CN114640278A - 制动电动工具的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无刷直流(BLDC)电机的两阶段制动方法。该方法包括：根据换向方案控制开关阵列来驱动无刷直流电机，以降低无刷直流电机的速度，允许无刷直流电机惯性减速，确定无刷直流电机的速度，以及致动高侧开关和/或低侧开关以基本停止无刷直流电机的旋转运动。

Description

制动电动工具的方法
技术领域
本发明一般涉及一种电动工具的电动无刷电机的制动。
背景技术
电动工具，例如由无刷直流(BLDC)电机驱动的电动棘轮扳手、钻头、砂轮和驱动器，通常用于汽车、工业和家庭应用中，用于拧紧和拧松工件(例如螺纹紧固件)以及例如对工件施加扭矩和/或角位移。电动工具通常使用三种方法之一来制动无刷直流电机。一种方法允许无刷直流电机在停止供电时惯性减速至停止。虽然这种方法不会损坏电动工具的电气开关或其他电路部件，但对用户而言，这是一种耗时、繁琐且可能具有潜在危险性的方法。例如，如果用户出于安全原因(例如，衣服被夹在工具中)需要立即停止无刷直流电机的旋转，则通过允许无刷直流电机惯性减速至停止而不是立即停止，可能会对用户造成物理伤害。
另一种方法是使用利用微控制器或微处理器计算机在软件中实现的无刷直流电机换向来使无刷直流电机减速至停止。例如，换向方案可由微控制器或微处理器计算机实现，以反向驱动电机。但是，该方法需要高总线电压电容以防止在制动期间损坏电动工具的电气开关或其他电气部件。此外，这种方法还会导致无刷直流电机部件过早磨损。
第三种方法同时致动所有高侧电气开关或所有低侧电气开关，使电机相位一起短路并停止电机。然而，这种方法会导致高电流流过电气开关，这会损坏电动工具的电气开关或其他电气部件。
发明内容
本发明广泛地涉及电动工具的电动无刷直流(BLDC)电机的两阶段制动。在第一阶段，控制器使无刷直流电机交替换向，并使无刷直流电机惯性减速以允许无刷直流电机减速至较低速度。当控制器命令较低速度并使无刷直流电机换向时，总线电压将升高，但当允许无刷直流电机惯性减速时，总线电压降低。重复该步骤时，无刷直流电机的速度迅速下降。在第二阶段，一旦电机中剩余的能量是极小的，所有三个高侧开关或低侧开关都将接通以完全制动电机。这种两阶段制动方法可快速地使无刷直流电机停止，不允许总线电压增加至损坏水平，并最大限度地降低高电流流经电动工具的电气开关或其他电气部件可能造成损坏的可能性。
在一个实施例中，本发明广泛包括计算机实现的电动工具的电动无刷直流电机的两阶段制动方法。该方法包括：根据换向方案控制开关阵列来驱动无刷直流电机以降低无刷直流电机的速度，允许无刷直流电机惯性减速，确定无刷直流电机的速度，以及致动所有高侧和/或低侧开关以基本停止无刷直流电机的旋转运动。
在另一实施例中，本发明广泛包括电动工具。所述电动工具包括适于驱动所述电动工具的驱动凸耳的无刷直流电机、适于选择性地将来自电源的功率供应到所述无刷直流电机的开关阵列、以及控制器，该控制器适于：根据换向方案控制开关阵列来驱动所述无刷直流电机以使所述无刷直流电机减速、允许所述无刷直流电机惯性减速、确定所述无刷直流电机的速度、以及致动所有高侧和/或低侧开关以基本停止无刷直流电机的旋转运动。
附图说明
出于使寻求保护的主题容易理解的目的，在附图中示出了其实施例，通过查看附图，当结合下列描述进行考虑时，所寻求保护的主题、其构造和操作以及许多其优点应会容易地理解和获知。
图1是根据本发明一实施例的示例性工具(例如电动棘轮工具)的透视图，该工具包括受控的无刷直流电机。
图2是根据本发明一实施例的具有无刷直流电机的电动工具的示例性开关示意图。
图3是示出根据本发明一实施例的电动工具的电动无刷直流(BLDC)电机的制动方法的流程图。
具体实施方式
尽管本发明易于具有很多不同形式的实施例，在附图中示出并将在本文详细描述本发明的实施例，包括优选实施例，应理解，本公开应视作本发明的原理的范例，并不意在将本发明的广泛方面限制于所阐述的实施例。如本文中所使用，术语“本发明”并不意在限制所要求保护的发明的范围，而是用于仅出于说明性目的讨论本发明的示例实施例。
本发明广泛涉及一种用于电动无刷直流(BLDC)电机的两阶段制动方法。在第一阶段，利用电机换向和惯性减速的组合来降低无刷直流电机的转速。在第二阶段，所有三个低侧或三个高侧电气开关均被致动，以使无刷直流电机完全停止。这种制动方法可快速使无刷直流电机停止，而不会出现现有解决方案的负面后果，从而提高电动工具中无刷直流电机的可用性、使用寿命和效率。
参考图1-3，工具100(例如机动化棘轮工具)包括适于由用户保持的壳体部分102和联接到壳体部分102的驱动部分104。驱动部分104适于向工件施加扭矩，并且包括驱动凸耳106，驱动凸耳106适于接合工具(例如，套筒或钻头)以例如以公知方式驱动工件。驱动凸耳106以公知的方式通过驱动部分104的棘轮机构(未示出)可操作地联接至设置在工具(未示出)的壳体内的电动无刷直流电机108，并由其驱动。驱动部分104还包括选择器旋钮110，其适于选择驱动凸耳106的旋转驱动方向(即，顺时针或逆时针)。驱动部分104可以是棘轮工具的棘轮头。
壳体部分102可操作地容纳：适于驱动该驱动凸耳106的一个或多个无刷直流电机108、适于致动无刷直流电机108的触发器112、适于为无刷直流电动机提供电力的电源(例如电池，未示出)、控制器、以及显示器组件116(下文将更详细描述)。在一个实施例中，壳体部分102由两个或更多个联接在一起的蛤壳式壳体部分118、120组装，以协作地形成壳体部分102并联接到驱动器组件104，从而将无刷直流电机108和控制器包围在壳体部分102内。壳体部分102还可包括手柄部分122，用户可在工具100的操作期间抓握或保持该手柄部分122。
无刷直流电机108可以以公知的方式经由触发器112电联接到电源。电源可以是外部电源(例如，墙壁电插座、发电机、外部电池等)或内部电源(例如，可拆卸和可充电电池)。触发器112可适于使无刷直流电机108接通和关断，或使电力/电压从电源流到无刷直流电机108或停止从电源到无刷直流电动机108的流动。
触发器112可以是采用按钮致动器或其他类型的致动器的致动机构。例如，用户可以向内按压触发器112，以选择性地从电源汲取动力以使无刷直流电机108旋转，并在期望的旋转方向上向驱动部分104提供扭矩。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实施任何合适的触发器112或开关。例如，触发器112可以是拨动致动器、触敏致动器、滑动致动器或其他合适的致动器或装置。在另一示例中，触发器112可以被偏置，使得触发器112相对于壳体部分102可向内压下来使工具100操作，并且释放触发器112使触发器112相对于壳体部分102向外移动，以经由触发器112的偏置性质来停止工具100的操作。触发器112也可以是变速型机构。在这方面，根据触发器112的按压水平，触发器112的相对致动或按压导致无刷直流电机108以可变速度操作。
显示器组件116包括适于向用户指示工具信息的显示器124。在一个实施例中，显示器124是液晶显示器(LCD)。工具信息例如可以包括：工具状态(例如诸如电源的功率水平)、驱动凸耳106的选定驱动方向、电机的功率状态、工具100的输出扭矩等。显示器组件116还包括一个或多个按钮126，该一个或多个按钮适于接收用户输入，例如，选择要在显示器124上显示的内容，用于选择工具参数(诸如例如，驱动凸耳106的驱动方向)，和/或用于以其他方式操纵显示器124来控制工具100和/或工具100的参数。
图2示出了电动工具100的无刷直流电机108的示意性示例开关。在示例中，示出了三相无刷直流电机和开关阵列128。然而，可以使用任何合适的无刷直流电机，并且本发明不限于此。在实施例中，开关阵列128包括高侧开关元件H1、H2和H3以及低侧开关元件L1、L2和L3，每个开关元件具有致动状态和非致动状态。在一个实施例中，开关元件是场效应晶体管(FET)。开关阵列128由控制器控制以选择性地将来自电源130(例如，电池组)的功率施加到无刷直流电机108以实现期望的换向方案。换句话说，开关元件按照由电机设计确定的特定顺序在致动状态和非致动状态之间被致动，以便使电机旋转。通过开关元件的脉冲宽度调制(PWM)占空比的开环控制或闭环控制来控制电机旋转的速度。例如，随着脉冲宽度调制占空比减小，开关元件处于致动状态的时间减少，并且开关元件处于非致动状态的时间增加，从而使电机108减速。
控制器是包括中央处理单元(CPU)的控制器/处理器，用于使用已知方法来处理数据并执行非瞬态计算机可读指令。例如，控制器通过总线从数据存储装置中检索指令，使用存储器来运行时临时存储指令和数据。存储器可以包括易失性和/或非易失性随机存取存储器(RAM)。除了(或代替)通过总线连接到其他部件外，这些部件还可以连接到其他部件。控制器监控、分析和处理来自传感器(诸如例如，一个或多个电流传感器、一个或多个速度传感器、一个或多个霍尔效应传感器、一个或多个温度传感器等)的电信号。例如，电机108的速度可以由控制器以公知的方式使用感测转子的旋转位置的多个霍尔效应传感器来确定或计算。
图3是方框图，示出了由计算设备(诸如控制器)执行以制动或停止电动工具的电动无刷直流(BLDC)电机的方法。控制器根据换向方案控制开关阵列128所需的时间量，以降低无刷直流电机108的速度(302)。在一个实施例中，该换向时间量可以基于恒定数量，诸如例如大约10ms或100个脉冲宽度调制周期。然而，本发明不限于此，换向时间可以是任何合适的时间量，诸如例如在约1毫秒-1000毫秒之间。在另一实施例中，换向时间的量可以变化，诸如例如，换向时间等于计数霍尔转换的特定数量的时间量。在本示例中，由于每个旋转都有固定数量的霍尔转换，因此当电机108快速旋转时换向时间非常短(例如，如果电机以30,000转/分钟旋转(RPM)，则为500微秒)，当电机108缓慢旋转时换向时间非常长(例如，如果电机以1000转/分钟旋转，则为15毫秒)。
在经过换向所用的所需时间量之后，允许无刷直流电机108惯性减速期望的时间量(304)。在一示例中，时间量可以基于恒定的数量，诸如例如大约10ms或100个脉冲宽度调制周期。然而，本发明不限于此，该时间可以是任何合适的时间量，诸如例如在约1毫秒-1000毫秒之间。在另一实施例中，时间量可以变化，诸如例如，该时间等于计数特定数量的霍尔转换的时间量。在本示例中，由于每个旋转都有固定数量的霍尔转换，因此当电机108快速旋转时换向时间非常短(例如，如果电机以30,000转/分钟旋转，则为500微秒)，当电机108缓慢旋转时换向时间非常长(例如，如果电机以1000转/分钟旋转，则为15毫秒)。
控制器适于确定无刷直流电机108的速度(306)，然后确定无刷直流电机108的速度是否处于或低于速度阈值，和/或占空比是否处于或低于占空比阈值(308)。例如，速度阈值可以是电机最大空载速度的10％或更低，和/或最大占空比的10％或更低。当无刷直流电机108的速度高于速度阈值和/或占空比高于占空比阈值时，控制器返回至步骤302。例如，控制器在使用换向方案(302)使无刷直流电机108减速和允许无刷直流电机108惯性减速(304)之间交替，直到无刷直流电机108的速度低于速度阈值和/或占空比低于占空比阈值。
当无刷直流电机108的速度处于或低于速度阈值和/或占空比处于或低于在占空比阈值时，控制器致动所有三个高侧开关元件(H1、H2、H3)或所有三个低侧开关元件(L1、L2、L3)所需的时间量，以基本上停止无刷直流电机108的旋转运动(310)。例如，此时间介于约1毫秒和15毫秒之间。该时间至少部分取决于电机108的尺寸和施加到电机108的负载。如果电机108上的负载相当大，时间可能会高得多，以使电机108完全停止。此步骤的速度阈值可设置为小于电机最大空载速度的任何速度，例如，对于25,000转/分的电机，设置为10,000转/分。如果使用占空比阈值，则可以将占空比阈值设置为小于最大占空比100％的任何值，例如10％。在开关元件被致动的期望时间量之后，控制器将开关元件的前置驱动器配置为断开状态。
如上所讨论的，本发明的各个方面以电动棘轮工具来描述，如图所示。然而，应当理解，本发明的各个方面可以嵌入其他手持工具或器具中。例如，但不限于，手动工具可以是棘轮扳手、开口扳手、螺钉驱动器、螺母驱动器、冲击扳手、冲击驱动器或能够对工件施加扭矩并由无刷直流电机供电的任何其他工具。
如本文所使用的，术语“联接”可指双方之间的任何直接或间接的物理、电、磁或其他连接。术语“联接”不限于两个实体之间的固定直接联接。
在前文描述和所附附图中陈述的事项仅通过示意说明的方式提供而不是作为限制。尽管已经示出和描述了特定实施例，对于本领域技术人员明显的是，可以在不脱离发明人的贡献的更广泛的方面的前提下做出改变和修改。当基于现有技术以其合适的视角考虑时，寻求的实际保护范围意在在下列权利要求中进行限定。

Claims (16)

1.一种制动电动工具的无刷直流电机的方法，包括：
根据换向方案控制开关阵列来驱动所述无刷直流电机以降低所述无刷直流电机的速度；
允许所述无刷直流电机惯性减速；
确定所述无刷直流电机的所述速度；以及
致动高侧开关元件或低侧开关元件以基本停止所述无刷直流电机的旋转运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据换向方案控制开关阵列来驱动所述无刷直流电机以降低所述无刷直流电机的速度的步骤被重复，直到所述速度低于速度阈值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述速度阈值小于所述电机的最大空载速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，根据换向方案控制开关阵列来驱动所述无刷直流电机以降低所述无刷直流电机的速度的步骤被重复，直到占空比降低到低于占空比阈值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述占空比阈值小于所述控制器的最大占空比。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，根据换向方案控制开关阵列来驱动所述无刷直流电机以降低所述无刷直流电机的速度的步骤执行小于约1000毫秒。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，允许所述无刷直流电机惯性减速的步骤执行小于约1000毫秒。
8.一种电动工具，具有无刷直流电机和电源，所述电动工具包括：
开关阵列，其适于选择性地将来自所述电源的功率施加到所述无刷直流电机；以及
控制器，其适于：
根据换向方案控制所述开关阵列来驱动所述无刷直流电机以降低所述无刷直流电机的速度；
允许所述无刷直流电机惯性减速；
确定所述无刷直流电机的速度；以及
致动高侧开关元件或低侧开关元件，以基本停止所述无刷直流电机的旋转运动。
9.根据权利要求8所述的电动工具，其中，所述控制器适于根据所述换向方案控制所述开关阵列来驱动所述无刷直流电机以降低所述无刷直流电机的速度，并允许所述无刷直流电机重复地惯性减速，直至所述速度低于速度阈值。
10.根据权利要求9所述的电动工具，其中，所述速度阈值小于所述无刷直流电机的最大空载速度。
11.根据权利要求8所述的电动工具，其中，所述控制器适于根据换向方案控制所述开关阵列来驱动所述无刷直流电机以降低所述无刷直流电机的速度，并允许所述无刷直流电机重复地惯性减速，直到占空比降低到低于占空比阈值。
12.根据权利要求11所述的电动工具，其中，所述占空比阈值小于所述控制器的最大占空比。
13.根据权利要求8所述的电动工具，其中，所述控制器适于根据所述换向方案控制所述开关阵列来驱动所述无刷直流电机以降低所述无刷直流电机的速度执行小于约1000毫秒。
14.根据权利要求8所述的电动工具，其中，所述控制器适于允许所述无刷直流电机惯性减速执行小于约1000毫秒。
15.根据权利要求8所述的电动工具，其中，所述控制器适于致动所有所述高侧开关元件或所有所述低侧开关元件以基本停止所述直流无刷电机的旋转运动。
16.根据权利要求8所述的电动工具，其中，所述控制器适于致动所述高侧开关元件和所述低侧开关元件。
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