CN113785485A - 电动工具的无传感器电机控制 - Google Patents

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D·R·菲尔德宾德尔
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Abstract

用于无传感器电机控制的方法和电动工具。一个实施例提供了一种用于驱动电动工具(100)的无传感器电机(150)的自动控制切换方法。该方法包括使用电机控制器(224)基于用户输入(232)确定第一负载点，以及使用电机控制器(224)确定对应于第一负载点的第一电机控制技术。该方法还包括基于第一电机控制技术驱动电机(150)。该方法还包括使用电机控制器(224)确定从第一负载点到第二负载点的变化，以及使用电机控制器(224)确定对应于第二负载点的第二电机控制技术。该方法包括基于第二电机控制技术驱动电机(150)。

Description

电动工具的无传感器电机控制
相关申请
本申请要求于2019年4月15日提交的申请号为62/833,834的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本文描述的实施例涉及电动工具中的无传感器电机控制。
背景技术
在电动工具中使用无刷直流(BLDC)电机可提高效率和功率输出。这些电机由具有电力开关元件的逆变桥供电。电动工具的控制器控制电力开关元件(例如，使用脉冲宽度调制(PWM)驱动信号)来操作电机。可以改变PWM信号的占空比以改变电机的旋转速度。
发明内容
与有刷电机不同，可以确定转子的位置以控制BLDC电机的操作。例如，具有BLDC电机的系统可以使用传感器(例如，霍尔传感器)或编码器(例如，旋转编码器)来检测转子中的磁铁的位置，从而控制到电力开关元件的驱动信号的时序。
在BLDC电机中，包含转子位置传感器会增加成本并增加电动工具的尺寸，以及会降低驱动电机的效率。因此，至少出于这些原因，需要以下至少一种或多种：无传感器电机，用于检测无传感器电机的转子位置的方法，以及用于操作无传感器电机的技术。
本文描述的方法提供了用于驱动电动工具的无传感器电机的切换的自动控制。该方法包括使用电机控制器基于用户输入确定第一负载点，以及使用电机控制器确定对应于第一负载点的第一电机控制技术。该方法还包括基于第一电机控制技术驱动电机。该方法还包括使用电机控制器确定从第一负载点到第二负载点的变化，以及使用电机控制器确定对应于第二负载点的第二电机控制技术。该方法包括基于第二电机控制技术驱动电机。
本文描述的电动工具提供包括无传感器电机，被配置为向电机提供操作电力的逆变桥，以及联接到逆变桥的电机控制器。电机控制器被配置为基于用户输入确定第一个负载点，以及确定对应于第一负载点的第一电机控制技术。电机控制器还被配置为使用逆变桥基于第一电机控制技术驱动电机。电机控制器还被配置为确定从第一个负载点到第二个负载点的变化，以及确定对应于第二负载点的第二电机控制技术。电机控制器被配置为使用逆变桥基于第二电机控制技术驱动电机。
本文描述的方法提供了用于驱动电动工具的无传感器电机的切换的自动控制。该方法包括使用电机控制器检测电动工具操作参数，以及使用电机控制器基于电动工具操作参数确定电动工具的负载点。该方法还包括使用电机控制器确定对应于负载点的电机控制技术，以及使用电机控制器基于电机控制技术驱动电机。
本文描述的电动工具包括无传感器电机，被配置为向电机提供操作电力的逆变桥，以及联接到逆变桥的电机控制器。电机控制器被配置为检测电动工具操作参数，以及基于电动工具操作参数确定电动工具的负载点。电机控制器还被配置为确定与负载点对应的电机控制技术，以及使用逆变桥基于电机控制技术的驱动电机。
本文描述的方法提供了用于在电动工具的无传感器电机的高频注入转子位置检测。该方法包括使用耦合电路将高频注入信号耦合到电机以及使用去耦电路检测对高频注入信号的电机响应。该方法还包括：使用电机控制器基于电机响应确定转子位置同时在逆变桥上保持较低的切换频率；以及使用电机控制器基于检测到的转子位置驱动电机。
本文描述的电动工具包括无传感器电机，耦合电路，被配置为向电机提供操作电力的逆变桥，以及联接到逆变桥和耦合电路的电机控制器。耦合电路被配置为将高频注入信号耦合到电机。电机控制器被配置为：检测对高频注入信号的电机响应；以及基于电机响应确定转子位置，同时在逆变桥上保持较低的切换频率。电机控制器还被配置为基于检测到的转子位置使用逆变桥驱动电机。
在详细解释任何实施例之前，应当理解，实施例的应用不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的构造细节和部件布置。实施例能够以各种方式实践或实施。此外，应当理解，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，而不应被认为是限制性的。“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及额外的项目。除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型被广义地使用，并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和联接。
此外，应当理解，实施例可以包括硬件、软件和电子部件或模块，其中为了讨论的目的，这些硬件、软件和电子部件或模块可能被示出并被描述为好像大多数部件仅在硬件中实现。然而，本领域普通技术人员基于对本详细描述的阅读将认识到，在至少一个实施例中，基于电子的方面可以利用软件实现(例如，存储在非暂时性计算机可读介质上)，该软件可由一个或多个处理单元(例如微处理器和/或专用集成电路(“ASIC”))执行。因此，应当注意，可以利用多种基于硬件和软件的装置以及多种不同的结构部件来实现实施例。例如，说明书中描述的“服务器”、“计算装置”、“控制器”、“处理器”等可以包括一个或多个处理单元、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出接口，以及连接多个部件的不同连接器(例如，系统总线)。
与数量或条件结合使用的相对性术语(例如“约”、“大约”、“大体上”等)将被本领域普通技术人员理解为包括所述的值并且具有上下文规定的含义(例如，该术语至少包括与测量精确度相关的误差程度，与特定值相关的公差[例如制造、组装、使用等]等)。此类术语也应被视为公开了由两个端点的绝对值限定的范围。例如，表述“约2至约4”也公开了“2至4”的范围。相对性术语可以指在特定的值上加或减一定百分比(例如，1％、5％、10％或更多)。
应当理解，虽然某些附图示出了位于特定装置中的硬件和软件，但是这些图示仅用于说明的目的。在本文中被描述为由一个部件执行的功能可以由多个部件以分布式方式执行。同样，由多个部件执行的功能可以合并并由单个部件执行。在一些实施例中，所示的部件可以组合或划分为单独的软件、固件和/或硬件。例如，逻辑和处理可以分布在多个电子处理器之间，而不是位于单个电子处理器内并由单个电子处理器执行。不管它们如何组合或划分，硬件和软件部件可以位于同一计算装置上或者可以分布在通过一个或多个网络或其他合适的通信链路连接的不同计算装置之间。类似地，被描述为执行特定功能的部件也可以执行本文中未描述的额外的功能。例如，以某种方式“配置”的装置或结构至少以这种方式配置，但也可能以未明确列出的方式配置。
通过考虑详细描述和附图，本发明的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1是根据一些实施例的电动工具的侧视图。
图2A是根据一些实施例的图1的电动工具的电机的透视图。
图2B是根据一些实施例的图1的电动工具的电机的剖视图。
图3是根据一些实施例的图1的电动工具的电机驱动器的简化框图。
图4是根据一些实施例的实现正弦换向的图3的电机驱动器的简化框图。
图5是根据一些实施例的实现磁场定向控制的图3的电机驱动器的简化框图。
图6是根据一些实施例的用于驱动图2A至图2B的电机的自动控制切换的方法的流程图。
图7是根据一些实施例的用于驱动图2A至图2B的电机的自动控制切换的方法的流程图。
图8是根据一些实施例的实现高频注入转子位置检测的图3的电机驱动器的简化框图。
图9是根据一些实施例的实现高频注入转子位置检测的图3的电机驱动器的简化框图。
图10是根据一些实施例的实现高频注入转子位置检测的图3的电机驱动器的简化框图。
图11是根据一些实施例的包括注入线圈的图1的电动工具的电机的透视图。
图12是根据一些实施例的用于在图2A至图2B的电机的高频注入转子位置检测的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了包括无刷直流(BLDC)电机的电动工具100的一个示例性实施例。电动工具100是例如具有壳体104的无刷锤钻，壳体104具有手柄部分108和电机壳体部分112。电动工具100还包括输出驱动器116(示出为卡盘)、扭矩设置拨盘120、正向/反向选择器124、触发器128、电池接口132和灯136。尽管图1示出了锤钻，但是在一些实施例中，本文所描述的电机和电机驱动器被并入到其他类型的电动工具，这些电动工具包括钻机、冲击驱动器、冲击扳手、角磨机、圆锯、往复锯、线修剪机、吹叶机、吸尘器等。
电动工具100包括无刷直流(DC)电机150(图2A至图2B)。在诸如电动工具100的无刷电机电动工具中，开关元件由来自控制器的控制信号选择性地启用和禁用，以选择性地施加来自电源(例如，电池组)的电力，从而驱动无刷电机150。参考图2A至图2B，电机150包括定子154和至少部分地位于定子154内的转子158。定子154包括多个单独的叠片，其堆叠在一起以形成定子芯162(例如，定子堆)。定子154包括向内延伸的定子齿166和限定在每对相邻的定子齿166之间的槽170。在所示的示例中，定子154包括限定六个定子槽170的六个定子齿166。定子154还包括至少部分地定位在槽170内的定子绕组174。在所示的示例中，定子绕组174包括以三相并联三角形配置(three phase,parallel delta configuration)连接的六个线圈174A-174F。在替代的实施例中，线圈174A-174F可以其它配置(例如，串联、三角形等)连接。
转子158包括多个单独的转子叠片，其堆叠在一起以形成转子芯186。转子轴190穿过转子芯186中的中心孔194定位。转子158包括多个槽198，永磁体202(图2B中仅示出了其中一个)接收在其中。
图3示出了用于控制电机150的操作的电机驱动器220的一个示例性实施例。电机驱动器220包括电机控制器224、逆变桥228和电机150。在一些实施例中，电机控制器224被实施为微处理器并具有独立的存储器。在其他实施例中，电机控制器224被实施为微控制器(在同一芯片上具有存储器)。在其他实施例中，电机控制器224可以部分地或完全地实施为例如现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、硬件实施的状态机等，并且可能不需要存储器或可能相应地修改存储器。电机控制器224通过逆变桥228控制电机150的操作。电机控制器224通信地联接到用户输入232和电流检测器236。用户输入232可以包括触发器开关128、扭矩设置拨盘120、正向/反向选择器124、模式选择器等。触发器开关128可以包括例如电位计、距离传感器等，以确定触发器被拉动的距离并将触发器被拉动的距离的指示提供到电机控制器224。电流检测器236联接到电机线圈174或逆变桥228，以检测流过每个线圈174的电流。电机控制器224基于从用户输入232接收的一个或多个输入以及从电流检测器236接收的电机反馈通过逆变桥228执行电机150的可变速度控制。
逆变桥228控制到电动工具100的三相(例如，U、V和W)电机150的电力供应。逆变桥228包括用于电机150的每个相的高端场效应晶体管(FET)240和低端FET244。高端FET 240和低端FET 244由例如在电机控制器224中实施的相应栅极驱动器控制。
高端FET 240的漏极连接到正DC总线248(例如，电源)并且高端FET 240的源极连接到电机150(例如电机150的相线圈174)以在高端FET 240闭合时将电力供应提供到电机150(即相应的相线圈174)。换句话说，高端FET 240连接在正DC总线248和电机相线圈174之间。
低端FET 244的漏极连接到电机150(例如，电机150的相线圈174)并且低端FET244的源极连接到负DC总线252(例如，接地)。换句话说，低端FET 244连接在电机相线圈174和负DC总线252之间。当闭合时，低端FET 244在电机相线圈174和负DC总线252之间提供电流路径。
在所示的示例中，对电机驱动器220而言，电机150就好像以三角形配置连接的线圈174。虽然以下的解释以DELTA配置为示例，但是该解释同样适用于其他配置(例如，Y形配置)，并且使用简单的数学变换就可以获得用于这些其他配置的控制。三个电机端子一般被称为U、V和W端子。逆变桥228允许电机驱动器220将每个端子连接到正DC总线248、负DC总线252，或者如上所述的将端子保持打开。电机控制器224使用提供给FET 240、244的脉冲宽度调制信号来选择性地启用FET 240、244以激活线圈174。相线圈174的选择性激活在转子158的永磁体202上产生力以旋转转子158。转子轴190与转子158一起旋转，以操作电动工具100的输出驱动器116。
常规的电机包括霍尔传感器(或其他旋转编码器)，其向电机控制器224提供转子磁体位置信息。电机控制器224基于转子磁体位置信息选择性地激活每一相U、V和W。霍尔传感器和其他外部位置传感器需要额外的部件和布线，这会增加电机驱动器220的成本、尺寸和设计复杂性。传感器的存在还增加了电机150的成本并降低了在高温下操作的可靠性。
在电机150的操作期间，流动通过电机相线圈174的电流产生转子磁体202的力以旋转转子158。相反，当转子磁体202经过相线圈174时，转子磁体202在相线圈174中产生电流或反电动势(BEMF)。该BEMF可以在无传感器电机中检测到，以确定转子位置并相应地驱动电机150。无传感器电机是指不包括霍尔效应传感器或其他外部传感器(例如，外部角位置传感器)来检测转子158的位置的电机类型。而是，无传感器电机使用在不被激活的相线圈174中产生的BEMF来确定转子位置。无传感器电机驱动器220降低了成本并且在电机150和其他部件之间需要更少的互连，从而简化了电机设计。
典型的电机控制包括激活电机150的两个相和停用电机的一个相。不被激活的相用于检测由转子158产生的BEMF。对于相线圈175的每个顺序激活，在不被激活的线圈中产生的BEMF用于检测例如BEMF信号的过零。可以基于在BEMF信号中检测到的过零来检测转子位置。电机控制器224使用如上所述的转子位置来控制电机150的旋转。
电机驱动器220可以实施若干驱动技术，例如六步控制(也称为块换向(blockcommutation))、正弦控制和磁场定向控制(FOC)。六步控制包括顺序激活每个相(或块)以在转子158中产生扭矩。当转子磁体202与被激活的相线圈174相距“0”度时，电机150在转子158中不产生扭矩。当转子磁体202与被激活的相线圈174相距“90”度时，电机150在转子158中产生最大扭矩。六步控制包括电机控制器224检测转子158的位置以选择性地激活相距“90”度的相，以在转子158中产生最大扭矩。如上所述，电机控制器224基于在不被激活的相线圈174中检测到的BEMF信号来检测转子位置。随着转子158旋转，响应于电机控制器224确定转子位置，电机控制器224激活与转子磁体202相隔“90”度的下一相线圈174，以随着转子158旋转，继续在转子158中产生最佳的扭矩量。
图4示出了用于电机150的正弦换向的电机驱动器220。与六步控制(以高、低或零的矩形块将电流信号提供到线圈174中以驱动电机150)不同，正弦换向试图将平滑的正弦电流信号提供到线圈174中。图4的电机驱动器220类似于图3中所示的电机驱动器220，但其中用于正弦换向的电机控制器224的逻辑部件被分解和图示。电机驱动器220包括转子位置检测器268、正弦参考块272和PWM发生器276。例如，电机控制器224可以通过执行存储在电机控制器224的存储器上的指令来实现转子位置检测器268、正弦参考块272和PWM发生器276中的一个或多个。转子位置检测器268从电流检测器236接收电流检测信号并将转子位置信号提供给正弦参考块272。正弦参考块272接收用户输入232和转子位置信号并向PWM发生器276输出正弦控制信号。正弦参考块272包括例如具有用户输入232(例如，期望扭矩、期望速度等)、转子位置和正弦控制信号之间的映射的查找表。正弦控制信号可以提供将被提供给电机线圈174以输出期望扭矩的信号的期望信号特性(例如，幅度、频率等)的指示。PWM发生器276产生PWM信号并将PWM信号提供给FET 240、244。在所示的示例中，PWM发生器276被示出为向高端FET 240提供第一PWM信号并且向低端FET 244提供第二PWM信号。在一些实施例中，可以向其他FET 240、244提供额外的PWM信号以控制提供给电机线圈174的电流。
图5示出了用于电机150的磁场定向控制的电机驱动器220。与线圈块顺序地换向的六步控制不同，磁场定向控制包括使用FET 240、244的PWM控制来向电机线圈174提供例如平滑或梯形的波形。图5的电机驱动器220类似于图3中所示的电机驱动器220，但其中用于磁场定向控制的电机控制器224的逻辑部件被分解和图示。电机驱动器220包括转子位置检测器268、克拉克和帕克变换块(Clarke and Park transform block)288、误差比较器292、电流调节器296、逆帕克变换块(inverse Park transform block)300和空间矢量PWM发生器304。例如，电机控制器224可以通过执行存储在电机控制器224的存储器上的指令来实现转子位置检测器268、克拉克和帕克变换块288、误差比较器292、电流调节器296、逆帕克变换块300和空间矢量PWM发生器304中的一个或多个。转子位置检测器268从电流检测器236接收电流检测信号并将转子位置信号提供给克拉克和帕克变换块288和逆帕克变换块300。克拉克和帕克变换块288从电机相U、V和W中的至少两个相接收电机相电流信号，并使用克拉克变换然后帕克变换来将电机相电流信号转换为同相定子电流(id)信号和正交相定子电流(iq)信号。同相和正交电流信号被提供给误差比较器292。误差比较器292还基于来自用户输入232的期望扭矩接收期望的同相电流(idref)信号和期望的正交电流(iqref)信号。误差比较器292确定检测到的电流信号和期望的电流信号之间的差并且将检测到的电流信号和期望的电流信号之间的差提供给电流调节器296。电流调节器296基于来自误差比较器292的误差信号将正交和同相域中的电压控制信号(Vq和Vd)输出到逆帕克变换块300。逆帕克变换块300使用帕克变换将电压控制信号转换为相电压控制信号。相电压控制信号被提供给空间矢量PWM发生器304。在一些实施例中，可以使用逆克拉克变换PWM发生器来代替空间矢量PWM发生器304。空间矢量PWM发生器304使用空间矢量调制来产生提供给逆变桥228的PWM信号。在所示的示例中，空间矢量PWM发生器304被示出为生成三个PWM信号，其分别被提供给逆变桥228的一个高端FET240和两个低端FET 244。在一些实施例中，可以使用不同数量的PWM信号和选择不同的FET240、244来实现磁场定向控制。
图3至图5仅示出了电机150的六步控制、正弦换向和磁场定向控制的示例性实施例。上述控制方法可以根据装置和电机的规格和设计进行调整。此外，电机控制器224也可以使用以上未描述的其他电机控制技术来驱动电机150。
如上所述，电机控制器224能够实施上述任何电机控制技术。每种电机控制技术都有其优点和缺点。具体地，电机控制技术可在不同负载和速度条件下产生最佳的驱动。例如，六步控制可用于高速和低扭矩，但在低速时可能相对低效。六步控制可能会在低速下产生扭矩波动，从而导致操作效率低下。然而，六步控制比正弦或磁场定向控制技术更能在更长的时间内从电机获得峰值扭矩。因此，可以通过在适当的负载点使用适当的电机控制技术来提高电机效率。例如，电机控制器224可以存储将多个负载点与不同种类的电机控制技术中的一种相关联的查找表。电机控制器224然后可以检测负载点，访问查找表以确定与该负载点相关联的电机控制技术(从多个电机控制技术中选择)，然后应用该电机控制技术来驱动电机。因此，电机控制器224在不同的负载点使用不同的控制技术来驱动电机。
图6是根据一些实施例的用于驱动电机150的自动控制切换的示例方法350的流程图。在所示的示例中，方法350包括使用电机控制器224基于用户输入232确定第一负载点(在块354)。电机控制器224接收用户输入232，例如，来自触发器开关128的速度输入、来自扭矩设置拨盘120的扭矩限制、来自正向/反向选择器124的方向信号、来自模式选择器的操作模式等等。电机控制器224基于这些用户输入232确定负载点。例如，负载点是高速低扭矩应用、高速高扭矩应用、低速低扭矩应用、低速高扭矩应用等中的一个。在一些实施例中，负载点可以是速度设置，例如，高速、中速、低速等(例如，由触发器的拉动量所指示(当与相关阈值相比时)或来自速度选择器拨盘)，或扭矩设置，例如，高扭矩、中扭矩、低扭矩等(例如，由触发器的拉动量所指示(当与相关阈值相比时)或来自扭矩拨盘120)。还可以基于使用电动工具100的模式选择器选择的应用或模式来确定负载点。在一些实施例中，电机控制器224可以在电机控制器224或电动工具100的存储器中存储查找表，其包括多个用户输入232和相关负载点(例如，低、中、或高负载点)之间的映射。
方法350还包括使用电机控制器224确定对应于第一负载点的第一电机控制技术(在块358)。如上所述，电机控制器224可以在电机控制器224或电动工具100的存储器中存储查找表。该查找表包括多个负载点和电机控制技术之间的映射。电机控制器224选择对应于第一负载点的第一电机控制技术(例如，六步控制、正弦换向、磁场定向控制等)。
方法350还包括基于第一电机控制技术驱动电机150(在块362)。电机驱动器220实施所选择的电机控制技术，如上文所进一步描述的。例如，电机控制器224使用六步控制、正弦换向、磁场定向控制等来驱动电机150。
方法350还包括使用电机控制器224确定从第一负载点到第二负载点的变化(在块366)。电机控制器224继续分析用户输入(例如，在工具操作的过程中周期性地)，以确定电动工具100的期望或操作负载点。电机控制器224基于用户输入232的变化确定负载点从第一负载点到第二负载点的变化(例如，使用与以上关于块358描述的类似的技术)。方法350还包括使用电机控制器224确定对应于第二负载点的第二电机控制技术(在块370)。如上所述，电机控制器224可以在电机控制器224或电动工具100的存储器中存储查找表。该查找表包括多个负载点和电机控制技术之间的映射。电机控制器224选择对应于第二负载点的第二电机控制技术(例如，六步控制、正弦换向、磁场定向控制等)。
方法350还包括基于第二电机控制技术驱动电机150(在块374)。电机驱动器220实施所选择的电机控制技术，如上文所进一步描述的。例如，电机控制器224使用六步控制、正弦换向、磁场定向控制等来驱动电机150。
图7是根据一些实施例的用于驱动电机150的自动控制切换的示例方法400的流程图。在所示的示例中，方法400包括使用电机控制器224检测电动工具操作参数(在块404)。电机控制器224与电动工具100的各种传感器通信以确定电动工具100或电机150的操作参数。电机控制器224可以使用传感器来确定电动工具100的电机电流、电机电压、扭矩输出等。
方法400还包括使用电机控制器224基于电动工具操作参数确定电动工具100的负载点(在块408)。例如，负载点是高速低扭矩应用、高速高扭矩应用、低速低扭矩应用、低速高扭矩应用等中的一个。在一些实施例中，负载点可以是速度设置(例如高速、中速、低速等)或扭矩设置(例如高扭矩、中扭矩、低扭矩等)。电机控制器224基于由电机控制器224监测的传感器输出来确定负载点。
方法400还包括使用电机控制器224确定对应于该负载点的电机控制技术(在块412)。如上所述，电机控制器224可以在电机控制器224或电动工具100的存储器中存储查找表。该查找表包括多个负载点和电机控制技术之间的映射。电机控制器224选择对应于负载点的电机控制技术(例如，六步控制、正弦换向、磁场定向控制等)。方法350包括基于该电机控制技术来驱动电机150(在块416)。电机驱动器220实施所选择的电机控制技术，如上文所进一步描述的。与以上关于方法350所讨论的类似，方法400还可以包括确定负载点的变化并且自动将电机控制技术切换到对应于新负载点的电机控制技术。
方法350和400的一个示例性实施方式可以包括使用电动工具100安装(seating)和驱动紧固件。安装紧固件可包括在紧固操作开始时的精确控制和低速。电机控制器224检测低速并确定该低速对应于电动工具100的第一负载点。通常，正弦换向或磁场定向控制更适合低速应用，因为与六步控制相比，正弦换向和磁场定向控制提供更好的精度和低扭矩波动输出。因此，电机控制器224确定例如磁场定向控制对应于检测到的负载点。电机控制器224基于磁场定向控制来驱动电机150。一旦紧固件被安装，电动工具100就可以高速操作以将紧固件驱动到工件中。电机控制器224检测从低速到高速的变化。通常，六步控制更适合高速操作，因为六步控制在过热之前提供更长的操作时间，并且可以实现比正弦或磁场定向控制更高的峰值性能。因此，电机控制器224基于例如预先存储的查找表确定六步控制对应于高速操作。作为响应，电机控制器224基于六步控制驱动电机150，直到紧固操作完成。
如上所述，电机150是无传感器电机并且不包括霍尔效应传感器或外部角位置传感器(即，在电机部件的外部)。作为使用外部位置传感器检测转子位置和控制电机的一种替代方法是高频注入转子位置感测。通常，高频注入转子位置感测包括空间矢量调制，以通过逆变桥调制注入高次谐波频率。高频信号被注入到提供给FET 240、244的PWM信号上。电机150对这些频率的响应被用于确定启动时和操作期间的转子位置。然而，通过逆变器调制的高频注入需要更高的切换速度，这会增加逆变桥228的损耗并降低电机150的性能。
图8示出了根据一些实施例的用于高频注入转子位置检测的电机驱动器220。在一些实施例中，高频指的是高于逆变桥228的标称切换频率的频率。在一些示例中，逆变桥228的标称切换频率是大约8kHz和20kHz之间的频率。图8的电机驱动器220类似于图3至图5中所示的电机驱动器220，但其中用于高频注入的电机控制器224的逻辑部件被分解和图示。电机驱动器220包括耦合电路450、去耦电路454、响应测量块458和转子位置估计器块462。例如，电机控制器224可以实施响应测量块458和转子位置估计器块462中的一个或多个。耦合电路450从例如信号发生器466接收高频注入信号，该信号发生器466可包括振荡器以产生高频注入信号。耦合电路450将注入信号耦合到DC总线248、252上。在所示的示例中，耦合电路450将注入信号耦合到正DC总线248上。在其他示例中，耦合电路450可以将注入信号耦合到负DC总线252或正DC总线248和负DC总线252两者。在一些实施例中，耦合电路450包括将信号发生器466电容性地联接到DC总线248、252的电容器。在一些实施例中，耦合电路450包括将信号发生器466联接到DC总线248、252的变压器(例如，绕线线圈)。DC总线248、252将注入信号连同DC操作电压信号一起提供给逆变桥228以用于电机150的操作。
去耦电路454连接到电机相线圈174。去耦电路454选择性地连接到不被激活的相线圈174(也称为非驱动相)以提取对高频注入的电机响应。去耦电路454将响应信号与在不被激活的相线圈174上检测到的其他信号去耦。去耦电路454将响应信号提供给响应测量块458。去耦电路454可以具有与耦合电路类似的结构。例如，去耦电路454可以将不被激活的相线圈174电容性地联接到响应测量块458，或者可以包括变压器以将不被激活的相线圈174联接到响应测量块458。例如，响应信号是作为电机150对高频注入信号的响应的电流信号。去耦电路454将响应电流信号作为响应信号提供给响应测量块458。在所示的示例中，为了简化说明，仅示出了单个去耦电路454并且去耦电路454连接到单个电机端子。然而，去耦电路454可以连接到所有电机端子U、V和W，以在电机端子的不被激活的阶段检测每个电机端子的响应。或者，可以提供独立的去耦电路454(每个电机端子一个)，以将来自每个电机端子的响应信号提供给响应测量块458。
响应测量块458从去耦电路454接收响应信号并测量电机对高频注入信号的响应。例如，响应测量块458响应于高频注入检测每个电机线圈174的阻抗(例如，磁阻、电感等)。响应测量块458将测得的响应作为测量信号提供给转子位置估计器块462。然后可以使用测量信号的特性来确定有关于电机和转子位置的信息。例如，在一些实施例中，注入信号和测量信号之间的幅度差或相位差(延迟)指示转子位置。
转子位置估计器块462从响应测量块458接收测量信号并基于测量信号确定转子位置、转子速度或两者。电机控制器224可以存储包括不同阻抗测量和转子位置之间的映射的查找表。转子位置估计器块462通过参考该查找表来确定转子位置，以确定对应于阻抗测量的转子位置。转子位置估计器块462可以使用转子位置的改变来进一步确定电机150的旋转速度。
在一些实施例中，去耦电路454、响应测量块458和/或转子位置估计器块462被提供在转子位置检测器268中(参考图4和图5)。然后，电机150由电机驱动器220基于由转子位置检测器268提供的转子位置和/或转子速度根据上述任何电机控制技术来驱动，而不需要独立的转子位置传感器(用于例如，霍尔传感器或外部位置传感器)。
图9示出了根据一些实施例的用于高频注入转子位置检测的电机驱动器220。图9的电机驱动器220类似于图8的电机驱动器220。然而，在图9所示的示例中，高频注入信号直接耦合在电机端子U、V和W处，而不是在DC总线248、252处。耦合电路450在高端FET 240和低端FET 244的交界处耦合高频注入信号。在一些实施例中，耦合电路450将高频注入信号直接耦合到电机150的端子U、V和W上。
在图9所示的示例中，示出了单个耦合电路450并且耦合电路450连接到单个电机端子。然而，耦合电路450可以连接到所有电机端子U、V和W以向每个电机端子提供高频注入信号。或者，可以提供独立的耦合电路450(每个电机端子一个)，以将来自信号发生器466的注入信号提供给每个电机端子。例如，电机控制器224可以控制耦合电路450以在当电机端子的相应高端FET 240闭合并且电机端子的相应低端FET 244打开时将高频信号注入电机端子U、V和W。
在一些实施例中，电机控制器224使用空间矢量调制将三次谐波频率信号注入DC总线248、252或电机端子U、V和W。在该示例中，三次谐波频率指的是逆变桥228的输出信号的频率的大约三倍的频率(例如，当逆变桥228的输出信号为200Hz时，注入的信号大约为600Hz)。转子位置检测器268确定电机对三次谐波注入的响应，以估计转子位置和速度。三次谐波注入在不被激活的相端子中产生正弦BEMF响应。因此，三次谐波注入提供更准确的转子位置和转子速度估计。
图10示出了根据一些实施例的用于高频注入转子位置检测的电机驱动器220。图9的电机驱动器220类似于图8和图9的电机驱动器220。然而，在图9所示的示例中，高频信号被注入注入线圈470。注入线圈470接收高频注入信号并且不用于为电机150供电。具体地，耦合电路450将来自信号发生器466的高频注入信号提供给注入线圈470。在这些实施例中，不被激活的线圈174的响应被类似地检测，如上文关于图8和图9所述。转子位置和/或速度是基于电机对高频注入注入线圈470的响应来检测的。如上所述，包括在注入线圈470中的三次谐波注入的空间矢量调制可用于检测电机150响应以增加转子位置估计的准确度。在一些实施例中，注入线圈470可以设置在现有相线圈174周围。图11示出了注入线圈470的一个示例放置。在所示的示例中，注入线圈470缠绕在电机150的现有相线圈174周围。注入线圈470可以放置在其他位置，例如，在定子154的顶部或底部。
图12是用于高频注入转子位置检测的示例方法500的流程图。在所示的示例中，方法500包括使用耦合电路450将高频注入信号耦合到电机150(在块504处)。如上所述，耦合电路450将高频注入信号耦合到DC总线248、252、电机端子U、V和W以及注入线圈470中的一个。高频注入信号通常具有比逆变桥228的切换频率更高的频率。将高频注入信号耦合到DC总线或电机线圈174、470上有助于保持逆变桥228的较低切换频率并提高性能。
方法500还包括使用电机控制器224检测对高频注入信号的电机响应(在块508)。在电机150的不被激活的相线圈174上检测电机响应。去耦电路454检测电机响应并将响应信号提供给响应测量块458。响应测量块458基于响应信号测量电机响应，如以上进一步详细描述的，并且将测量信号提供给转子位置估计器块462。
方法500还包括使用电机控制器224基于电机响应来确定转子位置，同时保持逆变桥228上的较低切换频率(在块512)。转子位置估计器块462接收电机响应并基于电机响应估计转子位置。具体地，转子位置估计器块462接收测量信号并基于测量信号估计转子位置，如以上进一步描述的。如上所述，由于在DC总线248、252或电机端子上提供高频注入信号，因此用于操作电机150的逆变桥228的FET 240、244的正常切换频率不受影响。
方法500包括基于检测到的转子位置驱动电机150(在块516)。由转子位置检测器268检测到的转子位置和/或速度用于驱动电机150。例如，在六步控制中，转子位置用于激活电机150的下一个线圈174或块。在正弦换向中，转子位置被提供给正弦参考块272以确定逆变桥228的PWM控制信号。在磁场定向控制中，转子位置被提供给克拉克和帕克变换块288的帕克变换块以及逆帕克变换块以确定逆变桥228的PWM控制信号。方法500然后可以循环回到块504。
因此，本文描述的实施例提供了用于电动工具的无传感器电机和无传感器电机的控制。在以下权利要求中阐述了不同的特征和优点。

Claims (48)

1.一种用于驱动电动工具的无传感器电机的自动控制切换方法，所述方法包括：
使用电机控制器基于用户输入确定第一负载点；
使用所述电机控制器确定对应于所述第一负载点的第一电机控制技术；
基于所述第一电机控制技术驱动所述无传感器电机；
使用所述电机控制器确定从所述第一负载点到第二负载点的变化；
使用所述电机控制器确定对应于所述第二负载点的第二电机控制技术；以及
基于所述第二电机控制技术驱动所述无传感器电机。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一电机控制技术是选自由以下各项组成的组中的一种：块换向、正弦控制以及磁场定向控制。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二电机控制技术是选自由以下各项组成的组中的一种：块换向、正弦控制以及磁场定向控制。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述用户输入选自由以下各项组成的组：来自触发器开关的速度输入、来自扭矩设置拨盘的扭矩限制、来自正向/反向选择器的方向信号以及来自模式选择器的操作模式。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述第一负载点到所述第二负载点的变化是基于所述用户输入的变化检测的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一负载点是选自由以下各项组成的组中的一种：高速低扭矩应用、高速高扭矩应用、低速低扭矩应用和低速高扭矩应用。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二负载点是选自由以下各项组成的组中的一种：高速低扭矩应用、高速高扭矩应用、低速低扭矩应用和低速高扭矩应用。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用耦合电路将高频注入信号耦合到所述无传感器电机；
使用去耦电路检测对所述高频注入信号的电机响应；
使用联接到所述去耦电路的所述电机控制器，基于电机响应来确定转子位置，同时在所述逆变桥上保持较低的切换频率，以及
使用所述电机控制器和所述逆变桥基于检测到的转子位置驱动所述无传感器电机。
9.一种电动工具，包括：
无传感器电机；
逆变桥，其被配置为向所述无传感器电机提供操作电力；以及
电机控制器，其联接到所述逆变桥，所述电机控制器被配置为
基于用户输入确定第一个负载点，
确定对应于所述第一负载点的第一电机控制技术，
使用所述逆变桥基于所述第一电机控制技术驱动所述无传感器电机，
确定从所述第一个负载点到第二个负载点的变化；
确定对应于所述第二负载点的第二电机控制技术，以及
使用所述逆变桥基于所述第二电机控制技术驱动所述无传感器电机。
10.根据权利要求9所述的电动工具，其中，所述第一电机控制技术是选自由以下各项组成的组中的一种：块换向、正弦控制以及磁场定向控制。
11.根据权利要求9所述的电动工具，其中，所述第二电机控制技术是选自由以下各项组成的组中的一种：块换向、正弦控制以及磁场定向控制。
12.根据权利要求9所述的电动工具，其中，所述用户输入选自由以下各项组成的组中的一种或多种：来自触发器开关的速度输入、来自扭矩设置拨盘的扭矩限制、来自正向/反向选择器的方向信号以及来自模式选择器的操作模式。
13.根据权利要求9所述的电动工具，其中，从所述第一负载点到所述第二负载点的变化是基于所述用户输入的变化检测的。
14.根据权利要求9所述的电动工具，其中，所述第一负载点是选自由以下各项组成的组中的一种：高速低扭矩应用、高速高扭矩应用、低速低扭矩应用和低速高扭矩应用。
15.根据权利要求9所述的电动工具，其中，所述第二负载点是选自由以下各项组成的组中的一种：高速低扭矩应用、高速高扭矩应用、低速低扭矩应用和低速高扭矩应用。
16.根据权利要求9所述的电动工具，还包括
耦合电路；以及
去耦电路；
其中所述电机控制器还被配置为
使用所述耦合电路将高频注入信号耦合到所述无传感器电机，
使用所述去耦电路检测对所述高频注入信号的电机响应，
基于电机响应确定转子位置，同时在所述逆变桥上保持较低的切换频率，以及
使用所述逆变桥基于检测到的转子位置驱动所述无传感器电机。
17.一种用于驱动电动工具的无传感器电机的自动控制切换方法，所述方法包括：
使用电机控制器检测电动工具操作参数；
使用所述电机控制器基于所述电动工具操作参数确定所述电动工具的负载点；
使用所述电机控制器确定对应于所述负载点的电机控制技术；以及
使用所述电机控制器基于所述电机控制技术驱动所述无传感器电机。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述电机控制技术是选自由以下各项组成的组中的一种：块换向、正弦控制以及磁场定向控制。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述电动工具操作参数是使用一个或多个传感器检测的。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述一个或多个传感器用于检测选自由以下各项组成的组中的一种或多种：电机电流、电机电压和扭矩输出。
21.根据权利要求17所述的方法，其中，所述负载点选自由以下各项组成的组中的一种：高速低扭矩应用、高速高扭矩应用、低速低扭矩应用和低速高扭矩应用。
22.根据权利要求17所述的方法，还包括：
使用耦合电路将高频注入信号耦合到所述无传感器电机，
使用去耦电路检测对所述高频注入信号的电机响应，
使用联接到所述去耦电路的所述电机控制器，基于电机响应确定转子位置，同时在所述逆变桥上保持较低的切换频率，以及
使用所述电机控制器和所述逆变桥基于检测到的转子位置驱动所述无传感器电机。
23.一种电动工具，包括：
无传感器电机；
逆变桥，其被配置为向所述无传感器电机提供操作电力；以及
电机控制器，其联接到所述逆变桥，所述电机控制器被配置为
检测电动工具操作参数，
基于所述电动工具操作参数确定所述电动工具的负载点，
确定与所述负载点对应的电机控制技术，以及
使用所述逆变桥基于所述电机控制技术的驱动所述无传感器电机。
24.根据权利要求23所述的电动工具，其中，所述电机控制技术是选自由以下各项组成的组中的一种：块换向、正弦控制以及磁场定向控制。
25.根据权利要求23所述的电动工具，还包括一个或多个传感器，其中所述电动工具操作参数是使用所述一个或多个传感器检测的。
26.根据权利要求25所述的电动工具，其中，所述一个或多个传感器用于检测选自由以下各项组成的组中的一种或多种：电机电流、电机电压和扭矩输出。
27.根据权利要求23所述的电动工具，其中，所述负载点选自由以下各项组成的组中的一种：高速低扭矩应用、高速高扭矩应用、低速低扭矩应用和低速高扭矩应用。
28.根据权利要求23所述的电动工具，还包括
耦合电路；以及
去耦电路；
其中所述电机控制器还被配置为
使用所述耦合电路将高频注入信号耦合到所述无传感器电机，
使用所述去耦电路检测对所述高频注入信号的电机响应，
基于电机响应确定转子位置，同时在所述逆变桥上保持较低的切换频率，以及
使用所述逆变桥基于检测到的转子位置驱动所述无传感器电机。
29.一种电动工具的无传感器电机的高频注入转子位置检测方法，所述方法包括：
使用耦合电路将高频注入信号耦合到所述无传感器电机；
使用去耦电路检测对所述高频注入信号的电机响应；
使用联接到所述去耦电路的电机控制器，基于电机响应确定转子位置，同时在逆变桥上保持较低的切换频率；以及
使用所述电机控制器和所述逆变桥基于检测到的转子位置驱动所述无传感器电机。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括使用联接到所述耦合电路的信号发生器来产生所述高频注入信号。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述耦合电路将所述高频注入信号耦合到直流总线，所述直流总线将直流电力从所述电动工具的电源提供到所述逆变桥。
32.根据权利要求29所述的方法，其中，所述高频注入信号被耦合到电机端子。
33.根据权利要求29所述的方法，其中，所述高频注入信号是三次谐波频率信号，其为所述逆变桥的输出信号的频率的约三倍。
34.根据权利要求29所述的方法，其中，所述高频注入信号注入在所述无传感器电机的注入线圈。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述注入线圈缠绕在所述无传感器电机的现有相线圈上。
36.根据权利要求29所述的方法，其中，所述去耦电路电连接到所述无传感器电机的电机相线圈。
37.根据权利要求29所述的方法，其中，电机响应是在所述无传感器电机的不被激活的相线圈上检测的。
38.一种电动工具，包括：
无传感器电机；
逆变桥，其被配置为向所述无传感器电机提供操作电力；以及
耦合电路；
去耦电路；
电机控制器，其联接到所述逆变桥、所述耦合电路和所述去耦电路，所述电机控制器被配置为
使用所述耦合电路将高频注入信号耦合到所述无传感器电机，
使用所述去耦电路检测对所述高频注入信号的电机响应，
基于电机响应确定转子位置，同时在所述逆变桥上保持较低的切换频率，以及
基于检测到的转子位置驱动所述无传感器电机。
39.根据权利要求38所述的电动工具，还包括信号发生器。其联接到所述耦合电路并被配置为产生述高频注入信号。
40.根据权利要求38所述的电动工具，还包括直流总线，其将直流电力从所述电动工具的电源提供到所述逆变桥，其中所述耦合电路将所述高频注入信号耦合到所述直流总线。
41.根据权利要求40所述的电动工具，其中，所述耦合电路还包括电容器，其被配置为将所述高频注入信号电容性地耦合到所述直流总线。
42.根据权利要求40所述的电动工具，其中，所述耦合电路还包括变压器。其被配置为将所述高频注入信号耦合到所述直流总线。
43.根据权利要求38所述的电动工具，其中，所述耦合电路将所述高频注入信号耦合到电机端子。
44.根据权利要求38所述的电动工具，其中，所述高频注入信号为三次谐波频率信号。其为所述逆变桥的输出信号的频率的约三倍。
45.根据权利要求38所述的电动工具，还包括：所述无传感器电机的注入线圈，其中所述耦合电路将所述高频注入信号耦合到所述注入线圈。
46.根据权利要求45所述的电动工具，其中，所述注入线圈缠绕在所述无传感器电机的现有相线圈上。
47.根据权利要求38所述的电动工具，其中，所述去耦电路电连接到所述无传感器电机的电机相线圈。
48.根据权利要求38所述的电动工具，其中，电机响应是在所述无传感器电机的不被激活的相线圈上检测的。
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