制器30导通半导体开关元件Q1和半导体开关元件Q2，则定子绕组L1、导通的半导体开关元件Q1和导通的半导体开关元件Q2构成回路(如图11所示)，形成相电流，从而来制动。依次类推，该微控制器30从扇区1到扇区2循环制动，直至该电机10停止运转。
当该位置传感器40检测该电机转子转速位于该第一预定值及该第二预定值之间时，电机10在制动过程中通过该电容60给该微控制器30供电。
该微控制器30在制动时，当霍尔信号为10时，该微控制器30导通该半导体开关元件Q3和半导体开关元件Q4，其工作原理如上所述，在此不进行详述。此时，该电机绕组L1的反电动势e>0，引导相电流流出电机绕组L1的半导体开关元件为半导体开关元件Q3。该微控制器30控制半导体开关元件Q3截止。此时，并联在与半导体开关元件Q3上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管为D1，该电机绕组L1依次通过并联在Q1两端的续流二极管D1、电容60及导通的半导体开关元件Q4来给该电容60充电(如图12所示)，从而为该微控制器30供电。
当电机10继续运转，使得电机转子转到扇区2时，该位置传感器40输出霍尔信号为01，该微控制器30导通该半导体开关元件Q1和半导体开关元件Q2来使得该电机10制动。其工作原理如上所述，在此不进行详述。此时，该电机绕组L1的反电动势e<0，引导相电流进入电机绕组L1的半导体开关元件为半导体开关元件Q1。该微控制器30控制半导体开关元件Q1截止。此时，并联在与半导体开关元件Q1上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管为D3，该电机绕组L1依次通过并联在Q3两端的续流二极管D3、电容60及导通的半导体开关元件Q2来给该电容60充电(如图13所示)，从而为该微控制器30供电。依次类推，从扇区1到扇区2，在循环制动的过程中循环通过该电容60为该微控制器30供电，直至该电机10停止运转。
显然，当该微控制器30接收到该断开信号时，该转子还可为转到其他扇区，如扇区2，该位置传感器40输出与扇区对应的霍尔信号01，该微控制器30根据该霍尔信号01相应的输出制动信号。此时，该微控制器30在电机10转动时导通半导体开关元件的顺序依照表2的顺序循环，该微控制器30导通半导体开关元件的顺序为依照Q1Q2、Q3Q4循环。
在其他实施方式中，该微控制器30不一定交替在电机10转动的前半周中控制该逆变器50的下半桥的半导体开关元件导通，并在电机10转动的后半周中控制该逆变器50的上半桥的半导体开关元件导通，该微控制器30还可交替在电机10转动的前半周中控制该逆变器50的上半桥的半导体开关元件导通，并在电机10转动的后半周中控制该逆变器50的下半桥的半导体开关元件导通，如该微控制器30导通半导体开关元件的顺序为依照Q1Q2、Q3Q4循环。
图14为应用上述电机驱动系统的电动工具如电钻的示意图，该电钻100包括壳体110、伸出壳体110的工作头120、设于壳体110内的电机10及电机驱动系统。该开关71设于壳体110下部的手柄上可供用户手动操作，以控制电钻100的开启及关闭。当该开关71被按压时，该电钻100开启，当该开关71被释放时，该电钻100关闭。上述电机驱动系统同样适用于电动螺丝刀、手磨机、电锯等电动工具中。
因此，本发明在电机10制动时，通过电容60为该微控制器30供电，无需电源20为该微控制器30供电进而达到省电之效果。并且，当电机10的转速超过预定值时，电机线圈反向为电源20充电，延长了电源20的使用时间。并且，由于在制动过程中交替控制上半桥和下半桥的半导体开关元件导通，从而可防止半导体开关元件由于长时间导通而烧毁。同时，在电机绕组的数量大于2个时，将产生最大反电动势和产生最小反电动势的电机绕组短接，产生最大的相电流，从而使得产生的制动力矩最大，则可更快的制动。并且，由于产生的相电流最大，则制动时所产生的电能最大，通过电容60提供给该微控制器30的电能最大，从而可驱动该微控制器30控制该逆变器50来制动。
以上该仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内；例如，本发明的电机驱动系统不仅适用于驱动无刷直流电机，也同样适用于驱动其他形式的电机，如直流有刷电机、交流电机等。

Claims (14)

1.一种电机驱动系统，包括：
逆变器，包括上半桥和下半桥，该上半桥和该下半桥分别包括至少两个半导体开关元件，该逆变器用于将电源提供的电压转换为交流电以驱动电机；
微控制器，在电机制动时，发送驱动信号交替控制该逆变器的上半桥的半导体开关元件两两导通及该逆变器的下半桥的半导体开关元件两两导通，使得电机绕组与导通的半导体开关元件形成回路；及
电容，当电机制动时，该电容为该微控制器供电。
2.如权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于：
该上半桥和该下半桥还分别包括并联在每个半导体开关元件两端的续流二极管；
当电机转速大于一第一预定值且小于一第二预定值，该微控制器在电机制动过程中，且当该电容的电压值低于一预定值时，该微控制器还发送驱动信号控制该导通的两半导体开关元件中的一半导体开关元件断开，电机绕组通过该导通的半导体开关元件，及并联在与该断开的半导体开关元件上下同侧的另一半导体开关元件两端的续流二极管，为该电容充电。
3.如权利要求2所述的电机驱动系统，其特征在于，该电机驱动系统还包括二极管，该二极管的阳极与该微控制器、该电容及该逆变器连接，该二极管的阴极与该电源连接，当电机转速大于该第二预定值时，该电机绕阻同时为该电容及该电源充电。
4.如权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于：
该电机定子绕组的数量为至少两个，当该微控制器在制动时，依据电机转子磁极位置，确定产生最大反电动势的第一电机绕组和产生最小反电动势的第二电机绕组，并发送驱动信号交替控制上半桥中半导体开关元件和下半桥中半导体开关元件导通，其中，该导通的上半桥半导体开关元件为上半桥中分别控制该第一电机绕组和该第二电机绕组的第一半导体开关元件和第二半导体开关元件，该导通的下半桥半导体开关元件为下半桥中分别控制该第一电机绕组和该第二电机绕组的第三半导体开关元件和第四半导体开关元件，该第一电机绕组和该第二电机绕组通过导通的第一半导体开关元件和导通的第二半导体开关元件或通过导通的第三半导体开关元件和导通的第四半导体开关元件短接。
5.如权利要求4所述的电机驱动系统，其特征在于：
该上半桥和该下半桥还分别包括并联在每个半导体开关元件两端的续流二极管；
该微控制器还在上半桥的第一半导体开关元件和第二半导体开关元件导通，且当该电容的电压低于一预定值时，控制对应控制该第二电机绕组的第二半导体开关元件截止，该第一电机绕组和该第二电机绕组通过导通的第一半导体开关元件，及并联在与该第二半导体开关元件上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管为该电容充电；在下半桥的第三半导体开关元件和第四半导体开关元件导通，且当该电容的电压低于该预定值时，控制对应控制该第一电机绕组的下半桥的第三半导体开关元件截止，该第一电机绕组和该第二电机绕组通过导通的第四半导体开关元件，及并联在与第三半导体开关元件上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管为该电容充电。
6.如权利要求4所述的电机驱动系统，其特征在于：
该电机驱动系统还包括位置传感器，该位置传感器根据转子磁极位置输出霍尔信号，该逆变器包括上半桥和下半桥，该上半桥包括第一开关、第二开关及第三开关，该下半桥包括第四开关、第五开关及第六开关，其中，第一开关与第四开关之间形成节点，第二开关与第五开关之间形成节点，第三开关与第六开关之间形成节点，当位置传感器输出的霍尔信号为101时，该微控制器导通第五开关和第六开关，当位置传感器输出的霍尔信号为100时，该微控制器导通第四开关和第五开关，当位置传感器输出的霍尔信号为110时，该微控制器导通第四开关和第六开关，当位置传感器输出的霍尔信号为010时，该微控制器导通第二开关和第三开关，当位置传感器输出的霍尔信号为011时，该微控制器导通第一开关和第二开关，当位置传感器输出的霍尔信号为001时，该微控制器导通第一开关和第三开关。
7.如权利要求6所述的电机驱动系统，其特征在于：
在制动时，当位置传感器输出的霍尔信号为101，且当该电容的电压低于一预定值时，该微控制器还截止该导通的第六开关，当位置传感器输出的霍尔信号为100时，且当该电容的电压低于该预定值时，该微控制器还截止该导通的第四开关，当位置传感器输出的霍尔信号为110，且当该电容的电压低于该预定值时，该微控制器还截止该导通的第四开关，当位置传感器输出的霍尔信号为010，且当该电容的电压低于该预定值时，该微控制器还截止该导通的第二开关，当位置传感器输出的霍尔信号为011时，且当该电容的电压低于该预定值时，该微控制器还截止该导通的第二开关，当位置传感器输出的霍尔信号为001时，且当该电容的电压低于该预定值时，该微控制器还截止该导通的第三开关。
8.如权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于：
该电机定子绕组的数量为一个，该微控制器在制动时，根据转子磁极位置发送PWM信号交替控制上半桥的半导体开关元件导通及下半桥的半导体开关元件导通，该电机定子绕组与导通的半导体开关元件形成回路。
9.如权利要求8所述的电机驱动系统，其特征在于：
该上半桥和该下半桥还分别包括并联在每个半导体开关元件两端的续流二极管；
该微控制器还在上半桥的半导体开关元件导通，且当该电容的电压低于一预定值时，控制引导相电流流进电机绕组的半导体开关元件截止，该电机绕组通过导通的半导体开关元件，及并联在与该上半桥截止的半导体开关元件上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管，来给电容充电；并在下半桥的半导体开关元件导通，且当该电容的电压低于该预定值时，控制引导相电流流出电机绕组的半导体开关元件截止，该电机绕组通过导通的半导体开关元件，及并联在与该下半桥截止的半导体开关元件上下同侧的半导体开关元件两端的续流二极管，来给电容充电。
10.如权利要求8所述的电机驱动系统，其特征在于：
该电机驱动系统还包括位置传感器，该位置传感器根据转子磁极位置输出霍尔信号，该逆变器包括上半桥和下半桥，该上半桥包括第一开关及第二开关，该下半桥包括第三开关及第四开关，其中，第一开关与第三开关之间形成节点，第二开关与第四开关之间形成节点，当位置传感器输出的霍尔信号为10时，该微控制器导通第三开关和第四开关，当位置传感器输出的霍尔信号为01时，该微控制器导通第一开关和第二开关。
11.如权利要求10所述的电机驱动系统，其特征在于：
在制动时，当位置传感器输出的霍尔信号为10，且当该电容的电压低于一预定值时，该微控制器还截止该导通的第三开关，当位置传感器输出的霍尔信号为01，且当该电容的电压低于该预定值时，该微控制器还截止该导通的第一开关。
12.如权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于：在制动过程中，如果电机转速小于该第一预定值，该电容直接给该微控制器供电。
13.如权利要求1所述的电机驱动系统，其特征在于：该电机驱动系统还包括开关，该开关并联在该电源与该微控制器之间，当该开关闭合时，该电源通过该开关为该微控制器供电，当该开关断开时，该开关发送断开信号至该微控制器，使得该微控制器发送制动信号至该逆变器控制该电机停止运转，当该开关断开时，该电源停止为该微控制器供电。
14.一种电动工具，包括：壳体、伸出壳体的工作头、用于驱动工作头的电机及如权利要求1～13任意一项所述的电机驱动系统。
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