CN110445427B

CN110445427B - 电动工具

Info

Publication number: CN110445427B
Application number: CN201810660340.5A
Authority: CN
Inventors: 王宏伟; 杨德中; 孙永安
Original assignee: Nanjing Chervon Industry Co Ltd
Current assignee: Nanjing Chervon Industry Co Ltd
Priority date: 2018-05-03
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2038-06-25
Also published as: EP3780379A4; US11637523B2; US20210044248A1; US20210320613A1; CN111630770B; CN110434397A; CN110434791B; EP3780379B1; EP3780379A1; US11070164B2; CN110460269B; CN110434397B; CN110434791A; CN111630770A; CN110445427A; CN110460269A; WO2019210790A1

Abstract

本发明公开了一种电动工具，主要包括电机、传动装置、电源模块、驱动电路、控制单元。驱动电路包括由多个驱动开关组成的桥电路，桥电路包括高侧驱动开关和低侧驱动开关。控制单元被配置为输出第一PWM信号控制桥电路的高侧驱动开关，并且输出与第一PWM信号反相的第二PWM信号控制低侧驱动开关。本发明的电动工具能够抑制驱动开关和桥电路的温升以及功率损耗，同时能够防止电机驱动时产生负扭矩导致制动效果。

Description

电动工具

技术领域

本发明涉及一种电动工具，具体涉及一种具有无刷电机的电动工具。

背景技术

无刷电机一般由电机本身和相应的驱动电路组成，相比于有刷电机其运转噪音低且寿命更长。

无刷电机的驱动电路通常采用逆变驱动桥电路进行控制，逆变驱动桥电路的功率元件也即驱动开关（MOSFET、IGBT等）通常会产生大量的热量。由于驱动开关存在寄生二极管，在该驱动开关从接通状态切换到断开状态时，由于电流不能瞬变，电机绕组中的电流会通过与该驱动开关连接于相同的绕组的另一驱动开关的寄生二极管，寄生二极管因内部电阻而发热，使得该寄生二极管的驱动开关以及桥电路温度上升。尤其是，在重载大电流状态下，其发热损耗更为严重。

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抑制驱动开关和桥电路的温升以及功率损耗。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种电动工具，包括：电机，包括定子和转子，用于输出驱动力；工具附件轴或工具输出件，用于固定钻头并输出动力；传动装置，与所述电机及所述工具附件轴或工具输出件机械连接，用于将所述电机输出的驱动力传递至所述工具附件轴或工具输出件；电路板，与所述电机电连接，用于控制所述电机输出驱动力；电源模块，用于为所述手持式电钻提供电能；壳体，用于容纳所述电机、传动装置、电源模块以及电路板；所述电路板上设置有：驱动电路，电连接在所述电机和所述电源模块之间，包括由一个或多个驱动开关组成的桥电路，所述桥电路包括高侧驱动开关和低侧驱动开关；控制单元，电连接至所述驱动电路，用于输出控制信号以控制所述驱动电路的一个或多个驱动开关；其中，所述控制单元控制单元被配置为输出第一PWM信号控制所述桥电路的高侧驱动开关，并且输出与所述第一PWM信号反相的第二PWM信号控制所述桥电路的低侧驱动开关；所述第一PWM信号的占空比与第二PWM信号的占空比之和小于100%。

进一步地，所述控制单元被配置为至少所述第一PWM信号的占空比在20%~90%之间时，所述控制单元输出与所述第一PWM信号反相的第二PWM信号控制所述桥电路的低侧驱动开关。

进一步地，所述控制单元被配置为至少所述第一PWM信号的占空比在10%~95%之间时，所述控制单元输出与所述第一PWM信号反相的第二PWM信号控制所述桥电路的低侧驱动开关。

进一步地，所述控制单元被配置为至少所述第一PWM信号的占空比在30% ~95%之间时，所述控制单元输出与所述第一PWM信号反相的第二PWM信号控制所述桥电路的低侧驱动开关。

另一种电动工具，包括：无刷电机，所述无刷电机包括定子和转子；电机轴，所述电机轴由所述转子驱动；工具附件轴或工具输出件，用于支持工具附件；传动装置，所述传动装置用于连接所述电机轴与所述工具附件轴或工具输出件；电源模块，用于为所述手持式电动工具提供电能；驱动电路，电连接在所述电机和所述电源模块之间，包括由一个或多个驱动开关组成的桥电路，所述桥电路包括高侧驱动开关和低侧驱动开关；控制单元，用于输出控制信号以控制所述驱动电路的一个或多个驱动开关；其中，所述控制单元被配置为输出第一PWM信号控制所述桥电路的高侧驱动开关，并且输出与所述第一PWM信号反相的第二PWM信号控制所述桥电路的低侧驱动开关；所述第一PWM信号的下降沿与所述第二PWM信号的上升沿之间间隔第一预设时长，并且所述第一PWM信号的上升沿与所述第二PWM信号的下降沿之间间隔第二预设时长。

进一步地，所述第一预设时长在0.5微秒~10微秒之间。

右一种电动工具，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；电源模块，用于为所述电动工具提供电能；驱动电路，电连接在所述电机和所述电源模块之间，所述驱动电路包括由一个或多个驱动开关组成的桥电路，所述桥电路包括高侧驱动开关和低侧驱动开关；控制单元，用于输出控制信号以控制所述驱动电路的一个或多个驱动开关；其中，所述控制单元被配置为输出第一PWM信号控制所述桥电路的高侧驱动开关，并且输出与所述第一PWM信号反相的第二PWM信号控制所述桥电路的低侧驱动开关；所述第一PWM信号的下降沿与所述第二PWM信号的上升沿之间间隔第一预设时长，并且所述第一PWM信号的上升沿与所述第二PWM信号的下降沿之间间隔第二预设时长；所述第一预设时长在0.5微秒~10微秒之间。

进一步地，所述控制单元被配置为至少所述第一PWM信号的占空比在10%~95%之间时，所述控制单元输出与与所述第一PWM信号反相的第二PWM信号控制所述桥电路的低侧驱动开关。

进一步地，所述控制单元包括设置于所述控制单元内部的温度传感器，所述控制单元根据所述温度传感器的检测值，估算所述驱动电路或所述一个或多个驱动开关的温度。

本发明的有益之处在于能够抑制驱动开关和桥电路的温升以及功率损耗，同时还能够防止电机产生负扭矩而导致制动效果。另外，采用控制单元内部的温度传感器代替NTC温度传感器，降低成本且减小PCB板尺寸。

附图说明

图1是作为实施例之一的手持式电钻的立体图；

图2是作为实施例之一的电圆锯的立体图；

图3是作为实施例之一的冲击螺丝批的立体图；

图4是电动工具的一种实施例的电路原理图；

图5是图4中驱动电路的简化图；

图6是驱动电路传统的控制信号的波形图；

图7是同步续流控制的驱动电路的控制信号的理想波形图；

图8a是同步续流控制时A相驱动开关的PWM信号的实际波形图；

图8b是同步续流控制中引起A相绕组短路时的电流走向；

图8c是本发明的第一方面的第一实施方式的PWM信号波形图；

图9a是PWM信号控制期间负载较大时绕组的电流I₁以及轻载情况时绕组的小电流I₂的波形图；

图9b是同步续流控制中电机产生负扭矩时的PWM信号和电机输出扭矩的关系图；

图9c是本发明的第二方面的第一实施方式的PWM信号与电机输出扭矩的关系图；

图10是本发明的第三方面的PWM信号的波形图。

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。

本发明的电动工具100可以为手持式电动工具、花园类工具、花园类车辆如车辆型割草机，在此并非有所限制。本发明的电动工具100包括但不限于以下内容：螺丝批、电钻、扳手、角磨等需要调速的电动工具，砂光机等可能用来打磨工件的电动工具，往复锯、圆锯、曲线锯等可能用来切割工件；电锤等可能用来做冲击使用的电动工具。这些工具也可能是园林类工具，比如修枝机、链锯、车辆型割草机；另外这些工具也可能作为其它用途，比如搅拌机。只要这些电动工具100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。

电动工具100包括但不限于：壳体、工具附件、工具附件轴、电机、传动装置、把手、电源模块、电路板以及设置在电路板上的电子部件。

工具附件用于实现电动工具100的功能，例如打磨、切削等。工具附件通过工具附件轴与电机连接。

电机用于驱动转动工具附件轴，从而带动工具附件工作，为工具附件提供动力。具体而言，电机包括转子、定子和电机轴，通过传动装置连接工具附件轴和电机轴，将电机轴的驱动力传递至工具附件轴。

把手供用户握持，把手可以作为独立的零件也可以由壳体形成。

在一些实施例中，电动工具100还可以包括操作件，操作件用于启动或关闭电机，其设置于把手。当操作件触发时电机启动，当操作开关被释放时电机关闭。

电源模块用于为电动工具100提供电能。可以理解的，这里的电源模块可以电源转换单元，也可以包括供电电源和电源转换单元，例如，在一些实施例中，电源模块为电源转换单元，其连接于供电电源，在一些实施例中，电源模块包括电源转换单元和供电电源；而在另一些实施例中，电源模块为供电电源。供电电源可以是交流电，也可以是直流电（例如，电池包）。

电动工具100的运转还需依赖安装于电路板上的电子元器件或电子部件，电子元器件或电子部件包括但不限于驱动电路、控制单元，驱动电路用于驱动电机输出动力，控制单元用于输出控制信号以控制所述驱动电路的驱动开关。

壳体用于容纳上述电机、电源模块、传动装置、电路板以及电子元器件或部件等。在本实施例中，电动工具100是无刷电机，供电电源可以是交流电源（例如，220V交流电），也可是直流电源供电（例如，电池包）。

下面以三种典型的手持式电动工具100为例说明本发明具体的实施方式。

实施例一：

参照图1，手持式电钻10主要包括：壳体11、工具输出件12、电机13、传动装置14 、电源模块16、电路板15以及设置在电路板15上的电子元器件。

其中，壳体11构成电钻10的主体部分，其用于容纳电机13、传动装置14以及其他诸如电路板15等电子部件。壳体11的一端还用于安装工具输出件12。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、传动装置14、电路板15，头部壳体部分112可以连接工具输出件12。工具输出件12用于输出动力，例如对于电钻而言工具输出件12可具体选择为一个能夹持钻头的夹头。电机13、传动装置14以及电路板15均设置在壳体11内，电源模块16，用于为电钻内部各电子装置供电。在本实施例中，手持式电钻10采用电池包供电，则其电源模块16为电池包。

上述手持式电钻10的运转还需依赖安装于电路板15上的电子元器件或电子部件，电子元器件或电子部件用于控制电机13运转，电机13用于驱动传动装置14，传动装置14用于将电机13输出的动力传递至工具输出件12，从而驱动工具输出件12输出动力。电子元器件或电子部件包括但不限于驱动电路和控制单元，驱动电路电连接在电机13和电源模块16之间，包括由多个驱动开关组成的三相桥电路，每相桥电路包括高侧驱动开关和低侧驱动开关，控制单元电连接至驱动电路，用于输出控制信号以控制所述驱动电路的驱动开关。

实施例二：

参照图2，手持式圆锯20主要包括底板21、机壳22、锯片罩23、锯片轴24、电机25、电机轴251、传动装置26、电池包27、电路板28以及设置在电路板28上的电子元器件或电子部件。

其中，底板21包括用于与工件接触的底板平面，底板平面的延展方向为第一轴线方向；机壳22与底板21连接并固定于底板平面上方；锯片罩23与机壳22连接；锯片轴24与第一轴线方向垂直，用于在锯片罩23内支持锯片转动从而实现对工件进行切割作业；电机25设置于机壳22内，包括定子和转子，其中定子包括绕组，电机25的轴线方向与第一轴线方向同向；电机轴231由转子处沿所述第一轴线方向向所述锯片轴24的方向延伸，由转子驱动；传动装置26用于连接电机轴251与锯片轴24，将电机轴251的旋转运动传导至所述锯片轴24以驱动锯片运转。电池包27作为供电电源，用于为手持式圆锯20提供电能。

上述手持式圆锯20的运转还需依赖安装于电路板28上的电子元器件或电子部件，所述电子部件类似于实施例一，此处不再赘述。

实施例三：

参阅图3，冲击螺丝批30类似于手枪形，主要包括：包括机壳31，机壳31包括一个基本上呈圆筒形的部分（未示出），与该圆筒形部分成一定角度布置的把手32，以及设置于把手内部的电池33，电池33用于为冲击螺丝批30提供电能。把手32上设有用于控制工具启动的操作开关34，把手32和圆筒形部分的交接部分还设有换向钮35，其分别设于机壳31的两侧用于控制工具的正反转，把手内部还设有电路板（未示出），电路板上集成有驱动电路、控制电路等电子元器件或电子部件。以机壳31上远离把手32所在的一端为前端，相对的另一端为后端，从前到后依次布置有电机36、由电机驱动的传动装置37以及冲击部分38。电机17具有一个提供旋转输出的电机轴（未示出），电机轴的顶端设有电机齿轮，用于通过齿轮结构将电机17的动力旋转输出传递给传动装置37。传动装置37用于将电机轴的旋转输出减速后旋转输出。工具附件轴（未示出）用于支持工具附件，其通过传动装置37连接电机轴。上述冲击螺丝批30的运转还需依赖安装于电路板上的电子元器件或电子部件，所述电子部件类似于实施例一。

上述电动工具100的电路原理类似，下面具体说明电动工具100的电路原理。

参照图4所示的电动工具100的电路原理图，电动工具100包括：供电电源40、电源模块41、控制单元42、驱动电路43。

电源模块41包括电源正极41a和电源负极41b，电源模块41使得电源正极41a和电源负极41b之间产生电势差。具体而言，电源模块41还可以将来自供电电源40的电能转换成可供电动工具100中的控制单元42、驱动电路43等其他模块、电子元器件或电子部件使用的电能。可以理解的，电源模块41包括控制单元电源模块44。

在一些实施例中，电动工具100还包括开关45，用于导通或关断电源模块41与控制单元电源模块44的电性连接。开关45与电源模块41电性连接，控制单元电源模块44与开关45电性连接。在开关45导通电源模块41与控制单元电源模块44时，电源模块41为控制单元电源模块44提供一个较高电压的电源使控制单元电源模块44能为控制单元42提供一个较低电压的电源。也即是说，开关45没有导通时，电源模块41无法为控制单元电源模块44供电；开关45导通时候，控制单元42从控制单元电源模块44获取电能后控制驱动电路43使电源模块41输出的电流通过无刷电机的绕组。

在一些实施例中，电动工具100还包括延时模块46，用于在开关45断开后使控制单元电源模块44仍能为控制单元42供电一段时间，延时模块46分别与开关45和控制单元电源模块44电性连接。具体地，延时模块46包括延时电容。

在一些实施例中，电动工具100还包括断电保护模块47分别与供电电源40、控制单元42和驱动芯片48电性连接。断电保护模块47用于在电动工具100的电路和电机49在发生过载、短路或欠压情况下进行断电保护，即切断电源模块41与控制单元42的电性连接。具体地，断电保护模块47为断路器、空气开关或其它可实现断电功能的电子元件。

如图4所示的开关45具有导通或闭合两个状态，可将开关45设置为电动工具100的操作开关，供用户操作。开关45在用户触发下导通，电源模块41输出的电流分别为驱动芯片48、控制单元电源模块44供电。开关45断开，延时模块46使得控制单元电源模块44仍能为控制单元42供电一段时间。

驱动电路43用于驱动电机49工作。可以理解的，驱动电路43可以包括驱动芯片48，驱动芯片48连接在电源模块41和驱动电路43之间，用于将电源模块41输出的电压转化为适配驱动电路43的供电电压以为驱动电路43供电。驱动电源模块（未示出）串联在电源模块41与驱动芯片48之间，用于将电源模块41输出的直流电压转化为适配驱动芯片48的供电电压以使驱动芯片48供电工作。显然，驱动电源模块和驱动芯片48也可集成在一个芯片上。

电动工具100还包括：电路板、探测器或检测电路。电路板主要用于构建电动工具100内的电路。探测器或检测电路主要用于检测电动工具100的一些电参数和物理参数，例如温度、电压、电流、转子位置等。在一些实施例中，探测器或检测电路包括电压检测模块50，用于检测供电电源的电压。在一些实施例中，探测器或检测电路包括温度检测模块51，其设置在电路板上，用于检测功率管、电路板等较易发热的电子元器件或组件，温度检测模块51电连接至控制单元42。在一些实施例中，探测器或检测电路包括位置检测模块52，与电机49和控制单元42电性连接，用于检测电机49中的转子的位置。具体地，当转子转动至一个预设范围时，位置检测模块52处于一种信号状态，当转子转出预设范围时位置检测模块52切换至另一信号状态。在一些实施例中，位置检测模块52包括位置传感器521（例如，霍尔传感器），在另一些实施例中，位置检测模块52不包括位置传感器521，而是通过反电动势信号判断转子位置进行换相。

在本实施例中，位置检测模块包括位置传感器521，所述的位置传感器521为三个霍尔传感器。如图4所示，沿电机49的转子的圆周方向设置3个霍尔传感器，霍尔传感器检测的转子的位置信息输入至位置检测模块52。位置检测模块52将输入的转子的位置经逻辑处理转换为可与控制单元42通讯的转子位置信息输入至控制单元42。当转子转入和转出预设范围时，霍尔传感器的信号发生改变，位置检测模块52的输出信号也随之改变。

转子转入预设范围时，位置检测模块52的输出信号定义为1，而转子转出预设范围时，位置检测模块52的输出信号定义为0。将三个霍尔传感器彼此相距物理角度120°。

当转子转动时，三个霍尔传感器将会产生包括六种信号组合的位置信号使得位置检测模块52输出包括六种信号组合之一的位置信号。如果按霍尔传感器放置的顺序排列则出现六个不同的信号组合100、110、010、011、001、101。这样一来位置检测模块52就可输出上述六个位置信号之一，依据位置检测模块52输出的位置检测信号即可得知转子所处的位置。

对于具有三相绕组的无刷电机而言，其在一个通电周期内具有六个驱动状态与上述方案产生的输出信号相对应，因此在位置检测模块52的输出信号发生变化时，无刷电机即可执行一次换向。

驱动电路43包括多个驱动开关，所述驱动开关组成桥电路。参照图5，在本实施例中，驱动电路43包括驱动开关Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，驱动开关Q1~Q6组成三相全桥电路。在此，我们定义Q1、Q3、Q5为每相电桥的高侧驱动开关，Q2、Q4、Q6为每相电桥的低侧驱动开关。每相桥电路的高侧驱动开关和低侧驱动开关连接与同一相绕组。驱动开关Q1和Q2与第一相绕组A连接，驱动开关Q3和Q4与第二相绕组B连接，驱动开关Q5和Q6与第三相绕组C连接。无刷电机的三相绕组A、B、C通过六个驱动开关Q1~Q6组成的电桥与电源模块23相连接。驱动开关Q1~Q6可以是半导体器件，例如，金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或者绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。每个驱动开关的并联有一个寄生二极管。

下面以MOSFET作为驱动开关为例，具体说明驱动电路43的构成。每个驱动开关的漏极和源极之间有一个寄生二极管，驱动开关Q1~Q6的每个栅极AH、AL、BH、BL、CH、CL与控制单元42电性连接，驱动开关Q1~Q6的每个漏极或源极与电机的定子绕组连接。具体地，驱动开关Q1、Q3、Q5的漏极均连接至电源正极41a，Q1、Q3、Q5的源极分别连接至第一相绕组A、第二相绕组B、第三相绕组C；驱动开关Q2、Q4、Q6的漏极分别连接至第一相绕组A、第二相绕组B、第三相绕组C，源极均连接至电源负极41b。驱动开关Q1~Q6依据控制单元42输出的控制信号改变导通状态，从而改变电源模块23加载在无刷电机绕组上的电压状态。有上述可知，Q1、Q3、Q5分别用于导通或切断第一相绕组A、第二相绕组B、第三相绕组C与电源正极41a的电性连接，Q2、Q4、Q6分别用于导通或切断第一相绕组A、第二相绕组B、第三相绕组C与电源负极41b的电性连接。

为了使无刷电机转动，驱动电路43具有多个驱动状态，在一个驱动状态下电机49的定子绕组会产生一个磁场，控制单元42控制驱动电路43切换驱动状态使定子绕组产生的磁场转动以驱动转子转动，进而实现对无刷电机的驱动。

为了驱动无刷电机，驱动电路43至少具有六个驱动状态，为了方便说明，以下以驱动状态对应接通的接线端表示驱动状态。例如，如果控制单元42控制驱动电路43使第一相绕组A连接至电源正极41a和第二相绕组B连接至电源负极41b，则该驱动状态用AB表示，如果控制单元42控制驱动电路43使第一相绕组A连接至电源负极41b和第二相绕组B连接至电源正极41a，则该驱动状态用BA表示，这样表示的驱动方式同样适用于绕组的三角型连接方案。另外，驱动状态的切换也可简称为无刷电机的换向动作。显然，转子每转过60°无刷电机换向一次，定义无刷电机的一次换向至下一次换向的间隔为换向区间。

图6是驱动电路43的传统的控制信号波形图。每相桥电路的高侧驱动开关用于脉宽调制（PWM）以控制电机速度，在该高侧驱动开关的PWM控制期间内，相应的与该驱动开关连接于相同绕另一驱动开关（低侧驱动开关）保持低电平。由于驱动开关并联有寄生二极管，在该驱动开关的PWM控制期间，当其从接通状态切换到断开状态时，由于电流不能瞬变，电机绕组中的电流会通过与该驱动开关连接于相同的绕组的驱动开关的寄生二极管中流动，寄生二极管因内部电阻而发热，使得与之并联的驱动开关以及桥电路温度上升。尤其是，在重载大电流状态下，其发热损耗更为严重。因此，这种常规的控制方法会带来较大的功率损失。

考虑到，与二极管的导通电阻（即正向电压降）相比，驱动开关MOSFET或IGBT通常具有非常低的导通电阻，这样通过等量电流的驱动开关MOSFET或IGBT而产生的功率损耗和热量要低于二极管产生的额功率损耗和热量。

参照图7，为了抑制温升和功率损耗，引入同步续流控制，在PWM控制期间，控制连接于同一绕组的两个驱动开关（高侧驱动开关和低侧驱动开关）的通断状态相反，以使得电流不经过驱动开关的寄生二极管，而是经过与该PWM控制的驱动开关连接于相同绕组的另一驱动开关，以减少发热和损耗。也即是说，通过PWM 控制，使电流从电源模块流向电机绕组的通电路径上的驱动开关为断开状态时，控制与该驱动开关连接于相同绕组的另一驱动开关成为接通状态。

以A相为例，在PWM控制期间，控制单元输出第一PWM信号施加于高侧驱动开关的控制端AH以控制高侧驱动开关Q1，同时输出与第一PWM信号反相的第二PWM信号施加于低侧驱动开关的控制端AL以控制低侧驱动开关Q2。这样，在高侧驱动开关Q1的PWM控制期间，当高侧驱动开关Q1为断开状态时，低侧驱动开关Q2为接通状态，电流从低侧驱动开关Q2内部流过，而不是从该驱动开关Q2的寄生二极管中流过，从而减少发热和功率损耗。上述是针对A相驱动开关的同步续流方案，但必须理解的是，其他相桥电路中的驱动开关与A相的驱动开关同步续流方案类似。

在上述控制方法的PWM控制期间，通常，当驱动开关断开时，立刻接通与该驱动开关连接于相同绕组的另一驱动开关。然而，本领域技术人员可知，实际的方波信号由于受上升/下降时间的影响，不是严格意义上的方波信号，也就是在其上升沿和下降沿不能瞬变，而是会有小段迟滞时间（T）缓慢变化（图8a）。在这种情况下，若在高侧驱动开关的PWM信号处于下降沿时，立刻开始与该高侧驱动开关连接于相同绕组的低侧驱动开关的PWM信号的上升沿，则会出现高侧驱动开关还未完全断开时，低侧驱动开关已经接通的现象，这会这样会引起短路现象，从而烧坏电路以及电子元器件（图8b）。

有鉴于此，为克服上述问题，在本发明的第一方面，在同步续流控制期间，设置第一PWM信号的占空比与第二PWM信号的占空比之和小于100%，以防止高侧驱动开关和低侧驱动开关同时接通引起短路问题。

具体的，设置每相桥电路的高侧驱动开关和低侧驱动开关其中之一的PWM信号的上升沿或下降沿与高侧驱动开关和低侧驱动开关中的另一个的PWM信号的下降沿或上升沿之间间隔预设时长，以防止高侧驱动开关和低侧驱动开关同时接通引起短路问题。

在第一实施方式中，在PWM控制期间，使得每相桥电路的高侧驱动开关的PWM信号的下降沿与低侧驱动开关的PWM信号的上升沿之间间隔第一预设时长T1，并且使得每相桥电路的高侧驱动开关的PWM信号的上升沿与低侧驱动开关的PWM信号的下降沿之间间隔第二预设时长T2。

参照图8c，以A相为例，在PWM控制期间，在高侧驱动开关Q1的AH端施加第一PWM信号，在低侧驱动开关Q2的AL端施加反相的第二PWM信号。在高侧驱动开关Q1的第一PWM信号的每个下降沿开始后，等待第一预设时长T1开始低侧驱动开关Q2的第二PWM信号的上升沿，并且在低侧驱动开关Q2的第二PWM信号的下降沿开始后，等待第二预设时长T2开始高侧驱动开关Q1的第一PWM信号的上升沿。

我们知道，在采用同步续流控制抑制驱动开关和桥电路的温升时，希望在高侧驱动开关断开时，低侧驱动开关能够及时打开，这样可以快速而有效的抑制温升。因此，按照这样的方式，将第一预设时长T1设置的越小越好。而由上述内容可以，当高侧驱动开关断开时，立刻接通与该驱动开关连接于相同绕组的低侧驱动开关，可能会引起短路问题。为此，我们需要控制第一预设时长T1在一定的阈值范围内，既可以防止短路问题也能快速而有效的抑制驱动开关和桥电路的温升。

在第一实施方式中，设置第一预设时长T1在0.5微妙~10微秒之间（包含端点0.5微妙和10微秒）。例如，设置第一预设时长T1为0.5微秒，设置第二预设时长T2为0.8微秒；再如，设置第一预设时长T1为1微秒，设置第二预设时长T2为2 微秒；还如，设置第一预设时长T1为10微秒，设置第二预设时长为13 微秒。上述是针对A相的控制方法，但必须理解的是，其他相桥电路中的驱动开关与A相的驱动开关的控制方法类似，此处不再赘述。

实际实验结果表明，当第一预设时长T1在0.5微妙~10微秒之间（包含端点0.5微妙和10微秒）时，既能够防止短路问题，同时抑制温升效果较好。

在第二实施方式中，在PWM控制期间，仅使每相桥电路的高侧驱动开关的第一PWM信号的下降沿与低侧驱动开关的第二PWM信号的上升沿之间间隔第一预设时长T1。

在第三实施方式中，在PWM控制期间，仅使每相桥电路的高侧驱动开关的第一PWM信号的上升沿与低侧驱动开关的第二PWM信号的下降沿之间间隔第二预设时长T2。

以上两种实施方式与第一实施方式类似，在此不再赘述。

对于每相桥电路，当高侧驱动开关处于接通状态，且低侧驱动开关处于断开状态时，绕组电流上升。反之，当高侧驱动开关处于断开状态，且低侧驱动开关处于接通状态时，绕组电流下降。

参照图9a和图9b，在采用PWM控制期间，若负载较大，绕组的电流（I₁）较大，则电机持续输出正向扭矩；而在轻载状态下，由上述内容可知，电机绕组电流（I₂）较小，当高侧驱动开关处于断开状态，且低侧驱动开关处于接通状态时，若低侧驱动开关保持接通状态较长时间，则电流下降较快，有可能降为负值，此时会产生负扭矩901，导致制动效果。

有鉴于此，在本发明的第二方面，控制电动工具的电机输出保持正扭矩，以抑制电机产生负扭矩导致的制动效果。

第一实施方式，设置上述第一预设时长T1和第二预设时长T2的比值小于或等于1。在此基础上，动态调整第二预设时长T2，使得电机绕组的电流大于或等于零。通过上述方式使电机不会输出负扭矩，抑制电机驱动时出现制动而导致转速降低（图9c）。

第二实施方式，还可以通过检测电机绕组的电流，在绕组电流小于零之前，控制电机输出正向扭矩。具体地，电动工具100还包括电流检测电路（未示出），用于检测所各相绕组的电流，在电流检测电路检测到电流小于零之前，控制单元42输出控制信号控制连接于该相绕组的高侧驱动开关切换到接通状态，从而使电机保持输出正向扭矩。

通过上述方法，调整同步续流控制的PWM信号，使电机保持输出正向扭矩，防止发生制动效果。

本领域技术人员可知，在高侧驱动开关的PWM信号（第一PWM信号）的占空比较小或较大时，均不适宜使用同步续流控制来抑制驱动开关及桥电路的温升。一方面，当高侧驱动开关处于断开状态，而该相桥电路的低侧驱动开关处于接通状态时，若高侧驱动开关的第一PWM信号的占空比较小，则该相绕组电流下降较快，更容易出现电流负值情况，并且高侧驱动开关的PWM信号的占空比较小时，流过高侧驱动开关的电流较小，产生的发热量很小，此时，无需使用上述同步续流控制以减小发热和功率损耗；另一发方面，在对其中一个驱动开关进行PWM控制期间，当高侧驱动开关处于断开状态，而该相桥电路的低侧驱动开关处于接通状态时，若高侧驱动开关的第一PWM信号的占空比较大，则同步续流的低侧驱动开关的第二PWM信号可以插入的占空比很小，其产生的作用不大，反而会由于驱动开关的频繁开关引起开关损耗。

有鉴于此，在本发明的第三方面，仅在高侧驱动开关的第一PWM信号的占空比满足预设条件时，才启用同步续流控制。

具体地，当第一PWM信号的占空比小于第一预设占空比或PWM信号的占空比大于第二预设占空比时，禁止同步续流控制，仍然采用传统的控制方法；仅在施加到高侧驱动开关控制端的第一PWM信号的占空比大于或等于第一预设占空比并且小于或等于第二预设占空比时，切换到同步续流控制，控制单元42输出反相的第二PWM信号控制该相桥电路的低侧驱动开关，通过这样的方式，能够有效抑制温升和功率损耗。

参照图10，若以第一预设占空比和第二预设占空比将第一PWM信号划分为三个区域，则在第一区域中，第一PWM信号的占空比小于第一预设占空比，在第二区域中，第一PWM信号的占空比大于或等于第一预设占空比且小于或等于第二预设占空比；在第三区域中，第一PWM信号的占空比大于第二预设占空比。按照上述方式，仅在第一PWM信号的占空比在第二区域中时，启动同步续流控制，否则仍然采用传统的控制方法。

在一些实施例中，至少第一PWM信号的占空比在20%~90%之间（含20%和90%）时，控制单元42输出与第一PWM信号反相的第二PWM信号控制该相桥电路的低侧驱动开关。此时，第一预设占空比设置为20%，第二要预设占空比设置为90%，在PWM信号的占空比大于或等于20%且小于或等于90%时，才会开启同步续流控制。

在一些实施例中，至少第一PWM信号的占空比在10%~95%之间（含10%和95%）时，控制单元42输出第一PWM信号反相的第二PWM信号控制该相桥电路的低侧驱动开关。此时，第一预设占空比设置为10%，第二要预设占空比设置为95%，在PWM信号的占空比大于或等于10%且小于或等于95%时，才会开启同步续流控制。

在一些实施例中，至少第一PWM信号的占空比在30% ~95%之间（含30%和95%）时，控制单元42输出与第一PWM信号反相的第二PWM信号控制该相桥电路的低侧驱动开关。此时，第一预设占空比设置为30%，第二要预设占空比设置为95%，在PWM信号的占空比大于或等于30%且小于或等于95%时，才会开启同步续流控制。

通过这样的方式，仅在第一PWM信号满足预设条件时，才启用同步续流控制，能够有效抑制温升和功率损耗。

由上述内容可知，在电机驱动过程中，驱动开关会产生较大发热量，导致驱动开关以及桥电路温度上升。为防止温度过高而损坏电子元器件，需要对驱动开关以及桥电路进行温度采样以监测温度。在传统的方法中，一般是将温度采样用的NTC温度传感器布置在电路板上靠近桥电路和驱动开关的位置，以有效监测桥电路和驱动开关的温度，防止温度过高而损坏电子元器件。但是，额外增加的温度传感器不但会增加电路板的设计和零部件成本，还会增加电路板的尺寸。

考虑到，一些可作为控制单元42的单片机MCU中自带温度采样功能，可以代替NTC温度传感器进行温度采集工作。当电路板上的电子部件工作时，作为控制单元42的单片机发热量远小于驱动电路43的驱动开关，驱动开关的热量会通过电路板传递给单片机，从而使单片机的温度升高。因此，可以通过对单片机进行温度采样获取的温度采样值，估算驱动电路的驱动开关的温度值，当驱动开关的温度值超过预设温度阈值时，控制单元42控制驱动开关关断，以禁止流向电机的电流，从而进行温度保护功能，以节约成本。

为此，在本发明的第四方面，提出一种能够减小电路板尺寸的温度采样方法。具体地，利用作为控制单元42的单片机内部的温度传感器代替额外的温度采样用的NTC温度传感器，以估算驱动电路43的驱动开关以及桥电路的温度，从而简化电路板设计，节约零部件成本，使电路板尺寸更加紧凑。在一些具体的实施方式中，所有PCB单面面积之和小于2500cm^²。

在一些具体的实施例中，采用STM32系列单片机，其内部集成有温度传感器，可以用来测量CPU及周围的温度。当检测到的温度超过预设值时，开启温度保护功能，例如，关闭电动工具、开启散热风扇、关闭驱动电路等。

上述实施例是以具有三相绕组的无刷电机而言，本领域技术人员可理解的，上述技术方案也可以应用到其他具有无刷电机中。

本领域技术人员可以理解的，为取得不同技术效果，而将上述实施方式进行组合，也落在本发明的保护范围内。

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，包括定子和转子，用于输出驱动力；

工具附件轴或工具输出件，用于固定钻头并输出动力；

传动装置，与所述电机及所述工具附件轴或工具输出件机械连接，用于将所述电机输出的驱动力传递至所述工具附件轴或工具输出件；

电路板，与所述电机电连接，用于控制所述电机输出驱动力；

电源模块，用于为所述电动工具提供电能；

壳体，用于容纳所述电机、传动装置、电源模块以及电路板；

所述电路板上设置有：

驱动电路，电连接在所述电机和所述电源模块之间，包括由一个或多个驱动开关组成的桥电路，所述桥电路包括高侧驱动开关和低侧驱动开关；

控制单元，电连接至所述驱动电路，用于输出控制信号以控制所述驱动电路的一个或多个驱动开关；

电流检测电路，用于检测流经电机绕组的电流；

其特征在于，所述控制单元被配置为输出第一PWM信号控制所述桥电路的高侧驱动开关，并在所述第一PWM信号的占空比在10% ~30%之间时，输出与所述第一PWM信号反相的第二PWM信号控制所述桥电路的低侧驱动开关，启动同步续流；所述第一PWM信号的占空比与第二PWM信号的占空比之和小于100%；

所述第一PWM信号的下降沿与所述第二PWM信号的上升沿之间间隔第一预设时长，并且所述第一PWM信号的上升沿与所述第二PWM信号的下降沿之间间隔第二预设时长；

所述第一预设时长和所述第二预设时长的比值小于或等于1；动态调整所述第二预设时长，使所述电机绕组的电流大于或等于零;

所述控制单元被配置为：在所述电流检测电路检测到电流小于零之前，输出控制信号控制连接于该相绕组的高侧驱动开关切换到接通状态，使电机保持输出正向扭矩。

2.根据权利要求1所述的电动工具，其特征在于：所述第一预设时长在0.5微秒~10微秒之间。

3.一种电动工具，包括：

无刷电机，所述无刷电机包括定子和转子；

电机轴，所述电机轴由所述转子驱动；

工具附件轴或工具输出件，用于支持工具附件；

传动装置，所述传动装置用于连接所述电机轴与所述工具附件轴或工具输出件；

电源模块，用于为所述手持式电动工具提供电能；

控制单元，用于输出控制信号以控制所述驱动电路的一个或多个驱动开关；

电流检测电路，用于检测流经电机绕组的电流；

其特征在于，所述控制单元被配置为输出第一PWM信号控制所述桥电路的高侧驱动开关，并在所述第一PWM信号的占空比在10% ~20%之间时，输出与所述第一PWM信号反相的第二PWM信号控制所述桥电路的低侧驱动开关，启动同步续流；所述第一PWM信号的下降沿与所述第二PWM信号的上升沿之间间隔第一预设时长，并且所述第一PWM信号的上升沿与所述第二PWM信号的下降沿之间间隔第二预设时长；所述第一预设时长和所述第二预设时长的比值小于或等于1；动态调整所述第二预设时长，使所述电机绕组的电流大于或等于零；

4.根据权利要求3所述的电动工具，其特征在于：所述第一预设时长在0.5微秒~10微秒之间。

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；

电源模块，用于为所述电动工具提供电能；

驱动电路，电连接在所述电机和所述电源模块之间，所述驱动电路包括由一个或多个驱动开关组成的桥电路，所述桥电路包括高侧驱动开关和低侧驱动开关；

电流检测电路，用于检测流经电机绕组的电流；

其特征在于，所述控制单元被配置为输出第一PWM信号控制所述桥电路的高侧驱动开关，并在所述第一PWM信号的占空比在20% ~30%之间时，输出与所述第一PWM信号反相的第二PWM信号控制所述桥电路的低侧驱动开关，启动同步续流；所述第一PWM信号的下降沿与所述第二PWM信号的上升沿之间间隔第一预设时长，并且所述第一PWM信号的上升沿与所述第二PWM信号的下降沿之间间隔第二预设时长；所述第一预设时长在0.5微秒~10微秒之间；所述第一预设时长和所述第二预设时长的比值小于或等于1；动态调整所述第二预设时长，使所述电机绕组的电流大于或等于零；

6.根据权利要求5所述的电动工具，其特征在于：所述控制单元包括设置于所述控制单元内部的温度传感器，所述控制单元根据所述温度传感器的检测值，估算所述驱动电路或所述一个或多个驱动开关的温度。