CN113261198A

CN113261198A - 马达控制方法

Info

Publication number: CN113261198A
Application number: CN201980084268.9A
Authority: CN
Inventors: J·赫雷罗费南德兹
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2021-08-13
Also published as: EP3900177A1; EP3672064A1; US20220069747A1; JP2022518114A; WO2020126405A1

Abstract

一种控制BLDC电动马达的方法，该电动马达具有定子和转子，该定子具有多个磁线圈，该转子具有由该多个磁线圈驱动的永磁体，该方法包括a)向该多个磁线圈中的第一磁线圈供应电压，以及b)在步骤a)期间，将该多个磁线圈中的第二磁线圈短路。

Description

马达控制方法

背景技术

本发明涉及一种控制马达的方法，比如无刷直流(BLDC)电动马达。更具体地，本发明涉及一种控制BLDC电动马达的方法，该电动马达具有定子和转子，该定子具有多个磁线圈，并且该转子具有由该多个磁线圈驱动的永磁体。与任何电动马达一样，使用BLDC电动马达的一个局限性是马达将电能转换为旋转能的效率。与任何电动马达一样，使用BLDC电动马达的另一个局限性是在供应给马达给定电压和/或电流下，马达在转速、转矩等方面的性能。

发明内容

以上局限性通过一种控制BLDC电动马达的方法来解决，该电动马达具有定子和转子，该定子具有多个磁线圈，该转子具有由该多个磁线圈驱动的永磁体，该方法包括a)向该多个磁线圈中的第一磁线圈供应电压，以及b)在步骤a)期间将该多个磁线圈中的第二磁线圈短路。向该第一磁线圈供应电压产生流过该第一磁线圈的电流，该电流进而在该第一磁线圈的内部区域和外部区域中产生磁场。这样的磁场使永磁体加速，从而驱动BLDC马达旋转。在步骤a)期间将该第二磁线圈短路防止了磁场在该第二磁线圈中感应可能不利于该永磁体的上述加速的二次电流。

在优选的实施例中，该方法进一步包括在步骤a)之后、或者尤其是在紧接步骤a)之后，将该多个磁线圈中的第一磁线圈短路。

以上局限性进一步通过一种控制BLDC电动马达的方法来解决，该电动马达具有定子和转子，该定子具有多个磁线圈，该转子具有由该多个磁线圈驱动的永磁体，其中，该电动马达包括马达控制电路，该马达控制电路具有高连接线路、低连接线路、多个高开关、多个低开关、多个中间触点，该多个中间触点经由该多个高开关中的一个高开关连接至该高连接线路、并经由该多个低开关中的一个低开关连接至该低连接线路，其中，该多个磁线圈中的每一个磁线圈具有电连接至该多个中间触点中的第一个中间触点的第一端和电连接至该多个中间触点中的第二个中间触点的第二端，该多个磁线圈中的该每一个磁线圈从而电互连该多个中间触点中的该第一个中间触点和该多个中间触点中的该第二个中间触点，该方法包括

提供在该高连接线路与该低连接线路之间的电压，

关闭该多个高开关中的第一个高开关，从而在第一换向阶段期间将该多个中间触点中的该第一个中间触点电连接至该高连接线路，

关闭该多个低开关中的第二个低开关，从而在该第一换向阶段期间将该多个中间触点中的该第二个中间触点电连接至该低连接线路，

关闭该多个低开关中的第三个低开关，从而在该第一换向阶段期间将该多个中间触点中的第三个中间触点电连接至该低连接线路。

在优选的实施例中，该方法进一步包括

打开该多个低开关中的该第二个低开关，从而在该第一换向阶段之后的第二换向阶段期间将该多个中间触点中的该第二个中间触点与该低连接线路解除电连接，以及

关闭该多个高开关中的第二个高开关，从而在该第二换向阶段期间将该多个中间触点中的该第二个中间触点电连接至该高连接线路。

在一个优选实施例中，该第二换向阶段紧接在该第一换向阶段之后，其间没有其他换向阶段。在另一个优选实施例中，在该多个低开关中的该第二个低开关被打开之后和在该多个高开关中的该第二个高开关被关闭之前，空载时间间隔流逝。

在另一个优选实施例中，该多个磁线圈由三个磁线圈组成。在另一个优选实施例中，该多个高开关由三个高开关组成。在另一个优选实施例中，该多个低开关由三个低开关组成。在另一个优选实施例中，该多个中间触点由三个中间触点组成。在另一个优选实施例中，该多个高开关中的每个和/或该多个低开关中的每个包括场效应晶体管。

在另一个优选实施例中，该方法集成在操作驱动工具的方法中，该驱动工具具有驱动活塞和用于致动该驱动活塞的致动装置，使得该驱动活塞将紧固元件驱动到基板中，其中，该致动装置包括如在上述实施例中任一实施例中控制的BLDC马达。

附图说明

紧固工具、相关联的部件、以及其使用方法的进一步方面和优点将通过仅以举例的方式并且参考附图给出的以下描述而变得更加明显，在附图中：

图1展示了驱动装置的侧视图，

图2展示了驱动装置的壳体打开的侧视图，

图3展示了张紧装置的透视图，

图4展示了处于张紧状态的张紧装置的透视图，

图5展示了电动马达的截面视图，

图6展示了电动马达的示意图，

图7展示了电动马达内永磁体的若干布置，

图8展示了电动马达的布线简图，并且

图9展示了控制电动马达的方法的换向表。

具体实施方式

图1以侧视图示出了用于将紧固元件(例如钉子或螺栓)驱动到基板中的驱动工具10。驱动工具10具有用于将紧固元件驱动到基板中的驱动活塞(图3和图4所示)、以及容纳驱动活塞的壳体20和用于致动驱动活塞的致动装置。驱动工具10具有握把30、匣盒40、以及将握把30连接至匣盒40的桥接件50。电池590、以及用于将驱动工具10悬挂在支架等上的支架钩60被紧固至桥接件50。触发器34和手动开关35被布置在握把30上。驱动工具10进一步具有用于引导紧固元件的引导通道700和用于检测驱动工具10按压在基板上的按压探针750。驱动工具10垂直于基板表面的对准是通过支撑元件45来支撑。

图2示出了驱动工具10的壳体20打开。用于致动驱动活塞的致动装置70容纳在壳体20中。致动装置70包括电动马达(图5所示)，该电动马达用于将来自电池590的电能转换为旋转能；传动装置400，该传动装置用于将电动马达的转矩传送到主轴驱动器300；辊组260，该辊组用于将力从主轴驱动器300传递到弹簧200以及用于将力从弹簧200传递到驱动活塞。

图3和图4分别更详细地示出了处于扩张状态(图3)和张紧状态(图4)的辊组260。辊组260包括带270、具有前辊291的前辊支架281、以及具有后辊292的后辊支架282。辊支架281、282由例如纤维增强塑料制成。辊支架281、282包括导轨285，这些导轨用于引导辊支架281、282，例如，在未示出的壳体(图1和图2所示)的凹槽中。主轴驱动器300包括主轴310、主轴螺母320(图3中不可见)和主轴齿轮440。带270与主轴螺母302和驱动活塞100接合，并围绕辊291、292延伸，从而形成辊组260。驱动活塞100被保持在联接器150中。

弹簧200包括具有前弹簧端230的前弹簧元件210和具有后弹簧端240的后弹簧元件220。前弹簧端230被保持在前辊支架281中，而后弹簧端240被保持在后辊支架282中。辊组260提供了弹簧端230、240相对于彼此的相对速度以两倍的因数增速传动到该驱动活塞100的速度。弹簧元件210、220在其面向的侧面处通过支撑环250而支撑抵靠壳体。通过弹簧元件210、220的对称布置，抵消了由弹簧元件210、220引起的任何反冲力，因而提高了驱动工具10的操作舒适性。

如上所述，图3示出了处于扩张状态的辊组260，其中，弹簧元件210、220松弛。图4示出了处于张紧状态的辊组260，其中，弹簧元件210、220压缩。现在，主轴螺母320位于主轴310的前端，并将带270拉入后弹簧元件220中。因此，辊支架281、282朝向彼此移动，弹簧元件210、220被张紧。驱动活塞100通过联接器150抵抗弹簧元件210、220的弹簧力而被保持。为了致动活塞100以将紧固元件驱动到基板中，使用者拉动触发器34(图1、图2)，从而使联接器150释放驱动活塞100。

图5以截面视图示出了具有马达输出490的致动装置70(图2)的电动马达480。电动马达480形成为无刷直流(BLDC)马达，并具有用于驱动马达输出490的磁线圈495，该磁线圈包括永磁体491。马达输出490围绕旋转轴线560旋转。电动马达480由未示出的马达接收座保持，并借助于压接触点506从电池590供应电能。驱动工具10包括控制单元，该控制单元以如下文所描述的方式借助于控制线路505控制电动马达480。

在马达输出490上，马达小齿轮410通过压配合而被紧固锁定旋转。马达小齿轮410由马达输出490驱动，并借助于传动装置400(图2)和主轴齿轮440(图3、图4)驱动主轴驱动器300。固位机构450一方面借助于马达输出490上的轴承452被支撑，使得该固位机构可以旋转，另一方面，借助于马达接收座上的环形组装元件470而被锁定旋转。环形马达阻尼元件460，用于抑制在电动马达480与马达接收座之间的相对运动。固位机构450包括磁线圈455，该磁线圈在通电时可以对磁衔铁456施加吸引力。磁衔铁456延伸到形成在马达小齿轮410中的开口457中。由于吸引力，磁衔铁456被按压在固位机构450上，使得当磁线圈455通电时，马达输出490的旋转被制动或被阻止。

图6示出了电动马达480的示意图。磁线圈495包括沿着电动马达480的圆周等距离地布置的三对A、B、C磁线圈，每对A、B、C包括两个磁线圈，这两个磁线圈相对于旋转轴线(该旋转轴线垂直于图6中的突出平面定向)相对于彼此布置在相对位置。在未示出的实施例中，磁线圈包括沿着电动马达的圆周等距离地布置的一对、两对、四对或更多对磁线圈。永磁体491被定位在旋转轴线上，并具有同样地布置在旋转轴线的相反两侧的北极N和南极S。

操作原理是基于通过在永磁体491与在磁线圈495中感应的旋转磁场之间的磁吸引力而将电能转换为机械能。为了使磁场旋转，磁线圈495或成对的磁线圈被相继地供应电流(换向)。然而，旋转永磁体491在磁线圈495中感应二次磁场，从而产生反电动势力(BEMF)，该反电动势力使电动马达480的效率降低。本发明的目的是提高马达的效率，这可以通过减少反电动势力来解决。

图7示出了具有若干永磁体的转子的另外三个实施例。图7a)示出了转子710，该转子包括轴711、安装在轴711上并与轴711旋转的毂712、以及两对永磁体713，这两对永磁体沿着毂712的圆周等距离地安装在毂712的外表面上，并且每个永磁体具有北极N和南极S。图7b)示出了转子720，该转子包括轴721、安装在轴721上并与轴721旋转的毂722、以及三对永磁体723，这三对永磁体沿着毂722的圆周等距离地嵌入毂722的块状材料中，并且每个永磁体具有北极N和南极S。图7c)示出了转子730，该转子包括轴731、安装在轴731上并与轴731旋转的毂732、以及插入相应的支架(例如孔)中的四对永磁体733，这四对永磁体沿着毂732的圆周等距离地设置在毂732中，并且每个永磁体具有北极N和南极S。

图8示出了电动马达801的布线简图800，该电动马达具有定子810、和由电池830供应电能的马达控制电路820。电池830包括高连接触点831和低连接触点832，并在高连接触点831与低连接触点832之间提供电池电压VBATT，例如，12伏特或22伏特或48伏特。马达控制电路820包括电连接至高连接触点831的高连接线路821和电连接至低连接触点832的低连接线路822，使得在高连接线路与低连接线路之间提供电池电压VBATT。马达控制电路820进一步包括三个高开关AH、BH、CH，三个低开关AL、BL、CL和三个中间触点VA、VB、VC。中间触点VA、VB、VC中的每一个分别经由高开关AH、BH、CH中的一个电连接至高连接线路821，并且分别经由低开关AL、BL、CL中的一个电连接至低连接线路822。高开关AH、BH、CH和低开关AL、BL、CL形成为场效应晶体管，例如MOSFET。

定子810包括三个磁线圈811、812、813。第一磁线圈811具有电连接至中间触点VA的第一端和电连接至中间触点VB的第二端。因此，第一磁线圈811将中间触点VA和中间触点VB彼此互连。第二磁线圈812具有电连接至中间触点VB的第一端和电连接至中间触点VC的第二端。因此，第二磁线圈812将中间触点VB和中间触点VC彼此互连。第三磁线圈813具有电连接至中间触点VC的第一端和电连接至中间触点VA的第二端。因此，第三磁线圈813将中间触点VC和中间触点VA彼此互连。磁线圈811、812、813中的每一个分别具有固有电感LAB、LBC、LCA，分别具有电阻RAB、RBC、RCA以及分别表示为交流电压源eAB、eBC、eCA的反电动势力。

为了控制电动马达801，高开关AH、BH、CH和低开关AL、BL、CL根据如下文参照图9所描述的换向方案被致动。

图9示出了控制电动马达820的方法的换向表900。在第一换向阶段1期间，高开关AH和低开关BL和低开关CL被关闭，或切换到“打开”(“1”)，从而将中间触点VA电连接至高连接线路821，并将中间触点VB和中间触点VC分别电连接至低连接线路822。其余的高开关和低开关，即AL、BH和CH被打开，或切换到“关闭”(“0”)。相应地，第一磁线圈811被通电使永磁体加速，从而驱动转子810旋转。同时，第二磁线圈812被短路，这防止磁场在第二磁线圈812中感应可能不利于永磁体的上述加速的二次电流。

在第一换向阶段1结束时，低开关BL切换到“关闭”(“0”)，从而将中间触点VB与低连接线路822解除电连接，并且高开关BH被切换到“打开”(“1”)，从而将中间触点VB电连接至高连接线路821。其余的高开关和低开关，即AH、AL、CH和CL分别地保持打开或关闭。相应地，在紧接在第一换向阶段1之后的第二换向阶段2中，第三磁线圈813被通电使永磁体加速，同时，紧接在第一换向阶段1之后，第一磁线圈811被短路。为了防止在经由中间触点VB从第一换向阶段1切换到第二换向阶段2期间，高连接线路821与低连接线路822短路，在低开关BL切换到“关闭”(“0”)之后和在高开关BH切换到“打开”(“1”)之前，空载时间间隔设置为流逝。在空载时间间隔期间，开关BL、BH均未被关闭。空载时间间隔由软件实现或硬件实现的空载时间间隔提供。

电动马达801产生的机械功率和/或转矩取决于在相电流与产生的反电动势力(BEMF)之间的乘积。这两个函数的值相互作用的方式决定了所产生能量的大小。例如，匹配相电流和BEMF最大值将产生一个高功率峰值，并且有助于平均机械功率。因为转矩也会振荡，所以功率中有高纹波是不方便的，因此，必须避免在BEMF较低时具有高电流(反之亦然)，即，使两个信号尽可能一致。另一个方面是避免两个信号的极性不一致，因为这将导致负功率，即，与马达旋转方向相反的转矩，而不是向前推动。

上述方法提供了速度、转矩和效率的提高。另一方面，转矩特性更均匀，因此能量传送到转子会使马达更平稳地旋转。

已经出于展示和说明的目的呈现了以上对本发明的示例性实施例的描述。并不旨在穷举本发明或将本发明限制为所披露的精确形式，并且根据以上教导，修改和变体是可能的，或者可以从本发明的实践中获得修改和变体。所描述的功能可以分布在与本文描述的功能在功能的数量和分布上不同的模块之间。此外，可以根据实施例来改变执行功能的顺序。选择和描述实施例是为了解释本发明的原理并且作为本发明的实践应用以使得本领域技术人员能够在各种实施例中以与所设想的特定用途相适合的各种修改来利用本发明。本发明的范围旨在由所附的权利要求及其等效物来限定。

Claims

1.一种控制BLDC电动马达的方法，该电动马达具有定子和转子，该定子具有多个磁线圈，该转子具有由该多个磁线圈驱动的永磁体，该方法包括

a)向该多个磁线圈中的第一磁线圈供应电压，以及

b)在步骤a)期间，将该多个磁线圈中的第二磁线圈短路。

2.根据权利要求1所述的方法，包括在步骤a)之后，将该多个磁线圈中的该第一磁线圈短路。

3.根据权利要求2所述的方法，包括在紧接步骤a)之后，将该多个磁线圈中的该第一磁线圈短路。

4.一种控制BLDC电动马达的方法，该电动马达具有定子和转子，该定子具有多个磁线圈，该转子具有由该多个磁线圈驱动的永磁体，其中，该电动马达包括马达控制电路，该马达控制电路具有高连接线路、低连接线路、多个高开关、多个低开关、以及多个中间触点，该多个中间触点中的每一个中间触点经由该多个高开关中的一个高开关连接至该高连接线路，并经由该多个低开关中的一个低开关连接至该低连接线路，其中，该多个磁线圈中的每一个磁线圈具有电连接至该多个中间触点中的第一个中间触点的第一端和电连接至该多个中间触点中的第二个中间触点的第二端，该多个磁线圈中的该每一个磁线圈从而电互连该多个中间触点中的该第一个中间触点和该多个中间触点中的该第二个中间触点，该方法包括

-提供在该高连接线路与该低连接线路之间的电压

-关闭该多个高开关中的第一个高开关，从而在第一换向阶段期间将该多个中间触点中的该第一个中间触点电连接至该高连接线路，

-关闭该多个低开关中的第二个低开关，从而在该第一换向阶段期间将该多个中间触点中的该第二个中间触点电连接至该低连接线路，以及

-关闭该多个低开关中的第三个低开关，从而在该第一换向阶段期间将该多个中间触点中的第三个中间触点电连接至该低连接线路。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括

-打开该多个低开关中的该第二个低开关，从而在该第一换向阶段之后的第二换向阶段期间将该多个中间触点中的该第二个中间触点与该低连接线路解除电连接，以及

-关闭该多个高开关中的第二个高开关，从而在该第二换向阶段期间将该多个中间触点中的该第二个中间触点电连接至该高连接线路。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，该第二换向阶段紧接在该第一换向阶段之后。

7.根据权利要求5和6中任一项所述的方法，其中，在该多个低开关中的该二个低开关被打开之后和在该多个高开关中的该第二个高开关被关闭之前，空载时间间隔流逝。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该多个磁线圈由三个磁线圈组成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该多个高开关由三个高开关组成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该多个低开关由三个低开关组成。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该多个中间触点由三个中间触点组成。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该多个高开关中的每个包括场效应晶体管。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该多个低开关中的每个包括场效应晶体管。

14.一种操作驱动工具的方法，该驱动工具具有驱动活塞和用于致动该驱动活塞的致动装置，使得该驱动活塞将紧固元件驱动到基板中，该致动装置包括BLDC马达，该方法包括根据前述权利要求中任一项所述的控制该BLDC马达的方法。