CN110417331B

CN110417331B - 电动工具

Info

Publication number: CN110417331B
Application number: CN201810665574.9A
Authority: CN
Inventors: 陈伟鹏; 杨德中; 李文成
Original assignee: Nanjing Chervon Industry Co Ltd
Current assignee: Nanjing Chervon Industry Co Ltd
Priority date: 2018-04-28
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2038-06-26
Also published as: CN110417330B; CN110417325A; CN110417324B; CN110405702A; CN110405250B; CN110417330A; CN110417331A; CN110405250A; CN110417324A; CN110417325B

Abstract

本发明公开了一种电动工具。本发明根据对电动工具的电机特性参数x的分析，确定不同工况下的占空比，以该占空比控制驱动电路驱动电机运转。本发明仅通过对占空比的计算，无需对电动工具的电路硬件或机械结构进行任何变化，即可通过调整占空比而实现对电机的优化控制，从而实现对电动工具输出扭矩等工作性能的优化。

Description

电动工具

技术领域

本发明涉及电动工具领域，具体涉及对电动工具中电机的控制。

背景技术

现有的电动工具，可由电池包供电，通过驱动电路驱动电机运转。但目前的电动工具，尤其是基于1P电池包的手持式电动工具，重载状态下，电池包的冲击电流以及电机输出扭矩均难以控制。

现有电动工具，尤其圆锯或电钻，在堵转状态下最大冲击电流将高达100A甚至以上。高冲击电流将严重损害电动工具的供电装置，例如电池包，从而影响电动工具的安全性。

由此，出于安全考虑，现有电动工具内设有过载保护装置，但该装置在电动工具重载状态到达预设阈值时会直接关断电机，以避免对电机侧电流对供电装置造成冲击。这种过载保护方式，一般在手持式电动工具最大输出扭矩达到3.5N.m时就需要关断电机，也就是说，电动工具实际能够承载的负载仅为3.5N.m。重载状况下，现有电动工具的防堵转能力以及用户体验均难以达到需求。

因此，目前急需对电动工具的最大输出扭矩进行改进。

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电动工具。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

本发明首先提供一种电动工具，包括：电机，所述电机包括定子和转子；传动装置，所述传动装置用于连接所述转子与工具附件；驱动电路，所述驱动电路用于输出开关信号以驱动所述电机的转子运转；控制单元，用于输出驱动信号控制所述驱动电路；供电装置，为所述电机、驱动电路、控制单元供电。其中，所述控制单元被设置为根据所述电机特性参数的变化量Δx确定占空比的变化量ΔPWM，其中占空比的变化量ΔPWM由函数f(Δx)获得，其中，所述占空比的变化量ΔPWM介于0.02至0.05的范围之间；基于该占空比的变化量ΔPWM输出相应的驱动信号至所述驱动电路以控制所述电机的转子运转输出驱动力。由此，可使得所述电动工具的最大冲击电流不超过30A，和/或使得所述电动工具的堵转电流不超过50A。

可选的，上述的电动工具中，还包括电机检测模块；所述电机检测模块，用于检测并获得电机特性参数x；所述电机检测模块集成于所述控制单元内，或分列于所述控制单元外。

可选的，上述的电动工具中，所述电机特性参数x包括：电机转速、电流、输出扭矩。

可选的，上述的电动工具中，所述电机转速和/或输出扭矩由所述电机检测模块通过检测所述电机的电压和/或电流和/或转子位置，经计算获得，其中所述电机的电压包括所述电机的端电压和/或相电压，所述电机的电流包括所述电机的母线电流和/或相电流。

可选的，上述的电动工具中，所述供电装置包括级数为1P的电池包。

可选的，上述的电动工具中，所述驱动信号的占空比由如下步骤确定：首先，根据所述电动工具内所述供电装置的特性参数和/或所述电机的特性参数，计算所述供电装置在不同工况下和/或所述电机在不同工况下，所述电动工具中驱动信号的占空比与供电装置侧电流I_b之间的关系和/或所述驱动信号的占空比与电机侧电流I_m之间的关系；然后，根据上述驱动信号的占空比与所述供电装置侧电流I_b之间的关系和/或所述电机侧电流I_m之间的关系，确定所述驱动信号的占空比为相同电机侧电流I_m下、供电装置侧电流I_b较小时所对应的占空比。

可选的，上述的电动工具中，若所述电机特性参数x为低转速、重载状态时，则根据所述驱动信号的占空比与所述供电装置侧电流I_b之间的关系以及所述驱动信号的占空比与所述电机侧电流I_m之间的关系，确定所述驱动信号的占空比为该工况下电机侧电流I_m最大时所对应的占空比。

本发明还同时提供另一种电动工具，包括：电机，所述电机包括定子和转子；传动装置，所述传动装置用于连接所述转子与工具附件；驱动电路，所述驱动电路用于输出开关信号以驱动所述电机的转子运转；控制单元，用于输出驱动信号控制所述驱动电路；电池包，作为供电装置为所述电机、驱动电路、控制单元供电。其中，所述控制单元被设置为根据所述电机特性参数的变化量Δx确定占空比的变化量ΔPWM，其中占空比的变化量ΔPWM由函数f(Δx)获得，其中，所述占空比的变化量ΔPWM介于0.05至0.08的范围之间，基于该占空比的变化量ΔPWM输出相应的驱动信号至所述驱动电路以控制所述电机的转子运转输出驱动力。

本发明还同时提供又一种电动工具，包括：无刷电机，所述无刷电机包括定子和转子；传动装置，所述传动装置用于连接所述转子与工具附件；驱动电路，所述驱动电路用于输出开关信号以驱动所述无刷电机的转子运转；控制单元，用于输出驱动信号控制所述驱动电路；供电装置，为所述无刷电机、驱动电路、控制单元供电。其中，所述控制单元被设置为根据所述电机特性参数的变化量Δx确定占空比的变化量ΔPWM，其中占空比的变化量ΔPWM由函数f(Δx)获得；基于该占空比的变化量ΔPWM输出相应的驱动信号至所述驱动电路以控制所述无刷电机的转子运转输出驱动力。其中，所述占空比的变化量ΔPWM介于0.02至0.08的范围之间

可选的，如上所述的电动工具，其输出最大扭矩不小于5N.m。

一种电动工具，包括：电机，所述电机包括定子和转子；传动装置，所述传动装置用于连接所述转子与工具附件；驱动电路，所述驱动电路用于输出开关信号以驱动所述电机的转子运转；控制单元，用于输出驱动信号控制所述驱动电路；供电装置，为所述电机、驱动电路、控制单元供电。其中，所述控制单元被设置为根据所述电机特性参数的变化量Δx确定占空比的变化量ΔPWM，其中占空比的变化量ΔPWM由函数f(Δx)获得，其中，所述占空比的变化量ΔPWM介于0.02至0.08的范围之间；基于该占空比的变化量ΔPWM输出相应的驱动信号至所述驱动电路以控制所述电机的转子运转输出驱动力。

有益效果

本发明根据对电机特性参数的分析，确定不同工况下的占空比。应用本发明的电动工具，例如圆锯或电钻，在使用过程中，可根据实时获得的电机特性参数x，直接通过查表或计算的方式获得相应的占空比，以该占空比输出相应的驱动信号控制电机运转，以此实现对电动工具性能的优化。

本发明利用电动工具现有的电路硬件或机械结构获取相应的供电装置特性参数V以及电机特性参数x，仅增加简单的查表或运算控制，即可获得相应的占空比数据以实现对电机的最优控制。尤其，能够控制电动工具的最大输出扭矩不小于5N.m。

附图说明

图1为本发明提供的第一实施例的一种电钻的外部结构示意图；

图2为本发明提供的第一实施例内电路系统的示意图；

图3为本发明提供的第二实施例的一种圆锯的外部结构示意图；

图4为本发明提供的第二实施例内电路系统的示意图；

图5为本发明提供的第三实施例的一种角磨的外部结构示意图；

图6为本发明提供的第三实施例内电路系统的示意图；

图7为本发明的仿真系统原理示意图；

图8为仿真系统在第一状态下选择PWM占空比的原理依据；

图9为本发明第一实施例的电机控制方法的流程示意图；

图10为本发明第一实施例与现有技术相比最大冲击电流的对比图；

图11为本发明第一实施例与现有技术相比重载扭矩的对比图；

图12为本发明第一实施例与现有技术相比堵转测试的对比图。

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。

本发明所提供的电机控制方法及系统能够适用于绝大多数手持式电动工具。仅需根据对供电装置特性参数V和/或电机特性参数x的分析，获得对应不同工况的占空比，在电动工具过程中，根据实时获取的供电装置特性参数V和/或电机特性参数x所对应的占空比，以该占空比控制驱动电路驱动电机运转，即可实现对电动工具的最大冲击电流，以及电动工具最大输出扭矩的优化。

下面以三种典型的电动工具为例说明本发明具体的实施方式。

在本发明的第一个实施例中，结合图1所提供的一种电钻，其机械结构具体包括：壳体11、输出件12、电机13、传动组件14、PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)电路板15、供电装置16。其中，壳体11用于容纳电机13、传动组件14、PCB电路结构等，壳体11的一端还用于安装输出件12。图1所示视角下，电机13、PCB电路结构15以及供电装置16由壳体11遮挡，未直接暴露于图1视角。在前后方向上，壳体11还可以包括主机壳体部分111和头部壳体部分112，其中主机壳体部分111可以用于容纳电机13、传动组件14、PCB电路结构15，头部壳体部分112可以连接输出件12。在左右方向上，主机壳体部分111可以关于图2所示结构的切面对称设置，在该切面的两侧，主机壳体部分111可以分别包括相互对称的左壳体部和右壳体部。输出件12用于输出动力，例如对于电钻而言，输出件12可具体选择为一个能夹持钻头的夹头。电机13、传动组件14以及PCB电路结构15均设置在壳体11内，供电装置16用于为电钻内部各电子装置供电，PCB电路结构15用于控制电机13运转，电机13用于驱动传动组件14，传动组件14用于将电机13输出的动力传递至输出件12，从而驱动输出件12输出动力。

为控制所述电机13运转，参考图2，上述PCB电路结构15具体可包括如下的电路硬件：电源控制模块、供电装置检测模块、控制单元、驱动电路、最佳占空比存储装置。上述，电源控制模块、供电装置检测模块、控制单元、驱动电路、最佳占空比存储装置、电机13均由壳体11封闭。

图2所示的手持式电钻的供电装置16具体可选择为电池包或交流电源，其中的电池包可由一组电池单元组合而成。例如，本实施例中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进行电压变化，输出适合供电装置检测模块、控制单元、驱动电路、最佳占空比存储装置、电机等的供电电压，为其供电。本领域技术人员可理解，供电装置16也可选择为交流电源，通过相应的电源控制模块对输入交流电进行转化，同样可以为供电装置检测模块、控制单元、驱动电路、最佳占空比存储装置、电机等供电。

电源控制模块可选择专用的电源芯片，或直接通过硬件电路，以交流电源为例，通过硬件电路对电源输出的交流信号进行整流、滤波、分压、降压等处理而实现。

参考图2，驱动电路具体与所述电机13的三相电极U、V、W电连接，驱动所述电机运转。所述驱动电路具体包括有开关电路，所述开关电路用于根据所述控制器的控制输出驱动信号至电机的三相电极，以控制所述电机的转子运转。所述驱动电路具有输入端、输出端和采样端。具体如图2所示，开关电路包括开关元件VT1、VT 2、VT 3、VT 4、VT 5、VT 6。开关元件VT 1-VT 6可选用场效应管、IGBT晶体管等。本实施例中以场效应管为例，各开关元件的栅极端作为所述驱动电路的输入端，分别与控制器的驱动信号端口电性连接，开关元件的每个漏极或源极与电机的定子电连接。开关元件VT 1-VT 6依据控制器输出的驱动信号改变导通状态，从而改变电池包加载在无刷电机绕组上的电压状态，驱动所述电机13运转。

为了使电机转动，驱动电路具有多个驱动状态，在一个驱动状态下电机的定子会产生一个磁场，控制单元被配置为依据电机的转子转动位置(电机的转子转动位置，在本实施例中可通过采样电机的母线电流和/或电机的端电压，由控制器内电机检测模块进行相应的计算获得)输出相应的驱动信号至驱动电路以使驱动电路切换驱动状态，从而使定子产生的磁场转动以驱动转子转动，进而实现对电机的驱动。

其中，所述控制单元被设置为主要根据所述电机特性参数的变化量Δx确定占空比的变化量ΔPWM，其中占空比的变化量ΔPWM由函数f(Δx)获得。

可选的，所述控制单元还可被设置为主要根据所述电机特性参数的变化量Δx以及所述供电装置特性参数V确定占空比的变化量ΔPWM，其中占空比的变化量ΔPWM由函数f(Δx，V)获得。

可选的，所述控制单元还可被设置为根据所述电机特性参数的变化量Δx、电池包级数P以及所述供电装置特性参数V确定占空比的变化量ΔPWM，其中占空比的变化量ΔPWM由函数f(Δx，V，P)获得。

上述对电机等特性参数的函数运算结果可预先存储于最佳占空比存储装置中，由控制单元通过查询最佳占空比存储装置获得。占空比的调节过程可参考图9：

首先，由电机检测模块对电机进行采样并计算获得电机特性参数x。其中，电机特性参数x可包括但不限于：电机转速n、定子或转子位置、扭矩、电机的电流等。根据所述电池包实际工况以及电机特性参数x经函数f(Δx)计算获得该档位的工况下所对应的最佳占空比，根据该占空比确定相应的PWM(脉冲宽度调制，“Pulse Width Modulation)形式的驱动信号，根据电机转子转动的位置按照该占空比输出相应的驱动信号至驱动电路。由此，驱动电路按照该驱动信号实现对电机的驱动。

这里，所述的最佳占空比可固定存储在存储装置内。例如，预先根据对电机特性参数x的分析，存储有不同工况下经函数f(Δx)计算获得的最佳占空比，形成一个PWM表。因此，控制器直接通过查询该存储装置内对应的数据即可获得该占空比，依据该占空比输出相应的驱动信号即可为当前电钻实现性能的最优化。具体的，通过上述针对不同工况下的最佳占空比的选择，可实现对电源侧电流I_b以及电机侧电流I_m的优化。例如，通过函数f(Δx)对占空比的调节，可获得相同电机侧电流I_m时，即电机性能相同时，使得电源侧电流I_b较小，即对供电装置更为友好的占空比。通过这种方式选择相应的PWM形式的驱动信号的占空比，本发明能够通过占空比的选择有效控制电池包的最大冲击电流，并在需要时保证电机输出最大扭矩，达到对电工工具整体工作性能的优化。不同工况下的最佳占空比将在下文结合图7以及图8所示原理进行详细阐述。

本实施例的电路硬件中，供电装置检测模块、电机检测模块、最佳占空比存储装置均可选用专用芯片实现，也可通过控制单元内集成的功能模块直接在控制单元内实现。其中的控制单元，可依据电动工具对内部数据信号处理的需求，选择相应的DSP(DigitalSignal Processor，数字信号处理)芯片、ARM(Advanced RISC(Reduced Instruction SetComputer，精简指令集计算机)Machine，RISC微处理器)芯片、单片机(MCU，微控制单元，Microcontroller Unit)等实现。

应用上述技术的电钻，在最大冲击电流测试中，参考图10所示的实验数据对比图，在扭矩到达3N.m以上的状态下，能够限制最大冲击电流保持在30A以下(图10中实线)。而采用现有技术的电钻(图10中虚线表示)，其最大冲击电流随扭矩变大，很快超过30A的限制。过大的冲击电流会损坏电钻的供电装置。尤其，在直流供电的状况下会显著提高其中电池包的温度，影响电池包的使用寿命。而采用本发明的技术，电钻在大扭矩的重载状态下，依旧对电池包友好，能够有效避免过流以及温升对电池包的不可逆损害。

图11为应用本发明技术的电钻与现有技术相比，在重载状态下输出最大扭矩的对比图。图11中实现所显示的采用现有过载保护机制的电钻(图11中实线)，在输出扭矩到达3.7N.m后，即因过载而启动保护，致使电机锁定停转。而使用本发明技术的电钻(图11中标记三角的曲线)，在重载状态下电流始终控制在过载阈值以下，因此其输出扭矩可达到接近6N.m，接近现有技术的2倍。

图12为应用本发明技术的电钻与现有技术相比，进行堵转测试时的对比数据。在电机完全堵转，转速接近于0或反向电动势接近于0时，应用现有技术的电钻(图12中深色表示)，其输出扭矩仅为33N.m，最大冲击电流高达100A；而使用本发明技术的电钻(图12中浅色表示)，其输出扭矩相对现有技术提升10％，达到36N.m，最大冲击电流相对现有技术下降30％，仅为70A，对电池包更为友好。

在本发明的第二个实施例中，结合图3所示的一种手持式圆锯，其机械结构具体包括：

底板20，用于与工件接触；机壳21，所述机壳安装在所述底板上；锯片罩213，所述锯片罩与所述机壳连接；锯片轴22，用于在所述锯片罩内支持锯片转动从而实现对工件进行切割作业；电机23，所述电机设置于所述机壳内，包括定子和转子；电机轴231，所述电机轴由所述电机的转子驱动；传动装置24，所述传动装置用于连接所述电机轴与所述锯片轴，将电机轴的旋转运动传导至所述锯片轴以驱动锯片运转。所述传动装置具体可包括减速机构，如，相互啮合的蜗轮和蜗杆，或减速箱。所述蜗轮蜗杆或减速箱可包括配有不同齿数比的齿轮结构，或配置不同同步轮半径的同步带传动结构。在本发明的一个较佳实施例中，所述电机为无刷电机。

上述手持式圆锯的运转还需依赖安装于PCB电路板25上的电子部件，PCB电路板容纳于机壳21内，未暴露于图3所示视角。参考图4所示，PCB电路板25具体包括如下的电路硬件：电源控制模块、电池检测模块、控制器、驱动电路。上述，电源控制模块、电池检测模块、控制器、驱动电路电机23均由机壳21封闭。控制器内还存储、暂存或缓存有PWM表数据，该PWM表数据包括在不同供电装置特性参数V和/或不同电机特性参数x下根据函数f(·)生成的PWM调制信号的占空比数据，即驱动信号的占空比数据。

参考图4，所述手持式圆锯的各电子部件，其协同工作方式均与实施例一中的电钻内的各电子装置相似。其区别仅在于，本实施例中控制单元具体选择为具有存储功能的控制器，本实施例中，圆锯直接由电池包供电，并直接通过位置传感器获取电机内转子的转动位置，因此通过控制器进行简单的计算即可获取电机的转速信息。因此可选择电机转速n作为一种具体的电机特性参数。由此，通过对位置传感器信号的检测和计算即可实现对电机特性参数x，本实施例中，具体指对电机转速n的检测。因此，本实施例中可省去实施例一种对电机母线电流、相电流或电机的端电压的采样步骤，省去控制器对这些采样信号的复杂运算过程。电机检测模块对电机转速n的检测可由位置传感器配合控制器内的简单计算，例如累加、计时或积分运算而实现。

控制器输出的驱动信号的占空比，与实施例一相类似，通过查询PWM表作为对函数f(Δx，V)的计算的简化而获得。其查询过程同样可参考图9：

首先，由电池检测模块采样获取电池包实际工况，例如电池包电压V，作为一种具体的供电装置特性参数，当然，所述供电装置特性参数V并不仅限于电池包电压，还可选择为供电装置的电压、电池包电流、温度、剩余电量、电池包SOC参数(SOC，State of Charge，一般是电池包充电容量与额定容量的比值)、供电装置内阻等；由位置传感器获取电机转子的转动位置，配合控制器对转子位置变化速率的计算，获得电机转速n作为一种具体的电机特性参数x。然后根据电池包电压V以及电机转速n查找PWM表中所对应的档位，即可获得该工况下函数f(Δn，V)计算所对应的最佳占空比，根据该占空比确定相应的PWM形式的驱动信号，根据电机的转子转动位置按照该占空比输出相应的驱动信号至驱动电路。由此，驱动电路按照该驱动信号实现对电机的驱动。函数f(Δn，V)中，Δn表示电机转速的变化量。

具体，本实施例中，PWM表内存储的与函数f(Δn，V)值相对应的占空比数据可按照如下的表格结构存储。表格的每个单元可存储不同工况下所对应的最佳占空比，即，针对本实施例，存储不同电池包电压V和不同电机转速n状态下所对应的占空比数据。例如，在电池检测模块获得电池包实际工况落入电池包电压情况V1档位，控制模块根据电机检测模块或位置传感器确定电机特性参数x落入N3～N4档位时，控制器查表，对应选择以占空比duty2输出驱动信号至驱动电路，由驱动电路根据该驱动信号驱动电机运转。这里，函数f(Δn，V)对占空比(duty1，duty2，……)的具体选择，将在下一实施例中结合图7以及图8所示原理进行具体分析。

PWM表存储装置可由电动工具内的缓存、存储单元、内存等实现，还可通过无线方式由云端进行实时更新与缓存。

表1

比较上表中的各占空比数据可知，所述各档位的占空比的变化量ΔPWM介于0.02至0.08的范围之间。更为具体的，在选择电机转速n作为一种具体的电机特性参数时，所述占空比的变化量ΔPWM与所述电机转速的变化量Δn之间可具有如下的关系：当△n变化区间为500-1000rpm，对应占空比变化区间在0.02-0.05的范围之间；当△n变化区间为1000-1500rpm，对应占空比变化区间在0.05-0.08的范围之间。所述控制单元基于该占空比的变化量ΔPWM输出相应的驱动信号至所述驱动电路以控制所述电机的转子运转输出驱动力。由于根据函数f(Δn,V)对占空比进行了0.02至0.08的调整，可获得相同电机侧电流I_m时，即电机性能相同时，使得电源侧电流I_b较小，即对供电装置更为友好的占空比。通过这种方式选择相应的PWM形式的驱动信号的占空比，本发明能够通过占空比的选择有效控制电池包的最大冲击电流，并在需要时保证电机输出最大扭矩，达到对电工工具整体工作性能的优化。

本领域技术人员可知，由于不同电动工具具备不同的参数，不同电池包具备不同的特性，因而可匹配不同的占空比变化量，例如，在一种实施方式下选择0.02-0.05的占空比变化范围以匹配一种电动工具参数，在另一种实施方式下选择0.05-0.08的占空比变化范围以匹配另一种电动工具参数。

在本发明的第三实施例中，结合图5所示，以角磨为代表的一种电动工具，说明本发明电机控制技术在电动工具上的应用。

图5所示的电动工具，其机械结构具体包括：

壳体31、电机33、输出件32和电路部件35。当然，在本实施例中，对于角磨机而言，还可以进一步包括传动装置34和夹持装置36。

其中，壳体31内部形成有用于容纳电机33、传动装置34和电路部件35的容纳腔313，壳体31的外形还可形成用于供用户握持的把手。对于角磨机而言，壳体31可以大致呈一字型。电机33用于驱动输出件32输出动力，该电机32还可以包括用于输出动力的电机轴。输出件32用于输出动力至夹持装置36，从而驱动夹持装置36转动。传动装置34用于在电机33的电机轴和输出件32之间实现传动。夹持装置36可以将磨片安装至输出件32，从而在输出件32的带动下使磨片对工件进行打磨。上述的壳体31内部还可安装有风扇，用于对电动工具内部的发热器件进行散热，以保证角磨能在正常的热环境下运行。

上述角磨的运转还需依赖安装于电路部件35上各个电子元件的协同控制。电路部件35容纳于壳体31内，参考图6所示，电路部件35具体包括如下的电路：电源控制芯片、电池检测模块、电机检测模块、控制器、驱动电路。上述，电源控制芯片、电池检测模块、电机检测模块、控制器、驱动电路、电机33均由壳体31封闭。

参考图6，所述角磨内的各电路模块，其协同工作方式均与实施例一中的电钻内的各电子装置相似。其区别仅在于，本实施例中，电机检测模块被单独设置于控制器外部，供电装置检测模块的功能，即对电池进行检测的功能通过控制器内部的采样端口实现。在本实施例中，上述电机检测模块可通过采样电机的相电流和/或电机的端电压，配合相应的计算获得依据电机的转子转动位置或电机转速，以电机转速n反映电机特性参数x。本实施例中可通过串接于电池包一侧的采样电阻R3采集电池包输出的电流信号大小，将其输入至电池检测模块，由电池检测模块将其计算获得的电池包电流、级数P等作为供电装置特性参数V。由控制器依据上述的电极转速n、供电装置特性参数V以及电池包级数P，进行函数运算，获得对应的占空比的变化量ΔPWM＝f(Δn，V，P)，并由此确定占空比。为简化计算，本实施例中的供电装置特性参数也同样可选择电池包电压进行计算。依据函数ΔPWM＝f(Δn，V，P)计算获得占空比，依据该占空比以及电机的转子转动位置输出相应的驱动信号至驱动电路以使驱动电路切换驱动状态，从而使定子产生的磁场转动以驱动转子转动，进而实现对电机的驱动。

上述，控制器输出的驱动信号的占空比具体通过对占空比的变化量ΔPWM＝f(Δn，V，P)进行函数运算获得：

首先，由电池检测模块采样获取电池包实际工况，例如，电池包电压V；由电机检测模块计算获得电机特性参数x，例如电机转速n。然后根据电池包电压V、电机转速n以及电池包级数P，计算并获得该工况下所对应的占空比的变化量ΔPWM＝f(Δn，V，P)，并由此计算获得一个对应的最佳占空比，根据该占空比调节PWM信号以获得适于角磨当前工况的驱动信号。控制器根据电机的转子转动位置，按照该占空比输出该驱动信号至驱动电路。由此，驱动电路按照该驱动信号实现对电机的驱动。

本实施例中，可通过控制器直接进行对于函数f(·)的计算获得对应的占空比数据，由此可省去上述实施例中的PWM表存储装置，而同样能够实现对不同工况下所对应的最佳占空比的优化选择。所述的占空比，具体为不同电机特性参数x和/或电池包工况下驱动电机运转的驱动信号的占空比。类似于上述实施例，以电池检测模块获得电池包电压V＝25.2V，电池包级数P＝1时，控制模块根据函数f(·)所确定的占空比的变化量ΔPWM与电机转速变化量Δn之间的一种关系具体可选为：当电机转速变化量Δn在500至1000rpm之间时，所述占空比的变化量ΔPWM对应在0.02至0.05的范围之间；当电机转速变化量Δn在1000至1500rpm之间时，所述占空比的变化量ΔPWM对应在0.05至0.08的范围之间。

这里，对于所述函数f(·)，可通过如下步骤获得：

首先根据具体电动工具的电路特性参数建立如图7所示的电动工具仿真系统模型。模型中所需考虑的电动工具的电路特性参数包括：供电装置特性参数和电机特性参数。其中，供电装置特性参数可包括但不限于：供电装置电压、剩余电量、电池包SOC参数、供电装置内阻等；电机特性参数，可包括但不限于：电机转速、位置、扭矩等。

以电池包作为供电装置为例，交流电源作为供电装置可类比实现。在图7所示的电动工具控制模型中，电池包根据其不同级数P和/或工况下的特性参数输出电源侧电流I_b，控制器按照不同的占空比输出驱动信号驱动电机运转，此时，电机根据其工况所对应的特性参数输出相应的电机侧电流I_m。

以不同的电池包工况以及不同的电机特性参数x分别进行仿真，分别获得该工况下(不同的电池包工况以及电机特性参数x)驱动信号占空比与电源侧电流I_b、电机侧电流I_m的关系。例如，以电池包工况为电池包电压情况V2档位、电机特性参数x落入N10～N11档位为例，仿真获得驱动信号占空比与电源侧电流I_b、电机侧电流I_m的关系。该关系可通过图8所示的曲线表示。

由于电机侧电流I_m正比于电机的输出扭矩，因此，查询图8可获得该工况下电机侧电流I_m曲线的最高点B为输出扭矩最大的点，即电机输出性能最优点，其在该工况下对应的驱动信号占空比为65％。在电机的输出扭矩所对应的电机侧电流I_m为49A时，查询图8所示曲线可相应找到两个占空比实现该扭矩。但是由于A点占空比所对应的电源侧电流I_b较小，因此可确认A点为电池友好点，其在该工况下对应的驱动信号占空比为39％。

根据对电池包工况以及电机特性参数x的分析，确定该工况下倾向于保护电池还是输出大扭矩，或者对两者进行折中。以电池包工况为电池包电压情况V2档位、电机特性参数x落入N10～N11档位为例，在确定一种工况下倾向于保护电池，即需要限制对电池包的最大冲击电流时，可相应选择A点所对应的占空比39％为该工况下的最佳占空比；在一种该工况下倾向于输出大扭矩时，可相应选择B点所对应的占空比65％为该工况下的最佳占空比。或者，对上述占空比进行折中，确定A、B之间适合该工况的某点所对应的占空比为最佳占空比。一般，这种方式需要调整的占空比的变化范围在0.02～0.08之间。将该工况下选择的最佳占空比按照电池包工况V2档位、电机特性参数xN10～N11档位存储在表1中对应duty5的位置。以此类推，逐一确定上述PWM表中对应不同工况的占空比数据并存储成表。或者，也可通过函数f(·)拟合上述依据电动工具特性对占空比进行调节的过程，即拟合上述依据供电装置特性参数以及电机特性参数对占空比进行调节的过程，或直接对上述PWM表进行拟合。通过对函数f(·)的计算替代对具体占空比数据的存储，因而可直接根据实时的工况实现对占空比的调节。

由此，电动工具在使用过程中，一旦判断实际工况落入电池包工况V2档位、电机特性参数xN10～N11档位，则直接通过查表的方式，或通过函数f(·)的拟合，对应确定duty5作为相应的占空比，以其对应的策略控制输出相应占空比的驱动信号至驱动电路，驱动电机运转。通过仿真过程中对最佳占空比的选择，可在实现应用中获得与仿真接近的效果，由此实现对电动工具最大冲击电流的限制、对最大输出扭矩的提升，还能够实现对电动工具输出最大扭矩与电源容量比的提升。具体，通过上述的技术，可使得电动工具输出最大扭矩不小于5N.m，和/或使得所述电动工具输出最大扭矩与电源容量比不小于3Nm/Ah，和/或使得所述电动工具的最大冲击电流不超过30A。

其他工况下，对占空比的选择、存储与查询方式与上述类似，在此不加赘述。

本领域技术人员可理解，在电动工具处于低速、大扭矩等接近堵转的工况下，一般需相应选择性能最优点B作为该工况下占空比的依据，以提升工具的重载性能，突破堵转。

在电动工具完全堵转等工况下，则可通过选择电流较小的A点实现对保护电池和输出大扭矩两种特性的折中。

上述对于不同工况下所对应的最佳占空比的选择，可适用于绝大多数电动工具。应用至具体电动工具产品时，仅需根据工具的使用需求及其电路特性，相应调整图7所示的电动工具仿真系统模型内的参数进行相应仿真即可确定占空比的具体数值。

对于现有电动工具，本发明无需对其中的电路硬件或机械结构进行任何变化，仅仅预先存储该工具所对应的PWM表(表1)，或直接通过控制单元自身的运算执行上述的f(·)函数即可以最佳的占空比实现对电机的最优控制，从而实现对电工工具工作性能的优化。

参照图10至图12的测试数据，使用本发明，能够很轻松地控制电动工具内电池包的最大冲击电流小于30A，控制电动工具最大输出扭矩不小于5N.m。尤其，在图12所示堵转状态下，例如，电机转速将至原先转速的20％或以下时，可限制电动工具的堵转电流在70A或以下。

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

1.一种电动工具，包括：

电机，所述电机包括定子和转子；

传动装置，所述传动装置用于连接所述转子与工具附件；

驱动电路，所述驱动电路用于输出开关信号以驱动所述电机的转子运转；

控制单元，用于输出驱动信号控制所述驱动电路；

电池包，为所述电机、驱动电路、控制单元供电；所述电池包与所述电动工具可拆卸式连接；

其特征在于，所述控制单元被设置为根据所述电机特性参数的变化量Δx、电池包的电压V和级数P来确定占空比的变化量ΔPWM，其中占空比的变化量ΔPWM由函数f(Δx，V，P)获得，其中，所述电机特性参数至少包括电机转速n；当所述电机转速的变化量△n介于500rpm至1000rpm之间时，所述占空比的变化量ΔPWM介于0.02至0.05的范围之间；基于该占空比的变化量ΔPWM输出相应的驱动信号至所述驱动电路以控制所述电机的转子运转输出驱动力，所述电动工具输出最大扭矩与所述电池包容量比不小于3Nm/Ah。

2.如权利要求1所述的电动工具，其特征在于，还包括电机检测模块；所述电机检测模块，用于检测并获得电机特性参数x；所述电机检测模块集成于所述控制单元内，或分列于所述控制单元外。

3.如权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述电机特性参数x还包括：电流、输出扭矩。

4.如权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述电池包是级数为1P的电池包。

5.一种电动工具，包括：

电机，所述电机包括定子和转子；

传动装置，所述传动装置用于连接所述转子与工具附件；

控制单元，用于输出驱动信号控制所述驱动电路；

其特征在于，所述控制单元被设置为根据所述电机特性参数的变化量Δx、电池包的电压V和级数P来确定占空比的变化量ΔPWM，其中占空比的变化量ΔPWM由函数f(Δx，V，P)获得，其中，所述电机特性参数至少包括电机转速n；当所述电机转速的变化量△n介于1000rpm至1500rpm之间时，所述占空比的变化量ΔPWM介于0.05至0.08的范围之间，基于该占空比的变化量ΔPWM输出相应的驱动信号至所述驱动电路以控制所述电机的转子运转输出驱动力，所述电动工具输出最大扭矩与所述电池包容量比不小于3Nm/Ah。

6.一种电动工具，包括：

无刷电机，所述无刷电机包括定子和转子；

传动装置，所述传动装置用于连接所述转子与工具附件；

驱动电路，所述驱动电路用于输出开关信号以驱动所述无刷电机的转子运转；

控制单元，用于输出驱动信号控制所述驱动电路；

其特征在于，所述控制单元被设置为根据所述电机特性参数的变化量Δx、电池包的电压V和级数P来确定占空比的变化量ΔPWM，其中占空比的变化量ΔPWM由函数f(Δx，V，P)获得；其中，所述电机特性参数至少包括电机转速n；当所述电机转速的变化量△n介于500rpm至1500rpm之间时，所述占空比的变化量ΔPWM介于0.02至0.08的范围之间；基于该占空比的变化量ΔPWM输出相应的驱动信号至所述驱动电路以控制所述无刷电机的转子运转输出驱动力，所述电动工具输出最大扭矩与所述电池包容量比不小于3Nm/Ah。

7.如权利要求6所述的电动工具，其特征在于，所述电动工具输出最大扭矩不小于5N.m。