CN114765391A - 控制无刷电机换向 - Google Patents

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Abstract

一种计算机实现的方法，用于控制无刷直流(BLDC)电机的换向。该方法包括：控制开关阵列以第一换向来驱动BLDC电机；接收并监测指示BLDC电机的电力消耗的电力消耗信号；判定电力消耗是否超过第一阈值；以及当电力消耗超过第一阈值时，控制开关阵列以第二换向来驱动BLDC电机。

Description

控制无刷电机换向
技术领域
本发明涉及无刷直流(BLDC)电机的换向控制。
背景技术
由无刷直流(BLDC)电机驱动的诸如电动棘轮扳手、电钻和电动驱动器的电动工具通常用于汽车行业、工业和家用应用中，以拧紧和松开诸如螺纹紧固件的工件，以及例如将扭矩和/或角位移施加到工件。BLDC电机换向通常使用微控制器或微处理器计算机来实现。用电子器件和位置反馈而非电刷来控制换向可以提供更大的灵活性以及传统的有刷直流电机所不具备的能力，包括精确的速度控制、位置控制和用于慢速和精细运动控制的步进操作。
基于电动工具所用于的应用，电动工具具有不同的负载点。例如，电动工具的电机以低电流高速运行，但是当紧固件被拧紧时，速度降低并且电流增加。虽然控制器软件可定制为用于特定应用的特定电机，但是电机控制器通常仅使用一种类型的换向来控制电机，而没有改变为不同类型的换向的能力。然而，由于换向类型可能对电机性能具有很大的影响，例如空载速度、失速扭矩、效率等，当在不同的负载条件下能够在不同的换向类型之间改变允许工具被优化到期望的性能。
发明内容
本申请宽泛地涉及与例如电动工具一起使用的BLDC电机的换向控制方法。虽然本发明被描述为与用于电动工具的BLDC电机一起使用，但是应当理解，本发明可以与用于任何目的或功能的BLDC电机一起使用。在一个实施例中，该方法使用控制器基于BLDC电机的电力消耗来优化换向。一般地，BLDC电机的电力消耗基于电动工具所用于的应用而改变。与仅使用一种类型的换向的控制器相比，通过优化换向，可以提高工具性能、电机寿命和/或电机效率。
在一个实施例中，本发明宽泛地包括计算机实现的用于控制无刷直流(BLDC)电机的换向的方法。该方法包括：控制开关阵列以第一换向来驱动BLDC电机；接收并监测指示BLDC电机的电力消耗的电力消耗信号；判定电力消耗是否超过第一阈值；以及如果电力消耗超过第一阈值，则控制开关阵列以第二换向来驱动BLDC电机。
在另一实施例中，本发明宽泛地包括电动工具，该电动工具包括：BLDC电机，其适于驱动该电动工具的输出；开关阵列，其适于选择性地将来自电源的电力施加至BLDC电机；以及控制器，其适于控制该开关阵列来驱动BLDC电机。该控制器适于：控制开关阵列以第一换向来驱动BLDC电机；接收并监测指示BLDC电机的电力消耗的电力消耗信号；判定电力消耗是否超过第一阈值；以及如果电力消耗超过第一阈值，则控制开关阵列以第二换向来驱动BLDC电机。
在另一实施例中，本发明宽泛地包括用于控制开关阵列的控制器，该开关阵列选择性地施加来自电源的电力，以实现无刷直流(BLDC)电机的换向。该控制器包括：存储器，其包括非瞬态计算机可读指令；以及处理器，其适于执行该非瞬态计算机可读指令，以使得该处理器：控制该开关阵列以第一换向来驱动该BLDC电机；接收并监测指示BLDC电机的电力消耗的电力消耗信号；判定电力消耗是否超过第一阈值；以及如果电力消耗超过第一阈值，则控制开关阵列以第二换向来驱动BLDC电机。
附图说明
为了促进对寻求保护的主题的理解，在附图中示出了其实施例，通过审阅在附图中示出的实施例，当结合以下描述考虑寻求保护的主题时，其构造和操作及其许多优点应该容易理解和领会。
图1是根据本发明的实施例的示例性的电动工具的透视图，示例性的电动工具例如是包括BLDC电机的电动棘轮工具。
图2是概念性地示出根据本发明的实施例的适于感测电机电流的示例性电子部件的框图，电机电流部分地指示电力消耗并且可以用于判定何时改变无刷电机的换向。
图3是根据本发明的实施例的示意图。
图4是示出根据本发明的实施例的BLDC电机的换向控制的示例性方法的流程图。
具体实施方式
尽管本发明容许有许多不同形式的实施例，但是在附图中示出，并且将在这里详细描述包括优选实施例的本发明的实施例，应该理解的是，本公开应该被认为是本发明的原理的示例，而并不旨在将本发明的广义方面限制为这里所示的任何一个或多个实施例。如本文所使用的，术语“本发明”不旨在限制所要求保护的发明的范围，而是仅为了解释的目的而用于讨论本发明的示例性实施。
本发明宽泛地涉及一种电动无刷直流(BLDC)电机的换向控制方法。BLDC电机可以例如与电动工具一起使用。虽然本发明被描述为与用于电动工具的BLDC电机一起使用，但是应当理解，本发明可以与用于任何目的或功能的BLDC电机一起使用，包括不同的工具或任何类型的BLDC电动装置，例如在运动控制和稳定运行至关重要的伺服、致动、定位和变速应用中。在一个实施例中，该方法使用控制器基于BLDC电机的电力消耗(例如，电机的电流消耗)来优化换向。控制器使用电机的电力消耗来判定工具处于哪个操作点以及相应地改变换向。
参见图1至图4，示例性工具100(例如电动手持棘轮工具)包括：壳体部分102，其适于由使用者保持；和驱动器部分104，其连接至壳体部分102。同样，虽然本发明被描述为用于棘轮工具，但是应当理解，本发明可以与任何类型的BLDC电机驱动的工具或装置一起使用。驱动器部分104适于向工件施加扭矩，并且包括驱动凸出部106，该驱动凸出部106适于例如以公知的方式接合工具(例如，套筒或批头)以驱动工件。驱动凸出部106以公知的方式经由驱动器部分104的棘轮机构(未图示)可操作地连接至无刷直流(BLDC)电机108，并由BLDC电机108驱动。驱动器部分104还包括选择器旋钮110，该选择器旋钮110适于选择输出106(例如驱动凸出部)的旋转驱动方向(即，顺时针或逆时针)。例如，驱动器部分104可以是棘轮工具的棘轮头。
壳体部分102可操作地容纳：一个或多个BLDC电机108，其适于驱动输出106；触发器112，其适于致动BLDC电机108；电源(未图示)，例如电池，其适于为BLDC电机提供电力；控制器114(在下文更详细地描述)；和显示器组件116(在下文更详细地描述)。在一个实施例中，壳体部分102由两个或更多个连接在一起的蛤壳式(clamshell)壳体部分118、120组装而成，以协作地形成壳体部分102，并且壳体部分102连接至驱动器组件104，由此将诸如BLDC电机108和控制器114的部件封闭在壳体部分102内。壳体部分102还可以包括手柄部分122，使用者可以在工具100的操作期间抓握或持握该手柄部分122。
BLDC电机108可以以公知的方式经由触发器112可操作地连接至电源。电源可以是外部的(例如，壁装电源插座、发电机、外部电池等)或内部的(例如，可拆卸的且可再充电的电池)。触发器112可适于使得BLDC电机108启动和关闭，或使得电力/电压从电源流至BLDC电机108或停止从电源流至BLDC电机108。
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，使用者可以向内按压触发器112，以选择性地使电力从电源送出并且使BLDC电机108在期望的旋转方向上向驱动器部分104提供扭矩。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实施任何其他合适的触发器112。例如，触发器112可以是拨转致动器、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可向内按压，以使得工具100运行，并且释放触发器112使得触发器112相对于壳体部分102向外移动，以经由触发器112的偏置性质停止工具100的运行。触发器112也可以是变速型机构。在这点上，越进一步按压触发器112，触发器112的相对致动或按压使BLDC电机108以可变速度运行。
显示器组件116包括适于向使用者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)。工具信息可以包括例如工具状态，例如电源的功率位准、选择的驱动凸出部106的驱动方向、电机的功率状态、电池充电或状态、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126适于接收使用者输入，例如选择显示器124上可显示的内容，选择工具参数(例如输出106的驱动方向)，和/或以其他方式操纵显示器124，以控制工具100和/或工具100的参数。
BLDC电机108的电力消耗，例如电流消耗，可以由控制器114利用例如图2所示的电子部件的布置来判定。然而，本发明不限于此，并且可以使用任何合适的电子部件的布置来判定BLDC电机108的电力消耗。
如图2所示，电阻128和130接收来自BLDC电机108的电流，并由于电流经其流过而产生相应的模拟电压Vsense。电阻132和134以及诸如非极化电容器的电容器136对模拟电压进行过滤，以减少噪声。过滤后的模拟电压由缓冲器138接收，并根据增益设置由放大器140放大。放大后的模拟电压由模数转换器(ADC)142转换为数字值，例如10-bit的数字值。控制器114监测和处理数字值，并基于代表BLDC电机108的电流消耗的数字值优化换向。
在一个示例中，控制器114包括处理器，例如中央处理单元(CPU)，用于处理数据并使用已知方法执行非瞬态计算机可读指令。例如，控制器114使用用于指令和数据的运行时临时存储的存储器经由总线从数据存储器中获取指令。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(或者代替)经由总线连接到其他部件，部件还可以连接到其他部件。控制器114监测、分析和处理来自ADC 142的信号，以基于电力消耗(例如BLDC电机108的电流消耗)来优化换向。
图3示出了用于电动工具100的BLDC电机108的示例性开关阵列144。开关阵列144包括三个高侧开关元件H1、H2和H3以及三个低侧开关元件L1、L2和L3，每个开关元件具有第一或导通状态和第二或非导通状态。开关阵列144由控制器114控制，以选择性地将电力从电源146(例如，电池组)施加至BLDC电机108，以实现期望的换向。通过激活特定的高侧开关元件和低侧开关元件，通过使控制器发送经由位于静止部件(称为定子)上的线圈的电流信号来操作无刷电机108。当电流流过线圈时，线圈引起施加至旋转部件(称为转子)的磁力。
转子包含永磁体，该永磁体与定子的绕组引起的磁力相互作用。通过以特定顺序激活高侧开关元件和低侧开关元件的连续组合，从而发送经由定子的绕组的特定顺序的电流信号，定子产生与转子相互作用的旋转磁场，使转子旋转并产生扭矩。
图4是由诸如控制器114的计算设备执行以基于BLDC电机108的电力消耗控制开关阵列144来实现期望的换向的示例性方法的框图。例如，控制器114控制开关阵列144以第一换向(例如，6步换向)来驱动电机108(402)。在该示例中，当检测到新的霍尔转换时，控制器改变被激活的开关元件以控制电机108。在一些情况下，需要一些相位超前或相位延迟来调节相对于电机108中的磁体的霍尔传感器偏差。对于相位超前和相位延迟，控制器判定霍尔信号变化之间的先前时间(previous time)(时间A)。如果使用相位超前，则使用时间A在微控制器中为新的时间量(时间B)设置新的计时器。时间B被计算为比时间A小一定比例，或被计算为小于时间A的等效度数(机械角度或电角度)。例如，可以在将时间B设置为比时间A小20％的情况下配置第一换向，这意味着下一组开关元件将在时间B而不是在下一个预期的霍尔转换(时间A)时被激活。如果使用相位延迟，则时间A用于在微控制器中为新的时间量(时间C)设置新的计时器。时间C被计算为比时间A大一定比例，或被计算为大于时间A的等效度数(机械角度或电角度)。例如，可以在将时间C设置为比时间A大20％的情况下配置第一换向，这意味着下一组开关元件将在时间C而不是在前一个霍尔转换时被激活。控制器114接收并监测指示BLDC电机108的电力消耗的电力消耗信号，例如，功率、电流和/或电压消耗(404)。控制器114判定电力消耗是否超过第一阈值(406)。
当电力消耗未超过(或小于或等于)第一阈值时，该方法返回到步骤402，并且控制器114继续控制开关阵列以第一换向来驱动电机(402)。
当电力消耗超过第一阈值时，控制器114控制开关阵列以第二换向来驱动电机(408)。在一个实施例中，第二换向也是如上所述的6步换向的形式。然而，在第二换向中，添加例如50％的相位超前，对于具有在霍尔转换(60电角度)之间的30度机械转子运动的电机，该相位超前等效于15度机械角度。在以第二换向来驱动电机的同时，该方法继续监测指示BLDC电机108的电力消耗的电力消耗信号。例如，在以第二换向来驱动电机的同时，控制器114接收并监测指示BLDC电机108的电力消耗的电力消耗信号，例如功率、电流和/或电压消耗(410)。控制器114判定电力消耗是否低于(或小于)第二阈值(412)。
当电力消耗不低于(或大于或等于)第二阈值时，该方法返回到步骤408，并且控制器114继续控制开关阵列以第二换向来驱动电机(408)。
当电力消耗低于(或小于)第二阈值时，该方法返回到步骤402，并且控制器114控制开关阵列以第一换向来驱动电机(402)。在一个实施例中，第二阈值小于第一阈值。在另一实施例中，第一阈值和第二阈值是大致相同的值。
例如，当BLDC电机108以最大自由速度运行时，优化换向，以使BLDC电机108的输出速度最大化。一旦控制器114判定BLDC电机108的电力消耗增加到超过第一阈值，这指示BLDC电机108可能失速，则控制器114将换向改变为第二换向，以在BLDC电机108实际失速时产生增大的失速扭矩。由此，第二换向为整个工具100提供了改进的扭矩性能。一旦电力消耗降低到低于第二阈值(第二阈值可以低于第一阈值)，控制器114将换向改变回原始换向(即，第一换向)。例如，如果电流大于或等于30A(第一阈值)，控制器将换向从第一换向改变为第二换向，然后如果电流小于或等于20A(第二阈值)，控制器将换向从第二换向改变为第一换向。
在另一个实施例中，当控制器检测到电机108的转子停止/锁定时，例如当工具100试图移除拧紧的紧固件时，控制器114控制开关阵列，以第三换向驱动电机108。第三换向可以与第一换向或第二换向相同，也可以不相同。由于电机处于静止位置，控制器114可以使用6步换向，而不需要任何额外的相位超前或延迟(除了需要补偿相对于电机108中磁体的位置的霍尔传感器偏差)。这是因为如果工具100不能产生足够的扭矩以从停止/锁定位置脱离，则电机108可能长时间保持在相同的位置。由于这个原因，控制器114将不能准确地判定何时应该激活下一组开关元件，因此原始组的开关元件将保持激活，直到发生另一个霍尔信号转换。在一个实施例中，第三换向被优化，以使电机108的输出扭矩相对于静止/停止状态最大化。
如上所讨论的，本发明的各方面是根据如图所示的电动棘轮工具来描述的。然而，应当理解，本发明的各方面可以植入到其他手持工具中。例如但不限于，手持工具可以是棘轮扳手、冲击扳手、开口扳手、螺丝起子、螺母起子、钻机或能够对工件施加扭矩且由BLDC电机驱动的任何其他工具。另外，本发明可用于使用了BLDC电机的工具中，例如在精确的运动控制和稳定的运行至关重要的伺服、致动、定位和变速应用中。
如本文所使用的，术语“连接”可以指两个部分之间的任何直接或间接的物理、电、磁或其他连接。术语“连接”不限于两个实体之间的固定的直接连接。
上面描述和附图中提出的内容仅作为说明而不是作为限制提供。虽然已经示出和描述了特定的实施例，但是对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离发明人的贡献的更宽泛方面的情况下，可以进行改变和修改。当以基于现有技术的适当视角来看待时，所寻求的保护的实际范围在权利要求书中限定。

Claims (30)

1.一种计算机实现的用于控制无刷直流(BLDC)电机的换向的方法，包括：
控制开关阵列以第一换向来驱动所述BLDC电机；
接收和监测指示所述BLDC电机的电力消耗的电力消耗信号；
判定所述电力消耗是否超过第一阈值；以及
当所述电力消耗超过所述第一阈值时，控制所述开关阵列以第二换向来驱动所述BLDC电机。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述BLDC电机的所述电力消耗是所述BLDC电机的电流消耗。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：当所述电力消耗小于所述第一阈值时，控制所述开关阵列以所述第一换向来驱动所述BLDC电机。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
判定所述电力消耗是否小于第二阈值；以及
当所述电力消耗小于所述第二阈值时，控制所述开关阵列以所述第一换向来驱动所述BLDC电机。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二阈值小于所述第一阈值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二阈值等于所述第一阈值。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：当所述电力消耗大于所述第二阈值时，控制所述开关阵列以所述第二换向来驱动所述BLDC电机。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二换向被优化，以在所述BLDC电机失速时产生增大的失速扭矩。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一换向被优化，以使得所述电力消耗最小化，或者使得所述BLDC电机的输出速度最大化。
10.一种电动工具，包括输出和适于驱动所述输出的无刷直流(BLDC)电机，所述电动工具包括：
开关阵列，其适于选择性地将来自电源的电力施加至所述BLDC电机；以及
控制器，其适于：
控制所述开关阵列以第一换向来驱动所述BLDC电机；
接收和监测指示所述BLDC电机的电力消耗的电力消耗信号；
判定所述电力消耗是否超过第一阈值；以及
当所述电力消耗超过所述第一阈值时，控制所述开关阵列以第二换向来驱动所述BLDC电机。
11.根据权利要求10所述的电动工具，其特征在于，所述控制器还适于：当所述电力消耗小于所述第一阈值时，控制所述开关阵列以所述第一换向来驱动所述BLDC电机。
12.根据权利要求10所述的电动工具，其特征在于，所述控制器还适于：
判定所述电力消耗是否小于第二阈值；以及
当所述电力消耗小于所述第二阈值时，控制所述开关阵列以所述第一换向来驱动所述BLDC电机。
13.根据权利要求12所述的电动工具，其特征在于，所述控制器还适于：当所述电力消耗大于所述第二阈值时，控制所述开关阵列以所述第二换向来驱动所述BLDC电机。
14.根据权利要求12所述的电动工具，其特征在于，所述第二阈值小于所述第一阈值。
15.根据权利要求12所述的电动工具，其特征在于，所述第二阈值等于所述第一阈值。
16.根据权利要求10所述的电动工具，其特征在于，所述BLDC电机的所述电力消耗是所述BLDC电机的电流消耗。
17.根据权利要求10所述的电动工具，其特征在于，所述第二换向被优化，以在所述BLDC电机失速时产生增大的失速扭矩。
18.根据权利要求10所述的电动工具，其特征在于，所述第一换向被优化，以使得所述电力消耗最小化，或者使得所述BLDC电机的输出速度最大化。
19.一种用于控制开关阵列的控制器，所述开关阵列选择性地施加来自电源的电力，以实现无刷直流(BLDC)电机的换向，所述控制器包括：
存储器，其包括非瞬态计算机可读指令；以及
处理器，其适于执行所述非瞬态计算机可读指令，以使得所述处理器：
控制所述开关阵列以使得所述BLDC电机以第一换向驱动；
接收和监测指示所述BLDC电机的电力消耗的电力消耗信号；
判定所述电力消耗是否超过第一阈值；以及
当所述电力消耗超过所述第一阈值时，控制所述开关阵列使得所述BLDC电机以第二换向驱动。
20.根据权利要求19所述的控制器，其特征在于，所述处理器还适于：当所述电力消耗小于所述第一阈值时，控制所述开关阵列使得所述BLDC电机以所述第一换向驱动。
21.根据权利要求19所述的控制器，其特征在于，所述控制器还适于：
判定所述电力消耗是否小于第二阈值；以及
当所述电力消耗小于所述第二阈值时，控制所述开关阵列使得所述BLDC电机以所述第一换向驱动。
22.根据权利要求21所述的控制器，其特征在于，所述处理器还适于：当所述电力消耗大于所述第二阈值时，控制所述开关阵列使得所述BLDC电机以所述第二换向驱动。
23.根据权利要求21所述的控制器，其特征在于，所述第二阈值小于所述第一阈值。
24.根据权利要求21所述的控制器，其特征在于，所述第二阈值等于所述第一阈值。
25.根据权利要求19所述的控制器，其特征在于，所述BLDC电机的所述电力消耗是所述BLDC电机的电流消耗。
26.根据权利要求19所述的控制器，其特征在于，所述第二换向被优化，以在所述BLDC电机失速时产生增大的失速扭矩。
27.根据权利要求19所述的控制器，其特征在于，所述第一换向被优化，以使得所述电力消耗最小化，或者使得所述BLDC电机的输出速度最大化。
28.根据权利要求19所述的控制器，其特征在于，所述处理器还适于：当所述BLDC电机停止时，控制所述开关阵列使得所述BLDC电机以第三换向驱动。
29.根据权利要求28所述的控制器，其特征在于，所述第三换向与所述第一换向和所述第二换向中的一者相同。
30.根据权利要求28所述的控制器，其特征在于，所述第三换向被优化，以使得所述BLDC电机的扭矩相对于停止状态最大化。
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