CN110875706A - 电动工具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动工具，该电动工具包括有电源电路、控制单元以及驱动模块。所述电源电路具体采用开关电源电路为所述控制单元供电。本发明中的控制单元，根据其接收到所述电动工具的火线上的过零采样信号，在火线每个交流电半周期内持续输出触发电平。本发明通过对电源电路的改进以及对驱动模块取电方式的改进，在每个交流电半周期内实现了一直给电平的触发方式。通过这种触发方式，本发明能够在电机驱动电路误关断后直接通过持续输出的触发电平再次触发其导通，以有效抑制换向器环火以及跳排的恶化，提升交流电动工具的性能。

Description

电动工具
技术领域
本发明涉及电动工具领域，具体涉及一种能够避免触发信号误关断的电动工具。
背景技术
交流有刷电动工具通常利用可控硅实现电机转速的调节。具体来说，交流有刷电动工具中，电机由可控硅元件构成的电机驱动电路控制。可控硅元件响应其门极接收的触发信号而切换通、断状态，通过可控硅通、断状态的切换控制对电机的供电，实现对电机运转周期的调节，从而调整电机转速。
现有提供给电机驱动电路的触发信号，参考图8最上方的触发脉冲波形图，通常在需要触发的导通角位置提供若干个短周期的触发脉冲。这样的触发方式易于通过单片机实现，但存在以下缺陷：当交流有刷电机换向器位置出现打火或轻微跳排时，电机驱动电路会由于打火或跳排的干扰信号而误关断。误关断后，如果该周期内没有额外的触发脉冲，电机驱动电路在这半个交流电周期内便不再导通，直到下半个周期接收到新的触发脉冲之后才能够再次被触发导通。
当电机碳刷接触不良，出现打火或跳排时，电机驱动电路误关断，误关断后电机回路电流波动变大，回路电流的波动又会进一步触发其中的可控硅，导致电机驱动电路误关断，形成恶性循环。由此，电机换向器的打火现象以及跳排现象将会恶化，严重时会导致换向器及碳刷早期烧蚀。
因此，目前急需改变对电机驱动电路的触发方式，抑制换向器打火以及跳排的恶化，以提升交流电动工具性能。
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交流有刷电动工具的可控硅控制模块。
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：壳体；有刷电机，容纳于所述壳体内，所述有刷电机包括定子和转子；电机轴，由所述有刷电机的转子驱动；工具附件轴，用于支持并驱动工具附件；传动装置，用于连接所述电机轴至所述工具附件轴；电机驱动电路，用以驱动所述有刷电机的转子运转；驱动模块，用以输出驱动信号以控制所述电机驱动电路工作；控制单元，用以输出控制信号以控制所述驱动模块工作；电源电路，为所述有刷电机、驱动模块、控制单元供电；其中，所述电源电路的输出端连接所述控制单元的供电端；所述控制单元的输出端连接所述驱动模块的输入端；所述驱动模块的输出端连接所述电机驱动电路；所述电源电路为开关电源电路；所述控制单元被设置为根据所述有刷电机上的过零信号切换工作状态，在所述过零信号的每个电半周期内持续输出触发电平。
可选的，上述的电动工具中，所述开关电源电路包括由输入端至输出端顺序连接的整流滤波电路、电源芯片和直流输出电路。
可选的，上述的电动工具中，所述电源芯片包括降压稳压芯片。
可选的，上述的电动工具中，所述开关电源电路的输出端还连接有假负载，所述假负载的一端连接所述开关电源电路的输出端，所述假负载的另一端连接公用电平。
可选的，上述的电动工具中，所述开关电源电路的输入端还连接有压敏电阻，所述压敏电阻一端连接所述开关电源电路的输入端，所述压敏电阻的另一端连接公用电平。
可选的，上述的电动工具中，所述驱动模块包括光耦、输入端电阻和输出端电阻；所述光耦的输入端与所述输入端电阻串联后作为所述驱动模块的输入端连接所述控制单元的输出端；所述光耦的输出端与所述输出端电阻串联后后作为所述驱动模块的输出端连接所述交流有刷电动工具内的电机驱动电路。
可选的，上述的电动工具中，所述驱动模块的输出端连接所述电机驱动电路的交流信号端取电。
可选的，上述的电动工具中，所述驱动模块还包括第一安全启动接口电路，所述第一安全启动接口电路包括高速开关二级管，所述高速开关二级管的正极作为所述第一安全启动接口电路的输出端连接所述光耦的输入端，所述高速开关二级管的负极作为所述第一安全启动接口电路的输入端连接所述控制单元输出的安全启动信号。
可选的，上述的电动工具中，所述驱动模块包括第一三极管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻以及第六电容；所述第一三极管的基极作为所述驱动模块的输入端，通过所述第九电阻连接所述控制单元的输出端，所述第一三极管的基极还通过所述第八电阻接地，所述第一三极管的发射极接地；所述第一三极管的集电极通过串联的第六电阻与第七电阻将所述第一三极管偏置于开关状态；所述第六电阻与第七电阻的公共端通过所述第六电容作为所述驱动模块的输出端连接所述电机驱动电路。
可选的，上述的电动工具中，所述驱动模块还包括第二安全启动接口电路，所述第二安全启动接口电路包括第二高速开关二级管；所述第二高速开关二级管的负极连接所述控制单元输出的安全启动信号，所述第二高速开关二级管的正极连接所述第一三极管的基极。
有益效果
本发明通过控制单元，根据其接收到所述电动工具的火线上的过零采样信号，在火线每个电半周期内持续输出触发电平，在每个电半周期内采用一直给电平的触发方式，以便在电机驱动电路误关断后直接通过持续输出的触发电平再次触发导通。这样可以有效抑制换向器打火以及跳排的恶化，提升电动工具的性能。
本发明在实现交流电半周期内一直给电平的触发方式时，需要低压直流输出的电源电路提供足够的电流输出，以保证对控制单元的供电。因此，本发明对传统的供电电源进行改进，具体采用开关电源的方案替换现有的电阻降压或者电容降压电路，作为电源电路。由此可以解决现有电源电路存在的电流输出能力不足的问题。尤其，本发明还在开关电源的输入端连接有压敏电阻，在其输出端连接有假负载：压敏电阻的使用可有效防止电源侧瞬时高压对开关电源电路内芯片的损坏；假负载则可进一步稳定电源输出，进一步保障对后续控制单元供电的可靠性。
本发明还同时提供了两种驱动模块。其中利用光耦实现驱动的方案中，将光耦的输出端直接连接至电机驱动电路的交流信号端，直接由交流信号取电，并按照控制单元输出的触发电平为后续的电机驱动电路相应提供持续的触发信号。由此，控制单元仅需提供驱动光耦的输入端二极管的电压，驱动模块输出信号的电流完全由电机驱动电路的交流信号端提供，可避免电流驱动信号对控制单元输出电流的依赖，避免因控制单元输出电流驱动能力不足而造成可控硅元件误关断。由此，控制单元功耗能够得到有效控制，还可有效避免因电流驱动信号需求过大而造成控制单元供电不足，错误关闭的问题。这样的实现方式，能够进一步提高可控硅控制模块输出的驱动信号的可靠性，进一步抑制换向器打火以及跳排的恶化，提升交流电动工具工作稳定性，提高其性能。
附图说明
图1是本发明所提供的一种电动工具的结构示意图；
图2是本发明所提供的电动工具的一种电路架构示意图；
图3是本发明所提供的电动工具中的电源电路的原理图；
图4是本发明所提供的电动工具中的驱动模块的一种实现电路图；
图5是本发明所提供的电动工具中的安全启动电路的电路原理图；
图6是本发明所提供的电动工具的第二种电路架构示意图；
图7是本发明所提供的电动工具中的驱动模块的第二种实现电路图；
图8是传统触发方式的信号波形图；
图9为本发明触发方式下的信号波形图。
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。
参考图1，本发明首先提供一种电动工具，包括：壳体11；电机12，设置于所述壳体内，包括定子和转子；电机轴13，由所述电机的转子驱动；工具附件轴15，连接并夹持所述工具附件16；工具附件16用于对工件进行作业；传动装置17，用于连接所述电机轴与所述工具附件轴。所述电动工具还可包括保护装置，如，护罩14。
所述电动工具的运行还需要依赖于电路元件的控制。电路元件安装于PCB电路板18上，PCB电路板18安装于壳体11内，并与电机12电性连接。参照图2所示，PCB电路板18内主要包括有以下模块：电源电路1、控制单元2、驱动模块3、安全启动电路、电机驱动电路。所述电源电路1的输出端连接所述控制单元2的供电端；所述控制单元2的输出端连接所述驱动模块3的输入端；所述驱动模块3的输出端连接所述交流有刷电动工具内的电机驱动电路；所述安全启动电路的输出端控制所述驱动模块3中的安全启动接口电路的输入端，以及时关闭对电机驱动电路的驱动。
电源电路1连接电动工具的火线，用于对火线提供的电源信号进行转换，从而为所述有刷电机、驱动模块、控制单元供电。作为一种可选的方式，电源电路1可选择为开关电源电路。具体的，参考图3，所述开关电源电路包括由输入端至输出端顺序连接的整流滤波电路、电源芯片和直流输出电路。其中，整流滤波电路具体包括整流二极管D1，以及π型连接的两个电容CE1、CE2和电感L1。所述整流二极管D1的正极连接电源输入，负极连接电容CE1与电感L1的公共连接端。直流输出电路包括有电容CE3，还可设置电感、单向导电元件等。
作为一种可选的实施方式，上述的电源电路1中，所述电源芯片可采用降压稳压芯片，例如MP174作为电源芯片。为进一步稳定电源输出，避免负载阻抗变化而影响电源输出电压，上述电路中，所述开关电源电路的输出端，即直流输出电路中电容CE3滤波后，电容CE4两端还并联有假负载R3。进一步，为有效防止电源侧瞬时高压对开关电源电路内芯片的损坏，上述电路中，所述开关电源电路的输入端，即，整流滤波电路中整流二极管D1的正极还连接有压敏电阻RV1，压敏电阻RV1的另一端连接整流滤波电路中电容CE1的接地端。
所述的控制单元2用以输出控制信号以控制所述驱动模块3工作。具体的，所述控制单元被设置为根据所述有刷电机上的过零信号切换工作状态，在所述过零信号的每个电半周期内持续输出触发电平。
本发明中控制单元输出的具体信号波形可参考图9。其中，信号由上至下依次为：触发脉冲、电机回路的电流波形、所述电机驱动电路的交流信号端电压波形以及可控硅元件两端的电压波形。本发明通过对电源电路的改进以及对驱动模块取电方式的改进，在每个交流电半周期内，实现了一直给电平的触发方式。采用这种触发方式，本发明能够在可控硅误关断后直接通过持续输出的触发电平再次触发导通，以有效抑制换向器环火以及跳排的恶化，提升交流电动工具的性能。
本实施例中，可采用专用的控制芯片(例如，MCU，微控制单元，MicrocontrollerUnit)实现上述控制。
驱动模块3，用以输出驱动信号以控制所述电机驱动电路工作。作为一种可行的实施方式，上述驱动模块可采用图4所述的光耦电路实现。该实现方式下，所述驱动模块3包括光耦U5、输入端电阻R45和输出端电阻R44；其中，所述光耦U5的输入端，本实施例中具体为所述光耦U5的输入端二极管的正极，与所述输入端电阻R45串联后作为所述驱动模块3的输入端连接所述控制单元2的输出端；所述光耦U5的输出端，本实施例中具体为所述光耦U5中对应输出端可控硅管的4号管脚，与所述输出端电阻R44串联后后作为所述驱动模块3的输出端连接所述交流有刷电动工具内的电机驱动电路。
进一步，上述光耦实现方式下，所述驱动模块3的输出端，具体，即输出端电阻R44处，连接所述电机驱动电路的交流信号端以实现取电。由此，光耦的输出端直接由交流信号取电，并按照控制单元输出的触发电平为后续的电机驱动电路相应提供持续的触发信号。从而，控制单元仅需提供驱动光耦的输入端二极管的电压，驱动模块输出信号的电流完全由电机驱动电路的交流信号端提供，可避免电流驱动信号对控制单元输出电流的依赖，避免因控制单元输出电流驱动能力不足而造成可控硅元件误关断。由此，控制单元功耗能够得到有效控制，还可有效避免因电流驱动信号需求过大而造成控制单元供电不足，错误关闭的问题。这样的实现方式，能够进一步提高可控硅控制模块输出的驱动信号的可靠性，进一步抑制换向器打火以及跳排的恶化，提升交流电动工具工作稳定性，提高其性能。
此外，上述光耦实现方式下，所述驱动模块3还可进一步包括第一安全启动接口电路，所述第一安全启动接口电路包括高速开关二级管D10，所述高速开关二级管D10的正极作为所述第一安全启动接口电路的输出端连接所述光耦U5的输入端。本实施例中，光耦U5的输入端具体为所述光耦U5的输入端二极管的正极。所述高速开关二级管D10的负极作为所述第一安全启动接口电路的输入端接收来自图5所示安全启动电路的安全启动信号。在所述安全启动电路输出异常为低电平时，导通所述高速开关二级管D10，致使光耦U5的输入端接收的所述控制单元2输出的触发电平通过所述高速开关二级管D10接地，关断所述光耦U5，避免驱动模块异常，进而避免后续电机驱动电路误触发。
电机驱动电路，用以驱动所述有刷电机的转子运转。本实施例中，交流有刷电动工具内的电机驱动电路可具体参见图2下侧所示。该电路中的可控硅元件通过驱动模块3输出的电流信号导通或关断，从而控制模块所连接的电机在设置的导通角内运转，在控制单元未输出触发电平时停止。
安全启动电路，用以实现对电机异常信号的监控，在电机异常时输出低电平以关闭驱动模块3对所述电机驱动电路的驱动信号。作为一种可行的实施方式，上述驱动模块可采用图5所述的电路实现。
在本发明的另一种实施例中，同样提供一种电动工具，该电动工具采用交流有刷电机作为驱动工具附件的动力源。其机械结构可参考上一实施例，在此不加赘述。所述的电动工具，通过相应选择适当的工具附件以及机械结构，包括但不限于：电钻、角磨、往复锯、锯条，圆锯、抛光机、螺丝批、扳手、搅拌机，等。
其电路结构，参考图6所示，相比于上一实施例，其区别仅在于缺少安全启动电路。电源电路、控制单元、驱动模块、电机驱动电路、电机M之间的连接关系与上一实施例类似。
与上述通过光耦实现的方式相区别，本实施例中的驱动模块3可通过三极管方式实现类似的功能。该方案具体电路可参照图7。该方案下，驱动模块3具体包括第一三极管Q2、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9以及第六电容；所述第一三极管Q2的基极作为所述驱动模块是输入端，通过第九电阻R9连接所述控制单元2的输出端，所述第一三极管Q2的基极还通过第八电阻R8接地并连接所述第一三极管Q2的发射极；所述第一三极管Q2的集电极通过串联的第六电阻R6与第七电阻R7将得到第一三极管Q2偏置于开关状态；所述第六电阻R6与第七电阻R7的公共端通过第六电容C6作为所述驱动模块3的输出端连接所述交流有刷电动工具内的电机驱动电路。
由此，三极管所构成的驱动模块可根据所述控制单元输出的触发电平导通或断开，从而相应地为所述电机驱动电路中的可控硅提供触发所需的电流，进而控制电机在设置的导通角内运转。
进一步，上述通过三极管实现驱动模块的方案中，所述驱动模块3还可相应地包括第二安全启动接口电路，所述第二安全启动接口电路具体包括第二高速开关二级管D4；所述第二高速开关二级管D4的负极连接安全启动信号，所述第二高速开关二级管D4的正极连接所述第一三极管Q2的基极。
由此，第二高速开关二级管D4可根据图7所示安全启动电路输出的安全启动信号SAFE相应地为开关上述第一三极管Q1，避免驱动模块异常。具体，在所述安全启动电路输出异常为低电平时，导通所述第二高速开关二级管D4，致使第一三极管Q1的输入端，即，其基极，接收的所述控制单元2输出的触发电平通过所述第二高速开关二级管D4直接接地，关断所述第一三极管Q1，避免驱动模块异常，进而避免后续电机驱动电路误触发。但由于三极管内电流方向固定，因此仅能够在一个电半周期内实现对电机的调控。
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 (10)

1.一种电动工具，包括：
壳体；
有刷电机，容纳于所述壳体内，所述有刷电机包括定子和转子；
电机轴，由所述有刷电机的转子驱动；
工具附件轴，用于支持并驱动工具附件；
传动装置，用于连接所述电机轴至所述工具附件轴；
电机驱动电路，用以驱动所述有刷电机的转子运转；
驱动模块(3)，用以输出驱动信号以控制所述电机驱动电路工作；
控制单元(2)，用以输出控制信号以控制所述驱动模块工作；
电源电路(1)，为所述有刷电机、驱动模块、控制单元供电；
其特征在于，
所述电源电路(1)的输出端连接所述控制单元(2)的供电端；所述控制单元(2)的输出端连接所述驱动模块(3)的输入端；所述驱动模块(3)的输出端连接所述电机驱动电路；
其特征在于，所述电源电路(1)为开关电源电路；
所述控制单元(2)被设置为根据所述有刷电机上的过零信号切换工作状态，在所述过零信号的每个电半周期内持续输出触发电平。
2.如权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述开关电源电路包括由输入端至输出端顺序连接的整流滤波电路、电源芯片和直流输出电路。
3.如权利要求2所述的电动工具，其特征在于，所述电源芯片包括降压稳压芯片。
4.如权利要求2所述的电动工具，其特征在于，所述开关电源电路的输出端还连接有假负载(R3)，所述假负载(R3)的一端连接所述开关电源电路的输出端，所述假负载(R3)的另一端连接公用电平。
5.如权利要求2所述的电动工具，其特征在于，所述开关电源电路的输入端还连接有压敏电阻(RV1)，所述压敏电阻(RV1)一端连接所述开关电源电路的输入端，所述压敏电阻(RV1)的另一端连接公用电平。
6.如权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述驱动模块(3)包括光耦(U5)、输入端电阻(R45)和输出端电阻(R44)；
所述光耦(U5)的输入端与所述输入端电阻(R45)串联后作为所述驱动模块(3)的输入端连接所述控制单元(2)的输出端；
所述光耦(U5)的输出端与所述输出端电阻(R44)串联后后作为所述驱动模块(3)的输出端连接所述交流有刷电动工具内的电机驱动电路。
7.如权利要求6所述的电动工具，其特征在于，所述驱动模块(3)的输出端连接所述电机驱动电路的交流信号端取电。
8.如权利要求6或7所述的电动工具，其特征在于，所述驱动模块(3)还包括第一安全启动接口电路，所述第一安全启动接口电路包括高速开关二级管(D10)，所述高速开关二级管(D10)的正极作为所述第一安全启动接口电路的输出端连接所述光耦(U5)的输入端，所述高速开关二级管(D10)的负极作为所述第一安全启动接口电路的输入端连接所述控制单元输出的安全启动信号。
9.如权利要求1所述的电动工具，其特征在于，所述驱动模块(3)包括第一三极管(Q2)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)以及第六电容(C6)；
所述第一三极管(Q2)的基极作为所述驱动模块的输入端，通过所述第九电阻(R9)连接所述控制单元(2)的输出端，所述第一三极管(Q2)的基极还通过所述第八电阻(R8)接地，所述第一三极管(Q2)的发射极接地；所述第一三极管(Q2)的集电极通过串联的第六电阻(R6)与第七电阻(R7)将所述第一三极管(Q2)偏置于开关状态；所述第六电阻(R6)与第七电阻(R7)的公共端通过所述第六电容(C6)作为所述驱动模块(3)的输出端连接所述电机驱动电路。
10.如权利要求9所述的电动工具，其特征在于，所述驱动模块(3)还包括第二安全启动接口电路，所述第二安全启动接口电路包括第二高速开关二级管(D4)；所述第二高速开关二级管(D4)的负极连接所述控制单元输出的安全启动信号，所述第二高速开关二级管(D4)的正极连接所述第一三极管(Q2)的基极。
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