CN112072963B - 一种电动工具及其换相控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动工具及其换相控制方法，该电动工具包括：三相无刷直流电机，三相无刷直流电机包括：定子，相邻设置在定子上的第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，以及与第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽位置对应设置的第一感应器、第二感应器和第三感应器；换相控制方法包括：启动三相无刷直流电机；获取三相无刷直流电机的历史换相数据；获取三相无刷直流电机的当前换相数据；根据历史换相数据和当前换相数据，确定换相间隔；基于换相间隔进行补偿。本发明感应器安装工艺简单，相对控制单元正反转均衡，可提前得到换相信号，不存在滞后问题的影响。

Description

一种电动工具及其换相控制方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，更具体地说，涉及一种电动工具及其换相控制方法。

背景技术

无刷直流电机具有良好的转矩转速特性、使用寿命长、能效利用高，广泛应用于现代生产生活中。目前无刷直流电机的控制方式主要有基于传感器控制和无传感器控制。无传感器控制方式是目前正在研究和测试的技术，尽管已经有部分技术应用在汽车及工控领域，但是仍存在很多问题需要解决。基于传感器的控制方式工作性能稳定，可以工作在工况比较恶劣的环境下，因此被广泛应用，其中代表的就是基于霍尔传感器的控制方式。

无刷直流电机换相采用电子换相，其转子由永磁材料制成，霍尔传感器会根据磁场变化相应的输出数字信号“0”或者“1”。三相无刷直流电机通常按照两两导通的方法驱动，通过按一定顺序切换导通的两相来实现，切换导通的两相即为换相。因此，基于霍尔传感器控制的电机就是根据转子磁极转动时，安装在电机内部的霍尔传感器输出信号来控制换相时刻，实现电机换相操作。

在无刷直流电机中通常采用3个霍尔传感器呈60°电角度或者120°电角度分布，对于无刷直流电机来说，一个电周期执行六次换相操作，也即每60°电角度换相一次，因此3个霍尔传感器可以输出6组有效信号，即：当呈60°电角度分布时有“000、001、011、100、110、111”；当呈120°电角度分布时有“001、010、011、101、111、110”。以转子与某一相定子所产生的磁场重合为0°时，理论上当转子刚好在30°、90°、150°、210°、270°、330°六个角度处换相时，电机效率最高，也就是说霍尔传感器需要在这6个位置实现信号跳变，这就对霍尔传感器的安装精确提出了较高的要求，增加了霍尔传感器的安装难度。但是如果霍尔传感器安装位置不对，会导致电机换相不精确，影响电机的效率，严重的甚至会烧毁电机，特别对于需要正反转切换的控制器而言，角度的偏移会导致正反转不均衡。

针对所存在的问题，现有不同的方法解决，然而，现有方法都需要根据电机的极对数来换算电角度，且需要较高的工艺精度。并且，在电机运行时，由于控制器处理速度及滤波方案所带来的滞后会影响换相精度，尤其是在电机高速运行时，滞后所带来的问题更为严重。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种电动工具及其换相控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电动工具的换相控制方法，所述电动工具包括：三相无刷直流电机，所述三相无刷直流电机包括：定子，相邻设置在所述定子上的第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，以及与所述第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽位置对应设置的第一感应器、第二感应器和第三感应器；所述换相控制方法包括：

启动所述三相无刷直流电机；

获取所述三相无刷直流电机的历史换相数据；

获取所述三相无刷直流电机的当前换相数据；

根据所述历史换相数据和所述当前换相数据，确定换相间隔；

基于所述换相间隔进行补偿。

优选地，所述获取所述三相无刷直流电机的历史换相数据包括：

在所述三相无刷直流电机运行过程中，获取所述三相无刷直流电机的前十次换相数据；

所述前十次换相数据为所述历史换相数据，其中，所述前十次换相数据为在所述当前换相数据之前最近的十次换相数据。

优选地，所述获取所述三相无刷直流电机的当前换相数据包括：

获取所述三相无刷直流电机的当前实时换相数据；

所述当前实时换相数据为所述当前换相数据。

优选地，所述根据所述历史换相数据和所述当前换相数据，确定换相间隔包括：

对所述历史换相数据进行均值处理，获得历史平均值；

将所述当前换相数据与所述历史平均值进行比较；

从所述历史平均值和所述当前换相数据中提取较小值；

将所述较小值定义为所述换相间隔。

优选地，所述基于所述换相间隔进行补偿之前包括：

获取补偿值。

优选地，所述获取补偿值包括：

基于所述换相间隔进行取值计算，获得所述补偿值；所述补偿值为所述换相间隔的四分之一。

优选地，所述基于所述换相间隔进行补偿包括：

基于所述换相间隔，并采用所述补偿值进行补偿。

本发明还提供一种电动工具，包括：三相无刷直流电机，所述三相无刷直流电机包括：定子，相邻设置在所述定子上的第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，与所述第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽位置对应设置的第一感应器、第二感应器和第三感应器，以及控制单元；所述控制单元用于：

启动所述三相无刷直流电机；

获取所述三相无刷直流电机的历史换相数据；

获取所述三相无刷直流电机的当前换相数据；

根据所述历史换相数据和所述当前换相数据，确定换相间隔；

基于所述换相间隔进行补偿。

优选地，还包括：供所述第一感应器、所述第二感应器和所述第三感应器安装的安装板，所述安装板与所述定子扣合连接。

优选地，所述第一感应器为第一霍尔传感器；所述第二感应器为第二霍尔传感器；所述第三感应器为第三霍尔传感器。

实施本发明的电动工具及其换相控制方法，具有以下有益效果：电动工具包括：三相无刷直流电机，三相无刷直流电机包括：定子，相邻设置在定子上的第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，以及与第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽位置对应设置的第一感应器、第二感应器和第三感应器；换相控制方法包括：启动三相无刷直流电机；获取三相无刷直流电机的历史换相数据；获取三相无刷直流电机的当前换相数据；根据历史换相数据和当前换相数据，确定换相间隔；基于换相间隔进行补偿。本发明感应器安装工艺简单，相对控制单元正反转均衡，可提前得到换相信号，不存在滞后问题的影响。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例提供的电机的定子结构示意图；

图2是本发明实施例提供的感应器在安装板上的位置示意图；

图3是本发明实施例提供的无刷直流电机的空间矢量图；

图4是本发明实施例提供的电动工具的换相控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

为了解决目标无刷直流电机所存在的问题，本发明提供的一种电动工具，该电动工具不需要复杂的安装工艺，而且位置安装相对于控制器而言，正反转是均衡的。参考图1和图2，该电动工具可包括：三相无刷直流电机。该三相无刷直流电机包括：定子10，相邻设置在定子10上的第一凹槽101、第二凹槽102和第三凹槽103，与第一凹槽101、第二凹槽102和第三凹槽103位置对应设置的第一感应器201、第二感应器202和第三感应器203，以及控制单元。

具体的，如图2所示，第一感应器201、第二感应器202和第三感应器203分别安装在安装板20对应的位置上，该安装板20与定子10扣合连接。当该安装板20扣合在定子10上时，第一感应器201、第二感应器202和第三感应器203与第一凹槽101、第二凹槽102和第三凹槽103位置相对应。由于本发明的第一感应器201、第二感应器202、第三感应器203不需要按照特定的角度安装，因此，可大大降低安装难度，安装工艺简单，安装精度高。另外，第一感应器201、第二感应器202和第三感应器203的安装位置对控制单元而方，正反转均衡。

进一步地，在一些实施例中，该第一感应器201为第一霍尔传感器；第二感应器202为第二霍尔传感器；第三感应器203为第三霍尔传感器。

进一步地，在一些实施例中，该控制单元用于：启动三相无刷直流电机；获取三相无刷直流电机的历史换相数据；获取三相无刷直流电机的当前换相数据；根据历史换相数据和当前换相数据，确定换相间隔；基于换相间隔进行补偿。

可选的，本发明实施例提供的电动工具包括但不限于电扳手、车模、船模等使用三相无刷直流电机的设备。

参考图4，图4为本发明提供的电动工具的换相控制方法各实施例一可选实施例的示意图。该换相控制方法可通过本发明实施例公开的电动工具实现。

采用本发明实施例的霍尔传感器的安装位置后，采用两两导通驱动的无刷直流电机空间矢量如图3所示。具体的，顺时针旋转时，霍尔信号与对应的导通5(AB)、4(CB)、6(CA)、2(BA)、3(BC)、1(AC)；逆时针旋转时，霍尔信号与对应的导通相为5(CA)、1(CB)、3(AB)、2(AC)、6(BC)、4(BA)；相对于正常的换相而言，无论是正转还是反转，这样的导通都是超前了30°电角度。霍尔信号跳变的间隔时间对应的电角度为60°，因此，可以根据霍尔信号跳变的间隔时间计算得出60°电角度所对应的时间，从而对超前的电角度进行补偿。图3中，HALL_A为第一霍尔传感器，HALL_B为第二霍尔传感器，HALL_C为第三霍尔传感器。其中，具体的换相控制方法参见图4。

如图4所示，该换相控制方法包括：

步骤S40、启动三相无刷直流电机。

步骤S41、获取三相无刷直流电机的历史换相数据。

具体的，获取三相无刷直流电机的历史换相数据包括：

在三相无刷直流电机运行过程中，获取三相无刷直流电机的前十次换相数据。其中，前十次换相数据为历史换相数据，其中，前十次换相数据为在当前换相数据之前最近的十次换相数据。进一步地，在一些实施例中，换相数据为每次换相时间间隔值。进一步地，本发明实施例中，在电机启动后的十次换相不采用补偿(即在电机启动后的前十次中，每次检测到霍尔信号跳变就立即换相)。

步骤S42、获取三相无刷直流电机的当前换相数据。

具体的，获取三相无刷直流电机的当前换相数据包括：获取三相无刷直流电机的当前实时换相数据。当前实时换相数据为当前换相数据。其中，当前实时换相数据即为当前实时检测到的霍尔信号跳变与前面最近一次的换相时间间隔。

步骤S43、根据历史换相数据和当前换相数据，确定换相间隔。

根据历史换相数据和当前换相数据，确定换相间隔包括：

步骤S431、对历史换相数据进行均值处理，获得历史平均值。

步骤S432、将当前换相数据与历史平均值进行比较。

步骤S433、从历史平均值和当前换相数据中提取较小值。

步骤S434、将较小值定义为换相间隔。

其中，历史平均值即为当前换相数据的最近十次的平均值。另外，本发明实施例中，换相数据即为换相时间间隔，因此，最近十次的平均值即为最近十次霍尔跳变间隔时间的平均值。

进一步地，还包括：

步骤S435、获取补偿值。

具体的，获取补偿值包括：基于换相间隔进行取值计算，获得补偿值。其中，该补偿值为换相间隔的四分之一。

在一些实施例中，换相间隔对应的电角度为60°，而通常超前15°电角度进行换相有利于提升电机的效率。因此，本发明将换相间隔的四分之一作为补偿值取，补偿后实际换相为超前15°电角度，即在检测到霍尔信号跳变后进行计数，计数到补偿值后进行换相。

步骤S44、基于换相间隔进行补偿。

具体的，基于换相间隔进行补偿包括：基于换相间隔，并采用补偿值进行补偿。

进一步地，在三相无刷直流电机启动后，一直按照步骤S42至步骤S43的步骤进行补偿修正，从而使得霍尔传感器的装配难度大大降低，同时还能大大提高电机控制单元的性能，成本低。而且本发明在低速下端、中速下端、以及高速下端均可得到所需的电压波形。

另外，本发明可以提前30°电角度得到换相信号，有一定的余量可以进行处理。在一些实施例中，当电机在高速运行时，由于控制器的处理速度有限，且通常对于霍尔传感器位置的检测采用了滤波处理，这些都会导致检测信号比实际滞后，而本发明则因为存在一定的余量进行处理，不需要担心滞后所带来的问题。

进一步地，在其他一些实施例中，由于电机绕组电感的存在，换相时电流会滞后于电压变化，因此，超前一定的电角度会提高电机的效率，而本发明的采用该霍尔传感器位置装配并采用补偿值进行补偿，使得可以超前30°电角度得到换相信号，对应超前导通的处理也有一定的优势。

本发明与电机极对数无关，可适应不同极对数的电机。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种电动工具的换相控制方法，其特征在于，所述电动工具包括：三相无刷直流电机，所述三相无刷直流电机包括：定子，相邻设置在所述定子上的第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，以及与所述第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽位置对应设置的第一感应器、第二感应器和第三感应器；所述换相控制方法包括：

启动所述三相无刷直流电机；

获取所述三相无刷直流电机的历史换相数据；获取所述三相无刷直流电机的历史换相数据包括：在所述三相无刷直流电机运行过程中，获取所述三相无刷直流电机的前十次换相数据；所述前十次换相数据为所述历史换相数据，其中，所述前十次换相数据为在当前换相数据之前最近的十次换相数据；所述换相数据为每次换相时间间隔值；

获取所述三相无刷直流电机的当前换相数据；所述当前换相数据为当前实时检测到的霍尔信号跳变与前面最近一次的换相时间间隔；

根据所述历史换相数据和所述当前换相数据，确定换相间隔；

基于所述换相间隔进行补偿。

2.根据权利要求1所述的电动工具的换相控制方法，其特征在于，所述获取所述三相无刷直流电机的当前换相数据包括：

获取所述三相无刷直流电机的当前实时换相数据；

所述当前实时换相数据为所述当前换相数据。

3.根据权利要求1所述的电动工具的换相控制方法，其特征在于，所述根据所述历史换相数据和所述当前换相数据，确定换相间隔包括：

对所述历史换相数据进行均值处理，获得历史平均值；

将所述当前换相数据与所述历史平均值进行比较；

从所述历史平均值和所述当前换相数据中提取较小值；

将所述较小值定义为所述换相间隔。

4.根据权利要求1所述的电动工具的换相控制方法，其特征在于，所述基于所述换相间隔进行补偿之前包括：

获取补偿值。

5.根据权利要求4所述的电动工具的换相控制方法，其特征在于，所述获取补偿值包括：

基于所述换相间隔进行取值计算，获得所述补偿值；所述补偿值为所述换相间隔的四分之一。

6.根据权利要求4所述的电动工具的换相控制方法，其特征在于，所述基于所述换相间隔进行补偿包括：

基于所述换相间隔，并采用所述补偿值进行补偿。

7.一种电动工具，其特征在于，包括：三相无刷直流电机，所述三相无刷直流电机包括：定子，相邻设置在所述定子上的第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，与所述第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽位置对应设置的第一感应器、第二感应器和第三感应器，以及控制单元；所述控制单元用于：

启动所述三相无刷直流电机；

获取所述三相无刷直流电机的历史换相数据；获取所述三相无刷直流电机的历史换相数据包括：在所述三相无刷直流电机运行过程中，获取所述三相无刷直流电机的前十次换相数据；所述前十次换相数据为所述历史换相数据，其中，所述前十次换相数据为在当前换相数据之前最近的十次换相数据；所述换相数据为每次换相时间间隔值；

获取所述三相无刷直流电机的当前换相数据；所述当前换相数据为当前实时检测到的霍尔信号跳变与前面最近一次的换相时间间隔；

根据所述历史换相数据和所述当前换相数据，确定换相间隔；

基于所述换相间隔进行补偿。

8.根据权利要求7所述的电动工具，其特征在于，还包括：供所述第一感应器、所述第二感应器和所述第三感应器安装的安装板，所述安装板与所述定子扣合连接。

9.根据权利要求8所述的电动工具，其特征在于，所述第一感应器为第一霍尔传感器；所述第二感应器为第二霍尔传感器；所述第三感应器为第三霍尔传感器。

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